82523792-MANUAL-DE-DISENO-DE-PAVIMENTOS-noPW.pdf

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

M.Sc. SILENE MINAYA GONZÁLEZ Universidad Ricardo Palma, Universidad Alas Peruanas [email protected]

M.Sc. e ING. ABEL ORDÓÑEZ HUAMÁN Universidad Nacional de Ingeniería [email protected]

SEGUNDA EDICIÓN LIMA, 2006

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DISEÑO MODERNO de Pavimentos Asfálticos

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Dedicatoria A nuestros hijos Fernando y Gabriela

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CAPITULO 1: INTRODUCCIÓN 1.1 Introducción En la ingeniería de pavimentos se han incorporado nuevos conceptos como esfuerzos, deformación, módulo elástico, comportamiento resiliente, etc. que deberá ser conocidos por el lector. En el presente capítulo se definirán algunos de estos conceptos y los otros serán explicados en capítulos especiales. 1.2 Estructura del Pavimento Asfáltico La estructura que se apoya sobre el terreno de fundación o subrasante, y que esta conformado por capas de materiales de diferentes calidades y espesores, que obedecen a un diseño estructural, se denomina pavimento. La estructura del pavimento está destinada a soportar las cargas provenientes del tráfico. Tradicionalmente, los métodos de diseño de pavimentos, han sido empíricos; es decir, que la experiencia representaba un papel importante. Se requería que el ingeniero tuviese muchos años en el área para, de alguna manera, poder interpretar los resultados de las investigaciones de campo y realizar el diseño. Los pavimentos asfálticos están conformados por una carpeta asfáltica apoyada generalmente sobre dos capas no rígidas, la base y sub base. No obstante puede prescindirse de cualquiera de estas capas dependiendo de las necesidades particulares del proyecto. La distribución típica de las capas que conforman la estructura del pavimento se grafican en la figura 1.1. rasante Base

subrasante

Sub base Terreno de fundación

Terreno de fundación sin compactar

Figura 1.1: Estructura Típica de Pavimentos Asfálticos

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Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos

Introducción

La carpeta asfáltica o capa de rodamiento proporciona una superficie uniforme y estable al tránsito, de textura y color adecuado, que debe resistir los efectos abrasivos provenientes del tránsito y del medio ambiente. La nueva Guía de Diseño empírico-mecanístico AASHTO 2002 recomienda que el módulo elástico de la carpeta se evalúe con el Módulo Complejo Dinámico, E*, que será detallado en los siguientes capítulos. Sin embargo, podemos mencionar que la carpeta es una capa muy rígida con valores altos de módulo. El método de diseño AASHTO 1993 considera como parámetro de diseño de la carpeta asfáltico el módulo resiliente, para mezclas asfálticas en caliente estos valores varían de 400,000 a 450,000 psi (28,000 a 32,000 kg/cm2) a 20ºC. La capa de base, generalmente granular, es una capa que se apoya sobre la sub base. La función de esta capa es transmitir los esfuerzos provenientes del tráfico, a la sub base y subrasante. Los requisitos de calidad de agregados de base son muy rigurosos. Esta capa está conformada por grava chancada, compactada al 100% de la máxima densidad seca del ensayo proctor modificado. El módulo elástico de la base se evalúa con el módulo resiliente, MR. Una base granular con CBR del 100% tiene aproximadamente un valor MR de 30,000 psi (2,100 kg/cm2). La sub base, es una capa que según el diseño puede o no colocarse. Se apoya sobre la subrasante y los requisitos de calidad de los materiales que la conforman son menos rigurosos, la razón de esto es que los esfuerzos verticales que se transmiten a través de las capas de pavimentos son mayores en la superficie y van disminuyendo a medida que se profundizan. La sub base es la capa de material seleccionado, más profunda de la estructura del pavimento, razón por la que los materiales que la conforman cumplen requisitos menos rigurosos. El módulo elástico de la sub base se evalúa con el módulo resiliente, MR. Una sub base granular con CBR del 40% (CBR mínimo para sub bases granulares, según las Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras EG-2000, Ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construcción, Oficina de Control de Calidad) tiene un MR de 17,000 psi (1,200 kg/cm2). El terreno de fundación puede estar conformado por un terraplén (caso de rellenos) o terreno natural en el caso de cortes, para ambos casos, la cota geométrica superior se denomina subrasante. El módulo elástico asociado al terreno de fundación es el módulo resiliente, este parámetro ha sido ampliamente investigado por las diferentes agencias de transportes de los Estados Unidos, correlacionándolo con el CBR. En los siguientes capítulos se detallarán los métodos que permiten determinar adecuadamente este valor. Pero podemos mencionar, que el CBR de suelos compactados (como es el caso de terraplenes) y de suelos granulares densos (como el conglomerado de Lima) están asociados al 100% de la máxima densidad seca del proctor modificado; sin embargo, el CBR de subrasantes arenosas y limo arcillosas no puede asociarse a este valor, porque su densidad de campo está muy por debajo de la máxima densidad seca y su humedad natural es mayor que el óptimo contenido de humedad. En este último caso el CBR se obtiene de muestras inalteradas 1 .

A. Ordóñez y S. Minaya, CBR de Subrasantes Arenosas y Limoarcillosas. 11º CILA 2001 Lima; XIII Congreso Nacional de Ingeniería Civil, Puno 2001; IV Congreso Ecuatoriano de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica, Guayaquil 2001.

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Introducción

1.3 Comportamiento Elástico El parámetro que evalúa las deformaciones ante cargas estáticas es el Módulo Elástico E. El módulo elástico relaciona los esfuerzos aplicados y las deformaciones resultantes. Un ejemplo es la zapata, el nivel de esfuerzos aplicados al suelo a través de la zapata es mínimo lo que originará que el suelo se deforme, pero esta deformación no lo llevará a su condición de falla. La teoría elástica permite determinar el módulo elástico del suelo mediante ensayos de campo y laboratorio, como en ensayos de compresión edométrica, triaxial, CBR, placa de carga entre otros. En un ensayo triaxial, a una muestra de suelo se le aplica un confinamiento promedio inicial ( c) para luego aplicarle el esfuerzo axial q. La presión transmitida al suelo es permanente y baja, lo que llevará a que la deformación sea elástica. Gráficamente existente una relación lineal entre la presión transmitida y la deformación, la pendiente de la recta mostrada es el módulo elástico. Para el caso de cimentaciones el asentamiento permisible es de 2.5 cm. q

q

Carga estática permanente

c

E

Terreno de fundación

Donde: σc q εe εa

Ensayo de laboratorio

a e

Esfuerzo de confinamiento Presión axial Deformación elástica Deformación axial Figura 1.2: Comportamiento elástico

Es posible extender la teoría elástica a los ensayos de C.B.R. utilizando los resultados de la prueba de carga asociados a asentamientos característico de 0.1 pulgada. Para ello, se deberá utilizar la solución que ofrece la teoría elástica para el cálculo de asentamiento que ocurre cuando se tiene una superficie circular rígida cargada sobre un medio semi-infinito (Poulos y Davis, 1974). ρ = π/2 (1-ν2) pr/E Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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donde: ρ ν p r E

: Asentamiento : Relación de Poisson : Presión aplicada : Radio del área cargada : Módulo elástico

Considerando un asentamiento característico de 0.1 pulgada; un valor de ν=0.40; radio equivalente a un área circular cargada de 3 pulg2 y la presión aplicada en función del valor CBR, se obtienen las siguientes relaciones 2 : E = 139.7CBR

; E en libra/pulg2

E = 9.83CBR

; E en kg/cm2

Entonces, es posible obtener valores de módulos elásticos, E a partir del valor CBR asumiendo un comportamiento del medio como elástico, uniforme e isotrópico. 1.4 Comportamiento Elasto-Plástico En pavimentos la carga transmitida es móvil, es decir, el suelo experimenta ciclos de carga y descarga. Para un mejor entendimiento se analizará el caso de un ciclo (1 carga y 1 descarga). Cuando el vehículo se aproxima al punto de análisis A, el terreno de fundación se empieza a deformar, esta deformación se hace máxima cuando el vehículo se encuentra exactamente sobre el punto A, en ese momento conocemos la deformación total. Sin embargo, cuando el vehículo se aleja el suelo trata de recuperar su posición inicial pero no lo consigue. La deformación no recuperable se denomina deformación plástica y la deformación recuperable es la deformación elástica. El suelo ha experimentado plastificación. Veloc. Carga móvil, q Pavimento

A

tiempo

Terreno de fundación 2

A. Ordóñez y S. Minaya, CBR de Subrasantes Arenosas y Limoarcillosas, 2001. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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q q

etotal ??

εv ep

ee

ep : deformación plástica, permanente, no recuperable ee : deformación elástica, temporal, recuperable

Figura 1.3: Comportamiento elasto-plástico, un ciclo carga-descarga El terreno de fundación soporta muchos ciclos de carga-descarga, las deformaciones plásticas se van acumulando y las deformaciones elásticas se van haciendo constantes. Cuando el suelo no acumula más deformaciones plásticas ya se consolidó para ese nivel de cargas. La pendiente de la recta al final de esta etapa se denomina módulo resiliente, Mr. El módulo resiliente representa el comportamiento elástico final del suelo. q

Mr =

q Carga móvil, q

q ee

Mr tiempo

e

ep

ee

MR : Módulo Resiliente representa el comportamiento elástico final, residual

ep : Las deformaciones plásticas son acumulables e influyen en el comportamiento del pavimento

Figura 1.4: Comportamiento elasto-plástico, varios ciclos carga-descarga El módulo resiliente ha sido correlacionado con el valor de la capacidad de soporte del suelo CBR, y ha sido usado como parámetro de diseño pero no se ha percibido que éste representa una condición particular del suelo. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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El reciente método de diseño de pavimentos (AASHTO 2002) considera que ninguna de las capas que componen la estructura del pavimento debe tener deformaciones plásticas, sobre todo en la capa más débil. El terreno de fundación aporta en gran medida en las deformaciones de la estructura que no deben exceder de 1mm. se recomienda que todos los suelos con CBR menor de 8 a 10% deben ser estabilizados. La última versión del catálogo Francés, 1998, clasifica los suelos del terreno de fundación en 4 tipos denominados PF1 (cuya capacidad de soporte es baja) a PF4 (elevada capacidad de soporte, generalmente tratada). El catálogo de 1998, no considera la construcción de estructuras sobre suelos del tipo PF1, por considerarlos de calidad insuficiente para garantizar la durabilidad de la estructura. Los suelos clasificados como PF1 son aquellos con CBR menor que 7% y los suelos PF4 son los que tienen CBR mayor que 30 a 40%. Suelos intermedios son el PF2 cuyo CBR está entre 7 y 20%; y los suelos PF3 con CBR entre 20 y 30 a 40%. La construcción de las capas compactadas se controlan con la Viga Benkelman. Las deflexiones máximas, recomendadas por el catálogo Francés de 1998 están en función del módulo del ensayo de placa cíclico y tipo de terreno de fundación, como se muestra en la tabla 1.1. Para suelos arcillosos tratados con cal las deflexiones máximas se muestran en la tabla 1.2. Tabla 1.1: Requisito de deformabilidad en el momento de la construcción de la obra, para capas de refuerzo o fundación no tratada (Catálogo Francés de 1998) Clasificación del suelo Módulo de deformabilidad Deflexión máxima en mm, en MPa (ensayo de placa) viga Benkelman PF2 50 2.0 PF3 120 0.9 PF4 200 0.5

Tabla 1.2: Requisito de deformabilidad en el momento de la construcción de la obra, para suelos arcillosos tratados con cal (Catálogo Francés de 1998)

Clasificación del suelo PF2 PF3 PF4

Deflexión máxima en mm, viga Benkelman Tratamiento sólo con Tratamiento con cal y cal cemento 1.20 0.80 0.80 0.60 -.0.50

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1.5 Ensayo del módulo resiliente para suelos El ensayo del módulo resiliente es similar a un ensayo triaxial, se aplica un esfuerzo desviador cíclico a la muestra previamente confinada. El esfuerzo desviador está en función de la velocidad, carga y confinamiento. La norma AASHTO T274 que estandariza el ensayo del módulo resiliente, en su última revisión de 1999, considera que el especimen puede alcanzar una deformación máxima de 5%. Si la muestra tiene valores mayores de deformación, el módulo resiliente ya no es representativo. El esfuerzo desviador está en función de la velocidad directriz de la vía. Si el vehículo se desplaza lentamente, como en zonas agrestes de fuerte pendiente (carretera central, velocidad entre 10 a 20 km/h), el terreno de fundación podrá deformarse mucho más que en el caso el vehículo circulase rápidamente.

Figura 1.5: Celda triaxial cíclico ensayo de resiliencia.

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Cuando la carga aplicada es lenta, el módulo resiliente, Mr, se acerca al módulo elástico, E. El ensayo de módulo resiliente se realiza para las condiciones a las que estará sometida la vía. q v 80 KPH

Mr

v=0

Mr 10 E

E

deformación

1.6 Proyectos de Investigación En el año 1987 en los EE.UU. se destinó 150 millones de dólares para un proyecto de investigación que agrupó especialistas de diferentes áreas, denominado SUPERPAVE, Superior Performance Pavement. Este proyecto pretendía reemplazar las metodologías empíricas, utilizadas hasta entonces, con metodologías mecanísticas; es decir, aquella que utiliza los conceptos de la mecánica estructural. El proyecto abarcó la evaluación de los agregados y ligantes asfálticos. La fortaleza de este método radica en la apropiada evaluación mecánica del ligante asfáltico. Con este método el ligante asfáltico se evalúa a las temperaturas críticas o extremas de servicio y deja de evaluarse con pruebas empíricas, como el de penetración. Por otro lado, una gran parte de la red nacional se ubica por encima de los 3,000 m.s.n.m. y los pavimentos ubicados en estas zonas al sufrir el efecto de las bajas temperaturas se agrietan de manera prematura. El Stone Mastic Asphalt, SMA, de origen alemán de los años 60 ha permitido dar solución a los problemas de tránsitos pesados y climas fríos, de las carreteras en Europa y últimamente en los EE.UU. y Canadá. El concepto de diseño SMA se basa en una estructura granular donde predomina el contacto piedra-piedra el mismo que le provee de alta resistencia cortante, baja deformación permanente o “rutting” y considera un buen porcentaje de ligante que le da una excelente durabilidad. Las características del comportamiento mecánico de la mezcla asfáltica se alcanzan utilizando una granulometría incompleta (”gap-graded aggregate”) combinada con fibra y/o polímeros modificados y un mayor contenido de ligante. El comportamiento del SMA es actualmente calificado en los EE.UU. y Canadá como de excelente bajo tráfico pesado e intenso y climas fríos, bajo costo de mantenimiento y una duración que alcanza los 30 años de vida de servicio. Recientemente, las metodologías mecanísticas se han extendido en su aplicación, al diseño estructural del pavimento, incorporando los conceptos de la teoría elástica. El método de diseño AASHTO 2002 permite evaluar la estructura de pavimento en función de los esfuerzos

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transmitidos, las deflexiones generadas y el aporte estructural de cada capa que compone la estructura. 1.7 Esfuerzos más Importantes producidos en la Estructura del Pavimento Asfáltico La estructura típica del pavimento en nuestro medio está formada por carpeta asfáltica y capas de material seleccionado colocadas sobre subrasante compactada y subrasante natural, el objetivo es distribuir las cargas provenientes del tránsito, de manera que las presiones verticales a nivel de fundación sean menores a las admisibles por la estructura del pavimento. La llanta no sólo genera esfuerzos verticales sino también esfuerzos horizontales. En una estructura típica de pavimento (carpeta asfáltica, base y sub base granular) los esfuerzos horizontales se disipan a través de la carpeta asfáltica, pasando de un valor positivo en la superficie a uno negativo en su fibra inferior. Los esfuerzos así generados producen fisuras que luego se reflejarán en la superficie. La figura 1.6 muestra la distribución de esfuerzos horizontales (σH) y verticales (σV) de pavimentos típicos. Dos de las principales fallas que se producen en el pavimento están asociadas a las deformaciones excesivas a nivel de la sub-rasante, reflejando el comportamiento del terreno de fundación y la deformación por tracción, asociado al agrietamiento.

(+)

Carpeta Base granular

-

( )

v H

Sub base granular

Suelo compactado Fundación

Figura 1.6: Esquema de la Distribución de Esfuerzos en Pavimentos Típicos El esquema de distribución de esfuerzos en una estructura de pavimentos con base y/o sub base estabilizada se muestra en la figura 1.7. La carpeta asfáltica está sometida solamente a esfuerzos de compresión, mientras los esfuerzos de tracción son absorbidos por la base estabilizada. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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(+)

Carpeta H

-

( )

Base v Estabilizada

Sub base

Figura 1.7: Distribución de Esfuerzos en Pavimentos con Base y/o Sub Base Estabilizada.

Fundación

Desde este punto de vista el ensayo de tracción indirecta y el respectivo parámetro como es el módulo de resiliencia no representa el comportamiento mecánico de la carpeta asfáltica, así, un ensayo de compresión confinada cíclica será representativo del comportamiento mecánico. Witczak y otros, de la Universidad de Arizona, proponen evaluar el Módulo Dinámico Complejo, obtenido de ensayos de compresión triaxial cíclico. La Guía de Diseño de Pavimentos AASHTO 2002 recomienda el uso de este parámetro. El módulo dinámico, E* también ha surgido como el principal candidato para el Simple Performance Test – Superpave, que predice las deformaciones permanentes y agrietamientos fatiga en pavimentos asfálticos [64].

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CAPITULO 2: SUELO DE FUNDACIÓN 2.1 Método de Exploración de Campo del Terreno de Fundación En la ejecución de cualquier proyecto u obra de ingeniería civil es necesario realizar la exploración del lugar, como parte de un programa de investigaciones geotécnicas, el mismo que involucra aspectos de geología y mecánica de suelos. Del tamaño y tipo del proyecto, dependerán las consideraciones del programa de exploración. Las etapas de la exploración de campo son: 1. Trabajo Preliminares de Gabinete: Es la recopilación de la información del lugar como mapas, fotografías, estudios anteriores, etc. 2. Exploración detallada del sitio y muestreo: Levantamiento estratigráfico y mineralogía de los estratos rocosos y condiciones del subsuelo, mediante la ejecución de pozos de prueba denominados “calicatas” se identifican los estratos que conforman la subrasante y se mide la densidad natural del estrato más desfavorable. Se debe identificar las condiciones de agua subterránea y toma de muestra para exámenes más detallados y ensayos de laboratorio. 3. Pruebas de laboratorio con las muestras: Ensayos con muestras alteradas y no alteradas representativas de la estratigrafía. Ensayos estándar con fines de caracterización física de suelos y clasificación, así como ensayos especiales para determinar su capacidad de soporte. 4. Ensayos in situ: Ensayos llevados a cabo en el propio lugar, ya sea antes o durante el proceso de construcción; controles de compactación de campo, ensayos de penetración ligera con DPL, etc. 5. Reporte de resultados: Detalles de estudio geológico, perfiles estratigráfico y mapeado de los resultados de penetración ligera, resultados de las pruebas de laboratorio, incluyendo los registro de excavaciones, referencias de muestras e interpretaciones estratigráficas. 2.2 Alcance de la Exploración del Sitio La información generada por la exploración del lugar está relacionada con los depósitos superficiales de rocas y suelos. El objetivo consiste en obtener un modelo tridimensional del lugar, que se extienda tanto lateral como verticalmente, para incluir todos los estratos que puedan llegar a afectarse por las cargas transmitidas al subsuelo, producidas por la construcción de la vía. Los esfuerzos significativos transmitidos por las cargas del tránsito alcanzan hasta 1.5 m de profundidad.

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Los ensayos de penetración y calicatas deben efectuarse cada 500 m en caso de carreteras y cada 100 m cuando la vía es urbana 1 . En condiciones uniformes y homogéneas, las calicatas se pueden espaciar a varios kilómetros. En condiciones de variaciones laterales o verticales la separación se reduce, con el objetivo de identificar la zona en la que cambian las condiciones de sitio. La profundidad de exploración está relacionada con la transmisión de los esfuerzos, el alcance máximo de una calicata o ensayo de penetración ligera es hasta 1.50 m con respecto al nivel de subrasante. 2.3 Excavaciones a Cielo Abierto (calicatas) y Uso de Posteadoras Manuales Las calicatas (foto 2.1) son realizadas en la mayoría de los suelos, la presencia del nivel freático puede ser una de las limitaciones de este tipo de exploración. Tienen la ventaja de que se pueden realizar a mano o con una excavadora mecánica, y de exponer la sucesión de estratos para facilitar su inspección visual. No existen desventajas para este tipo de exploración. La ejecución de las calicatas requiere un conocimiento de los suelos encontrados, la identificación visual es muy importante durante esta etapa. Las muestras pueden tomarse manualmente del fondo y de las paredes laterales de la calicata. Las calicatas permiten extraer muestras inalteradas que serán remoldeadas en el laboratorio, también permite obtener muestras inalteradas que serán protegidas para que no pierdan humedad natural y se pueden realizar ensayos de densidad in situ. El barrenador manual (foto 2.2), posteadoras del tipo Iwan Auger es una herramienta manual muy simple que se usa para perforaciones o sondajes en suelos blandos hasta una profundidad de 5 a 6 m. La forma usual es un barrenador para arcilla semicilíndrica de 10 cm. de diámetro, unido por medio de una serie de varillas de extensión de 1m a un mango en forma de cruceta que se hace girar manualmente desde la superficie. Las cucharas acopladas en el extremo para extraer muestras tienen diseño especial cuando se trate de suelos puramente cohesivos (arcillas) o friccionantes (arenas). Las posteadoras constituyen un método muy sencillo, económico y rápido de realizar perforaciones en suelos que no contengan presencia de gravas. 2.4 Ensayo de Penetración Ligera con Cono, DPL Se utiliza el Cono Ligero Alemán (foto 2.3) de acuerdo a la Norma DIN 4094 incorporado en la Norma Técnica E0.50 de Suelos y Cimentaciones. Dado que el Cono Alemán transmite la misma cantidad de energía específica que el Ensayo de Penetración Standard S.P.T. - ASTM D 1586, según la Norma DIN, no es necesario utilizar correlaciones para la interpretación de los resultados, ya que el valor numérico de NSPT es similar al valor NDPL. 1

Especificaciones Técnicas del Ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construcción. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Foto 2.1: Calicata

Foto 2.2: Posteadora manual Iwan Auger

El equipo de cono ligero consiste de un cono de punta cónica de 90° y 2,2 cm. de diámetro. El martillo pesa 10 kg. y la altura de caída es de 50 cm. El valor NDPL corresponde al número de golpes para conseguir 10 cm. de penetración. El ensayo es continuo y se registran valores cada 10 cm. de profundidad. Fundamentalmente, el ensayo de penetración ligera es un ensayo de resistencia. Los problemas asociados a pavimentos son de deformabilidad, el suelo estará muy por debajo de los niveles de falla. Aunque el ensayo de penetración ligera es un ensayo de resistencia, se recomienda usarlo para exploraciones con fines de pavimentación, porque permite identificar, mediante la variación del valor NDPL, los espesores y densidad relativa de los estratos que conforman la subrasante. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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La principal limitación del ensayo es la presencia de gravas en el subsuelo que altera los resultados o en el peor de los casos impide el ensayo.

Foto 2.3: Ensayos de penetración ligera con cono

A continuación relaciones empíricas entre el ángulo de fricción φ, densidad relativa y peso unitario de suelos granulares normalmente consolidados Relaciones Empíricas de φ, Dr, y Peso Unitario de los Suelos Granulares Normalmente Consolidados basados en Ensayos SPT para Profundidades menores de 6m. Descripcion Densidad Relativa, Dr SPT N70 Fino 0.075-0.425 mm Medio 0.425-2.000 mm Grueso 2.000-4.750 mm φ: Fino Medio Grueso γd (gr/cm3)

0

Medio Muy Suelto Suelto 0.15 0.35 0.65 1-2 2-3 3-6

3-6 4-7 5-9

7-15 8-20 10-25

26-28 27-28 28-30 1.2-1.4

28-30 30-32 30-34 1.4-1.6

30-34 32-36 33-40 1.6-1.8

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La resistencia a la penetración del ensayo de DPL puede ser correlacionado con el módulo elástico del suelo. Ordóñez y Jurado 2000. Arenas Secas (*)

E = 75+2.5N (**) E = 50+1.7N

Arenas Humedecidas

E = 55+1.7N E = 25+0.85N

(*) Arenas de El Silencio, punta Hermosa. (**)N es el número de golpes/10 cm de penetración, E en kg/cm2. 2.5 Muestreo de Suelos, obtención de Muestras Inalteradas y Alteradas Existen dos categorías principales de muestras de suelos: 2.5.1 Muestras Inalteradas Se preserva, en la medida de lo posible, la estructura y el contenido de humedad para que representen las condiciones de campo, las muestras inalteradas son necesarios para ensayos de CBR en suelos finos como por ejemplo las arcillas, arenas limosas o arcillosas. Las muestras inalteradas se extraen con los moldes de CBR y un accesorio de este, que permite cortar el suelo. Se protege y traslada al laboratorio para su inmediato ensayo, el CBR así calculado, estará asociado a la densidad y humedad natural. Foto 2.4.

Foto 2.4: Molde de CBR y accesorio

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Si el suelo está conformado por arenas y es difícil conseguir una muestra inalterada, se recomienda medir la densidad de campo y tomar una muestra para humedad, de manera que en el laboratorio se remolde los especimenes. 2.5.2 Muestras Alteradas Las muestras alteradas se usan para la identificación del suelo y para pruebas de clasificación y calidad a medida que se recolectan, las muestras se introducen en recipientes de vidrio o plásticos y se sellan, también se pueden usar latas o bolsas de plásticos. Se debe tomar una porción de 100 kg. aproximadamente para realizar los ensayos de proctor modificado y CBR en muestras remoldeadas al óptimo contenido de humedad, para determinar el CBR de diseño para subrasantes granulares, materiales de sub base y base granulares. 2.6 Identificación Visual y Manual de Muestras de Suelo ASTM D 2488 Pruebas de Campo para Clasificación La identificación visual, es el reconocimiento preliminar del suelo sin necesidad de empleo de equipos o ensayos de laboratorio. Mas tarde, los ensayos de laboratorio confirmarán y permitirán precisar la información obtenida del terreno. En el anexo E se detalla los procedimiento visuales y manuales, en esta sección solo se presenta un breve resumen. Esta identificación es una etapa inicial para el estudio de Mecánica de Suelos, que permite tomar decisiones y ajustar el programa de investigación. Los términos básicos para designar a los tipos de suelos son: grava, arena, limo y arcilla; sin embargo, en la naturaleza los suelos son una mezcla de dos o más de éstos y a veces contienen una cantidad de materia orgánica. Sin embargo, es posible identificar el componente predominante y asignarles el término básico. Por ejemplo, una arena limosa tiene las propiedades de una arena, con una cantidad importante de limo; un limo orgánico está compuesto prioritariamente por limo, pero contiene una cantidad significativa de materia orgánica. Se conoce como suelos granulares a las arenas y a las gravas, y como suelos finos a las arcillas y limos. Esta distinción se basa en la visibilidad de las partículas individuales. En laboratorio, los suelos finos y gruesos se separan con la malla Nº200. 2.6.1 Identificación y Descripción de Suelos Finos En comparación a los suelos finos, los suelos granulares son más fáciles de identificar. La angularidad, forma, color, olor, humedad, consistencia, cementación, estructura, tamaño máximo de partículas y dureza, son las principales características de este tipo de suelos. Los suelos finos para su identificación necesitan de algunos ensayos de campo, para poder diferenciar las arcillas de los limos o de las arenas finas. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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A) Reacción a la Agitación o Dilatancia Una muestra de suelo se amasa formando una bolita, la que debe contener una humedad tal que el agua casi aparezca en la superficie. La muestra preparada se coloca en la palma de la mano y se sacude horizontalmente golpeándola en forma reiterada y fuerte contra la otra mano.

Foto 2.5: Prueba de Dilatancia

El suelo tiene reacción rápida al sacudimiento cuando la pasta cambia de forma y evidencia una superficie brillante (debido a la expulsión de agua). Cuando el suelo tiene reacción rápida al sacudimiento con unos pocos golpes, se puede asegurar que se trata de un limo. Si la reacción del suelo es muy lenta o no hay reacción, se puede concluir que se trata de una arcilla. Para el caso de arenas limpias muy finas la reacción es muy rápida. Reacciones intermedias dejan una interrogante para identificar el suelo y por ello es necesario recurrir a un ensayo de amasado para despejar la interrogante. Sin embargo, en el caso en que el tipo de suelo fino se pueda definir sólo con el ensayo de dilatancia, es siempre conveniente continuar con el ensayo de amasado que se enuncia a continuación. B) Ensayo de amasado o de tenacidad El ensayo de amasado complementa el ensayo de dilatancia. Una pasta de suelo se amasa hasta alcanzar la consistencia de la masilla, luego se forma un bastón de aprox. 3 mm. Este proceso se repite hasta que el contenido de humedad se reduce y la muestra adquiere una consistencia dura. El bastón se rompe en varias partes al ser amasado (foto 2.6).

Foto 2.6: Prueba de tenacidad Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Cuanto más tenaz es el rollito y cuanto mas duros son los trozos al desmoronarse, mas importante es la fracción arcillosa del suelo. Durante el ensayo se deben observar: 1. Resistencia del suelo al amasado, cuando está cerca de las condiciones de ruptura descritas: una arcilla opone mucha resistencia y un limo opone una baja resistencia. 2. Plasticidad el suelo se comporta plásticamente durante el amasado, pero deja de hacerlo una vez que alcanza la humedad que tiene el bastón al romperse. 3. Brillo cuando se alcanza la rotura del bastón de suelo, se puede unir sus partes al oprimirlas entre sí fuertemente con los dedos, se frota con la uña y se observa si la superficie frotada brilla. Las arcillas presentan una superficie brillante que va en aumento según el crecimiento de la plasticidad, es decir, es más brillante si la arcilla es más plástica. C) Resistencia en Estado Seco (a la disgregación) Una muestra de suelo se deja secar expuesta al sol y aire, se mide su resistencia rompiéndola y desmoronándola entre los dedos. La resistencia (en estado seco) aumenta con la plasticidad (presencia de arcilla). Un limo inorgánico posee una resistencia muy ligera. Las arenas finas limosas y los limos tienen baja resistencia. Una arcilla será muy resistente en estado seco, a mayor porcentaje de arcilla en la muestra, mayor será su resistencia. En la tabla 2.1 se resumen los ensayos de campo, con resultados visuales y el tipo de suelo al que está relacionado ese comportamiento.

Foto 2.7: Resistencia en estado seco

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Tabla 2.1: Identificación de Suelos con Pruebas Manuales Suelo Típico

Resistencia en Estado Seco

Dilatancia

Tenacidad

Tiempo de sedimentación en prueba de dispersión

Limo arenoso

ninguna a muy baja

Rápida

De débil a baja De 30 a 60 min

Limo

muy baja a baja

Rápida

De débil a baja De 15 a 60 min

Limo arcilloso

baja a media

De rápida a lenta

Media

De 15 min. a varias horas

Arcilla arenosa

baja a alta

De lenta a ninguna Media

De 30 seg. a varias horas

Arcilla limosa

Media a alta

De lenta a ninguna Media

De 15 min. a varias horas

Arcilla

Alta a muy alta

Ninguna

Alta

De varias horas a días

Limo orgánico

baja a media

Lenta

De débil a baja De 15 min. a varias horas

Ninguna

Alta

Arcilla orgánica Media a muy alta

De varias horas a días

2.6.2 Identificación y Descripción de Suelos Granulares En campo se considera un tamaño de 5 mm. para separar gravas de arenas. Las gravas pueden separarse en: Gravas gruesas Entre 75 mm. y 19 mm Gravas finas Entre 19 mm y 5 mm En laboratorio las arenas pueden separarse en arenas gruesas, medias y finas, según su tamaño. Arenas gruesas. Arenas medias. Arenas finas.

Entre la malla Nº 4 (4,76 mm.) y la malla Nº 10 (2 mm.). Entre la malla Nº 10 y la malla Nº 40 (0,425 mm.). Entre la malla Nº 40 y la malla Nº 200 (0,075 mm.).

En la descripción de un suelo granular se deben incluir ciertas características particulares de importancia, las cuales van a influir en su comportamiento. 1. Suelo predominante (grava arenosa, arena con grava, etc.). 2. Porcentaje estimado de bolones de preferencia en el pozo de reconocimiento y no en la muestra obtenida. 3. Tamaño máximo de las gravas o bolones en pulgadas. 4. Tamaño de los granos dominantes (para los suelos pobremente graduados, es decir, que no tienen una buena distribución de tamaños, se debe indicar si las arenas son gruesas, medias o finas, al igual que las gravas si son gruesas o finas). 5. Porcentaje de finos. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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6. Estado de las partículas (si el material constituyente de los granos no es sano y esta en estado de alteración, las partículas pueden romperse entre las manos). Además de estos datos se debe indicar: A) Angularidad Describir la angularidad de la arena (solamente de la fracción gruesa), grava, cantos rodados y boleos como angular, subangular, subredondeada y redondeada. B) Forma Si las partículas tienen forma chata, alargada o chata y alargada. Esta característica es muy importante porque el porcentaje de participación de estas partículas está limitado según especificaciones. Las partículas chatas y alargadas pueden romperse durante la aplicación de las cargas y modificar la granulometría del medio. C) Otros Otras características importantes son el color, cementación, dureza y rango de partículas. 2.7 Ensayos de Laboratorio Las muestras representativas se remiten al laboratorio para su respectivo ensayo. Los ensayos que generalmente se solicitan para caracterizar el suelo con fines de pavimentación son: 2.7.1 Ensayos para Clasificación de Suelos A las muestras representativas de los estratos que conforman la subrasante (hasta una profundidad de 1.50 m), se les realiza el análisis granulométrico por tamizado y límites de consistencia. Estos resultados deben corroborar la identificación visual realizada en campo. Los resultados del análisis granulométrico y los límites de consistencia se reportan gráficamente, como se muestra en la figura 2.1.

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Figura 2.1: Análisis granulométrico por tamizado.

2.7.2 Contenido de Humedad Para determinar el contenido de humedad de una muestra de suelo. Se obtiene aproximadamente 200 gr. de muestra que se protegen en un recipiente o una bolsa cerrada. Esta muestra se traslada al laboratorio y se pesa. Se lleva al horno por 24 horas, y luego de este período se vuelve a pesar. El contenido de humedad se reporta en porcentaje como:

ω(%) =

Peso suelo humedo − Peso suelo seco Peso suelo seco

2.7.3 Ensayo de Densidad Natural El ensayo de densidad natural, permite conocer la condición natural del terreno de fundación. En suelos granulares será importante si el terreno está compacto o suelto. En terrenos de fundación conformados por subrasantes arenosas y limo arcillosas, este valor permitirá remoldear muestras en el laboratorio a la densidad de campo. Las muestras así remoldeadas, serán ensayadas en la prensa de CBR para determinar el CBR de diseño.

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Otra aplicación de este ensayo es en los controles de compactación de campo para el caso de la conformación de terraplenes, capas de afirmado, base y sub base. Conociendo la máxima densidad seca y el óptimo contenido de humedad del suelo a compactar, se puede verificar el porcentaje de compactación con este ensayo. En el mercado hay una diversidad de equipos que permiten medir la densidad natural del suelo y contenido de humedad. Entre ellos se encuentra el método del Cono y la Arena, densímetro nuclear, etc.

Ensayo de Densidad Natural mediante el Cono de Arena

Ensayo de Densidad Natural con Densímetro Nuclear ASTM D 2922

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2.7.4 Contenido de Sales Solubles (Carbonatos, Cloruros y Sulfatos, etc) En casos especiales, dependiendo de los condicionantes geológicos de sitio, es importante determinar el contenido de sales solubles que pueden influir en el comportamiento mecánico o impactar en las obras de concreto como son los cloruros y sulfatos. En zonas áridas próximas a la línea de costa es probable encontrar presencia significativa de sales solubles, ya que el mar es una fuente generadora de sales. Existe una regla en el sentido que áreas ubicadas a menos de 5 km. del mar presenta contenido de sales. 2.7.5 Ensayo Proctor Modificado, ASTM D 1557 La compactación de suelos constituye un capítulo importantísimo y se halla íntimamente relacionada con la pavimentación de carreteras, vías urbanas y pistas de aterrizaje. El ensayo de compactación mediante el ensayo de proctor modificado, relaciona la humedad del suelo versus su densidad seca, empleando un martillo de 4.54 kg (10 lb) soltado desde una altura de 457 mm (18 pulg), trasmitiendo una energía de compactación de 56,000 lb-pie/pie3 ó 2,700 kN-m/m3. El suelo extraído de campo es compactado en un molde de dimensiones conocidas, con diferentes contenidos de humedad. Para contenidos bajos de humedad el suelo no se compactará adecuadamente, porque no existe la lubricación que permita el acomodo de las partículas. Para altos contenidos de humedad el suelo pierde densidad, porque el agua entre las partículas impide que estas se junten. Solo se tendrá una máxima densidad seca, MDS. La humedad a la que la muestra alcanza su máxima densidad seca, se denomina óptimo contenido de humedad. Los resultados de este ensayo son graficados como se muestra en la figura 2.2. Los resultados de la figura 2.2 indican que el suelo ensayado alcanza su máxima densidad seca, MDS, a 2.176 gr/cm3 y el contenido de agua asociado a esta densidad, OCH, es 7.88%. En suelos granulares densos, la densidad de campo es muy cercana a la MDS del proctor modificado; sin embargo, en suelos finos como las arenas y arcillas limosas, la densidad de campo, generalmente, es mucho menor que la MDS. La Humedad Natural de Suelos Arenosos y Limo-Arcillosos muchas veces alcanzan valores muy por encima del O.C.H. y la Densidad Natural presenta valores mucho menores al Ensayo Proctor Modificado. En Conclusión, el terreno de fundación no alcanzará y/o estará lejos de la Densidad Equivalente al 95% ó 100% de la MDS, criterio que se asume como regla general. Figura 2.3.

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Curva de Compactación

Peso Específico Seco (gr/cc)

2.19 2.18 2.17 2.16 2.15 2.14 2.13 2.12 2.11 2.10 5

6

7

8

9

10

11

Contenido de Hum edad (%)

Figura 2.2: Curva de compactación del proctor modificado Si el lector desea tener mayor información sobre el proyecto de investigación realizado por los autores durante el año 2000, titulado “C.B.R. DE SUBRASANTES ARENOSAS Y LIMO-ARCILLOSAS” podrá remitirse al Anexo A de este libro. 2.05 Proctor Modificado

3

Densidad Seca (gr/cm )

1.971

1.85 Condición Natural (20.1,1.62)

1.65 11.7

1.45 4

8

12

Humedad (%)

16

20

24

Figura 2.3: Curva Densidad Seca –Humedad. Av. La Paz Cdra. 10 San Miguel - Lima Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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2.7.6 California Bearing Ratio (C.B.R.) Los métodos de diseño de pavimentos relacionan el valor de la capacidad de soporte del suelo o CBR con el módulo resiliente del material. El módulo resiliente es el parámetro que se utiliza en el diseño del pavimento. El módulo resiliente se obtiene de ensayos triaxiales mediante ciclos de carga y descarga; sin embargo, AASHTO 2002 presenta una ecuación que permite correlacionar el valor del módulo resiliente con el del CBR. De aquí la importancia de evaluar adecuadamente el CBR del material. El ensayo de “California Bearing Ratio” o CBR, es un ensayo relativamente simple, comúnmente usado para obtener un índice de la resistencia del suelo de subrasante, material de base, sub base o afirmado. Para materiales de base, sub base y afirmado, así como subrasantes granulares, el CBR puede estar asociado a la máxima densidad seca del próctor modificado; sin embargo, para subrasantes finas (subrasantes arenosas, arcillosas o limosas) el valor del CBR debe estar asociado a su densidad de campo. Investigaciones han demostrado que el CBR de suelos finos en muestras compactadas al OCH y MDS, arrojan valores de CBR muy por encima de su valor real. Tranquilamente una arcilla compactada al OCH y MDS puede tener un CBR de 15%, pero ensayada en su condición natural el CBR puede ser menor a 2 ó 3%. El comportamiento de la subrasante es función de la humedad y densidad, asociado a las condiciones ambientales del sitio. En suelos de baja capacidad de soporte donde los valores de humedad alcanzan la condición saturada y los valores de densidad de campo están muy por debajo de la densidad de compactación, los valores de los módulos elásticos realmente son muy bajos. Se proponen tres métodos para determinar el valor de CBR: CBR in situ, mide directamente la deformación ante una carga aplicada, CBR en muestras inalteradas, es un método recomendado para subrasantes de suelos finos. Consiste en obtener una muestra inalterada de campo, que será protegida para que no pierda su humedad natural (si no fuese posible obtener una muestra inalterada de campo, se puede preparar especimenes en laboratorio a la humedad y densidad natural). En el laboratorio se realiza el ensayo de penetración en su condición natural y saturada, siguiendo el mismo procedimiento que en muestras remoldeadas. CBR en muestras remoldeadas, método recomendado para subrasantes granulares, materiales de base, sub base y afirmado. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Los especimenes pueden ensayarse en su condición natural o saturada, luego de un período de inmersión en agua, la condición saturada es la más desfavorable. El CBR es la relación (expresada en porcentaje) entre la resistencia a la penetración requerida para que un pistón de 3 pulg2 de área penetre 0.1 pulg dentro de un suelo entre 1000 psi que es la resistencia a la penetración de una muestra patrón. La muestra patrón es una piedra chancada. El CBR se expresa como:

CBR =

Resistencia a la penetracion (psi) requerida para penetrar 0.1 pulg 1,000 lb / pu lg 2

× 100

En ocasiones, el CBR calculado para una penetración de 0.2 pulg. con su correspondiente resistencia a la penetración estándar de 1500 psi, puede ser mayor que el obtenido para una penetración de 0.1 pulg. Cuando esto ocurre, se debe realizar un nuevo ensayo, si los resultados son similares, el valor del CBR para 0.2 pulg de penetración, se reporta como el CBR representativo de la muestra. 2.8 Concepto de Capacidad de Soporte de la Subrasante La capacidad de soporte de la subrasante, es la capacidad que tiene el suelo de soportar los esfuerzos verticales transmitidos por las cargas de tránsito. La deformación del suelo la deflexión resultante deberán ser menores a las admisibles. Para que la estructura de pavimento se comporte adecuadamente y cumpla el período de diseño, presentará una deflexión máxima de 0.20 mm. para cargas estáticas transmitidas por un eje estándar de 8.2 ton. La deflexión máxima, bajo cargas estáticas, puede ser medida con la Viga Benkelman, esto significa que al nivel de subrasante la deflexión máxima será de 0.5 a 1 mm. Los reglamentos estatales en EE.UU. recomiendan que el valor CBR de la subrasante debe ser como mínimo entre 8 y 10%. Caso contrario, se deberá primero estabilizar el terreno antes de construir la estructura del pavimento. 2.9 Estratigrafía de los suelos nomenclatura y simbología Se debe realizar la descripción de los diferentes estratos que conforman el terreno investigado. Se detallaran las características físicas, clasificación visual, color, humedad, plasticidad de los finos, consistencia o densidad relativa y algunas características particulares como cementación, presencia de troncos, raíces o cualquier material extraño.

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Se mencionará, además, la profundidad a la que se encuentre el nivel freático, si fuera el caso, indicando la fecha de medición y comentarios sobre su variación en el tiempo. Además, es importante indicar, el resultado de los ensayos de laboratorio obtenidos para los estratos evaluados, de manera que la información sea mas clara. 2.10 Registros estratigráficos. Todos los resultados de la evaluación de campo y ensayos de laboratorio se indican en los registros estratigráficos. Los registros estratigráficos se preparan para cada calicata o cada exploración con equipo de penetración. Un ejemplo de registro de calicata con ensayo de penetración ligera se muestra en la figura 2.4. 2.11 Perfil longitudinal del terreno El perfil longitudinal del terreno en estudio es el resultado gráfico de la interpolación de las calicatas. En este perfil se visualiza la disposición de los estratos en toda la subrasante. Los perfiles se obtienen de los trabajos de campo, como calicatas y ensayos de penetración. Todos los resultados de laboratorio deben indicarse en este perfil. De esta manera se puede tomar la decisión de los trabajos que serán considerados en el diseño y ejecución del proyecto.

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DESCRIPCION DEL MATERIAL

Arena limosa, humeda, con raicez, en estado suelto a semicompacto, cementado. Presencia de gravillas aisladas. NDPL de 6 a 12.

0.10 0.20 0.30 0.40 0.50

0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 1.60 1.70 1.80 1.90 2.00 2.10 2.20

CALICATA A CIELO ABIERTOPENETRACIÒN LIGERA

0.60

SM

Grava limosa, pobremente graduada, semi compacto, con presencia de bolones subredondeados de TM=8". Porcentaje de bolones de 25%. NDPL mayor de 50. Clasificacion SUCS Humedad, ω Limite liquido, LL Indice Plastico, IP % de finos

50

1.50

>

50

1.60

>

50

1.70

>

50

1.80

>

50

1.90

>

50

2.00

>

50

2.10

>

50

2.20

>

50

GRAFICA DE N 10

20

30

50

Figura 2.4: Ejemplo de registro de calicata y sondaje

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CAPITULO 3: MATERIAL DE PRÉSTAMO 3.1 Introducción Los agregados empleados en la construcción de carreteras, deben cumplir con requisitos de granulometría y especificaciones técnicas, que garanticen un buen comportamiento durante su periodo de vida. En este capítulo se cubrirá el tema de la granulometría y calidad de agregados que conformarán las capas de afirmado, sub base y base. Durante los últimos 10 años se han desarrollado nuevas tecnologías y criterios para el diseño de mezclas asfálticas, variando los criterios del diseño de mezclas, pero los métodos de evaluación de calidad de los agregados no se ha modificado. Las especificaciones granulométricas de las carpetas asfálticas, se verán con detalle en el capítulo correspondiente, donde se tratará de los tipos de mezclas asfálticas. Sin embargo, en este capítulo se consideran los ensayos de calidad de agregados para carpetas asfálticas. 3.2 Especificaciones Técnicas de Material de Préstamo: Afirmado, Sub Bases y Bases Granulares. Mezclas de Suelos y Agregados 3.2.1 Especificaciones Granulométricas Los materiales granulares que conformaran las capas de afirmado, sub base y base, deben cumplir con rangos granulométricos especificados por el MTC. La gradación es una de las más importantes propiedades de los agregados. Este afecta casi todas las propiedades importantes de una mezcla asfáltica en caliente, incluyendo dureza, estabilidad, durabilidad, permeabilidad, trabajabilidad, resistencia a la fatiga, resistencia al rozamiento, y resistencia a la humedad. De esta manera, la gradación es la primera consideración en un diseño de mezclas asfálticas. Teóricamente, es razonable pensar que la mejor gradación sea la densa o bien gradada; sin embargo, recientes investigaciones han demostrado que las mezclas del tipo Stone Mastic Asphalt, SMA, tienen un mejor comportamiento cuando están sometidas a la acción de tráfico pesado, en zonas de altura. Las especificaciones granulométricas vigentes en el Perú son las Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras EG-2000, del Ministerio de Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construcción, Oficina de Control de Calidad. En la tabla 3.1 se listan los rangos máximos y mínimos para materiales de afirmado. En la figura 3.1 se grafican los rangos especificados. Tabla 3.1: Huso Granulométrico para Afirmado Muestra Abertura Tamiz (mm) 2" 50,000 1 ½” 37.500 1" 25,000 ¾” 19.000 3/8" 9,500 Nº4 4,750 Nº10 2,000 Nº40 0,425 Nº200 0,075

Afirmado (% que pasa) A-1

A-2

100 100 90-100 65-100 45-80 30-65 22-52 15-35 5-20

-.-.100,0 80-100 65-100 50-85 33-67 20-45 5-20

Nº4

3/4"

2"

3"

Huso Granulométrico para Afirmados

Nº200

Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras EG2000, Ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construcción, Oficina de Control de Calidad

A-2 A-1

80 60 40 20

100

10

1

0.1

% acumulado que pasa

100

0 0.01

Abertura (mm)

Figura 3.1: Rangos Granulométricos para Materiales de Afirmado, Sub-base y Base Granulares (MTC) Las especificaciones técnicas para rangos granulométricos de materiales de sub base y base, son los mismos. Las normas ASTM D 1241 las especifican bajo el título Standard Specification for Materials for Soil-Aggregate Subbase, Base and Surface Courses, ésta Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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norma fue revisada por última vez en 1994. El Ministerio de Transportes y Comunicaciones la hizo suya y las consideró dentro de las especificaciones emitidas en el año 2000. La tabla 3.2 muestra las especificaciones granulométricas para materiales de sub base y base granular. En la figura 3.2 se muestran las especificaciones gráficamente. Tabla 3.2: Huso para Sub-Base y Base Granular Porcentaje que pasa en peso Tamiz 2" 1" 3/8" Nº4 Nº10 Nº40 Nº200

Abertura Gradación A(1) Gradación B Gradación C Gradación D (mm) 50,000 100 100 -.-.25,000 -.75-95 100 100 9,500 30-65 40-75 50-85 60-100 4,750 25-55 30-60 35-65 50-85 2,000 15-40 20-45 25-50 40-70 0,425 8-20 15-30 15-30 25-45 0,075 2-8 5-15 5-15 8-15

Standard Specification for Materials for Soil-Aggregate Subbase, Base and Surface Courses. ASTM D-1241-68 (Reapproved 1994); y Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras EG-2000, Ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construcción, Oficina de Control de Calidad: (1) la curva “gradación A” deberá emplearse en zonas con altitud mayor o igual a 3000 m.s.n.m.

3.2.2 Calidad de Agregados Para verificar la calidad de un determinado banco de materiales, estos deben ser sometidos a ensayos de suelos, debiendo cumplir con las especificaciones técnicas emitidas por el Ministerio de Transportes y Comunicaciones EG-2000. Los materiales que serán empleados como material de afirmado o sub base podrá ser agregado natural, triturado o una combinación de ambos. Los agregados para bases deberán ser chancados. Todos los agregados utilizados como afirmados, sub base y base serán resistentes, sin exceso de partículas chatas o alargadas, no podrán presentar terrones de arcilla ni materia orgánica. Los ensayos a los que están sometidos los suelos son: Abrasión “Los Angeles”, Equivalente de Arena, ensayo de proctor modificado, CBR asociados a la máxima densidad seca y al óptimo contenido de humedad del proctor, partículas chatas y alargadas, caras de fractura, sales solubles y contenido de impurezas orgánicas.

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Nº200

Nº4

3/4"

2"

3"

Huso Granulométrico para Sub Bases y Bases Granulares 100

B A

% acumulado que pasa

80 60 40 20 0

100

10

1

0.1

0.01

Abertura (mm)

Nº200

Nº4

3/4"

2"

3"

Rango Granulométrico para Sub Bases y Bases Granulares

80 60 40 20

% acumulado que pasa

100

D C

0 100

10

1

Abertura (mm)

0.1

0.01

Figura 3.2: Rangos granulométricos para materiales de sub base y base granulares (MTC)

Las muestras al llegar al laboratorio se separan, porque serán ensayadas para que verifique diferentes requisitos de calidad. En la tabla 3.3 se muestra en resumen, los ensayos a los que están sometidas las muestras que conformarán las capas de afirmado, sub base, base o carpeta de rodadura.

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Tabla 3.3: Ensayos de Calidad de Agregados ENSAYOS Análisis Granulométrico por Tamizado Límites de Consistencia Equivalente de Arena Peso específico y Absorción Peso unitario suelto Peso unitario varillado Abrasión Proctor Modificado CBR Porcentaje de caras fracturadas % de partículas chatas y alargadas Contenido de impurezas orgánicas Contenido de sales solubles totales Adherencia (entre mallas Nº3/8" y ¼") Riedel Weber (según norma a emplear) Durabilidad

Sub base X X X

X X X X X X X

Base Afirmado Asfalto Granular Piedra Arena X X X

X X X X X X X

X X X

X X X

X

X X X X

X X X X X

X X X

X X X

X X X X

En la tabla 3.4 se listan las especificaciones técnicas que deben cumplir los materiales que serán usados como afirmado, sub base y base. 3.2.3 Suelos Estabilizados Las normas del Ministerio de Transportes y Comunicaciones considera dentro de sus especificaciones a los suelos estabilizados con cemento y cal, se harán un breve resumen de ambas combinaciones. a) Estabilizados con Cemento El material a estabilizar con cemento podrá ser A-1, A-2, A-3, A-4, A-5, A-6 y A-7, con tamaño máximo de 2” y no mayor de 1/3 del espesor de la capa compactada. En la tabla 3.5 se muestran las especificaciones del agregado que será estabilizado con cemento. El cemento con que será estabilizado el suelo será portland, el cual deberá cumplir con la Norma Técnica Peruana NTP 334.009, Norma AASHTO M85 ó ASTM C 150. El cemento que podrá ser empleado es el denominado Tipo I o cemento portland normal. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Material de Préstamo

Tabla 3.4: Especificaciones Técnicas para Materiales empleados en Construcción de Carreteras Sub base granular Ensayo

Norma

Afirmado

12% Mezclas porosas Va > 20% 10.2 Definiciones a) Mezclas de gradación densa HMA HMA de gradación densa están compuestas por ligante de cemento asfáltico y agregado de gradación continua. Las mezclas convencionales de HMA consisten de agregados de tamaño máximo nominal en el rango de 12.5 mm (0.5 pulg.) a 19 mm (0.75 pulg.). Foto 10.1 Large-stone mix contienen agregados gruesos con un tamaño máximo nominal mayor que 25 mm (1 pulg.). Como se ve en la figura 9.1a, estas mezclas tienen un mayor porcentaje de agregados gruesos que las mezclas convencionales (mayores que el tamiz 4.75 mm o no. 4). Por el mayor tamaño de los agregados, el esfuerzo de compactación aplicado a la mezcla debe ser monitoreado para prevenir fracturas excesivas de los agregados mayores durante el proceso de compactación. Asfalto-arena está compuesto por agregado que pasa el tamiz 9.5 mm o 0.375 pulg. (figura 10.1a). El contenido de ligante en la mezcla es mayor que para mezclas HMA convencionales porque se incrementan los vacíos en el agregado mineral de la mezcla. Las arenas usadas en este tipo de mezcla son arenas chancadas o naturales de textura rugosa, la resistencia a las deformaciones permanentes de este tipo de mezclas es típicamente muy bajo. b) Mezclas open-graded Las mezclas open-graded consisten de una gradación relativamente uniforme y ligante de cemento asfáltico o ligante modificado (figura 10.1b). El principal propósito de este tipo de mezclas es servir como una capa drenante, tanto en la superficie del pavimento o dentro de la estructura del pavimento. Figura 10.2 y Foto 10.2.

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a. Gradación densa

b. Opengraded

c. Gap-graded

Figura 10.1: Gradaciones representativas de HMA Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Como se indicó, hay dos tipos de mezclas open-graded. El primer tipo de mezcla son utilizadas como una superficie gruesa para proporcionar drenaje libre en la superficie y prevenir los encharcamientos, reduce las salpicaduras de las llantas, y reduce el ruido de las llantas. Este tipo de mezcla es frecuentemente definido como open-graded friction course OGFC. El segundo tipo de mezcla, denominado base permeable tratada con asfalto, comprende una gradación uniforme de tamaño máximo nominal mayor que las usadas en OGFC –19 mm (0.75 pulg.) a 25 mm (1 pulg.) y se usa para drenar el agua que entra a la estructura del pavimento desde la superficie o de la subrasante. La producción de las mezclas open-graded es similar a las mezclas de gradación densa. Se usan temperaturas de mezcla menores para prevenir el escurrimiento del asfalto caliente o draindown durante el almacenamiento o traslado al lugar del proyecto. Recientemente se están empleando polímeros y fibras en mezclas open-graded friction course para reducir el draindown y mejorar la durabilidad de la mezcla. La colocación de este tipo de mezclas es convencional. El esfuerzo de compactación por lo general es menor que las mezclas de gradación densa. c) Mezclas gap-graded La función de las mezclas gap-graded es similar a la mezclas de gradación densa porque estas también proporcionan capas densas impermeables cuando la compactación es apropiada. Las mezclas gap-graded convencionales se vienen usando por muchos años. El rango de los agregados va desde gruesos hasta finos, con poca presencia de tamaños intermedios; un tipo de mezcla gap-graded se muestra en la figura 10.1c. El segundo tipo de mezclas gap-graded es el stone mastic aspahlt, SMA. Una representación ilustrativa de este tipo de mezcla se muestra en la figura 9.1c. La producción de mezclas SMA requiere la incorporación de significativas cantidades de filler mineral al agregado normal de tal manera que alcance del 8 al 10% de material que pasa el tamiz 0.075 mm o no. 200. Como en las mezclas open-graded la temperatura de descarga de la mezcla necesita ser controlada para prevenir el escurrimiento o draindown del ligante durante el almacenamineto o transporte. Las fibras y/o polímeros son normalmente usados con SMA para prevenir el draindown. 10.3 Consideraciones del Diseño de Mezclas La característica del diseño de mezclas comprende: Densidad de la mezcla Vacíos de aire Vacíos en el agregado mineral Contenido de asfalto. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Cada una de estas características tiene mucha importancia en el comportamiento de la mezcla. La densidad de la mezcla es la relación entre el peso de la mezcla por unidad de volumen. Si bien es cierto que esta característica no es utilizada en el diseño de la mezcla, se emplea para los controles de compactación. A la mezcla asfáltica compactada en el laboratorio se le asigna la densidad patrón y será ésta el punto de referencia en los controles. Los Vacíos de aire o vacíos están conformados por el aire atrapado en la mezcla compactada. A menor porcentaje de vacíos de aire la mezcla será menos permeable. En el diseño de mezclas convencionales, los vacíos de aire están entre 3 a 5% en laboratorio, pero en campo se permite tener vacíos de aire no mayores al 8% permitiendo que la carpeta se compacte bajo tránsito. La densidad de la mezcla está en función del contenido de vacíos, mezclas con menor porcentaje de vacíos serán más densas, y visceversa. Un alto porcentaje de vacíos de aire resulta en una mezcla porosa, que permite el paso del agua a través de su estructura, pero además puede causar deterioro debido a que hay mayor porcentaje de aire (como se mencionó en capítulos anteriores el aire oxida el asfalto). Bajos porcentajes de vacíos de aire son perjudiciales en la mezcla, debido a que cuando soporta las carga de tránsito la carpeta se comprime y el asfalto se acomoda en los vacíos atrapados, si el número de vacíos es pequeño, el asfalto no podrá acomodarse en el interior y tendrá que salir a la superficie, esto se conoce como exudación. Los Vacíos en el agregado mineral (VMA) consideran los volúmenes ocupados por los vacíos de aire atrapados y el asfalto efectivo 1 . El diseño considera un porcentaje mínimo de VMA dependiendo del tamaño del agregado. Si el porcentaje del VMA son bajos la película de asfalto será delgada y la mezcla será susceptible a oxidación. Con altos porcentajes de VMA la película de asfalto será mas gruesa y la mezcla será más durable. Una graduación densa puede reducir el porcentaje de VMA, reduciendo la película de asfalto y, por consiguiente, reduciendo la durabilidad de la mezcla y dándole un aspecto seco. El Contenido de asfalto es el porcentaje de asfalto que se incorpora en la mezcla. Parte del asfalto será absorbido por el agregado y el resto de asfalto formará una película que rodean las partículas. A los primeros se les denomina asfalto absorbido y al segundo asfalto efectivo. El óptimo contenido de asfalto de la mezcla está en función de la granulometría y el porcentaje de absorción del material. Mezclas con alto porcentaje de filler (mayor superficie específica) requerirán mayor porcentaje asfalto, por ejemplo las mezclas SMA tienen mas porcentaje de asfalto que una mezclas convencional y superpave. Mezclas porosas (% filler menor de 2%) necesitan menor porcentaje de asfalto.

1

Asfalto efectivo es la película de asfalto que rodean los agregados Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Foto 10.1: Mezcla Convencional

Figura 10.2: Mezcla Porosa

Foto 10.2: Mezcla Porosa

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Las Propiedades consideradas en el diseño son: Estabilidad Durabilidad Impermeabilidad Trabajabilidad Flexibilidad Resistencia a la fatiga Resistencia al deslizamiento La estabilidad está relacionada con la capacidad del asfalto para soportar deformaciones bajo cargas de tránsito y resistir el desplazamiento horizontal, depende de la fricción y cohesión interna. La fricción se relaciona con la geometría y textura de la partícula; la cohesión se relaciona con las características del ligante. Los agregados que forman parte de mezclas asfálticas deben ser de caras fracturadas y superficie rugosa, generalmente provenientes de chancado. Los agregados con estas características tienen una mejor trabazón y mayor resistencia cortante, caso contrario al de agregados con partículas redondeadas que se deslizan una sobre otras. La estabilidad de la mezcla se ha medido respecto del porcentaje de asfalto. A mayor porcentaje de asfalto la mezcla se hace más estable hasta determinado límite, luego la estabilidad de la mezcla disminuye. A medida que se incrementa el porcentaje de asfalto en la mezcla, la película de asfalto que rodea los agregados permite que estos se acomoden. Si la película de asfalto es muy gruesa impide la trabazón entre las partículas. La durabilidad de la mezcla se relaciona a la capacidad del agregado a la desintegración, a la capacidad del asfalto a reaccionar con el medio y a evitar que el asfalto se desprenda del agregado. Los agregados que forman parte de mezclas asfálticas, no sólo deben cumplir con especificaciones granulométricas, sino también de calidad. Las presiones que soportarán los agregados, sobre todo en sus aristas son altas, por lo tanto deben ser duros y muy resistentes. Para que no exista riesgo de peladuras (desprendimiento de la película de asfalto) los agregados deben ser hidrofóbicos. La película de asfalto cumple un papel importante en la durabilidad de la mezcla. Si la película es gruesa, se tendrá menor porcentaje de vacíos de aire, esta condición retarda la oxidación que sufre el asfalto al encontrarse en contacto con el oxígeno, manteniendo por mayor tiempo sus características originales. Los vacíos de aire no se deben reducir mucho porque el asfalto necesita espacio para expandirse en climas cálidos. Si la película es delgada el asfalto se oxidará rápidamente.

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La impermeabilidad es la capacidad del medio para evitar el paso de aire y agua. Esta definición se relaciona con el porcentaje de vacíos de aire en la mezcla compactada y el acceso que estos vacíos tengan con la superficie. Mezclas porosos son diseñadas con la finalidad de permitir que el agua proveniente de las lluvias drene rápidamente a través de ellas. El alto porcentaje de vacíos de aire de este tipo de mezclas facilitaría la oxidación del asfalto; sin embargo, esta condición se reduce usando asfaltos modificados. La trabajabilidad de la mezcla es la facilidad con que la mezcla se coloca y compacta. Mezclas con alto porcentaje de fracción gruesa o alto porcentaje de filler son poco trabajables. Las mezclas del tipo open graded (mezclas porosas) y gap-graded (como las Stone Mastic Asphalt) tienden a segregarse y son difíciles de compactar. Mezclas con alto porcentaje de filler puede hacer que la mezcla se vuelva muy rígida evitando su adecuada compactación. Controlar la temperatura de compactación en la mezcla es muy importante, debido a que las mezclas frías son semi-rígidas a rígidas y no permiten su compactación dejando alto porcentaje de vacíos de aire. Mezclas flexibles resisten las deformaciones sin agrietarse. El terreno de fundación se asentará con los años debido al servicio, este asentamiento se reflejará en la superficie y la carpeta deberá acomodarse sin agrietarse. La carpeta asfáltica está soportando constantemente la acción de cargas cíclicas, este tipo de cargas origina que la carpeta se flexione constantemente. La resistencia a la fatiga es la resistencia a esta flexión, esta características está íntimamente relacionada al asfalto, asfaltos oxidados no son resistentes a la fatiga. Los agrietamientos por fatiga surgen en la fibra inferior de la carpeta asfáltica cuando ésta trabaja a tracción, y se reflejan en la superficie denominándose piel de cocodrilo. La superficie de rodadura debe reducir la posibilidad que la llanta se deslice sobre ella, sobre todo en épocas de lluvia, esto se define como resistencia al deslizamiento. Mezclas porosas fueron pensadas para evitar el hidroplaning (encharcamiento de agua en la superficie, posiblemente por efecto de las lluvias) y deprimir el agua inmediatamente se encuentre en la superficie. Carpetas asfálticas con partículas redondeadas son menos resistentes al deslizamiento que las carpetas formadas por partículas duras y de textura rugosa. 10.3 Propiedades volumétricas 10.3.1 Generalidades Un factor importante que debe ser considerado en el comportamiento de mezclas asfálticas son las relaciones volumétricas entre el ligante asfáltico y los agregados. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Las propiedades volumétricas más importantes de una mezcla compactada de pavimento son: vacíos de aire (Va), vacíos en el agregado mineral (VMA), vacíos llenos con asfalto (VFA), y contenido de asfalto efectivo (Pbe), proporcionan un índice del probable comportamiento de la mezcla durante su vida de servicio. 10.3.2 Definiciones El agregado mineral es poroso y puede absorber agua y asfalto en diferentes grados. Además, la proporción de agua a asfalto absorbido varia con el tipo de agregado. Los tres métodos para medir las gravedades especificas de los agregados consideran estas variaciones. Los métodos son: gravedad específica bulk, gravedad especifica aparente y gravedad especifica efectiva. La diferencia entre las gravedades especificas viene de las diferentes definiciones de volumen del agregado. a) Gravedad Específica Bulk, Gsb La relación del peso en el aire de un material permeable (incluyendo los vacíos permeables e impermeables del material) a temperatura establecida al volumen del agregado incluyendo los vacíos permeables. Figura 10.2. G sb =

Donde: Gsb Ws Vs Vpp γw

Ws Vs + Vpp γ w

(

)

gravedad especifica bulk del agregado peso del agregado seco volumen del agregado con los vacíos impermeables volumen de vacíos permeables peso específica del agua, 1 gr/cm3

b) Gravedad Específica Aparente, Gsa Es la relación del peso en el aire de un material impermeable con respecto al volumen del agregado incluyendo los vacíos impermeables. Figura 10.2. G sa =

Donde: Gsa Ws Vs γw

Ws Vs γ w

gravedad especifica aparente peso del agregado seco volumen del agregado con los vacíos impermeables peso específica del agua, 1 gr/cm3 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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c) Gravedad Específica Efectiva, Gse Relación del peso en el aire de un material permeable (excluyendo los vacíos permeables al asfalto) con respecto al volumen del agregado con los vacíos impermeables y vacíos permeables que no absorbieron asfalto. Figura 10.2. G se =

Donde: Gse Ws Vs γw

Ws Vs + Vpp − Vap γ w

(

)

gravedad especifica efectiva peso del agregado seco volumen del agregado con los vacíos impermeables peso específico del agua, 1 gr/cm3

Figura 10.2: Propiedades Peso-Volumen en Mezclas Asfálticas Compactadas Las definiciones de vacíos en el agregado mineral (VMA), contenido de asfalto efectivo (Pbe), vacíos de aire (Va), y vacíos llenos con asfalto (VFA) son: d) Vacíos en el agregado mineral (VMA) Volumen de vacíos entre los agregados de una mezcla compactada que incluye los vacíos de aire y el contenido de asfalto efectivo, expresado en porcentaje del volumen total de la mezcla. Ver figura 10.3. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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e) Contenido de asfalto efectivo (Pbe) El contenido de asfalto total de la mezcla menos la porción de asfalto absorbida por el agregado. Ver figura 10.3. f) Vacíos de aire (Va) Volumen total de las pequeñas cavidades de aire entre las partículas de agregado cubiertas en toda la mezcla, expresada como porcentaje del volumen bulk de la mezcla compactada. Ver figura 10.3. g) Vacíos llenos con asfalto (VFA) Porción del volumen de vacíos entre las partículas de agregado (VMA) que es ocupado por el asfalto efectivo. Figura 10.3. aire

Va Vfa

asfalto

Vma Vb

Vba

Vmm agregado mineral

Vsb

Vma Vmb Vmm Vfa Va Vb Vba Vsb Vse

Vmb

Vse

volumen de vacíos en agregado mineral volumen bulk de la mezcla compactada volumen de vacíos de la mezcla de pavimentación volumen de vacíos llenos con asfalto volumen de vacíos de aire volumen de asfalto volumen de asfalto absorbido volumen del agregado mineral (gravedad específica bulk) volumen del agregado mineral (gravedad específica efectiva)

Figura 10.3: Esquema de una Muestra HMA Compactada

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El diseño de mezclas Superpave requiere del cálculo de VMA para mezclas compactadas en función de la gravedad específica bulk del agregado. La gravedad específica efectiva es la base para el cálculo de los vacíos de aire en mezclas asfálticas compactadas. Los vacíos en el agregado mineral (VMA) y los vacíos de aire (Va) se expresan como porcentaje por volumen de mezcla. Los vacíos llenos con asfalto (VFA) es el porcentaje de VMA lleno con asfalto efectivo. El contenido de asfalto puede expresarse como porcentaje del peso total de la mezcla, o por peso, del agregado de la mezcla. El Instituto del Asfalto recomienda que los valores de VMA para mezclas compactadas deben calcularse en función de la gravedad específica bulk del agregado, Gsb. La gravedad específica efectiva debe ser la base para calcular los vacíos de aire en la mezcla de asfalto compactado. 10.3.3 Análisis de Mezclas Compactadas La siguiente relación indica el procedimiento para analizar los vacíos de una mezcla compactada: 1. Medida de la gravedad específica bulk del agregado grueso (AASHTO T85 o ASTM C127) y de los agregados finos (AASHTO T84 o ASTM C128). 2. Medida de la gravedad especifica del cemento asfáltico (AASHTO T228 o ASTM D70) y del filler mineral (AASHTO T100 o ASTM D854). 3. Cálculo de la gravedad específica bulk de la combinación de agregados en la mezcla. 4. Medida de la gravedad específica teórica máxima de la mezcla suelta (ASTM D2041 o AASHTO T209). 5. Medida de la gravedad específica bulk de la mezcla compactada (ASTM D1188 o ASTM D2726 o AASHTO T166). 6. Cálculo de la gravedad específica efectiva del agregado. 7. Cálculo de la gravedad específica máxima de la mezcla a otros contenidos de asfalto. 8. Cálculo del asfalto absorbido por el agregado. 9. Cálculo del contenido de asfalto efectivo de la mezcla. 10. Cálculo del porcentaje de vacíos en el agregado mineral en la mezcla compactada. 11. Cálculo del porcentaje de vacíos de aire en la mezcla compactada. 12. Cálculo del porcentaje de vacíos llenados con asfalto en la mezcla compactada. 10.3.4 Gravedad Específica Bulk del agregado Cuando el agregado total consiste de fracciones separadas de agregados grueso, fino y filler, todos tienen diferentes gravedades específicas, la gravedad específica bulk de la combinación de agregados se calcula empleando la siguiente ecuación:

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G sb =

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P1 + P2 + ...... + Pn P P1 P2 + + ...... + n Gn G1 G 2

Donde: gravedad específica bulk de la combinación de agregados Gsb P1, P2, Pn porcentajes individuales por peso del agregado G1, G2, Gn gravedad específica bulk individual del agregado. La gravedad específica bulk del filler mineral es difícil determinarlo actualmente. Sin embargo, si se sustituye por la gravedad específica aparente del filler, el error es mínimo. 10.3.5 Gravedad Específica Efectiva del Agregado La gravedad específica efectiva se calcula con la gravedad específica teórica máxima de mezclas asfálticas (RICE) ASTM D-2041, con la siguiente expresión: G se =

Donde: Gse Pmm Pb Gmm Gb

Pmm − Pb Pmm Pb − G mm G b

Gravedad específica efectiva del agregado porcentaje en peso del total de la mezcla suelta, 100% Porcentaje de asfalto para el peso total de la muestra gravedad específica teórica máxima (ASTM D-2041) de la mezcla (sin vacíos de aire) Gravedad específica del asfalto

El volumen de asfalto absorbido por un agregado casi invariable menos que el volumen de agua absorbida. En consecuencia, el valor de la gravedad especifica efectiva de un agregado estaría siempre entre su gravedad específica bulk y aparente. Cuando la gravedad específica efectiva está fuera de estos límites, se debe asumir que este valor es incorrecto. La gravedad específica aparente, Gsa, de la combinación de agregados puede calcularse de manera similar a la fórmula empleada para bulk pero usando las gravedades aparentes de los agregados grueso, fino y filler. 10.3.6 Gravedad Específica Teórica Máxima de Mezclas con Diferentes Contenidos de Asfalto Cuando se diseña una mezcla con un agregado dado, se requiere la gravedad específica teórica máxima, Gmm, con diferentes contenidos de asfalto para calcular el porcentaje de vacíos de aire para cada contenido de asfalto. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Luego de calcular la gravedad específica efectiva de los agregados considerando cada medición de las gravedades específicas teóricas máximas y promediando los resultados de Gse, la gravedad específica teórica máxima para algún otro contenido de asfalto puede obtenerse con la siguiente expresión: G mm =

Donde: Gmm Pmm Ps Pb Gse Gb

Pmm Ps P + b G se G b

gravedad específica teórica máxima (ASTM D-2041) de la mezcla (sin vacíos de aire) porcentaje en peso del total de la mezcla suelta, 100% contenido de agregado, porcentaje en peso del total de la mezcla contenido de asfalto, porcentaje en peso del total de la mezcla gravedad especifica efectiva del agregado gravedad especifica del asfalto

10.3.7 Absorción de Asfalto La absorción de asfalto se expresa como el porcentaje en peso del agregado mas que como el porcentaje del peso total de la mezcla, el asfalto absorbido, Pba, se determina usando: G − G sb Pba = 100 × se Gb G sb G se

Donde: Pba Gse Gb Gsb

asfalto absorbido, porcentaje del peso de agregado. gravedad especifica efectiva del agregado gravedad especifica del asfalto gravedad especifica bulk del agregado

10.3.8 Contenido de Asfalto Efectivo de la Mezcla El contenido de asfalto efectivo, Pbe, de una mezcla es el contenido de asfalto total menos la cantidad de asfalto absorbido dentro de las partículas de agregado. Esta es la porción del contenido de asfalto total cubre el exterior del agregado. Este es el contenido de asfalto que gobierna la performance de una mezcla asfáltica. La fórmula es: P Pbe = Pb − ba Ps 100

Donde: Pbe Pb

contenido de asfalto efectivo, porcentaje del peso total de la mezcla. contenido de asfalto, porcentaje del peso total de la mezcla. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Pba Ps

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asfalto absorbido, porcentaje del peso de agregado. contenido de agregado, porcentaje del peso total de la mezcla.

10.3.9 Porcentaje de VMA en Mezcla Compactada Los vacíos en el agregado mineral, VMA, se definieron como los vacíos entre las partículas de agregado de la mezcla compactada, incluye los vacíos de aire y el contenido de asfalto efectivo, se expresa como un porcentaje del volumen total. El VMA se calcula en base a la gravedad específica bulk del agregado y se expresa como un porcentaje del volumen bulk de la mezcla compactada. Por consiguiente, el VMA puede calcularse restando el volumen del agregado determinado por su gravedad especifica bulk del volumen bulk de la mezcla compactada. Si la composición de la mezcla se determina como porcentaje por peso de la mezcla total: G P VMA = 100 − mb s G sb

Donde: VMA Gsb Gmb Ps

vacíos en el agregado mineral, porcentaje del volumen bulk gravedad especifica bulk del agregado total gravedad especifica bulk de la mezcla compactada (AASHTO T166; ASTM D1188 o D2726) contenido de agregado, porcentaje del peso total de la mezcla

10.3.10 Porcentaje de Vacíos de Aire en Mezcla Compactada Los vacíos de aire, Va, en el total de la mezcla compactada consisten de los pequeños espacios de aire entre las partículas de agregados recubiertos. El porcentaje de vacíos de aire en la mezcla compactada puede determinarse usando: G − G mb Va = 100 × mm G mm

Donde: Va Gmm Gmb

vacíos de aire en la mezcla compactada, porcentaje del volumen total gravedad especifica teórica máxima de la mezcla gravedad especifica bulk de mezcla compactada

10.3.11 Porcentaje VFA en Mezclas Compactadas Los vacíos llenos con asfalto, VFA, es el porcentaje de los vacíos entre partículas (VMA) que se llenan con asfalto. VFA, no incluye el asfalto absorbido, y se determina usando: Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Diseño de Mezclas Asfálticas

VFA = 100 ×

Donde: VFA VMA Va

( VMA − Va ) VMA

vacíos llenados con asfalto, porcentaje de VMA vacíos en el agregado mineral, porcentaje del volumen bulk vacíos de aire en mezcla compactada, porcentaje del volumen total.

10.4 Diseño de Mezcla Convencional Una mezcla para pavimentación se clasifica de acuerdo a su tamaño máximo o tamaño máximo nominal. El libro Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design and Construction de la NAPA Research and Education Foundation, especifica que para la mayoría de las mezclas asfálticas en caliente se requieren gradaciones densas (mezclas convencionales) para agregados. En las tablas 10.2 y 10.3 se muestran las especificaciones recomendados por ASTM D-3515. Tabla 10.2: Composición Típica del Concreto Asfáltico Tamiz

(1 1/2")

Tamaño máximo nominal del agregado (1") (3/4") (1/2")

(3/8")

Porcentaje acumulado que pasa (por peso) 50 mm (2") 37,5 mm (1 ½") 25,0 mm (1") 19,0 mm (3/4") 12,5 mm (1/2") 9,5 mm (3/8") 4,75 mm (Nº 4) 2,36 mm (Nº 8)* 0,30 mm (Nº 50) 0,15 mm (Nº 100) 0,075 mm (Nº 200)**

100 90-100

100 90-100

56-80

100 90-100

56-80

Cemento asfáltico, % en peso de la mezcla total***

100 90-100 44-74 28-58 5-21

100 90-100 55-85 32-67 7-23

23-53 15-41 4-16

29-59 19-45 5-17

56-80 35-65 23-49 5-19

0-5

1-7

2-8

2-10

2-10

3-8

3-9

4-10

4-11

5-12

4 y 67 o 4 y 68

5y7 o 57

67 o 68 o 6y8

7 o 78

8

* Las características de la gradación total de una mezcla de asfalto para pavimentos la cantidad que pasa el tamiz 2,36 mm (Nº8) es un significativo y conveniente control de campo de agregado fino y grueso. La cantidad máxima permitida que pase el tamiz 2,36 mm (Nº8) resultaría en superficies de pavimentos de textura fina, mientras que las cantidades mínimas que pasan por el tamiz 2,36 mm (Nº8) resultaría en superficies de textura gruesa. ** El material que pasa el tamiz 0,075 mm (Nº200) consiste de partículas finas de agregados o filler, o ambos. Este debe estar libre de materia orgánica y partículas de arcilla y con índice de plasticidad no mayor de 4 ensayado según ASTM D 423 y D 424 *** La cantidad de cemento asfáltico se da en términos de porcentaje en peso del total de la mezcla. La diferencia de gravedades específicas en diferentes agregados, así como una considerable diferencia en absorción, resulta en un rango amplio de contenido de cemento asfáltico. La cantidad de asfalto que se requiere para una mezcla se debe determinar por ensayos de laboratorio apropiados o en base a experiencias con mezclas similares, o por combinación de ambos.

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Diseño de Mezclas Asfálticas FLUJO VS. % DE ASFALTO

ESTABILIDAD VS. % DE ASFALTO PESO ESPECIFICO VS. % DE ASFALTO 17

2900 2850

16

2800

2.280 2.270 2.260 2.250

2750

15

2750

FLUJO (0.01")

2.290

ESTABILIDAD (Lb)

PESO ESPECIFICO (gr/cm3)

2.300

2700 2650 2600 2550

13 12

2500 2.240

11

6,9

2450

2.230

6,9

2400 4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

10 4.5

5.0

5.5

ASFALTO (%)

VOLUMEN LLENO CON ASFALTO VFA (%)

8.0 7.0 6.0 4,0

4.0 3.0 2.0 1.0

6,9

0.0 4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

ASFALTO (%)

7.0

7.5

8.0

6.5

7.0

7.5

8.0

ASFALTO (%)

% VACIOS LLENOS DE CON ASFALTO VS. % DE ASFALTO

9.0

5.0

6.0

ASFALTO (%)

% VACIOS VS. % DE ASFALTO

VACIOS VTM (%)

14

14

% VOLUMEN DE AGREGADO GRUESO MINERAL VS. % DE ASFALTO

100.0

21.0

90.0

20.0 79

80.0

18,6

19.0

70.0

18.0

60.0

17.0

50.0

16.0 6,9

6,9

40.0

15.0 4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

ASFALTO (%)

7.5

8.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

ASFALTO (%)

Figura 10.3: Resultados típicos de diseño de mezclas asfálticas ensayada en la prensa Marshall

S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

179

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Diseño de Mezclas Asfálticas

Tabla 10.3: Especificaciones para Gradaciones Densas, ASTM D3515 Mezcla Densa Tamiz

Tamaño máximo nominal de agregados 2”

1 ½”

1”

¾”

½”

3/8”

Nº4

Nº8

Nº16

Gradación de agregados (grava; fino y filler si se requiere) Porcentaje en peso 2 ½” (63mm)

100

-

-

-

-

-

-

-

-

90-100

100

-

-

-

-

-

-

-

-

90-100

100

-

-

-

-

-

-

1” (25.0mm)

60-80

-

90-100

100

-

-

-

-

-

¾” (19.0mm)

-

56-80

-

90-100

100

-

-

-

-

1/2” (12.5mm)

35-65

-

56-80

-

90-100

100

-

-

-

3/8” (9.5mm)

-

-

-

56-80

-

90-100

100

-

-

Nº4 (4.75mm)

17-47

23-53

29-59

35-65

44-74

55-85

80-100

-

100

Nº8 (2.36mm)

10-36

15-41

19-45

23-49

28-58

32-67

65-100

-

95-100

Nº16 (1.18mm)

-

-

-

-

-

-

40-80

-

85-100

Nº30 (600μm)

-

-

-

-

-

-

25-65

-

70-95

Nº50 (300μm)

3-15

4-16

5-17

5-19

5-21

7-23

7-40

-

45-75

Nº100 (150μm)

-

-

-

-

-

-

3-20

-

20-40

Nº200 (75μm)

0-5

0-6

1-7

2-8

2-10

2-10

2-10

-

9-20

2” (50mm) 1 ½” (37.5mm)

Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design and Construction. NAPA, 1996.

10.5 Ejemplo La siguiente tabla ilustra los datos básicos para una muestra de mezcla asfáltica.

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Diseño de Mezclas Asfálticas

Datos Básicos para Muestras de Mezclas Asfálticas (a)Constituyentes: Material

Gravedad Específica Bulk

AASHTO

ASTM

Composición de Mezcla % por peso % por peso del total de del total de mezcla agregado 5.3 (Pb) 5.6 (Pb) 47.4 (P1) 50.0 (P1) 47.3 (P2) 50.0 (P2) -.-.-

Cemento asfáltico 1.030 (Gb) T 228 D 70 Agregado grueso 2.716 (G1) T 85 C 127 Agregado fino 2.689 (G2) T 84 C 128 Filler mineral T 100 D 854 (b) Mezcla asfáltica Gravedad especifica bulk de la mezcla compactada, Gmb (ASTM D 2726) Gravedad especifica teórica máxima de la mezcla, Gmm (ASTM D 2041)

2.442 2.535

1. Gravedad específica bulk de la combinación de agregados. Cuando la muestra se ensaya en fracciones separadas (por ejemplo, grueso y fino), el valor de la gravedad específica promedio se calcula con la siguiente ecuación: G=

Donde: G G1, G2, ......, Gn P1, P2, ......., Pn

P1 + P2 + ....... + Pn P P1 P2 + + ..... + n Gn G1 G 2

Gravedad específica promedio Valores de gravedad específica por fracción 1, 2, ....., n Porcentaje en pesos de la fracción 1, 2, ....., n

La gravedad específica bulk del filler mineral es difícil de determinar. Sin embargo, si se sustituye por la gravedad específica aparente del filler, el error es despreciable. Esta ecuación se puede aplicar para determinar la gravedad específica bulk y aparente de la combinación de agregados. Usando los datos del ejemplo: G sb =

50.0 + 50.0 100 = = 2.703 50.0 50.0 18.41 + 18.59 + 2.716 2.689

2. Gravedad Específica Efectiva del Agregado, Gse El procedimiento para determinar la gravedad específica efectiva no está normado por AASHTO o ASTM. Los valores se obtienen a partir del cálculo de la gravedad específica Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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teórica máxima de mezclas asfálticas (Gmm) ASTM D-2041, éste ensayo se realiza sobre mezclas sueltas, de esa manera se eliminan los vacíos de aire. G sa > G se > G sb W G se = s Vefec

En general: Por definición:

El volumen efectivo es el volumen del agregado mas los vacíos permeables al agua que no se llenaron de asfalto. En el ensayo de gravedad específica teórica máxima (Gmm), se mide el volumen de la mezcla suelta y el volumen del cemento asfáltico se calcula con su peso y su gravedad específica. El volumen efectivo del agregado se determina sustrayendo el volumen del cemento asfáltico del volumen total. G se =

sustituyendo los volúmenes, G se =

simplificando,

WT − Pb (WT ) VTV − VAC WT − Pb (WT ) W WT − AC G mm Gb

1 − Pb P 1 − b G mm G b P −P G se = mm b Pmm Pb − G mm G b G se =

ó Donde: Ws VAC Vefec WT VTV Pmm Pb WAC Gb Gmm

Peso del agregado Volumen del cemento asfáltico total Volumen efectivo Peso total de la mezcla Volumen total de la mezcla suelta porcentaje en peso del total de la mezcla suelta, 100% contenido de asfalto del ASTM D2041, porcentaje del peso total de la mezcla Peso total del cemento asfáltico Gravedad específica del cemento asfáltico Gravedad especifica teórica máxima de la mezcla (ASTM D2041), no incluye los vacíos de aire

Usando la ecuación en el ejemplo:

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G se =

Diseño de Mezclas Asfálticas

1 − 0.053 0.947 = = 2.761 1 0.053 0.3945 − 0.0515 − 2.535 1.030

3. Gravedad Específica Teórica Máxima de la mezcla para otros contenidos de asfalto Por definición: G mm =

Ws + WAC Vefectivo + VAC

Sustituyendo, WT Ws WAC + G se Gb WT G mm = WT (1 − Pb ) WT Pb + G se Gb G mm =

simplificando, y asumiendo que el peso total es el 100% G mm =

ó Donde: Ws VAC Vefec WT Pb WAC Gb Gse

1

1 − Pb Pb + G se Gb Pmm G mm = Ps P + b G se G b

Peso del agregado Volumen del cemento asfáltico total Volumen efectivo Peso total de la mezcla contenido de asfalto del ASTM D2041, porcentaje del peso total de la mezcla Peso total del cemento asfáltico Gravedad específica del cemento asfáltico Gravedad especifica efectiva del agregado

Usando los datos de la tabla y la gravedad especifica efectiva, Gse, para 4% de contenido de asfalto (Pb): G mm =

1 1 = = 2.587 1 − 0.04 0.04 0.3477 + 0.0388 + 2.761 1.030

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4. Porcentaje de Asfalto Absorbido, Pba El porcentaje de asfalto absorbido del agregado mineral usualmente se expresa por peso del agregado mas que por peso de la mezcla total. La ecuación para calcular el asfalto absorbido puede obtenerse a partir de: ⎛W ⎞ Pba = ⎜⎜ ba ⎟⎟ × 100 ⎝ Ws ⎠

sustituyendo, peso = volumen x gravedad especifica ⎛ V × Gb ⎞ ⎟⎟ × 100 Pba = ⎜⎜ ba W s ⎠ ⎝

El volumen de asfalto absorbido es la diferencia entre el volumen bulk del agregado y su volumen efectivo. Por lo tanto, Pba =

(Vsb − Vse ) × G b Ws

× 100

sustituyendo, volumen = peso/ gravedad especifica ⎛ Ws W ⎜⎜ − s G sb G se Pba = ⎝ Ws

simplificando,

Donde: Pba Wba Ws Vba Vsb Vse Gb Gse Gsb

⎞ ⎟⎟ × G b ⎠ × 100

G − G sb Pba = se × G b × 100 G sb G se

porcentaje de asfalto absorbido por peso del agregado peso de asfalto absorbido peso del agregado peso de asfalto absorbido volumen bulk del agregado volumen efectivo del agregado gravedad especifica del cemento asfáltico gravedad especifica efectiva del agregado gravedad especifica bulk del agregado

Reemplazando los datos del ejemplo: Pba =

2.761 − 2.703 ⎛ 0.058 ⎞ × 1.030 × 100 = ⎜ ⎟ × 1.030 × 100 = 0.8% 2.703 × 2.761 ⎝ 7.463 ⎠

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5. Porcentaje de Asfalto Efectivo, Pbe El contenido de asfalto efectivo, Pbe, de la mezcla es el contenido total de asfalto menos la cantidad de asfalto que absorbió el agregado. Esta es la capa de asfalto que recubre exteriormente el agregado y es el contenido de asfalto que gobierna el comportamiento de la mezcla asfáltica. P P Pbe = Pb − ba s 100 Donde: Pbe Pb Ps Pba

contenido de asfalto efectivo, porcentaje por peso total de la mezcla contenido de asfalto, porcentaje del peso total de la mezcla contenido de agregado, porcentaje por peso total de la mezcla asfalto absorbido, porcentaje por peso del agregado

De los datos del ejemplo: El porcentaje en peso de la mezcla es 5.3% y el porcentaje en peso del agregado es 0.8%, reemplazando: 0.8% × 94.7% Pbe = 5.3% − = 5.3% − 0.758% = 4.5% 100 6. Porcentaje VMA en Mezcla Compactada Como ya se indicó el volumen de vacíos en el agregado mineral VMA es un factor importante para el diseño de mezclas. La fórmula para VMA puede obtenerse considerando la relación peso-volumen de la figura 2. Se recomienda que el cálculo sea realizado con la gravedad específica bulk del agregado: VMA =

VT − Vsb × 100 VT

simplificando, Vsb × 100 VT sustituyendo volumen con el peso dividido entre la gravedad específica VMA = 100 −

VMA = 100 −

Ws G sb WT Gmb

× 100

sustituyendo, Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Ws = WT − Pb × WT

y simplificando

Donde: Vsb VT Ws WT Gsb Gmb Pb

⎛ G (1 − Pb ) ⎞ ⎟⎟ VMA = 100⎜⎜ 1 − mb G sb ⎝ ⎠

volumen bulk del agregado volumen total de mezcla compactada peso del agregado peso total de la mezcla gravedad especifica bulk del agregado gravedad especifica bulk de la mezcla compactada contenido de asfalto, porcentaje del peso total de la mezcla

Para el ejemplo: ⎛ 2.442(1 − 0.053) ⎞ VMA = 100⎜ 1 − ⎟ = 100(1 − 0.855) = 14.4% 2.703 ⎝ ⎠

7. Porcentaje de Vacíos de Aire en la Mezcla Compactada, Va

La fórmula para calcular el porcentaje de vacíos de aire puede obtenerse a partir de: Por definición, V Va = v × 100 VT sustituyendo,

Vv = VT − Vfa − Vs b

⎛ V − Vfa − Vsb ⎞ ⎟⎟ × 100 Va = ⎜⎜ T VT ⎠ ⎝ ⎛ V + Vsb ⎞ ⎟⎟ × 100 Va = ⎜⎜ 1 − fa VT ⎝ ⎠

multiplicando el numerador y denominador por

WT

y simplificando,

WT ⎞ ⎛ ⎟ ⎜ VT ⎟ × 100 ⎜ Va = 1 − ⎟ ⎜ WT ⎟ ⎜ (Vfa + Vsb ) ⎠ ⎝

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sustituyendo, ⎛ G ⎞ Va = ⎜⎜ 1 − mb ⎟⎟ × 100 ⎝ G mm ⎠

Donde: Va Vv VT Vfa Vsb WT Gmb Gmm

vacíos de aire en la mezcla compactada, porcentaje del volumen total Volumen de vacíos de aire Volumen total del especímen compactado Volumen de vacíos llenos con cemento asfáltico volumen bulk del agregado Peso total del especímen compactado Gravedad específica bulk del especímen compactado Gravedad específica teórica máxima de la mezcla

Nota.- En mucha bibliografía se identifica al porcentaje de vacíos de aire en la mezcla compactada como VTM. ⎛ G ⎞ VTM = ⎜⎜ 1 − mb ⎟⎟ × 100 ⎝ G mm ⎠ Para el ejemplo: ⎛ 2.442 ⎞ VTM = ⎜ 1 − ⎟ × 100 = 3.7% ⎝ 2.535 ⎠

8. Vacíos Llenos con Asfalto, VFA

VFA es simplemente el porcentaje de VMA llenado con cemento asfáltico. La siguiente fórmula se usa para calcular el VFA: VMA − VTM VFA = × 100 VMA Donde: VFA vacíos llenos con asfalto, porcentaje de VMA VMA vacíos en el agregado mineral, porcentaje del volumen bulk Va ó VTM vacíos de aire en la mezcla compactada, porcentaje del volumen total Para el ejemplo: VFA =

14.4 − 3.7 × 100 = 74.3% 14.4

Los Métodos de Laboratorio ASTM D2041 de Gravedad Específica Teórica Máxima y ASTM D1188 Gravedad Específica Bulk de la Mezcla Compactada se desarrollarán teóricamente a continuación. Una revisión de las gravedades especificas mencionadas indican lo siguiente: Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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1. La diferencia entre gravedad especifica seca bulk y la gravedad especifica seca aparente es el volumen del agregado usado en los cálculos. La diferencia entre estos volúmenes es igual al volumen del agua absorbida en los vacíos permeables (diferencia entre los peso saturado superficialmente seco y seco al horno cuando son pesados en gramos). Ambas gravedades especificas usan el peso seco al horno del agregado. 2. La diferencia en los cálculos entre la gravedad especifica seca bulk y la gravedad especifica saturado superficialmente seco es el peso del agregado. El volumen del agregado es idéntico para ambas gravedades especificas. La diferencia en los pesos es igual al agua absorbida en los vacíos permeables (diferencia entre los pesos del os agregados saturados superficialmente seco y secado en el horno). 3. Las diferencias en los cálculos entre la gravedad aparente, seca bulk y efectiva es el volumen del agregado. Las tres gravedades especificas usan los pesos del agregado secado al horno. 4. La diferencia entre la gravedad especifica bulk de la mezcla compactada y la gravedad especifica teórica máxima es el volumen. La diferencia de volúmenes es porque están asociados con el volumen del aire en la mezcla compactada. 5. Los valores medidos de a gravedad especifica compactada pueden ser verificados para una primera aproximación usando lo siguiente: a) la gravedad especifica aparente siempre era igual o mayor que la gravedad especifica efectiva el cual será siempre igual o mayor que la gravedad especifica seca bulk, b) la gravedad específica saturada superficialmente seco bulk siempre será igual o mayor que la gravedad específica seca bulk, c) la gravedad específica teórica máxima será siempre igual o mayor que la gravedad especifica compactada de la mezcla, d) la gravedad específica del agregado (aparente, efectiva, seca bulk, saturado superficialmente seca bulk) será siempre mayor que la gravedad específica teórica máxima de la mezcla. 10.6 Diseño de Mezcla Superpave 10.6.1 Diseño de la Estructura del Agregado

El diseño de la estructura granular se basa en la consideración que el ligante tendrá una función estructural principal, es decir, soportará los esfuerzos transmitidos por las cargas. Este enfoque conceptual del Superpave es diferente respecto al SMA donde el ligante, es un miembro secundario y no soportará esfuerzo significativo. La SHRP desarrolló un método para especificar la granulometría basado en el concepto de puntos de control y zona restringida. Se darán algunas definiciones para enfocar adecuadamente la propuesta. Tamaño Máximo Nominal y Tamaño Máximo El tamaño máximo nominal del agregado es el primer tamiz que retiene más del 10% del material. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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El tamaño máximo es el siguiente tamiz mayor que el tamaño máximo nominal. Carta de Potencia 0.45 Superpave adoptó la carta de potencia 0.45 para graficar la granulometría de la mezcla de agregados como estaba siendo utilizada por la FHWA. No existe información de la elección de dicha carta. Algunos artículos señalan que la carta de potencia 0.45 no sería aplicable a todo tipo de agregado. Específicamente, se menciona que cartas de potencias mayores como 0.50 ó 0.60 representarían mejor agregados chancados. La SHRP investigó la historia de la adopción de la carta 0.45. La carta tal como es utilizada actualmente, se basa en el trabajo de Nijboer de los Países Bajos y de Goode y Lufsey de Bureau of Public Roads. Nijboer evaluó el acomodo de los agregados tanto naturales como artificiales y encontró que la configuración más densa ocurría para una gradación que reflejaba una línea recta en la carta de 0.45 de potencia. Goode y Lufsey, 1962 validó el trabajo de Nijboer para agregados en los EE.UU. La línea de máxima densidad seca a la potencia 0.45 se grafica desde el origen hasta el tamiz máximo en el que pasa el 100% del material. A continuación se dará un ejemplo de elaboración de la carta potencia 0.45 para gradación Superpave TMN 19 mm. Se detallará el procedimiento de elaboración de la carta: 1º) El tamaño de los tamices se grafican elevados a la potencia 0.45, por ejemplo, el tamiz 4.75 mm se grafica como 2.02, es decir, (4.75) . Las cartas de potencia 0.45 no indican las abscisas en escala aritmética como se muestra en la fig. 10.4, sino como en la fig. 10.5. 2º) La línea de máxima densidad seca se grafica desde el origen hasta el tamiz del tamaño máximo. La línea de máxima densidad seca (figura 9.19) representa la gradación donde las partículas del agregado alcanzan su máximo arreglo posible. En el ejemplo la línea va desde el origen hasta el tamaño máximo nominal de 19 mm. 0.45

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Carta potencia 0.45 para TM 19 mm

Porcentaje que pasa

100 80 60 40

Ejemplo: Tamiz 4.75 mm se grafica como (4.75)0.45 = 2.02

20 0 0

1

2

3

4

Tamiz elevado a la potencia 0.45

Figura 10.4: Base de la Carta Potencia de 0.45

Carta potencia 0.45 para TM 19 mm

Porcentaje que pasa

100 80

Línea de máxima densidad seca 60 40 20

19

12.5

9.5

4.75

2.36

1.18

0.6

0.075 0.15 0.3

0

Tamiz elevado a la potencia 0.45

Figura 10.5: Línea de máxima densidad seca para tamaño máximo de 19 mm

Puntos de Control La gradación del agregado deberá estar dentro de los “puntos de control”, que aseguran la buena gradación del agregado evitando problemas de segregación en la mezcla. Los puntos de control se ubican en el tamaño máximo nominal, un tamiz intermedio (2.36 mm), y tamiz más pequeño (0.075 mm). Figura 9.20. Zona Restringida Para Superpave la zona restringida asegura que no se use mucha arena natural en la mezcla, y asegura un mínimo porcentaje de vacíos en el agregado mineral, VMA, de la mezcla. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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La zona restringida se encuentra a lo largo de la línea de máxima densidad seca entre el tamiz intermedio (4.75 mm ó 2.36 mm) y el tamiz 0.3 mm. La fig. 10.6. Se especifica que las gradaciones no deben pasar por la zona restringida sino a uno y otro lado de la línea de máxima densidad seca que generalmente comienza en el tamiz 2.36 mm y se extiende hasta el tamiz 0.300 mm. El valor máximo y mínimo que se requiere para los puntos de control depende del tamaño máximo nominal.

Carta potencia 0.45 para TM 19 mm

Porcentaje que pasa

100

línea máx. densidad

80 60

zona restringida

40

tamaño máx tamaño nominal máx

puntos control

20

19

12.5

9.5

4.75

2.36

1.18

0.6

0.075 0.15 0.3

0

Tamiz elevado a la potencia 0.45

Figura 10.6: Límites de gradación Superpave para tamaño máximo de 19 mm

La Tabla 10.4 define los puntos de control y la zona restringida recomendada para diferentes tamaños máximos nominales. Todas las combinaciones de agregados deben pasar entre los puntos de control establecidos, además, deben estar fuera de la zona restringida. 10.6.2 Determinación del Contenido de Ligante Asfáltico

a) Compactador Giratorio Superpave La principal herramienta del diseño de mezclas volumétricas es el compactador giratorio Superpave (SGC). Un diseño de mezclas satisfactorio es aquel que cumpla los requisitos volumétricos a niveles iniciales y del número de revoluciones de diseño; estos niveles dependen del tráfico. Intuitivamente, las propiedades de la curva de densificación del SGC se correlacionan de alguna manera con la performance del pavimento, en particular, la deformación permanente, pero la relación propiedad-performance no está cuantificada. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Los investigadores de la SHRP tuvieron varios objetivos al desarrollar un método de compactación de laboratorio. El Compactador Giratorio Superpave, SCG compacta las muestras de manera similar a la que se obtendrá bajo tráfico y condiciones de clima específicos. Tabla 10.4: Especificaciones de Agregados Superpave

Tamaño estándar (mm) 50.0 37.5 25.0 19.0 12.5 9.50 2.36 0.075 Tamiz 4.75 2.36 1.18 0.60 0.30

9.5 mm

100 90-100 32-67 2.0-10.0

Puntos de Control Tamaño máximo Nominal 12.5 mm 19 mm 25 mm

100 90-100

100 90-100

100 90-100

37.5 mm 100 90-100

28-58 23-49 19-45 15-41 2.0-10.0 2.0-8.0 1.0-7.0 0.0-6.0 Zona Restringida 39.5 34.7 47.2 39.1 34.6 26.8-30.8 23.3-27.3 31.6-37.6 25.6-31.6 22.3-28.3 18.1-24.1 15.5-21.5 23.5-27.5 19.1-23.1 16.7-20.7 13.6-17.6 11.7-15.7 18.7 15.5 13.7 11.4 10.0

El equipo de compactación tiende a orientar las partículas de agregado de manera similar a las observadas en campo y es capaz de medir la compacidad b) Equipo de Compactación El origen del SGC fue el compactador giratorio modificado de Texas que usa los principios del compactador giratorio Francés. El compactador giratorio modificado de Texas densifica los especimenes de manera realista y es razonablemente portátil. El diámetro del espécimen es de 6 pulg. (150 mm) pudiendo compactar mezcla con agregados de 50 mm de tamaño máximo (37.5 mm de tamaño máximo nominal). Figura 10.7.

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Diseño de Mezclas Asfálticas

Figura 10.7: Esquema del Equipo de Compactación

El pisón aplica 600 kPa de presión de compactación sobre el espécimen. Un medidor mantiene constante la presión en el pisón durante la compactación. El molde del SGC (fig. 10.8) tiene un diámetro interior de 150 mm y un plato en la base del molde proporcionando confinamiento. La base del SGC rota a una velocidad de 30 rev/min durante la compactación, con el molde ubicado a un ángulo de compactación de 1.25°.

Presión de pisón 600 kPa

Molde 150 mm 1.25º

30 rev/min

Figura 10.8: Configuración del Molde SGC

Durante la compactación se mide la altura del espécimen. La densidad del espécimen se calcula durante la compactación, con la masa colocada en el molde, el diámetro interior del molde y la altura. El número de revoluciones de diseño, Ndiseño, depende del nivel del tráfico (tabla 10.5).

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Diseño de Mezclas Asfálticas

Tabla 10.5: Esfuerzo de Compactación del SGC

ESALs de diseño (millones)

Parámetros de Compactación Ninicial Ndiseño Nmáxim o

< 0.3

6

50

75

0.3 a 2.0 mm Agregado en peso (%) > 5.0 mm Agregado en peso (%) > 8.0 mm Agregado en peso (%) > 11.2 mm Relación arena natural/arena chancada Porcentaje que pasa el tamiz 0.09 mm 2.0 mm 5.0 mm 8.0 mm 11.2 mm Ligante bituminoso Tipo de ligante (penetración – dmm) Contenido ligante en peso de mezcla (%) Aditivos estabilizadores Contenido de mezcla en peso (%) Mezclas Asfálticas Especimenes Marshall Temperatura de compactación (ºC) Vacíos de aire (%) Capas Capa de rodadura Espesor recomendado (cm) Taza de aplicación (kg/m2) Capa de reperfilage** Espesor recomendado (cm) Taza de aplicación (kg/m2) Grado de compactación de la capa (%) Vacíos de aire en capa compactada (%)

0/11S

0/8S

Agregado chancado, Arena chancada, filler comercial

0/8

0/5

Agregado chancado, Arena chancada y natural, filler comercial

9 – 13 73 – 80 60 – 70 ≥ 40 ≤ 10 1:0

10 - 13 73 – 80 55 – 70 ≤ 10 1:0

8 – 13 70 – 80 45 – 70 ≤ 10 ≥ 1:1

8 – 13 60 – 70 ≤ 10 ≥ 1:1

9 – 13 20 – 27 30 – 40 50 – 60 90 - 100

10 – 13 20 – 27 30 – 45 90 – 100 -

8 – 13 20 – 30 30 – 55 90 – 100 -

8 – 13 30 – 40 90 – 100 -

50/70 (PmB 45) ≥ 6.5

50/70 (PmB 45) ≥ 7.0

70/100 ≥ 7.0

70/100 (160/220) ≥ 7.2

0.3 – 1.5 *135±5 3.0 – 4.0

*135±5 3.0 – 4.0

*135±5 2.0 – 4.0

*135±5 2.0 – 4.0

3.5 – 4.0 85 – 100

3.0 – 4.0 70 – 100

2.0 – 4.0 45 – 100

2.0 – 4.0 45 – 75

2.5 – 5.0 60 - 125

2.0 – 4.0 45 – 100 ≥ 97 ≤ 6.0

– -

– -

* para asfalto modificado con polímero (PmB 45), la temperatura de compactación debe ser 145±5ºC ** capa de reperfilage son capas de rodadura sobre la capa intermedia o inferior con problemas geométricos.

Para el verano de 1997, por lo menos 28 estados construyeron mas de 100 proyectos, totalizando mas de 3 millones de toneladas de SMA. La mayoría de los proyectos fueron construidos entre 1992 y 1996 y la mayor parte fueron colocados para soportar tráfico pesado. El primer proyecto de SMA en los Estados Unidos diseñado siguiendo la “receta” de las especificaciones Alemana. La NCAT ha desarrollado un detallado diseño de mezclas para Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Diseño de Mezclas Asfálticas

SMA. Las normas son AASHTO MP8 “Specification for Designing Stone Matrix Asphalt (SMA)” y AASHTO PP41 “Practice for Designing Stone Matrix Asphalt (SMA)”. Las tablas 10.7 a 10.12 muestran las especificaciones de las mezclas SMA usadas en los EE.UU. Tabla 10.7: Requisitos de Calidad para Agregado Grueso, AASHTO MP8 Ensayo Abrasión L.A., % pérdida Chatas y Alargadas, % 3a1 5a1 Absorción, % Durabilidad (5 ciclos), % Sulfato de sodio Sulfato de magnesio Contenido de caras fracturadas, % Una cara Dos caras

Método AASHTO T96 ASTM D4791

AASHTO T85 AASHTO T104

Especificación 30* máx

20 máx 5 máx 2 máx 15 máx 20 máx

ASTM D5821 100 min 90 min

* Aunque los agregados con pérdidas mayores a 30% se usan satisfactoriamente, las piedras se pueden quebrar durante el proceso de compactación en el laboratorio o durante la compactación en campo con estos agregados.

Tabla 10.8: Requisitos de Calidad para Agregado Fino, AASHTO MP8 Ensayo Durabilidad (5 ciclos), % Sulfato de sodio Sulfato de magnesio Angularidad, %

Límite Líquido, % Indice de plasticidad

Método AASHTO T104

AASHTO TP33 (Método A) AASHTO T89 AASHTO T90

Especificación

15 máx 20 máx 45 min 25 máx N.P.

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Diseño de Mezclas Asfálticas

Tabla 10.9: Rango Granulométrico de SMA (% pasante por volumen) AASHTO MP8 Tamiz, mm 25.0 19.0 12.5 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.075

TMN 19 mm Inferior Superior 100 100 90 100 50 74 25 60 20 28 16 24 13 21 12 18 12 15 8 10

TMN 12.5 mm Inferior Superior

100 90 26 20 16 13 12 12 8

100 100 78 28 24 21 18 15 10

TMN 9.5 mm Inferior Superior

100 90 26 20 13 12 12 8

100 100 60 28 21 18 15 10

El TMN se refiere al Tamaño Máximo Nominal que representa a un tamiz mayor que el primer tamiz que retiene mas del 10%

Tabla 10.10: Especificaciones de Mezclas SMA para diseño Marshall NAPA 2002 Propiedades Cemento asfáltico, % Vacíos de aire, % VMA, % VCA, % Estabilidad, kg TSR, % Escurrimiento a Tºproducción, %

Especificación 6 mín* 4 17 mín** Menor que VCADRC 632 mín*** 70 mín 0.30 máx

* El mínimo porcentaje de cemento asfáltico puede reducirse ligeramente si la gravedad específica bulk del agregado excede 2.75 ** VMA mínimo durante la producción *** Valor de estabilidad sugerido, basado en la experiencia

Tabla 10.11: Especificaciones de Mezclas SMA para diseño con Compactador Giratorio Superpave AASHTO MP8 y NAPA 2002 Propiedades Cemento asfáltico, % Vacíos de aire, % VMA, % VCA, % TSR, % Escurrimiento a Tºproducción, %

Especificación 6 mín* 4 17 mín** Menor que VCADRC 70 mín 0.30 máx

* El mínimo porcentaje de cemento asfáltico puede reducirse ligeramente si la gravedad específica bulk del agregado excede 2.75 ** VMA mínimo durante la producción

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Diseño de Mezclas Asfálticas

Tabla 10.12: Propiedades de Fibra Celulosa, AASHTO MP8 Propiedades Análisis por tamizado Método A: Análisis por tamiz Alpina Longitud de fibra (máx) Pasa tamiz nº100 Método B: Análisis por tamiz cuadrado Longitud de fibra (máx) Pasa tamiz nº20 Pasa tamiz nº40 Pasa tamiz nº140 Contenido de cenizas Ph Absorción de petróleo Contenido de Humedad

Especificación 6 mm 70±10% 6 mm 85% (±10%) 65% (±10%) 30% (±10%) 18% (±5%) no volátiles 7.5% (±1) 5 (±10) (vez por peso de fibra) < 5% (por peso)

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25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39. 40. 41. 42. 43.

44.

45.

46. 47.

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48. Pinto, S., Motta, L., “Catálogo de Curva de Fadiga”, Boletim Técnico nº16, Associacao 49. 50. 51. 52.

53. 54. 55. 56. 57.

58.

59. 60.

61.

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Trabajo publicado en los siguientes eventos: Ü 11º Congreso Ibero-Latinoamericano del Asfalto, CILA 2001, Lima-Perú Ü XIII Congreso Nacional de Ingeniería Civil, CONIC 2001, Puno-Perú Ü IV Congreso Ecuatoriano de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica

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Anexo A

“C.B.R. DE SUBRASANTES ARENOSAS Y LIMO-ARCILLOSAS”(*)

M.I. e Ing. ABEL ORDOÑEZ HUAMAN Jefe Laboratorio No. 2 Mecánica de Suelos y Pavimentos, UNI Ing. SILENE MINAYA GONZÁLEZ Asistente Laboratorio No. 2 Mecánica de Suelos y Pavimentos, UNI

RESUMEN Actualmente en el Perú, el diseño de estructuras de pavimentos considera generalmente valores de capacidad de soporte de subrasantes arenosas y limo-arcillosas determinados a partir de ensayos de laboratorio C.B.R. - ASTM D1883. La metodología utilizada puede no ser adecuadamente aplicada cuando se asume el valor C.B.R. de la subrasante relacionado a la densidad seca equivalente al 95% ó 100% de la Máxima Densidad Seca - MDS del ensayo Proctor Modificado. La humedad y la densidad seca natural de los suelos limo-arcillosos tienen una influencia importante en la determinación del C.B.R. como se ha podido comprobar en las pruebas sobre muestras inalteradas y compactadas. Se realizaron comparaciones de valores C.B.R. obtenidos de muestras inalteradas y compactadas considerando el 95% y 100% de la MDS del ensayo Proctor Modificado. Asimismo se compararon valores de módulos elásticos, utilizando una extensión de la teoría elástica. Los resultados indican que los valores de C.B.R. y módulos elásticos obtenidos en muestras inalteradas son significativamente inferiores a los determinados en muestras compactadas. La práctica ingenieril para la determinación del C.B.R. de la subrasante basados en muestras inalteradas es casi no utilizada en el Perú, debido a ello, se presentan fallas prematuras de pavimentos por sub-dimensionamiento en el diseño. ABSTRACT At the present time in Peru the design of pavement structures generally considers values of bearing capacity ratios of natural subgrade of sandy and silty clay soils, using the CBR laboratory test – ASTM D 1883. The methodology used may not be properly used when the CBR value of natural subgrade is assumed to be related to the dry density equivalent to 95% or 100% of the Maximum Dry Density - MDS of the Modify Proctor Compactation Test. The moisture content and the natural dry density of silty clay soils have an important influence in the CBR value determination as was verified in testing of undisturbed and compacted samples. Comparisons were made from CBR values obtained from undisturbed and compacted samples considering 95% and 100% of the MDS of the Proctor Modified Compactation Test. Also were made comparisons of values of elastic modulus, using an extension of the elastic theory. The results indicate that the CBR values and elastic modulus obtained on undisturbed samples are significantly lower than compacted samples. The engineering practice for CBR value determination of subgrade based on undisturbed samples is not used in Peru, because of that premature failures and collapse in pavement structures are produced.

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Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo A

1. INTRODUCCIÓN El diseño de estructuras de pavimentos tanto flexibles como rígidos considera generalmente valores de capacidad de soporte de subrasantes de suelos limo-arcillosos determinados a partir de ensayos C.B.R. en laboratorio siguiendo la norma ASTM D-1883. Para ello, se asume el valor C.B.R. de la subrasante como el valor C.B.R. relacionado a la densidad seca equivalente al 95% ó 100% de la Máxima Densidad Seca del ensayo Proctor Modificado. La metodología utilizada se basa en la hipótesis de la compactación de la subrasante durante la etapa constructiva relacionado a la conformación de la superficie del terreno y control de compactación de la misma. Sin embargo, la práctica ingenieril utilizada puede no ser adecuadamente aplicada en subrasantes de suelos limo-arcillosos debido a que no es posible compactar profundidades del orden de 1,5 m. de profundidad o más, mediante procedimientos convencionales utilizados en obra. La humedad natural de los suelos limo-arcillosos generalmente se ubica muy por encima del O.C.H.; además, en el Perú, muchas veces no se reconoce como subrasante, la capa de suelo con un espesor hasta donde lleguen los esfuerzos verticales significativos, esto es, hasta las profundidades donde las cargas aplicadas puedan generar asentamientos. Entonces, la subrasante no alcanzará y muchas veces estará lejos de tener una densidad equivalente al 95 ó 100% de la MDS del ensayo Proctor Modificado. Por ello, no deberá asumirse el correspondiente valor CBR asociado a un valor de densidad no alcanzada en el campo. 2. DETERMINACIÓN DEL VALOR CBR DE SUBRASANTES ARENOSAS Y LIMO-ARCILLOSAS Un método directo de obtener el valor CBR es mediante el ensayo CBR in situ de acuerdo a la Norma ASTM D 4429-93. Sin embargo, el ensayo puede ser costoso para el proyecto y su aplicabilidad se reduciría sustancialmente cuando sea necesario obtener una muestra representativa de valores en el proyecto. Otro método, se basa en utilizar el ensayo de laboratorio CBR según la norma ASTM D-1883 y de manera paralela medir la densidad de campo. El valor CBR de la subrasante será el correspondiente a la densidad de campo medida. Esta metodología puede ser limitante cuando la densidad de campo medida se encuentre muy por debajo del rango de densidades que arroja el ensayo de CBR de laboratorio. Por otro lado, muy pocos especialistas se atreven a indicar modificaciones en el ensayo CBR para que el mismo pueda abarcar rangos de valores de densidades menores, como por ejemplo, optar por menores valores de energía de compactación. Sin embargo, esta opción correcta, puede considerar el ensayo CBR asociado al ensayo de compactación Proctor Standard y no al ensayo Proctor Modificado, como generalmente ocurre.

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Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo A

Un tercer método, directo, más simple y sobre todo rápido y económico. Se basa en extraer la muestra inalterada utilizando el molde CBR directamente de los pozos de exploración (Valle Rodas, 1976). Luego se transporta al laboratorio y se realiza la prueba de carga tanto en condiciones naturales como en condiciones más desfavorables que es la saturación, obteniendo la curva carga-penetración y el valor CBR de manera directa. Inclusive es posible medir la expansión que se produce durante la saturación. El procedimiento permite medir la humedad natural y la densidad. El valor CBR obtenido será un valor puntual de la muestra extraída en estado inalterado y representará de manera real el comportamiento de la subrasante. 3. APLICACIÓN DE LA TEORÍA ELÁSTICA Es posible extender la teoría elástica a los ensayos de C.B.R. utilizando los resultados de la prueba de carga asociados a asentamientos característicos de 0.1 pulgada. Para ello, se deberá utilizar la solución que ofrece la teoría elástica para el cálculo de asentamiento que ocurre cuando se tiene una superficie circular rígida cargada sobre un medio semi-infinito (Poulos y Davis, 1974). ρ = π/2 (1-ν2) pr/E Donde: ρ Asentamiento ν Relación de Poisson p Presión aplicada r Radio del área cargada E Módulo elástico Considerando un asentamiento característico de 0.1 pulgada; un valor de ν=0.40; radio equivalente a un área circular cargada de 3 pulg2 y la presión aplicada en función del valor CBR, se obtienen las siguientes relaciones: E = 139.7CBR E = 9.83CBR

; E en libra/pulg2 ; E en kg/cm2

Entonces, es posible obtener valores de módulos elástico, E a partir del valor CBR asumiendo un comportamiento del medio como elástico, uniforme e isotrópico. 4. PRUEBAS EXPERIMENTALES REALIZADAS Durante las actividades de desarrollo de temas de tesis e investigaciones, en la ejecución de proyecto de pavimentación en zonas pobres de Lima, así como en proyectos importantes de losas de almacenes de embarques portuarios donde se presentaron fallas estructurales y Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

214

Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo A

deficiencias durante su funcionamiento, el Laboratorio No. 2 de Mecánica de Suelos y Pavimentos de la Universidad Nacional de Ingeniería ha obtenido la información experimental necesaria para ilustrar la metodología expuesta. En la Tabla No. 1 se presentan las características y parámetros físicos de los suelos de las subrasantes, esto es, granulometría, límites de consistencia, plasticidad, humedad natural y densidades naturales. En la Tabla No. 2 se presentan los resultados de la MDS y el OCH utilizando el ensayo proctor modificado. Es importante apreciar las diferencias significativas de los valores de densidad y humedad naturales con los valores de la MDS y el OCH del ensayo proctor modificado. En la misma tabla se presentan los valores CBR obtenidos de muestras compactadas de laboratorio según la Norma ASTM D-1883 asociados al 95 y 100% de la MDS. Asimismo, los valores de CBR medidos directamente en muestras inalteradas. También se presentan los niveles de expansión medidos en ambos tipos de ensayos. En la Tabla No. 3 se presentan los valores de los módulos elásticos obtenidos tanto para los ensayos CBR en laboratorio sobre muestras compactadas asociadas al 95 y 100% de la MDS del ensayo proctor modificado como los valores para muestras inalteradas sin y con saturación previa. A continuación se discutirán algunos resultados específicos. En la Fig. 1 se presentan las curvas de las pruebas de carga en muestras limo-arcillosas de baja plasticidad de la Cdra. 10 de la Av. La Paz en San Miguel, Lima. Las pruebas se realizaron en muestras compactadas y muestras inalteradas tanto en estado natural sin saturación y con saturación previa. Observando las curvas carga-penetración se comprueba que las muestras inalterada sin saturación previa presentan mayor rigidez inicial en comparación a las muestras compactadas y las muestras inalteradas con saturación debido a la cementación natural, comportamiento que eleva el valor CBR. Los valores CBR varían entre 10 y 15% y con saturación previa disminuyeron sustancialmente a valores entre 1.9 y 2.7%. La capacidad de soporte de las muestras inalteradas con saturación previa, alcanzaron valores por debajo de la muestra compactada con 10 golpes. La muestra compactada en el laboratorio arrojó un valor CBR de 5,2% para una densidad del 95% de la MDS. En la Fig. 2 se presenta las curvas de las pruebas de carga en muestras areno-limo-arcillosas de la Urb. Matellini, Lima. Las pruebas se realizaron en muestras compactadas y muestras inalteradas tanto en estado natural sin saturación y con previa saturación. Aquí, también es evidente que la muestra inalterada presenta mayor rigidez inicial en estado no saturado debido a la cementación natural, el CBR alcanzado llegó a valores por encima de 25%. Sin embargo con la saturación pierde sustancialmente la rigidez presentando una resistencia a la penetración similar a la muestra compactada con 10 golpes (CBR=5.2). Esta muestra compactada en el laboratorio arrojó un valor CBR de 21% para una densidad del 95% de la MDS. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

215

Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo A

TABLA No. 1 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS - ENSAYOS DE CLASIFICACIÓN Porcentaje acum ulado que pasa Proyecto

Observaciones

Investigación S01-INV 03 Urb. Matellini - Chorrillos - Lim a

Clasificación

LL

Nº200

LP

IP

43,3

22,6

16,7

5,9

ML

96,9

80,5

64,3

52,7

45,6

37,0

8,6

C1: 0.30-0.90

CL

99,2

93,7

80,4

74,1

24,7

14,5

10,2

C1: 0.90-1.40 C6:0.00-0.60

CL-ML CL

99,2 88,8

89,1 73,7

79,4 65,3

65,5 56,1

23,3 25,6

17,3 16,2

6,0 9,4

C2:0,00-0,80

CL

93,1

74,7

58,5

53,3

24,0

16,6

7,4

C15:0.00-1.00

CL

100,0

96,9

93,6

89,8

38,2

24,9

13,3

Pavimento del Alm acén Nº3 CENTROMIN PERU Cdra. 9 Av. Nestor Gam beta Callao

C1

CL

100,0

92,7

78,5

64,8

29,8

21,9

7,9

Proyecto de Pavim entación Zona A San Juan de Miraflores Lim a

C1: C2: C3: C4:

0.40-1.10 0.35-0.60 0.25-0.55 0,40-1,10

Alm acenes RANSA Callao

Almacenera Peruana de Comercio S.A.

Almacenes RANSA Callao

1,743

11,5

1,981

1,762

12,4

1,982 1,730 2,019 1,874 1,904

1,771 1,700 1,969 1,838 1,872

11,9 1,78 2,5 2,0 1,7

11,2

1,738

1,647

5,5

CL

82,4

71,6

63,9

56,9

30,2

19

C1: 0.20-0,60

ML

97,2

γ84,4 m

74,1

59,2

38,3

30,2

8,1

1,739

1,362

27,7

C2: 0.70-1,20

MH

97,4

89,6

85,4

81,0

56,8

38,5

18,3

1,586

1,278

24,1

C3: 1,50-1,80

SM

99,5

76,5

55,0

32,8

41,6

41,0

0,6

1,661

1,298

28

C4: 0,20-0,60

CL

87,5

70,3

62,3

53,4

38,7

24,5

14,2

1,505

1,221

23,3

C5: 0,20-0,80

CH

100,0

94,3

91,0

87,1

54,1

24,0

30,1

1,634

1,327

23,1

C6: 0,30-0,70

SC

61,9

35,4

28,5

23,3

25,4

16,8

8,6

1,641

1,251

31,1

C7: 0,20-0,60

ML

93,8

82,1

78,9

75,5

42,5

30,4

12,1

1,789

1,404

27,4

C8: 0,30-0,80 C5:0,20-0,80

MH CL-1

97,4 87,7

89,6 83,0

85,4 72,8

81,0 65,3

56,8 37,0

38,5 22,0

18,3 15,0

1,586 1,640

1,278 1,050

24,1 56,9

SM-SC

γd

ENSAYOS DE CAPACIDAD DE SOPORTE ω nat

CBR ASTM D-1883 (con saturación) CBR CBR OCH 100% 95%

MDS

Muestra Inalterada CBR CBR Sin Saturado saturar

Expansión ASTM Muestra D-1883 inalterada

1,810 1,690 1,082 1,151 1,205 1,633 1,572 1,620

2,2 8,3 49,6 40,7 39,7 11,2 20,7 20,1

1,899 1,899 1,615 1,615 1,615 1,971 1,971 1,971

12,6 12,6 23,2 23,2 23,2 11,7 11,7 11,7

34,2 34,2 22,9 22,9 22,9 11,2 11,2 11,2

21,0 21,0 18,0 18,0 18,0 5,2 5,2 5,2

5,2 5,2 2,8 1,1 1,9 2,1 1,9 2,7

25,0 27,0 2,2 2,7 3,1 10,0 15,0 12,0

15,160 15,160 20,600 20,600 20,600 1,650 1,650 1,650

0,35

0,963 1,768 1,849 1,803 1,765 1,747 1,807 1,720 1,767 1,635

67,4 4,4 5,7 5,8 8,1 9,3 7,8 8,3 8,6 10,0

2,020 2,078 2,078 2,078 2,078 2,078 2,078 1,933 1,933 1,933

10,9 11,1 11,1 11,1 11,1 11,1 11,1 10,8 10,8 10,8

46,0 17,3 17,3 17,3 17,3 17,3 17,3 15,0 15,0 15,0

24,4 10,5 10,5 10,5 10,5 10,5 10,5 11,3 11,3 11,3

0,9 1,3 3,7 5,3 2,7 4,5 5,1 5,3 2,8 2,0

4,7 27,4 43,4 34,5 35,4 10,6 22,1 25,7 19,5 14,2

0,630 0,740 0,740 0,740 0,740 0,740 0,740 0,870 0,870 0,870

0,01 0,83

1,743

11,5

1,799

17,0

15,4

11,3

2,2

17,7

0,630

N.P.

1,762

12,4

1,799

17,0

15,4

11,3

1,8

18,1

0,630

SP-SM SP-SM SP SP

1,771 1,700 1,969 1,838 1,872

11,9 1,8 2,5 2,0 1,7

1,799 1,910 1,910 1,687 1,687

17,0 10,9 10,9 11,7 11,7

15,4 39,2 39,2 22,8 22,8

11,3 32,4 32,4 8,7 8,7

2,6 3,7 3,7 14,1 7,8

17,7 15,2 15,2 23,4 19,0

0,630 NP NP NP NP

CL

1,647

5,5

1,917

12,8

2,8

2,3

2,6

11,5

2,910

0,18

NP

CL

Proyecto de Pavimentación Cooperativa Pachacútec Santa Anita - Lima

1,943

NP NP NP NP

CL

Proyecto de Pavimentación Zona A San Juan de Miraflores Lima

67,4 4,4 5,7 5,8 8,1 9,3 7,8 8,3 8,6 10,0

18,2 NP NP NP

CL-ML CL

Pavimento del Almacén Nº3 CENTROMIN PERU Cdra. 9 Av. Nestor Gambeta Callao

0,963 1,768 1,849 1,803 1,765 1,747 1,807 1,720 1,767 1,635

5,1 7,7 4,7 4,7

CL

Proyecto de Pavimentación Asociación de Vivienda Los Pinos Santa Anita, Lima

1,612 1,846 1,954 1,907 1,908 1,910 1,948 1,863 1,919 1,799

8,8 8,9 16,7 16,7

ML

Investigación S01-INV 04 Av. La Paz Cdra. 10 San Miguel, Lima

2,2 8,3 49,6 40,7 39,7 11,2 20,7 20,1

39,4 60,8 89,8 89,8

Clasificación

Investigación S01-INV 03 Urb. Matellini - Chorrillos - Lima

1,810 1,690 1,082 1,151 1,205 1,633 1,572 1,620

86,3 89,4 99,9 99,9

TABLA No. 2 Proyecto

ω nat

1,850 1,830 1,618 1,619 1,683 1,816 1,897 1,945

SP-SM SP-SM SP SP

C5:0,30-0,80

Alm acenera Peruana de Comercio S.A.

γd

γm

58,2

Proyecto de Pavim entación Cooperativa Pachacútec Santa Anita - Lim a

C1: 1.70-2.60

Nº100

88,9

Proyecto de Pavim entación Asociación de Vivienda Los Pinos Santa Anita, Lima

SM-SC

Nº60

100,0

Investigación S01-INV 04 Av. La Paz Cdra. 10 San Miguel, Lim a

C1: 0.70-1.50

Nº4

CL

7,02

0,62

0,48

0,22

0,67

ML

1,362

27,7

1,545

22,3

2,0

1,7

2,1

4,7

0,004

MH

1,278

24,1

1,538

26,6

1,6

1,2

2,8

3,8

1,248

NP

SM

1,298

28,0

1,547

14,2

22,0

18,0

2,4

4,5

NP

NP

CL

1,221

23,3

1,589

23,8

4,9

3,1

1,8

8,5

1,182

NP

CH

1,327

23,1

1,538

26,6

1,6

1,2

1,8

4,4

1,248

NP

SC

1,251

31,1

1,547

14,2

22,0

18,0

4,7

5,2

NP

NP

ML

1,404

27,4

1,545

22,3

2,0

1,7

2,6

6,8

0,004

NP

MH CL-1

1,278 1,050

24,1 56,9

1,538 1,810

26,6 15,8

1,6 13,3

1,2 5,0

2,2 40% pasa el tamiz 4.75 19.0 mm (3/4”) < 35% pasa el tamiz 2.36 > 35% pasa el tamiz 2.36 12.5 mm (1/2”) < 40% pasa el tamiz 2.36 > 40% pasa el tamiz 2.36 9.5 mm (3/8”) < 45% pasa el tamiz 2.36 > 45% pasa el tamiz 2.36 4.75 mm (No. 4) Gradación no estandarizada por Superpave HMA Pavement Mix Type Selection Guide, NAPA-FHWA

Tabla B.3 Ventajas de la Mezclas Densas Gruesas y Finas Gradación Gradación Fina Gruesa Baja permeabilidad Permite espesores cerca de (TMN < 25mm) Trabajabilidad (TMN < 25mm) Textura macro incrementada (TMN < 25mm) Espesor delgado (TMN < 25mm) Buena durabilidad para bajos volúmenes de tráfico (TMN < 25mm) Textura lisa (TMN < 25mm) HMA Pavement Mix Type Selection Guide, NAPA-FHWA

S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

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Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo B

Características Se considera que las mezclas densas HMA son usadas de manera efectiva en todas las capas del pavimento y para todas las condiciones de tráfico. Una mezcla densa puede ser usada para cumplir con alguna o todas de las siguientes necesidades del proyectista: Estructural Este es el primer objetivo de las mezclas densas y es la principal función de los espesores de capa. Fricción Esta es una consideración importante para superficies gruesas. La fricción es una función del agregado y las propiedades de la mezcla. Nivelación Estas mezclas pueden ser usadas en capas delgadas o gruesas para llenar depresiones en la carretera. Materiales La Tabla B.4 proporciona una guía de los materiales empleados en mezclas densas. Las mezclas densas se diseñan en los EE.UU. usando el método Superpave. Las Fotos B.1 y B.2 ilustran muestras densas. El método Marshall aún se utiliza en el Perú. Información sobre el Marshall, puede remitirse al “Manual de Laboratorio Ensayos para Pavimentos Volumen I” de S. Minaya y A. Ordóñez en la Biblioteca de la FIC-UNI.

Foto B.1 Núcleo de muestra de 25.0 mm de mezcla densa

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Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo B

Tabla B.4 Materiales empleados en Mezclas Densas Capa Superficial

Intermedia/ ligante

Material Tráfico bajo Agregado ̇ Grava (limitada) ̇ Grava y piedra chancada ̇ Arena chancada y natural Ligante ̇ Típicamente no modificada asfáltico ̇ Se pueden hacer modificaciones para tráfico pesado , intersecciones para tráfico alto. Otros ̇ RAP (Reclaimed Asphalt Pavement) ̇ Antistripping si los ensayos lo indican Agregado ̇ Grava (limitada) ̇ Grava y piedra chancada ̇ Arena chancada y natural Ligante ̇ Típicamente no modificado asfáltico

Tráfico medio ̇ Grava y piedra chancada ̇ Arena chancada y natural

Tráfico alto

̇ Típicamente no modificada

̇ Probablemente modificado ̇ Asfaltos no modificados basados en experiencias locales

̇ Grava y piedra chancada ̇ Arena chancada y natural ̇ No modificados excepto para tráfico pesado o cuando el tráfico circulará sobre las capas por largos períodos

̇ RAP (Pavimento de Asfalto Reciclado) ̇ Antistripping si los ensayos lo indican Agregado No estandarizado Ligante No estandarizado ̇ Típicamente no modificada asfáltico

Otros Base

Otros

No estandarizado

̇RAP (Pavimento Reciclado)

S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

de

̇ No modificados excepto para tráfico pesado o cuando el tráfico circulará sobre las capas por largos períodos Asfalto ̇ Antistripping si los ensayos lo indican

235

Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo B

Foto B.2 Muestras de 12.5 mm (izquierda) y 9.5 mm (derecha) de mezcla densas diseñadas con Superpave Espesores recomendados La figura B.5 muestra el rango mínimo recomendado de espesores para diferentes mezclas densas.

Figura B.5: Espesores mínimos recomendados para mezclas densas B.7 STONE MASTIC ASPHALT (SMA) Las mezclas tipo SMA introducido en los EE.UU. en los años noventa y últimamente en Canadá. Las mezclas SMA cada vez tiene mayor aceptabilidad, sobre todo en lugares de climas fríos y para niveles de tránsito pesado. El SMA es de origen alemán de los años sesenta y su propagación en Europa ha sido vertiginosa. El tipo de mezcla par americano viene a ser el gap-graded. La función de las mezclas gap-graded es similar a la mezclas de gradación densa porque también proporcionan capas densas impermeables cuando la compactación es apropiada. Las mezclas gap-graded convencionales se vienen usando por muchos años en los EE.UU. El rango de los agregados va desde gruesos hasta finos, con poca presencia de tamaños intermedios; un tipo de mezcla gap-graded se muestra en la figura B.1c. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

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236

Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo B

El segundo tipo de mezclas gap-graded es stone mastic aspahlt, SMA. Una representación ilustrativa de este tipo de mezcla se muestra en la figura B.4.1c. La producción de mezclas SMA requiere la incorporación de significativas cantidades de filler mineral de tal manera que alcance del 8 al 10% de material que pasa el tamiz 0.075 mm (No. 200). Al igual que en las mezclas open-graded, la temperatura de descarga de la mezcla debe ser controlada para prevenir el draindown del ligante durante el almacenamiento o transporte. Las fibras y/o polímeros son normalmente usados con mezclas SMA para prevenir el draindown. SMA es una mezcla asfáltica en caliente tipo gap-graded que maximiza la resistencia a las deformaciones permanentes y durabilidad con un estable esqueleto de piedra-piedra junto con una mezcla rica en cemento asfáltico, filler y agentes estabilizadores como fibras y/o asfaltos modificadores. SMA es un pavimento desarrollado en Europa, específicamente en Alemania, para incrementar la resistencia a las deformaciones permanentes y evitar el desgaste de llantas con cadenas en climas gélidos. Las mezclas SMA tiene un alto costo inicial debido al mayor porcentaje de asfalto y el uso de agregados más resistente. Sin embargo, este mayor costo inicial puede ser más que compensado con el incremento de la resistencia a las deformaciones permanentes bajo cargas de tráfico medio a alto. Además, se incrementa la durabilidad y se evita el agrietamiento por fatiga. Algunos reportes incluyen disminución del ruido al paso de las llantas y mejor resistencia friccionante por su textura superficial gruesa. El agrietamiento reflejado en las mezclas SMA con frecuencia no es severo como en las mezclas densas porque el agrietamiento tiene menor tendencia a esparcirse. Función Como se mencionó líneas arriba, el principal propósito de las mezclas SMA es mejorar su comportamiento ante las deformaciones permanentes e incrementar su durabilidad. Además, estas mezclas son exclusivamente usadas por su superficie gruesa bajo tráfico alto. En casos especiales como tráfico lento de vehículos y carga pesada, las mezclas SMA pueden emplearse en las capas intermedias. El estado de Georgia, usa frecuentemente mezclas de SMA con open-graded friction courses, OGFC como superficie de desgaste. Materiales SMA es una mezcla de alta calidad de sus materiales. Agregados cúbicos, baja abrasión, piedra chancada y arena preparada porque la mezcla se beneficia más del desarrollo de la resistencia del esqueleto de agregado piedra-piedra. El 100% de los agregados deben tener una o más caras fracturadas. No se permite el uso de arenas naturales. Los agregados deben tener alto valor al pulimento para tener buena resistencia al patinaje. La matriz de arena, asfalto, filler mineral, y aditivos también es importante en su comportamiento. Las arenas chancadas, filler mineral, y aditivos (fibras y/o polímeros) rigidizan S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

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Anexo B

la matriz que es una importante propiedad en este tipo de mezclas. El filler mineral y aditivos también reducen la cantidad de asfalto que drena hacia abajo en la mezcla durante la construcción, incrementando la cantidad de asfalto usado en la mezcla, mejorando así su durabilidad. En la Tabla B.5 se da una guía general de los materiales usados en las mezclas SMA. Tabla B.5: Materiales para Mezclas SMA Capa Material Tráfico medio Tráfico alto Superficial Agregado Grava chancada e Piedra chancada intermedia/ Arena chancada ligante Filler mineral Ligante Asfalto modificado Asfalto modificado asfáltico El asfalto no modificado Asfaltos no modificados puede ser usado para tráfico dependiendo de la bajo. experiencia local. Otros Fibras Antistrip en la cantidad definida en laboratorio

En la tabla B.6 se presenta un rango típico de granulometría SMA, presentado en el Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design and Construction. Tabla B.6 Granulometría Típica para Mezclas Tipo SMA Tamiz de Diseño 19.0 mm 12.5 mm 9.5 mm 4.75 mm 2.36 mm 0.60 mm 0.30 mm 0.075 mm 0.020 mm

Porcentaje que Pasa 100 85-95 Máx. 75 20-28 16-24 12-16 12-15 8-10 Menos que 3

Diseño de Mezclas El procedimiento de compactación Marshall y Superpave pueden ser usados para el diseño de mezclas SMA.

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238

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Anexo B

Espesores Mínimos La figura B.6 muestra el rango mínimo recomendado para las mezclas SMA de acuerdo al tamaño máximo nominal de partículas.

Figura B.6: Espesores mínimos recomendados para mezclas SMA

La Tabla B.7 presenta que mezclas tipo SMA son apropiadas para diferentes capas y el propósitos por el que se usan. Tabla B.7 Aplicaciones de Mezclas Tipos SMA Mezcla propuesta Tamaño máximo nominal del agregado Capa superficial Capa intermedia

9.5 mm Desgaste superficial Fricción Estructura Lisura No

12.5 mm

19 mm

No

Estructura

La foto B.3 ilustra la diferencia en la estructura de agregados entre mezclas densas diseñado con el Superpave y una mezcla SMA.

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Anexo B

Foto B.3 Diferencia entre mezcla densa y SMA B.8 MEZCLAS OPEN-GRADED En los Estados Unidos, desde 1950, se emplean las mezclas OGFC para mejorar la resistencia friccionante, minimizar los encharcamientos (acumulaciones superficiales de agua), reducir las salpicaduras y emanaciones de vapor, mejorar la visibilidad nocturna y disminuir el ruido. En 1974 la FHWA desarrolló un procedimiento de diseño de mezclas OGFC usado por varios estados. Muchos departamentos de transportes reportaron un comportamiento aceptable. Con un buen diseño de mezclas y buena práctica constructiva, las mezclas OGFC no deben tener problemas de raveling o delaminación y deben mantener su alta permeabilidad y macro textura. La NCAT investigó una nueva metodología de diseño de mezclas para OGFC y evaluó el tipo de fibra que se incorpora en estas mezclas para evitar el escurrimiento. Las mezclas open-graded consisten de una gradación relativamente uniforme y ligante de cemento asfáltico o ligante modificado (figura B.1b). Las mezclas open-graded se diseñan para que sean permeables, mejorando las condiciones de manejo al permitir el drenaje del agua a través de su estructura porosa. Además, minimiza el encharcamiento durante las lluvias. Se tienen dos tipos de mezclas open-graded. La primera comprende mezclas con superficie gruesa para proporcionar drenaje libre en la superficie y prevenir los encharcamientos, reducir las salpicaduras de las llantas y los ruidos de las llantas; este tipo de mezcla frecuentemente se define como open-graded friction course OGFC. El segundo tipo, denominado base permeable tratada con asfalto, comprende una gradación uniforme de tamaño máximo nominal mayor que las usadas en OGFC -19 mm (0.75 pulg.) a 25 mm (1 pulg.)- y se usa para drenar el agua que entra a la estructura del pavimento desde la superficie o de la subrasante. La producción de mezclas open-graded friction course, OCFG es similar a las mezclas HMA de gradación densa. La primera diferencia entre estos dos tipos de mezcla es la gradación de los agregados. Los asfaltos con caucho incorporados o rubberized se usan con frecuencia en la producción de mezclas OGFC para mejorar la capacidad de adhesión del asfalto al agregado. Aunque el contenido de vacíos es alto, el espesor de la película de asfalto es típicamente mayor que para las mezclas HMA de gradación densa. El contenido de asfalto total para S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

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Anexo B

mezclas OGFC es similar o ligeramente mayor que las mezclas densas con el mismo tamaño máximo de agregados. El procedimiento de diseño de mezclas OGFC consiste en seleccionar el contenido de asfalto necesario para un espesor de película de asfalto seleccionado. Una de las propiedades que generalmente se evalúan en el diseño de mezclas es su capacidad drenante a través de la matriz del agregado. La FHWA recomendó las siguientes gradaciones OGFC: Tamiz ½” (12.5 mm) 3/8” (9.5 mm) no.4 (4.75 mm) no.8 (2.36 mm) no.200 (0.075 mm)

%pasa 100 95-100 30-50 5-15 2-5

El contenido de asfalto se calcula con la capacidad superficial (Kc) del agregado retenido en el tamiz no.4 (4.75 mm). Kc se calcula con el porcentaje de aceite grado SAE no.10 retenido por el agregado que representa el efecto total del área superficial, las propiedades de absorción del agregado y rugosidad superficial. La capacidad de vacíos del agregado grueso es determinada utilizando un equipo de compactación vibratorio. La cantidad óptima de agregado fino es la que llena los vacíos entre las partículas de agregado grueso. La mezcla de agregados debe proporcionar el suficiente espacio para el contenido de asfalto requerido e interconectar los vacíos para el drenaje. El procedimiento de la FHWA establece temperaturas de mezcla óptima sobre la base de ensayos de drenaje realizados a diferentes temperaturas. . El empleo de asfaltos con caucho incorporados o rubberized con ligante resulta en temperaturas de mezcla generalmente mayores que las mezclas convencionales de asfalto. La temperatura de mezcla muy alta permite que el ligante drene a través del agregado, resultando en una alta variación del contenido de asfalto en la mezcla, formando manchas sobre el pavimento. Si la temperatura de mezcla es muy baja, el agregado no será completamente recubierto. El problema del drenaje de asfalto depende del tiempo de almacenamiento del OGFC. Un largo periodo de almacenamiento resulta en excesivo drenaje de asfalto a través de la mezcla. Cuando la mezcla tipo OGFC es almacenada en un silo por corto periodo de tiempo, el drenaje no ocurre. El asfalto puede tender a drenar a través del agregado durante el transporte, desde la zona de mezclado hasta la obra. Si esto ocurre, el asfalto puede salirse del camión que lo transporta o puede formar un charco en la base del camión y causar una gran mancha debajo en el fondo de la mezcla cuando se descarga. Así, el asfalto del fondo resulta en una mancha sobre la superficie del pavimento.

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Anexo B

Cuando el OGFC llega al lugar de colocación, tiende a verse abundante debido al mayor espesor de película y la escasez de material fino. Esto es normal. Por lo general el espesor de OGFC colocado en obra es de ¾” (19 mm) usando gradación de tamaño máximo ½” (12.5 mm). Las mezclas OGFC no se usan sobre superficies de pavimentos desniveladas. El pavimento deberá ser nivelado con una mezcla de gradación densa. Otro problema que ocurre cuando se recapea pavimentos desnivelados es el daño sobre mezclas de espesor menor de ¾ pulg. ó 19mm. El OGFC no se coloca en climas fríos. Severas fallas se atribuyen a la pérdida de vínculo entre el OGFC y la superficie existente porque se colocó en climas fríos. Muchos estados especifican temperatura mínima de aire entre 60 y 70ºF (16 a 21ºC) para la colocación de mezclas OGFC. No se especifica densidades para mezclas OGFC. El procedimiento normal de compactación es 2 a 3 pasadas sobre la superficie con rodillo con llanta de acero. No se deben utilizar rodillos compactadores vibratorios o neumáticos. El rodillo vibratorio degrada el agregado y el rodillo neumático tiende a levantar el asfalto, especialmente cuando se usa asfalto rubberized. Otro problema con el rodillo neumático es que cierra excesivamente los vacíos debido a la acción de las llantas. Los valores bajos de vacíos no permiten un buen drenaje del agua a través de la superficie. El control de calidad de mezclas OGFC es similar a las mezclas HMA de gradación densa. La primera diferencia es que no requieren controles de compactación de campo o laboratorio. Los ensayos generalmente realizados son: contenido de asfalto, granulometría, espesor y lisura. Estos ensayos se realizan rutinariamente para asegurar una mezcla satisfactoria. El proceso de control de calidad de campo debe ser realizada por un supervisor con experiencia en este tipo de mezclas. Las fallas más frecuentes que pueden ocurrir son: drenaje de asfalto, levantamiento de la mezcla detrás de la pavimentadora y el procedimiento inapropiado de compactación. La superficie del OGFC debe mostrar una adecuada resistencia al patinaje, sobre todo en climas lluviosos. Existen muchos estudios que indican problemas de stripping en la capa donde reposa el OGFC. Para salvar este problema, se usan agentes antistripping en las capas inferiores. Se usan temperaturas de mezcla menores para prevenir el escurrimiento. Recientemente se están empleando polímeros y fibras en mezclas open-graded friction course, OGFC para reducir el draindown y mejorar la durabilidad de la mezcla. La diferencia de las mezclas open-graded con las mezclas densas y SMA, es que estas mezclas usan solamente piedra chancada o, en algunos casos grava chancada con pequeño porcentaje de arena chancada. Se recomienda el uso de asfaltos modificados y fibras. Esto

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Anexo B

incrementa la cantidad de asfalto que puede ser usado con estas mezclas, mejorando su durabilidad y comportamiento. Materiales La Tabla B.8 proporciona una guía general de los materiales usados en mezclas open-graded. Tabla B.8 Materiales de Mezclas Open-graded Capa OGFC

Material Tráfico medio Tráfico alto Agregado Piedra chancada, Grava chancada y Arena chancada Ligante Asfalto modificado asfáltico Otros Fibras y agentes antistripping

Espesores Mínimos La figura B.7 muestra el rango mínimo recomendado de espesores para diferentes mezclas open-graded.

Figura B.7: Espesores Mínimos de mezclas open-graded

La Tabla B.8 presenta el tipo de mezcla apropiada para diferentes capas y el propósito para el que se usan. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

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Anexo B

Tabla B.8 Aplicación de tipos de mezclas open-graded Propósito Tamaño máximo nominal del agregado Capa superficial Capa base

9.5 mm

12.5 mm

̇ Desgaste superficial ̇ Fricción ̇ Reducción de ruidos ̇ Reducción de salpicaduras No No

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19 mm

No ̇ Drenaje

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Artículo Técnico Publicado por la Revista Científica TECNIA de la Universidad Nacional de Ingeniería, 2002

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Anexo C

“SUPERPAVE Y SMA: METODOS MECANISTICOS EN LA INGENIERIA DE LAS MEZCLAS ASFALTICAS” M.Sc. Abel Ordóñez Huamán - Ing. Silene Minaya González Instituto de Investigación de la Facultad de Ingeniería Civil-UNI RESUMEN Las mezclas asfálticas en los EE.UU. han sido diseñados mediante procedimientos típicamente empíricos basados en ensayos de laboratorio, esto significaba que la experiencia era necesaria para correlacionar los análisis de laboratorio y el comportamiento del pavimento en el campo. Sin embargo, aún con el seguimiento estricto de los procedimientos y criterios de diseño, el comportamiento adecuado no estaba asegurado. El Método Superpave es un producto de la Strategic Highway Research Program, SHRP creado por el Congreso Americano en el año 1987, con un presupuesto inicial de 150 millones de dólares para investigar el comportamiento de las mezclas asfálticas, la duración de las vías, así como el desarrollo de métodos basados en especificaciones que relacionen los análisis de laboratorio con el comportamiento en el campo. El Superpave está siendo implementado por agencias americanas para reemplazar los métodos Marshall y Hveem (actualmente usados en el Perú). El Superpave optimiza la resistencia de la mezcla a las deformaciones permanentes, agrietamiento por fatiga y el agrietamiento producido por bajas temperaturas. En los inicios de 1960 la industria europea del asfalto reconoció la necesidad de pavimentos resistentes a las deformaciones permanentes y daños en el pavimento sometido a tráfico pesado y bajas temperaturas. En respuesta a ello, los contratistas desarrollaron el Stone Mastic Asphalt, SMA mezcla de granulometria incompleta con un contenido mayor de agregado grueso, mineral de filler y cemento asfáltico así como menor cantidad de agregado fino y arena. La mezcla tuvo un suceso en Alemania y su uso se expandió a toda Europa y actualmente a EE.UU. y Canadá. El artículo presenta los resultados de investigaciones en la Universidad Nacional de Ingeniería para la aplicación del Superpave y el SMA en el Perú. ABSTRACT In U.S. Asphalt mixtures have typically been designed with empirical laboratory design procedures, meaning that field experience is required to determine if the laboratory analysis correlates with pavement performance. However, even with proper adherence to these procedures and the development of mix design criteria, good performance could not be assured. The Superpave is a product of the Strategic Highway Research Program, SHRP. The SHRP was established by U.S. Congress in 1987, $150 million research program to improve the performance, durability of road and the development of performance based asphalt specifications to directly relate laboratory analysis with field performance. The Superpave is being implemented by Americans agencies to replace the Marshall and Hveem design methods (actually used in Peru). The Superpave system optimises mixture resistance to permanent deformation, fatigue cracking and low temperature cracking. In the early 1960´s the European asphalt industry recognized a critical need for pavements which would be resistant to permanent deformation and the various pavement distresses associated with heavy traffic and low temperature. In response to this need, contractors developed Stone Mastic Asphalt, SMA a gap graded mix containing increased amounts of coarse aggregate, mineral filler and asphalt cement as well as decreased amounts of fine aggregate and sand. This mixture proved so successful in Germany that its use was continued throughout Europe and actually in USA and Canada. The article presents the results of investigations in the National University of Engineering for the application of the Superpave and SMA in Peru. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Diseño Moderno de Pavimentos INTRODUCCION En 1987 la Strategic Highway Research Program-SHRP de los EE.UU. inició el desarrollo de un sistema de manejo y diseño de pavimentos denominado Superpave, con una inversión de 150 millones de dólares. El sistema SUPERPAVE es denominado “mecanístico” debido a que incorpora conceptos y fundamentos básicos de la mecánica de los materiales, conceptos que están desplazando a las formulaciones empíricas. A finales de 1995 se terminó de construir la pista de pruebas denominada WESTRACK. Se ensayaron 26 secciones con dos tipos de mezclas asfálticas. En 1997 de manera prematura se presentaron problemas de asentamientos permanentes o “rutting” no previstos, problemas que fueron materia de investigación y cuyas conclusiones permitieron ajustar y mejorar progresivamente el método. Actualmente, las agencias estatales están realizando investigaciones en pistas de pruebas con la finalidad de implementar ensayos de evaluación de menor duración. En el año 2000 más del 60% del volumen de mezclas asfáltica fue diseñado por el sistema Superpave y los EE.UU. ha invertido hasta la fecha más de 500 millones de dólares en la implementación del Sistema Superpave. Es importante mencionar que los métodos “mecanísticos” se aplican actualmente en el diseño de toda la estructura del pavimento, inclusive en la evaluación de la fundación o sub-rasante (Ordóñez y Minaya, 2001), es decir ya no queda campo de aplicación para los métodos de diseño “empíricos”, esto producirá, como en los EE.UU. un reciclaje natural en la ingeniería de pavimentos en el Perú. ETAPAS DEL SISTEMA SUPERPAVE El diseño de mezclas SUPERPAVE considera cuatro etapas: 1. selección de materiales tanto del agregado como ligante. 2. diseño de la estructura del agregado. 3. determinación del contenido de ligante asfáltico. 4. evaluación de la sensibilidad de la mezcla al humedecimiento.

Anexo C 1.- SELECCIÓN DE MATERIALES Los agregados deben cumplir: (a) 04 ensayos obligatorios denominada propiedades consensuales y (b) ensayos especificados por cada agencia descentralizada de transporte, denominados propiedades de fuente (relacionado a condicionantes geológicos ambientales y de tránsito de cada zona). Las propiedades consensuales son: (1) Angularidad del agregado grueso, ASTM D 5821; (2) Angularidad del agregado Fino, AASHTO T 304-96; (3) Partículas Chatas y Alargadas, ASTM D 4791; y (4) Equivalente de Arena, AASHTO T 176. La Angularidad del agregado Grueso es el porcentaje de partículas de agregados gruesos con caras fracturadas. La combinación de agregados se tamiza por la malla 4.75 mm, el material retenido se analiza visualmente para determinar el porcentaje en peso que tienen una o más caras fracturas. El valor mínimo requerido depende del nivel de tráfico y la capa en la que se ubicará el agregado. La cantidad de partículas angulares determina el nivel de resistencia al corte que se puede desarrollar en la estructura del agregado. Superpave recomendó el criterio de angularidad del agregado grueso de la Tabla no. 1: Tabla no.1 Criterios de Angularidad del Agregado Grueso Superpave

Tráfico ESALs (millones) < 0.3

50

2.20

>

50

GM

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Anexo E

E3 Densidad de Campo con el Cono y la Arena (Documento Referencial: ASTM D 1556) E3.1 INTRODUCCIÓN El ensayo mide la densidad del suelo in situ. Las normas de la referencia recomiendan la utilización de este método en suelos con partículas no mayores de 2” de diámetro. La densidad natural del terreno es de suma importancia para evaluar los resultados de capacidad de soporte (C.B.R.) sobre todo en subrasantes arcillosas o limosas. Otra aplicación de este ensayo es en los controles de compactación de campo (conformación de terraplenes, capas de afirmado, base y sub base) Conociendo la máxima densidad seca y el óptimo contenido de humedad del suelo a compactar, se puede verificar el porcentaje de compactación con este ensayo. El ensayo permite medir la densidad del suelo. Se excava un hoyo en la zona de estudio, cuyo material retirado es pesado. El volumen del hoyo se obtiene de manera indirecta, con la densidad de la arena calibrada y el peso de arena que entra en el hoyo. E3.2 EQUIPO DE COMPACTACIÓN Cono de Arena Recipiente que tenga un volumen aproximadamente igual o mayor a 3785 lt (1 gal). Un utensilio desarmable que consiste en una válvula cilíndrica con un orificio de 12.7 mm de diámetro, que tiene un pequeño embudo de metal conectado a un recipiente de un galón en un extremo y a un embudo de metal (cono) en el otro extremo. La válvula deberá tener tapones para prevenir que rote de una posición completamente abierta a otra completamente cerrada. Ver figura E3.1. Una placa cuadrado o rectangular metálico con hueco en el centro para recibir el cono, deberá ser plana en la base y deberá tener espesor, rigidez suficiente y orillas de aproximadamente 10 a 13 mm (3/8 a 1/2 pulg) de altura. Arena La arena deberá ser limpia, seca, uniforme, no cementada, durable y que discurra libremente. Cualquier graduación puede ser usada, siempre que tenga un coeficiente de uniformidad (Cu=D60/D10) menor que 2, tamaño máximo de partículas de 2.00 mm (malla N° 10) y menos del 3% en peso que pase el tamiz 250 μm (malla N° 60). Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Anexo E

Se recomienda el uso de arena consistente, de partículas naturales redondeadas o subredondeadas. La arena triturada o que tenga partículas angulares pueden no tener un libre escurrimiento, por lo que esta condición puede causar una acción puente y por lo tanto imprecisión en la determinación de la densidad.

3785 cm3 (1 gal.)

Peso de arena para llenar el cono y el surco de la placa Placa base

Figura E3.1: Equipo para el ensayo de cono de arena Las normas recomiendan verificar la densidad de la arena cada 14 días como máximo, la razón es porque la mayoría de las arenas tienen la tendencia de absorber humedad de la atmósfera. Una muy pequeña cantidad de humedad absorbida puede ocasionar una variación sustancial en la densidad de la arena. En zonas de alta humedad o donde la humedad cambia continuamente, la densidad de la arena debe ser determinada más frecuentemente que el máximo intervalo de 14 días indicado. Balanzas Una balanza de capacidad de 10 kg y sensibilidad de 2 gr y otra de capacidad de 200 gr y sensibilidad de 0.1 gr. Equipo de Secado Horno para determinar el contenido de humedad. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Anexo E

Equipo Misceláneo Cuchillo, pico pequeño, cinceles, espátula pequeña, cucharas para retirar el suelo del hoyo. Recipientes con tapas o bolsas de plástico que retengan la humedad del material. Recipientes para pesar el suelo extraído del hoyo. E3.3 CALIBRACIÓN Antes de realizar el ensayo se deberá conocer el peso de la arena en el recipiente contenedor, así como la densidad de la arena, arena, que será empleada en el ensayo. Con anticipación se deberá calcular el peso de arena que entra en el cono y el surco de la placa base. Determinar el peso de arena a ser utilizada Pesar el recipiente contenedor vacío, luego llenarlo con arena, retirar el exceso. Determine el peso del recipiente con arena. Por diferencia se conoce el peso de la arena que será empleada durante el ensayo. Determinar el peso de arena necesaria para llenar el cono Llenar el contenedor con arena. Vierta el equipo sobre la placa base. Abrir la válvula y dejarla que la arena fluya libremente. Tenga el cuidado de no golpear la mesa de ensayo, para no producir vibraciones. Cierre la válvula y retirar el equipo de densidad. Pese el equipo con la arena remanente y calcular la arena perdida. Esta pérdida representa la masa de arena requerida para llenar el cono y el surco de la placa base, W3. Repita el ensayo por lo menos tres veces. El peso de arena usada es el promedio de las tres mediciones. E3.4 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO -

Nivele la superficie de estudio con ayuda de la placa base. Asiente la placa base sobre la superficie nivelada; estando seguro que existe un buen contacto entre la superficie del terreno y el borde del hueco central. Marcar la placa base y controlar que no haya movimiento durante el ensayo. Hacer un hoyo dentro del hueco de la placa base, cuidar no alterar el suelo que rodea el hueco. El volumen del hoyo será lo suficientemente grande como para minimizar errores. Los lados del hoyo tratarán de ser perpendiculares. El hoyo deberá ser cuidado en lo posible de cavidades, salientes y obstrucciones filudas ya que pueden afectar la precisión Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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del ensayo. Los suelos que son esencialmente granulares requieren un cuidado extremo y pueden requerir excavaciones de forma cónica. Pesar el suelo retirado del hoyo inmediatamente o protegerlo contra pérdida de humedad hasta que se pese, Wsw. Tomar una muestra para determinar el contenido de humedad natural. Limpiar el borde del hueco central de la placa base e invierta el contenedor de arena acoplado al cono (no olvidar que de antemano se debe conocer el peso del equipo con la arena que será utilizada en el ensayo, W1). Abrir la válvula y dejar que la arena llene el hoyo, el cono y el surco de la placa base. Tener cuidado de no golpear o vibrar el equipo o el terreno durante este paso. Cuando la arena deje de fluir, cierre la válvula. Pese el equipo con la arena sobrante, W2.

E3.5 CÁLCULOS Calcule el volumen del hoyo del ensayo como sigue:

V=

W1 − W2 − W3 ρarena

donde: V W1 W2 W3 arena

Volumen del hoyo del ensayo, cm3. Peso de arena con equipo antes del ensayo , gr. Peso de arena con equipo al final del ensayo, gr. Peso de arena para llenar el cono y placa base, gr. Densidad de arena, gr/cm3.

Calcular la densidad húmeda y seca del material ensayado como sigue: ρ sw =

ρd =

Wsw V

ρsw 1+ ω

donde: V Wsw sw d

Volumen del hoyo de prueba, cm3. Peso del suelo natural retirado del hoyo, gr. Densidad natural del material ensayado gr/cm3. Densidad seca del material ensayado.

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E4 Densidad de Campo con Métodos Nucleares ASTM D 2922 E4.1 OBJETO Medir la densidad y humedad natural del terreno a ser evaluado. La evaluación se puede realizar sobre suelos, suelo-agregado, bases tratadas con cemento o asfalto y carpetas de rodadura. El procedimiento detallado en esta guía es aplicado al Densímetro Nuclear Troxler “RoadReadders” modelo 3440. Se coloca una fuente emisora y un detector de rayos gamma, sobre o dentro del material a ser evaluado, las emisiones recibidas por los detectores se cuantifican. Estos métodos son no destructivos y de relativa facilidad para la realización del ensayo. La intensidad de la radiación detectada, depende en parte, del peso unitario del material. La lectura de la misma se transforma en peso unitario húmedo mediante una curva de calibración. Los resultados pueden variar debido a la composición química, heterogeneidad de la muestra, etc. E4.2 GENERALIDADES El equipo consta de una fuente nuclear emisora de rayos gamma; un detector sensible a estos rayos, modificados al pasar a través del material evaluado; y un medidor para el cronometraje automático, necesario para determinar la velocidad a la cual los rayos gamma modificados llegan al detector. E4.3 MÉTODOS DE ENSAYO La medición de la densidad puede realizarse por medio de dos modos de operación, Retrodispersión o el Modo de Transmisión Directa, dependiendo del tipo de material y del espesor de la capa correspondiente. E4.4 MEDIDAS DE SEGURIDAD Procedimientos detallados de seguridad se hallan fuera del objetivo de esta guía, pero es necesario que las personas que lo empleen se familiaricen con los riesgos de los mismos. E4.5 OPERACIÓN DEL DENSÍMETRO NUCLEAR Retrodispersión La fuente de emisiones gamma y los detectores permanecen dentro del densímetro, colocado sobre la superficie del material a analizar. Las emisiones gamma penetran el material evaluado Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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y son recibidas y cuantificadas por los detectores. La retrodispersión se usa principalmente en capas delgadas. Transmisión Directa La fuente gamma se introduce en la capa a través de un orificio de acceso. Las emisiones gamma se transmiten a través del material, hacia los detectores. Se determina la densidad promedio entre la fuente y los detectores. Este modo minimiza la incertidumbre ocasionada por superficies rugosas y composición química del material. Modo recomendado en capas de espesor medio a grueso. Humedad La fuente de neutrones y el detector permanecen dentro del densímetro en la superficie del material a analizar. Los neutrones a alta velocidad se introducen en la capa evaluada, y son parcialmente detenidos por sus colisiones contra los átomos de hidrógeno dentro del material. El detector de helio en el densímetro, cuenta los neutrones con velocidad disminuida; que correlaciona directamente con la humedad en el material.

Retrodispersión

Transmisión directa

Humedad

E4.6 MEDIDOR Y ACCESORIOS Los controles, componentes, operaciones principales, seguridades y protecciones del Troxler 3440 se detallan a continuación. Figura E4.1. Medidor. Equipo que mide densidad y humedad, contiene fuentes radiactivas, electrónica y baterías recargables. Bloque de referencia estándar. Usado para el conteo estándar. Placa/guia para varilla de perforación. Usada para preparar el agujero en la medición tipo transmisión directa. Varilla de perforación. Herramienta para extracción de varilla de perforación Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Caja de transporte.

Figura E4.1: Partes del Equipo E4.7 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO MÉTODO A - RETRODISPERSION 1. Prepare un área horizontal, con ayuda de la placa de alisado. Levante la plancha para rellenar cualquier depresión o hueco que pudiera existir, coloque la placa de alisado sobre la superficie nuevamente y presione ligeramente hacia abajo para nivelar la superficie, de tal manera que se obtenga el contacto máximo entre el medidor y el terreno a evaluar. La zona debe estar fuera del alcance de otra fuente radiactiva. 2. Asiente el medidor y enciéndalo. 3. Obtenga y registre una o más lecturas de un minuto. 4. Determínese el peso unitario húmedo en el sitio, mediante el empleo de la curva de calibración establecida previamente. MÉTODO B - TRANSMISIÓN DIRECTA 1. Prepárese el sitio de ensayo siguiendo el paso 1 del método A. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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2. Usando los lentes de seguridad, pararse sobre la plancha para sostenerla firmemente y martillar la varilla de perforación por lo menos 2” más abajo de la profundidad de ensayo. La varilla de perforación marca los incrementos incluyendo las 2” adicionales. Antes de remover la varilla de perforación de la placa de alisado, marque el área de prueba según la figura E4.3.

Figura E4.2: Posición de la Varilla de Perforación y Extracción con el plato Guía

Figura E4.3: Marcando el área de prueba 3. Remover la varilla de perforación tirando hacia arriba y girando la herramienta de extracción. Retire cuidadosamente la placa de alisado y póngala del lado. 4. Coloque el medidor sobre la superficie alineada cuidadosamente con marcas y bajar la varilla de la fuente dentro del agujero usando el manubrio y el mecanismo disparador. Desprender el gatillo a la profundidad deseada y escuche un Click. Presione el tope del manubrio (suavemente) para confirmar la posición de la varilla porta fuente. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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5. Asiéntese firmemente el medidor, rotándolo alrededor de la sonda, con un movimiento hacia atrás y hacia adelante. 6. Empújese suavemente el medidor en la dirección que colocaría el lado de la sonda, contra el lado del orificio más próximo a la localización del detector o la fuente en la caja del medidor. 7. Encienda el equipo. 8. Obténganse y regístrense una o más lecturas de un minuto. 9. Determínese el peso unitario húmedo en el sitio, mediante el uso de la curva de calibración establecida previamente. E4.8 EMPLEO DEL EQUIPO ENCENDIDO DEL MEDIDOR Presione la tecla ON. Luego de aproximadamente 400 segundos la pantalla cambiara a:

UNIDADES DE MEDIDA Las unidades disponibles son kg/m3 y lb/pie3. Para ejecutar la función presione SHIFT y SPECIAL para que aparezca:

3 veces

Presione 9 para que aparezca: ó

Seleccione la unidad requerida. SELECCIÓN DEL TIEMPO DE CONTEO El medidor tiene tres tiempos de conteos, 4 minutos (más largo) y los periodos más cortos. Presione TIME para el despliegue: Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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La pantalla regresara a READY.

SELECCIÓN DEL MODO Permite seleccionar la función SUELOS o ASFALTO. Presione SHIFT y MODE para el despliegue:

Elija el modo que desee usar. Si se elige SUELO, la pantalla mostrará Soil Mode, y después de un momento la pantalla regresará a READY. Si seleccionó ASFALTO la pantalla mostrará:

(%MA) : calcula el % de compactación respecto de un Marshall designado. El porcentaje Marshall será: %Marshall =

Marshall dado × 100 Marshall

La pantalla mostrará la siguiente etiqueta:

Si desea habilitar el porcentaje de vacíos, presione YES. Para calcular el porcentaje de vacíos se debe ingresar la Gravedad específica Teórica Máxima o RICE de la mezcla asfáltica. El porcentaje de vacíos se calculará con la siguiente ecuación: Marshall dado ⎞ ⎛ %vacíos = 100 × ⎜1 − ⎟ Marshall ⎠ ⎝

La pantalla mostrará la siguiente etiqueta; luego de un corto período de tiempo regresará al modo READY. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Anexo E

INGRESO DE UN NUEVO PROYECTO Presione SHIFT y PROYECTO

Presione YES,

Presione NO/CE, para desplegar:

Ingrese el nombre del proyecto, para caracteres numéricos presione directamente el número, para caracteres alfabéticos, presione SHIFT y luego la letra, presione YES para aceptar el carácter, al finalizar, presione ENTER para activar el número de proyecto y salir. TOMA DE UN CONTEO ESTANDAR Todos los medidores nucleares Troxler, utilizan fuentes radiactivas de bajo nivel para tomar medidas. A medida que se realicen mediciones, la cantidad de radiactividad de la fuente decaerá. Como consecuencia de este decaimiento se debe realizar conteos estándar para reajustar el medidor en compensación a esa caída de radiación. Es importante tomar el Conteo Estándar cuando un medidor es inicialmente recibido de fábrica y antes de tomar medidas en el lugar de trabajo.

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Anexo E

Figura E4.4: Mostrando posición de la varilla El medidor debe ser encendido antes de partir al lugar de trabajo. Se irá corriendo la rutina de autotest. Durante el conteo estándar, el medidor compara automáticamente el nuevo conteo estándar con el promedio de los últimos cuatro conteos estándar. El nuevo Conteo Estándar será aceptado PASS, si está en el rango de 1% de la densidad promedio ó 2% de la humedad promedio de los cuatro últimos conteos. Después de tomar el conteo, asegurarse de ingresarlo en la memoria. Para iniciar el conteo estándar coloque el bloque de Referencia en una superficie plana, a por lo menos 2 m de una estructura vertical y 10 m de cualquier otra fuente radiactiva. La superficie debe ser compacta y uniforme con densidad no menor a 1.6 gr/cm3. No colocar el bloque de referencia en superficies inestables como camiones, etc. Coloque el medidor sobre el bloque de referencia, asegurarse de que las superficies en contacto estén limpias.

Figura E4.5: medidor sobre bloque de referencia

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Anexo E

Para iniciar el Conteo Estándar, presione STANDARD para el despliegue: YES

Coloque la varilla de la fuente en la posición Segura SAFE POS y presione YES para iniciar el conteo estándar de cuatro minutos (240 Segundos).

Al final del conteo:

La P indica que los nuevos conteos están dentro de los rangos establecidos. Si en lugar de la P aparece una F significa que los porcentajes están fuera de los límites. Verificar si:  La varilla porta fuente está en la posición indicada.  Hay medidores cerca?  El medidor está correctamente colocado sobre el bloque de referencia estándar  La superficie de contacto está limpia  El bloque de referencia esta sobre una superficie recomendada Si todas las otras condiciones están normales, no acepte el conteo estándar recién tomado presione y tome otro conteo estándar. Si el segundo conteo estándar falla, borrar los antiguos conteos estándar y tomar cuatro series nuevas de conteos estándar. Presione YES para aceptar e ingresarlo en la memoria. MEDICIONES DE HUMEDAD - DENSIDAD NOTA IMPORTANTE Si no está tomando ninguna lectura, guarde la varilla porta fuente en la posición segura (SAFE). La varilla se retrae automáticamente cuando el medidor se toma del manubrio. No guarde o transporte el medidor a menos que el bloque corredizo de tungsteno esté completamente cerrado. Los niveles de radiación incrementados pueden violar las regulaciones de transporte, y puede causar la exposición excesiva de radiación de personal. MODO SUELO En modo SUELO, posesionar el medidor en la ubicación apropiada y desprender la varilla porta fuente, presionándola a la profundidad apropiada. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Anexo E

Verificar que todos los parámetros han sido puestos con los valores correctos. Presionar START/ENTER para iniciar la medición.

Después que el medidor complete su tiempo de conteo, el despliegue será:

La lectura puede ser almacenada para usarla luego. MODO ASFALTO Habilitado el modo asfalto y verificado todos los parámetros iniciar la medición presionando START/ENTER, para el despliegue:

Después que el medidor haya completado el tiempo de conteo, el despliegue será:

El despliegue mostrado permanecerá hasta que: una tecla de función sea presionada, una nueva medida sea tomada, la tecla NO/CE es presionada o el medidor se apague debido a su inactividad. La lectura puede ser almacenada. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Manual de Densímetros Nucleares Troxler “RoadReaders”, traducción del Laboratorio de Mecánica de Suelos de la Universidad Ricardo Palma.

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Anexo F

F1.1 FUNDAMENTO Los agregados deben ser capaces de resistir el desgaste irreversible y degradación durante la producción, colocación y compactación de las obras de pavimentación, y sobre todo durante la vida de servicio del pavimento. Debido a las condiciones de esfuerzo-deformación, la carga de la rueda es transmitida a la superficie del pavimento a través de la llanta como una presión vertical aproximadamente uniforme y alta. La estructura del pavimento distribuye los esfuerzos de la carga, de una máxima intensidad en la superficie hasta una mínima en la subrasante. Por esta razón los agregados que están en, o cerca de la superficie, como son los materiales de base y carpeta asfáltica, deben ser más resistentes que los agregados usados en las capas inferiores, como la sub base, de la estructura del pavimento, la razón se debe a que las capas superficiales reciben los mayores esfuerzos y el mayor desgaste por parte de cargas del tránsito. Por otro lado, los agregados transmiten los esfuerzos a través de los puntos de contacto donde actúan presiones altas. El Ensayo de Desgaste de Los Ángeles, ASTM C-131 (para agregados menores de 1 ½”) y ASTM C-535 (para agregados mayores a ¾”), mide básicamente la resistencia de los puntos de contacto de un agregado al desgaste y/o a la abrasión. F1.2 OBJETIVO Este método describe el procedimiento para determinar el porcentaje de desgaste de los agregados de tamaños menores a 37.5 mm (1 ½”) y agregados gruesos de tamaños mayores de 19 mm(3/4”), por medio de la máquina de los Ángeles. F1.3 EQUIPOS DE LABORATORIO Máquina de desgaste de Los Ángeles Tamices : 3”, 2 ½”, 2”, 1 ½”, 1”, ¾”, ½”, 3/8”, ¼”, Nº4, Nº8. Un tamiz Nº12 para el cálculo del desgaste Esferas de acero: de 46.38 a 47.63 mm de diámetro y entre 390 a 445 gr. Horno: para mantener una temperatura de 110±5 ºC Balanza: aproximación de 1 gr.

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F1.4 MATERIAL Y CARGA ABRASIVA A UTILIZAR La cantidad de material a ensayar y el número de esferas a incluir dependen de la granulometría del agregado grueso. En las Tablas Nº1 y Nº2, se muestra el método a emplear; así como la cantidad de material, número de esferas, número de revoluciones y tiempo de rotación, para cada uno de ellos. La gradación que se use deberá ser representativa de la gradación original del material suministrado para la obra. Tabla F1.1: Peso de agregado y Nº de esferas para agregados gruesos hasta de 1 ½”, ASTM C 131 MÉTODO DIÁMETRO Pasa Retenido 1 ½” 1” 1” ¾” ¾” ½” ½” 3/8” 3/8” ¼” ¼” Nº4 Nº4 Nº8 PESO TOTAL Nº de esferas Nº de revoluciones Tiempo de rotación, min.

A B C D CANTIDAD DE MATERIAL A EMPLEAR (gr) 1 250±25 1 250±25 1 250±10 1 250±10

2 500±10 2 500±10 2 500±10 2 500±10

5 000 10 12 500 15

5 000 10 11 500 15

5 000 10 8 500 15

5 000±10 5 000 10 6 500 15

Tabla F1.2: Peso de agregado y Nº de esferas para agregados gruesos de tamaños mayores a 3/4”, ASTM C-535 MÉTODO DIÁMETRO Pasa Retenido 3” 2½” 2½” 2” 2” 1 ½” 1 ½” 1” 1” ¾” PESO TOTAL Nº de esferas Nº de revoluciones Tiempo de rotación, min.

1 2 3 CANTIDAD DE MATERIAL A USAR (gr) 2 500±50 2 500±50 5 000±50

10 000 100 12 1 000 30

5 000±50 5 000±25 10 000 75 12 1 000 30

5 000±25 5 000±25 10 000 50 12 1 000 30

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F1.5 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO 1. La muestra llegada al laboratorio deberá ser identificada. Para muestras cuyo tamaño máximo sea menor a 1 ½” ó mayor de ¾” el procedimiento es el mismo. 2. El material deberá ser lavado y secado en horno a temperatura constante de 105-110ºC, y tamizado según las mallas que se indican. Mezclar las cantidades que el método indique, según la Tabla No. F1.1 ó F1.2. 3. Pesar la muestra con precisión de 1 gr. y 5 gr., para tamaños máximos de 1 ½” y 3/4”, respectivamente. 4. Introducir la muestra de ensayo junto con la carga abrasiva en la máquina de Los Ángeles, cerrar la tapa del cilindro. 5. Activar la máquina, regulándose el número de revoluciones indicado por el método. 6. Finalizado el tiempo de rotación, se retiran las cargas y el material. Se tamiza por la malla Nº12. 7. El material retenido en el tamiz Nº12 se lava y seca en horno, a una temperatura constante entre 105º a 110ºC. Pesar la muestra seca. F1.6 CÁLCULOS El porcentaje de desgaste es la relación entre el material que pasa el tamiz No. 12 y el peso inicial. − Pfinal P × 100 % desgaste = inicial Pinicial F1.7 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Resistencia al Desgaste de los Agregados de Tamaños menores de 37.5 mm (1 ½") ASTM C-131 2. Resistencia al Desgaste de los Agregados Gruesos de Tamaños mayores de 19 mm ( 3 /4”) por medio de la Máquina de Los Ángeles ASTM C-535 3. Abrasión Los Ángeles (L.A.) al Desgaste de los Agregados de Tamaños Menores de 37.5 mm (1½”). Norma MTC E207-1999 4. Diseño de Espesores Pavimentos Asfálticos para Calles y Carreteras. Ingº Germán Vivar R. 5. Estructuración de Vías Terrestres. M. en I., I.C. Fernando Olivera Bustamante.

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Foto NºF1.1: Cilindro metálico para realizar la prueba de desgaste de “Los Angeles”

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Foto Nº F1.2: Tamizar el material según las mallas que se indican

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Foto Nº F1.3: Pesar los materiales retenidos en las cantidades del método al que corresponden

Foto Nº F1.4: Introducir la muestra en la máquina de “Los Angeles” Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Foto Nº F1.5: Introducir las cargas abrasivas según el método de ensayo

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Foto Nº F1.6: Finalizado el tiempo de rotación, sacar el agregado y tamizarlo por la malla Nº12

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F2.1 FUNDAMENTO Las especificaciones técnicas consideran el porcentaje de agregado grueso con caras fracturadas con el propósito de maximizar la resistencia al esfuerzo cortante con el incremento de la fricción entre las partículas. Otro propósito es dar estabilidad a los agregados empleados para carpeta o afirmado; y dar fricción y textura a agregados empleados en pavimentación. La forma de la partícula de los agregados puede afectar la trabajabilidad durante su colocación; así como la cantidad de fuerza necesaria para compactarla a la densidad requerida y la resistencia de la estructura del pavimento durante su vida de servicio. Las partículas irregulares y angulares generalmente resisten el desplazamiento (movimiento) en el pavimento, debido a que se entrelazan al ser compactadas. El mejor entrelazamiento se da, generalmente, con partículas de bordes puntiagudos y de forma cúbica, producidas, casi siempre por trituración. F2.2 OBJETIVO Este método permite determinar el porcentaje, en peso, de una muestra de agregado grueso con una, dos o más caras fracturadas. F2.3 DEFINICIONES Cara Fracturada

una cara angular, lisa o superficie fracturada de una partícula de agregado formada por trituración, otros medios artificiales o por la naturaleza. Discusión para esta norma una cara será considerada “cara fracturada” solamente si su área mínima proyectada es tan grande como un cuarto de la máxima área proyectada (máxima área de la sección transversal) de la partícula y la cara tiene aristas bien definidas; esto excluye las pequeñas irregularidades. Partícula fracturada una partícula de agregado es fracturada si tiene el número mínimo de caras fracturadas especificadas (usualmente uno o dos).

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Área Proyectada de la cara fracturada (Af)

Partícula fracturada

Partícula máxima Área de la sección transversal (Xmáx) Una cara será considerada como una cara de fractura solamente si tiene : Af ≥ 0.25 Xmax

Esquema de una partícula fracturada con una cara fracturada F2.4 EQUIPOS DE LABORATORIO 1. 2. 3. 4.

Balanza de 5 Kg. y sensibilidad al gramo Tamices. Partidor de muestras Espátula

F2.5 PREPARACIÓN DE LA MUESTRA 1. Secar la muestra y cuartearla para obtener una masa representativa. 2. Los pesos mínimos para el ensayo se muestran en la siguiente tabla: Tamaño Máximo Nominal 3/8” ½” ¾” 1” 1 ½” 2” 2 ½” 3” 3 ½”

Peso mínimo para el ensayo (gr) 200 500 1 500 3 000 7 500 15 000 30 000 60 000 90 000

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3. Tamizar la muestra por la malla Nº4 4. Muestras con tamaño máximo nominal mayor o igual a ¾”, pueden ser reducidas al ser tamizadas por la malla 3/8”. Se ensaya el material retenido en la malla 3/8” y la fracción que pase puede reducirse de acuerdo con la norma ASTM C-702 hasta 200 gr. En este caso, sobre cada porción se determina el porcentaje de partículas fracturadas; y se calcula el promedio ponderado en función de la masa original. F2.6 PROCEDIMIENTO 1. Lavar la muestra sobre la malla designada y remover cualquier fino. Secar 2. Determinar la masa de la muestra con una aproximación de 0.1%. 3. Extender la muestra seca sobre una superficie plana, limpia y lo suficientemente grande como para permitir una inspección visual. Para verificar si la partícula alcanza o cumple el criterio de fractura, sostener el agregado de tal manera que la cara sea vista directamente. Si la cara constituye al menos ¼ de la máxima sección transversal, considerarla como cara fracturada. 4. Usando la espátula separar en tres categorías. 1.- Partículas fracturadas dependiendo si la partícula tiene el número requerido de caras fracturadas; 2.- Partículas que no reúnen el criterio especificado; y 3.- Partículas cuestionables. Si el número requerido de caras fracturadas no se consigue en las especificaciones, la determinación será hecha sobre la base de un mínimo de una cara fracturada. Determinar el porcentaje en peso de cada una de las categorías. Si sobre cualquiera de los porcentajes más del 15% del total es cuestionable, repita la evaluación hasta que no más del 15% se repita en esta categoría. F2.7 INFORME Reporte el porcentaje en peso del número de partículas con el número especificado de caras fracturadas, aproximado al uno por ciento de acuerdo a la siguiente fórmula:

⎡ F + Q/2 ⎤ P=⎢ × 100 ⎣ F + Q + N ⎥⎦ Donde: P Porcentaje de partículas con el número especificado de caras fracturadas F Peso o cantidad de partículas fracturadas con al menos el número especificado de caras fracturadas Q Peso o cantidad de partículas cuestionables N Peso o cantidad de partículas en la categoría de no fracturadas que no cumplen el criterio de fractura F2.8 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Determining the Percentage of Fractured Particles in Coarse Agregate. ASTM D-5821 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Foto NºF2.1: Partículas con una, dos o más caras fracturadas

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F3.1 FUNDAMENTO

Este método de ensayo asigna un valor empírico a la cantidad relativa, finura y características del material fino presente en una muestra de ensayo formado por suelo granular que pasa el tamiz Nº4 (4.75 mm). El término “Equivalente de Arena” transmite el concepto que la mayoría de los suelos granulares y agregados finos son mezcla de partículas gruesas, arenas y generalmente finos. Para determinar el porcentaje de finos en una muestra, se incorpora una medida de suelo y solución en una probeta plástica graduada que luego de ser agitada separa el recubrimiento de finos de las partículas de arena; después de un período de tiempo, se pueden leer las alturas de arcilla y arena en la probeta. El equivalente de arena es la relación de la altura de arena respecto a la altura de arcilla, expresada en porcentaje. Este método proporciona una manera rápida de campo para determinar cambios en la calidad de agregados durante la producción o colocación. F3.2 EQUIPOS DE LABORATORIO 1. Tubo irrigador. De acero inoxidable, cobre o bronce, de 6.35 mm de diámetro exterior, 508 mm de longitud, cuyo extremo inferior está cerrado en forma de cuña. Tiene dos agujeros laterales de 1 mm de diámetro en los dos planos de la cuña cerca de la punta. 2. Sistema de Sifón. Se compone de un botellón de 1 galón (3.8 lt) de capacidad con un tapón. El tapón tiene dos orificios que lo atraviesan, uno para el tubo del sifón y el otro para entrada de aire. El conjunto deberá ubicarse a 90 cm por encima de la mesa. 3. Probeta graduada. Con diámetro interior de 31.75±0.381 mm y 431.8 mm de altura graduada hasta una altura de 381 mm, provista de un tapón de caucho o goma que ajuste en la boca del cilindro. 4. Tubo flexible. De caucho o goma con 4.7 mm de diámetro, tiene una pinza que permite cortar el paso del líquido a través del mismo. Este tubo conecta el tubo irrigador con el sifón. 5. Pisón de metal. Consistente en una barra metálica de 457 mm de longitud que tiene enroscado en su extremo inferior un disco metálico de cara inferior plana perpendicular al eje de la barra y cara superior de forma cónica. El disco lleva tres tornillos pequeños que sirven para centrarlo dentro del cilindro. Lleva una sobrecarga en forma cilíndrica, de tal manera que el conjunto pese 1 kg. (barra metálica, disco y sobrecarga). Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia 274 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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6. Recipiente metálico. De estaño aproximadamente de 57 mm de diámetro con capacidad de 85±5 ml, borde superior uniforme de modo que la muestra que se coloca en ella se pueda enrasar para conseguir el volumen requerido. 7. Cronómetro o reloj. Lecturas en minutos y segundos 8. Embudo. De boca ancha para incorporar la muestra de ensayo en la probeta graduada. 9. Tamiz Nº4. 10. Recipiente para mezcla 11. Horno. Capaz de mantener temperaturas de 110±5ºC. 12. Papel filtro. Watman Nº2V o equivalente

Los materiales que forman parte del equipo de ensayo de equivalente de arena son: Lista de Materiales

Ensamblaje

A

B

C

Parte 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Descripción Ensamblaje de sifón Tubo de sifón Manguera de sifón Manguera de purga Tubo de purga Tapón con dos agujeros Nº6 Tubo irrigador Abrazadera Probeta graduada Tubo Base Ensamblaje para lectura de arena Indicador para lectura de arena Barra Pesa Pasador Pie Tapón sólido

Material Cobre, puede ser niquelado Caucho, goma pura o equivalente Caucho, goma pura o equivalente Cobre, puede ser niquelado Caucho Acrílico transparente Acrílico transparente Nylon 101 tipo 66 templado Bronce, puede ser niquelado Acero, puede ser niquelado Metal resistente a la corrosión Bronce Caucho, puede ser niquelado

Fuente: Sand Equivalent Value of Soils and Fine Aggregate. ASTM D 2419-91

F3.3 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO

1. Reactivos, materiales y preparación de la Solución Madre Reactivos y materiales Cloruro de calcio anhidro, 454 gr. Glicerina USP, 2050 gr (1640 ml) Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia 275 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Formaldehído, (40% en volumen) 47 gr (45 ml) Preparación Disolver 454 gr. cloruro de calcio anhidro en 0.5 gal (1.9 lt) de agua destilada. Se deja enfriar a temperatura ambiente y se pasa por papel de filtro. A la solución filtrada se le incorpora los 2050 gr de glicerina y 47 gr. de formaldehído mezclar bien. 2. Reactivos, materiales y preparación de la Solución de Trabajo Reactivos y materiales Solución madre Agua destilada Preparación Diluir 85±5 ml al ras de la solución madre en 1 gal (3.8 lt) de agua destilada. 3. Preparación de la muestra a. Separar aproximadamente 1500 gr de material que pase el tamiz Nº 4 (4.75 mm) Tener el cuidado de desmenuzar todos los terrones de material fino y limpiar cualquier cubierta de fino que se adhiere al agregado grueso, estos finos pueden ser removidos por secado superficial del agregado grueso y frotación entre las manos sobre un recipiente plano. Añádase este material a la porción fina de la muestra. b. Para determinar la cantidad del material para el cuarteo • Si fuera necesario humedecer el material, para evitar segregación o pérdida de finos durante el cuarteo. Tener cuidado al adicionar agua a la muestra, para mantener una condición de flujo libre de material. • Usando el recipiente metálico de 85±5 ml de capacidad, saque cuatro medidas de muestra. Cada vez que se llene una medida golpear ligeramente, la parte inferior del recipiente sobre una superficie dura por lo menos cuatro veces. • Registre la cantidad de material contenido en las cuatro medidas, ya sea por peso o volumen, de la probeta de plástico. • Regrese el material a la muestra y proceda a separarla por cuarteo. Obtener la cantidad suficiente de muestra para llenar la medida. • Secar el especímen de ensayo a peso constante de 105±5ºC y dejarlo enfriar a temperatura ambiente antes del ensayo. c. Manteniendo la condición de flujo libre, humedecer lo suficiente el material para evitar segregación o pérdida de finos durante el cuarteo. d. Separar por cuarteo entre 1000 y 1500 gr de material. Colóquelo en un recipiente y mezcle en forma circular hacia el centro, por un minuto, hasta obtener una mezcla uniforme. e. Verificar las condiciones de humedad del material apretando con la mano una porción de material, si se forma una masilla que permite abrir la mano sin romperse, la mezcla tiene el rango correcto de humedad. • Si la muestra está muy seca se desmoronará, debiendo adicionar agua; volver a mezclar y probar si se formó la masilla plástica. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia 276 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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•

6.

7. 8. 9.

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Si la muestra está muy húmeda deberá secarse al aire, mezclándola frecuentemente para asegurar uniformidad y ensayándola nuevamente. Si la humedad inicial se encuentra dentro de los límites arriba descritos, la muestra se puede ensayar inmediatamente. Si la humedad es diferente a los límites indicados, la muestra deberá ponerse en una vasija, cubriéndola con una toalla húmeda que no toque el material, por espacio de 15 min. como mínimo. Después de transcurrido el tiempo mínimo, remezclar por 1 min. sin agua, formando un cono con el material, utilizando una paleta. Tome el recipiente metálico en una mano y presiónese contra la base del cono mientras se sostiene a éste con la mano libre. A medida que el recipiente atraviesa el cono manténgase suficiente presión en la mano para que el material lo llene por completo. Presiónese firmemente con la palma de la mano compactando el material hasta que éste se consolide, el exceso debe ser retirado y desechado, enrasando con la paleta a nivel del borde del recipiente.

4. Preparación de Aparatos 1. Ajustar el sifón a un botellón de 1.0 gal (3.8 lt) conteniendo la solución de trabajo de cloruro de calcio. Colocarlo en un anaquel ubicado a 91±3 cm sobre la mesa de trabajo. 2. Soplar el sifón dentro del botellón con solución, por el tubo de purga y con la abrazadera abierta. 5. Procedimiento 1. Por el sifón verter 102±3 mm. de solución de trabajo de cloruro de calcio, en la probeta. 2. Con ayuda del embudo verter en la probeta, 85±5 cm3 del suelo preparado. 3. Golpear la parte baja del cilindro varias veces con la palma de la mano para desalojar las posibles burbujas de aire y para humedecer completamente la muestra. Dejar reposar durante 10±1 min. 4. Transcurridos los 10 min., tapar la probeta con un tapón; suelte el material del fondo invirtiendo parcialmente el cilindro y agitándolo a la vez. El material puede ser agitado con cualquiera de los siguientes métodos: 4.1 Método mecánico Colóquese la probeta tapada en el agitador mecánico, y permitir que lo sacuda por 45±1 s. 4.2 Método del agitador manual • Ajustar la probeta tapada con las tres pinzas de resorte, sobre el soporte del agitador manual y ponga el contador en tiempo cero. • Párese frente al agitador y fuerce el puntero sobre la marca límite pintada en el tablero, aplicando la fuerza horizontal sobre la biela resortada del lado derecho. Luego retirar la mano de la biela y deje que la acción del resorte mueva el soporte y la probeta en la dirección opuesta sin ayuda e impedimento alguno. • Aplique suficiente fuerza a la biela resortada, con la mano derecha, durante el recorrido con empuje para llevar el índice hasta la marca límite del émbolo, Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia 277 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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empujando la biela con la punta de los dedos para mantener un movimiento oscilatorio suave. El centro del límite de carrera está colocado para prever la longitud adecuada del movimiento y su ancho se ajusta al máximo de variación permitida. La cantidad correcta de agitación se logra solamente cuando el extremo del índice invierte su dirección dentro de los límites marcados. Una correcta agitación puede mantenerse usando solamente el antebrazo y la muñeca para mantener el agitador. • Continúe la agitación por 100 ciclos. 4.3 Método manual • Sujetar la probeta en posición horizontal y sacudirla vigorosamente de izquierda a derecha. • Agitar el cilindro 90 ciclos en 30 segundos, usando un recorrido de 23±3 cm. Un ciclo se define como el movimiento completo a la derecha seguido por otro a la izquierda. El operador deberá mover solamente los antebrazos manteniendo el cuerpo y hombros relajados. • Concluida con la operación de agitación, colocar la probeta verticalmente sobre la mesa de trabajo y quitar el tapón. 5. Proceso de irrigación. • El cilindro no deberá moverse de su posición vertical y con la base en contacto con la superficie de trabajo. • Introduzca el tubo irrigador en la parte superior de la probeta, suelte la abrazadera de la manguera y limpie el material de las paredes de la probeta mientras el irrigador baja. El irrigador debe llegar hasta el fondo, aplicando suavemente una presión y giro mientras que la solución de trabajo fluye por la boca del irrigador, esto impulsa el material fino desde el fondo hacia arriba poniéndolo sobre las partículas gruesas de arena. • Cuando el nivel del líquido alcance la señal de los 38 cm, levante el tubo irrigador despacio sin que deje de fluir la solución, de tal manera que el nivel se mantenga cerca de 38 cm mientras se saca el tubo. Regule el flujo justo antes que el tubo esté completamente fuera y ajuste el nivel final a los 38 cm. 6. Lectura de arcilla. • Dejar reposar durante 20 min. ± 15 s. Comience a medir el tiempo luego de retirar el tubo irrigador. • Al término de los 20 min., leer el nivel superior de la suspensión de arcilla. Este valor se denomina lectura de arcilla. Si la línea de marca no es clara transcurridos los 20 min. del período de sedimentación, permita que la muestra repose sin ser perturbada hasta que una lectura de arcilla pueda ser claramente obtenida; inmediatamente, lea y anote el nivel máximo de la suspensión arcillosa y el tiempo total de sedimentación. Si el período total de sedimentación excede los 30 min., efectúe nuevamente el ensayo, usando tres especimenes individuales de la misma muestra. Registre la lectura de la columna de arcilla para la muestra que requiere el menor tiempo de sedimentación como lectura de arcilla. 7. Lectura de arena.

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Anexo F

Después de la lectura de arcilla, introduzca en la probeta el ensamblaje del pie (conjunto del disco, varilla y sobrepeso) y baje lentamente hasta que llegue sobre la arena. No permitir que el indicador golpee la boca de la probeta mientras se baja el conjunto. • Cuando el conjunto toque la arena con uno de los tornillos de ensamblaje hacia la línea de graduación de la probeta, lea y anote. Restar 25.4 cm. del nivel indicado en el borde superior del indicador y registrar este valor como la lectura de arena. 8. Después de tomar la lectura de arena, tenga cuidado de no presionar con el pie porque podría dar lecturas erróneas. 9. Si las lecturas de arcilla y arena están entre 2.5 mm de graduación (0.1”), registrar el nivel de graduación inmediatamente superior como lectura. •

F3.4 CÁLCULO E INFORME

1. Calcule el equivalente de arena con aproximación a 0.1% como sigue: SE =

Donde: SE

Lectura arena × 100 Lectura arcilla

Equivalente de arena expresado en porcentaje

2. Si el equivalente de arena calculado no es un número entero redondéelo al entero inmediato superior. Por ejemplo, si el nivel de arcilla fue 8.0 y el nivel de arena fue 3.3, el equivalente de arena calculado será: 3.3 × 100 8.0 SE = 41.2 SE =

El valor de equivalente de arena reportado será el número entero inmediato superior, que para el ejemplo es 42. 3. Si se desea el promedio de una serie de valores de equivalente de arena, promediar los valores redondeados. Si el promedio de estos valores no es un número entero, redondear al número entero inmediatamente superior como se muestra en el siguiente ejemplo: Calcular el valor de equivalente de arena promedio de: 41.2; 43.8 y 40.9 Redondeando se tiene: 42; 44 y 41 (42 + 44 + 41) = 42.3 El promedio de estos valores es: SE = 3 El equivalente de arena redondeado es 43.

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F3.5 OBSERVACIONES

La temperatura de la solución de trabajo se debe mantener a 22±3ºC durante el ensayo, si las condiciones de campo impiden tener este rango, las muestras deben ser ensayadas en el laboratorio donde el control de la temperatura es posible. También es posible elaborar curvas de corrección por temperatura para cada material a ser ensayado. 1. Realizar el ensayo en un lugar libre de vibraciones. El exceso de estas puede causar que la relación entre el material suspendido y el sedimentado sea mayor. 2. No exponer las probetas de plástico a la luz del sol a no ser que sea necesario. 3. Será necesario limpiar el crecimiento de hongos dentro del tubo de jebe y del tubo irrigador, con un solvente limpio de hipocloruro de sodio (blanqueador doméstico de cloro) y agua en la misma cantidad. 4. En ocasiones los agujeros de la punta del tubo irrigador se obstruyen con partículas de arena, estas deben liberarse con ayuda de una aguja u otro objeto similar que sea posible introducir sin incrementar el tamaño de la abertura. 5. El recipiente de mezcla y almacenamiento para soluciones deberá estar limpio. No debe incorporarse una solución nueva a una solución antigua. 6. Si las lecturas de arcilla y arena se encuentran entre líneas de graduación, se anotará la lectura correspondiente a la graduación inmediata superior. 7. Si el valor de equivalente de arena en una muestra está por debajo de las especificaciones para dicho material, hacer dos ensayos adicionales en la misma muestra y tomar el promedio de los tres como el equivalente de arena. 8. Para obtener el promedio de una serie de valores de equivalente de arena, promédiese el número de valores enteros determinados. F3.6 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1.- Sand Equivalent Value of Soils and Fine Aggregate ASTM D 2419-91 2.- Equivalente de Arena, Suelos y Agregados Finos. Norma MTC E114-1999

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Foto NºF3.1: Equipo de Equivalente de Arena.

Foto Nº F3.2: Cuartear el material.

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Foto Nº F3.3: Tamizar la muestra representativa por la malla Nº4 (4.75 mm).

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Foto Nº F3.4: Por el sistema de sifón verter 102±3 mm de solución de trabajo en la probeta

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Foto Nº F3.5: Verter en la probeta, 85±5 cm3 del suelo preparado en el recipiente.

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Foto Nº F3.6: Luego que la muestra repose 10±1 min. tapar la probeta y agitar

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Foto Nº F3.7: Dejar reposar por 20 min±15 s y definir la lectura de arcilla.

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Foto Nº F3.8: Introduzca en la probeta el ensamblaje del pie y baje lentamente hasta que llegue sobre la arena.

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Foto Nº F3.9: Cuando el conjunto toque la arena, lea y anote.

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F4.1 FUNDAMENTO

Es el porcentaje de pérdida de material en una mezcla de agregados durante el ensayo de durabilidad de los áridos sometidos al ataque con sulfato de sodio o sulfato de magnesio. Este ensayo estima la resistencia del agregado al deterioro por acción de los agentes climáticos durante la vida útil de la obra. Puede aplicarse tanto en agregado grueso como fino. El ensayo se realiza exponiendo una muestra de agregado a ciclos alternativos de baño de inmersión en una solución de sulfato de sodio o magnesio y secado en horno. Una inmersión y un secado se consideran un ciclo de durabilidad. Durante la fase de secado, las sales precipitan en los vacíos del agregado. En la reinmersión las sales se rehidratan y ejercen fuerzas de expansión internas que simulan las fuerzas de expansión del agua congelada. El resultado del ensayo es el porcentaje total de pérdida de peso sobre varios tamices para un número requerido de ciclos. Los valores máximo de pérdida son aproximadamente de 10 a 20% para cinco ciclos de inmersión-secado. F4.2 OBJETIVO

El método describe el procedimiento que debe seguirse para determinar la resistencia a la desintegración de los agregados por la acción de soluciones de sulfato de sodio o de magnesio. F4.3 EQUIPOS DE LABORATORIO Tamices Para ensayar agregado grueso 3 /8”, ½”, ¾”, 1”, 1 ½”, 2” y 2½” Para ensayar agregado fino Nº 50, Nº 30, Nº 16, Nº 8 y Nº 4 Recipientes. mallas metálicas que permiten sumergir las muestras en la solución utilizada, facilitando el flujo de la solución e impidiendo la salida de las partículas del agregado. El volumen de la solución en la cual se sumergen las muestras será, por lo menos, cinco veces el volumen de la muestra sumergida. Balanzas. Capacidad de 500 gr. y sensibilidad de 0.1 gr. para el agregado fino y de capacidad no menor a 5000 gr. y sensibilidad de 1 gr. para el agregado grueso. Horno. Capaz de mantener una temperatura de 110 ± 5ºC Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Preparación de las Soluciones 1. Solución de Sulfato de Sodio

Si se va emplear sulfato de sodio de forma anhidra (Na2SO 4 ) , disolver 215 gr.; en caso de utilizar sulfato de sodio hidratado (Na 2SO 4 .10H2O ) , disolver 700 gr. en un litro de agua a la temperatura de 25 a 30ºC. Dejar reposar la preparación por 48 horas a 21 ± 1ºC, antes de su empleo. Al concluir el período de reposo deberá tener un peso específico entre 1.151 y 1.174 gr/cm3. La solución que presente impurezas debe filtrarse y debe volverse a comprobar su peso específico. Nota 1. Para conseguir la saturación a 22°C de 1 dm3 de agua, son suficientes 215 gr. de la sal anhidra ó 700 gr. de la hidratada. No obstante, como estas sales no son completamente estables y puesto que es preferible que haya un exceso de cristales en la solución, se recomienda como mínimo, el empleo de 350 g de la sal anhidra y 750 g de la sal hidratada. 2. Solución de Sulfato de Magnesio

Si se va emplear sulfato de magnesio de forma anhidra (MgSO 4 ) , disolver 350 gr.; en caso de utilizar sulfato de magnesio hidratado (MgSO 4 .7H2O ) , disolver 1230 gr. en un litro de agua a la temperatura de 25 a 30ºC. Dejar reposar la preparación por 48 horas a 21±1ºC, antes de su empleo. Al concluir el período de reposo deberá tener un peso específico entre 1.295 y 1.302 gr/cm3. La solución que presente impurezas debe filtrarse y debe volverse a comprobar su peso específico. Nota 2 Para conseguir la saturación a 22 °C de 1 dm3 de agua, son suficientes 350 gr. de la sal anhidra ó 1230 gr. de la hidratada. No obstante, como estas sales no son completamente estables y puesto que es preferible que haya un exceso de cristales en la solución, se recomienda como mínimo, el empleo de 400 gr. de la sal anhidra y 1400 gr. de la sal hidratada. F4.4 PREPARACIÓN DE LAS MUESTRAS Agregado fino

La muestra deberá pasar el tamiz 3/8” y ser retenido en la malla Nº50. Cada fracción de la muestra comprendida entre los tamices que se indican a continuación debe ser por lo menos de 100 gramos. Se consideran solamente las fracciones que están contenidas en 5% ó más de los tamices indicados:

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Tabla NºF4.1: Agregado fino

Malla que pasa

Malla que retiene

3/8" Nº4 Nº8 Nº16 Nº30

Nº4 Nº8 Nº16 Nº30 Nº50

Lavar la muestra sobre la malla Nº50, secarlas en el horno a una temperatura de 110 ± 5ºC, separarlos en los diferentes tamices especificados anteriormente. Tomar 120 gr. de cada una de las fracciones, para poder obtener 100 gr. después del tamizado, colocarlas por separado en los recipientes para ensayo. Agregado grueso

Se ensayará el material retenido en el tamiz Nº4, cada fracción de la muestra comprendida entre los tamices debe tener el peso indicado en la Tabla NºF4.2; y cada fracción de la muestra debe ser por lo menos 5% del peso total de la misma. En el caso que alguna de las fracciones contenga menos del 5%, no se ensayará ésta fracción, pero para el cálculo de los resultados del ensayo se considerará que tienen la misma pérdida a la acción de los sulfatos, de sodio o magnesio, que la media de las fracciones, inferior y superior más próximas, o bien si una de estas fracciones falta, se considerará que tiene la misma pérdida que la fracción inferior o superior que esté presente. Tabla NºF4.2: Agregado grueso

Nº

Tamaño

%

Peso retenido (gr.) 1 2 1/2" a 1 1/2" 5000±300 2 1/2" a 2" 60 3000±300 2" a 1 1/2" 40 2000±200 2 1 1/2" a 3/4" 1500±50 1 1/2" a 1" 67 1000±50 1" a 3/4" 33 500±30 3 3/4" a 3/8" 1000±10 3/4" a 1/2" 67 670±10 1/2" a 3/8" 33 330±5 4 3/8" a Nº4 300±5 Tamices mayores obtenidos en incrementos de 1” 7000±1000 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia 291 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Lavar la muestra y secarla a una temperatura de 110º ± 5ºC. Tamizarlo usando una de las gradaciones indicadas. Tomar los pesos indicados en la Tabla NºF4.2 y colocarlos en recipientes separados. En el caso de las fracciones con tamaño superior a ¾” se cuenta también el número de partículas. Cuando son rocas deberán ser rotas en fragmentos uniformes, se pesaran 100 gr. de cada una. La muestra de ensayo pesará 5000 gr. ± 2%. La muestra será bien lavada y secada antes del ensayo. F4.5 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO

Sumergir las muestras preparadas en la solución de sulfato de sodio o magnesio por un período de 16 a 18 horas, de manera que el nivel de la solución quede por lo menos 13 mm por encima de la muestra. Tapar el recipiente para evitar la evaporación y contaminación con sustancias extrañas. Mantener la temperatura en 21±1ºC durante el período de inmersión. Retirar la muestra de la solución dejándola escurrir durante 15±5 min., secar en el horno a 110º±5ºC hasta obtener peso constante a la temperatura indicada. Para verificar el peso se sacará la muestra a intervalos no menores de 4 horas ni mayores de 18 horas. Se considerará que se alcanzó un peso constante cuando dos pesadas sucesivas de una muestra, no difieren más de 0.1 gr. en el caso del agregado fino, o no difieren más de 1.0 gr. en el caso del agregado grueso. Obtenido el peso constante dejar enfriar a temperatura ambiente y volver a sumergir en la solución para continuar con los ciclos que se especifiquen. F4.6 EVALUACIÓN EVALUACIÓN CUANTITATIVA

Al final de los ciclos se lava la muestra hasta eliminar los sulfatos de sodio o de magnesio, los últimos lavados deben efectuarse con agua destilada y mediante la reacción de cloruro bárico (BaCl 2 ) . Secar a peso constante a una temperatura de 110±5ºC y se pesa. Tamizar el agregado fino sobre los tamices en que fue retenido antes del ensayo, y el agregado grueso sobre los tamices indicados a continuación, según el tamaño de las partículas.

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Tamaño del agregado 2 1/2" a 1 1/2" 1 1/2" a 3/4" ¾" a 3/8" 3/8" a Nº4

Tamiz empleado para determinar el desgaste 1 ¼” 5/8” 5/16” Nº5

EVALUACIÓN CUALITATIVA

En las partículas de diámetro mayor a ¾” se efectúa un exámen cualitativo después de cada inmersión y cuantitativa al término del ensayo. La evaluación cualitativa consistirá en inspeccionar partícula por partícula con el fin de eliminar las partículas afectadas (fracturadas, fisuradas, astilladas, formación de lajas, etc.). F4.7 RESULTADOS

Para obtener los porcentajes de pérdida, se efectuarán las siguientes anotaciones: Agregado Fino

Porcentaje retenido en cada una de las mallas indicadas en la Tabla NºF4.1. Peso de cada fracción antes del ensayo Porcentaje de pérdidas de cada tamaño después del ensayo Porcentaje de pérdidas corregidas: (“1”X “3”) / 100 El total de pérdidas corresponde a la suma de las partículas parciales corregidas. Agregado Grueso

Porcentaje retenido en cada una de las mallas indicadas en la Tabla NºF4.2. Peso de cada fracción antes del ensayo Porcentaje de pérdidas de cada tamaño después del ensayo Porcentaje de pérdidas corregidas: (“1”X“3”) / 100 El total de pérdidas corresponde a la suma de los porcentajes de pérdidas de las dos fracciones de cada tamaño. F4.8 OBSERVACIONES

Los resultados obtenidos varían según la sal que se emplee; se sugiere tener cuidado al fijar los limites en las especificaciones en que se incluya este ensayo. Dado que su precisión es limitada. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia 293 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Para rechazar un agregado que no cumpla con las especificaciones pertinentes, debe confirmarse los resultados con otros ensayos más, ligados a las características del material. F4.9 EJEMPLOS

En la hoja de cálculo se muestran algunos ejemplos del presente ensayo. F4.10 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1.- Soundness of Aggregates by use of Sodium Sulfate or Magnesium Sulfate ASTM C88 2.- Durabilidad al Sulfato de Sodio y Sulfato de Magnesio. MTC E209-1999

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Anexo F ENSAYO DE DURABILIDAD CON SULFATO DE SODIO ASTM C-88

SOLICITADO PROYECTO

: :

POZO MUESTRA

AGREGADO GRUESO Nº 1

2

3

4

Tamaño 2 1/2" a 1 1/2" 2 1/2" a 2" 2" a 1 1/2" 1 1/2" a 3/4" 1 1/2" a 1" 1" a 3/4" 3/4" a 3/8" 3/4" a 1/2" 1/2" a 3/8" 3/8" a Nº4

%

Peso retenido (gr)

TARA Nº

5000+300 3000+300 2000+200 1500+50 1000+50 500+30 1000+10 670+10 330+5 300+5

TR-10 TR-12

Tamaño

Peso retenido (gr)

TARA Nº

3/8" a Nº4 Nº4 a Nº8 Nº8 a Nº16 Nº16 a Nº30 Nº30 a Nº50

100 100 100 100 100

N-21 N-25 N-148 N-4 N-5

60 40 67 33 67 33

TR-9

N-8 N-10 N-12

PESO PESO INICIAL EMPLEADO1 FINAL2 (gr) (gr) 1184,0 960,0 1184,0 1530,0 1013,0 517,0 1000,0 668,0 332,0 301,0

PERDIDAS PESO (gr) 3 (%) 4 224,0 18,9

960,0 1462,0 971,0 491,0 957,0 632,0 325,0 297,0

224,0 18,9 68,0 4,4 42,0 4,1 26,0 5,0 43,0 4,3 36,0 5,4 7,0 2,1 4,0 1,3

PESO INICIAL PESO 1 EMPLEADO FINAL2 (gr) (gr) 100,0 91,0 100,0 99,0 100,0 98,5 100,0 95,0 100,0 93,5

PERDIDAS PESO (gr) 3 (%) 4 9,0 9,0 1,0 1,0 1,5 1,5 5,0 5,0 6,5 6,5

ESCALONADO ORIGINAL5 29,5 29,5 38,1 25,2 12,9 24,9 16,6 8,3 7,5 PERDIDAS TOTALES

PERDIDAS CORREGIDAS6 (%) 5,58

1,69

1,07

0,10 8,44

AGREGADO FINO

3 =(1-2) 4 =(3/1)*100

ESCALONADO ORIGINAL5 25 18 17 21 19 PERDIDAS TOTALES

PERDIDAS CORREGIDAS6 (%) 2,25 0,18 0,26 1,05 1,24 4,97

5 =% retenido del análisis granulométrico inicial 6 =(4*5)/100

S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

295

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Foto NºF4.1: Saturar la muestra en la solución de sulfato de sodio o magnesio por 16 a 18 hr., de manera que el la solución quede por lo menos 13 mm por encima de la muestra.

Foto NºF4.2: Retirar la muestra de la solución, déjela escurrir, secar en el horno, dejar enfriar a temperatura ambiente y volver a saturar en la solución para continuar con los ciclos que se especifiquen. Al final de los ciclos lavar la muestra, secar, y tamizar. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia 296 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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F5.1 INTRODUCCIÓN

La guía AASHTO 2002, próxima a salir, considera en el diseño directamente los módulos resilientes del material. Este módulo puede obtenerse de ensayos triaxiales; sin embargo, AASHTO 2002 presenta una ecuación que permite correlacionar el valor del módulo resiliente con el del CBR. De aquí la importancia de evaluar adecuadamente el CBR del material. El ensayo de “California Bearing Ratio” o CBR, es un ensayo relativamente simple, comúnmente usado para obtener un índice de la resistencia del suelo de subrasante, material de base, sub base o afirmado. Para materiales de base, sub base y afirmado, así como subrasantes granulares, el CBR puede estar asociado a la máxima densidad seca del próctor modificado; sin embargo, para subrasantes finas (subrasantes arenosas, arcillosas o limosas) el valor del CBR debe estar asociado a su densidad de campo. Investigaciones han demostrado que el CBR de suelos finos en muestras compactadas al OCH y MDS, arrojan valores de CBR muy por encima de su valor real. Tranquilamente una arcilla compactada al OCH y MDS puede tener un CBR de 15%, pero ensayada en su condición natural el CBR es de 2 a 3%. El comportamiento de la subrasante es función de la humedad y densidad, asociado a las condiciones ambientales del sitio. En suelos de baja capacidad de soporte donde los valores de humedad alcanzan la condición saturada y los valores de densidad de campo están muy por debajo de la densidad de compactación, los valores de los módulos elásticos realmente son muy bajos. Se proponen tres métodos para determinar el valor de CBR: CBR in situ, mide directamente la deformación ante una carga aplicada. CBR en muestras inalteradas, es un método recomendado para subrasantes de suelos finos. Consiste en obtener una muestra inalterada de campo, que será protegida para que no pierda su humedad natural (si no fuese posible obtener una muestra inalterada de campo, se puede preparar especimenes en laboratorio a la humedad y densidad natural). En el laboratorio se realiza el ensayo de penetración en su condición natural y saturada, siguiendo el procedimiento que se describirá en esta guía. CBR en muestras remoldeadas, método recomendado para subrasantes granulares, materiales de base, sub base y afirmado. Este método se describe en esta guía. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia 297 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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El CBR es la relación (expresada en porcentaje) entre la resistencia a la penetración requerida para que un pistón de 3 pulg2 de área penetre 0.1 pulg dentro de un suelo entre 1000 psi que es la resistencia a la penetración de una muestra patrón. La muestra patrón es una piedra chancada. El CBR se expresa como: CBR =

Resistencia a la penetracion (psi) requerida para penetrar 0.1 pulg 1,000 lb / pu lg2

× 100

En ocasiones, el CBR calculado para una penetración de 0.2” con su correspondiente resistencia a la penetración estándar de 1500 psi, puede ser mayor que el obtenido para una penetración de 0.1 pulg. Cuando esto ocurre, se debe realizar un nuevo ensayo, si los resultados son similares, el valor del CBR para 0.2 pulg de penetración, se reporta como el CBR representativo de la muestra. F5.2 EQUIPOS Y ACCESORIOS CBR:- molde de CBR (6 pulg de diámetro y 7 pulg de altura) con sus respectivos biseles, base perforada: Sobrecargas, para cada molde se requieren, una anular y las restantes ranuradas con peso de 5 lb (2.27 kg) cada una. Prensa de carga de por lo menos 10,000 lb de capacidad de carga y velocidad de penetración de 0.05 pulg/min (1.27 mm/min). Equipo para medir la expansión del suelo:- una placa de metal perforada, por cada molde, de 5 7/8 pulg de diámetro, cuyas perforaciones no excedan de 1/16 pulg de diámetro. Estará provista de un vástago en el centro con un sistema de tornillo que permita regular su altura. Un trípode de cuyas patas puedan apoyarse en el borde del molde, que lleve montado y bien sujeto en el centro del dial (deformímetro), cuyo vástago coincida con el de la placa, de forma que permita controlar la posición de éste y medir la expansión, con aproximación de 0.001 pulg (0.025 mm). 02 diales, aproximación a 0.001 pulg. uno de ellos provisto de una pieza que permita su acoplamiento en la prensa para medir la penetración del pistón en la muestra. Equipo misceláneo:- recipiente, tanque para saturación, estufa, etc. F5.3 MUESTRA

Para determinar la capacidad de soporte del suelo se deben obtener por lo menos dos muestras del material a ensayar, lo ideal es tres. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia 298 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Anexo F

La muestra puede ser obtenida de tres maneras. 1º) El molde de CBR con el bisel se puede introducir a presión en el suelo, este método es recomendado para suelos finos con presencia de arcilla. 2º) Tomar un bloque se suelo y trasladarlo al laboratorio, para que sea tallado. 3º) Medir la densidad natural del suelo, y remoldear en el laboratorio, especimenes de CBR a la densidad de campo. Este método se recomienda en suelos finos limpios, como las arenas limpias, que son suelos que no se dejan tallar en campo. Las muestras no deben tener toda la altura del molde CBR, debe tenerse cuidado de dejar por lo menos 2 pulgadas de espesor. En todos los casos las muestras deben ser protegidas de pérdida de humedad. Se pueden recubrir con bolsas oscuras, parafinar, etc. Se debe ensayar la muestra en la prensa de CBR en su condición natural. Una vez realizado el ensayo sumerja el molde con las sobrecargas en un tanque de agua, permitiendo el libre acceso de agua en la base y superficie del molde. Tome las lecturas iniciales del deformímetro y deje saturar el molde por 96 horas. Mantenga el nivel del agua constante durante el periodo de inmersión. Luego de las 96 horas, tome la lectura final del deformímetro y calcule el hinchamiento como un porcentaje de la altura inicial del especimen. Retire el molde del tanque y permita que el agua escurra por aproximadamente 15 min, en su posición normal. Tenga cuidado de no disturbar la muestra en este proceso. Traslade la muestra saturada a la prensa para ensayarla nuevamente. F5.4 ENSAYO EN LA PRENSA

El ensayo de CBR está ideado para simular las condiciones que existirían en la superficie de la subrasante. Se coloca una sobrecarga en la superficie de la muestra para representar el peso del pavimento sobre la subrasante. Se determina la fuerza requerida para penetrar un pistón estándar, dentro del suelo, una profundidad especificada. El procedimiento paso a paso es: 1.- Colocar la sobrecarga sobre la muestra, de tal manera que se produzca una presión igual a la presión que ejercerá la estructura del pavimento sobre la subrasante. Si no se conoce el peso del pavimento, usar 4.24 kg de sobrecarga. Si el especimen fue previamente saturado, la sobrecarga debe ser igual a la usada durante la saturación. Para evitar el levantamiento de la muestra dentro del orifico de las sobrecargas, coloque la pesa anular de 2.27 kg sobre el suelo. Llevar el conjunto a la prensa, coloque en el orificio central de la sobrecarga anular, el pistón de penetración y añada el resto de la sobrecarga.

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Anexo F

2.- El pistón de penetración debe ser colocado en la superficie con la menor carga posible, en ningún caso excederá las 10 lb. Se ajusta en cero el dial de carga y el dial de penetración. 3.- Aplicar la carga sobre el pistón de penetración de tal manera que la velocidad de penetración sea de 0.05 pulg/min (1.27 mm/min). Las prensas manuales no preparadas para trabajar a esta velocidad de forma automática se controlarán mediante el deformímetro de penetración y un cronómetro. Registre las lecturas de carga para penetraciones de 0.025 pulg (0.64 mm), 0.050 pulg (1.27 mm), 0.075 pulg (1.91 mm), 0.100 pulg (2.54 mm), 0.125 pulg (3.18 mm), 0.150 pulg (3.81 mm), 0.175 pulg (4.45 mm), 0.200 pulg (5.08 mm), 0.300 pulg (7.62 mm), 0.400 pulg (10.16 mm) y 0.500 pulg (12.70 mm). Anote la máxima carga y su penetración si la muestra falla antes de alcanzar 0.500 pulg (12.70 mm) de penetración. 4.- Retirar la muestra del molde y determine el contenido de humedad de una muestra obtenido cerca de la zona de penetración. F5.5 DATOS

Se deben obtener los siguientes datos durante el ensayo: 1.- Contenido de Humedad Tomar una muestra de campo para determinar su humedad natural. Al final del ensayo de penetración, se deberá tomar una muestra cerca de la zona de aplicación de la carga. 2.- Densidad de la muestra La densidad natural se mide directamente de campo o mediante ensayos de laboratorio. 3.- Datos de la Inmersión Peso de la sobrecarga (lb.) Tiempo y fecha Lecturas del dial Nota.- Estos datos deben obtenerse al inicio y final de la saturación. 4.- Datos de la Capacidad de Soporte Peso de la sobrecarga (lb.) Area del pistón (pulg2) CÁLCULOS 1.- Determinación del Contenido de Humedad El contenido de humedad (ω) se calcula con: Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia 300 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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ω(%) =

Wagua Wsuelo

× 100

sec o

2.- Determinación de la Densidad

La densidad del suelo húmedo (ρsw) se calcula con la siguiente ecuación: Wsuelo humedo ρ sw = Vefectivo del molde La densidad seca (ρd) se obtiene con: ρ ρd = sw 1+ ω 3.- Porcentaje de expansión

La expansión se calcula por la diferencia entre las lecturas del deformímetro antes y después de la inmersión. Este valor se expresa en porcentaje con respecto a la altura inicial de la muestra en el molde. 4.- Capacidad de Soporte

Se calcula el esfuerzo aplicado por el pistón. Se dibuja en escala aritmética, la curva esfuerzo (psi) versus penetración (pulg). El esfuerzo en la ordenada y la penetración en la abscisa. En algunos casos, la curva esfuerzo versus penetración puede ser cóncava en el tramo inicial de la curva, debido a irregularidades en la superficie u otras causas. Para estos casos se debe corregir la curva, trazando una línea tangente. Figura F5.1. La relación de capacidad para 0.10 pulg de penetración se determina dividiendo el esfuerzo corregido (psi) para una penetración de 0.10 pulg, en la curva esfuerzo versus penetración, entre el esfuerzo a la penetración de una muestra patrón de 1000 lb. Este valor se expresa en porcentaje. La relación de capacidad para 0.20 pulg de penetración se determina de manera similar, usando el esfuerzo corregido (psi) para una penetración de 0.20 pulg entre el esfuerzo a la penetración de una muestra patrón de 1500 psi. Si la capacidad de soporte calculada para 0.20 pulg de penetración es mayor, el ensayo debe realizarse nuevamente. Si el nuevo ensayo da similares resultados, el CBR será el que corresponde a 0.20 pulg de penetración. En caso contrario el CBR corresponderá a 0.10 pulg de penetración. 5.- CBR de diseño

Con las presiones obtenidas en los especimenes ensayados luego de 96 horas de saturación, se calcula el CBR para cada muestra. El CBR de diseño corresponderá al promedio de estos valores. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia 301 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Anexo F

En la figura F5.1 muestra los resultados típicos del ensayo de tres especimenes inalterados en la prensa de CBR. 600

500

Molde I Sin Saturar

Presión (lbs/pulg2)

400

Molde II Sin Saturar

300 257

Molde III Sin Saturar

200

195

142

Molde I Saturado

100

Molde II Saturado 53 28

0 0.00

Molde III Saturado

20

0.10

0.20 0.30 Penetracion (pulg.)

0.40

0.50

Figura F5.1:- Curva esfuerzo versus penetración en moldes inalterados Saturados y sin saturar EJEMPLO NUMÉRICO

Se desea calcular el CBR inalterado de tres especimenes tallados en campo, del mismo estrato. Las tres muestras fueron corridas a su humedad natural, luego fueron sumergidas en agua por cuatro días. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia 302 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Se determinó la densidad natural del suelo con el equipo del cono y la arena. Los datos de campo y laboratorio se muestran a continuación. 1.- Densidad y humedad natural del suelo

Muestra MI 1 MI 2 MI 3

Densidad natural ρsw (gr/cm3) 1.863 1.919 1.799

Humedad natural ωnat (%) 8.3 8.6 10

Densidad seca ρd (gr/cm3) 1.720 1.767 1.635

2.- Penetración

1 Factor de corrección del anillo, lb 2 Área del pistón de carga, pulg2. 3 Sobrecarga, gr:

4500

26.56 3 4500

4500

ENSAYO A HUMEDAD NATURAL

Muestra MI 1: humedad natural Presión Patrón (lb/pulg2)

Penetración

Lectura (L)

Presión (*)

Presión Corregida (**) (lb/pulg2)

CBR (***)

(pulg) (mm) (lb/pulg2) (%) 0.000 0.000 0 0 0.025 0.635 12 106.2 0.050 1.270 20 177.1 0.075 1.905 25 221.3 1000 0.100 2.540 29 256.7 256.7 25.7 0.150 3.810 33 292.2 1500 0.200 5.080 38 336.4 0.250 6.350 41 363.0 0.300 7.620 44 389.5 0.400 10.160 51 451.5 0.500 12.700 59 522.3 * La presión es igual a la lectura del dial multiplicado por el factor de corrección del anillo (1) y dividido entre el área del pistón de carga (2). ** La presión corregida se obtiene del gráfico, en este caso no existe corrección. Presion corregida *** CBR = × 100 Presion patron Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia 303 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Nota:- La presión depende de la prensa en la que se realice el ensayo, en este problema las lecturas del dial de carga multiplicadas por el factor de corrección del anillo da valores de presión; sin embargo, la corrección del anillo puede no ser un solo factor, sino una ecuación, como se verá en el ejemplo correspondiente a CBR en muestras remoldeadas al óptimo contenido de humedad.

Muestra MI 2: humedad natural Presión Patrón (lb/pulg2)

1000 1500

Penetración (pulg) 0.000 0.025 0.050 0.075 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.400 0.500

(mm) 0.000 0.635 1.270 1.905 2.540 3.810 5.080 6.350 7.620 10.160 12.700

Lectura (L) 0 6 13 17 22 25 29 31 33 37 40

Presión (lb/pulg2) 0 53.1 115.1 150.5 194.8 232.3 256.7 274.5 292.2 327.6 354.1

Presión Corregida (lb/pulg2)

CBR

194.8

19.5

Presión Corregida (lb/pulg2)

CBR

141.7

14.2

(%)

Muestra MI 3: humedad natural Presión Patrón (lb/pulg2)

1000 1500

Penetración (pulg) 0.000 0.025 0.050 0.075 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.400 0.500

(mm) 0.000 0.635 1.270 1.905 2.540 3.810 5.080 6.350 7.620 10.160 12.700

Lectura (L) 0 7 12 14 16 18 22 24 26 29 31

Presión (lb/pulg2) 0 62.0 106.2 123.9 141.7 159.4 194.8 212.5 230.2 256.7 274.5

(%)

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Anexo F

ENSAYO EN ESPECIMENES SATURADOS

Muestra MI 1: saturado Presión Patrón (lb/pulg2)

1000 1500

Penetración (pulg) 0.000 0.025 0.050 0.075 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.400 0.500

(mm) 0.000 0.635 1.270 1.905 2.540 3.810 5.080 6.350 7.620 10.160 12.700

Lectura (L) 0 3 4.5 5.5 6 6.9 7.8 8.6 9.7 10 11

Presión (lb/pulg2) 0 27 40 49 53 61 69 76 86 89 97

Presión Corregida (lb/pulg2)

CBR

53

5.3

Presión Corregida (lb/pulg2)

CBR

28

2.8

(%)

Muestra MI 2: saturado Presión Patrón (lb/pulg2)

1000 1500

Penetración (pulg) 0.000 0.025 0.050 0.075 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.400 0.500

(mm) 0.000 0.635 1.270 1.905 2.540 3.810 5.080 6.350 7.620 10.160 12.700

Lectura (L) 0 1 2 3 3.2 4.1 4.9 5.0 5.0 5.5 5.9

Presión (lb/pulg2) 0 8.9 18 27 28 36 43 44 44 49 52

(%)

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Anexo F

Muestra MI 3: saturado Presión Patrón (lb/pulg2)

1000 1500

Penetración (pulg) 0.000 0.025 0.050 0.075 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.400 0.500

(mm) 0.000 0.635 1.270 1.905 2.540 3.810 5.080 6.350 7.620 10.160 12.700

Presión

Lectura (L)

(lb/pulg2) 0 8.9 14 16 20 22 25 25 27 28 31

0 1 1.6 1.8 2.3 2.5 2.8 2.8 3.1 3.2 3.5

Presión Corregida (lb/pulg2)

CBR

20

2.0

(%)

4.- Resumen del ensayo de CBR , figura F5.1

Los valores de CBR se determinaron a 0.1 pulg de penetración, en todos los especimenes. CBR CBR humedad natural, % CBR saturado, %

MI 1 25.7 5.3

MI 2 19.5 2.8

MI 3 14.2 2.0

El CBR de diseño corresponderá al promedio de los CBR obtenidos para muestras saturadas. Para el ejemplo el CBR de diseño es 3.4%.

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F6.1 INTRODUCCIÓN

La compactación de suelos constituye un capítulo importantísimo y se halla íntimamente relacionada con la pavimentación de carreteras, vías urbanas y pistas de aterrizaje. El ensayo de compactación mediante el ensayo de proctor modificado, permite determinar la relación humedad versus densidad del suelo, empleando un martillo de 4.54 kg (10 lb) soltado desde una altura de 457 mm (18 pulg), trasmitiendo una energía de compactación de 56,000 lb-pie/pie3 ó 2,700 kN-m/m3. El suelo es compactado en un molde de dimensiones conocidas. La norma considera cuatro métodos a emplear. La elección del método depende de las características de material a ensayar F6.2 APARATOS Moldes:- metálicos y de forma cilíndrica, diámetro interior de 4 pulg. ó 6 pulg. (de acuerdo al método) y altura de 4.5 pulg. Cada molde debe tener un plato base y un collarín ensamblados. El collar de extensión deberá tener una altura de por lo menos 50.8 m (2 pulg.) sobre el borde superior del molde.

Martillo:- El martillo puede ser operado manual o mecánicamente, de 10 lb de peso y altura de caída de 18 pulg. La cara de contacto del espécimen deberá ser plana. Extractor de Muestra (Opcional).- Una gata, un pórtico, o cualquier otro accesorio adoptado para extraer los especímenes compactados del molde. Balanzas:- Balanza de por lo menos 20 kg con una sensibilidad de ± 1 gr y una balanza de por lo menos 1000 gr de capacidad de una sensibilidad de ± 0.01 gr. Horno de Secado:- Controlado termostáticamente, preferido herméticamente reforzado, capaz de mantener a una temperatura de 110 ± 5°C (230 ± 9°F) para determinar el contenido de humedad del espécimen compactado.

Regla de metal:- Bordes rectos de cualquier longitud conveniente, pero por lo menos deberá tener 25 mm (10 pulg).

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Anexo F

Mallas:- 3 pulg (75 mm), 3/4 pulg (19 mm) y N° 4 (4.75 mm) Herramientas miscelánicas:- para mezclado tales como platillo mezclador, cuchara, espátula, paleta, etc. o un aparato adecuado para realizar el mezclado integral de una muestra de suelo con incrementos de agua. F6.3 ELECCIÓN DEL MÉTODO DE ENSAYO

En el siguiente cuadro se puede apreciar las características del material y el método correspondiente para su ensayo. Además, se presenta una guía de reemplazo de material para el ensayo proctor modificado. Tipo de ensayo Método Condiciones para elección del método

Proctor modificado A B C la %ret. acum. Nº4≤20% %ret. acum. 3/8” ≤20% %ret. acum. 3/4” ≤30% y%ret. acum. y %ret. acum. 3/8”>20% Nº4>20% Cantidad de suelo, kg 3 3 6 Número de capas, n 5 5 5 Número de golpes, N 25 25 56 Diámetro del molde, cm 10.16±0.04 10.16±0.04 15.24±0.07 Altura del molde, cm 11.64±0.05 11.64±0.05 11.64±0.05 Volumen del molde, cm3 944±14 944±14 2124±25 Peso del martillo W, kg 4.54±0.01 4.54±0.01 4.54±0.01 Altura de caída del 45.72±0.16 45.72±0.16 45.72±0.16 martillo h, cm Diámetro del martillo, cm 5.080±0.025 5.080±0.025 5.080±0.025 Energía específica de compactación, 27,485 27,485 27,363 kg.cm/cm3

EnergiaEspecificadeCompactacion =

N× n× W × h V

Guía de reemplazo de material para el ensayo proctor modificado. Método A: (% retenido acumulado en Nº4 20%) Descartar el material retenido en el tamiz Nº4. Método B: (% retenido acumulado en 3/8” 20% y % retenido acumulado en Nº4>20%) Pasar el material a través del tamiz 3”. Descartar el material que sea retenido en el tamiz 3”. El material que pasa el tamiz 3” y es retenido en el tamiz 3/8” debe ser Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia 308 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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reemplazado por una cantidad igual en peso de material que pase por el tamiz 3/8” y sea retenido por el tamiz Nº4. El material para reemplazo debe tomarse de una porción no usada de la muestra. Método C: (% retenido acumulado 3/4” 30% y % retenido acumulado 3/8”>20% Pasar el material a través del tamiz 3”. Descartar el material que sea retenido en el tamiz 3”. El material que pasa el tamiz 3” y es retenido en el tamiz 3/4” debe ser reemplazado por una cantidad igual en peso de material que pase por el tamiz 3/4” y sea retenido en el tamiz 3/8”. El material para reemplazo debe tomarse de una porción no usada de la muestra. F6.4 PROCEDIMIENTO

Si la muestra está húmeda se puede secar al aire hasta que los terrones se puedan desmenuzar. Tamizar y elegir el método de ensayo. Preparar por lo menos cuatro muestras incorporando agua a cada una de ellas, de tal forma que el contenido de humedad de cada muestra varíe aproximadamente en 1.5%. Los contenidos de humedad seleccionados deberán incluir el óptimo contenido de humedad, para proporcionar especímenes que cuando sean compactados, vayan incrementando en masa hasta llegar a la máxima densidad, y de allí empiecen a decrecer. Mezclar completamente cada muestra para asegurar la buena distribución de la humedad. Seleccionar el molde de compactación apropiado, de acuerdo con el método a ser usado y colocar el collarín. Compactar cada espécimen en cinco capas de aproximadamente la misma altura. Cada capa debe recibir el número de golpes indicado. Durante el proceso de compactación se deberá evitar el rebote del martillo en la parte superior del tubo guía. Los golpes deberán aplicarse a velocidad uniforme, no excediendo 1.4 s/golpe y de tal manera que se pueda cubrir completamente la superficie del espécimen. Después de la compactación, quitar el collar de extensión, cuidadosamente se enrasa con la regla el espécimen compactado con la parte superior del molde, y se determina la masa del espécimen. Calcular la densidad húmeda de la siguiente manera: Densidad humeda =

Wsuelo y molde − Wmolde Vmolde

El material del molde se saca con el extractor de muestras y se determina el contenido de humedad. El material que será ensayado para determinar la humedad se saca del centro del molde compactado, aproximadamente de 100 a 500 gr. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia 309 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Repetir el procedimiento indicado hasta obtener por lo menos cuatro puntos de la curva de compactación. F6.5 CÁLCULOS

Calcular el contenido de humedad y la densidad seca para cada espécimen compactado como sigue: A −B ω(%) = × 100 B−C γd =

γm 1+ ω

donde: ω A B C γd γm

contenido de humedad (%) Peso de tara y suelo húmedo Peso de tara y suelo seco al horno Peso de tara densidad seca, kg/m3 densidad húmeda, kg/m3

F6.6 RELACIÓN DENSIDAD-HUMEDAD

Graficar los valores de densidad seca, en el eje de las ordenadas, versus el contenido de humedad, en el eje de las abscisas. Unir con un trazo suave los puntos. El Optimo Contenido de Humedad, O.C.H., es el contenido de humedad al cual el suelo puede ser compactado a la máxima densidad seca usando el esfuerzo de compactación modificada. La Máxima Densidad Seca, M.D.S., es la densidad correspondiente al O.C.H., se expresa en gr/cm3. F6.7 EJEMPLO NUMÉRICO

Determinar el óptimo contenido de humedad y la máxima densidad seca, del ensayo realizado sobre un suelo granular. Los resultados se muestran a continuación:

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Peso Específico de Sólidos (Ss)

2.69

ANÁLISIS GRANULAR PRELIMINAR Tamiz Peso Parcial Retenido

¾” 3/8” Nº4 Platillo Total

(mm) 19 9.5 4.75

% Parcial Retenido

% Acumulado Retenido

(%) 20.30 44.65 26.57 8.49 100.0

(%) 20.30 64.94 91.51 100.00

(gr) 550.0 1210.0 720.0 230.0 2710.0

MÉTODO DE COMPACTACIÓN

C

CONTENIDO DE HUMEDAD ( ) 1 Nº recipiente 2 W recipiente 3 W recipiente sw 4 W recipiente s 5 W w : 3-4 6 W s : 4-2 7 ω : 100*5/6 8 ω promedio

(gr) (gr) (gr) (gr) (gr) (%) (%)

O.C.H. PROBABLE

(%)

12 226.29 488.24 483.55 4.69 257.26 1.82 1.82 6.00

INCREMENTO DE AGUA ( Vw y Vw (1%)) 9 W sw (gr) 10 W s : 100*9/(100+8) (gr) 11 (%) ω 12 (cm3) ΔVw : (11-8)*10/100 13 (cm3) ΔVw (1%): (1)*10/100 Nº DE ENSAYO

1

PESO ESPECIFICO ( ) 14 Nº molde 15 V molde, cm3 16 W molde, gr 17 W molde sw, gr 18 W sw: 17-16, gr 19 γ : 18/15, gr/cm3

2

10704.0 4874.0 2.29

6000.00 5892.57 6.00 246.13 58.93 3

6 2129.0 5830.0 10785.0 4955.0 2.33

4

10897.0 5067.0 2.38

10790.0 4960.0 2.33

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CONTENIDO DE HUMEDAD ( ) 20 Nº recipiente 12 21 W recipiente, gr 20.75 22 W recipiente sw, gr 191.85 23 W recipiente s, gr 182.52 24 W w : 22-23, gr 9.33 25 W s : 23-21, gr 161.77 26 5.77 ω : 100*24/25, % 27 5.77 ω promedio, % PESO ESPECIFICO SECO ( d) 28 γd : 100*19/(100+27), 2.16 gr/cm3

44 18.60 189.85 178.82 11.03 160.22 6.88 6.88

28 20.27 216.86 203.19 13.67 182.92 7.47 7.47

24 19.85 207.51 193.24 14.27 173.39 8.23 8.23

2.18

2.21

2.15

Curva de Compactación 2.23

Peso Específico Seco (gr/cc)

2.21

2.19

2.17

2.15

2.13 4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

10.00

Contenido de Hum edad (%) Compactación

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Anexo F

F7.1 INTRODUCCIÓN

El ensayo de “California Bearing Ratio” o CBR, es un ensayo relativamente simple, comúnmente usado para obtener un índice de la resistencia del suelo de subrasante, material de base, sub base o afirmado. Para materiales de base, sub base y afirmado, así como subrasantes granulares, el CBR puede estar asociado a la máxima densidad seca del próctor modificado; sin embargo, para subrasantes finas (subrasantes arenosas, arcillosas o limosas) el valor del CBR debe estar asociado a su densidad de campo. El CBR es la relación (expresada en porcentaje) entre la resistencia a la penetración requerida para que un pistón de 3 pulg2 de área penetre 0.1 pulg dentro de un suelo entre 1000 psi que es la resistencia a la penetración de una muestra patrón. La muestra patrón es una piedra chancada. El CBR se expresa como: CBR =

Resistencia a la penetracion (psi) requerida para penetrar 0.1 pulg 1,000 lb / pu lg2

× 100

En ocasiones, el CBR calculado para una penetración de 0.2” con su correspondiente resistencia a la penetración estándar de 1500 psi, puede ser mayor que el obtenido para una penetración de 0.1 pulg. Cuando esto ocurre, se debe realizar un nuevo ensayo, si los resultados son similares, el valor del CBR para 0.2 pulg de penetración, se reporta como el CBR representativo de la muestra. F7.2 EQUIPOS Y ACCESORIOS CBR:- molde de compactación (6 pulg de diámetro y 7 pulg de altura), collarín de 2 pulg de altura, disco espaciador (5 15/16 pulg de diámetro y 2.416 pulg de espesor), base perforada, pisón de compactación. Sobrecargas, para cada molde se requieren, una anular y las restantes ranuradas con peso de 5 lb (2.27 kg) cada una. Ver figura 1. Prensa de carga de por lo menos 10,000 lb de capacidad de carga y velocidad de penetración de 0.05 pulg/min (1.27 mm/min). Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia 313 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Anexo F

Equipo para medir la expansión del suelo:- una placa de metal perforada, por cada molde, de 5 7/8 pulg de diámetro, cuyas perforaciones no excedan de 1/16 pulg de diámetro. Estará provista de un vástago en el centro con un sistema de tornillo que permita regular su altura. Un trípode de cuyas patas puedan apoyarse en el borde del molde, que lleve montado y bien sujeto en el centro del dial (deformímetro), cuyo vástago coincida con el de la placa, de forma que permita controlar la posición de éste y medir la expansión, con aproximación de 0.001 pulg (0.025 mm). 02 diales, aproximación a 0.001 pulg. uno de ellos provisto de una pieza que permita su acoplamiento en la prensa para medir la penetración del pistón en la muestra. Equipo misceláneo: recipiente, tanque para saturación, estufa, balanzas, tamices Nº4 (4.75 mm) y ¾” (19 mm), cuarteador, espátulas, discos filtros, etc.

Figura F7.1:- Equipo básico, MTC E132-1999 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia 314 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Anexo F

F7.3 MUESTRA

La muestra debe ser cuarteada y preparada de acuerdo con la norma ASTM D 1557 del proctor modificado para compactación en molde de 6 pulg, tener en cuenta que: Si mas de 75% del material pasa la malla ¾” (19 mm), se emplea este material en la preparación de los especimenes. Si mas del 25% del material se retiene en la malla ¾” (19 mm), debe ser retirado y reemplazado por una cantidad igual de material que pasa la ¾” (19 mm) y se retiene en la Nº4, obtenido por tamizado de otra porción de muestra. F7.4 PREPARACIÓN DEL ESPECIMEN

Se compactan tres especimenes de suelo preparados dentro de ±0.5% del OCH. Se debe determinar la humedad del suelo para luego incorporar la cantidad de agua necesaria para llegar al óptimo. La muestra que será compactada debe ser de 5 a 7 kg/molde. Se pesa el molde con su placa base, se coloca el collarín y el disco espaciador y, sobre éste, un disco de papel de filtro grueso del mismo diámetro. Los especimenes se compactan a diferentes números de golpes por capa, generalmente los golpes por capa son 56, 25 y 10. El procedimiento es similar al método proctor modificado. Si el espécimen se va a sumergir, se toma una porción entre 100 y 500 g (según sea fino o tenga grava) antes de la compactación y otra al final, el promedio representará la humedad de compactación. Si la muestra no va a ser sumergida, la porción de material para determinar la humedad se toma del centro de la probeta resultante de compactar el suelo en el molde, después del ensayo de penetración. Para ello el espécimen se saca del molde y se rompe por la mitad. Concluida la compactación se retira el collarín y se enrasa. Cualquier depresión por eliminación de partículas debe rellenarse con material sobrante sin gruesos. Desmonte el molde y retire el disco espaciador, vuelva a montarlo invertido y sin disco espaciador, con un papel filtro entre la placa base y el suelo compactado. Pese el molde con su placa base más el suelo compactado. Se coloca sobre la superficie de la muestra invertida la placa perforada con vástago, y, sobre ésta, los anillos necesarios para completar una sobrecarga tal, que produzca una presión equivalente a la originada por todas las capas de materiales que hayan de ir encima del suelo que se ensaya, la aproximación quedará dentro de 5.5 lb. (2.27 kg) correspondientes a una pesa. En ningún caso, la sobrecarga total será menor de 10 lb. (4.54 kg). Si no se especifica el peso de pavimento, considere 4.54 kg de sobrecarga.

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Sumerja el molde con las sobrecargas en un tanque de agua, permitiendo el libre acceso de agua en la base y superficie del molde. Tome las lecturas iniciales del deformímetro y deje saturar el molde por 96 horas. Mantenga el nivel del agua constante durante el periodo de inmersión. Luego de las 96 horas, tome la lectura final del deformímetro y calcule el hinchamiento como un porcentaje de la altura inicial del especimen. Retire el molde del tanque y permita que el agua escurra por aproximadamente 15 min, en su posición normal. Tenga cuidado de no disturbar la muestra en este proceso. Retire las sobrecargas y la placa perforada. Pesar inmediatamente. F7.5 ENSAYO EN LA PRENSA

El ensayo de CBR está ideado para simular las condiciones que existirían en la superficie de la subrasante. Se coloca una sobrecarga en la superficie del especimen compactado para representar el peso del pavimento sobre la subrasante. Lo que es mas, el especimen es saturado para representar las condiciones más desfavorables de campo. Luego de la saturación, se determina la fuerza requerida para penetrar un pistón estándar, dentro del suelo, una cantidad especificada. El procedimiento paso a paso es: 1.- Colocar una sobrecarga sobre la muestra compactada, de tal manera que se produzca una presión igual a la presión que ejercerá la estructura del pavimento sobre la subrasante. Si no se conoce el peso del pavimento, usar 4.24 kg de sobrecarga. Si el especimen fue previamente saturado, la sobrecarga debe ser igual a la usada durante la saturación. Para evitar el levantamiento de la muestra dentro del orifico de las sobrecargas, coloque la pesa anular de 2.27 kg sobre el suelo compactado. Llevar el conjunto a la prensa y colóquese en el orificio central de la sobrecarga anular, el pistón de penetración y añada el resto de la sobrecarga. 2.- El pistón de penetración debe ser colocado en la superficie con la menor carga posible, en ningún caso excederá las 10 lb. Se ajusta en cero los diales, el del anillo para medir la fuerza aplicada y el dial de penetración. 3.- Aplicar la carga sobre el pistón de penetración de tal manera que la relación que la velocidad de penetración sea de 0.05 pulg/min (1.27 mm/min). Las prensas manuales no preparadas para trabajar a esta velocidad de forma automática se controlarán mediante el deformímetro de penetración y un cronómetro. Registre las lecturas de carga para penetraciones de 0.025 pulg (0.64 mm), 0.050 pulg (1.27 mm), 0.075 pulg (1.91 mm), 0.100 pulg (2.54 mm), 0.125 pulg (3.18 mm), 0.150 pulg (3.81 mm), 0.175 pulg (4.45 mm), 0.200 pulg (5.08 mm), 0.300 pulg (7.62 mm), 0.400 pulg (10.16 mm) y 0.500 pulg (12.70 mm). Anote la máxima carga y su penetración si la muestra falla antes de alcanzar 0.500 pulg (12.70 mm) de penetración. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia 316 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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4.- Retirar la muestra del molde y determine el contenido de humedad de una muestra obtenido cerca de la zona de penetración. La muestra es no menor de 100 gr para suelos de grano fino y no menos de 500 gr para suelos granulares. F7.6 DATOS

Se deben obtener los siguientes datos durante el ensayo: 1.- Determinación del Contenido de Humedad

Peso de suelo húmedo mas tara (gr) Peso de suelo seco mas tara (gr) Peso de tara (gr) Nota.- Estos datos deben obtenerse cada vez que se requiera determinar el contenido de humedad. Se debe hallar el contenido de humedad de la muestra antes de la compactación, finalizada la compactación y luego del ensayo de penetración cerca de la zona de aplicación de la carga. 2.- Densidad de la muestra

Peso del molde y placa base mas el suelo compactado (gr) Peso del molde y placa base (gr) Diámetro del molde (pulg) Altura de la muestra de suelo (pulg) Nota.- Estos datos deben obtenerse para cada uno de los siguientes especimenes: antes de la saturación y luego de la saturación. 3.- Datos de la Inmersión

Peso de la sobrecarga (lb) Tiempo y fecha Lecturas del dial Nota.- Estos datos deben obtenerse al inicio y final de la saturación. 4.- Datos de la Capacidad de Soporte

Peso de la sobrecarga (lb) Area del pistón (pulg2) CÁLCULOS 1.- Determinación del Contenido de Humedad

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El contenido de humedad (ω) se calcula con: Wagua ω(%) = × 100 Wsuelo sec o 2.- Determinación de la Densidad

La densidad del suelo húmedo (ρsw) se calcula con la siguiente ecuación: Wsuelo humedo ρ sw = Vefectivo del molde La densidad seca (ρd) se obtiene con: ρ ρd = sw 1+ ω 3.- Porcentaje de expansión

La expansión se calcula por la diferencia entre las lecturas del deformímetro antes y después de la inmersión. Este valor se expresa en porcentaje con respecto a la altura de la muestra en el molde. 4.- Capacidad de Soporte

Se calcula el esfuerzo aplicado por el pistón, dividiendo la carga aplicada entre el área del pistón. Se dibuja en escala aritmética, la curva esfuerzo (psi) versus penetración (pulg). El esfuerzo en la ordenada y la penetración en la abscisa. En algunos casos, la curva esfuerzo versus penetración puede ser cóncava en el tramo inicial de la curva, debido a irregularidades en la superficie u otras causas. Para estos casos se debe corregir la curva modificando en punto cero de la curva. Figura F7.1. La relación de capacidad para 0.10 pulg. de penetración se determina dividiendo el esfuerzo corregido (psi) para una penetración de 0.10 pulg., en la curva esfuerzo versus penetración, entre el esfuerzo a la penetración de una muestra patrón, que es 1000 lb para 0.10 pulg. de penetración. Este valor se expresa en porcentaje. La relación de capacidad para 0.20 pulg. de penetración se determina de manera similar, usando el esfuerzo corregido (psi) para una penetración de 0.20 pulg. entre el esfuerzo a la penetración de una muestra patrón de 1500 psi. Si la capacidad de soporte calculada para 0.20 pulg. de penetración es mayor, el ensayo debe correrse nuevamente. Si el nuevo ensayo da similares resultados, el CBR será el que corresponde a 0.20 pulg. de penetración. En caso contrario el CBR corresponderá a 0.10 pulg. de penetración.

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Figura F7.1:- Corrección de la curva esfuerzo versus penetración Soil Properties Testing, Measurement, and Evaluation F7.7 CBR DE DISEÑO

Con los datos obtenidos en cada uno de los tres especimenes, grafique el CBR versus la densidad seca de cada especimen, como se muestra en la figura F7.2. El CBR de diseño será el correspondiente al 95% de la máxima densidad seca del próctor modificado.

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2.020

1.970

Densidad Seca (gr/cm3)

1.920

CB R para la densidad seca especificada

1.870

1.820

1.770

1.720

1.670 2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

C.B.R.(%)

Figura F7.2:- Densidad seca versus CBR F7.8 EJEMPLO NUMÉRICO

Determinar el CBR de diseño para una muestra remoldeada al óptimo contenido de humedad. El CBR de diseño corresponderá al 95% de la máxima densidad seca del proctor modificado. Se obtuvieron los siguientes datos: 1.- Del proctor modificado

MDS OCH ρ d max

2.150 gr/cm3 7.59% = 2.150 gr/cm 3

ρ d max(98%) = 2.107 gr/cm 3 ρ d max(95%) = 2.043 gr/cm 3

2.- Contenido de humedad de la muestra

1 2 3 4

Nº tara W tara (gr) W recipiente + suelo húmedo, gr W recipiente + suelo seco, (gr)

13 20.39 167.52 166.21

1 20.52 194.32 192.49

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5 6 7 8

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W agua (gr) : [3] − [4] W suelo seco (gr) : [4] − [2] ω (%) ω promedio (%)

1.31 145.82 0.90

1.83 171.97 1.06 0.98

3.- Incremento de agua a la muestra que será compactada

9 W suelo húmedo (gr) [9] × 100 10 W suelo seco (gr):

7000 6931.98

11 ω (%) : OCH [11] − [8] × [10] 12 Incremento de volumen de agua, cm3:

7.59 458.12

1 + [8]

100

4.- Cálculo de la Densidad del suelo húmedo, para cada especimen compactado

13 14 15 16 17 18 19 20

V disco espaciador Nº molde V molde, cm3 W molde, gr W molde + suelo húmedo, gr V molde efectivo , cm3: [15] − [13] Nº golpes/capa W suelo húmedo, gr: [17] − [16]

21 Densidad del suelo húmedo, gr/cm3, ρ sw =

[20] [18]

891 5 3239.59 5304.67 10700 2348.59 10 5395.33

891 891 2 1 3250.43 3248.88 5406.33 5421 10700 10550 2359.43 2357.88 25 56 5293.67 5129

2.30

2.24

2.18

5.- Contenido de humedad antes de saturar, se toma dos muestras, una antes de compactar y otra al final de la compactación

22 23 24 25 26 27 28

Nº tara W tara (gr) W tara + suelo húmedo (gr) W tara + suelo seco (gr) W agua (gr) : [24] − [25] W suelo seco (gr) :

[25] − [23] [26] × 100 ω (%) : [27]

29 ω promedio (%)

1 2 3 4 5 6 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 106.21 106.21 107.45 106.10 107.25 106.45 100 100 100 100 100 100 6.21 6.21 7.45 6.10 7.25 6.45 100 100 100 100 100 100 6.21

6.21

6.210

7.45

6.10

6.775

7.25

6.45

6.850

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6.- Densidad seca de las muestras compactadas

30

ρd =

[21] × 100 , gr/cm3 100 + [29]

2.16

2.10

2.04

7.- Grado de saturación antes de la inmersión (Gw)

31 32

[20] × 100 100 + [29] [31] Volumen del suelo seco, cm3: V =

Peso de suelo seco, Ws =

s

5079.87

4957.78

4800.19

1860.76

1816.04

1758.31

487.83 315.46 64.67

543.39 335.89 61.81

599.57 328.81 54.84

4500 17.8029 5.0970 12.71

4500 17.8142 5.0970 12.72

4500 17.7378 5.0970 12.64

Ss

33 Volumen de vacíos, cm3: [18] − [32] 34 Volumen de agua, cm3: [20] − [31] [34] × 100 35 Grado de saturación, %: G w =

[33]

8.- Deformación vertical

36 37 38 39

Sobrecarga, gr Altura del molde, cm Altura del disco espaciador, cm Altura efectiva del molde, cm: [37] − [38]

9.- Expansión debido a saturación

Lectura Tiempo Deformación (hr) Fecha Hora (cm) (%) 01/03/96 13:10 0 0.1752 0.000 02/03/96 13:10 24 0.1758 0.005* 03/03/96 13:10 48 0.1765 0.010** 04/03/96 13:10 72 0.1772 0.016 05/03/96 13:10 96 0.1772 0.016 *

0.1758 − 0.1752 × 100 = 0.005 12.71

Deformación (cm) (%) 0.9618 0.000 0.9629 0.009 0.9632 0.011 0.9837 0.012 0.9638 0.016 **

Deformación (cm) (%) 0.2183 0.000 0.2541 0.283 0.2558 0.297 0.2568 0.305 0.2578 0.312

0.1765 − 0.1752 × 100 = 0.010 12.71

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10.- Penetración ⎛ 4.9076L6 − 43.263L5 + 148.11L4 − 245.92L3 + 187.41L2 + 1770.1L − 7 × 10−9 ⎞ × 0.7382019258 ⎜ ⎟ ⎝ ⎠

40

Ecuación del anillo

41

Sobrecarga, gr:

4500

Segunda muestra: 55 golpes Presión Penetración Patrón (lb/pulg2) (pulg) (mm) 0.000 0.000 0.025 0.635 0.050 1.270 0.075 1.905 1000 0.100 2.540 0.150 3.810 1500 0.200 5.080 0.250 6.350 0.300 7.620 0.400 10.160 0.500 12.700

Lectura (L) (mm) 0.000 0.200 0.456 0.562 0.725 0.884 1.080 1.230 1.360 1.500

[36]

Primera muestra: 26 golpes Presión Penetración Patrón (lb/pulg2) (pulg) (mm) 0.000 0.000 0.025 0.635 0.050 1.270 0.075 1.905 1000 0.100 2.540 0.150 3.810 1500 0.200 5.080 0.250 6.350 0.300 7.620 0.400 10.160 0.500 12.700 *

Lectura (L) (mm) 0.000 0.200 0.325 0.452 0.572 0.729 0.921 1.108 1.214 1.323 1.343

4500

Presión (lb/pulg2) 0.00 265.58 611.54 755.06 975.23 1189.07 1451.48 1651.60 1824.71 2010.88

Presión (lb/pulg2) 0.00 265.58* 434.16 606.12 768.59 980.62 1238.71 1488.87 1630.28 1775.46 1802.08

4500

Presión Corregida (lb/pulg2)

CBR

950

95

1450

96.7

Presión Corregida (lb/pulg2)

CBR**

740

74

1230

82

(%)

(%)

⎛ 4.9076(0.200)6 − 43.263(0.200)5 + 148.11(0.200) 4 − 245.92(0.200)3 + 187.41(0.200)2 + 1770.1(0.200) − 7 × 10−9 ⎞ × 0.7382019258 ⎟ ⎜ ⎠ ⎝ = 265.58lb / pu lg2

** CBR =

Presion corregida × 100 Presion patron

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Tercera muestra: 13 golpes Presión Penetración Lectura Patrón (L) 2 (lb/pulg ) (pulg) (mm) (mm) 0.000 0.000 0.000 0.025 0.635 0.069 0.050 1.270 0.150 0.075 1.905 0.274 1000 0.100 2.540 0.355 0.150 3.810 0.532 1500 0.200 5.080 0.716 0.250 6.350 0.835 0.300 7.620 0.932 0.400 10.160 1.020 0.500 12.700 * La presión corregida se obtiene del gráfico

Presión (lb/pulg2) 0.00 90.76 198.56 365.25 474.75 714.46 963.09 1123.27 1253.45 1371.28

Presión Corregida (lb/pulg2)

CBR

500.00*

50

990.00

66

(%)

Presión Vs Penetración 2200 2000 1800

Presión (lb/pulg²)

1600 1400 1200

55golpes 26 golpes 13 golpes

1000 800 600 400 200 0 0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

Penetración (pulg)

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Anexo F

11.- Contenido de humedad después de saturar

42 43 44 45 46

No recipiente W recipiente, gr W recipiente sw, gr W recipiente s, gr W ω, gr :

1 21.01 102.26 97.20 5.06

2 21.01 102.26 97.20 5.06

3 16.94 81.01 76.97 4.04

4 16.94 81.01 76.97 4.04

5 6 20.94 20.94 130.45 130.45 124.24 124.24 6.21 6.21

47 W s, gr :

76.19

76.19

60.03

60.03

103.30 103.30

48

6.64

6.64

6.73

6.73

[44] − [45]

[45] − [43] [46] × 100 ω, %: [47]

49 ω promedio, % sw suelo húmedo s suelo seco ω agua

6.64

6.73

6.01

6.01 6.01

12.- Contenido de humedad absorbido

ω, %: [49] − [29]

50

0.43

-0.05

-0.84

13.- Grado de saturación después de inmersión (Gw)

51 52 53 54 55 da A

[20] × 100 100 + [29] [51] Vs, cm3: Ws, gr:

Ss [18] + da × A − [52] Vv, [51] Vω, cm3: [49]× 100 [54] × 100 Gw, %: [53]

cm3:

5079.87

4957.78

4800.19

1860.76

1816.04

1758.31

488.20

543.76

606.80

337.37

333.66

288.57

69.11

61.36

47.56

ρ d max(98%)

ρ d max(95%)

deformación acumulada debido a la expansión area del molde

14.- CBR ρ d max(100%) CBR CBR (0.1” de penetración) (%) 90.7 CBR (0.2” de penetración) (%) 93.5 Para el ejemplo el CBR de diseño será 52.5%.

76.0 83.5

52.5 67.5

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Anexo F

Densidad Seca Vs C.B.R. 2.20

Densidad Seca (gr/cc)

2.15

CBR 0.1” de penetración

2.10

CBR 0.2” de penetración

2.05

2.00 40

50

60

70

80

90

100

C.B.R. (%)

F7.9 REFERENCIAS BIBLIOGRAFIAS

1.- Cheng Lui, Jack Evett, Soil Properties Testing, Measurement, and Evaluation, Third Edition, The University of North Carolina at Charlotte 2.- ASTM D 1883-99, CBR (California Bearing Ratio) of Laboratory-Compacted Soils. 3.- MTC E 132-1999, CBR de Suelos (Laboratorio)

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Anexo F

F8.1 OBJETIVO

Las partículas planas y alargadas son aquellas cuya dimensión última es menor que 0.6 veces su dimensión promedio y aquellas que son mayores 1.8 veces la dimensión promedio. Para este ensayo se considera que la dimensión promedio es el tamaño medio entre las dos aberturas 1” a ¾”, ¾” a ½”, ½”a 3/8”, etc. entre las que los agregados son retenidos al ser tamizados. Después de haber sido tamizadas las partículas planas y alargadas se separan usando como patrón los aparatos que se muestran en las figuras F8.1 y F8.2. Las partículas planas pueden ser separadas rápidamente pasándolas por cribas con ranuras, pero en este caso, se necesita un tipo de criba para cada tamaño. El porcentaje por peso de las partículas planas y alargadas se le designa con el nombre de índice de aplanamiento e índice de alargamiento. F8.2 EQUIPOS

1. 2. 3. 4. 5.

Calibrador de aplanamiento y alargamiento. Tamices. 2 ½”; 2”, 1 ½”, 1”, ¾”; ½”; 3 8 ”; ¼”. Bandejas Cuarteador Balanza. Sensibilidad de 0.1% el peso de la muestra que se ensaya.

F8.3 PREPARACIÓN DE LA MUESTRA

1. Separar por cuarteo una muestra representativa 2. Tamizar por las mallas indicadas y determinar el peso retenido entre dos mallas consecutivas. Wi 3. Separar el material retenido en cada malla para ser ensayado Nota Si el porcentaje retenido entre dos mallas consecutivas es menor al 5%, no se ensaya. Si el porcentaje retenido entre dos mallas consecutivas está entre 5% y 15%, se separarán un mínimo de 100 partículas. Determinar su peso con aproximación al 0.1%. Si el porcentaje retenido entre dos mallas consecutivas es mayor al 15%, se separarán un mínimo de 200 partículas. Determinar su peso con aproximación al 0.1%. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia 327 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Anexo F

F8.1: Calibrador de Espesores

ESTAS MEDIDAS VAN MARCADAS EN LA PLACA

9.5 mm

8.5 4.7 mm mm

70mm

S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

17.0mm

12.5mm o 2.5mm (1/2 o 3/8)" 19.0mm o (1 o 3/4)" 12.5mm (3/4 o 1/2)" (1 1/2 o 1)" 31.5mm o 25.0mm (1 1/4 o 1)"

100mm

2.5mm o 6.3mm (3/8 o 1/4)"

1.55mm (1/16")

30mm

40mm

50mm

70mm

25.0mm o 19.0mm

80mm

(2 1/2 Ø 2)"

37.5mm o 25.0mm

90mm

30.0mm o 32.5mm

100mm

63.0mm o 50.6mm

(2 o 1 1/2)"

15.2 mm

18.8mm

3.15mm (1/8") diam.

25.3mm

31.9mm

328

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Anexo F

F8.2: Calibrador de Longitud 14.2 mm

19.8 mm

28.4mm 39.5mm

56.3mm

37.5mm (1/1/2")

75.8mm

(1/4") 45.0mm

(6.35mm) diam. 25.0mm

PASA TAMIZ

9.5mm 12.5mm (3/8") (1/2")

19.0mm (3/4")

25.0mm (1")

RETENIDO EN TAMIZ

6.3mm 9.5mm (1/4") (3/8")

12.5mm (1/2")

19.0mm (3/4")

25.0mm (1")

S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

50.0mm (2")

37.5mm (1/1/2")

329

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Anexo F

F8.4 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO

1. Cada una de las muestras separadas se hace pasar por el calibrador de espesores en la ranura cuya abertura corresponda a la fracción que se ensaya. 2. Pesar la cantidad de partículas de cada fracción, que pasaron por la ranura correspondiente, aproximación al 0.1% del peso total de la muestra de ensayo. Pi 3. Cada una de las muestras separadas se hace pasar por el calibrador de longitud por la separación entre barras correspondiente a la fracción que se ensaya. 4. Pesar la cantidad de partículas de cada fracción, retenida entre las dos barras correspondientes, aproximación al 0.1% del peso total de la muestra de ensayo. Ri F8.5 CÁLCULOS Índice de aplanamiento:

IAPfi (% ) =

Pi × 100 Wi

Donde: IAPfi Índice de aplanamiento de la fracción i, ensayada Pi Peso de las partículas que pasan por la ranura correspondiente Wi Peso inicial de ésa fracción Índice de alargamiento: IAL fi (% ) =

Ri × 100 Wi

Donde: IALfi Índice de alargamiento de la fracción i, ensayada Ri Peso de las partículas retenidas entre las correspondientes barras Wi Peso inicial de ésa fracción Para ambos índices, los resultados se deberán redondear al entero superior más próximo. F8.6 INFORME

Los índices se expresan en función del peso total de la muestra, se calcula el promedio ponderado de los respectivos índices de todas las fracciones ensayadas, empleando como factores de ponderación los porcentajes retenidos, Ri, e indicando la granulometría de la muestra. Aplicar las siguientes expresiones: ∑ (IAPfi × R i ) ∑ (IAL fi × R i ) Indice de Aplanamiento = Indice de Alargamiento = ∑ Ri ∑ Ri F8.9 REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA Índice de Aplanamiento y Alargamiento de Agregados para Carreteras. MTC E221-1999 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Foto NºF8.1: Partículas aplanadas y alargadas

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Anexo F

F9.1 GRAVEDAD ESPECIFICA

La gravedad específica del agregado es necesaria para determinar el contenido de vacíos de la mezclas asfálticas compactadas. Por definición, la gravedad específica de un agregado es la relación del peso por unidad de volumen de un material respecto del mismo volumen de agua a aproximadamente 23ºC (73.4ºF). La ecuación usada es: Gravedad Específica =

Peso Volumen × peso especifico del agua

Cuando se trabaja en el SI, el peso especifico del agua es 1.0gr/cm3, convirtiendo la ecuación de la gravedad específica en: Peso Gravedad Específica = Volumen Además, existen tres diferentes gravedades específicas relacionadas al diseño de mezclas asfálticas en caliente que definen el volumen de las partículas de agregados: Gravedad Específica Seca Aparente Gravedad Específica Seca Bulk (Base Seca) y Saturada Superficialmente Seca Bulk 2 Gravedad Específica Efectiva Para ilustrar los conceptos listados utilizaremos el esquema peso-volumen de la partícula de agregado Poros permeables al agua

Poros impermeables al agua

2

Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design and Construction. National Center for Asphalt Technology 1996 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Anexo F

Esquemáticamente las relaciones peso-volumen se muestran a continuación:

Vpp

Vap Vpp-Vap

Vs (Ws)

Esquema de Relaciones entre las Diferentes Gravedades Específicas de una partícula de agregado

Donde: Vs Vpp Vap Vpp-Vap Ws

Volumen del agregado seco incluyendo los vacíos impermeables Volumen de poros permeables al agua Volumen de poros que absorbieron asfalto Volumen de poros permeables al agua menos los poros que absorbieron asfalto Peso de agregado secado al horno

Nota El agregado contiene poros impermeables que no se detallarán en las ecuaciones pero que es implícito se están considerando. Gravedad Específica Seca Aparente Poros impermeables

Gravedad específica seca aparente =

Peso del agregado seco Volumen del agregado

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Anexo F

Gravedad específica seca aparente = G sa =

Ws Vs

La gravedad específica seca aparente incluye solamente el volumen de las partículas de agregado mas los poros impermeables. Gravedad Específica Seca Bulk (Base Seca) Poros impermeables

Poros permeables

Gravedad específica Seca Bulk =

Peso del agregado seco Volumen del agregado mas los poros permeables

Gravedad específica Seca Bulk = G sb =

Ws Vs + Vpp

(

)

Incluye volumen total de las partículas de agregados mas el volumen de poros llenos con agua luego de 24 horas de inmersión. Gravedad Específica Saturada Superficialmente Seca Bulk Vacíos impermeables

Vacíos permeables

Grav. Esp. Sat. Sup. Seca Bulk =

Peso del agregado saturado superficialmente seco Volumen del agregado mas los poros permeables

Grav. Esp. Sat. Sup. Seca Bulk = G SSS b =

Wsss Vs + Vpp

(

)

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Donde: WSSS

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Peso del Suelo Saturado Superficialmente Seco

La gravedad específica saturada superficialmente seca bulk define la relación entre el peso del agregado en su condición saturada superficialmente seca, que se obtiene secando las partículas con un paño luego de la inmersión, y el volumen del agregado más los vacíos permeables. La gravedad específica Saturada Superficialmente Seca Bulk es usada por la U.S. Corps of Engineers para el diseño y control de Mezclas Asfálticas en Caliente cuando se usan agregados con porcentajes de absorción mayores que 2.5%. La gravedad específica Seca Bulk y Seca Aparente de agregados gruesos y finos se pueden determinar con las normas ASTM C-127 y C-128, respectivamente. F9.2 GRAVEDAD ESPECÍFICA EN AGREGADOS GRUESOS, ASTM C-127

La muestra a ser evaluada se satura y pesa en su condición saturada superficialmente seca, ver fotos F9.1 y F9.2. El procedimiento es como sigue: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. A B C

Aproximadamente 5 kg. de material retenidos en la malla Nº4 (4.75 mm) se lava y seca hasta que alcance peso constante. La muestra seca se sumerge por 24 horas en agua. Los agregados se sacan del agua y secan superficialmente con ayuda de una toalla. Se obtiene el peso de la muestra en su condición superficialmente seca. La muestra saturada superficialmente seca se coloca en una cesta de alambre y se determina el peso de la muestra sumergido en agua. La muestra se seca al horno hasta obtener peso constante. La gravedad específica se calcula según: peso en el aire del agregado seco al horno, gr., peso en el aire del agregado saturado superficialmente seco, gr. peso del agregado saturado superficialmente seco sumergido en agua, gr. A A−C A = B−C

Gravedad específica seca aparente, G sa = Gravedad específica seca Bulk, G sb

Gravedad específica saturada superficialmente seca Bulk, G sssb = Absorción(%) =

(B − A )100

B B−C

A

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Tanque de agua

Anexo F

Cesta

Agregado

Toalla para secado

Foto F9.1: Se muestra el agregado grueso sumergido en agua, la toalla para secar la muestra, una cesta para pesar el suelo saturado superficialmente seco bajo el agua y un tanque de agua

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Anexo F

Foto F9.2: La muestra de agregado grueso se seca con ayuda de una toalla

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Anexo F

F9.3 GRAVEDAD ESPECÍFICA EN AGREGADOS FINOS, ASTM C-128

El método es como sigue, ver fotos F9.3, F9.4 y F9.5: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. A B C D

Aproximadamente 1000 gr. de agregado fino se seca a peso constante. Se sumerge el material por 24 horas en agua. La muestra se extiende en una superficie plana y se expone a una corriente de aire caliente. La condición saturada superficialmente seca se alcanza cuando el material cae al invertirse el cono en el que la muestra del material fue suavemente compactada. Aproximadamente 500 gr. del material en la condición saturada superficialmente seca se colocan en un matraz que se llena con agua y se eliminan los aires atrapados. El agregado se saca del matraz, se seca al horno a peso constante La gravedad específica se calcula de la siguiente manera: peso en el aire del agregado seco al horno, gr., peso del matraz (picnómetro) con agua, gr. peso del matraz (picnómetro) con el agregado y agua hasta la marca, gr. Peso del material saturado superficialmente seco (500+10 gr) A B+ A −C A = B+D−C

Gravedad específica seca aparente, G sa = Gravedad específica seca Bulk, G sb

D B+D−C ⎛D− A⎞ Absorción(%) = ⎜ ⎟100 ⎝ A ⎠

Gravedad específica sat. sup. seca Bulk, G sssb =

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Anexo F

Foto F9.3: La muestra de agregado fino saturada, se seca hasta que alcance su condición saturada superficialmente seca, esta condición se verifica con el método del cono.

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Foto F9.4: Se considera que el agregado está en su condición saturado superficialmente seco cuando la arena del cono no se derrumba al ser removido éste.

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Anexo F

Foto F9.5: Una vez que la muestra alcanzó la condición saturada superficialmente seca, se colocan aproximadamente 500 gr de muestra en una fiola para determinar su volumen. La fiola se agita para eliminar los vacíos de aire atrapados. Se agrega agua si es necesario. Se pesa la fiola con el agregado y el agua.

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G1.1 INTRODUCCIÓN El ensayo de penetración es un método empírico usado para medir la consistencia del cemento asfáltico. Por lo general la penetración se mide a 25ºC que es el promedio de las temperaturas de servicio del pavimento. Esta norma considera los cementos asfálticos con penetraciones menores de 350 dmm. Materiales con penetraciones entre 350 y 500 requieren de aparatos especiales. G1.2 DEFINICIÓN El ensayo de penetración consiste en colocar una muestra de asfalto en un recipiente estándar a una temperatura de 25ºC, controlado por un baño de agua. La muestra es penetrada por una aguja de 100 gr. por 5 segundos. La profundidad de penetración se mide en décimas de milímetro (dmm) que son las unidades de penetración. Por ejemplo, si la aguja penetra 8 mm, la penetración del asfalto es 80. El ensayo de penetración se puede realizar a otras temperaturas como 0, 4 y 46ºC. Para estas corridas la carga de la aguja y el tiempo de penetración varía. Por ejemplo, a 4ºC el cemento asfáltico es rígido, la penetración con una aguja de 100 gr por 5 s es inferior que si el ensayo se realizase a 25ºC. A esta temperatura se emplea una aguja de 200 gr de peso y 60 segundos de penetración. G1.3 EQUIPOS Equipo de Penetración Será un equipo que permita que el vástago de la aguja se mueva verticalmente sin fricción y que sea capaz de medir la profundidad de penetración con una aproximación de 0.1 mm. El peso del vástago será 47.5 ± 0.05g. El peso total de la aguja con el fijador será de 50 ± 0.05g. Además se deberá contar con pesos adicionales de 50 ± 0.05g y 100 ± 0.05g, para cargas totales de 100 g y 200 g, como se requieran en las condiciones del ensayo. El apoyo de la muestra, en el equipo de penetración, deberá ser una superficie plana, la aguja deberá formar aproximadamente 90º con esta superficie. Aguja de Penetración

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Anexo G

La aguja debe ser de acero inoxidable de aproximadamente 50 mm (2 pulg.) de longitud y de 1.00 a 1.02 mm (0.0394 a 0.0402 pulg.) de diámetro. La aguja deberá estar montada rígidamente sobre un zuncho de bronce o de acero inoxidable, la longitud expuesta deberá estar entre los límites de 40 a 45 mm (1.57 y 1.77 pulg.). El peso del ensamblado aguja y zuncho deberá ser de 2.50 ± 0.05g. Contenedor de Muestras El contenedor de muestra será de vidrio o metal, de forma cilíndrica y de fondo plano. Sus dimensiones serán de 55 mm de diámetro y 35 mm de altura interna para penetraciones debajo de 200 y 70 mm de diámetro y 45 mm de altura interna para penetraciones entre 200 y 350. Baño de Agua Para la inmersión de la muestra se deberá contar con un baño de agua de por lo menos 10 l., que permita mantener la temperatura de ensayo. El baño deberá contar con una placa soporte perforada colocada a una distancia no menor de 50 mm desde el fondo y no mas de 100 mm debajo del nivel superior del líquido en el baño. Si el ensayo se va realizar en el mismo baño de agua, se deberá disponer de una plataforma resistente para soportar el equipo de penetración. Cápsula de Transferencia Deberá tener una capacidad de 350 ml y altura suficiente de agua para cubrir todo el recipiente. Deberá estar provisto con algunos medios para obtener un apoyo firme y prevenir el balanceo del recipiente. Un soporte de tres pies de contacto para el recipiente de la muestra es un medio conveniente para asegurarlo. Medidor de tiempo Para penetrómetros operados manualmente se puede emplear un reloj eléctrico, un cronómetro u otro instrumento con aproximación a 0.1 s. en un intervalo de 60 s. Si el ensayo se realizara con penetrómetros automáticos, el dispositivo deberá estar calibrado para proporcionar el tiempo de ensayo con exactitud de ±0.1 s. La precisión de todos los instrumentos de medición deberán ser verificados antes del inicio del ensayo. Termómetros Se deberá contar con termómetros que permitan controlar la temperatura en el baño. Estos termómetros serán de mercurio con varilla de vidrio y con error máximo de 0.1ºC. G1.4 PREPARACIÓN DE LA MUESTRA 1. Se deberá tomar una muestra de aproximadamente 400 a 500 gr. La muestra deberá ser representativa del total y no deberá estar contaminada. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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2. Calentar la muestra hasta que se haga lo suficientemente fluida para vaciarla, removerla periódicamente de tal manera que no existan sobrecalentamientos. En ningún caso la temperatura de calentamiento será mayor de 100ºC por encima del punto de ablandamiento. El tiempo total de calentamiento no excederá los 30 min, evitándose la formación de burbujas. 3. Vaciar el asfalto al contenedor de muestras, que también ha sido calentado a temperatura semejante a la del asfalto. La profundidad será tal que cuando alcance la temperatura de prueba, sea por lo menos 10 mm mayor que la profundidad a la cual se espera que la aguja penetre. Se prepararán dos moldes para cada material a ser evaluado. 4. Las muestras se deben dejar enfriar a temperatura ambiente. Los contenedores deberán ser cubiertos con vasos de vidrio invertidos para evitar que sean contaminados por polvo. Se dejarán por un período de 1 a 1.5 horas para contenedores pequeños y de 1.5 a 2 horas para los mas grandes. Luego de este tiempo se sumergen los moldes en el baño de agua a la temperatura de ensayo. Permitir que el recipiente pequeño (3 oz.) permanezca de 1 a 1.5 h. y el más grande (6 oz.) de 1.5 a 2 h. G1.5 CONDICIONES DE ENSAYO Las condiciones de ensayo serán las indiciadas en la tabla siguiente: Temperatura ºC (ºF) 0 (32) 4 (39.2) 25 (77) 46.1 (115)

Carga g 200 200 100 50

Tiempo s 60 60 5 5

Las condiciones de ensayo deberán indicarse. G1.6 ENSAYO 1. Limpiar la aguja de penetración con algún solvente adecuado. Insertar la aguja al penetrómetro, colocar un peso de 50 g sobre la aguja, a menos que se indique lo contrario, haciendo la carga total movible de 100 ± 0.1 g. Si las pruebas son hechas con el penetrómetro en el baño, colocar el recipiente de muestra directamente sobre el soporte sumergido del penetrómetro. Mantener el recipiente de muestra completamente cubierto con el agua en el baño. Si las pruebas son hechas con el penetrómetro fuera del baño, colocar el contenedor en la cápsula de transferencia, cubrir el recipiente completamente con agua del baño a temperatura constante y colocar la cápsula de transferencia sobre el soporte del penetrómetro. 2. Bajar el agua hasta que haga contacto con la superficie de la muestra. Anotar la lectura en el dial del penetrómetro o poner en cero el indicador.

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3. Permita que la aguja baje por el período de tiempo especificado. Finalmente se lee y anota la distancia que haya penetrado la aguja en la muestra, esta lectura se expresa en décimas de milímetro. 4. Se realizan tres penetraciones en la muestra. Las penetraciones se realizan a distancias no menores de 10 mm entre sí y de la pared del recipiente. 5. Si se emplea la cápsula de transferencia, retornar la muestra y la cápsula al baño de temperatura constante entre determinaciones. 6. Usar una aguja limpia para cada determinación 7. Cuando las penetraciones mediadas sean más profundas de 200, se usarán al menos tres agujas, dejándolas en la muestra hasta que las tres determinaciones se hayan completado. G1.7 REPORTE Reportar el promedio de las tres penetraciones redondeado a la unidad mas cercana. Las lecturas de penetración no deben diferir en: Penetración Máxima diferencia entre La mas alta y baja de las lecturas

0 a 49 2

50 a 149 4

150 a 249 6

>249 8

Si las diferencias son mayores a las indicadas en el cuadro, el ensayo deberá volver a realizarse.

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Anexo G

G2.1 FUNDAMENTO Todos los agregados son porosos, y algunos lo son más que otros. La porosidad se determina sumergiendo los agregados en un baño y determinando la cantidad de líquido que absorbe. La capacidad de un agregado para absorber agua (o asfalto) es un factor importante que debe ser cuantificado en el diseño de mezclas asfálticas. Si un agregado es altamente absorbente, entonces continuará absorbiendo asfalto después del mezclado inicial, disminuyendo la cantidad de asfalto para ligar las demás partículas de agregado. Por ello, un agregado más poroso requiere cantidades mayores de asfalto de las que requiere un agregado con menos porosidad. Los agregados altamente porosos y absorbentes normalmente no son usados, a menos que posean características que los hagan deseables. Algunos ejemplos de dichos materiales son la escoria de alto horno y ciertos agregados sintéticos. Estos materiales son altamente porosos, pero también son livianos en peso y poseen alta resistencia al desgaste. El concepto de adherencia en el diseño de mezclas asfálticas está relacionado a la afinidad del agregado por el asfalto, es la tendencia del agregado a aceptar y retener una capa de asfalto. Las calizas y las dolomitas tienen alta afinidad con el asfalto; sin embargo, también son hidrofóbicas (repelen el agua) porque resisten los esfuerzos del agua por separar el asfalto de sus superficies. Los agregados hidrofílicos (que atraen el agua) tienen, por otro lado, poca afinidad por el asfalto. Por consiguiente, tienden a separarse de las películas de asfalto cuando son expuestas al agua. Los agregados silíceos (cuarcita y algunos granitos) son ejemplos de agregados susceptibles al desprendimiento y deben ser usados con precaución. Como se ha explicado el concepto de adherencia no está necesariamente ligado al concepto de porosidad. Los agregados usados en construcción de carreteras se obtiene del abastecimiento de rocas naturales locales. Las rocas naturales son clasificadas geológicamente en tres grupos dependiendo de su origen: ígneas, sedimentarias y metamórficas. Otro tipo de agregados usados en mezclas asfálticas en caliente son los agregados livianos, producto de arcillas calentadas a temperaturas muy altas, y escorias de altos hornos. Estos dos agregados proporcionan buena resistencia al patinaje cuando se usan en mezclas asfálticas en caliente.

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Anexo G

En la siguiente tabla se resumen propiedades deseables de rocas para agregados utilizados en Mezclas Asfálticas en Caliente.

Tipo de Roca

Dureza/Tenacidad

Resistencia al desprendimiento*

Textura superficial

Forma fracturada

Ígnea: Regular Regular Granito Regular Regular Bueno Sienita Regular Regular Regular Bueno Diorita Regular Regular Bueno Bueno Basalto Bueno Bueno Bueno Bueno Diabasa Bueno Bueno Bueno Bueno Bueno Bueno Gabro Bueno Sedimentaria: Regular Bueno Bueno Pobre Caliza, dolomia Bueno Bueno Bueno Regular Arenisca Bueno Pobre Regular Bueno Chert Lutita Regular Regular Pobre Pobre Metamórfica: Bueno Bueno Regular Regular Gneis Regular Bueno Regular Regular Esquisto Regular Regular Regular Bueno Pizarra Bueno Bueno Regular Bueno Cuarcita Regular Regular Bueno Pobre Mármol Regular Regular Regular Serpentina** Bueno *Agregados hidrofílicos tienden a separar más fácilmente las películas de asfalto. ** Es un mineral que se forma por alteración de las rocas ultrabásicas Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design and Construction. National Center for Asphalt Technology1996

G2.2 OBJETIVO Este método describe los procedimientos de revestimiento e inmersión estática para determinar la capacidad de retención de una película bituminosa sobre una superficie de agregado en presencia del agua. Este método es aplicable para cementos asfálticos y RC. Donde se desee evitar el desprendimiento, se puede agregar algún aditivo. G2.3 EQUIPOS DE LABORATORIO 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Tamices. De 3/8”, 1/4” y bandeja Recipiente. De porcelana Recipiente. De vidrio de 500 ml de capacidad Horno. Capaz de mantener temperaturas de 60º-149º ± 1.1ºC Baño maría para asfalto. con controlador automático Balanza. De 200 ± 0.1 gr de precisión Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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7. Espátula acerada. De 1” de ancho y 4” de longitud 8. Bitúmen. Que debe ser del mismo tipo de que se va usar en obra. Si se propone algún aditivo químico, éste debe adicionarse al Bitúmen en la cantidad especificada, y antes de mezclar enteramente el especímen. 9. Agua destilada. Con pH entre 6 y 7 G2.4 PREPARACIÓN DE LA MUESTRA 1. Tamizar el agregado grueso por las mallas 3/8” y 1/4”. 2. Se lava la muestra retenida en la malla ¼” con agua destilada para eliminar los finos y se lleva a secar en horno a la temperatura 110ºC hasta que mantenga un peso constante. G2.5 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO 1. Calentar el agregado y bitúmen a la temperatura de mezcla, Tabla No. G2.1 2. Pesar 100 ± 1gr. del agregado y verterlo en un recipiente de porcelana. Para el Caso 3 (ver Tabla No. G2.2) incorporar a los agregados 2 ml de agua destilada, mezclar hasta que las partículas estén completamente humedecidas. Pesar el recipiente con el agregado. 3. Incorporar en el recipiente de porcelana, que aún se encuentra en la balanza, la cantidad de material bituminoso, especificado en la Tabla No. G2.1 ó en la nota. 4. Con una espátula caliente se mezcla vigorosamente hasta que el agregado quede totalmente revestido con el material bituminoso. 5. La mezcla se vierte en un recipiente de vidrio de 500 ml de capacidad y se lleva al horno por espacio de 2 hr. a la temperatura indicada en la Tabla No. G2.1, para ser curado. 6. Transcurrido el tiempo se retira el recipiente del horno, se remezcla con la espátula mientras la mezcla enfría a temperatura ambiente. 7. Incorporar aproximadamente 400 ml de agua destilada a 25ºC. Tabla No. G2.1: Temperatura para Mezcla del Material Bituminoso (Ensayo de Adherencia ASTM D-1664) Material Asfalto Líquido, grados 30 y 70 Asfalto Líquido 250 (RC-250) Asfalto Líquido grado 800 Asfalto Líquido grado 3000 Alquitrán grados RT-1, RT-2, RT-3 Alquitrán grados RTCB-5, RTCB-6 Alquitrán grados RT-4, RT-5, RT-6 Alquitrán grados RT-7, RT-8, RT-9 Cementos Asfálticos PEN: 40-50, 60-70, 85-100

Temperatura (ºC) T. ambiente 35±3 52±3 68±3 60±3 60±3 71±3 93±3 142±3

Si el material bituminoso no se encuentra en la tabla, la temperatura de mezclado es la Temperatura Ambiente. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Tabla No. G2.2 Cantidad de Material Bituminoso a incorporar (Ensayo de Adherencia ASTM D-1664) Caso

Condición del agregado

1 2

5.5 ± 0.2 gr. Agregado seco

3 4

Material bituminoso

8.0 ± 0.2 gr. 5.5 ± 0.2 gr.

Agregado húmedo

5.5 ± 0.2 gr.

Tiempo de Tiempo de curado inmersión en agua Asfaltos Líquidos 2.0 min. 60ºC 2 hr. 16-18 hr. Emulsiones asfálticas 5.0 min. 135ºC 2 hr. 16-18 hr. Cemento Asfáltico No 2.0-3.0 min. 16-18 hr. requiere Asfaltos Líquidos 5.0 min. 60ºC 2 hr. 16-18 hr. Tiempo de Tº de mezcla curado

8. El frasco se lleva al baño maría que contiene agua a 25º C, hasta una altura que alcance las ¾ partes de la altura del vaso de vidrio. Es importante indicar que la temperatura debe mantenerse constante. 9. El frasco se tendrá en el baño maría por un período de 16 a 18 horas. 10. Retirar la muestra y sin agitar o alterar el agregado revestido, quitar alguna película que flota en la superficie del agua. Determinar por observación el porcentaje del área total visible del agregado que queda revestido sobre o debajo del 95%, algunas áreas o aristas traslúcidas o parduzcas se consideran como totalmente revestidas. 11. En el informe se mencionará si el porcentaje de área revestida es mayor o menor a 95%, consignándose como (+ 95) ó (– 95), respectivamente. G2.6 NOTA DEL PROCEDIMIENTO DE ENSAYO Para el caso de agregados secos revestidos con cemento asfáltico PEN 40-50, 60-70 y 85-100 y alquitranes: RT-10, RT-11 y RT-12. El procedimiento es similar salvo en los siguientes ítems: 1. En el ítem 1: Si la mezcla es agregado seco y asfalto: Calentar por separado el agregado y asfalto en horno a temperatura constante de 135149ºC por espacio de una hora. Si la mezcla es agregado seco y alquitrán: Calentar por separado el agregado en horno a temperatura constante de 79-107ºC y el alquitrán a temperatura constante de 93-121ºC.

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2. En el ítem 3: Colocar el recipiente de mezcla sobre una malla de asbesto o material aislante para retardar el enfriamiento, incorporar al agregado 5.5± 0.2 gr. de bitumen calentado. Mezclar por 2.0 min. y dejar que la mezcla se enfríe a temperatura ambiente. 3. En el ítem 5: No requiere de curado 4. Todos los demás pasos son similares. G2.7 OBSERVACIONES AL ENSAYO Los resultados del ensayos son subjetivos, esto limita el alcance que tiene a porcentajes mayores al 95%. No se intentará conocer, por éste método, el porcentaje de asfalto retenido por el agregado por debajo del 95%. G2.8 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ASTM D 1664-80, Test Coating and Stripping of Bitúmen-Aggregate Mixtures. MTC E517-1999, Cubrimiento de los Agregados con Materiales Asfálticos (incluye emulsiones) en presencia del agua (Stripping) Mezclas Abiertas y/o T.S.

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Foto No. G2.1: Calentar el bitúmen a la temperatura de mezcla

Foto No. G2.2: Incorpore en el recipiente con el agregado, la cantidad de material bituminoso especificado Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Foto No. G2.3: Con una espátula caliente se mezcla vigorosamente hasta que el agregado quede totalmente revestido con el material bituminoso

Foto No. G2.4: Determinar por observación el porcentaje del área total visible del agregado que queda revestido sobre o debajo del 95% Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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G3.1 FUNDAMENTO La arena que forma parte de una mezcla asfáltica debe tener propiedades químicas adecuadas que permitan la elaboración de una mezcla uniforme, que cumpla con todos los requisitos de durabilidad; una de ellas es medir la adhesividad de los ligantes bituminosos respecto de una arena, natural o de machaqueo, cuando la mezcla árido-ligante se somete a la acción de soluciones de carbonato de sodio a concentraciones crecientes. G3.2 OBJETIVO El ensayo de Riedel Weber tiene por finalidad determinar el grado de adhesividad del agregado fino con el asfalto. Se describirán los métodos de ensayo en el siguiente orden: Norma Francesa D.E.E. MA8-1938, Norma Española NLT-355/74, Norma Chilena No. LNV10-86 y Norma MTC 220-1999 en forma paralela y se hará hincapié en caso los procedimientos sean diferente. El ensayo emplea material que pasa las siguientes mallas: Norma

Pasa el tamiz

Retiene en el tamiz

Francesa D.E.E. MA8-1938

Nº30

Nº80

Española NLT-355/74

Nº30

Nº70

Chilena No. LNV10-86

Nº30

Nº100

MTC 220-1999

Nº30

Nº70

Este material se mezcla con asfalto y se ensaya con carbonato de sodio a diferentes concentraciones molares. Todas las normas pueden aplicarse a todos los ligantes bituminosos, betunes de penetración, betunes fluidificados, alquitranes y emulsiones bituminosas. G3.3 EQUIPOS DE LABORATORIO 1. Tamices. De abertura cuadrada correspondiente a la norma de ensayo y bandeja. La norma española emplea dos tamices de abertura cuadrada que estén de acuerdo con las normas UNE 7.050 (ASTM D:E11-70) de los siguientes tamaños: Tamiz 0.63 UNE (ASTM Nº30) y Tamiz 0.20 UNE (ASTM Nº70) 2. Estufa. Que alcance y mantenga temperaturas de 145 ±5ºC Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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3. Cápsula. De porcelana de 300 ml de capacidad 4. Balanza. De 1 kg de capacidad, sensibilidad de 0.1 gr. 5. Balanza. De 200 gr. de capacidad, sensibilidad de 0.01 gr. 6. Tubos de ensayo. De 1.3 cm de diámetro y 15 cm de altura 1 , resistentes al calor (pirex) 7. Soporte para tubos de ensayo 8. Fiola. de 500 ml de capacidad resistente al calor (pirex) 9. Vaso de pirex. De 400 ml de capacidad 10. Espátula 11. Mechero 12. Cronómetro. De 10 minutos 13. Chisguete de agua G3.4 PREPARACIÓN DE LA SOLUCIÓN El carbonato sódico puro (Na2CO3) anhidro y agua, H2O, destilada forman la solución de carbonato de sodio. Para preparar la disolución a diferentes concentraciones, se debe disolver el peso de Carbonato de Sodio indicado en la Tabla No. G3.1, según la concentración que se desee obtener, hasta completar un litro de agua destilada. Tabla No. G3.1 Peso de Na2CO3 por litro de disolución CONCENTRACIÓN DE DISOLUCIONES MOLARES H2O destilada M/256 M/128 m/64 m/32 m/16 m/8 m/4 m/2 m/1

CO3Na2 Gr/lt 0.414 0.828 1.656 3.313 6.625 13.250 26.500 53.000 106.000

GRADO 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Nota.- Preferentemente las disoluciones se prepararán de nuevo para cada ensayo o tandas de ensayo a realizar, y no se utilizarán aquellas que lleven elaboradas más de 4 días 2 .

G3.5 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO 1. Extraer una muestra representativa por cuarteo. 1 2

La norma española emplea tubos de ensayo de 2.0 cm de diámetro y 20.0 cm de altura Adhesividad de los Agregados Bituminosos a los áridos Finos (Procedimiento Riedel-Weber) MTC E220-1999

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2. En el caso de la Norma Española y del MTC, si la muestra de árido recibido en el laboratorio proceda de piedra de cantera o de gravera, se procede a su cuarteo y posterior machaqueo hasta obtener una arena; si la muestra de árido recibida es una arena natural o arena de machaqueo se separa por sucesivos cuarteos el material necesario para el ensayo. 3. Tamizar aproximadamente 200 gr de agregado fino por las requeridas según norma de ensayo. Norma Francesa, se tamiza el material por las mallas Nº30 y Nº80, usando la porción retenida en el tamiz inferior. Norma Española y MTC, la fracción del material obtenida por cuarteo se lava para eliminar totalmente el polvo que pueda contener, seguidamente se seca en estufa a la temperatura de 145±5ºC durante 1 hora. Norma Chilena, la muestra se tamiza por vía húmeda por la malla Nº200, se seca a 110±5ºC y se deja enfriar a temperatura ambiente, luego se procede a tamizar por las mallas Nº30 y Nº100. 4. Si el ligante a emplear es: cemento asfáltico de penetración, fluidificado o fluxado, o alquitrán, la proporción de mezcla árido-ligante es de 71 volúmenes del árido seco con 29 volúmenes de ligante (la relación correspondiente de masas se calcula a partir de las densidades respectivas). Además, las normas Española, MTC y Chilena incorporan como ligante a la emulsión bituminosa de la siguiente manera: Norma Española y MTC, la proporción de mezcla árido-ligante es de 71 volúmenes del árido seco con 95 volúmenes de ligante al 50%. Norma Chilena, la proporción de mezcla árido-ligante es de 71 volúmenes del árido seco con 29 volúmenes de emulsión. 5. En la cápsula de porcelana precalentada a la temperatura de mezcla, se incorpora con una espátula caliente el árido con el ligante, debiendo lograr una mezcla homogénea y revestimiento total de las partículas. La temperatura de mezcla será de acuerdo a la Tabla No. G3.2. 6. Dejar enfriar a temperatura ambiente aproximadamente por 1 hora. Para el caso de mezcla con emulsión las normas consideran: Norma Española y MTC, luego del período de enfriamiento, se decanta el líquido en exceso que acompaña la muestra y se deja reposar durante 24 horas. Norma Chilena, Una hora después de efectuada la mezcla se cura en horno durante 24 horas a la temperatura de 35±3ºC. 7. Preparar 10 esferas de 0.50 gr. de la mezcla, pesadas en una balanza con precisión de 0.01gr. 8. En 10 tubos de ensayo se introducen las esferas preparadas con la mezcla, enumerándolas de 0 a 9. En el tubo marcado con “0”, se incorpora 2.0 ml de agua destilada para la norma Francesa, y 6 ml en el caso de las normas Española y MTC, marcar en el tubo la superficie libre que alcanza el agua. Colocarlo sobre el mechero con ayuda de una pinza. 9. En el momento en que entra en ebullición se controla 1 minuto con el cronómetro, retirar el tubo de ensayo y añadir agua destilada con chisguete hasta el nivel inicial. Agitar vigorosamente por 10 segundos y observar si existe desprendimiento del asfalto en el agregado fino. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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10. Si no se observa desprendimiento alguno, se repiten los pasos 9 y 10 con el tubo 1, incorporando el volumen (según punto 9) de carbonato de sodio a la concentración m/256; así sucesivamente hasta que se observe algún desprendimiento entre el ligante y la arena, para el caso de la norma Francesa. En las normas Española, MTC y Chilena se continúa con el ensayo hasta que se produzca el desplazamiento total, si el desprendimiento es parcial continuar con mayores concentraciones molares. 11. Se asignará el índice de adhesividad correspondiente a la concentración empleada, según la Tabla No.G3.1. Si no hay desprendimiento se asignará el grado 10. Tabla No. G3.2 Temperatura de mezcla según norma de ensayo Norma

Francesa D.E.E. MA8-1938

Española NLT-355/74

MTC220-1999 (orientativo)

Mezcla con: Betún

Temperatura ºC 150ºC 140 – 175

Betún fluidificado Según el asfalto a utilizar Betún fluxado

70ºC

Alquitrán Emulsión bituminosa

70ºC

70 – 110

Ambiente

Ambiente

Chilena No. LNV10-86 110±5ºC

25 – 110 50 – 110 20±3ºC

G3.6 EVALUACIÓN 1. Norma Francesa: Como Indice de Adhesividad se le asignará al número correspondiente a la menor de las concentraciones ensayadas con la que se produce algún desprendimiento. 2. Norma Española y MTC definen los siguientes términos: Desplazamiento total, cuando prácticamente todos los granos de la arena aparecen limpios, pudiendo comprobarse porque los granos están sueltos o porque al hacer rodar entre los dedos el tubo de ensayo, los granos de arena siguen libremente la rotación imprimida al tubo ( para ello se puede utilizar como referencia a un tubo de ensayo sin ligante, conteniendo de 5 a 6 ml de agua para comparar su aspecto o movimiento al rodar el tubo de ensayo entre los dedos. Desplazamiento parcial, cuando los granos de la arena aparecen semi-limpios manteniendo una liga o cohesión entre ellos, en este caso los granos de arena envueltos por el ligante permanecen aglomerados en el fondo del tubo de ensayo. Para apreciar la adherencia entre el árido-ligante después del ensayo, no se considera el ligante que aparezca en la superficie del tubo de ensayo, solo debe tenerse en cuenta el aspecto que ofrezca la masa de mezcla que queda en el fondo del tubo. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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G3.7 INFORME Norma Francesa En el informe se menciona el tipo de asfalto y como índice de adhesividad el número correspondiente a la menor de las concentraciones ensayadas con la que se produce algún desplazamiento del ligante bituminoso en la superficie del árido, de acuerdo con la Tabla No. G3.1. Normas Española, MTC y Chilena • En el informe se menciona el tipo de asfalto y como índice de adhesividad el número correspondiente a la menor de las concentraciones ensayadas con la que se produce un desplazamiento total del ligante bituminoso de la superficie del árido, de acuerdo con la Tabla No. G3.1. • Si con alguna concentración inferior a la que produjo el desplazamiento total, se observó desplazamiento parcial, se expresará la adhesividad con dos números: el correspondiente a la concentración menor con la que se produce algún desplazamiento y el que produce el desplazamiento total. • Si se produjese desplazamiento total del ligante con solamente agua destilada, se asignará el Indice 0 de Adhesividad. • Si la solución molar de carbonato de sodio M/1 no produce desplazamiento del ligante bituminoso, el indice de adhesividad de la mezcla es 10. G3.8 Observaciones 1.- La evaluación se hará observando el desprendimiento que se produce por efecto de la ebullición de la solución. El grado de adhesividad se determina en función de la concentración de la solución para la cual se produce el desprendimiento. 2.- La arena que será usada como agregado para mezclas asfálticas deberá tener un Índice de Adhesividad mayor de 4. Para el caso que tenga índice de adhesividad menor, se podrá ensayar con aditivos mejoradores de adherencia. G3.9 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Comission Technigur Rile M 17 BM “Bitumes et Materiaux Bitumineux” Norma Española NLT355/74 Adhesividad de los Agregados Bituminosos a los Áridos Finos (Procedimiento Riedel-Weber). MTC E220-1999 Adhesividad a los Áridos Finos de los Ligantes Bituminosos (Procedimiento Riedel-Weber), Norma NLT-355/74. Ing. Pablo Del Águila

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Foto No. G3.1: Calentar el ligante que será mezclado con el árido

Foto No. G3.2: Preparar 10 esferas de 0.50 gr. de la mezcla. En 10 tubos de ensayo se introducen las esferas preparadas con la mezcla, enumerándolas de 0 a 9. Colocarlo sobre el mechero con ayuda de una pinza. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Foto No. G3.3: En el momento en que entra en ebullición se controla 1 minuto con el cronómetro, retirar el tubo de ensayo y añadir agua destilada con chisguete hasta el nivel inicial. Agitar vigorosamente por 10 segundos y observar si existe desprendimiento del asfalto en el agregado fino.

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G4.1 FINALIDAD El ensayo de destilación se emplea para determinar las proporciones relativas de cemento asfáltico y disolventes presentes en el asfalto líquido. Durante el proceso de ensayo se podrá medir las cantidades de disolvente que destilan a diversas temperaturas, dando un indicativo de las características de evaporación del mismo. Estas, a su vez, indican la velocidad a que el material curará después de su aplicación. G4.2 OBJETIVO El proceso de ensayo consiste en la destilación de una muestra de 200 cm3 de asfalto líquido en un matraz de 500 cm3, elevando la temperatura y midiendo los volúmenes de disolvente que se recepcionan en una probeta, a temperaturas especificadas. El material que quede en el matraz será el residuo de destilación. G4.3 EQUIPOS DE LABORATORIO 1. Matraz. De 500 cm3 mostrado en la Fig. No. G4.1. 2. Condensador recto de vidrio. De 200 a 300 mm de largo 3. Alargadera. De 1 mm de espesor de pared y borde reforzado, con ángulo de 105º y 18 mm de diámetro en su extremo superior y 5 mm en el inferior 4. Pantalla metálica. De hierro galvanizado forrado interiormente con amianto de 3 mm de grosor y provisto de ventanas rectangulares cubiertas de mica transparente. 5. Mechero de gas graduable 6. Chimenea de hierro 7. Probetas. De 100 cm3 de capacidad 8. Termómetro de destilación. ASTM E-1, de -2ºC a 400º C de 1ºC de error máximo 9. Balanza. De 5 kg. de capacidad y 1.0 gramo de aproximación 10. Sujetadores En la Figura No.G4.2 se muestra el Equipo de Destilación.

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25 + 1.2 mm

75 + 3°

102 + 2.0 mm

105 + 3 mm

135 + 5 mm

diámetro interno 10 + 0.5 mm

220

1.0 a 1.5 mm de pared + 5 .0 mm

Figura G4.1: Matraz de 500 cm3 de capacidad

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Termómetro

Tapón de corcho

600 a 700 75± 5

Protector Ventana de mica

475± 2.5

Matraz 6.5 Chimenea

Dos mallas metálicas Tapón de corcho

Mechero

Alargadera Camisa

No menos de 25.4

Papel secante

Soporte

Probeta

Cotas en mm

Figura No.G4.2 se muestra el Equipo de Destilación

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G4.4 PROCEDIMIENTOS DE ENSAYO 1. Armar el equipo de destilación según la Figura No. G4.2, teniendo el cuidado de que todas las conexiones del equipo de destilación queden herméticamente cerradas para evitar fuga de vapores, que el termómetro quede fijado en posición vertical y alineado con el eje del matraz. 2. Agitar la muestra que será ensayada para conseguir homogeneidad, calentarla si fuera necesario. Si la muestra contiene más del 2% de agua, deshidrátese el material antes de la destilación para que no produzca espuma 1 . 3. Pesar el matraz lavado, secado al horno y frío con el protector. 4. Incorporar al matraz el peso equivalente a 200 cm3 de la muestra, con aproximación a 0.5 gr., calculado según su peso específico. 5. Montar el matraz, colocar el termómetro y hacer circular el agua para que condense el vapor. 6. Prender el mechero y regularlo de tal manera que, luego de iniciado el proceso de ebullición, la primera gota caiga en la probeta entre los 5 y 15 minutos. 7. La velocidad de destilación debe ser controlada durante todo el ensayo, debiendo cumplir las siguientes especificaciones 2 : Temperatura (ºC) Desde Hasta 0 225 226 260 261 315 316 360

Velocidad de Destilación (gotas/min) 50 a 70 50 a 70 20 a 70 10 minutos

8. Si la muestra produce espuma se reduce la velocidad de destilación, normalizándola tan pronto como sea posible. Si el exceso de espuma persiste, se puede controlar la destilación aplicando la llama cerca del borde del matraz, en vez de hacerlo hacia el centro. 9. Cuando la lectura en el termómetro sea de 360ºC se saca y apaga el mechero, al terminar el goteo se hace la lectura. 10. Las lecturas de volumen en la probeta son a las siguientes temperaturas: 225ºC, 260ºC, 315ºC y 360ºC, con aproximación de 0.5 cm3. Anotar, si lo hubiera, el volumen de agua destilada. 11. El residuo se deja enfriar en un lugar sin corrientes de aire, luego se agita y se vierte en los moldes apropiados para los ensayos que requiera.

1

Destilación de Asfaltos líquidos MTC E313-1999 “Si la muestra produce espuma, se reduce la velocidad de destilación, normalizándola tan pronto como sea posible”.......”Si el exceso de espuma persiste, aplicar la llama . MTC E313-1999

2

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Anexo G

G4.5 CÁLCULOS 1. Residuo El porcentaje de residuo con respecto a la muestra original es de: Volumen que queda × 100 Volumen inicial 200 − VD R (% ) = × 100 200 R (% ) =

(1)

Donde: R VD

Residuo asfáltico (%) Volumen destilado a 360ºC

2. Porcentaje total destilado El porcentaje destilado a 360ºC es: Volumen destilado × 100 Volumen inicial Volumen destilado VD(% ) = × 100 200 VD(% ) =

(2)

3. Porcentaje de las fracciones destiladas El porcentaje de las fracciones destiladas es con respecto al 100% destilado: VPD Tº C (% ) =

Volumen parcial destilado a Tº C × 100 Volumen destilado a 360º C

(3)

Donde: VPDTºC

Volumen destilado a la temperatura TºC

G4.6 OBSERVACIONES 1. Mediante éste proceso de destilación se obtiene el disolvente y asfalto que el refinador empleó en la fabricación del cut back.

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Anexo G

2. Los ensayos sobre el residuo asfáltico no son necesariamente característicos del asfalto básico empleado originalmente para la obtención del producto, ni del residuo que pueda quedar al cabo de un tiempo dado después de la aplicación 3 3. Se deben corregir las temperaturas de destilación si la altura del laboratorio se encuentra a partir de 150 m.s.n.m., según la siguiente tabla: Tabla No. G4.1: Corrección de temperatura por altitud Destilación de Asfalto Líquido ASTM D-402

Altitud m.s.n.m. -305 -152 0 152 305 457 610 762 914 1067 1219 1372 1524 1676 1829 1981 2134 2286 2438

Temperaturas de lectura a diferentes altitudes (ºC) 192 227 263 318 362 191 226 261 317 361 190 225 260 316 360 189 224 259 315 359 189 224 258 314 358 188 223 258 313 357 187 222 257 312 356 186 221 256 312 355 186 220 255 311 354 185 220 254 310 353 184 219 254 309 352 184 218 253 309 351 183 218 252 307 350 182 217 251 306 349 182 216 250 305 349 181 215 250 305 348 180 215 249 304 347 180 214 248 303 346 179 213 248 302 345

G4.7 EJEMPLOS Ejemplo 1 Se ensayó una muestra de RC-250 con 0.958 gr/cm3 de peso específico. 1. Peso del matraz con protector (A) = 430 gr. 2. Cálculo del peso de la muestra: Peso de muestra Si Pe = 0.958 gr/cm3 , entonces: Pe = Volumen inicial 3

Destilación de Asfaltos Líquidos MTC E313-1999

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Anexo G

Se requiere de 200 cm3 para el ensayo, despejando: Peso de muestra = Pe × Volumen

Peso de muestra = 0.958 × 200 Peso de muestra = 191.6 gr 3. Peso de (A)+Peso de muestra = 621.6 gr. 4. Durante el ensayo las lecturas fueron: Temperatura (ºC) 225 260 315 360

Volumen destilado (ml) 20.2 29.8 36.6 41.0

5. Cálculo del porcentaje de residuo con respecto a la muestra original, aplicando la ecuación(1) 200 − 41 R(% ) = × 100 200 R(% ) = 79.5% 6. Cálculo del porcentaje total destilado a 360ºC aplicando la ecuación (2)

41 × 100 200 VD(% ) = 20.5%

VD(% ) =

7. Cálculo porcentual de las fracciones destiladas a diferentes temperaturas, aplicando la ecuación (3) Temperatura (ºC) 225

Fracciones destiladas (%) 20.2/41*100=49.3

260

29.8/41*100=72.7

315

36.6/41*100=89.3

Ejemplo 2 Se ensayó una muestra de MC con 0.923 gr/cm3 de Peso Específico 1. Peso del matraz con protector (A) = 430 gr. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia 369 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Anexo G

2. Cálculo del peso de la muestra: Si Pe = 0.923 gr/cm3 , entonces: Pe =

Peso de muestra Volumen inicial

Se requiere de 200 cm3 para el ensayo, despejando: Peso de muestra = Pe × Volumen

Peso de muestra = 0.923 × 200 Peso de muestra = 184.6 gr 3. Peso de (A)+Peso de muestra = 614.6 gr. 4. Durante el ensayo las lecturas fueron: Temperatura (ºC) 225

Volumen destilado (ml) 30.5

260

44.2

315

56.1

360

70.5

5. Cálculo del porcentaje de residuo con respecto a la muestra original, aplicando la ecuación1 200 − 70.5 R(% ) = × 100 200 R(% ) = 64.8% 6. Cálculo del porcentaje total destilado a 360ºC aplicando la ecuación 2

70.5 × 100 200 VD(% ) = 35.2%

VD(% ) =

7. Cálculo porcentual de las fracciones destiladas a diferentes temperaturas, aplicando la ecuación (3) Temperatura (ºC) 225

Fracciones destiladas (%) 30.5/70.5*100=43.3

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Anexo G

260

44.2/70.5*100=62.7

315

56.1/70.5*100=79.6

G4.8 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Carreteras, Calles y Aeropistas. Ing. Raúl Valle Rodas Destilación de Asfaltos Líquidos. ASTM D 402 Destilación de Asfaltos Líquidos. MTC E313-1999

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Anexo G

G5.1 INTRODUCCIÓN Las mezclas asfálticas pueden denominarse densas, open-graded o gap-graded. Estas denominaciones dependen de la granulometría de la mezcla. Todo diseño de mezclas asfálticas parte del diseño de los agregados. Los agregados pueden proceder de diferentes canteras, la calidad de los materiales deberá ser evaluado en el laboratorio para verificar si cumple con las especificaciones técnicas. En esta guía se evaluará la granulometría de los agregados y su combinación para cumplir con las especificaciones de la mezcla. Si el lector desea revisar información respecto de los diferentes tipos de mezcla podrá remitirse al Capítulo 9 de este libro. G5.2 COMBINACIÓN DE AGREGADOS Son diferentes los métodos que se puedan emplear para la combinación de agregados, entre ellos está la dosificación de los agregados por peso y por métodos gráficos. El método gráfico no se describirá en esta parte del texto porque ya está descrito en el Capítulo 3, cuando se combinan los agregados para materiales de préstamos como son las bases, sub bases y afirmados. 1. Dosificación de los agregados por peso La fórmula básica es: P = Aa + Bb + Cc etc.

Donde: P A, B, C, etc a, b, c, etc

Porcentaje promedio de las especificaciones en un tamiz Porcentaje de material que pasa un tamiz para la granulometría A, B, C, etc Proporción de agregados A, B, C, etc. usado en la combinación. La suma es 1

Combinación de dos agregados

P = Aa + Bb

Sabiendo que a+b=1, a=1-b; y reemplazando en la ecuación, se tiene: Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia 372 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Anexo G

b=

P-A B-A

y

a=

P −B ........(1) A −B

Ejemplo 1 Determinar la dosificación de los dos agregados mostrados en la siguiente tabla, para que cumplan con la granulometría especificada. Tamiz Nº Agregado A Agregado B Especificaciones

3/4" 100 100 100

Porcentaje que pasa 1/2" 3/8" Nº4 Nº8 Nº30 Nº50 Nº100 90 59 16 3,2 1,1 0 0 100 100 96 82 51 36 21 80-100 70-90 50-70 35-50 18-29 13-23 8-16

Nº200 0 9,2 4-10

Solución Elija el tamiz que en cuyo porcentaje pasante sea mayor la diferencia de los agregados A y B, para el problema es el tamiz Nº8. Usando los porcentajes del tamiz Nº8 y reemplazando en la ecuación (1), se obtienen las proporciones: P-A b= B- A 42.5 − 3.2 b= = 0.50 82 − 3.2 a + b = 1 ⇒ a = 0.50

Combinar los agregados en las proporciones encontradas para a y b.

Tamiz Nº 0,50*A 0,50*B Total Promedio deseado

3/4" 50 50 100 100

1/2" 45 50 95 90

Porcentaje que pasa 3/8" Nº4 Nº8 29,5 8 1,6 50 48 41 79,5 56 42,6 80 60 42,5

Nº30 Nº50 Nº100 Nº200 0,55 0 0 0 25,5 18 10,5 4,6 26,05 18 10,5 4,6 23,5 18 12 7

El porcentaje en el tamiz Nº200 está en el límite inferior, razón por la que debemos incrementar la proporción del agregado B a 0.55 y volver a calcular los valores combinados. Tamiz Nº

3/4"

Porcentaje que pasa 1/2" 3/8" Nº4 Nº8

Nº30

Nº50

Nº100 Nº200

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Anexo G

0,45*A 45,0 40,5 26,6 7,2 1,4 0,5 0 0 0 0,55*B 55,0 55,0 55,0 52,8 45,1 28,1 19,8 11,6 5,1 Total 100 95,5 81,6 60,0 46,5 28,5 19,8 11,6 5,1 Especificaciones 100 80-100 70-90 50-70 35-50 18-29 13-23 8-16 4-10 Se observa que el tamiz Nº30 está cerca del límite superior, debiendo reducir la proporción de B a 0.52 ó 0.53. Combinación de tres agregados Ejemplo 2 Asumiendo que se debe incorporar filler en la combinación, C, combinar los agregados presentados en la tabla.

Tamiz Nº Agregado A Agregado B Agregado C Especificaciones

3/4" 100 100 100 100

Porcentaje que pasa 1/2" 3/8" Nº4 Nº8 Nº30 Nº50 Nº100 Nº200 90 59 16 3,2 1,1 0 0 0 100 100 96 82 51 36 21 9,2 100 100 100 100 100 98 93 82 80-100 70-90 50-70 35-50 18-29 13-23 8-16 4-10

Solución De la observación, el tamiz en cuyo porcentaje pasante sea mayor la diferencia entre los agregados A y B, es el Nº8. El agregado A tendrá que incrementarse en porcentaje en la Nº8. Calcular la proporción aproximada del agregado A, empleando la siguiente ecuación:

P −B A −B 42.5 − 82 a= 3.2 − 82 a = 0.50 a=

Se examina el porcentaje que pasa en el tamiz Nº200 cuyos valores se sustituyen en la ecuación principal. P = Aa + Bb + Cc 7 = 0.50 + 9.2b + 82c y

b + c = 1 - 0.50 b + c = 0.50 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia 374 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Anexo G

reemplazando y despejando, se obtiene: c = 0.03

⇒

b = 0.47

la dosificación resultante es: 50% del agregado A más 47% del agregado B y 3% del agregado C. G5.3 EJEMPLO DE DISEÑO GRANULOMÉTRICO DE MEZCLAS CONVENCIONALES Se tienen los siguientes materiales de cantera: Tamiz Pulg.

% acumulado que pasa mm

Grava

Arena

Filler

Espec. TMN ¾”

3”

75.0

2”

50.0

1 ½”

37.5

1”

25.0

100

¾”

19.0

97.54

100

90-100

3/8”

9.5

3.62

96.79

56-80

Nº4

4.75

0.81

60.12

35-65

Nº8

2.375

0.81

38.93

23-49

Nº20

0.85

0.81

23.32

Nº40

0.425

0.81

14.95

Nº50

0.300

0.81

10.89

Nº100

0.150

0.81

4.52

Nº200

0.075

0.81

1.75

Cu

1.45

20.32

Cc

0.93

1.37

SUCS

GP

SW

100

5-19 100

2-8

Cemento

La especificación corresponde a una mezcla de gradación densa de tamaño máximo nominal de ¾”. En la tabla 9.3: Especificaciones para Gradaciones Densas, ASTM D3515, del capítulo 9 de este libro podrá encontrar las especificaciones para diferentes tamaños máximos nominales.

Determinar el porcentaje de participación de cada granulometría de tal manera que cumpla con las especificaciones técnicas.

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Anexo G

Dosificando por peso se obtiene que con 30% de grava, 65% de arena y 5% de filler se cumple con las especificaciones para TMN ¾”. En la siguiente tabla se muestran los porcentajes para cada uno de ellos: Tamiz Pulg.

% acumulado que pasa mm

Σ

Espec. TMN ¾”

30% grava 65% arena 5% filler

3”

75.0

2”

50.0

1 ½”

37.5

1”

25.0

30

65

5

100

100

¾”

19.0

29.26

65

5

99.26

90-100

3/8”

9.5

1.06

62.91

5

68.97

56-80

Nº4

4.75

0.24

37.87

5

43.11

35-65

Nº8

2.375

0.24

25.30

5

30.55

23-49

Nº20

0.85

0.24

15.16

5

20.40

Nº40

0.425

0.24

9.71

5

14.95

Nº50

0.300

0.24

7.08

5

12.32

Nº100

0.150

0.24

2.94

5

8.18

Nº200

0.075

0.24

1.14

5

6.38

5-19 2-8

Gráficamente se tendrá: Rango para Mezcla Convencional de TMN 3/4" 100 90 80 70

Rango superior 60

Rango inferior

50 40 30 20 10

100

10

1

ABERTURA (mm)

0.1

0 0.01

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Anexo G

G6.1 APLICACIÓN El siguiente procedimiento será aplicado solamente a mezclas asfálticas en caliente, preparadas con cemento asfáltico y agregados no mayores de 2.54 cm (1 pulg.), el diámetro del molde Marshall será de 101.6 mm (4 pulg.). Cuando el tamaño de la partícula excede los 2.5 cm (1 pulg.) se emplean moldes de 152.4 mm (6 pulg.), este procedimiento no es aplicable a ese tipo de muestras. G6.2 EQUIPOS DE LABORATORIO 1. Molde de Compactación. Consiste de una placa de base plana, molde y collar de extensión cilíndricos. El molde tiene un diámetro interior de 101.6 mm (4”) y altura aproximada de 76.2 mm (3”); la placa de base plana y el collar deben ser intercambiables. Ver Figura No. G6.1 2. Martillo de compactación con base plana circular de apisonado de 98.4 mm (3 7/8”) de diámetro, equipado con un pisón de 4.54 kg (10 lb.) de peso total, cuya altura de caída es de 457.2 mm (18“). Ver Figura No. G6.2. 3. Pedestal de compactación. Base de madera cuadrada de 200.3 mm de lado y 457.2 mm de altura (8”x8”x18”), en su cara superior tiene una platina cuadrada de acero de 304.8 mm de lado por 25.4 mm de espesor (12”x12”x1”), firmemente sujeta a la base. El conjunto se deberá fijar firmemente a una superficie de concreto, de tal manera que la platina de acero quede horizontal. 4. Extractor de Muestras de Asfaltos. Para extraer el especimen del molde, en forma de disco con diámetro de 100 mm (3.95”) y 12.7 mm (1/2”) de espesor. 5. Soporte para molde o portamolde. Dispositivo con resorte de tensión diseñado para sostener rígidamente el molde de compactación sobre el pedestal. 6. Mordaza. Consiste de dos semi-cilindros, con un radio de curvatura interior de 50.8 mm (2”) de acero enchapado para facilitar su fácil limpieza. El segmento inferior termina en una base plana con dos varillas perpendiculares que sirven de guía. Ver Figura No.G6.3 y G6.4. 7. Medidor de deformación. Consiste en un deformímetro dividido en centésimas de milímetro. Estará sujeto al segmento superior y cuyo vástago se apoyará, cuando se realiza el ensayo, en una palanca ajustable acoplada al segmento inferior. Las deformaciones del anillo se medirán con un deformímetro graduado en 0.001 mm. Ver Figura No.G6.4. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia 377 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Anexo G

8. Prensa. Para llevar a la falla a la muestra, será mecánica con una velocidad uniforme de 50.8 mm/min. 9. Medidor de Estabilidad. La resistencia de la probeta en el ensayo se medirá con un anillo dinamométrico acoplado a la prensa, de 20 kN (2039 kgf) de capacidad, con una sensibilidad de 50 N (5 kgf) hasta 5 kN (510 kgf) y 100 N (10 kgf) hasta 20 kN (2 039 kgf). Las deformaciones del anillo se medirán con un deformímetro graduado en 0.001 mm. 10. Discos de Papel Filtrante de 4 pulg. 11. Horno. Horno capaz de mantener la temperatura requerida con un error menor de 3 ºC (5 ºF) se emplea para calentar los agregados, material asfáltico, conjunto de compactación y muestra. 12. Baño. El baño de agua con 150mm (6”) de profundidad mínima y controlado termostáticamente para mantener la temperatura a 60º ± 1 ºC (140º ± 1.8 ºF), deberá tener un falso fondo perforado o estar equipado con un estante para mantener las probetas por lo menos a 50.8 mm (2”) sobre el fondo del tanque. 13. 2 Recipientes de dos litros de capacidad para calentar los agregados y para mezclar el asfalto y agregado. 14. Tamices. De 50 mm (2”), 37.5 mm (1 1/2”), 25 mm (1”), 19.0 mm (3/4”), 12.5 mm (1/2”), 9.5 mm (3/8”), 4.75 mm (Nº 4), 2.36 mm (Nº 8), 300 μm (Nº 50) y 75 μm (Nº 200). 15. Termómetros blindados. De 10ºC a 232ºC (50ºF a 450ºF) para determinar las temperaturas del asfalto, agregados y mezcla, con sensibilidad de 3ºC. Para la temperatura del baño de agua se utilizará termómetro con escala de 20ºC a 70ºC y sensibilidad de 0.2ºC (68ºF a 158ºF + 0.4ºF). 16. Balanza. Para pesar agregados y asfalto de 5 kg. de capacidad, y sensibilidad de un 1 gr. Para pesar probetas compactadas de 2 kg. de capacidad y sensibilidad de 0.1 gr. 17. Parafina 18. Pirex de 500 cm3 19. Guantes de cuero. Para poder manipular el equipo caliente 20. Crayolas para identificar las probetas 21. Bandejas taradas 22. Espátulas Las fotos de la G6.1 a la G6.4 muestran el equipo básico que se necesita para el ensayo Marshall.

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Anexo G

39.8

114.3 104.8

COLLAR

109.1

108.7 4.8

MOLDE de COMPACTACION

87.3

114.3

PLACA de BASE 6.4

101.60 ± 0.13

3.2

Detalle A 101.2 120.6

Detalle A

Ø 108.7

7.1

6.4

Ø 109.1

COTAS EN m m

Figura No. G6.1 Conjunto de molde, placa base y collar.

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Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo G

Ø 98.4

15.9

44.4

9.5

PASADOR ROSCADO

3.7 3.6

19 6.3

Ø 34.1

12.7 (2d) CASQUILLO

15.9

36.1

12.7

75.9

44.4

10.0

46.9

12.7

(2d) BASE

(2e) GUIAS DE MUELLE

15.9

PARTES ROSCADO

57.1

57.1

15.8

Ø 44.9

15.9

5.0

75.9 816

(2f)

PROTECTOR DE DEDOS

TUERCA BIEN APRETADA Y REMACHADA (2b)

63.5

VARILLA DE GUIA

19

304.8

Ø 75.9

(2c) PISON Peso 605 g.

9.5

17.5

Ø 63.5

12.7

50.8

44.4

190.5

739.7

114.3

(2g) MANGO Peso 605 g.

Figura No. G6.2: Martillo de compactación Marshall

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Anexo G

4

76.4

20

Diseño Moderno de Pavimentos

13 11.5

63

9.5

.3

1.3

8.2

45°

50

.8

28.7

7.3

6

PLANTA

6

50

.8

27

64

63 . 3

20

81

10

11

Figura No. G6.3: Mordaza Marshall

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Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo G

50

6

1

4

12

5 5

15

Figura No. G6.4: Dispositivo de ensayo de la probeta y mordazas G6.3 PROCEDIMIENTOS PREVIOS Se deben realizar los siguientes pasos antes de preparar la mezcla: Paso A: Evaluación de agregados A.1 Realice los ensayos de abrasión en la Máquina de Los Ángeles, resistencia a los sulfatos, equivalente de arena, presencia de sustancias deletéreas, caras de fractura y chatas y alargadas. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia 382 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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A.2 Si el agregado pasó los controles de calidad del paso A.1, se debe realizar el diseño granulométrico de los agregados, gravedad específica y absorción. A.3 Gravedad específica bulk del agregado grueso (AASHTO T85 ó ASTM C127) y del agregado fino (AASHTO T84 ó ASTM C128). Calcule la gravedad especifica de la combinación de agregados. Paso B: Evaluación del cemento asfáltico B.1 Determine el grado apropiado de cemento asfáltico a emplear, según el tipo y ubicación geográfica del proyecto, verificar que las propiedades especificadas sean aceptables. B.2 Calcular la gravedad especifica del cemento asfáltico (AASHTO T228 ó ASTM D70) y del filler (AASHTO T100 ó ASTM D854) y grafique la viscosidad versus temperatura (Carta de Viscosidad). B.3 Determinar la temperatura de mezcla y compactación según la carta de viscosidad. 1. La temperatura de mezcla del cemento asfáltico será el correspondiente al rango de viscosidad de 170±20 centistokes (1 centistoke =1 mm2/s). 2. La temperatura de compactación se encuentra en el rango de viscosidad de 280±30 centistokes Paso C: Preparación de los Especimenes Marshall C.1 Secar los agregados hasta obtener peso constante entre 105ºC y 110ºC, separarlos por tamizado en las mallas sugeridas: 1” a ¾” ¾” a 3/8” 3/8” a Nº4 Nº4 a Nº8 Pasa Nº8 Fijada la composición en tanto por ciento de cada árido para obtener la granulometría total de la mezcla que se desea, se calcula el peso necesario de cada uno de ellos para realizar el amasado de 18 especimenes, aproximadamente 1150 gr. en cada uno, un total de 22 kg y un galón de cemento asfáltico. C.2 Pese los agregados para cada especímen por separado y caliéntelos a la temperatura de mezcla, según paso B.4. El peso total de agregado se determinará en el paso C.3.

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Foto No. G6.1: Máquina de estabilidad Marshall con anillo de carga

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Foto No.G6.2: Este conjunto muestra la placa de base plana, molde y collar de extensión del molde de compactación, Martillo de compactación y Pedestal de compactación.

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Foto No.G6.3: Para extraer la probeta compactada del molde se requiere el extractor de muestras de asfaltos.

Foto No.G6.4: Martillo de compactación

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Foto No.G6.5: Mordaza para rotura de especimenes Marshall C.3 Generalmente se prepara un especímen de prueba, mida la altura del mismo (h1) y verifique la altura requerida del especímen Marshall: 63.5 ± 5.1 mm (2.5 ± 0.20 pulg.). Si el especímen está fuera del rango, ajuste la cantidad de agregados con la siguiente fórmula: Q=

h × 1150 gr h1

Donde: Q h h1

Peso del agregado para un especímen de 63.5 mm (2.5 pulg.) de altura, gr. Altura requerida, que será 63.5 mm ó 2.5 pulg. Altura del especímen de prueba, mm (pulg)

C.4 Calentar a la temperatura de mezcla la suficiente cantidad de asfalto para preparar 18 especimenes; tres especimenes compactados por cada porcentaje de contenido de asfalto, los incrementos porcentuales de asfalto son de 0.5% con por lo menos dos contenidos antes y después del Optimo Contenido de Asfalto. A tres mezclas cerca al óptimo contenido de asfalto se les mide la gravedad específica Rice o Máxima Densidad Teórica (TMD). Nota.- No mantener el ligante por más de una hora a la temperatura de mezcla ni emplear ligante bituminoso recalentado. Durante el período de calentamiento del ligante se debe agitar frecuentemente dentro del recipiente para evitar los sobrecalentamientos. C.5 De acuerdo a las especificaciones se determina el número de golpes por cara para la compactación Marshall. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia 387 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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C.6 El recipiente en el que se realizará la mezcla será manchado con una mezcla de prueba para evitar la pérdida de ligante y finos adheridos al recipiente, se limpiará solamente arrastrando con una espátula todo el material posible. Colocar la cantidad de agregado requerido en esa vasija y añada la cantidad de asfalto caliente necesario por peso, para el porcentaje de cemento asfáltico de la mezcla deseada. % Cemento asfáltico =

Peso cemento asfáltico Peso árido + Peso cemento asfáltico

C.7 Mezclar el cemento asfáltico y agregados hasta que éstos estén totalmente cubiertos. La mezcla puede hacerse manual o mecánicamente. Cuando la mezcla requiera filler, éste se agregará luego que los agregados estén cubiertos por el ligante. C.8 Verificar la temperatura de los materiales recién mezclados, si está sobre la temperatura de compactación, deje enfriar; si está por debajo, elimine el material y prepare una nueva muestra. C.9 Se coloca dentro del conjunto del molde y la base del martillo compactador limpios, un disco de papel filtrante de 10 cm de diámetro. Se calientan en el horno o en un baño de agua a una temperatura comprendida entre los 93º a 149ºC. Verter la mezcla y emparejarla con una espátula caliente 15 veces alrededor del perímetro y 10 veces en el interior. Limpiar el material del collar y montura dentro del molde de tal manera que el medio sea ligeramente mas alto que los bordes. Fijar el molde y base en el pedestal. Coloque el martillo precalentado dentro del molde, y aplique el número de golpes según las especificaciones, la altura de caída del martillo es de 18” (457 mm). Mantener el eje del martillo de compactación perpendicular a la base del molde durante la compactación. C.10 Retire el molde de la base. Coloque un papel filtrante en la superficie e inviértalo de tal manera que la cara superficial se encuentre abajo. Reemplace el collar del molde y fíjelo junto con la base en el pedestal. Aplicar el número de golpes especificados. C.11 Después de la compactación remover la base y colocar el molde y collar sobre el extractor de muestras. Con el molde y el collar de extensión hacia arriba en la máquina de ensayo, aplicar presión y forzar el espécimen dentro del collar de extensión, levantar el collar del espécimen. Cuidadosamente transferir el espécimen a una superficie plana, dejarlo de pie para que repose de 12 a 24 horas a temperatura ambiente, identificarlos con códigos alfanuméricos usando Crayolas. C.12 Determine la gravedad especifica bulk de cada especímen tan pronto como las probetas compactadas se han enfriado a la temperatura ambiente, según AASHTO T166. Se determina calculando la relación entre su peso al aire y su volumen. Pesar el especímen al aire. Sumerja la muestra en agua por unos minutos, pesar la muestra en su condición saturada superficialmente seca (SSD) en el agua. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia 388 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Sacar la muestra del agua, secar el exceso de agua y pesar en su condición SSD en el aire. Calcular el volumen restando el peso del especímen SSD en el aire y el peso del especímen SSD sumergida. La fórmula empleada será: G mb =

WD WSSD − W sub

Donde: Gmb WD WSSD Wsub

Gravedad Específica Bulk de la muestra compactada Peso del especímen al aire Peso del especímen en su condición SSD en el aire Peso del especímen sumergido

Se determina el peso específico bulk promedio de todas las probetas hechas con el mismo contenido asfáltico. Los valores dispares no se incluyen en el cálculo para lo cual se tendrá en cuenta el siguiente rango de variación con respecto al valor medio Peso Específico Bulk ± 1% Los valores calculados del peso específico bulk, así ensayados, dan resultados mas reales, pero existe otro procedimiento de laboratorio que cabe destacar, es el que podemos encontrar en las nuevas normas emitidas por el ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construcción. El primer método se emplea cuando la textura superficial de las probetas es cerrada e impermeable. El volumen de la probeta se obtiene restando el peso de la probeta en el aire y el peso de la probeta sumergida en agua sin haber recubierto su superficie parafinada. La fórmula empleada será: WD G mb = WD − W sub Donde: Gmb Gravedad Específica Bulk de la muestra compactada Peso del especímen al aire WD Wsub Peso del especímen sumergido El segundo método se aplica a mezclas cuya superficie es abierta y permeable. El volumen aparente se determina restando el peso de la probeta en el aire y el peso de la probeta en el agua pero habiéndola recubierto previamente de una capa de parafina. El peso específico bulk viene dado por la fórmula: WD G mb = WpD − WD WpD - Wppsub γp Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia 389 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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Donde: Gmb WD WpD Wppsub γp

Gravedad Específica Bulk de la muestra compactada Peso del especímen al aire Peso del especímen parafinado en al aire Peso del especímen parafinado en el agua Peso específico de la parafina

Los especimenes deben pesarse antes de ser parafinados, a continuación se sumergen en un recipiente con parafina caliente. Si es necesario, se da pinceladas de parafina en los puntos mal cubiertos. Dejar enfriar la parafina durante media hora y determinar el peso en el aire a la temperatura ambiente e inmediatamente se pesa en agua 3 . C.13 Calcule la gravedad especifica Rice en las mezclas asfálticas en caliente (Gmm) de acuerdo a la norma AASHTO T209, su valor se emplea en el cálculo de los vacíos. Si la mezcla contiene agregados absorbentes se recomienda colocarla en el horno (manteniéndola a la temperatura de mezcla) por cuatro horas de tal manera que el cemento asfáltico sea absorbido completamente por el agregado entes del ensayo. Mantener la mezcla en un recipiente tapado mientras se encuentra en el horno. Si el ensayo se hace por triplicado en la mezcla que contiene un porcentaje cerca al óptimo contenido de asfalto, promediar los tres resultados; calcule la gravedad específica efectiva de los agregados. Si se realiza el cálculo de la gravedad específica Rice en cada una de las muestras a diferentes contenidos de asfalto, calcular la gravedad específica efectiva de agregados en cada caso. Calcule el promedio de las gravedades específicas efectivas y el promedio de las gravedades específicas Rice. En ausencia de datos proporcionados por el Método Rice, la gravedad específica puede calcularse con una relación matemática que considera las gravedades específicas bulk y aparente de los componentes de la mezcla: 100 G mm = % asfalto % grueso % fino % filler + + + A G sa asfalto B C Siendo: G + G sa A = sb , para el agregado grueso 2 G + G sa B = sb , para el agregado fino 2 G + G sa , para el filler C = sb 2

3 Gravedad Especifica Aparente y Peso Unitario de Mezclas Asfálticas Compactadas Empleando Especimenes Parafinados. MTC E506-1999

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Donde: Gsb Gsa

Gravedad específica bulk Gravedad específica aparente

Paso D: Densidad y vacíos de los especimenes Se refiere a las relaciones peso-volumen, completando los cálculos con los siguientes pasos: D.1 Para cada especímen, use la gravedad específica bulk (Gmb) del paso C.12 y gravedad específica Rice de la mezcla (Gmm) para C.13. Calcular el porcentaje de vacíos en el total de la mezcla, VTM. ⎛ G ⎞ VTM = ⎜⎜ 1 - mb ⎟⎟ × 100 ⎝ G mm ⎠ D.2 Calcular la densidad de cada especímen Marshall como sigue: Densidad (g/cm 3 ) = G mb × δ w

D.3 Calcule el porcentaje de vacíos en el agregado mineral, VMA, para cada especímen Marshall usando la gravedad específica bulk en los agregados (Gsb) para los pasos A.2, la gravedad específica bulk de la mezcla compactada (Gmb) para el paso C.12, y el contenido de asfalto por peso de mezcla total (Pb)

⎛ G (1 − Pb ) ⎞ ⎟⎟ × 100 VMA = ⎜⎜1 - mb G sb ⎠ ⎝ D.4 Calcule el porcentaje de vacíos llenos de asfalto para cada especimen Marshall usando el VTM y VMA como sigue: ⎛ VMA - VTM ⎞ VFA = ⎜ ⎟ × 100 ⎝ VMA ⎠

Paso E: Estabilidad Marshall y Ensayo de Flujo E.1 Calentar el agua del baño a 140ºF (60ºC) y colocar los especimenes a ser ensayados por un período de 30 a 40 minutos. Los especimenes se ubicarán de manera escalonada para que todos los especimenes sean calentados el tiempo especificado antes de ser ensayados. E.2 Se limpian perfectamente las superficies interiores de las mordazas de rotura y se engrasan las barras guía con una película de aceite de manera que la mordaza superior se Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia 391 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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deslice libremente. Luego de calentarlos el tiempo necesario, se irán sacando uno a la vez, quitarles el exceso de agua con una toalla y colocarlo rápidamente en la mordaza Marshall. E.3 Colocar el medidor de flujo sobre la barra guía marcada y compruebe la lectura inicial. Aplicar la carga a una velocidad de deformación de 2 pulg/min (50.8 mm/minuto) hasta que ocurra la falla, es decir, cuando se alcanza la máxima carga y luego disminuye según se lea en el dial respectivo. El punto de rotura se define como la carga máxima obtenida y se registra como el valor de estabilidad Marshall, expresado en Newtons (lbf). Mientras se está determinando la estabilidad se mantiene firmemente el medidor de deformación en su posición sobre la barra guía; libérese cuando comience a decrecer la carga y anote la lectura. Este será el valor del “flujo” para la muestra expresado en centésimas de pulgada. Por ejemplo si la muestra se deformó 3.8 mm(0.15”) el valor de flujo será de 15. Este valor expresa la disminución de diámetro que sufre la probeta entre la carga cero y el instante de la rotura.flujo en 0.01 pulgadas (0.25 mm). El ensayo se realiza en un minuto contados desde que se saca el especímen del baño. E.4 Repita los pasos E.2 y E.3 hasta que todos los especimenes sean ensayados. 1. El tiempo total transcurrido entre sacar el especímen del baño y aplicar la carga es de 60 segundos como máximo. 2. El tiempo total en el agua de baño para cada juego de tres especimenes es entre 30 a 40 minutos. Paso F: Tabulación y Gráfico de los Resultados de Ensayo F.1 Tabule los resultados de ensayo, corrija los valores de estabilidad para cada especímen (ASTM D1559), y calcule el promedio de cada tres juegos de especimenes. F.2 Grafique: 1. Contenido de asfalto Vs. Densidad (por unidad de peso) 2. Contenido de asfalto Vs. Estabilidad Marshall 3. Contenido de asfalto Vs. Flujo 4. Contenido de asfalto Vs. Porcentaje de vacíos, VTM 5. Contenido de asfalto Vs. Porcentaje de vacíos del agregado mineral, VMA 6. Contenido de asfalto Vs. Porcentaje de vacíos llenos de asfalto, VFA F.3 Revise la tendencia de cada gráfico: 1. La estabilidad versus el contenido de asfalto puede tener dos tendencias: 1.1 La estabilidad crece a medida que el contenido de asfalto aumenta, alcanza un pico y luego decrecer. 1.2 La estabilidad decrece a medida que el contenido de asfalto aumenta y no presenta un pico. Esta curva es común en mezclas asfálticas en caliente recicladas. 2. El flujo crece con el incremento del contenido de asfalto. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia 392 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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3. La densidad crece con el incremento de asfalto, alcanzo un pico, y luego decrece. La densidad pico usualmente ocurre a un contenido de asfalto mayor que la estabilidad pico. 4. El porcentaje de vacíos de aire decrecerá con el crecimiento del contenido de asfalto. 5. El porcentaje de vacíos del agregado mineral, VMA, decrece con el crecimiento del contenido de cemento asfáltico, alcanza un mínimo, y luego crece. 6. El porcentaje de vacíos llenos de asfalto, VFA, crece con el incremento de asfalto. Paso G: Determinación del Optimo Contenido de Asfalto G.1 Los siguientes dos métodos son comúnmente empleados para determinar el óptimo contenido de asfalto de los gráficos: Método 1.- El procedimiento NAPA, en TAS 14 1. El contenido de asfalto corresponderá al contenido de vacíos especificado (por lo general 4%). Este es el óptimo contenido de asfalto. 2. Determine las siguientes propiedades en el óptimo contenido de asfalto de los gráficos: 2.1 Estabilidad Marshall 2.2 Flujo 2.3 Porcentaje de vacíos del agregado mineral, VMA 2.4 Porcentaje de vacíos llenos de asfalto, VFA 3. Compare cada uno de estos valores con las especificaciones, si se verifican todos los valores, el óptimo contenido de asfalto será el elegido. Si alguno de estos valores estuviera fuera del rango la mezcla deberá ser rediseñada. Método 2.- Método del Instituto del Asfalto en MS-2 1. Determine: (a) contenido de asfalto en la estabilidad máxima (b) contenido de asfalto en la densidad máxima (c) contenido de asfalto en el punto medio del rango de volúmenes de aire especificado (4% típicamente) 2. Promediar los tres contenidos de asfaltos seleccionados 3. Para el promedio del contenido de asfalto, vea la curva ploteada y determine las siguientes propiedades: 3.1. Estabilidad Marshall 3.2. Flujo 3.3. Porcentaje de vacíos del agregado mineral, VMA 3.4. Porcentaje de vacíos llenos de asfalto, VFA 4. Comparar los valores del paso 3 con los criterios de aceptación del siguiente cuadro:

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Criterio de Diseño Marshall para Superficies y Bases Diseño de Mezclas Método Marshall Compactación Nº golpes/cara Estabilidad, lb(N) Flujo 0.01 Pulg (0.25 mm) Vacíos de aire, % Vacíos en el agregado mineral

Ligero Mínimo Máximo

Tráfico Medio Mínimo Máximo

Pesado Mínimo Máximo

35

50

75

750 (333)

1200 (5333)

1800 (8000)

8

18

8

16

8

14

3

5

3

5

3

5

Ver el gráfico siguiente

Mix Design Methods for Asphalt Concrete and Other Hot Mix Tipes. The Asphalt Institute, MS-2, May 1984

Relaciones entre Vacíos en el Agregado Mineral y Tamaño Máximo con el criterio de carga sobrepuesta

1Standard Specifications for Wire Cloth Sieves for Testing Purposes, ASTM Designation EII (AASHTO Designation M92). 2Para agregados chancados el tamaño máximo nominal es mayor que el tamaño del tamiz indicado en las especificaciones sobre el cual el material está retenido. 3Para mezclas con 1% de tolerancia sólo serán permitidas cuando la experiencia indique que se comportarán adecuadamente y cuando todos los demás criterios se hayan verificado.

Mix Design Methods for Asphalt Concrete and Other Hot Mix Types, The Asphalt Institute, MS-2, May 1984

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G.2 Encontrar el criterio de falla para alguna propiedad requerida es un trabajo especial para determinar la mezcla que será empleada en la construcción. Si el criterio VMA no puede hallarse, la gradación del agregado debe modificarse y volver a diseñar la mezcla. G6.4 OBSERVACIONES 1. Este método está limitado al proyecto y control de mezclas asfálticas elaboradas en planta estacionaria, en caliente, empleando cemento asfáltico. 2. Con el ensayo Marshall se determina la estabilidad y el flujo de mezclas asfálticas cilíndricas, ensayadas a 60º C. 3. El valor de estabilidad se determina midiendo la carga necesaria para producir la falla del espécimen, aplicada en sentido normal al eje. 4. La deformación vertical producida en el espécimen por dicha carga será el valor del flujo. El valor de estabilidad expresa la resistencia estructural de la mezcla compactada, y está afectado principalmente por el contenido de asfalto, la composición granulométrica y el tipo de agregado. 5. El valor de flujo representa la deformación requerida para producir la fractura. Este valor es una indicación de la tendencia de la mezcla para alcanzar una condición plástica, y consecuentemente de la resistencia que ofrecerá la carpeta asfáltica a deformarse bajo la acción de las cargas impuestas por los vehículos. G6.5 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS • Los Asfaltos, Tecnología y Aplicaciones. Ingº Ricardo E. Bisso Fernández. Editado por Petróleos del Perú – Petroperú S.A., Noviembre 1998 • Standard Test Method for Resistance to Plastic Flow of Bituminous Mixtures Using Marshall Apparatus. ASTM D1559-89 • Resistencia de Mezclas Bituminosas empelando el Aparato Marshall. MTC E504-1999 • Mix Design Methods for Asphalt Concrete and Other Hot Mix Tipes. The Asphalt Institute, MS-2, May 1984 • Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design and Construction. NAPA Research and Education Foundation 1996

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G6.6 EJEMPLOS Ejemplo 1: Diseño de Mezclas Agregados Tamizar los agregados X Combinar 4 tipos de agregados para que cumplan con las especificaciones: Tamiz Nº Agregado Número 1 Agregado Número 2 Agregado Número 3 Agregado Número 4 Especificaciones

1/2" 100 100 100 100 100

Porcentaje que pasa 3/8" Nº4 Nº8 Nº16 Nº30 Nº50 89 3 1 1 1 1 100 58 10 8 5 4 100 99 81 71 46 26 100 100 99 94 86 68 95-100 47-77 52-70 46-63 37-57 24-39

Nº100 1 3 15 18 8-25

Nº200 0.1 2.2 10.0 2.5 2-8

X Determinar el porcentaje de cada agregado a ser usado para que cumpla con las especificaciones. El cálculo se muestra en la siguiente tabla: Porcentaje Nº 1 (25%) Nº 2 (25%) Nº 3 (25%) Nº 4 (25%) Total Especif. Nº 1 (25%) Nº 2 (15%) Nº 3 (35%) Nº 4 (25%) Total Especif.

Tamaño del tamiz Nº8 Nº16 Nº30 Combinación 1

1/2"

3/8"

Nº4

Nº50

Nº100

Nº200

25

22

1

0

0

0

0

0

0,0

25

25

15

3

2

1

1

1

0,6

25

25

25

20

18

12

7

4

2,5

25

25

25

25

24

22

17

5

0,6

100 100

97 95-100

65 47-77

35 37-57

25 24-39

9 8-25

3,7 2-8

25

22

1

0

0

0

0

0

0,0

15

15

9

2

1

1

1

0

0,3

35

35

35

28

25

16

9

5

3,5

25

25

25

25

24

22

17

5

0,6

100 100

97 95-100

69 47-77

39 37-57

27 24-39

10 8-25

4,5 2-8

48 44 52-70 46-63 Combinación 2

55 50 52-70 46-63

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X La combinación de agregados se determina por cualquiera de los métodos conocidos, resultando 25% del agregado Nº1; 15% del agregado Nº2; 35% del agregado Nº3; y 25% del agregado Nº4. X La gravedad específica bulk de la combinación de agregados (Gsb) es 2.620 X La gravedad específica del cemento asfáltico se calculo y es 1.030 X Aproximadamente 20 especimenes de agregados fueron preparados usando las proporciones calculadas X La combinación de agregados fueron calculados a la temperatura especificada en ASTM D1559 para el método Marshall. El peso total de cada especímen será suficiente para preparar especimenes con 4” de diámetro y 2 ½” de altura. Diseño de mezclas Marshall X Las muestras calientes de agregados se mezclan con una cantidad de cemento asfáltico por encima y debajo del óptimo contenido de asfalto X Los especimenes se compactan con 75 golpes en cada lado con el martillo Marshall X Se preparan tres muestras para cada porcentaje de cemento asfáltico. Se preparan un total de 18 especimenes X Luego de compactar las muestras se extraen los moldes y se dejan enfriar. Las muestras se pesan secadas al aire (WD), dejar empapar por tres minutos en agua y pesarlas sumergidas en agua (Wsub), retirarlas del agua, secarlas y pesar en el aire (WSSD) X La gravedad especifica bulks de la muestra Gmb se determina por: G mb =

WD WSSD − W sub

El volumen de la muestra en ml es igual a WSSD-Wsub cuando el peso está en gramos. La densidad bulk (γ) de la muestra en pcf es: γ = G mb × δ w

Los siguientes cálculos se hacen para la muestra 1 de 5.0% de contenido de asfalto G mb =

1167.8 = 2.253 1169.0 − 650.7

La densidad del especímen es: γ = 2.253 × 1 = 2.253 gr/cm 3

Los vacíos totales de la mezcla (VTM) se determinaron para cada muestra comparando el promedio de la densidad bulk para cada contenido de asfalto de la densidad teórica máxima (TMD). El método más común para determinar el TMD es el método Rice especificado en ASTM D2041. El VTM se determinó con la siguiente ecuación: Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia 397 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

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⎛ G ⎞ VTM = ⎜⎜ 1 - mb ⎟⎟ × 100 , ó ⎝ G mm ⎠ ⎛ densidad bulk del especimen ⎞ VTM = ⎜ 1 ⎟ × 100 TMD ⎠ ⎝ Para este problema, el promedio de tres muestras para el contenido de asfalto de 5.0% tuvo una densidad bulk de 2.252 gr/cm3 y el TMD para esta muestra fue determinada en 2.454 gr/cm3. La VTM es entonces: ⎛ 2.252 ⎞ VTM = ⎜ 1 ⎟ × 100 = 8.2% ⎝ 2.454 ⎠

Los vacíos del agregado mineral (VMA) se determinan por las siguientes ecuaciones para el contenido de asfalto del 5%:

⎛ G (1 − Pb ) ⎞ 2.252(1 − 0.05) ⎞ ⎟⎟ × 100 = ⎛⎜1 VMA = ⎜⎜1 - mb ⎟ × 100 = 18.3% 2 . 620 G ⎝ ⎠ sb ⎝ ⎠ Los vacíos llenos con asfalto (VFA) ser determinaron: ⎛ 18.3 - 8.2 ⎞ ⎛ VMA - VTM ⎞ VFA = ⎜ ⎟ × 100 = 55.2% ⎟ × 100 = ⎜ ⎝ 18.3 ⎠ ⎝ VMA ⎠

Luego que las muestras fueron pesadas en el aire y agua y todos los cálculos hechos, las muestras fueron ensayadas en la prensa. La carga de falla se expresa en libras y el flujo se determina para 0.01 pulgadas (0.25 mm) para el primer pico de carga. La medida de estabilidad es la actual carga medida, y la estabilidad corregida incluye una corrección por volumen de especímen. Para este diseño todos los volúmenes estuvieron en el rango requerido (ASTM D1559), sin necesitar corrección. Luego de llenar todos los datos, graficar las relaciones para las diferentes relaciones de propiedades y contenidos de asfalto. Las propiedades comúnmente graficadas son: peso unitario, estabilidad Marshall, flujo, vacíos en la mezcla total, vacíos llenos con cemento asfáltico, y vacíos en el agregado mineral. Ahora se selecciona el óptimo contenido de asfalto para las especificaciones del proyecto. Para este diseño de mezcla las especificaciones se muestran en el siguiente cuadro:

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Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo G

Propiedades de ensayo Estabilidad Marshall lbs (N) Flujo 0.01” (0.25 mm) Vacios totales en la mezcla (%) Vacios llenos de asfalto (%)

Especificaciones del proyecto 1500 (6667) min 8 – 16 3–5 70 – 80

Evaluaremos el contenido de asfalto de acuerdo a los dos métodos planteados en el paso G: Método 1 Un procedimiento usado es el recomendado por la NAPA. De las gráficas que se mostrarán, se considera el óptimo contenido de asfalto para la media del porcentaje de vacíos de la mezcla total de las especificaciones (4%). Este contenido de asfalto se usa para determinar los valores de estabilidad Marshall, VMA, flujo y porcentaje de vacíos llenos. Cada uno de estos valores se compara con los valores especificados; si todos están en el rango se acepta el contenido de asfalto como el óptimo al 4% de vacíos, en caso contrario. Si algunos de estos valores están fuera del rango de especificaciones, la mezcla tiene que ser rediseñada. En el ejemplo, para 4% de vacíos se tiene 6.9% de contenido de asfalto, con este valor se comparan los datos obtenidos de cada gráfico. Propiedades de ensayo Estabilidad Marshall lbs (N) Flujo 0.01” (0.25 mm) VMA (%) Vacíos llenos de asfalto (%)

Especificaciones del proyecto 1500 (6667) min 8 – 16 No se requiere 70 – 80

Resultado

Condición

2750 lbs (12222 N) 14 18.6 79

Aceptado Aceptado -----Aceptado

Método 2 El segundo método usado considera como óptimo contenido de asfalto al que proporciona la máxima estabilidad Marshall, máximo peso unitario, y 4% de vacíos en el total de la mezcla (media de las especificaciones). Por lo tanto, para los datos encontrados los siguientes contenidos de asfalto son seleccionados: Propiedades Pico de la curva de estabilidad Pico de la curva de peso unitario 4% Volumen total de mezcla Promedio

Contenido de asfalto seleccionado 6.5 6.8 6.9 6.7

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Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo G

Los tres contenidos de asfalto se promedian para determinar el óptimo contenido de asfalto. Las propiedades de la mezcla deben ser evaluadas para asegurar que las especificaciones requeridas se encuentran en 6.7% del contenido de asfalto. Propiedades Estabilidad Marshall lbs (N) Flujo 0.01” (0.25 mm) VTM (%)

Especificaciones del proyecto 1500 (6667) min 8 – 16 3-5

Resultado

Condición

2775 lbs (12333 N) 13.6 4.2

Aceptado Aceptado Aceptado

De acuerdo con los resultados anteriores el óptimo contenido de asfalto seleccionado es de 6.7%. Una dificultad con este segundo método para diferentes contenidos de asfalto es que no todas las muestras tienen los gráficos como los del ejemplo. De hecho, algunas mezclas que contienen 75-100% de partículas fracturadas no muestran picos en la curva de densidad, haciendo imposible aplicar ésta metodología.

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Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo G

RESULTADOS DE ENSAYO PARA EL DISEÑO DE MEZCLAS POR EL METODO MARSHALL Ejemplo Nº1 BRIQUETA N° 1 % C.A. EN PESO DE LA MEZCLA

1A

1B

5.00

2 PESO ESPECIFICO BULK DE LA COMBINACION DE AGREGADOS

1C

5.00

2A

5.00

2B

5.50

2.620

2C

5.50

3A

5.50

3B

6.00

2.620

3C

6.00

4A

6.00

4B

6.50

2.620

4C

6.50

5A

6.50

5B

7.00

2.620

5C

7.00

6A

7.00

7.50

2.620

3 PESO DE LA BRIQUETA AL AIRE (gr) W D

1167.80

1164.90

1165.10

1166.40

1179.00

1169.40

1170.40

1181.10

1187.30

1174.20

1185.30

1182.30

1177.50

1183.40

1192.80

1181.90

PESO DE LA BRIQUETA EN EL AIRE (gr) 4 condición Saturada Superficialmente Seca W SSD

1169.00

1166.20

1167.00

1167.50

1180.60

1171.00

1171.00

1181.90

1189.00

1174.70

1186.00

1182.90

1177.90

1183.60

1193.30

1182.30

PESO DE LA BRIQUETA EN EL AGUA (gr) 5 condición Saturada Superficialmente Seca W sub

650.70

647.00

651.00

652.40

661.40

650.90

656.70

664.70

670.90

661.60

667.70

667.70

663.00

665.40

675.70

663.30

6 VOLUMEN DE LA BRIQUETA (gr)

518.30

519.20

516.00

515.10

519.20

520.10

514.30

517.20

518.10

513.10

518.30

515.20

514.90

518.20

517.60

519.00

7 PESO ESPECIFICO BULK DE LA BRIQUETA gr/cm3 Gmb

2.253

2.244

2.258

2.264

2.271

2.248

2.276

2.284

2.292

2.288

2.287

2.295

2.287

2.284

2.304

2.277

8 PESO ESPECIFICO TEORICA MAXIMA, RICE

2.454

2.454

2.454

2.444

2.444

2.444

2.425

2.425

2.425

2.402

2.402

2.402

2.380

2.380

2.380

2.357

9 % VACIOS TOTALES EN LA MEZCLA(VTM) 10 % VACIOS EN AGREGADO MINERAL (V.M.A.)

8.2

8.6

8.0

7.3

7.1

8.0

6.1

5.8

5.5

4.7

4.8

4.5

3.9

4.0

3.2

3.4

18.3

18.6

18.1

18.3

18.1

18.9

18.4

18.1

17.8

18.3

18.4

18.1

18.8

18.9

18.2

19.6

11 % ASFALTO ABSORBIDO POR EL AGREGADO TOTAL (VFA)

55.4

54.1

56.0

59.9

60.9

57.7

66.5

67.8

69.1

74.2

73.9

75.3

79.3

78.7

82.6

82.7

12 ESTABILIDAD SIN CORREGIR

2400

2630

2560

2520

2690

2650

2620

2710

2980

2800

2730

2900

2820

2730

2790

2650

13 ESTABILIDAD CORREGIDA

2530

2620

2770

2810

2780

14 Peso Unitario (gr/cm3)

2.252

2.261

2.284

2.290

2.292

15 Flujo (0.001 Pulg.) 16 Flujo (0.001 Pulg.) promedio

11.00

11.00 11

12.00

11

12.00

13

13.00

12

13 13

12.00

12

13 13

14

14

14

17 % VACIOS TOTALES DE LA MEZCLA (VTM)

8.2

7.5

5.8

4.7

3.7

18 % VACIOS EN AGREGADO MINERAL (V.M.A.)

18.4

18.4

18.1

18.3

18.7

19 % ASF. ABSORBIDO POR EL AGREGADO TOTAL (VFA) Prom

55.2

59.5

67.8

74.4

80.2

S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

15

16

14

401

Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo G

DISEÑO DE MEZCLA ASFÁLTICA MÉTODO DE LA NAPA FLUJO VS. % DE ASFALTO

ESTABILIDAD VS. % DE ASFALTO PESO ESPECIFICO VS. % DE ASFALTO 17

2900 2850

16

2800

2.280 2.270 2.260 2.250

2750

15

2750

FLUJO (0.01")

2.290

ESTABILIDAD (Lb)

PESO ESPECIFICO (gr/cm3)

2.300

2700 2650 2600 2550

13 12

2500 2.240

11

6,9

2450

2.230

6,9

2400 4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

10 4.5

5.0

ASFALTO (%)

VOLUMEN LLENO CON ASFALTO VFA (%)

8.0 7.0 6.0 4,0

4.0 3.0 2.0 1.0

6,9

0.0 4.5

5.0

5.5

6.0

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

% VACIOS LLENOS DE CON ASFALTO VS. % DE ASFALTO

9.0

5.0

5.5

4.5

5.0

5.5

6.0

ASFALTO (%)

% VACIOS VS. % DE ASFALTO

VACIOS VTM (%)

14

14

6.5

ASFALTO (%)

7.0

7.5

8.0

100.0

7.0

7.5

8.0

% VOLUMEN DE AGREGADO GRUESO MINERAL VS. % DE ASFALTO 21.0

90.0 80.0

6.5

ASFALTO (%)

20.0 79

18,6

19.0

70.0

18.0

60.0

17.0

50.0

16.0

6,9 DISEÑO DE MEZCLA ASFÁLTICA 40.0 4.5 5.5 6.0 6.5 7.5 8.0 MÉTODO DE5.0 L INSTITUTO DEL7.0ASFALTO ASFALTO (%)

S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

6,9 15.0 4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

ASFALTO (%)

402

Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo G

PESO ESPECIFICO VS. % DE ASFALTO 2.300

2900

17

2850

2.290

2775

2800

2.270 2.260 2.250

16

2750

FLUJO (0.01")

2.280

ESTABILIDAD (Lb)

PESO ESPECIFICO (gr/cm3)

FLUJO VS. % DE ASFALTO

ESTABILIDAD VS. % DE ASFALTO

2700 2650 2600 2550 2500

2.240

6,7

2400 4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

13,6

14 13 12 11

2450

2.230

15

4.5

5.0

5.5

ASFALTO (%)

6.0

6.5

6,7

10 7.0

7.5

8.0

4.5

5.0

5.5

ASFALTO (%)

% VACIOS VS. % DE ASFALTO

6.5

7.0

7.5

8.0

ASFALTO (%)

% VACIOS LLENOS DE CON ASFALTO VS. % DE ASFALTO

9.0

6.0

% VOLUMEN DE AGREGADO GRUESO MINERAL VS. % DE ASFALTO

100.0

21.0

90.0

20.0

8.0

VACIOS VTM (%)

7.0 77

80.0

6.0

19.0

18,5

4,2

5.0

70.0

18.0

60.0

17.0

4.0 3.0 2.0

16.0

50.0

1.0

6,7

6,7

6,7

15.0

40.0

0.0 4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

ASFALTO (%)

7.0

7.5

8.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

ASFALTO (%)

S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

7.5

8.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

ASFALTO (%)

403

Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo G

Ejemplo 2 Diseño de Mezclas Paso A: Evaluación de Agregados A.1 Requisitos de calidad de agregados para Mezclas Asfálticas Ensayo Durabilidad Abrasión Partículas Chatas y Alargadas Equivalente de arena Adherencia (% retenido) Riedel Weber

Datos 8.6% 18.6% 1.9% 68% +95 Grado 4

A.2 Si cumple con el control de calidad realizar la combinación de agregados, que cumpla con las especificaciones técnicas del proyecto. De la combinación se emplearán 45% de agregado grueso y 55% de agregado fino, de una cantera que cumple con las especificaciones. A.3 Calcular la gravedad específica bulk del agregado grueso (ASTM C127); agregado fino (ASTM C128). Calcular la gravedad específica de la combinación de agregados. Datos: Gravedad específica bulk (Gsb): Agregado grueso 2.692 Agregado Fino 2.712 De la combinación de agregados: 0.45 + 0.55 G= = 2.703 0.45 0.55 + 2.692 2.712 A.4 Calcular la gravedad específica aparente del agregado grueso (ASTM C127); agregado fino (ASTM C128). Calcular la gravedad específica aparente de la combinación de agregados Datos: Gravedad específica aparente (Gsa): Agregado grueso 2.765 Agregado Fino 2.752 De la combinación de agregados: 0.45 + 0.55 G= = 2.758 0.45 0.55 + 2.765 2.752 Paso B: Evaluación del Cemento Asfáltico B.1 El cemento asfáltico a emplear tiene penetración 60-70, elegido por el tipo y ubicación geográfica del proyecto. Verificar que sus propiedades serán aceptables. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia 404 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo G

B.2 La gravedad específica del cemento asfáltico (ASTM D70) es 1.000. B.3 Determinar la temperatura de mezcla y compactación según la carta de viscosidad. Paso C: Preparación de los Especimenes Marshall C.1 Cálculo del peso de los agregados. Agregado grueso: 45% x 1150 gr. = 517.5 gr. Nota.- Calcular el peso de cada tamiz de acuerdo al porcentaje retenido del análisis granulométrico. Todos esos pesos deben sumar 517.5 gr. Agregado fino : 55% x 1150 gr. = 632.5 gr. Nota.- El agregado fino se peso en conjunto. C.2 Cálculo del peso de asfalto Los especimenes serán ensayados con los siguientes porcentajes de asfalto: 4.0; 4.5; 5.0; 5.5; 6.0 y 6.5. El peso de asfalto para cada uno de los porcentajes en especimenes de 1150 gr., es: Peso cemento asfáltico % Cemento asfáltico = Peso árido + Peso cemento asfáltico Para 4.0%

Peso cemento asfáltico

Para 4.5%

Peso cemento asfáltico

Para 5.0%

Peso cemento asfáltico

Para 5.5%

Peso cemento asfáltico

Para 6.0%

Peso cemento asfáltico

Para 6.5%

Peso cemento asfáltico

4.0 × 1150 = 47.9 gr 96.0 4.5 × 1150 = 54.2 gr = 95.5 5.0 × 1150 = 60.50 gr = 95.0 5.5 × 1150 = 66.90 gr = 94.5 6.0 × 1150 = 73.40 gr = 94.0 6.5 × 1150 = 79.9 gr = 93.5 =

C.3 Realizar el ensayo de acuerdo a las especificaciones y método. Completar la información solicitada de la Hoja 1: Información Básica C.4 Determine la gravedad específica bulk de cada especimen, una vez enfriadas a la temperatura ambiente, según AASHTO T 166. Los especimenes fueron de textura abierta y permeable. Se empleará el segundo método para determinar Gmb (ver paso C.12 de la Preparación de Especimenes Marshall)

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Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo G

WD

G mb =

WpD - Wppsub -

WpD − WD γp

Donde: Gmb WD WpD Wppsub γp WpD- Wppsub WpD- WD WpD − WD

γp

Gravedad Específica Bulk de la muestra compactada Peso del especímen al aire Peso del especímen parafinado al aire Peso del especímen parafinado en agua Peso específico de la parafina, 0.85 Volumen del especímen parafinado Peso de la parafina Volumen de la parafina

Ejemplo, especímen Nº1

1207.30 1216.10 − 1207.30 1216.10 - 684.80 0.85 1207.30 = 1216.10 − 1207.30 531.30 0.85 1207.30 1207.30 1207.30 = = = 8.8 531.30 - 10.35 520.95 531.30 0.85 = 2.317

G mb =

G mb

G mb G mb

C.5 Calcular la gravedad específica Rice o Máxima Densidad Teórica, según la norma AASHTO T209. Empleando la fórmula se obtendrá para el especímen Nº1, lo siguiente: G mm =

Agregado grueso Agregado fino

100 %grueso %fino % filler %asfalto + + + G sa asfalto A B C

G sb + G sa 2.692 + 2.765 = = 2.728 2 2 G + G sa 2.712 + 2.752 B = sb = = 2.732 2 2 A=

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Diseño Moderno de Pavimentos

G mm =

Anexo G

100 = 2.554 4.0 43.20 52.80 + + 1.0 2.728 2.732

Verificaciones Se deberán cumplir todas las consideraciones, ver hoja Nº3 1º Gravedad específica aparente > Gravedad específica efectiva > Gravedad específica bulk Ps G se = Pmix Pb − G mm G b Para los especimenes 1; 2 y 3, con 4% de cemento asfáltico 100 − 4 G se = = 2.730 100 4 − 2.553 1.0 G sa = 2.758 G sb = 2.703 G sa > G se > G sb

2.758 > 2.730 > 2.703 2º Calcular la gravedad específica teórica máxima con la siguiente ecuación: G mb × 100 G mm = 100 − VTM 2.317 × 100 G mm = 100 − 9.24 G mm = 2.554 3º Calcular los vacíos en el agregado mineral, VMA %agreg × G mb VMA = 100 − G sb VMA = 100 −

(43.2 + 52.8) × 2.317 2.703

VMA = 17.70

Paso D: Densidad y Vacío de los Especimenes D.1 Calcular para cada especímen el porcentaje de vacíos del total de la mezcla, VMA

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Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo G

⎛ G ⎞ VTM = ⎜⎜ 1 - mb ⎟⎟ × 100 ⎝ G mm ⎠ ⎛ 2.317 ⎞ VTM = ⎜ 1 ⎟ × 100 ⎝ 2.553 ⎠ VTM = 9.25

D.2 Calcular la densidad de cada especímen Marshall como sigue: γ = G mb × δ w γ = 2.317 × 1 γ = 2.317

D.3 Calcular el porcentaje de vacíos en el agregado mineral, VMA ⎛ G (1 − Pb ) ⎞ ⎟⎟ × 100 VMA = ⎜⎜ 1 - mb Gsb ⎠ ⎝ ⎛ 2.317(1 − 0.04 ) ⎞ VMA = ⎜ 1 ⎟ × 100 2.703 ⎠ ⎝ VMA = 17.7%

D.4 Calcular el porcentaje de vacíos llenos con asfalto

⎛ VMA - VTM ⎞ VFA = ⎜ ⎟ × 100 ⎝ VMA ⎠ ⎛ 17.7 - 9.24 ⎞ VFA = ⎜ ⎟ × 100 ⎝ 17.7 ⎠ VFA = 47.8% Paso E: Estabilidad Marshall y Ensayo de Flujo Ejecutar el ensayo de acuerdo a lo especificado, ver Hoja Nº4. El factor de estabilidad es el número que corrige la estabilidad en especimenes con alturas diferentes de 2.5”. Este factor se obtiene del siguiente cuadro:

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Diseño Moderno de Pavimentos

Volumen de la muestra cm3 200-213 214-225 226-237 238-250 251-264 265-276 277-289 290-301 302-316 317-328 329-340 341-353 354-367 368-379 380-392 393-405 406-420 421-431 432-443 444-456 457-470 471-482 483-495 496-508 509-522 523-535 536-546 547-559 560-573 574-585 586-598 299-610 611-625

Anexo G

Altura aproximada de la Factor de muestra cm corrección 2.54 5.56 2.70 5.00 2.86 4.55 3.02 4.17 3.18 3.85 3.34 3.57 3.49 3.33 3.65 3.03 3.81 2.78 3.97 2.50 4.13 2.27 4.29 2.08 4.45 1.92 4.61 1.79 4.76 1.67 4.92 1.56 5.08 1.47 5.24 1.39 5.40 1.32 5.56 1.25 5.72 1.19 5.87 1.14 6.03 1.09 6.19 1.04 6.35 1.00 6.51 0.96 6.67 0.93 6.83 0.89 6.99 0.86 7.14 0.83 7.30 0.81 7.46 0.78 7.62 0.76

Paso F: Estabilidad Marshall y Ensayo de Flujo Graficar las curvas: 1. Contenido de asfalto Vs. Densidad (por unidad de peso) 2. Contenido de asfalto Vs. Estabilidad Marshall 3. Contenido de asfalto Vs. Flujo 4. Contenido de asfalto Vs. Porcentaje de vacíos, VTM 5. Contenido de asfalto Vs. Porcentaje de vacíos del agregado mineral, VMA 6. Contenido de asfalto Vs. Porcentaje de vacíos llenos de asfalto, VFA

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Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo G

Paso G: Determinación del Optimo Contenido de Asfalto G.1 Los siguientes dos métodos son comúnmente empleados para determinar el óptimo contenido de asfalto de los gráficos: Método 1.- El procedimiento NAPA, en TAS 14 1. Determine el contenido de asfalto correspondiente a la medida especificada del contenido de vacíos (4% típicamente). Este es el óptimo contenido de asfalto. 2. Determine las siguientes propiedades en el óptimo contenido de asfalto de los gráficos: 2.1 Estabilidad Marshall 2.2 Flujo 2.3 Porcentaje de vacíos del agregado mineral, VMA 2.4 Porcentaje de vacíos llenos de asfalto, VFA 3. Compare cada uno de estos valores de especimenes y si todos tiene el rango especificado, entonces el óptimo contenido de asfalto determinado es satisfactorio. Si algunas de estas propiedades están fuera del rango de especificaciones, la mezcla debe ser rediseñada. G6.7 Referencias Bibliográficas 1. Los Asfaltos, Tecnología y Aplicaciones. Ingº Ricardo E. Bisso Fernández. Editado por Petróleos del Perú – Petroperú S.A., Noviembre 1998 2. Standard Test Method for Resistance to Plastic Flow of Bituminous Mixtures Using Marshall Apparatus. ASTM D1559-89 3. Resistencia de Mezclas Bituminosas empelando el Aparato Marshall. MTC E504-1999 4. Mix Design Methods for Asphalt Concrete and Other Hot Mix Tipes. The Asphalt Institute, MS-2, May 1984 5. Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design and Construction. NAPA Research and Education Foundation 1996

Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia 410 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo G

Hoja1 : Información Básica % asfalto en la mezcla % agregado grueso % agregado fino % filler Nº 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

17

Nº de Especímen % Cemento Asfáltico en peso de la mezcla (Pb) % Agregado grueso en peso de la mezcla (Ps) % Agregado fino en peso de la mezcla (Ps) % filler en peso de la mezcla (Ps) Gravedad Específica Aparente (Gsa) Cemento Asfáltico Gravedad Específica Seca Bulk (Gsb) agregado grueso Gravedad Específica Seca Bulk (Gsb) agregado fino Gravedad Específica Seca Bulk (Gsb) filler Gravedad Específica Seca Aparente (Gsa) agregado grueso Gravedad Específica Seca Aparente (Gsa) agregado fino Gravedad Específica Seca Aparente (Gsa) filler Promedio A=(Gsa+Gsb)/2 del agregado grueso. A=(6+9)/2 Promedio B=(Gsa+Gsb)/2 del agregado fino. B=(7+10)/2 Promedio C=(Gsa+Gsb)/2 del filler. C=(8+11)/2 Altura promedio del especimen (cm) Gravedad Específica Seca Bulk de la combinación de agregados G=2+3+4 2+ 3+4 6 7 8 agregados G=2 + 3 + 4 2+3+4 9 10 11

4.00 45% (100-4,0) 55% (100-4,0) 0% (100-4,0) 1 2 4.00 4.00 43.2 43.2 52.8 52.8 0.0 0.0 1.000 1.000 2.692 2.692 2.712 2.712 0.000 0.000 2.765 2.765 2.752 2.752 0.000 0.000

4.0 43.2 52.8 0.0 4.50 43.0 52.5 0.0 1.000 2.692 2.712 0.000 2.765 2.752 0.000

4.5 43.0 52.5 0.0 6 4.50 43.0 52.5 0.0 1.000 2.692 2.712 0.000 2.765 2.752 0.000

7 5.00 42.8 52.3 0.0 1.000 2.692 2.712 0.000 2.765 2.752 0.000

8 5.00 42.8 52.3 0.0 1.000 2.692 2.712 0.000 2.765 2.752 0.000

5.0 42.8 52.3 0.0 9 5.00 42.8 52.3 0.0 1.000 2.692 2.712 0.000 2.765 2.752 0.000

3

4

5

4.00 43.2 52.8 0.0 1.000 2.692 2.712 0.000 2.765 2.752 0.000

4.50 43.0 52.5 0.0 1.000 2.692 2.712 0.000 2.765 2.752 0.000

2.729

2.729

2.729

2.729

2.729

2.729

2.729

2.729

2.729

2.732 0.000 6.50

2.732 0.000 6.51

2.732 0.000 6.48

2.732 0.000 6.47

2.732 0.000 6.51

2.732 0.000 6.50

2.732 0.000 6.41

2.732 0.000 6.42

2.732 0.000 6.31

2.703

2.703

2.703

2.703

2.703

2.703

2.703

2.703

2.703

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

412

Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo G

Hoja1 : Información Básica

Nº 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

17

Nº de Especímen % Cemento Asfáltico en peso de la mezcla (Pb) % Agregado grueso en peso de la mezcla (Ps) % Agregado fino en peso de la mezcla (Ps) % filler en peso de la mezcla (Ps) Gravedad Específica Aparente (Gsa) Cemento Asfáltico Gravedad Específica Seca Bulk (Gsb) agregado grueso Gravedad Específica Seca Bulk (Gsb) agregado fino Gravedad Específica Seca Bulk (Gsb) filler Gravedad Específica Seca Aparente (Gsa) agregado grueso Gravedad Específica Seca Aparente (Gsa) agregado fino Gravedad Específica Seca Aparente (Gsa) filler Promedio A=(Gsa+Gsb)/2 del agregado grueso. A=(6+9)/2 Promedio B=(Gsa+Gsb)/2 del agregado fino. B=(7+10)/2 Promedio C=(Gsa+Gsb)/2 del filler. C=(8+11)/2 Altura promedio del especimen (cm) Gravedad Específica Seca Bulk de la combinación de agregados G=2+3+4 2+ 3+4 6 7 8 agregados G=2 + 3 + 4 2+3+4 9 10 11

10 5.50 42.5 52.0 0.0 1.000 2.692 2.712 0.000 2.765 2.752 0.000

11 5.50 42.5 52.0 0.0 1.000 2.692 2.712 0.000 2.765 2.752 0.000

5.5 42.5 52.0 0.0 12 5.50 42.5 52.0 0.0 1.000 2.692 2.712 0.000 2.765 2.752 0.000

2.729

2.729

2.729

2.729

2.729

2.729

2.729

2.729

2.729

2.732 0.000 6.32

2.732 0.000 6.32

2.732 0.000 6.31

2.732 0.000 6.29

2.732 0.000 6.25

2.732 0.000 6.29

2.732 0.000 6.37

2.732 0.000 6.31

2.732 0.000 6.32

2.703

2.703

2.703

2.703

2.703

2.703

2.703

2.703

2.703

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

13 6.00 42.3 51.7 0.0 1.000 2.692 2.712 0.000 2.765 2.752 0.000

14 6.00 42.3 51.7 0.0 1.000 2.692 2.712 0.000 2.765 2.752 0.000

6.0 42.3 51.7 0.0 15 6.00 42.3 51.7 0.0 1.000 2.692 2.712 0.000 2.765 2.752 0.000

16 6.50 42.1 51.4 0.0 1.000 2.692 2.712 0.000 2.765 2.752 0.000

17 6.50 42.1 51.4 0.0 1.000 2.692 2.712 0.000 2.765 2.752 0.000

6.5 42.1 51.4 0.0 18 6.50 42.1 51.4 0.0 1.000 2.692 2.712 0.000 2.765 2.752 0.000

414

Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo G

Hoja2 : Gravedades Específicas

γ p 0.85

Nº 18 19 20 21 22

Nº de Especímen Peso del especímen al aire, gr. W D Peso en el aire del especímen parafinado, gr. W pD Peso en el agua del especímen parafinado, gr. W ppsub Volumen del especímen parafinado, W pD-W ppsub. (19-20) Peso de la parafina, WpD-W D. (19-18) 23 Volumen de la parafina (22/ γ p ) 24 Volumen del especímen por deslizamiento (21-23) 25 Gravedad específica seca bulk del especímen Gmb =

18 24

1 1207.3 1216.1 684.8 531.3 8.8

2 1209.4 1217.7 688.5 529.2 8.3

3 1203.0 1213.2 681.5 531.7 10.2

4 1203.7 1211.6 688.2 523.4 7.9

5 1204.8 1213.9 685.4 528.5 9.1

6 1203.3 1211.2 685.1 526.1 7.9

7 1208.5 1218.6 700.5 518.1 10.1

8 1208.0 1211.2 693.1 518.1 3.2

9 1207.0 1214.8 699.1 515.7 7.8

10.35 520.95

9.76 519.44

12.00 519.70

9.29 514.11

10.71 517.79

9.29 516.81

11.88 506.22

3.76 514.34

9.18 506.52

2.318

2.328

2.315

2.341

2.327

2.328

2.387

2.349

2.383

2.554

2.554

2.554

2.533

2.533

2.533

2.513

2.513

2.513

9.25 2.318

8.83 2.328

9.35 2.315

7.57 2.341

8.15 2.327

8.09 2.328

5.00 2.387

6.54 2.349

5.18 2.383

17.7

17.3

17.8

17.3

17.8

17.7

16.1

17.5

16.2

47.7

49.0

47.4

56.2

54.2

54.4

68.9

62.5

68.1

26 Gravedad específica teórica máxima, Rice G mm =

100 1 2 3 4 + + + 5 12 13 14

27 Porcentaje de vacios del total de la mezcla ⎛ 25 ⎞ VTM = ⎜⎜ 1 ⎟⎟ × 100 ⎝ 26 ⎠

28 Densidad de cada especimen Marshall 29 % de vacíos del agregado mineral, VMA ⎛ 25 × (1 − 1/100 ) ⎞ VMA = ⎜⎜ 1 ⎟⎟ × 100 16 ⎝ ⎠

30 % de vacios llenos con asfalto ⎛ 29 - 27 ⎞ VFA = ⎜⎜ ⎟⎟ × 100 ⎝ 29 ⎠

γ = Gmb × δ w = 25 × 1

S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

416

Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo G

Hoja2 : Gravedades Específicas

Nº 18 19 20 21 22

Nº de Especímen Peso del especímen al aire, gr. W D Peso en el aire del especímen parafinado, gr. W pD Peso en el agua del especímen parafinado, gr. W ppsub Volumen del especímen parafinado, W pD-Wppsub. (19-20) Peso de la parafina, W pD-W D. (19-18) 23 Volumen de la parafina (22/ γ p ) 24 Volumen del especímen por deslizamiento (21-23) 25 Gravedad específica seca bulk del especímen Gmb =

18 24

10 1204.1 1211.3 699.9 511.4 7.2

11 1207.1 1213.1 702.0 511.1 6.0

12 1207.4 1214.0 702.3 511.7 6.6

13 1205.6 1211.8 704.8 507.0 6.2

14 1204.5 1210.3 704.1 506.2 5.8

15 1201.8 1208.1 702.0 506.1 6.3

16 1205.5 1211.4 703.1 508.3 5.9

17 1202.2 1206.0 700.4 505.6 3.8

18 1201.5 1207.5 700.6 506.9 6.0

8.47 502.93

7.06 504.04

7.76 503.94

7.29 499.71

6.82 499.38

7.41 498.69

6.94 501.36

4.47 501.13

7.06 499.84

2.394

2.395

2.396

2.413

2.412

2.410

2.404

2.399

2.404

2.493

2.493

2.493

2.474

2.474

2.474

2.454

2.454

2.454

3.97 2.394

3.94 2.395

3.90 2.396

2.47 2.413

2.49 2.412

2.57 2.410

2.03 2.404

2.26 2.399

2.06 2.404

16.3

16.3

16.2

16.1

16.1

16.2

16.8

17.0

16.8

75.6

75.8

76.0

84.7

84.6

84.1

87.9

86.7

87.8

26 Gravedad específica teórica máxima, Rice G mm =

100 1 2 3 4 + + + 5 12 13 14

27 Porcentaje de vacios del total de la mezcla ⎛ 25 ⎞ VTM = ⎜⎜ 1 ⎟⎟ × 100 ⎝ 26 ⎠

28 Densidad de cada especimen Marshall 29 % de vacíos del agregado mineral, VMA ⎛ 25 × (1 − 1/100 ) ⎞ VMA = ⎜⎜ 1 ⎟⎟ × 100 16 ⎠ ⎝

30 % de vacios llenos con asfalto ⎛ 29 - 27 ⎞ VFA = ⎜⎜ ⎟⎟ × 100 ⎝ 29 ⎠

γ = Gmb × δ w = 25 × 1

S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

418

Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo G

Hoja3 : Verificaciones

Nº Nº de Especímen 31 Gravedad específica efectiva G se =

100 - 1 100 1 − 26 5

32 Gravedad específica aparente de la combinación de agregados (Gsa), 17 33 Gravedad específca bulk de la combinación de agregados (Gsb),16 34 Si Gsa>Gse>Gsb, continuar con la verificación 35 Gravedad específica teórica máxima, Rice, 26 36 Gravedad específica teórica máxima, Rice Gmm =

25 × 100 100 − 27

37 Si 35=36, continuar con la verificación 38 % de vacíos del agregado mineral, VMA, 29 39 % de vacíos del agregado mineral VMA = 100 -

1

2

3

4

5

6

7

8

9

2.730

2.730

2.730

2.730

2.730

2.730

2.730

2.730

2.730

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

2.703 OK!

2.703 OK!

2.703 OK!

2.703 OK!

2.703 OK!

2.703 OK!

2.703 OK!

2.703 OK!

2.703 OK!

2.554

2.554

2.554

2.533

2.533

2.533

2.513

2.513

2.513

2.554 OK! 17.7

2.554 OK! 17.3

2.554 OK! 17.8

2.533 OK! 17.3

2.533 OK! 17.8

2.533 OK! 17.7

2.513 OK! 16.1

2.513 OK! 17.5

2.513 OK! 16.2

17.7 OK!

17.3 OK!

17.8 OK!

17.3 OK!

17.8 OK!

17.7 OK!

16.1 OK!

17.5 OK!

16.2 OK!

(2 + 3 + 4 )× 25 16

40 Si 38=39, concluye la verificación

S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

420

Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo G

Hoja3 : Verificaciones

Nº Nº de Especímen 31 Gravedad específica efectiva G se =

100 - 1 100 1 − 26 5

32 Gravedad específica aparente de la combinación de agregados (Gsa), 17 33 Gravedad específca bulk de la combinación de agregados (Gsb),16 34 Si Gsa>Gse>Gsb, continuar con la verificación 35 Gravedad específica teórica máxima, Rice, 26 36 Gravedad específica teórica máxima, Rice Gmm =

25 × 100 100 − 27

37 Si 35=36, continuar con la verificación 38 % de vacíos del agregado mineral, VMA, 29 39 % de vacíos del agregado mineral VMA = 100 -

10

11

12

13

14

15

16

17

18

2.730

2.730

2.730

2.730

2.730

2.730

2.730

2.730

2.730

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

2.703 OK!

2.703 OK!

2.703 OK!

2.703 OK!

2.703 OK!

2.703 OK!

2.703 OK!

2.703 OK!

2.703 OK!

2.493

2.493

2.493

2.474

2.474

2.474

2.454

2.454

2.454

2.493 OK! 16.3

2.493 OK! 16.3

2.493 OK! 16.2

2.474 OK! 16.1

2.474 OK! 16.1

2.474 OK! 16.2

2.454 OK! 16.8

2.454 OK! 17.0

2.454 OK! 16.8

16.3 OK!

16.3 OK!

16.2 OK!

16.1 OK!

16.1 OK!

16.2 OK!

16.8 OK!

17.0 OK!

16.8 OK!

(2 + 3 + 4 ) × 25 16

40 Si 38=39, concluye la verificación

S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

422

Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo G

Hoja4 : Estabilidad marshall y Ensayo de Flujo

Nº

Nº de Especímen

41 Estabilidad sin corregir 42 Factor de Estabilidad 43 Estabilidad corregida (41x42)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1,745.00

1,844.00

1,690.00

1,745.00

1,755.00

1,775.00

1,895.00

1,895.00

1,906.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.04

1.04

1.04

1,745.00

1,844.00

1,690.00

1,745.00

1,755.00

1,775.00

1,970.80

1,970.80

1,982.24

1,759.67

44 Estabilidad corregida promedio 45 Flujo

7.00

6.50

1,758.33 6.50

8.50

8.00

1,974.61 8.00

11.50

12.00

46 Flujo promedio

6.67

8.17

11.67

47 Densidad de cada especimen Marshall, promedio

2.320

2.332

2.373

48 Porcentaje de vacios del total de la mezcla, VTM

9.14

7.94

5.57

49 Porcentaje de vacíos del agregado mineral, VMA

17.59

17.60

16.60

50 Porcentaje de vacios llenos con asfalto, VFA

48.05

54.93

66.53

S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

11.50

424

Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo G

Hoja4 : Estabilidad marshall y Ensayo de Flujo

Nº

Nº de Especímen

41 Estabilidad sin corregir 42 Factor de Estabilidad 43 Estabilidad corregida (41x42)

10

11

12

13

14

15

16

17

18

2,106.00

2,097.00

2,097.00

1,996.00

1,996.00

1,996.00

1,745.00

1,696.00

1,698.00

1.04

1.04

1.04

1.04

1.04

1.04

1.04

1.04

1.04

2,190.24

2,180.88

2,180.88

2,075.84

2,075.84

2,075.84

1,814.80

1,763.84

1,765.92

2,184.00

44 Estabilidad corregida promedio 45 Flujo

13.50

12.50

2,075.84 13.00

14.50

15.50

1,781.52 15.50

17.50

17.50

46 Flujo promedio

13.00

15.17

17.67

47 Densidad de cada especimen Marshall, promedio

2.395

2.412

2.402

48 Porcentaje de vacios del total de la mezcla, VTM

3.94

2.51

2.12

49 Porcentaje de vacíos del agregado mineral, VMA

16.27

16.14

16.90

50 Porcentaje de vacios llenos con asfalto, VFA

75.80

84.45

87.47

S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

18.00

426

Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo G

DISEÑO DE MEZCLA ASFALTICA METODO DE LA NAPA PESO ESPECIFICO VS. % DE ASFALTO

ESTABILIDAD VS. % DE ASFALTO

FLUJO VS. % DE ASFALTO

2.430

18.00 17.00

2,150.00

2151

2.390

2.350 2.330 2.310 2.290 2.270

16.00 15.00

2,050.00

FLUJO (0.01")

ESTABILIDAD (Lb)

2.370

1,950.00 1,850.00

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

4.0

4.5

VOLUMEN LLENO CON ASFALTO VFA (%)

8.00 7.00 6.00 4,0

4.00 3.00 5,6

1.00 4.5

5.0

5.5

ASFALTO (%)

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

5,6 3.5

4.0

4.5

6.0

6.5

7.0

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

ASFALTO (%)

% VACIOS LLENOS DE CON ASFALTO VS. % DE ASFALTO

9.00

4.0

10.00

ASFALTO (%)

10.00

3.5

11.00

6.00 3.5

% VACIOS VS. % DE ASFALTO

2.00

12.00

7.00

1,650.00

ASFALTO (%)

5.00

13.00

8.00 5,6

2.230

13,6

14.00

9.00 1,750.00

2.250

VACIOS VTM (%)

PESO ESPECIFICO (gr/cm3)

2.410

% VOLUMEN DE AGREGADO GRUESO MINERAL VS. % DE ASFALTO

100.00

18.00 17.80

90.00

17.60

78 80.00

17.40 17.20

70.00

17.00 16.80

60.00

16.60 50.00

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

ASFALTO (%)

5,6

16.20

40.00 3.5

16,38

16.40

5,6 6.5

7.0

16.00 3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

ASFALTO (%)

S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

427

Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo G

G7.1 INTRODUCCIÓN El ensayo de compresión edométrica consiste en aplicar una carga sinusoidal sin periodo de descanso a un especimen confinado. La carga se aplica con el pistón de carga del equipo CBR a un disco metálico del diámetro del espécimen. El proceso de preparación de la mezcla es similar al método Marshall ya descrito. El ensayo Marshall y el de compresión edomética son diferentes, con el primero se puede determinar el óptimo contenido de asfalto siguiendo un método aún empírico, el segundo método permite determinar módulos dinámicos, que son parámetros de diseño de pavimentos. G7.2 APLICACIÓN El siguiente procedimiento será aplicado solamente a mezclas asfálticas en caliente, preparadas con cemento asfáltico y agregados no mayores de 2.54 cm (1 pulg.), el molde empleado es el Marshall de 101.6 mm (4 pulg.). G7.3 EQUIPOS DE LABORATORIO 1. Molde de Compactación. Consiste de una placa de base plana, molde y collar de extensión cilíndricos. El molde tiene un diámetro interior de 101.6 mm (4”) y altura aproximada de 76.2 mm (3”); la placa de base plana y el collar deben ser intercambiables. 2. Martillo de compactación con base plana circular de apisonado de 98.4 mm (3 7/8”) de diámetro, equipado con un pisón de 4.54 kg (10 lb.) de peso total, cuya altura de caída es de 457.2 mm (18“). 3. Pedestal de compactación. Base de madera cuadrada de 200.3 mm de lado y 457.2 mm de altura (8”x8”x18”), en su cara superior tiene una platina cuadrada de acero de 304.8 mm de lado por 25.4 mm de espesor (12”x12”x1”), firmemente sujeta a la base. El conjunto se deberá fijar firmemente a una superficie de concreto, de tal manera que la platina de acero quede horizontal. 4. Extractor de Muestras de Asfaltos. Para extraer el especimen del molde, en forma de disco con diámetro de 100 mm (3.95”) y 12.7 mm (1/2”) de espesor. 5. Soporte para molde o portamolde. Dispositivo con resorte de tensión diseñado para sostener rígidamente el molde de compactación sobre el pedestal. 6. Mordaza. Consiste de dos semi-cilindros, con un radio de curvatura interior de 50.8 mm (2”) de acero enchapado para facilitar su fácil limpieza. El segmento inferior termina en una base plana con dos varillas perpendiculares que sirven de guía. 7. Medidor de deformación. Consiste en un deformímetro dividido en centésimas de milímetro. Estará sujeto al segmento superior y cuyo vástago se apoyará, cuando se realiza el

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428

Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo G

ensayo, en una palanca ajustable acoplada al segmento inferior. Las deformaciones del anillo se medirán con un deformímetro graduado en 0.001 mm. 8. Prensa. Para realizar el ensayo cíclico se usará una prensa automática. La carga se aplica de manera cíclica, un ciclo está formado por una carga y una descarga. 9. Dial de Carga. La fuerza aplicada se medirá con un anillo acoplado a la prensa, de 20 kN (2039 kgf) de capacidad, con una sensibilidad de 50 N (5 kgf) hasta 5 kN (510 kgf) y 100 N (10 kgf) hasta 20 kN (2 039 kgf). 10. Discos de Papel Filtrante de 4 pulg. 11. Horno. Horno capaz de mantener la temperatura requerida con un error menor de 3 ºC (5 ºF) se emplea para calentar los agregados, material asfáltico, conjunto de compactación y muestra. 12. Baño. El baño de agua con 150mm (6”) de profundidad mínima y controlado termostáticamente para mantener la temperatura a 60º ± 1 ºC (140º ± 1.8 ºF), deberá tener un falso fondo perforado o estar equipado con un estante para mantener las probetas por lo menos a 50.8 mm (2”) sobre el fondo del tanque. 13. 2 Recipientes de dos litros de capacidad para calentar los agregados y para mezclar el asfalto y agregado. 14. Tamices. De 50 mm (2”), 37.5 mm (1 1/2”), 25 mm (1”), 19.0 mm (3/4”), 12.5 mm (1/2”), 9.5 mm (3/8”), 4.75 mm (Nº 4), 2.36 mm (Nº 8), 300 μm (Nº 50) y 75 μm (Nº 200). 15. Termómetros blindados. De 10ºC a 232ºC (50ºF a 450ºF) para determinar las temperaturas del asfalto, agregados y mezcla, con sensibilidad de 3ºC. Para la temperatura del baño de agua se utilizará termómetro con escala de 20ºC a 70ºC y sensibilidad de 0.2ºC (68ºF a 158ºF + 0.4ºF). 16. Balanza. Para pesar agregados y asfalto de 5 kg. de capacidad, y sensibilidad de un 1 gr. Para pesar probetas compactadas de 2 kg. de capacidad y sensibilidad de 0.1 gr. 17. Parafina 18. Pirex de 500 cm3 19. Guantes de cuero. Para poder manipular el equipo caliente 20. Crayolas para identificar las probetas 21. Bandejas taradas 22. Espátulas G7.4 PROCEDIMIENTOS PREVIOS Se deben realizar los siguientes pasos antes de preparar la mezcla: Paso A: Evaluación de agregados A.1 Realice los ensayos de abrasión en la Máquina de Los Ángeles, resistencia a los sulfatos, equivalente de arena, presencia de sustancias deletéreas, caras de fractura y chatas y alargadas. A.2 Si el agregado pasó los controles de calidad del paso A.1, se debe realizar el diseño granulométrico de los agregados, gravedad específica y absorción.

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429

Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo G

A.3 Gravedad específica bulk del agregado grueso (AASHTO T85 ó ASTM C127) y del agregado fino (AASHTO T84 ó ASTM C128). Calcule la gravedad especifica de la combinación de agregados. Paso B: Evaluación del cemento asfáltico B.1 Determine el grado apropiado de cemento asfáltico a emplear según las recomendaciones Superpave. B.2 Calcular la gravedad especifica del cemento asfáltico (AASHTO T228 ó ASTM D70) y del filler (AASHTO T100 ó ASTM D854) y grafique la viscosidad versus temperatura (Carta de Viscosidad). B.3 Determinar la temperatura de mezcla y compactación según la carta de viscosidad. 1. La temperatura de mezcla del cemento asfáltico será el correspondiente al rango de viscosidad de 170±20 centistokes (1 centistoke =1 mm2/s). 2. La temperatura de compactación se encuentra en el rango de viscosidad de 280±30 centistokes Paso C: Preparación de los Especimenes C.1 Secar los agregados hasta obtener peso constante entre 105ºC y 110ºC. Calcular el porcentaje de participación de la fracción de gravas, arenas y filler (si lo requiere). Se calcula el peso necesario de cada uno de ellos para realizar el amasado de la mezcla. El peso de la mezcla será aproximadamente de 1150 gr. Se recomienda preparar tres especimenes para cada porcentaje de asfalto a ser evaluado. C.2 Pese los agregados para el especímen por separado y caliéntelos a la temperatura de mezcla, según paso B.4. El peso total de agregado se determinará en el paso C.3. C.3 Generalmente se prepara un especímen de prueba, mida la altura del mismo (h1) y verifique la altura requerida del especímen de 63.5 ± 5.1 mm (2.5 ± 0.20 pulg.). Si el especímen está fuera del rango, ajuste la cantidad de agregados con la siguiente fórmula: Q=

h × 1150 gr h1

Donde: Q h h1

Peso del agregado para un especímen de 63.5 mm (2.5 pulg.) de altura, gr. Altura requerida, que será 63.5 mm ó 2.5 pulg. Altura del especímen de prueba, mm (pulg)

C.4 Calentar a la temperatura de mezcla la suficiente cantidad de asfalto para preparar tres especimenes para un mismo porcentaje de asfalto. Determinar la gravedad específica Rice o Máxima Densidad Teórica (TMD). Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

430

Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo G

Nota.- No mantener el ligante por más de una hora a la temperatura de mezcla ni emplear ligante bituminoso recalentado. Durante el período de calentamiento del ligante se debe agitar frecuentemente dentro del recipiente para evitar los sobrecalentamientos. C.5 De acuerdo al tipo de mezcla determinar el número de golpes por cara para la compactación. C.6 El recipiente en el que se realizará la mezcla será manchado con una mezcla de prueba para evitar la pérdida de ligante y finos adheridos al recipiente, se limpiará solamente arrastrando con una espátula todo el material posible. Colocar la cantidad de agregado requerido en esa vasija y añada la cantidad de asfalto caliente necesario por peso, para el porcentaje de cemento asfáltico de la mezcla deseada. % Cemento asfáltico =

Peso cemento asfáltico Peso árido + Peso cemento asfáltico

C.7 Mezclar el cemento asfáltico, agregados, filler y fibra (para el caso de mezclas SMA) hasta que éstos estén totalmente cubiertos. La mezcla puede hacerse manual o mecánicamente. C.8 Verificar la temperatura de los materiales recién mezclados, si está sobre la temperatura de compactación, deje enfriar; si está por debajo, elimine el material y prepare una nueva muestra. C.9 Se coloca dentro del conjunto del molde y la base del martillo compactador limpios, un disco de papel filtrante de 10 cm de diámetro. Se calientan en el horno o en un baño de agua a una temperatura comprendida entre los 93º a 149ºC. Verter la mezcla y emparejarla con una espátula caliente 15 veces alrededor del perímetro y 10 veces en el interior. Limpiar el material del collar y montura dentro del molde de tal manera que el medio sea ligeramente mas alto que los bordes. Al verter la mezcla tener especial cuidado con las del tipo SMA porque tratan de segregarse. Fijar el molde y base en el pedestal. Coloque el martillo precalentado dentro del molde, y aplique el número de golpes según las especificaciones, la altura de caída del martillo es de 18” (457 mm). Mantener el eje del martillo de compactación perpendicular a la base del molde durante la compactación. C.10 Retire el molde de la base. Coloque un papel filtrante en la superficie e inviértalo de tal manera que la cara superficial se encuentre abajo. Reemplace el collar del molde y fíjelo junto con la base en el pedestal. Aplicar el número de golpes especificados. C.11 Después de la compactación remover la base y colocar el molde y collar sobre el extractor de muestras. Con el molde y el collar de extensión hacia arriba en la máquina de ensayo, aplicar presión y forzar el espécimen dentro del collar de extensión, levantar el collar del espécimen. Cuidadosamente transferir el espécimen a una superficie plana, dejarlo de pie para que repose de 12 a 24 horas a temperatura ambiente, identificarlos con códigos alfanuméricos usando Crayolas.

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431

Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo G

C.12 Determine la gravedad especifica bulk de cada especímen tan pronto como las probetas compactadas se han enfriado a la temperatura ambiente, según AASHTO T166. Se determina calculando la relación entre su peso al aire y su volumen. Pesar el especímen al aire. Sumerja la muestra en agua por unos minutos, pesar la muestra en su condición saturada superficialmente seca (SSD) en el agua. Sacar la muestra del agua, secar el exceso de agua y pesar en su condición SSD en el aire. Calcular el volumen restando el peso del especímen SSD en el aire y el peso del especímen SSD sumergida. La fórmula empleada será: G mb =

WD WSSD − W sub

Donde: Gmb WD WSSD Wsub

Gravedad Específica Bulk de la muestra compactada Peso del especímen al aire Peso del especímen en su condición SSD en el aire Peso del especímen sumergido

Se determina el peso específico bulk promedio de todas las probetas hechas con el mismo contenido asfáltico. Los valores dispares no se incluyen en el cálculo para lo cual se tendrá en cuenta el siguiente rango de variación con respecto al valor medio Peso Específico Bulk ± 1% Los valores calculados del peso específico bulk, así ensayados, dan resultados mas reales, pero existe otro procedimiento de laboratorio que cabe destacar, es el que podemos encontrar en las nuevas normas emitidas por el ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construcción. El primer método se emplea cuando la textura superficial de las probetas es cerrada e impermeable. El volumen de la probeta se obtiene restando el peso de la probeta en el aire y el peso de la probeta sumergida en agua sin haber recubierto su superficie parafinada. La fórmula empleada será: WD G mb = WD − W sub Donde: Gmb Gravedad Específica Bulk de la muestra compactada Peso del especímen al aire WD Wsub Peso del especímen sumergido El segundo método se aplica a mezclas cuya superficie es abierta y permeable. El volumen aparente se determina restando el peso de la probeta en el aire y el peso de la probeta en el Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

432

Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo G

agua pero habiéndola recubierto previamente de una capa de parafina. El peso específico bulk viene dado por la fórmula: WD G mb = WpD − WD WpD - Wppsub γp Donde: Gmb WD WpD Wppsub γp

Gravedad Específica Bulk de la muestra compactada Peso del especímen al aire Peso del especímen parafinado en al aire Peso del especímen parafinado en el agua Peso específico de la parafina

Los especimenes deben pesarse antes de ser parafinados, a continuación se sumergen en un recipiente con parafina caliente. Si es necesario, se da pinceladas de parafina en los puntos mal cubiertos. Dejar enfriar la parafina durante media hora y determinar el peso en el aire a la temperatura ambiente e inmediatamente se pesa en agua 3 . C.13 Calcule la gravedad especifica Rice en las mezclas asfálticas en caliente (Gmm) de acuerdo a la norma AASHTO T209, su valor se emplea en el cálculo de los vacíos. Si la mezcla contiene agregados absorbentes se recomienda colocarla en el horno (manteniéndola a la temperatura de mezcla) por cuatro horas de tal manera que el cemento asfáltico sea absorbido completamente por el agregado entes del ensayo. Mantener la mezcla en un recipiente tapado mientras se encuentra en el horno. Si el ensayo se hace por triplicado en la mezcla que contiene un porcentaje cerca al óptimo contenido de asfalto, promediar los tres resultados; calcule la gravedad específica efectiva de los agregados. Si se realiza el cálculo de la gravedad específica Rice en cada una de las muestras a diferentes contenidos de asfalto, calcular la gravedad específica efectiva de agregados en cada caso. Calcule el promedio de las gravedades específicas efectivas y el promedio de las gravedades específicas Rice. En ausencia de datos proporcionados por el Método Rice, la gravedad específica puede calcularse con una relación matemática que considera las gravedades específicas bulk y aparente de los componentes de la mezcla: 100 G mm = % asfalto % grueso % fino % filler + + + A G sa asfalto B C Siendo: G + G sa A = sb , para el agregado grueso 2

3 Gravedad Especifica Aparente y Peso Unitario de Mezclas Asfálticas Compactadas Empleando Especimenes Parafinados. MTC E5061999

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433

Diseño Moderno de Pavimentos

B= C=

G sb + G sa 2 G sb + G sa 2

Anexo G

, para el agregado fino , para el filler

Donde: Gsb Gsa

Gravedad específica bulk Gravedad específica aparente

Paso D: Densidad y vacíos de los especimenes Se refiere a las relaciones peso-volumen, completando los cálculos con los siguientes pasos: D.1 Para cada especímen, use la gravedad específica bulk (Gmb) del paso C.12 y gravedad específica Rice de la mezcla (Gmm) para C.13. Calcular el porcentaje de vacíos en el total de la mezcla, VTM. ⎛ G ⎞ VTM = ⎜⎜ 1 - mb ⎟⎟ × 100 ⎝ G mm ⎠ D.2 Calcular la densidad de cada especímen Marshall como sigue: Densidad (g/cm 3 ) = G mb × δ w

D.3 Calcule el porcentaje de vacíos en el agregado mineral, VMA, para cada especímen Marshall usando la gravedad específica bulk en los agregados (Gsb) para los pasos A.2, la gravedad específica bulk de la mezcla compactada (Gmb) para el paso C.12, y el contenido de asfalto por peso de mezcla total (Pb)

⎛ G (1 − Pb ) ⎞ ⎟⎟ × 100 VMA = ⎜⎜1 - mb G sb ⎠ ⎝ D.4 Calcule el porcentaje de vacíos llenos de asfalto para cada especimen Marshall usando el VTM y VMA como sigue: ⎛ VMA - VTM ⎞ VFA = ⎜ ⎟ × 100 ⎝ VMA ⎠

Paso E: Ensayo de Compresión Edométrica E.1 Introducir los especimenes compactados al molde. Se deberá tener cuidado de no quebrar los bordes.

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434

Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo G

E.2 Calentar el agua del baño a 140ºF (60ºC) y colocar los especimenes a ser ensayados por un período de 30 a 40 minutos. Los especimenes se ubicarán de manera escalonada para que todos los especimenes sean calentados el tiempo especificado antes de ser ensayados. E.3 Luego de calentarlos el tiempo necesario, se irán sacando uno a la vez, quitarles el exceso de agua con una toalla y colocarlo rápidamente en la prensa de compresión. E.4 Definir la lectura en el dial de carga que corresponda a una presión de 10 y 5 kg/cm2. Colocar el deformímetro en la guía y en contacto con el borde del molde. E.5 Carga:- Con los diales de carga y deformación en cero se procede a aplicar la carga hasta que alcance 10 kg/cm2. Descarga:- disminuir la presión en el especimen hasta que la presión aplicada sea 0 kg/cm2. Tomar la lectura del deformímetro. E.6 En los siguientes ciclos de carga y descarga aplicar 5 kg/cm2 y tomar las deflexiones correspondientes. E.7 Repetir nuevamente los pasos E.5 y E.6 hasta que el especimen tenga un comportamiento elástico. Paso F: Tabulación y Gráfico de los Resultados de Ensayo F.1 Tabule los resultados de ensayo. Se habrán tomado lecturas de presión versus deflexión. Calcule la deformación en cada tramo y grafique presión versus deflexión. La pendiente de la curva en el tramo final será el valor del módulo dinámico de la mezcla. 1º ciclo carga-descarga

Presión (kg/cm2)

E* 1 ε(%)

F.2 Evalúe las relaciones gravimétricas y volumétricas de la mezcla compactada.

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435

Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo G

Foto G7.1: Agregados y filler que formarán parte de la mezcla asfáltica.

Foto G7.2: Cemento asfáltico que se empleará en la mezcla asfáltica.

Foto G7.3: Las mezclas del tipo SMA requiere de fibras celulosas en su composición. En la foto se muestra su forma suelta.

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436

Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo G

Foto G7.4: Pesar los agregados y filler entes de llevar al horno.

Foto G7.5: Llevar los recipientes pesados al horno para que sean calentados.

Foto G7.6: Preparar papeles engrasados.

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437

Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo G

Foto G7.7: Verter la cantidad de asfalto caliente requerida por la mezcla.

Foto G7.8: Mezclar vigorosamente hasta que el asfalto haya recubierto cada una de las partículas de agregado. La mezcla deberá ser uniforme.

Foto G7.9: Colocar un papel engrasado al fondo del molde precalentado.

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438

Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo G

Foto G7.10: Verter la mezcla evitando la segregación de los agregados.

Foto G7.11: Martillo de compactación Marshall, empleado en la preparación de los especimenes.

Foto G7.12: Compactar la mezcla manteniendo la verticalidad.

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439

Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo G

Foto G7.13: Extraer la mezcla compactada del molde.

Foto G7.14: Mezcla compactada y enfriando a temperatura ambiente.

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Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo G

G7.4 EJEMPLO Luego del ensayo de compresión confinada para mezcla de granulometría superpave, se obtuvieron los siguientes resultados: Diámetro del área cargada, D Corrección del dial de carga Corrección del dial de deformación Altura inicial del especimen, H Lectura del Lectura de Ciclo deflexión dial de Cargadescarga carga (1) (2) 1º 0 0 180 57.2 0 23.2 2º 90 36.1 0 22.6 3º 90 36.6 0 23.3 4º 90 37 0 23.8 5º 90 37.4 0 24.4

*ε =

: 10 cm : 10.304 lb : 0.01 pulg. : 64.3 mm

Fuerza (kg) (3)=(1)x10.304/2.2 0 843.1 0 421.5 0 421.5 0 421.5 0 421.5 0

Presión (kg/cm2) (4)=(3)/( xD2/4) 0 10 0 5 0 5 0 5 0 5 0

Deformación Deflexión (%) (mm) (5)=(2)x0.01x2.54 ε=ΔH/H 1.4529 0.5893 0.9169 0.5740 0.9296 0.5918 0.9398 0.6045 0.9500 0.6198

0.01343* 0.00533 0.00525 0.00521 0.00514

1.4529 − 0.5893 x100 64 .3

Graficando se obtiene: Curva Presión versus Asentamiento 12

Presion (kg/cm2)

Presion vs Asentamiento

8

4

0 0.0

0.4

0.8 Asentamiento (mm)

1.2

1.6

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Diseño Moderno de Pavimentos

Anexo G

Comportamiento del módulo E* versus el Nº de ciclos 1000 M odulo Elastico vs Nº ciclos

900

800 Presion 10 kg/ cm2 Presion 5 kg/ cm2 700 0

1

2

N º cicl o s

3

4

5

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METODOLOGÍA AASHTO 2002 Y EL ANÁLISIS DEFORMACIONAL EN EL DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS Ing. Silene MINAYA G.; Ing. Abel ORDOÑEZ H. Universidad Nacional de Ingeniería [email protected] [email protected]

1. RESUMEN La metodología de diseño de pavimentos empírico-mecanístico AASHTO 2002, a diferencia de métodos anteriores de diseño, propone el análisis deformacional como instrumento de diseño de la estructura de pavimentos. El objetivo principal del análisis es el control de las deflexiones y los esfuerzos de tracción, asociados al agrietamiento prematuro de la carpeta asfáltica. La ponencia resume la aplicación del análisis deformacional, las cuales concluyen en la necesidad de: mejorar las condiciones del suelo de fundación de baja capacidad de soporte (CBR menor a 8-10%), incorporar bases estabilizadas en tráfico pesado y/o cimentaciones de baja capacidad de soporte modificando el tipo de diseño convencional que aún prevalece en el país y re-establecer la función de la carpeta asfáltica solamente como superficie de rodadura. El análisis deformacional demuestra la desventaja de utilizar métodos como el AASHTO 1993 y el Método del Instituto del Asfalto, los cuales no consideran adecuadamente la influencia de la estratigrafía del terreno de fundación y proponen la convertibilidad del espesor de la carpeta asfáltica a espesores de bases granulares, sin considerar los módulos elásticos o rigidez de ambos materiales y la variación de la distribución de esfuerzos y deformaciones en la estructura del pavimento 2. INTRODUCCION La aplicación del análisis deformacional en el diseño de pavimentos flexibles tiene el objetivo de controlar las deformaciones en la estructura de pavimentos, incluyendo el terreno de fundación. La magnitud de las deformaciones que se presenta en la estructura de pavimentos debido a las cargas móviles está asociada a la duración del pavimento. El análisis deformacional constituye en la actualidad una herramienta de análisis que permite considerar: a. El tipo de superficie de rodadura y/o carpeta asfáltica través del módulo dinámico. El parámetro del modelo considera las variaciones horarias y estacionarias y la velocidad del tránsito, en función de la categoría de la vía (pendiente, geometría, etc.). b. El tipo de base y sub-base granular, bases y sub-bases estabilizadas asfálticas y/o tratadas con cemento. Permite también determinar de manera directa el espesor del material estabilizado necesario para el diseño. c. La estratigrafía del terreno de fundación, la capa compactada y los estratos del terreno natural, así como la presencia de basamento rocoso. d. La distribución de los esfuerzos verticales de compresión en la sub-rasante y el terreno de fundación. e. La distribución de esfuerzos horizontales y esfuerzos de tracción en las capas superficiales del pavimento. Esto permite evitar que la superficie de rodadura o carpeta asfáltica sea sometida a esfuerzos de tracción que genere el agrietamiento prematuro. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 444

El análisis deformacional se realiza a través de programas de cómputo que permiten la solución del problema elástico como el Kenlayer del Dr. Huang, 1993 de la Universidad de Kentucky, EE.UU. Programas del INPACO de Colombia, implementado en la década pasada, es también conocido en nuestro medio. Una de las preocupaciones existente en nuestro medio, para la aplicación ingenieril del análisis deformacional corresponde a la determinación de los parámetros del modelamiento elástico del pavimento. 3. MODELAMIENTO ELÁSTICO DE LA CARPETA ASFÁLTICA El método de diseño AASHTO 1993 considera como parámetro de diseño de la carpeta asfáltica el módulo resiliente, Mr resultante del ensayo de tracción indirecta. Para mezclas asfálticas densas en caliente, los valores de Mr varían de 400,000 a 450,000 psi (28,000 a 32,000 kg/cm2) considerando una temperatura de 20°C, no indicando, el tipo de asfalto y la frecuencia de ensayo asociado a la velocidad. La nueva Guía de Diseño empírico-mecanístico AASHTO 2002 recomienda que el módulo elástico de la carpeta se evalúe con el Módulo Complejo Dinámico, E* determinado de los ensayos de compresión triaxial cíclico. Sin embargo, se propone la ecuación de Witzack, el cual considera: a. El tipo de asfalto (penetración, viscocidad y/o gradación caso de Superpave, asfaltos modificados y envejecidos) b. La granulometría de la mezcla asfáltica (densa, abierta, incompleta, porosa, etc.) c. Las variaciones de temperaturas horarias y estacionarias. d. La velocidad vehicular asociada a la frecuencia de la carga. VISCOSIDAD DEL ASFALTO ORIGINAL La viscosidad del asfalto original (no envejecido) a 25ºC puede calcularse conociendo la penetración del asfalto, el modelo desarrollado por Mirza y otros (AAPT 1995) de la Universidad de Maryland 1 es:

log η = 10.5012 − 2.2601 log( Pen ) + 0.00389 log( Pen ) 2

(1)

El valor de la viscosidad η se expresa en poises. Esta ecuación es aplicable a valores de penetración en un rango de 3 a 300 dmm. Sin embargo, cuando no se tenga como dato exacto la penetración del asfalto, su viscosidad puede calcularse con la ecuación propuesta por la Guía de Diseño Empírica-Mecanística AASHTO 2002:

log log η = A + VTS log TR

(2)

donde la viscosidad η se expresa en centipoises (cP), TR es la temperatura en Rankine; y A y VTS son parámetros de regresión que están en función de la gradación del ligante. Los parámetros de regresión A y VTS son:

1

Appendix EE-1 de la Guide for Mechanistic-Empirical Design of New and Rehabilitated Pavement Structures. NCHRP August 2003.

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Tabla 1: Parámetros de Regresión A y VTS PEN

A

VTS

40-50

10.5254

-3.5047

60-70

10.6508

-3.5537

85-100

11.8232

-3.6210

120-150

11.0897

-3.7252

200-300

11.8107

-4.0068

La Guía AASHTO 2002 indica que se debe tener especial cuidado cuando se usa la ecuación 2 a bajas temperaturas, pues la viscosidad del ligante asfáltico se aproxima a 2.7x1010 Poise, por lo tanto, la viscosidad a bajas temperaturas es igual al menor valor entre el calculado por la ecuación 2 y 2.7x1010 Poise. La Tabla 2 muestra la viscosidad del ligante no envejecido para diferentes temperaturas de pavimentos y penetraciones. Otra alternativa es medir la viscosidad del asfalto a la temperatura de interés, empleando el reómetro de corte dinámico de la metodología Superpave, tal como lo propone AASHTO 2002. Tabla 2: Viscosidad de Ligante No Envejecido, Mpoise TºC -10 0 10 20 40 60

Viscosidad η del ligante no envejecido, Mpoise PEN 40-50 PEN 60-70 PEN 85-100 PEN 120-150 PEN 200-300 1,115,628.43 731,029.32 417,758.92 173,811.03 19,295.57 21,249.81 13,933.23 7,967.08 3,339.57 381.226 739.15 487.84 281.40 120.22 14.533 42.136 28.105 16.444 7.214 0.941 0.435 0.298 0.181 0.085 0.013 0.014 0.010 0.006 0.003 0.001

MÓDULOS DINÁMICOS El ensayo de tracción indirecta permite determinar el Módulo Resiliente de la carpeta asfáltica cuando trabaja a tracción. Diseñar carpetas asfálticas considerando que la parte inferior trabaje a tracción y la parte superior se encuentre a compresión, generan fisuras prematuras que se reflejarán en la superficie. El nuevo criterio para el diseño de pavimentos diseña la estructura de manera que la carpeta asfáltica se encuentre trabajando toda a compresión. Esto se consigue incorporando capas inferiores estabilizadas o tratadas. Desde este punto de vista el Módulo Resiliente no es representativo del comportamiento de la carpeta, proponiéndose el Módulo Dinámico obtenido de ensayos triaxiales cíclicos. El módulo dinámico varía con la temperatura y la frecuencia de carga. Se debe tener en cuenta que el ensayo se debe realizar a la frecuencia que simule las cargas de tráfico para el diseño. Una máquina de ensayo servo hidráulica para ensayos de compresión cíclica se muestra en la foto 1. El equipo de la Universidad de Arizona, EE.UU. aplica esfuerzos sinusoidales (ondas continuas) que son medidos en la celda de carga, las

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deformaciones se miden usando un traductor LVDT. El traductor se asegura usando brackets y tacones sobre el especimen. Se acondicionan barras de acero para mantener el alineamiento.

(a) Muestra para ensayo triaxial cíclico

(b) Prensa cíclica, Universidad de Arizona, EE.UU.

Foto 1: Ensayo Triaxial Cíclico, Universidad de Arizona. Ref. 1 El comportamiento visco-elástico es la respuesta retardada del material, la deformación máxima se alcanzará en un instante posterior, cuando la carga que se haya aplicado se encuentre en el instante de la descarga. El módulo dinámico E* es la relación entre el esfuerzo y la respuesta deformacional.

E∗ =

σo ∈o

(3)

La ecuación de Witczak incorpora las propiedades del ligante, agregados, y características volumétricas de la mezcla. Esta ecuación está sustentada en 1430 muestras ensayadas sobre 149 tipos de mezclas asfálticas convencionales, realizados durante 30 años. La ecuación es:

log E* = 3.750063 + 0.029232× p 200 − 0.001767× (p 200 )2 − 0.002841× p 4 − 0.058097× Va Vb eff 3.871977 − 0.0021.p 4 + 0.003958.p 38 − 0.000017.(p 38 )2 + 0.005470.p 34 − 0.802208 × + (Vb eff + Va ) 1 + e (− 0.603313 − 0.313351. log (f ) − 0.393532. log (η)) Donde: E* Módulo dinámico de mezclas asfálticas, psi η Viscosidad del ligante en 106 poise (a cualquier temperatura y envejecimiento) f Frecuencia de carga en Hz. Va % de vacíos de aire en la mezcla, por volumen. Vbeff contenido de asfalto efectivo, porcentaje por volumen P34 % retenido acumulado en el tamiz ¾”, por peso total de agregado P38 % retenido acumulado en el tamiz 3/8”, por peso total de agregado P4 % retenido acumulado en el tamiz Nº4, por peso total de agregado Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 447

P200

% que pasa el tamiz Nº200, por peso total de agregado

La ecuación considera un rango de temperaturas de 0 a 130ºF (-18 a 54ºC). La frecuencia está relacionada con la velocidad del vehículo. La Guía recomienda definir la frecuencia en función de la categoría y velocidad vehicular: Tabla 3: Recomendaciones de Velocidades y Frecuencias Categoría

Velocidad Superficie de rodadura KPH (espesor= 1-3”) 95 45-95

1era 2da

70

35-70

Vías urbanas

25

10-25

Intersecciones viales

0.8

0.5-1

Ref: Flexible Design AASHTO 2002, Tabla 3.3.1, parte 3 capítulo 3

Se aplicó la ecuación de Witczak para una mezcla asfáltica densa convencional que cumpla con las especificaciones de la mezcla de tamaño máximo nominal 3/4” (19 mm), las frecuencias consideradas en el análisis fueron 15, 50 y 70 Hz. correspondiente a 25, 70 y 95 kph y para viscosidad del ligante no envejecido de diferentes penetraciones. Los porcentajes retenidos y pasantes de las mallas son: (P34 : 0%, P38 : 30%, P4 : 50%, P200 : 5%, Vbeff : 15%, Va: 4%). Las figuras 1 a 3 presenta los valores del Módulo Dinámico correspondiente a mezclas asfálticas de diversas penetraciones utilizadas en el país, en función de la temperatura y la velocidad vehicular. Los valores determinados son para asfaltos PEN 60-70, 85-100 y 120-150, asfaltos usados en zonas de temperatura cálida, intermedia (caso Lima) y de bajas temperaturas. 15 Módulo Dinámico E*(x105) psi

Asfalto PEN 60-70

10

5

0 20

40

60 Velocidad, Km/h

80 20ºC 40ºC

100 30ºc 50ºC

Figura 1: Módulo Dinámico según Velocidad y Temperatura para Asfalto PEN 60-70

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25 Módulo Dinámico E*(x105) psi

Asfalto PEN 85-100 20

15

10

5

0 20

40

60 Velocidad, Km/h

80 10ºC 30ºC

100 20ºc 40ºC

Figura 2: Módulo Dinámico según Velocidad y Temperatura para Asfalto PEN 85-100

30

Módulo Dinámico E*(x105) psi

Asfalto PEN 120-150 25 20 15 10 5 0 20

40

60 Velocidad, Km /h

80

100

0ºC 20ºC

10ºc 30ºC

Figura 3: Módulo Dinámico según Velocidad y Temperatura para Asfalto PEN 120-150 Por ejemplo si se desea calcular el Módulo Dinámico para carpeta asfáltica convencional de TMN 19 mm, para las temperaturas de pavimento y frecuencias mostradas en la tabla se tienen los siguientes módulos:

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Tabla 4: Módulo Dinámico E* en psi Tipo de mezclas

Asfalto PEN 60-70 Asfalto PEN 120-150 Sugerido en zonas cálidas 2 Sugerido en zonas frías2 velocidad de diseño 70 kph 70 kph frecuencia 50 Hz 50 Hz Temperatura de pavimento 40ºC 5ºC E*, psi 410,000 2´200,000 A altas temperaturas la mezcla asfáltica puede ser susceptible a deformaciones permanentes mientras que los valores bajos indican susceptibilidad a agrietarse por bajas temperaturas. En el primer caso se debe poner especial cuidado en la elección del ligante y la granulometría de la mezcla, el ligante debe mantener su rigidez a altas temperaturas y la granulometría del agregado deberá ser uniforme tipo Stone Mastic Asphalt, donde predomine el contacto piedra-piedra. Para el segundo caso la elección del ligante será lo más importante considerando asfaltos que mantengan su rigidez a bajas temperaturas. Para el caso de Lima donde el asfalto empleado puede ser asfalto PEN 85-100, a temperatura de pavimento de 20ºC y velocidad de diseño de 70 kph, frecuencia 50 Hz., el E* será 1´180,000 psi. Una carpeta asfáltica sometida a las condiciones de Lima, correspondiente a un diseño de pavimento convencional, tiene valores altos de rigidez, que lo puede llevar al agrietamiento al concentrar esfuerzos de tracción. 4. ANÁLISIS DEFORMACIONAL La estructura típica del pavimento en nuestro medio está formada por carpeta asfáltica y capas de material seleccionado colocadas sobre subrasante compactada y subrasante natural, el objetivo es distribuir las cargas provenientes del tránsito, de manera que las presiones verticales a nivel de fundación sean menores a las admisibles por la estructura del pavimento. La deflexión es un parámetro utilizado para verificar la capacidad estructural de un pavimento. La deflexión admisible puede ser calculada con alguna de las siguientes ecuaciones empíricas 3 : Instituto del Asfalto:

Dadm = 25.64 N −0.2383

CONREVIAL:

Dadm = (1.15 / N )

Criterio de California, CA de 5”:

Dadm = 6.237 N −0.165

0.25

N es el número de ejes equivalentes usado en el diseño. Aplicando las ecuaciones a 0.8x106 ejes equivalentes se tiene: 101, 109 y 66 (1/100 mm) de deformación admisible, respectivamente. La llanta no sólo genera esfuerzos verticales sino también esfuerzos horizontales. En una estructura típica de pavimento (carpeta asfáltica, base y sub base granular) los esfuerzos horizontales se disipan a través de la carpeta asfáltica, pasando de un valor positivo en la superficie a uno negativo en su fibra inferior. Los esfuerzos así generados producen fisuras que 2

Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras, EG-2000. Ministerio de Transportes y Comunicaciones del Perú. 3 Chang, C, Torres, R. “Aplicación de Ensayos no destructivos para el Control de Calidad de Pavimentos Flexibles”. Instituto de la Construcción y Gerencia, 2005.

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luego se reflejarán en la superficie. La figura 5 muestra la distribución de esfuerzos horizontales (σH) y verticales (σV) de pavimentos típicos. El parámetro elástico que modela el comportamiento de la carpeta asfáltica que trabajan a tracción es el Módulo Resiliente obtenido del ensayo de tracción indirecta. Para los materiales granulares y fundación natural, el Módulo Resiliente obtenido de ensayos triaxial cíclico es el parámetro de diseño. Dos de las principales fallas que se producen en el pavimento están asociadas a las deformaciones excesivas a nivel de la sub-rasante, reflejando el comportamiento del terreno de fundación y la deformación por tracción, asociado al agrietamiento. A continuación se evaluará el comportamiento deformacional de la estructura del pavimento y el aporte de cada capa en la reducción de estas deformaciones. Se empleará el programa elástico multicapas Kenlayer del Dr. Huang de la Universidad de Kentucky.

(+)

Carpeta Base granular

( -)

v H

Sub base granular

Suelo compactado Fundación

Figura 5: Esquema de la Distribución de Esfuerzos en Pavimentos Típicos PRIMER CASO: ESTRUCTURAS TIPICAS Se modelará una estructura típica conformada por carpeta asfáltica, base y sub base granulares, suelo compactado y fundación. Las condiciones de análisis son las mismas, sólo se variará el espesor de la carpeta asfáltica, ésta será de 2, 4 y 6 pulg. Las dimensiones y parámetros de diseño se muestran en la figura 6. La figura 7 muestra la variación de los esfuerzos verticales o de compresión en estructuras típicas. El mayor porcentaje de los esfuerzos verticales son asumidos por la carpeta asfáltica y base granular. Al nivel de fundación, para cualquier configuración, llega el mismo nivel de esfuerzos, esto indica que incrementando el espesor de la carpeta asfáltica no se reducen las deformaciones en la fundación. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 451

Variable

Carpeta asfáltica

20 cm

Base granular Sub base granular

25 cm

Suelo compactado

15 cm

Fundación

CAPA DE PAVIMENTO CARPETA ASFALTICA BASE GRANULAR, CBR=100% SUB BASE GRANULAR CBR=40% SUELO COMPACTADO CBR=20% FUNDACION CBR=4% TIPO DE EJE RADIO DE CONTACTO PRESION DE CONTACTO

CARACTERÍSTICAS 2, 4 y 6” Mr=450,000 psi ν=0.35 (ref. 2) Mr= 30,000 psi ν=0.35 (ref. 2) Mr= 17,500 psi ν=0.35 (ref. 2) Mr= 12,000 psi ν=0.45 (ref. 2) Mr=6,000 psi ν=0.45 (ref. 2) SIMPLE STANDARD 4.52 PULG 5 kg/cm2

Figura 6: Análisis Deformacional de Estructura Típica.

Carpeta

2” v

4”

Base granular

Sub base granular

Suelo compactado Fundación

Figura 7: Esfuerzos Verticales o de Compresión Estructura Típica La deformación a nivel de fundación es del orden de 3.75% y deflexiones dinámicas de 0.83, 0.65 y 0.54 mm. para carpetas asfálticas de 2, 4 y 6 pulg, respectivamente. Las deflexiones dinámicas y estáticas están en una relación de 1 a 10, esto quiere decir que la deflexión en la superficie es de 8.3, 6.5 y 5.4 mm medidos con viga Benkelman, valores muy superiores a los admisibles para 0.8x106 ejes equivalentes, que está en el orden de 1 mm.. La figura 8 demuestra que el tercio superior de la carpeta asfáltica está trabajando a compresión mientras que los dos tercios restantes a tracción. En conclusión, incrementar el espesor de la Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 452

6”

carpeta no reduce las deformaciones por tracción, la mejor alternativa es minimizar las deformaciones plásticas a nivel de fundación mediante la estabilización.

Carpeta

2”

4

6”

Base granular

t

Sub base granular

Suelo compactado Fundación

Figura 8: Deformaciones por Tracción en Estructura Típica Es contraproducente, además, convertir espesores de carpeta asfáltica a equivalentes de espesores de base granular como 1:3. La carpeta asfáltica tiene un módulo por lo menos 15 veces mayor al de la base granular y solo se podrá modificar espesores luego de un análisis deformacional. SEGUNDO CASO: ESTRUCTURA SEMIRIGIDA El esquema de distribución de esfuerzos en una estructura de pavimentos con base y/o sub base estabilizada se muestra en la figura 9. La carpeta asfáltica está sometida solamente a esfuerzos de compresión, mientras los esfuerzos de tracción son absorbidos por la base estabilizada.

(+)

Carpeta H

( -)

Base v Estabilizada

Sub base

Figura 9: Distribución de Esfuerzos en Pavimentos con Base y/o Sub Base Estabilizada.

Fundación

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Desde este punto de vista el ensayo de tracción indirecta y el respectivo parámetro como es el módulo de resiliencia no representa el comportamiento mecánico de la carpeta asfáltica, así, un ensayo de compresión confinada cíclica será representativo del comportamiento mecánico. Witczak y otros, de la Universidad de Arizona, proponen evaluar el Módulo Dinámico Complejo, obtenido de ensayos de compresión triaxial cíclico. La Guía de Diseño de Pavimentos AASHTO 2002 recomienda el uso de este parámetro. El módulo dinámico, E* también ha surgido como el principal candidato para el Simple Performance Test – Superpave, que predice las deformaciones permanentes y agrietamientos fatiga en pavimentos asfálticos [4]. Con la finalidad de demostrar la importancia de considerar bases y sub-bases tratadas y/o estabilizadas en pavimentos sobre terrenos de baja capacidad de soporte, como es el caso del diseño considerado en la Vía Inter-Oceánica Sur – Tramo Inambari-Iñapari, se presenta el análisis deformacional, considerando la colocación de una carpeta asfáltica, figura 10.

Carpeta asfáltica

1“

Base: Suelo+cemento

20 cm

Sub base : suelo+cal

CAPA DE PAVIMENTO CARPETA ASFALTICA

CARACTERÍSTICAS E*=300,000 psi ν=0.35 Mr= 700,000 psi4 ν=0.15 Mr= 60,000 psi ν=0.20 Mr= 24,000 psi5 ν=0.25 Mr=4,500 psi ν=0.45 (ref. 2) SIMPLE STANDARD 4.52 PULG 5 kg/cm2

BASE:SUELO+CEMENTO 20 cm

SUB BASE:SUELO+CAL ARCILLA+ARENA

arcilla+arena

65 cm

Fundación natural de arcilla

FUNDACION CBR=3% TIPO DE EJE RADIO DE CONTACTO PRESION DE CONTACTO

Ref: Flexible Design AASHTO 2002, 4Tabla 2.2.43. 5Tabla 2.2.51

Figura 10: Análisis Deformacional de Estructuras Semi-Rígidas Para los parámetros de diseño mostrado y haciendo uso del programa Kenlayer se ha obtenido la siguiente distribución de esfuerzos, figura 11.

Carpeta asfáltica

Base: Suelo+cemento Sub base : suelo+cal

Figura 11:Distribución de Esfuerzos en Pavimentos SemiRígidos

v H

Deflexión =3mm arcilla+arena

v(sub-rasante) = 0.01% H

(+)=0.006% 2

v(fundación)=0.04kg/cm Fundación natural de arcilla

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Luego de algunos años la fundación natural habrá perdido la mayor parte de sus deformaciones plásticas e incrementado su módulo, es en ese momento en que se podrá volver a hacer una nueva evaluación y considerar un trabajo de recapeo que permita recuperar la calidad de la superficie de rodadura. Definitivamente el diseño de carreteras sobre fundación arcillosa o limosa es por etapas. 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES El aporte del análisis deformacional en el diseño de pavimentos asfálticos, cualquiera sea su categoría, es de suma importancia debido a que permite evaluar el criterio de diseño aplicado, el tipo de diseño considerado y la influencia de las condiciones de cimentación. La metodología permite considerar las variables que influyen en la vida del pavimento, como temperatura, velocidad del tránsito, estratigrafía del terreno, la influencia de espesores de capas estabilizadas y/o tratadas, que otros métodos, debido a su limitación no pueden considerar. REFERENCIA 1) Kaloush, K., Witczak, M., Way, G., Zborowski, A., Abojaradeh, M., Sotil, A., “Performance Evaluation of Arizona Asphalt Rubber Mixtures using advanced Dynamic Material Characterization Tests”, Arizona State University, Arizona Department of Transportation, FNF Construction, Inc, July 2002. 2) Huang, Y. Pavement Analysis and Design, Second Edition, 2004. 3) Guide for Mechanistic-Empirical Design of New and Rehabilitated Pavement Structure. 2002. 4) Marasteanu, M., Clyne, T., « Dynamic Modulus Testing of Asphalt Mixtures”, University of Minnesota, February 2002. 5) Minaya, S., “Comportamiento Mecánico de Mezclas Asfálticas Tipo Superpave y SMA”, Tesis de Maestría, Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Nacional de Ingeniería, 2006. 6) Minaya, S., Ordóñez, A., “Diseño Moderno de Pavimentos”, Universidad Nacional de Ingeniería, segunda edición, 2006. 7) Minaya, S., Ordóñez, A., “SUPERPAVE y el Diseño de Mezclas Asfálticas”, Universidad Nacional de Ingeniería, 2003 8) Ordóñez, A., Minaya, S., “Consideraciones y Aplicaciones en Proyectos de Carreteras en el País de la Guía de Diseño Empírico-Mecanístico de Pavimentos NCHRP 1-37A (AASHTO 2002), ICG 2004 9) Ordóñez, A., Minaya, S., “Módulos Dinámicos de Mezclas Asfálticas SMA y Superpave”, VIII Congreso Nacional del Asfalto, 2005 10) Vasconcellos, R., “Nuevas Técnicas de Estabilización de Suelos y Reciclado de Pavimento con el uso de Cemento Portland”, ASOCEM, agosto 2006.

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