Modulo Pavimentos

FAC U LTA D D E I N G E N I E R Í A

ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL

MODULO DE PAVIMENTOS

S E G U N D A

T I T U L A C I Ó N

Presentado por:

Escuela de Ingeniería Civil Facultad de Ingeniería - UCV

Decano de la Facultad de Ingeniería. MG. Jorge Salas Ruiz. Director de la Escuela de Ingeniería Civil. Ing. Ricardo Delgado Arana. Docente del Curso. Ing. Luis A. Horna Araujo. Enero 2008

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INDICE PRESENTACION I.- MARCO CONCEPTUAL 1. Competencias……………………………………………………………………... 2. Lineamientos de Políticas del Curso……………………………………………... 3. Objetivos Curriculares…………………………………………………………… II.- MARCO ESTRUCTURAL 1.

Descripción del Modulo Desarrollo de las Actividades Programadas.-

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Bibliografía

 RICO RODRIGUEZ ALFONSO, La Ingeniería De Suelos En Las Vías Terrestres. LIMUSA SA.  MONTEJO FONSECA ALFONSO, Ingeniería de Pavimentos Para Carreteras. AGORA EDITORES LTDA.  MORA QUIÑONES SAMUEL. Mecánica de Suelos y Diseño de Pavimentos. U.N.I.  RAUL VALLE RODAS: Carreteras, calles y aeropuertos: Sexta Edición: De. EL ATENEO: 1982.  MERRITT FREDERICK: Manual del Ingeniero Civil: Segunda Edición: Mc Graw – Hill: 1985.  FELIX ERNESTO GARCIA GALVEZ: Apuntes de Pavimentos: U.N.T.C  GERMAN VIVAR ROMERO: Diseño y Construcción de Pavimentos: Segunda edición: Libro Nº 6 - COLECCIÓN DEL INGENIERO. C.I.P 1995  BISSO F. RICARDO:Los Asfaltos y sus Aplicaciones. Editado por Petróleos Del Perú:1998  YAMUNAQUE JORGE: El Asfalto y su Aplicación en la Ingeniería Vial: MIANO.  THE ASPHALT INSTITUTE: Manual del Asfalto: Ed. URMO, S.A. DE EDICIONES: 1982 WEB SITES DE INTERES:          

www.aashto.org. www.asphaltinstitute.org. www.cemex.com. www.icc.ucv.cl/obrasviales/ www.construaprende.com/ www.mtc.gob.pe/ www.portcement.org/. www.cement.org/pavements/pv_sc_scb.asp www.asocem.org.pe/ www.carreteros.org/normativa/

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PRESENTACION

Las actuales condiciones dentro de las cuales se desarrolla la economía mundial, exige celeridad en el intercambio comercial, intercambio que se desarrolla en un alto porcentaje por carretera, sobre todo en países como el nuestro, en los cuales, otros medios de comunicación no han alcanzado un desarrollo similar al de las carreteras, siendo éste el más importante medio para el transporte de pasajeros y carga. Por tanto las carreteras que conforman la red vial del país, debe estar acondicionada para cumplir con las exigencias del tránsito vehicular al que se ven sometidas día a día. No solo en lo que se refiere a las características geométricas, sino también a la resistencia que debe tener la estructura del pavimento, a fin que pueda soportar de manera adecuada, las cargas que le transmiten los vehículos que circulan por ellas. En tal sentido, el curso de Pavimentos que se desarrolla a continuación ha sido estructurado de manera tal, que brinde al estudiante los conocimientos y las herramientas técnicas necesarias para enfrentar con éxito el diseño de estructuras de pavimentos tanto flexibles como rígidos, bajo las condiciones de resistencia del terreno, tráfico vehicular, calidad de los materiales a utilizar, así como las condiciones medio ambientales presentes en la zona en que se localiza la vía en diseño. Se incluye en el contenido del curso, los procedimientos de diseño de pavimentos de mayor uso en nuestro medio y que han alcanzado un mayor desarrollo, como son el método AASHTO para diseño de estructuras de pavimentos flexibles y rígidos, el método del Instituto del Asfalto para pavimentos flexibles y el método de la PCA para pavimentos rígidos, además de una introducción a la metodología empírico mecanística, que constituye el futuro en el diseño de pavimentos flexibles. La amplia difusión de los pavimentos flexibles, exige un interés especial en el estudio de los materiales asfálticos, de mayor uso en pavimentación, como son el cemento asfáltico, las emulsiones asfálticas y los asfaltos diluidos, las técnicas de diseño y preparación de mezclas asfálticas en caliente y en frío y los procesos involucrados en la construcción de superficies de rodadura asfáltica. Finalmente se incluyen conceptos sobre la gestión de pavimentos, incidiendo en las técnicas de evaluación, tanto de la condición superficial, como de la condición estructural, lo que permitirá establecer las necesidades de atención de del pavimento en un determinado momento de su vida útil. A fin que el curso de Pavimentos sea debidamente asimilado, el estudiante de Segunda Titulación debe estar debidamente capacitado en los aspectos de Mecánica de Suelos, así como en Tecnología de Materiales y del Concreto, requisito fundamental que permitirá el dominio de las técnicas de diseño de pavimentos que se desarrollas en el presente curso.

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I .- MARCO CONCEPTUAL COMPETENCIAS Conceptual.- Utiliza métodos y procedimientos de evaluación y diseño de pavimentos flexibles y rígidos, así como conocimientos para el diseño de mezclas asfálticas y técnicas y habilidades para la gestión vial, aplicando criterios de preservación y sostenibilidad del medio ambiente, buscando mejorar la calidad de vida de la población. Procedimental.- Demuestra precisión, orden y exactitud en la aplicación de los parámetros y procedimientos de diseño de pavimentos. Selecciona adecuadamente los materiales que intervienen en la construcción de la estructura de un pavimento, de acuerdo a sus propiedades físicas y mecánicas, con cierto criterio de seguridad y economía. Evalúa la condición superficial y estructural de un pavimento aplicando convenientemente las técnicas de evaluación pertinentes. Actitudinal.- Muestra interés en conocer los diferentes tipos de pavimentos existentes, y su estructura. Asume la importancia de dominar correctamente los procedimientos de diseño de pavimentos flexibles y rígidos. LINEAMIENTOS Y POLITICAS DEL CURSO La presente asignatura forma parte del currículo de Ingeniería Civil para la segunda especialidad de la Universidad Cesar Vallejo y su contenido programático es compatible con la asignatura de Pavimentos. La estructura y contenido del curso esta diseñada para lograr que el estudiante alcance la excelencia académica respecto al entendimiento del comportamiento de los suelos como terreno de fundación de la estructura de un pavimento, la respuesta de la estructura del pavimento bajo la acción de las cargas del tránsito vehicular, bajo las condiciones medioambientales presentes en la zona de ubicación de la carretera, así como los requerimientos de calidad de los materiales que intervienen en la construcción de los pavimentos flexibles y rígidos, logrando de esta manera un diseño acorde con las necesidades existentes, coadyuvando de esta manera, a cubrir las exigencias del perfil del Ingeniero Civil en formación. El desarrollo del curso prioriza la participación activa del estudiante, tanto durante las horas de clase, así como en el desarrollo de tareas individuales y grupales, lo que requiere la presencia permanente del estudiante en la exposición de conocimientos teóricos así como en las actividades prácticas que se programan durante el desarrollo de la asignatura. .

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Porcentajes de evaluación: PESO DE LA EVALUACIÓN

PUNTAJE

ASISTENCIA (diaria)

20 %

4 Puntos

TRABAJOS (1 por semana)

20 %

4 Puntos

10 %

2 Puntos

20 %

4 Puntos

30 %

6 Puntos

100 %

20 Puntos

EVALUACION

INTERVENCIONES EN CLASE (acumulativa) PRACTICAS CALIFICADAS (1 por semana) EXAMEN INDIVIDUAL (2 al mes) TOTAL

La asistencia es obligatoria al 70 % de las clases dictadas. OBJETIVOS CURRICULARES     

  



Identificar y clasificar el tipo de suelo existente bajo la subrasante, representándolo gráficamente. Determinar la resistencia de diseño del suelo del terreno de fundación que será usada en el diseño de la estructura de un pavimento. Utilizar procedimientos de mejoramiento de la resistencia del suelo existente para ser utilizado como terreno de fundación. Clasificar los pavimentos, de acuerdo con diferentes criterios de clasificación, identifica cada una de las partes que conforman la estructura de un pavimento. Diseñar la estructura de pavimentos flexibles y rígidos, determinando las dimensiones de cada una de las capas que los conforman, utilizando diferentes procedimientos de diseño, considerando las condiciones de tráfico, resistencia del terreno, clima y otras. Identificar los diferentes tipos de materiales bituminosos que produce la industria para usos en pavimentación. Diseñar mezclas asfálticas para pavimentos flexibles, determinando las proporciones de cada uno de los materiales que intervienen. Conocer los procedimientos de evaluación de pavimentos, identifica los diferentes tipos de fallas que se pueden presentar, determina el nivel de servicio de un pavimento y propone el trabajo más adecuado para recuperar los niveles de servicio de la vía. Conocer y define las labores de mantenimiento rutinario y periódico, de rehabilitación y mejoramiento vial y recomienda el tipo de labor a ejecutar en función del estado de la vía.

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II MARCO ESTRUCTURAL.1. DESCRIPCION DEL MODULO. PRIMERA UNIDAD: EL SUELO DE FUNDACIÓN. 1) Exploración de suelos.- Definición, actividades preliminares. a) b) c) d)

Métodos de exploración. Perfil del suelo: perfil estratigráfico, diagrama lineal. Clasificación se suelos. Ubicación y profundidad de las excavaciones. Toma de muestras: recomendaciones.

2) Resistencia del Terreno. a) b) c) d)

CBR. Módulo Resiliente. (Mr.) Módulo de Reacción del suelo. (K.) Determinación del CBR de diseño.

3) Mejoramiento del Terreno de Fundación. a) Estabilización de suelos. (i) Métodos de estabilización mecánicos. Mezcla de dos suelos, mezcla de tres suelos, drenaje, compactación, etc. (ii) Métodos de estabilización químicos. Con Cemento, con cal, con asfalto, aditivos. SEGUNDA UNIDAD: DISEÑO DE PAVIMENTOS. 1. Generalidades. b) c) d) e)

Introducción: definición de términos. Estructura del Pavimento. Clasificación de los pavimentos. Criterios de elección del tipo de pavimento.

2. Diseño de Pavimentos Flexibles. a) Introducción. b) Experiencia vial AASHO. c) Método de diseño AASHTO – 93: criterios de diseño, Parámetros de diseño, procedimiento de diseño. d) Método del Instituto de Asfalto. criterios de diseño, Parámetros de diseño, procedimiento de diseño.

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3. Diseño de Pavimentos Rígidos. a) Introducción. b) Método AASHTO. c) Método de la P.C.A.. TERCERA UNIDAD: MATERIALES ASFÁLTICOS. 1) Definiciones. 2) Asfaltos de Petróleo. a) Obtención. b) Tipos de asfaltos de petróleo. Características técnicas c) Características físico - mecánicas. Reología. 3) Usos del Asfalto en Pavimentación. 4) Diseño de Mezclas asfálticas. a) Estudio de los materiales: agregado fino. Agregado grueso, rellenador mineral, cemento asfáltico. b) Métodos de diseño teóricos. c) Método de Marshall. d) Método de Hveem. CUARTA UNIDAD: CONSTRUCCIÓN DE PAVIMENTOS. 1) Equipo mecánico. 2) Técnicas de construcción. 3) Nuevas tecnologías. QUINTA UNIDAD: ADMINISTRACIÓN VIAL. 1) Evaluación de Pavimentos. a) Evaluación superficial: PCI, PCR. b) Evaluación Estructural. c) Diseño de sobre capas de asfalto. 2) Rehabilitación, Mejoramiento y Conservación vial.

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DESARROLLO DE ACTIVIDADES PROGRAMADAS.SEMANA 1.ESTUDIO DEL TERRENO DE FUNDACIÓN GENERALIDADES. El proyecto y diseño de pavimentos exige el conocimiento previo del terreno sobre el cual deberá cimentarse la estructura del mismo. Esto se conseguirá mediante la exploración del suelo, lo que requiere además, conocer las características existentes del lugar, como: topografía (identificar ríos, quebradas, pantanos, etc.); el clima de la zona en estudio; las facilidades de acceso a la obra; el tipo de vegetación, etc. No solo de la ubicación de la obra sino también de la zona circunvecina. Así mismo es necesario el conocimiento de otros aspectos como la rasante de diseño, el equipo, recursos humanos y económicos con que se cuenta, plazo de ejecución y otros, Que facilitarán llevar a cabo las técnicas de exploración del suelo. ACTIVIDADES PRELIMINARES. Antes de llevar a cabo los trabajos de exploración de campo, se deberá analizar toda la información existente de la zona de estudio. Esta información puede ser estudios de suelos y/o geológicos ejecutados en/o cerca del lugar, fotografías aéreas, estudios topográficos, antecedentes climatológicos, condiciones sísmicas, presencia de napa freática, ubicación de la subrasante, cercanía de pueblos o campamentos, servicios de transportes y comunicaciones y, básicamente, preparar el listado de asuntos a estudiar, los ensayos que deberán ejecutarse y la aplicación que se hará de los mismos. PERFIL DEL SUBSUELO. Conocer el perfil del subsuelo significa conocer los diferentes tipos de material que lo conforman a diferentes profundidades. Este perfil se elaborará con la ayuda del estudio topográfico del lugar en que se construirá la obra. El perfil del subsuelo deberá contener la información referente a la clase de suelos y rocas existentes, así como se mostrará la profundidad a la que se encuentran las aguas subterráneas. Los datos que hacen posible la confección del perfil del subsuelo se obtienen mediante la prospección del suelo, haciendo uso de los deferentes métodos de exploración existentes. (insertar gráfico) MÉTODOS DE EXPLORACIÓN.Existe una variada gama de métodos para la exploración del subsuelo, siendo los más utilizados los que se indican a continuación:    

Penetrómetros. Muestras "lavadas" Muestras obtenidas con taladros helicoidales y tipo balde. Pozos de exploración.

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 Métodos geofísicos.  Sondeos. a).- Penetrómetros.- En general son barras metálicas que tienen extremos en forma cónica de 45 o 60°. Existen dos tipos: estáticos y dinámicos. -

En los penetrómetros estáticos, la barra se introduce a presión en el subsuelo, aplicando lentamente (20 a 40 cm, por minuto) una presión constante. La profundidad de penetración del cono es medida para cada incremento de carga. Estos penetrómetros registran la resistencia de punta, que opone el cono al penetrar en el subsuelo, y la fricción lateral.

-

Los penetrómetros dinámicos son hincados en el subsuelo por medio de golpes, para una determinada longitud, haciendo caer libremente un martinete de peso conocido, desde una misma altura y registrando los golpes que sean necesarios aplicar para introducir , cada vez, la barra del penetrómetro una determinada longitud.

b).- Muestras "Lavadas".- Se obtienen muestras lavadas con equipos de perforación tipo Standard y mediante agua a presión se va lavando el material del subsuelo, a medida que se introduce la tubería de perforación. Las muestras del material salen junto con el agua del lavado. Por el color y textura de los materiales lavados se puede conocer la clase de material que se extrae y los espesores de los diversos estratos. Este método solo se debe utilizar para exploración preliminar. c).- Muestras obtenidas con taladros helicoidales y tipo "balde".- Se usan en suelos cohesivos con cierto contenido de humedad. No se recomienda su uso en terrenos granulares o muy secos, o en suelos sin cohesión, ya que el material no se adherirá a las paredes del taladro y no se podrá extraer. Son más utilizados los taladros tipo "balde", ya que se pueden obtener muestras representativas muy grandes y de profundidades hasta 60 m. Obteniéndose una mejor idea de la clase y composición del material existente. En terrenos deslizables no es práctico su uso, debido al desmoronamiento de las paredes, lo que obliga a la utilización de camisas metálicas o utilizar inyecciones de cemento o bentonita para estabilizar las paredes de la perforación. d).- Pozos de Exploración.- En la excavación de pozos o calicatas, el ingeniero puede ir observando las variaciones del material, estableciendo en forma exacta los espesores de los diferentes estratos, la profundidad de la napa freática, etc.; esto permite una mejor inspección y clasificación de los materiales del suelo. Este método de exploración es poco práctico en terrenos deslizables y no se recomiendan para profundidades mayores de 5 m. Debido a su costo. e).- Métodos Geofísicos.- Son métodos más sofisticados, en los cuales la prospección no requiere de la obtención de muestras. Se ejecutan generalmente desde la superficie del terreno, lo que evita las perforaciones. Los más conocidos son: eléctricos, sísmicos, vibratorios, magnéticos y gravimétricos, de estos los más utilizados se describen a continuación: -

Método Eléctrico.- Por este método, se mide la resistividad que presenta un suelo o roca al paso de corriente eléctrica continua o alterna. La resistividad de cada suelo varía de acuerdo a su contenido de sales, humedad y densidad y se mide siguiendo la ley de Ohm. Uno de los aparatos utilizados es el llamado de 4 electrodos o de Wenner.

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-

Método Sísmico.- Mediante este método se mide la velocidad de propagación de las ondas sonoras a través de un suelo. Las ondas sonoras se producen mediante golpes de martillo o detonaciones de explosivos. Se basa en que la velocidad de propagación de las ondas sonoras es diferente para cada suelo o roca. Se dispone un detonador o una placa metálica que recibirá los golpes y se instalan detectores o geófonos a diferentes distancias, luego se hacen las detonaciones, a diferentes distancias de los geófonos, pues se conoce que la profundidad a la que se propagan las ondas sonoras es proporcional a la distancia existente entre el geófono y el punto de detonación.

f).- Sondeos.- Es el más recomendable y práctico para la exploración del subsuelo a profundidad. Permite, una vez efectuada la clasificación litológica de las muestras, una mejor elaboración del perfil del subsuelo. Tiene la limitación del reducido de las muestras. Se utilizan sondeos a percusión y a rotación: -

Los sondeos a percusión permiten la obtención de muestras del suelo utilizando sacamuestras hincados con martinetes. Durante la perforación se pueden obtener muestras alteradas y para sacar muestras inalteradas se acopla el sacamuestras de pared delgada y se introduce a presión en el suelo.

-

En los sondeos a rotación, las muestras se obtienen acoplando taladros a los equipos de perforación. Las muestras, testigos o núcleos se extraen a rotación empleando brocas de tungsteno o diamante.

Debido a que las cargas a que se somete un pavimento de carretera tienen influencia a profundidades relativamente pequeñas, se prefiere la perforación de pozos de exploración, que para el caso resultan los más convenientes.

SISTEMAS DE CLASIFICACION DE LOS SUELOS DEFINICIÓN Un SISTEMA DE CLASIFICACION DE LOS SUELOS, es una agrupación de esto con características semejantes. El propósito es estimar en forma fácil las propiedades de un suelo por comparación con otros del mismo tipo, cuyas características se conocen. Son tantas las propiedades y combinaciones en los suelos y múltiples los intereses ingenieriles, que las clasificaciones están orientadas al campo de ingeniería para la cual se desarrollaron, por consiguiente, sólo se explicarán las clasificaciones empleadas en obras viales. 1. SISTEMA AASHTO El Departamento de Caminos Públicos de USA (Bureau of Public Roads) introdujo uno de los primeros sistemas de clasificación, para evaluar los suelos sobre los cuales se construían las carreteras Posteriormente en 1945 fue modificado y desde entonces se le conoce como Sistema AASHO y recientemente AASHTO. El sistema describe un procedimiento para clasificar suelos en grupos, basado en las determinaciones de laboratorio de granulometría, límite líquido e índice de plasticidad. La evaluación en cada grupo se hace mediante un “índice de grupo”. Se informa en números enteros y si es negativo se informa igual a 0.

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El grupo de clasificación, incluyendo el índice de grupo, se usa para determinar la calidad relativa de suelos de terraplenes, material de subrasante, subbases y bases. El valor del índice de grupo debe ir siempre en paréntesis después del símbolo del grupo, como: A-2-6 (3); A-7-5 (17), etc. Cuando el suelo es NP o cuando el límite no puede ser determinado, el índices de grupo debe considerarse (0). Si un suelo es altamente orgánico (turba) puede ser clasificado como A-8 sólo con una verificación visual, sin considerar el porcentaje bajo 0,08 mm, límite líquido e índice de plasticidad. Generalmente es de color oscuro, fibroso y olor putrefacto y fuerte.

SISTEMA DE CLASIFICACION AASHTO

2. SISTEMA UNIFICADO DE CLASIFICACIÓN: El sistema desarrollado por el Dr. Arturo Casagrande utiliza la textura para dar términos descriptivos tales como: “GW”, grava bien graduada; “GC”, grava arcillosa; “GP”, Grava mal graduada, etc. Este sistema de clasificación se ha extendido en cooperación con la Oficina de mejoramiento de terrenos (Reclamation) de los Estados Unidos, y se denomina actualmente Sistema de clasificación unificado. Está basado en la identificación de los suelos según sus cualidades estructurales y de plasticidad, y su agrupación con relación a su comportamiento como materiales de construcción en ingeniería. La base de la clasificación de suelos está en las siguientes propiedades: 1. Porcentaje de grava, arena y finos (fracción que pasa por el tamiz Nº 200) 2. Forma de la curva de distribución granulométrica. 3. Características de plasticidad y compresibilidad.

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Se establecen fracciones de suelos: Cantos rodados, gravas, arena y finos (limo o arcilla). Los límites de demarcación entre las diversas fracciones y aspectos descriptivos, simbología, descripciones y criterios de clasificación de laboratorio, se dan en la Tabla I: Sistema Unificado de Clasificación de suelos, que se incluye. Los suelos se separan en tres divisiones: 1. Suelos de grano grueso. 2. Suelos de grano fino. 3. Suelos altamente orgánicos. Los suelos de grano grueso son aquellos que contienen 50 por ciento o menos de material más pequeño que la malla del tamiz Nº 200, y suelos de grano fino son aquellos que contienen más del 50 por ciento de material más pequeño que el tamiz Nº 200. Los suelos altamente orgánicos pueden identificarse generalmente por inspección visual. Los suelos de grano se dividen en gravas (G) y arenas (S). Las gravas son aquellos suelos de grano grueso que tienen un porcentaje mayor de la fracción gruesa (la que no pasa por el tamiz Nº 200) retenida en el tamiz Nº 4, y las arenas son aquellos que su porción mayor para por el tamiz Nº 4. Tanto las gravas (G), como las arenas (S), se dividen en cuatro grupos secundarios, GW, GP, GM y GC y SW, SP, SM y SC, respectivamente, según la cantidad y tipo de los finos y la forma de la curva granulométrica. En la indicada tabla se muestran los tipos representativos de suelos encontrados en cada uno de estos grupos secundarios, bajo el encabezamiento de “Nombres Típicos”. Los suelos de grano fino se subdividen en limos (M) y arcillas (C), según su límite líquido y su índice de plasticidad. Los limos son suelos de grano fino con un límite líquido y un índice de plasticidad, de los cuales grama de la tabla II-3y arcillas aquellos que dan puntos por encima de la línea “A”. Seta definición no es válida para las arcillas orgánicas puesto que el límite líquido y el índice de plasticidad de estos suelos dan puntos por debajo de la línea “A”, El limo (M) y la arcilla (C) se dividen a su vez en dos grupos secundarios basados en el hecho de que el suelo tenga un límite líquido relativamente bajo (L – low), o alto (H – high). Los tipos de suelos representativos encontrados en cada uno de los grupos resultante se dan en la tabla II-3 bajo “Nombres Típicos”. Los suelos altamente orgánicos son usualmente muy comprensibles y tienen características inadecuadas para la construcción. Se clasifican dentro del grupo designado por el símbolo Pt. Turba (Peat). El humus y los suelos de pantano son ejemplos típicos de este grupo de suelos.

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Las divisiones de los grupos GM y SM en las subdivisiones “d” y “u” es solamente para caminos y aeródromos. Las subdivisiones están basadas en los límites de Atterberg. El sufijo “d” es usado cuando LL es 28 o menos y el PI es 6 o menos. Sufijo “u” es usado cuando LL es mayor de 28. Clasificación en la línea divisoria, usada para suelos que poseen características de dos grupos es designado por la combinación de símbolos de grupos. Por ejemplo: GW – GC, mezcla de arena y grava bien graduada con arcilla como aglutinante.

ESPACIAMIENTO Y PROFUNDIDAD DE LAS PERFORACIONES. Debido a la importancia que tiene conocer las características geotécnicas del suelo existente a lo largo del eje del camino, se realizan perforaciones para la toma de muestras y el registro de la información de ensayos in situ, para el diseño y construcción de cortes, rellenos, subrasante y pavimento. El espaciamiento y profundidad de las perforaciones varía de acuerdo a la topografía, uniformidad de la zona (llanura o montaña) y ubicación de la subrasante de diseño. Se anotan en el cuadro adjunto, algunas recomendaciones de diversos países para vías de uno o dos carriles de circulación: En dichas referencias las principales razones por las que varía la separación de las perforaciones son la topografía, subrasante de diseño y características observadas en cada perforación (secuencia y número de capas de suelos, espesor, color, consistencia, presencia de napa freática). País

Espaciamiento(a) (m)

Profundidad. mínima (m.)

-

100 – 300 250

0.5 – 1.0 (b) -

Japón Tailandia

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-

Filipinas Korea Noruega Alemania Perú Argentina Brasil Méjico U.S.A. Francia

150 (a) 50 - 200 200 50 - 100 500 50 - 200 50 - 100 500 15 - 100 250

1.0 (b) 2.0 1.2 – 1.5 0.6 (b) 1.0 - 1.5 0.6 - 1.5 (b) -

a) Los mayores valores se usan para zonas áridas o llanuras. b) Bajo la subrasante. Teniendo en consideración las características del territorio nacional, el M.T.C. da las siguientes recomendaciones para definir la separación de las perforaciones: -

-

-

Si el perfil del suelo es uniforme, (generalmente zonas llanas) la separación máxima puede variar de 100 a 500 m. En el sentido longitudinal (en el eje, o a 3.50 m. Del mismo) considerándose el primer valor para zonas lluviosas y el segundo para zonas áridas. Si las características del perfil del suelo varían (generalmente zonas de montaña) la separación máxima puede variar de 50 a 250 m., esta disminución en la separación es obvia, dado que el tiempo dio origen a plegamientos de la corteza terrestre donde los diferentes estratos aparecen con orientación y espesores variables. Cuando se efectúen las perforaciones, la profundidad de auscultación estará en función de las siguientes recomendaciones, señalando que las mismas no están enfocadas para casos especiales de suelos blandos, grandes cortes, apoyo de grandes estructuras o la presencia de zonas rocosas. La profundidad mínima será de 0.60 m. Debajo de la subrasante de diseño. Para detectar el nivel e la napa freática, la profundidad será de 1.20 a 1.50 m. Bajo el nivel de subrasante o terreno natural (12 a 24 horas luego de efectuada la perforación). Cuando se desee utilizar para material de relleno el proveniente de zanjas de préstamo lateral a lo largo del eje, la profundidad ser extendida hasta la profundidad estimada de la zanja de préstamo. Si la zona está sujeta a fenómenos de congelamiento las perforaciones se profundizarán adecuadamente, con el fin de ver si los materiales son susceptibles a dichos fenómenos. Una profundidad mínima de 1.2 m. Bajo el nivel de subrasante es recomendada. En zonas de relleno de alturas mayores de 0.60 a 1.00 m. Especialmente donde se presentan suelos de consistencia muy baja, la profundidad de auscultación tendrá por finalidad analizar el posible asentamiento del terreno, tratándose en lo posible de ubicar estratos de mayor consistencia.

REGISTRO DE LA INFORMACION DE PERFORACIONES. Se recomienda llevar a cabo un registro completo y sistemático de las características geotécnicas de los suelos encontrados en cada perforación, indicándose el Kilometraje, carril, su ubicación en zonas de corte y/o relleno, espesor de cobertura orgánica, posición y espesor de los estratos encontrados, su clasificación geotécnica de campo, consistencia, humedad, características de drenaje superficial y profundo, presencia de materia orgánica, sales y carbonatos, ensayos a realizar en laboratorio, ubicación de la napa freática y/o mantos rocosos, así como indicar la facilidad de compactar y movilizar equipos de construcción pesado, en épocas de condiciones climatológicas críticas.

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Se propone la siguiente nomenclatura: 12 + 386 (a)

D (b)

A (c)

L (c)

(a) Kilometraje respecto al trazo. (b) Carril (derecho, izquierdo, eje) (c) Posición del estrato del suelo, hacia arriba: (A) para el primer estrato y así sucesivamente. (d) En caso de enviar muestras para ensayos en laboratorio colocar (L) TOMA DE MUESTRAS DEL SUELO. Número y cantidad de las muestras de suelo a obtenerse para su análisis en Laboratorio están en función de su importancia y representatividad, correspondiendo los ubicados a los 0.6 m. Bajo el nivel de la subrasante, los más importantes para definir el valor de soporte de diseño de la subrasante para las condiciones de humedad y densidad a esperarse en obra. Si se observa que no hay una gran variación en los suelos de la subrasante a lo largo del eje será suficiente para definir la resistencia de diseño de la subrasante, obtener una muestra de 80 a 100 kg. Cada 5 km. Como máximo. De existir una gran variación en los suelos de la subrasante será necesario subdividir el tramo, en secciones de características similares (siempre y cuando la longitud mínima de cada sector sea adecuado desde el punto de vista constructivo, considerando mínimo 500 m. Tomándose una muestra de 80 a 100 kg. Cada 2.5 km., como máximo para definir la resistencia de diseño de la subrasante. Un mayor número de muestras podrán obtenerse, con la finalidad de estudiar su posible empleo como material de relleno, mejorar la subrasante, detallar el perfil estratigráfico y analizar probables asentamientos en zonas de suelos blandos. Pero en general se tender a obtener muestras alteradas en una cantidad de 1 a 5 kg. (fino y grueso respectivamente), provenientes de un adecuado cuarteo, para clasificar el suelo y determinar su contenido de humedad especialmente. Estas muestras serán colocadas en bolsas plásticas herméticas dobles y estarán debidamente identificadas. En caso de difícil acceso, se podrán ejecutar "perforaciones de observación", lo que requiere personal con amplia experiencia y que consiste en correlacionar los suelos observados en una determinada perforación con los encontrados en otras perforaciones donde fueron seleccionadas muestras para su análisis en laboratorio, más en lo posible, se deberá tomar muestras para determinar su contenido de humedad. PRESENTACION DE RESULTADOS. Los resultados obtenidos de la observaciones de campo, pruebas in situ, así como los resultados de los ensayos de laboratorio efectuados a las muestras de suelo analizadas, se presentarán teniendo en cuenta en lo posible, las recomendaciones siguientes:  Perfil estratigráfico de suelo a lo largo del eje, indicándose en el mismo: progresivas, cota del terreno natural, cota de subrasante, clasificación del suelo SUCS y/o AASHTO, espesores de estratos, humedad natural, consistencia, ubicación de la napa freática, densidad humedad y CBR "In situ", relación humedad - densidad, ubicaciones de perforaciones de observación y toma de muestras, resultados de las pruebas "in situ” como cualquier información que se considere adecuada. El perfil estratigráfico puede presentarse en un plano a escala adecuada, donde además se debe presentar la sectorización de las secciones de

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comportamiento homogéneo, en los cuales se debe indicar el CBR de diseño, el mismo que deberá verificarse durante la construcción.  Resumen o Certificados de los ensayos de suelos efectuados en laboratorios autorizados.  Gráficos que relacionan las condiciones de humedad, densidad, CBR y expansión a esperarse en obra, obtenidos para energías de compactación variable, presentándose además las curvas de 0 y 3% de vacíos. Deberá indicarse el método de preparación y compactación de los especimenes, proponiéndose el método de control de densidades y humedades de campo. ENSAYOS DE LABORATORIO. De acuerdo al tipo de estudio a realizar, los ensayos de laboratorio a realizar pueden ser los siguientes:            

Contenido de humedad de los suelos (ASTM D 2216) Análisis granulométrico de los suelos por tamizado (ASTM D 422). Cantidad de material que pasa el tamiz # 200 (ASTM D 1140) Límite líquido de suelos (ASTM D 423; D 4318) Límite plástico de suelos (ASTM D 424; D 4318) Relación Densidad – Humedad (ASTM D 1557) para energías de compactación variables. Gravedad específica de los suelos (ASTM D 854) Valor relativo de soporte (ASTM D1885)para condiciones de humedad, densidad y expansión a esperarse en obra. Contenido de materia orgánica (método químico de bicromato de potasio) Ensayo de consolidación en suelos pantanosos(ASTM D 2435) Presión de expansión de suelos (ASTM D 516) (ASTM D 512) Sales solubles totales, sulfatos, cloruros y carbonatos.

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RESISTENCIA DEL TERRENO DE FUNDACIÓN. En los procedimientos de diseño de pavimentos, uno de los factores determinantes para calcular el espesor de cada una de las capas que conforman la estructura, es la resistencia del terreno de fundación, así como de los materiales que conforman cada una ellas. Para tal efecto, se han propuesto diferentes métodos, dentro de los cuales se puede mencionar a los siguientes:  Método C.B.R.  Determinación del Módulo de Reacción.  Determinación del Módulo de Resilencia. El método CBR (California Bearing Ratio = Relación de soporte California) es hoy en día uno de los más empleados para el cálculo de pavimentos flexibles, y mediante él, se establece una relación entre la resistencia a la penetración de un suelo, y su capacidad de soporte como base de sustentación para pavimentos. Dependiendo del tipo de suelo, el método presente algunas variantes, sin embargo, en la generalidad de los casos, el CBR se establece en base a la prueba de penetración, graficando en un sistema de coordenadas la curva esfuerzo – penetración, teniendo como material de comparación la piedra triturada, cuyas resistencias a la penetración son las siguientes: Para 0,1” de penetración – 1,000 lb/pulg2. (70 kg/cm2.) Para 0,2” de penetración – 1,500 lb/pulg2. (105 kg/cm2.) Para 0,3” de penetración – 1,900 lb/pulg2. (133 kg/cm2.) Para 0,4” de penetración – 2,300 lb/pulg2. (161 kg/cm2.) Para 0,5” de penetración – 2,600 lb/pulg2. (182 kg/cm2.)

Q carga (sobre el pistón)

2,500 2,000

sobrecarga

suelo

pulg ². 

% curv

a pa

100 trón

suelo

1,500 1,000 Q0 500

Q1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 penetración  para 0.2" de penetración .....CBR : (Q1 / Q 0 ) x 100 %

ENSAYO C.B.R.

El Módulo de Reacción del suelo se determina mediante procedimiento de ensayo de Carga Directa el cual, en líneas generales, consiste en lo siguiente:

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 Se seleccionan adecuadamente los lugares en los que se ha de realizar los ensayos.  Se dispone de un camión cargado y acondicionado convenientemente con vigas metálicas donde se apoyarán los gatos hidráulicos.  Se limpia y nivela el terreno, luego se coloca un disco metálico de 30 pulg. de diámetro y sobre él se instala el gato hidráulico. Los extensómetros que servirán para medir las deflexiones se instalan sujetándolos a largueros metálicos que no se deformen al momento de ejecutar el ensayo.  Estando listo el equipo, se aplica inicialmente una carga que produzca una deflexión entre 0.25 a 0.50 mm., se suelta esta carga y se espera que las agujas no se muevan, luego se aplica la mitad de la carga inicial. Se suelta la carga y una vez que las agujas se inmovilizan, se calibran los extensómetros en cero. El asentamiento inicial se toma como cero, considerando que en el se incluye cambio de volumen debido a la compactación del material.  Se aplican las cargas en incrementos moderados (0.10 a 0.40 kg/cm 2) Se hará el número de incrementos que permitan dibujar la gráfica esfuerzo - deformación (no menos de 6), Cada incremento de carga se aplicará durante 3 minutos, hasta que la rata de deflexión sea menor de 0.001” por minuto, registrándose la deflexión para cada incremento. Se continúa el procedimiento hasta obtener la deflexión total.  Deberá registrarse la temperatura ambiente a intervalos de media hora.  En autopistas, carreteras, vías urbanas y pistas de aterrizaje, cuando se ejecutan pruebas directas de carga, se considera como valor soporte del terreno aquella carga unitaria correspondiente a una deflexión comprendida entre 0.1” y 0.5”. Para pavimentos flexibles, se toma 0.5” como deflexión crítica máxima, pues se ha comprobado experimentalmente, que ésta es la máxima deformación que pueden registrar estos pavimentos sin presentar fallas. Sin embargo, teniendo en cuenta el efecto destructivo de la repetición de las cargas, se recomienda, por razones de seguridad, considerar deflexiones menores a ¼” para la determinación del valor soporte del terreno. De ahí que, generalmente, se toma como valor soporte del terreno de fundación aquella carga unitaria correspondiente a una deflexión crítica de 0.1” ó 0.2” de fundación.  El Módulo de Reacción: K, se calcula como la tangente del ángulo correspondiente a una deflexión de 0.035” ó 0.05”, dependiendo que se use el criterio del ACI ó de la PCA. Fig.

presión

p0

P

k = tg  30"

 0

0.01



A 0.02 0.03

0.04 0.05 plg.

deformacion 

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El Módulo Resiliente, es un ensayo triaxial cíclico que intenta reproducir los esfuerzos que se producen en el pavimento como producto de la aplicación de las cargas del tránsito. Las cargas de tráfico se transfieren a la estructura del pavimento mediante pulsaciones de esfuerzos dinámicos de magnitud variable y aproximadamente de forma sinusoide con cortos tiempos de aplicación, la cual a medida que se profundiza en el pavimento y subrasante se va reduciendo en magnitud mientras que su duración aumenta. Estudios efectuados (básicamente en los años 80) han determinado que las fallas en el pavimento no sólo se producen por acumulación excesiva de deformaciones permanentes en la subrasante, sino también por deformaciones resilientes repetidas (llamadas así por que al retirar la carga aplicada no todo lo deformado se recupera). Los esfuerzos actuantes en los materiales son reproducidos en forma aproximada en las pruebas triaxiales Dinámicas de Cargas Repetidas, donde el Módulo de Esfuerzo – Deformación ha sido obtenido de la aplicación de un esfuerzo (de valor aproximado a un tráfico específico) aplicado varias veces por un periodo de tiempo definido produciendo deformaciones y recuperaciones parciales en dirección al esfuerzo aplicado; por lo tanto se entiende como un Módulo Resiliente (Mr) a la relación entre el Esfuerzo Desviador aplicado y la Deformación Recuperable producida durante un periodo de tiempo definido, siendo su expresión la siguiente: Mr = σd/εr Donde: Mr = Módulo Resiliente σd = Esfuerzo Desviador Pulsante εr = Deformación Resiliente σ3 = Presión de Confinamiento σ1 = σ3 + σd = Esfuerzo Vertical Total Los esfuerzos actuantes son graficados en la Figura N° 01 CBR DE DISEÑO DE LA SUBRASANTE. Debido a la confusión existente en cuanto a la determinación del CBR de diseño, a continuación se dan algunas recomendaciones. En las figuras que se adjuntan se presentan recomendaciones para evaluar el CBR representativo de la subrasante, en cada punto de auscultación sea el caso. Asimismo, la fig. 2 muestra la determinación del CBR representativo en un punto donde el CBR varía con la profundidad. La ecuación responde a un modelo de comportamiento elástico, que no es el comportamiento real, pero es preferible asumir el comportamiento elástico y verificar el comportamiento durante su servicio. Una vez definido el CBR representativo de cada estación a lo largo del eje, se delimitarán las secciones (en longitud adecuada desde el punto de vista constructivo, mínimo 500 m.) basadas en los valores del CBR que no tengan gran diferencia y otros factores que indiquen que se traten de zonas de comportamiento homogéneo. Se recomienda analizar estadísticamente cada sección. Para definir el CBR de diseño de una sección homogénea, se puede emplear la práctica japonesa:

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σd

σ3

σ3

σ1 = σd + σ3

σ3

σ3

σ1 = σd + σ3

σd

CBRD = CBRP – { (CBRMAX – CBRMIN) / donde:  CBRD = CBR de diseño de la sección homogénea.  CBRP = CBR promedio de los valores analizados (representativos)  CBRMAX, CBRMIN = CBR máximo y mínimo respectivamente de los valores analizados (representativos)  C = Coeficiente estadístico determinado por el número de medidas de CBR representativo en la sección. N° de Medidas 2 4 6 8 10

C. 1.41 2.24 2.67 2.96 3.18

N° de Medidas 3 5 7 9

C. 1.91 2.48 2.83 3.08

El Instituto de Asfalto, recomienda obtener 6 a 8 medidas de CBR representativo por cada sección homogénea y determinar el CBR de diseño, según el tráfico para los percentiles indicados a continuación: REPETICIONES ACUMULADAS DE 18 Kips

104 ó menos 104 – 106 más de 106

PERCENTIL %

60 75 87.5.

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22

ESTABILIZACION DE SUELOS GENERALIDADES La estabilización de suelos en los trabajos de pavimentación puede ser definida como un medio de consolidación permanente de los materiales de sub-rasante. Sub-base y base, incrementando de manera notoria su resistencia y capacidad de carga y decreciendo su sensibilidad al agua y a los cambios volumétricos durante ciclos de humedecimiento - secado. La estabilización del suelo puede aumentar la resistencia, incrementar o disminuir la permeabilidad, reducir la compresibilidad, mejorar la estabilidad o disminuir el levantamiento debido a heladas o hinchamientos. La Estabilización se puede lograr por medios mecánicos o químicos. ESTABILIZACIÓN MECÁNICA: Mediante la estabilización mecánica se modifica la densidad, el contenido de agua, o la granulometría del suelo. Las mezclas de suelos son una forma de estabilización mecánica y por su importancia y frecuencia de uso son tratadas en forma separada, como lo será la compactación. Otras formas de estabilización se consiguen: Por drenaje; Por medios eléctricos Por medio de calor y calcinación; y Por medios químicos. En el Perú no se han aplicado estabilizaciones por medios eléctricos ni por calcinación, aunque si existen experiencias de estabilizaciones con cal y con cemento, que son de las que nos ocuparemos a continuación: MEZCLA DE SUELOS Uno de los problemas más frecuentes en los trabajos de pavimentación es la mezcla de suelos para lograr uno de mejor calidad que cumpla con los requisitos de una determinada especificación. Como método de estabilización mecánica, es el procedimiento por el cual se combinan dos o más suelos bajo ciertas condiciones de humedad, granulometría y Límites de Consistencia a fin de mejorar las propiedades individuales y producir una mezcla aceptable. Obviamente que la mezcla física también puede en algunos casos traer como consecuencia una modificación en la química del producto resultante como por ejemplo en el caso de la mezcla de agregados para producir concreto, en que uno de ellos tenga contenidos muy altos de sulfatos que se trasmitan a la mezcla resultante en límites no permisibles. En esta parte solamente tendremos en cuenta los casos en que ya hayan sido analizados los otros aspectos y nos concentraremos en mostrar la metodología para conseguir mezclas de dos y de tres suelos. MEZCLA DE DOS SUELOS Para una mejor ilustración el procedimiento a seguir con el método gráfico del cuadrado que es el que se presentará, se muestra el caso dado por Rico y Del Castillo.

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La Figura a) muestra las curvas granulométricas de dos suelos 1 y 2, que se desea mezclar para lograr un tercero que esté dentro del huso granulométrico de la especificación mostrada en achurado. En la figura 3.2.2.b. se muestra un cuadrado que ha sido construido con 100 unidades de lado, que representan los porcentajes que pasan las respectivas mallas de los materiales 1 y 2 aisladamente (escalas verticales) y como parte de la mezcla (líneas horizontales). El procedimiento consiste en marcar en cada escala vertical los porcentajes que pasan, correspondientes a cada tipo de malla en ambos suelos, los que luego se unen representando así los porcentajes de suelos 1 y 2 en cada malla. Luego se procede a marcar sobre esas líneas, los límites del huso granulométrico que representan los porcentajes, que pasan por cada una de las mallas contenidos en el huso, de tal manera que la porción comprendida entre la menor separación de todas esas marcas (línea punteada), representa todas las posibles combinaciones de los suelos 1 y 2, que cumplen con las especificaciones. En la figura b)., se muestra como “primer tanteo”, la curva correspondiente a una mezcla 50-50, es decir con 50% de suelo tipo 1 y con 50% de suelo 2. MEZCLA DE TRES SUELOS Se utiliza el método del triángulo tomado de la misma referencia anterior. Se tiene tres suelos A, B y C (Tabla a) que se desea mezclar para obtener un cuarto que cumpla las especificaciones mostradas en el achurado de la Figura c). El procedimiento consiste en construir un triángulo equilátero con 100 unidades por lado, correspondientes a los porcentajes que retiene la malla Nº 4, a los que pasan la malla Nº 4 y son retenidos en la malla Nº 200; y a los que pasan la malla Nº 200. Dentro de éste triángulo se ubican los puntos A,B y C correspondientes a cada tipo de suelo que interviene en la mezcla y lo mismo se hace con los límites del Huso Granulométrico, obteniéndose a sí un paralelogramo (abcd). Cualquier punto dentro del triángulo ABC, representa una mezcla de los tres suelos, pero si además ese punto cae dentro del paralelogramo abcd, cumplirá además la especificación dada. Siendo el punto de mezcla óptima el que se localiza en el centro de gravedad del paralelogramo (punto O), se consigue la proporción de la mezcla de los tres suelos de la siguiente manera: se une el punto C con el punto O y se prolonga la línea hasta o’ sobre la línea que une a los suelos A y B. La relación oo’/ o C dará la proporción con que interviene el suelo C en la mezcla. Del mismo modo, la relación Bo’/AB multiplicada por el complemento de la proporción con la que interviene C, dará la proporción con que interviene A. Finalmente , el complemento de las dos anteriores será la proporción con la que interviene B en la mezcla. Esas proporciones multiplicadas por los correspondientes porcentajes de cada suelo que pasan las respectivas mallas (Tabla a), permitirá obtener la curva granulométrica de la mezcla como se muestra en la figura d). En la Tabla b) se dan algunos criterios en la estabilización de suelos y minerales. COMPACTACION Se aumenta la densidad del suelo mediante acción mecánica, que remodela ó cambia estructuralmente el suelo. Mientras más denso sea el suelo, más baja es su compresibilidad El esfuerzo de compactación es el número de pasadas hechas con una máquina específica de peso dado y con una velocidad dada. Para un esfuerzo dado de compactación, la densidad varía con el

24

contenido de humedad. Para un contenido de humedad dado, el aumentar el esfuerzo de compactación aumenta la densidad y reduce la permeabilidad. El uso de medios vibratorios mejora la compactación en suelos granulares (arenas) RECOMENDACIÓN DEL EQUIPO DE COMPACTACION SEGÚN TIPO DE SUELO A -1

A–2

Tipo de Equipo

A-3 A-1a 1

A-12

Neumático

2

Pata de cabra

A-4 A-5 A-6 A-7

2

A-24 1

A-25 1

A-26 1

A-27 2

2

3

3

4

2

2

1

1

1

1

2

2

2

3

5

5

5

4

4

3

2

2

1

1

1

Pisón Impacto

2

2

1

2

2

2

4

4

4

4

4

Vibratorio

1

1

1

1

1

3

4

3

3

5

5

Liso.

1.- Excelente 2.- Bueno 3.- Regular 4.- Deficiente 5.- Inadecuado CONSOLIDACION Se logra mediante la aplicación de cargas estáticas y la eliminación de agua de los poros. Aplicada a suelos cohesivos saturados de los mismos resultados que la compactación. Es un proceso lento que puede llevar tiempos bastante largos. Cuando se consolida un suelo, llega al equilibrio con la carga super impuesta. DRENAJE Consiste en la eliminación del agua del suelo; cuando la cantidad de agua en el suelo, y la presión del agua en los poros aumenta, generalmente la resistencia del suelo disminuye. El drenaje puede realizarse mediante gravedad, bombeo, compresión mediante carga externa sobre el suelo, electro ósmosis, calefacción ó congelación.

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ESTABILIZACIÓN QUÍMICA. Este procedimiento se utiliza para muchos fines. Consiste en la aplicación de algún tipo de aglomerante a la masa de suelo, con la finalidad de modificar sus propiedades mecánicas. En tratamientos de superficie, suplementa la estabilización mecánica para que los efectos sean más duraderos. En tratamientos subterráneos, los productos químicos pueden utilizarse para mejorar la capacidad de carga o disminuir la permeabilidad. Como material aglomerante se suele utilizar: cal, cemento, asfalto u otros tipos de productos químicos conocidos como aditivos, de diferentes marcas. ESTABILIZACIONES CON CAL Ha venido a ser en muchos países una técnica preferida de estabilización de sub-rasantes, subbases y bases, debido a que permite el uso de suelos marginales mejorándolos por el añadido de una pequeña cantidad de cal hidratada, evitando a sí su eliminación y reemplazo por materiales de préstamo. La estabilización con cal se aplica solamente a la cal hidratada y no a la roca caliza pulverizada, que sólo reacciona mecánicamente con los suelos. En algunos casos se utiliza la cal viva en pretratamientos con suelos húmedos. Los principales efectos de la cal sobre los suelos son:        

Reduce el Indice de Plasticidad; Reduce los cambios de volumen (arcillas expansivas); Ayuda a la pulverización del suelo; Eleva el óptimo contenido de humedad, permitiendo compactar en condiciones mas húmedas; Aumenta la resistencia compresiva; Incrementa su capacidad portante en términos del CBR; Forma una barrera resistente al agua de abajo hacia arriba y viceversa; Permítela formación de una “mesa de trabajo”, facilitando la compactación de las capas superiores.

La aplicación mas frecuente de la estabilización con cal es como pre-tratamiento a la estabilización con cemento sobre arcillas plásticas (10% IP  50%), a las que hace mas trabajables y fáciles de compactar. También se la utiliza en el mejoramiento de las propiedades resistentes de las gravas arcillosas (material de base). Donde tiene poco efecto es con los suelos muy orgánicos o sin arcilla. Cuando los suelos tienen un IP bajo, es inprescindible que exista cuando menos 15% de material que pase la malla Nº 200. En lo que sigue, se dan algunas recomendaciones de la National Lime Association para la ejecución de estabilizaciones con cal hidratada en sub-rasantes o sub-bases, a un rango de 3% a 6% en peso del suelo seco. Los pasos a seguir son:      

Escarificación y Pulverización Extendido de la cal Mezclado preliminar y Regado Curado preliminar Mezclado final y pulverización Compactación

26

 Curado final ESTABILIZACION CON CEMENTO Es una técnica que se utiliza desde 1917 y que hoy en muchos países es de uso común para estabilizar sub-rasantes o mejorar las propiedades resistentes de sub-bases y bases de pavimentos urbanos, de carreteras y aeropuertos. Se emplea normalmente para disminuir la porosidad y la plasticidad de los suelos arcillosos, así como para aumentar su resistencia y su durabilidad; aunque es posible emplearlo con cualquier tipo de suelo (Tablas 3.3.3.a y 3.3.3.b). La principal restricción a las estabilizaciones de suelo-cemento se encuentra en el contenido de materia orgánica que dificulta la reacción es por esa razón que se le restringe a 1 ó 2% en peso. Otros elementos nocivos son los sulfatos de calcio y de magnesio y en general toda sustancia hidrófila presente en el suelo. Para contrarrestar las sustancias nocivas, se recomienda el empleo de cementos de alta resistencia. Aunque todos los tipos de cemento son útiles para la estabilización de suelos, normalmente se utilizan los de fraguado rápido y los de resistencias normales, siendo en todo caso preferibles los cementos mas finos. Hay tres tipos de mezclas de suelo y cemento:  Suelo-cemento compactado;  Suelo modificado con cemento; y  Suelo-cemento plástico. El suelo-cemento compactado es aquel que contiene suficiente cantidad de cemento como para endurecer el suelo, así como el grado de humedad necesario para lograr la hidratación del cemento y una adecuada compactación. Otras expresiones utilizadas para denominar a este tipo de mezcla son: “bases tratadas con cemento”, “suelo estabilizado con cemento” y “agregado estabilizado”.

El suelo modificado con cemento es una mezcla no endurecida o semi-endurecida de suelo y cemento, con cantidades de éste último menores que las empleadas para el suelocemento. Se utiliza preferentemente para reducir la plasticidad y la capacidad de retención de agua, e incrementar la capacidad portante de ciertos suelos. Sus principales aplicaciones están: como material de relleno en terraplenes, en sub-rasantes, sub-bases y bases. El suelo-cemento plástico también es una mezcla endurecida de suelo y cemento, que contiene al momento de colocarla, suficiente cantidad de agua como para que contenga una consistencia similar a la del mortero plástico. Se emplea en taludes, áreas irregulares o confinadas tales como revestimientos de cuentas u otras áreas erosionables, donde es difícil operar con el equipo normal de construcción.

PORCENTAJE DE CEMENTO A PROBAR INICIALMENTE EN DIFERENTES TIPOS DE SUELOS. Suelo Clasif. SUCS GW, GP,GM y SW. SC y GC.

% de cemento en peso normalmente usado por capa terminada. 3–8 5–9

% de cemento en peso a usar en pruebas de compactación 5–6 7

% de cemento en peso a usar en pruebas de durabilidad. 3–7 5–9

27

SP y SM. ML CL, OL y MH CH OH y Pt.

7 – 11 7 – 12 8 – 13 9 – 15 10 – 16

9 10 10 12 13

7 – 11 8 – 12 8 – 12 10 – 14 11 – 15.

Los suelos provenientes del horizonte “A” contienen materias orgánicas u otros materiales perjudiciales para la reacción del cemento, por lo que pueden requerir porcentajes mas altos de éste. Cuando la coloración de estos suelos sea de gris a gris oscura, convendrá incrementar los contenidos de cemento indicados en 4 puntos. Cuando la coloración sea negra, el aumento será de 6 puntos.

TABLA LIMITES NORMALES DE CONTENIDOS DE CEMENTO EN LOS SUELOS DE LOS HORIZONTES B y C Grupo de suelo Clasificación AASHTO A–1–a A–1–b A–2–4 A–2–5 A–2–6 A–2–7 A–3 A–4 A–5 A–6 A–7

% de volumen

% en peso

5–7 7–9 -.-.7 – 10 -.8 – 12 8 – 12 8 – 12 10 – 14 10 – 14

3–5 5–8 -.-.5–9 -.7 – 11 7 – 12 8 – 13 9 – 15 10 - 16

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ANEXO N° 1 PROCESO ALEATORIO PARA SELECCIONAR LA UBICACIÓN DE PUNTOS DE MUESTREO La Tabla N° ANX 1-1 contiene números aleatorios (Random) obtenidos enteramente al azar y que están formados por un conjunto de dígitos cada uno de los cuales tienen igual probabilidad de ser uno cualquiera de los dígitos comunes en base 10, para el proceso de seleccionar la ubicación de puntos de la carretera en que se tomen las muestras para ensayos de laboratorio o donde se verifique la calidad de los trabajos. También puede ser utilizada para medición de deflexiones con viga Benkelman. El proceso consiste en lo siguiente: (1) Identificar la Sección de control de acuerdo al tipo de trabajo ejecutado y a la especificación respectiva. (2) Determinar el número de puntos de muestreo dentro de la sección de control seleccionando la máxima distancia longitudinal promedio deseada entre las muestras y dividiendo la longitud de la sección entre la máxima distancia longitudinal promedio. (3) Seleccionar por sorteo y al azar un número que represente una columna de la Tabla N° ANX 1-1. Dicho número tendrá un valor comprendido entre 1 y 28. (4) Buscar en la Tabla N° ANX 1-1 la columna que identifica al número seleccionado. En la subcolumna A ubicar todos los números menores o igual que el número de puntos de muestreo definidos en el Acápite 2. (5) Multiplicar la longitud total de la sección de control por los valores que se hallan en la subcolumna B adyacentes a los valores de la subcolumna A. Sumar los resultados obtenidos a la progresiva de inicio de la Sección de Control para obtener la progresiva de la ubicación de los puntos de muestreo. (6) Multiplicar el ancho total de la sección de obra por los valores que se hallan en la subcolumna C, adyacentes a la subcolumna B, para obtener la distancia transversal medida desde el borde izquierdo de la sección que determina la ubicación del punto de muestreo en la progresiva respectiva. Este paso no se aplica a la medición de deflexiones Benkelman, que tienen establecido el punto de aplicación de las cargas con respecto al borde del pavimento. Ejemplo Se trata de determinar la ubicación de los puntos de muestreo para los ensayos de densidad de la base granular en una carretera en construcción: (1)

El ancho de la base es de 9,50 m. y la sección de control para la compactación de acuerdo a la especificación es de 1 prueba cada 250 m 2 con 6 mediciones, es decir con una Sección de Control de 1 500 m2.

29

·

Longitud de la Sección de Control : 158 m.

·

Estación inicial de la Sección de Control : Km. 10+120

·

Número de puntos de muestreo : 158 / 26 = 6

(2)

Por sorteo y al azar se ha seleccionado el número 15.

(3)

Los números seleccionados de la columna 15 de la Tabla ANX 1-1 correspondientes a los valores menores o igual al número de puntos de muestreo son:

(4)

Col A

Col B

Col C

01

0,139

0,230

06

0,185

0,481

03

0,523

0,519

05

0,780

0,497

04

0,951

0,482

02

0,977

0,172

Determinación de las progresivas de los puntos de muestreo: Progresiva del

Long x Col B

Dist del Inicio

Progresiva Inicial

158x0.139

22

Km 10+120

Punto de Muestreo Km 10+142

158x0.185

29

Km 10+120

Km 10+149

158x0.523

83

Km 10+120

Km 10+203

158x0.780

123

Km 10+120

Km 10+243

158x0.951

150

Km 10+120

Km 10+270

158x0.977

154

Km 10+120

Km 10+274

Progresiva del Fin de Sección Km. 10 + 278, que se convierte en el inicio de la siguiente sección. (5)

Determinación de la distancia transversal de los puntos de muestreo, medido desde el borde izquierdo de la base.

Ancho x Col. C

(6)

9.50 x 0.230 =

Distancia del Borde Izq. (m) 2.2

9.50 x 0.481 =

4.6

9.50 x 0.519 =

4.9

9.50 x 0.497 =

4.7

9.50 x 0.482 =

4.6

9.50 x 0.172 =

1.6

Resumen: Ubicación de los puntos de muestreo en la Sección de Control.

30

Punto 1

Progresiva Km 10+142

Distancia del Borde Izq. (m) 2.2

2

Km 10+149

4.6

3

Km 10+203

4.9

4

Km 10+243

4.7

5

Km 10+270

4.6

6

Km 10+274

1.6

31

Col. N°1

Col. N°2

Col. N°3

Col. N°4

Col. N°5

Col. N°6

Col. N°7

A

B

C

A

B

C

A

B

C

A

B

C

A

B

C

A

B

07C

A

B

C

15 21 23 30 24

0.033 0.101 0.129 0.158 0.177

0.576 0.300 0.916 0.434 0.397

05 17 18 06 28

0.048 0.074 0.102 0.105 0.179

0.879 0.156 0.191 0.257 0.447

21 30 10 25 29

0.013 0.036 0.052 0.061 0.062

0.220 0.853 0.746 0.954 0.507

18 10 14 28 24

0.089 0.102 0.111 0.127 0.132

0.716 0.330 0.925 0.840 0.271

17 24 26 07 28

0.024 0.060 0.074 0.167 0.194

0.863 0.032 0.639 0.512 0.776

30 21 10 29 24

0.030 0.096 0.100 0.133 0.138

0.901 0.198 0.161 0.388 0.062

12 18 20 03 13

0.029 0.112 0.114 0.121 0.178

0.386 0.284 0.848 0.656 0.640

11 16 08 19 29

0.202 0.204 0.208 0.211 0.233

0.271 0.012 0.418 0.798 0.070

26 04 02 03 07

0.187 0.188 0.208 0.124 0.245

0.844 0.482 0.577 0.402 0.080

18 24 07 01 23

0.087 0.105 0.139 0.175 0.196

0.887 0.849 0.159 0.641 0.873

19 01 30 22 05

0.285 0.326 0.334 0.405 0.421

0.899 0.037 0.938 0.295 0.282

03 29 11 14 13

0.219 0.264 0.282 0.379 0.394

0.166 0.284 0.262 0.994 0.405

20 22 14 01 06

0.168 0.232 0.259 0.275 0.277

0.564 0.953 0.217 0.195 0.475

22 16 29 28 11

0.209 0.221 0.235 0.264 0.287

0.421 0.311 0.356 0.941 0.199

07 17 25 06 01

0.260 0.262 0.271 0.302 0.409

0.073 0.308 0.180 0.672 0.406

15 29 30 21 11

0.248 0.261 0.302 0.318 0.376

0.831 0.087 0.883 0.088 0.936

26 14 06 11 13

0.240 0.255 0.310 0.316 0.324

0.981 0.374 0.043 0.653 0.585

13 02 06 08 25

0.451 0.461 0.487 0.497 0.503

0.212 0.023 0.539 0.396 0.893

06 15 22 21 05

0.410 0.438 0.453 0.472 0.488

0.157 0.700 0.635 0.824 0.118

02 26 05 17 09

0.296 0.311 0.351 0.370 0.388

0.497 0.144 0.141 0.811 0.484

02 15 19 24 14

0.336 0.393 0.437 0.466 0.531

0.992 0.488 0.655 0.773 0.199

13 02 18 20 12

0.507 0.575 0.591 0.610 0.631

0.693 0.654 0.318 0.821 0.597

14 27 08 09 10

0.430 0.438 0.467 0.474 0.492

0.814 0.676 0.205 0.138 0.474

12 20 08 16 03

0.351 0.371 0.409 0.445 0.494

0.275 0.535 0.495 0.740 0.929

15 27 21 17 09

0.594 0.620 0.629 0.691 0.708

0.603 0.894 0.841 0.583 0.689

01 12 08 18 30

0.525 0.561 0.652 0.668 0.736

0.222 0.980 0.508 0.271 0.634

04 25 13 15 23

0.410 0.471 0.486 0.515 0.567

0.073 0.530 0.779 0.867 0.798

09 06 10 26 23

0.562 0.601 0.612 0.612 0.738

0.678 0.678 0.675 0.112 0.770

27 04 22 05 09

0.651 0661 0.692 0.779 0.787

0.281 0.953 0.089 0.346 0.173

13 19 23 20 24

0.499 0.511 0.591 0.604 0.654

0.892 0.520 0.770 0.730 0.330

27 17 02 19 22

0.543 0.625 0.699 0.702 0.816

0.387 0.171 0.073 0.934 0.802

07 11 23 03 20

0.709 0.714 0.720 0.748 0.781

0.012 0.049 0.695 0.413 0.603

02 23 25 10 16

0.763 0.804 0.828 0.843 0.858

0.253 0.140 0.425 0.627 0.849

11 28 27 16 19

0.618 0.636 0.650 0.711 0.778

0.502 0.148 0.741 0.508 0.812

21 30 27 07 04

0.753 0.758 0.765 0.780 0.818

0.614 0.851 0.563 0.534 0.187

32

10 14 26 28 03

0.818 0.895 0.912 0.920 0.945

0.837 0.631 0.376 0.163 0.140

12 16 01 22 25

0.728 0.753 0.806 0.878 0.939

0.523 0.344 0.134 0.884 0.162

04 15 28 19 05

0.838 0.904 0.969 0.974 0.977

0.166 0.116 0.742 0.046 0.494

26 04 12 29 16

0.830 0.843 0.884 0.926 0.951

0.384 0.002 0.582 0.700 0.601

04 09 27 20 19

0.903 0.912 0.935 0.970 0975

0.327 0.382 0.162 0.582 0.327

07 08 18 12 03

0.804 0.806 0.841 0.918 0.992

0.675 0.952 0.414 0.114 0.399

17 05 01 08 25

0.837 0.854 0.867 0.915 0.975

0.353 0.818 0.133 0.538 0.584

Tabla N° ANX 1 – 1 Números Aleatorios (Random)

Col. N°8

Col. N°9

Col. N°10

Col. N°11

Col. N°12

Col. N°13

Col. N°14

A

B

C

A

B

C

A

B

C

A

B

C

A

B

C

A

B

07C

A

B

C

09 17 02 05 03

0.042 0.141 0.143 0.162 0.285

0.071 0.411 0.221 0.899 0.016

14 02 03 16 18

0.061 0.065 0.094 0.122 0.158

0.935 0.097 0.228 0.945 0.430

26 30 27 09 05

0.038 0.066 0.073 0.095 0.180

0.023 0.371 0.876 0.568 0.741

27 06 24 10 15

0.074 0.084 0.098 0.133 0.187

0.779 0.396 0.524 0.919 0.079

16 23 17 04 10

0.073 0.078 0.096 0.153 0.254

0.987 0.056 0.076 0.163 0.834

03 07 28 12 26

0.033 0.047 0.064 0.066 0.076

0.901 0.391 0.113 0.360 0.552

26 17 10 28 13

0.035 0.089 0.149 0.238 0.244

0.175 0.363 0.681 0.075 0.767

28 08 01 20 18

0.291 0.369 0.436 0.450 0.455

0.034 0.557 0.386 0.289 0.789

25 24 10 09 20

0.193 0.224 0.225 0.233 0.290

0.469 0.572 0.223 0.838 0.120

12 13 21 17 23

0.200 0.259 0.264 0.283 0.363

0.851 0.327 0.681 0.645 0.063

17 20 01 04 29

0.227 0.236 0.245 0.317 0.350

0.767 0.571 0.988 0.291 0.911

06 12 25 01 08

0.284 0.305 0.319 0.320 0.416

0.628 0.616 0.901 0.212 0.372

30 02 06 25 01

0.067 0.127 0.144 0.202 0.247

0.101 0.187 0.068 0.674 0.025

24 08 18 02 29

0.262 0.264 0.285 0.340 0.353

0.366 0.651 0.311 0.131 0.478

33

23 14 15 04 16

0.488 0.496 0.503 0.515 0.532

0.715 0.276 0.342 0.693 0.112

01 11 19 13 20

0.297 0.337 0.389 0.411 0.447

0.242 0.760 0.064 0.474 0.893

20 16 02 08 10

0.364 0.395 0.423 0.432 0.476

0.366 0.363 0.540 0.736 0.468

26 28 22 05 14

0.380 0.425 0.487 0.552 0.564

0.104 0.864 0.526 0.511 0.357

13 02 29 15 28

0.432 0.489 0.503 0.518 0.524

0.556 0.827 0.787 0.717 0.998

23 24 10 27 13

0.253 0.320 0.328 0.338 0.356

0.323 0.651 0.365 0.412 0.991

06 20 14 03 27

0.359 0.387 0.392 0.408 0.440

0.270 0.248 0.694 0.077 0.280

22 11 12 21 13

0.557 0.559 0.650 0.672 0.709

0.357 0.620 0.216 0.320 0.273

22 29 27 04 08

0.478 0.481 0.562 0.566 0.603

0.321 0.993 0.403 0.179 0.758

03 01 22 29 11

0.508 0.601 0.687 0.697 0.701

0.774 0.417 0.917 0.862 0.605

11 21 09 19 18

0.572 0.594 0.607 0.650 0.664

0.306 0.197 0.524 0.572 0.101

03 19 05 07 11

0.542 0.585 0.695 0.733 0.744

0.352 0.462 0.111 0.838 0.948

16 17 21 08 19

0.401 0.423 0.481 0.560 0.564

0.792 0.117 0.838 0.401 0.190

22 16 30 25 02

0.461 0.527 0.531 0.678 0.725

0.830 0.003 0.486 0.360 0.014

07 30 19 26 29

0.745 0780 0.845 0.846 0.861

0.687 0.285 0.097 0.366 0.307

15 06 28 17 07

0.632 0.707 0.737 0.846 0.874

0.927 0.107 0.161 0.130 0.491

77 14 24 15 25

0.728 0.745 0.819 0.840 0.863

0.498 0.679 0.444 0.823 0.568

25 02 03 16 30

0.674 0.697 0.767 0.809 0.838

0.428 0.674 0.928 0.529 0.294

18 27 21 24 26

0.793 0.802 0.826 0.835 0.855

0.748 0.967 0.487 0.832 0.142

05 18 15 11 22

0.571 0.587 0.604 0.641 0.672

0.054 0.584 0.145 0.298 0.156

05 15 12 04 11

0.797 0.801 0.836 0.854 0.884

0.595 0.927 0.294 0.982 0.928

25 24 10 06 27

0.906 0.919 0.952 0.961 0.969

0.874 0.809 0.555 0.504 0.811

05 23 26 21 12

0.880 0.931 0.960 0.878 0.982

0.828 0.659 0.365 0.194 0.183

06 18 04 28 19

0.878 0.930 0.954 0.963 0.988

0.215 0.601 0.827 0.004 0.020

13 08 07 12 23

0.845 0.855 0.867 0.981 0.937

0.470 0.524 0.718 0.722 0.872

14 20 30 09 22

0.861 0.874 0.929 0.935 0.947

0.462 0.625 0.056 0.582 0.797

20 14 09 29 04

0.674 0.806 0.841 0.918 0.959

0.887 0.881 0.560 0.752 0.099

19 07 09 01 23

0.886 0.929 0.932 0.970 0.973

0.832 0.932 0.206 0.692 0.082

Col. N°15 A

B

Col. N°16 C

A

B

Col. N°17 C

A

B

Col. N°18 C

A

B

Col. N19° C

A

B

Col. N°20 C

A

B

Col. N°21 C

A

B

C

34

15 11 07 01 16

0.023 0.118 0.134 0.139 0.145

0.979 0.465 0.172 0.230 0.122

19 25 09 18 05

0.062 0.080 0.131 0.136 0.147

0.588 0.218 0.295 0.381 0.864

13 18 26 12 30

0.045 0.086 0.126 0.128 0.146

0.004 0.878 0.990 0.661 0.337

25 06 26 07 18

0,027 0,057 0,059 0,105 0,107

0,290 0,571 0,026 0,176 0,358

12 30 28 27 02

0,052 0,075 0,120 0,145 0,209

0,075 0,493 0,341 0,689 0,957

20 12 22 28 03

0,030 0,034 0,043 0,143 0,150

0,881 0,291 0,893 0,073 0,937

01 10 09 06 15

0,010 0,014 0,032 0,093 0,151

0,946 0,939 0,346 0,180 0,012

20 06 09 14 25

0.165 0.185 0.211 0.248 0.249

0.520 0.481 0.316 0.348 0.890

12 28 14 13 15

0.158 0.214 0.215 0.224 0.227

0.365 0.184 0.757 0.846 0.809

05 21 23 25 10

0.169 0.244 0.270 0.2.74 0.290

0.470 0.433 0.849 0.407 0.925

22 23 15 08 20

13 30 18 22 10

0.252 0.273 0.277 0.372 0.461

0.577 0.088 0.689 0.958 0.075

11 01 10 30 08

0.280 0.331 0.339 0.417 0.439

0.898 0.925 0.992 0.787 0.921

01 24 15 29 08

0.323 0.352 0.361 0.374 0.432

0.490 0.291 0.155 0.882 0.139

04 14 11 01 09

0,128 0,156 0,171 0,220 0,252 0,268 0,275 0,297 0,358 0,412

0,827 0,440 0,157 0,097 0,066 0,576 0,302 0,589 0,305 0,089

26 22 18 20 15 16 01 13 21 04

0,272 0,299 0,306 0,311 0,348 0,381 0,411 0,417 0,472 0,478

0,818 0,317 0,475 0,653 0,156 0,710 0,607 0,715 0,484 0,885

04 19 29 06 18 17 23 01 07 24

0,154 0,158 0,304 0,369 0,390 0,403 0,404 0,415 0,437 0,446

0,867 0,359 0,615 0,633 0,536 0,392 0,182 0,457 0,696 0,546

16 07 02 30 18 20 26 19 13 12

0,185 0,227 0,304 0,316 0,328 0,352 0,371 0,448 0,487 0,546

28 17 03 26 19

0.519 0.520 0.523 0.573 0.634

0.536 0.090 0.519 0.502 0.206

20 24 04 03 23

0.472 0.498 0.516 0.548 0.597

0.484 0.712 0.396 0.688 0.508

04 22 27 16 19

0.467 0.508 0.632 0.661 0.675

0.266 0.880 0.191 0.836 0.629

16 10 28 12 02

0,429 0,491 0,542 0,563 0,593

0,834 0,203 0,306 0,091 0,321

25 11 10 29 19

0,479 0,566 0,576 0,665 0,739

0,080 0,104 0,659 0,397 0,298

26 15 10 30 25

0,485 0,511 0,517 0,556 0,561

0,768 0,313 0,290 0,853 0,837

0,455 0,277 0,400 0,074 0,799 0,288 0,216 0,754 0,598 0,640 0,038 0,780 0,930 0,154 0,908

24 21 27 05 23

0.635 0679 0.712 0.780 0.861

0.810 0.841 0.366 0.497 0.106

21 02 29 22 17

0.681 0.739 0.792 0.829 0.834

0.114 0.298 0.038 0.324 0.647

14 28 06 09 17

0.680 0.714 0.719 0.735 0.741

0.890 0.508 0.441 0.040 0.906

30 19 24 13 05

0,692 0,705 0,709 0,820 0,848

0,198 0,445 0,717 0,739 0,866

14 08 07 23 06

0,749 0,756 0,798 0,834 0,837

0,759 0,919 0,183 0,647 0,978

09 13 11 14 16

0,574 0,613 0,698 0,715 0,770

0,599 0,762 0,783 0,179 0,128

05 23 29 17 04

0,696 0,710 0,726 0,749 0,802

0,459 0,078 0,585 0,916 0,186

12 29 08 04 02

0.865 0.882 0.902 0.951 0.977

0.377 0.635 0.020 0.482 0.172

16 06 27 26 07

0.909 0.914 0.958 0.981 0.983

0.608 0.420 0.856 0.976 0.624

11 20 02 07 03

0.747 0.850 0.859 0.870 0.916

0.205 0.047 0.356 0.612 0.463

27 03 17 21 29

0,867 0,883 0,900 0,914 0,950

0,633 0,333 0,443 0,483 0,753

03 24 05 17 09

0,849 0,851 0,859 0,863 0,863

0,964 0,109 0,935 0,220 0,147

08 05 21 02 27

0,815 0,872 0,885 0,958 0,961

0,385 0,490 0,999 0,177 0,980

14 08 28 25 27

0,835 0,870 0,871 0,971 0,984

0,319 0,546 0,539 0,369 0,252

0,550 24 0,604 03 0,621 22 0,629 21 11 0,634

)

35

Col. N°22 A

B

Col. N°23 C

Col. N°24

Col. N°25

Col. Nº26

Col. N°27

Col. N°28

A

B

C

A

B

C

A

B

C

A

B

C

A

B

C

A

B

29 07 25 09 10 03 23 13 20 05 26 30 17 02 27 14 12 28 21 22 16 06 04 08 15

0,042 0,105 0,115 0,126 0,205 0,210 0,234 0,266 0,305 0,372 0,385 0,422 0,453 0,460 0,461 0,483 0,507 0,509 0,583 0,587 0,689 0,727 0,731 0,807 0,833

12 11 17 01 10 30 02 23 21 22 28 19 27 15 16 03 06 09 14 13 04 18 26 29 20

0,051 0,032 0,068 0,980 0,089 0,309 0,091 0,371 0,100 0,709 0,121 0,744 0,166 0,056 0,179 0,529 0,187 0,051 0,205 0,543 0,230 0,688 0,243 0,001 0,267 0,990 0,283 0,440 0,352 0,089 0,377 0,648 0,397 0,769 0,409 0,428 0,465 0,406 0,499 0,651 0,539 0,972 0,560 0,747 0,575 0,892 0,756 0,712 0,760 0,920

26 03 29 13 24 18 11 09 06 22 20 21 08 27 07 28 16 04 17 05 02 30 14 15 19

0,051 0,053 0,100 0,102 0,110 0,114 0,123 0,138 0,194 0,234 0,274 0,331 0,346 0,382 0,387 0,411 0,444 0,515 0,518 0,539 0,623 0,637 0,714 0,730 0,771

0,187 0,256 0,159 0,465 0,316 0,300 0,208 0,182 0,115 0,480 0,107 0,292 0,085 0,979 0,865 0,776 0,999 0,993 0,827 0,620 0,271 0,374 0,364 0,107 0,552

08 16 11 21 18 17 26 01 12 03 10 05 25 27 24 20 06 07 09 13 22 04 19 02 29

0,015 0,068 0,118 0,124 0,153 0,190 0,192 0,237 0,283 0,286 0,317 0,337 0,441 0,469 0,473 0,475 0,557 0,610 0,617 0,641 0,664 0,668 0,717 0,776 0,777

0,521 0,994 0,400 0,565 0,158 0,159 0,676 0,030 0,077 0,318 0,734 0,844 0,336 0,786 0,237 0,761 0,001 0,238 0,041 0,648 0,291 0,856 0,232 0,504 0,548

02 16 26 11 07 05 14 18 28 06 15 10 24 22 27 19 21 17 09 30 03 08 12 23 20

0,039 0,061 0,068 0,073 0,123 0,126 0,161 0,166 0,248 0,255 0,261 0,301 0,363 0,378 0,379 0,420 0,467 0,494 0,620 0,623 0,625 0,651 0,715 0,782 0,810

0,005 0,599 0,054 0,812 0,649 0,658 0,189 0,040 0,171 0,117 0,928 0,811 0,025 0,792 0,959 0,557 0,943 0,225 0,081 0,106 0,777 0,790 0,599 0,093 0,371

16 01 04 22 13 20 05 10 02 07 30 06 12 08 18 19 03 15 09 14 26 29 25 24 27

0,026 0,033 0,088 0,090 0,114 0,136 0,138 0,216 0,233 0,278 0,405 0,421 0,426 0,471 0,473 0,510 0,512 0,640 0,665 0,680 0,703 0,739 0,759 0,803 0,842

0,102 0,886 0,686 0,602 0,614 0,576 0,228 0,565 0,610 0,357 0,273 0,807 0,583 0,708 0,738 0,207 0,329 0,329 0,354 0,884 0,622 0,394 0,386 0,602 0,491

21 17 10 05 06 07 16 08 13 02 25 28 20 14 26 27 12 29 23 22 18 11 01 04 19

0,050 0,085 0,141 0,154 0,164 0,197 0,215 0,222 0,269 0,288 0,333 0,348 0,362 0,511 0,540 0,587 0,603 0,619 0,623 0,624 0,670 0,711 0,790 0,813 0,843

0,952 0,403 0,624 0,157 0,841 0,013 0,363 0,520 0,477 0,012 0,633 0,710 0,961 0,989 0,903 0,643 0,745 0,895 0,333 0,076 0,904 0,253 0,392 0,611 0,732

05 25 24 08 07

0,847 0,872 0,874 0,911 0,946

23 10 12 01 25

0,780 0,924 0,929 0,937 0,974

0,662 0,888 0,204 0,714 0,398

14 23 30 28 15

0,823 0,848 0,892 0,943 0,975

0,223 0,264 0,817 0,190 0,962

01 29 25 04 13

0,841 0,862 0,891 0,917 0,958

0,726 0,009 0,873 0,264 0,990

21 28 23 11 17

0,870 0,906 0,948 0,956 0,993

0,435 0,367 0,367 0,142 0,989

03 30 09 24 15

0,844 0,858 0,929 0,931 0,939

0,511 0,299 0,199 0,263 0,947

0,925 0,891 0,135 0,215 0,065

C 0,039 0,293 0,420 0,612 0,144 0,054 0,533 0,799 0,603 0,223 0,111 0,315 0,783 0,916 0,841 0,095 0,375 0,748 0,804 0,993 0,339 0,298 0,814 0,983 0,757

0,896 0,464 19 0,916 0,384 18 0,948 0,610 01 11 0,976 0,799 24 0,978 0,633

36

SEMANA 2.SEGUNDA UNIDAD: DISEÑO DE PAVIMENTOS. 1.- GENERALIDADES La creciente necesidad de comunicación con mayor rapidez y comodidad, en condiciones de seguridad y economía han ido obligando a las dependencias estatales encargadas de la vialidad, a proponer mejoras en las rutas de la red vial, lo que significa plantear modificaciones en la estructura de los pavimentos existentes, para dotarlos de mayor capacidad para soportar las condiciones del tránsito vehicular y las mas diversas condiciones topográficas y meteorológicas que presenta el territorio nacional. El desarrollo del presente curso de PAVIMENTOS se orienta a cubrir la necesidad de formación de técnicos capacitados para el estudio, evaluación, diseño y construcción de pavimentos nuevos o en obras de mejoramiento y rehabilitación vial. El desarrollo del curso está dirigido en síntesis, a cubrir los aspectos siguientes: 1.-

Estudio de las características de un pavimento y elección del pavimento más adecuado para una carretera de determinadas características.

2.-

Diseño de pavimentos flexibles y rígidos, mediante la utilización de varios métodos, lo que implica determinar el espesor de cada una de las capas conformantes y, la calidad de los materiales a utilizar.

3.-

Criterios para la construcción, mantenimiento, rehabilitación y mejoramiento de pavimentos.

2.- DEFINICIONES: PAVIMENTO.- Se llama pavimento a toda estructura de determinado espesor, que puede estar conformada por una o varias capas y, que se coloca sobre un terreno que se denomina terreno de fundación, para soportar las cargas del tránsito y distribuirlas en el terreno. TERRENO DE FUNDACIÓN.- Es aquel que sirve de fundación al pavimento después de haberse terminado el movimiento de tierras y que, después de compactado tiene las secciones transversales y pendientes especificadas en los planos del diseño. SUPERFICIE SUBRASANTE.- Viene a ser la parte superior del terreno de fundación, que puede ser una capa de material colocado sobre el terreno natural, cuando esta no tiene la resistencia necesaria. El material por debajo del nivel de la subrasante no forma parte del pavimento SUBBASE.- Es la parte de la estructura del pavimento construida entre la subrasante y la capa de base. Comúnmente consta de una capa compactada de material granular ya sea tratada o no, o una capa de suelo convenientemente tratada. Se distingue del material de la base por requerimientos menos estrictos de la especificación para resistencia, gradación, etc. Esta capa puede omitirse si la estructura del pavimento requerido es relativamente delgada, o si los suelos de la subrasante son de alta calidad y sin problemas de humedad. BASE.- Capa o capas de agregados tratadas o no con aglomerantes, destinadas a distribuir las cargas originadas por el peso de los vehículos sobre la subbase y si esta no se usa, directamente sobre la subrasante. Se construye directamente debajo de la capa superficial y comúnmente la forman: piedra triturada, escoria triturada o grava

37

triturada o sin triturar y arena, o la combinación de estos materiales, debiendo cumplir ciertos requerimientos de resistencia, estabilidad, dureza, forma y gradación. CAPA DE RODADURA.- Es la capa superficial del pavimento y, además de tener función estructural debe diseñarse para soportar los requisitos de: - Resistir los esfuerzos abrasivos del tránsito. - Limitar la cantidad de agua superficial que penetra en el pavimento ( impermeabilizante) - Proveer una superficie resistente a los deslizamientos. - Proporcionar una superficie lisa y uniforme que le de comodidad al transporte. Además, la capa superficial debe ser durable, capaz de resistir fracturas y desmoronamientos sin llegar a ser inestable en las condiciones del tráfico y del clima. PAVIMENTO FLEXIBLE.- Es aquel construido utilizando ligantes asfálticos dentro de la estructura de capas que forman un pavimento. En lo que a estabilidad se refiere depende de la trabazón o entrelazamiento de los áridos, rozamiento y cohesión de las partículas. PAVIMENTO RÍGIDO.- Estructura de pavimento que distribuye las cargas al terreno de fundación y que tiene como revestimiento una losa de concreto de cemento Portland de resistencia a la flexión relativamente elevada. PAVIMENTO COMPUESTO.- Pavimento que consta de capas flexibles y capas rígidas, con o sin capas granulares de separación. 3.- FINALIDAD DE LOS PAVIMENTOS. Las estructuras de los pavimentos se diseñan con la finalidad de atender los siguientes requerimientos: -

Soportar las más elevadas frecuencias de tráfico y cargas por eje transmitidas por los vehículos durante el período de diseño (vida útil) Para el efecto se deben determinar el volumen y el tipo del tráfico y su estratigrafía.

-

Soportar los esfuerzos abrasivos producidos por las llantas, lo que será contrarrestado por la cohesión del material.

-

Soportar las condiciones climáticas más adversas, controlar la cantidad de agua mediante sistemas de drenaje; controlar las heladas.

-

Brindar al tránsito una superficie uniforme proporcionando comodidad al usuario, velocidades uniformes de circulación y seguridad, lo que incidirá en los costos del transporte en la vía.

4.- CLASIFICACIÓN DE LOS PAVIMENTOS Los pavimentos pueden consideraciones siguientes: A.B.C.D.-

clasificarse

de

diferentes

maneras,

atendiendo

a

las

Por el lugar en que prestan servicio. Por la forma en que transmiten la carga a la subrasante. Por los materiales con los que están hechos. Por su calidad.

38

A su vez cada clase se subdivide de la siguiente manera: A.-

POR EL LUGAR EN QUE PRESTAN SERVICIO.

A.1.

Pavimentos para viviendas.- Son aquellos que se construyen en las viviendas y zonas aledañas. Debido a reducidas cargas que soportan su función principal es ornamental. En este tipo de pavimentos se debe prestar atención a la textura, suavidad, color, condiciones acústicas y térmicas. Podemos citar como ejemplo los pisos de granito, parquet, cerámico, losetas, etc.

A.2.

Pavimentos para zonas urbanas.- Los que se construyen en calles, avenidas, paseos, parques, etc. Se incluyen veredas, zonas peatonales de parques y plazas, pavimentos de calles, que se construyen en las zonas urbanas. También debe considerarse el aspecto ornamental. Se puede utilizar losas de concreto, lajas de piedra, bloques de granito, ladrillo, prefabricados, etc.

A.3.

Pavimentos para carreteras.- Los utilizados en vías carrosables, de uno o más carriles. Consta de una o más capas y sus dimensiones deben diseñarse estructuralmente, para soportar las solicitaciones del tránsito vehicular, teniendo en consideración además, la calidad del terreno de fundación y de los materiales empleados. Pueden utilizarse suelos estabilizados, pavimentos asfálticos, de concreto de cemento Portland o una combinación de estos. Pavimento para aeropuertos.- Aquellos que se construyen en las pistas de aterrizaje y zonas de parqueo de aviones en los aeropuertos. Soportan grandes cargas así como efectos muy altos de abrasión, lo que exige consideraciones especiales para el diseño estructural y de la calidad de los materiales, por lo que su costo resulta elevado. En este caso se utilizan concretos asfálticos o de cemento Portland y los pavimentos mixtos.

A.4.

A.5.

Pavimento para malecones portuarios y muelles.- Necesitan un tratamiento especial, ya que se construyen sobre estructuras artificiales como son los muelles y generalmente soportan cargas estáticas, debido a la presencia de grúas.

B.-

POR LA FORMA EN QUE TRANSMITEN LAS CARGAS.

B.1.

Pavimento flexibles.- Son aquellos que tienen una base flexible o semirígida, sobre la cual se puede construir una capa de rodamiento formada por una mezcla bituminosa de alquitrán, brea o asfalto. Por ser flexibles se adaptan al terreno y a ciertos asentamientos diferenciales del mismos.

B.2.

Pavimento rígidos.- Son aquellos en los cuales la capa de rodamiento está formada por concreto de cemento Portland, con o sin armadura metálica.

B.3.

Pavimento mixtos, o compuestos.- Son aquellos que resultan de la combinación de los tipos anteriores. Se construyen cuando la resistencia requerida del pavimento es muy alta, o para la rehabilitación de pavimentos existentes.

C.-

POR LOS MATERIALES EMPLEADOS.

C.1.

Suelos estabilizados.- Son los pavimentos compuestos de una mezcla controlada de suelos nativos y de "aditivos", como asfalto, cemento Portland, cloruro de calcio y, en ciertas ocasiones, arcilla y arena u otro material granular; con la finalidad de aumentar su resistencia al corte y a los esfuerzos abrasivos, usados sobre todo para tráfico bajo y liviano. Los suelos estabilizados también servir como excelente base para ciertos tipos de pavimentos.

C.2.

Pavimento bituminosos.- Se agrupan en esta categoría aquellos pavimentos cuya superficie de rodadura lo constituye una mezcla de agregados y material bituminoso, generalmente asfalto, asentados sobre una o más capas de material granular. Su comportamiento estructural es de tipo flexible, pero si las capas inferiores lo forman

39

suelos estabilizados de alta rigidez y resistencia mecánica, su flexibilidad puede disminuir y a veces desaparecer, adoptando un comportamiento semirígido o rígido. C.3.

Pavimento de concreto de cemento Portland.- Son estructuras en las que la losa absorbe los esfuerzos producidos por las cargas del tránsito y los transmite en grandes áreas del terreno de fundación directamente o a través de una o más capas de material granular. Las losas pueden ser de concreto simple, armado, o tensionado y su comportamiento es de naturaleza rígida.

C.4.

Pavimentos varios.- Se agrupan bajo esta clasificación los pavimentos construidos de piedra, ladrillo, madera, láminas metálicas, fibra sintética, etc. que cubren requisitos estéticos, térmicos o de otro tipo.

D.-

POR SU CALIDAD.

D.1.

Pavimentos económicos.- Son los de menor costo de construcción, dentro de los que podemos considerar a los suelos estabilizados y a los tratamientos superficiales.

D.2.

Pavimento de tipo intermedio.- Costo un poco mas elevado que los anteriores, como generalmente lo son las mezclas baratas de asfalto in situ o en planta, macadam de penetración y similares.

D.3.

Pavimento de tipo superior.- Son más costosos, utilizados generalmente en carreteras de primera clase, carreteras duales y en aeropuertos importantes. Aquí se incluyen los pavimentos de concretos asfálticos, concretos de cemento Portland, mixtos, los mosaicos, etc.

D.4.

Pavimentos de lujo.- Son los que además de cumplir requisitos estructurales especiales, cumplen funciones estéticas y ornamentales. Podemos considerar dentro de este tipo, los pavimentos de adoquines de vidrio, enlosados, etc.

5.- ESTRUCTURA DE UN PAVIMENTO. La calidad, naturaleza, espesor y composición de la estructura de un pavimento dependen del volumen y tipo del tráfico, de la calidad, costo y disponibilidad de los materiales, de las condiciones climáticas, de la capacidad de soporte de la subrasante y, de que el pavimento se vaya a construir en etapas por un período de varios años. La conformación de un pavimentos es tan variada, que va desde una superficie estabilizada de tierra, obtenida por remoldeado y compactación del terreno existente, hasta un concreto asfáltico de alta calidad o pavimento de concreto de cemento Portland, o una combinación de ambas, con varias capas de base y subbase. (ver figuras) 6.- CONDICIONES QUE DEBE TENER UN PAVIMENTO. Son muchas las condiciones o cualidades que debe tener o cumplir un buen pavimento, las más relevantes e importantes son: a)

Tener Resistencia Estructural.- Es la condición más importante que debe satisfacer un pavimento a fin de ser capaz de soportar las cargas estáticas y dinámicas que le impondrá el tráfico, por ello tendrá el espesor y constitución adecuada, deberá recepcionar convenientemente las cargas y transmitirlas o distribuirlas en forma satisfactoria a la subrasante sin que se produzcan deformaciones permanentes y perjudiciales, así como impedir la formación de grietas en su estructura interna y evitar el desplazamiento de sus partículas. Esta

40

condición implica también que el pavimento será resistente a la acción repetitiva de las cargas. Acción que con el transcurso del tiempo suele llegar a producir el agotamiento o fatiga del material que constituye El pavimento, también la repetición de cargas, ocasiona la interpenetración de partículas granulares en las capas de suelo más fino. b)

Ser durable.- En Ingeniería este requerimiento es muy importante, por cuanto si se va a disponer una obra, esta, a la vez que ha de cumplir un objetivo o satisfacer una necesidad, tiene que ser duradera para un período de diseño, o más propiamente para un tiempo de servicio, al término del cual habrá justificado plenamente la inversión efectuada en su construcción. Para satisfacer este condicionamiento, el pavimento resistirá la acción de las aguas de lluvia, la acción abrasiva del tránsito, de las inundaciones, de los movimientos sísmicos, así como el efecto abrasivo del viento y de la arena, también efectos destructivos de las heladas y agentes atmosféricos.

c)

Ser cómodo y Seguro para el Tránsito.- El pavimento debe tener una superficie uniforme, suave; es decir no presentar rugosidad u ondulaciones ni longitudinales ni transversales, además, será suficientemente áspera, que evite el resbalamiento sobre todo cuando se trate de zonas lluviosas.

d)

Ser Económico.- Su costo de construcción debe ser el menor, sin que esto signifique sacrificar las condiciones de resistencia y buen servicio, por lo que se deberán optimizar el uso de los materiales de la zona, la mano de obre, equipo y reducir los costos indirectos.

e)

Tener Capacidad de Deformación.- Será capaz de adaptarse a pequeños asentamientos diferenciales que no sean perjudiciales a la estructura, sin perder sus condiciones de resistencia, comodidad y durabilidad.

f)

Ser Posible de Conservación .- Son muy variadas las condiciones de los terrenos sobre los cuales se construye un pavimento. Los factores climáticos, la intensidad del tránsito, el comportamiento de los taludes, rellenos, zonas pantanosas o de anegamiento, etc., requieren de la ejecución de tareas permanentes de conservación y mantenimiento, lo que debe preverse al momento de proyectar la construcción del pavimento. Además de las condiciones mencionadas, un pavimento deberá ser: - Impermeable. - Resistente a la formación de baches. - Agradable a la vista. - Insonoro y - Tal que no produzca polvo. 7.- ELECCIÓN DEL PAVIMENTO MAS CONVENIENTE DE UNA VÍA. La determinación del pavimento más adecuado para una determinada vía debe pasar por el análisis de los aspectos técnicos y económicos, esto significa, en el aspecto técnico, la determinación de las condiciones que presenta: -

El tráfico, La capacidad de soporte de la subrasante, Calidad y disponibilidad de los insumos para la construcción;

Y en lo económico: - Los costos de la inversión, - Tiempo de la construcción, - Vida útil,

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- Costo en conservación y mantenimiento, etc. A estos factores, hay que agregar en ocasiones, otros de carácter administrativo, social, político y a veces militares, como en los casos de estrategia antisubversiva y defensa de fronteras. Como elementos de juicio para la elección del pavimento de una vía se pueden analizar los cuadros siguientes: TABLA Nº 1.- TRÁNSITO PROMEDIO DIARIO Vs. TIPO DE PAVIMENTO ──────────────────────────────────────────────────── VOLUMEN PROMEDIO DIARIO TIPO DE PAVIMENTO ──────────────────────────────────────────────────── Menos de 400 vehículos Económico De 400 a 1000 vehículos Intermedio De 1000 a más vehículos Costoso Para aeropuertos Costoso ───────────────────────────────────────────────────── TABLA Nº 2.- CATEGORÍA DEL PAVIMENTO. ───────────────────────────────────────────────────── CATEGORÍA DESCRIPCIÓN ───────────────────────────────────────────────────── 1 Calles residenciales , estacionamientos de automóviles. 2 Calles residenciales alimentadoras. Pocos autobuses. 3 Avenidas. Estacionamientos Industriales. Regular cantidad de autobuses. Calles y estacionamientos de mercados de abastos. 4 Calzadas y calles comerciales con muchos autobuses. 5 Carreteras urbanas y autopistas. ─────────────────────────────────────────────────── 8.- VENTAJAS COMPARATIVAS DE LOS PAVIMENTOS

PAVIMENTOS FLEXIBLES.Como se anotó anteriormente, tienen una base flexible o semirígida y la capa de rodadura se construye a base de mezclas bituminosas de asfalto, alquitrán o brea. Transmiten la carga que reciben a la subrasante en una zona muy próxima a la de aplicación de la carga. Su estudio se basa en la teoría de Bousinesqui.

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PAVIMENTOS RÍGIDOS.La capa de rodadura está compuerta por una losa de concreto simple o armado, con a sin base granular, distribuyen las cargas que reciben a la sub rasante en forma uniforme y a una distancia considerable del punto de aplicación de la carga. En este caso, la carga de diseño es una carga repartida y el diseño se basa en la teoría de Westergaard. PAVIMENTOS MIXTOS.Conformado por capas flexibles y rígidas. En este caso, el pavimento flexible sirve además como una capa o carpeta de desgaste. Trabaja como una combinación de los anteriores. SEMEJANZAS.-

Ambos tipos de pavimento se pueden utilizar en cualquier tipo de vía. Ambos se pueden usar en cualquier medio o región. Los dos tipos de pavimento se construyen sobre loa subrasante. Ambos tipos de pavimento sirven para mejorar la capacidad de soporte del camino. Los dos tipos de pavimento proporcionan comodidad al tránsito vehicular.

DIFERENCIAS.PAVIMENTO FLEXIBLE. -

Todas las capas trabajan, es decir soportan esfuerzos de corte. Se pueden utilizar los materiales existentes en la zona. Su estructura tiene varias capas.

PAVIMENTO RÍGIDO. -

La losa absorbe todos los esfuerzos de corte El material a usar en la construcción debe ser seleccionado. Puede tener una sola capa, la losa se comporta como capa de rodadura y base.

VENTAJAS COMPARATIVAS.-

En general, el pavimento flexible suele ser más barato que el rígido. El pavimento flexible se acomoda mejor al terreno. Por las noches, el pavimento rígido garantiza mayor visibilidad, por su color más claro. Evita el deslumbramiento. La superficie del pavimento rígido se comporta mejor que del flexible bajo la lluvia, siendo este último más resbaladizo. El pavimento rígido soporta mejor las altas temperaturas, ya que el flexible se puede "aflojar" perdiendo su consistencia. El pavimento flexible es más fácil de reparar y más económico. La técnica de construcción del pavimento rígido es más fácil. Para la construcción del pavimento flexible se necesita una temperatura ambiental mínima (entre 15 y 20 C) y que no llueva, lo que no sucede con el pavimento rígido.

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DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES. INTRODUCCIÓN.Debido al comportamiento de los componentes que intervienen, el diseño de pavimentos flexibles no es un problema de simple solución, sino por el contrario, ha sido motivo de la aplicación de criterios muy diversos, por lo que existen métodos que van desde: métodos totalmente teóricos, métodos semiempíricos y métodos empíricos, según el grado de racionalidad empleado para su formulación; aunque la actual tendencia es el uso de métodos racionales basados en principios mecanísticos, para optimizar los diseños de pavimentos. Los métodos teóricos basan su planteamiento en el análisis de esfuerzos y deformaciones del terreno de fundación y de las capas estructurales. Debido a la inconsistencia de las hipótesis en que se basan, son de poca aplicación y tienden a desaparecer. Dentro de estos se pueden mencionar lo de Massachussets, de Grey, de Lelievre, etc. Los métodos empíricos toman como referencia las experiencias, considerando los espesores y estructuras de pavimentos que han demostrado buen comportamiento durante su vida de servicio, como ejemplo de estos tenemos los métodos del Índice de Grupo, de la Fuerza Aérea de USA, de Michigan, entre otros. En lo métodos semi empíricos, se determinan las propiedades fundamentales de la relación Esfuerzo / deformación de los suelos que conforman el terreno de fundación, por medio de ensayos de mecánica de suelos, (ensayo de corte) y los resultados se ajustan por consideraciones teóricas de la distribución de esfuerzos. Como ejemplo tenemos los métodos: CBR, Wyoming, M’c Leod, Texas, Hveem, AASHTO, Instituto de asfalto.(versiones anteriores). En cuanto a los procedimientos empírico – mecanísticos, no solamente se usan para el diseño de pavimentos nuevos, sino también para la rehabilitación de pavimentos, basándose en principios mecanísticos y empíricos; lo que significa la inclusión de procedimientos de calibración, validación y adaptación a condiciones locales, empleando software y documentación referida a la performance del pavimento, incluyendo además el análisis económico, es decir el costo – beneficio en el ciclo de vida del pavimento. EXPERIENCIA VIAL AASHO La Construcción de la Carretera Experimental AASHO, entidad predecesora de la AASHTO, se inicia en agosto de 1956 y las pruebas se terminaron en noviembre de 1960.- Durante este período se recopilaron innumerados datos referentes a la relación existente entre los esfuerzos transmitidos por los vehículos y el comportamiento de los pavimentos sometidos a dichos esfuerzos, teniendo en cuenta la influencia de las condiciones locales del medio ambiente en la zona de estudio. Se construyó en el estado de Illinois entre las ciudades de Utica y Otawa. Consistente en seis circuitos que tenían la forma de ojal, en las que las vías ubicadas en el norte se dispusieron a pavimentos flexibles ,los del lado sur a pavimentos rígidos , alcanzando un costo de mas de 27 millones de dólares que, incluyen los ensayos realizados.- Las longitudes y solicitaciones a que fueron sometidos cada circuito fueron:

 

Circuito Nº 1.- De 610 metros de longitud, no fue sometido al tránsito y se destinó a ensayos especiales . Circuito Nº 2.- Con 1,342 metros sometido a cargas dinámicas pequeñas ( camiones pequeñas).

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

Circuitos Nº 3, 4, 5, 6; de 2,074 metros fueron sometidos a cargas pesadas (camiones tipo tractor mas semi trailer).

En los circuitos 5,6. se ensayaron además puentes de concreto reforzado, concreto pretensado y metálicos , de aproximadamente 15 metros luz y 4 metros de ancho. Se construyeron 836 secciones diferentes de pavimentos y, a excepción del circuito # 1 se ensayaron en dichas secciones cargas por eje simple que variaron desde 910 Kg. hasta 13,610 Kg. y., cargas por eje tandem de 10,890 a 21,770. El tránsito se mantuvo 18 horas diarias 6 días a la semana durante 2 años. Los resultados del experimento vial AASHTO, arrojaron nuevos criterios en la concepción de diseño de pavimentos tanto flexibles como rígidos, muchos de los cuales son empleados hasta la actualidad. A fin de evitar confusiones en el estudio de los métodos de diseño siguientes, estos criterios serán tratados más adelante en el capítulo correspondiente al método de diseño de la AASHTO. METODO DE DISEÑO AASHTO. A.- CONSIDERACIONES DE DISEÑO. La Guía AASHTO para el diseño de estructuras de pavimentos, publicada en 1,993, proporciona un procedimiento alternativo de estructuras de pavimentos flexibles, así como recomendaciones específicas de rehabilitación para la estructura de pavimentos, sin embargo, es necesario que el usuario de esta guía, tome en cuenta las consideraciones locales que se presentan en el lugar en que se diseña el pavimento. El método de diseño incluye consideraciones de los siguientes elementos: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Comportamiento del pavimento. Tráfico. Suelo de fundación. Materiales de construcción. Medio ambiente. Drenaje. Confiabilidad. Costos del ciclo de vida, y Diseño de bermas.

1. Comportamiento de los pavimentos.Los conceptos actuales de comportamiento de los pavimentos incluyen ciertas consideraciones de comportamiento funcional, comportamiento estructural y seguridad. Este último aspecto no es tratado en la guía, pero existe información sobre el partículas en otras publicaciones de la AASHTO, o de la NCHRP, FHWA, etc. El comportamiento estructural, se relaciona con su con su condición física, esto es, con la ocurrencia de agrietamientos, fallas, peladuras, u otras situaciones que podrían afectar exclusivamente la capacidad de soporte de la estructura del pavimento o en todo caso, requerir mantenimiento, El comportamiento funcional, se refiere a cuan bien sirve el pavimento al usuario. En este contexto, el confort o calidad de la transitabilidad es la característica predominante. Para poder calificar el confort de la transitabilidad, se desarrolló el concepto de

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“serviciabilidad – comportamiento” en la carretera experimental AASHO, mencionada anteriormente. Este concepto se basa en cinco aspectos fundamentales, resumidos como sigue: ➥ Las carreteras están hechas para el confort y conveniencia del público usuario. ➥ El confort, o calidad de la transitabilidad, es materia de una respuesta subjetiva de la opinión del usuario. ➥ La serviciabilidad puede ser expresada por medio de la calificación hecha por los usuarios de la carretera y se denomina la calificación de la serviciabilidad. ➥ Existen características físicas de un pavimento que pueden ser medidas objetivamente y que pueden relacionarse a las calificaciones subjetivas. Este procedimiento produce un índice de serviciabilidad objetivo. ➥ El comportamiento puede representarse por la historia de la serviciabilidad del pavimento. La serviciabilidad del pavimento se expresa en términos del Índice de Serviciabilidad Presente (PSI = Pavement Serviciability Index) Este PSI es obtenido de las medidas de rugosidad y daños, por ejemplo agrietamiento, parchados, profundidad de ahuellamiento, etc., en un momento particular durante la vida de servicio del pavimento. Índice de serviciabilidad (p)

Capacidad de servicio.

de 0 a 1 de 1 a 2 de 2 a 3 de 3 a 4 de 4 a 5

pésima . mala. regular. bueno. muy bueno.

Para el diseño de pavimento, se debe seleccionar los índices de serviciabilidad inicial y final. El índice de serviciabilidad inicial (pi ), es una estimación del PSI hecha por el usuario inmediatamente después de la construcción. Los valores de pi , para la carretera experimental AASHTO fueron  Pavimento flexible ===> pi = 4.2  Pavimento rígidos ===> pi = 4.5 El índice de serviciabilidad terminal (pt ) es el nivel más bajo aceptable antes que la rehabilitación o reconstrucción sean necesarias. Generalmente se sugieren los siguientes valores:  2.5 ó 3.0; en autopistas y carreteras, de primer orden.  2.0 ; en carreteras secundarias. Los factores que influyen mayormente en la pérdida de serviciabilidad de un pavimento son: tráfico, edad y medio ambiente. En situaciones donde se encuentran arcillas expansivas o levantamiento por heladas, la guía toma en cuenta los efectos del medio ambiente sobre el comportamiento del pavimento; así, el cambio total en el PSI en cualquier momento, puede ser obtenido sumando los efectos dañinos del tráfico, arcillas expansivas y/o hinchamiento por heladas, con la ecuación: PSI = PSI tráfico + PSI hinchamiento / levantamiento por helada.

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Donde: PSI = Pérdida total de serviciabilidad. PSI tráfico = Pérdida de serviciabilidad a causa del tráfico (de ESAL) PSI hinchamiento / levantamiento por helada. = Pérdida de serviciabilidad a causa de hinchamientos y/o levantamientos por heladas en el suelo de fundación. El procedimiento mayormente aceptado para minimizar el efecto del hinchamiento por heladas, consiste en reemplazar el material susceptible de congelarse con un material no susceptible, hasta una profundidad de un medio o más, de la profundidad de congelamiento. 2. Tráfico.La información del tráfico requerida por las ecuaciones de diseño de la guía AASHTO, incluye las cargas por eje, configuración de ejes y número de aplicaciones. Los resultados de la carretera experimental AASHO, han demostrado que el efecto dañino del paso de un eje de cualquier masa (llamado comúnmente carga) puede ser representado por un número de cargas por eje simple equivalente de 18 kip ó ESAL (Equivalent Single Axle Load) Este concepto ha sido aplicado a las ecuaciones y nomogramas de diseño. La forma de convertir un flujo de tráfico mixto de diferentes cargas y configuraciones por eje, a un número de tráfico para diseño, consiste en convertir cada carga por eje espectada, en un número equivalente de cargas por eje simple de 18 kip y sumarlas durante todo el período de diseño. Esto se logra utilizando los factores de equivalencia de carga. Existen cuatro aspectos claves que influyen en la exactitud de los estudios de tráfico, los cuales pueden influir en forma significativa en el ciclo de vida de un pavimento: ➥ La exactitud de los valores de equivalencia de carga utilizados para estimar el daño relativo inducido por las cargas por eje de diferentes masas y configuraciones. ➥ La exactitud de la información relativa al volumen de tráfico y pesos utilizada para representar las proyecciones de las cargas actuales. ➥ La predicción del ESAL en el período de diseño, y ➥ La interacción de edad y tráfico, y como sus cambios afectan al ESAL. Los factores de equivalencia de cargas utilizados actualmente derivan de la carretera experimental y se anotan en la tabla siguiente. En los Estados Unidos, la mayor parte de los Estados han tomado la información de tráfico acumulado que se halla en el formato W4 y las han convertido en relativamente simples multiplicadores (factor camión) los cuales representan a cada tipo de camión en la corriente de tráfico. Estos multiplicadores pueden usarse para convertir corrientes mixtas de tráfico a ESALs. Esas conversiones solo son estimaciones cuando se aplican a carreteras diferentes a aquellas para las que se obtuvieron los datos. Los períodos de diseño utilizados, generalmente van de 10 a 20 años o más, por lo que se necesita predecir los ESALs para esos períodos de tiempo, es decir para el período de comportamiento (período de tiempo que dura una estructura inicial – rehabilitada – antes de alcanzar su serviciabilidad terminal. Las predicciones del tráfico están

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generalmente basadas en la historia del tráfico pasado. Además el crecimiento puede ser diferente para diferentes clases de vías, así como para diferentes tipos de vehículos. Por otro lado, el crecimiento puede ser lineal o con una tasa de aceleración (exponencial). 3. Suelo de Fundación.La caracterización del suelo de fundación usada en la Guía AASHTO es el módulo resiliente (Mr) el cual se determina mediante el ensayo AASHTO T 274. Debido a que en muchos países no se cuenta con el equipo para la realización del ensayo para la determinación del Mr, se han desarrollado correlaciones entre éste y los valores de CBR, valor R y con los valores y resultados de los ensayos de las propiedades índice del suelo, que se discuten más adelante. 4. Materiales de Construcción.A fin de determinar la calidad de los materiales a utilizar en diseño del pavimento, puede ser necesario convertir el valor CBR ó K, en términos de módulo resiliente Mr, para los materiales que se han de utilizar en las capas de sub base, base y capa de rodadura. Para el caso se deberá utilizar correlaciones. A falta de estas, la guía AASHTO proporciona ábacos que se incluyen más adelante. 5. Medio Ambiente.La guía considera básicamente los efectos de dos factores ambientales en relación al comportamiento de la estructura del pavimento: la lluvia y la temperatura. La temperatura afectará (1) las propiedades de fluencia del concreto asfáltico; (2) los esfuerzos térmicos inducidos en el concreto asfáltico; (3) el hielo y el deshielo del terreno de fundación.. Si se permite que las lluvias penetren en la estructura del pavimento o en el suelo de cimentación, se afectará las propiedades de esos materiales. Las variaciones estacionales de la temperatura afectan considerablemente la resistencia de los materiales que conforman el pavimento, así como del suelo de cimentación. Además del efecto estacional sobre los materiales de subrasante y granulares, la temperatura también influirá en las características del concreto asfáltico. El comportamiento será afectado de res maneras: (1) agrietamiento a bajas temperaturas;(2) agrietamiento por fatiga; y (3) ahuellamiento. No está claro en algunos estudios de investigación, como es que tales factores podrían influir en el PSI. Sin embargo los agrietamientos por temperaturas bajas y los agrietamiento por fatiga, incrementarán los costos de mantenimiento.

6. Drenaje.El drenaje del agua de los pavimentos ha sido siempre una consideración importante en el diseño de carreteras, sin embargo, los métodos corrientes de diseño han resultado a menudo en capas de base que no drenan bien. Este exceso de agua combinada con volúmenes y cargas de tráfico crecientes, han llevado a menudo al destrozo prematuro de la estructura del pavimento.

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El agua ingresa a la estructura del pavimento en muchas formas, tales como, a través de las grietas, juntas, o infiltración a través del pavimento, o en forma subterránea desde un acuífero interrumpido, nivel freático elevado, o una fuente localizada. Los métodos para tratar el agua en los pavimentos han consistido generalmente en: ➥ Previniendo el ingreso del agua al pavimento (intercepción del agua, sellado, etc.) ➥ Proporcionando un drenaje para remover rápidamente el exceso de agua, y ➥ Construyendo el pavimento suficientemente fuerte para resistir los efectos combinados de las cargas y el agua. El diseñador debe considerar la provisión de tres tipos de drenaje: drenaje superficial, drenaje subterráneo y drenaje estructural. Sin embargo, el agua mantenida dentro de los suelos y agregados finos por capilaridad, no puede ser drenada. Los efectos de esta humedad “oculta” deben ser considerados en el diseño por medio de su efecto sobre las propiedades de los materiales. La guía considera el efecto del drenaje en el diseño de pavimentos nuevos, modificando el coeficiente de capa estructural (a i) mediante el coeficiente de drenaje (mi) 7. Confiabilidad.Las definiciones de serviciabilidad están dadas en términos del PSI, sin embargo se puede referir a otras medidas de la condición del pavimento. Una descripción sumaria del concepto de confiabilidad se puede dar en los siguientes términos: “ la confiabilidad de un proceso de diseño – comportamiento de un pavimento, es la probabilidad de que una sección del pavimento, diseñada usando el proceso, se comportará satisfactoriamente bajo las condiciones de tráfico y medio ambiente, durante el período de diseño”. 8. Costo del Ciclo de Vida.Los costos del ciclo de vida se refieren a todos los costos (y en el sentido más completo, a todos los beneficios) involucrados en un pavimento durante su ciclo de vida completo. Esto incluye, por supuesto, los costos de construcción, de mantenimiento, de rehabilitación, etc. Desde que todos los costos no ocurren al mismo tiempo, es importante determinar la cantidad de dinero que debería ser invertida en un momento fijo(usualmente el inicio) y debería ganarse suficiente dinero, a una tasa de interés específica, que permita cubrir todos los costos, cuando estos ocurran. Así son importantes en los cálculos, la tasa de interés o el valor del dinero en el tiempo. “Los costos del ciclo de vida” es un término acuñado para llamar la atención en el hecho de que se necesita un análisis económico continuo y completo, si se quiere comparar correctamente las alternativas. En el análisis económico es necesario definir el término “Período de Análisis”, que viene a ser el tiempo para el que se conduce el análisis económico. El período de análisis puede incluir provisiones para renovaciones periódicas de la superficie o estrategias de rehabilitación, las que se extenderán durante toda la vida de servicio de una estructura de pavimento hasta 30 o 50 años antes que una reconstrucción completa sea requerida. 9. Diseño de bermas.-

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Según AASHTO, berma es “la porción de la carretera contigua a la vía de circulación para acoger durante emergencias a los vehículos parados y para el soporte lateral de las capas de base y súbase”. La berma además, es considerada por algunas agencias, como un desvío temporal a ser usado durante la rehabilitación de la vía principal. No se considera un criterio específico en la guía, para la determinación de la estructura del pavimento en bermas, sin embargo existe un documento de la AASHTO, sobre el diseño de bermas. B.- VARIABLES DE DISEÑO. La guía AASHTO permite el diseño de una carretera nueva o la reconstrucción de una existente. Además presenta los criterios de construcción por etapas, para dar al diseño la opción de examinar numerosas alternativas para la selección de una estrategia óptima de diseño de pavimentos.

A.- Restricciones de tiempo.-

Las restricciones del tiempo permiten al diseñador, seleccionar desde estrategias que van de la duración inicial de la estructura, hasta el período de análisis total (es decir período de comportamiento igual al período de análisis), hasta la construcción por etapas, con una estructura inicial y sobre capas planificadas. ➥ Período de Comportamiento .-Se refiere al período de tiempo de duración de una estructura nueva hasta el momento en que requiera una rehabilitación. También se refiere al período de comportamiento entre operaciones de rehabilitación. Es decir equivale al tiempo en que una estructura nueva, reconstruida o rehabilitada se deteriore desde su serviciabilidad inicial hasta su serviciabilidad final. Este período de comportamiento puede verse significativamente afectado por el tipo y nivel de mantenimiento. ➥ Período de Análisis.- Se refiere al período de tiempo para el cual va a ser conducido el análisis, es decir, el tiempo que puede ser cubierto por cualquier estrategia de diseño. En el pasado, se diseñaba para períodos de comportamiento de 20 años, ahora se recomienda que se hagan consideraciones para períodos de diseño mayores, puesto que los mismos pueden adecuarse mejor a la evaluación de estrategias alternativas de mayor alcance basadas en los costos durante el ciclo de vida. A continuación se dan unas guías generales:

Clasificación de la vía Urbana de Alto Volumen de Tráfico. Rural de alto Volumen de Tráfico Pavimentada de Bajo Volumen de Tráfico. No Pavimentada de Bajo Volumen de Tráfico.

Período de Análisis (Años) 30 – 50 20 – 50 15 – 25 10 - 20

➥ Tráfico.- Los procedimientos de diseño para carreteras de alto y bajo volúmenes de tráfico, están basadas en las cargas acumuladas esperadas, de un eje simple

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equivalente (ESAL) a 18 kips durante un período de análisis (w 18). Para el efecto es necesario conocer los valores de equivalencia de cargas para diferentes tipos de cargas los que se dan en la tabla correspondiente. Los datos de tráfico proporcionados por el equipo de estudio de tráfico, es generalmente el tráfico actual, en tanto que el diseñador requiere las aplicaciones de ejes en la vías de diseño. Por lo tanto el diseñador debe multiplicar el tráfico de diseño por la dirección y luego por el número de vías (si son más de dos). Lo anotado se expresa mediante la siguiente fórmula: w18  DD  DL  w ˆ 18

Donde: DD : Factor de distribución Direccional, expresado como una relación que toma en cuenta las unidades ESAL por dirección (P.e. norte-sur, esteoeste, etc.) DL : Factor de distribución de carril, expresado como una relación del tráfico que considera la distribución del tráfico cuando dos o más carriles existen en una dirección de tráfico. ŵ 18 : Unidades ESAL de 18 Kip acumuladas, prevista para una sección específica de la carretera en el período de análisis (del estudio de tráfico) El valor del factor DD es generalmente 0.5 (50%), sin embargo hay casos en que se puede mover más peso en una de las direcciones. La experiencia ha demostrado que este valor puede variar de 0.3 a 0.7, dependiendo cual dirección esté cargada. Los valores del factor DL, se dan en la tabla siguiente: Número de Carriles en cada dirección

% de ESAL de 18 kips en el Carril de Diseño.

1 2 3 4

100 80 – 100 60 – 80 50 – 75

El cálculo de w18 , se muestra en la hoja de cálculo de la página siguiente. El factor de proyección del tráfico se determina en función a la tasa de crecimiento promedio anual para cada tipo de vehículo, y el período de análisis. La proyección se acostumbra tomar con crecimiento exponencial. ➥ Confiabilidad.- El concepto de confiabilidad fue introducido en los acápites interiores. Básicamente es un medio para introducir cierto grado de certeza en el procedimiento de diseño, para asegurar que las diferentes alternativas de diseño durarán todo el período de análisis. Este factor toma en cuenta las posibles variaciones en la predicción del tráfico w18 y en la predicción del comportamiento W18 y, por lo tanto, proporciona un determinado nivel de seguridad ( R) que las secciones del pavimento sobrevivirán durante el período para el cual fueron diseñadas. La tabla que se adjunta, presenta los niveles de Confiabilidad recomendados para varias clasificaciones de vías.

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Nivel de Confiabilidad Recomendado Urbano Rural 85 – 99.9 80 – 99.9 80 – 99 75 – 95 80 – 95 75 – 95 50 - 80 50 - 80

Clasificación Funcional Interestatal y Otras Vías Libres. Arterias Principales. Colectoras. Locales.

De acuerdo a la carretera experimental AASHO, la confiabilidad del binomio diseño – comportamiento está controlada por el uso de un factor de confiabilidad (FR), el cual se multiplica por el tráfico previsto a lo largo del período de diseño (w18) para obtener las aplicaciones del tráfico de diseño (W 18) a utilizarse en la ecuación de diseño. Para un nivel de confiabilidad (R), el factor de confiabilidad es una función de la Desviación Estándar Total (S 0) que considera las posibilidades de variaciones en el tráfico previsto y la variación normal en el comportamiento previsto del pavimento para un W18 dado. HOJA DE CALCULO PARA CALCULAR EL NÙMERO DE APLICACIONES DE EJES EQUIVALENTES A EJE SIMPLE DE 18 Kips.(ESAL) Periodo de análisis

TIPO DE VEHICULOS

20 años. Trafico actual

Factor de crecimiento

Trafico de diseño

Factor (ESAL)

E.S.A.L. De Diseño

(A)

(B)

(C)

(D)

(E)

Automoviles Buses

5,925 35

4% 29.78 29.78

64,402,973 380,440

0.0008 0.6806

51,522 258,927

Camiones pick up y panel Otros camiones de 2 ejes/4 llantas Camiones de 2 ejes/6 llantas Camiones de 3 o más ejes. Todos los camiones simples

1,135 3 372 34

29.78 29.78 29.78 29.78

12,337,110 32,609 4,043,528 369,570

0.0122 0.0052 0.1890 0.1303

150,513 170 764,227 48,155

Tractor y semitrailers de 3 ejes Tractor y semitrailers de 4 ejes Tractor y semitrailers de 5 y más ejes Todos los tractores y semitrailers

19 49 1,880

6% 36.79 36.79 36.79

255,139 657,989 25,245,298

0.8646 0.6560 2.3719

220,593 431,641 59,879,322

7% 41.00

1,541,395

2.3187

3,574,033

36.79 36.79 36.79

2,793,097 4,095,647 1,678,544

0.0152 0.0152 0.5317

42,455 62,254 892,482

117,833,337

ESAL dis.

66,376,294

Trailers dobles de 5 ejes. Trailers dobles de 6 ejes a más Todas las combin. de trailers dobles

103 -

Camión - trailer de 3 ejes Camión - trailer de 4 ejes Camión - trailer de 5 y más ejes Todas las combin.de Camión - trailer

208 305 125

Todos los vehículos

10,193

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A continuación se dan valores de la desviación estándar normal Z R para diferentes niveles de confiabilidad Confiabilidad, R (%) 50 60 70 75 80 85 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 99.9 99.99

Desviación Estándar Normal, ZR -0.000 -0.253 -0.524 -0.674 -0.841 -1.037 -1.282 -1.340 -1.405 -1.476 -1.555 -1.645 -1.751 -1.881 -2.054 -2.327 -3.090 -3.750

El nivel seleccionado de la confiabilidad y de la desviación estándar total, deberán tomarse en cuenta para el efecto combinado de la variación en todas las variables de diseño. La aplicación de los conceptos de confiabilidad requieren definir los siguientes pasos: a.- Definir la clasificación funcional de la vialidad y determinar la existencia de condiciones urbanas o rurales. b.- Seleccionar un nivel de confiabilidad de cada rango dado en la tabla...., Cuanto mayor sea el valor de la confiabilidad, se requerirá una mayor estructura de pavimento. c.- Seleccionar una desviación estándar (S0) que sea representativa de las condiciones locales. Los valores de S 0 desarrollados en la carretera AASHO, no incluyen los errores en el tráfico. Sin embargo, la predicción del error en el comportamiento desarrollado en la Carretera Experimental, fue de 0.25 para pavimento rígidos y de 0.35 para pavimentos flexibles. Esto corresponde a una desviación estándar para el tráfico de 0.35 y 0.45 para pavimentos rígidos y flexibles respectivamente. ➥ Criterio de comportamiento.- La filosofía básica de diseño de la Guía AASHTO, es el concepto de comportamiento – serviciabilidad, el proporciona un medio de diseñar un pavimento basado en un volumen específico de tráfico total y un mínimo nivel de serviciabilidad deseado al final del período de servicio.

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La selección del PSI más bajo (p t) se basa en el índice más bajo que será tolerado antes que se haga necesaria una rehabilitación refuerzo superficial o reconstrucción. Los valores sugeridos son:  2.5 o mayor para el diseño de carreteras principales y  2.0 para las carreteras con menor volumen de tráfico. Como el tiempo en que una estructura dada de pavimento alcanza su serviciabilidad terminal depende del volumen del tráfico y de la serviciabilidad inicial (p0), debe hacerse alguna consideración para la selección de p 0 (en el caso de carretera experimental AASHO, los valores observados fueron de 4.2 para pavimentos flexibles y 4.5 para pavimentos rígidos. Una vez que p0 y pt han sido establecidos, deberá aplicarse la siguiente ecuación para definir el cambio total en el índice de servicio: ΔPSI = p0 – pt La ecuación es aplicable a caminos con pavimento flexible, rígido y con cobertura de grava. ➥ Caracterización de los materiales de las capas de pavimento.-

Para ser empleados en el procedimiento de diseño, los materiales que conforman las diferentes capas del pavimento requieren del uso de un “coeficiente de capa” (ai) que permite convertir su espesor actual a un número estructural (SN). Estos coeficientes pueden ser asignados en base al módulo resilente (MR), o de alguna de las propiedades del material, preferentemente el módulo de elasticidad. El coeficiente de capa expresa la relación empírica entre el SN y el espesor, y es una medida de la habilidad relativa del material para funcionar como un componente estructural del pavimento. Aunque el módulo elástico (resilente) ha sido adoptado como una medica de la calidad del material, es necesario identificar los (correspondientes) coeficientes de capa debido a su tratamiento en la aproximación al número estructural de diseño. Aunque existen correlaciones para determinar el módulo a partir de ensayos tales como el valor – R el procedimiento recomendado es la medición directa usando los métodos AASHTO T274 (materiales granulares para sub. base y no ligados) y ASTM D4123, para concreto asfáltico y otros materiales estabilizados. En general se prefieren los coeficientes de capa derivados de los caminos de prueba o de secciones satélite. Es importante anotar que, pese a que el módulo resilente puede aplicarse a cualquier tipo de material, la notación M R usada en la guía, solo se aplica al suelo de la sub-rasante. Se usa otras notaciones para expresar los módulos de sub. base (ESB), bases (EBS), concreto asfáltico (EAC) y concreto de cemento (EC). Los valores de los coeficientes de capa, para diferentes tipos de material utilizados como capas asfálticas, de base y sub - base tratadas y no tratadas, se puede determinar en los gráficos que se presentan a continuación. 54

➥ Drenaje.El ingeniero de diseño, deberá identificar que “calidad de drenaje” bajo cierto grupo específico de condiciones de drenaje. En la tabla siguiente se dan las definiciones correspondientes a diferentes niveles de drenaje de la estructura dl pavimento: Calidad de Tiempo de Remoción Drenaje del Agua. Excelente 2 Horas Bueno 1 Día Regular 1 Semana Pobre 1 Mes Muy Pobre No Drena.

Las condiciones de drenaje son incluidas en el diseño del espesor del pavimento mediante la inclusión del “coeficiente de drenaje” (mi) lo que viene a constituir un modificador de los coeficientes de capa en la ecuación de número estructural (SN). (a excepción de la capa de concreto asfáltico, donde no se considera efecto del drenaje) La tabla siguiente presenta los valores del coeficiente de drenaje recomendados, como función de la calidad del drenaje y el tiempo durante el año en que la estructura del pavimento debería normalmente estar expuesta a niveles de humedad aproximadamente igual a la saturación:

Calidad Del Drenaje

Valores de mi Recomendados Para los Coeficientes de Capa Modificados de Materiales de Base y Subbase no Tratada en Pavimentos Flexibles. % del tiempo que la Estructura del Pavimento está Expuesta a Niveles de Humedad Cercanos a la Saturación. 25

1.35 – 1.30

1.30 – 1.20

1.20

Bueno

1.35 – 1.25

1.35 – 1.25

1.15 – 1.00

1.00

Regular

1.25 – 1.15

1.25 – 1.15

1.05 – 0.80

0.80

Pobre

1.15 – 1.05

1.15 – 1.05

0.80 – 0.60

0.60

Muy Pobre

1.05 – 0.95

1.05 – 0.95

0.75 – 0.40

0.40

PROCEDIMIENTO DE DISEÑO.

El procedimiento que presenta la Guía AASHTO, es aplicable al diseño de pavimentos de concreto asfáltico (CA) y de tratamientos superficiales (TS) con niveles de tránsito significativos (W18 > 50,000) durante todo el período de funcionamiento. El diseño se basa en la identificación del Número Estructural (NE) del pavimento flexible, para mantener el nivel proyectado de cargas por ejes. Esto es hasta que el proyectista determine si se requiere una superficie de TS simple, doble, o una carpeta de CA, para las condiciones específicas. 55

➥ Determinación del Número Estructural Requerido.

Para la determinación del número estructural requerido, , se puede hacer uso de la fórmula de diseño, o del nomograma recomendado por la guía, para las condiciones de diseño específicas, incluyendo: (1) (2) (3) (4) (5)

El tránsito futuro estimado, W18 para el período de diseño. La confiabilidad R, la cual asume que todos los datos de entrada son valores promedio . La desviación estándar total S0. El módulo resilente efectivo del material del suelo de fundación MR, y La pérdida de serviciabilidad de diseño, ΔPSI = p0 – pt. PSI   4.2  1.5  1094 

log10 W18   Z R xS 0  9.36 x log10  SN  1  0.20 

log10  0.4 

 2.32 x log10  M R   8.07

 SN  1 5.19

➥ Selección de los Espesores de Capa.-

Una vez determinado el número estructural de diseño, para una estructura de pavimento, es necesario identificar un grupo de espesores de capas del pavimento que cuando son combinados proporcionarán la capacidad de carga correspondiente al NE de diseño. La siguiente ecuación proporciona la base para convertir un NE en espesores reales de superficie, base y subbase: NE  a1 D1  a 2 D2 m2  a3 D3 m3

Donde: a1, a2, a3

= coeficientes de capa respectivos de la superficie, base y subbase respectivamente. D1, D2, D3 = espesores reales en pulgadas) de las capas de superficie, de base y sub-base respectivamente, y m2, m3 = coeficiente de drenaje para las capas de base y sub-base respectivamente. La ecuación anterior no tiene una solución única, es decir hay muchas combinaciones de espesores de capa que son soluciones satisfactorias. A continuación se dan espesores mínimos prácticos para capas de superficie y base. Espesores Mínimos (pulgadas)

56

Concreto asfáltico

Base de Agregados

1.0 (o tratamiento superficial) 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

4

Tráfico, ESALs Menos de 50,000 50,000 – 150,000 150,000 – 500,000 500,000 – 2,000,000 2,000,000 – 7,000,000 mayor que 7,000,000

4 4 6 6 6

➥ Diseño por capas.-

Debe reconocerse que para pavimentos flexibles, la estructura es un sistema estratificado y debería diseñarse consecuentemente con esto. Primero se debería calcular el NE requerido sobre el suelo de fundación. De la misma manera debería calcularse los NE requeridos para las capas de base y subbase usando los valores de resistencia aplicables para cada una de ellas. Trabajando con las diferencias entre los NE calculados requeridos sobre cada capa, se puede determinar el máximo espesor permisible de cualquier capa. Esto se indica en el gráfico siguiente:

Capa superficial Capa de base Subbase Subrasante

D 1 

SN 1 a1

SN 1  a1 D 1  SN 1 SN 2  SN 1 D2 a 2 m2 

SN 1  SN  2  SN 2



SN 3  SN 1  SN  2 D3 a 3 m3 



(1) a, D, m, y SN representan los valores mínimos requeridos.

57

(2) Un asterisco junto a D ó a SN, indica el valor actualmente usado el cual debe ser igual o mayor al valor requerido. Nota: SN = NE. Se debe reconocer que este procedimiento no debería ser aplicado a determinar el NE requerido encima de materiales de sub-base o base, con un módulo superior a 40,000 psi. En tales casos se deben establecer los espesores de capa de los materiales colocados sobre le módulo de capa “alto”, en base a consideraciones de efectividad en el costo y espesores prácticos mínimos.

58

FACTORES DE EQUIVALENCIA DE CARGA

Carga Por Eje kN lb. 4.45 8.9 17.8 26.7 35.6 44.5 53.4 62.3 71.2 80.0 89.0 97.9 106.8 115.6 124.5 133.4 142.3 151.2 160.1 169.0 178.0 187.0 195.7 204.5 213.5 222.4 231.3 240.2 249.0 258.0 267.0 275.8 284.5 293.5 302.5 311.5 320.0 329.0 338.0 347.0 356.0 364.7 373.6 382.5 391.4 400.3

1,000 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000 12,000 14,000 16,000 18,000 20,000 22,000 24,000 26,000 28,000 30,000 32,000 34,000 36,000 38,000 40,000 42,000 44,000 46,000 48,000 50,000 52,000 54,000 56,000 58,000 60,000 62,000 64,000 66,000 68,000 70,000 72,000 74,000 76,000 78,000 80,000 82,000 84,000 86,000 88,000 90,000

Factores De Equivalencia De Carga Simple Tandem Tridem 0.00002 0.00018 0.00209 0.01043 0.03430 0.08770 0.189 0.360 0.623 1.000 1.51 2.18 3.03 4.09 5.39 6.97 8.88 11.16 13.93 17.20 21.08 25.64 31.00 37.24 44.50 52.88

0.0003 0.001 0.003 0.007 0.014 0.027 0.047 0.077 0.121 0.180 0.260 0.364 0.495 0.658 0.857 1.095 1.38 1.70 2.08 2.51 3.00 3.55 4.17 4.85 5.63 6.47 7.41 8.45 9.59 10.84 12.22 13.73 15.38 17.19 19.16 21.32 23.66 26.22 29.0 32.0 35.3 38.8 42.6 46.8

0.0003 0.001 0.002 0.003 0.006 0.011 0.017 0.027 0.040 0.057 0.080 0.109 0.145 0.191 0.246 0.313 0.393 0.487 0.597 0.723 0.868 1.033 1.22 1.43 1.66 1.91 2.20 2.51 2.85 3.22 3.62 4.05 4.52 5.03 5.57 6.15 6.78 7.45 8.2 8.6 9.8 10.6 11.6

59

METODO DE DISEÑO DEL INSTITUTO DEL ASFALTO. CONSIDERACIONES DEL INSTITUTO DE ASFALTO. CLASIFICACION DE CARRETERAS Y CALLES. SISTEMAS RURALES SISTEMA ARTERIAL PRINCIPAL Interestatal Otras arterias principales

SISTEMAS URBANOS SISTEMA ARTERIAL PRINCIPAL Interestatal Otas autopistas & vìas expresas Otras arterias principales.

SISTEMA ARTERIAL MENOR SISTEMA ARTERIAL MENOR DE CALLES SISTEMA COLECTOR Colectoras mayores Colectoras menores.

SISTEMA COLECTOR DE CALLES SISTEMA LOCAL DE CALLES

SISTEMA LOCAL

CARRIL DE DISEÑO PORCENTAJE DEL TRAFICO TOTAL DE CAMIONES EN EL CARRIL DE DISEÑO. NUMERO DE CARRILES (DOS DIRECCIONES) 2 4 6 ó más * Rango probable.

PORCENTAJE DE CAMIONES EN EL CARRIL DE DISEÑO 50 45 (35 - 48)* 40 (25 - 48)*

RELACION ENTRE CBR Y EL Mr. Mr (MPa) = 10.3 x CBR Mr (psi)

= 1500 x CBR.

RELACION ENTRE EL VALOR R Y EL Mr. Mr (MPa) = 8.0 + 3.8 (Valor – R) Mr (psi)

= 1155 + 555 (Valor – R)

Nota: Las relaciones anteriores son aplicables para valores de Mr de 30,000 psi (207 Mpa) o menores.

60

SELECCIÓN DEL Mr DE DISEÑO DE LA SUBRASANTE.

NIVEL DE TRAFICO (EAL)

PERCENTIL DE DISEÑO (%)

104 ó MENOS ENTRE 104 Y 106 106 ó mas

60 75 87.5

REQUERIMIENTO DE MATERIALES. Mezclas de Base Asfáltica Emulsificada.

Tipo I

:

Mezclas producidas granulometría densa.

con

agregados

procesados

Tipo II :

Mezclas producidas con agregados semiprocesados.

Tipo III :

Mezclas producidas con arenas o arenas limosas.

de

Bases y Subbases de Agregados No Tratados.

ENSAYO CBR, mínimo *, o Valor R, mínimo* Límite Líquido, máximo. Índice de Plasticidad, máximo, o Equivalente de Arena , mínimo. Pasante tamiz N° 200, máximo.

REQUERIMIENTOS SUBBASE

BASE

20 55 25 6 25 12

80 78 25 NP 35 7

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CRITERIOS AMBIENTALES.Criterios de Selección del Grado de Asfalto.

CONDICION DE TEMPERATURA

GRADO DE ASFALTO *

Frío, Temperatura promedio anual  7° C

AC-5 AR-2000 Pen 120/150

AC-10 AR-4000 Pen 85/100

Templado, Temperatura promedio anual entre 7 °C y 24 °C

AC-10 AR-4000 Pen 85/100

AC-20 AR-8000 Pen 60/70

Calido, Temperatura promedio anual ≥ 24° C

AC-20 AR-8000 Pen 60/70

AC-40 AR-16000 Pen 40/50

* Para las mezclas de base con emulsiones asfálticas, pueden emplearse las emulsiones de rotura media (MS), como las de rotura lenta(SS). Estas pueden ser catiónicas (ASTM D2397 o AASHTO M 208), o aniónicas (ASTM D 977 o AASHTO M 140).

ESPESOR MINIMO DE CONCRETO ASFALTICO. Espesores mínimos de Concreto Asfáltico sobre bases con asfalto emulsificado.

1

TIPOS II Y III 1

TRAFICO DE DISEÑO (EAL)

MILIMETROS

PULGADAS

104. 105. 106. 107.  107.

50 50 75 100 130

2 2 3 4 5

Se puede usar concreto asfáltico o mezclas con asfalto emulsificado Tipo I, con un tratamiento de superficie, sobre capas de base con asfalto emulsificado Tipos II ó III.

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Espeso mínimo de Concreto Asfáltico Sobre Bases de Agregados No Tratados. TRAFICO (EAL) 104 ó menos

ESPESOR MINIMO DE CONCRETO ASFALTICO Zonas de parqueo y caminos 75 mm (3.0 pulg)* rurales de bajo volumen.

Entre 104 Y 106

Trafico mediano de vehículos 100 mm (4.0 pulg) pesados.

106 ó mas

Tráfico alto de vehículos pesados.

CONDICION DEL TRAFICO

125 mm. (5.0 pulg) o más.

63

SEMANA 3.DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS. METODO DE LA PCA. La Portland Cement Association (PCA), ha desarrollado un procedimiento para el diseño de estructuras de pavimentos rígidos; este procedimiento tiene como propósito obtener un espesor mínimo, que resultará en el costo anual más bajo, para los costos de inversión iniciales y de mantenimiento. Con la finalidad de lograr un buen funcionamiento del pavimento y una duración mayor, se deben tener en cuenta las consideraciones que se anotan a continuación:  Provisión de un soporte razonablemente uniforme para la losa del pavimento.  Prevención del bombeo o expulsión del lodo.  Uso de diseño de juntas que garantice una adecuada transferencia de cargas y permita el sellado que evite daños por ingreso del agua.  Uso de un buen diseño de mezcla y buena calidad de agregados que garantice su durabilidad. El método de diseño de la PCA que se describe en los acápites siguientes, permite el diseño de los tipos de pavimentos de concreto que se indican a continuación:    

Pavimentos de concreto simple. Pavimentos de concreto simple con dowels. Pavimentos de concreto reforzado. Pavimentos de concreto con refuerzo continuo.

Salvo en el último caso, se debe disponer de juntas en el sentido transversal, espaciadas uniformemente, de acuerdo a la siguiente recomendación de la PCA:  Para pavimentos de concreto simple, la separación de las juntas debe ser como máximo de 15 pies (4.5 m.)  En pavimentos de concreto de concreto simple con dowels, esta separación debe ser como máximo de 20 pies (6.00 m.)  Para pavimentos de concreto reforzado, la máxima separación de las juntas debe ser de 40 pies (12.00 m.) CRITERIOS DE DISEÑO: El procedimiento de diseño de la P.C.A. ha sido desarrollado, teniendo en cuenta básicamente los criterios de Fatiga del concreto y el de erosión. En cuanto a la fatiga, los esfuerzos que produce la acción repetitiva de las cargas del tráfico, deben mantenerse dentro de los límites que aseguren la prevención del agrietamiento por fatiga.

64

Así mismo, se ha tomado en consideración el efecto erosivo sobre la fundación y, los materiales de las bermas que producen las deflexiones en el borde de la losa; juntas y esquina. Es importante tener en consideración el efecto de erosión, por cuanto algunas formas de daño, tales como bombeo, fallas y daños en las bermas, no se deben a la fatiga. Este procedimiento de diseño, considera además, el efecto al utilizar una berma de concreto adyacente al pavimento. Las bermas de concreto reducen los esfuerzos flectores y las deflexiones causadas por las cargas. Así mismo, el uso de una sub base de concreto pobre, reduce las deflexiones y los esfuerzos en el pavimento. FACTORES DE DISEÑO. Luego de elegido el tipo de pavimento a diseñar, el tipo de la sub base, si es necesaria, y el tipo de berma que se construirá, el espesor del pavimento se diseña teniendo en cuneta los siguientes cuatro factores: 1) La Resistencia del Concreto a la flexión, expresada en términos del Módulo de Rotura del concreto. 2) La Resistencia de la sub rasante o resistencia de la sub rasante y sub base combinadas.(kc). 3) El tráfico, es decir, los pesos, frecuencias y tipos de carga que soportará el pavimento. 4) El período de diseño; generalmente considerado en 20 años o más. La Resistencia del Concreto a la Flexión, se da en términos del Módulo de Rotura del Concreto a los 28 días. La determinación del módulo de rotura, se realiza mediante ensayos de laboratorio, sobre vigas de 6” x 6” x 30” y, para el caso del diseño de pavimentos rígidos se utiliza el procedimiento de Carga en los Tercios (ASTM – C68). La resistencia del concreto a la flexión se considera durante el procedimiento de diseño, bajo el criterio de fatiga, el cual tiene en cuenta la formación de grietas en el pavimento, debido a la acción repetitiva de las cargas de los camiones. En cuanto a la Resistencia de la Subrasante y de la Sub Base, debido a la forma de transmisión de las cargas del tránsito hacia el terreno de fundación, se expresa en términos del Módulo de Reacción de Westergard, el cual se determina mediante el ensayo de carga, sobre una placa de circular 30” de diámetro, para una deformación de 0.05”. El ensayo se esquematiza en el gráfico siguiente:

p0 

P A

65

p0 k0  0.05"

(lb/plg2) / plg. = pci

El valor del módulo de reacción también puede ser calculado a partir del valor del CBR, haciendo uso de ábacos de equivalencia, como el que se presenta en la figura.

presión

p0

P

k = tg  30"

 0

0.01



A 0.02 0.03 0.04 0.05 plg.

deformacion 

RESISTENCIA DE LA SUBRASANTE Y DE LA SUB BASE Y SUB-RASANTE COMBINADAS. El soporte de la subrasante y subbase es definido en términos del modulo de reacción de la subrasante (k) de Westergaard, también llamado coeficiente de balasto, el cual se define como la carga en libras por pulgada cuadrada sobre un área de carga (una placa de 30” de diámetro), dividido entre la deflexión para esa carga, expresada en pulgadas. Por lo tanto los valores de k se expresan en libras por pulgada cuadrada por pulgada (psi/plg) es decir libras por pulgada cúbica (pci) Los valores de k, pueden ser obtenidos a partir del valor CBR, cuando no es posible ejecutar el ensayo de carga explicado anteriormente, utilizando la gráfica anterior. Si se construye la losa sobre una subbase, pueden utilizarse las tablas 1 y 2, para determinar el valor de kc (combinado)

66

67

TABLA 1 SUB BASE NO TRATADA Valor k de la subrasante, psi

Valor k de la subbase, pci 4 plg.

6 plg.

9 plg.

12 plg.

50 100 200 300

65 130 220 320

75 140 230 330

85 160 270 370

110 190 320 430

TABLA 2 SUB BASE TRATADA CON CEMENTO

Valor k de la subrasante, psi

Valor k de la subbase, pci 4 plg.

6 plg.

8 plg.

10 plg.

50 100 200

170 280 470

230 400 640

310 520 830

390 640 -.-

TRÁFICO La cantidad y los pesos de las cargas axiales pesadas esperadas durante la vida de diseño son los factores principales en el diseño de espesores de pavimentos de concreto, estos se de las estimaciones de: • • •

Tráfico promedio diario en ambas direcciones de todos los vehículos ADT (Average daily traffic). Tráfico promedio diario de camiones en ambas direcciones ADTT (Average daily truck traffic). Cargas axiales que transmiten los camiones.

El ADT puede ser obtenido de conteos directos del tráfico, o de mapas de volumen de tráfico del estado. Este se denomina ADT corriente o presente. El ADT de diseño se estima por procedimientos de proyección o de capacidad de la vía, sin embargo se puede utilizar cualquier método que arroje una estimación razonable. Si se utiliza proyecciones, se hace uso de las tasas anuales de crecimiento y factores de proyección del tráfico. En la tabla siguiente se presentan los factores de crecimiento para periodos de diseño de 20 y 40 años, en función de las tasas de crecimiento anual. Los siguientes factores influyen en la tasa anual de crecimiento:

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• • • •

Tráfico extraído o desviado. Crecimiento normal del tráfico. Tráfico generado. Desarrollo del tráfico (nuevos servicios)

TASA ANUAL DE CRECIMIENTO DEL TRÁFICO Y FACTORES DE PROYECCIÓN. Tasa Anual de Factor de Proyección, Factor de proyección, Crecimiento del Tráfico 20 años 40 años. 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6

1.1 1.2 1.2 1.3 1.3 1.4 1.5 1.6 1.6 1.7 1.8

1.2 1.3 1.5 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.7 2.9 3.2

Otro método de determinar el ADT de diseño consiste en utilizar el concepto de capacidad de la vía, es decir el número máximo de vehículos que pueden usar el pavimento sin causar demora irracional. El resultado que se obtenga por este método debe ser verificado por proyecciones específicas donde el volumen de tráfico proyectado es alto. Puede ser necesario más carriles de tráfico si se desea un flujo de tráfico razonable. De otro lado, para el diseño del pavimento rígido se necesita tener el tráfico diario promedio de camiones ADTT. Este puede ser expresado como un porcentaje del ADT o como un valor actual. Los valores del ADTT incluyen solamente camiones con seis ruedas o más y no incluyen camiones panel ni pick up ni otros de cuatro ruedas. En Estados Unidos, una fuente para obtener los valores del ADTT, es el Reporte Nacional de Características de Camiones, (una muestra se da en la tabla siguiente). Esta publicación es actualizada periódicamente, para los principales sistemas de carreteras de EE.UU.

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Trafico Promedio Diario Rural Sistema Vial

Interestatal. Otra Federal Primaria. Federal Secundaria.

Unidades Simples. 2 Camión ejes, 4 (ADTT) ruedas

12 16 10

21 13 15

Trafico Promedio Diario Urbano

Unidades Simples. 2 Camión Total ejes, 4 (ADTT) ruedas

35 29 25

8 17 14

16 9 8

Total

24 26 22

Para propósitos de diseño se necesita el número total de camiones en el período de diseño. Para esto se multiplica el ADT de diseño por el porcentaje de ADTT y por el número de días en el período de diseño. Si la vía tiene cuatro carriles o más, el ADTT es ajustado mediante el uso de la figura.

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Distribución direccional. Generalmente se asume que los pesos y volúmenes de los camiones que viajan en cada dirección son casi iguales (50 – 50) y que el pavimento toma en cada dirección la mitad del ADTT total. Si se da el caso que la mayoría de los camiones van cargados en un sentido y regresan descargados en el otro sentido, se debe hacer los ajustes apropiados. Distribución de cargas por eje. Es necesario conocer la distribución de cargas por eje, para computar el número de ejes (simples y tandem) de cada tipo de carga, esperados en el periodo de diseño, esto se puede determinar por: A partir de estudios especiales de tráfico. Recopilando datos de estaciones de medición estatales (Tabla W-4) o estudios de cargas en movimiento en rutas representativas de los pasos y tipos de camiones, que se espera sean similares al proyecto bajo diseño. En base a categorías de datos representativos para diferentes tipos de pavimentos si no se dispone de datos de carga por eje. CARGA POR EJE (KIPs) (1) 28 – 30 26 – 28 24 – 26 22 – 24 20 – 22 18 – 20 16 – 18 14 – 16 12 – 14 10 – 12 48 – 52 44 – 48 40 – 44 36 – 40 32 – 36 28 – 32 24 – 28 20 – 24 16 – 20 12 – 16

EJES POR 1,000 EJES POR 1,000 Ejes en el periodo CAMIONES CAMIONES de diseño(4) (2) (AJUSTADO) (3) EJES SIMPLES 0.28 0.58 6310 0.65 1.35 14690 1.33 2.77 30140 2.84 5.92 64410 1.72 9.83 106900 10.40 21.67 235800 13.56 28.24 307200 18.64 38.83 422500 25.89 53.94 566900 81.05 168.85 1873000 EJES TANDEM 0.94 1.96 21320 1.89 3.94 42870 5.51 11.48 124900 16.45 34.27 372900 39.08 81.42 885800 41.06 85.54 930700 73.07 152.23 1656000 43.45 90.52 984900 54.15 112.81 1227000 59.85 124.69 1356000

Notas: Las columnas 1 y 2 se derivan de la tabla W-4. Esta tabla también muestra un total de 13,215 camiones, con 6,918 camiones de dos ejes y cuatro ruedas (52%). Columna 3: valores ajustados de la columna 2 para camiones de dos ejes y cuatro ruedas; igual a columna 2/(1-0.52) Columna 4: Columna 3 x (camiones en el período de diseño)/1000. Ver ejemplo donde total de camiones= 10880000 en una dirección.

71

Factores De Seguridad De Carga. A fin de compensar la posible presencia de sobrecargas no previstas de camiones sobrecargados y otros factores asociados a los materiales y espesores de capas en las construcciones, se consideran los factores de seguridad de carga siguientes (LSF) • • •

LSF = 1.2; para proyectos interestatales y otros de múltiples carriles donde el flujo de tráfico será ininterrumpido, con altos volúmenes de tráfico de camiones. LSF = 1.1; para carreteras y calles arteriales donde el volumen de tráfico de camiones será moderado. LSF = 1.0; para carreteras, calles residenciales, y otras que soportarán pequeños volúmenes de tráfico de camiones.

PROCEDIMIENTO DE DISEÑO. Bajo el supuesto que se dispone de los datos de carga por eje, se requiere conocer previamente, los datos de entrada siguientes: • • • • • •

Tipo de juntas y de bermas que tendrá el pavimento. Resistencia flexora del concreto a los 28 días. Valor de resistencia del terreno, en términos del módulo de reacción del terreno k o kc, según sea el caso. Factor de seguridad de carga LSF. Distribución de cargas por eje. Número esperado de repeticiones de carga por eje durante el período de diseño.

Conocidos estos datos, se procede a realizar el análisis por fatiga y posteriormente el análisis por erosión, para un determinado espesor de losa de concreto previamente escogido. Para el efecto, se dispone de las tablas y gráficos que presenta el método, haciendo uso del formato que se incluye más adelante. El procedimiento termina cuando se verifica que los resultados del análisis por fatiga y por erosión, en conjunto, no superan el 100 % de la resistencia de la losa. El análisis por Fatiga tanto para pavimentos con juntas con dowels y sin dowels como para pavimentos con refuerzo continuo, utiliza los mismos gráficos y tablas y en general el procedimiento es como sigue: 1. En los ítems 8 y 11 de la hoja de cálculo ingresar los Factores de esfuerzo equivalentes, obtenidos de la tabla apropiada, en función a los datos del problema. 2. Dividir estos por el módulo de rotura del concreto y colocar el resultados en los ítems 9 y 12. 3. Llenar la columna 4 con las Repeticiones Permisibles, determinados en la tabla W-4. 4. Calcular la columna 5, dividiendo la columna 3 entre la columna 4, multiplicado por 100; totalizar al final.

72

Para el análisis por erosión, luego de haber escogido las tablas y nomogramas correspondientes, el procedimiento a seguir es: 1. Ingresar los factores de erosión obtenidos de la tabla apropiada, en los ítems 10 y 13. 2. Llenar en la columna 6, las “Repeticiones Permisibles” determinadas de la figura correspondiente (fig. 6a ó fig. 6b) 3. Calcular la columna 7, dividiendo la columna 3 por la columna 6, multiplicado por 100, luego totalizar el daño por erosión. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO SIMPLIFICADO. Los criterios que se dan a continuación, son utilizados cuando los datos específicos de carga por eje no están disponibles. Una amplia variedad de tipos de pavimentos construidos es cubierto por las cuatro categorías de tráfico que se dan en la tabla siguiente. Las tablas propuestas han sido generadas en base a distribuciones compuestas de cargas por eje, que representan diferentes categorías de carreteras y calles. Las tablas de diseño elaboradas para las categorías de tráfico 1, 2, 3 y 4, tienen incorporados convenientemente los factores de seguridad 1.0, 1.1, 1.2 y 1.3 respectivamente. Además, las tablas muestran los datos para un período de diseño de 20 años. CATEGORIAS DE CARGAS POR EJE CAT. DE CARGA POR EJE 1

2

CARGAS POR EJE MAXIMAS, KIP

TRAFICO DESCRIPCION

200 - 800

ADTT POR % DIA Hasta 1-3 25

700 - 5000

518

40-1000

3000 -12000, 2 carriles. 3000 – 50000, 4 carr. O más.

830

5005000

30

52

3000-20000, 2 carriles. 3000150000, 4 carr. O más

830

15008000

34

60

ADT Calles Residenciales. Carreteras rurales y secundarias (baja a mediana). Calles colectoras. Carreteras rurales y secundarias (alta). Calles arteriales y carreteras primarias (baja)

3

Calles arteriales y carreteras primarias (mediana) Vías expresa e interestatales urbanos y rurales (baja a mediana)

4

Calles arteriales, carreteras primarias, vías expresa (alta). Interestatales urbanos y rurales (mediana y alta)

EJES SIMPLES

EJES TANDEM

22

36

26

44

Nota: Las descripciones: alta, media o baja, se refieren al peso relativo de las cargas por eje para el tipo de calle o carretera. Así, “baja” para una interestatal rural representaría una carga más pesada que “baja” para una carretera secundaria. ADTT: Camiones, excluyendo los de dos ejes cuatro ruedas.

73

RESISTENCIA DE LA SUBRASANTE. La resistencia de la subrasante – sub base está caracterizada por las palabras: Baja, Media, Alta y Muy Alta. La relación entre diferentes tipos de ensayo para determinar k, se muestran en la figura 1. Si los datos no están disponibles, la siguiente tabla lista los valores aproximados de k para diferentes tipos de suelos. Si se utiliza una subbase, el valor k es incrementado según la tabla 1 ó 2, vistas anteriormente.

TIPO DE SUELO

SOPORTE

VALORES: K (pci)

Suelos de grano fino, con predominio de limos y arcillas

BAJO

75 – 120

Arenas y mezclas de arena – grava, con moderadas cantidades de limo y arcilla

MEDIANO.

130 – 170

Arenas y mezclas de arena – grava, relativamente libres de plásticos finos.

ALTO

180 – 220

MUY ALTO

250 – 400

Sub bases tratadas con cemento

METODO AASHTO. El método de diseño que se describe a continuación, se halla contenido en la Guía AASHTO para Diseño de Estructuras de Pavimentos – 1993. El método permite el diseño de estructuras de pavimentos de concreto de cemento Pórtland que se indican a continuación:  Pavimentos de concreto simple con juntas (CSJ).  Pavimentos de concreto reforzado con juntas (CRJ).  Pavimentos de concreto con refuerzo continuo (CRC). El procedimiento se basa en el resultado de la evaluación del funcionamiento de los pavimentos de la carretera experimental AASHO, los cuales se construyeron con pasadores lisos en las juntas transversales. Si el proyectista desea diseñar pavimentos con juntas sin pasadores lisos, puede desarrollar un “factor de transferencia de cargas” (factor J) apropiado, o verificar su diseño con otro procedimiento, como el de la PCA. MODULO EFECTIVO DE LA SUBRASANTE. El en diseño de pavimentos rígidos, la resistencia de la subrasante se expresa en términos del módulo efectivo de reacción la subrasante (valor – k) el cual se determina bajo condiciones de esfuerzo y humedad, similares a las de las estaciones primarias húmedas, el valor resultante es equivalente al efecto combinado de todos los valores estacionales. Debido a los efectos de las características de la sub-base sobre el valor – k efectivo de diseño, su determinación sigue un procedimiento iterativo paso a paso, para 74

el efecto la guía AASHTO proporciona los ábacos correspondientes, debiendo tenerse en cuenta lo siguiente: a) Tipo de sub base. b) Espesor de la sub base (plg.) c) Pérdida de soporte (PS), basado en la erosión potencial del material de la sub base. d) La profundidad de la fundación rígida. Si el basamento rocoso cae dentro de tres 3 metros de la superficie de la subrasante, en cualquier longitud significativa a lo largo del proyecto, se debe considerar su efecto sobre el valor total de k, en conjunto para ese segmento. DETERMINACIÓN DEL ESPESOR DE LOSA REQUERIDO. Además del valor de k efectivo de la subrasante, es necesario conocer los valores de: 1) 2) 3) 4) 5)

W18 = Tráfico futuro estimado, durante el período de funcionamiento. Confiabilidad R. Desviación estándar total S0. Pérdida de la serviciabilidad de diseño: PSI = pi – pt . Módulo Elástico del Concreto Ec .Se puede utilizar la correlación recomendada por el ACI; para concreto normal de cemento Pórtland: Ec  57000

f 'c

(psi)

Con f’c = resistencia a la compresión del concreto en psi. 6)

Módulo de Rotura del Concreto.- S’c.- Calculado como el valor medio determinado después de 28 días, utilizando el ensayo de carga en los tercios. Debido al concepto de confiabilidad usado en la guía, se recomienda no utilizar la especificación normal de construcción para el módulo de rotura. Si fuera deseable utilizar la especificación de construcción, debe ajustarse basado en la desviación estándar de valores de módulo de rotura y el porcentaje (PS) de la distribución normal: S ' c( media )  Sc  z   SDS 

Donde: S’c = valor medio estimado para el módulo de rotura PCC (psi). Sc = Módulo de rotura de la especificación de construcción del concreto(psi) SDs = Desviación estándar estimada del módulo de rotura del concreto (psi). Z = Varianza normal estándar: = 0.841 para (PS) = 20 % * = 1.037 para (PS) = 15 % = 1.283 para (PS) = 10 % = 1.645 para (PS) = 05 % = 2.327 para (PS) = 01 % 75

* .- Número permisible de especimenes, expresado en porcentaje que pueden tener resistencias menores que el valor especificado. 7)

Coeficiente de Transferencia de Carga (J) Es un factor usado para tener en cuenta la habilidad de la estructura de un pavimento de concreto para transferir cargas a través de discontinuidades, tales como juntas o grietas. Se consideran los valores de la tabla siguiente: BERMA

ASFALTO

DISPOSITIVO DE TRANSFERENCIA DE CARGA

PCC unido

SI

NO

SI

NO

3.2

3.8 – 4.4

2.5 – 3.1

3.6 – 4.2

2.9 – 3.2

N/A

2.3 – 2.9

N/A

TIPO DE PAVIMENTO 1) 2)

Simple con juntas y reforzado con juntas. CRCP

* .- Para pavimentos con juntas sin dispositivos de transferencia de carga en la juntas: J = 3.8 a 4.4

Nota.- Como guía general el diámetro del dowel debe ser igual al espesor de losa multiplicado por 1/8”. El espaciamiento y longitud son normalmente 12” y 19” respectivamente. 8)

Coeficiente de Drenaje. (Cd ).- Depende de la capacidad de drenaje y del porcentaje de tiempo durante el año que la estructura del pavimento estará normalmente expuesta a niveles de humedad aproximadamente iguales a los de saturación. Se dan los valores de la siguiente tabla: CALIDAD DEL DRENAJE Excelente Bueno Regular Pobre Muy Pobre

Porcentaje Del Tiempo Que La Estructura Del Pavimento Está Expuesta A Niveles De Humedad Cercanos A La Saturación 25

1.25 – 1.20 1.20 – 1.15 1.15 – 1.10 1.10 – 1.00 1.00 – 0.90

1.20 – 1.15 1.15 – 1.10 1.10 – 1.00 1.00 – 0.90 0.90 – 0.80

1.15 – 1.10 1.10 – 1.00 1.00 – 0.90 0.90 - 0.80 0.80 – 0.70

1.10 1.00 0.90 0.80 0.70

Una vez conocidos los factores indicados en los puntos del 1 al 8, descritos anteriormente, se aplica la fórmula de diseño siguiente, o en su defecto, el ábaco de diseño presentados en la Guía AASHTO para diseño de estructuras de pavimentos, que se reproduce a continuación.

76

77

78

79

80

TERCERA UNIDAD: MATERIALES BITUMINOSOS. Los materiales asfálticos se han conocido y utilizado en la construcción de caminos y edificios desde la remota antigüedad. Los primeros asfaltos eran naturales y se encontraban en estanques y lagos de asfalto; en la actualidad provienen de los residuos del petróleo refinado. El asfalto consta de hidrocarburos y otros derivados y es completamente soluble en bisulfuro de carbono. Es el residuo del petróleo después de extraer, por refinación o destilación, los componentes más volátiles. DEFINICIONES ASFALTOS DE PETROLEO. Obtenido directamente por refinación del petróleo de "base asfáltica". Es un ligante sólido o semisólido de color negro o marrón oscuro que se licúa gradualmente al calentarlo. Sus constituyentes principales son betunes. BETUNES.- Son mezclas de hidrocarburos naturales o pirogenados, o combinación de ambos, que pueden ser gaseosos, líquidos, semisólidos o sólidos, y que son completamente solubles en bisulfuro de carbono (CS2). CEMENTO ASFALTICO.- Es asfalto refinado, o una combinación de asfalto refinado y aceite fluidificante, de consistencia apropiada para trabajos de pavimentación. ACEITE FLUIDIFICANTE.- Es un aceite viscoso, espeso, no volátil, obtenido por la destilación de productos volátiles livianos que se encuentran en el petróleo crudo. Se usa para ablandar los asfaltos muy duros, cuya penetración es menor de 10, hasta obtener la consistencia deseada. ASFALTO LÍQUIDO.- Es un cemento asfáltico licuado mediante la adición de un fluidificante (destilado de petróleo ligero y volátil) Cuando se halla expuesto a la intemperie, se evapora el destilado volátil, quedando únicamente el cemento asfáltico. Hay tres tipos: de cura rápida RC, media MC, y lenta SC. ASFALTO LIQUIDO DE CURADO RAPIDO (RC ).- Es un cemento asfáltico fluidificado con nafta, o con un destilado del tipo de la gasolina. ASFALTO LIQUIDO DE CURADO MEDIO (MC ) .- Es un cemento asfáltico fluidificado con kerosene. ASFALTO LIQUIDO DE CURADO LENTO (SC ).- Es un aceite asfáltico residual, o una mezcla de estos aceites con destilados de volatilización lenta. ASFALTO EMULSIONADO.- Es una emulsión de cemento asfáltico y agua, conteniendo una pequeña cantidad de agente emulsivo. ALQUITRAN.- Es un material bituminoso, viscoso o fluido, obtenido por destilación destructiva de materias orgánicas como: carbón, lignito, madera y material vegetal. La palabra "alquitrán" debe siempre ir acompañada del nombre de la materia de la cual es extraído. ALQUITRAN DE CARBON.- Producido por destilación destructiva del carbón bituminoso.

81

ALQUITRAN DE GAS DE CARBON.- Producido en la fabricación del gas de alumbrado procedente de carbón bituminoso. ALQUITRAN DE HORNOS DE COQUE.- Producido en la fabricación del coque procedente del carbón bituminoso. ALQUITRAN DE GAS DE PETROLEO.- Producido a grandes temperaturas en la fabricación del gas de petróleo. ALQUITRAN DE GAS DE AGUA.- Producido a grandes temperaturas en la fabricación del gas de agua. ALQUITRAN REFINADO.- Se obtiene haciendo evaporar o destilar el agua que contiene el alquitrán hasta que adquiera su consistencia deseada, o bien fluidificando el residuo de alquitrán con destilado de alquitrán. TIPOS DE ALQUITRANES.- Hay 14 tipos: del RT-1 al RT-12 y los RTCB-5 y RTCB-6. NOMENCLATURA DE MATERIALES BITUMINOSOS Es muy común utilizar indistintamente términos tales como asfalto, betún, betún asfáltico, brea, etc. Por tal motivo comenzaremos por definir algunos términos relacionados con los materiales bituminosos. Petróleo: son mezclas complejas constituidas por hidrocarburos, gaseosos, líquidos, y sólidos, a partir de los cuales se obtienen los betunes. Betún: son materiales altamente viscosos o casi sólidos, con propiedades adhesivas e impermeables que provienen de la destilación del petróleo o están presentes en los asfaltos naturales. Se caracterizan por ser totalmente solubles en sulfuros de carbono. Ligantes bituminosos: están constituidos por materiales con propiedades aglomerantes y adhesivas que contienen betunes. Pueden estar en cualquiera de las siguientes formas: sin modificar, modificados, oxidados, diluidos, emulsificados, fluxados. Asfaltos: son los betunes sólidos o semisólidos de color negro o castaño que desarrollan propiedades ligantes y cuya consistencia disminuye al ser calentados. Pueden ser de:   

Petróleo: obtenido por refinación de petróleo Roca: se presenta impregnando un esqueleto pétrea Lago: se presentan en depósitos terrestres acompañados de rellenos minerales (asfalto del lago de Trinidad)

Asfaltos naturales: son betunes duros que se encuentran en depósitos naturales, a menudo mezclados en materia mineral fina ( asfaltitas, gilsonita, etc.) Betún oxidado: es un betún cuyas propiedades reológicas han sido sustancialmente modificadas por reacciones con aire a temperaturas elevadas. Betún modificado: un betún cuyas propiedades reológicas han sido modificadas durante su fabricación por el uso de agentes químicos, tales como polímeros sintéticos, azufre, compuestos órgano-metálicos, caucho natural, etc.

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Betún modificado con Polímero: es un betún modificado en el cual el modificador usado es uno o mas polímeros orgánicos. Betún fluxado: es un betún cuya viscosidad ha sido reducida por la adición de un aceite (flux). Alquitranes: son betunes obtenidos de la destilación destructiva de carbones fósiles, maderas u otras sustancias orgánicas. Brea: son betunes sólidos o semisólidos obtenidos de la destilación del alquitrán, que desarrollan propiedades ligantes y cuya consistencia disminuye con la temperatura. En consecuencia tanto el asfalto como la brea son materiales bituminosos, sin embargo sus propiedades son muy diferentes. Mientras que los asfaltos están constituidos casi totalmente por betunes. En las breas el contenido de betún es bajo.

ASFALTO DE PETROLEO Es el material resultante del proceso de destilación del crudo de petróleo, de consistencia sólida, semisólida o líquida, de color marrón oscuro a negro compuesto básicamente por bitumen, el cual es completamente soluble en bisulfuro de carbono C S2. Es utilizado en pavimentación por sus propiedades aglutinantes, impermeabilizantes, flexibilidad, durabilidad y alta resistencia a los ácidos y álcalis en general. Obtención. Se obtiene a partir del crudo de petróleo de base asfáltica. No todos los crudos producen asfalto, debido a las diferentes proporciones de combustibles y asfaltos que lo componen. A su vez, los asfaltos se componen de asfaltenos y maltenos (bases nitrogenadas, acidafinas e hidrocarbonatados). Se ha demostrado por ensayos de laboratorio que porcentajes del orden de 7% de asfaltenos caracterizan al crudo como tal.

83

PROCESO DE OBTENCIÓN DE LOS DIFERENTES TIPOS DE ASFALTO POR DESTILACIÓN DEL CRUDO DE PETROLEO. DIAGRAMA DE FLUJO PARA ASFALTO DE PETROLEO Pozo de Petroleo Alm acenamiento de Campo

Estación de Bombeo Destilados Livianos

Torre de Destilación

Condensador y Enfriadores

Procesamiento Gasolina Solventes Livianos

Destilados Medianos

Kerosene Aceite Liviano de Quemador

Destilados Pesados

Aceite Diesel Aceites Lubricantes

Calentador de Tubos

Unidad de Procesam iento

Resíduos

Refinería

Cementos Asfálticos

Almacenaje

Asfaltos Diluidos de Curado Lento y Aceites Para Caminos (Road Oil) (También Pueden Prepararse Mediante Destilación Diresta) Mezclador Asfaltos Diluidos de Curado Medio

Destiladora Mezclador

Asfalto Oxigenado

Aire

Asfaltos Diluidos de Curado Rápido Mezclador

Estación de Bombeo

Asfaltos Emulsificados

Planta de Em ulsiones

84

Composición. Generalmente, un asfalto está Compuesto químicamente por los siguientes elementos:     

80 – 85 % carbono 10 % hidrógeno 2 – 8 % oxígeno 1 – 7 % sulfuros Pequeñas cantidades de nitrógeno y otros metales.

Sin embargo, la composición química del asfalto es muy compleja, dado su origen, para simplificar podemos decir que está constituído por una suspención de ASFALTENOS peptizados por resinas, en un medio compuesto por aceites saturados y aceites AROMÁTICOS. Del porcentaje en que intervienen cada uno de los componentes dependen sus propiedades mecánicas y reológicas. Asfaltenos  Partículas bituminosas sólidas discretas (negras)  Alta viscosidad  Proveen elasticidad resistencia y adhesión Maltenos •

.Resinas ( aromáticas)  Semisólidas o sólidas a temperatura ambiente  Fluidas cuando se calientan, frágiles cuando se enfrían  Proveen ductilidad ( visco elasticidad)

•

Aceites saturados    

Liquidos incoloros Solubles en la mayoría de los solventes Aumentan la fluidez ( plasticidad ) Pueden contener ceras, que se se transforman en fase con el oxígeno.

Características Asociadas.

COMPONENTES SATURADOS

CARACTERISTICAS Y PROPIEDADES. Tienen valor negativo en la susceptibilidad térmica

85

NAFTENO AROMÁTICOS

-

Componente ablandador. Mejora las propiedades físicas.

POLAR ARMATICOS

Tienen valor negativo a la susceptibilidad térmica. Contribuyen a mejorar la Ductilidad. Mejora la dispersión de asfaltenos.

ASFALTENOS

Contribuye a mejorar la susceptibilidad térmica. Mejora la viscosidad a altas temperaturas. Son deseables en los asfaltos.

TIPOS DE ASFALTOS DE PETROLEO a) PARA PAVIMENTACIÓN  Cementos Asfálticos  Asfaltos Diluidos.  Emulsiones Asfálticas.  Asfaltos Modificado. b) PARA USO INDUSTRIAL.  Asfaltos Oxidados. TIPOS DE ASFALTOS USADOS EN PAVIMENTACION Cemento Asfáltico (CAP) Es el material resultante del proceso de destilación del crudo de petróleo, de consistencia sólida, semisólida o líquida, de color marrón oscuro a negro compuesto básicamente por bitumen, el cual es completamente soluble en bisulfuro de carbono C S2. Es utilizado en pavimentación por sus propiedades aglutinantes, impermeabilizantes, flexibilidad, durabilidad y alta resistencia a los ácidos y álcalis en general. El cemento asfáltico hasta hace poco, se ha venido clasificando bajo tres sistemas diferentes: viscosidad; viscosidad después de envejecimiento y penetración: PRUEBA VISCOSIDAD AC-2.5 60°C, poises. 250±50

CLASIFICACIÓN – GRADO AC-5

AC-10

AC-20

AC-30

500±100 1000±200 2000±400 3000±600

AC-40 4000±800

VISCOSIDAD AR-10 AR-20 AR-40 AR-80 AR-160 60°C, poises (sobre residuo del ensayo1000±2502000±5004000±10008000±200016000±4000 RTFO)

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PEN PENETRACION 40-50 25°C 40-50

PEN 60-70

PEN 85-100

PEN 120-150

PEN 200-300

60-70

85-100

120-150

200-300

En la actualidad, como resultado del programa SHRP ( Strategic Highways Research Program) desarrollado por AASHTO, la determinación del tipo de asfalto a utilizar se hace en función al grado de desempeño del cemento asfáltico que esta intima-mente ligado a la temperatura de la zona de trabajo

Especificación de Asfaltos Superpave El sistema de graduación se basa en el Clima

PG 64 - 22 Grado de Performance Promedio de los 7-días Máx. Temperatura del Pavimento

Temperatura Min. Del Pavimento

ESPECIFICACIONES DEL CEMENTO ASFALTICO PENETRACION

CLASIFICADO POR

87

Asfaltos Líquidos (Cortados)  Curado Rápido (RC) (Naphtha o Gasolina)  Alta volatilidad del solvente  Riego de liga, tratamientos superficiales 88

 Curado Medio (MC) (Kerosene)  Moderada volatilidad  Mezclas para parches  Curado Lento (SC) (Aceites de baja viscosidad)  Baja volatilidad  Imprimación, control de polvo. CARACTERISTICAS Viscosidad Cinemática a 60ºC, mm 2/s Punto de Inflamación (TAG, Copa abierta) ºC Destilación, Volumen total destilado hasta 360 ºC, % Vol. .A 190 ºC .A 225ºC .A 260 ºC .A 316 ºC Residuo de la destilación a 360 ºC Pruebas sobre el residuo de la destilación Ductilidad a 25 ºC, 5cm/min, cm. Penetración a 25 ºC, 100 gr., 5 seg. (*)Viscosidad absoluta a 60ºC, Pa.sSolubilidad en tricloetileno, % Contenido de agua, % del volumen

ENSAYO

RC – 70 Mín Máx

RC – 250 Mín Máx

RC – 800 Mín Máx

MTC E 301

70

140

250

500

800

1600

MTC E 312

-

-

27

-

27

-

MTC E 313

10 50 70 85

-

35 60 80

-

15 45 75

-

55

MTC E 306 MTC E 304 MTC E 302

65

75

100 80 60 99

120 240 -

100 80 60 99

120 240 -

100 80 60 99

120 240

-

0.2

-

0.2

-

0.2

Emulsiones Asfálticas.

89

Partícula con carga negativa

Partícula con carga positiva

DISPERSION DE LAS PARTÍCULAS DE ASFALTO EN MEDIO ACUOSO

COMPONENTES DE LA EMULSION CEMENTO ASFALTICO El cemento asfáltico es el elemento básico de la emulsión asfáltica y en la mayoría de los casos, constituye entre un 50 y un 75% de la emulsión. Si bien la dureza de la base de cemento asfáltico puede variar, la mayoría de las emulsiones es hecha con asfaltos con un rango de penetración 60 – 250. En ocasiones, las condiciones climáticas pueden requerir una base asfáltica más dura o más blanda. En cualquier caso, la compatibilidad química entre el agente emulsivo y el cemento asfáltico es esencial para la producción de una emulsión estable. AGUA El segundo componente en una emulsión asfáltica es el agua. Su contribución a las propiedades deseadas en el producto final no puede ser minimizada. El agua puede contener minerales u otros elementos que afectan la producción de emulsiones asfálticas estables. Consecuentemente, el agua potable puede no ser adecuada para las emulsiones asfálticas. El agua encontrada en la naturaleza puede ser inadecuada debido a las impurezas, sea en solución o en suspensión coloidal. Preocupa particularmente la presencia de iones de calcio y de magnesio. Estos iones favorecen la formación de una emulsión catiónica estable. De hecho, frecuentemente se adiciona cloruro de calcio a las emulsiones cationicas, con el objetivo de aumentar la estabilidad durante el almacenamiento. AGENTES EMULSIVOS

90

Las propiedades de las emulsiones asfálticas dependen en gran medida en los agente químicos utilizados como emulsivos. El emulsivo es un agente tensio- activo o surfactante. El agente emulsivo mantiene las gotitas de asfalto en suspensión estable y controla el tiempo de rotura. Es también el factor determinante en la clasificación de las emulsiones como aniónicas, catiónicas o no-ionicas. Tipos de Emulsiones Asfálticas. El Emulsificante da la carga superficial a las gotas de asfalto suspendidas en agua  Aniónica  Carga Negativa  Alcalina  Buena con gravas calizas (carga positiva)  Catiónica  Carga Positiva  Acida  Buena con gravas silíceas (carga negativa)

IDENTIFICACIÓN DE LAS EMULSIONES ASFÁLTICAS

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RANGOS DE TEMPERATURA DE APLICACIÓN (ºC)

TIPO Y GRADO DE ASFALTO Asfaltos Diluidos: MC – 30 RC – 70 o MC – 70 RC – 250 o MC – 250 RC – 800 o MC – 800 Emulsiones Asfálticas CRS – 1 CRS – 2 CMS – 2 CMS – 2h; CSS – 1;CSS – 1h Cemento Asfáltico Todos los grados

RANGOS DE TEMPERATURA En Esparcido o Riego En mezclas Asfálticas (1) 30 – (2) 50 – (2) 75 – (2) 95 – (2)

60 – 80(3) 75 – 100(3)

50 – 85 60 – 85 40 – 70 20 – 70

50 – 60 20 – 70

140 máx. (4)

140 máx. (4)

(1) Temperatura de mezcla inmediatamente después de preparada. (2) Máxima temperatura en la que no ocurre vapores o espuma. (3) Temperatura en la que puede ocurrir inflamación. Se deben tomar precauciones para prevenir fuego o explosiones. (4) Se podrá elevar esta temperatura de acuerdo a las temperaturas – viscosidad del fabricante. ASFALTOS MODIFICADOS Se denomina así a los asfaltos obtenidos generalmente, por la combinación de productos químicos, polímeros u otros materiales y cementos asfálticos compatibles entre sí, que modifican sus propiedades mecánicas y reológicas. Esta combinación permite la obtención de mezclas con mayor durabilidad y elasticidad. Tipos de aditivos. Los polímeros listados no son los únicos, sin embargo son los mas utilizados dentro de un amplio rango de productos. La mayoría de polímeros pueden ser de dos tipos:  Los que mejoran las propiedades plásticas del asfalto.  Los que mejoran las propiedaes elásticas del asfalto.  Polímeros  Fillers extendedores  Antioxidantes 92

 Anti-strip  Rejuvenecedores Funciones del Asfalto de Pavimentación El asfalto, usado en pavimentación cumple dos funciones importantes:  Aglutinante.- Proporciona una íntima ligazón entre agregados, capaz de resistir una “acción mecánica de desagregado” producida por el tráfico.  Impermeabilizante.- Garantiza una superficie eficaz contra la penetración de agua, proveniente tanto de las precipitaciones, como del subsuelo por capilaridad

ENSAYOS DE CARACTERIZACIÓN DE LOS BETUNES. Los materiales bituminosos empleados en obras de pavimentación, deben ser controlados o ensayados bajo tres circunstancias bien definidas: a.- En la etapa del proyecto de una obra. b.- Durante la ejecución de la obra. c.- una vez finalizada la obra para la recepción de la misma, o bien para seguir su evolución con el correr del tiempo. En los ensayos practicados en los materiales bituminosos pueden clasificarse en tres grupos:   

De carácter práctico. De carácter científico De carácter empírico o arbitrario

En los ensayos de carácter practico, se determina la calidad de material por su comportamiento en el uso real, por lo que los resultados obtenidos, poseen el mayor grado de certeza. Estos ensayos por lo general son de larga duración . los ensayos se practican por medio de tramos experimentales, pistas de ensayo, etc. Una variante de estos métodos son los ensayos acelerados de laboratorio, donde se trata de reproducir las condiciones de uso normal, peor en forma acelerada. Los ensayos empíricos, no tienen ningún fundamento teórico y por lo tanto o pretenden medir ninguna propiedad física o química del material. Para estos ensayos, se emplean aparatos perfectamente normalizados, en cuanto a dimensiones y condiciones operativas. Los resultados obtenidos son de difícil interpretación y pierden su valor cuando no se realizan bajo condiciones normalizadas. La naturaleza de estos ensayos hace que sea de fundamental importancia la interpretación correcta de los resultados. Dentro de estos ensayos, se hallan los de ejecución corriente en los laboratorios viales determinados comúnmente, ensayos de rutina. El principal objetivo de estos ensayos es verificar si los materiales utilizados se hallan dentro de los limites establecidos en las respectivas especificaciones.

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Lentamente se tarta de ir reemplazando estos ensayos por otros de carácter científico, como lo es, por ejemplo, el ensayo de penetración por el de viscosidad. Los métodos científicos miden alguna propiedad física o química bien definida, que presente una correlación con el comportamiento real. Ejm. De estos métodos son los ensayos de viscosidad, comportamiento reológico, análisis químico, etc. Los betunes son materiales termoplásticos, en razón de que disminuyen su consistencia cuando son calentados y endurecen cuando se enfrían. Para poder comparar la consistencia de un betún con la de otro, en necesario fijar una temperatura de referencia. La variación de la consistencia con la temperatura es muy grande. A título demostrativo, para un betún de uso corriente en pavimentación, su consistencia puede variar desde 2 poises a 140 – 150° C (temperatura de mezclado) a 10 6 – 107 Poises a 25° C (t3mperatura media del pavimento.) Punto de Ablandamiento.- (ASTM D 36) El punto de ablandamiento es la temperatura a la cual, una muestra de material bituminoso, se ablanda lo suficiente, para permitir el paso de una bola de acero colocada inicialmente sobre la superficie y caiga hasta una distancia predeterminada. Esta es una medida completamente arbitraria y no corresponde a ningún cambio en el estado físico del material, sino que el mismo se ablanda progresivamente, a medida que aumenta la temperatura, por lo tanto, esta determinación, debe realizarse por un método rígidamente definido, para asegurar su repetitividad. Durante mucho tiempo se admitió que, la temperatura del punto de ablandamiento era una temperatura de equiviscosidad, es decir que, todos los betunes poseían igual viscosidad a esa temperatura. En la actualidad se ha demostrado que la viscosidad de distintos betunes, a la temperatura del punto de ablandamiento, oscila entre 8,000 y 30,000 Poises. También durante mucho tiempo se consideró que a la temperatura del punto de ablandamiento, todos los asfaltos tenían una penetración igual a 800, cosa que también se ha demostrado que no es correcta. Si bien este ensayo no es una medida correcta de la consistencia de los betunes, el mismo proporciona una idea de la misma. Este ensayo, tal como se verá más adelante, se utiliza para el cálculo de la susceptibilidad térmica de los betunes. La precisión del método es la siguiente:  

Repetitividad: Reproducibilidad:

1,1 °C 2,0 °C.

Penetración.- (ASTM D 5) El ensayo de penetración es una medida empírica de la consistencia de los betunes, no guardando ninguna relación con la calidad de los mismos. El ensayo consiste en colocar una muestra de betún en un recipiente de dimensiones normalizadas y mantenido a una temperatura de 25 °C. Sobre la superficie del betún se apoya una aguja de dimensiones normalizadas y es dejada penetrar dentro del mismo bajo la acción de una carga de 100 gr., durante 5 segundos. La penetración de la aguja se mide en 0,1 mm. Esto se realiza mediante un aparato denominado Penetrómetro, el cual puede ser accionado en forma manual o automática. Es de fundamental importancia mantener la temperatura constante durante el ensayo. Fig.

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En el ensayo se realizan tres o cuatro penetraciones y se informa el promedio de las mismas. Ensayos duplicados practicados sobre las mismas muestras, no deben diferir en más de las siguientes cantidades: Penetración

Repetibilidad

Reproducibilidad.

< 50 > 50

1 unidad 3% del valor medio

4 unidades. 8% del valor medio.

Saal ha establecido una relación empírica entre penetración y viscosidad para betunes Newtonianos, de la forma siguiente:



1,58  1010 Poises Pen 16

Ductilidad .- (ASTM D – 113) La ductilidad, se expresa como la distancia en la cual una probeta de betún puede ser estirada, antes de que el hilo formado, rompa bajo las condiciones especificadas del ensayo. Por lo general, el ensayo se realiza a 25 °C y la velocidad de estiramiento es de 5 cm/min. Una cierta ductilidad es necesaria en los betunes, debido a que las superficies bituminosas son sometidas a cambio de temperaturas, las cuales producen expansión y contracción. La ductilidad, depende de la naturaleza del betún y de la temperatura. Los betunes soplados poseen menos ductilidad de los directos. La principal objeción al ensayo de ductilidad, es lo difícil de su interpretación. Los resultados dependen entre otras cosas, de la consistencia del asfalto, de la cohesión, de las propiedades reológicas, etc. A medida que el ensayo se desarrolla, la sección del hilo disminuye y en consecuencia aumenta la tensión (fuerza por unidad de superficie) que soporta el mismo. Cuando la tensión es mayor que la cohesión, el hilo se corta. Para muchos betunes de baja consistencia a 25 °C, no se alcanza a sobrepasar la fuerza de cohesión y el resultado es una alta ductilidad. Por el contrario, con los betunes duros, la tensión aplicada es alta y se hace rápidamente mayor que la cohesión, produciéndose el corte del hilo y el resultado es una baja ductilidad. En lo que respecta a la incidencia del comportamiento reológico en los resultados del ensayo, podemos decir que a medida que aumenta la complejidad de los betunes (valores bajos del índice de flujo complejo) los valores de ductilidad son menores. Esto se explica en razón de que en este tipo de material, la consistencia disminuye rápidamente al aumentar la tensión. Al disminuir la sección de la muestra durante el ensayo, el esfuerzo de corte aumenta rápidamente y la región de menor consistencia se localiza en el punto de mayor esfuerzo de corte, por lo que se produce el adelgazamiento de la sección. Esta rápida reducción del área transversal, produce valores bajos de ductilidad, por que los esfuerzos de corte, exceden la resistencia a la cohesión del material, inmediatamente después de que la prueba ha comenzado. Cuando el asfalto es de fluir simple, donde la consistencia es independiente del esfuerzo de corte, el adelgazamiento se va produciendo paulatinamente. Estos materiales se deforman en

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forma de un hilo largo, bajo las condiciones del ensayo, antes de que se exceda la resistencia de cohesión del material. Estos materiales dan valores elevados de ductilidad. En la actualidad se ha comprobado que existen grandes discrepancias entre el valor de la ductilidad, tal como se determina en el ensayo y el comportamiento del betún en el pavimento. Esto ha conducido a calificar a este ensayo como el más engañoso de todos los que se efectúan en los asfaltos y el que más fácilmente puede conducir a juicios erróneos. Resultados de ensayos duplicados no difieren en más de las siguientes cantidades:  

Repetitividad: Reproducibilidad:

10 % de la media. 20 % de la media.

Figura. Punto de Inflamación.- (ASTM D – 92) Los betunes cuando son sometidos a temperaturas suficientemente elevadas, desprenden vapores que se inflaman en presencia de una chispa o llama.

Normalmente, las temperaturas a las cuales se operan los betunes durante el mezclado en una planta (usina) son más bajas que las temperaturas se inflamación de los betunes. Para tener la certeza de que esto es así, se debe determinar el punto de inflamación. El punto de inflamación, indica la temperatura a la cual el betún puede ser calentado con seguridad, sin que se produzca una inflamación instantánea en presencia de llama. El aparato empleado para la determinación es el vaso abierto de Cleveland. El ensayo consiste en colocar la muestra en el vaso Cleveland y calentarlo gradualmente, aplicando, a intervalos determinados, una pequeña llama sobre la superficie de la muestra. La temperatura más baja a la cual los vapores producidos por el calentamiento, se inflaman, es tomada como el punto de inflamación. Este ensayo, además permite detectar contaminación en los asfaltos, como consecuencia de restos de combustible o solventes en los camiones que transportan betunes, o bien por pérdidas de aceite en los circuitos de calefacción en las plantas asfálticas. La contaminación es culpable, en numerosos casos, del incumplimiento de las especificaciones por parte de los betunes. Por ejemplo, algunas experiencias indican que 0,1 % de Diesel Oil en un betún, pueden bajar su punto de inflamación en 28 °C, e incrementar su penetración 10 puntos. Esta contaminación corresponde solamente a 10 litros en 10.000 litros de betún. A pesar de ello, los cambios en las propiedades de los asfaltos son sustanciales. Figura. Pureza.- (ASTM D – 2042). Los asfaltos se componen casi enteramente por betunes, ya que presentan una solubilidad superior a 99,5 % en sulfuro de carbono. La parte soluble representa a los constituyentes activos

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de los asfaltos, mientras que el insoluble, lo constituye materia mineral inerte, tales como sales, carbono libre, etc. Los ensayos que se realizan normalmente para determina la pureza de los asfaltos es el de solubilidad en sulfuro de carbono y en tetracloruro de carbono. Pérdida por calentamiento. Este ensayo tiene por objeto establecer los cambios que sufren los betunes por el calentamiento a temperatura elevada, determinando la pérdida en peso de componentes volátiles y el aumento de consistencia como consecuencia de la alteración. La alteración de los asfaltos por calentamiento, se produce bajo circunstancias bien definidas: a) Durante el almacenaje caliente por un tiempo prolongado, en tanques de la planta de mezcla asfáltica. b) Durante la fabricación de la mezcla asfáltica. Para determinar los cambios que se originan en el primer caso citado, se recurre al método ASTM D – 6, que consiste en colocar una muestra de betún en una cápsula similar a la utilizada en el ensayo de penetración, la que se pesa al 0,01 g. La muestra se coloca sobre un plato que gira a 5 – 6 rpm.,que se encuentra dentro de una estufa y se la mantiene durante 5 horas a 163 °C. Transcurrido este tiempo y una vez fría la cápsula se la pesa nuevamente, determinando el porcentaje de material perdido por evaporación. Esta técnica, generalmente no es incluida en las nuevas especificaciones de asfaltos. La segunda causa de alteración, se refiere al proceso de mezclado en la planta asfáltica. Durante la fabricación de la mezcla asfáltica, proceso de corta duración, pero crítico, en razón de la elevada temperatura y el pequeño espesor de la película de betún que recubre los agregados, el asfalto sufre una alteración irreversible, por la pérdida de compuestos volátiles y absorción de ciertos componentes por parte de los agregados. Tal como se dijo anteriormente, se produce un endurecimiento del asfalto. Las especificaciones contemplan un aumento limitado de consistencia. Por lo tanto un control no adecuado de la temperatura de mezclado, puede provocar mayor daño por endurecimiento del asfalto, que muchos años de servicio en el camino. En razón de lo expuesto, es de suma importancia conocer las características del ligante una vez fabricada la mezcla y colocada, es decir las características en el comienzo de su vida útil en el pavimento. Mediante ensayos de laboratorio es posible conocer en forma aproximada, la alteración que sufren los asfaltos durante el mezclado en planta asfáltica (usina) y posterior colocación de la mezcla. Para ello se dispone de dos métodos: i) Pérdida por calentamiento en película fina (Thin film oven test) (ASTM D –1754). ii) Pérdida por calentamiento en película fina rotativa (Rolling Thin film test) (ASTM D – 2872). i)

Pérdida por calentamiento en película fina (Thin film oven test) (ASTM D –1754). El ensayo consiste en calentar una capa de asfalto de 3 mm de espesor, durante 5 hrs. A 163 °C, la cual es colocada sobre un plato que gira dentro de una estufa, a una velocidad de 5 – 6 rpm.

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Al cabo de ensayo se, calcula, la pérdida de compuestos volátiles y al residuo se le determina la penetración, ductilidad y viscosidad, verificando mediante estos ensayos, el grado de alteración alcanzado. Si bien este ensayo es incluido en numerosas especificaciones, tiene el inconveniente del prolongado tiempo de ejecución. un nuevo ensayo que trata de reproducir el mismo efecto en un tiempo mucho menor es el que se describe a continuación. ii) Pérdida por calentamiento en película fina rotativa (Rolling Thin film test) (ASTM D – 2872). El método consiste en calentar a 163 ºC durante 75 minutos, una muestra de betún colocada en un recipiente de vidrio de forma cilíndrica, dispuesta en un dispositivo, dentro de la estufa, que gira a 15 rpm. Durante la rotación, el recipiente recibe un fino chorro de aire caliente y seco en forma permanente. Los cambios producidos son medidos en base a ensayos de penetración, ductilidad y viscosidad. Este ensaya ha sido adoptado por AASHTO y ASTM, para graduar los asfaltos para pavimentación. Figuras.

USOS DEL ASFALTO EN PAVIMENTACIÓN.INTRODUCCION. Debido a la relativa facilidad en su manejo, son múltiples los usos que se puede dar al asfalto en obras de pavimentación. Uno de los primeros pavimentos asfálticos que se construyeron, son los tipo Macadam de penetración. En la actualidad, se pueden distinguir actividades que van desde una protección superficial antipolvo, hasta estructuras capaces de resistir por si solas los más exigentes niveles de carga impuestos por el tráfico, en las condiciones ambientales más desfavorables. PRINCIPALES USOS. El asfalto puede utilizarse en uno o más de los siguientes casos:  Imprimación asfáltica.  Riego de liga (pintura de ligazón)  Tratamientos superficiales:  Asfalto Premezclado en Caliente.  Asfalto Pre Mezclado en Frío.  Arena Asfalto en Caliente.  Arena Asfalto en Frío.  Concreto Asfáltico.  Mezcla en Pista (road mix).  Mortero asfáltico (Slurry seal) IMPRIMACION ASFÁLTICA.

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Riego de material asfáltico sobre la superficie de la base debidamente preparada.  Asfaltos Utilizados:  Asfaltos líquidos: MC-30; MC-70.  Tasa de aplicación: 0.9 a 1.1 litros/m2.  Penetración mínima = 7 mm.  Equipo: camión imprimador, cocina de asfalto, en forma manual, según magnitud de la obra.  Temperatura de aplicación 60 a 90°C, según viscosidad del asfalto PINTURA DE LIGAZON. Riego de material asfáltico sobre la superficie antigua, (asfáltica o de cemento portland) que permite mejor adherencia para la colocación de una sobrecapa nueva.  Asfaltos Utilizados:  Asfalto emulsificado: RR-1C; RR-2C; RM-1C ; RM-2C; RL-1C  Asfaltos líquidos: RC-70. (excepto en superficie bituminosa)  Tasa de aplicación: Una mezcla en relación de 1/2 litro de emulsión + ½ litro de aguas, puede aplicarse a razón de 0.25 a 0.35 lt./m2.  Equipo: camión imprimador, cocina de asfalto, en forma manual, según magnitud de la obra.  Temperatura de aplicación, según viscosidad del asfalto. TRATAMIENTO SUPERFICIAL. Tratamiento superficial (de penetración invertida) viene a ser la aplicación de material asfáltico y material granular, para proporcionar superficie impermeable y eliminar formación de polvo debido al desgaste producido por la acción abrasiva de los neumáticos. No aporta refuerzo estructural debido a su reducido espesor. Pueden ser:  Tratamiento superficial simple. TSS. (monocapa).  Tratamiento Superficial Doble. TSD. (bicapa).  Tratamiento Superficial Triple TST. (o tratamiento superficial múltiple de más capas) TRATAMIENTO SUPERFICIAL SIMPLE. Consiste en la colocación de una CAMADA, conformada y compactada en forma adecuada,  Compuesta por:  Riego de material asfáltico sobre la superficie de la base imprimada y preparada en forma conveniente.  Extendido de material granular.  Asfaltos utilizados:  CAPs: PEN 90; PEN 120/150 - 20 – 60 ssf.  ALPs: RC-250; RC-800;RC-3000. - 20 – 60 ssf.  EAPs: RR-1C; RR-2C. - 20 – 100 ssf.

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 Equipo utilizado:  Camión imprimador.  Camión volquete acondicionado con distribuidor de agregados.  Equipo de compactación. Debido a la forma de acomodar las partículas del agregado se recomienda rodillo neumático, pudiendo utilizarse rodillo vibratorio o rodillo tandem.  Se puede abrir al tráfico una vez concluido el proceso de compactación, controlando la velocidad de circulación. Se recomienda un fraguado mínimo de dos horas. TRATAMIENTO SUPERFICIAL DOBLE. O tratamiento superficial bicapa, consiste en la colocación de dos camadas, compuesta por:  Primera camada:  Riego de material asfáltico sobre la superficie de la base imprimada  Extendido de agregado graduado.  Compactación.  Segunda camada:  Riego de material asfáltico sobre la superficie de la primera camada terminada.  Extendido de agregado más fino.  Compactación.  Asfaltos utilizados:  CAPs: PEN 85/100; PEN 150/200 - 20 – 60 ssf.  ALPs: RC-250; RC-800;RC-3000. - 20 – 60 ssf.  EAPs: RR-1C; RR-2C. – Calentar máximo 70°C. TRATAMIENTO SUPERFICIAL TRIPLE. Consiste en la colocación de tres camadas, compuestas por:  Primera camada:  Riego de material asfáltico sobre la base imprimada  Extendido de agregado graduado.  Compactación.  Segunda camada:  Riego de material asfáltico sobre la primera camada terminada.  Extendido de agregado medio.  Compactación.  Tercera camada:  Riego de material asfáltico sobre la segunda camada terminada.  Extendido de agregado menudo.  Compactación.  Asfaltos utilizados:  CAPs: PEN 85/100; PEN 150/200 - 20 – 60 ssf.  ALPs: RC-250; RC-800;RC-3000. - 20 – 60 ssf.  EAPs: RR-1C; RR-2C. – Calentar máximo 70°C. 100

ASFALTO PREMEZCLADO EN CALIENTE Mezcla en caliente (hecha en planta) compuesta por uno o más agregados minerales y CAP, esparcido y compactado en caliente.  Se utiliza como:  Camada de regulación (capa nivelante),  Base asfáltica o  capa de revestimiento.  Asfaltos utilizados:  CAPs: 40/50; 60/70; 85/100, 120/150, según la región.  Viscosidad de trabajo: de debe determinar la más conveniente, de acuerdo a:  Tipo de aplicación.  Características y gradación del agregado.  Condiciones climáticas. Si no se cuenta con información, se puede escoger una temperatura de trabajo para viscosidades de 75 a 150 ssf.  Espesor: 3 a 10 cm.  Temperatura:  Agregados: se deben calentar 10 a 15°C más que el cemento asfáltico.  El filler no se calienta.  Mezcla: La temperatura de mezclado será como máximo de 177°C y mínimo 107°C.  Compactación: Si se utiliza rodillo neumático, la temperatura al momento de la compactación se determinará de acuerdo al CAP, para una viscosidad de 140 ssf (+/- 15 ssf) Sise utiliza otro tipo de rodillo, se compactará a la más alta temperatura que puede soportar la mezcla sin fisurarse. ASFALTO PREMEZCLADO EN FRIO Mezcla en caliente, con equipo apropiado, de agregados y emulsión asfáltico o asfalto líquido, esparcido y compactado en frío. Se preparan mezclas abiertas y cerradas, según su granulometría.  Se utilizan como:  Base asfáltica o  capa de revestimiento.  En labores de mantenimiento.  Espesor: de 3 a 20 cm. (en capas de 3”)  Asfaltos utilizados:  EACs: RM en mezclas abiertas; RL 1C, en mezclas densas.  ALPs: RC-250 en mezclas abiertas o poco densas; MC-250 en mezclas densas. ARENA - ASFALTO EN CALIENTE

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Mezcla en caliente, de arena + CAP, con o sin filler, esparcido y compactado en caliente. Se utilizan como:  Capa nivelante,  capa de revestimiento.  Espesor: máximo 5 cm.  Asfaltos utilizados:  CAPs: PEN 40/50; PEN 60/70; PEN 85/100.  Preparación: las condiciones para la mezcla y colocación son las mismas que para el pre mezclado en caliente. ARENA - ASFALTO EN FRIO Mezcla en caliente, de arena + asfalto líquido o emulsión asfáltica, con o sin filler, esparcido y compactado en frío.  Asfaltos utilizados:  EAPs. Catiónicas de rotura media: RM.  EAPs. Catiónicas de rotura media: RL  ALPs. de curado rápido RC-250.  ALPs. De curado medio MC-250.  Recomendación:  Aireado por 2 horas mínimo para permitir la evaporación del solvente.  Espesor máximo = 4 cm. CONCRETO ASFALTICO. (MAC) Mezcla en caliente, compuesta por agregado mineral graduado, material de llenado (filler) y CAP, esparcido y compactado en caliente, debiendo cumplir con determinads especificaciones técnicas.  Mezcla y colocación: bajo las mismas condiciones que el pre mezclado en caliente.  El espesor máximo de cada capa es de 3”, para mayor respesor se debe colocar en capas sucesivas de menos de 3”, con un riego de liga entre capas (binder).  CAPs.: se debe elegir el tipo de cemento asfáltico a utilizar en función a las condiciones medio ambientales del lugar de ubicación de la obra. MEZCLA EN PISTA (ROAD MIX) Mezcla de agregados minerales con asfalto líquido o asfalto emulsificado, esparcido y compactado en frío, con equipo mecánico apropiado.  Ligante recomendado:  Gradación densa:  Emulsión asfáltica: RL-1C; RM-1C.  Asfalto líquido: RC-250  Gradación densa:

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 Emulsión asfáltica: RM-1C.  El equipo mecánico debe ser el apropiado, que permita una mezcla uniforme de ligante y agregado. MORTERO ASFLATICO (SLURRY SEAL) Mezcla de agregados minerales menudos, con o sin material de llenado (filler), con emulsión asfáltica y agua, mezclado esparcido y nivelado con equipo de diseño especial.  Ligante utilizado: emulsión asfáltica catiónica para lodo asfáltico:  Emulsiones:  LA-1, LA-2.  LA-1C; LA-2C; LA-E. La mezcla preparada en tolva de mezclado montada sobre un camión, se distrubuye uniformemente sobre la superficie, en espesores máximos de 1 a 2 cm. Luego de lo cual se deja fraguar sin compactar.

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SEMANA 4.DISEÑO DE MEZCLAS ASFÁLTICAS. MEZCLAS ASFÁLTICAS Una mezcla asfáltica viene a ser la combinación de material pétreo con cemento asfáltico, en determinadas proporciones. El material pétreo, también llamado inerte o agregado, se compone de agregado grueso, agregado fino, rellenador mineral o filler y polvo mineral. La preparación de una mezcla asfáltica exige el control estricto de la granulometría del material pétreo y del porcentaje de cemento asfáltico a utilizar. AGREGADOS.

Los materiales a utilizar deberán responder a los siguientes requerimientos: Los agregados pétreos empleados para la ejecución de cualquier tratamiento o mezcla bituminosa deberán poseer una naturaleza tal, que al aplicársele una capa del material asfáltico por utilizar en el trabajo, ésta no se desprenda por la acción del agua y del tránsito. Sólo se admitirá el empleo de agregados con características hidrófilas, si se añade algún aditivo de comprobada eficacia para proporcionar una buena adhesividad. AGREGADO GRUESO.Se denominará agregado grueso la porción del agregado retenido en el tamiz de 4.75 mm (N° 4); agregado fino la porción comprendida entre los tamices de 4.75 mm y 75 mm (N° 4 y N° 200) y polvo mineral o llenante la que pase el tamiz de 75 mm (N° 200). El agregado grueso deberá proceder de la trituración de roca o de grava o por una combinación de ambas; sus fragmentos deberán ser limpios, resistentes y durables, sin exceso de partículas planas, alargadas, blandas o desintegrables. Estará exento de polvo, tierra, terrones de arcilla u otras sustancias objetables que puedan impedir la adhesión completa del asfalto. Sus requisitos básicos de calidad se presentan a continuación. Requerimientos para los Agregados Gruesos

Ensayos Durabilidad (al Sulfato de Sodio)

Norma

Requerimiento Altitud (m.s.n.m.) < 3 000 > 3 000

MTC E 209 12% máx. 10% máx.

Abrasión Los Ángeles

MTC E 207 40% máx. 35% máx.

Índice de Durabilidad

MTC E 214

35% mín.

35 mín.

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Partículas

chatas y alargadas

Caras fracturadas

MTC E 221 10% máx. 10% máx. MTC E 210

Según tabla

AGREGADO FINO.El agregado fino estará constituido por arena de trituración o una mezcla de ella con arena natural. La proporción admisible de esta última dentro del conjunto se encuentra definida en la respectiva especificación. Los granos del agregado fino deberán ser duros, limpios y de superficie rugosa y angular. El material deberá estar libre de cualquier sustancia que impida la adhesión del asfalto y deberá satisfacer los requisitos de calidad indicados en cada especificación. Adicionalmente el agregado fino deberá cumplir con los requerimientos de la Tabla siguiente: Tabla N° 410-3: Requerimientos para los Agregados Finos

Ensayos Equivalente de Arena Angularidad del agregado fino Adhesividad (Riedel Weber) Indice de Plasticidad Indice de durabilidad

Norma MTC E 114 MTC E 222 MTC E 220 MTC E 111 MTC E 214

Requerimiento Altitud (m.s.n.m.) < 3 500 > 3 500 Según tabla 410-5 Según tabla 410-6 4% mín. 6% mín. NP NP 35 mín. 35 mín.

Para la producción de agregados finos se puede adicionar material natural clasificado, en los porcentajes máximos mostrados en la Tabla Nº 410-2. Tabla N° 410-4 Requerimientos para adición de arena natural Tráfico (1) (Millones de ejes equivalente) 0,3 0,3 – 3 3 – 30 30 – 100 > 100

Porcentaje máximo de arena natural (2) 60 50 30 15 0

(1) Corresponde al tráfico de diseño de la estructura de pavimentos mencionado en el expediente técnico.

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(2) Respecto al porcentaje de arena total en la mezcla.

Tabla N° 410-6: Requerimientos para Caras Fracturadas Tráfico en Ejes Equivalentes (millones) 0,3 > 0,3 – 1 >1–3 > 3 – 10 > 10 – 30 > 30 – 100 > 100

Espesor de Capa < 100 mm > 100 mm 55 / 30 50 / 30 65 / 40 50 / 30 75 / 50 50 / 30 85 / 80 60 / 40 95 / 90 80 / 75 100 / 100 95 / 90 100 / 100 100 / 100

Nota: La notación “85/80” indica que el 85% del agregado grueso tiene una cara fracturada y que el 80% tiene dos caras fracturadas.

Tabla N° 3.4.5: Requerimientos del Equivalente de Arena Tráfico en Ejes Equivalentes (millones) 3 > 3 – 30 > 30

Porcentaje de Arena (Mínimo) 45 50 55

Tabla N° 410-6: Angularidad del Agregado Fino Tráfico en Ejes Equivalentes (millones) 0,3 > 0,3 – 1 >1–3 > 3 – 30 > 30

Espesor de Capa  100 mm < 100 mm 30 mín. 30 mín. 40 mín. 30 mín. 40 mín. 40 mín. 45 mín. 40 mín. 45 mín. 45 mín.

RELLENADOR MINERAL O FILLER.El polvo mineral o llenante provendrá de los procesos de trituración de los agregados pétreos o podrá ser de aporte de productos comerciales, generalmente cal hidratada o cemento portland. Podrá usarse una fracción del material preveniente de la clasificación, siempre que se verifique que no tenga actividad y que sea no plástico. Su peso unitario aparente, determinado por el ensayo de sedimentación en tolueno, deberá encontrarse entre cinco y ocho décimas de gramo por centímetro cúbico (0,5 y 0,8 g/cm³ ) (BS 812, NLT 176) y su coeficiente de emulsibilidad deberá ser inferior a seis décimas (0,6). La mezcla de los agregados grueso y fino y el polvo mineral deberá ajustarse a las exigencias de la respectiva especificación, en cuanto a su granulometría.

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El filler o relleno de origen mineral, que sea necesario emplear como relleno de vacíos, espesante del asfalto o como mejorador de adherencia al par agregado- asfalto, podrá ser de preferencia cal hidratada, no plástica que deberá cumplir la norma AASHTO M-303 Con mayor precaución y con la aprobación del Supervisor sujeto a pruebas y ensayos de la mezcla podrá utilizarse cemento hidráulico tipo I o polvo calcáreo procedente de trituración de rocas. En este caso, se deberá cumplir la siguiente granulometría:

Malla.

% que pasa

600 µm. (Nº 30)

100

300 µm. (Nº 50)

95 – 100

150 µm. (Nº 200)

90 - 100

La cantidad a utilizar se definirá en la fase de diseños de mezcla según el Método Marshall. GRANULOMETRIA DEL AGREGADO. La gradación de los agregados pétreos para la producción de la mezcla asfáltica caliente será establecida en el Proyecto o por el Supervisor. Además de los requisitos de calidad que debe tener el agregado grueso y fino según lo establecido en el acápite (a) y (b) de esta Subsección el material de la mezcla de los agregados debe estar libre de terrones de arcilla y se aceptará como máximo el uno por ciento (1%) de partículas deleznables según ensayo MTC E 212. Tampoco deberá contener materia orgánica y otros materiales deletéreos. (1) Mezcla Asfáltica Normal (MAC) La gradación de la mezcla asfáltica normal (MAC) deberá responder a alguno de los siguientes husos granulométricos.

Tamiz 25,0 mm 19,0 mm 12,5 mm 9,5 mm 4,75 mm 2,00 mm 425 m 180 m 75 m

(1”) (3/4”) (1/2”) (3/8”) (N° 4) (N° 10) (N° 40) (N° 80) (N° 200)

MAC-1 100 80 – 100 67 – 85 60 – 77 43 – 54 29 – 45 14 – 25 8 – 17 4–8

Porcentaje que pasa MAC-2 100 80 – 100 70 – 88 51 – 68 38 – 52 17 – 28 8 – 17 4–8

MAC-3 100 65 – 87 43 – 61 16 – 29 9 – 19 5 – 10

107

(2) Mezcla Superpave En las Tablas N° 410-7 y 410-8 se incluyen las características que deben cumplir las mezclas de agregados para tamaño nominal máximo del agregado de 19 y 25 mm respectivamente. La curva granulométrica del agregado debe quedar dentro de los puntos de control y principalmente fuera de la zona restrictiva. Se recomienda que la curva pase por debajo de esta zona restrictiva.

108

Tabla N° 410-7: Graduación Superpave para Agregado de tamaño nominal máximo de 19 mm. Tamaño del tamiz mm. 25 19,00 12,50 9,50 4,75 2,36 1,18 0,60 0,30 0,15 0,075

Zona de Línea de Restricción Máxima (0.45) Máxim Densidad Mínimo o 100,0 100,0 100,0 90,0 88,4 73,2 59,6 49,5 49,0 23,0 34,6 34,6 34,6 25,3 22,3 28,3 18,7 16,7 20,7 13,7 13,7 13,7 10,0 8,0 2,0 7,3 Puntos de Control

Fórmula de Mezcla

Tolerancia

* *

(6) (6)

* *

(4) (3)

*

(2)

* El Contratista especificará los valores con aproximación al 0.1% ( ) Desviaciones aceptables () de los valores de la Fórmula

109

100 90 80 70

Puntos de Control

60 Línea de Máxima Densidad 50 40 30 20 Zona Restrictiva

10 0

0,075

0,3

2,36

19

25

Tamaño de Tamiz a la potencia 0,45

Tabla N° 410-8: Graduación Superpave para Agregado de tamaño nominal máximo de 19 mm. Tamaño del tamiz mm.

Puntos de Control

Línea de Máxima Densidad (0.45)

Zona de Restricción

Fórmula de Tolerancia Mezcla

Mínimo Máximo 37,5 25 19,00 12,50 9,50 4,75 2,36 1,18 0,60 0,30 0,15 0,075 * ()

100,0

100,0 90,0

45,0

19,0

7,0

1,0

100,00 83,30 73,60 61,00 53,90 39,50 28,80 21,10 15,60 11,40 8,30 6,10

39,50 26,80 18,10 13,60 11,40

39,50 30,80 24,10 17,60 11,40

* *

(6) (6)

* *

(4) (3)

*

(2)

El Contratista especificará los valores con aproximación al 0.1% Desviaciones aceptables () de los valores de la Fórmula

110

100 90 80 70

Puntos de Control

Línea de Máxima Densidad

60 50 40 30 Zon a Rest rictiv a

20 10 -

5

0,07 0,3

2,36

4,75

25

37,5

Tamaño de Tamiz a la potencia 0,45

DISEÑO DE MEZCLAS ASFALTICAS.El Diseño de una mezcla asfáltica generalmente se lleva a cabo en dos etapas, la primera consiste en la determinación de la cantidad de cemento asfáltico a emplearse en su preparación, expresada en porcentaje del peso de la mezcla, o del material pétreo, utilizando procedimientos teóricos, luego de lo cual se preparan especimenes con porcentajes de cemento asfáltico cercanos al encontrado teóricamente, los cuales son sometidos a ensayos de laboratorio (estabilidad, fluencia, etc.) a partir de cuyos resultados se establecen los porcentajes definitivos de diseño (fórmula de diseño). Existen varios procedimientos teóricos para estimar el porcentaje de cemento asfáltico inicial, algunos de los cuales se describen a continuación: 1. Método del Instituto del Asfalto de N.A..El porcentaje de cemento asfáltico respecto al peso total de la mezcla se determina mediante la siguiente expresión: p  0.035.a  0.045.b  K .c  F

Donde:

K = 0.15, cuando del 11 al 15 % del agregado pasa la malla Nº 200. = 0.18, cuando del 06 al 10 % del agregado pasa la malla Nº 200. = 0.20, cuando el 5 % o menos del agregado pasa la malla Nº 200. p = % de cemento asfáltico por peso, respecto l peso total de la mezcla. a = % de agregado retenido en la malla Nº 8 b = % de agregado que pasa la malla Nº 8 y retiene la malla Nº 200. c = % de agregado que pasa la malla Nº 200. La formula se basa en pesos específicos de agregados comprendidos entre 2.6 y 2.7 Kg/cm3. Para asfaltos líquidos del grado SC - 2, el coeficiente de “a” deberá reducirse a 0.02. Para asfaltos líquidos más pesados, deberá usarse valores comprendidos entre 0.02 y 0.035, dependiendo de la cantidad de asfalto residual. El Valor de “F” varía de 0.0 a 1.5 % y excepcionalmente a 2.0, cuando el agregado es muy poroso, generalmente el valor de “F” está comprendido entre 0.7 y 1.0 %. 2. Método del Laboratorio de Puentes y Calzadas de Francia.Este método utiliza la relación superficie específica versus porcentaje de cemento asfáltico. El cálculo de la superficie específica se realiza utilizando la siguiente expresión. SE  0.01 0.327.G  1.60.g  12.85. A  117 .8.F 

Donde: SE G g A F

= = = = =

Superficie específica (m2/Kg.) Porcentaje de agregado comprendido entre la malla ¾” y Nº 4. Porcentaje de agregado comprendido entre la malla Nº 4 y Nº 40. Porcentaje de agregado comprendido entre la malla Nº 40 y Nº 200. Porcentaje de agregado que pasa la malla Nº 200.

El porcentaje de cemento asfáltico de la mezcla puede obtenerse en forma gráfica, o aplicando la expresión siguiente, en ambos casos el porcentaje obtenido está referido al peso del agregado. L  K .5 SE

Con: L = porcentaje de cemento asfáltico respecto al peso del agregado. K = Módulo de riqueza: = 3.75 para concreto asfáltico. = de 4 a 4.25 para asfalto premezclado en frío. 3. Método del Índice de Asfalto.- (S.A.H.O.P de Méjico). En este caso lo, que se determina es el porcentaje mínimo de cemento asfáltico, necesario para cubrir el agregado pétreo, no se trata del óptimo teórico como en los otros casos. La expresión a utilizar es la siguiente:

112

p  0.01 0.41.n.G  2.05.n.g  15.38.n. A  50.30.n.F 

Donde: p

= Porcentaje de cemento asfáltico mínimo para cubrir el agregado, con respecto al peso del agregado. n = índice asfáltico, dependiendo del tipo de agregado. G = Porcentaje de agregado comprendido entre la malla ¾” y Nº 4. g = Porcentaje de agregado comprendido entre la malla Nº 4 y Nº 40. A = Porcentaje de agregado comprendido entre la malla Nº 40 y Nº 200. F = Porcentaje de agregado que pasa la malla Nº 200. Los valores del índice asfáltico se dan en la tabla siguiente: TIPO DE MATERIAL

INDICE ASFÁLTICO n

Gravas o arenas de río, o materiales redondeados de baja absorción. Gravas angulosas redondeadas, triturados de baja absorción. Gravas angulosas o redondeadas de alta absorción y rocas trituradas de absorción media. Rocas trituradas de alta absorción

0.55 0.60 0.70 0.80

4. Método de las Áreas Superficiales.- (Método de California).Método originario de California, se basa en que el asfalto debe cubrir totalmente la superficie de cada partícula de material pétreo, dicha cantidad se denomina índice asfáltico. Conocida el área de esta superficie, se determina gráficamente el índice asfáltico y, el porcentaje de cemento asfáltico se determina mediante la aplicación de la expresión siguiente:

p

100. 2.065. AST .IA S

Donde: p AST IA S

= = = =

Porcentaje de cemento asfáltico necesario respecto al peso del agregado. Área superficial total de los agregados. índice asfáltico. peso específico absoluto del inerte.

Para el efecto se deben conocer las constantes del área superficial equivalente (según la granulometría del agregado) y la gráfica que relaciona el área superficial total del agregado combinado con el índice asfáltico.

113

CONSTANTES DE AREA:

Constante 3 5 11 18 27 36 55 75 120 200

Conjunto de 10 tamices % pasa % retenido 3/4” 3/8” 3/8” N° 4 N° 4 N° 8 N° 8 N° 16 N° 16 N° 30 N° 30 N° 50 N° 50 N° 100 N° 100 N° 200 N° 200 N° 270 N° 270 .....

Constante 1 2 4 8 16 30 60 120 200 300

Conjunto de 07 tamices % pasa % retenido 1” N° 3 N° 3 N° 10 N° 10 N° 20 N° 20 N° 40 N° 40 N° 80 N° 80 N° 200 N° 200 .....

Constante 3 5 11 20 50 115 250

Conjunto de 07 tamices % pasa % retenido 3/4” 3/8” 3/8” N° 4 N° 4 N° 8 N° 8 N° 30 N° 30 N° 100 N° 100 N° 200 N° 200 .....

Constante 1 2 4 12 46 120 260

Conjunto de 06 tamices % pasa % retenido 3/4” 3/8” 3/8” N° 4 N° 4 N° 16 N° 16 N° 50 N° 50 N° 200 N° 200 .....

Constante 1 2 6 22 90 260

Conjunto de 04 tamices % pasa % retenido 3/4” N° 8 N° 8 N° 50 N° 50 N° 200 N° 200 .....

Constante 2 17 90 200

Conjunto de 10 tamices % pasa % retenido 1” N° 3 N° 3 N° 10 N° 10 N° 20 N° 20 N° 30 N° 30 N° 40 N° 40 N° 50 N° 50 N° 80 N° 80 N° 100 N° 100 N° 200 N° 200 .....

METODO MARSHALL DE DISEÑO DE MEZCLAS ASFALTICAS.

114

Este método fue desarrollado por Bruce Marshall, ex ingeniero del departamento de carreteras del estado de Missisipi. El propósito del método es determinar el contenido óptimo de asfalto para una combinación específica de agregados. El método también provee información sobre propiedades de la mezcla asfáltica en caliente y establece densidades y contenidos óptimos de vacío que deben ser cumplidos durante la construcción del pavimento. Se aplica solamente a mezclas asfálticas en caliente, usando cemento asfáltico clasificado con viscosidad o penetración y que contienen agregados con tamaño máximo de 25 mm. (1 pulgada.) El método puede utilizarse para el diseños en laboratorio, como para el control de campo de mezclas asfálticas de pavimentación en caliente. Se utilizan muestras normalizadas de prueba (probetas) de 64 mm. (2.5 pulgadas) de espesor por 102 mm. (4 pulgadas) de diámetro. Siguiendo el procedimiento establecido, se preparan una serie de probetas con una misma combinación de agregados pero con diferentes contenidos de asfalto. Las muestras son sometidas a ensayos de laboratorio, analizándose luego la relación de vacíos / densidad y la prueba de estabilidad / flujo de las muestras compactadas. Para la ejecución del ensayo, se deben reunir muestras de asfalto y del agregado que van a ser usados en la mezcla de pavimentación. Las muestras de asfalto deben tener idénticas características que el asfalto a utilizar en la mezcla final. Lo mismo debe ocurrir con las muestras de agregado. La razón es simple: los datos extraídos de los procedimientos de diseño de mezcla determinan la fórmula o “receta” para la mezcla de pavimentación. La receta será exacta solamente si los ingredientes ensayados en el laboratorio tienen características idénticas a los ingredientes usados en el producto final. BREVE DESCRIPCIÓN DEL METODO MARSHALL. El procedimiento se halla en la norma AASHTO T 245 (o ASTM D 1559) y en líneas generales se sigue la siguiente secuencia. El primer paso en el método de diseño es determinar las cualidades (estabilidad, durabilidad, trabajabilidad, resistencia al deslizamiento, etc.)que debe tener la mezcla de pavimentación, y seleccionar un tipo de agregado y un tipo compatible de asfalto que puedan combinarse para obtener esas cualidades. PARÁMETROS DEL METODO MARSHALL. 1.- Porcentaje de Vacíos de la Mezcla Asfáltica Compactada.- Debe controlarse el porcentaje de vacíos o poros en la mezcla. Se recomienda que el porcentaje de vacíos de una mezcla asfáltica debe estar entre el 2% y el 6%, debido a que se ha comprobado que: si el porcentaje de vacíos de aire es menor que 2, la mezcla asfáltica se ablanda y por lo tanto tiene poca resistencia y, de otro lado, si el porcentaje de vacíos de aire es mayor que 6, el pavimento se vuelve quebradizo y presenta mayor desgaste. La determinación del porcentaje de vacíos de la mezcla asfáltica requiere que previamente se ejecuten los cálculos siguientes:  Peso Específico Del Agregado Mineral Combinado.- Formado generalmente por agregado grueso, agregado fino, filler y polvo mineral, el peso específico de la mezcla combinada depende de los pesos específicos de cada porción de agregado: Sean:

Pi = peso de los materiales pétreos. γi = peso específico del material pétreo,

115

Pi i Generalmente Pi se expresa en porcentaje del peso total PA, por lo tanto PA = 100 y siendo VA el volumen total del agregado, el peso específico promedio del material agregado combinado será: Entonces:

Vi 

GA 

PA 100  VA P1 P2 P3 P4    1  2 3  4

 Peso Específico Máximo Teórico De Una Mezcla Asfáltica.- El peso específico máximo teórico de una mezcla asfáltica (γ max. ) no toma en cuenta el volumen de vacíos llenos de aire, por lo tanto:

 max 

Pa  Pca Ps  Va  Vca Va  Vca

Siendo: Ps = Pa + Pca = peso del agregado más peso del cemento asfáltico de petróleo, y: V a y Vca , sus correspondientes volúmenes. Como Pa y Pca se expresan en porcentaje de Ps, entonces:

 max 

100 Pa Pca   a  ca

γa = peso específico del agregado, y γca = peso específico del cemento asfáltico.  Porcentaje De La Densidad Máxima Teórica.- Denominado por R, si se relaciona el volumen de la mezcla asfáltica sin vacíos de aire (V a + Vca )con su volumen total real VT; tendremos:

R

Va  Vca VT

Como:

Va  Vca  Vs 

Ps

 max

y

VT 

PT m

Tendremos que el porcentaje de sólidos estará dado por:

R

Ps  max PT  m

116

En la práctica se descarta el peso del aire, luego: P s = PT, con lo que resulta:

R

m  max

R, representa el porcentaje máximo de los sólidos por volumen, de una mezcla asfáltica. Su valor debe estar comprendido entre 98% y 94%.  Porcentaje De Vacíos En La Mezcla Asfáltica.- Conocido el valor de R, el porcentaje de vacíos en la mezcla asfáltica se calcula con la expresión siguiente: VV  100  R

 Volumen de Vacíos en el agregado Mineral (VMA).- Viene a ser el volumen de vacíos en la mezcla asfáltica compactada, incluyendo los espacios ocupados por el asfalto; es decir está formado por Vo= vacíos llenos de aire y Vca = vacíos llenos de asfalto. VMA = Vo + Vca = VT – Va Respecto al porcentaje del volumen total, se expresa de la siguiente forma:

VMA 

 VT  Va V  P     100   1  a   100   1  a a   100 VT VT  PT  m   

Es decir:

100 Pa  a PT  m Como el peso del agregado se expresa en porcentaje, entonces PT = 100, luego: VMA  100 

VMA  100  Pa

m a

Donde: Pa = Porcentaje del agregado en la mezcla asfáltica. γa = densidad del agregado. γm = densidad real de la Mezcla asfáltica compactada. Si del total de vacíos del agregado mineral VAM restamos los vacíos llenos de aire, tendremos el porcentaje de vacíos llenos de asfalto, o sea:

VFA 

VAM  100  R  VAM

PROCEDIMIENTO DE ENSAYO.Existen tres procedimientos en el método Marshall, estos son: determinación del peso específico total, medición de la estabilidad y la fluencia y, el análisis de la densidad y el contenido de vacíos de las probetas

117

 La determinación del peso específico total, de cada probeta se hace tan pronto como las probetas recién compactadas se hayan enfriado a la temperatura ambiente. El procedimiento utilizado está descrito en la norma AASHTO T 166.  Medición de estabilidad y la fluencia.- El ensayo de estabilidad está dirigido a medir la resistencia a la deformación de la mezcla. La fluencia mide la deformación, bajo carga, que ocurre en la mezcla. El procedimiento en líneas generales es como sigue:  Se calientan las probetas en baño de agua a 60° C (normalmente la temperatura más caliente que experimentará el pavimento en servicio.  Se extrae la probeta y se seca, e inmediatamente es colocada en el aparato Marshall, el cual mide la carga aplicada y la deformación (fluencia)  Se aplica la carga a velocidad constante 51 mm. (2 pulgadas) por minuto hasta que la muestra falle. La falla está definida como la carga máxima que la probeta puede resistir.  La carga de falla se registra como el valor de la estabilidad Marshall y el dial de fluencia registra la fluencia, en centésimas de pulgada Las mezclas que tienen valores bajos de fluencia y valores muy altos de estabilidad son consideradas demasiado frágiles y rígidas para un pavimento en servicio. Aquellas que tienen valores altos de fluencia son consideradas demasiado plásticas y tienen tendencia a deformarse fácilmente bajo las cargas del tránsito.  Análisis de la densidad y el contenido de vacíos de las probetas.- Terminado en ensayo de estabilidad y fluencia, se efectúa un análisis de densidad y vacíos para cada serie de probetas de prueba. El propósito del ensayo es determinar el porcentaje de vacíos de la mezcla compactada. Para el efecto se utilizan las relaciones indicadas en los acápites anteriores, utilizando la hoja de cálculo respectiva. Se determinan igualmente los valores de Peso Unitario, los Vacíos del Agregado Mineral (VMA) así como los Vacíos Llenos de Asfalto (VFA) que viene a ser el porcentaje de vacíos ínter granulares entre las partículas de agregado que se encuentran llenos de asfalto, expresado en porcentaje del VMA. DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO OPTIMO DE ASFALTO. Del resultado de los ensayos antes descritos, se elaboran las gráficas de estabilidad, fluencia, peso unitario, porcentaje de vacíos de la mezcla, VMA y VFA, respecto al contenido de asfalto, para el juego de probetas ensayadas, como se muestra en las gráficas que se muestran a continuación. Para determinar el porcentaje de diseño de asfalto en la mezcla final, primero se determina el porcentaje de asfalto para un contenido de vacíos de 4 %; luego se evalúan todas las propiedades calculadas y medidas para este contenido de asfalto y se comparan con los criterios de diseño del cuadro siguiente. Si se cumplen todos los criterios, este es el contenido de diseño de asfalto. Si no se cumplen todos los criterios será necesario hacer algunos ajustes o volver a diseñar la mezcla.

118

Criterios del Instituto del Asfalto (U.S.A.) para el Diseño Marshall. Criterios para mezcla del Método Marshall

Tránsito liviano Carpeta y Base Min. Max.

Tránsito Mediano Carpeta y Base Min. Max.

Tránsito Pesado Carpeta y Base Min. Max.

Compactación, número de golpes en cada cara de la probeta. 35 50 75 Estabilidad N. 3336 5338 8006 (lb) (750) (1200) (1800) Flujo, 0.25 mm. (0.01 plg.) 8 18 8 16 8 14 Porcentaje de vacíos 3 5 3 5 3 5 Porcentaje de vacíos en el (Ver tabla adjunta.) agregado mineral (VMA) Poecentaje de vacíos llenos de 70 80 65 78 65 75 asfalto (VFA) NOTAS: 1. Todos lo criterios y no solo la estabilidad, deben ser considerados al diseñar una mezcla asfáltica de pavimentación. Las mezclas asfálticas en caliente de base que no cumplan estos criterios, cuando se ensayen a 60°C, se consideran satisfactorias si cumplen los criterios cuando se ensayan a 38°C, y si se colocan a 100 mm o más por debajo de la superficie. Esta recomendación se aplica solamente a las regiones que tengan una variedad de condiciones climáticas similar a la que prevalece en casi todas las regiones de Estados Unidos. En las regiones que tengan condiciones climáticas más extremas puede ser necesario usar temperaturas más bajas de ensayo. 2. Clasificación del tránsito:  Liviano. Condiciones del tránsito que resultan en un EAL de diseño > 10 4.  Mediano. Condiciones del tránsito que resultan en un EAL de diseño entre 10 4 y 106  Pesado. Condiciones del tránsito que resultan en un EAL de diseño > 106 3. Los esfuerzos de compactación en el laboratorio deberán aproximarse a la densidad máxima obtenida en el pavimento bajo el tránsito. 4. Los valores de fluencia se refieren al punto en donde la carga comienza a disminuir. 5. Cuando se esté calculando el porcentaje de vacíos, deberá permitirse cierta tolerancia en porción de cemento asfáltico perdida por absorción en las partículas de agregado. 6. El porcentaje de vacíos en el agregado mineral debe ser calculado con base en el peso específico total ASTM del agregado.

119

Porcentaje mínimo de VMA. Tamaño Máximo En mm. Porcentaje mm. In.

3.0

4.0

5.0

1.18 2.36 4.75 9.5 12.5 19.0 25.0 37.5 50 63

21.5 19.0 16.0 14.0 13.0 12.0 11.0 10.0 9.5 9.0

22.5 20.0 17.0 15.0 14.0 13.0 12.0 11.0 10.5 10.0

23.5 21.0 18.0 16.0 15.0 14.0 13.0 12.0 11.5 11.0

No. 16 No. 8 No. 4 3/8 ½ ¾ 1.0 1.5 2.0 2.5

VMA mínimo, por ciento Vacíos de diseño, por ciento3

1.

Especificación normal para tamaños de tamices usados en pruebas, ASTM E 11. (AASHTO M 92) 2. El tamaño máximo nominal de partículas es un ramaño más grande que el primer tamiz que retiene más de 10 % del material. 3. Interpole el VMA mínimo para los valores de vacíos de diseño que se encuentren entre los que están citados. METODO DE HVEEM. Los conceptos de diseño de este método fueron desarrollados por Fancis N. Hveem. y tiene como propósito determinar el contenido óptimo de cemento asfáltico para una combinación específica de agregados. El método también provee información sobre las propiedades de la mezcla asfáltica. Se debe tener en cuenta que el método se aplica al diseño de mezclas asfálticas en caliente, usando cemento asfáltico de petróleo, con agregados de tamaño máximo de 25 mm.(2 pulgadas. El método Hveem utiliza una serie de pruebas para determinar el contenido óptimo de cemento asfáltico, incluyéndose los siguientes procedimientos:  Ensayo equivalente Centrífugo de Kerosene (CKE) para determinar un contenido aproximado de cemento asfáltico.  Preparación de probetas de prueba con el contenido aproximado de asfalto y con contenidos mayores y menores que el aproximado.  Ensayo de estabilidad para evaluar la resistencia a la deformación.  Ensayo de expansión, para determinar el efecto del agua en el cambio de volumen y en la permeabilidad de la probeta. BREVE DESCRIPCIÓN DEL METODO. El procedimiento a seguir se encuentra en las normas AASHTO T 246 y T247 (o ASTM D 1559 y D 1561) y en líneas generales consiste en:

120

A.- La primera parte consiste en establecer las cualidades que debe tener la mezcla asfáltica (estabilidad, durabilidad, trabajabilidad, resistencia al deslizamiento, etc.) y seleccionar un tipo de agregado y un tipo compatible de asfalto. 1. Selección de las muestras de material.- Se debe reunir muestras del asfalto y agregado a ser usados en la mezcla. Tanto el asfalto como los agregados a utilizar deben tener características idénticas a los materiales a utilizar en la obra, esto debido a que la proporción resultante (fórmula de mezclado) será exacta solo si los materiales usados en el ensayo de laboratorio tienen características idénticas a los que se utilizarán en la obra. 2. Preparación del agregado.- Debe conocerse con exactitud las características del agregado, lo que significa la ejecución de procedimientos de :  Secado del agregado hasta obtener un peso constante a temperatura de 110° C, antes de ser usados en el método Hveem. Después de cierto tiempo la muestra caliente se pesa y se registra su valor. La muestra se calienta una segunda vez y se vuelve a pesar y registrar su valor. El procedimiento se repite hasta que el peso registrado permanezca constante.  Análisis granulométrico por vía húmeda, para identificar las porciones de partículas de tamaño diferente en las muestras de agregado, siguiendo la norma AASHTO T 11.  Se determina el peso específico; es decir la proporción peso – volumen de una unidad del agregado, comparada con la porción de peso – volumen de una unidad igual de agua.  Determinar el área superficial del agregado, la que (junto con su capacidad superficial) es un parámetro usado para aproximar el contenido de cemento asfáltico de la mezcla. Se determina luego de ejecutado el análisis granulométrico del agregado, haciendo uso de la tabla de factores de área superficial que se muestra en la tabla; su valor se expresa en términos de m 2/Kg. (pie2/lb) y varía inversamente al tamaño del agregado:

Factor de área superficial* 2

2

ft /lb(m /kg) 

Tamaño máximo en mm. N°

4.75 (4)

2.36 (8)

1.18 (16)

0.60 (30)

0.30 (50)

0.15 (100)

0.075 (200)

2

2

4

8

14

30

60

160

(.41)

(.41)

(.82)

(1.64)

(2.87)

(6.14)

(12.29)

(32.77)

Los factores de área superficial se aplican solamente cuando todos los tamices citados arriba se usan en el análisis de granulometría.

 Determinación de la capacidad superficial del agregado; es decir la capacidad del agregado de retener una capa de asfalto, para lo cual se utiliza el ensayo de Equivalente Centrífugo de Kerosene (CKE) a fin de determinar un contenido aproximado de asfalto para un agregado determinado. El procedimiento de CKE proporciona un factor K, basado en la porosidad, rugosidad relativa de la partícula y la capacidad superficial. Este factor K, junto con el área superficial del agregado son usados para determinar el contenido aproximado de asfalto, en base a gráficos.

121

3. Preparación De Las Muestras.- Se preparan 4 muestras: una con el contenido aproximado de asfalto, según el paso anterior; dos con contenidos de 0.5 y 1.0 porciento más que el aproximado y una con el contenido de 0.5 porciento menos que el aproximado. Las muestras así preparadas, se someten a los procedimientos de ensayo de estabilómetro, análisis de vacíos y ensayo de expansión. B.- Procedimiento de Ensayo.- En esta etapa del método, se ejecutan tres procedimientos que se puede resumir en lo siguiente: 1. Ensayo de Estabilómetro; con el cual se mide la estabilidad de la mezcla de prueba bajo esfuerzos específicos. La probeta compactada se coloca en el estabilómetro, en donde se rodea de una membrana de caucho. Se aplica una carga vertical y se mide la presión lateral resultante. Los resultados dependen en gran parte, de la fricción interna (resistencia) de los agregados y, en menor grado, de la consistencia del asfalto. 2. Análisis de Vacíos.- El porcentaje de vacíos se calcula a partir del peso específico total de cada probeta compactada, y el peso específico teórico de la mezcla de pavimentación (sin vacíos) (AASHTO T 209). El peso específico total de las probetas compactadas se determina pesando las probetas en aire y en agua. 3. Ensayo de Expansión.- Este ensayo mide la cantidad de agua que se filtra dentro o a través de una probeta y la cantidad de expansión que el agua causa. También mide la permeabilidad de la mezcla – su capacidad de permitir que el agua pase a través de ella. C.- Análisis de los Resultados.- Los resultados de los ensayos anteriormente descritos son anotados en la hoja de cálculo respectiva y se trazan las gráficas correspondientes; estos gráficos son utilizados para comparar las características de la probetas de ensayo. Para determinar si el diseño es o no adecuado. Se debe verificar si el contenido de asfalto y la granulometría del agregado cumplen con los requisitos enunciados en el gráfico siguiente: Categoría de tránsito Propiedad de la prueba Valor del estabilómetro Expansión

Pesado

Mediano

Liviano

Mínimos

Máximo

Mínimos

Máximo

Mínimos

Máximo

37

---

35

---

30

---

Menos que 0.030 pulgadas (0.762 mm.)

NOTAS: 1. Se hace un esfuerzo por proveer un porcentaje mínimo de vacíos de aproximadamente 4%, aunque no está dentro del método de diseño. 2. Todos los criterios y no solo la estabilidad, deben ser considerados en el diseño de una mezcla asfáltica de pavimentación. 3. Las mezclas asfálticas de base que no cumplan los criterios citados arriba, cuando se ensayen a 60°C, se consideran satisfactorias si cumplen los criterios cuando se ensayan a 38°C, y si se colocan a 100 mm. o más por debajo de la superficie. Esta recomendación se aplica solamente a las regiones que tengan una variedad de condiciones climáticas similar a la que prevalece en casi todas la regiones de Estados Unidos. Ciertas guías y normas se están desarrollando para aplicar temperaturas más bajas de prueba en las regiones que presentan condiciones climáticas más extremas. (Métodos de diseño de mezclas de concreto asfáltico [MS-2] Instituto del Asfalto) El contenido óptimo del asfalto es normalmente el porcentaje más alto que la mezcla pueda acomodar sin reducir la estabilidad o el contenido de vacíos por debajo de los valores mínimos. El contenido óptimo se determina al compara tres características de la mezcla: los

122

valores del estabilómetro, los porcentajes de vacíos y la tendencia de la exudación. Para estas comparaciones se utilizan los gráficos de pirámide como el que se muestra a continuación:

Paso 4. Contenido máximo de asfalto con 4 % o más de vacíos.

Contenido optimo de asfalto.

Paso 3. Probetas que cumplen con requisitos mínimos de estabilidad. Paso 2. Probetas que no presentan exudación. Paso 1. Serie de diseño.

NOTA.- El contenido óptimo de asfalto no es válido si el máximo contenido de asfalto usado en la serie de diseño (Paso 1) es el contenido obtenido en el paso 4. En este caso, se deben preparar más probetas con contenidos más altos de asfalto (en incrementos de 0.5 por ciento) y se debe hacer un análisis nuevo.

123

3

3

Mg/m

2.48

6

154

2.47

5

153

2.45

4

152

2.43

151

2.42

150

2.40 4.5

5.0

5.5

Porcentaje de vacíos en la mezcla total

155

6.0 6.5

3

2

1 4.5

% Asfalto por peso de agregado

5.0

5.5

6.0 6.5

% Asfalto por peso de agregado

50

45

40 Estabilidad Hveem

Peso unitario

lb/ft

35

30

25 4.5

5.0

5.5

6.0 6.5

% Asfalto por peso de agregado

124

125

   

 

PÁGINA EN BLANCO

SOBRECAPAS DE ASFALTO Y REHABILITACION DE PAVIMENTOS (INSTITUTO DE ASFALTO MS-17) PASOS A SEGUIR PARA LA EVALUACIÓN Y DISEÑO DE MEJORAS EN LA CARRETERA 1. La calzada es geométricamente adecuado pero la transitabilidad del pavimento no a) Realizar una evaluación de la condición del pavimento. b) Si el rating indica que s necesitan medidas correctivas, realizar una investigación de la condición estructural. c) Si la condición estructural del pavimento es adecuada, diseñar y colocar una sobre carga de alisamiento. d) Si la investigación de la condición estructural indica que el pavimento necesita reforzarse, realizar un análisis de componentes o un análisis de reflexiones. e) Utilizar los resultados de la investigación de la condición y del análisis para diseñar las reparaciones estructurales y el espesor de la sobrecapa. 2. La calzada es geométricamente adecuada y el pavimento tiene una transitabilidad. Adecuada pero el daño estructural es obvio. a) Realizar una investigación de la condición estructural b) Realizar una análisis de componentes o un análisis de deflexiones c) Utilizar los resultados de la investigación de la condición del pavimento y de los análisis de componentes o de la reflexión, para diseñar las reparaciones estructurales y los espesores de sobrecarga. 3. La calzada es geométricamente adecuada y la transitabilidad del pavimento también, sin daño estructural obvio; pero se requiere de un estimado del tiempo antes que sea necesaria para sobrecarga. a) Realizar una investigación de la condición estructural b) Realizar un análisis de componentes o un análisis de deflexiones. c) Utilizar los resultados de la investigación de la condición y de los análisis de componentes o de deflexiones para estimar el periodo de tiempo necesario, antes que se requiere una sobrecarga. 4. La calzada s obsoleta geométricamente. a) Realizar una evaluación de su adecuación a las necesidades, basadas en están dares normalmente utilizados. b) Realizar una evaluación de la condición superficial c) Si el rating indica que se necesitan medidas correctivas, realizar una investigación de la condición estructural. d) Si la condición estructural del pavimento es adecuada, se requiere una sobre capa de alisamiento. e) Si la condición estructural indica que el pavimento necesita un reforzamiento, realizar un análisis de componentes o un análisis de reflexiones. f) Utilizar los resultados de las evaluaciones geométricas y de la condición estructural y superficial del pavimento para diseñar una carretera adecuada, incorporándoles tantas secciones de la carretera original como sea posible. EVALUACIÓN DE LA CONDICION SUPERFICIAL DEL PAVIMENTO Se hace para: Juzgar la idoneidad del pavimento existente par el servicio normal. Establecer la necesidad de una evaluación estructural. Establecer las causas probables de daños superficiales, incluyendo áreas resbaladizas. Determinar la prioridad y establecer las prioridades para mantenimiento y correcciones más extensas.

130

Indicar el rango de cambio en la condición del pavimento y en su aceptabilidad, de tal manera que se pueda predecir el tiempo aproximado para la programación de trabajos futuros. Incluye uno más de los siguientes puntos:  Un rating subjetivo sobre la transitabilidad del pavimento mientras se guía sobre él a velocidades normales.  Medida de la rugosidad del pavimento.  Medida del daño superficial, mostrando la ubicación y extensión de cada rasgo adverso observado (se registran todo los detalles, pudiendo emplearse fotografías o diagramas, o ambos, para enfatizar la condición observada). CONCEPTO DE SERVICIALIDAD PRESENTE “Es la habilidad de una sección específica del pavimentos para proporcionar, en opinión del usuario, un tránsito suave y confortable en un momento particular, para un tráfico heterogéneo”. METODO DE EVALUACIÓN DE LA SERVICIALIDAD Presente(PSR) Utiliza un grupo de tasadores, transitando sobre una sección de pavimento, observando su transitabilidad y registrando sus opiniones acerca de su idoneidad para servir el tráfico empleado en ese momento. INDICE DE SERVICIALIDAD PRESENTE (PSI) Es la medida de la servicialidad por medios mecánicos. La ecuación derivada de la Carretera Experimental AASHO es: PSI  5.03  1.91  log1  SV   1.38  RD 4  0.01  C  P Donde. SV

= media de la varianza de la pendiente en las dos huellas vehiculares.

1 N  x    x i2   N  i 1  I 1 SV  N 1 N

x RD C+P

2

2 i

= Pendiente perfilómetro. = Profundidad media de la rodadura en pulgada en ambas huellas vehiculares, donde la rodadura es la depresión bajo el centro de una regla recta de 4 yardas. = Cantidad de agrietamiento clase 2 o 3 más bacheo expresados en pies cuadrados por cada 1000 pies cuadrados de superficie de pavimento. 2 = piel de cocodrilo. 3 = desprendimientos.

Tanto el PSR como el PSI pueden ser usados para establecer la tendencia del comportamiento superficial de una sección de pavimento, siempre que la evaluación sea hecha periódicamente.

131

EVALUCION CHART 2 Roughness Index Pavement Flexible Pavement

Concrete Pavement

Below 54 54-66 66-82 82-102 Above 102

Below 67 67-81 81-99 99-121 Above 121

Serviceability Index

Above 4.5 4.5-4.1 4.1-3.7 3.7-3.3 Below3.3

Rating

Outstnding Excellent Good Fair Poor

1) Developed by Bureau of Research and Planning Division of Highways Departament of Public Works and Buildings State of Illinois. 2) Developed by Bureau of Public Roads Washington D.C.

3-PROCEDIMIENTO DE EVALUACION Se requiere de un formato de evaluación para cada evaluador y cada sección del pavimento. Sobre cada una de ellas, el evaluador llenara su nombre o numero de código junto con la fecha, numero de la carretera y numero de la sección. Inmediatamente después de conducir sobre la carretera, el evaluador deberá asignar aceptable ¿¨’’, independientemente de su calificación numérica, la cual no deberá influenciar su decisión de si el pavimento es aceptable o no. En la evaluación de un gran numero de carreteras contiguas d doble via, todas las evaluaciones deberán ser hachas sin volver sobre una sección del pavimento. Cada sección pude ser transitada en una dirección a la velocidad legal limite. Se usaran dos o mas carros por el panal evaluador, así como no más de cuatro personas y preferiblemente solo dos o tres deberán transitar en un automóvil estándar para este trabajo. 4. RESULTADOS Los resultados para cada sección de pavimento evaluada deberán ser reportados por separado como se indica:

PSR  x  

x n

Donde: x = Son los valores individuales de la evaluación, asignados por cada uno de los miembros del

panel. N = Número de miembros del panel evaluador. EVALUACIÓN POR MEDICION DE LA RUGOSIDAD SUPERFICIAL (1.del A. MS-17) Los estudios han mostrado que la medida de la rugosidad superficial del pavimento puede ser usada como una alternativa al PSR como un primer paso para evaluar la idoneidad del pavimento.

132

El PSR promedio ha sido correlacionado con las medidas de la rugosidad superficial por medio de un análisis regresivo, para establecer una ecuación que defina al PSI, el cual puede ser empleado para medir la servicilidad de una sección de carretera. La rugosidad superficial puede ser medida de diferentes maneras con diferentes dispositivos, entre ellos los rugosímetros, que miden de manera acumulada, las irregularidades en la superficie dl campo. El rugosímetro de la FHA s un dispositivo de éste tipo. Sus resultados pueden ser correlacionados con evaluaciones subjetivas (PSR) para establecer los valores limitantes de la rugosidad a ser empleados. Este dispositivo es recomendado por el I. del A. Una lectura en el rango 2,367-2,762 mm/Km., es sugerida como el valor por encima del cual se necesitan medidas correctivas, Este rango corresponde en términos generales a un PSR de 2.0 a 2.5 EVALUACIÓN DE LA IDONEIDAD ESTRUCTURAL La idoneidad estructural puede ser definida como la habilidad de un pavimento para soportar el tráfico sin desarrollar apreciable daño estructural. El objetivo de la evaluación estructural es determinar la ideonidad del pavimento y predecir su futura vida de servicio con respecto al tráfico que la utiliza. Las técnicas de evaluación pueden ser: a. Análisis de Componentes Utiliza las relaciones entre resistencia de la subrasante, estructura del pavimento y cargas del tráfico, en un procedimiento similar al empleado en el diseño de pavimentos nuevos. b. Análisis de deflexiones. Analiza las deflexiones medidas en el pavimento con respecto al tránsito. INVESTIGACIÓN DE LA CONDICION PARA DETERMINAR LA IDONEIDAD ESTRUCTURAL Si la evaluación de la condición superficial indica que se necesitan medidas correctivas para restaurar la servicialidad de un pavimento, se requiere una investigación mas profunda. El siguiente paso es una investigación de la condición para establecer la ideonidad estructural. Este tipo de investigación es más detallada que la correspondiente a la condición superficial, pues incluye el registro de cada tipo de daño, así como su frecuencia. No hay un único método usado universalmente para establecer la condición superficial de un pavimento. La recomendación seria en este caso, emplear cualquier método probado, entre estas tenemos: “Pavement Condition Surveys” special report 30, 1987 de la HRB para pavimentos flexibles y regidos; y “A Metod for rating the condition of flexible pavement “Highuay Research Correlation Service Circular 476, 1962, adoptados por el Instituto de Asfalto en su Manual MS-17 PROCEDIMIENTO PARA EL ANÁLISIS DE COMPONENTES DE UN PAVIMENTO INTRODUCCIÓN Cuando una evaluación estructural confirma que el pavimento necesita reforzarse se diseña una sobrecarga asfáltica: se escarifica, mezcla y re-compacta; o se lo renueva colocando una capa nueva. El procedimiento de diseño en el primer caso esta basado en el supuesto de que las

133

diferentes capas del pavimento antiguo y del nuevo forman una estructura compuesta, con la resistencia necesaria para la nueva condición. ANÁLISIS DE SUB-RASANTE Para determinar el espesor apropiado de un pavimento nuevo, o cuando una carretera en uso ha sido sobre esforzada, se requiere conocer las propiedades de la subrasante para diseñar la sobrecarga. Cuando se cuenta con el diseño original, se debe hacer además un muestreo por lo menos cada 450 m. de vía para asegurar que los datos originales fueron válidos. Cuando no se cuenta con el diseño original, deberá establecerse la resistencia de la SubRasante. Para ello se utilizan técnicas estadísticas de muestreo (Random –Sampling). Se requiere un mínimo de 3 muestras por cada tipo de suelo, sobre las que se harán determinaciones del CBR sumergido. El valor de Resistencia de Diseño de la sub-rasante de define como aquel que sea igual o superior al 85% de todos los valores de ensayo en la sección. Las zonas con valores menores a él, deberán ser consideradas para tratamientos posteriores. ANÁLISIS DE LA ESTRUCTURA Se evalúan los componentes estructurales de un pavimento para conocer su espesor efectivo (Te), el cual es aquél que tendría si fuera solo de concreto asfáltico. Para determinar Te. Se utilizan los factores de conversión de la tabla adjunta, los cuales solo sirvan para diseño de sobrecapas y no son aplicables a los diseños originales. ANÁLISIS DE TRANSITO Incluye volumen, composición y pesos por eje. Se realiza de l misma manera que para los pavimentos nuevos. Salvo que en este caso pueda estimarse el transito actual sobre el pavimento. Si el ultimo conteo no refleja las condiciones actuales, deberá hacerse uno nuevo, ya que es la base para determinar el Número de de ejes equivalentes a ejes simple de 8.2 ton. (EAL) El método utilizado por el I. del A., es el indicado en thickness Design” MS-1. EVALUACIÓN DE LA IDONEIDAD ESTRUCTURAL Con el valor de resistencia de la sub-rasante (CBR), el EAL y Te, es posible evaluar la estructura del pavimento existente con dos propósitos: a. Determinar el espesor de sobrecarga necesaria para reforzar un pavimento inadecuado de tal modo que pueda soportar un tránsito anticipado por un tiempo proyectado. b. Estimar cuanto tiempo pasara antes que se requiera una sobrecarga.

134

FACTORES DE CONVERSIÓN PARA CONVERTIR ESPESORES DE COMPONENTES DE UN PAVIMENTO EXISTENTES A UN ESPESOR EFECTIVO. Clasificación del Material I II

III

IV

V

VI

VII

Descripción del Material. Sub-rasantes nativas en todos los casos a) Sub-rasante mejorada-predominantemente materiales granulares –puede contener algo de lino y arcilla, pero IP10 a) Sub- base o base granular, razonablemente bien gradada, de materiales duros, con algunos finos plásticos y CBR≥20, usar la parte superior del rango si IP.≤ 6 y la parte inferior del rango si IP.> 6 b) Sub- base y base modificadas con cemento construidas con suelos de baja plasticidad ( I.P. ≤ 10) a) Base granular – materiales granulares no –plasticos que cumplen con los estandares establecidos para materiales de base de alta calidad . usar la parte superior del rango. b) Mezclas superficiales de asfalto con un patrón bien definido de agrietamientos, astillamiento en las grietas y con deformación apreciable en el sendero de las ruedas mostrando alguna evidencia de inestabilidad . c) Pavimento de concreto de cemento Pórtland que han sido rotos en pequeñas piezas de 0.60 mts. O menos. Usar la parte superior del rango cuando lleva sub-base y la parte inferior cuando las losas descansan sobre la sub- rasante. d) Base de suelo-cemento que han desarrollado un patrón extenso de agrietamientos evidenciados en grietas superficiales reflejas, pueden exhibir bombeo y pavimentos mostrando evidencias menores de inestabilidad. a) Superficies de asfalto y bases subyacentes 2 que exhiben agrietamiento apreciable y padrón de agrietamientos pero con poco o ningún astillamiento y exhibiendo alguna deformación en las huellas (rodadas) permanecen esencialmente estables. b) Pavimentos de cemento Pórtland apreciablemente agrietados y fallados, que no pueden ser efectivamente inyectados. Fragmentos de losas de 0.8 a 3.3 m 2 bien asentados sobre la sub-rasante por rodillazo neumático pesado. c) Bases de suelo cemento que exhiben pequeño agrietamiento, evidenciado en un patrón superficial refleja y que están sobre superficies estables. a) Superficies de concreto asfáltico que exhiben algún agrietamiento fino, patrones de pequeñas grietas intermitentes y ligera deformación en las rodadas pero permaneciendo estables. b) Mezclas de asfalto líquido que son estables, generalmente no agrietadas, no muestran sangraderas y con pequeña deformación en las rodadas. c) Bases tratadas con asfalto diferentes a las de concreto asfáltico. d) Pavimentos de concreto de cemento Pórtland inestables y en voladizo, con algún agrietamiento sin piezas menores a 0.8 m2. a) Concreto asfáltico incluyendo bases de concreto asfáltico generalmente sin grietas y con pequeña deformación en las

Factores1 de Conversión 0.0 0.0 – 0.2

0.2 – 0.3

0.3 – 0.5

0.5 – 0.7

0.7 – 0.9

0.9 – 1.0

135

huellas de las ruedas. b) Pavimentos de concreto de cemento Pórtland estables, sin oquedades debajo de el y sin agrietamiento. c) Bases de concreto de cemento Pórtland bajo superficies asfálticas estables, sin bombeo y exhibiendo un ligero agrietamiento reflejo. 1

Los factores de conversión deben multiplicarse por los respectivos espesores de las capas existentes pata obtener To. 2 Bases de concreto asfáltico, bases de Macadam asfáltico, bases de mezcla en planta y bases asfálticas mezcladas in situ. PROCEDIMIENTO PARA EL ANÁLISIS DE DEFLEXIONES DEL PAVIMENTO INTRODUCCIÓN. Aplicable solamente a carreteras con superficie asfáltica. Está basada en las correlaciones de la carga por rueda, el valor del rebote de las deflexiones y la repetición de cargas. La deflexión del pavimento se mide con la viga Benkelman siguiendo el procedimiento descrito en “A Guide to he Structural Design of Flexible and Rigid pavements in Canada”, Canadian Goods Roads Asociation, ottawa, Set. 1965. ANÁLISIS DE TRANSITO Se determina el EAL, tal como ha sido indicado. PROCEDIMIENTOS PARA EL ENSAYO DE DEFLEXIÓN DEL PAVIMENTO Esta basado en el uso de la viga Benkelman. Otro dispositivo para medir la deflexión es el Dynaflect. La viga Benkelman es una viga angosta de 3.66 m., que es deslizada entre las ruedas duales posteriores de un camión estandarizado, hasta un punto de apoyo denominado también “prueba”. La vida tiene un pívot en un punto ubicado a 2.44 m. de este extremo. El camión luego se mueve hacia delante lentamente unos 9 m. y se mide en un dial el rebote total del pavimento. Se determinan las reflexiones en la huella exterior de las ubicaciones de una sección de igual comportamiento, seleccionada a partir de los resultados de una investigación de la condición, o un mínimo de 12 por kilómetro, seleccionadas por un procedimiento de números random. El Dynaflect es un dispositivo electro-mecánico que produce una carga oscilante y mide la deflexión dinámica resultante. REBOTE REPRESENTATIVO Es la media del rebote mas dos veces la desviación estándar, ajustados por temperatura y por el período más crítico del año (durante el cual el pavimento está más expuesto a ser dañado por cargas pesadas); x  2  s  fc





Este valor involucra aproximadamente el 97% de todas las deflexiones medidas.

136

Las ubicaciones con rebotes mayores, deben ser tomadas en cuenta para efectuar sobre ellas tratamientos especiales, previo programa de medidas de deflexiones adicionales. Estas medidas deberán ser omitidas en los cálculos de la Deflexión Representativa. La desviación estándar (s), se calcula para 10 ó mas valores según la siguiente formula:

s





n  x 2   x

2

n   n  1

Si el número de valores no es mayor de 10, la desviación estándar puede ser estimada por una de las siguientes ecuaciones: sR d

o

s  Rm

Donde: R es el rango de valores, o sea, la diferencia entre el valor mas grande y el mas pequeño. d y m son factores que se obtienen de la tabla siguiente: Número de Valores n. 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Factor d

Factor m.

1.1284 1.6926 2.0588 2.3259 2.5344 2.7044 2.8472 2.9700 3.0775

0.8862 0.5908 0.4857 0.4299 0.3946 0.3698 0.3512 0.3369 0.3249

El factor de ajuste de la temperatura (f): se determina de la siguiente manera: Se determina la temperatura media del pavimento como el promedio de las temperaturas en la superficie, al centro y en el fondo de la porción asfálticas, aun cuando esta haya sido colocada en diferentes capas y/o épocas. La temperatura superficial se mide en el momento de la realización de las pruebas de deflexión. Las temperaturas al centro y en fondo de la porción asfálticas se determinan de la figura adjunta a partir de la temperatura en la superficie del pavimento, más la temperatura media del aire durante 5 días. Esta a su vez se obtiene promediando las temperaturas máximas y mínimas del aire durante los 5 días previos a la fecha de ejecución de los ensayos de deflexión, determinadas por medición o por recopilación de la información de la estación meteorológica mas cercana. El factor de ajuste por periodo critico (c): se determina por uno de los tres métodos siguientes: a. Haciendo las mediciones durante el periodo mas critico ( c = 1) b. Haciendo las mediciones en cualquier momento y ajustando el periodo crítico de la deflexión usando los datos obtenidos en un registro continuo de medición del rebote para un pavimento similar en un ambiente similar y sobre una sub-rasante similar. La relación de la deflexión en el periodo crítico a la deflexión en la fecha del ensayo, es el factor de ajuste c. c. Haciendo las mediciones del rebote en cualquier momento y ajustado según el criterio ingeniería.

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Ejemplo Se tienen las siguientes medidas del rebote con la viga Benkelman hechas para un pavimento asfáltico de 100 mm de espesor durante el periodo critico: x x x x

= = = =

0.7620 mm 1.0160 mm 1.0160 mm 0.7620 mm

x x x x

= = = =

0.7112 mm 0.8128 mm 0.7620 mm 0.8130 mm

x x x

= = =

0.7620 mm 0.8128 mm 0.7112 mm

Si la temperatura superficial es 31 ºC (88.1 °F) y la temperatura promedio del aire en los 5 días precedentes al ensayo es de 22 º C (71ºF ). Hallar el rebote Representativo. a. S = 0.112 mm. b. La temperatura superficial ajustada será 88 ºF + 71 ºF ó 70.6 ºC, Con el grafico adjunto se tiene que las temperaturas a 50 mm y 100 mm serán de 30 ºC (86 ºF ) y 27 ºC ( 81 ºF) y la temperatura media del pavimento será:

88  86  81  85 O F  29 O C 3 y por lo tanto, el factor de ajuste será f = 0.86 c. Ensayos durante el periodo critico, luego c = 1 d. El rebote representativo será: ( x + 2 s) f . c = 0.89 mm. DISEÑO DE SOBRECAPAS ASFÁLTICAS. (I. del A. MS-17) INTRODUCCIÓN: Una sobrecarga asfáltica puede utilizarse para corregir deficiencias superficiales o estructurales. Las deficiencias superficiales generalmente son corregidas con una sobrecapa delgada, cuyo espesor esta dado por la experiencia. Las deficiencias estructurales en cambio, requieren de refuerzos que cubran las necesidades de un pavimento nuevo. CORECCION DE DEFICIENCIAS SUPERFICIALES.- Una capa delgada a menudo se utiliza para lograr una superficie suave y homogénea sobre pavimentos que están siendo ensanchados, realineados o mejoradas en sección transversal. También se utilizan para cubrir pavimentos viejos que tienen numerosos parches de mejoramiento estructural progresivo. Algunas de las razones para recapear son: permeabilidad excesiva, pérdida de ligante rugosidad superficial, sección transversal distorsionada y superficie deslizante. Las soluciones de capa delgada ( ½” a 1” ) deben ser construidas con materia las resistentes a la abrasión y con tamaños pequeños de partículas, morteros asfálticos o sellos superficiales. CORRECCION DE DEFICIENCIAS ESTRUCTURALES.- En todos los casos, la sobrecarga asfáltica se diseña como parte integral de la estructura del pavimento, con espesor y resistencia característica, que satisfagan todos los requerimientos de una estructura nueva para las mismas condiciones. También es posible diseñar sobrecapas para una construcción por etapas con periodos de diseño de 2 a 5 años. El comportamiento del pavimento en este caso deberá ser evaluado con la viga Benkelman cada dos años para estimar cuanto tiempo se requiere antes de la segunda sobrecapa.

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DISEÑO DE SOBRECAPAS PARA PAVIMENTOS FLEXIBLAS POR ANÁLISIS DE SUS COMPONENTES 1. Determinar el valor de Resistencia de Diseño de la sub-rasante (CBR) 2. Determinar el transito actual en base al IMD 3. Determinar el factor de ajuste para el periodo de Diseño deseado y estimar la tasa anual de Crecimiento del transito. 4. Obtener el ESAL de diseñp. 5. Usando la Carta de Diseño de Espesores, determinar el espesor Ta necesario para el CBR de diseño, el ESAL y el periodo seleccionado. 6. Determinar el Te del pavimento existente (Tabla). 7. El espesor de la Sobrecarga será Ta – Te

DISEÑO DE SOBRECAPAS PARA PAVIMENTOS FLEXIBLES POR ANÁLISIS DE DEFLEXIONES 1. Determinar el Rebote Representativo de las Deflexiones 2. Determinar el tráfico existente. 3. Determinar el factor de Ajuste del tráfico para el periodo deseado y estimar la tasa anual de crecimiento del tráfico. 4. Multiplicar el Itráfico existente por el Factor de Ajuste para obtener el ESAL de diseño. 5. Entrar a la Carta de Espesor de Sobrecapa.

PROCEDIMIENTO PARA LA INVESTIGACIÓN DE LA CONDICION DEL PARA LA SELECCIÓN DEL TRATAMIENTO MAS APROPIADO

PAVIMENTO Y

a) Conducir sobre el pavimento observando signos de daños. Esto le dará al observador una impresión global acerca de la condición del pavimento y le ayudara a identificar áreas de años que requiera ser observadas con mayor detenimiento. b) Detenerse y observar cuidadosamente cada área de daños usando la Guía para identificar cada daño, clasificándolo luego de acuerdo a su severidad y a su densidad de ocurrencia. c) Evaluar la urgencia del problema. Por ejemplo: ¿amenaza la seguridad publica? d) Decidir acerca de la prioridad de cada daño.Cual debería ser reparado primero, segundo, tercero....? e) Consultar las tablas de tratamiento para cada tipo de daño. Si se recomienda mas de un tipo de tratamiento, calcular cual alternativa es la de mejor costo efectivo. f) Si una sección de pavimento contiene una mezcla de diferentes tipos de daños, la guía puede indicarle diferentes tratamientos. g) Decidir si el tratamiento seleccionado puede ser hecho por una Cuadrilla de Mantenimiento (Tabla 6.5.1) para proceder a la rehabilitación. h) Considerar otros factores. Los tratamientos recomendados en la Guía son generalmente correctos, pero ocasionalmente pueden ser alterados en vista de circunstancias especiales como la urgencia , el tipo de carretera, la disponibilidad de recursos, etc. (ver figura 6.5.1)

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