MANUAL DE DISEÑO DE PAVIMENTOS_noPW

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

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

M.Sc. e ING. ABEL ORDEZ HUAMNUniversidad Nacional de Ingeniera [email protected]

SEGUNDA EDICIN LIMA, 2006

Difundido por: ICG - Instituto de la Construccin y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

DISEO MODERNO de Pavimentos Asflticos


DedicatoriaA nuestros hijos Fernando y Gabriela


CAPITULO 1: INTRODUCCIN1.1 Introduccin En la ingeniera de pavimentos se han incorporado nuevos conceptos como esfuerzos, deformacin, mdulo elstico, comportamiento resiliente, etc. que deber ser conocidos por el lector. En el presente captulo se definirn algunos de estos conceptos y los otros sern explicados en captulos especiales. 1.2 Estructura del Pavimento Asfltico La estructura que se apoya sobre el terreno de fundacin o subrasante, y que esta conformado por capas de materiales de diferentes calidades y espesores, que obedecen a un diseo estructural, se denomina pavimento. La estructura del pavimento est destinada a soportar las cargas provenientes del trfico. Tradicionalmente, los mtodos de diseo de pavimentos, han sido empricos; es decir, que la experiencia representaba un papel importante. Se requera que el ingeniero tuviese muchos aos en el rea para, de alguna manera, poder interpretar los resultados de las investigaciones de campo y realizar el diseo. Los pavimentos asflticos estn conformados por una carpeta asfltica apoyada generalmente sobre dos capas no rgidas, la base y sub base. No obstante puede prescindirse de cualquiera de estas capas dependiendo de las necesidades particulares del proyecto. La distribucin tpica de las capas que conforman la estructura del pavimento se grafican en la figura 1.1.rasante Base Sub base Terreno de fundacin subrasante

Terreno de fundacin sin compactar

Figura 1.1: Estructura Tpica de Pavimentos Asflticos

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

Diseo Moderno de Pavimentos Asflticos

Introduccin

La carpeta asfltica o capa de rodamiento proporciona una superficie uniforme y estable al trnsito, de textura y color adecuado, que debe resistir los efectos abrasivos provenientes del trnsito y del medio ambiente. La nueva Gua de Diseo emprico-mecanstico AASHTO 2002 recomienda que el mdulo elstico de la carpeta se evale con el Mdulo Complejo Dinmico, E*, que ser detallado en los siguientes captulos. Sin embargo, podemos mencionar que la carpeta es una capa muy rgida con valores altos de mdulo. El mtodo de diseo AASHTO 1993 considera como parmetro de diseo de la carpeta asfltico el mdulo resiliente, para mezclas asflticas en caliente estos valores varan de 400,000 a 450,000 psi (28,000 a 32,000 kg/cm2) a 20C. La capa de base, generalmente granular, es una capa que se apoya sobre la sub base. La funcin de esta capa es transmitir los esfuerzos provenientes del trfico, a la sub base y subrasante. Los requisitos de calidad de agregados de base son muy rigurosos. Esta capa est conformada por grava chancada, compactada al 100% de la mxima densidad seca del ensayo proctor modificado. El mdulo elstico de la base se evala con el mdulo resiliente, MR. Una base granular con CBR del 100% tiene aproximadamente un valor MR de 30,000 psi (2,100 kg/cm2). La sub base, es una capa que segn el diseo puede o no colocarse. Se apoya sobre la subrasante y los requisitos de calidad de los materiales que la conforman son menos rigurosos, la razn de esto es que los esfuerzos verticales que se transmiten a travs de las capas de pavimentos son mayores en la superficie y van disminuyendo a medida que se profundizan. La sub base es la capa de material seleccionado, ms profunda de la estructura del pavimento, razn por la que los materiales que la conforman cumplen requisitos menos rigurosos. El mdulo elstico de la sub base se evala con el mdulo resiliente, MR. Una sub base granular con CBR del 40% (CBR mnimo para sub bases granulares, segn las Especificaciones Tcnicas Generales para Construccin de Carreteras EG-2000, Ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construccin, Oficina de Control de Calidad) tiene un MR de 17,000 psi (1,200 kg/cm2). El terreno de fundacin puede estar conformado por un terrapln (caso de rellenos) o terreno natural en el caso de cortes, para ambos casos, la cota geomtrica superior se denomina subrasante. El mdulo elstico asociado al terreno de fundacin es el mdulo resiliente, este parmetro ha sido ampliamente investigado por las diferentes agencias de transportes de los Estados Unidos, correlacionndolo con el CBR. En los siguientes captulos se detallarn los mtodos que permiten determinar adecuadamente este valor. Pero podemos mencionar, que el CBR de suelos compactados (como es el caso de terraplenes) y de suelos granulares densos (como el conglomerado de Lima) estn asociados al 100% de la mxima densidad seca del proctor modificado; sin embargo, el CBR de subrasantes arenosas y limo arcillosas no puede asociarse a este valor, porque su densidad de campo est muy por debajo de la mxima densidad seca y su humedad natural es mayor que el ptimo contenido de humedad. En este ltimo caso el CBR se obtiene de muestras inalteradas 1 .

1

A. Ordez y S. Minaya, CBR de Subrasantes Arenosas y Limoarcillosas. 11 CILA 2001 Lima; XIII Congreso Nacional de Ingeniera Civil, Puno 2001; IV Congreso Ecuatoriano de Mecnica de Suelos e Ingeniera Geotcnica, Guayaquil 2001.Difundido por: ICG - Instituto de la Construccin y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

2


Introduccin

1.3 Comportamiento Elstico El parmetro que evala las deformaciones ante cargas estticas es el Mdulo Elstico E. El mdulo elstico relaciona los esfuerzos aplicados y las deformaciones resultantes. Un ejemplo es la zapata, el nivel de esfuerzos aplicados al suelo a travs de la zapata es mnimo lo que originar que el suelo se deforme, pero esta deformacin no lo llevar a su condicin de falla. La teora elstica permite determinar el mdulo elstico del suelo mediante ensayos de campo y laboratorio, como en ensayos de compresin edomtrica, triaxial, CBR, placa de carga entre otros. En un ensayo triaxial, a una muestra de suelo se le aplica un confinamiento promedio inicial ( c) para luego aplicarle el esfuerzo axial q. La presin transmitida al suelo es permanente y baja, lo que llevar a que la deformacin sea elstica. Grficamente existente una relacin lineal entre la presin transmitida y la deformacin, la pendiente de la recta mostrada es el mdulo elstico. Para el caso de cimentaciones el asentamiento permisible es de 2.5 cm.q q

Carga esttica permanente

c

E

Terreno de fundacin

Ensayo de laboratorio

a e

Donde: c qe a

Esfuerzo de confinamiento Presin axial Deformacin elstica Deformacin axial Figura 1.2: Comportamiento elstico

Es posible extender la teora elstica a los ensayos de C.B.R. utilizando los resultados de la prueba de carga asociados a asentamientos caracterstico de 0.1 pulgada. Para ello, se deber utilizar la solucin que ofrece la teora elstica para el clculo de asentamiento que ocurre cuando se tiene una superficie circular rgida cargada sobre un medio semi-infinito (Poulos y Davis, 1974). = /2 (1-2) pr/EDifundido por: ICG - Instituto de la Construccin y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

3


Introduccin

donde: p r E : Asentamiento : Relacin de Poisson : Presin aplicada : Radio del rea cargada : Mdulo elstico

Considerando un asentamiento caracterstico de 0.1 pulgada; un valor de =0.40; radio equivalente a un rea circular cargada de 3 pulg2 y la presin aplicada en funcin del valor CBR, se obtienen las siguientes relaciones 2 : E = 139.7CBR E = 9.83CBR ; E en libra/pulg2 ; E en kg/cm2

Entonces, es posible obtener valores de mdulos elsticos, E a partir del valor CBR asumiendo un comportamiento del medio como elstico, uniforme e isotrpico. 1.4 Comportamiento Elasto-Plstico En pavimentos la carga transmitida es mvil, es decir, el suelo experimenta ciclos de carga y descarga. Para un mejor entendimiento se analizar el caso de un ciclo (1 carga y 1 descarga). Cuando el vehculo se aproxima al punto de anlisis A, el terreno de fundacin se empieza a deformar, esta deformacin se hace mxima cuando el vehculo se encuentra exactamente sobre el punto A, en ese momento conocemos la deformacin total. Sin embargo, cuando el vehculo se aleja el suelo trata de recuperar su posicin inicial pero no lo consigue. La deformacin no recuperable se denomina deformacin plstica y la deformacin recuperable es la deformacin elstica. El suelo ha experimentado plastificacin.Veloc. Carga mvil, q Pavimento

A

tiempo

Terreno de fundacin2

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

4


Introduccin

q q etotal ??

v ep ee

ep : deformacin plstica, permanente, no recuperable ee : deformacin elstica, temporal, recuperable

Figura 1.3: Comportamiento elasto-plstico, un ciclo carga-descarga El terreno de fundacin soporta muchos ciclos de carga-descarga, las deformaciones plsticas se van acumulando y las deformaciones elsticas se van haciendo constantes. Cuando el suelo no acumula ms deformaciones plsticas ya se consolid para ese nivel de cargas. La pendiente de la recta al final de esta etapa se denomina mdulo resiliente, Mr. El mdulo resiliente representa el comportamiento elstico final del suelo.q

qCarga mvil, q

Mr =

q ee

Mrtiempo e

ep

ee

MR : Mdulo Resiliente representa el comportamiento elstico final, residual

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

Figura 1.4: Comportamiento elasto-plstico, varios ciclos carga-descarga El mdulo resiliente ha sido correlacionado con el valor de la capacidad de soporte del suelo CBR, y ha sido usado como parmetro de diseo pero no se ha percibido que ste representa una condicin particular del suelo.Difundido por: ICG - Instituto de la Construccin y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

5


Introduccin

El reciente mtodo de diseo de pavimentos (AASHTO 2002) considera que ninguna de las capas que componen la estructura del pavimento debe tener deformaciones plsticas, sobre todo en la capa ms dbil. El terreno de fundacin aporta en gran medida en las deformaciones de la estructura que no deben exceder de 1mm. se recomienda que todos los suelos con CBR menor de 8 a 10% deben ser estabilizados. La ltima versin del catlogo Francs, 1998, clasifica los suelos del terreno de fundacin en 4 tipos denominados PF1 (cuya capacidad de soporte es baja) a PF4 (elevada capacidad de soporte, generalmente tratada). El catlogo de 1998, no considera la construccin de estructuras sobre suelos del tipo PF1, por considerarlos de calidad insuficiente para garantizar la durabilidad de la estructura. Los suelos clasificados como PF1 son aquellos con CBR menor que 7% y los suelos PF4 son los que tienen CBR mayor que 30 a 40%. Suelos intermedios son el PF2 cuyo CBR est entre 7 y 20%; y los suelos PF3 con CBR entre 20 y 30 a 40%. La construccin de las capas compactadas se controlan con la Viga Benkelman. Las deflexiones mximas, recomendadas por el catlogo Francs de 1998 estn en funcin del mdulo del ensayo de placa cclico y tipo de terreno de fundacin, como se muestra en la tabla 1.1. Para suelos arcillosos tratados con cal las deflexiones mximas se muestran en la tabla 1.2. Tabla 1.1: Requisito de deformabilidad en el momento de la construccin de la obra, para capas de refuerzo o fundacin no tratada (Catlogo Francs de 1998) Clasificacin del suelo Mdulo de deformabilidad Deflexin mxima en mm, en MPa (ensayo de placa) viga Benkelman PF2 50 2.0 PF3 120 0.9 PF4 200 0.5

Tabla 1.2: Requisito de deformabilidad en el momento de la construccin de la obra, para suelos arcillosos tratados con cal (Catlogo Francs de 1998) Deflexin mxima en mm, viga Benkelman Tratamiento slo con Tratamiento con cal y cal cemento 1.20 0.80 0.80 0.60 -.0.50

Clasificacin del suelo PF2 PF3 PF4


6


Introduccin

1.5 Ensayo del mdulo resiliente para suelos El ensayo del mdulo resiliente es similar a un ensayo triaxial, se aplica un esfuerzo desviador cclico a la muestra previamente confinada. El esfuerzo desviador est en funcin de la velocidad, carga y confinamiento. La norma AASHTO T274 que estandariza el ensayo del mdulo resiliente, en su ltima revisin de 1999, considera que el especimen puede alcanzar una deformacin mxima de 5%. Si la muestra tiene valores mayores de deformacin, el mdulo resiliente ya no es representativo. El esfuerzo desviador est en funcin de la velocidad directriz de la va. Si el vehculo se desplaza lentamente, como en zonas agrestes de fuerte pendiente (carretera central, velocidad entre 10 a 20 km/h), el terreno de fundacin podr deformarse mucho ms que en el caso el vehculo circulase rpidamente.

Figura 1.5: Celda triaxial cclico ensayo de resiliencia.


7


Introduccin

Cuando la carga aplicada es lenta, el mdulo resiliente, Mr, se acerca al mdulo elstico, E. El ensayo de mdulo resiliente se realiza para las condiciones a las que estar sometida la va.q v 80 KPH v=0 Mr 10 E

Mr

E

deformacin

1.6 Proyectos de Investigacin En el ao 1987 en los EE.UU. se destin 150 millones de dlares para un proyecto de investigacin que agrup especialistas de diferentes reas, denominado SUPERPAVE, Superior Performance Pavement. Este proyecto pretenda reemplazar las metodologas empricas, utilizadas hasta entonces, con metodologas mecansticas; es decir, aquella que utiliza los conceptos de la mecnica estructural. El proyecto abarc la evaluacin de los agregados y ligantes asflticos. La fortaleza de este mtodo radica en la apropiada evaluacin mecnica del ligante asfltico. Con este mtodo el ligante asfltico se evala a las temperaturas crticas o extremas de servicio y deja de evaluarse con pruebas empricas, como el de penetracin. Por otro lado, una gran parte de la red nacional se ubica por encima de los 3,000 m.s.n.m. y los pavimentos ubicados en estas zonas al sufrir el efecto de las bajas temperaturas se agrietan de manera prematura. El Stone Mastic Asphalt, SMA, de origen alemn de los aos 60 ha permitido dar solucin a los problemas de trnsitos pesados y climas fros, de las carreteras en Europa y ltimamente en los EE.UU. y Canad. El concepto de diseo SMA se basa en una estructura granular donde predomina el contacto piedra-piedra el mismo que le provee de alta resistencia cortante, baja deformacin permanente o rutting y considera un buen porcentaje de ligante que le da una excelente durabilidad. Las caractersticas del comportamiento mecnico de la mezcla asfltica se alcanzan utilizando una granulometra incompleta (gap-graded aggregate) combinada con fibra y/o polmeros modificados y un mayor contenido de ligante. El comportamiento del SMA es actualmente calificado en los EE.UU. y Canad como de excelente bajo trfico pesado e intenso y climas fros, bajo costo de mantenimiento y una duracin que alcanza los 30 aos de vida de servicio. Recientemente, las metodologas mecansticas se han extendido en su aplicacin, al diseo estructural del pavimento, incorporando los conceptos de la teora elstica. El mtodo de diseo AASHTO 2002 permite evaluar la estructura de pavimento en funcin de los esfuerzos


8


Introduccin

transmitidos, las deflexiones generadas y el aporte estructural de cada capa que compone la estructura. 1.7 Esfuerzos ms Importantes producidos en la Estructura del Pavimento Asfltico La estructura tpica del pavimento en nuestro medio est formada por carpeta asfltica y capas de material seleccionado colocadas sobre subrasante compactada y subrasante natural, el objetivo es distribuir las cargas provenientes del trnsito, de manera que las presiones verticales a nivel de fundacin sean menores a las admisibles por la estructura del pavimento. La llanta no slo genera esfuerzos verticales sino tambin esfuerzos horizontales. En una estructura tpica de pavimento (carpeta asfltica, base y sub base granular) los esfuerzos horizontales se disipan a travs de la carpeta asfltica, pasando de un valor positivo en la superficie a uno negativo en su fibra inferior. Los esfuerzos as generados producen fisuras que luego se reflejarn en la superficie. La figura 1.6 muestra la distribucin de esfuerzos horizontales (H) y verticales (V) de pavimentos tpicos. Dos de las principales fallas que se producen en el pavimento estn asociadas a las deformaciones excesivas a nivel de la sub-rasante, reflejando el comportamiento del terreno de fundacin y la deformacin por traccin, asociado al agrietamiento.

Carpeta Base granular ( )H

(+)

-

v

Sub base granular

Suelo compactado Fundacin

Figura 1.6: Esquema de la Distribucin de Esfuerzos en Pavimentos Tpicos El esquema de distribucin de esfuerzos en una estructura de pavimentos con base y/o sub base estabilizada se muestra en la figura 1.7. La carpeta asfltica est sometida solamente a esfuerzos de compresin, mientras los esfuerzos de traccin son absorbidos por la base estabilizada.Difundido por: ICG - Instituto de la Construccin y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

9


Introduccin

CarpetaH

(+) Base v Estabilizada

( )

-

Sub base

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

Fundacin

Desde este punto de vista el ensayo de traccin indirecta y el respectivo parmetro como es el mdulo de resiliencia no representa el comportamiento mecnico de la carpeta asfltica, as, un ensayo de compresin confinada cclica ser representativo del comportamiento mecnico. Witczak y otros, de la Universidad de Arizona, proponen evaluar el Mdulo Dinmico Complejo, obtenido de ensayos de compresin triaxial cclico. La Gua de Diseo de Pavimentos AASHTO 2002 recomienda el uso de este parmetro. El mdulo dinmico, E* tambin ha surgido como el principal candidato para el Simple Performance Test Superpave, que predice las deformaciones permanentes y agrietamientos fatiga en pavimentos asflticos [64].


10

CAPITULO 2: SUELO DE FUNDACIN2.1 Mtodo de Exploracin de Campo del Terreno de Fundacin En la ejecucin de cualquier proyecto u obra de ingeniera civil es necesario realizar la exploracin del lugar, como parte de un programa de investigaciones geotcnicas, el mismo que involucra aspectos de geologa y mecnica de suelos. Del tamao y tipo del proyecto, dependern las consideraciones del programa de exploracin. Las etapas de la exploracin de campo son: 1. Trabajo Preliminares de Gabinete: Es la recopilacin de la informacin del lugar como mapas, fotografas, estudios anteriores, etc. 2. Exploracin detallada del sitio y muestreo: Levantamiento estratigrfico y mineraloga de los estratos rocosos y condiciones del subsuelo, mediante la ejecucin de pozos de prueba denominados calicatas se identifican los estratos que conforman la subrasante y se mide la densidad natural del estrato ms desfavorable. Se debe identificar las condiciones de agua subterrnea y toma de muestra para exmenes ms detallados y ensayos de laboratorio. 3. Pruebas de laboratorio con las muestras: Ensayos con muestras alteradas y no alteradas representativas de la estratigrafa. Ensayos estndar con fines de caracterizacin fsica de suelos y clasificacin, as como ensayos especiales para determinar su capacidad de soporte. 4. Ensayos in situ: Ensayos llevados a cabo en el propio lugar, ya sea antes o durante el proceso de construccin; controles de compactacin de campo, ensayos de penetracin ligera con DPL, etc. 5. Reporte de resultados: Detalles de estudio geolgico, perfiles estratigrfico y mapeado de los resultados de penetracin ligera, resultados de las pruebas de laboratorio, incluyendo los registro de excavaciones, referencias de muestras e interpretaciones estratigrficas. 2.2 Alcance de la Exploracin del Sitio La informacin generada por la exploracin del lugar est relacionada con los depsitos superficiales de rocas y suelos. El objetivo consiste en obtener un modelo tridimensional del lugar, que se extienda tanto lateral como verticalmente, para incluir todos los estratos que puedan llegar a afectarse por las cargas transmitidas al subsuelo, producidas por la construccin de la va. Los esfuerzos significativos transmitidos por las cargas del trnsito alcanzan hasta 1.5 m de profundidad.



Suelo de Fundacin

Los ensayos de penetracin y calicatas deben efectuarse cada 500 m en caso de carreteras y cada 100 m cuando la va es urbana 1 . En condiciones uniformes y homogneas, las calicatas se pueden espaciar a varios kilmetros. En condiciones de variaciones laterales o verticales la separacin se reduce, con el objetivo de identificar la zona en la que cambian las condiciones de sitio. La profundidad de exploracin est relacionada con la transmisin de los esfuerzos, el alcance mximo de una calicata o ensayo de penetracin ligera es hasta 1.50 m con respecto al nivel de subrasante. 2.3 Excavaciones a Cielo Abierto (calicatas) y Uso de Posteadoras Manuales Las calicatas (foto 2.1) son realizadas en la mayora de los suelos, la presencia del nivel fretico puede ser una de las limitaciones de este tipo de exploracin. Tienen la ventaja de que se pueden realizar a mano o con una excavadora mecnica, y de exponer la sucesin de estratos para facilitar su inspeccin visual. No existen desventajas para este tipo de exploracin. La ejecucin de las calicatas requiere un conocimiento de los suelos encontrados, la identificacin visual es muy importante durante esta etapa. Las muestras pueden tomarse manualmente del fondo y de las paredes laterales de la calicata. Las calicatas permiten extraer muestras inalteradas que sern remoldeadas en el laboratorio, tambin permite obtener muestras inalteradas que sern protegidas para que no pierdan humedad natural y se pueden realizar ensayos de densidad in situ. El barrenador manual (foto 2.2), posteadoras del tipo Iwan Auger es una herramienta manual muy simple que se usa para perforaciones o sondajes en suelos blandos hasta una profundidad de 5 a 6 m. La forma usual es un barrenador para arcilla semicilndrica de 10 cm. de dimetro, unido por medio de una serie de varillas de extensin de 1m a un mango en forma de cruceta que se hace girar manualmente desde la superficie. Las cucharas acopladas en el extremo para extraer muestras tienen diseo especial cuando se trate de suelos puramente cohesivos (arcillas) o friccionantes (arenas). Las posteadoras constituyen un mtodo muy sencillo, econmico y rpido de realizar perforaciones en suelos que no contengan presencia de gravas. 2.4 Ensayo de Penetracin Ligera con Cono, DPL Se utiliza el Cono Ligero Alemn (foto 2.3) de acuerdo a la Norma DIN 4094 incorporado en la Norma Tcnica E0.50 de Suelos y Cimentaciones. Dado que el Cono Alemn transmite la misma cantidad de energa especfica que el Ensayo de Penetracin Standard S.P.T. - ASTM D 1586, segn la Norma DIN, no es necesario utilizar correlaciones para la interpretacin de los resultados, ya que el valor numrico de NSPT es similar al valor NDPL.1

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

13


Suelo de Fundacin

Foto 2.1: Calicata

Foto 2.2: Posteadora manual Iwan Auger

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

14


Suelo de Fundacin

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

Foto 2.3: Ensayos de penetracin ligera con cono

A continuacin relaciones empricas entre el ngulo de friccin , densidad relativa y peso unitario de suelos granulares normalmente consolidados Relaciones Empricas de , Dr, y Peso Unitario de los Suelos Granulares Normalmente Consolidados basados en Ensayos SPT para Profundidades menores de 6m.Descripcion Densidad Relativa, Dr SPT N70 Fino 0.075-0.425 mm Medio 0.425-2.000 mm Grueso 2.000-4.750 mm : Fino Medio Grueso d (gr/cm3) Medio Muy Suelto Suelto 0.15 0.35 0.65 1-2 2-3 3-6 26-28 27-28 28-30 1.2-1.4 3-6 4-7 5-9 28-30 30-32 30-34 1.4-1.6 7-15 8-20 10-25 30-34 32-36 33-40 1.6-1.8

0


15


Suelo de Fundacin

La resistencia a la penetracin del ensayo de DPL puede ser correlacionado con el mdulo elstico del suelo. Ordez y Jurado 2000. Arenas Secas (*) Arenas Humedecidas E = 75+2.5N (**) E = 50+1.7N E = 55+1.7N E = 25+0.85N

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

Foto 2.4: Molde de CBR y accesorio


16


Suelo de Fundacin

Si el suelo est conformado por arenas y es difcil conseguir una muestra inalterada, se recomienda medir la densidad de campo y tomar una muestra para humedad, de manera que en el laboratorio se remolde los especimenes. 2.5.2 Muestras Alteradas Las muestras alteradas se usan para la identificacin del suelo y para pruebas de clasificacin y calidad a medida que se recolectan, las muestras se introducen en recipientes de vidrio o plsticos y se sellan, tambin se pueden usar latas o bolsas de plsticos. Se debe tomar una porcin de 100 kg. aproximadamente para realizar los ensayos de proctor modificado y CBR en muestras remoldeadas al ptimo contenido de humedad, para determinar el CBR de diseo para subrasantes granulares, materiales de sub base y base granulares. 2.6 Identificacin Visual y Manual de Muestras de Suelo ASTM D 2488 Pruebas de Campo para Clasificacin La identificacin visual, es el reconocimiento preliminar del suelo sin necesidad de empleo de equipos o ensayos de laboratorio. Mas tarde, los ensayos de laboratorio confirmarn y permitirn precisar la informacin obtenida del terreno. En el anexo E se detalla los procedimiento visuales y manuales, en esta seccin solo se presenta un breve resumen. Esta identificacin es una etapa inicial para el estudio de Mecnica de Suelos, que permite tomar decisiones y ajustar el programa de investigacin. Los trminos bsicos para designar a los tipos de suelos son: grava, arena, limo y arcilla; sin embargo, en la naturaleza los suelos son una mezcla de dos o ms de stos y a veces contienen una cantidad de materia orgnica. Sin embargo, es posible identificar el componente predominante y asignarles el trmino bsico. Por ejemplo, una arena limosa tiene las propiedades de una arena, con una cantidad importante de limo; un limo orgnico est compuesto prioritariamente por limo, pero contiene una cantidad significativa de materia orgnica. Se conoce como suelos granulares a las arenas y a las gravas, y como suelos finos a las arcillas y limos. Esta distincin se basa en la visibilidad de las partculas individuales. En laboratorio, los suelos finos y gruesos se separan con la malla N200. 2.6.1 Identificacin y Descripcin de Suelos Finos En comparacin a los suelos finos, los suelos granulares son ms fciles de identificar. La angularidad, forma, color, olor, humedad, consistencia, cementacin, estructura, tamao mximo de partculas y dureza, son las principales caractersticas de este tipo de suelos. Los suelos finos para su identificacin necesitan de algunos ensayos de campo, para poder diferenciar las arcillas de los limos o de las arenas finas.Difundido por: ICG - Instituto de la Construccin y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

17


Suelo de Fundacin

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

Foto 2.5: Prueba de Dilatancia

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

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

18


Suelo de Fundacin

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

Foto 2.7: Resistencia en estado seco


19


Suelo de Fundacin

Tabla 2.1: Identificacin de Suelos con Pruebas ManualesSuelo Tpico Limo arenoso Limo Limo arcilloso Arcilla arenosa Arcilla limosa Arcilla Limo orgnico Resistencia en Estado Seco ninguna a muy baja muy baja a baja baja a media baja a alta Media a alta Alta a muy alta baja a media Dilatancia Rpida Rpida De rpida a lenta Tenacidad Tiempo de sedimentacin en prueba de dispersin

De dbil a baja De 30 a 60 min De dbil a baja De 15 a 60 min Media De 15 min. a varias horas De 30 seg. a varias horas De 15 min. a varias horas De varias horas a das

De lenta a ninguna Media De lenta a ninguna Media Ninguna Lenta Ninguna Alta

De dbil a baja De 15 min. a varias horas Alta De varias horas a das

Arcilla orgnica Media a muy alta

2.6.2 Identificacin y Descripcin de Suelos Granulares En campo se considera un tamao de 5 mm. para separar gravas de arenas. Las gravas pueden separarse en: Gravas gruesas Entre 75 mm. y 19 mm Gravas finas Entre 19 mm y 5 mm En laboratorio las arenas pueden separarse en arenas gruesas, medias y finas, segn su tamao. Arenas gruesas. Arenas medias. Arenas finas. Entre la malla N 4 (4,76 mm.) y la malla N 10 (2 mm.). Entre la malla N 10 y la malla N 40 (0,425 mm.). Entre la malla N 40 y la malla N 200 (0,075 mm.).

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

20


Suelo de Fundacin

6. Estado de las partculas (si el material constituyente de los granos no es sano y esta en estado de alteracin, las partculas pueden romperse entre las manos). Adems de estos datos se debe indicar: A) Angularidad Describir la angularidad de la arena (solamente de la fraccin gruesa), grava, cantos rodados y boleos como angular, subangular, subredondeada y redondeada. B) Forma Si las partculas tienen forma chata, alargada o chata y alargada. Esta caracterstica es muy importante porque el porcentaje de participacin de estas partculas est limitado segn especificaciones. Las partculas chatas y alargadas pueden romperse durante la aplicacin de las cargas y modificar la granulometra del medio. C) Otros Otras caractersticas importantes son el color, cementacin, dureza y rango de partculas. 2.7 Ensayos de Laboratorio Las muestras representativas se remiten al laboratorio para su respectivo ensayo. Los ensayos que generalmente se solicitan para caracterizar el suelo con fines de pavimentacin son: 2.7.1 Ensayos para Clasificacin de Suelos A las muestras representativas de los estratos que conforman la subrasante (hasta una profundidad de 1.50 m), se les realiza el anlisis granulomtrico por tamizado y lmites de consistencia. Estos resultados deben corroborar la identificacin visual realizada en campo. Los resultados del anlisis granulomtrico y los lmites de consistencia se reportan grficamente, como se muestra en la figura 2.1.


21


Suelo de Fundacin

Figura 2.1: Anlisis granulomtrico por tamizado.

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

(%) =

2.7.3 Ensayo de Densidad Natural El ensayo de densidad natural, permite conocer la condicin natural del terreno de fundacin. En suelos granulares ser importante si el terreno est compacto o suelto. En terrenos de fundacin conformados por subrasantes arenosas y limo arcillosas, este valor permitir remoldear muestras en el laboratorio a la densidad de campo. Las muestras as remoldeadas, sern ensayadas en la prensa de CBR para determinar el CBR de diseo.


22


Suelo de Fundacin

Otra aplicacin de este ensayo es en los controles de compactacin de campo para el caso de la conformacin de terraplenes, capas de afirmado, base y sub base. Conociendo la mxima densidad seca y el ptimo contenido de humedad del suelo a compactar, se puede verificar el porcentaje de compactacin con este ensayo. En el mercado hay una diversidad de equipos que permiten medir la densidad natural del suelo y contenido de humedad. Entre ellos se encuentra el mtodo del Cono y la Arena, densmetro nuclear, etc.

Ensayo de Densidad Natural mediante el Cono de Arena

Ensayo de Densidad Natural con Densmetro Nuclear ASTM D 2922


23


Suelo de Fundacin

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


24


Suelo de Fundacin

Curva de Compactacin2.19 Peso Especfico Seco (gr/cc) 2.18 2.17 2.16 2.15 2.14 2.13 2.12 2.11 2.10 5 6 7 8 9 10 11 Contenido de Hum edad (%)

Figura 2.2: Curva de compactacin del proctor modificado Si el lector desea tener mayor informacin sobre el proyecto de investigacin realizado por los autores durante el ao 2000, titulado C.B.R. DE SUBRASANTES ARENOSAS Y LIMO-ARCILLOSAS podr remitirse al Anexo A de este libro.2.051.971 Proctor Modificado

Densidad Seca (gr/cm )

3

1.85Condicin Natural (20.1,1.62)

1.6511.7

1.45 4 8

Humedad (%)

12

16

20

24

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

25


Suelo de Fundacin

2.7.6 California Bearing Ratio (C.B.R.) Los mtodos de diseo de pavimentos relacionan el valor de la capacidad de soporte del suelo o CBR con el mdulo resiliente del material. El mdulo resiliente es el parmetro que se utiliza en el diseo del pavimento. El mdulo resiliente se obtiene de ensayos triaxiales mediante ciclos de carga y descarga; sin embargo, AASHTO 2002 presenta una ecuacin que permite correlacionar el valor del mdulo resiliente con el del CBR. De aqu la importancia de evaluar adecuadamente el CBR del material. El ensayo de California Bearing Ratio o CBR, es un ensayo relativamente simple, comnmente usado para obtener un ndice de la resistencia del suelo de subrasante, material de base, sub base o afirmado. Para materiales de base, sub base y afirmado, as como subrasantes granulares, el CBR puede estar asociado a la mxima densidad seca del prctor modificado; sin embargo, para subrasantes finas (subrasantes arenosas, arcillosas o limosas) el valor del CBR debe estar asociado a su densidad de campo. Investigaciones han demostrado que el CBR de suelos finos en muestras compactadas al OCH y MDS, arrojan valores de CBR muy por encima de su valor real. Tranquilamente una arcilla compactada al OCH y MDS puede tener un CBR de 15%, pero ensayada en su condicin natural el CBR puede ser menor a 2 3%. El comportamiento de la subrasante es funcin de la humedad y densidad, asociado a las condiciones ambientales del sitio. En suelos de baja capacidad de soporte donde los valores de humedad alcanzan la condicin saturada y los valores de densidad de campo estn muy por debajo de la densidad de compactacin, los valores de los mdulos elsticos realmente son muy bajos. Se proponen tres mtodos para determinar el valor de CBR: CBR in situ, mide directamente la deformacin ante una carga aplicada, CBR en muestras inalteradas, es un mtodo recomendado para subrasantes de suelos finos. Consiste en obtener una muestra inalterada de campo, que ser protegida para que no pierda su humedad natural (si no fuese posible obtener una muestra inalterada de campo, se puede preparar especimenes en laboratorio a la humedad y densidad natural). En el laboratorio se realiza el ensayo de penetracin en su condicin natural y saturada, siguiendo el mismo procedimiento que en muestras remoldeadas. CBR en muestras remoldeadas, mtodo recomendado para subrasantes granulares, materiales de base, sub base y afirmado.Difundido por: ICG - Instituto de la Construccin y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

26


Suelo de Fundacin

Los especimenes pueden ensayarse en su condicin natural o saturada, luego de un perodo de inmersin en agua, la condicin saturada es la ms desfavorable. El CBR es la relacin (expresada en porcentaje) entre la resistencia a la penetracin requerida para que un pistn de 3 pulg2 de rea penetre 0.1 pulg dentro de un suelo entre 1000 psi que es la resistencia a la penetracin de una muestra patrn. La muestra patrn es una piedra chancada. El CBR se expresa como:Resistencia a la penetracion (psi) requerida para penetrar 0.1 pulg 1,000 lb / pu lg 2

CBR =

100

En ocasiones, el CBR calculado para una penetracin de 0.2 pulg. con su correspondiente resistencia a la penetracin estndar de 1500 psi, puede ser mayor que el obtenido para una penetracin de 0.1 pulg. Cuando esto ocurre, se debe realizar un nuevo ensayo, si los resultados son similares, el valor del CBR para 0.2 pulg de penetracin, se reporta como el CBR representativo de la muestra. 2.8 Concepto de Capacidad de Soporte de la Subrasante La capacidad de soporte de la subrasante, es la capacidad que tiene el suelo de soportar los esfuerzos verticales transmitidos por las cargas de trnsito. La deformacin del suelo la deflexin resultante debern ser menores a las admisibles. Para que la estructura de pavimento se comporte adecuadamente y cumpla el perodo de diseo, presentar una deflexin mxima de 0.20 mm. para cargas estticas transmitidas por un eje estndar de 8.2 ton. La deflexin mxima, bajo cargas estticas, puede ser medida con la Viga Benkelman, esto significa que al nivel de subrasante la deflexin mxima ser de 0.5 a 1 mm. Los reglamentos estatales en EE.UU. recomiendan que el valor CBR de la subrasante debe ser como mnimo entre 8 y 10%. Caso contrario, se deber primero estabilizar el terreno antes de construir la estructura del pavimento. 2.9 Estratigrafa de los suelos nomenclatura y simbologa Se debe realizar la descripcin de los diferentes estratos que conforman el terreno investigado. Se detallaran las caractersticas fsicas, clasificacin visual, color, humedad, plasticidad de los finos, consistencia o densidad relativa y algunas caractersticas particulares como cementacin, presencia de troncos, races o cualquier material extrao.


27


Suelo de Fundacin

Se mencionar, adems, la profundidad a la que se encuentre el nivel fretico, si fuera el caso, indicando la fecha de medicin y comentarios sobre su variacin en el tiempo. Adems, es importante indicar, el resultado de los ensayos de laboratorio obtenidos para los estratos evaluados, de manera que la informacin sea mas clara. 2.10 Registros estratigrficos. Todos los resultados de la evaluacin de campo y ensayos de laboratorio se indican en los registros estratigrficos. Los registros estratigrficos se preparan para cada calicata o cada exploracin con equipo de penetracin. Un ejemplo de registro de calicata con ensayo de penetracin ligera se muestra en la figura 2.4. 2.11 Perfil longitudinal del terreno El perfil longitudinal del terreno en estudio es el resultado grfico de la interpolacin de las calicatas. En este perfil se visualiza la disposicin de los estratos en toda la subrasante. Los perfiles se obtienen de los trabajos de campo, como calicatas y ensayos de penetracin. Todos los resultados de laboratorio deben indicarse en este perfil. De esta manera se puede tomar la decisin de los trabajos que sern considerados en el diseo y ejecucin del proyecto.


28


Suelo de Fundacin

Tipo de Sondeo

PROFUNDIDAD (METROS)

PROFUND. (METROS)

Simbolo

ENSAYO DE PENETRACION LIGERA Golpe x 10cm. 0

DESCRIPCION DEL MATERIAL

GRAFICA DE N10 20 30 50

0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 1.60 1.70 1.80 1.90 2.00 2.10 2.20

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

0.10

4

0.20

6

0.30

11

0.40

7

SM

0.50

6

CALICATA A CIELO ABIERTOPENETRACIN LIGERA

0.60

10

0.70

12

0.80

9

0.90

11

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

50

1.50

50

GP-GM

1.60

50

1.70

50

1.80

50

1.90

50

2.00

50

2.10 2.20

50 50

Figura 2.4: Ejemplo de registro de calicata y sondaje


29

CAPITULO 3: MATERIAL DE PRSTAMO3.1 Introduccin Los agregados empleados en la construccin de carreteras, deben cumplir con requisitos de granulometra y especificaciones tcnicas, que garanticen un buen comportamiento durante su periodo de vida. En este captulo se cubrir el tema de la granulometra y calidad de agregados que conformarn las capas de afirmado, sub base y base. Durante los ltimos 10 aos se han desarrollado nuevas tecnologas y criterios para el diseo de mezclas asflticas, variando los criterios del diseo de mezclas, pero los mtodos de evaluacin de calidad de los agregados no se ha modificado. Las especificaciones granulomtricas de las carpetas asflticas, se vern con detalle en el captulo correspondiente, donde se tratar de los tipos de mezclas asflticas. Sin embargo, en este captulo se consideran los ensayos de calidad de agregados para carpetas asflticas. 3.2 Especificaciones Tcnicas de Material de Prstamo: Afirmado, Sub Bases y Bases Granulares. Mezclas de Suelos y Agregados 3.2.1 Especificaciones Granulomtricas Los materiales granulares que conformaran las capas de afirmado, sub base y base, deben cumplir con rangos granulomtricos especificados por el MTC. La gradacin es una de las ms importantes propiedades de los agregados. Este afecta casi todas las propiedades importantes de una mezcla asfltica en caliente, incluyendo dureza, estabilidad, durabilidad, permeabilidad, trabajabilidad, resistencia a la fatiga, resistencia al rozamiento, y resistencia a la humedad. De esta manera, la gradacin es la primera consideracin en un diseo de mezclas asflticas. Tericamente, es razonable pensar que la mejor gradacin sea la densa o bien gradada; sin embargo, recientes investigaciones han demostrado que las mezclas del tipo Stone Mastic Asphalt, SMA, tienen un mejor comportamiento cuando estn sometidas a la accin de trfico pesado, en zonas de altura. Las especificaciones granulomtricas vigentes en el Per son las Especificaciones Tcnicas Generales para Construccin de Carreteras EG-2000, del Ministerio deDifundido por: ICG - Instituto de la Construccin y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896


Material de Prstamo

Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construccin, Oficina de Control de Calidad. En la tabla 3.1 se listan los rangos mximos y mnimos para materiales de afirmado. En la figura 3.1 se grafican los rangos especificados. Tabla 3.1: Huso Granulomtrico para Afirmado Muestra Abertura Tamiz (mm) 2" 50,000 1 37.500 1" 25,000 19.000 3/8" 9,500 N4 4,750 N10 2,000 N40 0,425 N200 0,075 Afirmado (% que pasa) A-1 100 100 90-100 65-100 45-80 30-65 22-52 15-35 5-20 A-2 -.-.100,0 80-100 65-100 50-85 33-67 20-45 5-20

Especificaciones Tcnicas Generales para Construccin de Carreteras EG2000, Ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construccin, Oficina de Control de Calidad

N200

Huso Granulomtrico para Afirmados3/4" N4 3" 2"

100

60 40 20 0 0.01

100

10

1

0.1

Abertura (mm)

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

% acumulado que pasa

A-2 A-1

80

31


Material de Prstamo

norma fue revisada por ltima vez en 1994. El Ministerio de Transportes y Comunicaciones la hizo suya y las consider dentro de las especificaciones emitidas en el ao 2000. La tabla 3.2 muestra las especificaciones granulomtricas para materiales de sub base y base granular. En la figura 3.2 se muestran las especificaciones grficamente. Tabla 3.2: Huso para Sub-Base y Base Granular Porcentaje que pasa en peso Tamiz 2" 1" 3/8" N4 N10 N40 N200 Abertura Gradacin A(1) Gradacin B Gradacin C Gradacin D (mm) 50,000 100 100 -.-.25,000 -.75-95 100 100 9,500 30-65 40-75 50-85 60-100 4,750 25-55 30-60 35-65 50-85 2,000 15-40 20-45 25-50 40-70 0,425 8-20 15-30 15-30 25-45 0,075 2-8 5-15 5-15 8-15

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

3.2.2 Calidad de Agregados Para verificar la calidad de un determinado banco de materiales, estos deben ser sometidos a ensayos de suelos, debiendo cumplir con las especificaciones tcnicas emitidas por el Ministerio de Transportes y Comunicaciones EG-2000. Los materiales que sern empleados como material de afirmado o sub base podr ser agregado natural, triturado o una combinacin de ambos. Los agregados para bases debern ser chancados. Todos los agregados utilizados como afirmados, sub base y base sern resistentes, sin exceso de partculas chatas o alargadas, no podrn presentar terrones de arcilla ni materia orgnica. Los ensayos a los que estn sometidos los suelos son: Abrasin Los Angeles, Equivalente de Arena, ensayo de proctor modificado, CBR asociados a la mxima densidad seca y al ptimo contenido de humedad del proctor, partculas chatas y alargadas, caras de fractura, sales solubles y contenido de impurezas orgnicas.


32


Material de Prstamo

Huso Granulomtrico para Sub Bases y Bases GranularesN200 3/4" N4 3" 2" 100

60 40 20 0 100 10 1 0.1 0.01

Abertura (mm)

Rango Granulomtrico para Sub Bases y Bases GranularesN200 3/4" N4 3" 2" 100

60 40 20 0 100 10

Abertura (mm)

1

0.1

0.01

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

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



D C

80


B A

80

33


Material de Prstamo

Tabla 3.3: Ensayos de Calidad de Agregados ENSAYOSAnlisis Granulomtrico por Tamizado Lmites de Consistencia Equivalente de Arena Peso especfico y Absorcin Peso unitario suelto Peso unitario varillado Abrasin Proctor Modificado CBR Porcentaje de caras fracturadas % de partculas chatas y alargadas Contenido de impurezas orgnicas Contenido de sales solubles totales Adherencia (entre mallas N3/8" y ") Riedel Weber (segn norma a emplear) Durabilidad

Sub baseX X X

Base Afirmado Asfalto Granular Piedra ArenaX X X X X X X X X X X X

X X X X X X X

X X X X X X X

X X X

X X X X

X X X X X X X X X X

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

34


Material de Prstamo

Tabla 3.4: Especificaciones Tcnicas para Materiales empleados en Construccin de CarreterasSub base granular Ensayo Norma Afirmado 12% Mezclas porosas Va > 20% 10.2 Definiciones a) Mezclas de gradacin densa HMA HMA de gradacin densa estn compuestas por ligante de cemento asfltico y agregado de gradacin continua. Las mezclas convencionales de HMA consisten de agregados de tamao mximo nominal en el rango de 12.5 mm (0.5 pulg.) a 19 mm (0.75 pulg.). Foto 10.1 Large-stone mix contienen agregados gruesos con un tamao mximo nominal mayor que 25 mm (1 pulg.). Como se ve en la figura 9.1a, estas mezclas tienen un mayor porcentaje de agregados gruesos que las mezclas convencionales (mayores que el tamiz 4.75 mm o no. 4). Por el mayor tamao de los agregados, el esfuerzo de compactacin aplicado a la mezcla debe ser monitoreado para prevenir fracturas excesivas de los agregados mayores durante el proceso de compactacin. Asfalto-arena est compuesto por agregado que pasa el tamiz 9.5 mm o 0.375 pulg. (figura 10.1a). El contenido de ligante en la mezcla es mayor que para mezclas HMA convencionales porque se incrementan los vacos en el agregado mineral de la mezcla. Las arenas usadas en este tipo de mezcla son arenas chancadas o naturales de textura rugosa, la resistencia a las deformaciones permanentes de este tipo de mezclas es tpicamente muy bajo. b) Mezclas open-graded Las mezclas open-graded consisten de una gradacin relativamente uniforme y ligante de cemento asfltico o ligante modificado (figura 10.1b). El principal propsito de este tipo de mezclas es servir como una capa drenante, tanto en la superficie del pavimento o dentro de la estructura del pavimento. Figura 10.2 y Foto 10.2.


164


Diseo de Mezclas Asflticas

a. Gradacin densa

b. Opengraded

c. Gap-graded

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

165



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

166



Cada una de estas caractersticas tiene mucha importancia en el comportamiento de la mezcla. La densidad de la mezcla es la relacin entre el peso de la mezcla por unidad de volumen. Si bien es cierto que esta caracterstica no es utilizada en el diseo de la mezcla, se emplea para los controles de compactacin. A la mezcla asfltica compactada en el laboratorio se le asigna la densidad patrn y ser sta el punto de referencia en los controles. Los Vacos de aire o vacos estn conformados por el aire atrapado en la mezcla compactada. A menor porcentaje de vacos de aire la mezcla ser menos permeable. En el diseo de mezclas convencionales, los vacos de aire estn entre 3 a 5% en laboratorio, pero en campo se permite tener vacos de aire no mayores al 8% permitiendo que la carpeta se compacte bajo trnsito. La densidad de la mezcla est en funcin del contenido de vacos, mezclas con menor porcentaje de vacos sern ms densas, y visceversa. Un alto porcentaje de vacos de aire resulta en una mezcla porosa, que permite el paso del agua a travs de su estructura, pero adems puede causar deterioro debido a que hay mayor porcentaje de aire (como se mencion en captulos anteriores el aire oxida el asfalto). Bajos porcentajes de vacos de aire son perjudiciales en la mezcla, debido a que cuando soporta las carga de trnsito la carpeta se comprime y el asfalto se acomoda en los vacos atrapados, si el nmero de vacos es pequeo, el asfalto no podr acomodarse en el interior y tendr que salir a la superficie, esto se conoce como exudacin. Los Vacos en el agregado mineral (VMA) consideran los volmenes ocupados por los vacos de aire atrapados y el asfalto efectivo 1 . El diseo considera un porcentaje mnimo de VMA dependiendo del tamao del agregado. Si el porcentaje del VMA son bajos la pelcula de asfalto ser delgada y la mezcla ser susceptible a oxidacin. Con altos porcentajes de VMA la pelcula de asfalto ser mas gruesa y la mezcla ser ms durable. Una graduacin densa puede reducir el porcentaje de VMA, reduciendo la pelcula de asfalto y, por consiguiente, reduciendo la durabilidad de la mezcla y dndole un aspecto seco. El Contenido de asfalto es el porcentaje de asfalto que se incorpora en la mezcla. Parte del asfalto ser absorbido por el agregado y el resto de asfalto formar una pelcula que rodean las partculas. A los primeros se les denomina asfalto absorbido y al segundo asfalto efectivo. El ptimo contenido de asfalto de la mezcla est en funcin de la granulometra y el porcentaje de absorcin del material. Mezclas con alto porcentaje de filler (mayor superficie especfica) requerirn mayor porcentaje asfalto, por ejemplo las mezclas SMA tienen mas porcentaje de asfalto que una mezclas convencional y superpave. Mezclas porosas (% filler menor de 2%) necesitan menor porcentaje de asfalto.

1

Asfalto efectivo es la pelcula de asfalto que rodean los agregadosDifundido por: ICG - Instituto de la Construccin y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

167



Foto 10.1: Mezcla Convencional

Figura 10.2: Mezcla Porosa

Foto 10.2: Mezcla Porosa


168



Las Propiedades consideradas en el diseo son: Estabilidad Durabilidad Impermeabilidad Trabajabilidad Flexibilidad Resistencia a la fatiga Resistencia al deslizamiento La estabilidad est relacionada con la capacidad del asfalto para soportar deformaciones bajo cargas de trnsito y resistir el desplazamiento horizontal, depende de la friccin y cohesin interna. La friccin se relaciona con la geometra y textura de la partcula; la cohesin se relaciona con las caractersticas del ligante. Los agregados que forman parte de mezclas asflticas deben ser de caras fracturadas y superficie rugosa, generalmente provenientes de chancado. Los agregados con estas caractersticas tienen una mejor trabazn y mayor resistencia cortante, caso contrario al de agregados con partculas redondeadas que se deslizan una sobre otras. La estabilidad de la mezcla se ha medido respecto del porcentaje de asfalto. A mayor porcentaje de asfalto la mezcla se hace ms estable hasta determinado lmite, luego la estabilidad de la mezcla disminuye. A medida que se incrementa el porcentaje de asfalto en la mezcla, la pelcula de asfalto que rodea los agregados permite que estos se acomoden. Si la pelcula de asfalto es muy gruesa impide la trabazn entre las partculas. La durabilidad de la mezcla se relaciona a la capacidad del agregado a la desintegracin, a la capacidad del asfalto a reaccionar con el medio y a evitar que el asfalto se desprenda del agregado. Los agregados que forman parte de mezclas asflticas, no slo deben cumplir con especificaciones granulomtricas, sino tambin de calidad. Las presiones que soportarn los agregados, sobre todo en sus aristas son altas, por lo tanto deben ser duros y muy resistentes. Para que no exista riesgo de peladuras (desprendimiento de la pelcula de asfalto) los agregados deben ser hidrofbicos. La pelcula de asfalto cumple un papel importante en la durabilidad de la mezcla. Si la pelcula es gruesa, se tendr menor porcentaje de vacos de aire, esta condicin retarda la oxidacin que sufre el asfalto al encontrarse en contacto con el oxgeno, manteniendo por mayor tiempo sus caractersticas originales. Los vacos de aire no se deben reducir mucho porque el asfalto necesita espacio para expandirse en climas clidos. Si la pelcula es delgada el asfalto se oxidar rpidamente.


169



La impermeabilidad es la capacidad del medio para evitar el paso de aire y agua. Esta definicin se relaciona con el porcentaje de vacos de aire en la mezcla compactada y el acceso que estos vacos tengan con la superficie. Mezclas porosos son diseadas con la finalidad de permitir que el agua proveniente de las lluvias drene rpidamente a travs de ellas. El alto porcentaje de vacos de aire de este tipo de mezclas facilitara la oxidacin del asfalto; sin embargo, esta condicin se reduce usando asfaltos modificados. La trabajabilidad de la mezcla es la facilidad con que la mezcla se coloca y compacta. Mezclas con alto porcentaje de fraccin gruesa o alto porcentaje de filler son poco trabajables. Las mezclas del tipo open graded (mezclas porosas) y gap-graded (como las Stone Mastic Asphalt) tienden a segregarse y son difciles de compactar. Mezclas con alto porcentaje de filler puede hacer que la mezcla se vuelva muy rgida evitando su adecuada compactacin. Controlar la temperatura de compactacin en la mezcla es muy importante, debido a que las mezclas fras son semi-rgidas a rgidas y no permiten su compactacin dejando alto porcentaje de vacos de aire. Mezclas flexibles resisten las deformaciones sin agrietarse. El terreno de fundacin se asentar con los aos debido al servicio, este asentamiento se reflejar en la superficie y la carpeta deber acomodarse sin agrietarse. La carpeta asfltica est soportando constantemente la accin de cargas cclicas, este tipo de cargas origina que la carpeta se flexione constantemente. La resistencia a la fatiga es la resistencia a esta flexin, esta caractersticas est ntimamente relacionada al asfalto, asfaltos oxidados no son resistentes a la fatiga. Los agrietamientos por fatiga surgen en la fibra inferior de la carpeta asfltica cuando sta trabaja a traccin, y se reflejan en la superficie denominndose piel de cocodrilo. La superficie de rodadura debe reducir la posibilidad que la llanta se deslice sobre ella, sobre todo en pocas de lluvia, esto se define como resistencia al deslizamiento. Mezclas porosas fueron pensadas para evitar el hidroplaning (encharcamiento de agua en la superficie, posiblemente por efecto de las lluvias) y deprimir el agua inmediatamente se encuentre en la superficie. Carpetas asflticas con partculas redondeadas son menos resistentes al deslizamiento que las carpetas formadas por partculas duras y de textura rugosa. 10.3 Propiedades volumtricas 10.3.1 Generalidades Un factor importante que debe ser considerado en el comportamiento de mezclas asflticas son las relaciones volumtricas entre el ligante asfltico y los agregados.Difundido por: ICG - Instituto de la Construccin y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

170



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

(

Ws Vs + Vpp w

)

Donde: Gsb Ws Vs Vpp w

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

b) Gravedad Especfica Aparente, Gsa Es la relacin del peso en el aire de un material impermeable con respecto al volumen del agregado incluyendo los vacos impermeables. Figura 10.2.G sa = Ws Vs w

Donde: Gsa Ws Vs w

gravedad especifica aparente peso del agregado seco volumen del agregado con los vacos impermeables peso especfica del agua, 1 gr/cm3Difundido por: ICG - Instituto de la Construccin y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

171



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

(

Ws Vs + Vpp Vap w

)

Donde: Gse Ws Vs w

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

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

172



e) Contenido de asfalto efectivo (Pbe) El contenido de asfalto total de la mezcla menos la porcin de asfalto absorbida por el agregado. Ver figura 10.3. f) Vacos de aire (Va) Volumen total de las pequeas cavidades de aire entre las partculas de agregado cubiertas en toda la mezcla, expresada como porcentaje del volumen bulk de la mezcla compactada. Ver figura 10.3. g) Vacos llenos con asfalto (VFA) Porcin del volumen de vacos entre las partculas de agregado (VMA) que es ocupado por el asfalto efectivo. Figura 10.3.aire asfalto Vfa Vba Vma Vb Va

Vmm agregado mineral Vsb Vse

Vmb

Vma Vmb Vmm Vfa Va Vb Vba Vsb Vse

volumen de vacos en agregado mineral volumen bulk de la mezcla compactada volumen de vacos de la mezcla de pavimentacin volumen de vacos llenos con asfalto volumen de vacos de aire volumen de asfalto volumen de asfalto absorbido volumen del agregado mineral (gravedad especfica bulk) volumen del agregado mineral (gravedad especfica efectiva)

Figura 10.3: Esquema de una Muestra HMA Compactada


173



El diseo de mezclas Superpave requiere del clculo de VMA para mezclas compactadas en funcin de la gravedad especfica bulk del agregado. La gravedad especfica efectiva es la base para el clculo de los vacos de aire en mezclas asflticas compactadas. Los vacos en el agregado mineral (VMA) y los vacos de aire (Va) se expresan como porcentaje por volumen de mezcla. Los vacos llenos con asfalto (VFA) es el porcentaje de VMA lleno con asfalto efectivo. El contenido de asfalto puede expresarse como porcentaje del peso total de la mezcla, o por peso, del agregado de la mezcla. El Instituto del Asfalto recomienda que los valores de VMA para mezclas compactadas deben calcularse en funcin de la gravedad especfica bulk del agregado, Gsb. La gravedad especfica efectiva debe ser la base para calcular los vacos de aire en la mezcla de asfalto compactado. 10.3.3 Anlisis de Mezclas Compactadas La siguiente relacin indica el procedimiento para analizar los vacos de una mezcla compactada: 1. Medida de la gravedad especfica bulk del agregado grueso (AASHTO T85 o ASTM C127) y de los agregados finos (AASHTO T84 o ASTM C128). 2. Medida de la gravedad especifica del cemento asfltico (AASHTO T228 o ASTM D70) y del filler mineral (AASHTO T100 o ASTM D854). 3. Clculo de la gravedad especfica bulk de la combinacin de agregados en la mezcla. 4. Medida de la gravedad especfica terica mxima de la mezcla suelta (ASTM D2041 o AASHTO T209). 5. Medida de la gravedad especfica bulk de la mezcla compactada (ASTM D1188 o ASTM D2726 o AASHTO T166). 6. Clculo de la gravedad especfica efectiva del agregado. 7. Clculo de la gravedad especfica mxima de la mezcla a otros contenidos de asfalto. 8. Clculo del asfalto absorbido por el agregado. 9. Clculo del contenido de asfalto efectivo de la mezcla. 10. Clculo del porcentaje de vacos en el agregado mineral en la mezcla compactada. 11. Clculo del porcentaje de vacos de aire en la mezcla compactada. 12. Clculo del porcentaje de vacos llenados con asfalto en la mezcla compactada. 10.3.4 Gravedad Especfica Bulk del agregado Cuando el agregado total consiste de fracciones separadas de agregados grueso, fino y filler, todos tienen diferentes gravedades especficas, la gravedad especfica bulk de la combinacin de agregados se calcula empleando la siguiente ecuacin:


174



G sb =

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

Donde: gravedad especfica bulk de la combinacin de agregados Gsb P1, P2, Pn porcentajes individuales por peso del agregado G1, G2, Gn gravedad especfica bulk individual del agregado. La gravedad especfica bulk del filler mineral es difcil determinarlo actualmente. Sin embargo, si se sustituye por la gravedad especfica aparente del filler, el error es mnimo. 10.3.5 Gravedad Especfica Efectiva del Agregado La gravedad especfica efectiva se calcula con la gravedad especfica terica mxima de mezclas asflticas (RICE) ASTM D-2041, con la siguiente expresin:G se = Pmm Pb Pmm Pb G mm G b

Donde: Gse Pmm Pb Gmm Gb

Gravedad especfica efectiva del agregado porcentaje en peso del total de la mezcla suelta, 100% Porcentaje de asfalto para el peso total de la muestra gravedad especfica terica mxima (ASTM D-2041) de la mezcla (sin vacos de aire) Gravedad especfica del asfalto

El volumen de asfalto absorbido por un agregado casi invariable menos que el volumen de agua absorbida. En consecuencia, el valor de la gravedad especifica efectiva de un agregado estara siempre entre su gravedad especfica bulk y aparente. Cuando la gravedad especfica efectiva est fuera de estos lmites, se debe asumir que este valor es incorrecto. La gravedad especfica aparente, Gsa, de la combinacin de agregados puede calcularse de manera similar a la frmula empleada para bulk pero usando las gravedades aparentes de los agregados grueso, fino y filler. 10.3.6 Gravedad Especfica Terica Mxima de Mezclas con Diferentes Contenidos de Asfalto Cuando se disea una mezcla con un agregado dado, se requiere la gravedad especfica terica mxima, Gmm, con diferentes contenidos de asfalto para calcular el porcentaje de vacos de aire para cada contenido de asfalto.Difundido por: ICG - Instituto de la Construccin y Gerencia S. MINAYA & A. ORDOEZ www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896

175



Luego de calcular la gravedad especfica efectiva de los agregados considerando cada medicin de las gravedades especficas tericas mximas y promediando los resultados de Gse, la gravedad especfica terica mxima para algn otro contenido de asfalto puede obtenerse con la siguiente expresin:G mm = Pmm Ps P + b G se G b

Donde: Gmm Pmm Ps Pb Gse Gb

gravedad especfica terica mxima (ASTM D-2041) de la mezcla (sin vacos de aire) porcentaje en peso del total de la mezcla suelta, 100% contenido de agregado, porcentaje en peso del total de la mezcla contenido de asfalto, porcentaje en peso del total de la mezcla gravedad especifica efectiva del agregado gravedad especifica del asfalto

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

Donde: Pba Gse Gb Gsb

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

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

Donde: Pbe Pb

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

176



Pba Ps

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

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

Donde: VMA Gsb Gmb Ps

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

10.3.10 Porcentaje de Vacos de Aire en Mezcla Compactada Los vacos de aire, Va, en el total de la mezcla compactada consisten de los pequeos espacios de aire entre las partculas de agregados recubiertos. El porcentaje de vacos de aire en la mezcla compactada puede determinarse usando:G G mb Va = 100 mm G mm

Donde: Va Gmm Gmb

vacos de aire en la mezcla compactada, porcentaje del volumen total gravedad especifica terica mxima de la mezcla gravedad especifica bulk de mezcla compactada

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

177



VFA = 100

( VMA Va ) VMA

Donde: VFA VMA Va

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

10.4 Diseo de Mezcla Convencional Una mezcla para pavimentacin se clasifica de acuerdo a su tamao mximo o tamao mximo nominal. El libro Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design and Construction de la NAPA Research and Education Foundation, especifica que para la mayora de las mezclas asflticas en caliente se requieren gradaciones densas (mezclas convencionales) para agregados. En las tablas 10.2 y 10.3 se muestran las especificaciones recomendados por ASTM D-3515.Tabla 10.2: Composicin Tpica del Concreto AsflticoTamiz 50 mm (2") 37,5 mm (1 ") 25,0 mm (1") 19,0 mm (3/4") 12,5 mm (1/2") 9,5 mm (3/8") 4,75 mm (N 4) 2,36 mm (N 8)* 0,30 mm (N 50) 0,15 mm (N 100) 0,075 mm (N 200)** Cemento asfltico, % en peso de la mezcla total*** (1 1/2") 100 90-100 56-80 56-80 23-53 15-41 4-16 0-5 3-8 4 y 67 o 4 y 68 29-59 19-45 5-17 1-7 3-9 5y7 o 57 56-80 35-65 23-49 5-19 2-8 4-10 67 o 68 o 6y8 Tamao mximo nominal del agregado (1") (3/4") (1/2") Porcentaje acumulado que pasa (por peso) 100 90-100 (3/8")

100 90-100

100 90-100 44-74 28-58 5-21 2-10 4-11 7 o 78

100 90-100 55-85 32-67 7-23 2-10 5-12

8

* Las caractersticas de la gradaci

MANUAL DE DISEÑO DE PAVIMENTOS_noPW

Documents

Transcript of MANUAL DE DISEÑO DE PAVIMENTOS_noPW