MODELACIÓN NUMÉRICA DE UN PAVIMENTO CON CAPAS ...
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MODELACIÓN NUMÉRICA DE UN PAVIMENTO CON CAPAS ESTABILIZADAS MEDIANTE EL USO DE ASFALTOS NATURALES Y/O PROVENIENTES DE DERRAMES DE PETRÓLEO. CRISTIAN CAMILO GAMBOA CASTELLANOS CÓDIGO: 507816 WILMER DAVID CAMARGO BANDERAS CÓDIGO: 507815 UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERA PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL MODALIDAD TRABAJO DE INVESTIGACIÓN BOGOTÁ D.C. 2021
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MODELACIÓN NUMÉRICA DE UN PAVIMENTO CON CAPAS ESTABILIZADAS
MEDIANTE EL USO DE ASFALTOS NATURALES Y/O PROVENIENTES DE
DERRAMES DE PETRÓLEO.
CRISTIAN CAMILO GAMBOA CASTELLANOS
CÓDIGO: 507816
WILMER DAVID CAMARGO BANDERAS
CÓDIGO: 507815
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERA
PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL
MODALIDAD TRABAJO DE INVESTIGACIÓN
BOGOTÁ D.C.
2021
MODELACIÓN NUMÉRICA DE UN PAVIMENTO CON CAPAS ESTABILIZADAS
MEDIANTE EL USO DE ASFALTOS NATURALES Y/O PROVENIENTES DE
DERRAMES DE PETRÓLEO.
CRISTIAN CAMILO GAMBOA CASTELLANOS
CÓDIGO: 507816
WILMER DAVID CAMARGO BANDERAS
CÓDIGO: 507815
Trabajo de grado para optar al título de ingeniero civil
Director
LAURA MANRIQUE SÁNCHEZ
Ingeniera civil
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERA
PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL
MODALIDAD TRABAJO DE INVESTIGACIÓN
BOGOTÁ D.C.
2021
3
Nota de Aceptación
Presidente del Jurado
Jurado
Jurado
4
Bogotá D.C. 18 de mayo de 2021
https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/deed.es
5
RESUMEN
La situación ambiental actual ha generado un interés generalizado en el estudio e
implementación de técnicas de aprovechamiento de diferentes materiales en la construcción
de carreteras. Los derrames de petróleo constituyen un riesgo para el ambiente y las
comunidades, por lo cual se hace necesario establecer un estudio en el que se caractericen
sus propiedades y se permita determinar su funcionalidad y prestaciones al ser mezclados
con materiales típicos de estructuras de pavimento. Para esta investigación se usó asfalto
natural o asfaltita como material análogo a un material proveniente de campos de infiltración
petroleros, a partir de estudios previos que utilizaron bases y sub-bases granulares mezcladas
con asfaltita, que posteriormente fueron objeto de una modelación con elementos finitos que
permitió conocer el comportamiento y su aporte a la estabilización de un pavimento ante el
efecto de cargas dinámicas.
Palabras cable: ESTABILIZACIÓN, PETRÓLEO, ELEMENTOS FINITOS,
PAVIMENTO, ASFALTO NATURAL.
ABSTRACT
The current environmental situation has generated a general interest in the study and
implementation of techniques for the use of different materials in road construction. Oil spills
constitute a risk for the environment and communities, for which it is necessary to establish
a study in which its properties are characterized and its functionality and benefits are
determined when being mixed with typical materials of pavement structures, in order to In
this investigation, natural asphalt or asphaltite was used as a material analogous to a material
from oil infiltration fields, based on previous studies that used granular bases and sub-bases
mixed with asphaltite, which were later subjected to a modeling with finite elements that
allowed know the behavior and its contribution to the stabilization of a pavement before the
effect of dynamic loads.
Key words: STABILIZATION, OIL, FINITE ELEMENTS, PAVEMENT, NATURAL
ASPHALT.
6
TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN ....................................................................................................... 11
2. ESTADO DEL ARTE .................................................................................................. 13
3. ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN .................................................................... 15
4. PLANTEAMIENTO Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA. ................................. 18
5. OBJETIVOS ................................................................................................................ 19
5.1. OBJETIVO GENERAL ........................................................................................ 19
5.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................................ 19
6. MARCO TEÓRICO ..................................................................................................... 20
6.1. ESTRUCTURA DE PAVIMENTO ...................................................................... 20
6.1.1. Nivel de transito ............................................................................................. 21
6.1.2. Carpeta de rodadura ....................................................................................... 22
6.1.3. Base granular .................................................................................................. 23
6.1.4. Sub-base granular ........................................................................................... 25
6.1.5. Propiedades de materiales granulares ............................................................ 27
6.1.5.1. Tamaño de las partículas y gradación de los agregados (Granulometría)
27
6.1.5.2. Resistencia al desgaste. ........................................................................... 28
6.1.5.3. Durabilidad o resistencia al intemperismo.............................................. 28
6.1.5.4. Forma, textura y limpieza del agregado.................................................. 28
6.1.6. Estabilización de un material granular ........................................................... 28
6.1.7. Sub Rasante .................................................................................................... 29
6.1.8. Contenido de asfalto y seguridad en mezclas granulares con asfalto ............ 29
6.2. MODELOS DE DEFORMACIONES PLÁSTICAS PARA PAVIMENTOS ...... 29
6.3. MODELO DE ELEMENTOS FINITOS (MEF) ................................................... 31
6.3.1. ABAQUS ....................................................................................................... 31
6.4. ESTADÍSTICA DESCRIPTIVA .......................................................................... 31
6.4.1. Medidas de tendencia central ......................................................................... 31
6.4.2. Medidas de dispersión .................................................................................... 32
7. METODOLOGÍA ........................................................................................................ 33
7.1. FASE 1: PILOTO .................................................................................................. 33
7
7.2. FASE 2: CARACTERIZACIÓN DE DATOS PRELIMINARES ........................ 37
7.2.1. Revisión y análisis bibliográfico .................................................................... 37
7.2.2. Correlación matemática y tendencia .............................................................. 38
7.3. FASE 3: ELEMENTOS FINITOS ........................................................................ 40
7.3.1. Modelación de datos ...................................................................................... 40
7.3.2. Recopilación de resultados ............................................................................. 46
7.3.3. Análisis estadísticos descriptivos ................................................................... 48
7.4. FASE 4: ANÁLISIS DE LAS DEFORMACIONES ENCONTRADAS ............. 49
8. RESULTADOS Y ANÁLISIS ..................................................................................... 50
8.1. PILOTO ................................................................................................................. 50
8.1.1. Caracterización del material MB1 ................................................................. 50
8.1.1.1. Composición ........................................................................................... 50
8.1.1.2. Extracción cuantitativa del asfalto .......................................................... 51
8.1.1.3. Seguridad ................................................................................................ 52
8.1.1.4. Limpieza ................................................................................................. 53
8.1.2. Caracterización de materiales a estabilizar .................................................... 54
8.1.2.1. Sub Base Granular (SBG-50) ................................................................. 54
8.1.2.2. Base granular (BG-38) ............................................................................ 55
8.1.3. Dosificaciones preliminares (no ejecutadas) .................................................. 57
8.1.3.1. Sub base SBG-50 + Asfaltita .................................................................. 57
8.1.3.2. Base BG-38 + Asfaltita ........................................................................... 59
8.2. DATOS PRELIMINARES .................................................................................... 60
8.2.1. Resultados de investigaciones previas ........................................................... 60
8.2.2. Correlación matemática y tendencia .............................................................. 61
8.2.2.1. Bases granulares estabilizadas con asfaltita............................................ 61
8.2.2.2. Sub-bases granulares estabilizadas con asfaltita ..................................... 63
8.2.3. Elementos finitos ............................................................................................ 65
8.2.4. Modelos de deformaciones plásticas .............................................................. 67
9. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................................... 68
BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................. 69
ANEXOS ............................................................................................................................. 72
8
TABLA DE FIGURAS
Figura 1. Barriles derramados periodo 2009-2017 .............................................................. 16
Figura 2. Ataques a oleoductos ............................................................................................ 17
Figura 3. Perfil típico de una estructura de pavimento flexible ........................................... 20
Figura 4. Perfil típico de una estructura de pavimento con estructura mixta ...................... 21
Figura 5. Carpeta de rodadura asfáltica................................................................................ 22
Figura 6. Deformaciones en pavimentos flexibles y distribución de cargas ........................ 30
Figura 7. Comparación granulométrica de estabilizantes .................................................... 36
Figura 8 Esquema de esfuerzos sobre el pavimento ............................................................ 40
Figura 9. Alternativa estructural propuesta .......................................................................... 41
Figura 10. Esquema general de la modelación en ABAQUS .............................................. 43
Figura 11. Fuerzas impuestas sobre los elemento del modelo ............................................. 45
Figura 12. Modelo de la estructura de pavimento ............................................................... 45
Figura 13. Disposición de los datos en la interfaz de ABAQUS ......................................... 46
Figura 14. Selección de elementos de análisis ..................................................................... 47
Figura 15. Fotograma de análisis ......................................................................................... 47
Figura 16. Reporte de datos ................................................................................................. 48
Figura 17. Distribución granulométrica “MB1” .................................................................. 51
Figura 18. Distribución granulométrica Base granular SBG-50 .......................................... 55
Figura 19. Distribución granulométrica Base granular BG-38 ............................................ 57
Figura 20. Distribución granulométrica SBG-50 estabilizada (5%, 10%, 15%-20% “MB1”)
.............................................................................................................................................. 58
Figura 21. Distribución granulométrica BG-50 estabilizada (5%, 10%, 15%-20% “MB1”)
.............................................................................................................................................. 60
Figura 22. Comportamiento del CBR en bases mezcladas con asfaltita .............................. 62
Figura 23. Comportamiento del CBR en sub- bases mezcladas con asfaltita ...................... 64
Figura 24. Modelo deformado de la sub rasante ante cargas dinámicas impuestas ............. 65
9
TABLA DE CUADROS
Tabla 1. Niveles de tránsito .................................................................................................. 22
Tabla 2. Uso típico de las diferentes clases de base granular .............................................. 23
Tabla 3. Requisitos de los agregados para bases granulares ................................................ 24
Tabla 4. Franjas granulométricas para una base granular .................................................... 25
Tabla 5. Uso típico de las diferentes clases de sub-base granular ....................................... 26
Tabla 6. Requisitos de los agregados para sub-bases granulares ......................................... 26
Tabla 7. Franjas Granulométricas del material de sub-base granular .................................. 27
Tabla 8. Modelos desarrollados por distintas organizaciones para deformaciones plásticas31
Tabla 9. Análisis granulométrico “MB1” ............................................................................ 34
Tabla 10. Análisis granulométrico asfáltita. ........................................................................ 35
Tabla 11. Comparación granulométrica de estabilizantes.................................................... 35
Tabla 12. Análisis estadístico de diferencias entre tamices de MB1 y Asfáltita. ................ 36
Tabla 13. Directorio de investigaciones. .............................................................................. 37
Tabla 14. Ecuaciones para cálculo de módulo resiliente ..................................................... 38
Tabla 15. Formato para la recolección de datos ................................................................... 38
Tabla 16. Ecuaciones de tendencia según dosificación ....................................................... 39
Tabla 17. Valores de módulo resiliente para CBR´s mínimos. ............................................ 39
Tabla 18. Valores de la Velocidad de Diseño de los Tramos Homogéneos (VTR) en función
de la categoría de la carretera y el tipo de terreno................................................................ 42
Tabla 19. Matriz de respuesta de elementos finitos ............................................................. 44
Tabla 20. Análisis granulométrico “MB1” .......................................................................... 50
Tabla 21. Información de ensayo ......................................................................................... 52
Tabla 22. Valores de contenido mineral en la muestra y contenido de asfalto .................... 52
Tabla 23. Ensayo de puntos de inflamación y combustión-Material bituminoso “MB1” ... 53
Tabla 24. Clasificación para límite líquido y límite plástico “MB1” .................................. 53
Tabla 25. Valor de azul de metileno. ................................................................................... 54
Tabla 26. Análisis granulométrico Sub-base granular SBG-50 ........................................... 55
Tabla 27. Análisis granulométrico Base granular BG-38 .................................................... 56
Tabla 28. Granulometría según dosificación, para SBG-50 estabilizada al 5%, 10%, 15% y
20% de MB1 ........................................................................................................................ 58
Tabla 29. Granulometría según dosificación, para BG-50 estabilizada al 5%, 10%, 15% y
20% de MB1 ........................................................................................................................ 59
Tabla 30. Consolidado de Resultados de investigaciones previas. ...................................... 61
Tabla 31. CBR´s encontrados en investigaciones previas, para bases estabilizadas mediante
asfaltita a diferentes dosificaciones ...................................................................................... 62
Tabla 32 CBR´s encontrados en investigaciones previas, para sub-bases estabilizadas
mediante asfaltita a diferentes dosificaciones. ..................................................................... 63
10
Tabla 33. Ecuaciones de comportamiento (Asfalto natural + Base /Sub-base) ................... 64
Tabla 34. Deformaciones unitarias verticales (ε c), registradas por cada elemento para el
fotograma N°13 .................................................................................................................... 66
Tabla 35 Análisis descriptivo para los resultados de deformación unitaria arrojados por
ABAQUS ............................................................................................................................. 67
Tabla 36. Numero de ciclos calculados mediante modelos de deformaciones plásticas. .... 67
11
1. INTRODUCCIÓN
El deterioro constante del medio ambiente ha creado un interés de diversas instituciones y
sectores académicos frente a los impactos inherentes a la construcción de carreteras, tal
preocupación ha generado la necesidad de adelantar estudios puntuales acerca de diversas
técnicas, procesos, equipos y materiales para la construcción de vías que permitan establecer
medidas efectivas de mitigación dentro del marco de la funcionalidad y seguridad de las
carreteras. [1]
Por otra parte, el desarrollo de la industria petrolera genera grandes impactos al medio
ambiente, estos desequilibrios producen afectaciones en diferentes escalas a las comunidades
circundantes, a los proyectos de exploración, perforación, producción y transporte de crudo
[2]. Según, García-Lopez, et al (2004). El efecto nocivo y tóxico de los hidrocarburos
depende directamente de la cantidad y estado del aceite, tiempo de exposición y la
sensibilidad de los organismos de los ecosistemas circundantes impactados por los derrames,
desde el punto de vista ambiental “las plantas manifiestan daños iniciales como muerte del
follaje y tejidos, aunque algunas especies se regeneran a través de tejidos meristemáticos; en
general, la comunidad vegetal responde a la contaminación con un cambio en la composición
de especies” [3].
En los casos en los que se producen derrames en cuerpos hídricos se logra evidenciar una
fuerte afectación en la biota y especies silvestres, muerte de organismos, situación que se ve
agravada en los casos en los que dichos cuerpos hídricos constituyen la fuente de ingreso o
beneficio en actividades como la producción ganadera, agrícola, piscícola y turística de las
comunidades cercanas, debido a que , la evaporación de hidrocarburos es evidente y
perceptible por su olor característico (los hidrocarburos volátiles son conocidos como
carcinogénicos), y la contaminación del ecosistema constituye un riesgo para la salud,
situación acentuada por la dinámica variable de recuperación del ecosistema a lo largo del
tiempo. [4]
Debido a lo anterior en Colombia y el mundo se realizan grandes esfuerzos que permiten
desarrollar nuevas tecnologías y procedimientos que mitiguen los efectos adversos generados
por dichos proyectos, particularmente se han reconocido los asfaltos naturales que como se
menciona más adelante se asemejan mucho a los derrames de petróleo por lo cual se
considera como una opción viable para la pavimentación de vías en Colombia.
Inicialmente para la presente investigación se realizará un análisis que permita establecer la
semejanza de las asfáltitas con un material proveniente de campos de infiltración petroleros
que se denominará “Material bituminoso 1” (MB1) usado en la estabilización de capas de
sub-base granular SBG-50 y base granular BG-38 según los requerimientos del Instituto
Nacional de Vías (INVIAS) consignados en las especificaciones generales de construcción
de carreteras, posteriormente se realizará una correlación entre resultados de CBR de
investigaciones previas y su correspondiente valor de módulo resiliente para proceder con la
12
evaluación del desempeño de un pavimento propuesto mediante la modelación numérica de
elementos finitos ante el efecto de cargas dinámicas.
13
2. ESTADO DEL ARTE
El desarrollo de la economía nacional y regional depende, entre otros factores, de su
infraestructura vial, ya que permite la interconexión entre sus sectores productivos,
dentro del marco tecnológico actual, el desarrollo de las mezclas mediante el uso de
asfáltitas supone una alternativa para la construcción, mantenimiento y mejoramiento de
carreteras [5], proporcionando ventajas técnicas, económicas y ambientales.
Históricamente el uso de las asfáltitas se remonta a la construcción de carreteras en
Mesopotamia, entre los años 3200 y 540 a.C, en Francia en el año 1802 para las carpetas
superficiales de pisos puentes y bermas, en los Estados unidos para la pavimentación de
vías y bermas, y en nuestro país se han utilizado en diferentes proyectos de construcción
y rehabilitación de carreteras públicas y privadas (Mejoramiento en campos petroleros
como Campo Velasquez y Campo Rubiales). [6]
Por otro lado el material de las capas subyacentes a la que se denominan capa de rodadura,
han sido objeto de análisis y estudio. Esto debido a que sus propiedades determinan el
comportamiento de la vía en cuanto a sus deformaciones y estabilidad, por lo cual se han
desarrollado técnicas para establecer unas adecuadas características en su composición
granulométrica. Además de esto a dicho material se le han incorporado otro tipo de
compuestos como lo son el asfalto, el cemento o la cal todo con el fin de mejorar su
comportamiento mecánico (estabilización) ante las exigencias climatológicas y de carga.
[7]
La estabilización de estas capas se ha desarrollado en diversos lugares, un ejemplo claro
es el uso de emulsiones asfálticas en la avenida Washington de la ciudad de las Vegas,
ubicada en el estado de Nevada de los Estados unidos. Estas emulsiones asfálticas, son
un líquido bituminoso desarrollado a partir de la mezcla de asfalto con agua, el cual
proporciono a la reconstrucción de esta avenida una gran capacidad estructural además
de ahorrar tiempo y dinero. [8]
En Colombia, no existe una adecuada infraestructura vial, esta se encuentra en bajas
condiciones de calidad, seguridad y comodidad para sus usuarios, por lo tanto no
proporcionan una comunicación terrestre óptima, afectando la sinergia económica e
industrial de las regiones, problemática que se acentúa principalmente en zonas rurales.
[9] Por otra parte se encuentra el crecimiento del parque automotor, dicha problemática
exige la mejora continua de la malla vía y sus materiales adelantando investigaciones
para alternativas tecnológicas viables, económicas y “ecoamigables”.
Teniendo en cuenta lo anterior, se reconoce la posibilidad de usar asfalto natural como
alternativa para mejorar determinadas propiedades y comportamientos de las capas de los
14
pavimentos, lo cual teniendo en cuenta que en Colombia se cuenta con los yacimientos
necesarios, el uso de las asfaltitas podría brindar soporte en las zonas cercanas a dichos
yacimientos, mejorando la accesibilidad a determinadas poblaciones, potenciando el
desarrollo económico y social de las comunidades. Las mezclas y asfaltos naturales
usadas para un nivel de tránsito NT1, se han usado como tratamiento superficial, mezcla
asfáltica natural en frío y en tibio para carpetas de rodadura; base asfáltica en tibio y frio
para bases; como bases y sub-bases granulares estabilizadas en frio y como estabilizante
de suelos de baja plasticidad para carpetas granulares de soporte y como capa granular
de mantenimiento de vías en afirmados. Normalmente su uso se debe a su
impermeabilidad y densidad por lo cual también puede utilizarse como protección
superficial de zanjas de coronación, taludes, cunetas, ciclorrutas, diques, entre otros. [6]
En nuestro país se reconocen los siguientes casos de aplicación, donde se destaca su vida
útil ya que algunos cuentan con más de 20 años de servicio.
Proyecto hidroeléctrico Hidromiel 1 (1997-1998)- Constructora Norberto
Odebrecht.
Construcción de las obras necesarias para la recuperación en MAPIA de la vía
ubicada en Cra 4 calles 8 a 11. (Norcasia Caldas) (2001)- ISAGEN.
Mantenimiento de la carretera Honda Río Ermitaño (2003)- Unión temporal vías
Colombia
Asfalto natural para Re parcheo plaza de mercado y plazoleta Santander. (2001)
Alcaldía Municipal La Dorada
Mejoramiento de vías urbanas del municipio de Puerto Boyacá (2002)- Alcaldía
Municipal Puerto Boyacá - Boyacá
Mantenimiento de la carretera Honda Río Ermitaño (2003)- Unión temporal vías
Colombia
Adecuación Helipuerto de la central Hidroeléctrica Miel I de Isagen. (2005)-
ISAGEN
Adecuación Helipuerto de la central Hidroeléctrica Miel I de Isagen. (2005)-
ISAGEN
15
3. ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN
En la naturaleza podemos encontrar material pétreo que contiene en alguna proporción
crudos de petróleo en forma sólida o liquida, a estas combinaciones se les denomina
mezclas asfálticas naturales. Estos materiales están compuestos esencialmente por arenas
finas y conglomerados de distintos tamaños y formas [10]. Dentro de este grupo de
mezclas asfálticas naturales, se encuentra en Colombia la Asfaltita y la MAPIA - material
Pétreo Impregnado de Asfalto o MOAN - mortero asfaltico natural, que es un material
compuesto principalmente por arenas finas impregnadas de crudo de petróleo refinado
naturalmente [11]. Dicho material ha tenido usos viales como tratamientos superficiales
en frío, MAPIA mezclada para capas estructurales de rodadura, base granular estabilizada
con MAPIA, Sub-base granular estabilizada con MAPIA, mezcla en caliente de MAPIA
para bases asfálticas, mezcla en caliente de MAPIA para capas de rodadura.
La MAPIA cuenta con varios estudios como son la Estabilización de vías y tratamiento
superficial con MAPIA, dicho estudio lo realizó la Universidad de Antioquia para la Red
Innovial. También se tienen, la Caracterización del asfalto del MAPIA según normas
INVIAS, Caracterización del Asfalto del MAPIA según SUPERPAVE y Desarrollo de
mezclas densas en tibio con MAPIA, realizados por la Corporación para la Investigación
y Desarrollo en Asfaltos en el Sector Transporte e Industrial – CORASFALTOS.
Asimismo cuenta con algunas especificaciones particulares de construcción como lo son
la Especificación particular para Bases y sub-bases estabilizadas con MAPIA, de la mina
La Milagrosa, km 28 Vía La Dorada – Norcasia, y las especificaciones particulares para
estabilizar con mezclas asfálticas naturales del Instituto Nacional de Vías – INVIAS, para
bases (Articulo 341P) y sub bases (Articulo 321P), estas dos últimas para vías con niveles
de tránsito menores o iguales a 0.5 millones de ejes equivalentes a un eje simple rueda
doble de 80 kN (NT1) .
Por otro lado, en el territorio colombiano, también encontramos los derrames de petróleo,
una forma de contaminación debido a la actividad humana, donde se libera un
hidrocarburo líquido de petróleo en el medio ambiente. [12]. Este material es una mezcla
de petróleo crudo con materiales pétreos, agua y material orgánico, cuya composición
puede variar dependiendo de la ubicación del derrame. Este material puede llegar a ser
una opción sustentable en las obras viales, aliviando la concentración en los depósitos y
minimizando la amenaza química que este representa. Además reduciría en cierto grado
la explotación de asfaltos para vías con niveles de tránsito entre 0.5 y 5 millones de ejes
equivalentes a un eje simple rueda doble de 80 kN (NT2). Esta opción antes no
contemplada seria de fácil acceso, ya que económicamente no se vería afectada por
procesos de explotación, destilación o refinación que tienen hoy en día los asfaltos
convencionales.
16
En Colombia de acuerdo con Pardo (2018) el derrame de barriles de petróleo como
consecuencia de la voladura de un oleoducto por algún grupo armado (en un contexto de
guerra) no es comparable con un error operacional cometido por una empresa estatal. Sin
embargo, al final, sea cual sea el origen, el crudo se extiende de la misma manera y a su
paso contamina los cuerpos de agua, afecta la seguridad alimenticia de las comunidades
locales que viven, de la pesca y la agricultura, genera enfermedades y pone en riesgo a
diversas especies de fauna y flora. Las causas varían, pero los impactos no
necesariamente. Para el año 2018, la infraestructura de transporte de hidrocarburos
operada por Ecopetrol había sido atacada 2745 veces desde el año 1980, tales ataques han
provocado el derrame de 3,7 millones de barriles de crudo aproximadamente. De los 2745
ataques 1417 habrían sido al oleoducto Caño Limón Coveñas (Arauca) y 602 al oleoducto
San Miguel –c Orito (OSO), en Putumayo. [13]
Figura 1. Barriles derramados periodo 2009-2017
Fuente. Periódico El Tiempo [13]
Según lo evidenciado en la Figura 1, la razón principal de los derrames petroleros se deben
a ataques terroristas, con una tendencia creciente entre el 2010 y 2013 donde se alcanzó un
pico de 246.875 barriles, contrastado con una variación de derrames por incidentes iniciada
con pico de 7533 barriles en 2009, y un decremento importante entre el año 2013 y 2014 de
87.06% manteniéndose en valores relativamente bajos hasta el año 2017.
17
Figura 2. Ataques a oleoductos
Fuente. Periódico El Tiempo [13]
En vista de que no se tienen antecedentes del uso del material contaminante proveniente de
campos de infiltración petroleros “MB1” en la construcción de vías, es necesario establecer
a partir de sus cualidades una comparación con los asfaltos naturales y su posible uso en la
infraestructura vial colombiana, situación que permite plantear hipótesis acerca de las
prestaciones estructurales, de seguridad y limpieza para su posible estandarización.
18
4. PLANTEAMIENTO Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA.
Los derrames petroleros ocurren por un manejo rutinario negligente (eg., goteo de las
tuberías y otra infraestructura, corrosión de la infraestructura, etc.), por accidentes y
por atentados, aunque los segundos tienen mayor impacto por su magnitud, los
primeros constituyen una fuente de contaminación permanente [14]. Cuando se
genera una alerta por derrames de petróleo se inicia un proceso de limpieza en las
zonas afectadas, esto implica almacenar el material contaminado en depósitos o
bodegas, los cuales se transforman en una amenaza debido a la concentración de
químicos altamente peligrosos y volátiles que allí se albergan. Esta situación tiene el
riesgo de que se presenten eventos o accidentes adversos principalmente para el
medio ambiente, las poblaciones, la infraestructura y demás espacios susceptibles a
pérdidas y daños. Debido a estos problemas se evidencia la necesidad de una solución
rentable, eficaz y ecológica, para ello se plantea utilizar estos depósitos de material
bituminoso contaminados, como aglomerante en la capa de sub-bases y bases
granulares proporcionando así una mayor estabilidad y módulo resiliente a la
estructura de pavimento, asumiendo su caracterización y comportamiento dentro de
los rangos especificados para los asfaltos naturales.
19
5. OBJETIVOS
5.1. OBJETIVO GENERAL
Realizar una modelación numérica con elementos finitos bajo condiciones de carga dinámica
para evaluar el desempeño de los diferentes valores de CBR encontrados en estudios de
estabilización de pavimentos con asfaltos naturales.
5.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
1. Realizar una correlación entre la dosificación de asfalto natural, los materiales
de las capas del pavimento y sus características de soporte.
2. Evaluar el desempeño de un pavimento bajo cargas dinámicas mediante la
modelación numérica con elementos finitos a partir de los valores de CBR en el
software ABAQUS.
3. Proponer una estructura de pavimento que emplee el uso de asfaltos naturales
en la estabilización de bases y sub-bases granulares.
20
6. MARCO TEÓRICO
6.1. ESTRUCTURA DE PAVIMENTO
Los pavimentos son estructuras compuestas por materiales seleccionados conformados en
capas superpuestas, las cuales se diseñan y construyen para soportar los esfuerzos y
deformaciones admisibles generadas por las cargas de un tránsito vehicular determinado
(Objetivo estructural) [15]. Estas estructuras deben diseñarse para ofrecer un paso cómodo y
seguro a los vehículos en un periodo de diseño determinado (Objetivo funcional).
De manera general se pueden definir las siguientes familias de pavimentos [16]:
Pavimentos flexibles: En la Figura 3 se muestra el perfil típico de un pavimento
flexible, estas estructuras están conformadas por una capa asfáltica apoyada sobre
capas de menor rigidez compuestas por materiales granulares (Base, Sub-base,
afirmado y dependiendo del caso una subrasante mejorada).
Figura 3. Perfil típico de una estructura de pavimento flexible
Fuente: Pavimentos, materiales construcción y diseño [16]
Pavimentos rígidos: Compuesta generalmente por una capa o losa de concreto
hidraulico de 18 a 30cm de espesor soportada sobre una capa granular no tratada o
estabilizada mediante diversos cementantes, los esfuerzos aplicados por los vehiculos
se transmiten en una minima proporción al suelo de fundación [16].
21
Pavimentos articulados: Estructura conformada por adoquines prefabricados unidos
por un material sellante de 3cm a 5cm de espesor compacto, la estructura de soporte
puede ser la misma de las capas flexibles [16].
Estructuras mixtas: Como se muestra en la Figura 4 la estructuras mixtas están
constituidas por una capa asfáltica apoyada sobre una capa granular tratada o ligada
con materiales hidráulicos, la capa de materiales tratados con ligantes cumple el oficio
de sub-base, su función debido a su alta rigidez es la de la disipación de los esfuerzos
verticales garantizando deformaciones bajas en las carpetas asfálticas. [16].
Figura 4. Perfil típico de una estructura de pavimento con estructura mixta
Fuente: Pavimentos, materiales construcción y diseño [16].
6.1.1. Nivel de transito
En concordancia con las exigencias de los materiales y las mezclas para la construcción
y rehabilitación de pavimentos, en la tabla 2 se establecen 3 niveles en función del tránsito
de diseño expresado en número de ejes equivalentes de 80 KN (N 80KN) en el carril de
diseño. [17]
22
Tabla 1. Niveles de tránsito
Fuente: Normas de ensayo de materiales [18]
6.1.2. Carpeta de rodadura
Está compuesta por agregados pétreos y mezclas asfálticas o de concreto hidraulico, dentro
de una estructura de pavimento esta capa es la que recibe las cargas vehiculares y efectos
ambientales directamente, dentro de sus funciones se encuentra el proporcionar una
superficie segura y cómoda además de funcionar con un impermeabilizante que protege las
capas subyacentes. [19]
Figura 5. Carpeta de rodadura asfáltica
Fuente: Instructivo del proceso constructivo de una via en pavimento flexible [19]
23
6.1.3. Base granular
La capa de base granular tiene como función reducir las deformaciones debidas a tracción y
las tensiones verticales que se pueden presentar en un pavimento por la acción de cargas
repetitivas sobre la capa asfáltica del mismo. [20].
El [17] en sus especificaciones generales de construcción de carreteras define tres clases de
base granular según la calidad de sus agregados y los niveles de tránsito especificados para
cada proyecto en particular ver Tabla 2.
Tabla 2. Uso típico de las diferentes clases de base granular
CLASE DE BASE GRANULAR
NIVEL DE TRÁNSITO
Clase C NT1
Clase B NT2
Clase A NT3
Fuente: Normas de ensayo de materiales [18]
Requisitos mínimos para agregados en Bases granulares:
Así mismo en la Tabla 3 se establecen parámetros mínimos de calidad, que deberán ajustarse
dependiendo del tipo de base granular especificada.
24
Tabla 3. Requisitos de los agregados para bases granulares
Fuente: Normas de ensayo de materiales [18]
En la Tabla 4 se determinan las franjas granulométricas del material de base granular.
25
Tabla 4. Franjas granulométricas para una base granular
Fuente: Normas de ensayo de materiales [18]
6.1.4. Sub-base granular
“Se denomina sub-base granular a la capa capas granulares localizadas entre la subrasante y
la base granular o estabilizada, en todo tipo de pavimento.” [18]
Haliburton, realizó un análisis en el que concluyó, que bajo condiciones de carga el esfuerzo
en la base del pavimento se puede analizar de manera análoga a las de una viga cargada,
debido a la flexión la base granular se ve afectada por los efectos de compresión en la parte
superior y a tracción en la zona inferior, esta base tiene baja resistencia a la tracción y depende
generalmente de una sub-base granular para proporcionar una restricción lateral. [21]
Como se muestra en la tabla 1 el Invias define tres clases de sub- base granular en función
de la calidad de los agregados (clases A, B y C), si los diseños de los pavimentos no definen
otra cosa, las clases de sub-base granular dependiendo del nivel de tránsito se relacionan en
la siguiente tabla. [17]
26
Tabla 5. Uso típico de las diferentes clases de sub-base granular
Fuente: Normas de ensayo de materiales [18]
Requisitos mínimos para agregados en Sub-bases granulares:
Los requisitos mínimos definidos por el INVIAS para la utilización de agregados en sub-
bases granulares se muestran en la Tabla 6.
Tabla 6. Requisitos de los agregados para sub-bases granulares
Fuente: Normas de ensayo de materiales [18]
27
En la Tabla 7 se determinan las franjas granulométricas del material de base granular.
Tabla 7. Franjas Granulométricas del material de sub-base granular
Fuente: Normas de ensayo de materiales [18]
6.1.5. Propiedades de materiales granulares
6.1.5.1. Tamaño de las partículas y gradación de los agregados
(Granulometría)
Una de las propiedades más importantes de los agregados usados para bases y superficies
de las carreteras es la distribución de los tamaños de partículas al mezclarlos
(Granulometría), las características de la combinación de los tamaños de tales partículas
afectan directamente la densidad, la resistencia, y la economía de la estructura del
pavimento. [20] Se usa un análisis granulométrico para determinar las propiedades
relativas de los diferentes tamaños de partículas en una mezcla de agregados minerales.
[17]
Según las masas retenidas en cada tamiz la porción de material agregado que queda en el
tamiz No. 10 (partículas mayores de 2,00 mm) se le conoce como agregado grueso. Al
material que pasa por la malla No. 10 pero queda retenido en la malla No. 200 (partículas
mayores que 0,075 mm) se determina como agregado fino. [20]
28
6.1.5.2. Resistencia al desgaste.
Los materiales usados en carreteras, deben cumplir con requerimientos de dureza y desgaste,
esto debido al efecto abrasivo interno que producen los ciclos del tránsito [20], la estimación
más comúnmente aceptada se realiza a partir de los ensayos INV E-218 (Desgaste en la
máquina de los ángeles), INV E -238 (Degradación por abrasión en el equipo Micro-Deval)
e INV -E (Evaluación por de la resistencia mecánica por el método del 10% de finos).
6.1.5.3. Durabilidad o resistencia al intemperismo.
Comúnmente la durabilidad de los agregados se mide mediante pruebas de integridad, la
norma INV E-220 (Pérdidas de ensayo de solidez en sulfatos, máximo (%) sulfato de sodio
y sulfato de magnesio) [17]mide la resistencia de los agregados a la desintegración, esto
simula el intemperismo (Modificación del estado o composición por acciones químicas) de
los agregados que existen en la naturaleza. [20]
6.1.5.4. Forma, textura y limpieza del agregado.
Generalmente las especificaciones para los agregados usados en mezclas bituminosas y capas
de materiales pétreos requieren que sus agregados sean limpios, durables, resistentes y con
bajas proporciones de piezas planas o alargadas, polvo, arcilla y demás materiales
indeseables, en el Colombia [17] define los parámetros de limpieza en las normas INV E-
125 (Límite líquido), INV E-125 y INV E-126 (índice de plasticidad), INV E-133
(Equivalente de arena), INV E-235 (Valor de azul de metileno), INV E-211 (Contenido de
terrones de arcilla y partículas deleznables), para los parámetros de geometría se establecen
las normas INV-E230 (Índices de alargamiento y aplanamiento máximo), INV E-277 Caras
fracturadas e INV E-239 (Angularidad de la fracción fina), la resistencia del material se mide
a partir de la norma INV E-148 (CBR).
6.1.6. Estabilización de un material granular
En ocasiones necesitamos mejorar artificialmente las propiedades de un determinado
material granular para su empleo en explanadas o como capa de un firme. Esta mejora, que
es lo que llamamos “estabilización”, puede ser mecánica (cuando mezclamos dos o más
suelos o gravas con propiedades complementarias) o puede ser con aditivos (generalmente
con cemento o cal) que actúan física y químicamente sobre el material a tratar. Con las
29
estabilizaciones de suelos lo que buscamos es mejorar la resistencia (aumentando la trabazón
entre partículas), conseguir unas condiciones de humedad adecuadas (lo que genera
estabilidad ante las cargas y escasa variación volumétrica) y aumentar la durabilidad de la
capa. [22]
6.1.7. Sub Rasante
Es aquella superficie en la que se soporta la estructura del pavimento, esta se compone por
un terreno natural que ante determinados factores requiere un proceso de mejoramiento por
sus cualidades de resistencia. [19]
6.1.8. Contenido de asfalto y seguridad en mezclas granulares con asfalto
Punto de inflamación y combustión
Mediante la norma INVIAS 709-13 (Puntos de inflamación y de combustión mediante la
copa abierta de Cleveland ) se buscar determinar los puntos de seguridad para el manejo y
transporte de las mezclas asfálticas, se denomina punto de inflamación a aquella temperatura
en la que se produce la presencia de una llama instantánea en los vapores liberados, mientras
que el punto de combustión es aquella temperatura en la que se mantiene la llama estable por
al menos 5 segundos. [18]
Extracción cuantifica de asfalto en mezclas para pavimentos
El INVIAS establece los parámetros necesarios para la determinación de la cantidad de
asfalto en una mezcla de pavimentos en la norma INV E 732-13, en esta se describen los
métodos para la extracción cuantitativa del asfalto en mezclas en caliente y en muestras
tomadas de pavimentos. Se extrae el ligante de la mezcla mediante el uso de Tricloroetileno,
bromuro de n-propilo o cloruro de metileno, el contenido de asfalto se calcula por diferencia
a partir de la masa del agregado extraído, su contenido de humedad y del material mineral
del extracto, el contenido final de asfalto es el porcentaje en masa de la mezcla asfáltica libre
de humedad. [18]
6.2. MODELOS DE DEFORMACIONES PLÁSTICAS PARA
PAVIMENTOS
Existen diversas causas que pueden contribuir a las deformaciones plásticas en la estructura
de pavimentos y estas deformaciones pueden llegar a causar un daño considerable a la
estructura. Empíricamente para predecir este daño se tienen en cuenta las propiedades y
30
factores a las cuales los materiales van a estar sometidos como el módulo resiliente, la
temperatura ambiente, la presión de inflado de la llanta, duración de la carga, numero de
ciclos, y la velocidad de recorrido [23]. Estos factores antes mencionados someten a una
variedad de estudios que pueden lograr la predicción en la aparición de fallas.
Debido a la naturaleza repetitiva o cíclica de la carga en los pavimentos, hace que esté
presente deformaciones verticales (ε c), las cuales se volverán permanentes a lo largo del
tiempo, la Figura 6 Representa esta situación mostrando el recorrido y distribución de la
carga en la estructura de un pavimento.
Figura 6. Deformaciones en pavimentos flexibles y distribución de cargas
Fuente: Modelo de predicción dinámica de surcos del pavimento [24]
Investigaciones previas correlacionaron la deformación vertical a compresión, calculada por
la teoría de multicapas elásticas, en cada capa del pavimento con sus respectivas
deformaciones plásticas probables. Estos modelos basados en comportamiento mecánico son
representativos, y muy populares. Una forma general del modelo de falla de deformación
permanente es representada por la ecuación (1). En esta ecuación 𝑁𝑑 es el número de
repeticiones de cargas para la falla, ε𝑑 es la deformación a compresión en la parte superior
de la sub-rasante, y los coeficientes 𝑓1 y 𝑓2 son coeficientes obtenidos en laboratorio. La
Tabla 8 resume algunos de los modelos desarrollados por varias organizaciones a partir de
esta forma general. [24].
31
(1) 𝑵𝒅 = 𝒇𝟏(𝜺𝒅)−𝒇𝟐
Tabla 8. Modelos desarrollados por distintas organizaciones para deformaciones plásticas
ORGANIZACIÓN MODELO
Instituto del asfalto 𝑁𝑑 = 1,365 ∗ 10−9(𝜀𝑐)
−4,477
Shell petroleum 𝑁𝑑 = 6,150 ∗ 10−7(𝜀𝑐)
−4,00
Universidad de Nottingham 𝑁𝑑 = 1,130 ∗ 10−6(𝜀𝑐)
−3,571
Mn/ROAD 𝑁𝑑 = 7,00 ∗ 1015(𝜀𝑐)
−3,909
U.S. Army Corps of Engineers 𝜀𝑐 = 5,511 ∗ 1015(𝑁𝑑)
−0,1532
Fuente. Pavement Rutting Dynamic Prediction Model [24]
6.3. MODELO DE ELEMENTOS FINITOS (MEF)
El MEF está pensado para ser usado en computadoras y permite resolver ecuaciones
diferenciales asociadas a un problema físico o ingenieril sobre geometrías complicadas. El
MEF se usa en el diseño y mejora de productos y aplicaciones industriales, así como en la
simulación de sistemas físicos y biológicos complejos. La variedad de problemas a los que
puede aplicarse ha crecido enormemente, siendo el requisito básico que las ecuaciones
constitutivas y ecuaciones de evolución temporal del problema sean conocidas de antemano.
[25]
6.3.1. ABAQUS
Es un software que permite el análisis de elementos finitos y la ingeniería asistida por
computadora , originalmente lanzado en 1978. El nombre y el logotipo de este software se
basan en la herramienta de cálculo del ábaco. [26]
6.4. ESTADÍSTICA DESCRIPTIVA
6.4.1. Medidas de tendencia central
La tendencia central se define como el punto medio de una muestra. Las medidas de
tendencia central también se conocen como medidas de posición. [27]
32
Media:
La media es el punto en una distribución de medidas, alrededor del cual las desviaciones
sumadas son cero. Es el valor promedio de una muestra. La media es sensible a mediciones
que no estén equilibradas en sus extremos. [27]
Media aritmética:
Se calcula multiplicando cada valor por el número de apariciones dentro de una muestra
estadística. La suma de los productos se divide por el total de datos de la muestra. [27]
Mediana:
Observación de un conjunto, de modo que el mismo número de valores estén en cada uno de
sus lados, es el valor central de la muestra. Para una cantidad impar de datos, es el valor de
en medio; para una cantidad par es el promedio de los dos medios. Para un conjunto con un
número par de números, la mediana será el promedio aritmético de los dos números medios.
La mediana de una muestra de datos distribuidos en frecuencias. [27]
6.4.2. Medidas de dispersión
Las medidas de dispersión más conocidas son: el rango, la varianza, la desviación típica y
el coeficiente de variación.
Rango:
El rango es un valor numérico que indica la diferencia entre el valor máximo y el mínimo de
una población o muestra estadística. [27]
Varianza:
La varianza es una medida de dispersión que representa la variabilidad de una serie de datos
respecto a su media. Formalmente se calcula como la suma de los residuos al cuadrado
divididos entre el total de observaciones. [27]
Desviación típica:
La desviación típica es otra medida que ofrece información de la dispersión respecto a la
media. Su cálculo es exactamente el mismo que la varianza, pero realizando la raíz cuadrada
de su resultado. Es decir, la desviación típica es la raíz cuadrada de la varianza. [27]
Coeficiente de variación:
Su cálculo se obtiene de dividir la desviación típica entre el valor absoluto de la media del
conjunto y por lo general se expresa en porcentaje para su mejor comprensión. [27]
33
7. METODOLOGÍA
7.1. FASE 1: PILOTO
De manera preliminar se logró plantear la posibilidad de implementación de un nuevo
material bituminoso denominado “MB1” que logre la estabilización de capas de agregados
minerales en pavimentos con bajos niveles de tránsito.
El “MB1” es un material con alta cantidad de crudo viscoso que por su naturaleza y por su
similitud con el asfalto y la asfáltita, se caracterizó mediante determinados ensayos propios
de las especificaciones de un cemento asfáltico como punto de ignición y llama y contenido
de asfalto. Debido a que el material bituminoso objeto de estudio proviene de campos de
infiltración para derrames petroleros, este se mezcla con diferentes materiales por lo que con
el fin de determinar el contenido de elementos adicionados “accidentalmente”, se realizaron
análisis granulométricos (E-782), límites de Atterberg (E-125) y de valor de Azul de
Metileno en agregados finos (E-235).
Uno de los objetivos principales de esta prueba piloto es realizar una comparación entre las
cualidades granulométricas del material estabilizante y el material estabilizado, con el fin de
que las fracciones de determinados diámetros de las partículas en el material estabilizante
“MB1” funcionen como un reemplazo o adición en porcentaje en la gradación de la capa
mineral destino garantizando así la homogeneidad de la capa del pavimento, por lo que se
previene una “sobrecarga” en determinadas franjas de la curva que puedan resultar nocivas
para la resistencia de la configuración estructural planteada. Particularmente para efectos de
la presente investigación se realizó el reemplazo granulométrico de una sub-base granular
SBG-50 y una base granular BG-38.
Inicialmente se plantearon 4 dosificaciones diferentes de material “MB1” en función del
material a estabilizar, (5%,10%,15% y 20%), en el cual el porcentaje de estabilizante suple
la misma proporción sobre la sub-base y la base granular, validando si se encuentran dentro
de los límites granulométricos establecidos por el INVIAS para este tipo de materiales,
adicionalmente se propusieron ensayos de CBR a cada mezcla de material estabilizado pero
debido a la contingencia del Covid-19 no fue posible llevarlos a cabo.
Debido a lo anterior se reconoce la viabilidad para establecer un modelo matemático a partir
de fuentes externas que permitan una correlación entre los resultados de ensayos a capas
estabilizadas con materiales de similares características al “MB1”. Mediante la Tabla 11 y la
Figura 7, se logra evidenciar un grado de semejanza granulométrica entre la asfáltita y el
material “MB1”, esto sumado a la procedencia de cada material y las posibles adiciones
accidentales de otro tipo de elementos minerales y biológicos, permiten asumir un
comportamiento similar entre las capas granulares estabilizadas con estas, a partir de dicha
34
hipótesis se realizó un análisis numérico en el cual se compare la granulometría del material
“MB1” Tabla 9, con la granulometría encontrada en investigaciones anteriores para la
asfaltita Tabla 10, Así se estableció la analogía de estos dos materiales y la posibilidad de
determinar a través de la simulación numérica de capas de sub-base y base estabilizadas con
asfaltita la respuesta de cada tipo de material objeto de estudio estabilizado con “MB1” ante
determinados esfuerzos.
Tabla 9. Análisis granulométrico “MB1”
ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO DE LOS AGREGADOS GRUESO Y FINO
MATERIAL "MB1"
PESO INICIAL DE LA MUESTRA SECA 1342,4 PESO DE LA MUESTRA
SECA DESPUÉS DEL
LAVADO
1290
TAMICES PESO
RETENIDO (g) % RETENIDO
% RETENIDO
ACUMULADO % PASA
N° ABERTURA (mm)
2" 50 0 0,0% 0,0% 100,0%
1 1/2" 37,5 0 0,0% 0,0% 100,0%
1" 25 0 0,0% 0,0% 100,0%
3/4" 19,1 0 0,0% 0,0% 100,0%
1/2" 12,7 36,8 2,7% 2,7% 97,3%
3/8" 9,5 56,2 4,2% 6,9% 93,1%
N°4 4,75 123,7 9,2% 16,1% 83,9%
N°10 2 382,6 28,5% 44,6% 55,4%
N°40 0,425 329,2 24,5% 69,2% 30,8%
N°80 0,177 329,7 24,6% 93,7% 6,3%
N°200 0,074 84,2 6,3% 100,0% 0,0%
PASA 200
TOTAL 1342,4
Fuente: Evaluación de la resistencia de base y sub-base granular con asfaltita en porcentajes 50%-
50%, 70%-30% y 100% [28]
35
Tabla 10. Análisis granulométrico asfáltita.
ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO DE LOS AGREGADOS GRUESO Y FINO
MATERIAL ASFALTITA
PESO INICIAL DE LA MUESTRA SECA 1518 PESO DE LA MUESTRA
SECA DESPUÉS DEL
LAVADO
1359,4
TAMICES PESO
RETENIDO (g) % RETENIDO % RETENIDO ACUMULADO % PASA
N° ABERTURA (mm)
2" 50 0 0,0% 0,0% 100,0%
1 1/2" 37,5 0 0,0% 0,0% 100,0%
1" 25 0 0,0% 0,0% 100,0%
3/4" 19,1 91,3 6,0% 6,0% 94,0%
3/8" 9,5 207,1 13,6% 19,7% 80,3%
N°4 4,75 146,9 9,7% 29,3% 70,7%
N°8 2,36 198,3 13,1% 42,4% 57,6%
N°50 0,3 498 32,8% 75,2% 24,8%
N°200 0,074 217,8 14,3% 89,6% 10,4%
PASA 200 158,6 10,4% 100,0% 0,0%
TOTAL 1518
Fuente: Evaluación de la resistencia de base y sub-base granular con asfaltita en porcentajes 50%-
50%, 70%-30% y 100% [28]
Tabla 11. Comparación granulométrica de estabilizantes
COMPARACIÓN GRANULOMÉTRICA DE ESTABILIZANTES
TAMICES % PASA MB1 % PASA ASF Δ
N° ABERTURA (mm)
2" 50 100,0% 100,0% 0,0%
1 1/2" 37,5 100,0% 100,0% 0,0%
1" 25 100,0% 100,0% 0,0%
3/4" 19,1 100,0% 94,0% 6,0%
1/2" 12,7 97,3% 84,9% 12,4%
3/8" 9,5 93,1% 80,3% 12,7%
N°4 4,75 83,9% 70,7% 13,2%
N°8 2,36 59,1% 57,6% 1,5%
N°10 2 55,4% 51,9% 3,5%
N°40 0,425 30,8% 26,8% 4,0%
N°50 0,3 18,5% 24,8% 6,3%
N°80 0,177 6,3% 17,0% 10,7%
N°200 0,074 0,0% 10,4% 10,4%
36
Figura 7. Comparación granulométrica de estabilizantes
A partir de los valores de diferencia delta (Δ) por cada tamiz contenido en la tabla Tabla 11,
se realizó un análisis estadístico de datos con el fin de comprobar las variaciones
granulométricas entre los dos materiales estabilizantes y definir así la posible extrapolación
de los resultados preliminares de la asfáltita al “MB1”. Ver Tabla 12 .
Tabla 12. Análisis estadístico de diferencias entre tamices de MB1 y Asfáltita.
Análisis estadístico
Media 6,218%
Mediana 6,014%
Moda 0,000%
Desviación estándar 5,145%
Varianza de la muestra 0,0026
Mínimo 0,00%
Máximo 13,19%
Suma 80,83%
Cuenta 13
Se obtiene una media entre los valores delta (Δ) de 6.218% con un máximo de 13.19%
ubicado en el tamiz N°4, un valor mínimo de 0% (Ajuste total), una medida de dispersión
entre los datos de 5.145% (Desviación estándar) se permite establecer un alto ajuste entre los
resultados, por lo tanto para efectos de la presente investigación se reconoce una
incertidumbre del 5.145% frente a todos los datos, lo cual es un valor aceptable teniendo en
37
cuenta que se trata de materiales sin una purificación previa ya que provienen de un medio
natural o de campos de infiltración petroleros.
7.2. FASE 2: CARACTERIZACIÓN DE DATOS PRELIMINARES
7.2.1. Revisión y análisis bibliográfico
En esta fase se realizó una recopilación de datos a partir de investigaciones preliminares
basadas en el uso de asfaltos naturales para la estabilización de sub-bases y bases granulares
en estructuras de pavimentos (Tabla 13. Directorio de investigaciones.). A partir de esta
revisión se relacionó la dosificación de asfaltita con los valores de CBR en una determinada
muestra a estabilizar.
Tabla 13. Directorio de investigaciones.
ITEM 1 2 3
TÍTULO DEL TRABAJO
EVALUACIÓN DE LA
RESISTENCIA DE BASE Y SUB-
BASE GRANULAR CON
ASFALTITA EN PORCENTAJES
50%-50%, 70%-30% Y 100%
ANÁLISIS DEL USO Y
COMPORTAMIENTO DE LA
ASFALTITA COMO
BASE Y SUB-BASE GRANULAR EN
PAVIMENTOS.
CARACTERIZACIÓN DE LA
ASFÁLTITA COMO BASE Y
SUBBASE DE ESTRUCTURAS DE
PAVIMENTO
TIPO DE TRABAJO Monografía Monografía Monografía
AÑO 2020 2019 2018
AUTOR (ES)
JUAN DIEGO SALAS PINZÓN
KEVIN ANDRÉS GONZALES
APACHE
YENIFFER MILENA
CASTELLANOS DEVIA
BRAYAN NICOLÁS BUSTAMANTE
CORTÉS.
ANA MARÍA GONZÁLEZ APACHE.
MICHAEL ANDRÉS RODRÍGUEZ
PIEDRAHITA
RODRIGO CUBILLOS MORENO
APORTES
Evaluar la resistencia de la asfaltita
en porcentajes 50%-50%, 70%-30%
Y 100% con materiales granulares
base y subbase de estructura vial de
acuerdo a los ensayos pertinentes.
Analizar el comportamiento de la
asfaltita usada como material de
base y subbase granular en
porcentajes (100%, 50%-50%, 70%-
30%)
Caracterizar la asfáltita para ser
utilizada como material de base y
subbase granular para
estructuras de pavimento, mediante
variedad de dosificaciones con
materiales granulares
existentes en la Región.
HIPERVÍNCULO
http://repository.unipiloto.edu.co/bits
tream/handle/20.500.12277/7508/Mo
nografia%20-
%20Juan%20Diego%20Salas%20%
20P.%20-
%20Kevin%20Andres%20Gonzalez
%20%20A.%20-
%20Yennifer%20Milena%20Castella
nos%20D..pdf?sequence=1&isAllow
ed=y
http://repository.unipiloto.edu.co/bitstre
am/handle/20.500.12277/6475/An%c3
%a1lisis%20de%20uso%20y%20comp
ortamiento%20de%20la%20asfaltita%2
0como%20base%20y%20subbase%20
granular%20en%20pavimentos.pdf?seq
uence=5&isAllowed=y
http://repository.unipiloto.edu.co/bitstre
am/handle/20.500.12277/5707/TRAB
AJO%20DE%20GRADO%20RODRI
GO%20CUBILLOS.pdf?sequence=1
&isAllowed=y
38
Paralelamente se investigó acerca de las posibles ecuaciones que estimen el valor de módulo
resiliente en función del CBR, El uso de estas ecuaciones de tipo empírico se parametriza
dentro de determinados espectros de valores CBR, por lo que serían aplicables dependiendo
del tipo de material o suelo que sea objeto de estudio, para la presente investigación se
tomaron en cuenta aquellas que permiten una correlación entre todos los valores posibles ver
Tabla 14.
Tabla 14. Ecuaciones para cálculo de módulo resiliente
Fuente. Implementation of Resilient Modulus – CBR relationship in Mechanistic Pavement Design
[29]
7.2.2. Correlación matemática y tendencia
Se organizó la información hallada de cada investigación en Microsoft office Excel separando
la muestra, el tipo de sub base o base granular según INVIAS, la dosificación porcentual de
asfaltita, la dosificación porcentual de base o sub-base según sea el caso y por último el CBR
encontrado para cada una de estas muestras así como se muestra en la Tabla 15.
Tabla 15. Formato para la recolección de datos
A partir de esto se generó un modelo matemático con base en los datos recolectados, en el
cual se correlaciona un valor de CBR en función de la cantidad de asfaltita en una
determinada muestra, para ello se usaron las herramientas de gráficos de Excel. Ahora para
describir el comportamiento que tiene una sub-base y una base granular al ser afectadas con
la adición del asfalto natural, se procedió a ajustar la nube de putos mediante una línea de
tendencia que puede ser de carácter lineal, exponencial, logarítmica, polinómica, o potencial
ver Tabla 16.
Ecuaciones MR(CBR)
Ecuacion de Green & hall
Ecuación Uzan
Ecuación de National
Cooperative Highway
Research Progrm
= 10 ∗ 0 73
= 1 6 (0 017 ∗ 2)
= 7 0 (0 01 ∗ 2)
Asfaltita Base / Sub base
1 - - - -
2 - - - -
3 - - - -. . . . .. . . . .. . . . .
MUESTRATIPO
Base / Sub base
DOSIFICACIÓN (%)CBR
39
Tabla 16. Ecuaciones de tendencia según dosificación
Este proceso permite obtener la variación de los datos respecto a la línea de tendencia además
de los posibles rangos de dosificaciones que garanticen un valor de soporte mínimo según
las normas del INVIAS.
A través de las ecuaciones empíricas halladas que relacionan el módulo resiliente y el CBR
como la de Green & Hall (1975) entre otras, se estimó un valor de módulo resiliente para
cada CBR encontrado y para los valores mínimos establecidos por la norma INVIAS para
bases y sub bases (ver Tabla 17), estos valores de módulo resiliente permitieron establecer la
propiedad de resistencia de las capas de pavimento a modelar.
Tabla 17. Valores de módulo resiliente para CBR´s mínimos.
Tipo Ecuacion general
donde m es la pendiente y b es la intersección.
donde c y b son constantes, e ln es la función logaritmo natural.
donde b y c1…c6
son constantes.
donde c y b son constantes.
Una línea de tendencia exponencial usando la ecuación siguiente para calcular
los mínimos cuadrados que se ajustan a los puntos:
donde c y b son constantes, y e es la base del logaritmo natural.
Para todas las ecuaciones %asf es la dosificación de asfalto natural en las muestra recopiladas
Exponencial
Lineal
Logarítmico
Polinomial
Potencial
= ( ∗ 𝑓)
= ( ∗ 𝑓)
= 1 𝑓 1 𝑓2 1 𝑓
3 1 𝑓6
= ∗ 𝑓
= ∗
CBR
% Mr (Mpa) Mr (psi) Mr (Mpa) Mr (psi) Mr (Mpa) Mr (psi)
80 245,05 35541,64 200,03 29011,37 221,32 32099,81
CBR
% Mr (Mpa) Mr (psi) Mr (Mpa) Mr (psi) Mr (Mpa) Mr (psi)
40 147,74 21428,20 118,43 17176,27 130,12 18872,34
Green & Hall Uzan NCHRP
VALOR MÍNIMO PARA BASE GRANULAR
VALOR MÍNIMO PARA SUB-BASE GRANULAR
Green & Hall Uzan NCHRP
40
7.3. FASE 3: ELEMENTOS FINITOS
Esta fase se basa en el uso de un software, donde se pueda construir un modelo que emplee
el método de elementos finito (MEF), dicho modelo permitirá establecer parámetros y
características atribuibles a materiales, con el fin de permitir una aproximación de soluciones
a ecuaciones diferenciales parciales muy complejas, utilizadas para describir el
comportamiento que llegara a tener el conjunto de materiales arreglados convenientemente
bajo ciertas condiciones mecánicas.
7.3.1. Modelación de datos
A través del software ABAQUS se desarrolló la modelación de elementos finitos, para ello
primero se propuso una situación en donde se debe determinar los parámetros bajo los que
va a estar sometido la estructura de pavimento propuesta. Primero se estableció la carga que
será aplicada a la estructura, esta carga fue tomada como un eje simple-simple de rueda doble
de 8.2 Tn. Como segundo parámetro tendremos la presión de inflado por llanta, la cual fue
de 0,89 MPa tomada del artículo de investigación Computational evaluation of long-term
ravelling susceptibility of Permeable Friction Courses (PFC). Con estos dos parametros se
puedo cacular el area de contacto de la llanta en el pavimento dada por q=F/A donde; q es
la presion de inflado en MPa (esfuerzo sobre el pavimento), F es la fuerza debida a la carga
de una llanata en N, y A es el area circular (πr2) de contacto de la rueda en m2, ver Figura 8.
Planteado este análisis se calculó el diámetro del área de contacto en 240 mm.
Figura 8 Esquema de esfuerzos sobre el pavimento
41
Con estos valores de entrada para la situación del modelo, se pasó determinar el espacio en
el cual se desarrollara la simulación, que para este estudio se defino como 4m de longitud
sobre el eje horizontal (eje x). Para determinar la altura (eje y) que tendrá la estructura de
pavimento a modelar se propuso con base en el manual de diseño de pavimentos asfalticos
para vías con bajos volúmenes de transito del INVIAS, una alternativa estructural que
involucre el uso de una sub-base (SBG), una base granular (BG) y una carpeta de rodadura o
carpeta asfáltica (CA) todas ellas sobre una sub rasante. Esta estructura propuesta es el objeto
al cual se le dieron atributos característicos mínimos de soporte (módulo resiliente y CBR)
para bases y sub-bases según normatividad INVIAS. En cuanto a las franjas de rodadura y
sub rasante se tuvieron en cuenta los requerimientos generales del manual de bajos
volúmenes de transito antes mencionado, esto se debe a que el enfoque del estudio se realizó
sobre sub bases y bases estabilizadas con asfalto natural o asfaltita ver Figura 9.
Figura 9. Alternativa estructural propuesta
42
Una vez establecidas las condiciones de carga y las características geométricas y mecánicas
de la estructura de pavimento, se procedió a establecer el parámetro de la velocidad, debido
a que el estudio se enfoca en las vías con bajos volúmenes de tránsito se concluyó que esta
estructura de pavimento entra en la categoría de vía secundaria o terciaria determinada por el
Manual de Diseño Geométrico de Carreteras del INVIAS, donde se escogió un valor de 40
Km/h que cubre vías terciarias de tipo plano ondulado y montañoso como también vías
secundarias de tipo montañoso y escarpado. Ver Tabla 18.
Tabla 18. Valores de la Velocidad de Diseño de los Tramos Homogéneos (VTR) en función de la
categoría de la carretera y el tipo de terreno
Fuente: Manual de diseño geométrico de vías INVIAS [30]
Finalmente teniendo claro todos los parámetros anteriormente mencionados se procedió a
crear los elementos que permitirán obtener los resultados para la simulación. Debido a que
el software basa su análisis en el método de elementos finitos y lo que se requiere es observar
las deformaciones debidas a la carga dinámica impuesta se divide el modelo en un numero
finito de partes para ello se realiza un enmallado en el modelo con espacios de 20mm
horizontales y verticales, dando como resultado un entramado de 200 celdas horizontales y
68 celdas verticales. En la cual cada celda será un elemento que permitirá recolectar datos en
cualquier parte del modelo a analizar ver Figura 10
43
Figura 10. Esquema general de la modelación en ABAQUS
El análisis dinámico que tiene el software nos permite registrar las deformaciones al paso de
la carga sobre la estructura en un intervalo de tiempo, este intervalo estará dado por la
velocidad de desplazamiento ya establecida y la separación del enmallado de la forma
v(Δx)=t; donde v es la velocidad, Δx es la separación del enmallado y t es el intervalo de
tiempo, obteniendo un intervalo de 0,0018 s para cada separación y un total de 0,38s para la
longitud total del modelo. Hallado el intervalo de tiempo en el cual se genera el modelo se
procedió a generar una matriz mediante MATLAB, la cual ayuda a simular el movimiento de
la llanta a la velocidad establecida sobre la estructura y le dirá a el modelo que elementos o
celdas del enmallado están siendo afectadas por el tránsito de la carga en base al diámetro de
240 mm. Ver Tabla 19.
44
Tabla 19. Matriz de respuesta de elementos finitos
Observación: Las celdas de color rojo representan los elementos afectados por la carga debido al
movimiento de la rueda en el instante de tiempo establecido
Dentro de este modelo se tuvo en cuenta la fuerza de fricción de rodadura promedio calculada
como 2,5% de la fuerza normal al pavimento [31], esta se calculó como 2,5 % de la presión
de inflado dando como resultado 0,022MPa para el esfuerzo generado por la fuerza de
fricción. Ver Figura 11.
45
Figura 11. Fuerzas impuestas sobre los elemento del modelo
Para suministrar los datos geométricos y de enmallado del modelo, antes mencionados se
utilizó el código generado mediante Python elaborado por la ingeniera Laura Manrique
Sánchez y presentado en el tesis de maestría Numerical modeling of raveling in Open-Graded
Friction Courses (OGFC) [32], el cual se ajustó a los parámetros ya mencionados del
presente estudio de investigación. Ver Anexo A y Anexo B
Todos estos parámetros simularon la realidad de una vía con bajos volúmenes de tránsito.
Teniendo el código fuente y el modelo en ABAQUS el programa proceso dicha simulación,
obteniendo como resultado la estructura de pavimento que se observa En la Figura 12. El
proceso dentro de la interfaz del software, para generar este modelo se puede observar con
mayor claridad en la Figura 13.
Figura 12. Modelo de la estructura de pavimento
46
Figura 13. Disposición de los datos en la interfaz de ABAQUS
.
a) Ejecución de las rutinas programadas en Phyton.
b) Conjunto de la estructura y superficies - Paleta de edición para la geométrica.
c) Cargas asociada por elemento – características mecánicas para las carpetas de la
estructura.
7.3.2. Recopilación de resultados
En la interfaz del software se identifica la carpeta de sub-rasante, ya que los datos de esta
carpeta son los que nos dirán la magnitud de las deformaciones debido al comportamiento
de la estructura de pavimento establecida. Para ello se sustrajo el resto de las carpetas del
modelo y se creó un conjunto (sets) de elementos llamado ANÁLISIS los cuales se
seleccionaran y estarán ubicados en la parte superior central de la carpeta de sub-rasante, así
como se muestra en la Figura 14. Donde se seleccionaron 49 elementos que cubrirían el
espacio con mayor deformación. Cabe aclarar que el software ABAQUS empleado para
47
desarrollar este trabajo de investigación tiene una licencia estudiantil por lo cual limita las
opciones en cuanto a la recoleccion de datos a tan solo 100 elementos por licencia.
Figura 14. Selección de elementos de análisis
Establecidos los elementos de análisis se procedio a ejecutar el programa, posterior al
procesamiento de los datos, se pasó a observar los resultados. Para esto se halló gráficamente
con el selector de fotogramas el número del intervalo de tiempo donde el paso de la carga
está afectando los elementos de análisis, que para la simulación es 13. Ver Figura 15.
(Deformación exagerada al 200%)
Figura 15. Fotograma de análisis
48
Mediante las opciones visuales que nos brinda el software, podemos apreciar la deformación
unitaria vertical (E), los esfuerzos (S) y la deformación vertical (U), adicionalmente estos
tres comportamientos de la estructura se pueden analizar en los ejes de las dimensiones X
(11), Y (22) y Z (33). Debido a que las cargas impuestas viajan axialmente por el plano Y y
la deformación unitaria vertical es el parámetro que se evaluará para el comportamiento de
la estructura de pavimento se estableció únicamente extraer los datos E22 para los elementos
de análisis seleccionados ver Figura 16.
Figura 16. Reporte de datos
Una vez realizado este proceso de datos, ABAQUS creo un reporte .rpt que se puede trabajar
mediante Microsoft office Excel. La salida de datos que arroja el programa, estará organizada
en filas y columnas, donde las filas representan los fotogramas en cada instante de tiempo y
las columnas contiene los datos de la deformación unitaria de cada elemento de análisis
seleccionado. A partir de estos datos se ubicó el fotograma número 13, cuyas columnas
contienen los resultados de la deformación en el instante que la carga esta sobre los elemento
de análisis. Ver Anexo C.
7.3.3. Análisis estadísticos descriptivos
Las deformaciones unitarias recolectadas se organizaron en una solo tabla enumerada. A
partir de estos valores se hizo un cálculo de medidas de localización como la media o
promedio de los datos, mediana o dato central y los valores mínimo y máximo, así como el
dato de coeficiente de variación con el fin de garantizar la uniformidad de los resultados
obtenidos.
49
7.4. FASE 4: ANÁLISIS DE LAS DEFORMACIONES ENCONTRADAS
La presente fase describirá el proceso analítico que se tuvo con los datos resultantes de la
Fase 3: Elementos finitos. Para ello fue necesario el uso de modelos de predicción que
relacionen las deformaciones y el daño producido por las cargas a la estructura de pavimento.
A partir de los modelos mecanicistas desarrollados por diferentes organizaciones que se
observan en la Tabla 8 se calculó el número de repeticiones de carga el cual se asocia al
número de ejes simple-simple de rueda doble de 8.2 Tn, estos datos proporcionaran el
parámetro sobre el cual se clasificara el nivel de transito del modelo en las circunstancias
simuladas. Para esto se observó que resultados eran atípicos para los pavimentos con bajos
volúmenes de tránsito y partiendo de estos resultados se busca establecer un promedio que
represente los modelos aceptados. La clasificación de esta simulación nos permitirá
establecer si los rangos de dosificación en %Asfaltita que lograron un CBR mínimo, son
aptos para la estabilización de bases y sub bases mediante el MB1 o asfaltitas.
50
8. RESULTADOS Y ANÁLISIS
8.1. PILOTO
8.1.1. Caracterización del material MB1
En este epígrafe se mostraran las propiedades del material, mediante los resultados de
ensayos, realizados por la empresa GEOAMBIENTAL mediante del laboratorio IDICOL
S.A.S. ubicado en la ciudad de Bogotá, el cual apoyo la investigación del material MB1.
8.1.1.1. Composición
A partir de los procedimientos establecidos en la norma INVIAS INV E782-2013 para
análisis granulométrico de los agregados extraídos de mezclas asfálticas (método a), se
obtienen los siguientes resultados para la caracterización del material bituminoso “MB1”:
Tabla 20. Análisis granulométrico “MB1”
Fuente: Laboratorio externo [33]
MATERIAL
1342,4
PESO DE LA MUESTRA
SECA DESPUES DEL
LAVADO (g)
1290
TAMICES
N°
2" 50 0 0,0% 0,0% 100,0%
1 1/2" 37,5 0 0,0% 0,0% 100,0%
1" 25 0 0,0% 0,0% 100,0%
3/4" 19,1 0 0,0% 0,0% 100,0%
1/2" 12,7 36,8 2,7% 2,7% 97,3%
3/8" 9,5 56,2 4,2% 6,9% 93,1%
N°4 4,75 123,7 9,2% 16,1% 83,9%
N°10 2 382,6 28,5% 44,6% 55,4%
N°40 0,425 329,2 24,5% 69,2% 30,8%
N°80 0,177 329,7 24,6% 93,7% 6,3%
N°200 0,074 84,2 6,3% 100,0% 0,0%
PASA 200
1342,4
% PASA
TOTAL
ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO DE LOS AGREGADOS GRUESO Y FINO
"MB1"
PESO INICIAL DE LA MUESTRA SECA (g)
ABERTURA
(mm)PESO RETENIDO (g) % RETENIDO % RETENIDO ACUMULADO
51
Figura 17. Distribución granulométrica “MB1”
Fuente: Laboratorio externo [33]
En la tabla Tabla 20 y en la Figura 17 se muestra la distribución granulométrica del material
MB1, se puede observar la carencia de materiales pétreos con partículas de diámetros entre
los rangos de 2” a ¾”, una transición leve de retención en los tamices de ½” y 3/8” de 2.7%
y 4.2% respectivamente, lo que supone un porcentaje que pasa de 93.1% antes de pasar a
una concentración final de las partículas minerales entre los tamices N°4 a N°80 con una
sumatoria de valores retenidos de 86.8%, con una máxima concentración de masa retenida
en el tamiz N° 10 con 28.5%, se finaliza la curva de gradación del material “MB1” con 6.3%
retenido en el tamiz N°200 sin un porcentaje que pase del mismo.
Se puede observar un predominio de arenas sobre las cantidades de gravas, estas últimas
tienen una presencia poco representativa dentro de la masa estudiada (hasta 16.1% de
material retenido acumulado), el “MB1” es un material de cualidades granulométricas
homogéneas por lo que se deduce un deficiente comportamiento mecánico si se le compara
con un material heterogéneo o bien gradado, las altas cantidades de materiales con partículas
menores a 2mm (tamiz N°10) podrían tener un compartimiento no plástico y susceptible a
erosiones graves, no se evidencian limos o arcillas en cantidades que puedan generar
inconvenientes ante determinados efectos físicos y químicos.
8.1.1.2. Extracción cuantitativa del asfalto
A partir de los procedimientos establecidos en la norma INV E 732-2013 para la extracción
cuantitativa del asfalto en mezclas para pavimentos se obtienen los siguientes resultados para
la caracterización del material bituminoso “MB1”. Para el ensayo de extracción cuantitativa
de asfalto en mezclas para pavimentos se analizó una muestra de tamaño nominal de ¾” y
52
una masa de la porción del ensayo de 1795.3 g, mediante el uso de Cloruro de Metileno se
extrajo el ligante para finalmente obtener una masa de agregado mineral de 1507.7 g.
Tabla 21. Información de ensayo
Fuente: Laboratorio externo [33]
En la Tabla 22 se observa los resultados que se tuvieron mediante el método de ceniza
para la extracción, allí se redujo a ceniza una porción del “MB1” y luego de la reacción
que genera la adición de 5ml de solución de carbonato de amonio saturado por cada
gramo de ceniza se obtuvo una masa de 3.266 g del contenido mineral en el extracto, lo
cual representa un 15.8% de contenido de asfalto lo cual se puede tomar como un valor
alto de ligante dentro del compuesto objeto de estudio ya que generalmente un cemento
asfaltico contiene entre 5% y 10% de contenido en peso.
Tabla 22. Valores de contenido mineral en la muestra y contenido de asfalto
Fuente: Laboratorio externo [33]
8.1.1.3. Seguridad
A partir de los procedimientos establecidos en la norma INV E 709-2013 para la
determinación de puntos de inflamación y de combustión mediante la copa abierta de
Cleveland se obtuvieron los siguientes resultados de la Tabla 23, Donde se observa que
el material estabilizante “MB1” alcanzó un valor de inflamación medido de 251°C y un
V1 Volumen total del extracto ml 3842
Masa de la capsula de porcelana g 59,975
V2Volumen del extracto luego de
remover la alicuotaml 3742
G Ceniza en alícuota g 0,085
- Contenido mineral en el extracto g 3,266
% 15,8
MINERAL EN EL EXTRACTO MEDIANTE EL MÉTODO DE CENIZA
CONTENIDO DE ASFALTO
TIPO DE MEZCLA Material bituminoso negro
TAMAÑO NOMINAL DEL AGREGADO 3/4"
REACTIVO UTILIZADO Cloruro de metileno
INFORMACIÓN DEL ENSAYO
W1 Masa de la muestra para ensayo g 1795,3
W2 Masa de agua en la porción del ensayo g 0
W3 Masa del agregado mineral extraido g 1507,7
N° 1 ENSAYO
53
punto de combustión de 296°C, lo cual posterior a la corrección de presiones atmosféricas
de 108.8 kPa de ejecución a 101.3 kPa requeridos por la normalización del ensayo, arroja
valores de inflamación y combustión corregidos de 250.6°C y 295.6°C respectivamente.
Con el fin de establecer un parámetro de comparación se validaron los límites
establecidos en el artículo 410 del capítulo 4 de la norma INVIAS, donde se establecen
valores mínimos entre 230° y 240° para el punto de inflamación, para este caso en
particular se evidencia que el material bituminoso 1 “MB1” se encuentra 10.6°C por
encima de lo establecido, lo cual permite estimar un alto rango de seguridad ante efectos
de temperatura.
Tabla 23. Ensayo de puntos de inflamación y combustión-Material bituminoso “MB1”
Fuente: Laboratorio externo [33]
8.1.1.4. Limpieza
A. Determinación del límite líquido, límite plástico e índice de plasticidad de los suelos
A partir de los procedimientos de la norma INV E 125-2013 e INV E 126-2013 para la
determinación del límite líquido, límite plástico e índice de plasticidad de los suelos, se
obtuvieron los resultados consignados en la Tabla 24, donde se observa la clasificación de
límite líquido y límite plástico e índice de plasticidad de los suelos según las normas INV E
125.-2013 e INV E 126-2013 respectivamente obteniendo que el material “MB1” no tiene
límite líquido, límite plástico ni índice de plasticidad para ninguna de las clasificaciones
establecidas.
Tabla 24. Clasificación para límite líquido y límite plástico “MB1”
Fuente: Laboratorio externo [33]
PUNTO DE INFLAMACIÓN MEDIDO °C 251
PUNTO DE COMBUSTIÓN °C 296
PUNTO DE INFLAMACIÓN CORREGIDO °C 251
PUNTO DE COMBUSTIÓN CORREGIDO °C 296
PRESIÓN ATMOSFERICA DURANTE EL ENSAYO kPa 102,8
INFORMACIÓN DEL ENSAYO
CLASIFICACIÓN USCS CLASIFICACIÓN AASHTO
NP NP
LÍMITE LIQUIDO NL LÍMITE PLÁSTICO NP INDICE DE PLASTICIDAD NP
54
B. Determinación del valor de azul de metileno en agregados finos
A partir de los procedimientos de la norma INV E 235-2013 para el valor de azul de metileno
en agregados finos, se obtuvieron los resultados que se muestran en la Tabla 25. Donde se
evidencia que para la determinación de cantidades de arcillas nocivas en el material “MB1”
se requirieron 3ml/g en una muestra de masa 204.8 para lograr la aparición de la aureola azul
celeste. Que comparado con los parámetros establecidos en el artículo 330 del INVIAS para
bases granulares, que definen un valor máximo de azul de metileno de 10 ml/g, supone una
baja cantidad de arcillas nocivas presentes en el material.
Tabla 25. Valor de azul de metileno.
Fuente: Laboratorio externo [33]
8.1.2. Caracterización de materiales a estabilizar
8.1.2.1. Sub Base Granular (SBG-50)
En la distribución granulométrica de la sub-base granular SBG-50 (ver
Tabla 26), se logra determinar una gradación distribuida entre todos los tamices del ensayo,
no hay presencia de partículas de 2”, el mayor valor de concentración se ubica en el tamiz de
¾” con una retención de 18.7% y un porcentaje que pasa en este punto de 51.7%, los valores
mínimos de retención se ubican en los tamices de 3/8” y N°200 con 6.5% de porcentaje de
masa, hay presencia de 615g de material con diámetro menor a 0.074mm correspondiente a
un 6.6% (Pasa 200). Ver Figura 18.
La sub-base granular SBG-50 se encuentra dentro de los límites establecidos por el INVIAS
en el artículo 320, se evidencia un sesgo leve hacia los limites inferiores de las franjas y un
material heterogéneo con una buena gradación que proveerá de adecuados comportamientos
mecánicos a la estructura del pavimento, este está compuesto por 67% gravas, 26.4% arenas
y un valor de finos de 6.6%. Las gravas garantizarán un comportamiento óptimo gracias a la
interacción entre las caras fraccionadas de sus partículas, que será complementado con la
acción de las arenas y los finos.
N° 1
C Concentración de la solución de Azul de metileno por ml de solución - 10
V1 Volumen total añadido de la solución colorante ml 63
Vٱ Volumen de la solución colorante absorbido por la caolinita ml 0
M1 Masa de la muestra de ensayo g 204,8
ml/g 3
ENSAYO
VALOR DE AZUL (VA)
INFORMACIÓN DEL ENSAYO
55
Tabla 26. Análisis granulométrico Sub-base granular SBG-50
Fuente: Evaluación de la resistencia de base y sub-base granular con asfaltita en porcentajes 50%-
50%, 70%-30% y 100% [28]
Figura 18. Distribución granulométrica Base granular SBG-50
Fuente: Evaluación de la resistencia de base y sub-base granular con asfaltita en porcentajes 50%-
50%, 70%-30% y 100% [28]
8.1.2.2. Base granular (BG-38)
En la distribución granulométrica de la base granular BG-38 (ver Tabla 27), se logra
determinar una gradación distribuida entre todos los tamices del ensayo, no hay presencia de
partículas de 2” y 1 ½” , el mayor valor de concentración se ubica en el tamiz de 3/8” con
una retención de 25.5% y un porcentaje que pasa en este punto de 53.8%, los valores mínimos
MATERIAL
9319,9 8704,9
N° ABERTURA (mm) Min Max
2" 50 0 0,0% 0,0% 100,0% 100% 100%
1 1/2" 37,5 1299,8 13,9% 13,9% 86,1% 70% 95%
1" 25 1462,9 15,7% 29,6% 70,4% 60% 90%
3/4" 19,1 1742,3 18,7% 48,3% 51,7% 45% 75%
3/8" 9,5 602,9 6,5% 54,8% 45,2% 40% 70%
N°4 4,75 1133 12,2% 67,0% 33,0% 25% 55%
N°10 2 899,2 9,6% 76,6% 23,4% 15% 40%
N°40 0,425 963,4 10,3% 86,9% 13,1% 6% 25%
N°200 0,075 601,4 6,5% 93,4% 6,6% 2% 15%
PASA 200 615 6,6% 100,0% 0,0%
9319,9
ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO DE LOS AGREGADOS GRUESO Y FINO
SUBBASE GRANULAR (SBG-50)
TAMICES PESO
RETENID
%
RETENID
% RETENIDO
ACUMULADO% PASA
% PASA ESPECIFICACIÓN
PESO INICIAL DE LA MUESTRA SECA PESO DE LA MUESTRA SECA DESPUES DEL LAVADO
TOTAL
56
de retención se ubican en los tamices de 3/4” y N°10 con 8.9% de porcentaje de masa, hay
presencia de 326.3g de material con diámetro menor a 0.074mm correspondiente a un 6.7%
(Pasa 200). Ver Figura 19
La base granular BG-38 se encuentra dentro de los límites establecidos por el INVIAS en el
artículo 330, se evidencia un sesgo leve hacia los limites inferiores de las franjas, un
comportamiento “suavizado” sin oscilaciones marcadas y una presencia de material
heterogéneo con una buena gradación que proveerá de adecuados comportamientos
mecánicos a la estructura del pavimento, este está compuesto por 61.7% gravas, 31.6%
arenas y un valor de finos de 6.7%. Las gravas garantizarán un comportamiento óptimo
gracias a la interacción entre las caras fraccionadas de sus partículas, que será
complementado con la acción de las arenas y los finos.
Tabla 27. Análisis granulométrico Base granular BG-38
Fuente: Evaluación de la resistencia de base y sub-base granular con asfaltita en porcentajes 50%-
50%, 70%-30% y 100% [28]
MATERIAL
4890,1 4563,8
N° ABERTURA (mm) Min Max
2" 50 0 0,0% 0,0% 100,0% 100% 100%
1 1/2" 37,5 0 0,0% 0,0% 100,0% 100% 100%
1" 25 576,1 11,8% 11,8% 88,2% 70% 100%
3/4" 19,1 436 8,9% 20,7% 79,3% 60% 90%
3/8" 9,5 1247,8 25,5% 46,2% 53,8% 45% 75%
N°4 4,75 758,8 15,5% 61,7% 38,3% 30% 60%
N°10 2 436 8,9% 70,6% 29,4% 20% 45%
N°40 0,425 665,8 13,6% 84,3% 15,7% 10% 30%
N°200 0,075 443,3 9,1% 93,3% 6,7% 5% 15%
PASA 200 326,3 6,7% 100,0% 0,0%
4890,1 TOTAL
TAMICES
PESO RETENIDO (g) % RETENIDO
% RETENIDO
ACUMULADO% PASA
% PASA ESPECIFICACIÓN
ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO DE LOS AGREGADOS GRUESO Y FINO
BASE GRANULAR BG-38
PESO INICIAL DE LA MUESTRA SECA PESO DE LA MUESTRA SECA DESPUES DEL LAVADO
57
Figura 19. Distribución granulométrica Base granular BG-38
Fuente: Evaluación de la resistencia de base y sub-base granular con asfaltita en porcentajes 50%-
50%, 70%-30% y 100% [28]
8.1.3. Dosificaciones preliminares (no ejecutadas)
Se presentan las granulometrías resultantes, a la dosificación establecida entre el material
MB1 y la mezcla con una base y una suba-base. Las cuales iban a ser el primer paso para una
posterior fase experimental.
8.1.3.1. Sub base SBG-50 + Asfaltita
En la Tabla 28 se presentan las dosificaciones planteadas para un 5%, 10%, 15%, y 20% de
asfaltita. Allí se observa que al dosificar una sub-base granular SBG-50 con estos porcentajes
se encuentran distribuidas homogéneamente entre todos los tamices que forman parte de la
caracterización, se obtienen valores de pasa 200 entre 5.609% y 5.279% de SBG para un
0.0% de “MB1” en las dosificaciones 15% y 20% y de 6.269% y 5.939% de SBG para un
0.0% de “MB1” en las dosificaciones de 5% y 10%., las cantidades más altas de material
pasante en todas las dosificaciones se obtienen en los tamices con diámetros de 2”, con los
porcentajes de 100% en mezcla de estabilizado + estabilizante.
Se mantienen tendencias en las cantidades de material estabilizante de 5%, 10%, 15% y 20%
entre los tamices de 2” a ¾” con la variación ubicada en la cantidad de sub base granular
oscilando entre el 43.913% y el 95% para la dosificación del 5%, entre 46.496% y el 90.00%
en la dosificación del 10%, entre el 43.913% y el 85% para el 15% y entre el 41.33% y el
58
80% para el 20% de inclusión de material estabilizante. Las demás franjas se distribuyen de
manera homogénea.
Según la Figura 20 Las curvas de todas las dosificaciones planteadas se encuentran dentro
de los límites establecidos en los artículos de las especificaciones INVIAS 320 para sub-
bases granulares y 330 para bases granulares , donde a medida que se agrega material
bituminoso, el sesgo inicial hacia el límite inferior se desplaza hacia el límite superior.
Tabla 28. Granulometría según dosificación, para SBG-50 estabilizada al 5%, 10%, 15% y 20% de
MB1
Figura 20. Distribución granulométrica SBG-50 estabilizada (5%, 10%, 15%-20% “MB1”)
N°ABERTUR
A (mm)% SBG % MB1 % PASA % SBG % MB1 % PASA % SBG % MB1 % PASA % SBG % MB1 % PASA
2" 50 95,0% 5,0% 100,0% 90,0% 10,0% 100,0% 85,0% 15,0% 100,0% 80,0% 20,0% 100,0%
1 1/2" 37,5 81,8% 5,0% 86,8% 77,4% 10,0% 87,4% 73,1% 10,0% 83,1% 68,8% 20,0% 88,8%
1" 25 66,8% 5,0% 71,8% 63,3% 10,0% 73,3% 59,8% 15,0% 74,8% 56,3% 20,0% 76,3%
3/4" 19,1 49,1% 5,0% 54,1% 46,5% 10,0% 56,5% 43,9% 15,0% 58,9% 41,3% 20,0% 61,3%
3/8" 9,5 42,9% 4,7% 47,6% 40,7% 9,3% 50,0% 38,4% 14,0% 52,4% 36,2% 18,6% 54,8%
N°4 4,75 31,4% 4,2% 35,6% 29,7% 8,4% 38,1% 28,1% 12,6% 40,7% 26,4% 16,8% 43,2%
N°10 2 22,2% 2,8% 25,0% 21,0% 5,5% 26,6% 19,9% 8,3% 28,2% 18,7% 11,1% 29,8%
N°40 0,425 12,4% 1,5% 13,9% 11,7% 3,1% 14,8% 11,1% 4,6% 15,7% 10,4% 6,2% 16,6%
N°200 0,075 6,3% 0,0% 6,3% 5,9% 0,0% 5,9% 5,6% 0,0% 5,6% 5,3% 0,0% 5,3%
DISTRIBUCIÓN GRANULOMÉTRICA SBG-50 ESTABILIZADA CON MB1
TAMICES
DOSIFICACIÓN ESTIMADA
15,0% 20,0%10,0%5,0%
59
8.1.3.2. Base BG-38 + Asfaltita
Las dosificaciones planteadas para la estabilización de una base granular BG-38 se
encuentran distribuidas homogéneamente entre todos los tamices que forman parte de la
caracterización, se obtienen valores de pasa 200 de 5.672% y 5.338% de BG para un 0.0%
de “MB1” en las dosificaciones 15% y 20% y de 6.339% y 6.005% de BG para un 0.0% de
“MB1” en las dosificaciones de 5% y 10%., las cantidades más altas de material pasante en
todas las dosificaciones se obtienen en los tamices con diámetros de 2” y 1 ½”, con los
porcentajes de 100% en mezcla de estabilizado + estabilizante.
Se mantienen tendencias en las cantidades de material estabilizante de 5%, 10%, 15% y 20%
entre los tamices de 2” a ¾” con la variación ubicada en la cantidad de base granular
oscilando entre el 75.338% y el 95% para la dosificación del 5%, entre 71.373% y el 90.00%
en la dosificación del 10%, entre el 67.408% y el 85% para el 15% y entre el 63.442% y el
80% para el 20% de inclusión de material estabilizante. Las demás franjas se distribuyen de
manera homogénea.
En la Tabla 29 de distribución granulométrica se evidencia de manera visual que todas las
dosificaciones planteadas se encuentran dentro de los rangos establecidos por el INVIAS
para una base granular BG-38.
Tabla 29. Granulometría según dosificación, para BG-50 estabilizada al 5%, 10%, 15% y 20% de
MB1
N°ABERTUR
A (mm)% BG % MB1 % Pasa % BG % MB1 % Pasa % BG % MB1 % Pasa % BG % MB1 % Pasa
2" 50 95,0% 5,0% 100,0% 90,0% 10,0% 100,0% 85,0% 15,0% 100,0% 80,0% 20,0% 100,0%
1 1/2" 37,5 95,0% 5,0% 100,0% 90,0% 10,0% 100,0% 85,0% 15,0% 100,0% 80,0% 20,0% 100,0%
1" 25 83,8% 5,0% 88,8% 79,4% 10,0% 89,4% 75,0% 15,0% 90,0% 70,6% 20,0% 90,6%
3/4" 19,1 75,3% 5,0% 80,3% 71,4% 10,0% 81,4% 67,4% 15,0% 82,4% 63,4% 20,0% 83,4%
3/8" 9,5 51,1% 4,7% 55,8% 48,4% 9,3% 57,7% 45,7% 14,0% 59,7% 43,0% 18,6% 61,6%
N°4 4,75 36,4% 4,2% 40,5% 34,4% 8,4% 42,8% 32,5% 12,6% 45,1% 30,6% 16,8% 47,4%
N°10 2 27,9% 2,8% 30,7% 26,4% 5,5% 32,0% 25,0% 8,3% 33,3% 23,5% 11,1% 34,6%
N°40 0,425 15,0% 1,5% 16,5% 14,2% 3,1% 17,2% 13,4% 4,6% 18,0% 12,6% 6,2% 18,8%
N°200 0,075 6,3% 0,0% 6,3% 6,0% 0,0% 6,0% 5,7% 0,0% 5,7% 5,3% 0,0% 5,3%
DISTRIBUCIÓN GRANULOMÉTRICA BG-38 ESTABILIZADA CON MB1
DOSIFICACIÓN ESTIMADA
TAMICES5,0% 10,0% 15,0% 20,0%
60
Figura 21. Distribución granulométrica BG-50 estabilizada (5%, 10%, 15%-20% “MB1”)
8.2. DATOS PRELIMINARES
8.2.1. Resultados de investigaciones previas
Los resultados de la investigación se relacionan directamente con la estabilización de
materiales (bases y sub bases) a partir del uso de asfaltita, el cual presenta una similitud con
el material MB1, como se ha mencionado en el desarrollo del trabajo de investigación. A
partir de esto se presentan los datos que a efectos de la búsqueda se toman como resultados
de la misma.
En Tabla 30 se presenta dentro del formato mencionado en la sección 7.2.1 del presente
trabajo, los datos hallados por distintas investigaciones donde se observa el número de la
muestra, las dosificaciones establecida dentro de cada monografía las cuales van desde el
40% hasta el 70 % de asfaltita incorporado en el total de la mezcla con bases y sub bases,
estas últimas del tipo BG-38-A y SBG-50-A (nomenclatura según INVIAS) respectivamente.
Por último se encurta el CBR reportado para cada una de estas muestras.
61
Tabla 30. Consolidado de Resultados de investigaciones previas.
8.2.2. Correlación matemática y tendencia
8.2.2.1. Bases granulares estabilizadas con asfaltita
La Tabla 31 contiene los datos filtrados para bases granulares halladas en la investigación
previa. En donde se encontró para la dosificaciones de 30% de asfaltita una variación entre
el 24% y el 39% del valor de CBR, para las dosificación con un 50% de asfaltita se encuentran
valores de CBR entre el 21% y 27% y para una dosificación de 60% de asfaltita se halló un
valor de 65,6% de CBR este valor se considera atípico con el resto de datos por lo cual se
descarta su uso en los posteriores cálculos y análisis. Por otro lado se resaltan los datos de
CBR para base y asfaltita sin mezclarse de 91% y 13,4% respectivamente.
Asfaltita Base / subase
1 BG-38 -A 30 70 38,4
2 BG-38 -A 50 50 21,1
3 SBG-50-A 30 70 27,1
4 SBG-50-A 50 50 11,1
1 - 100 0 13,4
2 BG-38 -A 30 70 24,5
3 BG-38 -A 50 50 27,2
4 SBG-50-A 30 70 23,9
5 SBG-50-A 50 50 20
1 BG-38 -A 40 60 65,6
2 BG-38 -A 30 70 36,3
3 SBG-50-A 40 60 65,6
4 SBG-50-A 30 70 34,3
Monografia
1
2
3
MUESTRA TIPODOSIFICACIÓN (%)
CBR (%)
62
Tabla 31. CBR´s encontrados en investigaciones previas, para bases estabilizadas mediante
asfaltita a diferentes dosificaciones
En la Figura 22 Figura 21. Distribución granulométrica BG-50 estabilizada (5%, 10%, 15%-
20% “MB1”)se observa la gráfica de dispersión del conjunto que contiene las variables
dosificación de asfaltita (eje horizontal) y CBR (eje vertical), cada punto representa las
muestras ensayadas en las investigaciones previas. A partir de esta dispersión se encuentra
que la línea de tendencia de los datos corresponde a un polinomio de orden 2 (ver Tabla 16),
esta configura una parábola convexa la cual decrece conforme avanza sobre eje horizontal
positivo desde aproximadamente un CBR de 90% hasta su vértice o mínimo, que se encuentra
por debajo de un CBR de 10%. La función que describe esta curva se presenta en el gráfico
y presenta un R2 de 0,927 lo cual indica un buen ajuste por parte de los datos al modelo
matemático.
Figura 22. Comportamiento del CBR en bases mezcladas con asfaltita
Asfaltita Base
1 BG-38 -A 30 70 38,4
2 BG-38 -A 50 50 21,1
6 ASF 100 0 13,4
1 BG-38 -A 0 100 91
2 BG-38 -A 30 70 24,5
3 BG-38 -A 50 50 27,2
1 BG-38 -A 30 70 36,3
2 BG-38 -A 60 40 65,6
2
1
MUESTRA TIPODOSIFICACIÓN (%)
CBR (%)Nomenclatura
directorio
3
63
8.2.2.2. Sub-bases granulares estabilizadas con asfaltita
En la Tabla 32 contiene los datos filtrados para sub-bases granulares halladas en la
investigación previa. En donde se encontró para la dosificaciones de 30% de asfaltita una
variación entre el 23% y el 36% del valor de CBR, para las dosificación con un 50% de
asfaltita se encuentran valores de CBR entre el 11% y 20% y para una dosificación de 60%
de asfaltita hallamos un valor de 65,6% de CBR este valor se considera atípico con el resto
de datos por lo cual se descarta su uso en los posteriores cálculos y análisis. Por otro lado
encontramos resaltado los datos de CBR para sub-base y asfaltita sin mezclarse de 61,3% y
13,4% respectivamente.
Tabla 32 CBR´s encontrados en investigaciones previas, para sub-bases estabilizadas mediante
asfaltita a diferentes dosificaciones.
En la Figura 23. Se observa la gráfica de dispersión del conjunto que contiene las variables
dosificación de asfaltita (eje horizontal) y CBR (eje vertical), cada punto representa las
muestras ensayadas en las investigaciones previas. A partir de esta dispersión se encuentra
que la línea de tendencia de los datos corresponde a un polinomio de orden 2 (ver Tabla 16),
esta configura una parábola convexa la cual decrece conforme avanza sobre eje horizontal
positivo desde aproximadamente un CBR de 60% hasta su vértice o mínimo, que se encuentra
por debajo de un CBR de 10%. La función que describe esta curva se presenta en el gráfico
y presenta un R2 de 0,930 lo cual indica un buen ajuste por parte de los datos al modelo
matemático.
Asfaltita Base
3 SBG-50-A 30 70 27,1
4 SBG-50-A 50 50 11,1
6 ASF 100 0 13,4
1 SBG-50-A 0 100 61,3
4 SBG-50-A 30 70 23,9
5 SBG-50-A 50 50 20
3 SBG-50-A 30 70 36,3
4 SBG-50-A 60 40 65,6
2
DOSIFICACIÓN (%)CBR (%)
1
MUESTRA TIPONomenclatura
directorio
3
64
Figura 23. Comportamiento del CBR en sub- bases mezcladas con asfaltita
Se presenta una tabla resumen en la que se muestran las ecuaciones polinómicas de ajuste
con sus respectivas constantes con el objetivo de hallar el porcentaje definitivo de
dosificación de asfalto natural para lograr el mínimo valor de CBR para bases y Sub-Bases
según normatividad INVIAS. Ver Tabla 33.
Tabla 33. Ecuaciones de comportamiento (Asfalto natural + Base /Sub-base)
Y : Cbr mínimo
X : Dosificación bmáxima asfaltita
RANGO DOSIFICACIÓN RANGO DOSIFICACIÓN
40,00001467
X 18,04597151
0-3,5287 % 0-18,0459 %
Y 80,00003116
X 3,5287
Y
0,0086
b -1,3451
c 61,473
aa 0,0132
b -2,034
c 87,013
SUB-BASE GRANULAR SBG-50ABASE GRANULAR BG-38A
DOSIFICACIONES
= 0,013 2 ,03 7 7,013 = 0,00 6 2 1,3 51 61, 73
65
8.2.3. Elementos finitos
Mediante la modelación en ABAQUS, y con los datos para la deformación unitaria vertical,
se puede observar la deformación presentada en la sub-rasante de la estructura de pavimento
en la Figura 24. Donde se evidencia una concentración de deformaciones por compresión
(datos negativos) en la sub rasante en la zona de apoyo normal a la aplicación de la carga.
Distribuyéndose progresivamente hasta alcanzar deformaciones por tracción (datos
positivos) en las zonas perimetrales del modelo. El valor máximo para la deformación
unitaria vertical debido a esfuerzos de compresión -6.832E-04 y el valor máximo para
esfuerzo a tracción es de +2.709E-05.
Figura 24. Modelo deformado de la sub rasante ante cargas dinámicas impuestas
Con la salida de datos generada por la modelación de elementos finitos (ver Anexo C) y las
deformaciones para el fotograma escogido, se organizó la información como se muestra en
la Tabla 34, donde se muestra las deformaciones para el instante de tiempo 0,2049s que
corresponde al fotograma número 13 y se encuentran dentro del intervalo comprendido de
-0,00058 hasta -0,00068, para un total de 49 elementos seleccionados y afectados por la
carga.
66
Tabla 34. Deformaciones unitarias verticales (ε c), registradas por cada elemento para el
fotograma N°13
El análisis estadístico descriptivo para el conjunto de resultados se presenta en la Tabla 35 ,
donde obtenemos un promedio de -6,3418E-04, dato que será tenido en cuenta para un
análisis más global de la estructura de pavimento. La media o dato central es de -6,3343-E04
que se encuentra próximo al dato del promedio de la muestra. También encontramos la
medida de dispersión respecto a la media de las deformaciones de 3,1759E-05 lo cual indica
que los resultados están agrupados con gran exactitud. Finalmente se presenta el coeficiente
de variación el cual es de 5,01% lo cual nos indica una muy baja variabilidad en los resultados
de deformación obtenidos para la carga la aplicada.
0,20490
Elemento
/ celda εcElemento
/ celda εc
1 -6,16E-04 26 -6,51E-04
2 -6,28E-04 27 -6,58E-04
3 -6,40E-04 28 -6,64E-04
4 -6,51E-04 29 -6,68E-04
5 -6,61E-04 30 -6,65E-04
6 -6,69E-04 31 -6,61E-04
7 -6,76E-04 32 -6,54E-04
8 -6,80E-04 33 -6,46E-04
9 -6,83E-04 34 -6,37E-04
10 -6,83E-04 35 -6,27E-04
11 -6,82E-04 36 -6,16E-04
12 -6,78E-04 37 -6,05E-04
13 -6,72E-04 38 -5,93E-04
14 -6,65E-04 39 -5,81E-04
15 -6,55E-04 40 -6,07E-04
16 -6,45E-04 41 -6,16E-04
17 -6,33E-04 42 -6,26E-04
18 -6,21E-04 43 -6,20E-04
19 -6,08E-04 44 -6,11E-04
20 -5,95E-04 45 -6,01E-04
21 -5,82E-04 46 -5,90E-04
22 -6,11E-04 47 -5,79E-04
23 -6,22E-04 48 -5,87E-04
24 -6,33E-04 49 -5,78E-04
25 -6,42E-04
Instante / tiempo (s)
67
Tabla 35 Análisis descriptivo para los resultados de deformación unitaria arrojados por ABAQUS
8.2.4. Modelos de deformaciones plásticas
Con base en la Tabla 8. Se procede a calcular las cantidades de ciclos de carga para cada
modelo matemático. Se tomó el concepto de esfuerzo promedio como base para determinar
la deformación unitaria resultante para todo el conjunto de esfuerzos aplicados en los
elementos de análisis, siendo esta la media de los datos recolectados del fotograma n° 13
seleccionado. Ver Tabla 35.
En la Tabla 36 se muestran los resultados obtenidos para el número de ciclos calculados a
partir de la deformación unitaria promedio, se reconocen como atípicos los valores calculados
por la Shell Petroleum y Mn/ROAD por lo tanto para efectos de la presente investigación se
decide excluirlos de este análisis tomando únicamente los resultados de la Universidad de
Nottingham.
Tabla 36. Numero de ciclos calculados mediante modelos de deformaciones plásticas.
Ԑc Máx. 6,34x10-04
Instituto de asfalto 282903
Shell Petroleum 3802193
Universidad de Nottingham 296747
Mn/ROAD 2,21x1028
Analisis estadistico
Media -6,3418E-04
Mediana -6,3343E-04
Moda #N/A
Desviación estándar 3,1759E-05
Varianza de la muestra 1,0086E-09
Coeficeinte de variacion -5,01%
Rango 1,0582E-04
Mínimo -6,8342E-04
Máximo -5,7760E-04
Suma -3,1075E-02
68
9. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El material MB1 se asemeja a los asfaltos naturales por su composición y procedencia por lo
que es posible asumir que su comportamiento tendría la misma tendencia frente a
determinadas condiciones mecánicas y ambientales.
Por medio del análisis granulométrico tanto de la asfaltita como del “MB1” se concluye que
su tendencia a disminuir las cualidades de soporte de las sub bases y bases granulares, es una
respuesta a su alto contenido de arenas en comparación con su contenido de gravas, lo cual
causa que en la mezcla, la configuración grano-grano no presente la fricción adecuada para
la distribución y transferencia interna de cargas.
El material MB1 puede llegar a ser utilizado dentro de un espectro más amplio en sub-bases
granulares ya que la dosificación obtenida para un valor mínimo de soporte llega a ser
aproximadamente 6 veces más alta que en las bases granulares, lo cual representa una opción
más económica en la construcción de vías, se recomienda adelantar ensayos prácticos que
permitan determinar su desempeño frente a requerimientos estructurales más altos.
Mediante la modelación en el software ABAQUS fue posible reconocer el desempeño de un
modelo de pavimento propuesto mezclado con asfaltita material análogo al “MB1”, a partir
de deformaciones unitarias y de modelos de deformaciones plásticas se establece que el valor
máximo de ejes simple rueda doble de 8.2 Tn es de 296747 con lo cual la estructura cumple
con los niveles de transito NT1.
A partir de las correlaciones matemáticas se logró establecer que tanto la asfaltita como el
material bituminoso MB1 no mejoran las cualidades de resistencia de las sub bases y bases
granulares, pero debido a sus propiedades de limpieza, seguridad y contenido de asfalto
sumado a los beneficios medioambientales que supone su implementación, es posible
determinar que usado en las dosificaciones máximas establecidas en la presente investigación
podrían establecerse como una opción económicamente viable para la construcción de vías
con bajos volúmenes de tránsito, con el fin de aportar al desarrollo económico y social de las
poblaciones de bajos recursos.
Debido al contenido de asfalto reconocido en el MB1 y en la asfaltita se recomienda que las
mezclas sean realizadas en caliente ya que de esta manera se garantiza que el bitumen
aglomere de una mejor forma las partículas del material.
Se recomienda la verificación física de los comportamientos aquí mencionados a través de la
ejecución de ensayos de CBR y módulo resiliente, que permitan un ajuste de los modelos
matemáticos y una disminución en la incertidumbre de los resultados.
69
BIBLIOGRAFÍA
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AMBIENTAL DE PROYECTOS CARRETEROS. EFECTOS POR LA
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72
ANEXOS
Anexo A. Código fuente para la creación del modelo. ........................................................ 72
Anexo B. Código fuente para definir intervalo de tiempo y cargas aplicadas al modelo .... 74
Anexo C. Datos de deformación unitaria modelación de elementos finitos ........................ 76
Anexo A. Código fuente para la creación del modelo.
73
74
Anexo B. Código fuente para definir intervalo de tiempo y cargas aplicadas al modelo
75
76
Anexo C. Datos de deformación unitaria modelación de elementos finitos Fo
togr
ama
Tiem
po (s
)1
23
45
67
89
1011
1213
1415
16
10,
0001
02,
94E-
073,
02E-
073,
10E-
073,
18E-
073,
27E-
073,
36E-
073,
44E-
073,
53E-
073,
62E-
073,
71E-
073,
80E-
073,
90E-
073,
99E-
074,
08E-
074,
18E-
074,
28E-
07
20,
0002
05,
88E-
076,
04E-
076,
20E-
076,
37E-
076,
54E-
076,
71E-
076,
88E-
077,
06E-
077,
24E-
077,
42E-
077,
60E-
077,
79E-
077,
98E-
078,
17E-
078,
36E-
078,
55E-
07
30,
0003
08,
82E-
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079,
30E-
079,
55E-
079,
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01E-
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061,
06E-
061,
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28E-
06
40,
0005
01,
47E-
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06
50,
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02,
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0017
05,
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90,
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09E-
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100,
0257
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75E-
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00E-
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05
110,
0513
03,
88E-
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94E-
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1025
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35E-
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,31E
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-9,7
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2049
0-6
,16E
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8E-0
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1E-0
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4-6
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140,
3073
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-05
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,86E
-05
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-05
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E-06
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E-05
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E-06
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E-06
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E-06
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E-06
8,24
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E-06
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E-07
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E-07
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