Tópicos de Astronomía Simulando la distribución de galaxias Gaspar Galaz [email protected].
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MÉTODOS PARA LA EVALUACIÓN DEL
POTENCIAL DE EROSIÓN DE BASES
PARA PAVIMENTOS DE HORMIGÓN
III SEMINARIO DE PAVIMENTOS DE HORMIGÓN
26 y 27 de Octubre. Salón Contemporáneo
¿QUÉ ES EL FENÓMENO DE BOMBEO
EN PAVIMENTOS DE HORMIGÓN?
Descripción: Movimiento del agua (con
material en suspensión) ubicada debajo de la
losa o su eyección hacia la superficie como
resultado de la presión generada por la acción
de las cargas.
Causas (deben coexistir):
• Material fino capaz de entrar en suspensión
(arenas finas y limos).
• Disponibilidad de agua en las capas inferiores
del pavimento.
• Deflexiones excesivas en bordes y esquinas.
¿QUÉ ES EL FENÓMENO DE BOMBEO
EN PAVIMENTOS DE HORMIGÓN?
Tránsito
Escalonamiento Inicial Banq. Externa
Juntas Transversales
Junta
Longitud.
Banq.
Externa
Incremento del
escalonamiento
Banq.
Externa
3ER ETAPA
2DA ETAPA
1ER ETAPA
Eyección de Finos
Eyección de Finos
Fisuración
Transversal
¿COMO COMBATIR EL BOMBEO EN
PAVIMENTOS DE HORMIGÓN?
Material Fino
o Erosionable
Tránsito
Pesado
Agua
Disponible
E
RECOMENDACIONES DE TIPO DE BASE PARA
PREVENIR DAÑOS SIGNIFICATIVOS POR EROSIÓN
TPMDA (Carril de diseño)
Pavimento de Hormigón Simple con Juntas Continuamente
Reforzado Sin pasadores Con Pasadores
> 2500 N.A – Emplear
Pasadores Clase 1 Clase 1
1500 – 2500 N.A – Emplear
Pasadores Clase 1 Clase 1
800 – 1500 N.A – Emplear
Pasadores Clase 2, 3, o 4 Clase 1
200 – 800 Clase 2 o 3 Clase 3 o 4 Clase 2
< 200 Clase 4 o 5 Clase 4 o 5 Clase 3
Fuente: NCHRP 1-37 A: Development of the 2002 Guide for the Design of New and Rehabilitated Pavement Structures
¿COMO CALIFICAR LA
EROSIONABILIDAD DE LA BASE?
Clase Tipo de Material
1
(a) Hormigón pobre con 8 % de cemento o con resistencia a compresión de 14
Mpa a 28 días.
(b) Mezcla de Concreto Asfáltico en caliente con 6% de cemento asfaltico.
2
(a) Base granular tratada con 5% de cemento y elaborada en planta central, o con
resistencia a compresión a 28 días entre 10 y 14 MPa.
(b) Base granular con 4% de asfalto.
3
(a) Base granular tratada con 3,5% de cemento y elaborada en planta central, o
con resistencia a compresión a 28 días entre 5 y 10 MPa.
(b) Base granular con 3% de asfalto y que pasa el ensayo de stripping.
4 Base granular de material triturado con graduación densa y agregados de alta
calidad.
5 Suelos no tratados (Losa colocada sobre subrasante preparada /compactada)
Fuente: NCHRP 1-37 A: Development of the 2002 Guide for the Design of New and Rehabilitated Pavement Structures
ESTADO DE SITUACIÓN ACTUAL PARA LA
SELECCIÓN DEL MATERIAL DE BASE
• Actualmente no se dispone de una metodología confiable para diseñar y
especificar materiales de base acordes a las exigencias en uso.
• Existen distintas metodologías en la bibliografía internacional que se
encuentran propuestos para el análisis del potencial de erosión de
materiales de base aunque ninguno de ellos se encuentra normalizado.
• Las evaluaciones realizadas mediante los estudios de durabilidad por
humedecimiento- secado y congelamiento – deshielo no son aplicables
para la valoración de esta propiedad.
• Resulta necesario la implementación de ensayos que permitan valorizar
de manera confiable el potencial de resistencia a la erosión de
diferentes materiales.
¿COMO EVALUAR EL POTENCIAL DE
EROSION DE LA BASE?
Método de Cepillo Rotativo (Phu, 1979)
• El ensayo consiste en aplicar un cepillo de
alambre especial sobre la cara superior de una
probeta de material de base, con una carga y
velocidad determinada.
• El principio básico del ensayo es provocar la
perdida de material de un espécimen mediante
la aplicación de un cepillo en la superficie con
movimientos rotacionales.
• La pérdida de masa de los especímenes es
empleada para calcular el Índice de Erosión
(IE) del material. El IE está definido como el
cociente entre la pérdida de masa del material
en estudio y la correspondiente a uno de
referencia.
¿COMO EVALUAR EL POTENCIAL DE
EROSION DE LA BASE?
Rotacional de corte [Van Wijk. 1985]
• El principio básico de este ensayo es que
la erosión ocurre cuando el esfuerzo
cortante inducido por el agua supera la
resistencia al corte del material de base.
• El primer montaje desarrollado por Van
Wijk corresponde a una máquina rotacional
de corte y está diseñada para medir la
erodabilidad de materiales cementados.
• El ensayo consiste en generar abrasión en
el material mediante la inducción de
esfuerzos cortantes producidos por el paso
del agua alrededor del espécimen
¿COMO EVALUAR EL POTENCIAL DE
EROSION DE LA BASE?
Inyección de agua [Van Wijk. 1985]
• El segundo diseño experimental, propuesto
por Van Wijk para medir la erodabilidad de
materiales no cementados.
• Consistió en promover la abrasión de la
parte superior de especímenes no
cohesivos mediante la aplicación de un
chorro de agua presurizada a un ángulo de
20º.
• La medición de la susceptibilidad a la
erosión se deriva de la pérdida final de
masa del espécimen.
¿COMO EVALUAR EL POTENCIAL DE
EROSION DE LA BASE?
Mesa Vibratoria [Phu 1979]
• Este ensayo fue desarrollado por Phu (1979)
como parte de una tesis doctoral con el
objetivo de determinar la susceptibilidad a la
erosión de materiales cementados empleados
en pavimentos rígidos.
• El ensayo consiste en producir vibraciones
entre un cilindro del material a caracterizar y
una superficie de concreto de alta resistencia,
bajo la presencia de agua.
• Mediante el control de la aceleración y de la
frecuencia de vibración tanto de la base de
concreto como de la muestra sometida al
ensayo, es posible variar el espesor de la
cavidad y la velocidad de expulsión del agua.
¿COMO EVALUAR EL POTENCIAL DE
EROSION DE LA BASE?
Ensayo de Rueda Cargada de Hamburgo Jung
[2010]
• El ensayo consiste la aplicación de una carga en
forma repetitiva simulando la acción de bombeo
que sufre una muestra de material de base.
• El equipo de ensayo es el mismo que se utiliza
para la determinación del ahuellamiento en
concreto asfáltico con excepción de la probeta
multi-capa.
• La configuración a ensayar consiste en una
muestra de 1 pulgada de material de base,
apoyada sobre un pad de neoprene y debajo de 2
placas de 1 pulgada de hormigón que se
encuentran vinculados por una junta parcialmente
sellada.
• El dispositivo permite ensayar un material
fabricado en laboratorio como en obra.
ANALISIS COMPARATIVO
Ensayo Fortalezas Debilidades
Cepillo Rotativo (bases tratadas)
Facil de implementar. Considera condiciones de durabilidad (C-D)
Tiempos de ensayo excesivos. Posible sobreestimación cuando agregados gruesos son liberados.
Rotacional de Corte (bases tratadas)
Permite controlar mas precisamente las tensiones de corte a aplicar sobre la muestra
Dispositivo mas dificil de implementar. Posible sobreestimación cuando agregados gruesos son liberados.
Inyección de agua (bases no tratadas)
Facil de implementar y ensayar. Las tensiones de corte no son uniformes y precisas. Posible sobreestimación cuando agregados gruesos son liberados
Mesa Vibratoria (bases tratadas)
Mejor ajuste a la exigencia que sufre el material en servicio.
Dispositivo de mayor costo de implementación.
Rueda cargada de Hamburgo (Todo tipo de materiales)
Mejor ajuste a la exigencia que sufre el material en servicio. Sencilla adaptación del equipo original.
Reducida cantidad de equipos en el país.
IMPLEMENTACIÓN
TRABAJOS DE IMPLEMENTACIÓN
Equipamiento utilizado:
Se utilizó un taladro de banco, con
un cepillo de alambre de acero
incorporado.
El dispositivo cuenta con recipiente
contenedor ajustado a la probeta
que permite ensayar la probeta con
una columna de 1 cm de agua y
recolectar el material erosionado.
TRABAJOS DE IMPLEMENTACIÓN
TRABAJOS DE IMPLEMENTACIÓN
Requisitos:
1. Velocidad rotacional: 950 RPM.
2. Carga axial: 1kg / 10 kg.
3. Cepillo
• Diámetro: 10 cm (en zona de contacto)
• Cantidad de alambres: 10.000 (se
empleó de 8000)
• Diámetro de alambre: 0,25 mm (se
empleó de 0,30 mm)
• Largo de alambres: 35 mm.
4. Tiempo de ensayo bajo carga: 60
segundos (puede dividirse en 2 etapas
para recolectar parte del material
TRABAJOS DE IMPLEMENTACIÓN
Condiciones de estacionamiento:
A. 28 días de curado húmedo
B. 7 días de curado húmedo + 12
ciclos de CD
Resultado:
• El resultado del ensayo corresponde
al peso seco del material erosionado.
• El resultado del ensayo del material
corresponde al promedio de las
condiciones ensayadas.
TRABAJOS DE IMPLEMENTACIÓN
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
A1 A2 A3 A4 A5 C1 C2 C3 H1 H2 H3 H4
28 días curado humedo - 1kg
0
100
200
300
400
500
600
700
A1 A2 A3 A4 A5 C1 C2 C3 H1 H2 H3 H4
28 días curado humedo - 10kg
Particularidades observadas
• Resulta sumamente dificultoso disponer de un cepillo con idénticas
características al seleccionado en los trabajos analizados.
• Se ha seleccionado un cepillo de características similares manteniendo el área
de alambre de cepillo en contacto similar al original.
• No se han presentado mayores dificultades en recolectar el material erosionado.
• Diferentes publicaciones sugieren cargas axiales de 1 kg ó 10 kg, por lo que
resultó necesario evaluar los materiales en la etapa de implementación en ambas
condiciones.
• Se ha observado una evidencia significativa en como los agregados gruesos
detienen el avance de la erosión incluso en matrices de baja resistencia, lo cual
incrementa la dispersión de resultados de ensayo.
TRABAJOS DE IMPLEMENTACIÓN
Cepillo Rotativo
TRABAJOS DE IMPLEMENTACIÓN
TRABAJOS DE IMPLEMENTACIÓN
TRABAJOS DE IMPLEMENTACIÓN
TRABAJOS DE IMPLEMENTACIÓN
Configuración del equipo:
1. Carga de rueda: 158 lbs
2. Repeticiones de carga: 5000 /10000.
3. Velocidad: 60 ciclos/minuto (se empleó
50 c/min)
4. Temperatura del baño: 25 ± 1°C
5. Inmersión previa al ensayo: 30 minutos.
6. Medición de 11 puntos sobre la probeta
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 2000 4000 6000 8000 10000
Ahuellamiento máximo - C2
TRABAJOS DE IMPLEMENTACIÓN
Particularidades observadas
• Adhesivo de contacto para la union
goma –hormigón sugerido Epoxi.
• Los primeros ensayos evidenciaron
una leve rotación de la probeta, lo
cual se ha solucionado
incorporando topes de goma
espumada para un mejor ajuste.
• En ocasiones la erosión del material
de base es incrustada por la carga
de rueda dentro de la goma,
produciendo un paulatino deterioro.
• Es necesario establecer un límite
de corte de ensayo (5mm?).
TRABAJOS DE IMPLEMENTACIÓN
Hamburgo
TRABAJOS DE IMPLEMENTACIÓN
PLAN EXPERIMENTAL
PLAN EXPERIMENTAL
Denom Tipo Clase Tipo de
Agregado
Dosis
Estabilizante
1er ETAPA
A1/A2/A3/A4 Hormigón Pobre H4 / H8 Natural /
reciclado 110 – 180 kg/m3
B1 Base Granular asfáltica --- Natural 5,0%
C1/C2/C3 Suelo (A4) con cemento. Natural 5% - 8% - 11%
E1/E2/E3/E4 Relleno de Densidad
Controlada 0,8 / 1,2
Natural /
reciclado 125 -200 kg/m3
2da ETAPA
D Suelo fino de baja
plasticidad (A4) Natural ---
F1/F2/F3 Estabilizado granular Natural ---
G1/G2/G3 Base Granular con
cemento
Natural /
Reciclado 3% - 5% - 7%
H1/H2 Suelo cal Natural
PLAN EXPERIMENTAL
HORMIGÓN POBRE (Ag. Natural)
Designación A1 (H8) A2 (H4)
Composición [kg/m3]
Cemento CPF40 (Olavarría) G 180 110
Arena natural fina silícea 704 769
Arena de trituración granítica 0/6 299 326
Piedra Partida 6/20 (granítica) 1014 982
Agua estimada 153 147
Ad. Plastificante 1,26 0,77
PLAN EXPERIMENTAL
HORMIGÓN POBRE (Ag. reciclado)
Designación A3 (H8) A4 (H4)
Composición [kg/m3]
Cemento CPF40 (Olavarría) G 180 110
Arena natural fina silícea 699 769
Agregado reciclado fino 285 313
Agregado reciclado grueso 930 907
Agua estimada 159 152
Ad. Plastificante 1,26 0,77
PLAN EXPERIMENTAL
HORMIGÓN POBRE (100 % Ag. reciclado)
Designación A5
(100% Rec)
Composición [kg/m3]
Cemento CPF40 (Olavarría) G 75
Arena natural fina silícea ---
Agregado reciclado fino 968
Agregado reciclado grueso 948
Agua estimada 167
Ad. Plastificante 0,53
PLAN EXPERIMENTAL
Base Granular Asfáltica (B)
Dosis: 5% asfalto
Densidad: 2,374 g/cm3
RICE:2,486g/cm3
Aire:4,5%
Estabilidad: 10,5 kN
Fluencia: 3,3 mm
PLAN EXPERIMENTAL
Suelo Cemento
SUELO - CLASIFICACIÓN
LL 31,2
LP 26,0
IP 5,2
PT200 94,5
Clasificaón A-4(8)
VSR 24,8
Identificación Suelo -
Cemento
PUVs max
[g/cm3] Hop [%]
C1 11% 1,576 23,4
C2 8% 1,544 24,2
C3 5% 1,548 24,2
PLAN EXPERIMENTAL
RDC (Ag. natural)
Designación E1
(RDC 200)
E2
(RDC 125)
Composición [kg/m3]
Cemento CPF40 (Olavarría) G 200 125
Arena natural fina silícea 1300 1374
Agregado reciclado fino 0 0
Agua estimada 121 127
Ad. Espumigeno 0,25 0,25
PLAN EXPERIMENTAL
RDC (Ag. reciclado)
Designación E3
(RDC 200)
E4
(RDC 125)
Dosificación [kg/m3]
Cemento CPF40 (Olavarría) G 200 125
Arena natural fina silícea 0 0
Agregado reciclado fino 1218 1306
Agua estimada 136 124
Ad. Espumigeno 0,25 0,25
RESULTADOS
RESULTADOS – HORMIGÓN POBRE
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
10,0
A1 A2 A3 A4 A5
Res
ist
Co
mp
res
ión
, M
Pa
Resistencia a Compresión - HPº
Resist. 7 dias
Resist. 28 dias
0,0%
5,0%
10,0%
15,0%
20,0%
25,0%
30,0%
35,0%
40,0%
A1 A2 A3 A4 A5
Durabilidad - HPº
Hum y Sec.
Cong y Desh.
RESULTADOS – SUELO CEMENTO
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
C1 C2 C3
Re
sist
. Co
mp
resi
ón
, MP
a
Resistencia a Compresión - SC
Resist. 7 dias
Resist. 28 dias
0,0%
2,0%
4,0%
6,0%
8,0%
10,0%
12,0%
14,0%
C1 C2 C3
Durabilidad - SC
Hum y Sec.
Cong y Desh.
RESULTADOS – RDC
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
H1 H2 H3 H4
Rsi
st. C
om
pre
sió
n ,
MP
a Resistencia a Compresión - RDC
Resist. 7 dias
Resist. 28 dias
0,0%
20,0%
40,0%
60,0%
80,0%
100,0%
120,0%
H1 H2 H3 H4
Durabilidad - RDC
Hum y Sec.
Cong y Desh.
E1 E2 E3 E4
E1 E2 E3 E4
RESULTADOS – HORMIGÓN POBRE
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
A1 A2 A3 A4 A5
Pé
rdid
a e
n g
/min
Cepillo rotativo – Hormigón Pobre
28HUM
7HUM+CD
····· No cumple Durabilidad
(HS-CD)
RESULTADOS – HORMIGÓN POBRE
RESULTADOS – SUELO CEMENTO
0
20
40
60
80
100
120
C1 C2 C3
Pé
rdid
a e
n g
/min
Cepillo rotativo - SC
28HUM
7HUM+CD
····· No cumple Durabilidad
(HS-CD)
RESULTADOS – SUELO CEMENTO
0
100
200
300
400
500
600
700
H1 H2 H3 H4
Pé
rdid
a e
n g
/min
Cepillo rotativo - RDC
28HUM
7HUM+CD
E1 E2 E3 E4
RESULTADOS – RDC
····· No cumple Durabilidad
(HS-CD)
RESULTADOS – RDC
RESULTADOS – HORMIGÓN POBRE
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0 2000 4000 6000 8000 10000
Ahuellamiento máximo - HP
A1E A2F A3E A4F A5
RESULTADOS – HORMIGÓN POBRE
A2F
RESULTADOS – SUELO CEMENTO
0
1
2
3
4
5
6
7
0 2000 4000 6000 8000 10000
Ahuellamiento máximo - Suelo Cemento
C1E C2E C3E
RESULTADOS – SUELO CEMENTO
C1E C2E
C3E
RESULTADOS – RDC
0123456789
10
0 2000 4000 6000 8000 10000
Ahuellamiento máximo - RDC
E1F E2 E3E E4E (a)
RESULTADOS – RDC
E1F
E4E E4E
RESULTADOS – CEPILLO ROTATIVO
0
100
200
300
400
500
600
700
A1 A2 A3 A4 A5 B1 C1 C2 C3 E1 E2 E3 E4
Cepillo rotativo
28HUM
7HUM+CD
RESULTADOS – HAMBURGO
0,43 0,74 0,64 0,66
2,62
0,74
2,04
2,9
7,33
6,35 5,99
1,11
8,63
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
A1 A2 A3 A4 A5 B1 C1 C2 C3 E1 E2 E3 E4
De
sce
nso
po
r Er
osi
ón
, mm
Hamburgo
RDC SC HP BG
CONCLUSIONES
• La implementación del ensayo de cepillo rotativo y de Rueda Cargada de
Hamburgo han demostrado ser procedimientos aptos para la evaluación del
potencial de erosión de materiales para base de pavimentos.
• Se sugiere establecer 10 Kg como carga axial para el procedimiento de cepillo
rotativo y el análisis de al menos 3 probetas gemelas por condición.
• Se ha observado que la presencia de agregado en superficie influye
considerablemente en la determinación de la pérdida de material por erosión,
conteniendo la acción abrasiva del cepillo, lo cual constituye una desventaja
significativa frente a la otra metodología analizada.
• Para el ensayo de Rueda cargada de Hamburgo se sugiere establecer un
límite al descenso por erosión en función de las condiciones de aceptabilidad
requeridas y la evaluación de al menos 2 muestras gemelas para cada
material.
CONCLUSIONES
OBSERVACIONES PRELIMINARES
• Según ambas metodologías implementadas, las bases de hormigón pobre
y granular asfáltica evidencian el mejor comportamiento frente a la
erosión, alcanzándose valores apropiados para condición de alto tránsito
pesado.
• Las bases de suelo cemento, aún en condición de sobredosificación de
cemento, no permiten incrementar la resistencia a la erosión a los niveles
requeridos para alto tránsito pesado, aunque si evidenciarían un nivel
apto para una vía de tránsito moderado y bajo.
• Las bases de RDC, han mostrado un muy pobre desempeño frente al
fenómeno erosión, incluso con elevados contenidos de cemento.
CONCLUSIONES (2)
OBSERVACIONES PRELIMINARES
• El caso de RDC con alto contenido de cemento, con una granulometría de
arena particularmente gruesa (MF:3,5), ha evidenciado un buen
comportamiento según ambas metodologías.
• La estructura granulométrica del material tratado y la resistencia de la
matriz representa un elemento clave en el desempeño frente a este
fenómeno.
• Se recomienda continuar con el estudio de materiales de diferente
granulometría y estabilización, para definir los límites requeridos de
erosionabilidad en función de las condiciones de servicio previstas.
CONCLUSIONES (3)
AGRADECIMIENTOS
Diego Larsen Sebastián Pacheco Martin Uguet
Mariano Pappalardi Nicolas Merluzzi
Matías Camueira Maria Paz Iribarren
EVALUACIÓN DEL POTENCIAL DE EROSIÓN DE BASES
PARA PAVIMENTOS DE HORMIGÓN
Ing. Diego Calo
Coordinador Departamento de Pavimentos
Instituto del Cemento Portland Argentino
www.icpa.org.ar
GRACIAS!