Tp_3_201WERWRE5 Asinari Transporte 3

TRANSPORTE III TRABAJO PRACTICO N°3 AÑO2015

TRANSPORTE III

TRABAJO PRACTICO Nº3:

MODULO III.

DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES

Alumno: Asinari, Hernán Maximiliano

Docente: ING. Rico, Miguel.

Año 2015

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EJERCICIO N° 1:

Con el programa ELSYM o BISAR (disponibles en aula virtual) realice el siguiente ejercicio:

Para un eje tándem de ruedas duales que transporta una carga de 18 tn compute las tensiones y deformaciones en distintas profundidades (5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 y 40 cm) para el siguiente paquete estructural:

CapaEspesor

[cm] Módulo [kg/cm2]

Relación de Poisson

Subrasante A4 (8) 30 400 0,45

Subbase granular 20 2500 0.40Base granular 15 10000 0.35Capa asfáltica 5 25000 0.35

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EJERCICIO N° 2:

Con los datos que se presentan a continuación se pide:

a. Dimensionar, con el método AASHTO 93, un pavimento flexible convencional para una vida de servicio de 7 años. Asumir que no hay suelos expansivos y que no es zona de heladas.

b. Verificar con el Método Shell la estructura diseñada en el punto anterior.

Datos:

Subrasante: CBR = 5% (noviembre, diciembre, enero, febrero, marzo)

CBR = 7% (octubre, abril, mayo)CBR = 8 % (junio, septiembre)CBR = 10% (julio, agosto)

Capas granulares y asfálticas: Carpeta de rodamiento (concreto asfáltico denso): para esta capa deberá

considerarse el concreto asfáltico dosificado en el punto 2 del Trabajo Práctico Nº2.

Base asfáltica (concreto asfáltico denso): para esta capa se considerará un concreto asfáltico con las siguientes características: - Asfalto Penetración 50 - 60: - Penetración: 60 (0.1 mm)- Temperatura de punto de ablandamiento: 54°C- Contenido volumétrico de asfalto = 12% - Volumen de vacíos = 5%

Granular para base: para esta capa deberá considerarse el material ensayado y evaluado en el punto 1 del Trabajo Práctico Nº2.

Granular para subbase: para esta capa deberá considerarse la siguiente relación densidad - CBR (resultado del ensayo realizado) sobre el material, una densidad máxima de 2.18 gr/cm3 y una humedad óptima de 10.1%.

Temperatura media mensual (ºC):

Enero Feb. Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Sept. Oct. Nov. Dic.

24 22 20 17 14 10 10 13 15 19 21 23

Tránsito:TMDA: 3050 veh/día.Número de carriles por sentido: 1. Crecimiento anual: 3.5%.

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Composición:

Vehículo

Composición

Los números que siguen al tipo de vehículo corresponden a la configuración de ejes.Espectro de carga:

Tipo de eje

Carga (kg.)% de las

repeticiones totales

Eje Simple

5000 - 7000 18.57000 - 9000 27.79000 - 11000 38.5

11000 - 13000 15.3

Eje Tándem

15000 - 17000 44.717000 - 19000 34.019000 - 21000 6.421000 - 24000 14.9

Eje Trídem

24000 - 26000 68.526000 - 28000 31.5

Drenaje:

El agua es removida en una semana. Suponer que hay 37 días con lluvia al año.

Calidad Agua removida dentro de:

Calidad de drenaje

% de tiempo en que el pavimento está expuesto a niveles de humedad próximos a

la saturación

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ITEMS A:

La ecuación utilizada para el diseño de pavimentos flexibles, derivada de información obtenida empíricamente es la siguiente:

Dónde:

W18=Nº de repeticiones equivalentes a una carga de 18000lb. ZR = Coeficiente de confiabilidad. S0 = Desvío estándar. SN = Número estructural. ΔPsi = Caída de serviciabilidad. MR = Módulo resiliente

Para determinar el valor de ZR, la desviación estándar normal, se tiene en cuenta el nivel de confiabilidad obtenido a partir de la categoría de la ruta, en este caso, colectora y zona rural, tenemos un valor de R=85%. Es decir el 85% de que la estructura no falle en la vida útil para la cual estará diseñada. Con este valor entrando a la tabla de distribución normal tenemos, ZR =-1,037

El valor de So, el desvío estándar es de 0.44 para pavimentos flexibles.

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El valor de caída de serviciabilidad, se determina a través del índice de servicio, el cual varía entre 0 (carretera imposible) y 5 (carretera perfecta). La serviciabilidad depende del confort que los usuarios sienten cuando circulan un determinado camino.Según la AASTHO el índice se serviciabilidad inicial es de 4.2 para pavimentos flexibles. Y el índice más bajo que puede tolerarse antes que sea necesario un refuerzo o una rehabilitación es de 2,5 (locales).

Por lo tanto se tiene: ΔPsi= Po – Pt = 4,2 – 2,5 = 1,5

El valor del módulo resiliente efectivo, para la caracterización de los materiales de la subrasante se calcula en función de los módulos resilientes de cada mes, los que se obtienen de multiplicar los valores de CBR por un factor 1500 para obtener el valore en psi, es decir lb/pulg2. Esta relación se plantea dado que el módulo resiliente es muy difícil de medir en el campo y el equipo es no es de fácil adquisición.

Mr (lb/pulg2) =1500*CBR (formula por correlación)

Posteriormente se calculan los coeficientes de peso Uf, para cada mes como:

Módulo Resiliente para cada % CBR Uf: coeficiente de peso

MR1=7500 psi Uf1=0,12071

MR2=10500 psi Uf2=0,05529

MR3=12000 psi Uf3=0,04057

MR4=15000 psi Uf4=0,02417

Uf Promedio=0,06019

Para determinar W18 se calcula la siguiente fórmula:

Primero se calcula el TMDA futuro y la composición de carga de los vehículos con los datos suministrados:El TMDA actual para cada vehículo se obtiene multiplicando el TMDA total del carril por el porcentaje de cada tipo y al último lo dividimos por 2 porque tenemos 2 carriles (Uno por sentido). Los ejes de autos y camionetas no se tienen en cuenta ya que tienen pesos bajos y no entran en el cálculo.

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Tipo de eje Carga (kg.)% de las

repeticiones totales

NlL (Promedio

carga)(Kg)carga (KN)

ηl (factor

equiv carga)

Nl x ηl

5000 - 7000 18,50 220 6000 60 0,32 697000 - 9000 27,70 329 8000 80 1,00 3299000 - 11000 38,50 457 10000 100 2,44 1116

11000 - 13000 15,30 182 12000 120 5,06 919

15000 - 17000 44,70 158 16000 160 1,00 31617000 - 19000 34,00 120 18000 180 1,13 13519000 - 21000 6,40 23 20000 200 1,25 5721000 - 24000 14,90 53 22500 225 1,41 14824000 - 26000 68,50 39 25000 250 1,04 12226000 - 28000 31,50 18 27000 270 1,13 61

3272Ejes/dia.carril

Eje Simple (1)

Eje Tándem (2)

Eje Trídem (3)

CANTIDAD DE EJES POR CADA CATEGORIA POR DÍA POR CARRIL(Nl) y FACTOR DE EQUIVALENCIA (η)

ηl =((L/ n°ejes)/ 80)^4[KN]

n° ejes: 1 simple 2 tandem 3 tridem


TMDA veh/d 3570

CANTIDAD DE EJES SIMPLES, TADEM Y TRIDEM

VehículoComposición

(%)Cantidad de

vehículosCant. Eje

simple (1)Cant. Eje

tandem (2)Cant. Eje

Tridem (3)Autos 46,2% 1649 Camionetas 22,9% 818 Ómnibus 12 5,1% 182 182 182 Camión sin acoplado 11 7,2% 257 514 Camión sin acoplado 12 1,0% 36 36 36 Camión con acoplado 11-11 0,6% 21 86 Camión con acoplado 11-12 9,5% 339 1017 339 Camión con semirremolque 111 0,9% 32 96 Camión con semirremolque 112 2,6% 93 186 93 Camión con semirremolque 113 3,2% 114 228 114Camión con semirremolque 122 0,8% 29 29 57

Total 2374 707 114Para cada carril 1187 353 57

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Remplazando en la fórmula:

Tenemos: W18=3272*365*7.893= 9426452=9.43 Millones

DISEÑO:

Se calculan los coeficientes de aporte estructural de la subbase y base granular, base asfáltica y carpeta de rodamiento.

SUB-BASE GRANULAR:

Diseño para una Densidad Max.: 2,18 gr/cm3

(0.97*2,18 gr/cm3) = 2,115 gr/cm3

Del grafico tenemos un CBR: 46,7%, con este valor entramos al siguiente gráfico, y obtenemos:

Coeficiente de aporte estructural a3 : 0,125Módulo Resilente: 17500 psi

8

i (años)b ( tasa de

crecimiento anual)

∑[1+b/100i]

1

3,00

1,030

2 1,061

3 1,093

4 1,126

5 1,159

6 1,194

7 1,230

∑ 7.893


BASE GRANULAR:

Diseño para una Densidad Max.: 2,26 gr/cm3

(0.97*2,26 gr/cm3) = 2,19 gr/cm3

Del grafico tenemos un CBR: 80%, con este valor entramos al siguiente gráfico, y obtenemos:

Coeficiente de aporte estructural a2 es: 0,132.Módulo Resilente: 28000 psi

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BASE ASFALTICA:

Datos: - Tiempo de aplicación de la carga t=0,02 seg-TMezcla: 20°C-Temperatura de punto de ablandamiento del asfalto: 54°C- Diferencia de Temperatura: ΔT=(54°C – 20°C)=34°C

Determino el módulo elástico del asfalto Sasfalto, entrando en el gráfico de Van Der Poel:

Con t=0.02”, y ΔT= 34°C, El Sbit de la base asfáltica es: 5*107.

Módulo elástico de la mezcla:

Datos:

- Sbit de la base asfáltica es: 5*107

- Contenido volumétrico de asfalto = 12%

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- Volumen de vacíos = 5%

Volumen de agregados:

Por nomograma el Smix de la base asfáltica es 4.5*109 N/m2= 552671 Psi.

Se obtiene el coeficiente de aporte en función del Smix. Dando como resultado a1=0,5 (Para valores mayores a 5*105 se hace asintótica a 0.5), obtenido del siguiente gráfico:

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Módulo elástico del C.A. a 20ºC (105 psi)

CARPETA DE RODAMIENTO:

Datos:- Índice de Penetración: 0,07- % Vacíos: 3,30%- % C.A: 5,67%

Para el cálculo del Smix necesito el volumen de agregados:

Por nomograma el Smix de la base asfáltica es 1.2*1010 N/m2= 1740456 Psi.

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Se obtiene el coeficiente de aporte en función del Smix. Dando como resultado a1=0,5 (Para valores mayores a 5*105 se hace asintótica a 0.5), obtenido de igual gráfico que para la mescla asfáltica.

Calculo del drenaje:

El agua es removida en una semana. Suponer que hay 37 días con lluvia al año.

% de días de lluvia en el año: (37/365)*100=10,14%

Calidad Agua removida dentro de:

Calidad de drenaje

% de tiempo en que el pavimento está expuesto a niveles de humedad próximos a

la saturación

Coeficientes de drenaje: m2= 0.95 m3= 0.95

Cálculo de Números Estructurales SN:

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Cálculos de espesores según las siguientes Formulas:

Tabla resumen:

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CAPA ai miN°

ESTRUCTURAL SNi

N° ESTRUCTURAL SNi (P/Capa)

D[in]D[Cm

] D*[Cm] SNi*

CAPA DE RODAMIENTO 0,5 # # # 1,97 5,00 5 0,98BASE ASFÁLTICA 0,5 # 2,90 1,92 3,83 9,73 10 1,97BASE GRANULAR 0,125 0,95 3,40 1,43 10,88 27,63 28 1,38SUB - BASE GRANULAR 0,132 0,95 4,30 0,95 7,60 19,31 20 1,04

ITEMS B:

Verificación por el método de SHELL:

W18=3272*365*11.808=14102058=14.10 Millones

Temperatura media anual ponderada w-MAAT:

w: Factor de ponderación obtenido del gráfico adjunto.w promedio: Factor de ponderación promedio con el cual se entra al grafico adjunto y obtenemos W-MATT.

Módulo Resiliente de la subrasante:

MR =CBR%*107[N/M2]= 1450,38[Psi]

Datos: CBR = 5% (noviembre, diciembre, enero, febrero, marzo)CBR = 7% (octubre, abril, mayo)CBR = 8 % (junio, septiembre)CBR = 10% (julio, agosto)

Para el cálculo del Módulo Resiliente de la subrasante utilizaremos el menor valor de CBR, que es la condición más desfavorable, Entonces:

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Mes T wEnero 24 1,8Febrero 22 1,45Marzo 20 1Abril 17 0,7Mayo 14 0,48Junio 10 0,3Julio 10 0,3Agosto 13 0,4Septiembre 15 0,5Octubre 19 0,9Noviembre 21 1,05Diciembre 23 1,5

w Promedio 0,87W-MAAT[°C] 19


%CBR: 5% MRES: 5*107[N/M2]=

Caracterización del material asfaltico:

Determinación de las características de la mezcla asfáltica (Tipo S1 o S2)

Necesitamos conocer el Smix y el Sbit del asfalto, para esto debemos determinar la temperatura de servicio del asfalto ( tservicio) ingresando al grafico conocido como “Carta T” del Método de Shell, para ingresar a este grafico es necesario:

- W-MATT: 19°C- Espesor de la capa de rodamiento: 5cm=50mm.

La temperatura de servicio será: 25°C según la carta “T”.La temperatura de anillo y bola será: TRTB: 54°C (Dato).

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Ingresando al Abaco de Van Der Poel con:

- 54°C – 25°C=29°C.- IP=0.- Tiempo de aplicación de la carga: 0.02Seg.

Tenemos: Sbit: 1*107

El Smix se obtiene usando el grafico del método de Shell en función del Sbit y Vg.

El Vg se calcula en base a los siguientes datos:- Contenido volumétrico de asfalto = 12% - Volumen de vacíos = 5%

Vg= 100% - VA% - VV% = 100% - 12% - 5%=83%

El Smix es: 2.25*109.

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Con Sbit y Smix, ingresamos al grafico “Chart M-1” y determinamos el tipo de mescla:

Según esta carta tenemos que la mescla es: S1.

Es una mezcla corriente de cemento asfáltico de alta rigidez y con contenidos normales de agregados de asfalto y de vacíos con aire.

Determinación de la deformación máxima admisible especifica en tracción de la mezcla.

- Smix: 2.25*109.

- % del asfalto en la mezcla: 12%

- N: 9,4*106

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Por el grafico anterior tenemos deformación máxima admisible específica en tracción de la mezcla (ξfat): 1.65*10-4.

Identificación del código de fatiga de la mezcla (F1 F2).

Con los datos:

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- Smix: 2.25*109.- (ξfat): 1.65*10-4

Entramos al grafico que antecede y observamos que a la mezcla le corresponde F1 como código de fatiga puesto que nuestro número de ejes equivalentes es del orden de 1x107 (N=1,4*107), que se condice con el valor de la gráfica CHART M-3.

Con estos datos estamos en condiciones de afirmar que la clasificación de nuestra muestra corresponde a un S1-F1-50, donde 50 es el valor de la penetración.

Por ultimo para el diseño del pavimento flexible por el método Shell en función de los parámetros calculados anteriormente se entra a las cartas HN correspondiente.

En el grafico anterior, entrando en el eje de las ordenadas con el valor del espesor del concreto asfaltico=15 cm (Capa de rodamiento + Base asfáltica), y el valor de la suma de la base y subbase granular = 48 cm, tenemos que se verifica el valor de la cantidad de ejes equivalentes.

EJERCICIO N° 3:

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Luego de construido el pavimento recién diseñado se desea controlar en obra la densidad a la cual se han compactado las diferentes capas.

ÍTEMS A:

Determinar el grado de compactación alcanzado en la capa subbase granular si las determinaciones del ensayo del cono de arena son las siguientes: Arena Inicial: 5000grDensidad de la arena: 1.35 gr/cm3 Constante del cono: 1113 gr Peso de suelo húmedo (extraído del pozo): 3120 gr (Psh) Porcentaje de humedad del suelo: 9.4% (w%) Peso arena remanente: 2098 gr (W4)

Peso del suelo seco: Pss= Psh / (1+(w%/100)) = 3120gr/(1+(9,4%/100)) = 2851,9 gr.

Arena pozo: WPOZ O= Wi - WCONST. CONO – WA. REM.: 5000gr – 2098gr – 1113gr = 1789 gr

Volumen del agujero:V POZO= WPOZO / Ƴd = (1789gr) / 1,35 gr/cm3 = 1325,2cm3.

Densidad comp. In situ: DIN SITU= Pss / VPOZO= 2851,9 gr / 1325,2 cm3 = 2,15 gr/cm3

Densidad Maxima (Proctor):DMAX= 2,18 gr/cm3.

GRADO DE COMPACTACION:(DIN SITU / DMAX)*100= 2,15 gr/cm3 / 2,18 gr/cm3 = 98.6%

CONCLUSIÓN: Al diseñarse para una densidad de compactación del 97% de la densidad máxima, y se alcanzó un grado de compactación de más del 98,6%, estamos en condiciones de afirmar que se verifican las condiciones de diseño.

ITEMS B:

Describir en forma teórica el control a realizar sobre las capas asfálticas.

9-8 CONTROL DE PRODUCCIÓN:

9-8-1 Este método de ensayo es también aplicable al control de calidad de la producción diaria de la mezcla elaborada por una planta asfáltica durante la ejecución de la obra. Permite establecer la relación de Estabilidad de un juego de probetas compactadas de una mezcla de áridos producidos por la planta a la que se le adiciona en el laboratorio el relleno mineral y el cemento asfáltico obtenidos simultáneamente cuando se extrae la mezcla de áridos y otro juego de probetas compactadas de una mezcla completa producida por la planta, ambas mezclas asfálticas serán compactadas y ensayadas por el método Marshall, descripto en esta Norma de Ensayo. La diferencia entre el promedio de la estabilidad de las probetas del primer juego, no diferirá en más del 10% del promedio de la estabilidad de las probetas del segundo juego. La fluencia y el porcentaje de vacíos de ambos juegos de probetas deberán estar comprendidos dentro de los límites especificados.

9-8-2 Establecido que la planta asfáltica, que se trata, trabaja a su régimen normal, se obtendrán en la boca de salida de la mezcladora muestras representativas de la mezcla que se está elaborando.9-8-3 Para obtener la muestra de la mezcla de áridos o la de la mezcla completa producida por la planta, se hará descargar sobre un camión un pastón,

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sin asfalto o con asfalto, según sea el caso, si se trata de una planta por pesada ó 1 tonelada de mezcla aproximadamente si la planta es continua.

9-8-4 Para efectuar las probetas correspondientes al primer juego mencionado, se extrae del pastón sin asfalto una muestra representativa del mismo de aproximadamente 25 Kg. y se coloca un recipiente de madera de aproximadamente 25 cm. de ancho x 25 cm. de largo x 25 cm. de altura, forrado interiormente en chapa, con tapa y manijas y se lleva al laboratorio de la obra.

Por cuarteo se extrae una muestra para realizar el ensayo granulométrico de la mezcla de los áridos. De esta forma se controla si la dosificación de los silos en caliente es la correcta. Del resto de la muestra se extrae por cuarteo material suficiente para que al agregarle el correspondiente porcentaje en peso de filler y de cemento asfáltico se pueda obtener una probeta compactada de 63,5 mm. ± 3 mm. de altura. De esta forma se elabora una serie de 3 probetas de acuerdo a lo establecido en el titulo 9-4. Para determinar la Densidad Teórica Máxima (Método O. Rice), Norma VN-E27-84 ( Determinación del peso específico y absorción de asfalto de agregados pétreos para mezclas asfálticas en caliente), se prepara una muestra en las mismas condiciones que lo indicado para moldear las probetas. Con el valor obtenido en el ensayo citado se calculan las relaciones volumétricas de la mezcla compactada tal como se especifica en el titulo 9-5 de esta Norma.

9-8-1 Moldeadas las probetas, se ensayan las mismas cuidando de cumplir con todas las indicaciones establecidas en la ejecución del ensayo.

9-8-2 Para moldear las probetas correspondientes al 2º juego, citado anteriormente, se extrae del pastón una muestra representativa de la mezcla completa producida por la planta y se coloca en el recipiente mencionado en 9-8-4 y se lleva al laboratorio de la obra. Por cuarteo se extrae una muestra para efectuar el ensayo de extracción de asfalto y granulometría de los áridos, controlándose de esta forma el % de CA colocado y la granulometría de los agregados pétreos. Del resto de la muestra se separa por cuarteo material suficiente para obtener una probeta compactada de 63,5 mm. ± 3 mm. de altura. Se conforma una serie de 3 probetas de acuerdo con lo establecido. También se separa una muestra para determinar la Densidad Teórica Máxima (Método J. Rice), Norma de ensayo VN-E27-84. Con el valor obtenido en el ensayo citado se calculan las relaciones volumétricas de la mezcla compactada (9-5). Ejecutadas las probetas, se realiza el ensayo.

9-9 CONTROL DE OBRAS TERMINADAS

9-9-1 También es de aplicación este ensayo para el contralor de bases o carpetas de mezclas en planta en caliente con cemento asfáltico recién construidas o después de larga exposición al tránsito.

9-9-2 Para realizar este estudio se extraerán probetas del pavimento de concreto asfáltico terminado con la maquina extractora de probetas de 101,6 mm. de diámetro y del espesor del pavimento.

9-9-3 Deberá ponerse especial cuidado de que las probetas obtenidas tengan sus caras laterales bien lisas y uniformes para lo cual deberá cuidarse que la máquina esté en perfectas condiciones de funcionamiento

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y que la extracción se realice a temperaturas ambiente lo más bajas posibles.

Obtenidas las probetas se ensayan en la forma indicada, estableciéndose los valores de estabilidad y fluencia Marshall del pavimento en estudio. También en este caso se deberá determinar previamente el peso unitario de probeta de mezcla asfáltica compactada de acuerdo con lo establecido en Norma VN-E12-67 (Determinación del peso unitario de probetas asfálticas compactadas.

Adyacente a la zona de pavimento donde se ha extraído la probeta se retirará del mismo un bloque de concreto asfáltico, de aproximadamente 30 cm. x 30 cm. x el espesor del pavimento, para determinar el porcentaje de CA de la mezcla, la granulometría del inerte y la Densidad Teórica Máxima (Método J. Rice), tal como especifica la Norma de Ensayo VN-E27-84 ( Determinación del peso específico y absorción de asfalto de agregados pétreos para mezclas asfálticas en caliente), para calcular las relaciones de volumen de los materiales de la mezcla asfáltica compactada.

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