Diseño moderno de pavimentos asfalticos

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA M.Sc. SILENE MINAYA GONZÁLEZ Universidad Ricardo Palma, Universidad Alas Peruanas [email protected] M.Sc. e ING. ABEL ORDÓÑEZ HUAMÁN Universidad Nacional de Ingeniería [email protected] SEGUNDA EDICIÓN LIMA, 2006 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 DISEÑO MODERNO de Pavimentos Asfálticos Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Dedicatoria A nuestros hijos Fernando y Gabriela Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 CAPITULO 1: INTRODUCCIÓN 1.1 Introducción En la ingeniería de pavimentos se han incorporado nuevos conceptos como esfuerzos, deformación, módulo elástico, comportamiento resiliente, etc. que deberá ser conocidos por el lector. En el presente capítulo se definirán algunos de estos conceptos y los otros serán explicados en capítulos especiales. 1.2 Estructura del Pavimento Asfáltico La estructura que se apoya sobre el terreno de fundación o subrasante, y que esta conformado por capas de materiales de diferentes calidades y espesores, que obedecen a un diseño estructural, se denomina pavimento. La estructura del pavimento está destinada a soportar las cargas provenientes del tráfico. Tradicionalmente, los métodos de diseño de pavimentos, han sido empíricos; es decir, que la experiencia representaba un papel importante. Se requería que el ingeniero tuviese muchos años en el área para, de alguna manera, poder interpretar los resultados de las investigaciones de campo y realizar el diseño. Los pavimentos asfálticos están conformados por una carpeta asfáltica apoyada generalmente sobre dos capas no rígidas, la base y sub base. No obstante puede prescindirse de cualquiera de estas capas dependiendo de las necesidades particulares del proyecto. La distribución típica de las capas que conforman la estructura del pavimento se grafican en la figura 1.1. Terreno de fundación Sub bbaassee Base rasante subrasante Terreno de fundación sin compactar Figura 1.1: Estructura Típica de Pavimentos Asfálticos S. MINAYA & A. ORDOÑEZ Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Introducción La carpeta asfáltica o capa de rodamiento proporciona una superficie uniforme y estable al tránsito, de textura y color adecuado, que debe resistir los efectos abrasivos provenientes del tránsito y del medio ambiente. La nueva Guía de Diseño empírico-mecanístico AASHTO 2002 recomienda que el módulo elástico de la carpeta se evalúe con el Módulo Complejo Dinámico, E*, que será detallado en los siguientes capítulos. Sin embargo, podemos mencionar que la carpeta es una capa muy rígida con valores altos de módulo. El método de diseño AASHTO 1993 considera como parámetro de diseño de la carpeta asfáltico el módulo resiliente, para mezclas asfálticas en caliente estos valores varían de 400,000 a 450,000 psi (28,000 a 32,000 kg/cm2) a 20ºC. La capa de base, generalmente granular, es una capa que se apoya sobre la sub base. La función de esta capa es transmitir los esfuerzos provenientes del tráfico, a la sub base y subrasante. Los requisitos de calidad de agregados de base son muy rigurosos. Esta capa está conformada por grava chancada, compactada al 100% de la máxima densidad seca del ensayo proctor modificado. El módulo elástico de la base se evalúa con el módulo resiliente, MR. Una base granular con CBR del 100% tiene aproximadamente un valor MR de 30,000 psi (2,100 kg/cm2). La sub base, es una capa que según el diseño puede o no colocarse. Se apoya sobre la subrasante y los requisitos de calidad de los materiales que la conforman son menos rigurosos, la razón de esto es que los esfuerzos verticales que se transmiten a través de las capas de pavimentos son mayores en la superficie y van disminuyendo a medida que se profundizan. La sub base es la capa de material seleccionado, más profunda de la estructura del pavimento, razón por la que los materiales que la conforman cumplen requisitos menos rigurosos. El módulo elástico de la sub base se evalúa con el módulo resiliente, MR. Una sub base granular con CBR del 40% (CBR mínimo para sub bases granulares, según las Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras EG-2000, Ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construcción, Oficina de Control de Calidad) tiene un MR de 17,000 psi (1,200 kg/cm2). El terreno de fundación puede estar conformado por un terraplén (caso de rellenos) o terreno natural en el caso de cortes, para ambos casos, la cota geométrica superior se denomina subrasante. El módulo elástico asociado al terreno de fundación es el módulo resiliente, este parámetro ha sido ampliamente investigado por las diferentes agencias de transportes de los Estados Unidos, correlacionándolo con el CBR. En los siguientes capítulos se detallarán los métodos que permiten determinar adecuadamente este valor. Pero podemos mencionar, que el CBR de suelos compactados (como es el caso de terraplenes) y de suelos granulares densos (como el conglomerado de Lima) están asociados al 100% de la máxima densidad seca del proctor modificado; sin embargo, el CBR de subrasantes arenosas y limo arcillosas no puede asociarse a este valor, porque su densidad de campo está muy por debajo de la máxima densidad seca y su humedad natural es mayor que el óptimo contenido de humedad. En este último caso el CBR se obtiene de muestras inalteradas1. 1 A. Ordóñez y S. Minaya, CBR de Subrasantes Arenosas y Limoarcillosas. 11º CILA 2001 Lima; XIII Congreso Nacional de Ingeniería Civil, Puno 2001; IV Congreso Ecuatoriano de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica, Guayaquil 2001. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 2Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Introducción 1.3 Comportamiento Elástico El parámetro que evalúa las deformaciones ante cargas estáticas es el Módulo Elástico E. El módulo elástico relaciona los esfuerzos aplicados y las deformaciones resultantes. Un ejemplo es la zapata, el nivel de esfuerzos aplicados al suelo a través de la zapata es mínimo lo que originará que el suelo se deforme, pero esta deformación no lo llevará a su condición de falla. La teoría elástica permite determinar el módulo elástico del suelo mediante ensayos de campo y laboratorio, como en ensayos de compresión edométrica, triaxial, CBR, placa de carga entre otros. En un ensayo triaxial, a una muestra de suelo se le aplica un confinamiento promedio inicial ( c) para luego aplicarle el esfuerzo axial q. La presión transmitida al suelo es permanente y baja, lo que llevará a que la deformación sea elástica. Gráficamente existente una relación lineal entre la presión transmitida y la deformación, la pendiente de la recta mostrada es el módulo elástico. Para el caso de cimentaciones el asentamiento permisible es de 2.5 cm. E a e q Carga estática permanente q Donde: σc Esfuerzo de confinamiento q Presión axial εe Deformación elástica εa Deformación axial Figura 1.2: Comportamiento elástico Es posible extender la teoría elástica a los ensayos de C.B.R. utilizando los resultados de la prueba de carga asociados a asentamientos característico de 0.1 pulgada. Para ello, se deberá utilizar la solución que ofrece la teoría elástica para el cálculo de asentamiento que ocurre cuando se tiene una superficie circular rígida cargada sobre un medio semi-infinito (Poulos y Davis, 1974). ρ = π/2 (1-ν2) pr/E c Ensayo de laboratorio Terreno de fundación S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 3Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Introducción donde: ρ : Asentamiento ν : Relación de Poisson p : Presión aplicada r : Radio del área cargada E : Módulo elástico Considerando un asentamiento característico de 0.1 pulgada; un valor de ν=0.40; radio equivalente a un área circular cargada de 3 pulg2 y la presión aplicada en función del valor CBR, se obtienen las siguientes relaciones2: E = 139.7CBR ; E en libra/pulg2 E = 9.83CBR ; E en kg/cm2 Entonces, es posible obtener valores de módulos elásticos, E a partir del valor CBR asumiendo un comportamiento del medio como elástico, uniforme e isotrópico. 1.4 Comportamiento Elasto-Plástico En pavimentos la carga transmitida es móvil, es decir, el suelo experimenta ciclos de carga y descarga. Para un mejor entendimiento se analizará el caso de un ciclo (1 carga y 1 descarga). Cuando el vehículo se aproxima al punto de análisis A, el terreno de fundación se empieza a deformar, esta deformación se hace máxima cuando el vehículo se encuentra exactamente sobre el punto A, en ese momento conocemos la deformación total. Sin embargo, cuando el vehículo se aleja el suelo trata de recuperar su posición inicial pero no lo consigue. La deformación no recuperable se denomina deformación plástica y la deformación recuperable es la deformación elástica. El suelo ha experimentado plastificación. 2 A. Ordóñez y S. Minaya, CBR de Subrasantes Arenosas y Limoarcillosas, 2001. A Terreno de fundación Pavimento Veloc. tiempo Carga móvil, q S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 4Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Introducción etotal ?? εv ep ee q ep : deformación plástica, permanente, no recuperable ee : deformación elástica, temporal, recuperable q Figura 1.3: Comportamiento elasto-plástico, un ciclo carga-descarga El terreno de fundación soporta muchos ciclos de carga-descarga, las deformaciones plásticas se van acumulando y las deformaciones elásticas se van haciendo constantes. Cuando el suelo no acumula más deformaciones plásticas ya se consolidó para ese nivel de cargas. La pendiente de la recta al final de esta etapa se denomina módulo resiliente, Mr. El módulo resiliente representa el comportamiento elástico final del suelo. tiempo Carga móvil, q e ep ee q Mr q MR : Módulo Resiliente representa el comportamiento elástico final, residual ep : Las deformaciones plásticas son acumulables e influyen en el comportamiento del pavimento ee q Mr = Figura 1.4: Comportamiento elasto-plástico, varios ciclos carga-descarga El módulo resiliente ha sido correlacionado con el valor de la capacidad de soporte del suelo CBR, y ha sido usado como parámetro de diseño pero no se ha percibido que éste representa una condición particular del suelo. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 5Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Introducción El reciente método de diseño de pavimentos (AASHTO 2002) considera que ninguna de las capas que componen la estructura del pavimento debe tener deformaciones plásticas, sobre todo en la capa más débil. El terreno de fundación aporta en gran medida en las deformaciones de la estructura que no deben exceder de 1mm. se recomienda que todos los suelos con CBR menor de 8 a 10% deben ser estabilizados. La última versión del catálogo Francés, 1998, clasifica los suelos del terreno de fundación en 4 tipos denominados PF1 (cuya capacidad de soporte es baja) a PF4 (elevada capacidad de soporte, generalmente tratada). El catálogo de 1998, no considera la construcción de estructuras sobre suelos del tipo PF1, por considerarlos de calidad insuficiente para garantizar la durabilidad de la estructura. Los suelos clasificados como PF1 son aquellos con CBR menor que 7% y los suelos PF4 son los que tienen CBR mayor que 30 a 40%. Suelos intermedios son el PF2 cuyo CBR está entre 7 y 20%; y los suelos PF3 con CBR entre 20 y 30 a 40%. La construcción de las capas compactadas se controlan con la Viga Benkelman. Las deflexiones máximas, recomendadas por el catálogo Francés de 1998 están en función del módulo del ensayo de placa cíclico y tipo de terreno de fundación, como se muestra en la tabla 1.1. Para suelos arcillosos tratados con cal las deflexiones máximas se muestran en la tabla 1.2. Tabla 1.1: Requisito de deformabilidad en el momento de la construcción de la obra, para capas de refuerzo o fundación no tratada (Catálogo Francés de 1998) Clasificación del suelo Módulo de deformabilidad en MPa (ensayo de placa) Deflexión máxima en mm, viga Benkelman PF2 50 2.0 PF3 120 0.9 PF4 200 0.5 Tabla 1.2: Requisito de deformabilidad en el momento de la construcción de la obra, para suelos arcillosos tratados con cal (Catálogo Francés de 1998) Deflexión máxima en mm, viga Benkelman Clasificación del suelo Tratamiento sólo con cal Tratamiento con cal y cemento PF2 1.20 0.80 PF3 0.80 0.60 PF4 -.- 0.50 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 6Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Introducción 1.5 Ensayo del módulo resiliente para suelos El ensayo del módulo resiliente es similar a un ensayo triaxial, se aplica un esfuerzo desviador cíclico a la muestra previamente confinada. El esfuerzo desviador está en función de la velocidad, carga y confinamiento. La norma AASHTO T274 que estandariza el ensayo del módulo resiliente, en su última revisión de 1999, considera que el especimen puede alcanzar una deformación máxima de 5%. Si la muestra tiene valores mayores de deformación, el módulo resiliente ya no es representativo. El esfuerzo desviador está en función de la velocidad directriz de la vía. Si el vehículo se desplaza lentamente, como en zonas agrestes de fuerte pendiente (carretera central, velocidad entre 10 a 20 km/h), el terreno de fundación podrá deformarse mucho más que en el caso el vehículo circulase rápidamente. Figura 1.5: Celda triaxial cíclico ensayo de resiliencia. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 7Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Introducción Cuando la carga aplicada es lenta, el módulo resiliente, Mr, se acerca al módulo elástico, E. El ensayo de módulo resiliente se realiza para las condiciones a las que estará sometida la vía. q deformación v 80 KPH v = 0 Mr E Mr 10 E 1.6 Proyectos de Investigación En el año 1987 en los EE.UU. se destinó 150 millones de dólares para un proyecto de investigación que agrupó especialistas de diferentes áreas, denominado SUPERPAVE, Superior Performance Pavement. Este proyecto pretendía reemplazar las metodologías empíricas, utilizadas hasta entonces, con metodologías mecanísticas; es decir, aquella que utiliza los conceptos de la mecánica estructural. El proyecto abarcó la evaluación de los agregados y ligantes asfálticos. La fortaleza de este método radica en la apropiada evaluación mecánica del ligante asfáltico. Con este método el ligante asfáltico se evalúa a las temperaturas críticas o extremas de servicio y deja de evaluarse con pruebas empíricas, como el de penetración. Por otro lado, una gran parte de la red nacional se ubica por encima de los 3,000 m.s.n.m. y los pavimentos ubicados en estas zonas al sufrir el efecto de las bajas temperaturas se agrietan de manera prematura. El Stone Mastic Asphalt, SMA, de origen alemán de los años 60 ha permitido dar solución a los problemas de tránsitos pesados y climas fríos, de las carreteras en Europa y últimamente en los EE.UU. y Canadá. El concepto de diseño SMA se basa en una estructura granular donde predomina el contacto piedra-piedra el mismo que le provee de alta resistencia cortante, baja deformación permanente o “rutting” y considera un buen porcentaje de ligante que le da una excelente durabilidad. Las características del comportamiento mecánico de la mezcla asfáltica se alcanzan utilizando una granulometría incompleta (”gap-graded aggregate”) combinada con fibra y/o polímeros modificados y un mayor contenido de ligante. El comportamiento del SMA es actualmente calificado en los EE.UU. y Canadá como de excelente bajo tráfico pesado e intenso y climas fríos, bajo costo de mantenimiento y una duración que alcanza los 30 años de vida de servicio. Recientemente, las metodologías mecanísticas se han extendido en su aplicación, al diseño estructural del pavimento, incorporando los conceptos de la teoría elástica. El método de diseño AASHTO 2002 permite evaluar la estructura de pavimento en función de los esfuerzos S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 8Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Introducción transmitidos, las deflexiones generadas y el aporte estructural de cada capa que compone la estructura. 1.7 Esfuerzos más Importantes producidos en la Estructura del Pavimento Asfáltico La estructura típica del pavimento en nuestro medio está formada por carpeta asfáltica y capas de material seleccionado colocadas sobre subrasante compactada y subrasante natural, el objetivo es distribuir las cargas provenientes del tránsito, de manera que las presiones verticales a nivel de fundación sean menores a las admisibles por la estructura del pavimento. La llanta no sólo genera esfuerzos verticales sino también esfuerzos horizontales. En una estructura típica de pavimento (carpeta asfáltica, base y sub base granular) los esfuerzos horizontales se disipan a través de la carpeta asfáltica, pasando de un valor positivo en la superficie a uno negativo en su fibra inferior. Los esfuerzos así generados producen fisuras que luego se reflejarán en la superficie. La figura 1.6 muestra la distribución de esfuerzos horizontales (σH) y verticales (σV) de pavimentos típicos. Dos de las principales fallas que se producen en el pavimento están asociadas a las deformaciones excesivas a nivel de la sub-rasante, reflejando el comportamiento del terreno de fundación y la deformación por tracción, asociado al agrietamiento. Carpeta Base granular (+) (-) v H Sub base granular Suelo compactado Fundación Figura 1.6: Esquema de la Distribución de Esfuerzos en Pavimentos Típicos El esquema de distribución de esfuerzos en una estructura de pavimentos con base y/o sub base estabilizada se muestra en la figura 1.7. La carpeta asfáltica está sometida solamente a esfuerzos de compresión, mientras los esfuerzos de tracción son absorbidos por la base estabilizada. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 9Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Introducción Carpeta Base Estabilizada Sub base Fundación (+) (-) v H Figura 1.7: Distribución de Esfuerzos en Pavimentos con Base y/o Sub Base Estabilizada. Desde este punto de vista el ensayo de tracción indirecta y el respectivo parámetro como es el módulo de resiliencia no representa el comportamiento mecánico de la carpeta asfáltica, así, un ensayo de compresión confinada cíclica será representativo del comportamiento mecánico. Witczak y otros, de la Universidad de Arizona, proponen evaluar el Módulo Dinámico Complejo, obtenido de ensayos de compresión triaxial cíclico. La Guía de Diseño de Pavimentos AASHTO 2002 recomienda el uso de este parámetro. El módulo dinámico, E* también ha surgido como el principal candidato para el Simple Performance Test – Superpave, que predice las deformaciones permanentes y agrietamientos fatiga en pavimentos asfálticos [64]. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 10Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 CAPITULO 2: SUELO DE FUNDACIÓN 2.1 Método de Exploración de Campo del Terreno de Fundación En la ejecución de cualquier proyecto u obra de ingeniería civil es necesario realizar la exploración del lugar, como parte de un programa de investigaciones geotécnicas, el mismo que involucra aspectos de geología y mecánica de suelos. Del tamaño y tipo del proyecto, dependerán las consideraciones del programa de exploración. Las etapas de la exploración de campo son: 1. Trabajo Preliminares de Gabinete: Es la recopilación de la información del lugar como mapas, fotografías, estudios anteriores, etc. 2. Exploración detallada del sitio y muestreo: Levantamiento estratigráfico y mineralogía de los estratos rocosos y condiciones del subsuelo, mediante la ejecución de pozos de prueba denominados “calicatas” se identifican los estratos que conforman la subrasante y se mide la densidad natural del estrato más desfavorable. Se debe identificar las condiciones de agua subterránea y toma de muestra para exámenes más detallados y ensayos de laboratorio. 3. Pruebas de laboratorio con las muestras: Ensayos con muestras alteradas y no alteradas representativas de la estratigrafía. Ensayos estándar con fines de caracterización física de suelos y clasificación, así como ensayos especiales para determinar su capacidad de soporte. 4. Ensayos in situ: Ensayos llevados a cabo en el propio lugar, ya sea antes o durante el proceso de construcción; controles de compactación de campo, ensayos de penetración ligera con DPL, etc. 5. Reporte de resultados: Detalles de estudio geológico, perfiles estratigráfico y mapeado de los resultados de penetración ligera, resultados de las pruebas de laboratorio, incluyendo los registro de excavaciones, referencias de muestras e interpretaciones estratigráficas. 2.2 Alcance de la Exploración del Sitio La información generada por la exploración del lugar está relacionada con los depósitos superficiales de rocas y suelos. El objetivo consiste en obtener un modelo tridimensional del lugar, que se extienda tanto lateral como verticalmente, para incluir todos los estratos que puedan llegar a afectarse por las cargas transmitidas al subsuelo, producidas por la construcción de la vía. Los esfuerzos significativos transmitidos por las cargas del tránsito alcanzan hasta 1.5 m de profundidad. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Suelo de Fundación Los ensayos de penetración y calicatas deben efectuarse cada 500 m en caso de carreteras y cada 100 m cuando la vía es urbana1. En condiciones uniformes y homogéneas, las calicatas se pueden espaciar a varios kilómetros. En condiciones de variaciones laterales o verticales la separación se reduce, con el objetivo de identificar la zona en la que cambian las condiciones de sitio. La profundidad de exploración está relacionada con la transmisión de los esfuerzos, el alcance máximo de una calicata o ensayo de penetración ligera es hasta 1.50 m con respecto al nivel de subrasante. 2.3 Excavaciones a Cielo Abierto (calicatas) y Uso de Posteadoras Manuales Las calicatas (foto 2.1) son realizadas en la mayoría de los suelos, la presencia del nivel freático puede ser una de las limitaciones de este tipo de exploración. Tienen la ventaja de que se pueden realizar a mano o con una excavadora mecánica, y de exponer la sucesión de estratos para facilitar su inspección visual. No existen desventajas para este tipo de exploración. La ejecución de las calicatas requiere un conocimiento de los suelos encontrados, la identificación visual es muy importante durante esta etapa. Las muestras pueden tomarse manualmente del fondo y de las paredes laterales de la calicata. Las calicatas permiten extraer muestras inalteradas que serán remoldeadas en el laboratorio, también permite obtener muestras inalteradas que serán protegidas para que no pierdan humedad natural y se pueden realizar ensayos de densidad in situ. El barrenador manual (foto 2.2), posteadoras del tipo Iwan Auger es una herramienta manual muy simple que se usa para perforaciones o sondajes en suelos blandos hasta una profundidad de 5 a 6 m. La forma usual es un barrenador para arcilla semicilíndrica de 10 cm. de diámetro, unido por medio de una serie de varillas de extensión de 1m a un mango en forma de cruceta que se hace girar manualmente desde la superficie. Las cucharas acopladas en el extremo para extraer muestras tienen diseño especial cuando se trate de suelos puramente cohesivos (arcillas) o friccionantes (arenas). Las posteadoras constituyen un método muy sencillo, económico y rápido de realizar perforaciones en suelos que no contengan presencia de gravas. 2.4 Ensayo de Penetración Ligera con Cono, DPL Se utiliza el Cono Ligero Alemán (foto 2.3) de acuerdo a la Norma DIN 4094 incorporado en la Norma Técnica E0.50 de Suelos y Cimentaciones. Dado que el Cono Alemán transmite la misma cantidad de energía específica que el Ensayo de Penetración Standard S.P.T. - ASTM D 1586, según la Norma DIN, no es necesario utilizar correlaciones para la interpretación de los resultados, ya que el valor numérico de NSPT es similar al valor N . DPL 1 Especificaciones Técnicas del Ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construcción. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 13 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Suelo de Fundación Foto 2.1: Calicata Foto 2.2: Posteadora manual Iwan Auger El equipo de cono ligero consiste de un cono de punta cónica de 90° y 2,2 cm. de diámetro. El martillo pesa 10 kg. y la altura de caída es de 50 cm. El valor NDPL corresponde al número de golpes para conseguir 10 cm. de penetración. El ensayo es continuo y se registran valores cada 10 cm. de profundidad. Fundamentalmente, el ensayo de penetración ligera es un ensayo de resistencia. Los problemas asociados a pavimentos son de deformabilidad, el suelo estará muy por debajo de los niveles de falla. Aunque el ensayo de penetración ligera es un ensayo de resistencia, se recomienda usarlo para exploraciones con fines de pavimentación, porque permite identificar, mediante la variación del valor NDPL, los espesores y densidad relativa de los estratos que conforman la subrasante. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 14 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Suelo de Fundación La principal limitación del ensayo es la presencia de gravas en el subsuelo que altera los resultados o en el peor de los casos impide el ensayo. Foto 2.3: Ensayos de penetración ligera con cono A continuación relaciones empíricas entre el ángulo de fricción φ, densidad relativa y peso unitario de suelos granulares normalmente consolidados Relaciones Empíricas de φ, Dr, y Peso Unitario de los Suelos Granulares Normalmente Consolidados basados en Ensayos SPT para Profundidades menores de 6m. Descripcion Suelto Medio Densidad Relativa, Dr 0 0.15 0.35 0.65 SPT N70 Fino 0.075-0.425 mm 3-6 7-15 Medio 0.425-2.000 mm 4-7 8-20 Grueso 2.000-4.750 mm 5-9 10-25 φ : Fino 28-30 30-34 Medio 30-32 32-36 Grueso 30-34 33-40 γ d (gr/cm 3 ) 1.4-1.6 1.6-1.8 26-28 27-28 28-30 1.2-1.4 Muy Suelto 1-2 2-3 3-6 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 15 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Suelo de Fundación La resistencia a la penetración del ensayo de DPL puede ser correlacionado con el módulo elástico del suelo. Ordóñez y Jurado 2000. Arenas Secas (*) E = 75+2.5N (**) E = 50+1.7N Arenas Humedecidas E = 55+1.7N E = 25+0.85N (*) Arenas de El Silencio, punta Hermosa. . (**)N es el número de golpes/10 cm de penetración, E en kg/cm2 2.5 Muestreo de Suelos, obtención de Muestras Inalteradas y Alteradas Existen dos categorías principales de muestras de suelos: 2.5.1 Muestras Inalteradas Se preserva, en la medida de lo posible, la estructura y el contenido de humedad para que representen las condiciones de campo, las muestras inalteradas son necesarios para ensayos de CBR en suelos finos como por ejemplo las arcillas, arenas limosas o arcillosas. Las muestras inalteradas se extraen con los moldes de CBR y un accesorio de este, que permite cortar el suelo. Se protege y traslada al laboratorio para su inmediato ensayo, el CBR así calculado, estará asociado a la densidad y humedad natural. Foto 2.4. Foto 2.4: Molde de CBR y accesorio S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 16 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Suelo de Fundación Si el suelo está conformado por arenas y es difícil conseguir una muestra inalterada, se recomienda medir la densidad de campo y tomar una muestra para humedad, de manera que en el laboratorio se remolde los especimenes. 2.5.2 Muestras Alteradas Las muestras alteradas se usan para la identificación del suelo y para pruebas de clasificación y calidad a medida que se recolectan, las muestras se introducen en recipientes de vidrio o plásticos y se sellan, también se pueden usar latas o bolsas de plásticos. Se debe tomar una porción de 100 kg. aproximadamente para realizar los ensayos de proctor modificado y CBR en muestras remoldeadas al óptimo contenido de humedad, para determinar el CBR de diseño para subrasantes granulares, materiales de sub base y base granulares. 2.6 Identificación Visual y Manual de Muestras de Suelo ASTM D 2488 Pruebas de Campo para Clasificación La identificación visual, es el reconocimiento preliminar del suelo sin necesidad de empleo de equipos o ensayos de laboratorio. Mas tarde, los ensayos de laboratorio confirmarán y permitirán precisar la información obtenida del terreno. En el anexo E se detalla los procedimiento visuales y manuales, en esta sección solo se presenta un breve resumen. Esta identificación es una etapa inicial para el estudio de Mecánica de Suelos, que permite tomar decisiones y ajustar el programa de investigación. Los términos básicos para designar a los tipos de suelos son: grava, arena, limo y arcilla; sin embargo, en la naturaleza los suelos son una mezcla de dos o más de éstos y a veces contienen una cantidad de materia orgánica. Sin embargo, es posible identificar el componente predominante y asignarles el término básico. Por ejemplo, una arena limosa tiene las propiedades de una arena, con una cantidad importante de limo; un limo orgánico está compuesto prioritariamente por limo, pero contiene una cantidad significativa de materia orgánica. Se conoce como suelos granulares a las arenas y a las gravas, y como suelos finos a las arcillas y limos. Esta distinción se basa en la visibilidad de las partículas individuales. En laboratorio, los suelos finos y gruesos se separan con la malla Nº200. 2.6.1 Identificación y Descripción de Suelos Finos En comparación a los suelos finos, los suelos granulares son más fáciles de identificar. La angularidad, forma, color, olor, humedad, consistencia, cementación, estructura, tamaño máximo de partículas y dureza, son las principales características de este tipo de suelos. Los suelos finos para su identificación necesitan de algunos ensayos de campo, para poder diferenciar las arcillas de los limos o de las arenas finas. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 17 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Suelo de Fundación A) Reacción a la Agitación o Dilatancia Una muestra de suelo se amasa formando una bolita, la que debe contener una humedad tal que el agua casi aparezca en la superficie. La muestra preparada se coloca en la palma de la mano y se sacude horizontalmente golpeándola en forma reiterada y fuerte contra la otra mano. Foto 2.5: Prueba de Dilatancia El suelo tiene reacción rápida al sacudimiento cuando la pasta cambia de forma y evidencia una superficie brillante (debido a la expulsión de agua). Cuando el suelo tiene reacción rápida al sacudimiento con unos pocos golpes, se puede asegurar que se trata de un limo. Si la reacción del suelo es muy lenta o no hay reacción, se puede concluir que se trata de una arcilla. Para el caso de arenas limpias muy finas la reacción es muy rápida. Reacciones intermedias dejan una interrogante para identificar el suelo y por ello es necesario recurrir a un ensayo de amasado para despejar la interrogante. Sin embargo, en el caso en que el tipo de suelo fino se pueda definir sólo con el ensayo de dilatancia, es siempre conveniente continuar con el ensayo de amasado que se enuncia a continuación. B) Ensayo de amasado o de tenacidad El ensayo de amasado complementa el ensayo de dilatancia. Una pasta de suelo se amasa hasta alcanzar la consistencia de la masilla, luego se forma un bastón de aprox. 3 mm. Este proceso se repite hasta que el contenido de humedad se reduce y la muestra adquiere una consistencia dura. El bastón se rompe en varias partes al ser amasado (foto 2.6). Foto 2.6: Prueba de tenacidad S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 18 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Suelo de Fundación Cuanto más tenaz es el rollito y cuanto mas duros son los trozos al desmoronarse, mas importante es la fracción arcillosa del suelo. Durante el ensayo se deben observar: 1. Resistencia del suelo al amasado, cuando está cerca de las condiciones de ruptura descritas: una arcilla opone mucha resistencia y un limo opone una baja resistencia. 2. Plasticidad el suelo se comporta plásticamente durante el amasado, pero deja de hacerlo una vez que alcanza la humedad que tiene el bastón al romperse. 3. Brillo cuando se alcanza la rotura del bastón de suelo, se puede unir sus partes al oprimirlas entre sí fuertemente con los dedos, se frota con la uña y se observa si la superficie frotada brilla. Las arcillas presentan una superficie brillante que va en aumento según el crecimiento de la plasticidad, es decir, es más brillante si la arcilla es más plástica. C) Resistencia en Estado Seco (a la disgregación) Una muestra de suelo se deja secar expuesta al sol y aire, se mide su resistencia rompiéndola y desmoronándola entre los dedos. La resistencia (en estado seco) aumenta con la plasticidad (presencia de arcilla). Un limo inorgánico posee una resistencia muy ligera. Las arenas finas limosas y los limos tienen baja resistencia. Una arcilla será muy resistente en estado seco, a mayor porcentaje de arcilla en la muestra, mayor será su resistencia. En la tabla 2.1 se resumen los ensayos de campo, con resultados visuales y el tipo de suelo al que está relacionado ese comportamiento. Foto 2.7: Resistencia en estado seco S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 19 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Suelo de Fundación Tabla 2.1: Identificación de Suelos con Pruebas Manuales Suelo Típico Resistencia en Estado Seco Dilatancia Tenacidad Tiempo de sedimentación en prueba de dispersión Limo arenoso ninguna a muy baja Rápida De débil a baja De 30 a 60 min Limo muy baja a baja Rápida De débil a baja De 15 a 60 min Limo arcilloso baja a media De rápida a lenta Media De 15 min. a varias horas Arcilla arenosa baja a alta De lenta a ninguna Media De 30 seg. a varias horas Arcilla limosa Media a alta De lenta a ninguna Media De 15 min. a varias horas Arcilla Alta a muy alta Ninguna Alta De varias horas a días Limo orgánico baja a media Lenta De débil a baja De 15 min. a varias horas Arcilla orgánica Media a muy alta Ninguna Alta De varias horas a días 2.6.2 Identificación y Descripción de Suelos Granulares En campo se considera un tamaño de 5 mm. para separar gravas de arenas. Las gravas pueden separarse en: Gravas gruesas Entre 75 mm. y 19 mm Gravas finas Entre 19 mm y 5 mm En laboratorio las arenas pueden separarse en arenas gruesas, medias y finas, según su tamaño. Arenas gruesas. Entre la malla Nº 4 (4,76 mm.) y la malla Nº 10 (2 mm.). Arenas medias. Entre la malla Nº 10 y la malla Nº 40 (0,425 mm.). Arenas finas. Entre la malla Nº 40 y la malla Nº 200 (0,075 mm.). En la descripción de un suelo granular se deben incluir ciertas características particulares de importancia, las cuales van a influir en su comportamiento. 1. Suelo predominante (grava arenosa, arena con grava, etc.). 2. Porcentaje estimado de bolones de preferencia en el pozo de reconocimiento y no en la muestra obtenida. 3. Tamaño máximo de las gravas o bolones en pulgadas. 4. Tamaño de los granos dominantes (para los suelos pobremente graduados, es decir, que no tienen una buena distribución de tamaños, se debe indicar si las arenas son gruesas, medias o finas, al igual que las gravas si son gruesas o finas). 5. Porcentaje de finos. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 20 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Suelo de Fundación 6. Estado de las partículas (si el material constituyente de los granos no es sano y esta en estado de alteración, las partículas pueden romperse entre las manos). Además de estos datos se debe indicar: A) Angularidad Describir la angularidad de la arena (solamente de la fracción gruesa), grava, cantos rodados y boleos como angular, subangular, subredondeada y redondeada. B) Forma Si las partículas tienen forma chata, alargada o chata y alargada. Esta característica es muy importante porque el porcentaje de participación de estas partículas está limitado según especificaciones. Las partículas chatas y alargadas pueden romperse durante la aplicación de las cargas y modificar la granulometría del medio. C) Otros Otras características importantes son el color, cementación, dureza y rango de partículas. 2.7 Ensayos de Laboratorio Las muestras representativas se remiten al laboratorio para su respectivo ensayo. Los ensayos que generalmente se solicitan para caracterizar el suelo con fines de pavimentación son: 2.7.1 Ensayos para Clasificación de Suelos A las muestras representativas de los estratos que conforman la subrasante (hasta una profundidad de 1.50 m), se les realiza el análisis granulométrico por tamizado y límites de consistencia. Estos resultados deben corroborar la identificación visual realizada en campo. Los resultados del análisis granulométrico y los límites de consistencia se reportan gráficamente, como se muestra en la figura 2.1. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 21 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Suelo de Fundación Figura 2.1: Análisis granulométrico por tamizado. 2.7.2 Contenido de Humedad Para determinar el contenido de humedad de una muestra de suelo. Se obtiene aproximadamente 200 gr. de muestra que se protegen en un recipiente o una bolsa cerrada. Esta muestra se traslada al laboratorio y se pesa. Se lleva al horno por 24 horas, y luego de este período se vuelve a pesar. El contenido de humedad se reporta en porcentaje como: seco suelo Peso seco suelo Pesohumedo suelo Peso (%) − =ω 2.7.3 Ensayo de Densidad Natural El ensayo de densidad natural, permite conocer la condición natural del terreno de fundación. En suelos granulares será importante si el terreno está compacto o suelto. En terrenos de fundación conformados por subrasantes arenosas y limo arcillosas, este valor permitirá remoldear muestras en el laboratorio a la densidad de campo. Las muestras así remoldeadas, serán ensayadas en la prensa de CBR para determinar el CBR de diseño. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 22 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Suelo de Fundación Otra aplicación de este ensayo es en los controles de compactación de campo para el caso de la conformación de terraplenes, capas de afirmado, base y sub base. Conociendo la máxima densidad seca y el óptimo contenido de humedad del suelo a compactar, se puede verificar el porcentaje de compactación con este ensayo. En el mercado hay una diversidad de equipos que permiten medir la densidad natural del suelo y contenido de humedad. Entre ellos se encuentra el método del Cono y la Arena, densímetro nuclear, etc. EEnnssaayyoo ddee DDeennssiiddaadd NNaattuurraall mmeeddiiaannttee eell CCoonnoo ddee AArreennaa EEnnssaayyoo ddee DDeennssiiddaadd NNaattuurraall ccoonn DDeennssíímmeettrroo NNuucclleeaarr AASSTTMM DD 22992222 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 23 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Suelo de Fundación 2.7.4 Contenido de Sales Solubles (Carbonatos, Cloruros y Sulfatos, etc) En casos especiales, dependiendo de los condicionantes geológicos de sitio, es importante determinar el contenido de sales solubles que pueden influir en el comportamiento mecánico o impactar en las obras de concreto como son los cloruros y sulfatos. En zonas áridas próximas a la línea de costa es probable encontrar presencia significativa de sales solubles, ya que el mar es una fuente generadora de sales. Existe una regla en el sentido que áreas ubicadas a menos de 5 km. del mar presenta contenido de sales. 2.7.5 Ensayo Proctor Modificado, ASTM D 1557 La compactación de suelos constituye un capítulo importantísimo y se halla íntimamente relacionada con la pavimentación de carreteras, vías urbanas y pistas de aterrizaje. El ensayo de compactación mediante el ensayo de proctor modificado, relaciona la humedad del suelo versus su densidad seca, empleando un martillo de 4.54 kg (10 lb) soltado desde una altura de 457 mm (18 pulg), trasmitiendo una energía de compactación de 56,000 lb-pie/pie3 ó 2,700 kN-m/m3. El suelo extraído de campo es compactado en un molde de dimensiones conocidas, con diferentes contenidos de humedad. Para contenidos bajos de humedad el suelo no se compactará adecuadamente, porque no existe la lubricación que permita el acomodo de las partículas. Para altos contenidos de humedad el suelo pierde densidad, porque el agua entre las partículas impide que estas se junten. Solo se tendrá una máxima densidad seca, MDS. La humedad a la que la muestra alcanza su máxima densidad seca, se denomina óptimo contenido de humedad. Los resultados de este ensayo son graficados como se muestra en la figura 2.2. Los resultados de la figura 2.2 indican que el suelo ensayado alcanza su máxima densidad seca, MDS, a 2.176 gr/cm3 y el contenido de agua asociado a esta densidad, OCH, es 7.88%. En suelos granulares densos, la densidad de campo es muy cercana a la MDS del proctor modificado; sin embargo, en suelos finos como las arenas y arcillas limosas, la densidad de campo, generalmente, es mucho menor que la MDS. La Humedad Natural de Suelos Arenosos y Limo-Arcillosos muchas veces alcanzan valores muy por encima del O.C.H. y la Densidad Natural presenta valores mucho menores al Ensayo Proctor Modificado. En Conclusión, el terreno de fundación no alcanzará y/o estará lejos de la Densidad Equivalente al 95% ó 100% de la MDS, criterio que se asume como regla general. Figura 2.3. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 24 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Suelo de Fundación Curva de Compactación 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 5 6 7 8 9 10 Contenido de Humedad (%) P es o E sp ec íf ic o S ec o ( g r/ cc ) 11 Figura 2.2: Curva de compactación del proctor modificado Si el lector desea tener mayor información sobre el proyecto de investigación realizado por los autores durante el año 2000, titulado “C.B.R. DE SUBRASANTES ARENOSAS Y LIMO-ARCILLOSAS” podrá remitirse al Anexo A de este libro. 1.45 1.65 1.85 2.05 4 8 12 16 20 24 Humedad (%) D en si da d S ec a (g r/c m 3 ) 11.7 1.971 (20.1,1.62) Proctor Modificado Condición Natural Figura 2.3: Curva Densidad Seca –Humedad. Av. La Paz Cdra. 10 San Miguel - Lima S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 25 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Suelo de Fundación 2.7.6 California Bearing Ratio (C.B.R.) Los métodos de diseño de pavimentos relacionan el valor de la capacidad de soporte del suelo o CBR con el módulo resiliente del material. El módulo resiliente es el parámetro que se utiliza en el diseño del pavimento. El módulo resiliente se obtiene de ensayos triaxiales mediante ciclos de carga y descarga; sin embargo, AASHTO 2002 presenta una ecuación que permite correlacionar el valor del módulo resiliente con el del CBR. De aquí la importancia de evaluar adecuadamente el CBR del material. El ensayo de “California Bearing Ratio” o CBR, es un ensayo relativamente simple, comúnmente usado para obtener un índice de la resistencia del suelo de subrasante, material de base, sub base o afirmado. Para materiales de base, sub base y afirmado, así como subrasantes granulares, el CBR puede estar asociado a la máxima densidad seca del próctor modificado; sin embargo, para subrasantes finas (subrasantes arenosas, arcillosas o limosas) el valor del CBR debe estar asociado a su densidad de campo. Investigaciones han demostrado que el CBR de suelos finos en muestras compactadas al OCH y MDS, arrojan valores de CBR muy por encima de su valor real. Tranquilamente una arcilla compactada al OCH y MDS puede tener un CBR de 15%, pero ensayada en su condición natural el CBR puede ser menor a 2 ó 3%. El comportamiento de la subrasante es función de la humedad y densidad, asociado a las condiciones ambientales del sitio. En suelos de baja capacidad de soporte donde los valores de humedad alcanzan la condición saturada y los valores de densidad de campo están muy por debajo de la densidad de compactación, los valores de los módulos elásticos realmente son muy bajos. Se proponen tres métodos para determinar el valor de CBR: CBR in situ, mide directamente la deformación ante una carga aplicada, CBR en muestras inalteradas, es un método recomendado para subrasantes de suelos finos. Consiste en obtener una muestra inalterada de campo, que será protegida para que no pierda su humedad natural (si no fuese posible obtener una muestra inalterada de campo, se puede preparar especimenes en laboratorio a la humedad y densidad natural). En el laboratorio se realiza el ensayo de penetración en su condición natural y saturada, siguiendo el mismo procedimiento que en muestras remoldeadas. CBR en muestras remoldeadas, método recomendado para subrasantes granulares, materiales de base, sub base y afirmado. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 26 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Suelo de Fundación Los especimenes pueden ensayarse en su condición natural o saturada, luego de un período de inmersión en agua, la condición saturada es la más desfavorable. El CBR es la relación (expresada en porcentaje) entre la resistencia a la penetración requerida para que un pistón de 3 pulg2 de área penetre 0.1 pulg dentro de un suelo entre 1000 psi que es la resistencia a la penetración de una muestra patrón. La muestra patrón es una piedra chancada. El CBR se expresa como: 100 lgpu/lb 000,1 pulg 0.1 penetrar para requerida (psi) npenetracio la a aResistenci CBR 2 ×= En ocasiones, el CBR calculado para una penetración de 0.2 pulg. con su correspondiente resistencia a la penetración estándar de 1500 psi, puede ser mayor que el obtenido para una penetración de 0.1 pulg. Cuando esto ocurre, se debe realizar un nuevo ensayo, si los resultados son similares, el valor del CBR para 0.2 pulg de penetración, se reporta como el CBR representativo de la muestra. 2.8 Concepto de Capacidad de Soporte de la Subrasante La capacidad de soporte de la subrasante, es la capacidad que tiene el suelo de soportar los esfuerzos verticales transmitidos por las cargas de tránsito. La deformación del suelo la deflexión resultante deberán ser menores a las admisibles. Para que la estructura de pavimento se comporte adecuadamente y cumpla el período de diseño, presentará una deflexión máxima de 0.20 mm. para cargas estáticas transmitidas por un eje estándar de 8.2 ton. La deflexión máxima, bajo cargas estáticas, puede ser medida con la Viga Benkelman, esto significa que al nivel de subrasante la deflexión máxima será de 0.5 a 1 mm. Los reglamentos estatales en EE.UU. recomiendan que el valor CBR de la subrasante debe ser como mínimo entre 8 y 10%. Caso contrario, se deberá primero estabilizar el terreno antes de construir la estructura del pavimento. 2.9 Estratigrafía de los suelos nomenclatura y simbología Se debe realizar la descripción de los diferentes estratos que conforman el terreno investigado. Se detallaran las características físicas, clasificación visual, color, humedad, plasticidad de los finos, consistencia o densidad relativa y algunas características particulares como cementación, presencia de troncos, raíces o cualquier material extraño. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 27 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Suelo de Fundación Se mencionará, además, la profundidad a la que se encuentre el nivel freático, si fuera el caso, indicando la fecha de medición y comentarios sobre su variación en el tiempo. Además, es importante indicar, el resultado de los ensayos de laboratorio obtenidos para los estratos evaluados, de manera que la información sea mas clara. 2.10 Registros estratigráficos. Todos los resultados de la evaluación de campo y ensayos de laboratorio se indican en los registros estratigráficos. Los registros estratigráficos se preparan para cada calicata o cada exploración con equipo de penetración. Un ejemplo de registro de calicata con ensayo de penetración ligera se muestra en la figura 2.4. 2.11 Perfil longitudinal del terreno El perfil longitudinal del terreno en estudio es el resultado gráfico de la interpolación de las calicatas. En este perfil se visualiza la disposición de los estratos en toda la subrasante. Los perfiles se obtienen de los trabajos de campo, como calicatas y ensayos de penetración. Todos los resultados de laboratorio deben indicarse en este perfil. De esta manera se puede tomar la decisión de los trabajos que serán considerados en el diseño y ejecución del proyecto. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 28 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Suelo de Fundación 0 10 20 30 50 2.20 50 P R O F U N D . (M E T R O S ) T ip o d e S o n d eo DESCRIPCION DEL MATERIAL P R O F U N D ID A D ( M E T R O S ) ENSAYO DE PENETRACION LIGERA Golpe x 10cm. GRAFICA DE N 0.10 0.10 S im b o lo SM 4 0.20 0.20 6 0.30 0.40 0.30 11 0.40 7 0.60 0.60 10 0.50 0.50 6 0.70 0.80 9 0.90 11 0.70 12 0.80 1.00 0.90 1.00 12 1.10 1.10 25 Arena limosa, humeda, con raicez, en estado suelto a semi- compacto, cementado. Presencia de gravillas aisladas. NDPL de 6 a 12. 1.20 GP-GM 1.20 32 1.30 1.30 28 1.40 1.40 50 1.50 1.50 50 1.60 1.60 50 1.70 1.70 50 1.80 50 1.90 1.90 50 2.00 2.00 50 2.10 2.10 50 2.20 Grava limosa, pobremente graduada, semi compacto, con presencia de bolones subredondeados de TM=8". Porcentaje de bolones de 25%. NDPL mayor de 50. Clasificacion SUCS : GP-GM Humedad, ω : 4.1% Limite liquido, LL : 21% Indice Plastico, IP : N.P. % de finos > > > > > > > > Figura 2.4: Ejemplo de registro de calicata y sondaje S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 29 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 CAPITULO 3: MATERIAL DE PRÉSTAMO 3.1 Introducción Los agregados empleados en la construcción de carreteras, deben cumplir con requisitos de granulometría y especificaciones técnicas, que garanticen un buen comportamiento durante su periodo de vida. En este capítulo se cubrirá el tema de la granulometría y calidad de agregados que conformarán las capas de afirmado, sub base y base. Durante los últimos 10 años se han desarrollado nuevas tecnologías y criterios para el diseño de mezclas asfálticas, variando los criterios del diseño de mezclas, pero los métodos de evaluación de calidad de los agregados no se ha modificado. Las especificaciones granulométricas de las carpetas asfálticas, se verán con detalle en el capítulo correspondiente, donde se tratará de los tipos de mezclas asfálticas. Sin embargo, en este capítulo se consideran los ensayos de calidad de agregados para carpetas asfálticas. 3.2 Especificaciones Técnicas de Material de Préstamo: Afirmado, Sub Bases y Bases Granulares. Mezclas de Suelos y Agregados 3.2.1 Especificaciones Granulométricas Los materiales granulares que conformaran las capas de afirmado, sub base y base, deben cumplir con rangos granulométricos especificados por el MTC. La gradación es una de las más importantes propiedades de los agregados. Este afecta casi todas las propiedades importantes de una mezcla asfáltica en caliente, incluyendo dureza, estabilidad, durabilidad, permeabilidad, trabajabilidad, resistencia a la fatiga, resistencia al rozamiento, y resistencia a la humedad. De esta manera, la gradación es la primera consideración en un diseño de mezclas asfálticas. Teóricamente, es razonable pensar que la mejor gradación sea la densa o bien gradada; sin embargo, recientes investigaciones han demostrado que las mezclas del tipo Stone Mastic Asphalt, SMA, tienen un mejor comportamiento cuando están sometidas a la acción de tráfico pesado, en zonas de altura. Las especificaciones granulométricas vigentes en el Perú son las Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras EG-2000, del Ministerio de S. MINAYA & A. ORDOÑEZ Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Material de Préstamo Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construcción, Oficina de Control de Calidad. En la tabla 3.1 se listan los rangos máximos y mínimos para materiales de afirmado. En la figura 3.1 se grafican los rangos especificados. Tabla 3.1: Huso Granulométrico para Afirmado Muestra Afirmado (% que pasa) Abertura Tamiz A-2 A-1 (mm) 2" 50,000 100 -.- 1 ½” 37.500 100 -.- 1" 25,000 90-100 100,0 ¾” 19.000 65-100 80-100 3/8" 9,500 45-80 65-100 Nº4 4,750 30-65 50-85 Nº10 2,000 22-52 33-67 Nº40 0,425 15-35 20-45 Nº200 0,075 5-20 5-20 Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras EG- 2000, Ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construcción, Oficina de Control de Calidad Huso Granulométrico para Afirmados 3" 2" 3/ 4" N º4 N º2 00 0 20 40 60 80 100 0.010.1110100 Abertura (mm) % a cu m ul ad o qu e pa sa A-2 A-1 Figura 3.1: Rangos Granulométricos para Materiales de Afirmado, Sub-base y Base Granulares (MTC) Las especificaciones técnicas para rangos granulométricos de materiales de sub base y base, son los mismos. Las normas ASTM D 1241 las especifican bajo el título Standard Specification for Materials for Soil-Aggregate Subbase, Base and Surface Courses, ésta S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 31Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Material de Préstamo norma fue revisada por última vez en 1994. El Ministerio de Transportes y Comunicaciones la hizo suya y las consideró dentro de las especificaciones emitidas en el año 2000. La tabla 3.2 muestra las especificaciones granulométricas para materiales de sub base y base granular. En la figura 3.2 se muestran las especificaciones gráficamente. Tabla 3.2: Huso para Sub-Base y Base Granular Porcentaje que pasa en peso Abertura Tamiz Gradación B Gradación C Gradación DGradación A(1) (mm) 2" 50,000 100 100 -.- -.- 1" 25,000 -.- 75-95 100 100 3/8" 9,500 30-65 40-75 50-85 60-100 Nº4 4,750 25-55 30-60 35-65 50-85 Nº10 2,000 15-40 20-45 25-50 40-70 Nº40 0,425 8-20 15-30 15-30 25-45 Nº200 0,075 2-8 5-15 5-15 8-15 Standard Specification for Materials for Soil-Aggregate Subbase, Base and Surface Courses. ASTM D-1241-68 (Reapproved 1994); y Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras EG-2000, Ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construcción, Oficina de Control de Calidad: (1) la curva “gradación A” deberá emplearse en zonas con altitud mayor o igual a 3000 m.s.n.m. 3.2.2 Calidad de Agregados Para verificar la calidad de un determinado banco de materiales, estos deben ser sometidos a ensayos de suelos, debiendo cumplir con las especificaciones técnicas emitidas por el Ministerio de Transportes y Comunicaciones EG-2000. Los materiales que serán empleados como material de afirmado o sub base podrá ser agregado natural, triturado o una combinación de ambos. Los agregados para bases deberán ser chancados. Todos los agregados utilizados como afirmados, sub base y base serán resistentes, sin exceso de partículas chatas o alargadas, no podrán presentar terrones de arcilla ni materia orgánica. Los ensayos a los que están sometidos los suelos son: Abrasión “Los Angeles”, Equivalente de Arena, ensayo de proctor modificado, CBR asociados a la máxima densidad seca y al óptimo contenido de humedad del proctor, partículas chatas y alargadas, caras de fractura, sales solubles y contenido de impurezas orgánicas. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 32Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Material de Préstamo Huso Granulométrico para Sub Bases y Bases Granulares 3" 2" 3/ 4" N º4 N º2 00 0 20 40 60 80 100 0.010.1110100 Abertura (mm) % a cu m ul ad o qu e pa sa B A Rango Granulométrico para Sub Bases y Bases Granulares 3" 2" 3/ 4" N º4 N º2 00 0 20 40 60 80 100 0.010.1110100 Abertura (mm) % a cu m ul ad o qu e pa sa D C Figura 3.2: Rangos granulométricos para materiales de sub base y base granulares (MTC) Las muestras al llegar al laboratorio se separan, porque serán ensayadas para que verifique diferentes requisitos de calidad. En la tabla 3.3 se muestra en resumen, los ensayos a los que están sometidas las muestras que conformarán las capas de afirmado, sub base, base o carpeta de rodadura. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 33Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Material de Préstamo Tabla 3.3: Ensayos de Calidad de Agregados Asfalto Sub base Base Afirmado ENSAYOS Granular Piedra Arena Análisis Granulométrico por Tamizado X X X X X Límites de Consistencia X X X Equivalente de Arena X X X X Peso específico y Absorción X X Peso unitario suelto X X Peso unitario varillado X X Abrasión X X X X Proctor Modificado X X X CBR X X X Porcentaje de caras fracturadas X X X % de partículas chatas y alargadas X X X Contenido de impurezas orgánicas X X X Contenido de sales solubles totales X X X X X Adherencia (entre mallas Nº3/8" y ¼") X Riedel Weber (según norma a emplear) X Durabilidad X X En la tabla 3.4 se listan las especificaciones técnicas que deben cumplir los materiales que serán usados como afirmado, sub base y base. 3.2.3 Suelos Estabilizados Las normas del Ministerio de Transportes y Comunicaciones considera dentro de sus especificaciones a los suelos estabilizados con cemento y cal, se harán un breve resumen de ambas combinaciones. a) Estabilizados con Cemento El material a estabilizar con cemento podrá ser A-1, A-2, A-3, A-4, A-5, A-6 y A-7, con tamaño máximo de 2” y no mayor de 1/3 del espesor de la capa compactada. En la tabla 3.5 se muestran las especificaciones del agregado que será estabilizado con cemento. El cemento con que será estabilizado el suelo será portland, el cual deberá cumplir con la Norma Técnica Peruana NTP 334.009, Norma AASHTO M85 ó ASTM C 150. El cemento que podrá ser empleado es el denominado Tipo I o cemento portland normal. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 34Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Material de Préstamo Tabla 3.4: Especificaciones Técnicas para Materiales empleados en Construcción de Carreteras Sub base granular Base granular Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Material de Préstamo La mezcla suelo-cemento se diseña mediante los ensayos de resistencia a compresión simple y humedecimiento-secado (normas MTC E 1103 y MTC E 1140). En ensayos de compresión simple, la resistencia no debe ser menor de 1.76 MPa (18 kg/cm2) luego de 7 días de curado húmedo. Para el ensayo humedecimiento-secado, el contenido de cemento deberá ser tal, que la pérdida de peso de la mezcla compactada, no supere los siguientes límites de acuerdo con la clasificación que presente el suelo por estabilizar: Suelo por estabilizar Pérdida Máxima (%) A-1, A-2-4, A-2-5, A-3 14 A-2-6, A-2-7, A-4, A-5 10 A-6, A-7 7 b) Estabilizados con Cal El terreno de fundación se estabiliza con cal por diferentes razones: para agilizar la construcción, en el tratamiento de suelos expansivos y para proporcionar una cimentación fuerte a la estructura del pavimento. Un suelo estabilizado con cal puede ser rígido y durable, mejorando el comportamiento del pavimento. La incorporación de cal a suelos de gradación fina como las arcillas origina que los cationes de la superficie de arcilla sean sustituidos por los de óxido de calcio, incrementando el pH y alterando la mineralogía de la superficie de las moléculas de arcilla. Esta alteración reduce la capacidad de la arcilla para absorber agua y por lo tanto reduce su expansión y plasticidad, mejorando su estabilidad. Se debe incorporar cal al suelo y mezclar, agregar agua durante el mezclado. El suelo debe encontrarse dentro de ±2% del óptimo contenido de humedad previo a la compactación. La compactación debe realizarse dentro de los 30 minutos posteriores al mezclado final. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 36Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Material de Préstamo Los suelos que serán estabilizados con cal deberán cumplir con las especificaciones de la tabla 3.6, los suelos no deben tener mas del 3% en peso de materia orgánica. El tamaño máximo del agregado grueso que contenga el suelo no debe ser mayor de 1/3 del espesor de la capa compactada de suelo-cal. Tabla 3.6: Especificaciones de Agregado que será Estabilizado con Cal Ensayo Norma Agregado Agregado grueso fino ASTM D-4318 Indice Plástico, % 10 a 50% MTC E 111 ASTM C-131 Abrasión Los Angeles , % 50% máx 1 MTC E 207 ASTM C 88 Pérdida con Sulfato de Sodio , % 12% máx 10% máx 1 MTC E 209 1 en caso el suelo forme parte de una capa estructural Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras EG-2000, MTC, OCC La cal que se empleo para estabilizar bases de suelo-cal puede ser cal hidráulica y debe satisfacer los requisitos establecidos en la especificación AASHTO M 216 o ASTM C 977. La aplicación de la cal puede variar entre 2 y 8% en peso de los materiales. Cuando la mezcla de suelo-cal sea usada como parte de una capa estructural, el CBR de la mezcla deberá cumplir con las especificaciones citadas para materiales de sub base y base. c) Mezclas de Suelos y Agregados La combinación de agregados es un tema conocido por todo los estudiantes de ingeniería, los métodos son diversos, entre ellos se encuentran la dosificación de los agregados por peso y por métodos gráficos. Se dará a continuación un ejemplo del método gráfico del cuadrado, para combinación de dos agregados. Ejemplo: Combine los agregados A y B para que cumplan con las especificaciones: Porcentaje que pasa Tamiz Nº 3/4" 3/8" Nº4 Nº10 Nº40 Nº80 Nº200 Agregado A 100 48 31 25 22 15 8 Agregado B 100 75 58 43 15 5 1 Especificaciones 100 52-67 40-54 30-41 14-23 7-16 2-8 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 37Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Material de Préstamo 1. Se traza un cuadrado ABCD, sobre cuyos lados se marcan los porcentajes de 0 a 100 de izquierda a derecha en el lado AB y viceversa en el lado CD. Ver figura 3.3. 2. Sobre AD se marcan los porcentajes de uno de los agregados y sobre BC los porcentajes del otro. 3. Se unen con una línea continua los extremos correspondientes a un mismo tamiz, escribiendo sobre esta línea el tamiz al que corresponde. Sobre estas líneas se grafican pequeños cuadrados que representan los límites superior e inferior de las especificaciones 4. Se unen los cuadrados de los límites superiores (a, b, c, ......) y luego los cuadrados de los límites inferiores (a´, b´, c´, ...). 5. El espacio que une los cuadrados más cercanos (a y b´)representa el margen de porcentajes entre los cuales se puede hacer la combinación de los dos materiales. 6. Para el ejemplo puede variar (a) entre 70% del agregado B más 30% del agregado A; y (b´) de 35% del agregado B más 65% del agregado A. 3.3 Ensayos de calidad de agregados Todos los agregados que conformen alguna de las capas de la estructura del pavimento, deberán cumplir con las especificaciones de la tabla 3.4. Los ensayos considerados verifican cierta característica de los agregados, en este libro se describe las razones por las que se consideran en las especificaciones. Si el lector está interesado en conocer el procedimiento de ensayo, puede revisar el Manual de Laboratorio Ensayos para Pavimentos Volumen I, de S. Minaya y A. Ordoñez, primera edición, publicada por el Departamento de Mecánica de Suelos de la Universidad Nacional de Ingeniería, 2001. 3.3.1 Ensayo de Abrasión por medio de la Máquina de Los Ángeles ASTM C-131, MTC E 207 Los agregados deben ser capaces de resistir el desgaste irreversible y degradación durante la producción, colocación y compactación de las obras de pavimentación, y sobre todo durante la vida de servicio del pavimento. Debido a las condiciones de esfuerzo-deformación, la carga de la rueda es transmitida a la superficie del pavimento a través de la llanta como una presión vertical aproximadamente uniforme y alta. La estructura del pavimento distribuye los esfuerzos de la carga, de una máxima intensidad en la superficie hasta una mínima en la subrasante. Por esta razón los agregados que están en, o cerca de la superficie, como son los materiales de base y carpeta asfáltica, deben ser más resistentes que los agregados usados en las capas inferiores, sub base, de la estructura del pavimento, la razón se debe S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 38Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Combinación Gráfica de dos agregados 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Porcentajes G ra n u lo m et rí a A g re g ad o B Nº10 3/8" Nº4 Nº80 Nº40 Nº200 G ran u lo m etría A g reg ad o A b c d d´ c´ b´ a´ a Figura 3.3: Combinación de dos agregados por el método del cuadrado S. MINAYA & A. ORDOÑEZ Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Material de Préstamo a que las capas superficiales reciben los mayores esfuerzos y el mayor desgaste por parte de cargas del tránsito. Por otro lado, los agregados transmiten los esfuerzos a través de los puntos de contacto donde actúan presiones altas. El Ensayo de Abrasión de Los Ángeles, ASTM C-131 ó MTC E 207, mide básicamente la resistencia de los puntos de contacto de un agregado al desgaste y/o a la abrasión. El porcentaje de desgaste se calcula como la diferencia del peso inicial menos el peso final de la muestra ensayada, entre el peso inicial. 100 P PP desgaste % inicial finalinicial × − = 3.3.2 Ensayo de Durabilidad, Pérdida con Sulfato de Sodio o Magnesio ASTM C 88 ó MTC E 209 Es el porcentaje de pérdida de material en una mezcla de agregados durante el ensayo de durabilidad de los áridos sometidos al ataque con sulfato de sodio o sulfato de magnesio. Este ensayo estima la resistencia del agregado al deterioro por acción de los agentes climáticos durante la vida útil de la obra. Puede aplicarse tanto en agregado grueso como fino. El ensayo se realiza exponiendo una muestra de agregado a ciclos alternativos de baño de inmersión en una solución de sulfato de sodio o magnesio y secado en horno. Una inmersión y un secado se consideran un ciclo de durabilidad. Durante la fase de secado, las sales precipitan en los vacíos del agregado. En la reinmersión las sales se rehidratan y ejercen fuerzas de expansión internas que simulan las fuerzas de expansión del agua congelada. El resultado del ensayo es el porcentaje total de pérdida de peso sobre varios tamices para un número requerido de ciclos. Los valores máximo de pérdida son aproximadamente de 10 a 20% para cinco ciclos de inmersión-secado. Foto 3.1: Ensayo de durabilidad S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 40Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Material de Préstamo 3.3.3 Porcentaje de Partículas Chatas y Alargadas. ASTM D-4791; MTC E 211 Se ha demostrado en un sin número de investigaciones, que el exceso de partículas chatas y alargadas, pueden perjudicar el comportamiento de la estructura del pavimento. La carga proveniente del tráfico puede quebrar las partículas y modificar la estructura original. Se denomina partícula chata cuando la relación ancho/espesor es mayor de 1/3; y alargada cuando la relación largo/ancho es mayor de 1/3. 3.3.4 Porcentaje de Caras Fracturadas ASTM D-5821; MTC E 210 Algunas especificaciones técnicas contienen requisitos relacionados al porcentaje de agregado grueso con caras fracturadas con el propósito de maximizar la resistencia al esfuerzo cortante con el incremento de la fricción entre las partículas. Otro propósito es dar estabilidad a los agregados empleados para carpeta o afirmado; y dar fricción y textura a agregados empleados en pavimentación. La forma de la partícula de los agregados puede afectar la trabajabilidad durante su colocación; así como la cantidad de fuerza necesaria para compactarla a la densidad requerida y la resistencia de la estructura del pavimento durante su vida de servicio. Las partículas irregulares y angulares generalmente resisten el desplazamiento (movimiento) en el pavimento, debido a que se entrelazan al ser compactadas. El mejor entrelazamiento se da, generalmente, con partículas de bordes puntiagudos y de forma cúbica, producidas, casi siempre por trituración. 3.3.5 Ensayo de Equivalente en Arena ASTM D 2419; MTC E 114 Este método de ensayo asigna un valor empírico a la cantidad relativa, finura y características del material fino presente en una muestra de ensayo formado por suelo granular que pasa el tamiz Nº4 (4.75 mm). El término “Equivalente de Arena” transmite el concepto que la mayoría de los suelos granulares y agregados finos son mezcla de partículas gruesas, arenas y generalmente finos. Para determinar el porcentaje de finos en una muestra, se incorpora una medida de suelo y solución en una probeta plástica graduada que luego de ser agitada separa el recubrimiento de finos de las partículas de arena; después de un período de tiempo, se pueden leer las alturas de arcilla y arena en la probeta. El equivalente de arena es la relación de la altura de arena respecto a la altura de arcilla, expresada en porcentaje. Este método proporciona una manera rápida de campo para determinar cambios en la calidad de agregados durante la producción o colocación. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 41Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Material de Préstamo Foto 3.2: Ensayo Equivalente de Arena 3.3.6 Sales Solubles Totales ASTM D 1888; MTC E 219 El objetivo de este ensayo es cuantificar el contenido de cloruros y sulfatos, solubles en agua, de los agregados pétreos empleados en bases y mezclas bituminosas. Este método sirve para efectuar controles en obra, debido a la rapidez de visualización y cuantificación de la existencia de sales. Una muestra de agregado pétreo se somete a continuos lavados con agua destilada a ebullición. La presencia de sales, se detecta mediante reactivos químicos, los cuales, al menor indicio de sales forman precipitados fácilmente visibles. Del agua total de lavado, se toma una parte y se procede a cristalizar para determinar la cantidad de sales presentes. 3.4 Ensayos para Cuantificar el Comportamiento Mecánico de las Capas que conforman la Estructura del Pavimento Los materiales que conformaran las capas de afirmado, sub base y base deberán ser ensayados con el método de proctor modificado para determinar su máxima densidad seca y el optimo contenido de humedad. Con estos valores se prepararan especimenes remoldeados para el ensayo de CBR. El CBR asociado al 95% de la máxima densidad será el CBR de diseño para cada capa. Se debe recalcar que el CBR asociado a la máxima densidad seca, es un método que se recomienda usar sólo en el caso de material de cantera (afirmado, sub base y base) o en subrasantes granulares. No se recomienda emplear este método en subrasantes finas. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 42Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 CAPITULO 4: MATERIALES ASFÁLTICOS 4.1 Antecedentes El asfalto es uno de los materiales más antiguos utilizados como aglutinante o impermeabilizante. Las primeras carreteras pavimentadas en los EE.UU. fueron en la Av. Pennsylvania, frente a la Casa Blanca. El asfalto usado fue natural proveniente de la Isla Trinidad en las costas de Venezuela. La otra fuente de asfalto natural se encuentra en Bermudez-Venezuela. Los asfaltos naturales se encuentran en depresiones de la corteza terrestre formando los lagos de asfalto o aparecen impregnados en calizas, formaciones de areniscas o similares, formando las llamadas rocas asfálticas, también se encuentran mezclados por impurezas minerales. Durante 1800 y 1900 la demanda de las carreteras pavimentadas se incremento tan rápido que la extracción y transporte desde los lagos de asfalto hasta la obra, fue limitando la construcción de estos pavimentos. Se tuvo que considerar otra fuente para producir asfalto, es así que la mayoría de los asfaltos utilizados en la actualidad son provenientes del refine del petróleo. 4.2 Definiciones Asfalto ASTM lo define como un material cementante, de color oscuro y de consistencia variable, cuya rigidez depende de la temperatura en que se encuentre. A temperatura ambiente el asfalto es sólido a semisólido, y cuando su temperatura se eleva se vuelve líquido, esta condición permite que los agregados sean cubiertos completamente, durante la mezcla. El asfalto usado en pavimentación, generalmente llamado cemento asfáltico, a altas temperaturas (135ºC) es poco rígido, condición que permite que se adhiere fácilmente a las partículas del agregado y, por lo tanto, es un excelente cemento que une los agregados en mezclas en caliente. El cemento asfáltico también es usado como impermeabilizante y no es afectado por los ácidos, los alcális (bases) o las sales. Esto significa que un pavimento de concreto asfáltico construido adecuadamente es impermeable y resistente a muchos tipos de daño químico . 1 1 Principios de la Construcción de Mezcla Asfáltica en Caliente. Serie de Manuales No.22 (MS-22), Asphalt Institute S. MINAYA & A. ORDOÑEZ Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Materiales Asfálticos El asfalto al entrar en contacto con el oxígeno del medio ambiente reacciona, perdiendo sus propiedades elásticas y volviéndose duro y frágil. Esta es una de las características del asfalto que trata de retardarse, pero que se desarrolla con el tiempo. En una mezcla convencional (asfalto + agregado de granulometría completa) el porcentaje de asfalto es de 6.5% y del agregado de 93.5% en peso de la mezcla, aprox.; sin embargo, es importante resaltar como un material cuya participación es mínima puede tener tanto efecto en el comportamiento de la mezcla. Foto 4.1. Foto 4.1: Cemento asfáltico a temperatura ambiente y de briqueta preparada con una mezcla cemento asfáltico-agregado. 4.3 Refinamiento del petróleo Si se tuviese en un depósito alcohol y agua y éste se llevase a calentar, a 72ºC aprox. el alcohol comenzaría a evaporarse. Cuando la temperatura alcance los 100ºC el agua se evaporaría. De manera similar se refina el petróleo. Mediante el incremento paulatino de temperatura el crudo del petróleo se descompone liberando los solventes más livianos, como la gasolina, el kerosene y el diesel. Para separar los destilados mas pesados, no solo es necesario incrementar la temperatura sino someterlo a vacío. Luego de un periodo de tiempo se obtendrá el cemento asfáltico. En la figura 4.1 se muestra la temperatura a la cual los solventes se van separando del crudo del petróleo. En la figura 4.2 hay un esquema del proceso de refine del petróleo. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 44Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Materiales Asfálticos Figura 4.1: Productos y Temperaturas Típicas de Destilación Principios de la Construcción de Mezcla Asfáltica en Caliente. MS-22, Asphalt Institute Si el cemento asfáltico se combina con algún solvente se obtienen los asfaltos diluidos o cutbacks. Así, si el asfalto se combina con gasolina será asfalto de curado rápido (Rapid Cured, RC), si se combina con kerosene será de curado medio (Medium Cured, MC) y con diesel del curado lento (Slow Cured, SC). Si el cemento asfáltico se combina con agua y un agente emulsificante se obtienen los asfaltos emulsificados. Tanto en el caso de asfaltos diluidos como de asfaltos emulsificados, el objetivo es darle trabajabilidad al cemento asfáltico. Puesto que en esta condición los asfaltos pueden trabajarse a temperaturas que van de 60º a 20ºC, respectivamente. Luego de la colocación de la mezcla el solvente o el agua se evaporará y quedará el asfalto solo. Por lo tanto es importante conocer el comportamiento mecánico del cemento asfáltico. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 45Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Materiales Asfálticos Almacenamiento de campo Estacion de Bombeo Destilados Livianos procesamiento Gasolina Destilados pesados Aceite diesel Unidad de procesa- miento Cemento asfaltico Planta de emulsiones Destiladora Aire Asfaltos oxidados Almacenamiento Torre de Destilacion Residuo o GAS PETROLEO ARENA Y AGUA Condensadores y enfriadores Refinería Destilados medianos Kerosene Pozo de petroleo Asfalto refinado al aire Calentador de tubos Agua Asfaltos emulsificados Asfaltos Diluidos de Curado: Rápido Medio Lento Figura 4.2: Refinamiento del Petróleo S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 46 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Materiales Asfálticos 4.4 Comportamiento mecánico del Cemento Asfáltico La naturaleza del asfalto es viscoelástica, esto quiere decir que su comportamiento depende de la temperatura y el tiempo de aplicación de la carga. El asfalto a altas temperaturas tiene menor rigidez, típico durante la temperatura de mezcla (135ºC). A medida que la temperatura desciende el asfalto se vuelve más rígido. A temperaturas muy bajas es asfalto puede agrietarse porque se vuelve frágil y quebradizo. COMPORTAMIENTO REAL Rigidez Rigidez Figura 4.3 Comportamiento del Asfalto Un comportamiento análogo se observa cuando se grafica el tiempo de aplicación de la carga (velocidad) y la rigidez. Cuando las cargas aplicadas son rápidas el asfalto tiene mayor rigidez y cuando las cargas son lentas hay menor rigidez y mayor deformación. 4.4.1 Comportamiento a altas temperaturas En climas cálidos (el oriente del Perú, épocas de verano) o sometido a cargas de tráfico lentas (intersecciones, tramos en pendiente), el cemento asfáltico se comporta como un líquido viscoso, dejando que el agregado soporte las cargas cíclicas. Con esta condición la estructura granular de la mezcla asfáltica cumple un papel muy importante. El asfalto solo es el aglutinante. Por definición, la viscosidad es la característica física del material que describe la resistencia de los líquidos a fluir. Si el flujo del cemento asfáltico en caliente es lento puede ser observado microscópicamente como capas adyacentes de moléculas deslizándose unas sobre otras. La resistencia o fricción entre capas se relaciona a la velocidad relativa de deslizamiento. -50 0 50 100 150 T [°C] Tiempo de carga [s] 10 -s 10 10 FrágilFrágil Dúctil Dúctil S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 48Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Materiales Asfálticos La viscosidad es una característica que ayuda a diferenciar a los líquidos y se define como el esfuerzo de corte entre la velocidad de deformación por corte. La figura 4.4 muestra un juego de cartas que tienen una línea vertical marcada a un lado. Cuando se aplica el corte en el punto superior, las cartas tratan de deslizarse una sobre la otra y los puntos marcados en las cartas empiezan a separarse. La velocidad al corte es la velocidad a la cual estos puntos se separan. Dirección del flujo de las capas Esfuerzo de corte τ, entre capas n 2 1 Capa No: n 2 1 Capa No: Figura 4.4: Características del Flujo de Líquidos Los fluidos Newtonianos tienen una relación lineal entre el esfuerzo de corte y la velocidad relativa. El aire, agua y asfalto caliente (a temperaturas mayores que 60ºC) son comúnmente fluidos Newtonianos. A temperaturas moderadas, la viscosidad del asfalto decrece cuando la velocidad relativa se incrementa. Los líquidos viscosos como el asfalto caliente algunas veces son llamado plásticos porque una vez que empiezan a fluir no retornan a su posición original. El rutting o ahuellamiento es la acumulación de deformaciones plásticas no recuperables. Foto 4.2: Ahuellamiento o deformación permanente o rutting S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 49Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Materiales Asfálticos 4.4.2 Comportamiento a bajas temperaturas En climas fríos o bajo aplicaciones de carga rápida, el cemento asfáltico se comporta como un sólido elástico. Los sólidos elásticos son como ligas porque cuando cesa la carga que los deforma, regresan a su posición original. Si el material se esfuerza más allá de su capacidad, el sólido elástico puede romperse. El agrietamiento por bajas temperaturas algunas veces ocurre en los pavimentos cuando están sometidos a climas fríos (Conococha, Ticcllo). En estos casos, las cargas aplicadas producen esfuerzos internos que se acumulan en el pavimento asfáltico que tenderá a contraerse mientras su movimiento es restringido por las capas inferiores. Foto 4.3: Agrietamiento por bajas temperaturas o low temperatura cracking 4.4.3 Comportamiento a temperaturas intermedias En estos climas el asfalto muestra características de líquido viscoso y sólido elástico. A estas temperaturas, el asfalto es un excelente material adhesivo usado en pavimentación. Cuando se calienta el asfalto actúa como un lubricante, permitiendo mezclarse con el agregado, cubrirlo y compactarse formando una superficie lisa y densa. Tan pronto como se enfría, el asfalto actúa manteniendo juntos los agregados en la matriz sólida. En esta etapa el comportamiento del asfalto es viscoelástico, es decir, tiene características elásticas y viscosas, dependiendo de la temperatura y velocidad de aplicación de carga. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 50Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Materiales Asfálticos 4.4.4 Comportamiento del ligante envejecido Como el cemento asfáltico está compuesto por hidrocarburos (combinación de hidrógeno y carbono) y nitrógeno, oxígeno y otros elementos. El asfalto cuando se disuelve en heptano se descompone en asfaltenos y maltenos. Los asfaltenos le proporcionan al asfalto el color y rigidez. Los maltenos son líquidos viscosos compuestos de resinas y aceites. Las resinas son, por lo general, líquidos pesados de color ámbar y pardo oscuro, mientras que los aceites son de color mas claro. Las resinas le otorgan las cualidades adhesivas al asfalto, mientras que los aceites son el medio de transporte de asfaltenos y resinas. Durante la reacción con el oxígeno del medio ambiente, esto ocurre principalmente cuando el asfalto tiene elevadas temperaturas o cuando una película delgada de asfalto recubre la partícula, Las resinas se convierten gradualmente en asfaltenos y los aceites en resinas, ocasionando así un incremento en la rigidez del asfalto. Esta reacción se denomina oxidación. La oxidación cambia la estructura y composición de las moléculas de asfalto haciéndolo más frágil o quebradizo. La inapropiada compactación puede generar oxidación o endurecimiento prematuro. En estos casos, los inadecuados niveles de compactación tienen altos porcentajes de vacíos de aire interconectados, que permiten que más aire o el agua penetre en la mezcla acelerando la oxidación. 4.5 Esfuerzos y Deformaciones en ensayos dinámicos Las cargas aplicadas al pavimento son móviles, cuando la carga se acerca al punto de análisis ubicado en la carpeta asfáltica, ésta se deforma debido a que la presión se incrementa, existe entonces incremento tanto de la carga como la deformación. Cuando la carga se aleja, la presión en el punto de análisis disminuye y deformación en la carpeta cesa, esta condición no se da de manera simultánea, existe un tiempo de retardo, δ, como se puede ver en la figura 4.5. 4.6 Especificaciones y ensayos para cementos asfálticos Como la química del asfalto es muy compleja, la experiencia ha demostrado que las especificaciones deben estar relacionadas con las propiedades físicas o de manera más precisa, con su comportamiento mecánico. Las especificaciones actuales en el Perú utilizan todavía los ensayos de penetración, viscosidad y ductilidad para evaluar el asfalto. Muchos de los ensayos actuales son empíricos, significando que la experiencia es todavía necesaria para que los resultados de los ensayos se puedan interpretar adecuadamente. Sin embargo, tal práctica ha demostrado que tiene importantes limitaciones. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 51Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Materiales Asfálticos Terreno de fundación Carpeta asfáltica Veloc. σo εo δ Tiempo Figura 4.5: comportamiento esfuerzo-deformación en mezclas asfálticas Reconociendo las deficiencias de tal sistema, las agencias estatales de carreteras de los Estados Unidos tuvieron que implementar un programa de investigación para adoptar un nuevo sistema para especificar el pavimento asfáltico. En 1987, la SHRP inició estudios para desarrollar nuevos ensayos que permitan medir las propiedades físicas del asfalto. La inversión de $50 millones de dólares se plasmó en las especificaciones del Ligante Superpave, que requiere de un nuevo paquete de equipos para ensayos y procedimientos. Se llamó especificaciones del “ligante” porque se engloba a los asfaltos modificados y no modificados. El avance más significativo fue probablemente cambiar ensayos empíricos por ensayos donde el ligante puede ser caracterizado a variaciones de temperaturas controladas obtenidas de campo. Los ensayos de Reómetro de Corte Dinámico (DSR), Reómetro de Viga de Flexión (BBR) y Ensayo de Tensión Directa (DTT) reemplazaron a los ensayos de viscosidad, penetración y ductilidad, respectivamente. Junto con el envejecimiento en planta (RTFO) se adoptó el envejecimiento durante la vida de servicio (PAV). 4.6.1 Ensayos de Penetración y Viscosidad Ensayo de Penetración Entre los años 40 y 50 el sistema de clasificación por penetración fue usado en los EE.UU. y Canadá. El ensayo de penetración realizado a 25ºC (temperatura elegida como el promedio de la temperatura de servicio del pavimento), indica la rigidez del asfalto, que solo puede ser relacionado con su comportamiento en campo mediante la experiencia. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 52Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Materiales Asfálticos Como el valor de la penetración no es una medida fundamental dicho valor no puede ser racionalmente incluida en modelos mecanísticos. El ensayo consiste en aplicar una carga patrón en la superficie de una muestra de cemento asfáltico a 25ºC. Se debe medir la penetración de la aguja en la muestra, luego de 5 segundos. Si el asfalto es duro la penetración será menor que cuando el asfalto es blando. Se recomendó siempre la utilización de asfaltos duros para carreteras en la selva mientras que los blandos eran recomendados para carreteras en la sierra o zonas con bajas temperaturas. 100 g Inicial Penetración de 0.1 mm Luego de 5 s. Cemento asfáltico a 25ºC Cemento asfáltico a 25ºC Figura 4.6: Esquema del Ensayo de Penetración La figura 4.7 muestra uno de los mayores problemas de clasificar el asfalto por penetración, como se muestra se pueden tener tres tipos de asfalto de diferentes fuentes con la misma clasificación por penetración (25ºC), pero con diferentes propiedades a temperaturas diferentes. Temperatura, ºC Alto Bajo Medio Figura 4.7: Comportamiento de asfaltos de diferentes fuentes, clasificados con el mismo grado de penetración S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 53Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Materiales Asfálticos Las normas EG-2000 del Ministerio de Transportes y Comunicaciones recomienda cementos asfálticos clasificados por penetración según la temperatura media anual. Temperatura Media Anual 24ºC ó (+) 24º-15ºC 15º-5ºC (-) de 5ºC PEN 40-50 60-70 modificado PEN 60-70 PEN 85-100 120-150 Asfalto Modificado Ensayo de Viscosidad El sistema de gradación por viscosidad se basó en los ensayos de viscosidad del ligante. La viscosidad es una medida fundamental del flujo, que proporciona información acerca del comportamiento viscoso a mayores temperaturas. Las temperaturas de ensayo son de 60ºC y 135ºC. Sin embargo, este ensayo no es adecuado para controlar el comportamiento mecánico del ligante no newtonianos (y viscoelásticos), requiriendo de ensayos adicionales al de la viscosidad. Las especificaciones generalmente se refieren a la viscosidad del asfalto a dos temperaturas diferentes, 60ºC (viscosidad absoluta) y 135ºC (viscosidad cinemática). La primera es para clasificar el cemento asfalto y representa la viscosidad del cemento asfáltico a la temperatura más alta de servicio; la segunda corresponde aproximadamente a la viscosidad del asfalto durante el mezclado y colocación. La viscosidad absoluta mide el tiempo que requiere el asfalto para fluir a través de un tubo capilar calibrado a 60°C, como el asfalto a esa temperatura es muy rígido, se requiere someter al vacío a la muestra para que el asfalto se mueva a través del tubo en un tiempo razonable. Figura 4.8. Figura 4.8: Viscosidad Absoluta Línea de llenado marca S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 54Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Materiales Asfálticos La viscosidad cinemática se ensaya a 135°C y mide el tiempo requerido para que un volumen fijo de líquido fluya, por capilaridad, a través de un viscosímetro, a esa temperatura solo se requiere de la gravedad para que el asfalto fluya. Figura 4.9. marcas Línea de llenado Figura 4.9: Viscosidad Cinemática 4.6.2 Ensayos del asfalto según metodología Superpave Entre los años 80 y 90 la Pacific Coast User Producer Conference adoptó un nuevo sistema de especificación propuesto por J. Goodrich y R. Reese2, llamado Especificaciones de Asfalto basado en su Performance (PBA) que intentó incluir las variaciones regionales de climas y el envejecimiento o deterioro del asfalto durante su vida de servicio. Las especificaciones del ligante Superpave consisten en someter a las muestras a ensayos que representen las tres etapas críticas durante la vida del ligante. Los ensayos realizados en el ligante original representan la primera etapa crítica de la vida del ligante que corresponde al transporte, almacenamiento y manipuleo. La segunda etapa representa el asfalto durante la producción de las mezclas y construcción y es simulado por un proceso de envejecimiento en el Horno Rotatorio de Película Delgada. Este procedimiento expone la película delgada del ligante a calentamiento y aire aproximándolo al envejecimiento del asfalto durante la mezcla y construcción. 2 The Future of Performance-Related Binder Specificcations. L. Zanzotto y otros. 2000. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 55Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Materiales Asfálticos La tercera etapa ocurre cuando el ligante se envejece durante la operación o vida de servicio. Esta etapa se simula con el ensayo de Envejecimiento en la Cámara de Presión Vessel. Este procedimiento expone la muestra de ligante a calentamiento y presión para simular el envejecimiento durante la vida de servicio. Las especificaciones del ligante Superpave y los métodos de ensayo usados para caracterizar el asfalto están siendo actualmente evaluados por la AASHTO y ASTM. En este texto se incorporan los últimos procedimientos y especificaciones, sin embargo, estos pueden ser modificados. Los ensayos Superpave miden las propiedades físicas que se pueden relacionar directamente con el comportamiento en campo por principios ingenieriles. Los ensayos se realizan a la temperatura de servicio del pavimento. La Figura 4.10 describe como cada ensayo está relacionado al comportamiento del ligante en campo. Grado de Performance A diferencia de las especificaciones anteriores, la especificación del ligante Superpave se basa directamente en las propiedades físicas básicas del ligante y su comportamiento observado. El grado de comportamiento del ligante o performance graded (PG) se selecciona basado en las temperaturas extremas de servicio del ligante. La diferencia entre los diferentes tipos de PG o grados del ligante vienen a ser las temperaturas mínima y máxima de servicio. Por ejemplo, un ligante clasificado como PG 58-34 se le evaluará físicamente a 58ºC y –34ºC. Tºmínima anual del pavimento Grado de performance Promedio de la temp. máx. del pavimento durante 7 días PG 58-34 El Ministerio de Transportes y Comunicaciones dividió el Perú en regiones según Especificaciones SHRP. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 56Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Materiales Asfálticos Ministerio de Transportes y Comunicaciones, Perú S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 57Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Materiales Asfálticos Producción Rutting Agrietamiento por Fatiga Agrietamiento Térmico DSR BBR RV Reómetro de Corte Dinámico Viscosímetro Rotacional Reómetro de Viga de Flexión Figura 4.10: Ensayos del Ligante Superpave relacionados con su comportamiento en Campo S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 58 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Materiales Asfálticos Envejecimiento del Asfalto Ensayo de Película Fina en Horno Rotatorio, RTFO AASHTO T240 ó ASTM D 2872 El ensayo de Película Fina en Horno Rotatorio, RTFO simula el envejecimiento corto del ligante, producido durante el transporte, manipuleo y producción. En la prueba, el ligante en forma de película fina es sometido a calentamiento y un flujo de aire. El procedimiento de ensayo requiere de un horno eléctrico con base circular giratoria (Foto 4.4). La base circular sujeta envases de muestra que rotan alrededor de su centro. Se aplicará flujo de aire dentro de cada envase de muestra con una boquilla ubicada en la parte inferior de la base rotatoria. El horno RTFO debe ser precalentado a la temperatura de envejecimiento de 163ºC, por un período mínimo de 16 horas antes de ser usado. Envase para muestra Ventilador Surtidor de aire Foto 4.4 Ensayo de Película Fina en Horno Rotatorio Presión de Envejecimiento Vessel, PAV. AASHTO PP1 El ensayo de Presión Vessel, PAV simula el envejecimiento largo del ligante, para un período de servicio entre 7 a 10 años. Como el ligante es sometido a un envejecimiento largo (durante vida de servicio) debe haber sufrido envejecimiento corto (durante la mezcla y construcción), por lo que la muestra que se envejece en el PAV será aquella que fue previamente envejecida en el RTFO. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 60Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Materiales Asfálticos Cámara de presión Vessel Portamuestras Bases Foto 4.5: Equipo para ensayo de Presión de Envejecimiento Vessel El envejecimiento se realiza a diferentes temperaturas dependiendo del clima de diseño. Cuando la temperatura del Vessel está dentro de 2ºC de la temperatura requerida, se aplica la presión. Luego de 20 horas, la presión se disminuye paulatinamente y el portamuestras se retira del PAV y guardan cuidadosamente. Ensayos Reológicos Viscosímetro Rotacional, RV. ASTM D4402 El ensayo en el viscosímetro rotacional o de Brookfield es usado para determinar las características de flujo del ligante asfáltico asegurando que puede ser bombeado y manipulado para la mezcla en caliente. Como se muestra en la Foto 4.6, el viscosímetro rotacional está compuesto por un contenedor térmico, un controlador de temperatura, eje de extensión, llaves de control y lector digital. El viscosímetro automáticamente calcula la viscosidad a la temperatura de ensayo. Reómetro de Corte Dinámico, DSR. AASHTO TP5 El Reómetro de Corte Dinámico, DSR determina el comportamiento elástico-viscoso del ligante a través del Módulo de Corte Complejo, G* y el ángulo de fase, δ para temperaturas altas e intermedias. El ensayo consiste en colocar la muestra de asfalto entre dos platos paralelos, uno que es fijo y el otro oscilante. Todos los ensayos en ligante Superpave se hacen a una frecuencia de 10 rad/s que es aproximadamente igual a 1.59 Hz (ciclos por segundo). S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 61Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Materiales Asfálticos Contenedor térmico Controlador de temperatura Eje de extensión Foto 4.6: Viscosímetro Rotacional El Módulo de Corte Complejo, G* es la resistencia del material a deformarse cuando se expone a pulsos repetidos de esfuerzos cortante, tiene 02 componentes: elástico (recuperable) y viscoso (no recuperable). A temperaturas altas, el asfalto se comporta como un líquido viscoso, sin capacidad de recuperación con δ = 90º (componente solamente viscoso) en la Figura 4.11. Comportamiento Viscoso Comportamiento Elástico Ambos comportamientos visco-elástico Figura 4.11: Comportamiento Visco-elástico A bajas temperaturas, el asfalto se comporta como un sólido elástico. Esta condición se representa en el eje horizontal (solamente componente elástica) en la figura 4.11. En este caso, δ = 0º. V1 G1 V2 G2* E2 δ2 * E1 1δ S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 62Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Materiales Asfálticos Bajo temperaturas normales de pavimento y cargas de tráfico, el asfalto actúa con características de sólido elástico y líquido viscoso. En la Figura 4.11 G1* y G2* representan los módulos complejos de los asfaltos 1 y 2. El asfalto 2 es más elástico que el asfalto 1, porque su δ es menor. Reómetro de Viga de Flexión, BBR. AASHTO TP1 El Reómetro de Viga de Flexión, BBR determina la propiedad del ligante a bajas temperaturas. El BBR se usa para medir cómo el ligante se deflecta o fluye bajo carga y temperatura constante. Las temperaturas de ensayo en el BBR se relacionan a las temperaturas de servicio mínimas del pavimento, cuando el asfalto actúa mas como un sólido elástico. De esa manera, el ensayo se realiza sobre ligante doblemente envejecido en RTFO y PAV. Sobre una viga de asfalto se aplica manualmente una carga y se mide la deflexión con el transductor de deformaciones, Figura 4.12. Durante el ensayo se grafica la carga y deflexión versus el tiempo. Luego de 240 segundos, la carga de ensayo es automáticamente retirada y el software del reómetro calcula la rigidez al flujo y razón de flujo. Posición original de la viga de asfalto Posición deflectada de la viga de asfalto Transductor de deformaciones Figura 4.12: Ensayo de Viga de Flexión, BBR Superpave especifica que la rigidez del ligante sea menor a 300 MPa. En caso de que la rigidez se ubique entre 300 y 600 MPa, comportamiento poco dúctil del ligante a baja temperatura, deberá realizarse el ensayo de Tensión Directa, DTT a la temperatura mínima incrementado en 10°C con el ligante envejecido, PAV. Ensayo de Tensión Directa, DTT. AASHTO TP3 El equipo que mide la cantidad de deformación del ligante antes de la falla a temperaturas muy bajas es el ensayo de tensión directa, DTT. El ensayo se realiza a un rango de S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 63Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Materiales Asfálticos temperatura entre –0ºC a –36ºC. El ligante debe ser doblemente envejecido por RTFO y PAV. El ensayo DTT consiste en jalar un espécimen de asfalto hasta que falle. La elongación a la que falla, se usa para calcular la deformación de falla, que es un índice que despeja la duda de cómo se comportaría el ligante (frágil o dúctil) a bajas temperaturas de ensayo. La Fig. 4.13 ilustra el procedimiento de ensayo. Le Carga Carga ΔL ( ) ( )eL efectiva Longitud L longitud de variación falla de ndeformació Δ = Figura 4.13: Ensayo de Tensión Directa, DTT 4.7 Asfaltos diluidos y Emulsiones Asfálticas El uso de emulsiones asfálticas se ha ido incrementando por una serie de razones, entre ellas por salud, seguridad, medio ambiente, costos y técnicas. La emulsión asfáltica consiste de tres ingredientes básicos: asfalto, agua y agente emulsivo. Mezclar agua y asfalto es una tarea tan similar a la del mecánico que intenta lavar, solo con agua, sus manos engrasadas. Sólo con detergente o con un agente jabonoso la grasa puede ser exitosamente removida. Las partículas de jabón rodean los glóbulos de grasa, rompen la tensión superficial que los mantiene unidos, y permiten que sean eliminados . 3 Análogamente el agente emulsivo rompe la tensión superficial del asfalto separándolo en diminutos glóbulos dispersos en un medio acuoso. Cuando el asfalto rompa, las moléculas de asfalto dispersas se volverán a reunir. Al curar el agua se evapora y el residuo asfáltico conserva toda la capacidad adhesiva, y resistencia al agua propia del cemento asfáltico con el cual fue elaborado. Las emulsiones asfálticas pueden clasificarse en aniónicas y catiónicas, que se refieren a las cargas eléctricas que rodean las partículas de asfalto. 3 Emulsiones asfálticas, MS-19, Asphalt Institute. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 64Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Materiales Asfálticos La segunda clasificación de las emulsiones se basa en la velocidad con que las gotas de asfalto coalescen, esto es, se juntan restaurando el volumen de cemento asfáltico. 4.8 Asfaltos Modificados Como material viscoelástico, el asfalto tiene una gran importancia en la determinación de muchos aspectos del comportamiento de la carretera. Por ejemplo, una mezcla bituminosa necesita ser lo suficientemente flexible a temperaturas bajas de servicio, para prevenir los agrietamientos térmicos, y lo suficientemente resistente para soportar las deformaciones permanentes. Esas propiedades son necesarias para que el pavimento sea capaz de soportar el crecimiento de tráfico con variaciones climáticas. Lamentablemente las mezclas bituminosas con asfalto convencional, no siempre tienen el comportamiento deseado. Para tal sentido se han desarrollado algunos modificadores. Los polímeros se clasifican de innumerables maneras, de acuerdo con la necesidad; sin embargo, la clasificación más usada es: a) Termorígidos, son aquellos que por acción del calor se endurecen de forma irreversible b) Termoplásticos, son aquellos que por acción del calor se ablanda de forma reversible, endureciéndose cuando se enfrían. Ejemplo: EVA, polietileno, etc. c) Elastómeros, son aquellos que cuando calentados se descomponen antes de ablandarse y presentan propiedades elásticas que recuerdan al caucho. d) Elastómero-termoplástico, son aquellos que al ser calentados se comportan como termoplásticos, y a temperatura bajas presentan propiedades elásticas, como por ejemplo el SBS. Asfaltos Modificados con SBS El principal propósito de utilizar modificadores de caucho en mezclas asfálticas en caliente es incrementar la rigidez de la mezcla a altas temperaturas, volverlo más elástico y resistente al agrietamiento por fatiga a temperaturas intermedias de servicio y no modificar su rigidez a bajas temperaturas de servicio para resistir el agrietamiento térmico. Los dominios poliestirénicos se funden encima de los 90ºC y el dominio polibutadiénico se torna rígido próximo a –90ºC, por esa razón el SBS es usado como modificador del cemente asfáltico tanto en zonas de muy alta temperatura como en zonas con muy bajas temperaturas. En zonas donde las temperaturas son mucho más altas que el punto de ablandamiento del cemento original, cuando se presenta un flujo prácticamente viscoso, el SBS forma una malla que envuelve el ligante fluido, manteniendo alta consistencia en el sistema debido al estado sólido del dominio del estireno. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 65Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Materiales Asfálticos En zonas donde las temperaturas son muy bajas el cemento asfáltico tiene un comportamiento más rígido. El SBS disminuye bastante el punto de ruptura Fraass de la mezcla, confiriendo confiriéndole elasticidad a bajas temperaturas. Con la elevación del punto de ablandamiento y al mismo tiempo la disminución del punto de ruptura Fraass del cemento asfáltico, la presencia del elastómero termoplástico SBS en el cemento asfáltico incrementa considerablemente el rango de plasticidad, lo que significa una considerable reducción de su susceptibilidad térmica, que es la cualidad mas buscada entre los modificadores del cemento asfáltico. 4.9 VISCOSIDAD DEL ASFALTO ORIGINAL La viscosidad del asfalto original (no envejecido) a 25ºC puede calcularse conociendo la penetración del asfalto, el modelo desarrollado por Mirza y otros (AAPT 1995) de la Universidad de Maryland es: 4 2Pen003890Pen 26012501210 )log(.)log(..log +−=η (4.1) El valor de la viscosidad se expresa en poises. Esta ecuación es aplicable a valores de penetración en un rango de 3 a 300 dmm. Sin embargo, cuando no se tenga como dato exacto la penetración del asfalto, su viscosidad puede calcularse con la ecuación propuesta por la Guía de Diseño Empírica-Mecanística AASHTO 2002: η (4.2) RT VTSA logloglog +=η donde la viscosidad η se expresa en centipoises (cP), RT es la temperatura en Rankine; y A y VTS son parámetros de regresión que están en función de la gradación del ligante. Los parámetros de regresión A y VTS son: Tabla 4.1: Parámetros de Regresión A y VTS PEN A VTS 40-50 10.5254 -3.5047 60-70 10.6508 -3.5537 85-100 11.8232 -3.6210 120-150 11.0897 -3.7252 200-300 11.8107 -4.0068 4 Appendix EE-1 de la Guide for Mechanistic-Empirical Design of New and Rehabilitated Pavement Structures. NCHRP August 2003. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 66Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Materiales Asfálticos La Guía AASHTO 2002 indica que se debe tener especial cuidado cuando se usa la ecuación 4.2 a bajas temperaturas, pues la viscosidad del ligante asfáltico se aproxima a 2.7x1010 Poise, por lo tanto, la viscosidad a bajas temperaturas es igual al menor valor entre el calculado por la ecuación 2 y 2.7x1010 Poise. La Tabla 4.2 muestra la viscosidad del ligante no envejecido para diferentes temperaturas de pavimentos y penetraciones. Otra alternativa es medir la viscosidad del asfalto a la temperatura de interés, empleando el reómetro de corte dinámico de la metodología Superpave, tal como lo propone AASHTO 2002. Tabla 4.2: Viscosidad de Ligante No Envejecido, Mpoise Viscosidad η del ligante no envejecido, Mpoise TºC PEN 40-50 PEN 60-70 PEN 85-100 PEN 120-150 PEN 200-300 -10 1,115,628.43 731,029.32 417,758.92 173,811.03 19,295.57 0 21,249.81 13,933.23 7,967.08 3,339.57 381.226 10 739.15 487.84 281.40 120.22 14.533 20 42.136 28.105 16.444 7.214 0.941 40 0.435 0.298 0.181 0.085 0.013 60 0.014 0.010 0.006 0.003 0.001 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 67Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 CAPITULO 5: ESFUERZOS Y DEFORMACIONES EN EL PAVIMENTO 5.1 Introducción Actualmente, la mayoría de los métodos de diseño de pavimentos no consideran la contribución de cada capa en la resistencia a la fatiga, asentamientos permanentes y el de agrietamiento por temperatura, mas aún, cuando cada capa del pavimento tiene una función propia. Los métodos denominados empíricos-mecanísticos pueden considerar la contribución estructural de las diferentes capas de un pavimento flexible, lo que no ocurre por ejemplo, con el método AASHTO 1993. Recientemente la incorporación de los conceptos de la mecánica estructural denominados “conceptos mecanísticos” es utilizada en el análisis, diseño y refuerzo de la estructura de los pavimentos. Las Agencias de Transportes de los Estados de Illinois, Kentucky, Minnesota y Washington están adoptando procedimientos de diseño mecanísticos. El presente capítulo se difunde la consideración de los conceptos mecanísticos en la resiliencia de los materiales y la evaluación de la sub-rasante. 5.2 Módulo Elástico El parámetro que se utiliza en la estimación de deformaciones bajo cargas estáticas es el módulo de elasticidad. El módulo elástico relaciona los esfuerzos aplicados y las deformaciones resultantes. El nivel de esfuerzos aplicado al suelo a través de la estructura del pavimento es mínimo comparado con la deformación en falla, por ello se asume que existe una relación lineal entre los esfuerzos y las deformaciones. La teoría de la elasticidad permite utilizar ensayos de laboratorio y campo para la determinación del módulo elástico. La Figura 5.1 muestra los ensayos disponibles en nuestro medio. El ensayo de compresión confinada utilizando el consolidómetro simula el comportamiento deformacional que tendrá el suelo debajo de una cimentación superficial. El esfuerzo de confinamiento lateral es variable durante la prueba, dada por la pared metálica del equipo que no permite la deformación horizontal de la muestra. El ensayo permite obtener el módulo elástico en la condición natural y humedecida. En suelos arenosos el humedecimiento bajo carga ocurre de manera inmediata y es posible medir el asentamiento adicional por este efecto. El ensayo triaxial estudia el comportamiento deformacional del suelo bajo confinamiento y permite obtener módulos elásticos para cualquier nivel de presión de confinamiento y deformación. Los parámetros se utilizan cuando las presiones verticales transmitidas alcanzan profundidades importantes. El equipo no permite medir el efecto del humedecimiento. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Esfuerzos y Deformaciones en el Pavimento El ensayo C.B.R. y el ensayo de placa de carga permiten obtener los parámetros elásticos en la evaluación de la sub-rasante. Sin embargo, en nuestro medio no se utiliza la práctica ingenieril recomendada por Valle Rodas, 1967 de ensayar muestras inalteradas. La ventaja del ensayo C.B.R. es la evaluación de la influencia de la densidad natural y el humedecimiento. A ORDOÑEZ 2001 E.edo = p/ev p ev= h/ho COMPRESION EDOMETRICA ASTM D 2435 c c COMPRESION TRIAXIAL ASTM D 4767 d d E.t = d./ev p E = (1- )pr/2 Ecbr = 9.83CBR (kg/cm 2) C.B.R. ASTM D 1883 p PLACA DE CARGA ASTM D 1194 A. ORDOÑEZ, 2001 Fig. 5.1 Ensayos para la Obtención del Módulo Elástico En la Figura 5.2 se estudia el efecto de las cargas en el pavimento. Cada ciclo de carga produce en el suelo una componente de deformación plástica, no recuperable y una componente de deformación elástica, recuperable. Con los ciclos siguientes de cargas los incrementos de deformación plástica producidos tienden a desaparecer, en cambio las deformaciones elásticas tienden a ser constantes. El Módulo Resiliente, MR relaciona el esfuerzo aplicado y la deformación elástica en la condición estable o residual cuando el suelo presente un comportamiento elástico. El módulo resiliente no representa el comportamiento total, desde el inicio del ciclo de cargas hasta el final. Sin embargo, el módulo resiliente relaciona las cargas móviles o rápidas y las deformaciones instantáneas resultantes. El valor del Mr puede ser 10 veces el valor del Módulo Elástico. Los suelos granulares que conforman las capas del pavimento, presentan una adecuada gradación y compactación. El comportamiento de estas capas granulares, bajo los ciclos de carga, no presentará deformaciones plásticas significativas. Se asume que durante el adecuado proceso constructivo, las deformaciones plásticas se anularán. En este caso es apropiado modelar el comportamiento de las capas con el Módulo Resiliente, MR. Al respecto la Guía AASHTO, 93 presenta valores establecidos en el laboratorio, basados en el valor CBR. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 69 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Esfuerzos y Deformaciones en el Pavimento carga, p (kg/cm2) asentamiento, s (cm) k = p/s (kg/cm3) cc p carga, p (kg/cm2) deformación vertical, evp e Mr = p/ e k = 1.4E/D TRIAXIAL CICLICO ASTM D 5311 PLACA DE CARGA ASTM D 1194 A. ORDOÑEZ, 2001 D p total Fig. 5.2 Ensayos para Modelar el efecto de las Cargas en el Pavimento El caso crítico lo constituye cuando la sub-rasante contiene fracciones importantes de finos limo-arcillosos. Es sabido que los suelos limo-arcillosos sometidos a cargas estáticas permanentes presentan deformaciones diferidas (con el tiempo) asociado al fenómeno de consolidación. Bajo cargas no permanentes, de corta duración y repetidas, como son las cargas de tránsito, el tiempo que demorará en consolidarse será mayor, lo que traduce en el mayor número de ciclos. Es decir, el adecuado proceso constructivo no será suficiente para anular las deformaciones plásticas. El estado final resiliente solo se consigue con un número grande de ciclos de carga y la deformación plástica acumulable será significativa. El módulo resiliente, MR al representar solamente el comportamiento deformacional final, no será representativo del comportamiento del suelo. Las sub-rasante con componentes importantes limo-arcillosas sujetas a deformaciones plásticas acumulables significativas (bajo valor de CBR), estarán sujetas a dos alternativas: estabilizar primero el subsuelo para luego diseñar el pavimento o alejar el subsuelo de la influencia de las cargas (considerando un espesor mayor de relleno granular) esto es, del bulbo de presiones generadas por las cargas de tránsito. 5.3 Subrasante La sub-rasante es “el nivel superior de la plataforma de una carretera”..”donde se coloca la estructura del pavimento” (EG-2000, MTC). Sin embargo, el concepto de capacidad de soporte a nivel de sub-rasante o simplemente “capacidad de soporte de la sub-rasante” implica la evaluación estructural y por consiguiente la determinación de la respuesta mecánica del subsuelo hasta la “profundidad donde pueden generarse deformaciones significativas”. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 70 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Esfuerzos y Deformaciones en el Pavimento La rehabilitación de carreteras y pavimentos urbanos exige disponer anualmente de montos importantes del Presupuesto de la Nación. En los EE.UU. también ocurrió esta misma situación hace más de 10 años. La conclusión fue que los métodos de diseño de estructuras de pavimentos eran básicamente empíricos y los conceptos de la mecánica estructural que se habían incorporado en las últimas décadas a la ingeniería civil, aún no se habían incorporado en la ingeniería de pavimentos. Actualmente la tendencia en los EE.UU. y países europeos es considerar períodos de diseño de 40-50 años mediante estructuras denominadas “pavimentos perpetuos”, que no requieren mantenimiento durante los primeros 20 años. En la estructura de pavimento, las capas (elementos estructurales) que componen el pavimento no presentan asentamientos significativos, siendo la sub-rasante o cimentación del pavimento propenso a deformarse. Entonces, la primera conclusión es que las fallas estructurales que aún se presentan en nuestro medio, se deben a una limitada, incorrecta y no actualizada metodología de evaluación de la sub-rasante. La ingeniería geotécnica nos describe un país donde se presentan suelos con respuesta mecánica variadas, utilizando términos como: suelos colapsables, expansivos, densificables, licuables, compresibles, suelos inestables no consolidados o de formación reciente (módulos elásticos menores a 100 kg/cm2), cuyo común denominador es presentar deformaciones significativas que afectarán estructuras de concreto y más aún a estructuras que admiten mucho menor valor de asentamiento admisible (menor a 1mm), como son las estructuras de pavimento. Definitivamente, un asentamiento mayor ocasiona la fatiga prematura de la carpeta asfáltica, elemento que es muy rígido (módulo elástico superior a 30,000kg/cm2). En nuestro país, muchas generaciones de ingenieros utilizan el ensayo CBR, ASTM D 1883 para determinar la capacidad de soporte de la sub-rasante, sin embargo, no se considera la humedad ni la densidad “in situ”. Se asume generalmente que la capacidad de soporte de la sub-rasante es el resultado del ensayo asociado a la Máxima Densidad Seca del ensayo Proctor Modificado. Si bien es cierto que el ensayo CBR de campo es costoso y no sería recomendable realizarlo, existe otra alternativa propuesta basado en utilizar el mismo molde CBR, llevarlo al campo y con ello extraer una muestra inalterada. En suelos finos, areno- limosos, los suelos más susceptibles a presentar alta deformabilidad se prestan para esta práctica. En el laboratorio, se realiza la prueba de penetración sobre la muestra en condiciones naturales obtenida con el molde CBR, obteniéndose un valor representativo del comportamiento de la sub-rasante. En depósitos de suelos granulares con presencia de boleos y bloques no consolidados de formación reciente, generalmente como resultado de fenómenos geodinámicos presentarán deformaciones permanentes acumulables debido a la densificación producida por el impacto de las cargas dinámicas de tránsito. En este aspecto, es preciso indicar que la deformación de estos suelos suelen ser de magnitudes similares a los suelos limo-arcillosos compresibles. Ensayos para medir las deformaciones producidas en suelos granulares sueltos utilizando la mesa vibradora arrojaron resultados ilustrativos. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 71 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Esfuerzos y Deformaciones en el Pavimento 5.4 Teoría elástica de medios semi-infinitos El cálculo de los esfuerzos transmitidos al terreno debido a la aplicación de las cargas de tránsito se basa en las siguientes consideraciones: a) Se asume que el terreno se comporta elásticamente; es decir, que las deformaciones que se generan serán proporcionales a las cargas aplicadas. εaxial σaxial a r ε ε =ν E εradial εaxial σaxial Donde: relación de poisson ν deformación radial rε deformación axial aε b) La aplicación de una carga circular uniforme genera esfuerzos (normales y tangenciales) en el terreno. τzr τrz σr σt q 2a σz r z E, ν Figura 5.3: Componente de esfuerzos, carga circular y coordenadas cilíndricas S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 72 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Esfuerzos y Deformaciones en el Pavimento Se utiliza un sistema de coordenadas cilíndricas donde σz, σr y σt, son esfuerzos normales y τzr es el esfuerzo tangencial. Los cuatro componentes definen el estado de esfuerzos en el punto inferior (r,z). c) La aplicación de la Teoría Elástica, basado en la integración numérica de la solución de Boussinesq (1885). Considerando un medio homogéneo, elástico, isotrópico y semi-infinito, se tiene: σz P (tn) r z E, ν ( ) 2/522 3 z zr z 2 P3 +π =σ ........ (5.1) Figura 5.4: Solución de Boussinesq para el cálculo de esfuerzos verticales z 5.5 Aplicación de la solución de Boussinesq y la Teoría Elástica Considerando una carga circular uniformemente repartida de magnitud q, y un plano horizontal cualquiera a una profundidad z1, se tendrán los máximos esfuerzos verticales transmitidos, σzmáx, cuando r=0 (punto ubicado en el eje vertical). σzmáx r=0 crítico eje q a plano z1 z1 E, ν S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 73 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Esfuerzos y Deformaciones en el Pavimento Según Foster y Ahlvin (1954) tenemos los valores de σzmáx, εz y la deflexión (asentamiento máximo en el centro del área circular para z=0= es: a) Esfuerzo máximo vertical (en el eje vertical) ( ) ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + −=σ 5.122 3 z za z 1q ......... (5.2) note que el σz es independiente de E y ν. b) Deformación máxima vertical (en el eje vertical) ( ) ( ) ( ) ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + − + ν +ν− ν+ =ε 5.122 3 5.022 z za z za z2 21q E 1 ......... (5.3) c) Deflexión vertical máxima en la superficie y en el centro de la carga circular. ( ) qa E 12 2 0 ν− =ω Para z=0 y r=0 ......... (5.4) Ejemplo 1: Determinar los esfuerzos y deformaciones en una carretera que no será pavimentadas (trochas). La subrasante está conformada por conglomerado (gravoso muy compacta) de alta capacidad de soporte, CBR de 100%. El módulo elástico, E, de 1000 kg/cm2 y relación de poisson, ν, 0.40. la carga aplicada es de 7 kg/cm2 y el radio de contacto entre la llanta y la superficie de rodadura es 15 cm. q=7 kg/cm2 a=15 cm E=1000 kg/cm2 ν=0.40 Solución: Aplicando la ecuación 5.2 se obtiene σz y con la ecuación 5.3 se determina la εz, para expresarla en porcentaje se multiplica por 100. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 74 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Esfuerzos y Deformaciones en el Pavimento Prof. (cm) σz (kg/cm ) 2 εz (%) 0 7 0.20 5 0.41 6.8 10 0.46 5.8 15 0.40 4.5 30 0.20 2.0 45 0.10 1.0 60 0.06 0.6 75 0.04 0.4 90 0.03 0.3 La deflexión vertical máxima en la superficie (asentamiento en la superficie) y en el centro del área cargada se calcula con la ecuación 5.4. ( ) ( ) mm 8.1 cm 157kg/cm kg/cm 1000 40.012 qa E 12 0 2 2 2 0 2 0 =ω × − =ω ν− =ω la distribución de esfuerzos y deformaciones en función de la profundidad es: Deformaciones, εz, % 0 15 30 45 60 75 90 0.00.10.20.30.40.5 Esfuerzos, σz, kg/cm 2 0 15 30 45 60 75 90 0 1 2 3 4 5 6 7 8 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 75 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Esfuerzos y Deformaciones en el Pavimento De las figuras se puede concluir que los primeros 30 cm de la subrasante asumen el 70% de los esfuerzos transmitidos por el tránsito. Ejemplo 2: Determinar los esfuerzos y deformaciones en una carretera que no será pavimentadas (trochas). La subrasante está conformada por arena fina uniforme, semi-compacta, de baja capacidad de soporte, CBR de 10%. El módulo elástico, E, de 100 kg/cm2 y relación de poisson, ν, 0.30. la carga aplicada es de 7 kg/cm2 y el radio de contacto entre la llanta y la superficie de rodadura es 15 cm. q=7 kg/cm2 a=15 cm E=100 kg/cm2 ν=0.30 Solución: Aplicando la ecuación 5.2 se obtiene σz y con la ecuación 5.3 se determina la εz, para expresarla en porcentaje se multiplica por 100. Prof. (cm) σz (kg/cm ) 2 εz (%) 0 7 3.64 5 5.08 6.8 10 5.12 5.8 15 4.28 4.5 30 2.01 2.0 45 1.05 1.0 60 0.63 0.6 75 0.41 0.4 90 0.29 0.3 La deflexión vertical máxima en la superficie (asentamiento en la superficie) y en el centro del área cargada se calcula con la ecuación 5.4. ( ) ( ) mm 19 cm 157kg/cm kg/cm 100 30.012 qa E 12 0 2 2 2 0 2 0 =ω × − =ω ν− =ω S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 76 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Esfuerzos y Deformaciones en el Pavimento la distribución de esfuerzos y deformaciones en función de la profundidad es: Deformaciones, εz, % 0 15 30 45 60 75 90 0246 Esfuerzos, σz, kg/cm 2 0 15 30 45 60 75 90 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Como se observa la distribución de esfuerzos en el problema 1 y 2 es el mismo, esto se debe a que los esfuerzos transmitidos no dependen de los parámetros de suelo, sino de la carga aplicada. La distribución de las deformaciones varía en uno y otro problema porque depende de las características de la subrasante. Sistema de 2 capas Para un sistema de dos capas como: z q a E1 E2 subrasante h1: espesor de lastrado S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 77 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Esfuerzos y Deformaciones en el Pavimento a) Esfuerzos verticales Los esfuerzos verticales en un sistema de dos capas dependen de la relación de los módulos E /E y la relación h1 2 1/a. La figura 5.5 muestra el efecto de la capa de pavimento en la distribución de esfuerzos verticales bajo el centro del área circular cargada. Figura 5.5: Esfuerzos Verticales en Medios de 02 Capas Para la carta mostrada la ν=0.5 asumida para todas las capas. Se puede observar que los esfuerzos verticales decrecen significativamente con el incremento de la relación de módulos. En la interface pavimento-subrasante, el esfuerzos vertical es aproximadamente el 68% de la presión aplicada si E /E1 2=1, y se reduce alrededor del 8% de la presión aplicada si E1/E =100. 2 Ejemplo 1: Si la presión aplicada proveniente del tráfico es 80 psi (5.52 kg/cm2) y el radio del área de contacto entre la llanta y la superficie de rodadura es 6” (152 mm). La subrasante tiene módulo elástico E =350 kg/cm . La carpeta tiene E1=35000 kg/cm2 2 2 y h1=a=6”. Determinar el esfuerzo vertical en la interface. Solución: 100 350 35000 E E 2 1 == 08.0 q z = σ de la figura 5.1 ; ; esto significa que la subrasante debe distribuir 0.44 kg/cm 2 z cm/kg 44.052.508.0 =×=σ y la carpeta absorbió 5.08 kg/cm . 2 2 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 78 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Esfuerzos y Deformaciones en el Pavimento b) Deflexiones verticales (asentamientos) La deflexión vertical superficial se usa como criterio en el diseño de pavimentos. La figura 5.6 se puede usar para definir las deflexiones verticales de sistemas de 2 capas. Figura 5.6: Deflexiones Verticales en la Superficie para Sistemas de 02 Capas (Burmister 1943) La deflexión se expresa en función del factor de deflexión F2 por: 2 2 o FE qa5.1 =ω El factor de deflexión está en función de E1/E y h /a. 2 1 Ejemplo 2: Determine la deflexión vertical en los siguientes casos: a) ωo q=7kg/cm2 E1=35000 kg/cm2 E2=1000 kg/cm2 conglomerado h1=4”=10 cm S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 79 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Esfuerzos y Deformaciones en el Pavimento Solución: 67.0 cm 15 cm 10 a h 35 1000 35000 E E 1 2 1 == == de la figura 5.6 se obtiene F2=0.46. mm 72.046.0 1000 1575.1 F E qa5.1 o 2 2 o =× ×× =ω =ω b) ωo q=7kg/cm2 E1=35000 kg/cm2 E2=100 kg/cm2 Arena uniforme semicompacta h1=4”=10 cm Solución: 67.0 cm 15 cm 10 a h 350 100 35000 E E 1 2 1 == == de la figura 5.6 se obtiene F2=0.26. mm 1.426.0 100 1575.1 F E qa5.1 o 2 2 o =× ×× =ω =ω Sistema Elástico de Múltiples Capas El sistema elástico de múltiples capas está compuesto por el sistema de n-capas en coordenadas cilíndricas, la capa n-ésima es de espesor infinito. Para cada capa se debe conocer su módulo de elasticidad E y su relación de Poisson ν. Figura 5.7. Para restablecer la condición entre las interfaces de este sistema de múltiples capas, se debe evaluar la condición “ligada” o “no ligada”. El término "ligado" es un requerimiento necesario para establecer la condición de frontera o interfase entre las capas de una estructura de S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 80 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Esfuerzos y Deformaciones en el Pavimento pavimentos, de tal manera que se facilite la solución numérica de la ecuación diferencial del problema elástico, vía elementos finitos o diferencias finitas. Esto quiere decir que el término tiene una connotación matemática y física, equivalente a un modelo de interfase entre capas. En una interfase tenemos que modelar la "transición" que existe entre los desplazamientos, deformaciones y esfuerzos de los materiales vecinos. Si asumimos que estas variables serán iguales, estaremos en la condición "ligada", si alguna de estas variables fuera diferente la condición sería "ligado intermedio" y si las variables del estado de esfuerzo tensional fueran diferentes seria "no ligado". En cualquier caso estaremos ante la necesidad de modelar la interfase. Este problema es común en un problema geotécnico donde se involucran materiales diferentes, sobre todo si uno de ellos está sometido a esfuerzos mayores o concentrados, por ejemplo un anclaje o una capa de refuerzo, en el pavimento por ejemplo sería el modelar la presencia de una geomalla. Este problema puede ser de difícil solución, salvo se implementen modelos de transferencia, basados en investigaciones experimentales. En un problema convencional de pavimentos, la cosa se simplifica, dado que los materiales granulares con especificaciones rigurosas, friccionantes y compactados siempre obedecerán a una interfase "ligada". Por ello los textos de pavimentos cuando se refieren a este aspecto indican que el problema se debe considerar casi siempre como "ligado". Sin embargo, siempre hay excepciones y se puede dar el caso de ligado intermedio. Es muy difícil encontrar una interfase no ligada, salvo corresponda a un diseño particular deficiente, y por lo tanto no tendría importancia en la práctica ingenieril. Se me ocurre por ejemplo, de una carpeta asfáltica en caliente rígida sobre una subrasante arcillosa húmeda (aunque sea de consistencia dura, pero con interfase de baja resistencia tangencial o cortante). Las arcillas húmedas presentan un comportamiento del tipo no drenado (fricción nula) y en la carpeta existiría una concentración de esfuerzos donde los esfuerzos tangenciales horizontales generarían desplazamientos relativos en la interfase. En conclusión, se recomienda utilizar la condición ligada, en los programas de análisis deformacional que existen en nuestro medio. Darle solución a sistemas elásticos de múltiples capas es tarea difícil, para ello se usan herramientas como los programas de cómputo. En el medio hay diferentes programas entre ellos el Programa Kenlayer de la Universidad de Kentucky, este programa puede ser aplicado sólo en problemas de pavimentos asfálticos. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 81 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Esfuerzos y Deformaciones en el Pavimento z3 z2 z1 q a E1 , ν1 E2 , ν2 En , νn r z Figura 5.7: Sistema elástico de múltiples capas en coordenadas cilíndricas El programa Kenlayer es de fácil uso, para correr el programa se deben seguir los siguientes pasos: 1.- Copiar el archivo con extensión DAT. Ejemplo copiar el archivo Rioja. 2.- Cambiar de nombre al archivo cambiado. Ejemplo Rioja 1. 3.- Abrir el archivo Rioja 1 con el Bloc de notas. 4.- Modificar la información correspondiente al proyecto en estudio. Grabar y cerrar. 5.- Abrir el programa Kenlayer, aparecerá una pantalla negra, con la siguiente inscripción: INPUT THE DATA FILE NAME : 6.- Escribir Rioja 1.DAT, hacer enter e inmediatamente la pantalla se cerrará. 7.- En la carpeta de destino aparecerá un documento de texto denominado LAYER. 8.- Sin abrir el documento cambiarle de nombre. Ejemplo Rioja 1.OUT 9.- Abrir el nuevo documento y ver los resultados. En el paso 4 se debe modificar la información existente por la información del proyecto, para esto el lector se puede guiar de la ayuda memoria presentada en las siguientes hojas. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 82 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Esfuerzos y Deformaciones en el Pavimento 1 (1) CARRETERA RIOJA TARAPOTO: PAVIMENTO DE 5 CAPAS EJE STANDARD 8.2 TON LLANTA DUAL (2) 1 0 1 1 (3) 0.00100 (4) 5 5 80 9 (5) 2.00000 3.00000 8.00000 8.00000 (6) 0.40000 0.35000 0.35000 0.30000 0.30000 (7) 0.00000 2.00000 5.00000 13.00000 21.00000 (8) 1 (9) 4.500E+05 3.700E+05 3.200E+04 1.700E+04 4.500E+03 (11) 1 (13) 4.52000 70.00000 (14) 3 (19) 0.00000 13.50000 0.00000 0.00000 0.00000 3.37500 0.00000 6.75000 (20) Carpeta asfáltica: E*=450,000 psi; μ=0.40 Base estabilizada: E*=370,000 psi; μ=0.35 Base granular: Mr=32,000 psi; μ=0.35 Sub base granular: Mr=17,000 psi; μ=0.30 z Fundación: Mr=4,500 psi; μ=0.30 2” 3” 8” 8” S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 84 Diseño Moderno de Pavimentos Esfuerzos y Deformaciones en el Pavimento NUMBER OF PROBLEMS TO BE SOLVED = 1 (1) ******************************************************************************************** * * * CARRETERA RIOJA TARAPOTO: PAVIMENTO DE 5 CAPAS EJE STANDARD 8.2 TON LLANTA DUAL * (2) * * ******************************************************************************************** MATL = 1 FOR LINEAR ELASTIC LAYERED SYSTEM NDAMA = 0, SO DAMAGE ANALYSIS WILL NOT BE PERFORMED (3) NUMBER OF PERIODS PER YEAR (NPY) = 1 NUMBER OF LOAD GROUPS (NLG) = 1 TOLERANCE FOR INTEGRATION (DEL) -- = .00100 (4) NUMBER OF LAYERS (NL)------------- = 5 NUMBER OF Z COORDINATES (NZ)------ = 5 (5) LIMIT OF INTEGRATION CYCLES (ICL)- = 80 COMPUTING CODE (NSTD)------------- = 9 THICKNESSES OF LAYERS (TH) ARE : 2.00000 3.00000 8.00000 8.00000 (6) POISSON'S RATIOS OF LAYERS (PR) ARE : .40000 .35000 .35000 .30000 .30000 (7) VERTICAL COORDINATES OF POINTS (ZC) ARE: .00000 2.00000 5.00000 13.00000 21.00000 (8) ALL INTERFACES ARE FULLY BONDED (9) FOR PERIOD NO. 1 ELASTIC MODULI OF LAYERS ARE: .450000E+06 .370000E+06 .320000E+05 .170000E+05 .450000E+04 (11) S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 85 Diseño Moderno de Pavimentos Esfuerzos y Deformaciones en el Pavimento (13) LOAD GROUP NO. 1 HAS 2 CONTACT AREAS CONTACT RADIUS (CR)--------------- = 4.52000 (14) CONTACT PRESSURE (CP)------------- = 70.00000 NO. OF POINTS AT WHICH RESULTS ARE DESIRED (NPT)-- = 3 (19) WHEEL SPACING ALONG X-AXIS (XW)------------------- = .00000 WHEEL SPACING ALONG Y-AXIS (YW)------------------- = 13.50000 (20) POINT NO. AND X AND Y COORDINATES ARE : 1 .00000 .00000 2 .00000 3.37500 3 .00000 6.75000 PERIOD NO. 1 LOAD GROUP NO. 1 σ ≈σ ε ε z t z t POINT VERTICAL VERTICAL VERTICAL MAJOR INTERM. MINOR VERTICAL MAJOR MINOR HORIZONTAL PRINCIPAL PRINCIPAL PRINCIPAL PRINCIPAL PRINCIPAL PRINCIPAL NO. COORDINATE DISP. STRESS STRESS STRESS STRESS STRAIN STRAIN STRAIN STRAIN 1 .00000 .2780E-01 .7478E+02 .1986E+03 .1895E+03 .7478E+02 -.1788E-03 .2064E-03 -.1788E-03 .1782E-03 1 2.00000 .2768E-01 .5407E+02 .5578E+02 .4523E+02 .4111E+02 .4189E-04 .4721E-04 .1575E-05 .6888E-05 1 5.00000 .2725E-01 .1690E+02 .1698E+02 -.8627E+02 -.1060E+03 .2275E-03 .2278E-03 -.2211E-03 -.2211E-03 1 13.00000 .2436E-01 .5161E+01 .5373E+01 -.5429E+01 -.6580E+01 .2903E-03 .2993E-03 -.2050E-03 -.2050E-03 1 21.00000 .2194E-01 .2319E+01 .2345E+01 -.3720E+01 -.4286E+01 .2772E-03 .2792E-03 -.2278E-03 -.2278E-03 POINT VERTICAL VERTICAL VERTICAL MAJOR INTERM. MINOR VERTICAL MAJOR MINOR HORIZONTAL PRINCIPAL PRINCIPAL PRINCIPAL PRINCIPAL PRINCIPAL PRINCIPAL NO. COORDINATE DISP. STRESS STRESS STRESS STRESS STRAIN STRAIN STRAIN STRAIN 2 .00000 .2809E-01 .4869E+02 .1721E+03 .1546E+03 .4869E+02 -.1822E-03 .2018E-03 -.1822E-03 .1472E-03 2 2.00000 .2814E-01 .4432E+02 .6063E+02 .3981E+02 .2360E+02 .2765E-04 .7837E-04 -.3684E-04 .1360E-04 2 5.00000 .2779E-01 .1552E+02 .1553E+02 -.6301E+02 -.9931E+02 .1955E-03 .1955E-03 -.2235E-03 -.2235E-03 2 13.00000 .2491E-01 .5485E+01 .5532E+01 -.5650E+01 -.6936E+01 .3086E-03 .3105E-03 -.2155E-03 -.2155E-03 2 21.00000 .2234E-01 .2438E+01 .2445E+01 -.4035E+01 -.4498E+01 .2939E-03 .2944E-03 -.2365E-03 -.2365E-03 POINT VERTICAL VERTICAL VERTICAL MAJOR INTERM. MINOR VERTICAL MAJOR MINOR HORIZONTAL PRINCIPAL PRINCIPAL PRINCIPAL PRINCIPAL PRINCIPAL PRINCIPAL NO. COORDINATE DISP. STRESS STRESS STRESS STRESS STRAIN STRAIN STRAIN STRAIN 3 .00000 .2798E-01 .3243E+02 .1474E+03 .1290E+03 .3243E+02 -.1736E-03 .1841E-03 -.1736E-03 .1267E-03 3 2.00000 .2799E-01 .6060E+01 .4653E+02 .3228E+02 .6060E+01 -.5659E-04 .6932E-04 -.5659E-04 .2499E-04 3 5.00000 .2781E-01 .1314E+02 .1314E+02 -.3299E+02 -.8611E+02 .1482E-03 .1482E-03 -.2140E-03 -.2140E-03 3 13.00000 .2510E-01 .5551E+01 .5551E+01 -.5659E+01 -.7035E+01 .3123E-03 .3123E-03 -.2187E-03 -.2187E-03 3 21.00000 .2248E-01 .2478E+01 .2478E+01 -.4139E+01 -.4569E+01 .2994E-03 .2994E-03 -.2394E-03 -.2394E-03 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 86 CAPITULO 6: ESTUDIO DE TRÁNSITO PARA DISEÑO DE PAVIMENTOS 6.1 Introducción Este capítulo proporciona criterios y métodos para determinar el tráfico que soportará una vía durante su período de vida y en el carril de diseño. Es de primordial importancia conocer el tipo de vehículo, el número de veces que pasa y el peso por eje de ese tipo de vehículo. 6.2 Definiciones Se darán algunas definiciones y conceptos de ingeniería de tránsito: Tipos de eje Eje sencillo: Es un eje con una o dos ruedas sencillas en sus extremos. o Vista frontal Eje tandem: Son dos ejes sencillos con ruedas dobles en los extremos. Vista frontal Eje tridem: Son tres ejes sencillos con ruedas dobles en los extremos. Vista frontal S. MINAYA & A. ORDOÑEZ Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Estudio de Tránsito para Diseño de Pavimentos Volumen de tránsito Se define como el número de vehículos que pasan por un punto o un carril durante una unidad de tiempo. Sus unidades son vehículos/día; vehículos/hora, etc. Indice Medio Diario, IMD Es el promedio del número de vehículos que pasan por un punto durante un período de tiempo. Según el período de análisis para medir el volumen, podrá ser indice medio diario anual, IMDA, indice medio diario mensual (IMDM) o indice medio diario semanal (IMDS). Por ejemplo, de un aforo realizado durante una semana se obtuvieron los siguientes resultados: Días Nº vehículos Lunes 150 Martes 180 Miércoles 120 Jueves 200 Viernes 120 Sábado 180 Domingo 150 IMDS 157 6.3 Reglamento Nacional de Vehículos El D.S.Nº034-2001-MTC titulado “Reglamento Nacional de Vehículos”, reglamenta entre otras cosas los pesos y dimensiones máximas de los vehículos para transporte terrestre. Clasificación vehicular Furgoneta Vehículo automotor para el transporte de carga liviana, con 3 ó 4 ruedas, con motor de no mas de 500 cm3 de cilindrada. Automóvil Vehículo automotor para el transporte de personas normalmente hasta de 6 asientos y excepcionalmente hasta de 9 asientos. Station Wagon Vehículo automotor derivado del automóvil que al rebatir los asientos posteriores, permite ser utilizado para el transporte de carga. Camioneta pick-up Vehículo automotor de cabina simple o doble, con caja posterior destinada para el transporte de carga liviana y con un peso bruto vehicular que no exceda los 4,000 kg. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 88Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Estudio de Tránsito para Diseño de Pavimentos Camioneta panel Vehículo automotor con carrocería cerrada para el transporte de carga liviana con un peso bruto vehicular no exceda los 4,000 kg. Camioneta rural Vehículo automotor para el transporte de personas de hasta 17 asientos y cuyo peso bruto vehicular no exceda los 4,000 kg. Ómnibus Vehículo autopropulsado, diseñado y construido exclusivamente para el transporte de pasajeros y equipaje, debe tener un peso seco no menor de 4,000 kg. Camión Vehículo autopropulsado motorizado destinado al transporte de bienes con un peso bruto vehicular igual o mayor a 4,000 kg. Puede incluir una carrocería o estructura portante. Remolcador o Tracto camión Vehículo motorizado diseñado para remolcar semirremolques y soportar la carga que le transmite estos a través de la quinta rueda. Remolque Vehículo sin motor diseñado para ser jalado por un camón u otro vehículo motorizado, de tal forma que ninguna parte de su peso descanse sobre el vehículo remolcador. Semirremolque Vehículo sin motor y sin eje delantero, que se apoya en el remolcador transmitiéndole parte de su peso, mediante un sistema mecánico denominado tornamesa o quita rueda. Definiciones El capítulo 4 del D.S.Nº034-2001-MTC, considera los pesos y medidas vehiculares, a continuación se darán algunas definiciones para un mejor entendimiento. Capacidad de carga carga máxima permitida para lo cual fue diseñado el vehículo. Es la diferencia entre el peso bruto vehicular y la tara del vehículo. Carrocería Estructura que se adiciona al chasis de forma fija, para el transporte de carga y/o personas. Chasis Estructura básica del vehículo, compuesta por el bastidor. El tren motriz y otras partes mecánicas relacionadas. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 89Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Estudio de Tránsito para Diseño de Pavimentos Eje motriz Eje utilizado para transmitir la fuerza de tracción. Eje no motriz Eje que no transmitir fuerza de tracción. Eje(s) delantero(s) Eje(s) situado(s) en la parte anterior del chasis. Eje(s) central(es) Eje(s) situado(s) en la parte central del chasis. Eje(s) posterior(es) Eje(s) situado(s) en la parte posterior del chasis. Eje simple (un solo eje) Constituido por un solo eje no articulado a otro, que puede ser, motriz o no, direccional o no anterior, central o posterior. Eje doble (tándem) Es el conjunto constituido por dos (2) ejes articulados al vehículo por dispositivo(s) común(es) separados a una distancia determinada pudiendo ser motriz o no motriz. Eje triple (trídem) Es el conjunto de tres (3) ejes articulados al vehículo por dispositivo(s) común(es) separados a una distancia determinada pudiendo ser motriz o no motriz. Peso legal Es la carga máxima por eje permitida en los diferentes tipos de carreteras de acuerdo a este reglamento. Peso bruto vehicular simple Tara del vehículo más la capacidad de carga. Peso bruto vehicular combinado Peso bruto vehicular de la combinación camión mas remolque, y/o tracto-camón más semirremolque o camión más remolque balanceado. Peso máximo por eje Es la carga permitida según el tipo de eje. Tara de un vehículo (peso seco) Peso del vehículo, en orden de marcha, excluyendo la carga (incluye el peso del combustible con los tanques llenos, herramientas y neumáticos de repuesto). S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 90Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Estudio de Tránsito para Diseño de Pavimentos Trailer Vehículo no motorizado con dos o más ejes que es remolcado por un camión. Volquete Vehículo diseñado con un dispositivo mecánico para volcar la carga transportada. Eje doble (no tándem) Es el conjunto constituido por dos (2) ejes separados a una distancia determinada pudiendo ser motriz o no motriz. Peso Vehicular El peso máximo por eje independiente o grupos de ejes permitido a los vehículos para su circulación por las vías de nuestro país, es el siguiente: Gráfico Eje(s) Kilos Neumático Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa 3 Simple 2 7,000 Simple 4 11,000 Doble 6 16,000 Doble 8 18,000 Triple 10 23,000 Triple 12 25,000 D.S.Nº034-2001-MTC: “Reglamento Nacional de Vehículos” S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 91Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Estudio de Tránsito para Diseño de Pavimentos El peso bruto vehicular máximo es de 48,000 kg. El exceso de peso permitido por eje se denominará tolerancia: Eje(s) Neumáticos Tolerancia Simple 02 350 kg Simple 04 550 kg Doble 06 800 kg Doble 08 900 kg Triple 10 1,150 kg Triple 12 1,250 kg 6.4 Período de diseño El pavimento puede ser diseñado para soportar el efecto acumulativo del tránsito durante cualquier período de tiempo. El período seleccionado en años, para el cual se diseña el pavimento, se denomina período de diseño. Al final de este período puede esperarse que el pavimento requiera trabajos de rehabilitación, para devolverle a la vía un adecuado nivel de transitabilidad. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 92Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Estudio de Tránsito para Diseño de Pavimentos Tablas de Dimensiones y Carga Reglamento Nacional de Vehículos, Decreto Supremo Nº 034-2001-MTC, publicado en El Peruano, el 25 de julio del 2001, Pág. 207449 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 93Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Estudio de Tránsito para Diseño de Pavimentos Tablas de Dimensiones y Carga (Cont….) Reglamento Nacional de Vehículos, Decreto Supremo Nº 034-2001-MTC, publicado en El Peruano, el 25 de julio del 2001, Pág. 207450 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 94Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Estudio de Tránsito para Diseño de Pavimentos Tablas de Dimensiones y Carga (Cont….) Reglamento Nacional de Vehículos, Decreto Supremo Nº 034-2001-MTC, publicado en El Peruano, el 25 de julio del 2001, Pág. 207451 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 95Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Estudio de Tránsito para Diseño de Pavimentos Tablas de Dimensiones y Carga (Cont….) El peso bruto máximo permitido para unidad o combinación de vehículos es de 48,000kg. Reglamento Nacional de Vehículos, Decreto Supremo Nº 034-2001-MTC, publicado en El Peruano, el 25 de julio del 2001, Pág. 207452 6.5 Carril de diseño Para calles y carreteras de dos carriles, el carril de diseño puede ser cualquiera de los dos, mientras que para calles y carreteras de carriles múltiples, generalmente es el carril externo. Bajo ciertas condiciones, es probable que haya mayor tránsito de camiones en un sentido que en otro. En muchos sitios los camiones circulan cargados en un sentido y vacíos en otro. Las recomendaciones del Instituto del Asfalto y la American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO), son: S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 96Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Estudio de Tránsito para Diseño de Pavimentos Instituto del Asfalto Nº carriles %de camiones en el carril de diseño (2 direcciones) 2 50 4 45 (35-48) 6 ó más 40 (25-48) Gráficamente se puede representar como: 40% (25-48) 45% (35-48) 50% 50% 2 carriles en ambos sentidos 4 carriles en ambos sentidos 6 carriles en ambos sentidos AASHTO Parte del conteo en ambas direcciones, el factor direccional recomendado es de 50%, aunque este valor puede variar entre 30 a 70%. El tráfico en un sentido se separa para el carril de diseño según la recomendación: Nº carriles en %ESAL en el carril de diseño 1 dirección 1 100 2 80-100 3 60-80 4 50-75 ESAL Equivalent Single Axle Load 6.6 Crecimiento del Tránsito El pavimento debe ser diseñado para servir adecuadamente la demanda del tránsito durante un período de años; por lo tanto, el crecimiento del tránsito se debe anticipar. El crecimiento puede considerarse como el Factor de Crecimiento: S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 97Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Estudio de Tránsito para Diseño de Pavimentos ( ) r 1r1 oCrecimient de Factor n −+ = Donde: r tasa de crecimiento anual, % n período de diseño en años 6.7 Estimación del ESAL El tránsito proveniente del conteo vehicular debe ser dividido para el carril de diseño. El volumen de tránsito del carril de diseño, se convierte a un determinado número de ESAL, que es equivalent single axle load, que es el parámetro usado en el diseño de la estructura del pavimento. El ESAL es un eje estándar compuesto por un eje sencillo con dos ruedas en los extremos. El ESAL pesa 18,000 lb ó 8.2 tn ó 80 kN, y se considera que ejerce un efecto dañino sobre el pavimento como 1. Eje estándar 6.8 Factor de Equivalencia de Carga Con el objeto de evaluar el efecto dañino, en un pavimento flexible, de las cargas diferentes a un eje estándar, se han considerado factores de equivalencia de carga por eje, FEC. Estos valores se obtuvieron a partir de los resultados experimentales de la AASHO Road Test. Los resultados obtenidos han permitido determinar que la equivalencia entre cargas diferentes transmitidas al pavimento por el mismo sistema de ruedas y ejes, se expresa como: 4 0 1 P P FEC ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = Donde: P0 es la carga estándar y P es la carga cuya equivalencia de daño se desea calcular 1 En la tabla 6.1 se muestran los factores de equivalencia de carga publicada en la Guía AASHTO 1986. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 98Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Estudio de Tránsito para Diseño de Pavimentos Tabla 6.1: Factores de Equivalencia de Carga Carga bruta por eje Factores de equivalencia de Carga KN lb Ejes Simples Ejes Ejes Tandem Tridem 0.00002 1,000 4.45 0.00018 2,000 8.9 0.0003 0.00209 4,000 17.8 0.001 0.01043 6,000 0.0003 26.7 0.003 0.0343 8,000 0.001 35.6 0.007 0.0877 10,000 0.002 44.5 0.014 0.189 12,000 0.003 53.4 0.027 0.360 14,000 0.006 62.3 0.047 0.623 16,000 0.011 71.2 0.077 1.000 18,000 0.017 80.0 0.121 1.51 20,000 0.027 89.0 0.180 2.18 22,000 0.040 97.9 0.260 3.03 24,000 0.057 106.8 0.364 4.09 26,000 0.080 115.6 0.495 5.39 28,000 0.109 124.5 0.658 6.97 30,000 0.145 133.4 0.857 8.88 32,000 0.191 142.3 11.18 34,000 0.246 151.2 1.095 13.93 36,000 0.313 160.1 1.38 17.20 38,000 0.393 169.0 1.70 21.08 40,000 0.487 178.0 2.08 25.64 42,000 0.597 187.0 2.51 31.00 44,000 0.723 195.7 3.00 37.24 46,000 0.868 204.5 3.55 44.50 48,000 1.033 213.5 4.17 52.88 50,000 1.22 222.4 4.86 52,000 1.43 231.3 5.63 54,000 1.66 240.2 6.47 56,000 1.91 249.0 7.41 58,000 2.20 258.0 8.45 60,000 2.51 267.0 9.59 62,000 2.85 275.8 10.84 64,000 3.22 284.5 12.22 66,000 3.62 293.5 13.73 68,000 4.05 302.5 15.38 70,000 4.52 311.5 17.19 72,000 5.03 320.0 19.16 74,000 5.57 329.0 21.32 76,000 6.15 338.0 23.66 78,000 6.78 347.0 26.22 80,000 7.45 356.0 29.0 82,000 8.20 364.7 32.0 84,000 8.90 373.6 35.3 86,000 9.80 382.5 38.8 88,000 10.6 391.4 42.6 90,000 11.6 400.3 46.8 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 99Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Estudio de Tránsito para Diseño de Pavimentos Ejemplo 1: Calcular el factor de equivalencia de carga, FEC, de un eje simple de 124.5 kN. Solución: Según la tabla 6.1 el eje simple de 124.5 kN ejerce un efecto dañino de 5.39. Esto significa que el paso de 1 eje de 124.5 kN provocan un daño igual al paso de 5.39 ejes estándar de 80 kN. Ejemplo 2: Calcular el factor de equivalencia de carga, FEC, de un eje simple de 4.45 kN. Solución: Según la tabla 6.1 el eje simple de 4.45 kN ejerce un efecto dañino de 0.00002. Esto significa que 1 pasada de un eje estándar de 80 kN producen el mismo daño que el paso de 50,000 ejes de 4.45 kN. Ejemplo 3: Calcular el factor de equivalencia de carga, FEC, de un eje tandem de 80 kN. Solución: Según la tabla 6.1 el eje tandem de 80 kN ejerce un efecto dañino de 0.077. Esto significa que 1 pasada de un eje estándar de 80 kN producen el mismo daño que el paso de 13 ejes tandem de 80 kN. Esto se explica porque los esfuerzos transmitidos por el eje tandem son menores que los esfuerzos transmitidos por el eje estándar, al tener una mayor área de contacto entre las llantas y el pavimento. 6.9 Factor Camión, FC Se entiende por factor camión al número de aplicaciones de ejes estándar de 80 kN, correspondiente al paso de un vehículo. El factor camión se puede obtener por pesaje. El peso es un método costoso para proyectos pequeños; por lo tanto, cuando se deba efectuar el diseño para un tramo de vía en la cual no se tengan datos sobre el pesaje quedan dos alternativas: a) asumir el F.C. conocido de una vía cuyas características sean similares. b) Estimar el F.C. por algún método empírico. Se puede emplear el D.S. Nº034-2001-MTC del 25 de julio del 2001, página 207449 de El Peruano. En el capítulo VIII de la mencionada norma se publican las dimensiones y pesos por eje de vehículos pesados. Los autos no se incorporan en la presente norma, porque como se vio en los ejemplos, el paso de un vehículo ejerce un daño no significativo en el pavimento. Ejemplo 1: Determinar el F.C. de un camión C2. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 100Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Estudio de Tránsito para Diseño de Pavimentos Solución: El camión C2 tiene un eje delantero simple con rueda simple de 7 tn y un eje posterior simple con ruedas dobles de 11 tn. Para calcular el daño producido por cada eje, debemos convertir el peso en toneladas a kN ó lb. Aproximadamente 7 y 11 tn equivalen a 68 y 107 kN. Con estos valores se ingresa a la tabla 6.1 y se calculan los factores equivalentes de carga para cada eje. De la interpolación se obtuvo que los FEC son 0.53 y 3.03 respectivamente. 7 tn 11 tn 3.03 + 0.53 = 3.56 El factor equivalente de carga del camión C2 es 3.56 Ejemplo 2: Determinar el FC de un T3S2 Solución: De manera análoga al problema anterior se puede calcular que 18 tn equivalen aproximadamente a 176 kN. De la tabla 6.1 se tiene que el efecto dañino de este eje tandem es 2.00 (valor obtenido por interpolación). Con estos datos se tiene: 7 tn 18 tn 18 tn 2.00 + 2.00 + 0.53 = 4.53 Ejemplo 3: Calcular el FC de un T2S3 Solución: Este trailer con semi remolque tiene 1 eje tridem en el eje posterior (en el semi remolque) y dos ejes simples en la parte del motor, el eje central tiene ruedas dobles y el delantero ruedas simples. Los pesos son los que se muestran en la figura. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 101Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Estudio de Tránsito para Diseño de Pavimentos 7 tn 25 tn 11 tn 1.77 + 3.03 + 0.53 = 5.33 25 tn equivalen aprox. a 244 kN, el FEC de este eje tridem es 1.77. El FEC del eje simple es 3.03 (problema 1). Con estos valores se obtiene FC=5.33. 6.10 Determinación del Número de Ejes Equivalentes en el Carril de Diseño para el Período de Diseño. Una vez determinado el número acumulado de vehículos que transitarán en el carril de diseño y durante el período de diseño, es posible convertir ésta cantidad de vehículos a ejes simples equivalentes de 8.2 tn. mediante el factor camión. El ESAL es el siguiente: ( )∑ ×= vehiculoFCvehiculosºNESAL Ejemplo 1: Para el diseño de una calle se realizó el conteo vehicular, obteniéndose que el Indice Medio Diario, IMD, es de 40 veh/día, de los cuales el 10% son volquetes de 2 ejes tipo C2. determinar el ESAL de diseño para 20 años, si el diseño geométrico considera 2 carriles en cada sentido. Tasa de crecimiento de 3.5%. Solución: Según el Instituto del Asfalto el carril de diseño transportará el 45% del promedio de vehículos diarios. Esto es 45%(40 veh/día)=18 veh/día. Según AASHTO consideraremos que en cada sentido circula el 50% del IMD, esto es 20 veh/día. En el carril de diseño se trasladará el 80% del total de vehículos que van en una dirección, esto es 80%(20 veh/día)=16 veh/día. Como se observa ambos resultados son similares. Para este ejemplo asumiremos 18 veh/día como el tránsito en el carril de diseño. De los cuales el 10% son camiones C2; por lo tanto, 1.8 son C2 y 16.2 son vehículos ligeros. A continuación se muestra una tabla en la que se resumen los cálculos para determinar el ESAL de diseño. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 102Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Estudio de Tránsito para Diseño de Pavimentos Tipo de vehículo Nº veh/día Nº veh/año F.C. ESAL en el carril de diseño Factor de crecimiento* ESAL diseño 1 2=1x365 3 4=2x3 5 6=4x5 Autos y combies 16.2 5913 0.0001 0.5913 28.28 16.72 C2 1.8 657 3.56 2338.92 28.28 66,144.66 Total 18.0 6570 2339.51 66,161.38 ( ) * aplicando la ecuación: r 1r1 oCrecimient de n −+ =Factor , para 20 años y tasa de crecimiento del 3.5%, se tiene 28.28. El ESAL de 66,161.38 corresponde al ESAL en el carril de diseño para el período de diseño de 20 años. La fórmula empleada para el cálculo del factor de crecimiento es la recomendada por el Instituto del Asfalto; sin embargo, esta puede ser modificada por otra que represente mejor el crecimiento vehicular. Para fines prácticos se ha considerado que la tasa de crecimiento vehicular es de 3.5%, pero como es sabido, las diferentes unidades que componen el parque automotor no tienen la misma tasa de crecimiento. Este valor deberá ser estimado individualmente. Ejemplo 2: Del conteo vehicular el IMD en el año 1993 es 965 veh/día, de los cuales 799 son ligeros (autos y combies); 6 omnibus tipo B2; 115 camiones de 2 ejes y 45 camiones de 3 ejes. Se realizaron pesajes a los camiones de 2 y 3 ejes, los factores camión obtenidos fueron 1.11 y 8.48, respectivamente. Determinar el ESAL en el carril de diseño para 10 años considerando una tasa de crecimiento de 5%. La vía es de un carril en cada sentido. Solución: En la siguiente tabla se muestran los cálculos realizados: Tipo de vehículo Nºveh/día Nºveh/día Nº veh/año F.C. ESAL en carril de diseño Factor de crecimiento ESAL diseño 3=2x365 (2 sent.) (1 sent.) 4 1 2=50%(1) 4 5=3x4 6 7=5x6 Autos y combies 799 399.5 145,817.5 0.0001 14.6 12.58 1841 B2 6 3 1,095.0 3.56 3,898.2 12.58 49,0392 C2 115 57.5 20,987.5 1.11 23,296.1 12.58 293,0653 C3 45 22.5 8,212.5 8.48 69,642.0 12.58 876,0963 Total 965 482.5 176,112.5 96,850.9 1’218,384 datos calculados con el D.S.Nº034-2001-MTC 1 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 103Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Estudio de Tránsito para Diseño de Pavimentos 2 El omnibus B2 tiene un eje delantero simple con ruedas simple de 7 tn y un eje posterior simple con ruedas dobles de 11 tn, según el D.S.Nº034-2001-MTC datos provenientes del pesaje 3 ( ) r 1r1 oCrecimient de Factor n −+ = aplicando la ecuación: 4 , para 10 años y tasa de crecimiento del 5%, se tiene 12.58. El ESAL en el carril de diseño para un período de 10 años es 1’218,384 ejes equivalentes de 18,000 lb ó 8.2 tn. Ejemplo 3: Determinar el ESAL de diseño para una vía de 2 carriles (1 en cada sentido) cuyo IMDS es 2500 veh/día, de los cuales el 50% son automóviles, el 30% son buses y el 20% son camiones. La distribución de camiones es: C3 el 80% y C4 el 20%. Tasa de crecimiento de 3%, período de diseño 10 años. Solución: Los datos que se deben calcular son los factores camión del camión C3 y C4: Camión C3 7 tn 18 tn 2.00 + 0.53 = 2.53 Camión C4 25 tn 7 tn 1.77 + 0.53 = 2.3 En la siguiente tabla se muestran los cálculos realizados: S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 104Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Estudio de Tránsito para Diseño de Pavimentos Tipo de vehículo Nºveh/día Nºveh/día Nº veh/año F.C. ESAL en carril de diseño Factor de crecimiento ESAL diseño 3=2x365 (2 sent.) (1 sent.) 2 1 2=50%(1) 4 5=3x4 6 7=5x6 Autos 1250 625.0 228,125 0.0001 22.8 12.58 286.81 B2 750 375.0 136,875 3.56 487,275.0 12.58 6’129,919.51 C3 400 200.0 73,000 2.53 184,690.0 12.58 2’323,400.21 C4 100 50.0 18,250 2.30 41,975.0 12.58 528,045.51 Total 2,500 1,250.0 456,250 713,962.8 8’981,652 datos calculados con el D.S.Nº034-2001-MTC 1 ( ) r 1r1 oCrecimient de Factor n −+ = aplicando la ecuación: 2 , para 10 años y tasa de crecimiento del 5%, se tiene 12.58. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 105Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 CAPITULO 7: DISEÑO EMPÍRICO-EXPERIMENTAL AASHTO 1993 7.1. INTRODUCCIÓN Esta guía orienta sobre los pasos del diseño de pavimentos flexibles de concreto asfáltico, utilizando la “Guide for Design of Pavement Structures 1993” de la American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO). Por lo general, todo pavimento flexible está conformado por: una capa de subrasante preparada y compactada a una densidad específica, una capa de sub base que puede ser omitida dependiendo de la calidad de la subrasante, una capa de base que se coloca sobre la sub base, o sobre la subrasante. Sobre la base se conforma la carpeta asfáltica que consiste de una mezcla de material bituminoso y agregados. El método AASHTO es un método de regresión basado en resultados empíricos de la carretera de prueba AASHO construida en los años 50. AASHTO publicó la guía para el diseño de estructuras de pavimento en 1972, cuyas revisiones fueron publicadas en 1981, 1986 y la actual versión de 1993. El proceso de diseño AASHTO se amplió para el uso de geomallas para reforzamiento del pavimento flexible. La metodología de incorporación de refuerzo tiene sustento en extensos ensayos de laboratorio y verificación a escala real. 7.2. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO El método AASHTO 1993 utiliza el número estructural SN para cuantificar la resistencia estructural que el pavimento requiere para determinada capacidad de soporte del suelo, tráfico esperado y pérdida de serviciabilidad. Con la ecuación de diseño empírica usada en AASHTO 93 se busca el número estructural requerido por el proyecto: ( ) 8.07)(Mlog 2.32 1SN 1094 0.40 1.54.2 ﾟPSI log 0.201)(SNlog 9.36S Z)(Wlog R10 5.19 10 10oR1810 −+ + + ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ −+−++= (7.1) S. MINAYA & A. ORDOÑEZ Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Diseño EmpíricoExperimental de Pavimentos Asfálticos Donde: SN número estructural requerido por la sección de carretera W18 número de ejes equivalentes de 80 kN (18,000 lb), en el período de diseño. ZR desviación estándar normal (depende de la confiabilidad, R, de diseño) error estándar por efecto del tráfico y comportamiento So ΔPSI variación del índice de serviciabilidad. MR módulo resiliente de la subrasante medido en psi El número estructural requerido por el proyecto, SN, se convierte en espesores de carpeta asfáltica, base y sub base, mediante coeficientes de capa que representan la resistencia relativa de los materiales de cada capa. La ecuación de diseño es la siguiente: (7.2) 33322211 m D a m D a D aSN ++= Donde: coeficiente de la capa i (1/pulg.) ai espesor de la capa i (pulg.) Di coeficiente de drenaje de la capa i (adimensional) mi Los subíndices 1,2 y 3 se refieren a las capas de carpeta asfáltica, base y sub base (si se aplica) respectivamente. Los coeficientes de capa dependen del módulo resiliente del suelo (MR), se determinan empleando los conceptos esfuerzo-deformación de un sistema multicapa. Los coeficientes de capa usados en la pista de prueba AASHO son: 0.40 - 0.44 pulgConcreto asfáltico superficial, a -1 1 Base de piedra chancada, a 0.10 - 0.14 pulg-12 Sub base de grava arenosa, a 0.06 - 0.10 pulg-13 7.3. CALCULO DEL NUMERO ESTRUCTURAL REQUERIDO El diseño de la carretera depende del tráfico esperado durante la vida de servicio y la confiabilidad en el comportamiento. Luego de caracterizar el suelo de la subrasante y seleccionar los valores de confiabilidad (R), para el error estándar So y ESAL estimado, se puede determinar el valor del número estructural, SN, usando el nomograma de la figura 7.2 ó la ecuación (7.1). A continuación se detallan los parámetros de diseño y recomendaciones de AASHTO. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 107Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Diseño EmpíricoExperimental de Pavimentos Asfálticos a) Período de Diseño El período de diseño se refiere al tiempo desde que la estructura de pavimento entra en servicio hasta antes que necesite algún trabajo de rehabilitación. Tabla 7.3: Períodos típicos de diseño Condiciones de Carreteras Período de Análisis Vías urbanas con alto volumen 30-50 Vías rurales con alto volumen 20-50 Pavimentadas con bajo volumen 15-25 Superficie granular con bajo volumen 10-20 b) Tránsito El diseño considera el número de ejes equivalentes (ESAL) para el período de análisis ( ) en el carril de diseño. A partir de conteos vehiculares y conversión a ejes equivalentes, el diseñador debe afectar el ESAL en ambas direcciones por factores direccionales y de carril (si son más de dos), aplicando la siguiente ecuación: 18W (7.3) 18LD18 ŵDDW ××= Donde: DD factor de distribución direccional factor de distribución por carril DL tráfico total en ambas direcciones para el período de diseño 18ŵ El factor de distribución direccional DD generalmente es 0.5 (50%) para la mayoría de las carreteras; sin embargo, este puede variar de 0.3 a 0.7 dependiendo de la incidencia de tráfico en una dirección. Los factores de distribución por carril, DL, recomendados por AASHTO se muestran en la tabla 7.4. Tabla 7.4.- Factor de distribución por carril DL Nº carriles en una dirección %ESAL en carril diseño 1 100 2 80-100 3 60-80 4 50-75 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 108Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Diseño EmpíricoExperimental de Pavimentos Asfálticos Figura 7.2: Carta de Diseño de Pavimentos Flexibles AASHTO 1993 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 110 Diseño Moderno de Pavimentos Diseño EmpíricoExperimental de Pavimentos Asfálticos c) Factor de confiabilidad, R Es una medida que incorpora algún grado de certeza en el proceso de diseño para asegurar que los diferentes parámetros alcancen el período de análisis. La tabla 7.5 presenta los niveles recomendados de confiabilidad para diferentes clasificaciones funcionales. Tabla 7.5.- Niveles sugeridos de confiabilidad, R Nivel recomendado de confiabilidad Clasificación Funcional Urbano Rural Interestatal y otras vías 85-99,9 80-99,9 Arterias principales 80-99 75-95 Colectores 80-95 75-95 Local 50-80 50-80 d) Desviación Estandar Normal (ZR) La desviación estándar normal está en función de la confiabilidad del proyecto, R. En la tabla 7.6 se muestran los valores de desviación estándar correspondiente a diferentes niveles de confiabilidad. e) Efectos medioambientales El medio ambiente puede afectar el comportamiento del pavimento de diferentes maneras. Las variaciones térmicas y humedad, afectan la resistencia, durabilidad y capacidad de transporte de carga. Otro impacto medioambiental importante es el efecto directo del congelamiento, deshielo y desintegración en la subrasante. f) Pérdida de serviciabilidad La serviciabilidad se define como la calidad de servicio del pavimento. La primera medida de la serviciabilidad es el Indice de Serviciabilidad Presente, PSI, que varía de 0 (carretera imposibles de transitar) a 5 (carretera perfecta). El PSI se obtiene midiendo la rugosidad y daño (agrietamiento, parchado y deformación permanente) en un tiempo en particular durante la vida de servicio del pavimento. La rugosidad es el factor dominante para estimar el PSI del pavimento. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 111Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Diseño EmpíricoExperimental de Pavimentos Asfálticos Tabla 7.6: Desviación estándar, ZR Confiabilidad Desviación Estándar R, % Normal, ZR 50 -0.000 60 -0.253 70 -0.524 75 -0.674 80 -0.841 85 -1.037 90 -1.282 91 -1.340 92 -1.405 93 -1.476 94 -1.555 95 -1.645 96 -1.751 97 -1.881 98 -2.054 99 -2.327 99.9 -3.090 99.99 -3.750 La guía AASHTO 93 usa la variación total del índice de serviciabilidad (ΔPSI) como criterio de diseño, que se define como: (7.4) t0 ppPSI −=Δ Donde: p0 índice de serviciabilidad inicial pt índice de serviciabilidad final, que es el más bajo índice tolerable antes de la rehabilitación. g) Módulo resiliente efectivo del suelo Las propiedades mecánicas del suelo de la subrasante se caracterizan en AASHTO 93 por el módulo resiliente, MR. El módulo resiliente mide las propiedades elásticas reconociendo sus características no lineales. El módulo resiliente se correlaciona con el CBR, mediante la siguiente ecuación: MR [psi] = 1500 x CBR ........ (7.5 a) MR [kPa] = 10342 x CBR ........ (7.5 b) Esta ecuación es razonable para suelos de gradación fina con CBR menores que 10%. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 112Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Diseño EmpíricoExperimental de Pavimentos Asfálticos 7.4. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO El número estructural requerido se convierte a espesores de concreto asfáltico, base y sub base, por medio de coeficientes de capa y utilizando la ecuación 7.2. a) Coeficientes de capa ai Se asigna un coeficiente de capa a cada material de la estructura de pavimento. El coeficiente de capa expresa una relación empírica entre el número estructural, SN, y el espesor. Concreto asfáltico.- La figura 7.3 muestra la carta sugerida por AASHTO 93, para definir el coeficiente estructural de concreto asfáltico de gradación densa basado en su módulo elástico (EAC) a 68°F. Este módulo elástico es el Módulo Dinámico Complejo, E*, obtenido de ensayos cíclicos. Base.- Las figuras 7.4, 7.5 y 7.6 muestran las cartas utilizadas para definir el coeficiente estructural, a2, de base granular, base tratada con asfalto y base tratada con cemento, respectivamente. Toma en cuenta cuatro diferentes ensayos de laboratorio. Sub base granular.- La figura 7.7 muestra la carta que puede ser usada para calcular el coeficiente de capa, a3, para una sub base granular a partir cuatro diferentes ensayos de laboratorio, incluyendo el módulo resiliente de la sub base ESB. b) Coeficientes de drenaje El método AASHTO asume que la resistencia de la subrasante y base permanecerá constante durante la vida de servicio del pavimento. Para que esto sea cierto, la estructura de pavimento debe tener drenaje apropiado. La calidad de drenaje se incorpora al diseño, modificando los coeficientes de capa. El factor que modifica el coeficiente de capa se representa por mi. El posible efecto del drenaje en el concreto asfáltico no se considera. La tabla 7.6 presenta las definiciones generales correspondientes a los diferentes niveles de drenaje. Tabla 7.6.- Condiciones de drenaje Calidad de drenaje Retiro de agua dentro de: Excelente 2 horas Bueno 1 día Regular 1 semana Pobre 1 mes Muy pobre el agua no drena S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 113Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Diseño EmpíricoExperimental de Pavimentos Asfálticos Figura 7.3.- Carta para calcular el coeficiente estructural de Concreto asfáltico de gradación densa S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 114Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Diseño EmpíricoExperimental de Pavimentos Asfálticos ) Figura 7.4.- Variación de coeficiente de capa de base granular (a2 con la variación de los parámetros de resistencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 115Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Diseño EmpíricoExperimental de Pavimentos Asfálticos (1) Escala derivada de correlaciones obtenidas en Illinois (2) Escala derivada de proyectos de la NCHRP (3) ) Figura 7.5.- Variación de coeficiente de capa de bases tratadas con asfalto (a2 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 116Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Diseño EmpíricoExperimental de Pavimentos Asfálticos (1) Escala derivada de correlaciones obtenidas en Illinois, Louisiana y Texas (2) Escala derivada de proyectos de la NCHRP (3) ) Figura 7.6.- Variación de coeficiente de capa de bases tratadas con asfalto (a2 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 117Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Diseño EmpíricoExperimental de Pavimentos Asfálticos ) Figura 7.7.- Variación de coeficiente de capa de sub base granular (a3 con la variación de los parámetros de resistencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 118Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Diseño EmpíricoExperimental de Pavimentos Asfálticos La tabla 7.7 muestra los coeficientes recomendados dependiendo de la calidad de drenaje y el porcentaje de tiempo anual en que la estructura del pavimento podría estar expuesta a niveles de humedad cercanos a la saturación. Tabla 7.7.- Coeficientes de drenaje recomendados, mi % de tiempo en que la estructura del pavimento es expuesta a niveles de humedad próximos a la saturación Calidad de drenaje Menos que 1-5% 5-25% Mayor que 25% 1% Excelente 1.40-1.35 1.35-1.30 1.30-1.20 1.20 Bueno 1.35-1.25 1.25-1.15 1.15-1.00 1.00 Regular 1.25-1.15 1.15-1.05 1.00-0.80 0.80 Pobre 1.15-1.05 1.05-0.80 0.80-0.60 0.60 Muy pobre 1.05-0.95 0.95-0.75 0.75-0.40 0.40 Ejemplo: Efectúe el diseño de un pavimento flexible nuevo para un período de diseño de 10 años, considerando un nivel de serviciabilidad inicial de 4 y final de 2. El módulo resiliente de la subrasante es 15.5 ksi. Asuma que el tráfico acumulado proyectado es de 3.41x106 ESAL en el carril de diseño. Considere que se trata de una vía de gran importancia. Adopte los parámetros que crea conveniente para la solución del problema. Solución: Período de diseño, n 10 años Mód. resiliente subrasante, MR 15,500 psi ESAL de diseño, W18 3.41x106 PSI 4.0 o 2.0 PSIf Comportamiento de la serviciabilidad 10 0 4 PSI 2 t (años) S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 119Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Diseño EmpíricoExperimental de Pavimentos Asfálticos Confiabilidad, R 95% (valor promedio de 80 a 99.9%, tabla 7.5) Desv. Est. Normal, ZR -1.645 (tabla 7.6) 0.45 (AASHTO 1993 recomienda valores entre 0.40 Error Estándar, So y 0.50 para pavimentos flexibles) Cálculo del Número Estructural Según el nomograma de la figura 7.2 se tiene: SNaprox=3.2 Este valor debe ser ajustado aplicando la ecuación 7.1 de cuyo resultado se obtuvo que: SNrequerido=3.4 Diseño de Espesores Las condiciones de drenaje asumidas para el proyecto son buenas y el porcentaje de tiempo en que la estructura del pavimento es expuesta a niveles de humedad próximos a la saturación son 1-5% y 5-25% para las capas de base granular y sub base granular, respectivamente. De las tablas 7.6 y 7.7 se tiene: =1.1 Drenaje de base granular m2 =1.0 Drenaje de sub base granular m3 Coeficientes de Capas: = 0.44 pulg (figura 7.3) Carpeta asfáltica E=450,000 psi a -11 = 0.14 pulg (figura 7.4) Base granular CBR=100% a -12 MR = 30,000 psi = 0.10 pulg (figura 7.7) Sub base granular CBR=25% a -13 MR = 13,600 psi AASHTO 1993 propone dos metodologías para determinar los espesores de las capas que compondrán la estructura del pavimento. El primer método es por espesores mínimos y la segunda donde los espesores mínimos son referenciales. Primer Método: por Espesores Mínimos La guía recomienda los siguientes espesores en función del tránsito: Tabla 7.8. Tabla 7.8: Espesores mínimos recomendados ESAL Concreto asfáltico Base granular > 50,000 1.0 (o tratamiento superficial 4 50,001 – 150,000 2.0 4 150,001 – 500,000 2.5 4 500,001 – 2’000,000 3.0 6 2’000,001 – 7’000,000 3.5 6 > 7’000,000 4.0 6 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 120Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Diseño EmpíricoExperimental de Pavimentos Asfálticos Según la tabla 7.8 los espesores mínimos recomendados, para el tránsito son: =3.5 pulg. Espesor de carpeta asfáltica D1 =6.0 pulg. Espesor de base granular D2 Reemplazando estos valores en la ecuación 7.2: 33322211 m D a m D a D aSN ++= 1.0D 10.01.10.614.05.344.04.3 3 ××+××+×= lgpu 10D lgpu 36.9D 3 3 ≅ = El pavimento tendrá las siguientes dimensiones: Subrasante Carpeta Base granular Sub base granular 3.5” 6” 10” Otras alternativas de éste primer método son: = 4 pulg 2º tanteo: D1 = 6 pulg SN = 3.484 D2 D3 = 8 pulg 3º tanteo: D1 = 3.5 pulg = 8 pulg SN = 3.512 D2 = 8 pulg D3 Segundo Método: donde los espesores mínimos son referenciales a) Se asume que la carpeta asfáltica se cimentará sobre la base granular con módulo resiliente de 30,000 psi: Carpeta BG; MR=30,000 psi Según el nomograma de la figura 7.2 y aplicando la ecuación 7.1 se obtuvo que: S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 121Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Diseño EmpíricoExperimental de Pavimentos Asfálticos SN =2.86 requerido 1 Como se sabe: SNrequerido 1 =a1D1 1 1 requerido 1 a SN D = pulg 5.6 44.0 86.2 D1 == b) Ahora se asume que la base granular se cimienta sobre la sub base granular con módulo resiliente de 13,600 psi: SBG; MR=13,600 psi Carpeta Base granular Según el nomograma de la figura 7.2 y aplicando la ecuación 7.1 se obtuvo que: =3.4 SNrequerido 2 =a D + a m DComo se sabe: SNrequerido 2 1 1 2 2 2 2D1.114.05.644.04.3 ××+×= pulg 5.3D2 = c) Ahora se asume que la sub base granular se cimienta sobre la subrasante con módulo resiliente de 15,500 psi: Subrasante; MR=15,500 psi Sub base granular Carpeta Base granular Según el nomograma de la figura 7.2 y aplicando la ecuación 7.1 se obtuvo que: =3.4 SNrequerido 3 =a DComo se sabe: SNrequerido 3 1 1 + a m D2 2 2 + a3m D3 3 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 122Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Diseño EmpíricoExperimental de Pavimentos Asfálticos 3D0.110.05.31.114.05.644.04.3 ××+××+×= pulg 0D3 = El diseño final será: Subrasante Carpeta Base granular 6.5” 3.5” De los dos métodos recomendados por el Métodos AASHTO 1993, el segundo método siempre da valores mas altos. Esto nos lleva a analizar la estructura por el primer método. Sin embargo, esto no nos exime de realizar el segundo análisis. De la práctica en nuestro país, general se recomienda en el diseño 2 pulg de carpeta asfáltica. Con este valor se puede realizar el cálculo de los otros espesores, aplicando el primer método. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 123Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 CAPITULO 8: DISEÑO EMPIRICO-MECANISTICO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS 8.1 Introducción De acuerdo con Huang (1993), los métodos de diseño de pavimentos se clasifican en 05 categorías: métodos empíricos con o sin ensayos de resistencia de suelos, método de falla cortante límite, método de deflexión límite, método de regresión basado en el comportamiento de pavimentos o ensayos en pistas de prueba y métodos empíricos mecanísticos. Un buen ejemplo del uso de ecuaciones de regresión para el diseño de pavimentos corresponde a la Guía AASHTO para el Diseño de Estructuras de Pavimentos, principal documento utilizado por las agencias de transportes en los EE.UU. para el diseño y rehabilitación de pavimentos de carreteras. Las Administración Federal de Carreteras, FHWA de los EE.UU. indica que el 80% de las agencias utilizaban la versión de 1972, 1986 ó 1993 de la Guía de Diseño de Pavimentos de la AASHTO. Todas las versiones mencionadas fueron basadas en la ecuación resultante del comportamiento de la pista de pruebas de la AASHO en la década de 1950. Entre las limitaciones encontradas se han listado las siguientes: a. La pista de pruebas no consideró tramos, ni procedimientos de rehabilitación de pavimentos y fueron realizados en un solo lugar, existiendo problemas para predecir el comportamiento bajo condiciones ambientales diferentes. b. La pista de prueba consideró un solo tipo de subsuelo y utilizó bases granulares no estabilizadas. Actualmente se ha demostrado la importancia de utilizar diferentes tipos de bases tratadas o reforzadas en subsuelos de baja capacidad de soporte. c. El peso y geometría de los vehículos, las presiones de las llantas y el volumen de tráfico se han incrementado sustancialmente en las últimas cuatro décadas. d. El diseño se evaluó en función del espesor del paquete que conformaban las distintas capas del pavimento. Actualmente, la aplicación de la teoría elástica permite que el diseño se evalúe y se determine la influencia de cada una de las distintas capas o elementos estructurales que componen el pavimento. Aunque las ecuaciones de regresión pueden ilustrar los efectos de varios factores que influyen en el comportamiento del pavimento, el uso en el diseño de estructuras de pavimentos es limitado debido a que envuelve muchas incertidumbres. El método empírico mecanístico se basa en la aplicación de la mecánica estructural, que permite determinar la respuesta de los elementos estructurales que compone el pavimento, S. MINAYA & A. ORDOÑEZ Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño Empírico-Mecanístico de Pavimentos Asfálticos tales como esfuerzos, deformaciones y deslocamientos, debido a las cargas aplicadas por las ruedas, utilizando por cierto, los fundamentos y el modelamiento que permite la teoría elástica. Los valores de la respuesta son utilizados para predecir el daño basado en ensayos de laboratorio y datos del comportamiento en campo. La dependencia existente de la metodología, respecto al comportamiento, es necesaria debido a que la teoría sola, no provee lo suficiente para un diseño confiable. La metodología empírica mecanística AASHTO 2002, por lo tanto, ya no utiliza una ecuación de regresión para el diseño, sino recomienda la aplicación de la teoría elástica, modelando el medio mediante múltiples capas horizontales, homogéneas, con comportamiento elástico en el caso de la sub-rasante y bases granulares y comportamiento viscoelástico en el caso de los materiales asfálticos. La aplicación del análisis deformacional en el diseño de pavimentos flexibles tiene el objetivo de controlar las deformaciones en la estructura de pavimentos, incluyendo el terreno de fundación. La magnitud de las deformaciones que se presenta en la estructura de pavimentos debido a las cargas móviles está asociada a la duración del pavimento. El análisis deformacional constituye en la actualidad una herramienta de análisis que permite considerar: a. El tipo de superficie de rodadura y/o carpeta asfáltica través del módulo dinámico. El parámetro del modelo considera las variaciones horarias y estacionarias y la velocidad del tránsito, en función de la categoría de la vía (pendiente, geometría, etc.). b. El tipo de base y sub-base granular, bases y sub-bases estabilizadas asfálticas y/o tratadas con cemento. Permite también determinar de manera directa el espesor del material estabilizado necesario para el diseño. c. La estratigrafía del terreno de fundación, la capa compactada y los estratos del terreno natural, así como la presencia de basamento rocoso. d. La distribución de los esfuerzos verticales de compresión en la sub-rasante y el terreno de fundación. e. La distribución de esfuerzos horizontales y esfuerzos de tracción en las capas superficiales del pavimento. Esto permite evitar que la superficie de rodadura o carpeta asfáltica sea sometida a esfuerzos de tracción que genere el agrietamiento prematuro. El análisis deformacional se realiza a través de programas de cómputo que permiten la solución del problema elástico como el Kenlayer del Dr. Huang, 1993 de la Universidad de Kentucky, EE.UU. Programas del INPACO de Colombia, implementado en la década pasada, es también conocido en nuestro medio. Los programas utilizan la técnica numérica de las diferencias finitas o elementos finitos para la solución de las ecuaciones diferenciales del problema elástico y del modelamiento elástico de los materiales. Los esfuerzos, deformaciones y desplazamientos, resultante de la aplicación de la carga de diseño permiten determinar el período de vida de la estructura mediante el uso de los denominados modelos de daño. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 125Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño Empírico-Mecanístico de Pavimentos Asfálticos Los modelos de daño son ecuaciones empíricas-experimentales que relacionan el número de pasadas admisibles del pavimento en función de los esfuerzos y deformaciones calculadas. El procedimiento de diseño es iterativo hasta conseguir optimizar el valor de los esfuerzos y deformaciones a fin de evitar los diferentes tipos de falla que se pueden esperar en la estructura del pavimento. El siguiente esquema permite ilustrar el procedimiento de diseño: Condiciones Ambientales: Clima y Drenaje Local Determinación de Parámetros Elásticos: Sub-rasante y Materiales Locales Cargas de Tránsito Local Cálculo de Esfuerzos y Deformaciones. Programa Kenlayer, otros. Estructura Propuesta Diseño Iterativo Uso de Modelos de Daño y Predicción del Período de Diseño. Considera materiales y condiciones locales. Fig. 8.1 Procedimiento de Diseño 8.2 Jerarquización del Proyecto De acuerdo con las características de los proyectos viales que se va a tratar, le corresponde un Nivel 2 de sofisticación en la obtención de los parámetros de diseño. En la Tabla 8.1 se presentan los niveles de la guía de diseño y los parámetros de diseño: Tabla 8.1: Categorización de Parámetros Elásticos de Materiales y Sub-rasante Material Nivel 1 Nivel 2 Nivel 3 Mezclas Asfálticas Módulo Dinámico Medido Módulo Dinámico Estimado Módulo Dinámico Estimado Materiales Estabilizados Módulo Medido Módulo Estimado Módulo Estimado Materiales Granulares No Estabilizados Módulo Resiliente Medido Módulo Resiliente Estimado Módulo Resiliente Estimado Sub-rasante Módulo Resiliente Medido Módulo Resiliente Estimado Módulo Resiliente Estimado S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 126Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño Empírico-Mecanístico de Pavimentos Asfálticos 8.3 MODELAMIENTO ELÁSTICO DE LA CARPETA ASFÁLTICA El método de diseño AASHTO 1993 considera como parámetro de diseño de la carpeta asfáltica el módulo resiliente, Mr resultante del ensayo de tracción indirecta. Para mezclas asfálticas densas en caliente, los valores de Mr varían de 400,000 a 450,000 psi (28,000 a 32,000 kg/cm2) considerando una temperatura de 20°C, no indicando, el tipo de asfalto y la frecuencia de ensayo asociado a la velocidad. La nueva Guía de Diseño empírico-mecanístico AASHTO 2002 recomienda que el módulo elástico de la carpeta se evalúe con el Módulo Complejo Dinámico, E* determinado de los ensayos de compresión triaxial cíclico. Sin embargo, se propone la ecuación de Witzack, el cual considera: a. El tipo de asfalto (penetración, viscocidad y/o gradación caso de Superpave, asfaltos modificados y envejecidos) b. La granulometría de la mezcla asfáltica (densa, abierta, incompleta, porosa, etc.) c. Las variaciones de temperaturas horarias y estacionarias. d. La velocidad vehicular asociada a la frecuencia de la carga. MÓDULOS DINÁMICOS El ensayo de tracción indirecta permite determinar el Módulo Resiliente de la carpeta asfáltica cuando trabaja a tracción. Diseñar carpetas asfálticas considerando que la parte inferior trabaje a tracción y la parte superior se encuentre a compresión, generan fisuras prematuras que se reflejarán en la superficie. El nuevo criterio para el diseño de pavimentos diseña la estructura de manera que la carpeta asfáltica se encuentre trabajando toda a compresión. Esto se consigue incorporando capas inferiores estabilizadas o tratadas. Desde este punto de vista el Módulo Resiliente no es representativo del comportamiento de la carpeta, proponiéndose el Módulo Dinámico obtenido de ensayos triaxiales cíclicos. El módulo dinámico varía con la temperatura y la frecuencia de carga. Se debe tener en cuenta que el ensayo se debe realizar a la frecuencia que simule las cargas de tráfico para el diseño. Una máquina de ensayo servo hidráulica para ensayos de compresión cíclica se muestra en la foto 8.1. El equipo de la Universidad de Arizona, EE.UU. aplica esfuerzos sinusoidales (ondas continuas) que son medidos en la celda de carga, las deformaciones se miden usando un traductor LVDT. El traductor se asegura usando brackets y tacones sobre el especimen. Se acondicionan barras de acero para mantener el alineamiento. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 127Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño Empírico-Mecanístico de Pavimentos Asfálticos (a) Muestra para ensayo triaxial cíclico (b) Prensa cíclica, Universidad de Arizona, EE.UU. Foto 8.1: Ensayo Triaxial Cíclico, Universidad de Arizona. Ref. 65 El comportamiento visco-elástico es la respuesta retardada del material, la deformación máxima se alcanzará en un instante posterior, cuando la carga que se haya aplicado se encuentre en el instante de la descarga. El módulo dinámico E* es la relación entre el esfuerzo y la respuesta deformacional. o oE ∈ =∗ σ (8.1) La caracterización de las mezclas asfálticas convencionales y Superpave (Minaya y Ordóñez, 2003) se realiza a través de la ecuación de predicción del módulo dinámico, E* (Minaya, 2004) resultado de trabajos desarrollado en la Universidad de Maryland, EE.UU. durante 25 años y publicado en 1999. El modelo de predicción del comportamiento mecánico se realiza en función del módulo complejo dinámico, E* para materiales viscoelásticos. El trabajo experimental y su verificación se realizaron sobre una muestra original de 1430 puntos y 149 mezclas y su posterior ajuste y validación se realizó con 1320 puntos y 56 mezclas adicionales: S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 128Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño Empírico-Mecanístico de Pavimentos Asfálticos ( ) a42200200 V0580970p0028410p0017670p02923207500633E ×−×−×−×+= .....log * ( ) ( ) ( ) ( )( )η−−−+ +−+− + + ×− log..log... ......... . 3935320f31335106033130 34 2 38384 aeff eff e1 p0054700p0000170p0039580p002108719773 VVb Vb 8022080 Donde: E* Módulo dinámico de la mezcla asfáltica, en psi η Viscosidad del ligante en 106 poise (a alguna temperatura y grado de envejecimiento) f Frecuencia de carga en Hz % de vacíos de aire en la mezcla, por volumen Va Vbefect % de asfalto efectivo, por volumen p3/4 % retenido en el tamiz ¾”, por peso total de agregado (acumulado) p3/8 % retenido en el tamiz 3/8”, por peso total de agregado (acumulado) p4 % retenido en el tamiz Nº4, por peso total de agregado (acumulado) p200 % que pasa el tamiz Nº200, por peso total de agregado La ecuación considera un rango de temperaturas de 0 a 130ºF (-18 a 54ºC). La frecuencia está relacionada con la velocidad del vehículo. La Guía recomienda definir la frecuencia en función de la categoría y velocidad vehicular: Tabla 8.2: Recomendaciones de Velocidades y Frecuencias Categoría Velocidad Superficie de rodadura KPH (espesor= 1-3”) 1era 95 45-95 2da 70 35-70 Vías urbanas 25 10-25 Intersecciones viales 0.8 0.5-1 Ref: Flexible Design AASHTO 2002, Tabla 3.3.1, parte 3 capítulo 3 Aplicando la ecuación de Witczak para una mezcla asfáltica densa convencional que cumpla con las especificaciones de la mezcla de tamaño máximo nominal 3/4” (19 mm), las frecuencias consideradas en el análisis fueron 15, 50 y 70 Hz. correspondiente a 25, 70 y 95 kph y para viscosidad del ligante no envejecido de diferentes penetraciones. Los porcentajes retenidos y pasantes de las mallas son: (P34 : 0%, P38 : 30%, P4 : 50%, P200 : 5%, Vb : 15%, Va: 4%). eff Las figuras 8.1 a 8.3 presentan los valores del Módulo Dinámico correspondiente a mezclas asfálticas de diversas penetraciones utilizadas en el país, en función de la temperatura y la velocidad vehicular. Los valores determinados son para asfaltos PEN 60-70, 85-100 y 120-150, asfaltos usados en zonas de temperatura cálida, intermedia (caso Lima) y de bajas temperaturas. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 129Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño Empírico-Mecanístico de Pavimentos Asfálticos 0 5 10 15 20 40 60 80 100 Velocidad, Km/h M ó d u lo D in á m ic o E *( x 1 0 5 ) p s i 20ºC 30ºc 40ºC 50ºC Asfalto PEN 60-70 Figura 8.1: Módulo Dinámico según Velocidad y Temperatura para Asfalto PEN 60-70 0 5 10 15 20 25 20 40 60 80 100 Velocidad, Km/h M ó d u lo D in á m ic o E *( x 1 0 5 ) p s i 10ºC 20ºc 30ºC 40ºC Asfalto PEN 85-100 Figura 8.2: Módulo Dinámico según Velocidad y Temperatura para Asfalto PEN 85-100 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 130Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño Empírico-Mecanístico de Pavimentos Asfálticos 0 5 10 15 20 25 30 20 40 60 80 100 Velocidad, Km/h M ó d u lo D in ám ic o E *( x1 05 ) p si 0ºC 10ºc 20ºC 30ºC Asfalto PEN 120-150 Figura 8.3: Módulo Dinámico según Velocidad y Temperatura para Asfalto PEN 120-150 Por ejemplo si se desea calcular el Módulo Dinámico para carpeta asfáltica convencional de TMN 19 mm, para las temperaturas de pavimento y frecuencias mostradas en la tabla se tienen los siguientes módulos: Tabla 8.3: Módulo Dinámico E* en psi Asfalto PEN 120-150 Tipo de mezclas Asfalto PEN 60-70 Sugerido en zonas fríasSugerido en zonas cálidas1 2 velocidad de diseño 70 kph 70 kph frecuencia 50 Hz 50 Hz Temperatura de pavimento 40ºC 5ºC E*, psi 410,000 2´200,000 A bajas temperaturas la mezcla asfáltica puede ser susceptible a deformaciones permanentes mientras que los valores altos indican susceptibilidad a agrietarse por bajas temperaturas. En el primer caso se debe poner especial cuidado en la elección del ligante y la granulometría de la mezcla, el ligante debe mantener su rigidez a bajas temperaturas y la granulometría del agregado deberá ser uniforme tipo Stone Mastic Asphalt, donde predomine el contacto piedra- piedra. Para el segundo caso la elección del ligante será lo más importante considerando asfaltos que mantengan su rigidez a altas temperaturas. 1 Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras, EG-2000. Ministerio de Transportes y Comunicaciones del Perú. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 131Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño Empírico-Mecanístico de Pavimentos Asfálticos Para el caso de Lima donde el asfalto empleado puede ser asfalto PEN 85-100, a temperatura de pavimento de 20ºC y velocidad de diseño de 70 kph, frecuencia 50 Hz., el E* será 1´180,000 psi. Una carpeta asfáltica sometida a las condiciones de Lima, correspondiente a un diseño de pavimento convencional, tiene valores altos de rigidez, que lo puede llevar al agrietamiento al concentrar esfuerzos de tracción. 8.4 Subrasante El comportamiento de la sub-rasante es función de la humedad y densidad, asociado a las condiciones ambientales de sitio. En suelos de baja capacidad de soporte donde los valores de humedad alcanzan la condición saturada y los valores de densidad de campo están muy por debajo de la densidad de compactación los valores de los módulos elásticos realmente son muy bajos (Ordóñez y Minaya, 2001). De ahí que en los EE.UU. no se recomienden considerar subrasantes con baja capacidad de soporte sin antes realizar un proceso de estabilización, en toda la profundidad correspondiente a la subrasante o incorporando un elemento de refuerzo. Valores de CBR por debajo de 8-10% son considerados inestables para soportar una estructura de pavimento. Con esta consideración el módulo resiliente, será el parámetro elástico representativo del comportamiento de la subrasante porque siempre estará asociado a suelos con comportamiento estable (sin deformación plástica significativa diferida). También el modelamiento permite considerar la subrasante mediante 02 capas diferentes, la capa superficial compactad y la profunda en estado natural. Al respecto, la influencia de la saturación, S sobre muestras compactadas (con el Contenido Optimo de Humedad) en la variación del valor del módulo resiliente, MR se puede ilustrar en el modelo de Li y Selig para suelos finos: Figura 8.4: Variación del Módulo Resiliente con la Saturación en Suelos Finos S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 132Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño Empírico-Mecanístico de Pavimentos Asfálticos Como se observa, el módulo puede incrementar de valor hasta 4 veces por efecto del incremento de la succión (asociado a la pérdida de humedad) o puede disminuir su valor en un 90% cuando alcance la saturación. Comportamiento similares se obtuvieron en el extenso trabajo experimental que se realizó en la UNI sobre la influencia de la saturación en el módulo elástico en suelos arenosos y limoarcillosos (Ordóñez y Minaya, 2001). El trabajo de Drumm y otros, hace extensivo para diferentes tipos de suelos: Figura 8.5: Efectos de la Saturación Post- Compactación sobre el Módulo Resiliente Santha propone un modelo de predicción del valor del módulo resiliente en función de la humedad, densidad y otros parámetros para suelos granulares y finos a través de la siguiente ecuación: 3k a oct 2k a a1R pp pkM ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ τ ×⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ θ ××= para suelos granulares: 40S DEN 003.0 CLY SW 004.0DEN039.0SW025.0 CLY006.0SLT011.0COMP681.3 MOIST MC 24.0MC07.0479.3k log 22 1 ×+×+×−× −×+×+×+×+×−= CLY SHSW 31.0 CLY SW 003.0CBR012.0DEN027.0SH0.0069 SW0088.0CLY0056.0SATU0053.0COMP076.2MOIST053.0044.6k 2 2 + ×−×+×+×−× −×+×−×+×−×−= ( ))SHCBR0026.0 SH SATU 00004.0 CLY SW 0009.0DEN033.0 SH026.0CLY0053.0SLT006.0MCR309.0MC068.0752.3k 22 3 ××−×+×−× −×+×+×−×+×−= para suelos cohesivos: ( )SATU40S00001.0DEN052.0SW021.0PI016.0 LL015.0SLT037.0COMP171.9MC131.0MOIST045.0813.19klog 1 ××+×−×−× −×+−×−= × − × + × S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 133Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño Empírico-Mecanístico de Pavimentos Asfálticos DEN046.0SH014.0 PI0087.040S0088.0COMP471.3MCR06.1MOIST097.0274.10k3 ×−× +×−×+×−×−×−= Donde: MC contenido de humedad (%) SATU porcentaje de saturación (%) COMP porcentaje de compactación (%) S40 porcentaje que pasa malla Nº40 (%) CLY porcentaje de arcilla (%) SLT porcentaje de limo (%) SW porcentaje de hinchamiento (%) SH porcentaje de contracción (%) DEN máxima densidad seca (pcf) CBR California Bearing Ratio La guía de diseño también presentan correlaciones entre propiedades índices de los suelos y el valor de CBR y Módulos Resilientes, MR de materiales no tratados tales como capas de bases, y sub-base granulares y subrasantes que conforman la estructura del pavimento. Las correlaciones fueron desarrolladas considerando la ecuación MR=2555.CBR0.64. Para materiales con IP=0 se utilizó la siguiente correlación: CBR=28.091(D60)0.3581 y para suelos con IP>0 se utilizó la siguiente correlación: ( )PIw728.01 75 CBR ×+ = donde w= % de finos y PI=Indice de Plasticidad Figura 8.6: Correlaciones entre el Módulo Resiliente y Propiedades de los Suelos S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 134Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño Empírico-Mecanístico de Pavimentos Asfálticos 8.5 Modelos de Daño En el análisis se considera que las cargas de tráfico genera un daño por fatiga de la carpeta asfáltica que se inicia en la parte inferior de la carpeta asfáltica y que se propaga hacia la superficie (reflejo de fisuras). Esto es, las fisuras se originan en la fibra inferior de la mezcla asfáltica (zona donde se generan esfuerzos de tracción) y luego se propaga a la superficie del pavimento. Daño por fatiga significa que el estado de esfuerzos, que genera las cargas, se encuentra muy alejada de los esfuerzos límites o de falla, sin embargo; la repetición de las solicitaciones llega a producir el agotamiento o fatiga del material asfáltico que se traduce en la aparición de fisuras. Ensayos de laboratorio a escala reducida han permitido proponer ecuaciones o modelos de daño que relacionan el número de pasadas de carga admisible en función de las propiedades del material y el valor de los esfuerzos transmitidos. El modelo de daño de agrietamiento por fatiga se expresa como: Nf = f . ε . E1 t-f2 -f3 Donde Nf, es el número aceptable de repeticiones de carga admisible por agrietamiento por fatiga; εt es la deformación por tracción en la fibra inferior de la capa asfáltica; E es el módulo elástico de la carpeta asfáltica; y f y f, f1 2 3 son constantes determinadas en pruebas experimentales. , f y fEl Instituto del Asfalto propone 0.0796, 3.291, y 0.854 para f1 2 3, respectivamente, en su procedimiento de diseño basado analíticamente; los valores correspondientes usados por la Shell son 0.0685, 5.671, y 2.363. Posteriormente se sugirió que f1 en el criterio del Instituto de Asfalto se reduzca a 0.0636 para las capas de HMA menos de 4 pulg. de espesor. Otro modelo o ecuación de daño complementario se refiere al exceso de deformación elástica atribuido a un comportamiento inestable (muy compresible) de la subrasante: Nd = f . εz-f54 En la que Nd es el número admisible de repeticiones de carga limitado por el valor de la deformación vertical elástica; εz es la deformación vertical elástica por compresión de la subrasante, f y f son constantes determinadas de pruebas experimentales. 4 5 y f se sugiere como 1.365 x 10 y 4.477 por el Instituto del Asfalto; 6.15 x 10El valor de f -9 -74 5 y 4.0 por la Shell y 1.13 x 10-6 y 3.571 por la Universidad de Nottingham. El número admisible de pasadas resultante de las ecuaciones de daño y el volumen de tránsito esperado del proyecto permiten determinar el período de vida de la estructura del pavimento. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 135Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño Empírico-Mecanístico de Pavimentos Asfálticos 8.6 ANÁLISIS DEFORMACIONAL La estructura típica del pavimento en nuestro medio está formada por carpeta asfáltica y capas de material seleccionado colocadas sobre subrasante compactada y subrasante natural, el objetivo es distribuir las cargas provenientes del tránsito, de manera que las presiones verticales a nivel de fundación sean menores a las admisibles por la estructura del pavimento. La deflexión es un parámetro utilizado para verificar la capacidad estructural de un pavimento. La deflexión admisible puede ser calculada con alguna de las siguientes ecuaciones empíricas : 2 Instituto del Asfalto: 2383.064.25 −= NDadm ( ) 25.0/15.1 NDadm =CONREVIAL: Criterio de California, CA de 5”: 165.0237.6 −= NDadm N es el número de ejes equivalentes usado en el diseño. Aplicando las ecuaciones a 0.8x106 ejes equivalentes se tiene: 101, 109 y 66 (1/100 mm) de deformación admisible, respectivamente. La llanta no sólo genera esfuerzos verticales sino también esfuerzos horizontales. En una estructura típica de pavimento (carpeta asfáltica, base y sub base granular) los esfuerzos horizontales se disipan a través de la carpeta asfáltica, pasando de un valor positivo en la superficie a uno negativo en su fibra inferior. Los esfuerzos así generados producen fisuras que luego se reflejarán en la superficie. La figura 8.7 muestra la distribución de esfuerzos horizontales (σH) y verticales (σ ) de pavimentos típicos. V El parámetro elástico que modela el comportamiento de la carpeta asfáltica que trabajan a tracción es el Módulo Resiliente obtenido del ensayo de tracción indirecta. Para los materiales granulares y fundación natural, el Módulo Resiliente obtenido de ensayos triaxial cíclico es el parámetro de diseño. Dos de las principales fallas que se producen en el pavimento están asociadas a las deformaciones excesivas a nivel de la sub-rasante, reflejando el comportamiento del terreno de fundación y la deformación por tracción, asociado al agrietamiento. A continuación se evaluará el comportamiento deformacional de la estructura del pavimento y el aporte de cada capa en la reducción de estas deformaciones. Se empleará el programa elástico multicapas Kenlayer del Dr. Huang de la Universidad de Kentucky. 2 Chang, C, Torres, R. “Aplicación de Ensayos no destructivos para el Control de Calidad de Pavimentos Flexibles”. Instituto de la Construcción y Gerencia, 2005. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 136Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño Empírico-Mecanístico de Pavimentos Asfálticos Carpeta Base granular (+) (-) v H Sub base granular Suelo compactado Fundación Figura 8.7: Esquema de la Distribución de Esfuerzos en Pavimentos Típicos PRIMER CASO: ESTRUCTURAS TÍPICAS Se modelará una estructura típica conformada por carpeta asfáltica, base y sub base granulares, suelo compactado y fundación. Las condiciones de análisis son las mismas, sólo se variará el espesor de la carpeta asfáltica, ésta será de 2, 4 y 6 pulg. Las dimensiones y parámetros de diseño se muestran en la figura 8.8. La figura 8.9 muestra la variación de los esfuerzos verticales o de compresión en estructuras típicas. El mayor porcentaje de los esfuerzos verticales son asumidos por la carpeta asfáltica y base granular. Al nivel de fundación, para cualquier configuración, llega el mismo nivel de esfuerzos, esto indica que incrementando el espesor de la carpeta asfáltica no se reducen las deformaciones en la fundación. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 137Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño Empírico-Mecanístico de Pavimentos Asfálticos Figura 8.8: Análisis Deformacional de Estructura Típica. Figura 8.9: Esfuerzos Verticales o de Compresión Estructura Típica La deformación a nivel de fundación es del orden de 3.75% y deflexiones dinámicas de 0.83, 0.65 y 0.54 mm. para carpetas asfálticas de 2, 4 y 6 pulg, respectivamente. Las deflexiones dinámicas y estáticas están en una relación de 1 a 10, esto quiere decir que la deflexión en la superficie es de 8.3, 6.5 y 5.4 mm medidos con viga Benkelman, valores muy superiores a los admisibles para 0.8x106 ejes equivalentes, que está en el orden de 1 mm.. CAPA DE PAVIMENTO CARACTERÍSTICAS CARPETA ASFALTICA 2, 4 y 6” Mr=450,000 psi ν=0.35 (ref. 2) BASE GRANULAR, CBR=100% Mr= 30,000 psi ν=0.35 (ref. 2) SUB BASE GRANULAR CBR=40% Mr= 17,500 psi ν=0.35 (ref. 2) SUELO COMPACTADO CBR=20% Mr= 12,000 psi ν=0.45 (ref. 2) FUNDACION CBR=4% Mr=6,000 psi ν=0.45 (ref. 2) TIPO DE EJE SIMPLE STANDARD RADIO DE CONTACTO 4.52 PULG PRESION DE CONTACTO 5 kg/cm2 Variable 20 cm 25 cm 15 cm Fundación Suelo compactado Sub base granular Carpeta asfáltica Base granular 6” 2” 4” Base granular Sub base granular Suelo compactado Fundación Carpeta v S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 138Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño Empírico-Mecanístico de Pavimentos Asfálticos La figura 8.10 demuestra que el tercio superior de la carpeta asfáltica está trabajando a compresión mientras que los dos tercios restantes a tracción. En conclusión, incrementar el espesor de la carpeta no reduce las deformaciones por tracción, la mejor alternativa es minimizar las deformaciones plásticas a nivel de fundación mediante la estabilización. Carpeta Base Sub base granular Suelo compactado Fundación t 6” 2” 4” Figura 8.10: Deformaciones por Tracción en Estructura Típica Es contraproducente, además, convertir espesores de carpeta asfáltica a equivalentes de espesores de base granular como 1:3. La carpeta asfáltica tiene un módulo por lo menos 15 veces mayor al de la base granular y solo se podrá modificar espesores luego de un análisis deformacional. SEGUNDO CASO: ESTRUCTURA SEMIRIGIDA El esquema de distribución de esfuerzos en una estructura de pavimentos con base y/o sub base estabilizada se muestra en la figura 8.11. La carpeta asfáltica está sometida solamente a esfuerzos de compresión, mientras los esfuerzos de tracción son absorbidos por la base estabilizada. Desde este punto de vista el ensayo de tracción indirecta y el respectivo parámetro como es el módulo de resiliencia no representa el comportamiento mecánico de la carpeta asfáltica, así, un ensayo de compresión confinada cíclica será representativo del comportamiento mecánico. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 139Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño Empírico-Mecanístico de Pavimentos Asfálticos Carpeta Base Estabilizada Sub base Fundación (+) (-) v H Figura 8.11: Distribución de Esfuerzos en Pavimentos Witczak y otros, de la Universidad de Arizona, proponen evaluar el Módulo Dinámico Complejo, obtenido de ensayos de compresión triaxial cíclico. La Guía de Diseño de Pavimentos AASHTO 2002 recomienda el uso de este parámetro. El módulo dinámico, E* también ha surgido como el principal candidato para el Simple Performance Test – Superpave, que predice las deformaciones permanentes y agrietamientos fatiga en pavimentos asfálticos. Con la finalidad de demostrar la importancia de considerar bases y sub-bases tratadas y/o estabilizadas en pavimentos sobre terrenos de baja capacidad de soporte, como es el caso del diseño considerado en la Vía Inter-Oceánica Sur – Tramo Inambari-Iñapari, se presenta el análisis deformacional, considerando la colocación de una carpeta asfáltica, figura 8.12. Ref: Flexible Design AASHTO 2002, 4Tabla 2.2.43. 5Tabla 2.2.51 Figura 8.12: Análisis Deformacional de Estructuras Semi-Rígidas CAPA DE PAVIMENTO CARACTERÍSTICAS CARPETA ASFALTICA E*=300,000 psi ν=0.35 BASE:SUELO+CEMENTO Mr= 700,000 psi4 ν=0.15 SUB BASE:SUELO+CAL Mr= 60,000 psi ν=0.20 ARCILLA+ARENA Mr= 24,000 psi5 ν=0.25 FUNDACION CBR=3% Mr=4,500 psi ν=0.45 (ref. 2) TIPO DE EJE SIMPLE STANDARD RADIO DE CONTACTO 4.52 PULG PRESION DE CONTACTO 5 kg/cm2 1 “ 20 cm 20 cm 65 cm Fundación natural de arcilla arcilla+arena Sub base : suelo+cal Base: Suelo+cemento Carpeta asfáltica S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 140Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño Empírico-Mecanístico de Pavimentos Asfálticos Para los parámetros de diseño mostrado y haciendo uso del programa Kenlayer se ha obtenido la siguiente distribución de esfuerzos, figura 8.13. Fundación natural de arcilla arcilla+arena Sub base : suelo+cal Base: Suelo+cemento Carpeta asfáltica Deflexión =3mm v(sub-rasante) = 0.01% H (+)=0.006% v(fundación)=0.04kg/cm 2 v H Figura 8.13:Distribución de Esfuerzos en Pavimentos Semi-Rígidos Luego de algunos años la fundación natural habrá perdido la mayor parte de sus deformaciones plásticas e incrementado su módulo, es en ese momento en que se podrá volver a hacer una nueva evaluación y considerar un trabajo de recapeo que permita recuperar la calidad de la superficie de rodadura. Definitivamente el diseño de carreteras sobre fundación arcillosa o limosa es por etapas. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 141Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ CAPITULO 9: COMPORTAMIENTO DE MEZCLAS ASFÁLTICAS 9.1 Conceptos Mecanísticos Como se mencionó en el capítulo 1, el pavimento está sometido a la aplicación de cargas cíclicas provenientes del tránsito. Una estructura típica conformada por carpeta asfáltica, base y sub-base granular y terreno de fundación soporta esfuerzos de tracción debajo de la carpeta asfáltica y de compresión a nivel de las otras capas, incluido el terreno de fundación. Figura 9.1. Figura 9.1: esfuerzos generados en las capas de una estructura típica de pavimento Los esfuerzos horizontales se disipan a través de la carpeta asfáltica, pasando de un valor positivo a negativo, esta condición origina esfuerzos de tracción en la fibra inferior de la carpeta asfáltica, tσ . Los esfuerzos verticales se disipan a través de las capas granulares hasta llegar a la subrasante, vσ . En la figura 9.2 se ilustra la transmisión de esfuerzos a través de las capas. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Comportamiento de Mezclas Asfálticas S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 143 Figura 9.2: esfuerzos en estructura típica de pavimento El parámetro de diseño de mezclas asfálticas es el módulo resiliente, este parámetro se obtiene de ensayos de tracción indirecta. Los Franceses, teniendo como base su experiencia y conocimiento de conceptos mecanísticos prepararon un Catálogo que se fue mejorando con los años. La versión más reciente del Catálogo Franceses es de 1998, “Catalogue Des Structures Types de Chaussées Neuves”. Referente al terreno de fundación, el catálogo sugiere que la estructura del pavimento debe apoyarse sobre terreno estable, con CBR no menor a 7% (según el catálogo un suelo clasificado como PF1 no se usa como cimentación de pavimentos). El Catálogo Francés propone “pavimentos asfálticos de alto espesor”, considera carpeta asfáltica colocada sobre base y/o sub base con asfalto. Los pavimentos conformados por este tipo de estructura son la solución para cualquier tipo de vía. Además, se tienen otras alternativas como los “pavimentos flexibles” que son estructuras compuestas por mas de una capa de revestimiento asfáltico, que dependiendo del tráfico pueden ser de hasta 15 cm o ser una capa fina de protección superficial, el resto de las capas son de material granular. El concepto de colocar una capa asfáltica sobre capas de base granular con asfalto pretende profundizar los esfuerzos de tracción, de tal manera que las fisuras no se reflejen en la superficie. La carpeta asfáltica solo cumpliría el papel de revestimiento, criterio por el que fue creado. Carpeta Base granular (+) (-) v H Sub base granular Suelo compactado Fundación Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Comportamiento de Mezclas Asfálticas S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 144 El esquema de distribución de esfuerzos en una estructura con carpeta asfáltica de revestimiento sería el mostrado en la figura 9.3. Figura 9.3: esfuerzos en estructura conformada por carpeta y base con asfalto La carpeta asfáltica distribuye esfuerzos de compresión, mientras los esfuerzos de tracción son absorbidos por la base con asfalto. Desde este punto de vista el ensayo de tracción indirecta no representaría el comportamiento de la carpeta asfáltica, sino más bien un ensayo de compresión confinada cíclica. La National Asphalt Pavement Association NAPA y U.S. Department of Transportation Federal Highway Administration FHWA, el año 2001 publicó “HMA Pavement Mix Type Selection Guide”. Dicha guía considera estructuras conformadas por carpeta asfáltica superficial, carpeta asfáltica intermedia y base granular, colocadas sobre subrasante preparada. Figura 9.4. El concepto americano, similar al concepto Francés considera que la carpeta asfáltica trabajará a compresión. La nueva Guía de Diseño de Pavimentos AASHTO 2002 considera que el ensayo que simula el comportamiento de la mezcla asfáltica, es el ensayo de compresión triaxial cíclico. Cuyo parámetro elástico de diseño es el módulo dinámico E*. Carpeta Base granular (+) (-) v H Sub base granular Suelo compactado Fundación Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Comportamiento de Mezclas Asfálticas S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 145 Figura 9.4: “HMA Pavement Mix Type Selection Guide”, NAPA, 2001 Recientes investigaciones se han realizado en la Universidad Nacional de Ingeniería conducentes a determinar módulos elásticos mediante ensayos de compresión edométrica cíclicos, en mezclas asfálticas. Dichos ensayos son una alternativa más económica y fácil para determinar módulos de mezclas asfálticas. Para mayor de talle el lector podrá referirse a “Comportamiento Mecánico de Mezclas Asfálticas Tipo Superpave y SMA”, Tesis de Maestría UNI, S. Minaya. En las siguientes líneas se detallan algunos de los ensayos realizados en mezclas asfálticas, incluido el ensayo de tracción indirecta, ensayo de compresión cíclico en celda triaxial y ensayo de compresión edométrica cíclico. 9.2 Ensayos de Laboratorio para caracterizar Mezclas Asfálticas 9.2.1 Introducción En la literatura se pudo encontrar un gran número de ensayos de laboratorio que tratan de evaluar el comportamiento de mezclas asfálticas. Los trabajos iniciales consideran los ensayos de Estabilidad y Flujo Marshall, Resistencia a la Tracción Indirecta, Modulo Resiliente, entre otros. Los ensayos de laboratorio ensayarían mezclas con los materiales empleados en los EE.UU. La NCAT el año 1993, realizó una investigación dirigida por E. Brown y H. Manglorkar, cuyo objetivo era comparar mediante ensayos de laboratorio el comportamiento mecánico de las mezclas densas y las SMA, caracterizar y entender mejor su comportamiento. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Comportamiento de Mezclas Asfálticas S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 146 Los ensayos realizados por la NCAT fueron: Índice de Corte Giratorio, Índice Giratorio Elasto-Plástico, Resistencia al Corte Giratorio, Estabilidad y Flujo Marshall, Resistencia a la Tracción Indirecta, Módulo Resiliente, Dynamic Creep, Ensayo de Fatiga y Wheel Tracking Test. Las conclusiones a las que llegaron fueron que la resistencia al corte de las mezclas SMA arrojaban valores ligeramente mayor y menor que las mezclas densas; la estabilidad Marshall fue siempre significativamente menor que para el caso de mezclas densas lo que indicaría que este tipo de ensayo no representa el comportamiento de las SMA; el flujo en las SMA es mayor que en mezclas densas lo que indicaría que las SMA son más flexibles. Los ensayos de resistencia a la tracción indirecta y modulo resiliente fueron siempre menores en SMA con respecto a las mezclas densas. Esto indicaría que las SMA no son tan rígidas en tensión como las mezclas densas, los valores de módulo resiliente son altos. La deformación permanente se evaluó con el ensayo de flujo estático en que ambas mezclas obtuvieron valores semejantes. El ensayo de deformación permanente dinámica mostró que las mezclas SMA tuvieron deformaciones permanentes ligeramente mayores que las densas, sin embargo, estos resultados son contradictorios con el comportamiento real de campo. La conclusión más importante a la que llegaron fue que estos ensayos pueden dar un indicativo del comportamiento de la mezcla, pero que son necesarios nuevos métodos de laboratorio para poder evaluarlas. Los resultados del reporte de la NCAT no pudieron ser usados para comparar el comportamiento mecánico de las mezclas SMA y densas, y que la comparación sólo se podría dar en el campo, por lo menos por algún tiempo. Recientes investigaciones realizadas por el Dr. Matthew W. Witczak y otros, de la Universidad Estatal de Arizona en el año 2002, evalúan el Módulo Dinámico Complejo de mezclas asfálticas. Este ensayo representa de una manera más adecuada el comportamiento de materiales visco-elásticos. La Guía de Diseño de Pavimentos AASHTO 2002 propuso el uso de módulos complejos de mezclas asfálticas como parámetro de diseño. Durante años se aunaron esfuerzos para encontrar un ensayo de laboratorio que acompañase al diseño de mezclas Superpave, denominado Simple Performance Test. El módulo complejo también surgió como el principal candidato para el Simple Performance Test que predice las deformaciones permanentes y agrietamientos fatiga en pavimentos asfálticos [62]. 9.2.2 Revisión de Ensayos Realizados A continuación se hace una breve descripción de algunos de los ensayos en mención. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Comportamiento de Mezclas Asfálticas S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 147 Índice de Corte Giratorio (GSI) Es una media de la estabilidad de mezclas asfálticas en caliente. El GSI se relaciona con la deformación permanente en mezclas densas. Las mezclas con valores cercanos a 1.0 son más estables que aquellas que tengan valores mayores que 1.0. Índice Giratorio Elasto-Plástico (GEPI) Mide la deformación permanente potencial en mezclas de gradación densa, sin embargo, no existe un criterio para mezclas SMA. Resistencia al Corte Giratorio La resistencia al corte giratorio para producir un ángulo de 1º es una propiedad importante para evaluar la resistencia a la deformación permanente. En trabajos realizados por la NCAT se indica la relación entre la deformación permanente y su resistencia al corte para producir 1º en HMA. Mayores valores de resistencia cortante indican una mezcla más estable. Estabilidad Marshall El ensayo Marshall (ASTM D1559) desarrollado por el Cuerpo de Ingenieros en los años 40 y basados en conceptos formulados por Bruce Marshall del Departamento de Transportes del Estado de Mississipi. Consiste en aplicar carga vertical a un especimen cilíndrico en posición horizontal. La temperatura de ensayo es de 60ºC seleccionada por considerarse que es la temperatura promedio del pavimento en el verano. El valor de la estabilidad Marshall es la máxima carga que produce la falla en el especimen. La estabilidad se puede definir como la capacidad de la mezcla para resistir desplazamientos y deformación. Un resultado típico del ensayo de estabilidad Marshall es el mostrado en la figura 9.5. La estabilidad de una mezcla depende de la fricción y cohesión interna. La fricción interna entre las partículas de agregado se relaciona con sus características geométricas y textura. La cohesión proviene de la capacidad del ligante para mantener unidas las partículas. Como se puede apreciar, a medida que se incrementa el contenido de asfalto en la mezcla, la estabilidad también se incrementa, pero cuando se sobrepasa el límite, el asfalto puede impedir la fricción interna entre las partículas, resultando en menores valores de estabilidad. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Comportamiento de Mezclas Asfálticas S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 148 Foto 9.1: Proceso de preparación de especimenes Marshall y ensayo de compresión diametral. Figura 9.5: curva típica de estabilidad versus contenido de asfalto ESTABILIDAD VS. % DE ASFALTO 2400 2450 2500 2550 2600 2650 2700 2750 2800 2850 2900 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 ASFALTO (%) E S T A B I L I D A D (L b) Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Comportamiento de Mezclas Asfálticas S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 149 El ensayo de estabilidad Marshall no tiene buena correlación con el comportamiento de las mezclas SMA4. Sin embargo, ayuda a evaluar la resistencia y calidad de mezclas densas. La estabilidad Marshall para mezclas SMA es significativamente inferior que para mezclas de gradación densa. Esto no indica que las mezclas densas sean más estables que las SMA sino que el ensayo de estabilidad Marshall no puede aplicarse a SMA.. Hasta ahora la calidad de las mezclas SMA ha sido mejor controlada por sus propiedades volumétricas que por sus resultados de estabilidad Marshall. Flujo Marshall El valor del flujo es la deformación vertical total del especimen sometido a la máxima carga, punto en el cual la carga empieza a decrecer. Puede indicar el potencial de la deformación permanente en mezclas de gradación densa. Un flujo mayor que 0.16 pulgadas puede indicar que la mezcla puede ser inestable bajo cargas de tráfico. Un resultado típico de ensayos de flujo es el mostrado en la figura 9.6. Como se aprecia el flujo se incrementa con el contenido de asfalto en la mezcla, por lo tanto es evidente que mezclas SMA tengan mayores valores de flujo que las mezclas densas. El contenido de asfalto en una mezcla le confiere mayor durabilidad. La durabilidad se define la capacidad de resistir factores externos como desintegración del agregado, cambios en las propiedades del asfalto y separación del asfalto del agregado. Las mezclas SMA tienen mayor contenido de asfalto en su mezcla, por lo tanto son más durables que las mezcla convencionales, esto es evidente en el campo. Figura 9.6: curva típica de flujo versus contenido de asfalto 4 E. Brown y H. Manglorkar. “Evaluation of Laboratory Properties of SMA Mixtures”, october 1993. FLUJO VS. % DE ASFALTO 10 11 12 13 14 15 16 17 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 ASFALTO F L U J O (0.01") Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Comportamiento de Mezclas Asfálticas S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 150 Resistencia a la Tracción Indirecta Inicialmente pensado para evaluar la resistencia a la tracción de especimenes de concreto- cemento bajo cargas estáticas, es un ensayo de rotura donde al especimen en posición horizontal se le aplica una carga progresiva, con una velocidad de deformación de 0.8±0.1 mm/s. El ensayo fue adaptado por el investigador Schmidt da Chevron, California, para mezclas asfálticas con carga repetida. Se aplica carga diametral en especimenes Marshall, induciendo un estado de compresión relativamente uniforme a lo largo del plano diametral vertical (Fig.9.7 y Foto 9.2). Este tipo de carga origina esfuerzos de tensión perpendiculares a la dirección de la carga aplicada (a lo largo del eje diametral vertical) que al final causa la falla en el especimen (Fig. 9.8). Figura 9.7: Ensayo de Tracción Indirecta Foto 9.2: Especimen de prueba para ensayo de durante carga (Huang, 1996) compresión diametral. Figura 9.8: Ensayo de Tracción Indirecta en falla (Huang, 1996) Y P P Tracción Compresión X d t P6 y π − =σ P d t P2 x π =σ P Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Comportamiento de Mezclas Asfálticas S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 151 Una carga de 0.5” (12.7 mm) de ancho se aplica en especimenes de 4” de diámetro (101.6 mm) para proporcionar una carga uniforme en todo el ancho, que produzca la distribución de esfuerzos uniformes. Las ecuaciones propuestas para esfuerzos y deformaciones en falla asumen que las mezclas asfálticas en caliente son homogéneas, isotrópicas y elásticas. Según Huang, ninguna de estas suposiciones es cierta pero es un procedimiento de ensayo común en HMA. Las ecuaciones de esfuerzos y deformación para tracción indirecta son: td P2 x π =σ y td P6 y π =σ y tf x520.=ε Donde: xσ Esfuerzo de tracción horizontal en el centro del especimen, psi. yσ Esfuerzo de compresión vertical en el centro del especimen, psi. fε Deformación por tracción en falla, pulg/pulg. P Carga aplicada, lbs. d Diámetro del especimen, pulg. t Espesor del especimen, pulg. tx Deformación horizontal a lo largo del especimen, pulg. Para el caso de especimenes de ensayo de 6” de diámetro la carga aplicada es de 0.75” (19.0 mm) a todo lo ancho. El ensayo de tracción indirecta proporciona dos propiedades de la mezcla. La primera es la resistencia a la tracción que es un parámetro que evalúa la susceptibilidad al humedecimiento de las mezclas. Para la susceptibilidad al humedecimiento, se mide la resistencia a la tracción antes y después de saturar el especimen, se calcula la resistencia a la tracción retenida como un porcentaje d la resistencia a la tracción original. En segundo lugar, la deformación por tracción en falla se emplea para evaluar el potencial de agrietamiento de la mezcla. Las mezclas que toleran altas deformaciones antes de alcanzar a la falla resisten mejor los agrietamientos comparadas con las mezclas que no toleran altas deformaciones. El ensayo de tracción indirecta normalmente se realiza a una velocidad de aplicación de carga de 2 pulg/min (50.8 mm/min) y a 77ºF (25ºC). Los ensayos de tracción también pueden realizarse a otras temperaturas (especialmente las mas bajas) para predecir el comportamiento de la mezcla sometida a agrietamientos por baja temperatura. Modulo Resiliente El módulo resiliente es el método mas común para medir la rigidez de mezclas asfálticas en caliente. Un sistema similar al del ensayo de tracción indirecta se emplea en la medición del módulo resiliente. La principal diferencia es que el equipo debe ser capaz de Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Comportamiento de Mezclas Asfálticas S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 152 aplicar cargas cíclicas. Este ensayo está estandarizado por la ASTM D4123. La figura 9.10 muestra el ploteo de la curva desplazamiento-tiempo. Figura 9.10: Deformación vertical versus tiempo. Huang, 1996. Los ensayos de carga cíclica, tratan de reproducir las condiciones de campo. La amplitud y el tiempo del pulso dependen de la velocidad del vehículo a la profundidad en que se calculan los esfuerzos y deformaciones. La frecuencia depende del volumen de tráfico [46]. El ensayo de tracción indirecta con carga repetida, simula el comportamiento de mezclas asfálticas en zonas específicas de tracción, responsables de la fatiga de la capa. Las ecuaciones para calcular la resistencia a la tensión y deformación en falla para el ensayo de tracción indirecta pueden usarse para calcular los esfuerzos y deformaciones en el ensayo de módulo resiliente. Durante el ensayo de módulo resiliente, el esfuerzo aplicado no lleva a la falla a la muestra, generalmente este valor esta entre 5 y 20% de la resistencia a la tracción indirecta. La carga se aplica por 0.1 segundos con un periodo de descanso de 0.9 segundos. De esa manera la muestra recibe una carga cíclica por segundo. Las ecuaciones que permiten calcular el módulo resiliente para especimenes de 4” y 6” son: ( )2692099760 Ht P Mr .. +ν= especimenes de 4” ( )2712099900 Ht P Mr .. +ν= especimenes de 6” Donde: Mr Módulo resiliente P Carga aplicada, pounds. H deformación horizontal, pulgadas. t altura del especimen ν relación de Poisson. Desplazamiento, mm Tiempo, seg. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Comportamiento de Mezclas Asfálticas S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 153 No existe buena correlación entre el módulo resiliente y la deformación permanente, pero un valor alto de MR a bajas temperaturas puede indicar posibles agrietamientos a bajas temperaturas [44]. Los resultados del ensayo de MR realizados a 4º, 25º y 40ºC por la NCAT (1993) no muestran una tendencia. En el reporte indican que la variabilidad del MR en mezclas densas es alta y parece ser mayor para el caso de SMA este hecho puede deberse al mayor contenido de piedra De los trabajos experimentales realizados en Estados Unidos (1993) se concluyeron que el incremento del contenido de asfalto da mayores valores de resistencia a tracción. La resistencia a la tracción es mas una medida de la resistencia del cemento asfáltico[41]. En Brasil el ensayo utilizado para determinar las propiedades resilientes de mezclas bituminosas es el ensayo de tracción indirecta cíclica [42]. La experiencia Brasilera indica que el contenido de fibras celulosas no incrementa la resistencia de la mezcla, y si hay una reducción en la resistencia a la tracción. En los valores del módulo resiliente se noto una pequeña disminución con el aumento de fibras celulosas [45]. Flujo Estático El ensayo de flujo estático se realiza en especimenes Marshall. El ensayo consiste en aplicar un esfuerzo de 120 psi, y presión de confinamiento de 20 psi a 40ºC. La rigidez del flujo se calcula dividiendo el esfuerzo normal con respecto a la deformación por flujo. El tiempo total de carga es de una hora con 15 minutos de descarga. El flujo de mezclas SMA y densas, según el reporte de la NCAT de 1993 fue aproximadamente igual. Creep y Deformación Permanente Los ensayos de creep (flujo) se realizan para evaluar el potencial de deformaciones permanentes de la mezcla asfáltica. El ensayo se realiza aplicando una carga estática al especimen HMA y midiendo la deformación permanente luego de un tiempo. El ploteo típico de este ensayo es: Los ensayos de flujo se pueden realizar de tres maneras: 1. Carga estática uniaxial no confinada 2. Carga estática uniaxial confinada, y 3. Tracción indirecta El flujo de tracción indirecta evalúa el potencial de agrietamiento por bajas temperaturas, mientras que el flujo uniaxial (confinado y no confinado) evalúa el potencial de deformaciones permanentes. El ensayo de flujo Dinámico analiza las deformaciones visco- plásticas de mezclas asfálticas, comparando la resistencia mecánica y deformaciones Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Comportamiento de Mezclas Asfálticas S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 154 permanentes. Este ensayo fue realizado para evaluar el comportamiento mecánico de mezclas SMA. Figura 9.11: Ploteo Típico del Ensayo de Creep y Deformación Permanente Huang, 1996 El ensayo se realiza sobre especimenes Marshall. En el ensayo se aplica 120 psi de carga normal y 20 psi de presión de confinamiento, se realiza a 40ºC. La carga se aplica a razón de 1 ciclo por segundo, 0.1 segundos de aplicación de carga y 0.9 segundos de descanso en cada ciclo. El módulo de la deformación permanente se calcula dividiendo el esfuerzo normal entre la deformación permanente. El flujo en mezclas asfálticas SMA es aproximadamente igual o ligeramente mayor que las mezclas de gradación densa [41]. Existen tres modelos para predecir el comportamiento de mezclas asfálticas ante deformaciones permanentes: modelos a partir de ensayos reológicos del tipo “creep” dinámico, modelos desarrollados a partir de resultados obtenidos con equipos simuladores de tráfico, y correlaciones entre el tráfico y la formación de huellas. Las dos primeras son las mas utilizadas, una vez que las condiciones de campo se representen en el ensayo. Ensayo de Fatiga y Wheel Tracking Test El comportamiento estructural de los pavimentos sometidos a cargas dinámicas se puede dividir en dos partes: (1) la flexión repetida que lleva a la fatiga a los materiales y consecuentes agrietamientos, y (2) una compresión simple repetida que lleva a deformaciones permanentes. La fatiga es un proceso de deterioro estructural que sufre el material cuando está sometido a tensión y deformación permanente, pueden ser muchos menores que la resiliencia del Deformación permanente deformación tiempo carga descarga Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Comportamiento de Mezclas Asfálticas S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 155 material, y que resulta en agrietamientos luego de un número suficiente de repeticiones de carga [48]. 9.3 Módulo Dinámico de Mezclas Bituminosas El Modulo Resiliente es uno de los parámetros elásticos mas utilizado en el diseño de pavimentos, pero no es el único. El módulo resiliente corresponde a un comportamiento solamente elástico del material. Es sabido que las mezclas asfálticas tienen un comportamiento visco-elástico, entonces es necesario también, considerar un parámetro visco-elástico, siendo este el principal motivo para dejar de lado un parámetro eminentemente elástico, entre otras limitaciones. A continuación se dará una breve definición del Módulo Complejo Dinámico y su aplicabilidad. 9.3.1 Módulo Complejo El módulo complejo es uno de los muchos métodos para describir la relación esfuerzo- deformación de materiales viscoelástico. El valor numérico del módulo es un número complejo E* (ASTM D3497), la parte real representa la rigidez elástica y la parte imaginaria caracteriza el amortiguamiento viscoso interno de los materiales. El valor absoluto del módulo complejo E* se denomina Módulo Dinámico. El módulo dinámico varía con la frecuencia de carga. Se debe tener en cuenta que el ensayo se debe realizar a la frecuencia que simule las cargas de tráfico para el diseño, el Módulo Dinámico así determinado, será equivalente al Módulo Resiliente para fines de Diseño. Una máquina de ensayo servo hidráulica para ensayos de compresión cíclica es la mostrada en la foto 9.3. El equipo aplica esfuerzos sinusoidales (ondas continuas) que son medidos en la celda de carga, las deformaciones se miden usando un traductor LVDT. El traductor se aseguró usando brackets y tacones sobre el especimen. Se acondicionó unas barras de acero para mantener el alineamiento. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Comportamiento de Mezclas Asfálticas S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 156 (a) Muestra para ensayo triaxial cíclico (b) Prensa cíclica, Universidad de Arizona, EE.UU. Foto 9.3: Equipo para ensayo triaxial cíclico, Universidad de Arizona. Referencia 63 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Comportamiento de Mezclas Asfálticas S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 157 La carga sinusoidal se puede representar por un número complejo. ( ) ( ) tiooo e t sen i t cos ωσ=ωσ+ωσ=σ Donde: σo amplitud de los esfuerzos ω velocidad angular ω se relaciona con la frecuencia f según: f2 π=ω (9.1) asumiendo que la inercia es insignificante, la ecuación diferencial se puede escribir: ti o11 e E t ωσ∈=+ ∂ ∈∂ λ (9.2) La solución de ésta ecuación se expresa como: ( )φ−ω∈=∈ t i o e (9.3) en la ecuación (9.3) ∈ es la amplitud de la deformación y φ es el ángulo de desfase entre la deformación y el esfuerzo, como se muestra en la figura: t sen o ωσ oσ φ ( )φωε -t sen o oε Reemplazando (9.3) en (9.2) se obtiene: tiempo esfuerzo deformación tiempo Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Comportamiento de Mezclas Asfálticas S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 158 ( ) ( ) ti o ti o1 ti o1 eeEei ωφ−ωφ−ω σ=∈+ω∈λ (9.4) cancelando tie ω a ambos lados e igualando los términos reales a oσ y los términos imaginarios a cero, se obtienen dos ecuaciones siguientes, para resolver o∈ y φ : oo1o1 cos Esen σ=φ∈+φ∈ωλ (9.5 a) 0sen Ecos o1o1 =φ∈−φ∈ωλ (9.5 b) Las soluciones de las ecuaciones 9.5 son: ( )2121 o o E ωλ+ σ =∈ (9.6 a) 1 1 E tg ωλ =φ (9.6 b) en las ecuaciones (9.6) se puede ver que para materiales elásticos 01 =λ y 0=φ ; mientras que para materiales viscosos el rango va desde 0 a 2/π . El módulo complejo ∗E se define como: ( )φ−ω ω ∗ ∈ σ = ∈ σ = ti o ti o e e E ó φ ∈ σ +φ ∈ σ =∗ senicosE o o o o (9.7) Es interesante notar que la parte real de la ecuación 9.7 es actualmente igual a la rigidez 1E y la parte imaginaria el amortiguamiento interno ωλ1 . El módulo complejo E* , indica la rigidez instantánea del material, es decir la relación entre el esfuerzo y la respuesta deformacional en tiempo real. Sin embargo, se sabe que la característica del comportamiento visco-elástico es la respuesta retardada, la deformación máxima alcanzada se dará en un instante posterior, cuando la carga se haya aplicado y más bien se encuentre en el instante de la descarga. Por ello, el siguiente parámetro a definirse, |E*| representará un comportamiento más realista en el diseño. El módulo dinámico, |E*| ó simplemente E* es el valor absoluto del módulo complejo: o o 2 o o 2 o o sencosE ∈ σ =      φ ∈ σ +      φ ∈ σ =∗ (9.8) Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Comportamiento de Mezclas Asfálticas S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 159 |E*| es la rigidez efectiva que estará asociado al daño por deflexión que se producirá en la mezcla asfáltica y representa la relación entre la carga aplicada y la deformación (máxima) en el proceso de carga. 9.4 Módulo de Compresión Edométrica El trabajo de investigación realizado propone los ensayos de compresión confinada y el ensayo de compresión edométrica como ensayos que permitan medir el módulo dinámico de mezclas asfálticas. Estos ensayos se realizan en mezclas asfálticas preparadas en especimenes Marshall. Las muestras son condicionadas antes del ensayo. El ensayo de compresión se realiza sobre el especimen en posición vertical. Recientes investigaciones de la Arizona State University (Ref. 63) comparan módulos dinámicos E* de ensayos de compresión triaxial cíclicos confinados y no confinados, realizados sobre mezclas Asphalt Rubber Asphalt Concrete (ARAC) Gap Graged Mixture y Asphalt Rubber Asphalt Concrete Friction Course (AR-ACFC) Open Graded Mixture. Sus resultados indicaron que en ensayos no confinados las mezclas tendrían menores valores de rigidez que los determinados de ensayos confinados, y que las mezclas AR-ACFC Open Graded tuvieron la mas alta rigidez seguidas de las ARAC, cuando los ensayos fueron confinados. Esta fue una importante conclusión, debido a que este comportamiento es el que se observa en campo. De esta manera resaltaron la importancia de realzar ensayos de compresión confinada para determinar el módulo dinámico E* sobre todo cuando se evalúa mezclas de granulometría gap graded. En la Universidad Mackenzie, en Sao Paulo-Brasil se están realizando ensayos de compresión edométrica confinada, el equipamiento es el mostrado en la foto 9.4. Los ensayo de compresión confinada y compresión edométrica realizados en la Universidad Nacional de Ingeniería se ha utilizado el equipamiento del ensayo de CBR. En el caso de los ensayos edométricos se empleó adicionalmente un disco metálico de diámetro similar al diámetro de la muestra. Se prepararon especimenes de mezclas asfálticas densas convencionales, tipo Superpave y SMA. Los ensayos realizados fueron cíclicos, la frecuencia de ensayo fue de 0.2 Hz. Para verificar los resultados obtenidos en investigaciones previas se realizaron ensayos de estabilidad Marshall en mezclas convencionales, Superpave y SMA. Nuestros resultados son compatibles con los obtenidos en por la National Center for Asphalt Technology, en lo referente a que ensayos como el Marshall no permiten caracterizar adecuadamente el comportamiento de mezclas asfálticas. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Comportamiento de Mezclas Asfálticas S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 160 Foto No 9.4: Ensayo de Compresión Edométrico. Universidad Mackenzie, Sao Paulo-Brasil El ensayo de compresión edométrica, consiste en aplicar una carga sinusoidal sin periodo de descanso a un especimen confinado. La carga se aplica con el pistón de carga del equipo CBR a un disco metálico del diámetro del espécimen. Los especimenes de mezclas asfálticas son preparados en laboratorio en moldes de 4” compactadas con el martillo Marshall, el número de golpes con el martillo fue de 75 golpes/cara para el caso de mezclas convencionales y superpave y de 50 golpes/cara para mezclas SMA. Los ensayos se realizaron a 0ºC y 60ºC. Para cada muestra se aplicó una frecuencia de 0.2Hz. Los ciclos de carga-descarga no tuvieron periodo de descanso (Minaya 2006) Especimen de φ=4” Posición vertical Pistón con el que aplicará la carga Disco de metal φ=4” Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Comportamiento de Mezclas Asfálticas S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 161 Fotos No 9.5 a 9.7: Ensayo de Compresión Edométrica Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Comportamiento de Mezclas Asfálticas S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 162 Para este tipo de ensayo la deformación será calculada directamente con la siguiente ecuación: 100 h h × ∆ =∈ (%) Donde: ∈ deformación del especimen ∆h asentamiento debido a la carga h altura original del especimen El módulo dinámico se calculará con la ecuación 9.8: o oE ∈ σ =∗ A bajas temperaturas el material mostraba un comportamiento más rígido comparado con el material a altas temperaturas. Durante los años 2003 y 2004 se desarrolló un proyecto de investigación conducente a identificar el método adecuado para la evaluación del comportamiento de mezclas asfálticas. Los resultados de los ensayos de compresión edométrica indicaron que las mezclas SMA tiene mayor módulo que las otras mezclas. Mayor detalle se puede revisar Minaya, (referencia 62) y el Anexo D de este libro. El ensayo de compresión edométrica, consiste en aplicar una carga sinusoidal sin periodo de descanso a un especimen confinado entre 5 y 10 kg/cm2. La carga cíclica, se aplica con el pistón de carga a un disco metálico del diámetro del especimen. Los especimenes cilíndricos fueron de 2.5 pulgadas de altura y 4 pulgadas de diámetro. En la siguiente figura se muestra el ensayo cíclico. Presion vs Asentamiento 0 4 8 12 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 Asentamiento (mm) P re s io n ( k g /c m 2 ) Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 CAPITULO 10: DISEÑO DE MEZCLAS ASFÁLTICAS 10.1 Tipos de Mezclas Asfálticas Las mezclas asfálticas en caliente, HMA se divide en tres tipos: de gradación densa, open- graded o mezclas abiertas o porosas y gap-graded o mezclas de granulometría incompleta. La Tabla 10.1 presenta los tipos de mezclas de acuerdo a las características granulométricas. Las gradaciones densas se subdividen en gradación continua o HMA convencional, large-stone mix, y mezcla arena-asfalto. Las mezclas open-graded se dividen en open-graded friction course, OGFC y base permeable tratada con asfalto. El tipo gap-graded abarca mezclas de concreto asfáltico gap-graded y mezclas stone mastic asphalt, SMA. Algunas mezclas HMA deben ser diseñadas para casos particulares. Un ejemplo de este tipo son las mezclas open-graded friction course OGFC, que se diseñan para mejorar la fricción, evitar encharcamientos y emanaciones de vapor del pavimento, y disminuir los niveles de ruido. La Federal Highway Administration, FHWA junto con la National Asphalt Pavement Association, NAPA prepararon una guía para la apropiada selección del tipo de mezcla que considera factores como el tráfico, medio ambiente, subrasante, condiciones del pavimento existente y su preparación, y evaluación económica. Tabla 10.1: Tipos de Mezclas Asfálticas en Caliente Gradación densa Open-garded Gap-graded Convencional Porous friction course Gap-graded convencional Tamaño máximo nominal usualmente de 12.5 a 19mm (0.5 a 0.75 pulg.) Large-stone Base permeable tratada con asfalto Stone Mastic Asphalt (SMA) Tamaño máximo nominal usualmente de 25 a 37.5mm (1 a 1.5 pulg.) Arena asfalto Tamaño máximo nominal menos que 9.5 mm (0.375pulg.) S. MINAYA & A. ORDOÑEZ Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas Si las mezclas se clasificasen según el porcentaje de vacíos atrapada en la mezcla luego de la compactación se clasificarían de la siguiente manera: Mezclas Densas Vacíos de aire, Va < 6% Mezclas convencionales Mezclas Superpave Mezclas SMA Mezclas semi-cerradas 6% < Va < 12% Mezclas abiertas Va > 12% Mezclas porosas Va > 20% 10.2 Definiciones a) Mezclas de gradación densa HMA HMA de gradación densa están compuestas por ligante de cemento asfáltico y agregado de gradación continua. Las mezclas convencionales de HMA consisten de agregados de tamaño máximo nominal en el rango de 12.5 mm (0.5 pulg.) a 19 mm (0.75 pulg.). Foto 10.1 Large-stone mix contienen agregados gruesos con un tamaño máximo nominal mayor que 25 mm (1 pulg.). Como se ve en la figura 9.1a, estas mezclas tienen un mayor porcentaje de agregados gruesos que las mezclas convencionales (mayores que el tamiz 4.75 mm o no. 4). Por el mayor tamaño de los agregados, el esfuerzo de compactación aplicado a la mezcla debe ser monitoreado para prevenir fracturas excesivas de los agregados mayores durante el proceso de compactación. Asfalto-arena está compuesto por agregado que pasa el tamiz 9.5 mm o 0.375 pulg. (figura 10.1a). El contenido de ligante en la mezcla es mayor que para mezclas HMA convencionales porque se incrementan los vacíos en el agregado mineral de la mezcla. Las arenas usadas en este tipo de mezcla son arenas chancadas o naturales de textura rugosa, la resistencia a las deformaciones permanentes de este tipo de mezclas es típicamente muy bajo. b) Mezclas open-graded Las mezclas open-graded consisten de una gradación relativamente uniforme y ligante de cemento asfáltico o ligante modificado (figura 10.1b). El principal propósito de este tipo de mezclas es servir como una capa drenante, tanto en la superficie del pavimento o dentro de la estructura del pavimento. Figura 10.2 y Foto 10.2. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 164Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas a. Gradación densa b. Open- graded c. Gap-graded Figura 10.1: Gradaciones representativas de HMA S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 165Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas Como se indicó, hay dos tipos de mezclas open-graded. El primer tipo de mezcla son utilizadas como una superficie gruesa para proporcionar drenaje libre en la superficie y prevenir los encharcamientos, reduce las salpicaduras de las llantas, y reduce el ruido de las llantas. Este tipo de mezcla es frecuentemente definido como open-graded friction course OGFC. El segundo tipo de mezcla, denominado base permeable tratada con asfalto, comprende una gradación uniforme de tamaño máximo nominal mayor que las usadas en OGFC –19 mm (0.75 pulg.) a 25 mm (1 pulg.) y se usa para drenar el agua que entra a la estructura del pavimento desde la superficie o de la subrasante. La producción de las mezclas open-graded es similar a las mezclas de gradación densa. Se usan temperaturas de mezcla menores para prevenir el escurrimiento del asfalto caliente o draindown durante el almacenamiento o traslado al lugar del proyecto. Recientemente se están empleando polímeros y fibras en mezclas open-graded friction course para reducir el draindown y mejorar la durabilidad de la mezcla. La colocación de este tipo de mezclas es convencional. El esfuerzo de compactación por lo general es menor que las mezclas de gradación densa. c) Mezclas gap-graded La función de las mezclas gap-graded es similar a la mezclas de gradación densa porque estas también proporcionan capas densas impermeables cuando la compactación es apropiada. Las mezclas gap-graded convencionales se vienen usando por muchos años. El rango de los agregados va desde gruesos hasta finos, con poca presencia de tamaños intermedios; un tipo de mezcla gap-graded se muestra en la figura 10.1c. El segundo tipo de mezclas gap-graded es el stone mastic aspahlt, SMA. Una representación ilustrativa de este tipo de mezcla se muestra en la figura 9.1c. La producción de mezclas SMA requiere la incorporación de significativas cantidades de filler mineral al agregado normal de tal manera que alcance del 8 al 10% de material que pasa el tamiz 0.075 mm o no. 200. Como en las mezclas open-graded la temperatura de descarga de la mezcla necesita ser controlada para prevenir el escurrimiento o draindown del ligante durante el almacenamineto o transporte. Las fibras y/o polímeros son normalmente usados con SMA para prevenir el draindown. 10.3 Consideraciones del Diseño de Mezclas La característica del diseño de mezclas comprende: Densidad de la mezcla Vacíos de aire Vacíos en el agregado mineral Contenido de asfalto. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 166Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas Cada una de estas características tiene mucha importancia en el comportamiento de la mezcla. La densidad de la mezcla es la relación entre el peso de la mezcla por unidad de volumen. Si bien es cierto que esta característica no es utilizada en el diseño de la mezcla, se emplea para los controles de compactación. A la mezcla asfáltica compactada en el laboratorio se le asigna la densidad patrón y será ésta el punto de referencia en los controles. Los Vacíos de aire o vacíos están conformados por el aire atrapado en la mezcla compactada. A menor porcentaje de vacíos de aire la mezcla será menos permeable. En el diseño de mezclas convencionales, los vacíos de aire están entre 3 a 5% en laboratorio, pero en campo se permite tener vacíos de aire no mayores al 8% permitiendo que la carpeta se compacte bajo tránsito. La densidad de la mezcla está en función del contenido de vacíos, mezclas con menor porcentaje de vacíos serán más densas, y visceversa. Un alto porcentaje de vacíos de aire resulta en una mezcla porosa, que permite el paso del agua a través de su estructura, pero además puede causar deterioro debido a que hay mayor porcentaje de aire (como se mencionó en capítulos anteriores el aire oxida el asfalto). Bajos porcentajes de vacíos de aire son perjudiciales en la mezcla, debido a que cuando soporta las carga de tránsito la carpeta se comprime y el asfalto se acomoda en los vacíos atrapados, si el número de vacíos es pequeño, el asfalto no podrá acomodarse en el interior y tendrá que salir a la superficie, esto se conoce como exudación. Los Vacíos en el agregado mineral (VMA) consideran los volúmenes ocupados por los vacíos de aire atrapados y el asfalto efectivo1. El diseño considera un porcentaje mínimo de VMA dependiendo del tamaño del agregado. Si el porcentaje del VMA son bajos la película de asfalto será delgada y la mezcla será susceptible a oxidación. Con altos porcentajes de VMA la película de asfalto será mas gruesa y la mezcla será más durable. Una graduación densa puede reducir el porcentaje de VMA, reduciendo la película de asfalto y, por consiguiente, reduciendo la durabilidad de la mezcla y dándole un aspecto seco. El Contenido de asfalto es el porcentaje de asfalto que se incorpora en la mezcla. Parte del asfalto será absorbido por el agregado y el resto de asfalto formará una película que rodean las partículas. A los primeros se les denomina asfalto absorbido y al segundo asfalto efectivo. El óptimo contenido de asfalto de la mezcla está en función de la granulometría y el porcentaje de absorción del material. Mezclas con alto porcentaje de filler (mayor superficie específica) requerirán mayor porcentaje asfalto, por ejemplo las mezclas SMA tienen mas porcentaje de asfalto que una mezclas convencional y superpave. Mezclas porosas (% filler menor de 2%) necesitan menor porcentaje de asfalto. 1 Asfalto efectivo es la película de asfalto que rodean los agregados S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 167Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas Foto 10.1: Mezcla Convencional Figura 10.2: Mezcla Porosa Foto 10.2: Mezcla Porosa S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 168Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas Las Propiedades consideradas en el diseño son: Estabilidad Durabilidad Impermeabilidad Trabajabilidad Flexibilidad Resistencia a la fatiga Resistencia al deslizamiento La estabilidad está relacionada con la capacidad del asfalto para soportar deformaciones bajo cargas de tránsito y resistir el desplazamiento horizontal, depende de la fricción y cohesión interna. La fricción se relaciona con la geometría y textura de la partícula; la cohesión se relaciona con las características del ligante. Los agregados que forman parte de mezclas asfálticas deben ser de caras fracturadas y superficie rugosa, generalmente provenientes de chancado. Los agregados con estas características tienen una mejor trabazón y mayor resistencia cortante, caso contrario al de agregados con partículas redondeadas que se deslizan una sobre otras. La estabilidad de la mezcla se ha medido respecto del porcentaje de asfalto. A mayor porcentaje de asfalto la mezcla se hace más estable hasta determinado límite, luego la estabilidad de la mezcla disminuye. A medida que se incrementa el porcentaje de asfalto en la mezcla, la película de asfalto que rodea los agregados permite que estos se acomoden. Si la película de asfalto es muy gruesa impide la trabazón entre las partículas. La durabilidad de la mezcla se relaciona a la capacidad del agregado a la desintegración, a la capacidad del asfalto a reaccionar con el medio y a evitar que el asfalto se desprenda del agregado. Los agregados que forman parte de mezclas asfálticas, no sólo deben cumplir con especificaciones granulométricas, sino también de calidad. Las presiones que soportarán los agregados, sobre todo en sus aristas son altas, por lo tanto deben ser duros y muy resistentes. Para que no exista riesgo de peladuras (desprendimiento de la película de asfalto) los agregados deben ser hidrofóbicos. La película de asfalto cumple un papel importante en la durabilidad de la mezcla. Si la película es gruesa, se tendrá menor porcentaje de vacíos de aire, esta condición retarda la oxidación que sufre el asfalto al encontrarse en contacto con el oxígeno, manteniendo por mayor tiempo sus características originales. Los vacíos de aire no se deben reducir mucho porque el asfalto necesita espacio para expandirse en climas cálidos. Si la película es delgada el asfalto se oxidará rápidamente. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 169Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas La impermeabilidad es la capacidad del medio para evitar el paso de aire y agua. Esta definición se relaciona con el porcentaje de vacíos de aire en la mezcla compactada y el acceso que estos vacíos tengan con la superficie. Mezclas porosos son diseñadas con la finalidad de permitir que el agua proveniente de las lluvias drene rápidamente a través de ellas. El alto porcentaje de vacíos de aire de este tipo de mezclas facilitaría la oxidación del asfalto; sin embargo, esta condición se reduce usando asfaltos modificados. La trabajabilidad de la mezcla es la facilidad con que la mezcla se coloca y compacta. Mezclas con alto porcentaje de fracción gruesa o alto porcentaje de filler son poco trabajables. Las mezclas del tipo open graded (mezclas porosas) y gap-graded (como las Stone Mastic Asphalt) tienden a segregarse y son difíciles de compactar. Mezclas con alto porcentaje de filler puede hacer que la mezcla se vuelva muy rígida evitando su adecuada compactación. Controlar la temperatura de compactación en la mezcla es muy importante, debido a que las mezclas frías son semi-rígidas a rígidas y no permiten su compactación dejando alto porcentaje de vacíos de aire. Mezclas flexibles resisten las deformaciones sin agrietarse. El terreno de fundación se asentará con los años debido al servicio, este asentamiento se reflejará en la superficie y la carpeta deberá acomodarse sin agrietarse. La carpeta asfáltica está soportando constantemente la acción de cargas cíclicas, este tipo de cargas origina que la carpeta se flexione constantemente. La resistencia a la fatiga es la resistencia a esta flexión, esta características está íntimamente relacionada al asfalto, asfaltos oxidados no son resistentes a la fatiga. Los agrietamientos por fatiga surgen en la fibra inferior de la carpeta asfáltica cuando ésta trabaja a tracción, y se reflejan en la superficie denominándose piel de cocodrilo. La superficie de rodadura debe reducir la posibilidad que la llanta se deslice sobre ella, sobre todo en épocas de lluvia, esto se define como resistencia al deslizamiento. Mezclas porosas fueron pensadas para evitar el hidroplaning (encharcamiento de agua en la superficie, posiblemente por efecto de las lluvias) y deprimir el agua inmediatamente se encuentre en la superficie. Carpetas asfálticas con partículas redondeadas son menos resistentes al deslizamiento que las carpetas formadas por partículas duras y de textura rugosa. 10.3 Propiedades volumétricas 10.3.1 Generalidades Un factor importante que debe ser considerado en el comportamiento de mezclas asfálticas son las relaciones volumétricas entre el ligante asfáltico y los agregados. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 170Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas Las propiedades volumétricas más importantes de una mezcla compactada de pavimento son: vacíos de aire (Va), vacíos en el agregado mineral (VMA), vacíos llenos con asfalto (VFA), y contenido de asfalto efectivo (Pbe), proporcionan un índice del probable comportamiento de la mezcla durante su vida de servicio. 10.3.2 Definiciones El agregado mineral es poroso y puede absorber agua y asfalto en diferentes grados. Además, la proporción de agua a asfalto absorbido varia con el tipo de agregado. Los tres métodos para medir las gravedades especificas de los agregados consideran estas variaciones. Los métodos son: gravedad específica bulk, gravedad especifica aparente y gravedad especifica efectiva. La diferencia entre las gravedades especificas viene de las diferentes definiciones de volumen del agregado. a) Gravedad Específica Bulk, Gsb La relación del peso en el aire de un material permeable (incluyendo los vacíos permeables e impermeables del material) a temperatura establecida al volumen del agregado incluyendo los vacíos permeables. Figura 10.2. ( ) wpps s sb VV W G γ+ = Donde: gravedad especifica bulk del agregado Gsb Ws peso del agregado seco volumen del agregado con los vacíos impermeables Vs volumen de vacíos permeables Vpp γw peso específica del agua, 1 gr/cm 3 b) Gravedad Específica Aparente, Gsa Es la relación del peso en el aire de un material impermeable con respecto al volumen del agregado incluyendo los vacíos impermeables. Figura 10.2. ws s sa V W G γ = Donde: gravedad especifica aparente Gsa Ws peso del agregado seco volumen del agregado con los vacíos impermeables Vs γw peso específica del agua, 1 gr/cm 3 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 171Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas c) Gravedad Específica Efectiva, Gse Relación del peso en el aire de un material permeable (excluyendo los vacíos permeables al asfalto) con respecto al volumen del agregado con los vacíos impermeables y vacíos permeables que no absorbieron asfalto. Figura 10.2. ( ) wappps s se VVV W G γ−+ = Donde: gravedad especifica efectiva Gse Ws peso del agregado seco volumen del agregado con los vacíos impermeables Vs γw peso específico del agua, 1 gr/cm 3 Figura 10.2: Propiedades Peso-Volumen en Mezclas Asfálticas Compactadas Las definiciones de vacíos en el agregado mineral (VMA), contenido de asfalto efectivo (Pbe), vacíos de aire (Va), y vacíos llenos con asfalto (VFA) son: d) Vacíos en el agregado mineral (VMA) Volumen de vacíos entre los agregados de una mezcla compactada que incluye los vacíos de aire y el contenido de asfalto efectivo, expresado en porcentaje del volumen total de la mezcla. Ver figura 10.3. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 172Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas e) Contenido de asfalto efectivo (P ) be El contenido de asfalto total de la mezcla menos la porción de asfalto absorbida por el agregado. Ver figura 10.3. ) f) Vacíos de aire (Va Volumen total de las pequeñas cavidades de aire entre las partículas de agregado cubiertas en toda la mezcla, expresada como porcentaje del volumen bulk de la mezcla compactada. Ver figura 10.3. g) Vacíos llenos con asfalto (VFA) Porción del volumen de vacíos entre las partículas de agregado (VMA) que es ocupado por el asfalto efectivo. Figura 10.3. Vba Vaaire asfalto agregado mineral Vma Vfa Vb Vma volumen de vacíos en agregado mineral Vmb volumen bulk de la mezcla compactada Vmm volumen de vacíos de la mezcla de pavimentación Vfa volumen de vacíos llenos con asfalto Va volumen de vacíos de aire Vb volumen de asfalto Vba volumen de asfalto absorbido Vsb volumen del agregado mineral (gravedad específica bulk) Vse volumen del agregado mineral (gravedad específica efectiva) Figura 10.3: Esquema de una Muestra HMA Compactada VmbVmm Vsb Vse S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 173Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas El diseño de mezclas Superpave requiere del cálculo de VMA para mezclas compactadas en función de la gravedad específica bulk del agregado. La gravedad específica efectiva es la base para el cálculo de los vacíos de aire en mezclas asfálticas compactadas. Los vacíos en el agregado mineral (VMA) y los vacíos de aire (Va) se expresan como porcentaje por volumen de mezcla. Los vacíos llenos con asfalto (VFA) es el porcentaje de VMA lleno con asfalto efectivo. El contenido de asfalto puede expresarse como porcentaje del peso total de la mezcla, o por peso, del agregado de la mezcla. El Instituto del Asfalto recomienda que los valores de VMA para mezclas compactadas deben calcularse en función de la gravedad específica bulk del agregado, Gsb. La gravedad específica efectiva debe ser la base para calcular los vacíos de aire en la mezcla de asfalto compactado. 10.3.3 Análisis de Mezclas Compactadas La siguiente relación indica el procedimiento para analizar los vacíos de una mezcla compactada: 1. Medida de la gravedad específica bulk del agregado grueso (AASHTO T85 o ASTM C127) y de los agregados finos (AASHTO T84 o ASTM C128). 2. Medida de la gravedad especifica del cemento asfáltico (AASHTO T228 o ASTM D70) y del filler mineral (AASHTO T100 o ASTM D854). 3. Cálculo de la gravedad específica bulk de la combinación de agregados en la mezcla. 4. Medida de la gravedad específica teórica máxima de la mezcla suelta (ASTM D2041 o AASHTO T209). 5. Medida de la gravedad específica bulk de la mezcla compactada (ASTM D1188 o ASTM D2726 o AASHTO T166). 6. Cálculo de la gravedad específica efectiva del agregado. 7. Cálculo de la gravedad específica máxima de la mezcla a otros contenidos de asfalto. 8. Cálculo del asfalto absorbido por el agregado. 9. Cálculo del contenido de asfalto efectivo de la mezcla. 10. Cálculo del porcentaje de vacíos en el agregado mineral en la mezcla compactada. 11. Cálculo del porcentaje de vacíos de aire en la mezcla compactada. 12. Cálculo del porcentaje de vacíos llenados con asfalto en la mezcla compactada. 10.3.4 Gravedad Específica Bulk del agregado Cuando el agregado total consiste de fracciones separadas de agregados grueso, fino y filler, todos tienen diferentes gravedades específicas, la gravedad específica bulk de la combinación de agregados se calcula empleando la siguiente ecuación: S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 174Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas n n 2 2 1 1 n21 sb G P ...... G P G P P......PP G +++ +++ = Donde: gravedad específica bulk de la combinación de agregados Gsb , P , P porcentajes individuales por peso del agregado P1 2 n , G , G gravedad específica bulk individual del agregado. G1 2 n La gravedad específica bulk del filler mineral es difícil determinarlo actualmente. Sin embargo, si se sustituye por la gravedad específica aparente del filler, el error es mínimo. 10.3.5 Gravedad Específica Efectiva del Agregado La gravedad específica efectiva se calcula con la gravedad específica teórica máxima de mezclas asfálticas (RICE) ASTM D-2041, con la siguiente expresión: b b mm mm bmm se G P G P PP G − − = Donde: Gravedad específica efectiva del agregado Gse porcentaje en peso del total de la mezcla suelta, 100% Pmm Porcentaje de asfalto para el peso total de la muestra Pb gravedad específica teórica máxima (ASTM D-2041) Gmm de la mezcla (sin vacíos de aire) Gravedad específica del asfalto Gb El volumen de asfalto absorbido por un agregado casi invariable menos que el volumen de agua absorbida. En consecuencia, el valor de la gravedad especifica efectiva de un agregado estaría siempre entre su gravedad específica bulk y aparente. Cuando la gravedad específica efectiva está fuera de estos límites, se debe asumir que este valor es incorrecto. La gravedad específica aparente, Gsa, de la combinación de agregados puede calcularse de manera similar a la fórmula empleada para bulk pero usando las gravedades aparentes de los agregados grueso, fino y filler. 10.3.6 Gravedad Específica Teórica Máxima de Mezclas con Diferentes Contenidos de Asfalto Cuando se diseña una mezcla con un agregado dado, se requiere la gravedad específica teórica máxima, Gmm, con diferentes contenidos de asfalto para calcular el porcentaje de vacíos de aire para cada contenido de asfalto. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 175Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas Luego de calcular la gravedad específica efectiva de los agregados considerando cada medición de las gravedades específicas teóricas máximas y promediando los resultados de Gse, la gravedad específica teórica máxima para algún otro contenido de asfalto puede obtenerse con la siguiente expresión: b b se s mm mm G P G P P G + = Donde: gravedad específica teórica máxima (ASTM D-2041) Gmm de la mezcla (sin vacíos de aire) porcentaje en peso del total de la mezcla suelta, 100% Pmm contenido de agregado, porcentaje en peso del total de la mezcla Ps contenido de asfalto, porcentaje en peso del total de la mezcla Pb gravedad especifica efectiva del agregado Gse gravedad especifica del asfalto Gb 10.3.7 Absorción de Asfalto La absorción de asfalto se expresa como el porcentaje en peso del agregado mas que como el porcentaje del peso total de la mezcla, el asfalto absorbido, Pba, se determina usando: b sesb sbse ba GGG GG 100P − ×= Donde: P asfalto absorbido, porcentaje del peso de agregado. ba gravedad especifica efectiva del agregado Gse gravedad especifica del asfalto Gb gravedad especifica bulk del agregado Gsb 10.3.8 Contenido de Asfalto Efectivo de la Mezcla El contenido de asfalto efectivo, Pbe, de una mezcla es el contenido de asfalto total menos la cantidad de asfalto absorbido dentro de las partículas de agregado. Esta es la porción del contenido de asfalto total cubre el exterior del agregado. Este es el contenido de asfalto que gobierna la performance de una mezcla asfáltica. La fórmula es: s ba bbe P100 P PP −= Donde: contenido de asfalto efectivo, porcentaje del peso total de la mezcla. Pbe contenido de asfalto, porcentaje del peso total de la mezcla. Pb S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 176Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas P asfalto absorbido, porcentaje del peso de agregado. ba contenido de agregado, porcentaje del peso total de la mezcla. Ps 10.3.9 Porcentaje de VMA en Mezcla Compactada Los vacíos en el agregado mineral, VMA, se definieron como los vacíos entre las partículas de agregado de la mezcla compactada, incluye los vacíos de aire y el contenido de asfalto efectivo, se expresa como un porcentaje del volumen total. El VMA se calcula en base a la gravedad específica bulk del agregado y se expresa como un porcentaje del volumen bulk de la mezcla compactada. Por consiguiente, el VMA puede calcularse restando el volumen del agregado determinado por su gravedad especifica bulk del volumen bulk de la mezcla compactada. Si la composición de la mezcla se determina como porcentaje por peso de la mezcla total: sb smb G PG 100VMA −= Donde: VMA vacíos en el agregado mineral, porcentaje del volumen bulk gravedad especifica bulk del agregado total Gsb gravedad especifica bulk de la mezcla compactada Gmb (AASHTO T166; ASTM D1188 o D2726) contenido de agregado, porcentaje del peso total de la mezcla Ps 10.3.10 Porcentaje de Vacíos de Aire en Mezcla Compactada Los vacíos de aire, Va, en el total de la mezcla compactada consisten de los pequeños espacios de aire entre las partículas de agregados recubiertos. El porcentaje de vacíos de aire en la mezcla compactada puede determinarse usando: mm mbmm G GG 100Va − ×= Donde: vacíos de aire en la mezcla compactada, porcentaje del volumen total Va gravedad especifica teórica máxima de la mezcla Gmm gravedad especifica bulk de mezcla compactada Gmb 10.3.11 Porcentaje VFA en Mezclas Compactadas Los vacíos llenos con asfalto, VFA, es el porcentaje de los vacíos entre partículas (VMA) que se llenan con asfalto. VFA, no incluye el asfalto absorbido, y se determina usando: S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 177Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas VMA )VVMA( 100VFA a − ×= Donde: VFA vacíos llenados con asfalto, porcentaje de VMA VMA vacíos en el agregado mineral, porcentaje del volumen bulk vacíos de aire en mezcla compactada, porcentaje del volumen total. Va 10.4 Diseño de Mezcla Convencional Una mezcla para pavimentación se clasifica de acuerdo a su tamaño máximo o tamaño máximo nominal. El libro Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design and Construction de la NAPA Research and Education Foundation, especifica que para la mayoría de las mezclas asfálticas en caliente se requieren gradaciones densas (mezclas convencionales) para agregados. En las tablas 10.2 y 10.3 se muestran las especificaciones recomendados por ASTM D-3515. Tabla 10.2: Composición Típica del Concreto Asfáltico Tamaño máximo nominal del agregado Tamiz (1 1/2") (1") (3/4") (1/2") (3/8") Porcentaje acumulado que pasa (por peso) 50 mm (2") 100 37,5 mm (1 ½") 90-100 100 25,0 mm (1") 90-100 100 19,0 mm (3/4") 56-80 90-100 100 12,5 mm (1/2") 56-80 90-100 100 9,5 mm (3/8") 56-80 90-100 4,75 mm (Nº 4) 23-53 29-59 35-65 44-74 55-85 2,36 mm (Nº 8)* 15-41 19-45 23-49 28-58 32-67 0,30 mm (Nº 50) 4-16 5-17 5-19 5-21 7-23 0,15 mm (Nº 100) 0,075 mm (Nº 200)** 0-5 1-7 2-8 2-10 2-10 Cemento asfáltico, % en peso de la mezcla total*** 3-8 3-9 4-10 4-11 5-12 4 y 67 o 4 y 68 5 y 7 o 57 67 o 68 o 6 y 8 7 o 78 8 * Las características de la gradación total de una mezcla de asfalto para pavimentos la cantidad que pasa el tamiz 2,36 mm (Nº8) es un significativo y conveniente control de campo de agregado fino y grueso. La cantidad máxima permitida que pase el tamiz 2,36 mm (Nº8) resultaría en superficies de pavimentos de textura fina, mientras que las cantidades mínimas que pasan por el tamiz 2,36 mm (Nº8) resultaría en superficies de textura gruesa. ** El material que pasa el tamiz 0,075 mm (Nº200) consiste de partículas finas de agregados o filler, o ambos. Este debe estar libre de materia orgánica y partículas de arcilla y con índice de plasticidad no mayor de 4 ensayado según ASTM D 423 y D 424 *** La cantidad de cemento asfáltico se da en términos de porcentaje en peso del total de la mezcla. La diferencia de gravedades específicas en diferentes agregados, así como una considerable diferencia en absorción, resulta en un rango amplio de contenido de cemento asfáltico. La cantidad de asfalto que se requiere para una mezcla se debe determinar por ensayos de laboratorio apropiados o en base a experiencias con mezclas similares, o por combinación de ambos. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 178Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas FLUJO VS. % DE ASFALTO 10 11 12 13 14 15 16 17 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 ASFALTO (%) F L U JO ( 0. 01 ") 14 6,9 ESTABILIDAD VS. % DE ASFALTO 2400 2450 2500 2550 2600 2650 2700 2750 2800 2850 2900 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 ASFALTO (%) E S T A B IL ID A D ( L b ) 2750 6,9 PESO ESPECIFICO VS. % DE ASFALTO 2.230 2.240 2.250 2.260 2.270 2.280 2.290 2.300 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 ASFALTO (%) P E S O E S P E C IF IC O ( g r/ cm 3) % VACIOS VS. % DE ASFALTO 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 ASFALTO (%) V A C IO S V T M ( % ) % VACIOS LLENOS DE CON ASFALTO VS. % DE ASFALTO 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 ASFALTO (%) V O L U M E N L L E N O C O N A S F A L T O V F A (% ) 6,9 79 6,9 4,0 % VOLUMEN DE AGREGADO GRUESO MINERAL VS. % DE ASFALTO 15.0 16.0 17.0 18.0 19.0 20.0 21.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 ASFALTO (%) 6,9 18,6 Figura 10.3: Resultados típicos de diseño de mezclas asfálticas ensayada en la prensa Marshall S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 179 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas Tabla 10.3: Especificaciones para Gradaciones Densas, ASTM D3515 Mezcla Densa Tamaño máximo nominal de agregados Tamiz 2” 1 ½” 1” ¾” ½” 3/8” Nº4 Nº8 Nº16 Gradación de agregados (grava; fino y filler si se requiere) Porcentaje en peso 2 ½” (63mm) 100 - - - - - - - - 2” (50mm) 90-100 100 - - - - - - - 1 ½” (37.5mm) - 90-100 100 - - - - - - 1” (25.0mm) 60-80 - 90-100 100 - - - - - ¾” (19.0mm) - 56-80 - 90-100 100 - - - - 1/2” (12.5mm) 35-65 - 56-80 - 90-100 100 - - - 3/8” (9.5mm) - - - 56-80 - 90-100 100 - - Nº4 (4.75mm) 17-47 23-53 29-59 35-65 44-74 55-85 80-100 - 100 Nº8 (2.36mm) 10-36 15-41 19-45 23-49 28-58 32-67 65-100 - 95-100 Nº16 (1.18mm) - - - - - - 40-80 - 85-100 - - - - - - 25-65 - 70-95 Nº30 (600μm) 3-15 4-16 5-17 5-19 5-21 7-23 7-40 - 45-75 Nº50 (300μm) - - - - - - 3-20 - 20-40 Nº100 (150μm) 0-5 0-6 1-7 2-8 2-10 2-10 2-10 - 9-20 Nº200 (75μm) Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design and Construction. NAPA, 1996. 10.5 Ejemplo La siguiente tabla ilustra los datos básicos para una muestra de mezcla asfáltica. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 180Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas Datos Básicos para Muestras de Mezclas Asfálticas (a)Constituyentes: Material Gravedad Específica Composición de Mezcla Bulk AASHTO ASTM % por peso del total de mezcla % por peso del total de agregado Cemento asfáltico 1.030 (Gb) T 228 D 70 5.3 (Pb) 5.6 (Pb) Agregado grueso 2.716 (G1) T 85 C 127 47.4 (P1) 50.0 (P1) Agregado fino 2.689 (G2) T 84 C 128 47.3 (P2) 50.0 (P2) Filler mineral T 100 D 854 -.- -.- (b) Mezcla asfáltica Gravedad especifica bulk de la mezcla compactada, Gmb 2.442 (ASTM D 2726) Gravedad especifica teórica máxima de la mezcla, G 2.535 mm (ASTM D 2041) 1. Gravedad específica bulk de la combinación de agregados. Cuando la muestra se ensaya en fracciones separadas (por ejemplo, grueso y fino), el valor de la gravedad específica promedio se calcula con la siguiente ecuación: n n 2 2 1 1 n21 G P ..... G P G P P.......PP G +++ +++ = Donde: G Gravedad específica promedio , G , ......, G Valores de gravedad específica por fracción 1, 2, ....., n G1 2 n , P , ......., P Porcentaje en pesos de la fracción 1, 2, ....., n P1 2 n La gravedad específica bulk del filler mineral es difícil de determinar. Sin embargo, si se sustituye por la gravedad específica aparente del filler, el error es despreciable. Esta ecuación se puede aplicar para determinar la gravedad específica bulk y aparente de la combinación de agregados. Usando los datos del ejemplo: 703.2 59.1841.18 100 689.2 0.50 716.2 0.50 0.500.50 Gsb =+ = + + = 2. Gravedad Específica Efectiva del Agregado, Gse El procedimiento para determinar la gravedad específica efectiva no está normado por AASHTO o ASTM. Los valores se obtienen a partir del cálculo de la gravedad específica S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 181Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas teórica máxima de mezclas asfálticas (Gmm) ASTM D-2041, éste ensayo se realiza sobre mezclas sueltas, de esa manera se eliminan los vacíos de aire. En general: sbsesa GGG >> efec s se V W G =Por definición: El volumen efectivo es el volumen del agregado mas los vacíos permeables al agua que no se llenaron de asfalto. En el ensayo de gravedad específica teórica máxima (Gmm), se mide el volumen de la mezcla suelta y el volumen del cemento asfáltico se calcula con su peso y su gravedad específica. El volumen efectivo del agregado se determina sustrayendo el volumen del cemento asfáltico del volumen total. ( ) ACTV TbT se VV WPW G − − = sustituyendo los volúmenes, ( ) b AC mm T TbT se G W G W WPW G − − = simplificando, b b mm b se G P G 1 P1 G − − = b b mm mm bmm se G P G P PP G − − = ó Donde: Ws Peso del agregado VAC Volumen del cemento asfáltico total Vefec Volumen efectivo WT Peso total de la mezcla Volumen total de la mezcla suelta VTV porcentaje en peso del total de la mezcla suelta, 100% Pmm contenido de asfalto del ASTM D2041, porcentaje del peso total de la mezcla Pb WAC Peso total del cemento asfáltico Gravedad específica del cemento asfáltico Gb Gravedad especifica teórica máxima de la mezcla (ASTM D2041), Gmm no incluye los vacíos de aire Usando la ecuación en el ejemplo: S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 182Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas 761.2 0515.03945.0 947.0 030.1 053.0 535.2 1 053.01 Gse =− = − − = 3. Gravedad Específica Teórica Máxima de la mezcla para otros contenidos de asfalto Por definición: ACefectivo ACs mm VV WW G + + = Sustituyendo, b AC se s T mm G W G W W G + = ( ) b bT se bT T mm G PW G P1W W G + − = simplificando, y asumiendo que el peso total es el 100% b b se b mm G P G P1 1 G + − = b b se s mm mm G P G P P G + =ó Donde: Ws Peso del agregado VAC Volumen del cemento asfáltico total Vefec Volumen efectivo WT Peso total de la mezcla contenido de asfalto del ASTM D2041, porcentaje del peso total de la mezcla Pb WAC Peso total del cemento asfáltico Gravedad específica del cemento asfáltico Gb Gravedad especifica efectiva del agregado Gse Usando los datos de la tabla y la gravedad especifica efectiva, Gse, para 4% de contenido de asfalto (Pb): 587.2 0388.03477.0 1 030.1 04.0 761.2 04.01 1 Gmm =+ = + − = S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 183Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas 4. Porcentaje de Asfalto Absorbido, Pba El porcentaje de asfalto absorbido del agregado mineral usualmente se expresa por peso del agregado mas que por peso de la mezcla total. La ecuación para calcular el asfalto absorbido puede obtenerse a partir de: 100 W W P s ba ba ×⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = sustituyendo, peso = volumen x gravedad especifica 100 W GV P s bba ba ×⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ × = El volumen de asfalto absorbido es la diferencia entre el volumen bulk del agregado y su volumen efectivo. Por lo tanto, ( ) 100 W GVV P s bsesb ba × ×− = sustituyendo, volumen = peso/ gravedad especifica 100 W G G W G W P s b se s sb s ba × ×⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = simplificando, 100G G G GG P b sesb sbse ba ×× − = Donde: porcentaje de asfalto absorbido por peso del agregado Pba Wba peso de asfalto absorbido Ws peso del agregado peso de asfalto absorbido Vba volumen bulk del agregado Vsb volumen efectivo del agregado Vse gravedad especifica del cemento asfáltico Gb gravedad especifica efectiva del agregado Gse gravedad especifica bulk del agregado Gsb Reemplazando los datos del ejemplo: %8.0100030.1 463.7 058.0 100030.1 761.2703.2 703.2761.2 Pba =××⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛=×× × − = S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 184Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas 5. Porcentaje de Asfalto Efectivo, Pbe El contenido de asfalto efectivo, Pbe, de la mezcla es el contenido total de asfalto menos la cantidad de asfalto que absorbió el agregado. Esta es la capa de asfalto que recubre exteriormente el agregado y es el contenido de asfalto que gobierna el comportamiento de la mezcla asfáltica. 100 PP PP sbabbe −= Donde: contenido de asfalto efectivo, porcentaje por peso total de la mezcla Pbe contenido de asfalto, porcentaje del peso total de la mezcla Pb Ps contenido de agregado, porcentaje por peso total de la mezcla asfalto absorbido, porcentaje por peso del agregado Pba De los datos del ejemplo: El porcentaje en peso de la mezcla es 5.3% y el porcentaje en peso del agregado es 0.8%, reemplazando: %5.4%758.0%3.5 100 %7.94%8.0 %3.5Pbe =−= × −= 6. Porcentaje VMA en Mezcla Compactada Como ya se indicó el volumen de vacíos en el agregado mineral VMA es un factor importante para el diseño de mezclas. La fórmula para VMA puede obtenerse considerando la relación peso-volumen de la figura 2. Se recomienda que el cálculo sea realizado con la gravedad específica bulk del agregado: 100 V VV VMA T sbT × − = simplificando, 100 V V 100VMA T sb ×−= sustituyendo volumen con el peso dividido entre la gravedad específica 100 G W 100VMA mbG TW sb s ×−= sustituyendo, S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 185Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas TbTs WPWW ×−= y simplificando ( ) ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − −= sb bmb G P1G 1100VMA Donde: V volumen bulk del agregado sb VT volumen total de mezcla compactada Ws peso del agregado WT peso total de la mezcla G gravedad especifica bulk del agregado sb G gravedad especifica bulk de la mezcla compactada mb P contenido de asfalto, porcentaje del peso total de la mezcla b Para el ejemplo: ( ) ( ) %4.14855.01100 703.2 053.01442.2 1100VMA =−=⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −−= 7. Porcentaje de Vacíos de Aire en la Mezcla Compactada, Va La fórmula para calcular el porcentaje de vacíos de aire puede obtenerse a partir de: Por definición, 100 V V V T v a ×= sustituyendo, bsfaTv VVVV −−= 100 V VVV V T sbfaT a ×⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −− = 100 V VV 1V T sbfa a ×⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + −= multiplicando el numerador y denominador por y simplificando, TW ( ) 100 VV W V W 1V sbfa T T T a × ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + −= S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 186Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas sustituyendo, 100 G G 1V mm mb a ×⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −= Donde: V vacíos de aire en la mezcla compactada, porcentaje del volumen total a Vv Volumen de vacíos de aire VT Volumen total del especímen compactado V Volumen de vacíos llenos con cemento asfáltico fa V volumen bulk del agregado sb WT Peso total del especímen compactado G Gravedad específica bulk del especímen compactado mb G Gravedad específica teórica máxima de la mezcla mm Nota.- En mucha bibliografía se identifica al porcentaje de vacíos de aire en la mezcla compactada como VTM. 100 G G 1VTM mm mb ×⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −= Para el ejemplo: %7.3100 535.2 442.2 1VTM =×⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −= 8. Vacíos Llenos con Asfalto, VFA VFA es simplemente el porcentaje de VMA llenado con cemento asfáltico. La siguiente fórmula se usa para calcular el VFA: 100 VMA VTMVMA VFA × − = Donde: VFA vacíos llenos con asfalto, porcentaje de VMA VMA vacíos en el agregado mineral, porcentaje del volumen bulk Va ó VTM vacíos de aire en la mezcla compactada, porcentaje del volumen total Para el ejemplo: %3.74100 4.14 7.34.14 VFA =× − = Los Métodos de Laboratorio ASTM D2041 de Gravedad Específica Teórica Máxima y ASTM D1188 Gravedad Específica Bulk de la Mezcla Compactada se desarrollarán teóricamente a continuación. Una revisión de las gravedades especificas mencionadas indican lo siguiente: S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 187Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas 1. La diferencia entre gravedad especifica seca bulk y la gravedad especifica seca aparente es el volumen del agregado usado en los cálculos. La diferencia entre estos volúmenes es igual al volumen del agua absorbida en los vacíos permeables (diferencia entre los peso saturado superficialmente seco y seco al horno cuando son pesados en gramos). Ambas gravedades especificas usan el peso seco al horno del agregado. 2. La diferencia en los cálculos entre la gravedad especifica seca bulk y la gravedad especifica saturado superficialmente seco es el peso del agregado. El volumen del agregado es idéntico para ambas gravedades especificas. La diferencia en los pesos es igual al agua absorbida en los vacíos permeables (diferencia entre los pesos del os agregados saturados superficialmente seco y secado en el horno). 3. Las diferencias en los cálculos entre la gravedad aparente, seca bulk y efectiva es el volumen del agregado. Las tres gravedades especificas usan los pesos del agregado secado al horno. 4. La diferencia entre la gravedad especifica bulk de la mezcla compactada y la gravedad especifica teórica máxima es el volumen. La diferencia de volúmenes es porque están asociados con el volumen del aire en la mezcla compactada. 5. Los valores medidos de a gravedad especifica compactada pueden ser verificados para una primera aproximación usando lo siguiente: a) la gravedad especifica aparente siempre era igual o mayor que la gravedad especifica efectiva el cual será siempre igual o mayor que la gravedad especifica seca bulk, b) la gravedad específica saturada superficialmente seco bulk siempre será igual o mayor que la gravedad específica seca bulk, c) la gravedad específica teórica máxima será siempre igual o mayor que la gravedad especifica compactada de la mezcla, d) la gravedad específica del agregado (aparente, efectiva, seca bulk, saturado superficialmente seca bulk) será siempre mayor que la gravedad específica teórica máxima de la mezcla. 10.6 Diseño de Mezcla Superpave 10.6.1 Diseño de la Estructura del Agregado El diseño de la estructura granular se basa en la consideración que el ligante tendrá una función estructural principal, es decir, soportará los esfuerzos transmitidos por las cargas. Este enfoque conceptual del Superpave es diferente respecto al SMA donde el ligante, es un miembro secundario y no soportará esfuerzo significativo. La SHRP desarrolló un método para especificar la granulometría basado en el concepto de puntos de control y zona restringida. Se darán algunas definiciones para enfocar adecuadamente la propuesta. Tamaño Máximo Nominal y Tamaño Máximo El tamaño máximo nominal del agregado es el primer tamiz que retiene más del 10% del material. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 188Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas El tamaño máximo es el siguiente tamiz mayor que el tamaño máximo nominal. Carta de Potencia 0.45 Superpave adoptó la carta de potencia 0.45 para graficar la granulometría de la mezcla de agregados como estaba siendo utilizada por la FHWA. No existe información de la elección de dicha carta. Algunos artículos señalan que la carta de potencia 0.45 no sería aplicable a todo tipo de agregado. Específicamente, se menciona que cartas de potencias mayores como 0.50 ó 0.60 representarían mejor agregados chancados. La SHRP investigó la historia de la adopción de la carta 0.45. La carta tal como es utilizada actualmente, se basa en el trabajo de Nijboer de los Países Bajos y de Goode y Lufsey de Bureau of Public Roads. Nijboer evaluó el acomodo de los agregados tanto naturales como artificiales y encontró que la configuración más densa ocurría para una gradación que reflejaba una línea recta en la carta de 0.45 de potencia. Goode y Lufsey, 1962 validó el trabajo de Nijboer para agregados en los EE.UU. La línea de máxima densidad seca a la potencia 0.45 se grafica desde el origen hasta el tamiz máximo en el que pasa el 100% del material. A continuación se dará un ejemplo de elaboración de la carta potencia 0.45 para gradación Superpave TMN 19 mm. Se detallará el procedimiento de elaboración de la carta: 1º) El tamaño de los tamices se grafican elevados a la potencia 0.45, por ejemplo, el tamiz 4.75 mm se grafica como 2.02, es decir, ( ) . Las cartas de potencia 0.45 no indican las abscisas en escala aritmética como se muestra en la fig. 10.4, sino como en la fig. 10.5. 45.075.4 2º) La línea de máxima densidad seca se grafica desde el origen hasta el tamiz del tamaño máximo. La línea de máxima densidad seca (figura 9.19) representa la gradación donde las partículas del agregado alcanzan su máximo arreglo posible. En el ejemplo la línea va desde el origen hasta el tamaño máximo nominal de 19 mm. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 189Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas Carta potencia 0.45 para TM 19 mm 0 20 40 60 80 100 0 1 2 3 4 Tamiz elevado a la potencia 0.45 P o rc en ta je q u e p as a Ejemplo: Tamiz 4.75 mm se grafica como (4.75)0.45 = 2.02 Figura 10.4: Base de la Carta Potencia de 0.45 Carta potencia 0.45 para TM 19 mm 0. 07 5 0. 15 0. 3 0. 6 1. 18 2. 36 4. 75 9. 5 12 .5 19 0 20 40 60 80 100 Tamiz elevado a la potencia 0.45 P o rc en ta je q u e p as a Línea de máxima densidad seca Figura 10.5: Línea de máxima densidad seca para tamaño máximo de 19 mm Puntos de Control La gradación del agregado deberá estar dentro de los “puntos de control”, que aseguran la buena gradación del agregado evitando problemas de segregación en la mezcla. Los puntos de control se ubican en el tamaño máximo nominal, un tamiz intermedio (2.36 mm), y tamiz más pequeño (0.075 mm). Figura 9.20. Zona Restringida Para Superpave la zona restringida asegura que no se use mucha arena natural en la mezcla, y asegura un mínimo porcentaje de vacíos en el agregado mineral, VMA, de la mezcla. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 190Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas La zona restringida se encuentra a lo largo de la línea de máxima densidad seca entre el tamiz intermedio (4.75 mm ó 2.36 mm) y el tamiz 0.3 mm. La fig. 10.6. Se especifica que las gradaciones no deben pasar por la zona restringida sino a uno y otro lado de la línea de máxima densidad seca que generalmente comienza en el tamiz 2.36 mm y se extiende hasta el tamiz 0.300 mm. El valor máximo y mínimo que se requiere para los puntos de control depende del tamaño máximo nominal. Carta potencia 0.45 para TM 19 mm 0. 07 5 0. 15 0. 3 0. 6 1. 18 2. 36 4. 75 9. 5 12 .5 19 0 20 40 60 80 100 Tamiz elevado a la potencia 0.45 P o rc en ta je q u e p as a línea máx. densidad Figura 10.6: Límites de gradación Superpave para tamaño máximo de 19 mm La Tabla 10.4 define los puntos de control y la zona restringida recomendada para diferentes tamaños máximos nominales. Todas las combinaciones de agregados deben pasar entre los puntos de control establecidos, además, deben estar fuera de la zona restringida. 10.6.2 Determinación del Contenido de Ligante Asfáltico a) Compactador Giratorio Superpave La principal herramienta del diseño de mezclas volumétricas es el compactador giratorio Superpave (SGC). Un diseño de mezclas satisfactorio es aquel que cumpla los requisitos volumétricos a niveles iniciales y del número de revoluciones de diseño; estos niveles dependen del tráfico. Intuitivamente, las propiedades de la curva de densificación del SGC se correlacionan de alguna manera con la performance del pavimento, en particular, la deformación permanente, pero la relación propiedad-performance no está cuantificada. zona restringida puntos control tamaño máx nominal tamaño máx S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 191Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas Los investigadores de la SHRP tuvieron varios objetivos al desarrollar un método de compactación de laboratorio. El Compactador Giratorio Superpave, SCG compacta las muestras de manera similar a la que se obtendrá bajo tráfico y condiciones de clima específicos. Tabla 10.4: Especificaciones de Agregados Superpave Puntos de Control El equipo de compactación tiende a orientar las partículas de agregado de manera similar a las observadas en campo y es capaz de medir la compacidad b) Equipo de Compactación El origen del SGC fue el compactador giratorio modificado de Texas que usa los principios del compactador giratorio Francés. El compactador giratorio modificado de Texas densifica los especimenes de manera realista y es razonablemente portátil. El diámetro del espécimen es de 6 pulg. (150 mm) pudiendo compactar mezcla con agregados de 50 mm de tamaño máximo (37.5 mm de tamaño máximo nominal). Figura 10.7. Tamaño máximo Nominal Tamaño estándar (mm) 9.5 mm 12.5 mm 19 mm 25 mm 37.5 mm 50.0 100 37.5 100 90-100 25.0 100 90-100 19.0 100 90-100 12.5 100 90-100 9.50 90-100 2.36 32-67 28-58 23-49 19-45 15-41 0.075 2.0-10.0 2.0-10.0 2.0-8.0 1.0-7.0 0.0-6.0 Tamiz Zona Restringida 4.75 39.5 34.7 2.36 47.2 39.1 34.6 26.8-30.8 23.3-27.3 1.18 31.6-37.6 25.6-31.6 22.3-28.3 18.1-24.1 15.5-21.5 0.60 23.5-27.5 19.1-23.1 16.7-20.7 13.6-17.6 11.7-15.7 0.30 18.7 15.5 13.7 11.4 10.0 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 192Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas Figura 10.7: Esquema del Equipo de Compactación El pisón aplica 600 kPa de presión de compactación sobre el espécimen. Un medidor mantiene constante la presión en el pisón durante la compactación. El molde del SGC (fig. 10.8) tiene un diámetro interior de 150 mm y un plato en la base del molde proporcionando confinamiento. La base del SGC rota a una velocidad de 30 rev/min durante la compactación, con el molde ubicado a un ángulo de compactación de 1.25°. 30 rev/min Presión de pisón 600 kPa 1.25º Molde 150 mm Figura 10.8: Configuración del Molde SGC Durante la compactación se mide la altura del espécimen. La densidad del espécimen se calcula durante la compactación, con la masa colocada en el molde, el diámetro interior del molde y la altura. El número de revoluciones de diseño, Ndiseño, depende del nivel del tráfico (tabla 10.5). S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 193Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas Tabla 10.5: Esfuerzo de Compactación del SGC Parámetros de Compactación ESALs de diseño (millones) Aplicaciones típicas Ninicial Ndiseño Nmáxim o Carreteras con tráfico muy ligero, calles locales donde el tráfico de camiones está prohibido o es muy pequeño. < 0.3 6 50 75 Colectores o accesos a ciudades. Tráfico medio. 0.3 a Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas 10.6.3 Sensibilidad al Humedecimiento El paso final en el diseño de mezclas Superpave es evaluar la sensibilidad al humedecimiento. Este ensayo normado por la AASHTO T283, Resistance of Compacted Bituminous Mixtures to Moisture Induced Damage se realiza para el contenido óptimo de asfalto. Los especimenes para este ensayo son compactados a aproximadamente 7% de los vacíos de aire. Se preparan seis especimenes, tres de los cuales son acondicionados, figura 10.9 los otros tres son de control, figura 10.10. El acondicionamiento de especimenes consiste en la saturación por un ciclo opcional de congelamiento, seguido por 24 horas de deshielo a 60°C. Los seis especimenes se ensayan para determinar su resistencia a la tensión indirecta. La sensibilidad al humedecimiento se determina como la relación de la resistencia a la tensión promedio de los especimenes acondicionados entre la resistencia a la tensión promedio de los especimenes de control. La pérdida de resistencia deberá ser no menor al 80%. Figura 10.9: Figura 10.10: Acondicionamiento de especimenes Superpave Especimenes de control Superpave 10.7 Diseño de Mezcla Stone Mastic Asphalt 10.7.1 Introducción Las mezclas Stone Mastic Asphalt son el resultado de la combinación de una estructura granular gruesa y un mastic de asfalto, filler y fibra. La mezcla es de textura abierta y estructura interna densa con un volumen de vacíos de aire entre 2 y 4%. Las mezclas Stone Mastic Asphalt también conocidas como Stone Matrix Asphalt tienen origen Alemán. Bajo la denominación de “Splittmastixasphalt”, a finales de los años 60, se construyen las primeras carreteras con este tipo de mezclas. En Europa, las mezclas SMA vienen siendo usadas en las capas superiores por mas de 30 años, para reducir las deformaciones permanentes producidas por trafico pesado. Las gradaciones de los agregados y el óptimo contenido de asfalto son considerablemente diferentes que las mezclas densas. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 195Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas En el Stone Mastic Asphalt prevalece el contacto piedra-piedra debido a su estructura granular lo que no ocurre con las mezclas asfálticas densas que están formadas por agregados dentro de una matriz arenosa. Las cargas de tráfico en SMA son soportadas por las partículas de agregado grueso. La experiencia Europea fue analizada y evaluada por un grupo de estudio de los Estados Unidos. El viaje de investigación conformado por 21 miembros representantes de la AASHTO, NAPA, FHWA, TRIS, INSTITUTO DEL ASFALTO y SHRP, fue realizado a mediados de setiembre de 1990. Por dos semanas visitaron seis naciones europeas: Alemania, Suecia, Francia, Italia, Dinamarca y Reino Unido. El grupo de estudio revisó los procedimientos constructivos de pavimentos y los tipos de mezclas asfálticas que prevalecen en estos países. En opinión de los miembros del grupo, la mezcla adecuada para mejorar el comportamiento de los pavimentos en Estados Unidos, fue Stone Mastic Asphalt. En los Estados Unidos las mezclas asfálticas SMA están siendo evaluadas con diferentes ensayos de laboratorio para cuantificar lo que es evidente, el mejor comportamiento de este tipo de mezclas ante las deformaciones permanentes y agrietamientos por fatiga. 10.7.2 Revisión Bibliográfica a) Referencia Histórica Las mezclas Stone Mastic Asphalt son un diseño concebido para resistir el ahuellamiento y abrasión producido por neumáticos que llevan elementos antideslizantes (cadenas, clavos, etc.) usados en carreteras cubiertas por nieve. El desgaste de los agregados tiene relación con el efecto abrasivo del tráfico y calidad de los agregados. Luego de una etapa de investigación, por parte del Ministerio de Transporte de Alemania, para solucionar el problema de tráfico pesado con recubrimiento de neumáticos, se implementó la utilización de una mezcla con 75% de piedra de 5 a 8 mm, 15% de arena, 10% de filler y 7% de ligante bituminoso. El problema de este tipo de mezclas es el escurrimiento durante la etapa de mezclado, para evitarlo se incorporaron fibras con aditivo estabilizante. Nace SMA en julio de 1968. SMA es de uso frecuente en Alemania, llevan mas de 200 millones de m2 pavimentados, en autopistas, caminos y calles de la ciudad; y unos 5 millones de ton/año de SMA. Las SMA están normalizadas desde 1984 en Alemania con la última actualización en 2001 (ZTV Asphalt-StB 01). Austria, Bélgica, Holanda y los países Escandinavos también producen SMA y existen especificaciones en todos los países europeos. En los últimos años también en Asia el SMA es usado como el pavimento más apropiado. Países como China, Japón, Corea del Sur, Hong Kong, Taiwan y Filipinas los han adoptado. Australia y Nueva Zelanda se han sumado y utilizan la tecnología SMA. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 196Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas En Estados Unidos desde 1991 se han construido autopistas con este tipo de mezcla, y están verificando su excelente comportamiento ante deformaciones permanentes y agrietamientos por fatiga. Han sacado un sin numero de publicaciones relacionadas a evaluaciones a la que está siendo sometidas este tipo de mezclas, se encuentra normalizada. En la actualidad se esta fomentando e implementando el uso de este tipo de mezclas en América del Sur. Argentina es uno de los países que comenzó a trabajar a gran escala en la autopista Ricchieri que corresponde al acceso sur de la ciudad de Buenos Aires. Otra zona en la que se aplicó fue el corredor bioceánico, Ruta Nacional 8, que atraviesa de Este a Oeste la república y se nutre de tráfico pesado de Brasil y Chile. En menos de dos años se aplicaron más de 180,000 toneladas de SMA. En Brasil, en febrero del 2000 se utilizó SMA en el recapeo del autodromo de Interlagos en Sao Paulo, de 3 cm de espesor, se empleó asfalto modificado con polímero SBS al 6%, contenido de ligante de 6.7%, 0.5% de fibra celulosa y filler calcáreo. En agosto del 2001 se revistió la pista experimental construida en la vía Anchieta, km 44+400 a 45+000]. En el 2002 se ejecutó un microrevestimiento en un tramo experimental de 1000 m preparado por un concesionario paulista. Las especificaciones granulométricas adoptadas son las recomendadas por las normas Alemanas. Los resultados son satisfactorios en todos los casos. b) Comportamiento de Mezclas SMA La fortaleza de las mezclas SMA se basa en una estructura granular donde predomina el contacto piedra-piedra el mismo que le provee de alta resistencia cortante y baja deformación permanente La granulometría incompleta (”gap-graded aggregate”) del SMA es rellenada con un mastic de finos, filler, asfalto y fibra. Por su constitución granulométrica se considera un mayor porcentaje de ligante asfáltico en la mezcla, entre 6 a 7%, esto resulta en una mezcla con mayor durabilidad. Las fotos 10.3 y 10.4 muestran la diferencia entre las mezclas Superpave y SMA. Foto 10.3: Stone Mastic Asphalt Foto 10.4: Superpave SMA contiene vacíos entre 2 a 4% por volumen, este bajo porcentaje de vacíos proporciona una excelente macrotextura y baja permeabilidad. El aditivo estabilizador de la mezcla puede ser fibra de origen orgánico o mineral o polímero. Ellos recubren el agregado y evitan que el ligante se escurra, asegurando una mezcla homogénea. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 197Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas SMA ha demostrado ser rentable a pesar de requerir un alto contenido en ligante, así como la utilización de áridos de gran calidad. Un SMA estudiado adecuadamente requiere niveles mínimos de conservación, siempre que se utilice en carreteras bien diseñadas. Las ventajas adicionales de una rápida aplicación y la facilidad de uso en las operaciones de conservación pueden contribuir a una reducción de costes durante la vida de un pavimento. c) Diseño de Mezclas Fibras (Aditivo Estabilizador) Uno de los principales problemas observados en las mezclas SMA es el escurrimiento del cemento asfáltico de la piedra, ocasionando los fat spot o manchas en la superficie del pavimento. SMA se caracteriza por su alto contenido de piedra que forma un esqueleto de granulometría incompleta. Los vacíos de la matriz estructural se llenan con un mastic bituminoso altamente viscoso. La rigidez requerida del mastic se consigue incorporando aditivo estabilizante. Los aditivos estabilizantes como fibras, caucho, polímero, carbón negro o combinación de estos materiales son incorporadas para rigidizar el mastic a altas temperaturas. Contacto piedra-piedra De acuerdo con la literatura revisada para que una mezcla SMA trabaje adecuadamente, debe desarrollarse el contacto piedra-piedra.Los procedimientos de ensayos para cuantificar el contacto piedra-piedra fueron discutidos por Haddock y otros. Teniendo como base sus investigaciones, Brown y Mallick sugieren usar el ensayo de peso unitario seco rodillado (AASHTO T19) para determinar si existe el contacto piedra-piedra en una mezcla SMA. Se asegura el contacto piedra-piedra del esqueleto granular de la mezcla, cuando el VCA de la mezcla de SMA es igual o menor que el VCA del agregado grueso, ensayado con el peso unitario seco rodillado (AASHTO T19). Agregados Cuando se habla de agregados se debe enfocar el problema en los siguientes puntos: calidad del agregado, granulometría de la combinación de agregados y selección de la gradación que garantice el contacto piedra-piedra. Tan pronto como las mezclas hayan sido compactadas y enfriadas se extraen del molde. Se determina la gravedad específica bulk, Gmb, según la norma AASHTO T166. Con muestras en su condición suelta se calcula la gravedad específica teórica máxima o RICE, Gmm, según la norma AASHTO T209. El porcentaje de vacíos de aire (Va), vacíos en el agregado S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 198Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas mineral (VMA) y vacíos de agregado grueso en mezcla (VCAmezcla) se calculan con las siguientes ecuaciones: ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −= CA ca mb mezcla PG G 100VCA⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −= mm mb a G G 1100V ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −= s sb mb P G G 100VMA ; y Donde: Ps porcentaje de agregado en mezcla PCA porcentaje en peso de agregado grueso en mezcla Gmm gravedad especifica teórica máxima de la mezcla Gmb gravedad especifica bulk de la mezcla Gsb gravedad especifica bulk de la combinación de agregados Gca gravedad especifica bulk del agregado grueso De la combinación agregado-asfalto realizada en el laboratorio se elige aquella mezcla que tenga por lo menos 17% de VMA y VCAmezcla menor que VCADRC. Los vacíos de agregado grueso DRC “Dry Rodder Unit Weight” se simplifican con VCADRC. Para determinar los vacíos en el agregado grueso se propusieron diferentes métodos, pero el más popular es el Unit Weight and Voids in Aggregate normalizado por AASHTO T19. Cuando se calcula la densidad seco-rodillado de la fracción de agregado grueso, el VCADRC de la fracción se determina usando la siguiente ecuación: 100 G G VCA ca sca DRC ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ γ γ−γ = ω ω Donde: VCADRC vacíos en el agregado grueso en la condición seco-rodillado γs peso unitario de la fracción de agregado grueso en la condición seco-rodillado (kg/m ) 3 γw peso unitario del agua (998 kg/m ) 3 gravedad especifica bulk del agregado grueso Gca Material de Relleno (filler) Filler se define como el material en el que por lo menos el 65% de material pasa la malla nº 200. El filler cumple la función de relleno de los vacíos entre los agregados gruesos, contribuyendo a la consistencia de la mezcla, modificando la trabajabilidad, resistencia al agua y envejecimiento. Su incorporación incrementa la viscosidad del medio cohesivo (resistencia a la deformación). La mayor parte de los materiales de relleno que pasan la malla nº200 (75 μm) son relativamente gruesos (mayor que 40 μm), la mayor parte de este material cumple la función de rellenar los vacíos del esqueleto mineral, disminuyendo el índice de vacíos y modificando S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 199Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas el óptimo contenido de asfalto. El filler actuará con el ligante asfáltico formando una película que recubrirá las partículas de agregados (Motta y Leite, 2000, Harris y Stuart, 1995). El porcentaje de material que pasa la malla nº200 (75 mm), ahora se denomina dust para acentuar la diferencia de su comportamiento con respecto al tradicional filler. Cuando el porcentaje de material que pasa la malla nº200 aumenta, se reducen los vacíos del esqueleto mineral, mejora la gradación y la trabajabilidad del mezclas bituminosas aumenta hasta cierto punto. Por encima de este nivel, cuanto mayor sea el porcentaje que pasa la malla nº200, los finos comenzarán a perjudicar la estabilidad del esqueleto mineral, disminuyendo los contactos entre las partículas gruesas, alterando la capacidad de compactación (Motta y Leite, 2000). d) Análisis Volumétrico El análisis volumétrico de mezclas SMA comparadas con las mezclas convencionales o Superpave incorpora los conceptos de gravedad específica bulk del agregado grueso, vacíos de agregado grueso en mezcla, VCAmezcla, y vacíos de agregado grueso DRC, VCADRC. Los vacíos en el agregado mineral o VMA, es el volumen de vacíos entre los agregados (gruesos y finos) de una mezcla compactada que incluye los vacíos de aire y el contenido de asfalto efectivo, expresado en porcentaje del volumen total de la mezcla. VMA aire asfalto efectivo absorbido so y fino agregado mineral Grue Figura 10.11: Vacíos en Agregado Mineral, VMA Los vacíos de agregado grueso obtenido por el peso unitario seco rodillado, VCADRC, se define como el porcentaje de vacíos de aire dentro de una muestra de agregado grueso compactado. La figura 10.12 ilustra este concepto. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 200Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas VCADRC Aire 30-40% de volumen agregado grueso Peso Unitario Seco Rodillado Figura 10.12: Vacíos en Agregado Grueso, VCADRC Los vacíos de agregado grueso en mezcla, VCAmezcla, se definen como el porcentaje de vacíos de aire mas el contenido de asfalto efectivo y el agregado fino. El asfalto absorbido se considera como parte del volumen ocupado por el agregado grueso. La figura 10.13 ilustra este concepto. VCAmezcla Aire Asfalto efectivo Agregado grueso Agregado fino Figura 10.13: Vacíos en Agregado Grueso, VCAmezcla Para los cálculos de VCAmezcla y VMA, el asfalto absorbido por el agregado se considera como parte del agregado. e) Elección del Optimo Contenido de Asfalto Una vez que la gradación de la mezcla se haya elegido, es probable que se deba ajustar el contenido de cemento asfáltico para obtener el apropiado porcentaje de vacíos de aire en la S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 201Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas mezcla. Para este caso, se preparan especimenes con la misma granulometría, pero variando el porcentaje de asfalto. El óptimo contenido de asfalto es el que produce el 4% de los vacíos de aire en la mezcla. La NCAT luego de evaluaciones de pavimentos SMA sugieren que se elija el contenido de asfalto que produce vacíos de aire cercanos a 4% para proteger la mezcla de los fat spots luego de colocarse la mezcla y mejora la resistencia a las deformaciones permanentes, particularmente en climas cálidos. Para climas fríos puede usarse contenidos de vacíos de aire cerca de 3.5%. 10.7.3 Experiencias con SMA por el Mundo La normalización europea se vino efectuando a través del grupo de trabajo CEN TC227/WG 1 “Mezclas Bituminosas” que estuvo desarrollando una norma para SMA. Se conoce de referencia que estas especificaciones han sido recientemente terminadas y se espera que pronto se cuente con ellos. Todos los países que iniciaron trabajos con mezclas SMA tienen como punto de referencia las especificaciones alemanas. Sin embargo, luego de los primeros trabajos fueron adaptando las mismas a su propia condición de sitio. A continuación se hace referencia a las Especificaciones Técnicas Alemanas y Norte Americana. ¡ Alemania (EAPA, 1998) Existen cuatro tipos de mezclas para pavimentos con alto volumen de tráfico 0/8, 0/5 y 0/11S, 0/8S. Están normalizados por la “Empfehlungen fur die Zusammensetzung, die Herstellung und den Einbau von Splittmastixasphalt”, FGSV 1996, e incorporado en la National Standart ZTV Asphalt – StB, 1998. La tabla 10.6 muestra las características de mezclas asfálticas SMA según las Especificaciones Técnicas Alemanas ZTV Asphalt-StB 01 (2001). El contenido de aditivo estabilizante varía de 0.3 a 1.5% dependiendo de la fibra y tipo de ligante. ¡ Estados Unidos de América SMA es una mezcla relativamente nueva en los Estados Unidos. Su aplicación es el resultado del European Asphalt Study Tour realizado en otoño de 1990. A principios de 1991, la Federal Highway Administration (FHWA) formó un Grupo Técnico de Trabajo (TWG) para normar los materiales y procesos constructivos de mezclas SMA. Las primeras mezclas SMA se colocaron en Wisconsin durante 1991 seguido por Michigan, Georgia, y Missouri durante el mismo año. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 202Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas Tabla 10.6: Características de Mezclas asfálticas tipo SMA usadas en Alemania según las especificaciones técnicas Alemanas ZTV Asphalt StB 01 (2001) * para asfalto modificado con polímero (PmB 45), la temperatura de compactación debe ser 145±5ºC ** capa de reperfilage son capas de rodadura sobre la capa intermedia o inferior con problemas geométricos. Para el verano de 1997, por lo menos 28 estados construyeron mas de 100 proyectos, totalizando mas de 3 millones de toneladas de SMA. La mayoría de los proyectos fueron construidos entre 1992 y 1996 y la mayor parte fueron colocados para soportar tráfico pesado. El primer proyecto de SMA en los Estados Unidos diseñado siguiendo la “receta” de las especificaciones Alemana. La NCAT ha desarrollado un detallado diseño de mezclas para SMA Stone Mastic Asphalt 0/11S 0/8S 0/8 0/5 Agregado chancado, Arena chancada, filler comercial Agregado chancado, Arena chancada y natural, filler comercial Tipo de agregados Agregados minerales: Agregado en peso (%) < 0.09 mm 10 - 13 8 – 13 8 – 13 9 – 13 Agregado en peso (%) > 2.0 mm 73 – 80 60 – 70 70 – 80 73 – 80 Agregado en peso (%) > 5.0 mm 55 – 70 45 – 70 60 – 70 ≤ 10 Agregado en peso (%) > 8.0 mm ≥ 40 ≤ 10 ≤ 10 - Agregado en peso (%) > 11.2 mm - - - ≤ 10 Relación arena natural/arena chancada 1:0 ≥ 1:1 ≥ 1:1 1:0 Porcentaje que pasa el tamiz 0.09 mm 9 – 13 10 – 13 8 – 13 8 – 13 2.0 mm 20 – 27 20 – 27 20 – 30 30 – 40 5.0 mm 30 – 40 30 – 45 30 – 55 90 – 100 8.0 mm 50 – 60 90 – 100 90 – 100 - 11.2 mm 90 - 100 - - - Ligante bituminoso 50/70 70/100 70/100 Tipo de ligante (penetración – dmm) 50/70 (PmB 45) (160/220) (PmB 45) Contenido ligante en peso de mezcla (%) ≥ 6.5 ≥ 7.0 ≥ 7.0 ≥ 7.2 Aditivos estabilizadores Contenido de mezcla en peso (%) 0.3 – 1.5 Mezclas Asfálticas Especimenes Marshall Temperatura de compactación (ºC) *135±5 *135±5 *135±5 *135±5 Vacíos de aire (%) 3.0 – 4.0 3.0 – 4.0 2.0 – 4.0 2.0 – 4.0 Capas Capa de rodadura 3.5 – 4.0 3.0 – 4.0 2.0 – 4.0 2.0 – 4.0 Espesor recomendado (cm) 85 – 100 70 – 100 45 – 100 45 – 75 Taza de aplicación (kg/m2) Capa de reperfilage** 2.5 – 5.0 2.0 – 4.0 – – Espesor recomendado (cm) Taza de aplicación (kg/m2) 60 - 125 45 – 100 - - Grado de compactación de la capa (%) ≥ 97 Vacíos de aire en capa compactada (%) ≤ 6.0 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 203Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas SMA. Las normas son AASHTO MP8 “Specification for Designing Stone Matrix Asphalt (SMA)” y AASHTO PP41 “Practice for Designing Stone Matrix Asphalt (SMA)”. Las tablas 10.7 a 10.12 muestran las especificaciones de las mezclas SMA usadas en los EE.UU. Tabla 10.7: Requisitos de Calidad para Agregado Grueso, AASHTO MP8 Ensayo Método Especificación Abrasión L.A., % pérdida AASHTO T96 30* máx Chatas y Alargadas, % ASTM D4791 3 a 1 20 máx 5 a 1 5 máx Absorción, % AASHTO T85 2 máx Durabilidad (5 ciclos), % AASHTO T104 Sulfato de sodio 15 máx Sulfato de magnesio 20 máx Contenido de caras fracturadas, % ASTM D5821 Una cara 100 min Dos caras 90 min * Aunque los agregados con pérdidas mayores a 30% se usan satisfactoriamente, las piedras se pueden quebrar durante el proceso de compactación en el laboratorio o durante la compactación en campo con estos agregados. Tabla 10.8: Requisitos de Calidad para Agregado Fino, AASHTO MP8 Ensayo Método Especificación Durabilidad (5 ciclos), % AASHTO T104 Sulfato de sodio 15 máx Sulfato de magnesio 20 máx Angularidad, % AASHTO TP33 (Método A) 45 min Límite Líquido, % AASHTO T89 25 máx Indice de plasticidad AASHTO T90 N.P. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 204Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas Tabla 10.9: Rango Granulométrico de SMA (% pasante por volumen) AASHTO MP8 El TMN se refiere al Tamaño Máximo Nominal que representa a un tamiz mayor que el primer tamiz que retiene mas del 10% Tabla 10.10: Especificaciones de Mezclas SMA para diseño Marshall NAPA 2002 Tabla 10.11: Especificaciones de Mezclas SMA para diseño con Compactador Giratorio Superpave AASHTO MP8 y NAPA 2002 TMN 19 mm TMN 12.5 mm TMN 9.5 mm Tamiz, mm Inferior Superior Inferior Superior Inferior Superior 25.0 100 100 19.0 90 100 100 100 12.5 50 74 90 100 100 100 9.5 25 60 26 78 90 100 4.75 20 28 20 28 26 60 2.36 16 24 16 24 20 28 1.18 13 21 13 21 13 21 0.6 12 18 12 18 12 18 0.3 12 15 12 15 12 15 0.075 8 10 8 10 8 10 Propiedades Especificación Cemento asfáltico, % 6 mín* Vacíos de aire, % 4 VMA, % 17 mín** VCA, % Menor que VCADRC Estabilidad, kg 632 mín*** TSR, % 70 mín Escurrimiento a Tºproducción, % 0.30 máx * El mínimo porcentaje de cemento asfáltico puede reducirse ligeramente si la gravedad específica bulk del agregado excede 2.75 ** VMA mínimo durante la producción *** Valor de estabilidad sugerido, basado en la experiencia Propiedades Especificación Cemento asfáltico, % 6 mín* Vacíos de aire, % 4 VMA, % 17 mín** VCA, % Menor que VCADRC TSR, % 70 mín Escurrimiento a Tºproducción, % 0.30 máx * El mínimo porcentaje de cemento asfáltico puede reducirse ligeramente si la gravedad específica bulk del agregado excede 2.75 ** VMA mínimo durante la producción S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 205Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Diseño de Mezclas Asfálticas Tabla 10.12: Propiedades de Fibra Celulosa, AASHTO MP8 Propiedades Especificación Análisis por tamizado Método A: Análisis por tamiz Alpina Longitud de fibra (máx) 6 mm Pasa tamiz nº100 70±10% Método B: Análisis por tamiz cuadrado Longitud de fibra (máx) 6 mm Pasa tamiz nº20 85% (±10%) Pasa tamiz nº40 65% (±10%) Pasa tamiz nº140 30% (±10%) Contenido de cenizas 18% (±5%) no volátiles Ph 7.5% (±1) Absorción de petróleo 5 (±10) (vez por peso de fibra) Contenido de Humedad < 5% (por peso) S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 206Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 1. National Asphalt Pavement Association, (enero 2001) “Hot-Mix Asphalt Paving Handbook 2000” 2. National Asphalt Pavement Association, “HMA Pavement Mix Type Selection Guide, febrero 2001. 3. National Asphalt Pavement Association, “Segregation Causes and Cures for Hot Mix Asphalt”, abril 1997. 4. National Asphalt Pavement Association, “Designing and Constructing SMA Mixtures-State- of the Practice”, enero 1999. 5. National Asphalt Pavement Association, “Superpave Construction Guidelines”, febrero 1998. 6. National Asphalt Pavement Association, “Designing and Constructing SMA Mixtures-State- of the Practice”, enero 1999. 7. National Asphalt Pavement Association, “Hot Mix Asphalt Construction”, Julio 2000. 8. Asphalt Institute, “Superpave Performance Graded Asphalt Binder Specification and Testing”, 1997. 9. Asphalt Institute, “Superpave Mix Design”, 2001. 10. Asphalt Institute, “MS-02 Mix Design Methods for Asphalt”, 1997. 11. 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Federal Highway Administration, “Superpave Mixture- design guide”. WesTrack Forensic Team Consensus Report. 1998. 35. Highway Enginering Research Group, University of Ulster, Reino Unido. “Predicting the Performance of Stone Mastic Asphalt”, 2000. 36. National Asphalt Pavement Association, “Experience with SMA in U.S.”, 1992. 37. National Asphalt Pavement Association, “Superpave Construction Guidelines”. Special Report 180. U.S. Dep. of Transp. FHWA., 1997. 38. Asphalt Institute, “Performance Graded Asphalt. Binder Specification and Testing”. 1999. 39. National Center for Asphalt Technology, “Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design and Construction”. Second Edition. 1996. 40. Asphalt Institute, “Cause and Prevention of Stripping in Asphalt Pavements”. 1999. 41. Brown, E., Manglorkar, H., “Evaluation of Laboratory Properties of SMA Mixtures”, National Center for Asphalt Technology, Auburn University, Octubre 1993. 42. 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Medina, Jacques de, “Mecanica dos Pavimentos”, primera edición 1997, Río de Janeiro, Universidad Federal de Río de Janeiro. 47. Pinto, S., Preussler, E., “Modulos Resilientes de Concretos Asfálticos”, MT-DNER-Instituto de Pesquisas Rodoviárias (Divisao de Pesquisas), Río de Janeiro, 1980. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 208 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos 48. Pinto, S., Motta, L., “Catálogo de Curva de Fadiga”, Boletim Técnico nº16, Associacao Brasileira de Pavimentacao – ABPv. Río de Janeiro, 1995. 49. Huang, Y., “Pavement Analysis and Design”, segunda edición, Prentice Hall 2005. 50. Ordóñez, A. y Minaya, S., “Superpave y SMA: Conceptos Mecanísticos en la Ingeniería de las Mezclas Asfálticas”, V Congreso Nacional de Asfalto, Lima, noviembre 2002. 51. New Zealand Bitumen Contractors’ Association (BCA), “BCA Specification for Stone Mastic Asphalt Material BCA 9808, versión agosto 1999. 52. Da Costa Amaral S., “Estudos de Misturas Asfálticas Densas com agregados do Estado do Pará, Utilizando Asfalto Convencional (CAP-40) e Asfalto Modificado com Polímero SBS (Betuflex B65/60)”, Tesis para Optar el Grado de Master en Ingeniería Civil, Universidad de Sao Paulo –USP, 2000. 53. NTP 321.049, MTC E307-1999 y ASTM D2398, “Punto de Ablandamiento de Materiales Bituminosos (Anillo y Bola)”. 54. MTC E311-1999, “Punto de Fragilidad Fraass” 55. EAPA, “Capas Superficiales de Elevada Resistencia. Los Argumentos a favor del SMA”, European Asphalt Pavement Association, 1998. 56. Brown, E., Mallick, R., “Stone Matrix Asphalt-Properties Related to Mixture Design”, september 1994. 57. Haddock, J.E., Lilijedahl, B., Kriech, A.J., y Huber, G.A., “Stone Matrix Asphalt: Application of European Design Concepts in North America” Canadian Technical Aspahlt Association Proceedings, Fredricton, NB, Canada, november 1993. 58. Brown, E.R., Mallick, R.B., “Evaluation of Stone-on-Stone Contact in Stone Matrix Asphalt”. Transportation Research Record 1492, TRB, National Research Council, Washington, DC, 1995. 59. Brown, E.R., Haddock, J.E., “A Method to Ensure Stone-on-Stone Contact in Stone Matrix Asphalt Paving Mixtures”, NCAT Report No.97-2, january 1997. 60. Motta, L., Leite, L.F.M., “Efeito do Filer nas Características Mecánicas das Misturas Asfálticas”, 11º Congresso Panamericano de Engenharia de Transito e Transporte”, Gramado, Rio Grande do Sul, Brasil, 19-23 Novembro 2000. 61. Harris, B.M., Stuart, K.D., “Analysis of Mineral Fillers and Mastics Used in Stone Matrix Asphalt”, Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists-AAPT, Portland, Oregon, EE.UU., 27-29 March 1995. 62. Minaya S., “Comportamiento Mecánico de Mezclas Asfálticas Tipo Superpave y SMA”, Tesis de Maestría, FIC-UNI, 2005. 63. Reinaldo Celso, “Estudio para o Desenvolvimento de um Catálogo de Pavimentos Flexíveis do Município do Río de Janeiro”, Tesis de Maestría, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Marco 2003. 64. Marasteanu, M., Clyne, T., « Dynamic Modulus Testing of Asphalt Mixtures”, University of Minnesota, February 2002. 65. Kaloush, K., Witczak, M., Way, G., Zborowski, A., Abojaradeh, M., Sotil, A., “Performance Evaluation of Arizona Asphalt Rubber Mixtures using advanced Dynamic Material Characterization Tests”, Arizona State University, Arizona Department of Transportation, FNF Construction, Inc, July 2002. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 209 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Trabajo publicado en los siguientes eventos: Ü 11º Congreso Ibero-Latinoamericano del Asfalto, CILA 2001, Lima-Perú Ü XIII Congreso Nacional de Ingeniería Civil, CONIC 2001, Puno-Perú Ü IV Congreso Ecuatoriano de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo A “C.B.R. DE SUBRASANTES ARENOSAS Y LIMO-ARCILLOSAS”(*) M.I. e Ing. ABEL ORDOÑEZ HUAMAN Jefe Laboratorio No. 2 Mecánica de Suelos y Pavimentos, UNI Ing. SILENE MINAYA GONZÁLEZ Asistente Laboratorio No. 2 Mecánica de Suelos y Pavimentos, UNI RESUMEN Actualmente en el Perú, el diseño de estructuras de pavimentos considera generalmente valores de capacidad de soporte de subrasantes arenosas y limo-arcillosas determinados a partir de ensayos de laboratorio C.B.R. - ASTM D1883. La metodología utilizada puede no ser adecuadamente aplicada cuando se asume el valor C.B.R. de la subrasante relacionado a la densidad seca equivalente al 95% ó 100% de la Máxima Densidad Seca - MDS del ensayo Proctor Modificado. La humedad y la densidad seca natural de los suelos limo-arcillosos tienen una influencia importante en la determinación del C.B.R. como se ha podido comprobar en las pruebas sobre muestras inalteradas y compactadas. Se realizaron comparaciones de valores C.B.R. obtenidos de muestras inalteradas y compactadas considerando el 95% y 100% de la MDS del ensayo Proctor Modificado. Asimismo se compararon valores de módulos elásticos, utilizando una extensión de la teoría elástica. Los resultados indican que los valores de C.B.R. y módulos elásticos obtenidos en muestras inalteradas son significativamente inferiores a los determinados en muestras compactadas. La práctica ingenieril para la determinación del C.B.R. de la subrasante basados en muestras inalteradas es casi no utilizada en el Perú, debido a ello, se presentan fallas prematuras de pavimentos por sub-dimensionamiento en el diseño. ABSTRACT At the present time in Peru the design of pavement structures generally considers values of bearing capacity ratios of natural subgrade of sandy and silty clay soils, using the CBR laboratory test – ASTM D 1883. The methodology used may not be properly used when the CBR value of natural subgrade is assumed to be related to the dry density equivalent to 95% or 100% of the Maximum Dry Density - MDS of the Modify Proctor Compactation Test. The moisture content and the natural dry density of silty clay soils have an important influence in the CBR value determination as was verified in testing of undisturbed and compacted samples. Comparisons were made from CBR values obtained from undisturbed and compacted samples considering 95% and 100% of the MDS of the Proctor Modified Compactation Test. Also were made comparisons of values of elastic modulus, using an extension of the elastic theory. The results indicate that the CBR values and elastic modulus obtained on undisturbed samples are significantly lower than compacted samples. The engineering practice for CBR value determination of subgrade based on undisturbed samples is not used in Peru, because of that premature failures and collapse in pavement structures are produced. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 212Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo A 1. INTRODUCCIÓN El diseño de estructuras de pavimentos tanto flexibles como rígidos considera generalmente valores de capacidad de soporte de subrasantes de suelos limo-arcillosos determinados a partir de ensayos C.B.R. en laboratorio siguiendo la norma ASTM D-1883. Para ello, se asume el valor C.B.R. de la subrasante como el valor C.B.R. relacionado a la densidad seca equivalente al 95% ó 100% de la Máxima Densidad Seca del ensayo Proctor Modificado. La metodología utilizada se basa en la hipótesis de la compactación de la subrasante durante la etapa constructiva relacionado a la conformación de la superficie del terreno y control de compactación de la misma. Sin embargo, la práctica ingenieril utilizada puede no ser adecuadamente aplicada en subrasantes de suelos limo-arcillosos debido a que no es posible compactar profundidades del orden de 1,5 m. de profundidad o más, mediante procedimientos convencionales utilizados en obra. La humedad natural de los suelos limo-arcillosos generalmente se ubica muy por encima del O.C.H.; además, en el Perú, muchas veces no se reconoce como subrasante, la capa de suelo con un espesor hasta donde lleguen los esfuerzos verticales significativos, esto es, hasta las profundidades donde las cargas aplicadas puedan generar asentamientos. Entonces, la subrasante no alcanzará y muchas veces estará lejos de tener una densidad equivalente al 95 ó 100% de la MDS del ensayo Proctor Modificado. Por ello, no deberá asumirse el correspondiente valor CBR asociado a un valor de densidad no alcanzada en el campo. 2. DETERMINACIÓN DEL VALOR CBR DE SUBRASANTES ARENOSAS Y LIMO-ARCILLOSAS Un método directo de obtener el valor CBR es mediante el ensayo CBR in situ de acuerdo a la Norma ASTM D 4429-93. Sin embargo, el ensayo puede ser costoso para el proyecto y su aplicabilidad se reduciría sustancialmente cuando sea necesario obtener una muestra representativa de valores en el proyecto. Otro método, se basa en utilizar el ensayo de laboratorio CBR según la norma ASTM D-1883 y de manera paralela medir la densidad de campo. El valor CBR de la subrasante será el correspondiente a la densidad de campo medida. Esta metodología puede ser limitante cuando la densidad de campo medida se encuentre muy por debajo del rango de densidades que arroja el ensayo de CBR de laboratorio. Por otro lado, muy pocos especialistas se atreven a indicar modificaciones en el ensayo CBR para que el mismo pueda abarcar rangos de valores de densidades menores, como por ejemplo, optar por menores valores de energía de compactación. Sin embargo, esta opción correcta, puede considerar el ensayo CBR asociado al ensayo de compactación Proctor Standard y no al ensayo Proctor Modificado, como generalmente ocurre. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 213Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo A Un tercer método, directo, más simple y sobre todo rápido y económico. Se basa en extraer la muestra inalterada utilizando el molde CBR directamente de los pozos de exploración (Valle Rodas, 1976). Luego se transporta al laboratorio y se realiza la prueba de carga tanto en condiciones naturales como en condiciones más desfavorables que es la saturación, obteniendo la curva carga-penetración y el valor CBR de manera directa. Inclusive es posible medir la expansión que se produce durante la saturación. El procedimiento permite medir la humedad natural y la densidad. El valor CBR obtenido será un valor puntual de la muestra extraída en estado inalterado y representará de manera real el comportamiento de la subrasante. 3. APLICACIÓN DE LA TEORÍA ELÁSTICA Es posible extender la teoría elástica a los ensayos de C.B.R. utilizando los resultados de la prueba de carga asociados a asentamientos característicos de 0.1 pulgada. Para ello, se deberá utilizar la solución que ofrece la teoría elástica para el cálculo de asentamiento que ocurre cuando se tiene una superficie circular rígida cargada sobre un medio semi-infinito (Poulos y Davis, 1974). ρ = π/2 (1-ν2) pr/E Donde: ρ Asentamiento ν Relación de Poisson p Presión aplicada r Radio del área cargada E Módulo elástico Considerando un asentamiento característico de 0.1 pulgada; un valor de ν=0.40; radio equivalente a un área circular cargada de 3 pulg2 y la presión aplicada en función del valor CBR, se obtienen las siguientes relaciones: E = 139.7CBR ; E en libra/pulg2 E = 9.83CBR ; E en kg/cm2 Entonces, es posible obtener valores de módulos elástico, E a partir del valor CBR asumiendo un comportamiento del medio como elástico, uniforme e isotrópico. 4. PRUEBAS EXPERIMENTALES REALIZADAS Durante las actividades de desarrollo de temas de tesis e investigaciones, en la ejecución de proyecto de pavimentación en zonas pobres de Lima, así como en proyectos importantes de losas de almacenes de embarques portuarios donde se presentaron fallas estructurales y S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 214Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo A deficiencias durante su funcionamiento, el Laboratorio No. 2 de Mecánica de Suelos y Pavimentos de la Universidad Nacional de Ingeniería ha obtenido la información experimental necesaria para ilustrar la metodología expuesta. En la Tabla No. 1 se presentan las características y parámetros físicos de los suelos de las subrasantes, esto es, granulometría, límites de consistencia, plasticidad, humedad natural y densidades naturales. En la Tabla No. 2 se presentan los resultados de la MDS y el OCH utilizando el ensayo proctor modificado. Es importante apreciar las diferencias significativas de los valores de densidad y humedad naturales con los valores de la MDS y el OCH del ensayo proctor modificado. En la misma tabla se presentan los valores CBR obtenidos de muestras compactadas de laboratorio según la Norma ASTM D-1883 asociados al 95 y 100% de la MDS. Asimismo, los valores de CBR medidos directamente en muestras inalteradas. También se presentan los niveles de expansión medidos en ambos tipos de ensayos. En la Tabla No. 3 se presentan los valores de los módulos elásticos obtenidos tanto para los ensayos CBR en laboratorio sobre muestras compactadas asociadas al 95 y 100% de la MDS del ensayo proctor modificado como los valores para muestras inalteradas sin y con saturación previa. A continuación se discutirán algunos resultados específicos. En la Fig. 1 se presentan las curvas de las pruebas de carga en muestras limo-arcillosas de baja plasticidad de la Cdra. 10 de la Av. La Paz en San Miguel, Lima. Las pruebas se realizaron en muestras compactadas y muestras inalteradas tanto en estado natural sin saturación y con saturación previa. Observando las curvas carga-penetración se comprueba que las muestras inalterada sin saturación previa presentan mayor rigidez inicial en comparación a las muestras compactadas y las muestras inalteradas con saturación debido a la cementación natural, comportamiento que eleva el valor CBR. Los valores CBR varían entre 10 y 15% y con saturación previa disminuyeron sustancialmente a valores entre 1.9 y 2.7%. La capacidad de soporte de las muestras inalteradas con saturación previa, alcanzaron valores por debajo de la muestra compactada con 10 golpes. La muestra compactada en el laboratorio arrojó un valor CBR de 5,2% para una densidad del 95% de la MDS. En la Fig. 2 se presenta las curvas de las pruebas de carga en muestras areno-limo-arcillosas de la Urb. Matellini, Lima. Las pruebas se realizaron en muestras compactadas y muestras inalteradas tanto en estado natural sin saturación y con previa saturación. Aquí, también es evidente que la muestra inalterada presenta mayor rigidez inicial en estado no saturado debido a la cementación natural, el CBR alcanzado llegó a valores por encima de 25%. Sin embargo con la saturación pierde sustancialmente la rigidez presentando una resistencia a la penetración similar a la muestra compactada con 10 golpes (CBR=5.2). Esta muestra compactada en el laboratorio arrojó un valor CBR de 21% para una densidad del 95% de la MDS. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 215Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo A mγ dγ natω C1: 0.70-1.50 SM-SC 100,0 88,9 58,2 43,3 22,6 16,7 5,9 1,850 1,810 2,2 1,830 1,690 8,3 C1: 1.70-2.60 ML 96,9 80,5 64,3 52,7 45,6 37,0 8,6 1,618 1,082 49,6 1,619 1,151 40,7 1,683 1,205 39,7 C1: 0.30-0.90 CL 99,2 93,7 80,4 74,1 24,7 14,5 10,2 1,816 1,633 11,2 1,897 1,572 20,7 1,945 1,620 20,1 C1: 0.90-1.40 CL-ML 99,2 89,1 79,4 65,5 23,3 17,3 6,0 1,612 0,963 67,4 C6:0.00-0.60 CL 88,8 73,7 65,3 56,1 25,6 16,2 9,4 1,846 1,768 4,4 1,954 1,849 5,7 1,907 1,803 5,8 C2:0,00-0,80 CL 93,1 74,7 58,5 53,3 24,0 16,6 7,4 1,908 1,765 8,1 1,910 1,747 9,3 1,948 1,807 7,8 C15:0.00-1.00 CL 100,0 96,9 93,6 89,8 38,2 24,9 13,3 1,863 1,720 8,3 1,919 1,767 8,6 1,799 1,635 10,0 C1 CL 100,0 92,7 78,5 64,8 29,8 21,9 7,9 1,943 1,743 11,5 1,981 1,762 12,4 1,982 1,771 11,9 C1: 0.40-1.10 SP-SM 86,3 39,4 8,8 5,1 18,2 NP 1,730 1,700 1,78 C2: 0.35-0.60 SP-SM 89,4 60,8 8,9 7,7 NP NP 2,019 1,969 2,5 C3: 0.25-0.55 SP 99,9 89,8 16,7 4,7 NP NP 1,874 1,838 2,0 C4: 0,40-1,10 SP 99,9 89,8 16,7 4,7 NP NP 1,904 1,872 1,7 C5:0,30-0,80 CL 82,4 71,6 63,9 56,9 30,2 19 11,2 1,738 1,647 5,5 C1: 0.20-0,60 ML 97,2 84,4 74,1 59,2 38,3 30,2 8,1 1,739 1,362 27,7 C2: 0.70-1,20 MH 97,4 89,6 85,4 81,0 56,8 38,5 18,3 1,586 1,278 24,1 C3: 1,50-1,80 SM 99,5 76,5 55,0 32,8 41,6 41,0 0,6 1,661 1,298 28 C4: 0,20-0,60 CL 87,5 70,3 62,3 53,4 38,7 24,5 14,2 1,505 1,221 23,3 C5: 0,20-0,80 CH 100,0 94,3 91,0 87,1 54,1 24,0 30,1 1,634 1,327 23,1 C6: 0,30-0,70 SC 61,9 35,4 28,5 23,3 25,4 16,8 8,6 1,641 1,251 31,1 C7: 0,20-0,60 ML 93,8 82,1 78,9 75,5 42,5 30,4 12,1 1,789 1,404 27,4 C8: 0,30-0,80 MH 97,4 89,6 85,4 81,0 56,8 38,5 18,3 1,586 1,278 24,1 Almacenes RANSA Callao C5:0,20-0,80 CL-1 87,7 83,0 72,8 65,3 37,0 22,0 15,0 1,640 1,050 56,9 Investigación S01-INV 03 Urb. Matellini - Chorrillos - Lima Investigación S01-INV 04 Av. La Paz Cdra. 10 San Miguel, Lima Proyecto de Pavimentación Asociación de Vivienda Los Pinos Santa Anita, Lima TABLA No. 1 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS - ENSAYOS DE CLASIFICACIÓN Clasificación Porcentaje acumulado que pasa IPProyecto LL Nº200 LP Nº60 Nº100 Observaciones Nº4 Almacenera Peruana de Comercio S.A. Pavimento del Almacén Nº3 CENTROMIN PERU Cdra. 9 Av. Nestor Gambeta Callao Proyecto de Pavimentación Zona A San Juan de Miraflores Lima Proyecto de Pavimentación Cooperativa Pachacútec Santa Anita - Lima mγ SM-SC 1,810 2,2 1,899 12,6 34,2 21,0 5,2 25,0 15,160 0,35 1,690 8,3 1,899 12,6 34,2 21,0 5,2 27,0 15,160 ML 1,082 49,6 1,615 23,2 22,9 18,0 2,8 2,2 20,600 7,02 1,151 40,7 1,615 23,2 22,9 18,0 1,1 2,7 20,600 1,205 39,7 1,615 23,2 22,9 18,0 1,9 3,1 20,600 CL 1,633 11,2 1,971 11,7 11,2 5,2 2,1 10,0 1,650 0,62 1,572 20,7 1,971 11,7 11,2 5,2 1,9 15,0 1,650 1,620 20,1 1,971 11,7 11,2 5,2 2,7 12,0 1,650 CL-ML 0,963 67,4 2,020 10,9 46,0 24,4 0,9 4,7 0,630 0,01 CL 1,768 4,4 2,078 11,1 17,3 10,5 1,3 27,4 0,740 0,83 1,849 5,7 2,078 11,1 17,3 10,5 3,7 43,4 0,740 1,803 5,8 2,078 11,1 17,3 10,5 5,3 34,5 0,740 CL 1,765 8,1 2,078 11,1 17,3 10,5 2,7 35,4 0,740 0,48 1,747 9,3 2,078 11,1 17,3 10,5 4,5 10,6 0,740 1,807 7,8 2,078 11,1 17,3 10,5 5,1 22,1 0,740 CL 1,720 8,3 1,933 10,8 15,0 11,3 5,3 25,7 0,870 0,22 1,767 8,6 1,933 10,8 15,0 11,3 2,8 19,5 0,870 1,635 10,0 1,933 10,8 15,0 11,3 2,0 14,2 0,870 CL 1,743 11,5 1,799 17,0 15,4 11,3 2,2 17,7 0,630 N.P. 1,762 12,4 1,799 17,0 15,4 11,3 1,8 18,1 0,630 1,771 11,9 1,799 17,0 15,4 11,3 2,6 17,7 0,630 SP-SM 1,700 1,8 1,910 10,9 39,2 32,4 3,7 15,2 NP 0,67 SP-SM 1,969 2,5 1,910 10,9 39,2 32,4 3,7 15,2 NP SP 1,838 2,0 1,687 11,7 22,8 8,7 14,1 23,4 NP SP 1,872 1,7 1,687 11,7 22,8 8,7 7,8 19,0 NP CL 1,647 5,5 1,917 12,8 2,8 2,3 2,6 11,5 2,910 0,18 ML 1,362 27,7 1,545 22,3 2,0 1,7 2,1 4,7 0,004 NP MH 1,278 24,1 1,538 26,6 1,6 1,2 2,8 3,8 1,248 NP SM 1,298 28,0 1,547 14,2 22,0 18,0 2,4 4,5 NP NP CL 1,221 23,3 1,589 23,8 4,9 3,1 1,8 8,5 1,182 NP CH 1,327 23,1 1,538 26,6 1,6 1,2 1,8 4,4 1,248 NP SC 1,251 31,1 1,547 14,2 22,0 18,0 4,7 5,2 NP NP ML 1,404 27,4 1,545 22,3 2,0 1,7 2,6 6,8 0,004 NP MH 1,278 24,1 1,538 26,6 1,6 1,2 2,2 13,2 1,248 NP Almacenes RANSA Callao CL-1 1,050 56,9 1,810 15,8 13,3 5,0 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo A Las Fig. 3a y 3b presentan los resultados de comparar los valores CBR asociados a 95% del ensayo proctor modificado y los resultados de valores CBR en muestras inalteradas sin y con saturación previa respectivamente. Es importante observar que, las muestras inalteradas sin saturar en su mayor parte arrojaron valores de CBR por encima del CBR asociado al 95% de la MDS del ensayo proctor modificado; sin embargo, cuando se sometía las muestras inalteradas a saturación previa representando la condición más desfavorable en la vida del proyecto el valor CBR disminuye sustancialmente en prácticamente todos los casos, resaltando la importancia de evaluar la capacidad de soporte de la subrasante de suelos limo-arcillosos en la condición saturada. 5. DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS En la Tabla No. 4 se presentan los parámetros de diseño de las estructuras de pavimentos considerando los 02 tipos de suelos: CL y SC-SM analizados detalladamente. En la Fig. No. 4 se presentan los espesores de las capas obtenidos. Se utilizó la metodología AASHTO, 1993. Los resultados indican la importancia de evaluar la capacidad de soporte en las condiciones más desfavorables y sobre todo determinar hasta qué punto es posible considerar la condición más desfavorable debido a la diferencia sustancial en los resultados de espesores entre la condición sin saturar y la condición saturada. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 217Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo A SM-SC ML CL CL-ML CL CL CL CL SP-SM SP-SM SP SP CL ML MH SM CL CH SC ML MH Almacenes RANSA Callao CL-1 TABLA No. 3 MODULOS ELASTICOS (Kg/cm2) 230 187 113 118 46 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo A UBICACIÓN : AV. LA PAZ Cdra. 10 SAN MIGUEL, LIMA MUESTRA : C1 0,30-0,90 CLASIFICACION : CL Fig.1 PRUEBA DE CARGA EN MUESTRA INALTERADA Y COMPACTADA S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 219 0 100 200 300 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 Penetracion (pulg.) P re si ó n ( lb s/ p u lg 2 ) Inalterado Sin Saturar Inalterado Saturado 25 golpes 10 golpes 56 golpes CBR = 5,2% (95% M.D.S.) CBR = 10,0% (Sin saturar) CBR = 2,1% (Saturado) UBICACIÓN : URB. MATELLINI-CHORRILLOS-LIMA MUESTRA : C1 0,70-1,50 CLASIFICACION : SM-SC Fig.2 PRUEBA DE CARGA EN MUESTRA INALTERADA Y COMPACTADA 0 200 400 600 800 1000 1200 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 Penetracion (pulg.) P re si ó n ( lb s/ p u lg 2 ) CBR = 21,0% (95% M.D.S.) CBR = 25,0% (Sin t ) 56 golpes 25 golpes Inalterada Sin Saturar 10 golpes Inalterada Saturado Diseño Moderno de Pavimentos Anexo A Fig.3a CBR al 95% MDS y CBR Sin Saturar Suelos Arenosos y Limo-arcillosos 0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60 CBR Sin Saturar C B R a l 95 % M D S Fig.3b CBR al 95% MDS y CBR Saturado Suelos Arenosos y Limo-arcillosos 0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60 CBR Saturado C B R a l 95 % M D S S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 220Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo A S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 221 (*) Guide for Design of Pavement Structures, Publicado por la American Figura No. 4: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE MÉTODO AASHTO 1993(*) TIPO DE SUELO : CL TIPO DE SUELO : SM-SC CBR=12, 0 SN 5,0 cm 30 cm 5,0 cm 37 cm CBR=11, 2 SN 68 cm CBR=2,2 0 SN 5,0 cm 30 cm Muestra inalterada Sin Saturar Muestra inalterada Saturada Muestra remoldeada al 100% M.D.S. 65 cm 22 cm 2,5 cm 20 cm 2,5 cm CBR=25, 0 CBR=5,2 0 20 cm 2,5 cm CBR=34, 2 Muestra inalterada Sin Saturar Muestra inalterada Saturada Muestra remoldeada al 100% M.D.S. FÓRMULA log(W18) = Zr*So + 9,36*log(SN+1) -0.2 + +2,32*log(Mr)-8,07 0,4+ 1094 (SN+1)5,19 PARAMETROS DE DISEÑO R = 85 % So = 0.49 Δ PSI = 2 SN = 2 Período de Diseño, años = 20 ESAL de Diseño (W18) = 500,000 Sin saturar Saturado 25.0 5.2 37,500 7,800 1.57 3.10 12.0 2.2 18,000 3,300 2.31 4.14 CARACTERÍSTICAS DE LOS COMPONENTES DEL PAVIMENTO Carpeta asfáltica Coeficiente de capa 0.160 Módulo Resilente 360.000 psi Capa de Base Coeficiente de capa 0.055 CBR 100% Módulo Resilente 30.000 psi Capa de Sub-Base Coeficiente de capa 0.025 CBR 10% Módulo Resilente 10.000 psi Mr (psi) 16,800 SN 2.85 SN 1.50 CL CBR 11.2 SM-SC CBR 34.2 Mr (psi) 51,300 Tabla No 4: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE CÁLCULO DEL NÚMERO ESTRUCTURAL log( PSI/(4,2-1,5)) Tipo de suelo Muestra Muestra Inalterada 100% Diseño Moderno de Pavimentos Anexo A 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES La capacidad de soporte de subrasantes conformados por suelos limo-arcillosos puede ser determinada directamente a partir de pruebas de carga realizados en el laboratorio sobre muestras inalteradas extraídas de los pozos de exploración utilizando el molde CBR. El método descrito referente a la obtención del valor CBR de muestras inalteradas utilizado en el diseño de pavimentos se basa en un procedimiento directo, simple, rápido y económico. Se ha demostrado que siguiendo la metodología descrita existe una diferencia significativa entre el valor CBR de subrasantes de suelos limo-arcillosos en la condición sin saturar y la condición saturada, mostrando el comportamiento real de los suelos limo-arcillosos. Los suelos limo-arcillosos presentan una rigidez alta en estado natural y una sustancial pérdida de la misma con la saturación lo que implica en menores valores de módulos elásticos y, por consiguiente, en valores mayores de asentamientos durante la vida útil de la estructura del pavimento, esto implica una reducción sustancial de la vida útil del pavimento, la falla y el colapso en el caso extremo. Por extensión, métodos indirectos no destructivos de evaluación de subrasantes deben tener presente la condición de la subrasante respecto a la saturación y las limitaciones que dichos resultados pueden tener en un proyecto de rehabilitación de pavimentos. El último fenómeno del Niño ha demostrado tales limitaciones. El asignar a la subrasante, sin sustento alguno, un valor CBR asociado al 95 ó 100% de la MDS del ensayo proctor modificado es una práctica ingenieril que no debe ser utilizada. En todo caso, se recomienda medir la densidad natural y asignar el correspondiente valor CBR y en el caso extremo, realizar el ensayo CBR en el laboratorio considerando el ensayo proctor estándar. 7. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Valle Rodas, R.,1976. Carreteras, Calles y Aeropistas. Poulos, H.G. Davis, E.H., 1974. Elastic Solutions for Soil and Rock Mechanics. AASHTO, 1993. Guide for Design of Pavement Structures S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 222Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 ANEXO B 屯HMA Pavement Mix Type Selection Guide惇 National Asphalt Pavement Association NAPA y U.S. Department of Transportation Federal Highway Administration FHWA, 2001 (TRADUCCIÓN) Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo B B.1 ANTECEDENTES Las mezclas asfálticas en caliente o hot-mix asphalt, HMA se utilizan para diferentes tipos de tráfico y diferentes condiciones medioambientales, debiendo los materiales y diseño cumplir con los requisitos del proyecto. El término hot-mix asphalt, HMA o mezcla asfáltica en caliente, se usa generalmente para incluir mezclas de agregado y cemento asfáltico que se producen en plantas de asfalto a altas temperaturas. HMA se divide en tres tipos de mezclas: de gradación densa, open-graded o mezclas abiertas o porosas y gap-graded o mezclas de granulometría incompletas. La Tabla B.1 presenta los tipos de mezclas de acuerdo a las características granulométricas. Las gradaciones densas se subdividen en gradación continua o HMA convencional, large-stone mix, y mezcla arena-asfalto. Las mezclas open-graded se dividen en open-graded friction course, OGFC y base permeable tratada con asfalto. El tipo gap-graded abarca mezclas de concreto asfáltico gap-graded y mezclas stone mastic asphalt, SMA. Algunas mezclas HMA deben ser diseñadas para casos particulares. Un ejemplo de este tipo son las mezclas open-graded friction course OGFC, que se diseñan para mejorar la fricción, evitar encharcamientos y emanaciones de vapor del pavimento, y disminuir los niveles de ruido. La Federal Highway Administration, FHWA junto con la National Asphalt Pavement Association, NAPA prepararon una guía para la apropiada selección del tipo de mezcla que considera factores como el tráfico, medio ambiente, subrasante, condiciones del pavimento existente y su preparación, y evaluación económica. Tabla B.1 Tipos de Mezclas Asfálticas en Caliente Gradación densa Open-garded Gap-graded Convencional Tamaño máximo nominal usualmente de 12.5 a 19mm (0.5 a 0.75 pulg.) Porous friction course Gap-graded convencional Large-stone Tamaño máximo nominal usualmente de 25 a 37.5mm (1 a 1.5 pulg.) Base permeable tratada con asfalto Stone Mastic Asphalt (SMA) Arena asfalto Tamaño máximo nominal menos que 9.5 mm (0.375pulg.) S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 224 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo B B.2. DEFINICIONES Mezclas de gradación densa HMA HMA de gradación densa están compuestas por ligante de cemento asfáltico y agregado de gradación continua. Las mezclas convencionales de HMA consisten de agregados de tamaño máximo nominal en el rango de 12.5 mm (0.5 pulg.) a 19 mm (0.75 pulg.). Large-stone mix contienen agregados gruesos con un tamaño máximo nominal mayor que 25 mm (1 pulg.). Como se ve en la figura B.1a, estas mezclas tienen un mayor porcentaje de agregados gruesos que las mezclas convencionales (más grandes que el tamiz 4.75 mm o no. 4). Por el mayor tamaño de los agregados, el esfuerzo de compactación aplicado a la mezcla debe ser monitoreado para prevenir fracturas excesivas de los agregados mayores durante el proceso de compactación. Asfalto-arena está compuesto por agregado que pasa el tamiz 9.5 mm o 0.375 pulg. (figura B.1a). El contenido de ligante en la mezcla es mayor que para mezclas HMA convencionales porque se incrementan los vacíos en el agregado mineral de la mezcla. Las arenas usadas en este tipo de mezcla son arenas chancadas o naturales de textura rugosa, la resistencia a las deformaciones permanentes de este tipo de mezclas es típicamente muy bajo. Mezclas open-graded Las mezclas open-graded consisten de una gradación relativamente uniforme y ligante de cemento asfáltico o ligante modificado (figura B.1b). El principal propósito de este tipo de mezclas es servir como una capa drenante, tanto en la superficie del pavimento o dentro de la estructura del pavimento. Como se indicó, hay dos tipos de mezclas open-graded. El primer tipo de mezcla son utilizadas como una superficie gruesa para proporcionar drenaje libre en la superficie y prevenir los encharcamientos, reduce las salpicaduras de las llantas, y reduce el ruido de las llantas. Este tipo de mezcla es frecuentemente definido como open-graded friction course OGFC. El segundo tipo de mezcla, denominado base permeable tratada con asfalto, comprende una gradación uniforme de tamaño máximo nominal mayor que las usadas en OGFC –19 mm (0.75 pulg.) a 25 mm (1 pulg.) y se usa para drenar el agua que entra a la estructura del pavimento desde la superficie o de la subrasante. La producción de las mezclas open-graded es similar a las mezclas de gradación densa. Se usan temperaturas de mezcla menores para prevenir el escurrimiento del asfalto caliente o draindown durante el almacenamiento o traslado al lugar del proyecto. Recientemente se están empleando polímeros y fibras en mezclas open-graded friction course para reducir el draindown y mejorar la durabilidad de la mezcla. La colocación de este tipo de mezclas es convencional. El esfuerzo de compactación por lo general es menor que las mezclas de gradación densa. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 225 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo B a. Gradación densa b. Open-graded c. Gap-graded Figura B.1: Gradaciones representativas de HMA S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 226 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo B Mezclas gap-graded La función de las mezclas gap-graded es similar a la mezclas de gradación densa porque estas también proporcionan capas densas impermeables cuando la compactación es apropiada. Las mezclas gap-graded convencionales se vienen usando por muchos años. El rango de los agregados va desde gruesos hasta finos, con poca presencia de tamaños intermedios; un tipo de mezcla gap-graded se muestra en la figura B.1c. El segundo tipo de mezclas gap-graded es el stone mastic aspahlt, SMA. Una representación ilustrativa de este tipo de mezcla se muestra en la figura B.1c. La producción de mezclas SMA requiere la incorporación de significativas cantidades de filler mineral al agregado normal de tal manera que alcance del 8 al 10% de material que pasa el tamiz 0.075 mm o no. 200. Como en las mezclas open-graded la temperatura de descarga de la mezcla necesita ser controlada para prevenir el escurrimiento o draindown del ligante durante el almacenamineto o transporte. Las fibras y/o polímeros son normalmente usados con SMA para prevenir el draindown. B.3 TIPOS DE PAVIMENTO ASFÁLTICOS Los pavimentos asfálticos son estructuras flexibles que distribuyen las cargas a la subrasante preparada. Los pavimentos flexibles consisten de capas de HMA colocadas sobre la subrasante preparada. La subrasante es la capa de fundación que consiste del suelo existente o material de préstamo a una densidad específica. Las capas de pavimento generalmente se dividen en: capa superficial, capa intermedia o ligante y capa base. Estas capas son diferentes en composición y se colocan en operaciones separadas. Las capas de pavimento de dos tipos comunes son: full-depth HMA y HMA sobre bases granulares se muestra en la Figura B.2. Figura B.2: Tipos de Pavimentos Asfálticos más comunes S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 227 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo B Capa Superficial o Carpeta La carpeta superficial normalmente está formada por materiales de alta calidad. Proporciona características friccionantes, control de ruido, lisura, resistencia a las deformaciones y drenaje. Además, previene el ingreso de excesivas cantidades de agua superficial a las capas intermedias del pavimento. Capa Intermedia La capa intermedia consiste de una o más capas estructurales de HMA colocadas debajo de la carpeta. Su finalidad es distribuir las cargas de tráfico a la fundación sin que ésta se deforme permanentemente. Esta capa puede o no ser usada, dependiendo de la selección del tipo de mezcla. Capa Base La capa base consiste de una o más capas de HMA ubicadas en la base de la capa estructural de HMA. También, puede ser base granular o base estabilizada. Su principal función es proporcionar el principal soporte a la estructura del pavimento. Capa Nivelante La capa nivelante, es una delgada capa de HMA usada en rehabilitaciones para corregir pequeñas variaciones del perfil longitudinal y transversal del pavimento existente. Tráfico Las cargas de tráfico se calculan para definir los espesores y el tipo de mezcla HMA que será usada en la estructura del pavimento. La American Association of State Highway and Transportation Officials, AASHTO expresó el tráfico en número de ejes equivalentes de 18-kip denominado ESAL. La FHWA considera los siguientes niveles de tráfico: Tráfico ESAL Bajo 10’000,000 B.4 APLICACIÓN DE MEZCLAS ASFÁLTICAS Las conclusiones que llegaron un grupo de expertos de las instituciones más representativas en los EE.UU. (NCAT, FHWA, NAPA, y DOTs de Florida, Georgia, Maryland, Arizona y New York) sobre cuales son los tipos de mezclas asfálticas más apropiadas para las diferentes capas que componen la estructura de pavimento en función del tráfico se presentan en la figura B.3 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 228 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo B Las recomendaciones se dan en 03 niveles: Altamente Recomendable, Medianamente Recomendable y Poco Recomendable. También se señalan 03 niveles de tráfico: Alto, Intermedio y Bajo nivel de Tráfico de acuerdo al criterio de la FHWA. Las mezclas asfálticas consideradas son: las mezclas de HMA densas tanto gruesas como finas, las mezclas del tipo gradación abiertas o mezclas porosas denominadas open-grade, las mezclas de gradación abierta de alto nivel de fricción superficial o open-graded friction course OGFC, las mezclas tipo SMA y las bases tratadas con asfaltos, ATPB. Figura B.3: Recomendación del Tipo de Mezclas Asfálticas S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 229 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo B Las recomendaciones del grupo de expertos fueron aún más al detalle. La Figura B.4 considera además del tipo de mezcla asfáltica, el espesor mínimo de capa relacionado al tamaño máximo nominal del agregado. Figura B.4: Espesor Mínimo de Capa B.5 ELECCIÓN DEL TIPO DE MEZCLA ASFÁLTICA Los siguientes pasos permiten elegir un tipo de mezcla apropiado para una aplicación específica: 1. Determinar el espesor total del HMA requerido. Construcción nueva diseño estructural de acuerdo a los procedimientos establecidos Rehabilitación evaluación del comportamiento o performance y diseño estructural del pavimento. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 230 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo B 2. Determinar el tipo de mezcla apropiado para la carpeta basado en función del tráfico y costo. a) Identificar en la figura B.3 la categoría del tráfico del pavimento. Por ejemplo, para trafico bajo, el grupo de expertos recomienda solamente mezclas densas. Sin embargo, para tráfico alto, se puede considerar un SMA o OGFC. Para tráficos altos todos los tipos de mezclas son apropiados b) Determinar el tamaño del agregado que se usará en la mezcla. La principal consideración para esto es el tráfico. A mayores cargas de tráfico, la mezcla de agregado debe tener mayor tamaño máximo nominal. c) Consideraciones de apariencia. Mezclas con tamaño de agregado mayores con frecuencia tienen textura superficial gruesa y puede ser más susceptible a la segregación. Por eso, para pavimentos en calles, se recomienda usar mezclas más finas como mezclas de gradación densa de 9.5 a 12.5 mm, mientras que las mezclas 19.0 mm puede ser la más apropiada para áreas industriales. Sin embargo, nunca se debe sustituir la performance por la apariencia. d) Flujo de tráfico. Otra consideración es seleccionar el tamaño de agregado en una mezcla minimizando el impacto del flujo de tráfico durante rehabilitación de la carretera existente. 3. Descontar el espesor de la carpeta del espesor total de diseño. Determinar qué mezcla o mezclas son apropiadas para capas intermedias y/o base. 4. Descontar la capa intermedia/base del espesor total, hasta que los espesores de capa de la mezcla sean seleccionados para la sección de pavimento requerido. Ejemplo de Aplicación A continuación se muestra un ejemplo del proceso de selección para dos pavimentos que requieren 150 mm(6”) de HMA cada uno. Uno de los pavimentos está ubicado en el centro de la ciudad en una zona comercial con tráfico moderado. La otra está en un área industrial con tráfico moderado pero mayor porcentaje de tráfico de camiones y traileres. Paso 1: Determinación del Espesor Total Proyecto A: Calle del centro de la ciudad que será reconstruido. Tanto performance como apariencia son importantes. Espesor total de HMA requerido para este proyecto es 150 mm (6”). Tráfico moderado Proyecto B: Zona industrial, parte de carretera rural existente. El incremento de tráfico requiere 150 mm (6”) de recapado. Tráfico moderado a alto. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 231 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo B Paso 2: Determinación del tipo de mezcla de la carpeta y espesor 12.5 mm DCG, espesor 37.5 mm Proyecto A: Según las Fig. B.3 y B.4, la gradación fina densa (DFG) es la más recomendada para este nivel de tráfico. SMA también puede ser usado para este caso puede no justificar el gasto. Un DFG 9.5 mm, parcialmente por apariencia. El espesor es de 37.5 mm. 9.5 mm DFG, espesor 37.5 mm Proyecto B: Según las Fig. B.3 y B.4, todas las mezclas son adecuados para este tráfico. Como el tráfico es lento, OGFC no se considera. La resistencia a las deformaciones permanentes es el principal mecanismo de falla por el alto porcentaje de camiones y traileres, de esa manera una mezcla de piedra grande puede usarse para la carpeta porque la apariencia no es muy importante. Mezcla de gradación gruesa densa 12.5 mm se selecciona para la carpeta. El espesor de la mezcla es 37.5 mm. Paso 3: Determinación del tipo de mezcla de la capa intermedia y espesor 12.5 mm DCG, espesor 37.5 mm 19.0 mm DCG, espesor 57 mm 9.5 mm DFG, espesor 37.5 mm 19.0 mm DFG o DCG, espesor 57 mm Proyecto A: Según las Fig.B.3 y luego B.4, DFG o DCG de 19.0 mm o 25.0 mm son adecuados para este tráfico y capa El espesor restante es (150 mm- 37.5 mm), 112.5 mm. Si se usa mezcla 25.0 mm, sería mejor colocarla en una sola capa porque el espesor mínimo es 75 mm, que es más de la mitad del espesor restante. Con mezcla 19.0 mm de DFG o DCG se colocaría alrededor de la mitad del espesor restante total. Un 19.0 mm DFG o DCG se selecciona para mejorar la performance. El espesor seleccionado es 57 mm para facilitar la compactación. Proyecto B: Según las Fig.B.3 y luego B.4, se puede usar 19.0 mm o 25.0 mm de DFG o DCG para la carga de tráfico y capa. El espesor restante es (150 mm- 37.5 mm), 112.5 mm. Si se usa mezcla 25.0 mm, sería mejor colocarla en un espesor de 75 mm que es más que la mitad del espesor restante. Tanto DFG y DCG de 19.0 mm pueden colocarse en la mitad del espesor restante. Un 19.0 mm DCG se seleccionó para prevenir la deformación permanente. La capa es de 57.0 mm. Paso 4: Determinación del tipo de mezcla de la capa base y espesor 19.0 mm DFG o DCG, 2 capas de 57 mm de espesor cada capa. 9.5 mm DFG, espesor 37.5 mm 12.5 mm DCG, espesor 37.5 mm 19.0 mm DCG, 2 capas de 57 mm cada capa. Proyecto A: Según la Fig. B.3 y luego B.4, DFG o DCG de 19.0 mm o 25.0 mm son adecuadas para este tráfico y capa. El espesor restante es (150 mm- 37.5 mm), 112.5 mm. Mezcla 25.0 mm no se usa porque el espesor restante es menor que el espesor mínimo (75 mm). Mezcla DFG y DCG de 19.0 mm pueden colocarse como espesor restante, cualquiera de las dos proporcionan adecuada performance. El espesor de la capa es 57.0 mm para facilitar la compactación de mezclas DCG. El espesor total del pavimento sería ligeramente mayor que el requerido (151.5 mm vs. 150 mm) que es aceptable. Proyecto B: Según la Fig. B.3 y luego B.4, mezcla densa DFG o DCG puede usarse para este tráfico y capa. El espesor restante es (150 mm-37.5mm- 57.0mm), 55.5 mm. Una mezcla 25.0 mm no puede usarse porque el espesor restante es menos que el mínimo (75 mm). Tanto DFG y DCG de 19.0 mm pueden emplearse con el espesor restante. La mezcla DCG de 19.0 mm se selecciona para evitar deformaciones permanentes. El espesor total del pavimento es ligeramente mayor que el requerido (151.5 mm vs. 150 mm) que es aceptable. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 232 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo B B.6 MEZCLAS ASFÁLTICAS DENSAS Una mezcla densa es una mezcla bien gradada (distribución uniforme de las partículas de agregados grueso a fino) de agregado y ligante de cemento asfáltico. Las mezclas apropiadamente diseñadas y construidas son relativamente impermeables. Las mezclas convencionales de HMA consisten de agregados de tamaño máximo nominal en el rango de 12.5 mm (0.5 pulg.) a 19 mm (0.75 pulg.). ̇ Tamaño Máximo Nominal (TMN) Con la finalidad de definir adecuadamente los términos, todas las mezclas densas se identifican por el tamaño máximo nominal del agregado en la mezcla. Este término se define por Superpave como un tamiz mayor que el primer tamiz que retiene más del 10%. ̇ Mezclas densas de gradación fina y gruesa Las mezclas densas pueden clasificarse como de gradación fina o gruesa. Las mezclas de gradación fina tienen mas arena fina que las mezclas de gradación gruesa. La Tabla B.2 puede ser usada para definir la granulometría que deben cumplir estas mezclas. La Tabla B.3 presentan algunas ventajas de las un tipo de mezclas con respecto a la otra. Tabla B.2 Definición de Mezclas Densas de Gradación Fina y Gruesa Mezcla TMN Gradación Gruesa Gradación Fina 37.5 mm (1 ½”) < 35% pasa el tamiz 4.75 > 35% pasa el tamiz 4.75 25.0 mm (1”) < 40% pasa el tamiz 4.75 > 40% pasa el tamiz 4.75 19.0 mm (3/4”) < 35% pasa el tamiz 2.36 > 35% pasa el tamiz 2.36 12.5 mm (1/2”) < 40% pasa el tamiz 2.36 > 40% pasa el tamiz 2.36 9.5 mm (3/8”) < 45% pasa el tamiz 2.36 > 45% pasa el tamiz 2.36 4.75 mm (No. 4) Gradación no estandarizada por Superpave HMA Pavement Mix Type Selection Guide, NAPA-FHWA Tabla B.3 Ventajas de la Mezclas Densas Gruesas y Finas Gradación Fina Gradación Gruesa Baja permeabilidad Permite espesores cerca de (TMN < 25mm) Trabajabilidad (TMN < 25mm) Textura macro incrementada (TMN < 25mm) Espesor delgado (TMN < 25mm) Buena durabilidad para bajos volúmenes de tráfico (TMN < 25mm) Textura lisa (TMN < 25mm) HMA Pavement Mix Type Selection Guide, NAPA-FHWA S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 233 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo B Características Se considera que las mezclas densas HMA son usadas de manera efectiva en todas las capas del pavimento y para todas las condiciones de tráfico. Una mezcla densa puede ser usada para cumplir con alguna o todas de las siguientes necesidades del proyectista: Estructural Este es el primer objetivo de las mezclas densas y es la principal función de los espesores de capa. Fricción Esta es una consideración importante para superficies gruesas. La fricción es una función del agregado y las propiedades de la mezcla. Nivelación Estas mezclas pueden ser usadas en capas delgadas o gruesas para llenar depresiones en la carretera. Materiales La Tabla B.4 proporciona una guía de los materiales empleados en mezclas densas. Las mezclas densas se diseñan en los EE.UU. usando el método Superpave. Las Fotos B.1 y B.2 ilustran muestras densas. El método Marshall aún se utiliza en el Perú. Información sobre el Marshall, puede remitirse al “Manual de Laboratorio Ensayos para Pavimentos Volumen I” de S. Minaya y A. Ordóñez en la Biblioteca de la FIC-UNI. Foto B.1 Núcleo de muestra de 25.0 mm de mezcla densa S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 234 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo B Tabla B.4 Materiales empleados en Mezclas Densas Capa Material Tráfico bajo Tráfico medio Tráfico alto Agregado ̇ Grava (limitada) ̇ Grava y piedra chancada ̇ Arena chancada y natural ̇ Grava y piedra chancada ̇ Arena chancada y natural Ligante asfáltico ̇ Típicamente no modificada ̇ Se pueden hacer modificaciones para tráfico pesado , intersecciones para tráfico alto. ̇ Típicamente no modificada ̇ Probablemente modificado ̇ Asfaltos no modificados basados en experiencias locales Superficial Otros ̇ RAP (Reclaimed Asphalt Pavement) ̇ Antistripping si los ensayos lo indican Agregado ̇ Grava (limitada) ̇ Grava y piedra chancada ̇ Arena chancada y natural ̇ Grava y piedra chancada ̇ Arena chancada y natural Ligante asfáltico ̇ Típicamente no modificado ̇ No modificados excepto para tráfico pesado o cuando el tráfico circulará sobre las capas por largos períodos Intermedia/ ligante Otros ̇ RAP (Pavimento de Asfalto Reciclado) ̇ Antistripping si los ensayos lo indican Agregado No estandarizado Ligante asfáltico No estandarizado ̇ Típicamente no modificada ̇ No modificados excepto para tráfico pesado o cuando el tráfico circulará sobre las capas por largos períodos Base Otros No estandarizado ̇RAP (Pavimento de Asfalto Reciclado) ̇ Antistripping si los ensayos lo indican S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 235 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo B Foto B.2 Muestras de 12.5 mm (izquierda) y 9.5 mm (derecha) de mezcla densas diseñadas con Superpave Espesores recomendados La figura B.5 muestra el rango mínimo recomendado de espesores para diferentes mezclas densas. Figura B.5: Espesores mínimos recomendados para mezclas densas B.7 STONE MASTIC ASPHALT (SMA) Las mezclas tipo SMA introducido en los EE.UU. en los años noventa y últimamente en Canadá. Las mezclas SMA cada vez tiene mayor aceptabilidad, sobre todo en lugares de climas fríos y para niveles de tránsito pesado. El SMA es de origen alemán de los años sesenta y su propagación en Europa ha sido vertiginosa. El tipo de mezcla par americano viene a ser el gap-graded. La función de las mezclas gap-graded es similar a la mezclas de gradación densa porque también proporcionan capas densas impermeables cuando la compactación es apropiada. Las mezclas gap-graded convencionales se vienen usando por muchos años en los EE.UU. El rango de los agregados va desde gruesos hasta finos, con poca presencia de tamaños intermedios; un tipo de mezcla gap-graded se muestra en la figura B.1c. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 236 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo B El segundo tipo de mezclas gap-graded es stone mastic aspahlt, SMA. Una representación ilustrativa de este tipo de mezcla se muestra en la figura B.4.1c. La producción de mezclas SMA requiere la incorporación de significativas cantidades de filler mineral de tal manera que alcance del 8 al 10% de material que pasa el tamiz 0.075 mm (No. 200). Al igual que en las mezclas open-graded, la temperatura de descarga de la mezcla debe ser controlada para prevenir el draindown del ligante durante el almacenamiento o transporte. Las fibras y/o polímeros son normalmente usados con mezclas SMA para prevenir el draindown. SMA es una mezcla asfáltica en caliente tipo gap-graded que maximiza la resistencia a las deformaciones permanentes y durabilidad con un estable esqueleto de piedra-piedra junto con una mezcla rica en cemento asfáltico, filler y agentes estabilizadores como fibras y/o asfaltos modificadores. SMA es un pavimento desarrollado en Europa, específicamente en Alemania, para incrementar la resistencia a las deformaciones permanentes y evitar el desgaste de llantas con cadenas en climas gélidos. Las mezclas SMA tiene un alto costo inicial debido al mayor porcentaje de asfalto y el uso de agregados más resistente. Sin embargo, este mayor costo inicial puede ser más que compensado con el incremento de la resistencia a las deformaciones permanentes bajo cargas de tráfico medio a alto. Además, se incrementa la durabilidad y se evita el agrietamiento por fatiga. Algunos reportes incluyen disminución del ruido al paso de las llantas y mejor resistencia friccionante por su textura superficial gruesa. El agrietamiento reflejado en las mezclas SMA con frecuencia no es severo como en las mezclas densas porque el agrietamiento tiene menor tendencia a esparcirse. Función Como se mencionó líneas arriba, el principal propósito de las mezclas SMA es mejorar su comportamiento ante las deformaciones permanentes e incrementar su durabilidad. Además, estas mezclas son exclusivamente usadas por su superficie gruesa bajo tráfico alto. En casos especiales como tráfico lento de vehículos y carga pesada, las mezclas SMA pueden emplearse en las capas intermedias. El estado de Georgia, usa frecuentemente mezclas de SMA con open-graded friction courses, OGFC como superficie de desgaste. Materiales SMA es una mezcla de alta calidad de sus materiales. Agregados cúbicos, baja abrasión, piedra chancada y arena preparada porque la mezcla se beneficia más del desarrollo de la resistencia del esqueleto de agregado piedra-piedra. El 100% de los agregados deben tener una o más caras fracturadas. No se permite el uso de arenas naturales. Los agregados deben tener alto valor al pulimento para tener buena resistencia al patinaje. La matriz de arena, asfalto, filler mineral, y aditivos también es importante en su comportamiento. Las arenas chancadas, filler mineral, y aditivos (fibras y/o polímeros) rigidizan S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 237 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo B la matriz que es una importante propiedad en este tipo de mezclas. El filler mineral y aditivos también reducen la cantidad de asfalto que drena hacia abajo en la mezcla durante la construcción, incrementando la cantidad de asfalto usado en la mezcla, mejorando así su durabilidad. En la Tabla B.5 se da una guía general de los materiales usados en las mezclas SMA. Tabla B.5: Materiales para Mezclas SMA Capa Material Tráfico medio Tráfico alto Agregado Grava chancada Piedra chancada Arena chancada Filler mineral Ligante asfáltico Asfalto modificado El asfalto no modificado puede ser usado para tráfico bajo. Asfalto modificado Asfaltos no modificados dependiendo de la experiencia local. Superficial e intermedia/ ligante Otros Fibras Antistrip en la cantidad definida en laboratorio En la tabla B.6 se presenta un rango típico de granulometría SMA, presentado en el Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design and Construction. Tabla B.6 Granulometría Típica para Mezclas Tipo SMA Tamiz de Diseño Porcentaje que Pasa 19.0 mm 100 12.5 mm 85-95 9.5 mm Máx. 75 4.75 mm 20-28 2.36 mm 16-24 0.60 mm 12-16 0.30 mm 12-15 0.075 mm 8-10 0.020 mm Menos que 3 Diseño de Mezclas El procedimiento de compactación Marshall y Superpave pueden ser usados para el diseño de mezclas SMA. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 238 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo B Espesores Mínimos La figura B.6 muestra el rango mínimo recomendado para las mezclas SMA de acuerdo al tamaño máximo nominal de partículas. Figura B.6: Espesores mínimos recomendados para mezclas SMA La Tabla B.7 presenta que mezclas tipo SMA son apropiadas para diferentes capas y el propósitos por el que se usan. Tabla B.7 Aplicaciones de Mezclas Tipos SMA Mezcla propuesta Tamaño máximo nominal del agregado 9.5 mm 12.5 mm 19 mm Capa superficial Desgaste superficial Fricción Estructura Lisura Capa intermedia No No Estructura La foto B.3 ilustra la diferencia en la estructura de agregados entre mezclas densas diseñado con el Superpave y una mezcla SMA. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 239 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo B Foto B.3 Diferencia entre mezcla densa y SMA B.8 MEZCLAS OPEN-GRADED En los Estados Unidos, desde 1950, se emplean las mezclas OGFC para mejorar la resistencia friccionante, minimizar los encharcamientos (acumulaciones superficiales de agua), reducir las salpicaduras y emanaciones de vapor, mejorar la visibilidad nocturna y disminuir el ruido. En 1974 la FHWA desarrolló un procedimiento de diseño de mezclas OGFC usado por varios estados. Muchos departamentos de transportes reportaron un comportamiento aceptable. Con un buen diseño de mezclas y buena práctica constructiva, las mezclas OGFC no deben tener problemas de raveling o delaminación y deben mantener su alta permeabilidad y macro textura. La NCAT investigó una nueva metodología de diseño de mezclas para OGFC y evaluó el tipo de fibra que se incorpora en estas mezclas para evitar el escurrimiento. Las mezclas open-graded consisten de una gradación relativamente uniforme y ligante de cemento asfáltico o ligante modificado (figura B.1b). Las mezclas open-graded se diseñan para que sean permeables, mejorando las condiciones de manejo al permitir el drenaje del agua a través de su estructura porosa. Además, minimiza el encharcamiento durante las lluvias. Se tienen dos tipos de mezclas open-graded. La primera comprende mezclas con superficie gruesa para proporcionar drenaje libre en la superficie y prevenir los encharcamientos, reducir las salpicaduras de las llantas y los ruidos de las llantas; este tipo de mezcla frecuentemente se define como open-graded friction course OGFC. El segundo tipo, denominado base permeable tratada con asfalto, comprende una gradación uniforme de tamaño máximo nominal mayor que las usadas en OGFC -19 mm (0.75 pulg.) a 25 mm (1 pulg.)- y se usa para drenar el agua que entra a la estructura del pavimento desde la superficie o de la subrasante. La producción de mezclas open-graded friction course, OCFG es similar a las mezclas HMA de gradación densa. La primera diferencia entre estos dos tipos de mezcla es la gradación de los agregados. Los asfaltos con caucho incorporados o rubberized se usan con frecuencia en la producción de mezclas OGFC para mejorar la capacidad de adhesión del asfalto al agregado. Aunque el contenido de vacíos es alto, el espesor de la película de asfalto es típicamente mayor que para las mezclas HMA de gradación densa. El contenido de asfalto total para S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 240 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo B mezclas OGFC es similar o ligeramente mayor que las mezclas densas con el mismo tamaño máximo de agregados. El procedimiento de diseño de mezclas OGFC consiste en seleccionar el contenido de asfalto necesario para un espesor de película de asfalto seleccionado. Una de las propiedades que generalmente se evalúan en el diseño de mezclas es su capacidad drenante a través de la matriz del agregado. La FHWA recomendó las siguientes gradaciones OGFC: Tamiz %pasa ½” (12.5 mm) 100 3/8” (9.5 mm) 95-100 no.4 (4.75 mm) 30-50 no.8 (2.36 mm) 5-15 no.200 (0.075 mm) 2-5 El contenido de asfalto se calcula con la capacidad superficial (Kc) del agregado retenido en el tamiz no.4 (4.75 mm). Kc se calcula con el porcentaje de aceite grado SAE no.10 retenido por el agregado que representa el efecto total del área superficial, las propiedades de absorción del agregado y rugosidad superficial. La capacidad de vacíos del agregado grueso es determinada utilizando un equipo de compactación vibratorio. La cantidad óptima de agregado fino es la que llena los vacíos entre las partículas de agregado grueso. La mezcla de agregados debe proporcionar el suficiente espacio para el contenido de asfalto requerido e interconectar los vacíos para el drenaje. El procedimiento de la FHWA establece temperaturas de mezcla óptima sobre la base de ensayos de drenaje realizados a diferentes temperaturas. . El empleo de asfaltos con caucho incorporados o rubberized con ligante resulta en temperaturas de mezcla generalmente mayores que las mezclas convencionales de asfalto. La temperatura de mezcla muy alta permite que el ligante drene a través del agregado, resultando en una alta variación del contenido de asfalto en la mezcla, formando manchas sobre el pavimento. Si la temperatura de mezcla es muy baja, el agregado no será completamente recubierto. El problema del drenaje de asfalto depende del tiempo de almacenamiento del OGFC. Un largo periodo de almacenamiento resulta en excesivo drenaje de asfalto a través de la mezcla. Cuando la mezcla tipo OGFC es almacenada en un silo por corto periodo de tiempo, el drenaje no ocurre. El asfalto puede tender a drenar a través del agregado durante el transporte, desde la zona de mezclado hasta la obra. Si esto ocurre, el asfalto puede salirse del camión que lo transporta o puede formar un charco en la base del camión y causar una gran mancha debajo en el fondo de la mezcla cuando se descarga. Así, el asfalto del fondo resulta en una mancha sobre la superficie del pavimento. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 241 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo B Cuando el OGFC llega al lugar de colocación, tiende a verse abundante debido al mayor espesor de película y la escasez de material fino. Esto es normal. Por lo general el espesor de OGFC colocado en obra es de ¾” (19 mm) usando gradación de tamaño máximo ½” (12.5 mm). Las mezclas OGFC no se usan sobre superficies de pavimentos desniveladas. El pavimento deberá ser nivelado con una mezcla de gradación densa. Otro problema que ocurre cuando se recapea pavimentos desnivelados es el daño sobre mezclas de espesor menor de ¾ pulg. ó 19mm. El OGFC no se coloca en climas fríos. Severas fallas se atribuyen a la pérdida de vínculo entre el OGFC y la superficie existente porque se colocó en climas fríos. Muchos estados especifican temperatura mínima de aire entre 60 y 70ºF (16 a 21ºC) para la colocación de mezclas OGFC. No se especifica densidades para mezclas OGFC. El procedimiento normal de compactación es 2 a 3 pasadas sobre la superficie con rodillo con llanta de acero. No se deben utilizar rodillos compactadores vibratorios o neumáticos. El rodillo vibratorio degrada el agregado y el rodillo neumático tiende a levantar el asfalto, especialmente cuando se usa asfalto rubberized. Otro problema con el rodillo neumático es que cierra excesivamente los vacíos debido a la acción de las llantas. Los valores bajos de vacíos no permiten un buen drenaje del agua a través de la superficie. El control de calidad de mezclas OGFC es similar a las mezclas HMA de gradación densa. La primera diferencia es que no requieren controles de compactación de campo o laboratorio. Los ensayos generalmente realizados son: contenido de asfalto, granulometría, espesor y lisura. Estos ensayos se realizan rutinariamente para asegurar una mezcla satisfactoria. El proceso de control de calidad de campo debe ser realizada por un supervisor con experiencia en este tipo de mezclas. Las fallas más frecuentes que pueden ocurrir son: drenaje de asfalto, levantamiento de la mezcla detrás de la pavimentadora y el procedimiento inapropiado de compactación. La superficie del OGFC debe mostrar una adecuada resistencia al patinaje, sobre todo en climas lluviosos. Existen muchos estudios que indican problemas de stripping en la capa donde reposa el OGFC. Para salvar este problema, se usan agentes antistripping en las capas inferiores. Se usan temperaturas de mezcla menores para prevenir el escurrimiento. Recientemente se están empleando polímeros y fibras en mezclas open-graded friction course, OGFC para reducir el draindown y mejorar la durabilidad de la mezcla. La diferencia de las mezclas open-graded con las mezclas densas y SMA, es que estas mezclas usan solamente piedra chancada o, en algunos casos grava chancada con pequeño porcentaje de arena chancada. Se recomienda el uso de asfaltos modificados y fibras. Esto S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 242 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo B incrementa la cantidad de asfalto que puede ser usado con estas mezclas, mejorando su durabilidad y comportamiento. Materiales La Tabla B.8 proporciona una guía general de los materiales usados en mezclas open-graded. Tabla B.8 Materiales de Mezclas Open-graded Capa Material Tráfico medio Tráfico alto Agregado Piedra chancada, Grava chancada y Arena chancada Ligante asfáltico Asfalto modificado OGFC Otros Fibras y agentes antistripping Espesores Mínimos La figura B.7 muestra el rango mínimo recomendado de espesores para diferentes mezclas open-graded. Figura B.7: Espesores Mínimos de mezclas open-graded La Tabla B.8 presenta el tipo de mezcla apropiada para diferentes capas y el propósito para el que se usan. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 243 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo B Tabla B.8 Aplicación de tipos de mezclas open-graded Propósito Tamaño máximo nominal del agregado 9.5 mm 12.5 mm 19 mm Capa superficial ̇ Desgaste superficial ̇ Fricción ̇ Reducción de ruidos ̇ Reducción de salpicaduras No Capa base No No ̇ Drenaje S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 244 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Artículo Técnico Publicado por la Revista Científica TECNIA de la Universidad Nacional de Ingeniería, 2002 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo C “SUPERPAVE Y SMA: METODOS MECANISTICOS EN LA INGENIERIA DE LAS MEZCLAS ASFALTICAS” M.Sc. Abel Ordóñez Huamán - Ing. Silene Minaya González Instituto de Investigación de la Facultad de Ingeniería Civil-UNI RESUMEN Las mezclas asfálticas en los EE.UU. han sido diseñados mediante procedimientos típicamente empíricos basados en ensayos de laboratorio, esto significaba que la experiencia era necesaria para correlacionar los análisis de laboratorio y el comportamiento del pavimento en el campo. Sin embargo, aún con el seguimiento estricto de los procedimientos y criterios de diseño, el comportamiento adecuado no estaba asegurado. El Método Superpave es un producto de la Strategic Highway Research Program, SHRP creado por el Congreso Americano en el año 1987, con un presupuesto inicial de 150 millones de dólares para investigar el comportamiento de las mezclas asfálticas, la duración de las vías, así como el desarrollo de métodos basados en especificaciones que relacionen los análisis de laboratorio con el comportamiento en el campo. El Superpave está siendo implementado por agencias americanas para reemplazar los métodos Marshall y Hveem (actualmente usados en el Perú). El Superpave optimiza la resistencia de la mezcla a las deformaciones permanentes, agrietamiento por fatiga y el agrietamiento producido por bajas temperaturas. En los inicios de 1960 la industria europea del asfalto reconoció la necesidad de pavimentos resistentes a las deformaciones permanentes y daños en el pavimento sometido a tráfico pesado y bajas temperaturas. En respuesta a ello, los contratistas desarrollaron el Stone Mastic Asphalt, SMA mezcla de granulometria incompleta con un contenido mayor de agregado grueso, mineral de filler y cemento asfáltico así como menor cantidad de agregado fino y arena. La mezcla tuvo un suceso en Alemania y su uso se expandió a toda Europa y actualmente a EE.UU. y Canadá. El artículo presenta los resultados de investigaciones en la Universidad Nacional de Ingeniería para la aplicación del Superpave y el SMA en el Perú. ABSTRACT In U.S. Asphalt mixtures have typically been designed with empirical laboratory design procedures, meaning that field experience is required to determine if the laboratory analysis correlates with pavement performance. However, even with proper adherence to these procedures and the development of mix design criteria, good performance could not be assured. The Superpave is a product of the Strategic Highway Research Program, SHRP. The SHRP was established by U.S. Congress in 1987, $150 million research program to improve the performance, durability of road and the development of performance based asphalt specifications to directly relate laboratory analysis with field performance. The Superpave is being implemented by Americans agencies to replace the Marshall and Hveem design methods (actually used in Peru). The Superpave system optimises mixture resistance to permanent deformation, fatigue cracking and low temperature cracking. In the early 1960´s the European asphalt industry recognized a critical need for pavements which would be resistant to permanent deformation and the various pavement distresses associated with heavy traffic and low temperature. In response to this need, contractors developed Stone Mastic Asphalt, SMA a gap graded mix containing increased amounts of coarse aggregate, mineral filler and asphalt cement as well as decreased amounts of fine aggregate and sand. This mixture proved so successful in Germany that its use was continued throughout Europe and actually in USA and Canada. The article presents the results of investigations in the National University of Engineering for the application of the Superpave and SMA in Peru. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 246Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo C INTRODUCCION En 1987 la Strategic Highway Research Program-SHRP de los EE.UU. inició el desarrollo de un sistema de manejo y diseño de pavimentos denominado Superpave, con una inversión de 150 millones de dólares. El sistema SUPERPAVE es denominado “mecanístico” debido a que incorpora conceptos y fundamentos básicos de la mecánica de los materiales, conceptos que están desplazando a las formulaciones empíricas. A finales de 1995 se terminó de construir la pista de pruebas denominada WESTRACK. Se ensayaron 26 secciones con dos tipos de mezclas asfálticas. En 1997 de manera prematura se presentaron problemas de asentamientos permanentes o “rutting” no previstos, problemas que fueron materia de investigación y cuyas conclusiones permitieron ajustar y mejorar progresivamente el método. Actualmente, las agencias estatales están realizando investigaciones en pistas de pruebas con la finalidad de implementar ensayos de evaluación de menor duración. En el año 2000 más del 60% del volumen de mezclas asfáltica fue diseñado por el sistema Superpave y los EE.UU. ha invertido hasta la fecha más de 500 millones de dólares en la implementación del Sistema Superpave. Es importante mencionar que los métodos “mecanísticos” se aplican actualmente en el diseño de toda la estructura del pavimento, inclusive en la evaluación de la fundación o sub-rasante (Ordóñez y Minaya, 2001), es decir ya no queda campo de aplicación para los métodos de diseño “empíricos”, esto producirá, como en los EE.UU. un reciclaje natural en la ingeniería de pavimentos en el Perú. ETAPAS DEL SISTEMA SUPERPAVE El diseño de mezclas SUPERPAVE considera cuatro etapas: 1. selección de materiales tanto del agregado como ligante. 2. diseño de la estructura del agregado. 3. determinación del contenido de ligante asfáltico. 4. evaluación de la sensibilidad de la mezcla al humedecimiento. 1.- SELECCIÓN DE MATERIALES Los agregados deben cumplir: (a) 04 ensayos obligatorios denominada propiedades consensuales y (b) ensayos especificados por cada agencia descentralizada de transporte, denominados propiedades de fuente (relacionado a condicionantes geológicos ambientales y de tránsito de cada zona). Las propiedades consensuales son: (1) Angularidad del agregado grueso, ASTM D 5821; (2) Angularidad del agregado Fino, AASHTO T 304-96; (3) Partículas Chatas y Alargadas, ASTM D 4791; y (4) Equivalente de Arena, AASHTO T 176. La Angularidad del agregado Grueso es el porcentaje de partículas de agregados gruesos con caras fracturadas. La combinación de agregados se tamiza por la malla 4.75 mm, el material retenido se analiza visualmente para determinar el porcentaje en peso que tienen una o más caras fracturas. El valor mínimo requerido depende del nivel de tráfico y la capa en la que se ubicará el agregado. La cantidad de partículas angulares determina el nivel de resistencia al corte que se puede desarrollar en la estructura del agregado. Superpave recomendó el criterio de angularidad del agregado grueso de la Tabla no. 1: Tabla no.1 Criterios de Angularidad del Agregado Grueso Superpave El primer número es el valor mínimo requerido para uno o más caras fracturadas y el segundo número es el valor mínimo requerido para dos o más caras fracturadas. La Angularidad del Agregado Fino o Contenido de Vacíos No Compactados del Agregado Fino asegurara un alto nivel de fricción, valores menores de 45 indican formas más redondeadas relacionadas con arenas naturales. El agregado fino se vierte libremente Tráfico Profundidad desde la superficie ESALs (millones) < 100 mm > 100 mm < 0.3 55/- -/- < 1 65/- -/- < 3 75/- 50/- Diseño Moderno de Pavimentos Anexo C sobre un cilindro de 100 cm3, determinando el porcentaje de vacíos entre los agregados, a mayor angularidad del agregado mayor porcentaje de vacíos. La cantidad de vacíos no compactados en el cilindro se determina con la expresión: 100 V W/G-V compactado no Vacíos sb ×= (1) donde: V volumen del cilindro, milímetros W peso del agregado fino suelto que llenó el cilindro, gr Gsb gravedad específica bulk del agreg. fino Los requisitos mínimos recomendados para la angularidad se presenta en la Tabla no.2: Tráfico Profundidad desde la superficie ESALs(millones) < 100 mm > 100 mm < 0.3 - - < 1 40 - < 3 40 40 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo C Superpave considera 04 ensayos (Fig. no.1) para evaluar la performance del asfalto. El viscosímetro rotacional evalúa la viscosidad del asfalto a temperaturas similares a las comúnmente usadas durante la construcción. El segundo ensayo utiliza el Reómetro de Corte Dinámico, DSR que evalúa la reología del asfalto (módulo de corte complejo y el ángulo de fase) para temperaturas intermedias a altas. El ensayo DSR será usado para evaluar la habilidad del asfalto para resistir deformaciones permanentes. La fatiga se evalúa luego del envejecimiento RTFO (simulación de envejecimiento durante la mezcla y construcción) y envejecimiento PAV (simulación de envejecimiento luego de 7 a 10 años de servicio). Esto se debe a que el agrietamiento por fatiga tarda varios años y depende de las condiciones medio ambientales y de tráfico. Las propiedades del ligante a bajas temperaturas se determina usando el Reómetro de Viga de Flexión, BBR. En este ensayo se aplica una carga estática a una viga de cemento asfáltico en un baño maría. El ensayo de Tensión Directa, DTT evalúa el agrietamiento baja temperatura. Fig. 1 Ensayos de Laboratorio para Especificaciones PG Construcción Agrietamiento Térmico Ahuellamiento Fatiga ESPECIFICACIONES SUPERPAVE DEL LIGANTE ASFALTICO El sistema clasifica el ligante en función de las temperaturas extremas de calor y frío del pavimento. 2.- SELECCIÓN DE LA COMBINACIÓN DE AGREGADOS Se debe indicar que el diseño de la mezcla de agregados se basa no solamente en conseguir una estructura agregado-ligante estable, resistente, con deformaciones permisibles y adecuado comportamiento hidráulico sino en la consideración que el ligante tendrá una función estructural principal, es decir, soportará los esfuerzos transmitidos por las cargas. Este enfoque conceptual de diseño del Superpave es diferente respecto al SMA donde el ligante, es un miembro secundario y no soportará esfuerzo significativo. La gradación del agregado es muy importante porque asegura 1) el tamaño máximo del agregado, 2) se calcula el porcentaje de vacíos en el agregado mineral, VMA, y 3) se asegura un esqueleto de agregado satisfactorio. El tamaño máximo nominal del agregado es un tamiz mayor que el primer tamiz que retiene el 10% de material. El tamaño máximo del agregado es un tamiz mayor que el tamaño máximo nominal. La gradación del agregado deberá estar dentro de los límites de los “puntos de control”. Los “puntos de control” aseguran la buena gradación del agregado evitando Temp. Mín. PavimentoGrado de performance Promedio de la temperatura máxima del pavimento durante 7 días PG 64-22 RV Viscosímetro Rotacional DSR Reómetro de Corte Dinámico BBR Reómetro de Viga de Flexión DTT Tensión Directa S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 249 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo C problemas de segregación y de mezcla, con el ligante. Sin embargo, los “puntos de control” limitan el diseño, tan es así que el SMA considera una granulometría incompleta, lo que le permite obtener una estructura granular más estables, resistente y menos deformable; sin embargo dicha granulometria cae fuera de los “puntos de control”. Los problemas de segregación y mezcla con el ligante en el SMA es resuelto con la incorporación de fibras. TTaammaaññoo ddee TTaammiizz ((mmmm)) AAuummeennttaaddoo aa 00..4455 110000 %% PPaassaa 00 ..007755 33 22..3366 1122..55 1199..00 EEssttrruuccttuurraa ddeell AAggrreeggaaddoo ppaarraa eell DDiisseeññoo zzoonnaa rreessttrriinnggiiddaa LLíínneeaa mmááxx ddeennssiiddaadd PPuunnttooss ddee ccoonnttrrooll Para el Superpave la zona restringida asegura que no se use mucha arena natural en la mezcla, y asegura un mínimo porcentaje de vacíos en el agregado mineral, VMA, en la mezcla. En la Fig. no. 2 se muestra la especificación Superpave para agregados con tamaño máximo nominal de 12.5 mm. El CG utiliza muestras de 4 ó 6 pulg. de diámetro. Actualmente las especificaciones son para muestras de 6 pulg. El número de revoluciones se basa en el nivel del tráfico y el promedio de las temperaturas de aire más altas de diseño. Mezclas que son expuestas a mayores temperaturas y altos niveles de tráfico en el campo, densificarán más, de esa manera se compactará en el laboratorio a mayor densidad. Esta mayor densidad se obtiene con el incremento del número de revoluciones. El número de revoluciones para niveles de tráfico se muestra en la Tabla no. 4: 3.- CONTENIDO DE LIGANTE Y COMPORTAMIENTO DE LA MEZCLA El Compactador Giratorio, CG fue diseñado para compactar muestras a densidad similar a la. que se obtendrá bajo tráfico. La compactación tiende a orientar las partículas de agregado de manera similar a las observadas en campo. Son 03 los parámetros que controlan el esfuerzo de compactación. Estos parámetros son: la presión vertical, ángulo de inclinación y número de revoluciones. La presión vertical es 600 kPa y el ángulo de inclinación es 1.25º. La velocidad de rotación es de 30 rev/min. Ndiseño es el número de revoluciones requerido para producir una densidad en la mezcla equivalente a la densidad esperada en el campo luego de recibir el tráfico de diseño. Para el diseño de mezclas, el óptimo contenido de asfalto será aquel que proporcione 4% de vacíos de aire cuando la mezcla es compactada a Ndiseño. Ninicial es una medida de compatibilidad de mezcla. Una mezcla con 4% de vacíos de aire a Ndiseño tendrá por lo menos 11% de vacíos a Ninicial. Mezclas que no cumplen con estos requisitos son con frecuencia mezclas finas y por lo general tienden a tener una gran cantidad de arena natural. Nmáximo es el número de revoluciones requerido para producir una densidad en el laboratorio que absolutamente nunca sería evaluada en campo. Nmáximo proporciona una densidad compactada con un factor de seguridad que asegure que la mezcla no densificará más, resultando en bajos vacíos en el campo que Fig. 2 Gradación SUPERPAVE Tamaño Máximo Nominal 12.5 mm 30 rev/min Presión de pisón 600 kPa Fig. 3 Esquema de compactación de un molde en el Compactador Giratorio Superpave 1.25º Molde 150 mm S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 250 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo C Tabla no. 4 Especificaciones de Revoluciones en el CG Superpave (1) El ESAL de diseño es el tráfico esperado en el carril de diseño en un período de 20 años. Indiferente a la vida de diseño actual de la carretera, determine el ESAL de diseño para 20 años, y elija el nivel apropiado de Ndiseño. (2) Las aplicaciones típicas se definen en Policy on Geometric of Highway and Streets, 1994, AASHTO. pueden producir deformaciones permanentes. Los vacíos de aire de Nmáximo deben tener por lo menos 2%. Mezclas con valores menores al 2% son susceptibles a las deformaciones permanentes que aquellas mezclas con vacíos de aire mayores al 2%1. Las muestras de ensayo son compactados usando el Ndiseño 2. Una vez que se definió el Ndiseño inicial máximo para cada nivel de tráfico y la temperatura del aire, se determina el N y el N , según las siguientes ecuaciones: diseñomáximo diseñoinicial N Log 10.1N Log N Log 45.0N Log = = (2) COMPACTACION DE MUESTRAS La mezcla de agregado y asfalto se compacta para preparar especimenes de 150 mm de diámetro y 115 mm de alto. Las muestras compactadas son evaluadas para determinar sus características volumétricas y los porcentajes de vacíos de Ninicial y Nmáximo . 1 Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design and Construction, National Center for Asphalt Technology, segunda edición, 1996 2 Superpave Mix Design, SP-2, Asphalt Institute, tercera edición 2001 Todas las muestras para diseño y propiedades volumétricas se envejecen a 135ºC en el horno por 2 horas, luego de mezclarlas y antes de compactarlas. La muestra se extiende en una capa delgada para el procedimiento de envejecimiento. Este envejecimiento es necesario para permitir la absorción del cemento asfáltico dentro de los poros permeables del agregado antes de la compactación y enfriamiento. La absorción produce una mezcla que es más representativa de la mezcla en campo. Durante el proceso de compactación se mide la altura del espécimen, conociendo la masa que se encuentra en el molde y el diámetro de este, se determina el volumen de mezcla. La densidad bulk se puede determinar con este resultado. Esta densidad calculada es ligeramente incorrecta, debido a vacíos en la superficie, base, y lados de cada espécimen, sin embargo se está considerando como parte del volumen del espécimen. Luego que cada muestra es compactada a Ndiseño se extrae del compactador y se determina su densidad bulk real pesándolo en el aire y sumergido. La densidad real de Ndiseño se compara con la densidad calculada a Ndiseño para conseguir un factor de corrección. Las densidades calculadas Parámetros de Compactación ESALs de diseño1 (millones) Ninicial Ndiseño Nmáx Aplicaciones típicas < 0.3 6 50 75 En carreteras con tráfico muy ligero, vías locales y calles de ciudades donde el tráfico de camiones está prohibido o es muy pequeño. 0.3 a Diseño Moderno de Pavimentos Anexo C a Ninicial y Nmáximo son corregidas en función al factor de corrección. Con muestras sueltas de mezcla se determina la gravedad específica teórica máxima (DTM). Conociendo la DTM y la densidad bulk, los niveles de vacíos pueden calcularse para varios niveles de compactación. Las muestras de DTM serán envejecidas de manera similar que las muestras para compactación. SELECCIÓN DEL OPTIMO CONTENIDO DE ASFALTO El óptimo contenido de asfalto es definido por el SUPERPAVE como el contenido de asfalto que produce el 4% de vacíos de aire a Ndiseño. De seguro, esta mezcla diseñada tiene que cumplir los requisitos para Ninicial y Nmáximo y algunos otros requisitos que pueden especificarse. El primer paso para la selección del óptimo contenido de asfalto es determinar un aproximado óptimo contenido de asfalto. Luego se preparan tres especimenes cada uno a 0.5% debajo, en el óptimo, y 0.5% sobre el óptimo contenido de asfalto y 1.0% sobre el óptimo estimado. Mezclar cada muestra y llevarlas a horno de 135ºC por el tiempo de envejecimiento requerido. Compactar cada muestra a Ndiseño revoluciones que es función del tráfico y performance de la temperatura. Luego que cada muestra sea compactada, sacar la muestra del molde y medir la densidad bulk a Ndiseño . Determinar el factor de corrección para la densidad bulk real y la densidad bulk calculada y corrija los vacíos calculados para cada muestra a Ninicial y Nmáximo. Promedie los resultados para el porcentaje corregido de DTM para las tres muestras y plotee como se muestra en el siguiente ejemplo. (Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design and Construction, NCAT). Fig. no. 4 Resultados Superpave con el Compactador Giratorio %% DDTTMM NNºº ddee rreevvoolluucciioonneess 1100 110000 11000000 NNmmaaxx==220088NNiinnii==99 NNddiisseeññoo==112288 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo C Graficar una línea vertical en Ninicial hasta el óptimo contenido de asfalto y luego trazar una línea horizontal para determinar el porcentaje de DTM. El porcentaje deberá ser menor que 89%. Hacer lo mismo con Nmáximo. El número seleccionado será menor que 98%. Recordar que DTM es diferente para diferentes contenidos de asfalto. Cuando la DTM es conocido para un óptimo contenido de asfalto, éste se calcula para otros contenidos de asfalto determinado la gravedad específica de los agregados y haciendo pocos cálculos. Si los vacíos de aire son 4% a Ndiseño, mayor que 11% para Ninicial y mayor que 2% para Nmáximo, entonces, éste es el óptimo contenido de asfalto. Si la mezcla falla en Nmàximo o Ninicial entonces es posible que la gradación del agregado o posiblemente la cantera necesite ser cambiada. Otros dos criterios deben satisfacer los vacíos en el agregado mineral (VMA) y vacíos llenos con asfalto (VFA): Si el diseño de mezclas cumple con todos los requisitos excepto el VFA, el contenido de asfalto puede ajustarse ligeramente para mantener los vacíos de aire cerrados al 4% y poner el VFA dentro de los límites. El VFA es un término redundante desde que es función de los vacíos de aire y VMA. Desde el punto de vista práctico, la calidad volumétrica de HMA puede controlarse por vacíos de aire y VMA. En muestras individuales se tiene experiencia que mezclas de diseño de 6” requieren mucho más material que en 4”. Se calcula que para diseñar con 6” se requiere aproximadamente 4 veces más de material que en Marshall o Hveem. Desde que las muestras son envejecidas en horno, uno se dará cuenta que se requiere un espacio grande en el horno. 4.- SENSIBILIDAD AL HUMEDECIMIENTO Una discusión en el diseño de mezclas no es completa si no se discute sobre la sensibilidad al humedecimiento o el deterioro de HMA debido a influencias diametrales de humedad, llamada “stripping”. El “stripping”, peladuras o desprendimiento, produce una pérdida de resistencia a través del debilitamiento de la relación entre el cemente asfáltico y agregado. Esta pérdida de resistencia puede ser repentina donde el asfalto se desprende del agregado, la cohesión de la mezcla se pierde, y el “stripping” se desarrolla rápidamente. La situación más típica es la pérdida gradual de la resistencia sobre un período de años que contribuye a desarrollar la deformación permanente y desplazando el asfalto en la trayectoria de la llanta. Actualmente SUPERPAVE recomienda la norma AASHTO T-283. METODO SMA (“Stone Mastic Asphalt”) El concepto de diseño SMA se basa en una estructura granular donde predomina el contacto piedra-piedra el mismo que le provee de alta resistencia cortante, baja deformación permanente o “rutting” y considera un buen porcentaje de ligante que le dá una excelente durabilidad. Las características del comportamiento mecánico de la mezcla asfáltica es alcanzada utilizando una granulometría incompleta (”gap-graded aggregate”) combinada con fibra y/o polímeros modificados y un mayor contenido de ligante. Las siguientes fotos muestra la diferencia entre una mezcla asfáltica Superpave y el SMA. Por su mayor contenido de asfalto y la necesaria incorporación de fibras para evitar la segregación con el ligante durante la mezcla el costo es entre 20 a 25% mayor que las mezclas asfálticas convencionales. Sin embargo, el comportamiento del SMA es actualmente Tamaño máximo nominal en mm % mínimo de VMA 9.5 15.0 12.5 14.0 19.0 13.0 25.0 12.0 37.5 11.0 ESALs (millones) % VFA < 0.3 65-80 < 1 65-78 < 3 65-78 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo C calificado en los EE.UU. como de excelente comportamiento bajo tráfico pesado e intenso, bajo costo de mantenimiento y una duración que alcanza los 30 años de vida de servicio. El uso del SMA en EE.UU. fue como resultado del viaje de estudio de un grupo de trabajo americano a Europa en 1990, el mismo que se encontró con el suceso del SMA en Europa por más de 20 años. Posteriormente la incorporación del SMA en los EE.UU. se produce en el año 1991, donde la Federal Highway Administration (FHWA) estableció un Grupo de Trabajo Técnico para el desarrollo de recomendaciones para la construcción y especificaciones de materiales. La National Center for Asphalt Technology, EE.UU. evaluó el comportamiento de 85 proyectos de SMA. A continuación se listan las observaciones realizadas: ̇ Más del 90% de los proyectos presentaban asentamientos permanentes menores de 4mm. y 25% no presentaban asentamientos significativos. ̇ Las mezclas de SMA presentaban mayor resistencia al agrietamiento comparados con las mezclas convencionales probablemente al mayor contenido de ligante. ̇ No habían evidencia de erosión de las aguas pluviales sobre la superficie de la mezcla asfáltica (“raveling”) en los proyectos. Foto 1 SMA Experiencias en Georgia indican que el SMA tiene entre 30 y 40% menos asentamientos permanentes que las mezclas convencionales y de 3 a 5 veces mayor resistencia al agrietamiento por fatiga. Experiencias en Alemania indican que una duración entre 20 a 30 años no es considerado excepcional. Peladuras, agrietamiento superficial y erosión pluvial superficial son fallamientos que generalmente no experimenta una mezcla SMA. Foto 2 SUPERPAVE 1.- CONSIDERACIONES DE DISEÑO El diseño del SMA considera 05 etapas: ̇ Selección de materiales de agregados. ̇ Determinación de la gradación del agregado. ̇ Asegurar que la gradación elegida consiga o exceda los requerimientos mínimos de VMA o permita el contenido mínimo de ligante a ser usado. ̇ Elección del contenido de ligante que provea el nivel deseado de vacío de aire. ̇ Evaluar la susceptibilidad al humedecimiento y la sensibilidad al escurrimiento. Existen dos aspectos importantes en el SMA: la incorporación de fibra y/o polímeros para conseguir un diseño de acuerdo a las solicitaciones ambientales y de tráfico y las dificultades durante la producción, almacenaje, transporte y colocación debido a la susceptibilidad del SMA al escurrimiento o “draindown”. Los requerimientos para el agregado grueso y fino se presentan en las siguientes tablas: S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 254 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo C Tabla no. 7 Requisitos de Calidad del Agregado Grueso SMA Ensayo Método Especificación Abrasión Los Angeles, % pérdida AASHTO T 96 30* máx. Chatas y Alargadas, % 3 a 1 20 máx. 5 a 1 ASTM D 4791 5 máx. Absorción, % AASHTO T 85 2 máx. Durabilidad (5 ciclos), % Sulfato de Sodio 15 máx. Sulfato de Magnesio AASHTO T 104 20 máx. Caras fracturadas, % Una cara 100 mín. Dos caras ASTM D 5821 90 mín. * Aunque pérdida mayor del 30% pueden ser usados con éxito, pueden ocurrir quebraduras excesivas en el laboratorio durante la compactación o durante la compactación en sitio. Tabla no. 8 Requisitos de Calidad del Agregado Fino SMA Ensayo Método Especificación Durabilidad, pérdida % Sulfato de Sodio 15 máx. Sulfato de Magnesio AASHTO T 104 20 máx. Angularidad, % AASHTO TP33 (Mét. A) 45 mín. Límite Líquido, % AASHTO T 89 25 máx. Indice de Plasticidad AASHTO T 90 N.P. En la siguiente tabla se presenta la gradación para una mezcla con tamaño máximo nominal de 19 mm. 19 mm de TMN Tamaño Tamiz, mm Inferior Superior 37.5 25.0 100 100 19.0 90 100 12.5 50 74 9.5 25 60 4.75 20 28 2.36 16 24 1.18 13 21 0.6 12 18 0.3 12 15 0.075 8 10 Tabla no. 9 Especificaciones de Agregados SMA para TMN de 19 mm TMN-TamañoMáximo Nominal de Agregados–tamiz mayor que el primer tamiz que retiene más del 10%. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 255 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo C Comparación de Granulometrías SUPERPAVE y SMA 50 .3 3" 76 .2 2" 38 .1 1 1/ 2" 25 .4 1" 19 .0 5 3/ 4" 12 .7 1/ 2" 3/ 8" 6. 35 1/ 4" 4. 76 N º4 2. 00 N º1 0 0. 84 N º2 0 0. 59 N º3 0 0. 42 6 N º4 0 0. 25 N º6 0 0. 14 9 N º1 00 0. 07 4 N º2 00 1 0 20 40 60 80 100 0.010.1110100 ABERTURA (mm) P O R C E N T A JE A C U M U L A D O Q U E P A S A ( % La evaluación de la sensibilidad al escurrimiento durante el proceso de mezclado es muy importante en el SMA. El ensayo simula las condiciones durante la producción, almacenaje, el transporte y la colocación. El escurrimiento es la determinación de la porción de la mezcla (finos y ligante) que se separa y fluye escurriéndose de la mezcla. El ensayo AASHTO T 305 o ASTM D 6390 es utilizado para la evaluación. Se utiliza una cesta de malla metálica en el cual se coloca la mezcla. La cesta es coloca sobre una fuente metálica y el conjunto es es colocado en el horno durante una hora con la temperatura de producción de la mezcla, determinándose luego el porcentaje de mezcla escurrida. Un siguiente ensayo se realiza con una temperatura superior en +15°C para evaluar la sensibilidad a las fluctuaciones de temperatura en la planta. Se repite otra serie de pruebas para promediar los resultados alcanzados. El requerimiento de diseño considera un escurrimiento de 0.30% en peso, de la mezcla inicial. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES El Superpave arroja un diseño optimizado tomando en cuenta condicionantes ambientales locales para la selección del agregado, en ese aspecto deja libertad a las agencias descentralizadas los requisitos mínimos de la calidad del agregado. El Superpave considera aspectos reológicos del asfalto como la resistencia a la tracción, los esfuerzos inducidos por la contracción térmica, la sensibilidad a la temperatura y el humedecimiento y como el componente débil de la mezcla. En el SMA el ligante no juega papel estructural alguno, lo que lo diferencia al Superpave. El Superpave considera una buena gradación de los agregados; sin embargo, el SMA con una gradación incompleta demuestra un comportamiento estructural más eficiente (más resistente y menos deformable). Con la metodología del Superpave no podrá conseguirse un diseño SMA. El SMA basa su fortaleza estructural en los agregados gruesos de buena gradación y el alto contenido de vacíos es “rellenado” con el ligante. Los problemas de segregación y mezcla es resuelto con la incorporación de fibra y/o polímeros. El SMA se recomienda para climas fríos y para tránsito pesado, el Superpave para climas cálidos y templados y para tránsito mediano a S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 256 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo C ligero. El SMA es 20 a 30% más costoso que el Superpave sin embargo el mantenimiento es mínimo y su duración es mayor. Tanto el Superpave como el SMA, son métodos que optimizan los recursos económicos y tendrán campo de aplicación en el país en un futuro inmediato. La implementación en los EE.UU. no fue fácil y en el Perú deberá basarse en un esfuerzo conjunto. Referencias Bibliográficas 1. Ordóñez, A. y Minaya, S. (2001) “C.B.R. de Subrasantes Arenosas y Limoarcillosas”. Revista TECNIA. Vol. 11 No. 2. U.N.I. 2. Ordóñez, A. y Minaya, S. (2001) “Manual de Laboratorio. Ensayos para Pavimentos”. Volumen I. Universidad Nacional de Ingeniería. 3. U.S. Department of Transportation. Federal Highway Administration(2002). ”Superpave Asphalt Mixture Design”. Version 8.0 4. National Asphalt Pavement Association (2002). “Designing and Constructing SMA Mixtures- State-of-the-Practice”. U.S. Dep. of Transp. FHWA. 5. National Asphalt Pavement Association (2001). “Moisture Susceptibility of HMA Mixes”. Identification of Problem and Recommended Solutions. 6. U.S. Department of Transportation. Federal Highway Administration(1998). “Perfomance of Course-Graded Mixes at WesTrack-Premature Rutting”. 7. U.S. Department of Transportation. Federal Highway Administration(2001). ”Superpave Mixture-design guide”. WesTrack Forensic Team Consensus Report. 8. Highway Enginering Research Group, University of Ulster, UK. (2000). ”Predicting the Performance of Stone Mastic Asphalt”. Stone Mastic Asphalt”. 9. National Asphalt Pavement Association (1992). “Experience with SMA in U.S. 10. National Asphalt Pavement Association (1997). “Superpave Construction Guidelines”. Special Report 180. U.S. Dep. of Transp. FHWA. 11. Asphalt Institute (1999). “Performance Graded Asphalt. Binder Specification and Testing” . 12. National Center for Asphalt Technology (1996). “Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design and Construction”. Second Edition. 13. Asphalt Institute (1999). “Cause and Prevention of Stripping in Asphalt Pavements”. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 257 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Ing. Abel Ordoñez Huamán - [email protected] Ing. Silene Minaya González - [email protected] Instituto de Investigaciones de la Facultad de Ing. Civil Universidad Nacional de Ingeniería Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo D VIII CONGRESO NACIONAL DEL ASFALTO MÓDULOS DINÁMICOS DE MEZCLAS ASFÁLTICAS SMA Y SUPERPAVE Ing. Abel Ordoñez Huamán - [email protected] Ing. Silene Minaya González - [email protected] Instituto de Investigaciones de la Facultad de Ing. Civil Universidad Nacional de Ingeniería RESUMEN: El nuevo método de diseño de pavimentos asfálticos AASHTO 2002 requiere que las mezclas asfálticas sean modeladas como materiales visco-elásticos a través del parámetro denominado módulo dinámico E*. El parámetro E* permitirá construir la curva maestra del comportamiento deformacional de la mezcla asfáltica en función de la temperatura y del tiempo de carga (valor de la frecuencia de la carga cíclica). El presente trabajo presenta los resultados de los ensayos de compresión confinada cíclica y la obtención del módulo dinámico, E* realizados en el Laboratorio de Mecánica de Suelos de la Universidad Nacional de Ingeniería en muestras de mezclas asfálticas tipo SMA-“stone mastic asphalt” y Superpave. Los resultados indican que el comportamiento deformacional de las mezclas SMA utilizando fibras celulosas y asfaltos modificados es superior al comportamiento de las mezclas Superpave. 1. INTRODUCCIÓN Con el auspicio del Instituto de Investigaciones de la FIC-UNI se desarrolló el proyecto de investigación “Aproximación al Conocimiento Superpave” trabajo que permitió realizar la publicación “Superpave y el Diseño de Mezclas Asfálticas”, (Ref. 1) así como tomar conocimiento de las mezclas tipo SMA (Ref. 2). Así, actualmente se tienen documentos técnicos que explican en detalle las consideraciones de diseño de la metodología Superpave y SMA, así como la aplicación de los conceptos mecanísticos en la ingeniería de pavimentos (Ref. 3). Recientemente se ha culminado el proyecto “Comportamiento Mecánico de Mezclas Asfálticas Tipo Superpave y SMA”, (Ref. 4) basado en pruebas experimentales realizadas en el laboratorio de Mecánica de Suelos y Pavimentos de la FIC- UNI. La metodología Superpave considera un método de diseño volumétrico, basado en la aplicación de las relaciones volumétricas y gravimétricas. El Superpave incorpora conceptos de la mecánica de los materiales: rigidez, elasticidad y visco-elasticidad de los materiales involucrados en la estructura del pavimento. (Ref. 5 y 6). Sin embargo, para integrarlo al método de diseño de pavimentos empírico- mecanístico AASHTO 2002 (Ref. 7) se deberá implementar un ensayo de laboratorio para determinar el parámetro deformacional elástico, de la mezcla asfáltica, esto es el Módulo Dinámico, E*. El módulo dinámico, E* es una función de la temperatura, velocidad de carga, envejecimiento de la mezcla y las características de la mezcla como la rigidez del asfalto, gradación del agregado, contenido de asfalto y volumen de vacíos (Ref. 7). Para tomar en cuenta los efectos de la temperatura y la velocidad de carga, el módulo de la mezcla asfáltica para cualquier nivel de análisis será determinada de la denominada “curva maestra” construida tomando como referencia la temperatura de 70ºF. Las S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 259Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo D “curvas maestras” son construidas utilizando el principio de la superposición tiempo-temperatura, la Fig. 1 ilustra un ejemplo de la curva maestra. Fig. 1 Variación de módulo dinámico en función de la frecuencia (tiempo) de carga y la temperatura y la “curva maestra” La curva maestra del módulo dinámico puede ser representada por la función “sigmoidal” dada por la siguiente ecuación: ( ) ( )r te1 E log *log γ+β+ α +δ= donde: tr : tiempo de carga a la temperatura de referencia (previa transformación). δ y α : parámetros de ajuste, donde el δ es el mínimo valor de E* y δ+α representa el máximo valor de E*. β y γ : parámetros que describen la forma de la función sigmoidal. El diseño SMA se basa en una estructura granular donde predomina el contacto piedra-piedra el mismo que le provee de alta resistencia cortante, baja deformación permanente y considera un buen porcentaje de ligante que le confiere una excelente durabilidad. Las características del comportamiento mecánico de la mezcla asfáltica se alcanzan utilizando una granulometría incompleta (”gap-graded aggregate”) combinada con fibra y/o polímeros modificados y un mayor contenido de ligante. El uso de la fibra celulosa es esencial para evitar el escurrimiento del mastic en la mezcla asfáltica SMA, evitando su segregación debido al gran porcentaje de grava (70-80%) alto porcentaje de finos (10%) y menor porcentaje de arenas, (Ref. 8 y 9). El comportamiento del SMA es actualmente calificado en los EE.UU. y Canadá como de excelente bajo tráfico pesado e intenso y climas fríos, bajo costo de mantenimiento y una duración que alcanza los 30 años de vida de servicio. Las investigaciones desarrolladas en la FIC-UNI, tuvieron por finalidad llenar un vacío respecto al superior comportamiento mecánico de las mezclas SMA a las mezclas Superpave. Aplicaciones en proyectos viales realizadas en EE.UU. y en países Latinoamericanos como Brasil y Argentina así lo demuestran. Sin embargo, trabajos experimentales basados en ensayos de laboratorio en EE.UU y Brasil no conseguían demostrar mediante ensayos de laboratorio la superioridad mecánica del SMA sobre el Superpave, (Ref. 10 y 11). S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 260Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo D La National Center for Asphalt Technology de Auburn University - NCAT de EE.UU. en el año 1993, realizó una investigación cuyo objetivo era comparar mediante ensayos de laboratorio el comportamiento mecánico de las mezclas densas convencional y las mezclas SMA, con la finalidad de entender mejor su comportamiento. Las conclusiones a las que llegaron fueron que la resistencia al corte de las mezclas SMA arrojaban valores ligeramente mayor y menor que las mezclas densas. La estabilidad Marshall de las mezclas SMA fue siempre significativamente menor que para el caso de mezclas densas lo que indicaría que este tipo de ensayo no representa el comportamiento de las SMA; el flujo en las mezclas SMA es mayor que en mezclas densas lo que indicaría (erróneamente) que las SMA son más flexibles. Los ensayos de resistencia a la tracción indirecta y modulo resiliente fueron siempre menores en SMA con respecto a las mezclas densas. Esto indicaría que las SMA no son tan rígidas en tensión como las mezclas densas y que los valores de módulo resiliente no serían (erróneamente) altos. La deformación permanente se evaluó con el ensayo de flujo estático en que ambas mezclas obtuvieron valores semejantes. El ensayo de deformación permanente dinámica mostró que las mezclas SMA tuvieron deformaciones permanentes ligeramente mayores que las densas, sin embargo, estos resultados de la NCAT son contradictorios con el comportamiento de campo. La conclusión más importante a la que llegaron en el proyecto de investigación de la NCAT, fue que estos ensayos pueden dar un indicativo del comportamiento de la mezcla, pero que son necesarios nuevos métodos de laboratorio para poder evaluarlas. Los investigadores de la NCAT concluyeron que los resultados del reporte de la NCAT no aconsejaban ser usados para comparar el comportamiento mecánico de las mezclas SMA y densas convencional, y que la comparación sólo se podría dar en el campo, por lo menos por algún tiempo, hasta tener un ensayo más realístico. 2. ASFALTOS MODIFICADOS CON POLÍMEROS Aunque los modificadores de asfalto se vienen usando por más de 50 años, se ha renovado el interés en los últimos años debido a que las especificaciones del asfalto como el Superpave exigen que este cumpla los requisitos de rigidez a altas como a bajas temperaturas de servicio. Muchos de los cementos asfálticos no cumplen con estas especificaciones en regiones con climas extremos, necesitando ser modificados, (Ref. 12) Los asfaltos modificados permiten presentan varias características como la menor rigidez o viscosidad del asfalto a altas temperaturas de preparación facilitan el bombeo del ligante asfáltico líquido, así como el mezclado y compactación. La mayor rigidez a altas temperaturas de servicio (verano) reducen las deformaciones permanentes y corrugaciones producto del corte por flujo de la mezcla. La menor rigidez y rapidez de relajación a bajas temperaturas de servicio (invierno) reduce el agrietamiento térmico. Los polímeros pueden fabricarse para cumplir una amplia gama de propiedades ingenieriles, sin embargo, pueden dividirse en elastómeros (caucho) y plastómeros (plástico). Los elastómeros usados como modificadores de asfalto incluyen a los cauchos naturales, caucho estireno-butadieno SBR, estireno-butadieno-estireno SBS, entre otros. Los elastómeros resisten deformaciones de esfuerzos aplicados extendiendo y recuperando su forma rápidamente cuando el esfuerzo deja de aplicarse. Estos polímeros adicionan muy poca resistencia a los cementos asfálticos hasta que son estirados. Sin embargo, su resistencia a la tensión se incrementa con la elongación. Los plastómeros o plásticos usados como modificadores de asfalto incluye el polietileno, polipropileno, etil-vinil-acetato EVA, polivinil cloruro PVC, etc. Los plastómeros tienen un resistente, rígido red tridimensional que es resistente a las deformaciones. Estos polímeros exhiben fácil resistencia inicial bajo carga pero pueden fracturarse bajo deformación. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 261Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo D 3. POLÍMERO SBS (ESTIRENO-BUTADIENO-ESTIRENO) El polímero SBS está formado por bloques de poliestireno y polibutadieno unidos químicamente, presentan fuerte interacción en base bituminosa por ser compatibles tanto en los componentes aromáticos como los no aromáticos. El poliestireno se funde arriba de los 90ºC y el rango en que el polibutadieno se torna rígido está próximo a -90ºC, por esa razón el SBS es el modificador mas usado del cemento asfáltico tanto en zonas donde las temperaturas son muy altas como en zonas donde las temperaturas son muy bajas. Con la incorporación del polímero SBS, el asfalto modificado puede tener para ciertos grados de temperatura, características de un ligante ideal, es decir, propiedades constantes y susceptibilidad térmica pequeña en todas las variaciones climáticas a las que estaría sometido. El polímero producido, patentado y mas utilizado en Brasil es el SBS. En el presente trabajo de investigación se utilizó asfaltos modificados con polímeros SBS denominados Betuflex 80/60 y 60/60 de Ipiranga Asfaltos. El principal propósito de utilizar modificadores SBS en mezclas asfálticas en caliente es incrementar la rigidez de la mezcla a altas temperaturas, volverlo más elástico y resistente al agrietamiento por fatiga a temperaturas intermedias de servicio y no modificar su rigidez a bajas temperaturas de servicio para resistir el agrietamiento térmico. Tabla 1 Datos referentes al Asfalto Modificado con SBS de Ipiranga Asfaltos Propiedades BETUFLEX 60/60 BETUFLEX 80/60 Punto de ablandamiento, ºC 50 - 65 75 - 90 Penetración (100g, 5s, 25ºC), dmm 50 – 70 50 - 70 Recuperación elástica a 25ºC, mín. 60 85 Índice de susceptibilidad térmica, mín. Cero +2 Viscosidad a 175ºC, cps, máx. 450 450 Densidad a 20/4ºC 1.00 - 1.04 1.00 - 1.04 Compatibilidad a 163ºC, 5 días, máx. 4 4 235 Punto de fulgor, ºC, mín. 235 En zonas de temperaturas muy altas, que pasan el punto de ablandamiento del cemento asfáltico puro y cuando el flujo es prácticamente viscoso, el SBS forma una malla que envuelve el ligante fluido, manteniendo una alta consistencia. A partir de la fusión completa del rango de los estirenos, la mezcla de cemento asfáltico-SBS pasa a ser fluido viscoso. En zonas de temperaturas muy bajas, el cemento asfáltico tiene un comportamiento rígido con correspondientes agrietamientos; el SBS disminuye bastante el punto de ruptura Fraass de la mezcla, dándole elasticidad. 4. FIBRA CELULOSA Y ENSAYOS DE ESCURRIMIENTO En esta investigación se emplearon fibras en su condición suelta y fibra celulosa VIATOP 66, cedida por J.R. Rettenmaier & Soehne de Brasil representante de la matriz alemana, en forma de pellets, compuesta por 66.6% en peso de fibra y 33.3% de asfalto. La cantidad requerida en la mezcla se determinó conforme al valor máximo obtenido en el ensayo de escurrimiento, que fue 0.3% en peso de la muestra. El ensayo de escurrimiento se realiza en mezclas propensas al escurrimiento como las mezclas SMA, debido al alto porcentaje de filler en su distribución granulométrica. Con este método es posible medir la cantidad de material escurrido de una muestra de mezcla asfáltica no compactada a elevadas temperaturas, comparables a aquellas usadas durante la producción, almacenamiento, transporte y S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 262Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo D colocación. Según la norma AASHTO T 305 el escurrimiento de la mezcla es aquella porción del material que se separa de la muestra y se deposita fuera de la cesta durante el ensayo. El ensayo consiste en colocar cierta cantidad de mezcla asfáltica suelta (1200 ± 200 gr) en una cesta puesta sobre una bandeja. El conjunto se lleva al horno por una hora a diferentes temperaturas. Se realizaron ensayos en mezclas asfálticas sin fibra y con 0.4% de fibra suelta. El asfalto usado fue PEN 60-70, el filler utilizado es cemento portland. El contenido de ligante para todos los ensayos fue 7%. 5. COMPORTAMIENTO VISCO-ELASTICO DE MEZCLAS ASFÁLTICAS El ensayo para determinar el módulo complejo consiste en aplicar una carga del tipo sinusoidal de manera continua, sin período de descanso. El módulo complejo es uno de los muchos métodos para describir la relación esfuerzo-deformación de materiales visco-elástico. El valor numérico del módulo es un número complejo, la parte real representa la rigidez elástica y la parte imaginaria caracteriza la humedad interna de los materiales. De acuerdo a Huang, (Ref.13), el valor absoluto del módulo complejo se denomina Módulo Dinámico. El módulo dinámico varía con la frecuencia de carga. Se debe tener en cuenta que el ensayo se debe realizar a la frecuencia que simule las cargas de tráfico para el diseño. La Teoría del Módulo Complejo se aplica con modelos matemáticos. La siguiente figura muestra el modelo de Kelvin sometido a una carga sinusoidal. E1 λ1 σο e i┐t Fig. 2: Modelo Visco-elástico de Kelvin La carga sinusoidal se puede representar por un número complejo. ( ) ( ) tiooo e t sen i t cos ωσ=ωσ+ωσ=σ Donde: σo amplitud de los esfuerzos ω velocidad angular y se relaciona con la frecuencia f según: f2π=ω la ecuación diferencial se puede escribir: ti o11 e E t ωσ∈=+ ∂ ∈∂ λ La solución de ésta ecuación se expresa como: S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 263Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo D ( )φ−ω∈=∈ t i o e ∈ es la amplitud de la deformación y φ es el ángulo de desfase entre la deformación y el esfuerzo. Reemplazando se obtiene: ( ) ( ) ti o ti o1 ti o1 eeEei ωφ−ωφ−ω σ=∈+ω∈λ cuya solución es: ( )2121 o o E ωλ+ σ =∈ y 1 1 E tg ωλ =φ El módulo complejo se define como: ∗E ( )φ−ω ω ∗ ∈ σ = ∈ σ = ti o ti o e e E ó φ ∈ σ +φ ∈ σ =∗ senicosE o o o o el módulo dinámico es el valor absoluto del módulo complejo: o o 2 o o 2 o o sencosE ∈ σ =⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ φ ∈ σ +⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ φ ∈ σ =∗ Como se observa el módulo dinámico relaciona el esfuerzo aplica sobre la máxima deformación retardada alcanzada, durante el ciclo de carga. Durante el trabajo experimental se aplicaron cargas lentas, por limitaciones del equipamiento, cargas similares a las aplicadas en estacionamientos, tramos en pendientes, intersecciones viales, etc. 6. PROGRAMA EXPERIMENTAL El programa experimental se inicia con ensayos no confinados, tipo Marshall, repitiendo el programa realizados en otros países. Los resultados obtenidos verifican que las mezclas SMA tienen menor valor de estabilidad que las mezclas densas convencionales y Superpave, cuando se utilizan ensayos de compresión no confinada. Estos ensayos no son compatibles con los esfuerzos confinantes que se producen en el campo, por lo tanto no son representativos, sobre en la familia de las mezclas asfálticas que utilizan granulometría incompleta (ausencia de arenas) como el SMA, Gap Grade, Open Grade Friction Course. Los resultados obtenidos del ensayo de estabilidad Marshall en muestras densas convencionales, Superpave y SMA realizados a 60ºC y temperatura ambiente indicaron que la estabilidad de mezclas convencionales es aproximadamente 50% mas que las mezclas SMA. Los valores de estabilidad de las mezclas Superpave son similares al de las mezclas convencionales, este resultado era de esperar porque la estructura granular de las mezclas densas convencionales y Superpave son en general muy similares. El programa experimental propuso primero el ensayo de compresión confinada utilizando el equipamiento CBR, aunque los resultados fueron alentadores, se cuestionó el patrón de esfuerzos S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 264Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo D verticales transmitidos del tipo no uniforme, sobre todo en el contacto del pistón de carga-mezcla. Por ello, se propuso realizar ensayos de compresión edométrica mediante la colocación de un disco metálico del tamaño del diámetro de la muestra uniformizando los esfuerzos verticales transmitidos a la muestra y los esfuerzos de confinamiento. El ensayo de compresión edométrica, consiste en aplicar una carga sinusoidal sin periodo de descanso a un especimen confinado lateralmente. La carga de velocidad aplicada transmite una presión uniforme entre 5 y 10 kg/cm2. La carga de velocidad lenta, equivalente a un tiempo por ciclo de 5 segundos, dado que no se cuenta con prensa de carga cíclica, se aplica con el pistón de carga a un disco metálico del diámetro del especimen. Los especimenes cilíndricos fueron de 2.5 pulgadas de altura y 4 pulgadas de diámetro. La siguiente figura muestra resultados de un ensayo típico realizado sobre una mezcla SMA a 60ºC. COMPRESION EDOMETRICA SMA TMN 3/4", 6.5% BETUFLEX 80/60, VIATOP MUESTRA 1A, Tºensayo = 60ºC Presion vs Asentamiento 0 4 8 12 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 Asentamiento (mm) P re si o n ( kg /c m 2) Modulo Elastico vs Nº ciclos 600 700 800 900 1000 0 1 2 3 4Nº ciclos E ( kg /c m 2) 5 Presion 10 kg/cm2 Presion 5 kg/cm2 Fig. 3Resultados de Ensayo de Compresión Edométrica Cíclico S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 265Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo D 7. RESULTADOS EXPERIMENTALES Fueron calculados los parámetros volumétricos de cada espécimen utilizando las relaciones volumétricas de las mezclas asfálticas, (Ref.14). Los resultados se presentan de manera resumida, detalles del trabajo puede verse en la Ref. 4. Modulo Elastico vs % Asfalto 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 5 6 7 8 % Asfalto E ( kg /c m 2) SMA PEN 60 70 SMA BETUFLEX 60 60 SMA BETUFLEX 80 60 SUPERPAVE 60 60 SUPERPAVE 80 60 Fig. 4: Mezclas SMA y Superpave, Tº ensayo = 0ºC Las mezclas SMA presentan mayores módulos que las muestras Superpave. Las mezclas con Betuflex presentan mayores módulos que las muestras preparadas con asfalto PEN 60/70. Modulo Elastico vs % Asfalto 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 5 6 7 8% Asfalto E ( kg /c m 2) SMA PEN 60 70 SMA BETUFLEX 60 60 SMA BETUFLEX 80 60 SUPERPAVE 60 60 SUPERPAVE 80 60 Fig. 5: Mezclas SMA y Superpave, Tº ensayo = 60ºC A 60ºC los resultados tienen la misma tendencia respecto a la superioridad del SMA sobre el Superpave. El módulo elástico promedio de las mezclas SMA preparadas con asfalto PEN 60/70 y S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 266Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo D Betuflex 60/60 tienen un valor de 1000 kg/cm2; y para SMA preparado con Betuflex 80/60 el módulo es 1100 kg/cm2. Compresion Edometrica Mezclas SMA Tºensayo= 0ºC 600 800 1000 1200 1400 1600 6 6.5 7 7.5 % de asfalto M o d u lo e la st ic o , E ( k g / cm 2) 8 pen 60/70 betuflex 60/60 betuflex 80/60 Fig. 6: Mezcla SMA con diferentes tipos de asfalto, Tº ensayo de 0ºC Las mezclas SMA con 7% de asfalto Betuflex presentan mayores módulo respecto al asfalto PEN 60/70. Compresion Edometrica Mezclas SMA Tºensayo=60ºC 600 800 1000 1200 1400 6 6.5 7 7.5 % de asfalto M o d u lo e la st ic o , E ( k g / cm 2) 8 pen 60/70 betuflex 60/60 betuflex 80/60 Fig. 7: Mezcla SMA con diferentes tipos de asfalto, Tº ensayo de 60ºC Para mezclas SMA con 7% de asfalto el Betuflex 80/60 presenta mayor módulo que el Betuflex 60/60 y el PEN 60/70. Los resultados experimentales pueden ser explicados en la siguiente Tabla: Tabla 3: Resultados Experimentales S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 267Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo D Para las mezclas SMA ensayada s a 60ºC los resultado s tienen la misma tendenci a, indican que el módulo elástico promedio de las mezclas SMA preparadas con asfalto PEN 60/70 y Betuflex 60/60 tienen un módulo elástico de 1000 kg/cm2; y para SMA preparado con Betuflex 80/60 el módulo es 1100 kg/cm2. Del proyecto de investigación se puede concluir que el asfalto modificado en la mezcla es más benéfico para temperaturas muy bajas, debido a que mantienen o incrementan el módulo elástico de la mezcla. Tipo de Mezclas Tipo de asfalto Tº ensayo Tipo de fibra % asfalto E (kg/cm2) Prom. 60ºC Viatop 7 1000 PEN 60-70 0ºC Viatop 7 1100 60ºC Viatop 7 8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Las conclusiones y recomendaciones que se pueden aprovechar de los trabajos realizados fueron: ” Los ensayos de compresión confinada, sea del tipo edométrico o triaxial representan de manera mas realista el comportamiento mecánico de las mezclas asfálticas, comparados con ensayos no confinados como el Marshall, además de arrojar un parámetro deformacional como el módulo dinámico, E*, parámetro recomendado para ser utilizado en el método AASHTO 2002, cuyo valor debe ser obtenido a partir de ensayos de laboratorio de acuerdo al nivel 1 de jerarquización de la metodología. ” Los ensayos del tipo confinado son los únicos que permiten evaluar correctamente el comportamiento de mezclas de granulometrías abiertas, donde prevalece el contacto piedra- piedra, como el SMA, de mayor módulo elástico, respecto a las mezclas convencionales. ” Las mezclas tipo (con granulometría) Superpave presentan un comportamiento mecánico similar a las mezclas convencionales densas, esto indica que la fortaleza del Superpave radica básicamente en las especificaciones para la gradación del ligante asfáltico. ” Los ensayos de compresión edométrica, son más simples y rápidos de ser ejecutados, por lo que será utilizado a nivel ingenieril, respecto a los ensayos triaxiales; arrojando un parámetro de diseño compatible con el modelo elástico multicapa que propone la Guía de Diseño AASHTO 2002 para el análisis de esfuerzos y deformaciones. ” El uso de modificadores de asfalto será necesario en proyecto de pavimentación ubicados en lugares con temperaturas de servicio extremas, esto es, para climas cálidos y fríos, debido a que amplían el comportamiento elástico de la mezcla a un mayor rango de temperaturas. ” Se ha demostrado la factibilidad de preparar en el laboratorio las mezclas asfálticas basados en agregados básicamente gruesos, con poco contenido de arena, como es el caso del SMA, con el uso en muy pequeños porcentajes de fibras celulosas para evitar el problema del 1000 BETUFLEX 60/60 0ºC Viatop 7 1200 SMA 19 mm 60ºC Viatop 7 1100 BETUFLEX 80/60 0ºC Viatop 7 1200 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 268Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo D escurrimiento durante la preparación, lo que permitirá recomendar su uso en las carreteras de climas fríos, como ya ocurre, en otros países como EE.UU., Canadá y Europa. Referencias Bibliográficas 1. Minaya, S. y Ordóñez, A “Superpave y el Diseño de Mezclas Asfálticas”. 200 pags. FIC-UNI. 2004. 2. Ordóñez, A. y Minaya, S. y “Superpave y SMA: Conceptos Mecanísticos en la Ingeniería de las Mezclas Asfálticas”, V Congreso Nacional de Asfalto, Lima, noviembre 2002. 3. Minaya, S. y Ordóñez, A “Diseño Moderno de Pavimentos”. 365 pags. Texto de Enseñanza Universitaria. (a ser publicado). 2005. 4. Minaya, S. “Comportamiento Mecánico de Mezclas Asfálticas Tipo Superpave y SMA”. Tesis de Maestría FIC-UNI.167 pags. 2005. 5. Department of Transportation. Federal Highway Administration, “Superpave Asphalt Mixture Design”. Version 8. 2002. 6. Asphalt Institute, “Superpave Mix Design”, 2001. 7. National Cooperative Highway Research Program, “Guide for Mechanistic-Empirical Design of New and Rehabilitated Pavement Structures 1-37A”, marzo 2004. 8. National Asphalt Pavement Association, “Designing and Constructing SMA Mixtures-State-of the Practice”, enero 1999. 9. National Asphalt Pavement Association, “Designing and Constructing SMA Mixtures- State-of- the-Practice”. U.S. Dep. of Transp. FHWA. 2002. 10. Brown, E., Manglorkar, H., “Evaluation of Laboratory Properties of SMA Mixtures”, National Center for Asphalt Technology, Auburn University, Octubre 1993. 11. Lago Mourao, F. “Misturas Asfálticas de Alto Desempenho Tipo SMA”, Tesis para Optar el Grado de Master en Ingeniería Civil, Universidad Federal de Río de Janeiro, octubre 2003. 12. Da Costa Amaral S., “Estudos de Misturas Asfálticas Densas com agregados do Estado do Pará, Utilizando Asfalto Convencional (CAP-40) e Asfalto Modificado com Polímero SBS (Betuflex B65/60)”, Tesis para Optar el Grado de Master en Ingeniería Civil, Universidad de Sao Paulo – USP, Brasil, 2000. 13. Huang, Y., “Pavement Analysis and Design”, primera edición, Prentice Hall 1993. 14. Ordóñez, A. y Minaya, S., “Manual de Laboratorio. Ensayos para Pavimentos”. Volumen I. Universidad Nacional de Ingeniería. 200 pags. 2001. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 269Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo E E1 Descripción e Identificación de Suelos Procedimiento Visual-Manual (Documento Referencial: ASTM D 2488) E1.1 INTRODUCCIÓN La identificación visual, es el reconocimiento preliminar del suelo sin necesidad de empleo de equipos o ensayos de laboratorio. Mas tarde, los ensayos de laboratorio confirmarán y permitirán precisar la información obtenida del terreno. Esta identificación es una etapa inicial para el estudio de Mecánica de Suelos, que permite tomar decisiones y ajustar el programa de investigación. Los términos básicos para designar a los tipos de suelos son: grava, arena, limo y arcilla; sin embargo, en la naturaleza los suelos son una mezcla de dos o más de éstos y a veces contienen una cantidad de materia orgánica. Sin embargo, es posible identificar el componente predominante y asignarles el término básico. Por ejemplo, una arena limosa tiene las propiedades de una arena, con una cantidad importante de limo; un limo orgánico está compuesto prioritariamente por limo, pero contiene una cantidad significativa de materia orgánica. E1.2 DEFINICIONES La American Society for Testing and Materials (ASTM) define los diferentes tipos de suelos como: Bloques: Partículas de roca mayores que 12” (300 mm). Boleos: partículas de roca menores que 12” (300 mm), pero mayores que 3” (75 mm) Grava- suelo que pasa la malla de 3" (75 mm) y es retenida en la malla No.4 (4.75 mm); tiene las siguientes subdivisiones: grava gruesa: pasa la malla de 3" (75 mm) y es retenida en la malla de 3/4" (19 mm). grava fina: pasa la malla de 3/4" y es retenida en la malla No.4 (4.75 mm). Arena: partículas de roca que pasan la malla No.4 (4.75mm) y son retenidas en la malla No.200 (75 μm), tiene las siguientes subdivisiones: arena gruesa: pasa la malla No.4 (4.75mm) pero se retiene en la malla No.10 (2mm). arena media: pasa la malla No.10 (2mm) pero es retenida en la malla No.40 (425 μm). arena fina: pasa la malla No.40 (425 μm) pero es retenida por la malla No.200 (75 μm). S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 271Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo E Arcilla: suelo que pasa la malla No. 200 (75 μm) que presenta plasticidad dentro de un rango de contenidos de humedad y que es resistente en estado seco. Arcilla orgánica: es una arcilla con suficiente contenido orgánico como para influenciar en las propiedades de suelo. Para su clasificación, una arcilla orgánica es un suelo que podría ser clasificado como arcilla, excepto cuando el valor de su límite líquido después del secado sea menor del 75% del valor de su límite líquido antes de su exposición al secado. Limo: suelo que pasa la malla No.200 (75 μm); no tiene propiedades plásticas o tiene muy poca plasticidad, y que en estado seco no tiene resistencia. Limo orgánico: es un limo con suficiente contenido orgánico como para influenciar en las propiedades de suelo. Para su clasificación, un limo orgánico es un suelo que podría ser clasi- ficado como un limo excepto cuando su valor de límite líquido después de su exposición al secado sea menor del 75% de su valor de límite líquido antes de su exposición al secado. Turba: es un suelo compuesto en primer lugar por un tejido vegetal en diferentes etapas de descomposición, usualmente con un olor orgánico, de color marrón oscuro a negro, de consistencia y textura que varía de fibrosa a amorfa. El procedimiento visual-manual describe e identifica los suelos con los siguientes simbolos: G grava (gravel) S arena (sand) M limo (silt) C arcilla (clay) O material orgánico (organic) Pt turba (peat) W bien gradada (well graded) P pobremente gradada (poorly graded) E1.3 DESCRIPCIÓN E INFORMACIÓN DE SUELOS En comparación a los suelos finos, los suelos granulares son más fáciles de identificar. En terreno se considera un tamaño de 5 mm. para separar las gravas de las arenas. Angularidad Describe la angularidad de la arena (solamente de la arena gruesa), grava, bolones y cantos. Los describe como angular, subangular, subredondeado o redondeado, de acuerdo con los criterios de la tabla E1.1 y la foto E1.1. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 272Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo E Tabla E1.1 Criterios de angularidad Descripción Criterio Angular Partículas que tienen bordes afilados y son relativamente planas en los lados con superficies ásperas. Subangular Partículas que son similares a la descripción angular pero que también tienen bordes redondeados. Subredondeada Partículas que son ligeramente planas en los lados pero que tienen esquinas y bordes bien redondeados. Redondeada Partículas que tienen los lados ligeramente curvados y no tienen bordes. Foto E1.1: Angularidad de las partículas. Forma Describe la forma de la grava, cantos rodados y boleos como chatas, alargadas, o chatas y alargadas si reúnen los criterios de la Tabla E1.2 y la Figura E1.2. Tabla E1.2. Criterios para definir la forma de las partículas Descripción Criterio Chata Partículas con relación ancho/espesor > 3 Alargada Partículas con relación largo/ancho > 3 Chata y alargada Partículas que cumplen con ambos criterios ancho espesor largo Figura E1.2: Criterio para la forma de la partícula S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 273Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo E Color Describe el color. El color es una propiedad importante para la identificación de suelos orgánicos, y dentro de determinada localidad, puede ser útil para la identificación de materiales de origen geológico similar. Si la muestra contiene estratos o fragmentos de colores variados, esto debe anotarse y se deben describir todos los colores representativos. El color debe describirse para muestras húmedas. Si el color representa una condición seca, este hecho se debe establecer en el reporte. Olor Describe si el olor es orgánico o inusual. Los suelos que contienen una cantidad considerable de material orgánico, usualmente tienen un olor característico de vegetación descompuesta. Esto aparece principalmente en muestras frescas, pero si las muestras están secas, el olor casi siempre podría revivirse exponiendo a temperatura alta la muestra humedecida. Se debe describir si el olor es inusual (producto derivado del petróleo, químicos y similares). Condición de Humedad Describe la condición de humedad como seca, húmeda o muy húmeda de acuerdo a los criterios de la tabla E1.3. Tabla E1.3. Criterios para describir la condición de humedad Descripción Criterio Seco Ausencia de humedad, polvorienta y seca al tacto. Húmedo Húmeda sin presencia visible de agua. Muy húmedo Visibilidad de agua, usualmente el suelo está cubierto de una capa de agua. Consistencia Para un suelo intacto de grano fino, se describe la consistencia como muy suave, suave, firme, dura y muy dura, de acuerdo a los criterios de la tabla E1.4. Esta observación es inapropiada para suelos con cantidad considerable de grava. Tabla E1.4. Criterios para describir la consistencia Descripción Criterio Muy suave El pulgar penetrará en el suelo más de 1” (25 mm). Suave El pulgar penetrará en el suelo alrededor de 1”(25 mm). Firme El pulgar se hundirá en el suelo alrededor de 1/4” (6 mm). Duro El pulgar no se hundirá en el suelo pero la uña del pulgar se hundirá levemente. Muy duro La uña del pulgar no se hundirá en el suelo. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 274Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo E Cementación Describe la cementación de suelos intactos de grano grueso como débil, moderada o fuerte, de acuerdo a los criterios de la tabla E1.5. Tabla E1.5. Criterios para describir la cementación Descripción Criterio Débil Se desmorona o se rompe al manipularse o con una ligera presión del dedo. Moderada Se desmorona o se rompe con una presión fuerte del dedo. Fuerte No se desmorona o se rompe a la presión con el dedo. Estructura Describe la estructura de suelos naturales de acuerdo a los criterios de la tabla E1.6. Rango de las partículas Para componentes de grava y arena, describe la escala del tamaño de las partículas dentro de cada componente. Por ejemplo, alrededor del 20% de grava fina a gruesa, alrededor de 40% de arena fina a gruesa. Tabla E1.6. Criterios para describir la estructura Descripción Criterio Estratificada Alterna estratos de materiales o colores variados con estratos de al menos 6 mm de espesor. Laminada Alterna estratos de material o color variados con las capas menores de 6 mm de grosor. Fisurada Fisuras a lo largo de los planos de fractura definidos con una pequeña resistencia a fracturarse. De superficie fisurada Planos fisurados que aparecen pulidos o lisos, algunas veces estratificados. Macizo Suelo cohesivo que puede romperse en pequeños terrones angulares y que resisten una desintegración adicional. Cristalizados Inclusión de pequeñas bolsas de diferentes clases de suelo, como por ejemplo, pequeños lentes de arena esparcidos por una masa de arcilla; anote el grosor. Homogénea El mismo color y apariencia en toda la muestra. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 275Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo E Tamaño máximo de partícula Describe el tamaño máximo de la partícula encontrada en la muestra, de acuerdo a la siguiente información: Tamaño de arena Si el tamaño máximo de la partícula es arena se debe describir como fina, media o gruesa. Por ejemplo, tamaño máximo de la partícula: arena media. Arena gruesa Arena media Arena fina S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 276Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo E Tamaño de grava Si el tamaño máximo de la partícula es grava, se debe describir el tamaño máximo de partícula, como la partícula que pasa la malla de abertura menor, Por ejemplo, tamaño máximo de partícula de 1½”, significa que pasa el tamiz de 1½”pero no la de ¾”. Un ejemplo de gravas se muestra en la siguiente foto. Tamaño de canto rodado o boleo Si el tamaño máximo de la partícula es del tamaño de un canto rodado o un boleo; describe la dimensión máxima de la partícula más larga. Por ejemplo: dimensión máxima, 18' (450 mm). Tamaño de bloques o boleo Si el tamaño máximo de la partícula es un canto rodado o un boleo; se mide la dimensión máxima de la partícula mayor. Por ejemplo: dimensión máxima, 18” (450 mm). Dureza Describe la dureza de la arena gruesa y partículas mayores, se les denomina dura. Duro significa partículas que no se rajan, fracturan o desintegran bajo el golpe de un martillo. Reacción con el HCl Describe la reacción con el HCl como nula, débil y fuerte, de acuerdo a los criterios de la tabla E1.7. Debido a que el carbonado de calcio es un agente cementante común, es importante un reporte de su presencia sobre la base de la reacción con el ácido clorhídrico diluido. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 277Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo E Tabla E1.7. Criterios para describir la reacción con HCl Descripción Criterio Nula Sin reacción visible. Débil Alguna reacción, con burbujas que se forman lentamente. Fuerte Reacción violenta, con burbujas que se forman inmediatamente. Nota Se puede anotar comentarios adicionales como la presencia de raíces o huecos de raíces, dificultades al taladrar o al hacer perforaciones, al cavar una zanja o al hacer una perforación, o la presencia de mica. E1.4 PROCEDIMIENTO E IDENTIFICACIÓN DE SUELOS DE GRANO FINO Para realizar este ensayo se debe eliminar el suelo retenido en la malla Nº40 (eliminar arenas medias y gruesas). Para identificar la presencia de limos o arcillas, se recurre a los siguientes ensayos: Reacción a la Agitación o Dilatancia Se selecciona una cierta cantidad de suelo, aproximadamente 5 cc., si es necesario debe añadirse agua. Con ayuda de una espátula se amasa y forma una bolita de suelo, la que debe contener una humedad tal que el agua casi aparezca en la superficie. La muestra preparada se coloca en la palma de la mano y se sacude horizontalmente golpeándola en forma reiterada y fuerte contra la otra mano. Foto E1.2: Prueba de dilatancia Se debe observar la velocidad con que el agua aparece en la superficie del suelo. Los criterios de clasificación son ninguna, lenta y rápida, de acuerdo con la siguiente tabla: S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 278Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo E Tabla E1.8: Criterios para describir la Dilatancia Descripción Criterio Ninguna No hay cambios visibles en la superficie de la muestra Lenta El agua aparece lentamente en la superficie de la muestra durante la sacudida y no desaparece lentamente bajo presión. Rápida El agua aparece rápidamente en la superficie de la muestra durante la sacudida y desaparece rápidamente bajo presión. Cuando el suelo tiene reacción rápida al sacudimiento con unos pocos golpes, se puede asegurar que se trata de un limo. Si la reacción del suelo es muy lenta o no hay reacción, es decir, no hay cambio de forma en la pasta de suelo y el tiempo necesario para que el agua brille en la superficie del suelo es mucho mayor, se puede concluir que se trata de una arcilla. Reacciones intermedias no permiten identificar inmediatamente el suelo y por ello es necesario recurrir a un ensayo de amasado para despejar la interrogante. Sin embargo, en el caso en que el tipo de suelo fino se pueda definir sólo con el ensayo de dilatancia, es siempre conveniente continuar con el ensayo de amasado que se enuncia a continuación. Nota:- Para el caso de arenas limpias muy finas la reacción es muy rápida. Ensayo de amasado o de tenacidad El ensayo de amasado permite complementar el ensayo de dilatancia. Se toma la pasta y se amasa hasta alcanzar la consistencia de la masilla. Se forma un bastón hasta aprox. 3 mm. Se amasa nuevamente y se forma un bastón con las características dadas anteriormente. Con estas operaciones el contenido de humedad se reduce y la muestra adquiere una consistencia dura. Se repite hasta que el bastón se rompa en varias partes al ser amasado (foto E1.3). Foto E1.3: Prueba de tenacidad La tenacidad se describe como baja, media o alta, según el siguiente cuadro: S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 279Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo E Tabla E1.9: Criterios para describir la tenacidad Descripción Criterio Baja Sólo se requiere una ligera presión para enrollar el bastón de tal manera que llegue a su límite plástico. El bastón y el grumo son frágiles y suaves. Media Se requiere una presión media para enrollar el bastón de tal manera que llegue a su límite plástico. El bastón y el grumo tienen una rigidez media. Alta Se requiere una considerable presión para enrollar el bastón de tal manera que llegue a su límite plástico. El bastón y el grumo tienen una rigidez bastante alta. Cuanto mas tenaz es el rollito y cuanto mas duros son los trozos al desmoronarse, mas importante es la fracción arcillosa del suelo. Durante el ensayo se deben observar las características del suelo analizado. 1. Resistencia que opone el suelo al amasado cuando está cerca de las condiciones de ruptura descritas: una arcilla opone mucha resistencia al amasado, en cambio un limo opone una baja resistencia. 2. Plasticidad: durante el amasado el suelo está constantemente perdiendo humedad y durante todo el proceso de amasado, el suelo se comporta plásticamente, pero deja de hacerlo una vez que alcanza la humedad que tiene el bastón al romperse. 3. Brillo: cuando se alcanza la rotura del bastón de suelo, se pueden unir sus partes al oprimirlas entre sí fuertemente con los dedos, se frota la superficie contra la uña y se observa si brilla (las arcillas presentan una superficie brillante que va en aumento según el crecimiento de la plasticidad, es decir, es más brillante si la arcilla es más plástica). Resistencia en Estado Seco (a la disgregación) Se prepara una muestra de suelo, a la que se debe añadir agua si es necesario. Se deja secar la pastilla expuesta al sol y aire, probando después su resistencia rompiéndola y desmoronándola entre los dedos. La resistencia (en esta seco) aumenta con la plasticidad (presencia de arcilla). Foto E1.4: Resistencia en estado seco S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 280Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo E La resistencia del suelo en estado seco, se puede describir según la siguiente tabla: Tabla E1.10: Criterios para describir la resistencia en estado seco Descripción Criterio Nula La muestra seca se desmorona con sólo la presión o la manipulación. Baja La muestra seca se desmorona con poca presión. Media La muestra seca se rompe en pedazos o se desmorona con la presión considerable con el dedo. Alta La muestra seca no puede romperse con la presión del dedo. Sólo se romperá en pedazos entre el dedo pulgar y una superficie dura. Muy alta La muestra seca no puede romperse entre el pulgar y una superficie dura. Resistencia en estado seco muy alta es característica de las arcillas. Un limo inorgánico posee una resistencia en estado seco nula. Las arenas finas limosas y los limos tienen resistencia baja. Plasticidad Basándose en las observaciones hechas durante el ensayo de tenacidad, describa la plasticidad del material de acuerdo a los criterios dados en la siguiente tabla. Tabla E1.11: Criterios para describir la plasticidad Descripción Criterio No plástica Un bastón de 3 mm no puede enrollarse con algún contenido de agua. Baja Un bastón puede apenas enrollarse y el grumo no se puede formar cuando está más seco de lo que su límite plástico puede permitir. Media Un bastón es fácil de enrollar y no se requiere mucho tiempo para alcanzar el LP. Un bastón no puede enrollarse después de alcanzado el LP. El grumo se desmorona cuando está más seco que su LP. Alta Tiempo considerable en enrollar y amasar hasta alcanzar el LP. Un bastón puede reenrollarse varias veces después de alcanzar su LP. Se puede formar un grumo sin que se desmorone, aún más seco que su LP. Identificación de Suelos Finos con Pruebas Manuales En la tabla E1.12 se compilan los tipos de suelos y su comportamiento ante las pruebas de campo. En la tabla E1.13 se muestran las expresiones cualitativas y cuantitativas de la arcilla. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 281Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo E Tabla E1.12: Identificación de Suelos con Pruebas Manuales Suelo Típico Resistencia en Estado Seco Dilatancia Tenacidad Tiempo de sedimentación en prueba de dispersión Limo arenoso ninguna a muy baja Rápida De débil a baja De 30 a 60 min Limo muy baja a baja Rápida De débil a baja De 15 a 60 min Limo arcilloso baja a media De rápida a lenta Media De 15 min. a varias horas Arcilla arenosa baja a alta De lenta a ninguna Media De 30 seg. a varias horas Arcilla limosa Media a alta De lenta a ninguna Media De 15 min. a varias horas Arcilla alta a muy alta Ninguna Alta De varias horas a días Limo orgánico baja a media Lenta De débil a baja De 15 min. a varias horas Arcilla orgánica Media a muy alta Ninguna Alta De varias horas a días Tabla E1.13: Expresiones Cualitativas y Cuantitativas de la Consistencia de las Arcillas Consistencia Características NSPT Resistencia a la Compresión Simple qu (kg/cm2) Identificación de campo Muy blanda 0 - 2 < 0.25 El puño puede penetrar en ella fácilmente varios centímetros Blanda Arcillas de formación reciente, arcillas normalmente consolidadas 3 - 5 0.25 – 0.50 El pulgar puede penetrar en ella fácilmente varios centímetros Media 6 - 9 0.50 – 1.00 El pulgar con esfuerzo moderado puede penetrar en ella varios centímetros Firme o rígida Arcillas preconsolida- das resecadas o cementadas 10 - 16 1.00 – 2.00 El pulgar se encaja fácilmente pero solo penetra con gran esfuerzo Muy rígida 17 - 30 2.00 – 4.00 La uña del pulgar se encaja fácilmente Dura Arcillas sobreconsolida- das > 30 > 4.00 La uña del pulgar se encaja con dificultad S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 282Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo E E1.5 REPORTE DE CAMPO El reporte de campo debe incluir el origen y los puntos indicados en la tabla E.14. TABLA E1.14: LISTA DE CHEQUEO PARA DESCRIPCIÓN DE SUELOS 1. Nombre de grupo. 2. Símbolo de grupo. 3. Porcentaje de cantos rodados o boleos, o ambos (por volumen). 4. Porcentaje de grava, arena o finos, o los tres (por peso seco). 5. Rango del tamaño de la partícula: Grava - fina, gruesa. Arena - fina, media, gruesa. 6. Angularidad de la Partícula: angular, subangular, subredondeada, redondeada. 7. Forma de la partícula: (si fuera apropiado) chata, alargada, chata y alargada. 8. Tamaño o dimensión máxima de la partícula. 9. Dureza de la arena gruesa y de las partículas mayores. 10. Plasticidad de finos: no plástica, baja, media, alta. 11. Resistencia en estado seco: nula, baja, media, alta, muy alta. 12. Dilatancia: nula, lenta, rápida. 13. Tenacidad: baja, media, alta. 14. Color: (en condición húmeda). 15. Olor: (mencionar sólo si fuera orgánico o inusual). 16. Humedad: seca, humedad baja, humedad alta. 17. Reacción con HCl: nula, débil, fuerte. Para muestras inalteradas: 18. Consistencia (sólo suelos de grano fino): muy suave, suave, firme, dura, muy dura. 19. Estructura: Estratificada, laminada, fisurada, de plano de resbalamiento, lenticulada, homogénea. 20. Cementación: débil, moderada, fuerte. 21. Nombre local. 22. Interpretación geológica. 23. Comentarios adicionales: presencia de raíces o agujeros de raíces; presencia de mica, yeso, etc.; superficie revestida de partículas de grano grueso, corrimientos o desprendimientos de agujeros de las paredes de las perforaciones, dificultad en la perforación o excavación, etc. Nota Si se desea, los porcentajes de grava, arena y finos pueden establecerse en términos que indiquen un rango de porcentajes tal y como sigue: Trazos - Si presentan partículas en un estimado menor al 5%. Poco - 5 a 10%. Pequeño - 15 a 25%. Mucho - 30 a 45%. Bastante - 50 a 100%. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 283Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo E E1.6 EJEMPLOS Grava arcillosa con arena y cantos rodados, GC, alrededor del 50% de grava fina a gruesa, subredondeada a subangular; 30% de arena fina a gruesa subredondeada; 20% de finos con plasticidad media, resistencia en estado seco alto, dilatancia nula, resistencia media; la muestra original de campo tiene aproximadamente 5% (por volumen) de cantos rodados subredondeados y una dimensión máxima de 150 mm. Condiciones del lugar - Firme, homogéneo, seco, marrón. Interpretación geológica - Lodo aluvial. Grava bien graduada con arena (GW) - Alrededor del 75% de grava fina a gruesa, dura y subangular; 25% de arena fina a gruesa, dura y subangular; una pizca de finos; tamaño máximo, 75mm, marrón, seca; reacción nula al HCl. Arena limosa con grava (SM) - Alrededor del 60% es predominantemente arena fina; 25% son finos limosos con baja plasticidad, resistencia en estado seco lenta, dilatancia rápida y baja tenacidad. Con 15% de grava fina, dura y subredondeada, pocas partículas de grava fracturadas con un martillazo; tamaño máximo, 25mm; no reacciona al HCl (Nota - El tamaño de la muestra de campo es más pequeño que el recomendado). Condiciones in-situ - Firme, estratificada, contiene lentes de limo de 1 a 2 pulgadas (25 a 50mm) de espesor, húmedo, marrón a gris; densidad natural 1.4 tn/m3, humedad natural 9%. Suelo Orgánico (OL/OH) - Alrededor del 100% de finos con plasticidad baja, dilatancia lenta, esfuerzo seco bajo y resistencia baja; húmedo, marrón oscuro, olor orgánico, reacción débil con el HCl. Arena limosa con finos orgánicos (SM) - Alrededor del 75% de arena fina a gruesa, dura, subangular y rojiza; 25% de finos orgánicos y limosos marrón oscuro, no plásticos, con resistencia en estado seco nula y dilatancia lenta; húmeda, tamaño máximo, arena gruesa, reacción débil al HCl. Grava pobremente gradada con limo, arena, boleos y cantos rodados (GP-GM) - Alrededor del 75% de grava fina a gruesa, dura, subredondeada a subangular; 15% de arena fina, dura, subredondeada a subangular; 10% de finos limosos no plásticos, húmedo, marrón, reacción nula al HCl; la muestra de campo original tiene un aproximado de 5% (por volumen) de boleos subredondeados y duros y una pizca de cantos rodados duros y subredondeados, con una dimensión máxima de 18 pulgadas (450mm). S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 284Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo E E2 Ensayo de penetración ligera, Dynamic Probing Light-DPL y posteadora manual Iwan Auger (Documento Referencial: DIN 4094) E2.1 ENSAYO DE PENETRACIÓN LIGERA CON DPL Los sondeos de campo permiten complementar la información recabada por otros medios de exploración, como las calicatas. Los sondajes permiten identificar límites entre estratos, presencia de gravillas o cavidades. Los ensayos de penetración permiten correlacionar la resistencia del suelo a la penetración con su densidad relativa. Se utiliza el Cono Ligero Alemán de acuerdo a la norma DIN 4094 incorporado en la Norma Técnica E0.50 de Suelos y Cimentaciones por el Ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construcción. Dado que el cono alemán transmite la misma energía específica que el Ensayo de Penetración Estándar S.P.T. Norma ASTM D 1586; según la norma DIN, no es necesario utilizar otras correlaciones para la interpretación de los resultados. El equipo de cono ligero (foto E2.1) consiste de un cono de punta cónica de 90º y 2.2 cm de diámetro. El martillo pesa 10 kg y la altura de caída es de 50 cm. El valor NDPL corresponde al número de golpes para conseguir 10 cm de penetración. El ensayo es continuo y se registran valores cada 10 cm de profundidad. Por la cantidad de datos de la resistencia a la penetración este ensayo es muy recomendado en cimentaciones. La foto E2.2 muestra la realización del ensayo. La principal limitación del ensayo es la presencia de gravas en el subsuelo que altera los resultados o en el peor de los casos impide el ensayo. En la tabla E2.1 se muestra las relaciones entre la densidad relativa del suelo y su número de golpes del SPT, estas correlaciones también pueden ser usadas cuando el equipo de penetración es DPL. E2.2 POSTEADORA MANUAL El barrenador manual (posteadora o Iwan Auger) es una herramienta manual muy simple que se usa para perforaciones o sondajes en suelos blandos hasta una profundidad de 5 a 6 m. La forma usual es un barrenador para arcilla semicilíndrica de 10 cm. de diámetro, unido por medio de una serie de varillas de extensión de 1m a un mango en forma de cruceta que se hace girar manualmente desde la superficie. Las cucharas acopladas en el extremo para extraer muestras tienen diseño especial cuando se trate de suelos puramente cohesivos (arcillas) o friccionantes (arenas). S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 285Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo E Foto E2.1.- Equipo de Penetración Ligera, DPL, compuesto por cabezal, martillo y guía Foto E2.2: Ensayos de penetración ligera con cono. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 286Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo E Tabla E2.1: Relaciones empíricas de , Dr, y peso unitario de suelos granulares normalmente consolidados basados en ensayos SPT para profundidades menores de 6 m Descripción Muy Suelto Suelto Medio Denso Muy Denso Densidad Relativa, Dr 0 0.15 0.35 0.65 0.85 SPT N70 Fino, 0.075-0.425 mm 1-2 3-6 7-15 16-30 ? Medio, 0.425-2 mm 2-3 4-7 8-20 21-40 > 40 Grueso, 2-4.750 mm 3-6 5-9 10-25 26-45 > 45 φ: Fino 26-28 28-30 30-34 33-38 Medio 27-28 30-32 32-36 36-42 < 50 Grueso 28-30 30-34 33-40 40-50 γd (gr/cm3) 1.2-1.4 1.4-1.6 1.6-1.8 1.8-2.0 Foto E2.2.- Posteadora manual Iwan Auger, compuesto por manivela, varillas y cuchara S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 287Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo E M O D E L O D E R E G I S T R O D E E X P L O R A C I O N E S 0 10 20 30 50 2.20 50 P R O F U N D . (M E T R O S ) T ip o d e S o n d eo DESCRIPCION DEL MATERIAL P R O F U N D ID A D ( M E T R O S ) ENSAYO DE PENETRACION LIGERA Golpe x 10cm. GRAFICA DE N C la si fi ca ci ó n S U C S 0.10 C A L IC A T A A C IE L O A B IE R T O + P E N E T R A C IÒ N L IG E R A 1.10 0.90 1.90 0.10 GM SM 0.50 0.70 0.30 4 0.20 0.20 5 0.30 9 0.40 0.40 4 0.50 7 0.60 0.60 12 0.70 13 0.80 0.80 8 0.90 Arena limosa, humeda, con raicez, en estado suelto a semi- compacto, cementado. Presencia de gravillas aisladas. NDPL entre 4 a 12. 12 1.00 10 1.00 1.10 13 1.20 1.20 29 1.30 1.30 32 1.40 1.40 30 1.50 1.60 1.50 50 1.60 50 1.70 1.80 1.90 50 1.70 50 1.80 50 2.00 2.00 50 2.10 2.10 50 2.20 Gravas y pequeños cantos rodados en matriz limo arcillosa, semi compacto, pobremente graduado, cementada, color blnaco amarillento, con presencia de bolones subredondeados de TM=8". Porcentaje de bolones de 10%. NDPL mayor de 50. Sin presencia significativa de sales agresivas al concreto. Cloruros : 102.56 ppm > > > > > > > > S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 288Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo E E3 Densidad de Campo con el Cono y la Arena (Documento Referencial: ASTM D 1556) E3.1 INTRODUCCIÓN El ensayo mide la densidad del suelo in situ. Las normas de la referencia recomiendan la utilización de este método en suelos con partículas no mayores de 2” de diámetro. La densidad natural del terreno es de suma importancia para evaluar los resultados de capacidad de soporte (C.B.R.) sobre todo en subrasantes arcillosas o limosas. Otra aplicación de este ensayo es en los controles de compactación de campo (conformación de terraplenes, capas de afirmado, base y sub base) Conociendo la máxima densidad seca y el óptimo contenido de humedad del suelo a compactar, se puede verificar el porcentaje de compactación con este ensayo. El ensayo permite medir la densidad del suelo. Se excava un hoyo en la zona de estudio, cuyo material retirado es pesado. El volumen del hoyo se obtiene de manera indirecta, con la densidad de la arena calibrada y el peso de arena que entra en el hoyo. E3.2 EQUIPO DE COMPACTACIÓN Cono de Arena Recipiente que tenga un volumen aproximadamente igual o mayor a 3785 lt (1 gal). Un utensilio desarmable que consiste en una válvula cilíndrica con un orificio de 12.7 mm de diámetro, que tiene un pequeño embudo de metal conectado a un recipiente de un galón en un extremo y a un embudo de metal (cono) en el otro extremo. La válvula deberá tener tapones para prevenir que rote de una posición completamente abierta a otra completamente cerrada. Ver figura E3.1. Una placa cuadrado o rectangular metálico con hueco en el centro para recibir el cono, deberá ser plana en la base y deberá tener espesor, rigidez suficiente y orillas de aproximadamente 10 a 13 mm (3/8 a 1/2 pulg) de altura. Arena La arena deberá ser limpia, seca, uniforme, no cementada, durable y que discurra libremente. Cualquier graduación puede ser usada, siempre que tenga un coeficiente de uniformidad (Cu=D60/D10) menor que 2, tamaño máximo de partículas de 2.00 mm (malla N° 10) y menos del 3% en peso que pase el tamiz 250 μm (malla N° 60). S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 289Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo E Se recomienda el uso de arena consistente, de partículas naturales redondeadas o subredondeadas. La arena triturada o que tenga partículas angulares pueden no tener un libre escurrimiento, por lo que esta condición puede causar una acción puente y por lo tanto imprecisión en la determinación de la densidad. Peso de arena para llenar el cono y el surco de la placa Placa base 3785 cm3 (1 gal.) Figura E3.1: Equipo para el ensayo de cono de arena Las normas recomiendan verificar la densidad de la arena cada 14 días como máximo, la razón es porque la mayoría de las arenas tienen la tendencia de absorber humedad de la atmósfera. Una muy pequeña cantidad de humedad absorbida puede ocasionar una variación sustancial en la densidad de la arena. En zonas de alta humedad o donde la humedad cambia continuamente, la densidad de la arena debe ser determinada más frecuentemente que el máximo intervalo de 14 días indicado. Balanzas Una balanza de capacidad de 10 kg y sensibilidad de 2 gr y otra de capacidad de 200 gr y sensibilidad de 0.1 gr. Equipo de Secado Horno para determinar el contenido de humedad. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 290Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo E Equipo Misceláneo Cuchillo, pico pequeño, cinceles, espátula pequeña, cucharas para retirar el suelo del hoyo. Recipientes con tapas o bolsas de plástico que retengan la humedad del material. Recipientes para pesar el suelo extraído del hoyo. E3.3 CALIBRACIÓN Antes de realizar el ensayo se deberá conocer el peso de la arena en el recipiente contenedor, así como la densidad de la arena, arena, que será empleada en el ensayo. Con anticipación se deberá calcular el peso de arena que entra en el cono y el surco de la placa base. Determinar el peso de arena a ser utilizada Pesar el recipiente contenedor vacío, luego llenarlo con arena, retirar el exceso. Determine el peso del recipiente con arena. Por diferencia se conoce el peso de la arena que será empleada durante el ensayo. Determinar el peso de arena necesaria para llenar el cono Llenar el contenedor con arena. Vierta el equipo sobre la placa base. Abrir la válvula y dejarla que la arena fluya libremente. Tenga el cuidado de no golpear la mesa de ensayo, para no producir vibraciones. Cierre la válvula y retirar el equipo de densidad. Pese el equipo con la arena remanente y calcular la arena perdida. Esta pérdida representa la masa de arena requerida para llenar el cono y el surco de la placa base, W3. Repita el ensayo por lo menos tres veces. El peso de arena usada es el promedio de las tres mediciones. E3.4 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO - Nivele la superficie de estudio con ayuda de la placa base. - Asiente la placa base sobre la superficie nivelada; estando seguro que existe un buen contacto entre la superficie del terreno y el borde del hueco central. Marcar la placa base y controlar que no haya movimiento durante el ensayo. - Hacer un hoyo dentro del hueco de la placa base, cuidar no alterar el suelo que rodea el hueco. El volumen del hoyo será lo suficientemente grande como para minimizar errores. Los lados del hoyo tratarán de ser perpendiculares. El hoyo deberá ser cuidado en lo posible de cavidades, salientes y obstrucciones filudas ya que pueden afectar la precisión S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 291Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo E del ensayo. Los suelos que son esencialmente granulares requieren un cuidado extremo y pueden requerir excavaciones de forma cónica. - Pesar el suelo retirado del hoyo inmediatamente o protegerlo contra pérdida de humedad hasta que se pese, Wsw. Tomar una muestra para determinar el contenido de humedad natural. - Limpiar el borde del hueco central de la placa base e invierta el contenedor de arena acoplado al cono (no olvidar que de antemano se debe conocer el peso del equipo con la arena que será utilizada en el ensayo, W1). Abrir la válvula y dejar que la arena llene el hoyo, el cono y el surco de la placa base. Tener cuidado de no golpear o vibrar el equipo o el terreno durante este paso. Cuando la arena deje de fluir, cierre la válvula. - Pese el equipo con la arena sobrante, W2. E3.5 CÁLCULOS Calcule el volumen del hoyo del ensayo como sigue: ρ −− arena 321 WWW =V donde: V Volumen del hoyo del ensayo, cm3. W1 Peso de arena con equipo antes del ensayo , gr. W2 Peso de arena con equipo al final del ensayo, gr. W3 Peso de arena para llenar el cono y placa base, gr. とarena Densidad de arena, gr/cm3. Calcular la densidad húmeda y seca del material ensayado como sigue: V W = swswρ ω+ ρ ρ 1 = swd donde: V Volumen del hoyo de prueba, cm3. Wsw Peso del suelo natural retirado del hoyo, gr. とsw Densidad natural del material ensayado gr/cm3. とd Densidad seca del material ensayado. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 292Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo E E4 Densidad de Campo con Métodos Nucleares ASTM D 2922 E4.1 OBJETO Medir la densidad y humedad natural del terreno a ser evaluado. La evaluación se puede realizar sobre suelos, suelo-agregado, bases tratadas con cemento o asfalto y carpetas de rodadura. El procedimiento detallado en esta guía es aplicado al Densímetro Nuclear Troxler “RoadReadders” modelo 3440. Se coloca una fuente emisora y un detector de rayos gamma, sobre o dentro del material a ser evaluado, las emisiones recibidas por los detectores se cuantifican. Estos métodos son no destructivos y de relativa facilidad para la realización del ensayo. La intensidad de la radiación detectada, depende en parte, del peso unitario del material. La lectura de la misma se transforma en peso unitario húmedo mediante una curva de calibración. Los resultados pueden variar debido a la composición química, heterogeneidad de la muestra, etc. E4.2 GENERALIDADES El equipo consta de una fuente nuclear emisora de rayos gamma; un detector sensible a estos rayos, modificados al pasar a través del material evaluado; y un medidor para el cronometraje automático, necesario para determinar la velocidad a la cual los rayos gamma modificados llegan al detector. E4.3 MÉTODOS DE ENSAYO La medición de la densidad puede realizarse por medio de dos modos de operación, Retrodispersión o el Modo de Transmisión Directa, dependiendo del tipo de material y del espesor de la capa correspondiente. E4.4 MEDIDAS DE SEGURIDAD Procedimientos detallados de seguridad se hallan fuera del objetivo de esta guía, pero es necesario que las personas que lo empleen se familiaricen con los riesgos de los mismos. E4.5 OPERACIÓN DEL DENSÍMETRO NUCLEAR Retrodispersión La fuente de emisiones gamma y los detectores permanecen dentro del densímetro, colocado sobre la superficie del material a analizar. Las emisiones gamma penetran el material evaluado S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 293Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo E y son recibidas y cuantificadas por los detectores. La retrodispersión se usa principalmente en capas delgadas. Transmisión Directa La fuente gamma se introduce en la capa a través de un orificio de acceso. Las emisiones gamma se transmiten a través del material, hacia los detectores. Se determina la densidad promedio entre la fuente y los detectores. Este modo minimiza la incertidumbre ocasionada por superficies rugosas y composición química del material. Modo recomendado en capas de espesor medio a grueso. Humedad La fuente de neutrones y el detector permanecen dentro del densímetro en la superficie del material a analizar. Los neutrones a alta velocidad se introducen en la capa evaluada, y son parcialmente detenidos por sus colisiones contra los átomos de hidrógeno dentro del material. El detector de helio en el densímetro, cuenta los neutrones con velocidad disminuida; que correlaciona directamente con la humedad en el material. Retrodispersión Transmisión directa Humedad E4.6 MEDIDOR Y ACCESORIOS Los controles, componentes, operaciones principales, seguridades y protecciones del Troxler 3440 se detallan a continuación. Figura E4.1. Medidor. Equipo que mide densidad y humedad, contiene fuentes radiactivas, electrónica y baterías recargables. Bloque de referencia estándar. Usado para el conteo estándar. Placa/guia para varilla de perforación. Usada para preparar el agujero en la medición tipo transmisión directa. Varilla de perforación. Herramienta para extracción de varilla de perforación S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 294Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo E Caja de transporte. Figura E4.1: Partes del Equipo E4.7 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO MÉTODO A - RETRODISPERSION 1. Prepare un área horizontal, con ayuda de la placa de alisado. Levante la plancha para rellenar cualquier depresión o hueco que pudiera existir, coloque la placa de alisado sobre la superficie nuevamente y presione ligeramente hacia abajo para nivelar la superficie, de tal manera que se obtenga el contacto máximo entre el medidor y el terreno a evaluar. La zona debe estar fuera del alcance de otra fuente radiactiva. 2. Asiente el medidor y enciéndalo. 3. Obtenga y registre una o más lecturas de un minuto. 4. Determínese el peso unitario húmedo en el sitio, mediante el empleo de la curva de calibración establecida previamente. MÉTODO B - TRANSMISIÓN DIRECTA 1. Prepárese el sitio de ensayo siguiendo el paso 1 del método A. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 295Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo E 2. Usando los lentes de seguridad, pararse sobre la plancha para sostenerla firmemente y martillar la varilla de perforación por lo menos 2” más abajo de la profundidad de ensayo. La varilla de perforación marca los incrementos incluyendo las 2” adicionales. Antes de remover la varilla de perforación de la placa de alisado, marque el área de prueba según la figura E4.3. Figura E4.2: Posición de la Varilla de Perforación y Extracción con el plato Guía Figura E4.3: Marcando el área de prueba 3. Remover la varilla de perforación tirando hacia arriba y girando la herramienta de extracción. Retire cuidadosamente la placa de alisado y póngala del lado. 4. Coloque el medidor sobre la superficie alineada cuidadosamente con marcas y bajar la varilla de la fuente dentro del agujero usando el manubrio y el mecanismo disparador. Desprender el gatillo a la profundidad deseada y escuche un Click. Presione el tope del manubrio (suavemente) para confirmar la posición de la varilla porta fuente. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 296Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo E 5. Asiéntese firmemente el medidor, rotándolo alrededor de la sonda, con un movimiento hacia atrás y hacia adelante. 6. Empújese suavemente el medidor en la dirección que colocaría el lado de la sonda, contra el lado del orificio más próximo a la localización del detector o la fuente en la caja del medidor. 7. Encienda el equipo. 8. Obténganse y regístrense una o más lecturas de un minuto. 9. Determínese el peso unitario húmedo en el sitio, mediante el uso de la curva de calibración establecida previamente. E4.8 EMPLEO DEL EQUIPO ENCENDIDO DEL MEDIDOR Presione la tecla ON. Luego de aproximadamente 400 segundos la pantalla cambiara a: UNIDADES DE MEDIDA Las unidades disponibles son kg/m3 y lb/pie3. Para ejecutar la función presione SHIFT y SPECIAL para que aparezca: 3 veces Presione 9 para que aparezca: ó Seleccione la unidad requerida. SELECCIÓN DEL TIEMPO DE CONTEO El medidor tiene tres tiempos de conteos, 4 minutos (más largo) y los periodos más cortos. Presione TIME para el despliegue: S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 297Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo E La pantalla regresara a READY. SELECCIÓN DEL MODO Permite seleccionar la función SUELOS o ASFALTO. Presione SHIFT y MODE para el despliegue: Elija el modo que desee usar. Si se elige SUELO, la pantalla mostrará Soil Mode, y después de un momento la pantalla regresará a READY. Si seleccionó ASFALTO la pantalla mostrará: (%MA) : calcula el % de compactación respecto de un Marshall designado. El porcentaje Marshall será: 100 Marshall dado Marshall %Marshall ×= La pantalla mostrará la siguiente etiqueta: Si desea habilitar el porcentaje de vacíos, presione YES. Para calcular el porcentaje de vacíos se debe ingresar la Gravedad específica Teórica Máxima o RICE de la mezcla asfáltica. El porcentaje de vacíos se calculará con la siguiente ecuación: ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −×= Marshall dado Marshall 1100%vacíos La pantalla mostrará la siguiente etiqueta; luego de un corto período de tiempo regresará al modo READY. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 298Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo E INGRESO DE UN NUEVO PROYECTO Presione SHIFT y PROYECTO Presione YES, Presione NO/CE, para desplegar: Ingrese el nombre del proyecto, para caracteres numéricos presione directamente el número, para caracteres alfabéticos, presione SHIFT y luego la letra, presione YES para aceptar el carácter, al finalizar, presione ENTER para activar el número de proyecto y salir. TOMA DE UN CONTEO ESTANDAR Todos los medidores nucleares Troxler, utilizan fuentes radiactivas de bajo nivel para tomar medidas. A medida que se realicen mediciones, la cantidad de radiactividad de la fuente decaerá. Como consecuencia de este decaimiento se debe realizar conteos estándar para reajustar el medidor en compensación a esa caída de radiación. Es importante tomar el Conteo Estándar cuando un medidor es inicialmente recibido de fábrica y antes de tomar medidas en el lugar de trabajo. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 299Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo E Figura E4.4: Mostrando posición de la varilla El medidor debe ser encendido antes de partir al lugar de trabajo. Se irá corriendo la rutina de autotest. Durante el conteo estándar, el medidor compara automáticamente el nuevo conteo estándar con el promedio de los últimos cuatro conteos estándar. El nuevo Conteo Estándar será aceptado PASS, si está en el rango de 1% de la densidad promedio ó 2% de la humedad promedio de los cuatro últimos conteos. Después de tomar el conteo, asegurarse de ingresarlo en la memoria. Para iniciar el conteo estándar coloque el bloque de Referencia en una superficie plana, a por lo menos 2 m de una estructura vertical y 10 m de cualquier otra fuente radiactiva. La superficie debe ser compacta y uniforme con densidad no menor a 1.6 gr/cm3. No colocar el bloque de referencia en superficies inestables como camiones, etc. Coloque el medidor sobre el bloque de referencia, asegurarse de que las superficies en contacto estén limpias. Figura E4.5: medidor sobre bloque de referencia S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 300Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo E Para iniciar el Conteo Estándar, presione STANDARD para el despliegue: YES Coloque la varilla de la fuente en la posición Segura SAFE POS y presione YES para iniciar el conteo estándar de cuatro minutos (240 Segundos). Al final del conteo: La P indica que los nuevos conteos están dentro de los rangos establecidos. Si en lugar de la P aparece una F significa que los porcentajes están fuera de los límites. Verificar si:  La varilla porta fuente está en la posición indicada.  Hay medidores cerca?  El medidor está correctamente colocado sobre el bloque de referencia estándar  La superficie de contacto está limpia  El bloque de referencia esta sobre una superficie recomendada Si todas las otras condiciones están normales, no acepte el conteo estándar recién tomado presione y tome otro conteo estándar. Si el segundo conteo estándar falla, borrar los antiguos conteos estándar y tomar cuatro series nuevas de conteos estándar. Presione YES para aceptar e ingresarlo en la memoria. MEDICIONES DE HUMEDAD - DENSIDAD NOTA IMPORTANTE Si no está tomando ninguna lectura, guarde la varilla porta fuente en la posición segura (SAFE). La varilla se retrae automáticamente cuando el medidor se toma del manubrio. No guarde o transporte el medidor a menos que el bloque corredizo de tungsteno esté completamente cerrado. Los niveles de radiación incrementados pueden violar las regulaciones de transporte, y puede causar la exposición excesiva de radiación de personal. MODO SUELO En modo SUELO, posesionar el medidor en la ubicación apropiada y desprender la varilla porta fuente, presionándola a la profundidad apropiada. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 301Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo E Verificar que todos los parámetros han sido puestos con los valores correctos. Presionar START/ENTER para iniciar la medición. Después que el medidor complete su tiempo de conteo, el despliegue será: La lectura puede ser almacenada para usarla luego. MODO ASFALTO Habilitado el modo asfalto y verificado todos los parámetros iniciar la medición presionando START/ENTER, para el despliegue: Después que el medidor haya completado el tiempo de conteo, el despliegue será: El despliegue mostrado permanecerá hasta que: una tecla de función sea presionada, una nueva medida sea tomada, la tecla NO/CE es presionada o el medidor se apague debido a su inactividad. La lectura puede ser almacenada. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Manual de Densímetros Nucleares Troxler “RoadReaders”, traducción del Laboratorio de Mecánica de Suelos de la Universidad Ricardo Palma. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 302Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F S. MINAYA & A. ORDOÑEZ Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F F1.1 FUNDAMENTO Los agregados deben ser capaces de resistir el desgaste irreversible y degradación durante la producción, colocación y compactación de las obras de pavimentación, y sobre todo durante la vida de servicio del pavimento. Debido a las condiciones de esfuerzo-deformación, la carga de la rueda es transmitida a la superficie del pavimento a través de la llanta como una presión vertical aproximadamente uniforme y alta. La estructura del pavimento distribuye los esfuerzos de la carga, de una máxima intensidad en la superficie hasta una mínima en la subrasante. Por esta razón los agregados que están en, o cerca de la superficie, como son los materiales de base y carpeta asfáltica, deben ser más resistentes que los agregados usados en las capas inferiores, como la sub base, de la estructura del pavimento, la razón se debe a que las capas superficiales reciben los mayores esfuerzos y el mayor desgaste por parte de cargas del tránsito. Por otro lado, los agregados transmiten los esfuerzos a través de los puntos de contacto donde actúan presiones altas. El Ensayo de Desgaste de Los Ángeles, ASTM C-131 (para agregados menores de 1 ½”) y ASTM C-535 (para agregados mayores a ¾”), mide básicamente la resistencia de los puntos de contacto de un agregado al desgaste y/o a la abrasión. F1.2 OBJETIVO Este método describe el procedimiento para determinar el porcentaje de desgaste de los agregados de tamaños menores a 37.5 mm (1 ½”) y agregados gruesos de tamaños mayores de 19 mm(3/4”), por medio de la máquina de los Ángeles. F1.3 EQUIPOS DE LABORATORIO Máquina de desgaste de Los Ángeles Tamices : 3”, 2 ½”, 2”, 1 ½”, 1”, ¾”, ½”, 3/8”, ¼”, Nº4, Nº8. Un tamiz Nº12 para el cálculo del desgaste Esferas de acero: de 46.38 a 47.63 mm de diámetro y entre 390 a 445 gr. Horno: para mantener una temperatura de 110±5 ºC Balanza: aproximación de 1 gr. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 304Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F F1.4 MATERIAL Y CARGA ABRASIVA A UTILIZAR La cantidad de material a ensayar y el número de esferas a incluir dependen de la granulometría del agregado grueso. En las Tablas Nº1 y Nº2, se muestra el método a emplear; así como la cantidad de material, número de esferas, número de revoluciones y tiempo de rotación, para cada uno de ellos. La gradación que se use deberá ser representativa de la gradación original del material suministrado para la obra. Tabla F1.1: Peso de agregado y Nº de esferas para agregados gruesos hasta de 1 ½”, ASTM C 131 A B C D MÉTODO DIÁMETRO CANTIDAD DE MATERIAL A EMPLEAR (gr) Pasa Retenido 1 ½” 1” 1 250±25 1” ¾” 1 250±25 ¾” ½” 1 250±10 2 500±10 ½” 3/8” 1 250±10 2 500±10 3/8” ¼” 2 500±10 ¼” Nº4 2 500±10 Nº4 Nº8 5 000±10 PESO TOTAL 5 000 10 5 000 10 5 000 10 5 000 10 Nº de esferas 12 11 8 6 Nº de revoluciones 500 500 500 500 Tiempo de rotación, min. 15 15 15 15 Tabla F1.2: Peso de agregado y Nº de esferas para agregados gruesos de tamaños mayores a 3/4”, ASTM C-535 1 2 3 MÉTODO DIÁMETRO CANTIDAD DE MATERIAL A USAR (gr) Pasa Retenido 3” 2 ½ ” 2 500±50 2 ½ ” 2” 2 500±50 2” 1 ½” 5 000±50 5 000±50 1 ½” 1 ” 5 000±25 5 000±25 1 ” ¾ ” 5 000±25 PESO TOTAL 10 000 100 10 000 75 10 000 50 Nº de esferas 12 12 12 Nº de revoluciones 1 000 1 000 1 000 Tiempo de rotación, min. 30 30 30 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 305Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F F1.5 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO 1. La muestra llegada al laboratorio deberá ser identificada. Para muestras cuyo tamaño máximo sea menor a 1 ½” ó mayor de ¾” el procedimiento es el mismo. 2. El material deberá ser lavado y secado en horno a temperatura constante de 105-110ºC, y tamizado según las mallas que se indican. Mezclar las cantidades que el método indique, según la Tabla No. F1.1 ó F1.2. 3. Pesar la muestra con precisión de 1 gr. y 5 gr., para tamaños máximos de 1 ½” y 3/4”, respectivamente. 4. Introducir la muestra de ensayo junto con la carga abrasiva en la máquina de Los Ángeles, cerrar la tapa del cilindro. 5. Activar la máquina, regulándose el número de revoluciones indicado por el método. 6. Finalizado el tiempo de rotación, se retiran las cargas y el material. Se tamiza por la malla Nº12. 7. El material retenido en el tamiz Nº12 se lava y seca en horno, a una temperatura constante entre 105º a 110ºC. Pesar la muestra seca. F1.6 CÁLCULOS El porcentaje de desgaste es la relación entre el material que pasa el tamiz No. 12 y el peso inicial. 100 P PP desgaste % inicial finalinicial × − = F1.7 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Resistencia al Desgaste de los Agregados de Tamaños menores de 37.5 mm (1 ½") ASTM C-131 2. Resistencia al Desgaste de los Agregados Gruesos de Tamaños mayores de 19 mm ( 3 /4”) por medio de la Máquina de Los Ángeles ASTM C-535 3. Abrasión Los Ángeles (L.A.) al Desgaste de los Agregados de Tamaños Menores de 37.5 mm (1½”). Norma MTC E207-1999 4. Diseño de Espesores Pavimentos Asfálticos para Calles y Carreteras. Ingº Germán Vivar R. 5. Estructuración de Vías Terrestres. M. en I., I.C. Fernando Olivera Bustamante. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 306Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Foto NºF1.1: Cilindro metálico para realizar la prueba de desgaste de “Los Angeles” S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 307Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Foto Nº F1.2: Tamizar el material según las mallas que se indican S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 308Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Foto Nº F1.3: Pesar los materiales retenidos en las cantidades del método al que corresponden Foto Nº F1.4: Introducir la muestra en la máquina de “Los Angeles” S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 309Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Foto Nº F1.5: Introducir las cargas abrasivas según el método de ensayo S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 310Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Foto Nº F1.6: Finalizado el tiempo de rotación, sacar el agregado y tamizarlo por la malla Nº12 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 311Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F F2.1 FUNDAMENTO Las especificaciones técnicas consideran el porcentaje de agregado grueso con caras fracturadas con el propósito de maximizar la resistencia al esfuerzo cortante con el incremento de la fricción entre las partículas. Otro propósito es dar estabilidad a los agregados empleados para carpeta o afirmado; y dar fricción y textura a agregados empleados en pavimentación. La forma de la partícula de los agregados puede afectar la trabajabilidad durante su colocación; así como la cantidad de fuerza necesaria para compactarla a la densidad requerida y la resistencia de la estructura del pavimento durante su vida de servicio. Las partículas irregulares y angulares generalmente resisten el desplazamiento (movimiento) en el pavimento, debido a que se entrelazan al ser compactadas. El mejor entrelazamiento se da, generalmente, con partículas de bordes puntiagudos y de forma cúbica, producidas, casi siempre por trituración. F2.2 OBJETIVO Este método permite determinar el porcentaje, en peso, de una muestra de agregado grueso con una, dos o más caras fracturadas. F2.3 DEFINICIONES Cara Fracturada una cara angular, lisa o superficie fracturada de una partícula de agregado formada por trituración, otros medios artificiales o por la naturaleza. Discusión para esta norma una cara será considerada “cara fracturada” solamente si su área mínima proyectada es tan grande como un cuarto de la máxima área proyectada (máxima área de la sección transversal) de la partícula y la cara tiene aristas bien definidas; esto excluye las pequeñas irregularidades. Partícula fracturada una partícula de agregado es fracturada si tiene el número mínimo de caras fracturadas especificadas (usualmente uno o dos). S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 312Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Área Proyectada de la cara fracturada (Af) Partícula máxima Área de la sección transversal (Xmáx) Partícula fracturada Esquema de una partícula fracturada con una cara fracturada Una cara será considerada como una cara de fractura solamente si tiene : Af ≥ 0.25 Xmax F2.4 EQUIPOS DE LABORATORIO 1. Balanza de 5 Kg. y sensibilidad al gramo 2. Tamices. 3. Partidor de muestras 4. Espátula F2.5 PREPARACIÓN DE LA MUESTRA 1. Secar la muestra y cuartearla para obtener una masa representativa. 2. Los pesos mínimos para el ensayo se muestran en la siguiente tabla: Tamaño Máximo Nominal Peso mínimo para el ensayo (gr) 3/8” 200 ½” 500 ¾” 1 500 1” 3 000 1 ½” 7 500 2” 15 000 2 ½” 30 000 3” 60 000 3 ½” 90 000 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 313Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F 3. Tamizar la muestra por la malla Nº4 4. Muestras con tamaño máximo nominal mayor o igual a ¾”, pueden ser reducidas al ser tamizadas por la malla 3/8”. Se ensaya el material retenido en la malla 3/8” y la fracción que pase puede reducirse de acuerdo con la norma ASTM C-702 hasta 200 gr. En este caso, sobre cada porción se determina el porcentaje de partículas fracturadas; y se calcula el promedio ponderado en función de la masa original. F2.6 PROCEDIMIENTO 1. Lavar la muestra sobre la malla designada y remover cualquier fino. Secar 2. Determinar la masa de la muestra con una aproximación de 0.1%. 3. Extender la muestra seca sobre una superficie plana, limpia y lo suficientemente grande como para permitir una inspección visual. Para verificar si la partícula alcanza o cumple el criterio de fractura, sostener el agregado de tal manera que la cara sea vista directamente. Si la cara constituye al menos ¼ de la máxima sección transversal, considerarla como cara fracturada. 4. Usando la espátula separar en tres categorías. 1.- Partículas fracturadas dependiendo si la partícula tiene el número requerido de caras fracturadas; 2.- Partículas que no reúnen el criterio especificado; y 3.- Partículas cuestionables. Si el número requerido de caras fracturadas no se consigue en las especificaciones, la determinación será hecha sobre la base de un mínimo de una cara fracturada. Determinar el porcentaje en peso de cada una de las categorías. Si sobre cualquiera de los porcentajes más del 15% del total es cuestionable, repita la evaluación hasta que no más del 15% se repita en esta categoría. F2.7 INFORME Reporte el porcentaje en peso del número de partículas con el número especificado de caras fracturadas, aproximado al uno por ciento de acuerdo a la siguiente fórmula: 100 NQF Q/2F P ×⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ ++ + = Donde: P Porcentaje de partículas con el número especificado de caras fracturadas F Peso o cantidad de partículas fracturadas con al menos el número especificado de caras fracturadas Q Peso o cantidad de partículas cuestionables N Peso o cantidad de partículas en la categoría de no fracturadas que no cumplen el criterio de fractura F2.8 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Determining the Percentage of Fractured Particles in Coarse Agregate. ASTM D-5821 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 314Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Foto NºF2.1: Partículas con una, dos o más caras fracturadas S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 315Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F F3.1 FUNDAMENTO Este método de ensayo asigna un valor empírico a la cantidad relativa, finura y características del material fino presente en una muestra de ensayo formado por suelo granular que pasa el tamiz Nº4 (4.75 mm). El término “Equivalente de Arena” transmite el concepto que la mayoría de los suelos granulares y agregados finos son mezcla de partículas gruesas, arenas y generalmente finos. Para determinar el porcentaje de finos en una muestra, se incorpora una medida de suelo y solución en una probeta plástica graduada que luego de ser agitada separa el recubrimiento de finos de las partículas de arena; después de un período de tiempo, se pueden leer las alturas de arcilla y arena en la probeta. El equivalente de arena es la relación de la altura de arena respecto a la altura de arcilla, expresada en porcentaje. Este método proporciona una manera rápida de campo para determinar cambios en la calidad de agregados durante la producción o colocación. F3.2 EQUIPOS DE LABORATORIO 1. Tubo irrigador. De acero inoxidable, cobre o bronce, de 6.35 mm de diámetro exterior, 508 mm de longitud, cuyo extremo inferior está cerrado en forma de cuña. Tiene dos agujeros laterales de 1 mm de diámetro en los dos planos de la cuña cerca de la punta. 2. Sistema de Sifón. Se compone de un botellón de 1 galón (3.8 lt) de capacidad con un tapón. El tapón tiene dos orificios que lo atraviesan, uno para el tubo del sifón y el otro para entrada de aire. El conjunto deberá ubicarse a 90 cm por encima de la mesa. 3. Probeta graduada. Con diámetro interior de 31.75±0.381 mm y 431.8 mm de altura graduada hasta una altura de 381 mm, provista de un tapón de caucho o goma que ajuste en la boca del cilindro. 4. Tubo flexible. De caucho o goma con 4.7 mm de diámetro, tiene una pinza que permite cortar el paso del líquido a través del mismo. Este tubo conecta el tubo irrigador con el sifón. 5. Pisón de metal. Consistente en una barra metálica de 457 mm de longitud que tiene enroscado en su extremo inferior un disco metálico de cara inferior plana perpendicular al eje de la barra y cara superior de forma cónica. El disco lleva tres tornillos pequeños que sirven para centrarlo dentro del cilindro. Lleva una sobrecarga en forma cilíndrica, de tal manera que el conjunto pese 1 kg. (barra metálica, disco y sobrecarga). S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 274Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F 6. Recipiente metálico. De estaño aproximadamente de 57 mm de diámetro con capacidad de 85±5 ml, borde superior uniforme de modo que la muestra que se coloca en ella se pueda enrasar para conseguir el volumen requerido. 7. Cronómetro o reloj. Lecturas en minutos y segundos 8. Embudo. De boca ancha para incorporar la muestra de ensayo en la probeta graduada. 9. Tamiz Nº4. 10. Recipiente para mezcla 11. Horno. Capaz de mantener temperaturas de 110±5ºC. 12. Papel filtro. Watman Nº2V o equivalente Los materiales que forman parte del equipo de ensayo de equivalente de arena son: Lista de Materiales Ensamblaje Parte Descripción Material Ensamblaje de sifón 1 Tubo de sifón Cobre, puede ser niquelado 2 Manguera de sifón Caucho, goma pura o equivalente 3 Manguera de purga A 4 Tubo de purga Caucho, goma pura o equivalente 5 Tapón con dos agujeros Nº6 6 Tubo irrigador Cobre, puede ser niquelado 7 Abrazadera Caucho Probeta graduada B 8 Tubo Acrílico transparente 9 Base Acrílico transparente Ensamblaje para lectura de arena 10 C 11 Indicador para lectura de arena Nylon 101 tipo 66 templado Bronce, puede ser niquelado 12 Acero, puede ser niquelado 13 Barra Metal resistente a la corrosión 14 Pesa Bronce 15 Pasador Caucho, puede ser niquelado Pie Tapón sólido Fuente: Sand Equivalent Value of Soils and Fine Aggregate. ASTM D 2419-91 F3.3 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO 1. Reactivos, materiales y preparación de la Solución Madre Reactivos y materiales Cloruro de calcio anhidro, 454 gr. Glicerina USP, 2050 gr (1640 ml) S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 275Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Formaldehído, (40% en volumen) 47 gr (45 ml) Preparación Disolver 454 gr. cloruro de calcio anhidro en 0.5 gal (1.9 lt) de agua destilada. Se deja enfriar a temperatura ambiente y se pasa por papel de filtro. A la solución filtrada se le incorpora los 2050 gr de glicerina y 47 gr. de formaldehído mezclar bien. 2. Reactivos, materiales y preparación de la Solución de Trabajo Reactivos y materiales Solución madre Agua destilada Preparación Diluir 85±5 ml al ras de la solución madre en 1 gal (3.8 lt) de agua destilada. 3. Preparación de la muestra a. Separar aproximadamente 1500 gr de material que pase el tamiz Nº 4 (4.75 mm) Tener el cuidado de desmenuzar todos los terrones de material fino y limpiar cualquier cubierta de fino que se adhiere al agregado grueso, estos finos pueden ser removidos por secado superficial del agregado grueso y frotación entre las manos sobre un recipiente plano. Añádase este material a la porción fina de la muestra. b. Para determinar la cantidad del material para el cuarteo • Si fuera necesario humedecer el material, para evitar segregación o pérdida de finos durante el cuarteo. Tener cuidado al adicionar agua a la muestra, para mantener una condición de flujo libre de material. • Usando el recipiente metálico de 85±5 ml de capacidad, saque cuatro medidas de muestra. Cada vez que se llene una medida golpear ligeramente, la parte inferior del recipiente sobre una superficie dura por lo menos cuatro veces. • Registre la cantidad de material contenido en las cuatro medidas, ya sea por peso o volumen, de la probeta de plástico. • Regrese el material a la muestra y proceda a separarla por cuarteo. Obtener la cantidad suficiente de muestra para llenar la medida. • Secar el especímen de ensayo a peso constante de 105±5ºC y dejarlo enfriar a temperatura ambiente antes del ensayo. c. Manteniendo la condición de flujo libre, humedecer lo suficiente el material para evitar segregación o pérdida de finos durante el cuarteo. d. Separar por cuarteo entre 1000 y 1500 gr de material. Colóquelo en un recipiente y mezcle en forma circular hacia el centro, por un minuto, hasta obtener una mezcla uniforme. e. Verificar las condiciones de humedad del material apretando con la mano una porción de material, si se forma una masilla que permite abrir la mano sin romperse, la mezcla tiene el rango correcto de humedad. • Si la muestra está muy seca se desmoronará, debiendo adicionar agua; volver a mezclar y probar si se formó la masilla plástica. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 276Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F • Si la muestra está muy húmeda deberá secarse al aire, mezclándola frecuentemente para asegurar uniformidad y ensayándola nuevamente. 6. Si la humedad inicial se encuentra dentro de los límites arriba descritos, la muestra se puede ensayar inmediatamente. Si la humedad es diferente a los límites indicados, la muestra deberá ponerse en una vasija, cubriéndola con una toalla húmeda que no toque el material, por espacio de 15 min. como mínimo. 7. Después de transcurrido el tiempo mínimo, remezclar por 1 min. sin agua, formando un cono con el material, utilizando una paleta. 8. Tome el recipiente metálico en una mano y presiónese contra la base del cono mientras se sostiene a éste con la mano libre. 9. A medida que el recipiente atraviesa el cono manténgase suficiente presión en la mano para que el material lo llene por completo. Presiónese firmemente con la palma de la mano compactando el material hasta que éste se consolide, el exceso debe ser retirado y desechado, enrasando con la paleta a nivel del borde del recipiente. 4. Preparación de Aparatos 1. Ajustar el sifón a un botellón de 1.0 gal (3.8 lt) conteniendo la solución de trabajo de cloruro de calcio. Colocarlo en un anaquel ubicado a 91±3 cm sobre la mesa de trabajo. 2. Soplar el sifón dentro del botellón con solución, por el tubo de purga y con la abrazadera abierta. 5. Procedimiento 1. Por el sifón verter 102±3 mm. de solución de trabajo de cloruro de calcio, en la probeta. 2. Con ayuda del embudo verter en la probeta, 85±5 cm3 del suelo preparado. 3. Golpear la parte baja del cilindro varias veces con la palma de la mano para desalojar las posibles burbujas de aire y para humedecer completamente la muestra. Dejar reposar durante 10±1 min. 4. Transcurridos los 10 min., tapar la probeta con un tapón; suelte el material del fondo invirtiendo parcialmente el cilindro y agitándolo a la vez. El material puede ser agitado con cualquiera de los siguientes métodos: 4.1 Método mecánico Colóquese la probeta tapada en el agitador mecánico, y permitir que lo sacuda por 45±1 s. 4.2 Método del agitador manual • Ajustar la probeta tapada con las tres pinzas de resorte, sobre el soporte del agitador manual y ponga el contador en tiempo cero. • Párese frente al agitador y fuerce el puntero sobre la marca límite pintada en el tablero, aplicando la fuerza horizontal sobre la biela resortada del lado derecho. Luego retirar la mano de la biela y deje que la acción del resorte mueva el soporte y la probeta en la dirección opuesta sin ayuda e impedimento alguno. • Aplique suficiente fuerza a la biela resortada, con la mano derecha, durante el recorrido con empuje para llevar el índice hasta la marca límite del émbolo, S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 277Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F empujando la biela con la punta de los dedos para mantener un movimiento oscilatorio suave. El centro del límite de carrera está colocado para prever la longitud adecuada del movimiento y su ancho se ajusta al máximo de variación permitida. La cantidad correcta de agitación se logra solamente cuando el extremo del índice invierte su dirección dentro de los límites marcados. Una correcta agitación puede mantenerse usando solamente el antebrazo y la muñeca para mantener el agitador. • Continúe la agitación por 100 ciclos. 4.3 Método manual • Sujetar la probeta en posición horizontal y sacudirla vigorosamente de izquierda a derecha. • Agitar el cilindro 90 ciclos en 30 segundos, usando un recorrido de 23±3 cm. Un ciclo se define como el movimiento completo a la derecha seguido por otro a la izquierda. El operador deberá mover solamente los antebrazos manteniendo el cuerpo y hombros relajados. • Concluida con la operación de agitación, colocar la probeta verticalmente sobre la mesa de trabajo y quitar el tapón. 5. Proceso de irrigación. • El cilindro no deberá moverse de su posición vertical y con la base en contacto con la superficie de trabajo. • Introduzca el tubo irrigador en la parte superior de la probeta, suelte la abrazadera de la manguera y limpie el material de las paredes de la probeta mientras el irrigador baja. El irrigador debe llegar hasta el fondo, aplicando suavemente una presión y giro mientras que la solución de trabajo fluye por la boca del irrigador, esto impulsa el material fino desde el fondo hacia arriba poniéndolo sobre las partículas gruesas de arena. • Cuando el nivel del líquido alcance la señal de los 38 cm, levante el tubo irrigador despacio sin que deje de fluir la solución, de tal manera que el nivel se mantenga cerca de 38 cm mientras se saca el tubo. Regule el flujo justo antes que el tubo esté completamente fuera y ajuste el nivel final a los 38 cm. 6. Lectura de arcilla. • Dejar reposar durante 20 min. ± 15 s. Comience a medir el tiempo luego de retirar el tubo irrigador. • Al término de los 20 min., leer el nivel superior de la suspensión de arcilla. Este valor se denomina lectura de arcilla. Si la línea de marca no es clara transcurridos los 20 min. del período de sedimentación, permita que la muestra repose sin ser perturbada hasta que una lectura de arcilla pueda ser claramente obtenida; inmediatamente, lea y anote el nivel máximo de la suspensión arcillosa y el tiempo total de sedimentación. Si el período total de sedimentación excede los 30 min., efectúe nuevamente el ensayo, usando tres especimenes individuales de la misma muestra. Registre la lectura de la columna de arcilla para la muestra que requiere el menor tiempo de sedimentación como lectura de arcilla. 7. Lectura de arena. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 278Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F • Después de la lectura de arcilla, introduzca en la probeta el ensamblaje del pie (conjunto del disco, varilla y sobrepeso) y baje lentamente hasta que llegue sobre la arena. No permitir que el indicador golpee la boca de la probeta mientras se baja el conjunto. • Cuando el conjunto toque la arena con uno de los tornillos de ensamblaje hacia la línea de graduación de la probeta, lea y anote. Restar 25.4 cm. del nivel indicado en el borde superior del indicador y registrar este valor como la lectura de arena. 8. Después de tomar la lectura de arena, tenga cuidado de no presionar con el pie porque podría dar lecturas erróneas. 9. Si las lecturas de arcilla y arena están entre 2.5 mm de graduación (0.1”), registrar el nivel de graduación inmediatamente superior como lectura. F3.4 CÁLCULO E INFORME 1. Calcule el equivalente de arena con aproximación a 0.1% como sigue: 100 arcilla Lectura arena Lectura SE ×= Donde: SE Equivalente de arena expresado en porcentaje 2. Si el equivalente de arena calculado no es un número entero redondéelo al entero inmediato superior. Por ejemplo, si el nivel de arcilla fue 8.0 y el nivel de arena fue 3.3, el equivalente de arena calculado será: 2.41SE 100 8.0 3.3 SE = ×= El valor de equivalente de arena reportado será el número entero inmediato superior, que para el ejemplo es 42. 3. Si se desea el promedio de una serie de valores de equivalente de arena, promediar los valores redondeados. Si el promedio de estos valores no es un número entero, redondear al número entero inmediatamente superior como se muestra en el siguiente ejemplo: Calcular el valor de equivalente de arena promedio de: 41.2; 43.8 y 40.9 Redondeando se tiene: 42; 44 y 41 ( ) 3.42 3 414442 SE = ++ = El promedio de estos valores es: El equivalente de arena redondeado es 43. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 279Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F F3.5 OBSERVACIONES La temperatura de la solución de trabajo se debe mantener a 22±3ºC durante el ensayo, si las condiciones de campo impiden tener este rango, las muestras deben ser ensayadas en el laboratorio donde el control de la temperatura es posible. También es posible elaborar curvas de corrección por temperatura para cada material a ser ensayado. 1. Realizar el ensayo en un lugar libre de vibraciones. El exceso de estas puede causar que la relación entre el material suspendido y el sedimentado sea mayor. 2. No exponer las probetas de plástico a la luz del sol a no ser que sea necesario. 3. Será necesario limpiar el crecimiento de hongos dentro del tubo de jebe y del tubo irrigador, con un solvente limpio de hipocloruro de sodio (blanqueador doméstico de cloro) y agua en la misma cantidad. 4. En ocasiones los agujeros de la punta del tubo irrigador se obstruyen con partículas de arena, estas deben liberarse con ayuda de una aguja u otro objeto similar que sea posible introducir sin incrementar el tamaño de la abertura. 5. El recipiente de mezcla y almacenamiento para soluciones deberá estar limpio. No debe incorporarse una solución nueva a una solución antigua. 6. Si las lecturas de arcilla y arena se encuentran entre líneas de graduación, se anotará la lectura correspondiente a la graduación inmediata superior. 7. Si el valor de equivalente de arena en una muestra está por debajo de las especificaciones para dicho material, hacer dos ensayos adicionales en la misma muestra y tomar el promedio de los tres como el equivalente de arena. 8. Para obtener el promedio de una serie de valores de equivalente de arena, promédiese el número de valores enteros determinados. F3.6 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1.- Sand Equivalent Value of Soils and Fine Aggregate ASTM D 2419-91 2.- Equivalente de Arena, Suelos y Agregados Finos. Norma MTC E114-1999 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 280Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Foto NºF3.1: Equipo de Equivalente de Arena. Foto Nº F3.2: Cuartear el material. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 281Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Foto Nº F3.3: Tamizar la muestra representativa por la malla Nº4 (4.75 mm). S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 282Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Foto Nº F3.4: Por el sistema de sifón verter 102±3 mm de solución de trabajo en la probeta S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 283Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F del suelo Foto Nº F3.5: Verter en la probeta, 85±5 cm3 preparado en el recipiente. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 284Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Foto Nº F3.6: Luego que la muestra repose 10±1 min. tapar la probeta y agitar S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 285Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Foto Nº F3.7: Dejar reposar por 20 min±15 s y definir la lectura de arcilla. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 286Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Foto Nº F3.8: Introduzca en la probeta el ensamblaje del pie y baje lentamente hasta que llegue sobre la arena. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 287Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Foto Nº F3.9: Cuando el conjunto toque la arena, lea y anote. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 288Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F F4.1 FUNDAMENTO Es el porcentaje de pérdida de material en una mezcla de agregados durante el ensayo de durabilidad de los áridos sometidos al ataque con sulfato de sodio o sulfato de magnesio. Este ensayo estima la resistencia del agregado al deterioro por acción de los agentes climáticos durante la vida útil de la obra. Puede aplicarse tanto en agregado grueso como fino. El ensayo se realiza exponiendo una muestra de agregado a ciclos alternativos de baño de inmersión en una solución de sulfato de sodio o magnesio y secado en horno. Una inmersión y un secado se consideran un ciclo de durabilidad. Durante la fase de secado, las sales precipitan en los vacíos del agregado. En la reinmersión las sales se rehidratan y ejercen fuerzas de expansión internas que simulan las fuerzas de expansión del agua congelada. El resultado del ensayo es el porcentaje total de pérdida de peso sobre varios tamices para un número requerido de ciclos. Los valores máximo de pérdida son aproximadamente de 10 a 20% para cinco ciclos de inmersión-secado. F4.2 OBJETIVO El método describe el procedimiento que debe seguirse para determinar la resistencia a la desintegración de los agregados por la acción de soluciones de sulfato de sodio o de magnesio. F4.3 EQUIPOS DE LABORATORIO Tamices Para ensayar agregado grueso 3 /8”, ½”, ¾”, 1”, 1 ½”, 2” y 2½” Para ensayar agregado fino Nº 50, Nº 30, Nº 16, Nº 8 y Nº 4 Recipientes. mallas metálicas que permiten sumergir las muestras en la solución utilizada, facilitando el flujo de la solución e impidiendo la salida de las partículas del agregado. El volumen de la solución en la cual se sumergen las muestras será, por lo menos, cinco veces el volumen de la muestra sumergida. Balanzas. Capacidad de 500 gr. y sensibilidad de 0.1 gr. para el agregado fino y de capacidad no menor a 5000 gr. y sensibilidad de 1 gr. para el agregado grueso. Horno. Capaz de mantener una temperatura de 110 ± 5ºC S. MINAYA & A. ORDOÑEZ Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Preparación de las Soluciones 1. Solución de Sulfato de Sodio ( )42SONaSi se va emplear sulfato de sodio de forma anhidra , disolver 215 gr.; en caso de utilizar sulfato de sodio hidratado ( )O.10HSONa 242 , disolver 700 gr. en un litro de agua a la temperatura de 25 a 30ºC. Dejar reposar la preparación por 48 horas a 21 ± 1ºC, antes de su empleo. Al concluir el período de reposo deberá tener un peso específico entre 1.151 y 1.174 gr/cm3. La solución que presente impurezas debe filtrarse y debe volverse a comprobar su peso específico. Nota 1. Para conseguir la saturación a 22°C de 1 dm3 de agua, son suficientes 215 gr. de la sal anhidra ó 700 gr. de la hidratada. No obstante, como estas sales no son completamente estables y puesto que es preferible que haya un exceso de cristales en la solución, se recomienda como mínimo, el empleo de 350 g de la sal anhidra y 750 g de la sal hidratada. 2. Solución de Sulfato de Magnesio Si se va emplear sulfato de magnesio de forma anhidra ( )4MgSO , disolver 350 gr.; en caso de utilizar sulfato de magnesio hidratado ( )O.7HMgSO 24 , disolver 1230 gr. en un litro de agua a la temperatura de 25 a 30ºC. Dejar reposar la preparación por 48 horas a 21±1ºC, antes de su empleo. Al concluir el período de reposo deberá tener un peso específico entre 1.295 y 1.302 gr/cm3. La solución que presente impurezas debe filtrarse y debe volverse a comprobar su peso específico. Nota 2 Para conseguir la saturación a 22 °C de 1 dm3 de agua, son suficientes 350 gr. de la sal anhidra ó 1230 gr. de la hidratada. No obstante, como estas sales no son completamente estables y puesto que es preferible que haya un exceso de cristales en la solución, se recomienda como mínimo, el empleo de 400 gr. de la sal anhidra y 1400 gr. de la sal hidratada. F4.4 PREPARACIÓN DE LAS MUESTRAS Agregado fino La muestra deberá pasar el tamiz 3/8” y ser retenido en la malla Nº50. Cada fracción de la muestra comprendida entre los tamices que se indican a continuación debe ser por lo menos de 100 gramos. Se consideran solamente las fracciones que están contenidas en 5% ó más de los tamices indicados: S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 290Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Tabla NºF4.1: Agregado fino Malla que pasa Malla que retiene 3/8" Nº4 Nº4 Nº8 Nº8 Nº16 Nº16 Nº30 Nº30 Nº50 Lavar la muestra sobre la malla Nº50, secarlas en el horno a una temperatura de 110 ± 5ºC, separarlos en los diferentes tamices especificados anteriormente. Tomar 120 gr. de cada una de las fracciones, para poder obtener 100 gr. después del tamizado, colocarlas por separado en los recipientes para ensayo. Agregado grueso Se ensayará el material retenido en el tamiz Nº4, cada fracción de la muestra comprendida entre los tamices debe tener el peso indicado en la Tabla NºF4.2; y cada fracción de la muestra debe ser por lo menos 5% del peso total de la misma. En el caso que alguna de las fracciones contenga menos del 5%, no se ensayará ésta fracción, pero para el cálculo de los resultados del ensayo se considerará que tienen la misma pérdida a la acción de los sulfatos, de sodio o magnesio, que la media de las fracciones, inferior y superior más próximas, o bien si una de estas fracciones falta, se considerará que tiene la misma pérdida que la fracción inferior o superior que esté presente. Tabla NºF4.2: Agregado grueso Nº Tamaño % Peso retenido (gr.) 1 2 1/2" a 1 1/2" 5000±300 2 1/2" a 2" 60 3000±300 2" a 1 1/2" 40 2000±200 2 1 1/2" a 3/4" 1500±50 1 1/2" a 1" 67 1000±50 1" a 3/4" 33 500±30 3 3/4" a 3/8" 1000±10 3/4" a 1/2" 67 670±10 1/2" a 3/8" 33 330±5 4 3/8" a Nº4 300±5 Tamices mayores obtenidos en incrementos de 1” 7000±1000 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 291Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Lavar la muestra y secarla a una temperatura de 110º ± 5ºC. Tamizarlo usando una de las gradaciones indicadas. Tomar los pesos indicados en la Tabla NºF4.2 y colocarlos en recipientes separados. En el caso de las fracciones con tamaño superior a ¾” se cuenta también el número de partículas. Cuando son rocas deberán ser rotas en fragmentos uniformes, se pesaran 100 gr. de cada una. La muestra de ensayo pesará 5000 gr. ± 2%. La muestra será bien lavada y secada antes del ensayo. F4.5 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO Sumergir las muestras preparadas en la solución de sulfato de sodio o magnesio por un período de 16 a 18 horas, de manera que el nivel de la solución quede por lo menos 13 mm por encima de la muestra. Tapar el recipiente para evitar la evaporación y contaminación con sustancias extrañas. Mantener la temperatura en 21±1ºC durante el período de inmersión. Retirar la muestra de la solución dejándola escurrir durante 15±5 min., secar en el horno a 110º±5ºC hasta obtener peso constante a la temperatura indicada. Para verificar el peso se sacará la muestra a intervalos no menores de 4 horas ni mayores de 18 horas. Se considerará que se alcanzó un peso constante cuando dos pesadas sucesivas de una muestra, no difieren más de 0.1 gr. en el caso del agregado fino, o no difieren más de 1.0 gr. en el caso del agregado grueso. Obtenido el peso constante dejar enfriar a temperatura ambiente y volver a sumergir en la solución para continuar con los ciclos que se especifiquen. F4.6 EVALUACIÓN EVALUACIÓN CUANTITATIVA Al final de los ciclos se lava la muestra hasta eliminar los sulfatos de sodio o de magnesio, los últimos lavados deben efectuarse con agua destilada y mediante la reacción de cloruro bárico ( ). 2BaCl Secar a peso constante a una temperatura de 110±5ºC y se pesa. Tamizar el agregado fino sobre los tamices en que fue retenido antes del ensayo, y el agregado grueso sobre los tamices indicados a continuación, según el tamaño de las partículas. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 292Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Tamaño del Tamiz empleado para determinar el desgaste agregado 2 1/2" a 1 1/2" 1 ¼” 1 1/2" a 3/4" 5/8” ¾" a 3/8" 5/16” 3/8" a Nº4 Nº5 EVALUACIÓN CUALITATIVA En las partículas de diámetro mayor a ¾” se efectúa un exámen cualitativo después de cada inmersión y cuantitativa al término del ensayo. La evaluación cualitativa consistirá en inspeccionar partícula por partícula con el fin de eliminar las partículas afectadas (fracturadas, fisuradas, astilladas, formación de lajas, etc.). F4.7 RESULTADOS Para obtener los porcentajes de pérdida, se efectuarán las siguientes anotaciones: Agregado Fino Porcentaje retenido en cada una de las mallas indicadas en la Tabla NºF4.1. Peso de cada fracción antes del ensayo Porcentaje de pérdidas de cada tamaño después del ensayo Porcentaje de pérdidas corregidas: (“1”X “3”) / 100 El total de pérdidas corresponde a la suma de las partículas parciales corregidas. Agregado Grueso Porcentaje retenido en cada una de las mallas indicadas en la Tabla NºF4.2. Peso de cada fracción antes del ensayo Porcentaje de pérdidas de cada tamaño después del ensayo Porcentaje de pérdidas corregidas: (“1”X“3”) / 100 El total de pérdidas corresponde a la suma de los porcentajes de pérdidas de las dos fracciones de cada tamaño. F4.8 OBSERVACIONES Los resultados obtenidos varían según la sal que se emplee; se sugiere tener cuidado al fijar los limites en las especificaciones en que se incluya este ensayo. Dado que su precisión es limitada. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 293Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Para rechazar un agregado que no cumpla con las especificaciones pertinentes, debe confirmarse los resultados con otros ensayos más, ligados a las características del material. F4.9 EJEMPLOS En la hoja de cálculo se muestran algunos ejemplos del presente ensayo. F4.10 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1.- Soundness of Aggregates by use of Sodium Sulfate or Magnesium Sulfate ASTM C88 2.- Durabilidad al Sulfato de Sodio y Sulfato de Magnesio. MTC E209-1999 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 294Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 295 ENSAYO DE DURABILIDAD CON SULFATO DE SODIO ASTM C-88 SOLICITADO : POZO PROYECTO : MUESTRA AGREGADO GRUESO Nº Tamaño % Peso retenido (gr) TARA Nº PESO INICIAL EMPLEADO1 PESO FINAL2 PERDIDAS PESO ESCALONADO ORIGINAL5 PERDIDAS CORREGIDAS6 (gr) (gr) (gr) 3 (%) 4 (%) 1 2 1/2" a 1 1/2" 5000+300 1184,0 960,0 224,0 18,9 29,5 5,58 2 1/2" a 2" 60 3000+300 2" a 1 1/2" 40 2000+200 TR-9 1184,0 960,0 224,0 18,9 29,5 2 1 1/2" a 3/4" 1500+50 1530,0 1462,0 68,0 4,4 38,1 1,69 1 1/2" a 1" 67 1000+50 TR-10 1013,0 971,0 42,0 4,1 25,2 1" a 3/4" 33 500+30 TR-12 517,0 491,0 26,0 5,0 12,9 3 3/4" a 3/8" 1000+10 1000,0 957,0 43,0 4,3 24,9 1,07 3/4" a 1/2" 67 670+10 N-8 668,0 632,0 36,0 5,4 16,6 1/2" a 3/8" 33 330+5 N-10 332,0 325,0 7,0 2,1 8,3 4 3/8" a Nº4 300+5 N-12 301,0 297,0 4,0 1,3 7,5 0,10 PERDIDAS TOTALES 8,44 AGREGADO FINO Tamaño Peso retenido (gr) TARA Nº PESO INICIAL EMPLEADO1 PESO FINAL2 PERDIDAS PESO ESCALONADO ORIGINAL5 PERDIDAS CORREGIDAS6 (gr) (gr) (gr) 3 (%) 4 (%) 3/8" a Nº4 100 N-21 100,0 91,0 9,0 9,0 25 2,25 Nº4 a Nº8 100 N-25 100,0 99,0 1,0 1,0 18 0,18 Nº8 a Nº16 100 N-148 100,0 98,5 1,5 1,5 17 0,26 Nº16 a Nº30 100 N-4 100,0 95,0 5,0 5,0 21 1,05 Nº30 a Nº50 100 N-5 100,0 93,5 6,5 6,5 19 1,24 PERDIDAS TOTALES 4,97 3 =(1-2) 5 =% retenido del análisis granulométrico inicial 4 =(3/1)*100 6 =(4*5)/100 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Foto NºF4.1: Saturar la muestra en la solución de sulfato de sodio o magnesio por 16 a 18 hr., de manera que el la solución quede por lo menos 13 mm por encima de la muestra. Foto NºF4.2: Retirar la muestra de la solución, déjela escurrir, secar en el horno, dejar enfriar a temperatura ambiente y volver a saturar en la solución para continuar con los ciclos que se especifiquen. Al final de los ciclos lavar la muestra, secar, y tamizar. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 296Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F F5.1 INTRODUCCIÓN La guía AASHTO 2002, próxima a salir, considera en el diseño directamente los módulos resilientes del material. Este módulo puede obtenerse de ensayos triaxiales; sin embargo, AASHTO 2002 presenta una ecuación que permite correlacionar el valor del módulo resiliente con el del CBR. De aquí la importancia de evaluar adecuadamente el CBR del material. El ensayo de “California Bearing Ratio” o CBR, es un ensayo relativamente simple, comúnmente usado para obtener un índice de la resistencia del suelo de subrasante, material de base, sub base o afirmado. Para materiales de base, sub base y afirmado, así como subrasantes granulares, el CBR puede estar asociado a la máxima densidad seca del próctor modificado; sin embargo, para subrasantes finas (subrasantes arenosas, arcillosas o limosas) el valor del CBR debe estar asociado a su densidad de campo. Investigaciones han demostrado que el CBR de suelos finos en muestras compactadas al OCH y MDS, arrojan valores de CBR muy por encima de su valor real. Tranquilamente una arcilla compactada al OCH y MDS puede tener un CBR de 15%, pero ensayada en su condición natural el CBR es de 2 a 3%. El comportamiento de la subrasante es función de la humedad y densidad, asociado a las condiciones ambientales del sitio. En suelos de baja capacidad de soporte donde los valores de humedad alcanzan la condición saturada y los valores de densidad de campo están muy por debajo de la densidad de compactación, los valores de los módulos elásticos realmente son muy bajos. Se proponen tres métodos para determinar el valor de CBR: CBR in situ, mide directamente la deformación ante una carga aplicada. CBR en muestras inalteradas, es un método recomendado para subrasantes de suelos finos. Consiste en obtener una muestra inalterada de campo, que será protegida para que no pierda su humedad natural (si no fuese posible obtener una muestra inalterada de campo, se puede preparar especimenes en laboratorio a la humedad y densidad natural). En el laboratorio se realiza el ensayo de penetración en su condición natural y saturada, siguiendo el procedimiento que se describirá en esta guía. CBR en muestras remoldeadas, método recomendado para subrasantes granulares, materiales de base, sub base y afirmado. Este método se describe en esta guía. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 297Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F El CBR es la relación (expresada en porcentaje) entre la resistencia a la penetración requerida para que un pistón de 3 pulg2 de área penetre 0.1 pulg dentro de un suelo entre 1000 psi que es la resistencia a la penetración de una muestra patrón. La muestra patrón es una piedra chancada. El CBR se expresa como: 100 lgpu/lb 000,1 pulg 0.1 penetrar para requerida (psi) npenetracio la a aResistenci CBR 2 ×= En ocasiones, el CBR calculado para una penetración de 0.2” con su correspondiente resistencia a la penetración estándar de 1500 psi, puede ser mayor que el obtenido para una penetración de 0.1 pulg. Cuando esto ocurre, se debe realizar un nuevo ensayo, si los resultados son similares, el valor del CBR para 0.2 pulg de penetración, se reporta como el CBR representativo de la muestra. F5.2 EQUIPOS Y ACCESORIOS CBR:- molde de CBR (6 pulg de diámetro y 7 pulg de altura) con sus respectivos biseles, base perforada: Sobrecargas, para cada molde se requieren, una anular y las restantes ranuradas con peso de 5 lb (2.27 kg) cada una. Prensa de carga de por lo menos 10,000 lb de capacidad de carga y velocidad de penetración de 0.05 pulg/min (1.27 mm/min). Equipo para medir la expansión del suelo:- una placa de metal perforada, por cada molde, de 5 7/8 pulg de diámetro, cuyas perforaciones no excedan de 1/16 pulg de diámetro. Estará provista de un vástago en el centro con un sistema de tornillo que permita regular su altura. Un trípode de cuyas patas puedan apoyarse en el borde del molde, que lleve montado y bien sujeto en el centro del dial (deformímetro), cuyo vástago coincida con el de la placa, de forma que permita controlar la posición de éste y medir la expansión, con aproximación de 0.001 pulg (0.025 mm). 02 diales, aproximación a 0.001 pulg. uno de ellos provisto de una pieza que permita su acoplamiento en la prensa para medir la penetración del pistón en la muestra. Equipo misceláneo:- recipiente, tanque para saturación, estufa, etc. F5.3 MUESTRA Para determinar la capacidad de soporte del suelo se deben obtener por lo menos dos muestras del material a ensayar, lo ideal es tres. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 298Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F La muestra puede ser obtenida de tres maneras. 1º) El molde de CBR con el bisel se puede introducir a presión en el suelo, este método es recomendado para suelos finos con presencia de arcilla. 2º) Tomar un bloque se suelo y trasladarlo al laboratorio, para que sea tallado. 3º) Medir la densidad natural del suelo, y remoldear en el laboratorio, especimenes de CBR a la densidad de campo. Este método se recomienda en suelos finos limpios, como las arenas limpias, que son suelos que no se dejan tallar en campo. Las muestras no deben tener toda la altura del molde CBR, debe tenerse cuidado de dejar por lo menos 2 pulgadas de espesor. En todos los casos las muestras deben ser protegidas de pérdida de humedad. Se pueden recubrir con bolsas oscuras, parafinar, etc. Se debe ensayar la muestra en la prensa de CBR en su condición natural. Una vez realizado el ensayo sumerja el molde con las sobrecargas en un tanque de agua, permitiendo el libre acceso de agua en la base y superficie del molde. Tome las lecturas iniciales del deformímetro y deje saturar el molde por 96 horas. Mantenga el nivel del agua constante durante el periodo de inmersión. Luego de las 96 horas, tome la lectura final del deformímetro y calcule el hinchamiento como un porcentaje de la altura inicial del especimen. Retire el molde del tanque y permita que el agua escurra por aproximadamente 15 min, en su posición normal. Tenga cuidado de no disturbar la muestra en este proceso. Traslade la muestra saturada a la prensa para ensayarla nuevamente. F5.4 ENSAYO EN LA PRENSA El ensayo de CBR está ideado para simular las condiciones que existirían en la superficie de la subrasante. Se coloca una sobrecarga en la superficie de la muestra para representar el peso del pavimento sobre la subrasante. Se determina la fuerza requerida para penetrar un pistón estándar, dentro del suelo, una profundidad especificada. El procedimiento paso a paso es: 1.- Colocar la sobrecarga sobre la muestra, de tal manera que se produzca una presión igual a la presión que ejercerá la estructura del pavimento sobre la subrasante. Si no se conoce el peso del pavimento, usar 4.24 kg de sobrecarga. Si el especimen fue previamente saturado, la sobrecarga debe ser igual a la usada durante la saturación. Para evitar el levantamiento de la muestra dentro del orifico de las sobrecargas, coloque la pesa anular de 2.27 kg sobre el suelo. Llevar el conjunto a la prensa, coloque en el orificio central de la sobrecarga anular, el pistón de penetración y añada el resto de la sobrecarga. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 299Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F 2.- El pistón de penetración debe ser colocado en la superficie con la menor carga posible, en ningún caso excederá las 10 lb. Se ajusta en cero el dial de carga y el dial de penetración. 3.- Aplicar la carga sobre el pistón de penetración de tal manera que la velocidad de penetración sea de 0.05 pulg/min (1.27 mm/min). Las prensas manuales no preparadas para trabajar a esta velocidad de forma automática se controlarán mediante el deformímetro de penetración y un cronómetro. Registre las lecturas de carga para penetraciones de 0.025 pulg (0.64 mm), 0.050 pulg (1.27 mm), 0.075 pulg (1.91 mm), 0.100 pulg (2.54 mm), 0.125 pulg (3.18 mm), 0.150 pulg (3.81 mm), 0.175 pulg (4.45 mm), 0.200 pulg (5.08 mm), 0.300 pulg (7.62 mm), 0.400 pulg (10.16 mm) y 0.500 pulg (12.70 mm). Anote la máxima carga y su penetración si la muestra falla antes de alcanzar 0.500 pulg (12.70 mm) de penetración. 4.- Retirar la muestra del molde y determine el contenido de humedad de una muestra obtenido cerca de la zona de penetración. F5.5 DATOS Se deben obtener los siguientes datos durante el ensayo: 1.- Contenido de Humedad Tomar una muestra de campo para determinar su humedad natural. Al final del ensayo de penetración, se deberá tomar una muestra cerca de la zona de aplicación de la carga. 2.- Densidad de la muestra La densidad natural se mide directamente de campo o mediante ensayos de laboratorio. 3.- Datos de la Inmersión Peso de la sobrecarga (lb.) Tiempo y fecha Lecturas del dial Nota.- Estos datos deben obtenerse al inicio y final de la saturación. 4.- Datos de la Capacidad de Soporte Peso de la sobrecarga (lb.) Area del pistón (pulg ) 2 CÁLCULOS 1.- Determinación del Contenido de Humedad El contenido de humedad (ω) se calcula con: S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 300Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F 100 W W (%) osec suelo agua ×=ω 2.- Determinación de la Densidad La densidad del suelo húmedo (ρ ) se calcula con la siguiente ecuación: sw molde del efectivo humedo suelo sw V W =ρ La densidad seca (ρd) se obtiene con: ω+ ρ =ρ 1 sw d 3.- Porcentaje de expansión La expansión se calcula por la diferencia entre las lecturas del deformímetro antes y después de la inmersión. Este valor se expresa en porcentaje con respecto a la altura inicial de la muestra en el molde. 4.- Capacidad de Soporte Se calcula el esfuerzo aplicado por el pistón. Se dibuja en escala aritmética, la curva esfuerzo (psi) versus penetración (pulg). El esfuerzo en la ordenada y la penetración en la abscisa. En algunos casos, la curva esfuerzo versus penetración puede ser cóncava en el tramo inicial de la curva, debido a irregularidades en la superficie u otras causas. Para estos casos se debe corregir la curva, trazando una línea tangente. Figura F5.1. La relación de capacidad para 0.10 pulg de penetración se determina dividiendo el esfuerzo corregido (psi) para una penetración de 0.10 pulg, en la curva esfuerzo versus penetración, entre el esfuerzo a la penetración de una muestra patrón de 1000 lb. Este valor se expresa en porcentaje. La relación de capacidad para 0.20 pulg de penetración se determina de manera similar, usando el esfuerzo corregido (psi) para una penetración de 0.20 pulg entre el esfuerzo a la penetración de una muestra patrón de 1500 psi. Si la capacidad de soporte calculada para 0.20 pulg de penetración es mayor, el ensayo debe realizarse nuevamente. Si el nuevo ensayo da similares resultados, el CBR será el que corresponde a 0.20 pulg de penetración. En caso contrario el CBR corresponderá a 0.10 pulg de penetración. 5.- CBR de diseño Con las presiones obtenidas en los especimenes ensayados luego de 96 horas de saturación, se calcula el CBR para cada muestra. El CBR de diseño corresponderá al promedio de estos valores. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 301Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F En la figura F5.1 muestra los resultados típicos del ensayo de tres especimenes inalterados en la prensa de CBR. 257 195 142 0 100 200 300 400 500 600 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 Penetracion (pulg.) P re si ó n ( lb s/ p u lg 2 ) Molde I Sin Saturar Molde II Sin Saturar Molde III Saturado Molde I Saturado Molde II Saturado 53 28 20 Molde III Sin Saturar Figura F5.1:- Curva esfuerzo versus penetración en moldes inalterados Saturados y sin saturar EJEMPLO NUMÉRICO Se desea calcular el CBR inalterado de tres especimenes tallados en campo, del mismo estrato. Las tres muestras fueron corridas a su humedad natural, luego fueron sumergidas en agua por cuatro días. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 302Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Se determinó la densidad natural del suelo con el equipo del cono y la arena. Los datos de campo y laboratorio se muestran a continuación. 1.- Densidad y humedad natural del suelo Muestra Densidad natural Humedad natural Densidad seca ρsw (gr/cm ) (%) (gr/cm ) ω ρ3 3nat d MI 1 1.863 8.3 1.720 MI 2 1.919 8.6 1.767 MI 3 1.799 10 1.635 2.- Penetración 1 Factor de corrección del anillo, lb 26.56 2 Área del pistón de carga, pulg . 3 2 3 Sobrecarga, gr: 4500 4500 4500 ENSAYO A HUMEDAD NATURAL Muestra MI 1: humedad natural Presión Penetración Patrón Presión (*) Presión Corregida (**) CBR (***) Lectura (L) (lb/pulg2) (pulg) (mm) (lb/pulg2) (lb/pulg2) (%) 0.000 0.000 0 0 0.025 0.635 12 106.2 0.050 1.270 20 177.1 0.075 1.905 25 221.3 1000 0.100 2.540 29 256.7 256.7 25.7 0.150 3.810 33 292.2 1500 0.200 5.080 38 336.4 0.250 6.350 41 363.0 0.300 7.620 44 389.5 0.400 10.160 51 451.5 0.500 12.700 59 522.3 * La presión es igual a la lectura del dial multiplicado por el factor de corrección del anillo (1) y dividido entre el área del pistón de carga (2). ** La presión corregida se obtiene del gráfico, en este caso no existe corrección. 100 patron Presion corregida Presion CBR ×=*** S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 303Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Nota:- La presión depende de la prensa en la que se realice el ensayo, en este problema las lecturas del dial de carga multiplicadas por el factor de corrección del anillo da valores de presión; sin embargo, la corrección del anillo puede no ser un solo factor, sino una ecuación, como se verá en el ejemplo correspondiente a CBR en muestras remoldeadas al óptimo contenido de humedad. Muestra MI 2: humedad natural Presión Penetración Presión Presión CBR Patrón Corregida Lectura (L) (lb/pulg2) (pulg) (mm) (lb/pulg2) (lb/pulg2) (%) 0.000 0.000 0 0 0.025 0.635 6 53.1 0.050 1.270 13 115.1 0.075 1.905 17 150.5 1000 0.100 2.540 22 194.8 194.8 19.5 0.150 3.810 25 232.3 1500 0.200 5.080 29 256.7 0.250 6.350 31 274.5 0.300 7.620 33 292.2 0.400 10.160 37 327.6 0.500 12.700 40 354.1 Muestra MI 3: humedad natural Presión Penetración Presión Presión CBR Patrón Corregida Lectura (L) (lb/pulg2) (pulg) (mm) (lb/pulg2) (lb/pulg2) (%) 0.000 0.000 0 0 0.025 0.635 7 62.0 0.050 1.270 12 106.2 0.075 1.905 14 123.9 1000 0.100 2.540 16 141.7 141.7 14.2 0.150 3.810 18 159.4 1500 0.200 5.080 22 194.8 0.250 6.350 24 212.5 0.300 7.620 26 230.2 0.400 10.160 29 256.7 0.500 12.700 31 274.5 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 304Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F ENSAYO EN ESPECIMENES SATURADOS Muestra MI 1: saturado Presión Penetración Presión Presión CBR Patrón Corregida Lectura (L) (lb/pulg2) (pulg) (mm) (lb/pulg2) (lb/pulg2) (%) 0.000 0.000 0 0 0.025 0.635 3 27 0.050 1.270 4.5 40 0.075 1.905 5.5 49 1000 0.100 2.540 6 53 53 5.3 0.150 3.810 6.9 61 1500 0.200 5.080 7.8 69 0.250 6.350 8.6 76 0.300 7.620 9.7 86 0.400 10.160 10 89 0.500 12.700 11 97 Muestra MI 2: saturado Presión Penetración Presión Presión CBR Patrón Corregida Lectura (L) (lb/pulg2) (pulg) (mm) (lb/pulg2) (lb/pulg2) (%) 0.000 0.000 0 0 0.025 0.635 1 8.9 0.050 1.270 2 18 0.075 1.905 3 27 1000 0.100 2.540 3.2 28 28 2.8 0.150 3.810 4.1 36 1500 0.200 5.080 4.9 43 0.250 6.350 5.0 44 0.300 7.620 5.0 44 0.400 10.160 5.5 49 0.500 12.700 5.9 52 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 305Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Muestra MI 3: saturado Presión Penetración Presión Presión CBR Patrón Corregida Lectura (L) (lb/pulg2) (pulg) (mm) (lb/pulg2) (lb/pulg2) (%) 0.000 0.000 0 0 0.025 0.635 1 8.9 0.050 1.270 1.6 14 0.075 1.905 1.8 16 1000 0.100 2.540 2.3 20 20 2.0 0.150 3.810 2.5 22 1500 0.200 5.080 2.8 25 0.250 6.350 2.8 25 0.300 7.620 3.1 27 0.400 10.160 3.2 28 0.500 12.700 3.5 31 4.- Resumen del ensayo de CBR , figura F5.1 Los valores de CBR se determinaron a 0.1 pulg de penetración, en todos los especimenes. CBR MI 1 MI 2 MI 3 CBR humedad natural, % 25.7 19.5 14.2 CBR saturado, % 5.3 2.8 2.0 El CBR de diseño corresponderá al promedio de los CBR obtenidos para muestras saturadas. Para el ejemplo el CBR de diseño es 3.4%. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 306Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F F6.1 INTRODUCCIÓN La compactación de suelos constituye un capítulo importantísimo y se halla íntimamente relacionada con la pavimentación de carreteras, vías urbanas y pistas de aterrizaje. El ensayo de compactación mediante el ensayo de proctor modificado, permite determinar la relación humedad versus densidad del suelo, empleando un martillo de 4.54 kg (10 lb) soltado desde una altura de 457 mm (18 pulg), trasmitiendo una energía de compactación de 56,000 lb-pie/pie3 ó 2,700 kN-m/m3. El suelo es compactado en un molde de dimensiones conocidas. La norma considera cuatro métodos a emplear. La elección del método depende de las características de material a ensayar F6.2 APARATOS Moldes:- metálicos y de forma cilíndrica, diámetro interior de 4 pulg. ó 6 pulg. (de acuerdo al método) y altura de 4.5 pulg. Cada molde debe tener un plato base y un collarín ensamblados. El collar de extensión deberá tener una altura de por lo menos 50.8 m (2 pulg.) sobre el borde superior del molde. Martillo:- El martillo puede ser operado manual o mecánicamente, de 10 lb de peso y altura de caída de 18 pulg. La cara de contacto del espécimen deberá ser plana. Extractor de Muestra (Opcional).- Una gata, un pórtico, o cualquier otro accesorio adoptado para extraer los especímenes compactados del molde. Balanzas:- Balanza de por lo menos 20 kg con una sensibilidad de ± 1 gr y una balanza de por lo menos 1000 gr de capacidad de una sensibilidad de ± 0.01 gr. Horno de Secado:- Controlado termostáticamente, preferido herméticamente reforzado, capaz de mantener a una temperatura de 110 ± 5°C (230 ± 9°F) para determinar el contenido de humedad del espécimen compactado. Regla de metal:- Bordes rectos de cualquier longitud conveniente, pero por lo menos deberá tener 25 mm (10 pulg). S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 307Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Mallas:- 3 pulg (75 mm), 3/4 pulg (19 mm) y N° 4 (4.75 mm) Herramientas miscelánicas:- para mezclado tales como platillo mezclador, cuchara, espátula, paleta, etc. o un aparato adecuado para realizar el mezclado integral de una muestra de suelo con incrementos de agua. F6.3 ELECCIÓN DEL MÉTODO DE ENSAYO En el siguiente cuadro se puede apreciar las características del material y el método correspondiente para su ensayo. Además, se presenta una guía de reemplazo de material para el ensayo proctor modificado. Tipo de ensayo Proctor modificado Método A B C Condiciones para la elección del método %ret. acum. Nº4≤20% %ret. acum. 3/8” ≤20% y%ret. acum. Nº4>20% %ret. acum. 3/4” ≤30% y %ret. acum. 3/8”>20% Cantidad de suelo, kg 3 3 6 Número de capas, n 5 5 5 Número de golpes, N 25 25 56 Diámetro del molde, cm 10.16±0.04 10.16±0.04 15.24±0.07 Altura del molde, cm 11.64±0.05 11.64±0.05 11.64±0.05 Volumen del molde, cm 944±14 944±14 2124±25 3 Peso del martillo W, kg 4.54±0.01 4.54±0.01 4.54±0.01 Altura de caída del martillo h, cm 45.72±0.16 45.72±0.16 45.72±0.16 Diámetro del martillo, cm 5.080±0.025 5.080±0.025 5.080±0.025 Energía específica de compactación, kg.cm/cm 27,485 27,485 27,363 3 V hWnN nompactacioecificadeCEnergiaEsp ××× = Guía de reemplazo de material para el ensayo proctor modificado. Método A: (% retenido acumulado en Nº4 20%) Descartar el material retenido en el tamiz Nº4. Método B: (% retenido acumulado en 3/8” 20% y % retenido acumulado en Nº4>20%) Pasar el material a través del tamiz 3”. Descartar el material que sea retenido en el tamiz 3”. El material que pasa el tamiz 3” y es retenido en el tamiz 3/8” debe ser S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 308Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F reemplazado por una cantidad igual en peso de material que pase por el tamiz 3/8” y sea retenido por el tamiz Nº4. El material para reemplazo debe tomarse de una porción no usada de la muestra. Método C: (% retenido acumulado 3/4” 30% y % retenido acumulado 3/8”>20% Pasar el material a través del tamiz 3”. Descartar el material que sea retenido en el tamiz 3”. El material que pasa el tamiz 3” y es retenido en el tamiz 3/4” debe ser reemplazado por una cantidad igual en peso de material que pase por el tamiz 3/4” y sea retenido en el tamiz 3/8”. El material para reemplazo debe tomarse de una porción no usada de la muestra. F6.4 PROCEDIMIENTO Si la muestra está húmeda se puede secar al aire hasta que los terrones se puedan desmenuzar. Tamizar y elegir el método de ensayo. Preparar por lo menos cuatro muestras incorporando agua a cada una de ellas, de tal forma que el contenido de humedad de cada muestra varíe aproximadamente en 1.5%. Los contenidos de humedad seleccionados deberán incluir el óptimo contenido de humedad, para proporcionar especímenes que cuando sean compactados, vayan incrementando en masa hasta llegar a la máxima densidad, y de allí empiecen a decrecer. Mezclar completamente cada muestra para asegurar la buena distribución de la humedad. Seleccionar el molde de compactación apropiado, de acuerdo con el método a ser usado y colocar el collarín. Compactar cada espécimen en cinco capas de aproximadamente la misma altura. Cada capa debe recibir el número de golpes indicado. Durante el proceso de compactación se deberá evitar el rebote del martillo en la parte superior del tubo guía. Los golpes deberán aplicarse a velocidad uniforme, no excediendo 1.4 s/golpe y de tal manera que se pueda cubrir completamente la superficie del espécimen. Después de la compactación, quitar el collar de extensión, cuidadosamente se enrasa con la regla el espécimen compactado con la parte superior del molde, y se determina la masa del espécimen. Calcular la densidad húmeda de la siguiente manera: molde moldemoldey suelo V WW humeda Densidad − = El material del molde se saca con el extractor de muestras y se determina el contenido de humedad. El material que será ensayado para determinar la humedad se saca del centro del molde compactado, aproximadamente de 100 a 500 gr. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 309Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Repetir el procedimiento indicado hasta obtener por lo menos cuatro puntos de la curva de compactación. F6.5 CÁLCULOS Calcular el contenido de humedad y la densidad seca para cada espécimen compactado como sigue: 100 CB BA (%) × − − =ω ω+ γ =γ 1 m d donde: ω contenido de humedad (%) A Peso de tara y suelo húmedo B Peso de tara y suelo seco al horno C Peso de tara γd densidad seca, kg/m3 γm densidad húmeda, kg/m3 F6.6 RELACIÓN DENSIDAD-HUMEDAD Graficar los valores de densidad seca, en el eje de las ordenadas, versus el contenido de humedad, en el eje de las abscisas. Unir con un trazo suave los puntos. El Optimo Contenido de Humedad, O.C.H., es el contenido de humedad al cual el suelo puede ser compactado a la máxima densidad seca usando el esfuerzo de compactación modificada. La Máxima Densidad Seca, M.D.S., es la densidad correspondiente al O.C.H., se expresa en gr/cm . 3 F6.7 EJEMPLO NUMÉRICO Determinar el óptimo contenido de humedad y la máxima densidad seca, del ensayo realizado sobre un suelo granular. Los resultados se muestran a continuación: S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 310Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Peso Específico de Sólidos (Ss) 2.69 ANÁLISIS GRANULAR PRELIMINAR Tamiz Peso Parcial % Parcial % Acumulado Retenido Retenido Retenido - (mm) (gr) (%) (%) ¾” 19 550.0 20.30 20.30 3/8” 9.5 1210.0 44.65 64.94 Nº4 4.75 720.0 26.57 91.51 Platillo 230.0 8.49 100.00 Total 2710.0 100.0 MÉTODO DE COMPACTACIÓN C CONTENIDO DE HUMEDAD ( ) 1 Nº recipiente 12 2 W recipiente (gr) 226.29 3 W recipiente sw (gr) 488.24 4 W recipiente s (gr) 483.55 5 W w : 3-4 (gr) 4.69 6 W s : 4-2 (gr) 257.26 7 (%) 1.82 ω : 100*5/6 8 (%) 1.82 ω promedio O.C.H. PROBABLE (%) 6.00 INCREMENTO DE AGUA ( Vw y Vw (1%)) 9 W sw (gr) 6000.00 10 W s : 100*9/(100+8) (gr) 5892.57 11 (%) 6.00ω 12 (cm ) 246.13ΔVw : (11-8)*10/100 3 13 (cm ) 58.93ΔVw (1%): (1)*10/100 3 Nº DE ENSAYO 1 2 3 4 PESO ESPECIFICO ( ) 14 Nº molde 6 15 V molde, cm 2129.0 3 16 W molde, gr 5830.0 17 W molde sw, gr 10704.0 10785.0 10897.0 10790.0 18 W sw: 17-16, gr 4874.0 4955.0 5067.0 4960.0 19 2.29 2.33 2.38 2.33γ : 18/15, gr/cm3 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 311Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F CONTENIDO DE HUMEDAD ( ) 20 Nº recipiente 12 44 28 24 21 W recipiente, gr 20.75 18.60 20.27 19.85 22 W recipiente sw, gr 191.85 189.85 216.86 207.51 23 W recipiente s, gr 182.52 178.82 203.19 193.24 24 W w : 22-23, gr 9.33 11.03 13.67 14.27 25 W s : 23-21, gr 161.77 160.22 182.92 173.39 26 5.77 6.88 7.47 8.23 ω : 100*24/25, % 27 5.77 6.88 7.47 8.23 ω promedio, % PESO ESPECIFICO SECO ( d) 28 2.16 2.18 2.21 2.15 γd : 100*19/(100+27), gr/cm3 Curva de Compactación 2.13 2.15 2.17 2.19 2.21 2.23 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 Contenido de Humedad (%) P es o E sp ec íf ic o S ec o ( g r/ cc ) Compactación S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 312Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F F7.1 INTRODUCCIÓN El ensayo de “California Bearing Ratio” o CBR, es un ensayo relativamente simple, comúnmente usado para obtener un índice de la resistencia del suelo de subrasante, material de base, sub base o afirmado. Para materiales de base, sub base y afirmado, así como subrasantes granulares, el CBR puede estar asociado a la máxima densidad seca del próctor modificado; sin embargo, para subrasantes finas (subrasantes arenosas, arcillosas o limosas) el valor del CBR debe estar asociado a su densidad de campo. El CBR es la relación (expresada en porcentaje) entre la resistencia a la penetración requerida para que un pistón de 3 pulg2 de área penetre 0.1 pulg dentro de un suelo entre 1000 psi que es la resistencia a la penetración de una muestra patrón. La muestra patrón es una piedra chancada. El CBR se expresa como: 100 lgpu/lb 000,1 pulg 0.1 penetrar para requerida (psi) npenetracio la a aResistenci CBR 2 ×= En ocasiones, el CBR calculado para una penetración de 0.2” con su correspondiente resistencia a la penetración estándar de 1500 psi, puede ser mayor que el obtenido para una penetración de 0.1 pulg. Cuando esto ocurre, se debe realizar un nuevo ensayo, si los resultados son similares, el valor del CBR para 0.2 pulg de penetración, se reporta como el CBR representativo de la muestra. F7.2 EQUIPOS Y ACCESORIOS CBR:- molde de compactación (6 pulg de diámetro y 7 pulg de altura), collarín de 2 pulg de altura, disco espaciador (5 15/16 pulg de diámetro y 2.416 pulg de espesor), base perforada, pisón de compactación. Sobrecargas, para cada molde se requieren, una anular y las restantes ranuradas con peso de 5 lb (2.27 kg) cada una. Ver figura 1. Prensa de carga de por lo menos 10,000 lb de capacidad de carga y velocidad de penetración de 0.05 pulg/min (1.27 mm/min). S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 313Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Equipo para medir la expansión del suelo:- una placa de metal perforada, por cada molde, de 5 7/8 pulg de diámetro, cuyas perforaciones no excedan de 1/16 pulg de diámetro. Estará provista de un vástago en el centro con un sistema de tornillo que permita regular su altura. Un trípode de cuyas patas puedan apoyarse en el borde del molde, que lleve montado y bien sujeto en el centro del dial (deformímetro), cuyo vástago coincida con el de la placa, de forma que permita controlar la posición de éste y medir la expansión, con aproximación de 0.001 pulg (0.025 mm). 02 diales, aproximación a 0.001 pulg. uno de ellos provisto de una pieza que permita su acoplamiento en la prensa para medir la penetración del pistón en la muestra. Equipo misceláneo: recipiente, tanque para saturación, estufa, balanzas, tamices Nº4 (4.75 mm) y ¾” (19 mm), cuarteador, espátulas, discos filtros, etc. Figura F7.1:- Equipo básico, MTC E132-1999 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 314Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F F7.3 MUESTRA La muestra debe ser cuarteada y preparada de acuerdo con la norma ASTM D 1557 del proctor modificado para compactación en molde de 6 pulg, tener en cuenta que: Si mas de 75% del material pasa la malla ¾” (19 mm), se emplea este material en la preparación de los especimenes. Si mas del 25% del material se retiene en la malla ¾” (19 mm), debe ser retirado y reemplazado por una cantidad igual de material que pasa la ¾” (19 mm) y se retiene en la Nº4, obtenido por tamizado de otra porción de muestra. F7.4 PREPARACIÓN DEL ESPECIMEN Se compactan tres especimenes de suelo preparados dentro de ±0.5% del OCH. Se debe determinar la humedad del suelo para luego incorporar la cantidad de agua necesaria para llegar al óptimo. La muestra que será compactada debe ser de 5 a 7 kg/molde. Se pesa el molde con su placa base, se coloca el collarín y el disco espaciador y, sobre éste, un disco de papel de filtro grueso del mismo diámetro. Los especimenes se compactan a diferentes números de golpes por capa, generalmente los golpes por capa son 56, 25 y 10. El procedimiento es similar al método proctor modificado. Si el espécimen se va a sumergir, se toma una porción entre 100 y 500 g (según sea fino o tenga grava) antes de la compactación y otra al final, el promedio representará la humedad de compactación. Si la muestra no va a ser sumergida, la porción de material para determinar la humedad se toma del centro de la probeta resultante de compactar el suelo en el molde, después del ensayo de penetración. Para ello el espécimen se saca del molde y se rompe por la mitad. Concluida la compactación se retira el collarín y se enrasa. Cualquier depresión por eliminación de partículas debe rellenarse con material sobrante sin gruesos. Desmonte el molde y retire el disco espaciador, vuelva a montarlo invertido y sin disco espaciador, con un papel filtro entre la placa base y el suelo compactado. Pese el molde con su placa base más el suelo compactado. Se coloca sobre la superficie de la muestra invertida la placa perforada con vástago, y, sobre ésta, los anillos necesarios para completar una sobrecarga tal, que produzca una presión equivalente a la originada por todas las capas de materiales que hayan de ir encima del suelo que se ensaya, la aproximación quedará dentro de 5.5 lb. (2.27 kg) correspondientes a una pesa. En ningún caso, la sobrecarga total será menor de 10 lb. (4.54 kg). Si no se especifica el peso de pavimento, considere 4.54 kg de sobrecarga. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 315Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Sumerja el molde con las sobrecargas en un tanque de agua, permitiendo el libre acceso de agua en la base y superficie del molde. Tome las lecturas iniciales del deformímetro y deje saturar el molde por 96 horas. Mantenga el nivel del agua constante durante el periodo de inmersión. Luego de las 96 horas, tome la lectura final del deformímetro y calcule el hinchamiento como un porcentaje de la altura inicial del especimen. Retire el molde del tanque y permita que el agua escurra por aproximadamente 15 min, en su posición normal. Tenga cuidado de no disturbar la muestra en este proceso. Retire las sobrecargas y la placa perforada. Pesar inmediatamente. F7.5 ENSAYO EN LA PRENSA El ensayo de CBR está ideado para simular las condiciones que existirían en la superficie de la subrasante. Se coloca una sobrecarga en la superficie del especimen compactado para representar el peso del pavimento sobre la subrasante. Lo que es mas, el especimen es saturado para representar las condiciones más desfavorables de campo. Luego de la saturación, se determina la fuerza requerida para penetrar un pistón estándar, dentro del suelo, una cantidad especificada. El procedimiento paso a paso es: 1.- Colocar una sobrecarga sobre la muestra compactada, de tal manera que se produzca una presión igual a la presión que ejercerá la estructura del pavimento sobre la subrasante. Si no se conoce el peso del pavimento, usar 4.24 kg de sobrecarga. Si el especimen fue previamente saturado, la sobrecarga debe ser igual a la usada durante la saturación. Para evitar el levantamiento de la muestra dentro del orifico de las sobrecargas, coloque la pesa anular de 2.27 kg sobre el suelo compactado. Llevar el conjunto a la prensa y colóquese en el orificio central de la sobrecarga anular, el pistón de penetración y añada el resto de la sobrecarga. 2.- El pistón de penetración debe ser colocado en la superficie con la menor carga posible, en ningún caso excederá las 10 lb. Se ajusta en cero los diales, el del anillo para medir la fuerza aplicada y el dial de penetración. 3.- Aplicar la carga sobre el pistón de penetración de tal manera que la relación que la velocidad de penetración sea de 0.05 pulg/min (1.27 mm/min). Las prensas manuales no preparadas para trabajar a esta velocidad de forma automática se controlarán mediante el deformímetro de penetración y un cronómetro. Registre las lecturas de carga para penetraciones de 0.025 pulg (0.64 mm), 0.050 pulg (1.27 mm), 0.075 pulg (1.91 mm), 0.100 pulg (2.54 mm), 0.125 pulg (3.18 mm), 0.150 pulg (3.81 mm), 0.175 pulg (4.45 mm), 0.200 pulg (5.08 mm), 0.300 pulg (7.62 mm), 0.400 pulg (10.16 mm) y 0.500 pulg (12.70 mm). Anote la máxima carga y su penetración si la muestra falla antes de alcanzar 0.500 pulg (12.70 mm) de penetración. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 316Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F 4.- Retirar la muestra del molde y determine el contenido de humedad de una muestra obtenido cerca de la zona de penetración. La muestra es no menor de 100 gr para suelos de grano fino y no menos de 500 gr para suelos granulares. F7.6 DATOS Se deben obtener los siguientes datos durante el ensayo: 1.- Determinación del Contenido de Humedad Peso de suelo húmedo mas tara (gr) Peso de suelo seco mas tara (gr) Peso de tara (gr) Nota.- Estos datos deben obtenerse cada vez que se requiera determinar el contenido de humedad. Se debe hallar el contenido de humedad de la muestra antes de la compactación, finalizada la compactación y luego del ensayo de penetración cerca de la zona de aplicación de la carga. 2.- Densidad de la muestra Peso del molde y placa base mas el suelo compactado (gr) Peso del molde y placa base (gr) Diámetro del molde (pulg) Altura de la muestra de suelo (pulg) Nota.- Estos datos deben obtenerse para cada uno de los siguientes especimenes: antes de la saturación y luego de la saturación. 3.- Datos de la Inmersión Peso de la sobrecarga (lb) Tiempo y fecha Lecturas del dial Nota.- Estos datos deben obtenerse al inicio y final de la saturación. 4.- Datos de la Capacidad de Soporte Peso de la sobrecarga (lb) Area del pistón (pulg ) 2 CÁLCULOS 1.- Determinación del Contenido de Humedad S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 317Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F El contenido de humedad (ω) se calcula con: 100 W W (%) osec suelo agua ×=ω 2.- Determinación de la Densidad La densidad del suelo húmedo (ρ ) se calcula con la siguiente ecuación: sw molde del efectivo humedo suelo sw V W =ρ La densidad seca (ρd) se obtiene con: ω+ ρ =ρ 1 sw d 3.- Porcentaje de expansión La expansión se calcula por la diferencia entre las lecturas del deformímetro antes y después de la inmersión. Este valor se expresa en porcentaje con respecto a la altura de la muestra en el molde. 4.- Capacidad de Soporte Se calcula el esfuerzo aplicado por el pistón, dividiendo la carga aplicada entre el área del pistón. Se dibuja en escala aritmética, la curva esfuerzo (psi) versus penetración (pulg). El esfuerzo en la ordenada y la penetración en la abscisa. En algunos casos, la curva esfuerzo versus penetración puede ser cóncava en el tramo inicial de la curva, debido a irregularidades en la superficie u otras causas. Para estos casos se debe corregir la curva modificando en punto cero de la curva. Figura F7.1. La relación de capacidad para 0.10 pulg. de penetración se determina dividiendo el esfuerzo corregido (psi) para una penetración de 0.10 pulg., en la curva esfuerzo versus penetración, entre el esfuerzo a la penetración de una muestra patrón, que es 1000 lb para 0.10 pulg. de penetración. Este valor se expresa en porcentaje. La relación de capacidad para 0.20 pulg. de penetración se determina de manera similar, usando el esfuerzo corregido (psi) para una penetración de 0.20 pulg. entre el esfuerzo a la penetración de una muestra patrón de 1500 psi. Si la capacidad de soporte calculada para 0.20 pulg. de penetración es mayor, el ensayo debe correrse nuevamente. Si el nuevo ensayo da similares resultados, el CBR será el que corresponde a 0.20 pulg. de penetración. En caso contrario el CBR corresponderá a 0.10 pulg. de penetración. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 318Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Figura F7.1:- Corrección de la curva esfuerzo versus penetración Soil Properties Testing, Measurement, and Evaluation F7.7 CBR DE DISEÑO Con los datos obtenidos en cada uno de los tres especimenes, grafique el CBR versus la densidad seca de cada especimen, como se muestra en la figura F7.2. El CBR de diseño será el correspondiente al 95% de la máxima densidad seca del próctor modificado. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 319Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F CBR para la densidad seca especificada 1.670 1.720 1.770 1.820 1.870 1.920 1.970 2.020 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 C.B.R.(%) D en si d ad S ec a (g r/ cm 3 ) 2 Figura F7.2:- Densidad seca versus CBR F7.8 EJEMPLO NUMÉRICO Determinar el CBR de diseño para una muestra remoldeada al óptimo contenido de humedad. El CBR de diseño corresponderá al 95% de la máxima densidad seca del proctor modificado. Se obtuvieron los siguientes datos: 1.- Del proctor modificado MDS 2.150 gr/cm3 OCH 7.59% 3 d 3 d 3 d gr/cm 2.043max(95%) gr/cm 2.107max(98%) gr/cm 2.150 max =ρ =ρ =ρ 2.- Contenido de humedad de la muestra 1 Nº tara 13 1 2 W tara (gr) 20.39 20.52 3 W recipiente + suelo húmedo, gr 167.52 194.32 4 W recipiente + suelo seco, (gr) 166.21 192.49 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 320Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F W agua (gr) : [ ] [ ]43 −5 1.31 1.83 W suelo seco (gr) : [ ] [ ]24 −6 145.82 171.97 7 0.90 1.06 ω (%) 8 0.98 ω promedio (%) 3.- Incremento de agua a la muestra que será compactada 9 W suelo húmedo (gr) 7000 [ ] [ ] 10081 9 × + 10 6931.98 W suelo seco (gr): 11 7.59 ω (%) : OCH [ ] [ ] [ ]10 100 811 × −12 458.12 Incremento de volumen de agua, cm : 3 4.- Cálculo de la Densidad del suelo húmedo, para cada especimen compactado 13 V disco espaciador 891 891 891 14 Nº molde 5 2 1 15 V molde, cm 3239.59 3250.43 3248.883 16 W molde, gr 5304.67 5406.33 5421 17 W molde + suelo húmedo, gr 10700 10700 10550 [ ] [ ]1315 −18 2348.59 2359.43 2357.88V molde efectivo , cm : 3 19 Nº golpes/capa 10 25 56 W suelo húmedo, gr: [ ] [ ]1617 −20 5395.33 5293.67 5129 [ ] [ ]18 20 sw =ρDensidad del suelo húmedo, gr/cm , 321 2.30 2.24 2.18 5.- Contenido de humedad antes de saturar, se toma dos muestras, una antes de compactar y otra al final de la compactación 22 Nº tara 1 2 3 4 5 6 23 W tara (gr) 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 24 W tara + suelo húmedo (gr) 106.21 106.21 107.45 106.10 107.25 106.45 25 W tara + suelo seco (gr) 100 100 100 100 100 100 W agua (gr) : [ ] [ ]2524 −26 6.21 6.21 7.45 6.10 7.25 6.45 27 W suelo seco (gr) : 100 100 100 100 100 100 [ ] [ ]2325 − [ ] [ ] 10027 26 ×28 6.21 6.21 7.45 6.10 7.25 6.45 ω (%) : 29 6.210 6.775 6.850 ω promedio (%) S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 321Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F 6.- Densidad seca de las muestras compactadas [ ] [ ] 10029100 21 d ×+ =ρ , gr/cm330 2.16 2.10 2.04 7.- Grado de saturación antes de la inmersión (Gw) [ ] [ ] 10029100 20 Ws ×+ =31 5079.87 4957.78 4800.19 Peso de suelo seco, [ ] s s S 31 V =32 1860.76 1816.04 1758.31 Volumen del suelo seco, cm3: : [ ] [ ]3218 −33 487.83 543.39 599.57 Volumen de vacíos, cm 3 : [ ] [ ]3120 −34 315.46 335.89 328.81 Volumen de agua, cm 3 [ ] [ ] 10033 34 Gw ×= 35 64.67 61.81 54.84 Grado de saturación, %: 8.- Deformación vertical 36 Sobrecarga, gr 4500 4500 4500 37 Altura del molde, cm 17.8029 17.8142 17.7378 38 Altura del disco espaciador, cm 5.0970 5.0970 5.0970 Altura efectiva del molde, cm: [ ] [ ]3837 −39 12.71 12.72 12.64 9.- Expansión debido a saturación Tiempo Deformación Deformación Deformación Lectura (hr) Fecha Hora (cm) (%) (cm) (%) (cm) (%) 01/03/96 13:10 0 0.1752 0.000 0.9618 0.000 0.2183 0.000 02/03/96 13:10 24 0.1758 0.005 0.9629 0.009 0.2541 0.283 * 03/03/96 13:10 48 0.1765 0.010 0.9632 0.011 0.2558 0.297 ** 04/03/96 13:10 72 0.1772 0.016 0.9837 0.012 0.2568 0.305 05/03/96 13:10 96 0.1772 0.016 0.9638 0.016 0.2578 0.312 005.0100 71.12 1752.01758.0 =× − * ** 010.0100 71.12 1752.01765.0 =× − S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 322Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F 10.- Penetración 40 Ecuación del anillo 7382019258.09107L1.17702L41.1873L92.2454L11.1485L263.436L9076.4 ×⎟ ⎠ ⎞⎜ ⎝ ⎛ −×−++−+− 41 Sobrecarga, gr: 4500 4500 4500 [ ]36 egunda muestra: 55 golpes Lectura Presión Presión C CBR S Presión Penetración (L) Patrón orregida ( (mm) (mm) (lb/pulg2) (%) lb/pulg2) (pulg) (lb/pulg2) 0.000 0.000 0.000 0.00 0.025 0.635 0.200 265.58 0.050 1.270 0.456 611.54 0.075 1.905 0.562 755.06 10 0 950 95 0 0.100 2.540 0.725 975.23 0.150 3.810 0.884 1189.07 15 0 1450 96.7 0 0.200 5.080 1.080 1451.48 0.250 6.350 1.230 1651.60 0.300 7.620 1.360 1824.71 0.400 10.160 1.500 2010.88 0.500 12.700 rimera muestra: 26 golpes Lectura Presión Presión C CBR** P Presión Penetración (L) Patrón orregida ( (mm) (mm) (lb/pulg2) (%) lb/pulg2) (pulg) (lb/pulg2) 0.000 0.000 0.000 0.00 0.025 0.635 0.200 265.58 * 0.050 1.270 0.325 434.16 0.075 1.905 0.452 606.12 10 0 740 74 0 0.100 2.540 0.572 768.59 0.150 3.810 0.729 980.62 15 0 1230 82 0 0.200 5.080 0.921 1238.71 0.250 6.350 1.108 1488.87 0.300 7.620 1.214 1630.28 0.400 10.160 1.323 1775.46 0.500 12.700 1.343 1802.08 * 2.0(922.0(11.0(200.0(4 = ×⎟ ⎠ ⎞⎜ ⎝ ⎛ ×−+ ** 2lgpu/lb58.265 7382019258.09107)200.0(1.17702)200.0263.436) − .1485)200 + .2454)00 − (41.1873)00 + −9076. 100 patron Presion corregida Presion CBR ×= S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 323Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Tercera muestra: 13 golpes Lectura Presión Presión C CBR Presión Penetración (L) Patrón orregida ( (mm) (mm) (lb/pulg2) (%) lb/pulg2) (pulg) (lb/pulg2) 0.000 0.000 0.000 0.00 0.025 0.635 0.069 90.76 0.050 1.270 0.150 198.56 0.075 1.905 0.274 365.25 10 0 500.00* 50 0 0.100 2.540 0.355 474.75 0.150 3.810 0.532 714.46 15 0 990.00 66 0 0.200 5.080 0.716 963.09 0.250 6.350 0.835 1123.27 0.300 7.620 0.932 1253.45 0.400 10.160 1.020 1371.28 0.500 12.700 * La presión corregida se obtiene del gráfico Presión Vs Penetración 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 Penetración (pulg) P re si ó n ( lb /p u lg ²) 55golpes 26 golpes 13 golpes S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 324Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F 11.- Contenido de humedad después de saturar 42 No recipiente 1 2 3 4 5 6 43 W recipiente, gr 21.01 21.01 16.94 16.94 20.94 20.94 44 W recipiente sw, gr 130.45 102.26 102.26 81.01 81.01 130.45 45 W recipiente s, gr 97.20 97.20 76.97 76.97 124.24 124.24 5.06 5.06 4.04 4.04 6.21 6.21 46 W ω, gr : [ ] [ ]4544 − 47 W s, gr : 76.19 76.19 60.03 60.03 103.30 103.30 [ ] [ ]4345 − [ ] [ ] 10047 46 × 48 ω, %: 6.64 6.64 6.73 6.73 6.01 6.01 49 ω promedio, % 6.64 6.73 6.01 sw medo 12.- Contenido de humedad absorbido ω, %: 0.43 -0.05 -0.84 suelo hú s suelo seco ω agua [ ] [ ]2949 − 50 13.- Grado de saturación después de inmersión (Gw) 51 Ws, gr: [ ] [ ] 10029100 20 × + 5079.87 4957.78 4800.19 : [ ] Ss 51 52 Vs, cm3 1860.76 1816.04 1758.31 Vv, cm3: [ ] [ ]52Ada18 −×+ 53 488.20 543.76 606.80 [ ] [ ] 100 51 49 × Vω, cm3: 54 337.37 333.66 288.57 [ ] [ ] 10053 55 69.11 61.36 47.56 54 × Gw, %: da deformación acumulada debido a la expansión 14.- CBR CBR A area del molde max(100%) dρ max(98%) dρ max(95%) dρ CBR (0.1” de penetración) (%) 90.7 76.0 52.5 CBR (0.2” de penetración) (%) 93.5 83.5 67.5 Para el ejemplo el CBR de diseño será 52.5%. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 325Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Densidad Seca Vs C.B.R. 2.00 2.05 2.10 2.15 2.20 40 50 60 70 80 90 100 C.B.R. (%) D en si d ad S ec a (g r/ cc ) CBR 0.1” de penetración CBR 0.2” de penetración 7.9 REFERENCIAS BIBLIOGRAFIAS .- Cheng Lui, Jack Evett, Soil Properties Testing, Measurement, and Evaluation, Third 2.- boratory-Compacted Soils. F 1 Edition, The University of North Carolina at Charlotte ASTM D 1883-99, CBR (California Bearing Ratio) of La 3.- MTC E 132-1999, CBR de Suelos (Laboratorio) S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 326Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F F8.1 OBJETIVO Las partículas planas y alargadas son aquellas cuya dimensión última es menor que 0.6 veces su dimensión promedio y aquellas que son mayores 1.8 veces la dimensión promedio. Para este ensayo se considera que la dimensión promedio es el tamaño medio entre las dos aberturas 1” a ¾”, ¾” a ½”, ½”a 3/8”, etc. entre las que los agregados son retenidos al ser tamizados. Después de haber sido tamizadas las partículas planas y alargadas se separan usando como patrón los aparatos que se muestran en las figuras F8.1 y F8.2. Las partículas planas pueden ser separadas rápidamente pasándolas por cribas con ranuras, pero en este caso, se necesita un tipo de criba para cada tamaño. El porcentaje por peso de las partículas planas y alargadas se le designa con el nombre de índice de aplanamiento e índice de alargamiento. F8.2 EQUIPOS 1. Calibrador de aplanamiento y alargamiento. 2. Tamices. 2 ½”; 2”, 1 ½”, 1”, ¾”; ½”; ”; ¼”. 83 3. Bandejas 4. Cuarteador 5. Balanza. Sensibilidad de 0.1% el peso de la muestra que se ensaya. F8.3 PREPARACIÓN DE LA MUESTRA 1. Separar por cuarteo una muestra representativa 2. Tamizar por las mallas indicadas y determinar el peso retenido entre dos mallas consecutivas. W i 3. Separar el material retenido en cada malla para ser ensayado Nota Si el porcentaje retenido entre dos mallas consecutivas es menor al 5%, no se ensaya. Si el porcentaje retenido entre dos mallas consecutivas está entre 5% y 15%, se separarán un mínimo de 100 partículas. Determinar su peso con aproximación al 0.1%. Si el porcentaje retenido entre dos mallas consecutivas es mayor al 15%, se separarán un mínimo de 200 partículas. Determinar su peso con aproximación al 0.1%. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 327Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F F8.1: Calibrador de Espesores 100m m 3.15m m (1/8") diam . 1.55m m (1/16") ESTAS MEDIDAS VAN MARCADAS EN LA PLACA 63.0m m o 50.6m m 100m m 31.9mm (2 1/2 Ø 2)" (2 o 1 1/2)" 30.0m m o 32.5m m 25.3mm 90m m (1 1/2 o 1)" 80m m 70m m 50m m 40m m 30m m 70mm 37.5m m o 25.0m m 18.8mm 17.0m m 25.0m m o 19.0m m (1 o 3/4)" 15.2 mm 9.5 mm 8.5 mm mm 4.7 31.5mm o 25.0mm (1 1/4 o 1)" 19.0mm o 12.5mm (3/4 o 1/2)" (1/2 o 3/8)" 2.5mm 12.5mm o (3/8 o 1/4)" 6.3mm 2.5mm o S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 328 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F F8.2: Calibrador de Longitud 75.8mm 45.0m m 39.5mm 14.2 mm 19.8 mm 28.4mm 56.3mm (1/4") (6.35mm) diam. 25.0mm PASA TAMIZ RETENIDO EN TAMIZ (3/8") 9.5mm 6.3mm (1/4") 12.5mm (1/2") 9.5mm (3/8") (1/2") 12.5mm 19.0mm (3/4") (3/4") 19.0mm (1") 25.0mm 25.0mm (1") (1/1/2") 37.5mm (1/1/2") 37.5mm (2") 50.0mm S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 329 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F F8.4 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO 1. Cada una de las muestras separadas se hace pasar por el calibrador de espesores en la ranura cuya abertura corresponda a la fracción que se ensaya. 2. Pesar la cantidad de partículas de cada fracción, que pasaron por la ranura correspondiente, aproximación al 0.1% del peso total de la muestra de ensayo. Pi 3. Cada una de las muestras separadas se hace pasar por el calibrador de longitud por la separación entre barras correspondiente a la fracción que se ensaya. 4. Pesar la cantidad de partículas de cada fracción, retenida entre las dos barras correspondientes, aproximación al 0.1% del peso total de la muestra de ensayo. R i F8.5 CÁLCULOS Índice de aplanamiento: ( ) 100 W P % IAP i i fi ×= Donde: IAP Índice de aplanamiento de la fracción i, ensayada fi P Peso de las partículas que pasan por la ranura correspondiente i Wi Peso inicial de ésa fracción Índice de alargamiento: ( ) 100 W R % IAL i i fi ×= Donde: IAL Índice de alargamiento de la fracción i, ensayada fi R Peso de las partículas retenidas entre las correspondientes barras i Wi Peso inicial de ésa fracción Para ambos índices, los resultados se deberán redondear al entero superior más próximo. F8.6 INFORME Los índices se expresan en función del peso total de la muestra, se calcula el promedio ponderado de los respectivos índices de todas las fracciones ensayadas, empleando como factores de ponderación los porcentajes retenidos, Ri, e indicando la granulometría de la muestra. Aplicar las siguientes expresiones: ( ) ∑ ∑ × = i ifi R RIAP nto Aplanamiede Indice ( ) ∑ ∑ × = i ifi R RIAL nto Alargamiede Indice F8.9 REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA Índice de Aplanamiento y Alargamiento de Agregados para Carreteras. MTC E221-1999 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 330 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Foto NºF8.1: Partículas aplanadas y alargadas S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 331 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F F9.1 GRAVEDAD ESPECIFICA La gravedad específica del agregado es necesaria para determinar el contenido de vacíos de la mezclas asfálticas compactadas. Por definición, la gravedad específica de un agregado es la relación del peso por unidad de volumen de un material respecto del mismo volumen de agua a aproximadamente 23ºC (73.4ºF). La ecuación usada es: agua del especifico peso Volumen Peso Específica Gravedad × = Cuando se trabaja en el SI, el peso especifico del agua es 1.0gr/cm3, convirtiendo la ecuación de la gravedad específica en: Volumen Peso Específica Gravedad = Además, existen tres diferentes gravedades específicas relacionadas al diseño de mezclas asfálticas en caliente que definen el volumen de las partículas de agregados: Gravedad Específica Seca Aparente Gravedad Específica Seca Bulk (Base Seca) y Saturada Superficialmente Seca Bulk2 Gravedad Específica Efectiva Para ilustrar los conceptos listados utilizaremos el esquema peso-volumen de la partícula de agregado Poros impermeables al agua Poros permeables al agua 2 Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design and Construction. National Center for Asphalt Technology 1996 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 332 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Esquemáticamente las relaciones peso-volumen se muestran a continuación: Vpp Vs (Ws) Vap Vpp-Vap Esquema de Relaciones entre las Diferentes Gravedades Específicas de una partícula de agregado Donde: Vs Volumen del agregado seco incluyendo los vacíos impermeables Vpp Volumen de poros permeables al agua Vap Volumen de poros que absorbieron asfalto Vpp-Vap Volumen de poros permeables al agua menos los poros que absorbieron asfalto Ws Peso de agregado secado al horno Nota El agregado contiene poros impermeables que no se detallarán en las ecuaciones pero que es implícito se están considerando. Gravedad Específica Seca Aparente Poros impermeables agregado del Volumen seco agregado del Peso aparente seca específica Gravedad = S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 333 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F s s sa V W Gaparente seca específica Gravedad == La gravedad específica seca aparente incluye solamente el volumen de las partículas de agregado mas los poros impermeables. Gravedad Específica Seca Bulk (Base Seca) Poros impermeables Poros permeables permeables poros los mas agregado del Volumen seco agregado del Peso Bulk Seca específica Gravedad = ( )pps s sb VV W GBulk Seca específica Gravedad + == Incluye volumen total de las partículas de agregados mas el volumen de poros llenos con agua luego de 24 horas de inmersión. Gravedad Específica Saturada Superficialmente Seca Bulk Vacíos impermeables Vacíos permeables permeables poros los mas agregado del Volumen seco lmentesuperficia saturado agregado del Peso Bulk Seca Sup. Sat. Esp. Grav. = ( )pps sss SSS VV W bGBulk Seca Sup. Sat. Esp. Grav. + == S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 334 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Donde: WSSS Peso del Suelo Saturado Superficialmente Seco La gravedad específica saturada superficialmente seca bulk define la relación entre el peso del agregado en su condición saturada superficialmente seca, que se obtiene secando las partículas con un paño luego de la inmersión, y el volumen del agregado más los vacíos permeables. La gravedad específica Saturada Superficialmente Seca Bulk es usada por la U.S. Corps of Engineers para el diseño y control de Mezclas Asfálticas en Caliente cuando se usan agregados con porcentajes de absorción mayores que 2.5%. La gravedad específica Seca Bulk y Seca Aparente de agregados gruesos y finos se pueden determinar con las normas ASTM C-127 y C-128, respectivamente. F9.2 GRAVEDAD ESPECÍFICA EN AGREGADOS GRUESOS, ASTM C-127 La muestra a ser evaluada se satura y pesa en su condición saturada superficialmente seca, ver fotos F9.1 y F9.2. El procedimiento es como sigue: 1. Aproximadamente 5 kg. de material retenidos en la malla Nº4 (4.75 mm) se lava y seca hasta que alcance peso constante. 2. La muestra seca se sumerge por 24 horas en agua. 3. Los agregados se sacan del agua y secan superficialmente con ayuda de una toalla. 4. Se obtiene el peso de la muestra en su condición superficialmente seca. 5. La muestra saturada superficialmente seca se coloca en una cesta de alambre y se determina el peso de la muestra sumergido en agua. 6. La muestra se seca al horno hasta obtener peso constante. 7. La gravedad específica se calcula según: A peso en el aire del agregado seco al horno, gr., B peso en el aire del agregado saturado superficialmente seco, gr. C peso del agregado saturado superficialmente seco sumergido en agua, gr. ( ) A 100AB (%)Absorción CB B G Bulk, seca lmentesuperficia saturada específica Gravedad CB A G Bulk, seca específica Gravedad CA A G aparente, seca específica Gravedad sssb sb sa − = − = − = − = S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 335 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Agregado Toalla para secado Tanque de agua Cesta Foto F9.1: Se muestra el agregado grueso sumergido en agua, la toalla para secar la muestra, una cesta para pesar el suelo saturado superficialmente seco bajo el agua y un tanque de agua S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 336 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Foto F9.2: La muestra de agregado grueso se seca con ayuda de una toalla S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 337 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F F9.3 GRAVEDAD ESPECÍFICA EN AGREGADOS FINOS, ASTM C-128 El método es como sigue, ver fotos F9.3, F9.4 y F9.5: 1. Aproximadamente 1000 gr. de agregado fino se seca a peso constante. 2. Se sumerge el material por 24 horas en agua. 3. La muestra se extiende en una superficie plana y se expone a una corriente de aire caliente. 4. La condición saturada superficialmente seca se alcanza cuando el material cae al invertirse el cono en el que la muestra del material fue suavemente compactada. 5. Aproximadamente 500 gr. del material en la condición saturada superficialmente seca se colocan en un matraz que se llena con agua y se eliminan los aires atrapados. 6. El agregado se saca del matraz, se seca al horno a peso constante 7. La gravedad específica se calcula de la siguiente manera: A peso en el aire del agregado seco al horno, gr., B peso del matraz (picnómetro) con agua, gr. C peso del matraz (picnómetro) con el agregado y agua hasta la marca, gr. D Peso del material saturado superficialmente seco (500+10 gr) 100 A AD (%)Absorción CDB D G Bulk, seca sup. sat. específica Gravedad CDB A G Bulk, seca específica Gravedad CAB A G aparente, seca específica Gravedad sssb sb sa ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −= −+ = −+ = −+ = S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 338 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Foto F9.3: La muestra de agregado fino saturada, se seca hasta que alcance su condición saturada superficialmente seca, esta condición se verifica con el método del cono. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 339 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Foto F9.4: Se considera que el agregado está en su condición saturado superficialmente seco cuando la arena del cono no se derrumba al ser removido éste. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 340 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo F Foto F9.5: Una vez que la muestra alcanzó la condición saturada superficialmente seca, se colocan aproximadamente 500 gr de muestra en una fiola para determinar su volumen. La fiola se agita para eliminar los vacíos de aire atrapados. Se agrega agua si es necesario. Se pesa la fiola con el agregado y el agua. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 341 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G G1.1 INTRODUCCIÓN El ensayo de penetración es un método empírico usado para medir la consistencia del cemento asfáltico. Por lo general la penetración se mide a 25ºC que es el promedio de las temperaturas de servicio del pavimento. Esta norma considera los cementos asfálticos con penetraciones menores de 350 dmm. Materiales con penetraciones entre 350 y 500 requieren de aparatos especiales. G1.2 DEFINICIÓN El ensayo de penetración consiste en colocar una muestra de asfalto en un recipiente estándar a una temperatura de 25ºC, controlado por un baño de agua. La muestra es penetrada por una aguja de 100 gr. por 5 segundos. La profundidad de penetración se mide en décimas de milímetro (dmm) que son las unidades de penetración. Por ejemplo, si la aguja penetra 8 mm, la penetración del asfalto es 80. El ensayo de penetración se puede realizar a otras temperaturas como 0, 4 y 46ºC. Para estas corridas la carga de la aguja y el tiempo de penetración varía. Por ejemplo, a 4ºC el cemento asfáltico es rígido, la penetración con una aguja de 100 gr por 5 s es inferior que si el ensayo se realizase a 25ºC. A esta temperatura se emplea una aguja de 200 gr de peso y 60 segundos de penetración. G1.3 EQUIPOS Equipo de Penetración Será un equipo que permita que el vástago de la aguja se mueva verticalmente sin fricción y que sea capaz de medir la profundidad de penetración con una aproximación de 0.1 mm. El peso del vástago será 47.5 ± 0.05g. El peso total de la aguja con el fijador será de 50 ± 0.05g. Además se deberá contar con pesos adicionales de 50 ± 0.05g y 100 ± 0.05g, para cargas totales de 100 g y 200 g, como se requieran en las condiciones del ensayo. El apoyo de la muestra, en el equipo de penetración, deberá ser una superficie plana, la aguja deberá formar aproximadamente 90º con esta superficie. Aguja de Penetración S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 343Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G La aguja debe ser de acero inoxidable de aproximadamente 50 mm (2 pulg.) de longitud y de 1.00 a 1.02 mm (0.0394 a 0.0402 pulg.) de diámetro. La aguja deberá estar montada rígidamente sobre un zuncho de bronce o de acero inoxidable, la longitud expuesta deberá estar entre los límites de 40 a 45 mm (1.57 y 1.77 pulg.). El peso del ensamblado aguja y zuncho deberá ser de 2.50 ± 0.05g. Contenedor de Muestras El contenedor de muestra será de vidrio o metal, de forma cilíndrica y de fondo plano. Sus dimensiones serán de 55 mm de diámetro y 35 mm de altura interna para penetraciones debajo de 200 y 70 mm de diámetro y 45 mm de altura interna para penetraciones entre 200 y 350. Baño de Agua Para la inmersión de la muestra se deberá contar con un baño de agua de por lo menos 10 l., que permita mantener la temperatura de ensayo. El baño deberá contar con una placa soporte perforada colocada a una distancia no menor de 50 mm desde el fondo y no mas de 100 mm debajo del nivel superior del líquido en el baño. Si el ensayo se va realizar en el mismo baño de agua, se deberá disponer de una plataforma resistente para soportar el equipo de penetración. Cápsula de Transferencia Deberá tener una capacidad de 350 ml y altura suficiente de agua para cubrir todo el recipiente. Deberá estar provisto con algunos medios para obtener un apoyo firme y prevenir el balanceo del recipiente. Un soporte de tres pies de contacto para el recipiente de la muestra es un medio conveniente para asegurarlo. Medidor de tiempo Para penetrómetros operados manualmente se puede emplear un reloj eléctrico, un cronómetro u otro instrumento con aproximación a 0.1 s. en un intervalo de 60 s. Si el ensayo se realizara con penetrómetros automáticos, el dispositivo deberá estar calibrado para proporcionar el tiempo de ensayo con exactitud de ±0.1 s. La precisión de todos los instrumentos de medición deberán ser verificados antes del inicio del ensayo. Termómetros Se deberá contar con termómetros que permitan controlar la temperatura en el baño. Estos termómetros serán de mercurio con varilla de vidrio y con error máximo de 0.1ºC. G1.4 PREPARACIÓN DE LA MUESTRA 1. Se deberá tomar una muestra de aproximadamente 400 a 500 gr. La muestra deberá ser representativa del total y no deberá estar contaminada. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 344Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G 2. Calentar la muestra hasta que se haga lo suficientemente fluida para vaciarla, removerla periódicamente de tal manera que no existan sobrecalentamientos. En ningún caso la temperatura de calentamiento será mayor de 100ºC por encima del punto de ablandamiento. El tiempo total de calentamiento no excederá los 30 min, evitándose la formación de burbujas. 3. Vaciar el asfalto al contenedor de muestras, que también ha sido calentado a temperatura semejante a la del asfalto. La profundidad será tal que cuando alcance la temperatura de prueba, sea por lo menos 10 mm mayor que la profundidad a la cual se espera que la aguja penetre. Se prepararán dos moldes para cada material a ser evaluado. 4. Las muestras se deben dejar enfriar a temperatura ambiente. Los contenedores deberán ser cubiertos con vasos de vidrio invertidos para evitar que sean contaminados por polvo. Se dejarán por un período de 1 a 1.5 horas para contenedores pequeños y de 1.5 a 2 horas para los mas grandes. Luego de este tiempo se sumergen los moldes en el baño de agua a la temperatura de ensayo. Permitir que el recipiente pequeño (3 oz.) permanezca de 1 a 1.5 h. y el más grande (6 oz.) de 1.5 a 2 h. G1.5 CONDICIONES DE ENSAYO Las condiciones de ensayo serán las indiciadas en la tabla siguiente: Temperatura ºC (ºF) Carga g Tiempo s 0 (32) 200 60 4 (39.2) 200 60 25 (77) 100 5 46.1 (115) 50 5 Las condiciones de ensayo deberán indicarse. G1.6 ENSAYO 1. Limpiar la aguja de penetración con algún solvente adecuado. Insertar la aguja al penetrómetro, colocar un peso de 50 g sobre la aguja, a menos que se indique lo contrario, haciendo la carga total movible de 100 ± 0.1 g. Si las pruebas son hechas con el penetrómetro en el baño, colocar el recipiente de muestra directamente sobre el soporte sumergido del penetrómetro. Mantener el recipiente de muestra completamente cubierto con el agua en el baño. Si las pruebas son hechas con el penetrómetro fuera del baño, colocar el contenedor en la cápsula de transferencia, cubrir el recipiente completamente con agua del baño a temperatura constante y colocar la cápsula de transferencia sobre el soporte del penetrómetro. 2. Bajar el agua hasta que haga contacto con la superficie de la muestra. Anotar la lectura en el dial del penetrómetro o poner en cero el indicador. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 345Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G 3. Permita que la aguja baje por el período de tiempo especificado. Finalmente se lee y anota la distancia que haya penetrado la aguja en la muestra, esta lectura se expresa en décimas de milímetro. 4. Se realizan tres penetraciones en la muestra. Las penetraciones se realizan a distancias no menores de 10 mm entre sí y de la pared del recipiente. 5. Si se emplea la cápsula de transferencia, retornar la muestra y la cápsula al baño de temperatura constante entre determinaciones. 6. Usar una aguja limpia para cada determinación 7. Cuando las penetraciones mediadas sean más profundas de 200, se usarán al menos tres agujas, dejándolas en la muestra hasta que las tres determinaciones se hayan completado. G1.7 REPORTE Reportar el promedio de las tres penetraciones redondeado a la unidad mas cercana. Las lecturas de penetración no deben diferir en: Penetración 0 a 49 50 a 149 150 a 249 >249 Máxima diferencia entre La mas alta y baja de las lecturas 2 4 6 8 Si las diferencias son mayores a las indicadas en el cuadro, el ensayo deberá volver a realizarse. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 346Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G G2.1 FUNDAMENTO Todos los agregados son porosos, y algunos lo son más que otros. La porosidad se determina sumergiendo los agregados en un baño y determinando la cantidad de líquido que absorbe. La capacidad de un agregado para absorber agua (o asfalto) es un factor importante que debe ser cuantificado en el diseño de mezclas asfálticas. Si un agregado es altamente absorbente, entonces continuará absorbiendo asfalto después del mezclado inicial, disminuyendo la cantidad de asfalto para ligar las demás partículas de agregado. Por ello, un agregado más poroso requiere cantidades mayores de asfalto de las que requiere un agregado con menos porosidad. Los agregados altamente porosos y absorbentes normalmente no son usados, a menos que posean características que los hagan deseables. Algunos ejemplos de dichos materiales son la escoria de alto horno y ciertos agregados sintéticos. Estos materiales son altamente porosos, pero también son livianos en peso y poseen alta resistencia al desgaste. El concepto de adherencia en el diseño de mezclas asfálticas está relacionado a la afinidad del agregado por el asfalto, es la tendencia del agregado a aceptar y retener una capa de asfalto. Las calizas y las dolomitas tienen alta afinidad con el asfalto; sin embargo, también son hidrofóbicas (repelen el agua) porque resisten los esfuerzos del agua por separar el asfalto de sus superficies. Los agregados hidrofílicos (que atraen el agua) tienen, por otro lado, poca afinidad por el asfalto. Por consiguiente, tienden a separarse de las películas de asfalto cuando son expuestas al agua. Los agregados silíceos (cuarcita y algunos granitos) son ejemplos de agregados susceptibles al desprendimiento y deben ser usados con precaución. Como se ha explicado el concepto de adherencia no está necesariamente ligado al concepto de porosidad. Los agregados usados en construcción de carreteras se obtiene del abastecimiento de rocas naturales locales. Las rocas naturales son clasificadas geológicamente en tres grupos dependiendo de su origen: ígneas, sedimentarias y metamórficas. Otro tipo de agregados usados en mezclas asfálticas en caliente son los agregados livianos, producto de arcillas calentadas a temperaturas muy altas, y escorias de altos hornos. Estos dos agregados proporcionan buena resistencia al patinaje cuando se usan en mezclas asfálticas en caliente. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 347Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G En la siguiente tabla se resumen propiedades deseables de rocas para agregados utilizados en Mezclas Asfálticas en Caliente. Tipo de Roca Dureza/Tenacidad Resistencia al desprendimiento* Textura superficial Forma fracturada Ígnea: Granito Sienita Diorita Basalto Diabasa Regular Bueno Bueno Bueno Bueno Bueno Regular Regular Regular Bueno Bueno Bueno Regular Regular Regular Bueno Bueno Bueno Regular Regular Bueno Bueno Bueno Bueno Gabro Sedimentaria: Caliza, dolomia Arenisca Chert Pobre Regular Bueno Pobre Bueno Bueno Regular Pobre Bueno Bueno Pobre Regular Regular Bueno Bueno Regular Lutita Metamórfica: Gneis Esquisto Pizarra Cuarcita Mármol Regular Regular Bueno Bueno Pobre *Agregados hidrofílicos tienden a separar más fácilmente las películas de asfalto. Serpentina** Bueno Regular Regular Regular Regular Bueno Regular Bueno Bueno Regular Bueno Regular Regular Bueno Regular Regular Bueno Regular Regular ** Es un mineral que se forma por alteración de las rocas ultrabásicas Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design and Construction. National Center for Asphalt Technology1996 G2.2 OBJETIVO Este método describe los procedimientos de revestimiento e inmersión estática para determinar la capacidad de retención de una película bituminosa sobre una superficie de agregado en presencia del agua. Este método es aplicable para cementos asfálticos y RC. Donde se desee evitar el desprendimiento, se puede agregar algún aditivo. G2.3 EQUIPOS DE LABORATORIO 1. Tamices. De 3/8”, 1/4” y bandeja 2. Recipiente. De porcelana 3. Recipiente. De vidrio de 500 ml de capacidad 4. Horno. Capaz de mantener temperaturas de 60º-149º ± 1.1ºC 5. Baño maría para asfalto. con controlador automático 6. Balanza. De 200 ± 0.1 gr de precisión S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 348Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G 7. Espátula acerada. De 1” de ancho y 4” de longitud 8. Bitúmen. Que debe ser del mismo tipo de que se va usar en obra. Si se propone algún aditivo químico, éste debe adicionarse al Bitúmen en la cantidad especificada, y antes de mezclar enteramente el especímen. 9. Agua destilada. Con pH entre 6 y 7 G2.4 PREPARACIÓN DE LA MUESTRA 1. Tamizar el agregado grueso por las mallas 3/8” y 1/4”. 2. Se lava la muestra retenida en la malla ¼” con agua destilada para eliminar los finos y se lleva a secar en horno a la temperatura 110ºC hasta que mantenga un peso constante. G2.5 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO 1. Calentar el agregado y bitúmen a la temperatura de mezcla, Tabla No. G2.1 2. Pesar 100 ± 1gr. del agregado y verterlo en un recipiente de porcelana. Para el Caso 3 (ver Tabla No. G2.2) incorporar a los agregados 2 ml de agua destilada, mezclar hasta que las partículas estén completamente humedecidas. Pesar el recipiente con el agregado. 3. Incorporar en el recipiente de porcelana, que aún se encuentra en la balanza, la cantidad de material bituminoso, especificado en la Tabla No. G2.1 ó en la nota. 4. Con una espátula caliente se mezcla vigorosamente hasta que el agregado quede totalmente revestido con el material bituminoso. 5. La mezcla se vierte en un recipiente de vidrio de 500 ml de capacidad y se lleva al horno por espacio de 2 hr. a la temperatura indicada en la Tabla No. G2.1, para ser curado. 6. Transcurrido el tiempo se retira el recipiente del horno, se remezcla con la espátula mientras la mezcla enfría a temperatura ambiente. 7. Incorporar aproximadamente 400 ml de agua destilada a 25ºC. Tabla No. G2.1: Temperatura para Mezcla del Material Bituminoso (Ensayo de Adherencia ASTM D-1664) Material Temperatura (ºC) Asfalto Líquido, grados 30 y 70 T. ambiente Asfalto Líquido 250 (RC-250) 35±3 Asfalto Líquido grado 800 52±3 Asfalto Líquido grado 3000 68±3 Alquitrán grados RT-1, RT-2, RT-3 60±3 Alquitrán grados RTCB-5, RTCB-6 60±3 Alquitrán grados RT-4, RT-5, RT-6 71±3 Alquitrán grados RT-7, RT-8, RT-9 93±3 Cementos Asfálticos PEN: 40-50, 60-70, 85-100 142±3 Si el material bituminoso no se encuentra en la tabla, la temperatura de mezclado es la Temperatura Ambiente. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 349Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G Tabla No. G2.2 Cantidad de Material Bituminoso a incorporar (Ensayo de Adherencia ASTM D-1664) Caso Condición del agregado Material bituminoso Tiempo de mezcla Tº de curado Tiempo de curado Tiempo de inmersión en agua Asfaltos Líquidos 1 5.5 ± 0.2 gr. 2.0 min. 60ºC 2 hr. 16-18 hr. Emulsiones asfálticas 2 8.0 ± 0.2 gr. 5.0 min. 135ºC 2 hr. 16-18 hr. Cemento Asfáltico 3 Agregado seco 5.5 ± 0.2 gr. 2.0-3.0 min. - No requiere 16-18 hr. Asfaltos Líquidos 4 Agregado húmedo 5.5 ± 0.2 gr. 5.0 min. 60ºC 2 hr. 16-18 hr. 8. El frasco se lleva al baño maría que contiene agua a 25º C, hasta una altura que alcance las ¾ partes de la altura del vaso de vidrio. Es importante indicar que la temperatura debe mantenerse constante. 9. El frasco se tendrá en el baño maría por un período de 16 a 18 horas. 10. Retirar la muestra y sin agitar o alterar el agregado revestido, quitar alguna película que flota en la superficie del agua. Determinar por observación el porcentaje del área total visible del agregado que queda revestido sobre o debajo del 95%, algunas áreas o aristas traslúcidas o parduzcas se consideran como totalmente revestidas. 11. En el informe se mencionará si el porcentaje de área revestida es mayor o menor a 95%, consignándose como (+ 95) ó (– 95), respectivamente. G2.6 NOTA DEL PROCEDIMIENTO DE ENSAYO Para el caso de agregados secos revestidos con cemento asfáltico PEN 40-50, 60-70 y 85-100 y alquitranes: RT-10, RT-11 y RT-12. El procedimiento es similar salvo en los siguientes ítems: 1. En el ítem 1: Si la mezcla es agregado seco y asfalto: Calentar por separado el agregado y asfalto en horno a temperatura constante de 135- 149ºC por espacio de una hora. Si la mezcla es agregado seco y alquitrán: Calentar por separado el agregado en horno a temperatura constante de 79-107ºC y el alquitrán a temperatura constante de 93-121ºC. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 350Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G 2. En el ítem 3: Colocar el recipiente de mezcla sobre una malla de asbesto o material aislante para retardar el enfriamiento, incorporar al agregado 5.5± 0.2 gr. de bitumen calentado. Mezclar por 2.0 min. y dejar que la mezcla se enfríe a temperatura ambiente. 3. En el ítem 5: No requiere de curado 4. Todos los demás pasos son similares. G2.7 OBSERVACIONES AL ENSAYO Los resultados del ensayos son subjetivos, esto limita el alcance que tiene a porcentajes mayores al 95%. No se intentará conocer, por éste método, el porcentaje de asfalto retenido por el agregado por debajo del 95%. G2.8 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ASTM D 1664-80, Test Coating and Stripping of Bitúmen-Aggregate Mixtures. MTC E517-1999, Cubrimiento de los Agregados con Materiales Asfálticos (incluye emulsiones) en presencia del agua (Stripping) Mezclas Abiertas y/o T.S. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 351Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G Foto No. G2.1: Calentar el bitúmen a la temperatura de mezcla Foto No. G2.2: Incorpore en el recipiente con el agregado, la cantidad de material bituminoso especificado S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 352Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G Foto No. G2.3: Con una espátula caliente se mezcla vigorosamente hasta que el agregado quede totalmente revestido con el material bituminoso Foto No. G2.4: Determinar por observación el porcentaje del área total visible del agregado que queda revestido sobre o debajo del 95% S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 353Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G G3.1 FUNDAMENTO La arena que forma parte de una mezcla asfáltica debe tener propiedades químicas adecuadas que permitan la elaboración de una mezcla uniforme, que cumpla con todos los requisitos de durabilidad; una de ellas es medir la adhesividad de los ligantes bituminosos respecto de una arena, natural o de machaqueo, cuando la mezcla árido-ligante se somete a la acción de soluciones de carbonato de sodio a concentraciones crecientes. G3.2 OBJETIVO El ensayo de Riedel Weber tiene por finalidad determinar el grado de adhesividad del agregado fino con el asfalto. Se describirán los métodos de ensayo en el siguiente orden: Norma Francesa D.E.E. MA8-1938, Norma Española NLT-355/74, Norma Chilena No. LNV10-86 y Norma MTC 220-1999 en forma paralela y se hará hincapié en caso los procedimientos sean diferente. El ensayo emplea material que pasa las siguientes mallas: Norma Pasa el tamiz Retiene en el tamiz Francesa D.E.E. MA8-1938 Nº30 Nº80 Española NLT-355/74 Nº30 Nº70 Chilena No. LNV10-86 Nº30 Nº100 MTC 220-1999 Nº30 Nº70 Este material se mezcla con asfalto y se ensaya con carbonato de sodio a diferentes concentraciones molares. Todas las normas pueden aplicarse a todos los ligantes bituminosos, betunes de penetración, betunes fluidificados, alquitranes y emulsiones bituminosas. G3.3 EQUIPOS DE LABORATORIO 1. Tamices. De abertura cuadrada correspondiente a la norma de ensayo y bandeja. La norma española emplea dos tamices de abertura cuadrada que estén de acuerdo con las normas UNE 7.050 (ASTM D:E11-70) de los siguientes tamaños: Tamiz 0.63 UNE (ASTM Nº30) y Tamiz 0.20 UNE (ASTM Nº70) 2. Estufa. Que alcance y mantenga temperaturas de 145 ±5ºC S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 354Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G 3. Cápsula. De porcelana de 300 ml de capacidad 4. Balanza. De 1 kg de capacidad, sensibilidad de 0.1 gr. 5. Balanza. De 200 gr. de capacidad, sensibilidad de 0.01 gr. 6. Tubos de ensayo. De 1.3 cm de diámetro y 15 cm de altura1, resistentes al calor (pirex) 7. Soporte para tubos de ensayo 8. Fiola. de 500 ml de capacidad resistente al calor (pirex) 9. Vaso de pirex. De 400 ml de capacidad 10. Espátula 11. Mechero 12. Cronómetro. De 10 minutos 13. Chisguete de agua G3.4 PREPARACIÓN DE LA SOLUCIÓN El carbonato sódico puro (Na2CO3) anhidro y agua, H2O, destilada forman la solución de carbonato de sodio. Para preparar la disolución a diferentes concentraciones, se debe disolver el peso de Carbonato de Sodio indicado en la Tabla No. G3.1, según la concentración que se desee obtener, hasta completar un litro de agua destilada. Tabla No. G3.1 Peso de Na2CO3 por litro de disolución CONCENTRACIÓN DE DISOLUCIONES MOLARES CO3Na2 Gr/lt GRADO H2O destilada 0 M/256 0.414 1 M/128 0.828 2 m/64 1.656 3 m/32 3.313 4 m/16 6.625 5 m/8 13.250 6 m/4 26.500 7 m/2 53.000 8 m/1 106.000 9 Nota.- Preferentemente las disoluciones se prepararán de nuevo para cada ensayo o tandas de ensayo a realizar, y no se utilizarán aquellas que lleven elaboradas más de 4 días2. G3.5 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO 1. Extraer una muestra representativa por cuarteo. 1 La norma española emplea tubos de ensayo de 2.0 cm de diámetro y 20.0 cm de altura 2 Adhesividad de los Agregados Bituminosos a los áridos Finos (Procedimiento Riedel-Weber) MTC E220-1999 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 355Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G 2. En el caso de la Norma Española y del MTC, si la muestra de árido recibido en el laboratorio proceda de piedra de cantera o de gravera, se procede a su cuarteo y posterior machaqueo hasta obtener una arena; si la muestra de árido recibida es una arena natural o arena de machaqueo se separa por sucesivos cuarteos el material necesario para el ensayo. 3. Tamizar aproximadamente 200 gr de agregado fino por las requeridas según norma de ensayo. Norma Francesa, se tamiza el material por las mallas Nº30 y Nº80, usando la porción retenida en el tamiz inferior. Norma Española y MTC, la fracción del material obtenida por cuarteo se lava para eliminar totalmente el polvo que pueda contener, seguidamente se seca en estufa a la temperatura de 145±5ºC durante 1 hora. Norma Chilena, la muestra se tamiza por vía húmeda por la malla Nº200, se seca a 110±5ºC y se deja enfriar a temperatura ambiente, luego se procede a tamizar por las mallas Nº30 y Nº100. 4. Si el ligante a emplear es: cemento asfáltico de penetración, fluidificado o fluxado, o alquitrán, la proporción de mezcla árido-ligante es de 71 volúmenes del árido seco con 29 volúmenes de ligante (la relación correspondiente de masas se calcula a partir de las densidades respectivas). Además, las normas Española, MTC y Chilena incorporan como ligante a la emulsión bituminosa de la siguiente manera: Norma Española y MTC, la proporción de mezcla árido-ligante es de 71 volúmenes del árido seco con 95 volúmenes de ligante al 50%. Norma Chilena, la proporción de mezcla árido-ligante es de 71 volúmenes del árido seco con 29 volúmenes de emulsión. 5. En la cápsula de porcelana precalentada a la temperatura de mezcla, se incorpora con una espátula caliente el árido con el ligante, debiendo lograr una mezcla homogénea y revestimiento total de las partículas. La temperatura de mezcla será de acuerdo a la Tabla No. G3.2. 6. Dejar enfriar a temperatura ambiente aproximadamente por 1 hora. Para el caso de mezcla con emulsión las normas consideran: Norma Española y MTC, luego del período de enfriamiento, se decanta el líquido en exceso que acompaña la muestra y se deja reposar durante 24 horas. Norma Chilena, Una hora después de efectuada la mezcla se cura en horno durante 24 horas a la temperatura de 35±3ºC. 7. Preparar 10 esferas de 0.50 gr. de la mezcla, pesadas en una balanza con precisión de 0.01gr. 8. En 10 tubos de ensayo se introducen las esferas preparadas con la mezcla, enumerándolas de 0 a 9. En el tubo marcado con “0”, se incorpora 2.0 ml de agua destilada para la norma Francesa, y 6 ml en el caso de las normas Española y MTC, marcar en el tubo la superficie libre que alcanza el agua. Colocarlo sobre el mechero con ayuda de una pinza. 9. En el momento en que entra en ebullición se controla 1 minuto con el cronómetro, retirar el tubo de ensayo y añadir agua destilada con chisguete hasta el nivel inicial. Agitar vigorosamente por 10 segundos y observar si existe desprendimiento del asfalto en el agregado fino. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 356Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G 10. Si no se observa desprendimiento alguno, se repiten los pasos 9 y 10 con el tubo 1, incorporando el volumen (según punto 9) de carbonato de sodio a la concentración m/256; así sucesivamente hasta que se observe algún desprendimiento entre el ligante y la arena, para el caso de la norma Francesa. En las normas Española, MTC y Chilena se continúa con el ensayo hasta que se produzca el desplazamiento total, si el desprendimiento es parcial continuar con mayores concentraciones molares. 11. Se asignará el índice de adhesividad correspondiente a la concentración empleada, según la Tabla No.G3.1. Si no hay desprendimiento se asignará el grado 10. Tabla No. G3.2 Temperatura de mezcla según norma de ensayo Norma Francesa D.E.E. MA8-1938 Española NLT-355/74 MTC220-1999 (orientativo) Chilena No. LNV10-86 Mezcla con: Temperatura ºC Betún 150ºC 140 – 175 110±5ºC Betún fluidificado 70ºC 25 – 110 Betún fluxado 50 – 110 Alquitrán Según el asfalto a utilizar 70ºC 70 – 110 Emulsión bituminosa Ambiente Ambiente 20±3ºC G3.6 EVALUACIÓN 1. Norma Francesa: Como Indice de Adhesividad se le asignará al número correspondiente a la menor de las concentraciones ensayadas con la que se produce algún desprendimiento. 2. Norma Española y MTC definen los siguientes términos: Desplazamiento total, cuando prácticamente todos los granos de la arena aparecen limpios, pudiendo comprobarse porque los granos están sueltos o porque al hacer rodar entre los dedos el tubo de ensayo, los granos de arena siguen libremente la rotación imprimida al tubo ( para ello se puede utilizar como referencia a un tubo de ensayo sin ligante, conteniendo de 5 a 6 ml de agua para comparar su aspecto o movimiento al rodar el tubo de ensayo entre los dedos. Desplazamiento parcial, cuando los granos de la arena aparecen semi-limpios manteniendo una liga o cohesión entre ellos, en este caso los granos de arena envueltos por el ligante permanecen aglomerados en el fondo del tubo de ensayo. Para apreciar la adherencia entre el árido-ligante después del ensayo, no se considera el ligante que aparezca en la superficie del tubo de ensayo, solo debe tenerse en cuenta el aspecto que ofrezca la masa de mezcla que queda en el fondo del tubo. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 357Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G G3.7 INFORME Norma Francesa En el informe se menciona el tipo de asfalto y como índice de adhesividad el número correspondiente a la menor de las concentraciones ensayadas con la que se produce algún desplazamiento del ligante bituminoso en la superficie del árido, de acuerdo con la Tabla No. G3.1. Normas Española, MTC y Chilena • En el informe se menciona el tipo de asfalto y como índice de adhesividad el número correspondiente a la menor de las concentraciones ensayadas con la que se produce un desplazamiento total del ligante bituminoso de la superficie del árido, de acuerdo con la Tabla No. G3.1. • Si con alguna concentración inferior a la que produjo el desplazamiento total, se observó desplazamiento parcial, se expresará la adhesividad con dos números: el correspondiente a la concentración menor con la que se produce algún desplazamiento y el que produce el desplazamiento total. • Si se produjese desplazamiento total del ligante con solamente agua destilada, se asignará el Indice 0 de Adhesividad. • Si la solución molar de carbonato de sodio M/1 no produce desplazamiento del ligante bituminoso, el indice de adhesividad de la mezcla es 10. G3.8 Observaciones 1.- La evaluación se hará observando el desprendimiento que se produce por efecto de la ebullición de la solución. El grado de adhesividad se determina en función de la concentración de la solución para la cual se produce el desprendimiento. 2.- La arena que será usada como agregado para mezclas asfálticas deberá tener un Índice de Adhesividad mayor de 4. Para el caso que tenga índice de adhesividad menor, se podrá ensayar con aditivos mejoradores de adherencia. G3.9 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Comission Technigur Rile M 17 BM “Bitumes et Materiaux Bitumineux” Norma Española NLT- 355/74 Adhesividad de los Agregados Bituminosos a los Áridos Finos (Procedimiento Riedel-Weber). MTC E220-1999 Adhesividad a los Áridos Finos de los Ligantes Bituminosos (Procedimiento Riedel-Weber), Norma NLT-355/74. Ing. Pablo Del Águila S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 358Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G Foto No. G3.1: Calentar el ligante que será mezclado con el árido Foto No. G3.2: Preparar 10 esferas de 0.50 gr. de la mezcla. En 10 tubos de ensayo se introducen las esferas preparadas con la mezcla, enumerándolas de 0 a 9. Colocarlo sobre el mechero con ayuda de una pinza. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 359Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G Foto No. G3.3: En el momento en que entra en ebullición se controla 1 minuto con el cronómetro, retirar el tubo de ensayo y añadir agua destilada con chisguete hasta el nivel inicial. Agitar vigorosamente por 10 segundos y observar si existe desprendimiento del asfalto en el agregado fino. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 360Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 362 G4.1 FINALIDAD El ensayo de destilación se emplea para determinar las proporciones relativas de cemento asfáltico y disolventes presentes en el asfalto líquido. Durante el proceso de ensayo se podrá medir las cantidades de disolvente que destilan a diversas temperaturas, dando un indicativo de las características de evaporación del mismo. Estas, a su vez, indican la velocidad a que el material curará después de su aplicación. G4.2 OBJETIVO El proceso de ensayo consiste en la destilación de una muestra de 200 cm3 de asfalto líquido en un matraz de 500 cm3, elevando la temperatura y midiendo los volúmenes de disolvente que se recepcionan en una probeta, a temperaturas especificadas. El material que quede en el matraz será el residuo de destilación. G4.3 EQUIPOS DE LABORATORIO 1. Matraz. De 500 cm3 mostrado en la Fig. No. G4.1. 2. Condensador recto de vidrio. De 200 a 300 mm de largo 3. Alargadera. De 1 mm de espesor de pared y borde reforzado, con ángulo de 105º y 18 mm de diámetro en su extremo superior y 5 mm en el inferior 4. Pantalla metálica. De hierro galvanizado forrado interiormente con amianto de 3 mm de grosor y provisto de ventanas rectangulares cubiertas de mica transparente. 5. Mechero de gas graduable 6. Chimenea de hierro 7. Probetas. De 100 cm3 de capacidad 8. Termómetro de destilación. ASTM E-1, de -2ºC a 400º C de 1ºC de error máximo 9. Balanza. De 5 kg. de capacidad y 1.0 gramo de aproximación 10. Sujetadores En la Figura No.G4.2 se muestra el Equipo de Destilación. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 363 25 + 1.2 mm 13 5 + 5 m m 10 5 + 3 m m 102 + 2.0 mm 1.0 a 1.5 mm de pared 220 + 5.0 mm diámetro interno 10 + 0.5 mm 75 + 3° Figura G4.1: Matraz de 500 cm3 de capacidad Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 364 Cotas en mm No menos de 25.4 Probeta Papel secante Alargadera Tapón de corcho Protector Ventana de mica Matraz 6.5 Chimenea Mechero Soporte Dos mallas metálicas Termómetro 600 a 700 475± 2.5 75± 5 Tapón de corcho Camisa Figura No.G4.2 se muestra el Equipo de Destilación Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G G4.4 PROCEDIMIENTOS DE ENSAYO 1. Armar el equipo de destilación según la Figura No. G4.2, teniendo el cuidado de que todas las conexiones del equipo de destilación queden herméticamente cerradas para evitar fuga de vapores, que el termómetro quede fijado en posición vertical y alineado con el eje del matraz. 2. Agitar la muestra que será ensayada para conseguir homogeneidad, calentarla si fuera necesario. Si la muestra contiene más del 2% de agua, deshidrátese el material antes de la destilación para que no produzca espuma1. 3. Pesar el matraz lavado, secado al horno y frío con el protector. 4. Incorporar al matraz el peso equivalente a 200 cm3 de la muestra, con aproximación a 0.5 gr., calculado según su peso específico. 5. Montar el matraz, colocar el termómetro y hacer circular el agua para que condense el vapor. 6. Prender el mechero y regularlo de tal manera que, luego de iniciado el proceso de ebullición, la primera gota caiga en la probeta entre los 5 y 15 minutos. 7. La velocidad de destilación debe ser controlada durante todo el ensayo, debiendo cumplir las siguientes especificaciones2: Temperatura (ºC) Desde Hasta Velocidad de Destilación (gotas/min) 0 225 50 a 70 226 260 50 a 70 261 315 20 a 70 316 360 10 minutos 8. Si la muestra produce espuma se reduce la velocidad de destilación, normalizándola tan pronto como sea posible. Si el exceso de espuma persiste, se puede controlar la destilación aplicando la llama cerca del borde del matraz, en vez de hacerlo hacia el centro. 9. Cuando la lectura en el termómetro sea de 360ºC se saca y apaga el mechero, al terminar el goteo se hace la lectura. 10. Las lecturas de volumen en la probeta son a las siguientes temperaturas: 225ºC, 260ºC, 315ºC y 360ºC, con aproximación de 0.5 cm3. Anotar, si lo hubiera, el volumen de agua destilada. 11. El residuo se deja enfriar en un lugar sin corrientes de aire, luego se agita y se vierte en los moldes apropiados para los ensayos que requiera. 1 Destilación de Asfaltos líquidos MTC E313-1999 2 “Si la muestra produce espuma, se reduce la velocidad de destilación, normalizándola tan pronto como sea posible”.......”Si el exceso de espuma persiste, aplicar la llama . MTC E313-1999 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 366Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G G4.5 CÁLCULOS 1. Residuo El porcentaje de residuo con respecto a la muestra original es de: ( ) 100 inicialVolumen queda que Volumen %R ×= ( ) 100 200 VD200 %R × − = (1) Donde: R Residuo asfáltico (%) VD Volumen destilado a 360ºC 2. Porcentaje total destilado El porcentaje destilado a 360ºC es: ( ) 100 inicialVolumen destilado Volumen %VD ×= ( ) 100 200 destilado Volumen %VD ×= (2) 3. Porcentaje de las fracciones destiladas El porcentaje de las fracciones destiladas es con respecto al 100% destilado: ( ) 100 C360ºadestiladoVolumen CTº a destilado parcial Volumen %VPD CTº ×= (3) Donde: VPDTºC Volumen destilado a la temperatura TºC G4.6 OBSERVACIONES 1. Mediante éste proceso de destilación se obtiene el disolvente y asfalto que el refinador empleó en la fabricación del cut back. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 367Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G 2. Los ensayos sobre el residuo asfáltico no son necesariamente característicos del asfalto básico empleado originalmente para la obtención del producto, ni del residuo que pueda quedar al cabo de un tiempo dado después de la aplicación3 3. Se deben corregir las temperaturas de destilación si la altura del laboratorio se encuentra a partir de 150 m.s.n.m., según la siguiente tabla: Tabla No. G4.1: Corrección de temperatura por altitud Destilación de Asfalto Líquido ASTM D-402 Altitud m.s.n.m. Temperaturas de lectura a diferentes altitudes (ºC) -305 192 227 263 318 362 -152 191 226 261 317 361 0 190 225 260 316 360 152 189 224 259 315 359 305 189 224 258 314 358 457 188 223 258 313 357 610 187 222 257 312 356 762 186 221 256 312 355 914 186 220 255 311 354 1067 185 220 254 310 353 1219 184 219 254 309 352 1372 184 218 253 309 351 1524 183 218 252 307 350 1676 182 217 251 306 349 1829 182 216 250 305 349 1981 181 215 250 305 348 2134 180 215 249 304 347 2286 180 214 248 303 346 2438 179 213 248 302 345 G4.7 EJEMPLOS Ejemplo 1 Se ensayó una muestra de RC-250 con 0.958 gr/cm3 de peso específico. 1. Peso del matraz con protector (A) = 430 gr. 2. Cálculo del peso de la muestra: Si , entonces: 3gr/cm 958.0Pe = inicialVolumen muestra de Peso Pe = 3 Destilación de Asfaltos Líquidos MTC E313-1999 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 368Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G Se requiere de 200 cm3 para el ensayo, despejando: gr 6.191muestra de Peso 200958.0muestra de Peso VolumenPemuestra dePeso = ×= ×= 3. Peso de (A)+Peso de muestra = 621.6 gr. 4. Durante el ensayo las lecturas fueron: Temperatura (ºC) Volumen destilado (ml) 225 20.2 260 29.8 315 36.6 360 41.0 5. Cálculo del porcentaje de residuo con respecto a la muestra original, aplicando la ecuación(1) ( ) ( ) %5.79%R 100 200 41200 %R = × − = 6. Cálculo del porcentaje total destilado a 360ºC aplicando la ecuación (2) ( ) ( ) %5.20%VD 100 200 41 %VD = ×= 7. Cálculo porcentual de las fracciones destiladas a diferentes temperaturas, aplicando la ecuación (3) Temperatura (ºC) Fracciones destiladas (%) 225 20.2/41*100=49.3 260 29.8/41*100=72.7 315 36.6/41*100=89.3 Ejemplo 2 Se ensayó una muestra de MC con 0.923 gr/cm3 de Peso Específico 1. Peso del matraz con protector (A) = 430 gr. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 369Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G 2. Cálculo del peso de la muestra: Si , entonces: 3gr/cm 923.0Pe = inicialVolumen muestra de Peso Pe = Se requiere de 200 cm3 para el ensayo, despejando: gr 6.184muestra de Peso 200923.0muestra de Peso VolumenPemuestrade Peso = ×= ×= 3. Peso de (A)+Peso de muestra = 614.6 gr. 4. Durante el ensayo las lecturas fueron: Temperatura (ºC) Volumen destilado (ml) 225 30.5 260 44.2 315 56.1 360 70.5 5. Cálculo del porcentaje de residuo con respecto a la muestra original, aplicando la ecuación1 ( ) ( ) %8.64%R 100 200 5.70200 %R = × − = 6. Cálculo del porcentaje total destilado a 360ºC aplicando la ecuación 2 ( ) ( ) %2.35%VD 100 200 70.5 %VD = ×= 7. Cálculo porcentual de las fracciones destiladas a diferentes temperaturas, aplicando la ecuación (3) Temperatura (ºC) Fracciones destiladas (%) 225 30.5/70.5*100=43.3 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 370Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G 260 44.2/70.5*100=62.7 315 56.1/70.5*100=79.6 G4.8 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Carreteras, Calles y Aeropistas. Ing. Raúl Valle Rodas Destilación de Asfaltos Líquidos. ASTM D 402 Destilación de Asfaltos Líquidos. MTC E313-1999 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 371Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G G5.1 INTRODUCCIÓN Las mezclas asfálticas pueden denominarse densas, open-graded o gap-graded. Estas denominaciones dependen de la granulometría de la mezcla. Todo diseño de mezclas asfálticas parte del diseño de los agregados. Los agregados pueden proceder de diferentes canteras, la calidad de los materiales deberá ser evaluado en el laboratorio para verificar si cumple con las especificaciones técnicas. En esta guía se evaluará la granulometría de los agregados y su combinación para cumplir con las especificaciones de la mezcla. Si el lector desea revisar información respecto de los diferentes tipos de mezcla podrá remitirse al Capítulo 9 de este libro. G5.2 COMBINACIÓN DE AGREGADOS Son diferentes los métodos que se puedan emplear para la combinación de agregados, entre ellos está la dosificación de los agregados por peso y por métodos gráficos. El método gráfico no se describirá en esta parte del texto porque ya está descrito en el Capítulo 3, cuando se combinan los agregados para materiales de préstamos como son las bases, sub bases y afirmados. 1. Dosificación de los agregados por peso La fórmula básica es: etc.Cc BbAaP ++= Donde: P Porcentaje promedio de las especificaciones en un tamiz A, B, C, etc Porcentaje de material que pasa un tamiz para la granulometría A, B, C, etc a, b, c, etc Proporción de agregados A, B, C, etc. usado en la combinación. La suma es 1 Combinación de dos agregados BbAaP += Sabiendo que a+b=1, a=1-b; y reemplazando en la ecuación, se tiene: S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 372Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G BA BP ay A-B A-P b − − == ........(1) Ejemplo 1 Determinar la dosificación de los dos agregados mostrados en la siguiente tabla, para que cumplan con la granulometría especificada. Porcentaje que pasa Tamiz Nº 3/4" 1/2" 3/8" Nº4 Nº8 Nº30 Nº50 Nº100 Nº200 Agregado A 100 90 59 16 3,2 1,1 0 0 0 Agregado B 100 100 100 96 82 51 36 21 9,2 Especificaciones 100 80-100 70-90 50-70 35-50 18-29 13-23 8-16 4-10 Solución Elija el tamiz que en cuyo porcentaje pasante sea mayor la diferencia de los agregados A y B, para el problema es el tamiz Nº8. Usando los porcentajes del tamiz Nº8 y reemplazando en la ecuación (1), se obtienen las proporciones: 50.0 2.382 2.35.42 b A-B A-P b = − − = = 0.50a 1ba =⇒=+ Combinar los agregados en las proporciones encontradas para a y b. Porcentaje que pasa Tamiz Nº 3/4" 1/2" 3/8" Nº4 Nº8 Nº30 Nº50 Nº100 Nº200 0,50*A 50 45 29,5 8 1,6 0,55 0 0 0 0,50*B 50 50 50 48 41 25,5 18 10,5 4,6 Total 100 95 79,5 56 42,6 26,05 18 10,5 4,6 Promedio deseado 100 90 80 60 42,5 23,5 18 12 7 El porcentaje en el tamiz Nº200 está en el límite inferior, razón por la que debemos incrementar la proporción del agregado B a 0.55 y volver a calcular los valores combinados. Porcentaje que pasa Tamiz Nº 3/4" 1/2" 3/8" Nº4 Nº8 Nº30 Nº50 Nº100 Nº200 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 373Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G 0,45*A 45,0 40,5 26,6 7,2 1,4 0,5 0 0 0 0,55*B 55,0 55,0 55,0 52,8 45,1 28,1 19,8 11,6 5,1 Total 100 95,5 81,6 60,0 46,5 28,5 19,8 11,6 5,1 Especificaciones 100 80-100 70-90 50-70 35-50 18-29 13-23 8-16 4-10 Se observa que el tamiz Nº30 está cerca del límite superior, debiendo reducir la proporción de B a 0.52 ó 0.53. Combinación de tres agregados Ejemplo 2 Asumiendo que se debe incorporar filler en la combinación, C, combinar los agregados presentados en la tabla. Porcentaje que pasa Tamiz Nº 3/4" 1/2" 3/8" Nº4 Nº8 Nº30 Nº50 Nº100 Nº200 Agregado A 100 90 59 16 3,2 1,1 0 0 0 Agregado B 100 100 100 96 82 51 36 21 9,2 Agregado C 100 100 100 100 100 100 98 93 82 Especificaciones 100 80-100 70-90 50-70 35-50 18-29 13-23 8-16 4-10 Solución De la observación, el tamiz en cuyo porcentaje pasante sea mayor la diferencia entre los agregados A y B, es el Nº8. El agregado A tendrá que incrementarse en porcentaje en la Nº8. Calcular la proporción aproximada del agregado A, empleando la siguiente ecuación: 50.0a 822.3 825.42 a BA BP a = − − = − − = Se examina el porcentaje que pasa en el tamiz Nº200 cuyos valores se sustituyen en la ecuación principal. 82c9.2b0.507 CcBbAaP ++= ++= y 0.50cb 0.50-1cb =+ =+ S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 374Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G reemplazando y despejando, se obtiene: 0.47b 03.0c =⇒= la dosificación resultante es: 50% del agregado A más 47% del agregado B y 3% del agregado C. G5.3 EJEMPLO DE DISEÑO GRANULOMÉTRICO DE MEZCLAS CONVENCIONALES Se tienen los siguientes materiales de cantera: Tamiz % acumulado que pasa Pulg. mm Grava Arena Filler Espec. TMN ¾” 3” 75.0 2” 50.0 1 ½” 37.5 1” 25.0 100 100 ¾” 19.0 97.54 100 90-100 3/8” 9.5 3.62 96.79 56-80 Nº4 4.75 0.81 60.12 35-65 Nº8 2.375 0.81 38.93 23-49 Nº20 0.85 0.81 23.32 Nº40 0.425 0.81 14.95 Nº50 0.300 0.81 10.89 5-19 Nº100 0.150 0.81 4.52 Nº200 0.075 0.81 1.75 100 2-8 Cu 1.45 20.32 Cc 0.93 1.37 SUCS GP SW Cemento La especificación corresponde a una mezcla de gradación densa de tamaño máximo nominal de ¾”. En la tabla 9.3: Especificaciones para Gradaciones Densas, ASTM D3515, del capítulo 9 de este libro podrá encontrar las especificaciones para diferentes tamaños máximos nominales. Determinar el porcentaje de participación de cada granulometría de tal manera que cumpla con las especificaciones técnicas. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 375Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G Dosificando por peso se obtiene que con 30% de grava, 65% de arena y 5% de filler se cumple con las especificaciones para TMN ¾”. En la siguiente tabla se muestran los porcentajes para cada uno de ellos: Tamiz % acumulado que pasa Pulg. mm 30% grava 65% arena 5% filler Σ Espec. TMN ¾” 3” 75.0 2” 50.0 1 ½” 37.5 1” 25.0 30 65 5 100 100 ¾” 19.0 29.26 65 5 99.26 90-100 3/8” 9.5 1.06 62.91 5 68.97 56-80 Nº4 4.75 0.24 37.87 5 43.11 35-65 Nº8 2.375 0.24 25.30 5 30.55 23-49 Nº20 0.85 0.24 15.16 5 20.40 Nº40 0.425 0.24 9.71 5 14.95 Nº50 0.300 0.24 7.08 5 12.32 5-19 Nº100 0.150 0.24 2.94 5 8.18 Nº200 0.075 0.24 1.14 5 6.38 2-8 Gráficamente se tendrá: Rango para Mezcla Convencional de TMN 3/4" 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.010.1110100 ABERTURA (mm) Rango superior Rango inferior S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 376Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G G6.1 APLICACIÓN El siguiente procedimiento será aplicado solamente a mezclas asfálticas en caliente, preparadas con cemento asfáltico y agregados no mayores de 2.54 cm (1 pulg.), el diámetro del molde Marshall será de 101.6 mm (4 pulg.). Cuando el tamaño de la partícula excede los 2.5 cm (1 pulg.) se emplean moldes de 152.4 mm (6 pulg.), este procedimiento no es aplicable a ese tipo de muestras. G6.2 EQUIPOS DE LABORATORIO 1. Molde de Compactación. Consiste de una placa de base plana, molde y collar de extensión cilíndricos. El molde tiene un diámetro interior de 101.6 mm (4”) y altura aproximada de 76.2 mm (3”); la placa de base plana y el collar deben ser intercambiables. Ver Figura No. G6.1 2. Martillo de compactación con base plana circular de apisonado de 98.4 mm (3 7/8”) de diámetro, equipado con un pisón de 4.54 kg (10 lb.) de peso total, cuya altura de caída es de 457.2 mm (18“). Ver Figura No. G6.2. 3. Pedestal de compactación. Base de madera cuadrada de 200.3 mm de lado y 457.2 mm de altura (8”x8”x18”), en su cara superior tiene una platina cuadrada de acero de 304.8 mm de lado por 25.4 mm de espesor (12”x12”x1”), firmemente sujeta a la base. El conjunto se deberá fijar firmemente a una superficie de concreto, de tal manera que la platina de acero quede horizontal. 4. Extractor de Muestras de Asfaltos. Para extraer el especimen del molde, en forma de disco con diámetro de 100 mm (3.95”) y 12.7 mm (1/2”) de espesor. 5. Soporte para molde o portamolde. Dispositivo con resorte de tensión diseñado para sostener rígidamente el molde de compactación sobre el pedestal. 6. Mordaza. Consiste de dos semi-cilindros, con un radio de curvatura interior de 50.8 mm (2”) de acero enchapado para facilitar su fácil limpieza. El segmento inferior termina en una base plana con dos varillas perpendiculares que sirven de guía. Ver Figura No.G6.3 y G6.4. 7. Medidor de deformación. Consiste en un deformímetro dividido en centésimas de milímetro. Estará sujeto al segmento superior y cuyo vástago se apoyará, cuando se realiza el ensayo, en una palanca ajustable acoplada al segmento inferior. Las deformaciones del anillo se medirán con un deformímetro graduado en 0.001 mm. Ver Figura No.G6.4. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 377Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G 8. Prensa. Para llevar a la falla a la muestra, será mecánica con una velocidad uniforme de 50.8 mm/min. 9. Medidor de Estabilidad. La resistencia de la probeta en el ensayo se medirá con un anillo dinamométrico acoplado a la prensa, de 20 kN (2039 kgf) de capacidad, con una sensibilidad de 50 N (5 kgf) hasta 5 kN (510 kgf) y 100 N (10 kgf) hasta 20 kN (2 039 kgf). Las deformaciones del anillo se medirán con un deformímetro graduado en 0.001 mm. 10. Discos de Papel Filtrante de 4 pulg. 11. Horno. Horno capaz de mantener la temperatura requerida con un error menor de 3 ºC (5 ºF) se emplea para calentar los agregados, material asfáltico, conjunto de compactación y muestra. 12. Baño. El baño de agua con 150mm (6”) de profundidad mínima y controlado termostáticamente para mantener la temperatura a 60º ± 1 ºC (140º ± 1.8 ºF), deberá tener un falso fondo perforado o estar equipado con un estante para mantener las probetas por lo menos a 50.8 mm (2”) sobre el fondo del tanque. 13. 2 Recipientes de dos litros de capacidad para calentar los agregados y para mezclar el asfalto y agregado. 14. Tamices. De 50 mm (2”), 37.5 mm (1 1/2”), 25 mm (1”), 19.0 mm (3/4”), 12.5 mm (1/2”), 9.5 mm (3/8”), 4.75 mm (Nº 4), 2.36 mm (Nº 8), 300 μm (Nº 50) y 75 μm (Nº 200). 15. Termómetros blindados. De 10ºC a 232ºC (50ºF a 450ºF) para determinar las temperaturas del asfalto, agregados y mezcla, con sensibilidad de 3ºC. Para la temperatura del baño de agua se utilizará termómetro con escala de 20ºC a 70ºC y sensibilidad de 0.2ºC (68ºF a 158ºF + 0.4ºF). 16. Balanza. Para pesar agregados y asfalto de 5 kg. de capacidad, y sensibilidad de un 1 gr. Para pesar probetas compactadas de 2 kg. de capacidad y sensibilidad de 0.1 gr. 17. Parafina 18. Pirex de 500 cm3 19. Guantes de cuero. Para poder manipular el equipo caliente 20. Crayolas para identificar las probetas 21. Bandejas taradas 22. Espátulas Las fotos de la G6.1 a la G6.4 muestran el equipo básico que se necesita para el ensayo Marshall. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 378Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G Figura No. G6.1 Conjunto de molde, placa base y collar. COTAS EN m m 3. 2 120.6 101.2 6. 4 PLACA de BASE MOLDE de COMPACTACION COLLAR3 9. 8 87 .3 4. 8 114.3 104.8 109.1 108.7 114.3 101.60 ± 0.13 6. 4 7. 1 Ø 108.7 Ø 109.1 Detalle A Detalle A Detalle A S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 379Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G Figura No. G6.2: Martillo de compactación Marshall Ø 44.9 Ø 98.4 PASADOR ROSCADO PARTES ROSCADO 57.1 15 .8 (2d) BASE Ø 34.1 9. 544.4 15.9 57 .1 46.9 15 .9 CASQUILLO (2d) 12 .7 GUIAS DE MUELLE (2e) 12 .7 15.9 3.7 3.6 19 6. 3 VARILLA DE GUIA (2b) 816 36.1 12.7 15 .9 TUERCA BIEN APRETADA Y REMACHADA (2f) PROTECTOR DE DEDOS 75.9 10 .0 75.9 5. 0 44.4 (2c) PISON Peso 605 g. 12.7 114.3 190.5 304.8 44 .4 17 .5 Ø 75.9 Ø 63.5 Peso 605 g. MANGO (2g) 19 63.5 9. 5 50 .8 73 9. 7 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 380Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G Figura No. G6.3: Mordaza Marshall 76 .4 PLANTA 20 4 45° 11.5 13 7.3 1. 3 9. 5 63 .3 50 .8 6 28 .7 6 11 20 27 50 .8 63 .3 64 81 10 8.2 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 381Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G Figura No. G6.4: Dispositivo de ensayo de la probeta y mordazas G6.3 PROCEDIMIENTOS PREVIOS 4 12 15 650 5 5 1 Se deben realizar los siguientes pasos antes de preparar la mezcla: Paso A: Evaluación de agregados A.1 Realice los ensayos de abrasión en la Máquina de Los Ángeles, resistencia a los sulfatos, equivalente de arena, presencia de sustancias deletéreas, caras de fractura y chatas y alargadas. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 382Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G A.2 Si el agregado pasó los controles de calidad del paso A.1, se debe realizar el diseño granulométrico de los agregados, gravedad específica y absorción. A.3 Gravedad específica bulk del agregado grueso (AASHTO T85 ó ASTM C127) y del agregado fino (AASHTO T84 ó ASTM C128). Calcule la gravedad especifica de la combinación de agregados. Paso B: Evaluación del cemento asfáltico B.1 Determine el grado apropiado de cemento asfáltico a emplear, según el tipo y ubicación geográfica del proyecto, verificar que las propiedades especificadas sean aceptables. B.2 Calcular la gravedad especifica del cemento asfáltico (AASHTO T228 ó ASTM D70) y del filler (AASHTO T100 ó ASTM D854) y grafique la viscosidad versus temperatura (Carta de Viscosidad). B.3 Determinar la temperatura de mezcla y compactación según la carta de viscosidad. 1. La temperatura de mezcla del cemento asfáltico será el correspondiente al rango de viscosidad de 170±20 centistokes (1 centistoke =1 mm2/s). 2. La temperatura de compactación se encuentra en el rango de viscosidad de 280±30 centistokes Paso C: Preparación de los Especimenes Marshall C.1 Secar los agregados hasta obtener peso constante entre 105ºC y 110ºC, separarlos por tamizado en las mallas sugeridas: 1” a ¾” ¾” a 3/8” 3/8” a Nº4 Nº4 a Nº8 Pasa Nº8 Fijada la composición en tanto por ciento de cada árido para obtener la granulometría total de la mezcla que se desea, se calcula el peso necesario de cada uno de ellos para realizar el amasado de 18 especimenes, aproximadamente 1150 gr. en cada uno, un total de 22 kg y un galón de cemento asfáltico. C.2 Pese los agregados para cada especímen por separado y caliéntelos a la temperatura de mezcla, según paso B.4. El peso total de agregado se determinará en el paso C.3. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 383Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G Foto No. G6.1: Máquina de estabilidad Marshall con anillo de carga S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 384Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G Foto No.G6.2: Este conjunto muestra la placa de base plana, molde y collar de extensión del molde de compactación, Martillo de compactación y Pedestal de compactación. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 385Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G Foto No.G6.3: Para extraer la probeta compactada del molde se requiere el extractor de muestras de asfaltos. Foto No.G6.4: Martillo de compactación S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 386Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G Foto No.G6.5: Mordaza para rotura de especimenes Marshall C.3 Generalmente se prepara un especímen de prueba, mida la altura del mismo (h1) y verifique la altura requerida del especímen Marshall: 63.5 ± 5.1 mm (2.5 ± 0.20 pulg.). Si el especímen está fuera del rango, ajuste la cantidad de agregados con la siguiente fórmula: gr 1150 h h Q 1 ×= Donde: Q Peso del agregado para un especímen de 63.5 mm (2.5 pulg.) de altura, gr. h Altura requerida, que será 63.5 mm ó 2.5 pulg. h1 Altura del especímen de prueba, mm (pulg) C.4 Calentar a la temperatura de mezcla la suficiente cantidad de asfalto para preparar 18 especimenes; tres especimenes compactados por cada porcentaje de contenido de asfalto, los incrementos porcentuales de asfalto son de 0.5% con por lo menos dos contenidos antes y después del Optimo Contenido de Asfalto. A tres mezclas cerca al óptimo contenido de asfalto se les mide la gravedad específica Rice o Máxima Densidad Teórica (TMD). Nota.- No mantener el ligante por más de una hora a la temperatura de mezcla ni emplear ligante bituminoso recalentado. Durante el período de calentamiento del ligante se debe agitar frecuentemente dentro del recipiente para evitar los sobrecalentamientos. C.5 De acuerdo a las especificaciones se determina el número de golpes por cara para la compactación Marshall. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 387Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G C.6 El recipiente en el que se realizará la mezcla será manchado con una mezcla de prueba para evitar la pérdida de ligante y finos adheridos al recipiente, se limpiará solamente arrastrando con una espátula todo el material posible. Colocar la cantidad de agregado requerido en esa vasija y añada la cantidad de asfalto caliente necesario por peso, para el porcentaje de cemento asfáltico de la mezcla deseada. asfáltico cemento Peso árido Peso asfáltico cemento Peso asfáltico Cemento % + = C.7 Mezclar el cemento asfáltico y agregados hasta que éstos estén totalmente cubiertos. La mezcla puede hacerse manual o mecánicamente. Cuando la mezcla requiera filler, éste se agregará luego que los agregados estén cubiertos por el ligante. C.8 Verificar la temperatura de los materiales recién mezclados, si está sobre la temperatura de compactación, deje enfriar; si está por debajo, elimine el material y prepare una nueva muestra. C.9 Se coloca dentro del conjunto del molde y la base del martillo compactador limpios, un disco de papel filtrante de 10 cm de diámetro. Se calientan en el horno o en un baño de agua a una temperatura comprendida entre los 93º a 149ºC. Verter la mezcla y emparejarla con una espátula caliente 15 veces alrededor del perímetro y 10 veces en el interior. Limpiar el material del collar y montura dentro del molde de tal manera que el medio sea ligeramente mas alto que los bordes. Fijar el molde y base en el pedestal. Coloque el martillo precalentado dentro del molde, y aplique el número de golpes según las especificaciones, la altura de caída del martillo es de 18” (457 mm). Mantener el eje del martillo de compactación perpendicular a la base del molde durante la compactación. C.10 Retire el molde de la base. Coloque un papel filtrante en la superficie e inviértalo de tal manera que la cara superficial se encuentre abajo. Reemplace el collar del molde y fíjelo junto con la base en el pedestal. Aplicar el número de golpes especificados. C.11 Después de la compactación remover la base y colocar el molde y collar sobre el extractor de muestras. Con el molde y el collar de extensión hacia arriba en la máquina de ensayo, aplicar presión y forzar el espécimen dentro del collar de extensión, levantar el collar del espécimen. Cuidadosamente transferir el espécimen a una superficie plana, dejarlo de pie para que repose de 12 a 24 horas a temperatura ambiente, identificarlos con códigos alfanuméricos usando Crayolas. C.12 Determine la gravedad especifica bulk de cada especímen tan pronto como las probetas compactadas se han enfriado a la temperatura ambiente, según AASHTO T166. Se determina calculando la relación entre su peso al aire y su volumen. Pesar el especímen al aire. Sumerja la muestra en agua por unos minutos, pesar la muestra en su condición saturada superficialmente seca (SSD) en el agua. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 388Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G Sacar la muestra del agua, secar el exceso de agua y pesar en su condición SSD en el aire. Calcular el volumen restando el peso del especímen SSD en el aire y el peso del especímen SSD sumergida. La fórmula empleada será: subSSD D mb W W W G − = Donde: Gmb Gravedad Específica Bulk de la muestra compactada WD Peso del especímen al aire WSSD Peso del especímen en su condición SSD en el aire Wsub Peso del especímen sumergido Se determina el peso específico bulk promedio de todas las probetas hechas con el mismo contenido asfáltico. Los valores dispares no se incluyen en el cálculo para lo cual se tendrá en cuenta el siguiente rango de variación con respecto al valor medio Peso Específico Bulk ± 1% Los valores calculados del peso específico bulk, así ensayados, dan resultados mas reales, pero existe otro procedimiento de laboratorio que cabe destacar, es el que podemos encontrar en las nuevas normas emitidas por el ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construcción. El primer método se emplea cuando la textura superficial de las probetas es cerrada e impermeable. El volumen de la probeta se obtiene restando el peso de la probeta en el aire y el peso de la probeta sumergida en agua sin haber recubierto su superficie parafinada. La fórmula empleada será: subD D mb W W W G − = Donde: Gmb Gravedad Específica Bulk de la muestra compactada WD Peso del especímen al aire Wsub Peso del especímen sumergido El segundo método se aplica a mezclas cuya superficie es abierta y permeable. El volumen aparente se determina restando el peso de la probeta en el aire y el peso de la probeta en el agua pero habiéndola recubierto previamente de una capa de parafina. El peso específico bulk viene dado por la fórmula: p DpD ppsubpD D mb WW -W - W W G γ − = S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 389Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G Donde: Gmb Gravedad Específica Bulk de la muestra compactada WD Peso del especímen al aire WpD Peso del especímen parafinado en al aire Wppsub Peso del especímen parafinado en el agua γp Peso específico de la parafina Los especimenes deben pesarse antes de ser parafinados, a continuación se sumergen en un recipiente con parafina caliente. Si es necesario, se da pinceladas de parafina en los puntos mal cubiertos. Dejar enfriar la parafina durante media hora y determinar el peso en el aire a la temperatura ambiente e inmediatamente se pesa en agua3. C.13 Calcule la gravedad especifica Rice en las mezclas asfálticas en caliente (Gmm) de acuerdo a la norma AASHTO T209, su valor se emplea en el cálculo de los vacíos. Si la mezcla contiene agregados absorbentes se recomienda colocarla en el horno (manteniéndola a la temperatura de mezcla) por cuatro horas de tal manera que el cemento asfáltico sea absorbido completamente por el agregado entes del ensayo. Mantener la mezcla en un recipiente tapado mientras se encuentra en el horno. Si el ensayo se hace por triplicado en la mezcla que contiene un porcentaje cerca al óptimo contenido de asfalto, promediar los tres resultados; calcule la gravedad específica efectiva de los agregados. Si se realiza el cálculo de la gravedad específica Rice en cada una de las muestras a diferentes contenidos de asfalto, calcular la gravedad específica efectiva de agregados en cada caso. Calcule el promedio de las gravedades específicas efectivas y el promedio de las gravedades específicas Rice. En ausencia de datos proporcionados por el Método Rice, la gravedad específica puede calcularse con una relación matemática que considera las gravedades específicas bulk y aparente de los componentes de la mezcla: C filler % B fino % A grueso % asfaltoG asfalto % 100 G sa mm +++ = Siendo: 2 GG A sasb + = , para el agregado grueso 2 GG B sasb + = , para el agregado fino 2 GG C sasb + = , para el filler 3 Gravedad Especifica Aparente y Peso Unitario de Mezclas Asfálticas Compactadas Empleando Especimenes Parafinados. MTC E506-1999 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 390Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G Donde: Gsb Gravedad específica bulk Gsa Gravedad específica aparente Paso D: Densidad y vacíos de los especimenes Se refiere a las relaciones peso-volumen, completando los cálculos con los siguientes pasos: D.1 Para cada especímen, use la gravedad específica bulk (Gmb) del paso C.12 y gravedad específica Rice de la mezcla (Gmm) para C.13. Calcular el porcentaje de vacíos en el total de la mezcla, VTM. 100 G G -1VTM mm mb ×⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = D.2 Calcular la densidad de cada especímen Marshall como sigue: wmb 3 G)(g/cm Densidad δ×= D.3 Calcule el porcentaje de vacíos en el agregado mineral, VMA, para cada especímen Marshall usando la gravedad específica bulk en los agregados (Gsb) para los pasos A.2, la gravedad específica bulk de la mezcla compactada (Gmb) para el paso C.12, y el contenido de asfalto por peso de mezcla total (Pb) ( ) 100 G P1G -1VMA sb bmb ×⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = D.4 Calcule el porcentaje de vacíos llenos de asfalto para cada especimen Marshall usando el VTM y VMA como sigue: 100 VMA VTM-VMA VFA ×⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛= Paso E: Estabilidad Marshall y Ensayo de Flujo E.1 Calentar el agua del baño a 140ºF (60ºC) y colocar los especimenes a ser ensayados por un período de 30 a 40 minutos. Los especimenes se ubicarán de manera escalonada para que todos los especimenes sean calentados el tiempo especificado antes de ser ensayados. E.2 Se limpian perfectamente las superficies interiores de las mordazas de rotura y se engrasan las barras guía con una película de aceite de manera que la mordaza superior se S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 391Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G deslice libremente. Luego de calentarlos el tiempo necesario, se irán sacando uno a la vez, quitarles el exceso de agua con una toalla y colocarlo rápidamente en la mordaza Marshall. E.3 Colocar el medidor de flujo sobre la barra guía marcada y compruebe la lectura inicial. Aplicar la carga a una velocidad de deformación de 2 pulg/min (50.8 mm/minuto) hasta que ocurra la falla, es decir, cuando se alcanza la máxima carga y luego disminuye según se lea en el dial respectivo. El punto de rotura se define como la carga máxima obtenida y se registra como el valor de estabilidad Marshall, expresado en Newtons (lbf). Mientras se está determinando la estabilidad se mantiene firmemente el medidor de deformación en su posición sobre la barra guía; libérese cuando comience a decrecer la carga y anote la lectura. Este será el valor del “flujo” para la muestra expresado en centésimas de pulgada. Por ejemplo si la muestra se deformó 3.8 mm(0.15”) el valor de flujo será de 15. Este valor expresa la disminución de diámetro que sufre la probeta entre la carga cero y el instante de la rotura.flujo en 0.01 pulgadas (0.25 mm). El ensayo se realiza en un minuto contados desde que se saca el especímen del baño. E.4 Repita los pasos E.2 y E.3 hasta que todos los especimenes sean ensayados. 1. El tiempo total transcurrido entre sacar el especímen del baño y aplicar la carga es de 60 segundos como máximo. 2. El tiempo total en el agua de baño para cada juego de tres especimenes es entre 30 a 40 minutos. Paso F: Tabulación y Gráfico de los Resultados de Ensayo F.1 Tabule los resultados de ensayo, corrija los valores de estabilidad para cada especímen (ASTM D1559), y calcule el promedio de cada tres juegos de especimenes. F.2 Grafique: 1. Contenido de asfalto Vs. Densidad (por unidad de peso) 2. Contenido de asfalto Vs. Estabilidad Marshall 3. Contenido de asfalto Vs. Flujo 4. Contenido de asfalto Vs. Porcentaje de vacíos, VTM 5. Contenido de asfalto Vs. Porcentaje de vacíos del agregado mineral, VMA 6. Contenido de asfalto Vs. Porcentaje de vacíos llenos de asfalto, VFA F.3 Revise la tendencia de cada gráfico: 1. La estabilidad versus el contenido de asfalto puede tener dos tendencias: 1.1 La estabilidad crece a medida que el contenido de asfalto aumenta, alcanza un pico y luego decrecer. 1.2 La estabilidad decrece a medida que el contenido de asfalto aumenta y no presenta un pico. Esta curva es común en mezclas asfálticas en caliente recicladas. 2. El flujo crece con el incremento del contenido de asfalto. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 392Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G 3. La densidad crece con el incremento de asfalto, alcanzo un pico, y luego decrece. La densidad pico usualmente ocurre a un contenido de asfalto mayor que la estabilidad pico. 4. El porcentaje de vacíos de aire decrecerá con el crecimiento del contenido de asfalto. 5. El porcentaje de vacíos del agregado mineral, VMA, decrece con el crecimiento del contenido de cemento asfáltico, alcanza un mínimo, y luego crece. 6. El porcentaje de vacíos llenos de asfalto, VFA, crece con el incremento de asfalto. Paso G: Determinación del Optimo Contenido de Asfalto G.1 Los siguientes dos métodos son comúnmente empleados para determinar el óptimo contenido de asfalto de los gráficos: Método 1.- El procedimiento NAPA, en TAS 14 1. El contenido de asfalto corresponderá al contenido de vacíos especificado (por lo general 4%). Este es el óptimo contenido de asfalto. 2. Determine las siguientes propiedades en el óptimo contenido de asfalto de los gráficos: 2.1 Estabilidad Marshall 2.2 Flujo 2.3 Porcentaje de vacíos del agregado mineral, VMA 2.4 Porcentaje de vacíos llenos de asfalto, VFA 3. Compare cada uno de estos valores con las especificaciones, si se verifican todos los valores, el óptimo contenido de asfalto será el elegido. Si alguno de estos valores estuviera fuera del rango la mezcla deberá ser rediseñada. Método 2.- Método del Instituto del Asfalto en MS-2 1. Determine: (a) contenido de asfalto en la estabilidad máxima (b) contenido de asfalto en la densidad máxima (c) contenido de asfalto en el punto medio del rango de volúmenes de aire especificado (4% típicamente) 2. Promediar los tres contenidos de asfaltos seleccionados 3. Para el promedio del contenido de asfalto, vea la curva ploteada y determine las siguientes propiedades: 3.1. Estabilidad Marshall 3.2. Flujo 3.3. Porcentaje de vacíos del agregado mineral, VMA 3.4. Porcentaje de vacíos llenos de asfalto, VFA 4. Comparar los valores del paso 3 con los criterios de aceptación del siguiente cuadro: S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 393Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G Criterio de Diseño Marshall para Superficies y Bases Tráfico Ligero Medio Pesado Diseño de Mezclas Método Marshall Mínimo Máximo Mínimo Máximo Mínimo Máximo Compactación Nº golpes/cara 35 50 75 Estabilidad, lb(N) 750 (333) 1200 (5333) 1800 (8000) Flujo 0.01 Pulg (0.25 mm) 8 18 8 16 8 14 Vacíos de aire, % 3 5 3 5 3 5 Vacíos en el agregado mineral Ver el gráfico siguiente Mix Design Methods for Asphalt Concrete and Other Hot Mix Tipes. The Asphalt Institute, MS-2, May 1984 Relaciones entre Vacíos en el Agregado Mineral y Tamaño Máximo con el criterio de carga sobrepuesta Mix Design Methods for Asphalt Concrete and Other Hot Mix Types, The Asphalt Institute, MS-2, May 1984 1Standard Specifications for Wire Cloth Sieves for Testing Purposes, ASTM Designation EII (AASHTO Designation M92). 2Para agregados chancados el tamaño máximo nominal es mayor que el tamaño del tamiz indicado en las especificaciones sobre el cual el material está retenido. 3Para mezclas con 1% de tolerancia sólo serán permitidas cuando la experiencia indique que se comportarán adecuadamente y cuando todos los demás criterios se hayan verificado. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 394Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G G.2 Encontrar el criterio de falla para alguna propiedad requerida es un trabajo especial para determinar la mezcla que será empleada en la construcción. Si el criterio VMA no puede hallarse, la gradación del agregado debe modificarse y volver a diseñar la mezcla. G6.4 OBSERVACIONES 1. Este método está limitado al proyecto y control de mezclas asfálticas elaboradas en planta estacionaria, en caliente, empleando cemento asfáltico. 2. Con el ensayo Marshall se determina la estabilidad y el flujo de mezclas asfálticas cilíndricas, ensayadas a 60º C. 3. El valor de estabilidad se determina midiendo la carga necesaria para producir la falla del espécimen, aplicada en sentido normal al eje. 4. La deformación vertical producida en el espécimen por dicha carga será el valor del flujo. El valor de estabilidad expresa la resistencia estructural de la mezcla compactada, y está afectado principalmente por el contenido de asfalto, la composición granulométrica y el tipo de agregado. 5. El valor de flujo representa la deformación requerida para producir la fractura. Este valor es una indicación de la tendencia de la mezcla para alcanzar una condición plástica, y consecuentemente de la resistencia que ofrecerá la carpeta asfáltica a deformarse bajo la acción de las cargas impuestas por los vehículos. G6.5 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS • Los Asfaltos, Tecnología y Aplicaciones. Ingº Ricardo E. Bisso Fernández. Editado por Petróleos del Perú – Petroperú S.A., Noviembre 1998 • Standard Test Method for Resistance to Plastic Flow of Bituminous Mixtures Using Marshall Apparatus. ASTM D1559-89 • Resistencia de Mezclas Bituminosas empelando el Aparato Marshall. MTC E504-1999 • Mix Design Methods for Asphalt Concrete and Other Hot Mix Tipes. The Asphalt Institute, MS-2, May 1984 • Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design and Construction. NAPA Research and Education Foundation 1996 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 395Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G G6.6 EJEMPLOS Ejemplo 1: Diseño de Mezclas Agregados Tamizar los agregados X Combinar 4 tipos de agregados para que cumplan con las especificaciones: Porcentaje que pasa Tamiz Nº 1/2" 3/8" Nº4 Nº8 Nº16 Nº30 Nº50 Nº100 Nº200 Agregado Número 1 100 89 3 1 1 1 1 1 0.1 Agregado Número 2 100 100 58 10 8 5 4 3 2.2 Agregado Número 3 100 100 99 81 71 46 26 15 10.0 Agregado Número 4 100 100 100 99 94 86 68 18 2.5 Especificaciones 100 95-100 47-77 52-70 46-63 37-57 24-39 8-25 2-8 X Determinar el porcentaje de cada agregado a ser usado para que cumpla con las especificaciones. El cálculo se muestra en la siguiente tabla: Tamaño del tamiz Porcentaje 1/2" 3/8" Nº4 Nº8 Nº16 Nº30 Nº50 Nº100 Nº200 Combinación 1 Nº 1 (25%) 25 22 1 0 0 0 0 0 0,0 Nº 2 (25%) 25 25 15 3 2 1 1 1 0,6 Nº 3 (25%) 25 25 25 20 18 12 7 4 2,5 Nº 4 (25%) 25 25 25 25 24 22 17 5 0,6 Total 100 97 65 48 44 35 25 9 3,7 Especif. 100 95-100 47-77 52-70 46-63 37-57 24-39 8-25 2-8 Combinación 2 Nº 1 (25%) 25 22 1 0 0 0 0 0 0,0 Nº 2 (15%) 15 15 9 2 1 1 1 0 0,3 Nº 3 (35%) 35 35 35 28 25 16 9 5 3,5 Nº 4 (25%) 25 25 25 25 24 22 17 5 0,6 Total 100 97 69 55 50 39 27 10 4,5 Especif. 100 95-100 47-77 52-70 46-63 37-57 24-39 8-25 2-8 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 396Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G X La combinación de agregados se determina por cualquiera de los métodos conocidos, resultando 25% del agregado Nº1; 15% del agregado Nº2; 35% del agregado Nº3; y 25% del agregado Nº4. X La gravedad específica bulk de la combinación de agregados (Gsb) es 2.620 X La gravedad específica del cemento asfáltico se calculo y es 1.030 X Aproximadamente 20 especimenes de agregados fueron preparados usando las proporciones calculadas X La combinación de agregados fueron calculados a la temperatura especificada en ASTM D1559 para el método Marshall. El peso total de cada especímen será suficiente para preparar especimenes con 4” de diámetro y 2 ½” de altura. Diseño de mezclas Marshall X Las muestras calientes de agregados se mezclan con una cantidad de cemento asfáltico por encima y debajo del óptimo contenido de asfalto X Los especimenes se compactan con 75 golpes en cada lado con el martillo Marshall X Se preparan tres muestras para cada porcentaje de cemento asfáltico. Se preparan un total de 18 especimenes X Luego de compactar las muestras se extraen los moldes y se dejan enfriar. Las muestras se pesan secadas al aire (WD), dejar empapar por tres minutos en agua y pesarlas sumergidas en agua (Wsub), retirarlas del agua, secarlas y pesar en el aire (WSSD) X La gravedad especifica bulks de la muestra Gmb se determina por: subSSD D mb W W W G − = El volumen de la muestra en ml es igual a WSSD-Wsub cuando el peso está en gramos. La densidad bulk (γ) de la muestra en pcf es: wmbG δ×=γ Los siguientes cálculos se hacen para la muestra 1 de 5.0% de contenido de asfalto 253.2 650.7 1169.0 1167.8 Gmb =− = La densidad del especímen es: 3gr/cm 253.21253.2 =×=γ Los vacíos totales de la mezcla (VTM) se determinaron para cada muestra comparando el promedio de la densidad bulk para cada contenido de asfalto de la densidad teórica máxima (TMD). El método más común para determinar el TMD es el método Rice especificado en ASTM D2041. El VTM se determinó con la siguiente ecuación: S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 397Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G 100 G G -1VTM mm mb ×⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = , ó 100 TMD especimen del bulk densidad -1VTM ×⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛= Para este problema, el promedio de tres muestras para el contenido de asfalto de 5.0% tuvo una densidad bulk de 2.252 gr/cm3 y el TMD para esta muestra fue determinada en 2.454 gr/cm3. La VTM es entonces: %2.8100 454.2 252.2 -1VTM =×⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛= Los vacíos del agregado mineral (VMA) se determinan por las siguientes ecuaciones para el contenido de asfalto del 5%: ( ) ( ) %3.18100 620.2 05.01252.2 -1100 G P1G -1VMA sb bmb =×⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −=×⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = Los vacíos llenos con asfalto (VFA) ser determinaron: %2.55100 18.3 8.2-18.3 100 VMA VTM-VMA VFA =×⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛=×⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛= Luego que las muestras fueron pesadas en el aire y agua y todos los cálculos hechos, las muestras fueron ensayadas en la prensa. La carga de falla se expresa en libras y el flujo se determina para 0.01 pulgadas (0.25 mm) para el primer pico de carga. La medida de estabilidad es la actual carga medida, y la estabilidad corregida incluye una corrección por volumen de especímen. Para este diseño todos los volúmenes estuvieron en el rango requerido (ASTM D1559), sin necesitar corrección. Luego de llenar todos los datos, graficar las relaciones para las diferentes relaciones de propiedades y contenidos de asfalto. Las propiedades comúnmente graficadas son: peso unitario, estabilidad Marshall, flujo, vacíos en la mezcla total, vacíos llenos con cemento asfáltico, y vacíos en el agregado mineral. Ahora se selecciona el óptimo contenido de asfalto para las especificaciones del proyecto. Para este diseño de mezcla las especificaciones se muestran en el siguiente cuadro: S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 398Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G Propiedades de ensayo Especificaciones del proyecto Estabilidad Marshall lbs (N) 1500 (6667) min Flujo 0.01” (0.25 mm) 8 – 16 Vacios totales en la mezcla (%) 3 – 5 Vacios llenos de asfalto (%) 70 – 80 Evaluaremos el contenido de asfalto de acuerdo a los dos métodos planteados en el paso G: Método 1 Un procedimiento usado es el recomendado por la NAPA. De las gráficas que se mostrarán, se considera el óptimo contenido de asfalto para la media del porcentaje de vacíos de la mezcla total de las especificaciones (4%). Este contenido de asfalto se usa para determinar los valores de estabilidad Marshall, VMA, flujo y porcentaje de vacíos llenos. Cada uno de estos valores se compara con los valores especificados; si todos están en el rango se acepta el contenido de asfalto como el óptimo al 4% de vacíos, en caso contrario. Si algunos de estos valores están fuera del rango de especificaciones, la mezcla tiene que ser rediseñada. En el ejemplo, para 4% de vacíos se tiene 6.9% de contenido de asfalto, con este valor se comparan los datos obtenidos de cada gráfico. Propiedades de ensayo Especificaciones del proyecto Resultado Condición Estabilidad Marshall lbs (N) 1500 (6667) min 2750 lbs (12222 N) Aceptado Flujo 0.01” (0.25 mm) 8 – 16 14 Aceptado VMA (%) No se requiere 18.6 ------ Vacíos llenos de asfalto (%) 70 – 80 79 Aceptado Método 2 El segundo método usado considera como óptimo contenido de asfalto al que proporciona la máxima estabilidad Marshall, máximo peso unitario, y 4% de vacíos en el total de la mezcla (media de las especificaciones). Por lo tanto, para los datos encontrados los siguientes contenidos de asfalto son seleccionados: Propiedades Contenido de asfalto seleccionado Pico de la curva de estabilidad 6.5 Pico de la curva de peso unitario 6.8 4% Volumen total de mezcla 6.9 Promedio 6.7 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 399Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 400 Los tres contenidos de asfalto se promedian para determinar el óptimo contenido de asfalto. Las propiedades de la mezcla deben ser evaluadas para asegurar que las especificaciones requeridas se encuentran en 6.7% del contenido de asfalto. Propiedades Especificaciones del proyecto Resultado Condición Estabilidad Marshall lbs (N) 1500 (6667) min 2775 lbs (12333 N) Aceptado Flujo 0.01” (0.25 mm) 8 – 16 13.6 Aceptado VTM (%) 3 - 5 4.2 Aceptado De acuerdo con los resultados anteriores el óptimo contenido de asfalto seleccionado es de 6.7%. Una dificultad con este segundo método para diferentes contenidos de asfalto es que no todas las muestras tienen los gráficos como los del ejemplo. De hecho, algunas mezclas que contienen 75-100% de partículas fracturadas no muestran picos en la curva de densidad, haciendo imposible aplicar ésta metodología. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 401 Ejemplo Nº1 1A 1B 1C 2A 2B 2C 3A 3B 3C 4A 4B 4C 5A 5B 5C 6A 1 % C.A. EN PESO DE LA MEZCLA 5.00 5.00 5.00 5.50 5.50 5.50 6.00 6.00 6.00 6.50 6.50 6.50 7.00 7.00 7.00 7.50 2 PESO ESPECIFICO BULK DE LA COMBINACION DE AGREGADOS 3 PESO DE LA BRIQUETA AL AIRE (gr) WD 1167.80 1164.90 1165.10 1166.40 1179.00 1169.40 1170.40 1181.10 1187.30 1174.20 1185.30 1182.30 1177.50 1183.40 1192.80 1181.90 4 PESO DE LA BRIQUETA EN EL AIRE (gr) condición Saturada Superficialmente Seca WSSD 1169.00 1166.20 1167.00 1167.50 1180.60 1171.00 1171.00 1181.90 1189.00 1174.70 1186.00 1182.90 1177.90 1183.60 1193.30 1182.30 5 PESO DE LA BRIQUETA EN EL AGUA (gr) condición Saturada Superficialmente Seca Wsub 650.70 647.00 651.00 652.40 661.40 650.90 656.70 664.70 670.90 661.60 667.70 667.70 663.00 665.40 675.70 663.30 6 VOLUMEN DE LA BRIQUETA (gr) 518.30 519.20 516.00 515.10 519.20 520.10 514.30 517.20 518.10 513.10 518.30 515.20 514.90 518.20 517.60 519.00 7 PESO ESPECIFICO BULK DE LA BRIQUETA gr/cm3 Gmb 2.253 2.244 2.258 2.264 2.271 2.248 2.276 2.284 2.292 2.288 2.287 2.295 2.287 2.284 2.304 2.277 8 PESO ESPECIFICO TEORICA MAXIMA, RICE 2.454 2.454 2.454 2.444 2.444 2.444 2.425 2.425 2.425 2.402 2.402 2.402 2.380 2.380 2.380 2.357 9 % VACIOS TOTALES EN LA MEZCLA(VTM) 8.2 8.6 8.0 7.3 7.1 8.0 6.1 5.8 5.5 4.7 4.8 4.5 3.9 4.0 3.2 3.4 10 % VACIOS EN AGREGADO MINERAL (V.M.A.) 18.3 18.6 18.1 18.3 18.1 18.9 18.4 18.1 17.8 18.3 18.4 18.1 18.8 18.9 18.2 19.6 11 % ASFALTO ABSORBIDO POR EL AGREGADO TOTAL (VFA) 55.4 54.1 56.0 59.9 60.9 57.7 66.5 67.8 69.1 74.2 73.9 75.3 79.3 78.7 82.6 82.7 12 ESTABILIDAD SIN CORREGIR 2400 2630 2560 2520 2690 2650 2620 2710 2980 2800 2730 2900 2820 2730 2790 2650 13 ESTABILIDAD CORREGIDA 14 Peso Unitario (gr/cm3) 15 Flujo (0.001 Pulg.) 11.00 11.00 12.00 11 12.00 13 13.00 13 12.00 12 13 14 14 14 15 16 16 Flujo (0.001 Pulg.) promedio 17 % VACIOS TOTALES DE LA MEZCLA (VTM) 18 % VACIOS EN AGREGADO MINERAL (V.M.A.) 19 % ASF. ABSORBIDO POR EL AGREGADO TOTAL (VFA) Prom 2780 11 12 13 13 14 RESULTADOS DE ENSAYO PARA EL DISEÑO DE MEZCLAS POR EL METODO MARSHALL 2.252 2.261 2.284 2.290 2.292 2530 2620 2770 2.620 BRIQUETA N° 55.2 59.5 67.8 74.4 80.2 2810 2.620 2.620 2.620 2.620 18.1 18.3 5.8 4.78.2 7.5 18.4 18.4 3.7 18.7 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G DISEÑO DE MEZCLA ASFÁLTICA MÉTODO DE LA NAPA DISEÑO DE MEZCLA ASFÁLTICA MÉTODO DE L INSTITUTO DEL ASFALTO FLUJO VS. % DE ASFALTO 10 11 12 13 14 15 16 17 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 ASFALTO (%) F L U JO ( 0. 01 ") 14 6,9 ESTABILIDAD VS. % DE ASFALTO 2400 2450 2500 2550 2600 2650 2700 2750 2800 2850 2900 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 ASFALTO (%) E S T A B IL ID A D ( L b ) 2750 6,9 PESO ESPECIFICO VS. % DE ASFALTO 2.230 2.240 2.250 2.260 2.270 2.280 2.290 2.300 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 ASFALTO (%) P E S O E S P E C IF IC O ( g r/ cm 3) % VACIOS VS. % DE ASFALTO 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 ASFALTO (%) % VACIOS LLENOS DE CON ASFALTO VS. % DE ASFALTO 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0 .0 O L U M E N L L E N O C O N A S F A L T O V F % VOLUMEN DE AGREGADO GRUESO MINERAL VS. % DE ASFALTO 15.0 16.0 17.0 18.0 19.0 20.0 21.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 ASFALTO (%) A V A C IO S V T M ( % ) 40.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8 ASFALTO (%) V 79 18,6 (% ) 6,9 6,9 4,0 6,9 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 402 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 403 PESO ESPECIFICO VS. % DE ASFALTO 2.230 2.240 2.250 2.260 2.270 2.280 2.290 2.300 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 ASFALTO (%) P E S O E S P E C IF IC O ( g r/ cm 3) ESTABILIDAD VS. % DE ASFALTO 2400 2450 2500 2550 2600 2650 2700 2750 2800 2850 2900 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 ASFALTO (%) E S T A B IL ID A D ( L b ) % VACIOS VS. % DE ASFALTO 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 ASFALTO (%) V A C IO S V T M ( % ) % VACIOS LLENOS DE CON ASFALTO VS. % DE ASFALTO 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 ASFALTO (%) 6,7 2775 77 6,7 6,7 4,2 FLUJO VS. % DE ASFALTO 10 11 12 13 14 15 16 17 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 ASFALTO (%) F L U JO ( 0. 01 " 8.0 ) 13,6 6,7 % VOLUMEN DE AGREGADO GRUESO MINERAL VS. % DE ASFALTO 15.0 16.0 17.0 18.0 19.0 20.0 21.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 ASFALTO (%) 8.0 6,7 18,5 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G Ejemplo 2 Diseño de Mezclas Paso A: Evaluación de Agregados A.1 Requisitos de calidad de agregados para Mezclas Asfálticas Ensayo Datos Durabilidad 8.6% Abrasión 18.6% Partículas Chatas y Alargadas 1.9% Equivalente de arena 68% Adherencia (% retenido) +95 Riedel Weber Grado 4 A.2 Si cumple con el control de calidad realizar la combinación de agregados, que cumpla con las especificaciones técnicas del proyecto. De la combinación se emplearán 45% de agregado grueso y 55% de agregado fino, de una cantera que cumple con las especificaciones. A.3 Calcular la gravedad específica bulk del agregado grueso (ASTM C127); agregado fino (ASTM C128). Calcular la gravedad específica de la combinación de agregados. Datos: Gravedad específica bulk (Gsb): Agregado grueso 2.692 Agregado Fino 2.712 De la combinación de agregados: 703.2 712.2 55.0 692.2 45.0 55.045.0 G = + + = A.4 Calcular la gravedad específica aparente del agregado grueso (ASTM C127); agregado fino (ASTM C128). Calcular la gravedad específica aparente de la combinación de agregados Datos: Gravedad específica aparente (Gsa): Agregado grueso 2.765 Agregado Fino 2.752 De la combinación de agregados: 758.2 752.2 55.0 765.2 45.0 55.045.0 G = + + = Paso B: Evaluación del Cemento Asfáltico B.1 El cemento asfáltico a emplear tiene penetración 60-70, elegido por el tipo y ubicación geográfica del proyecto. Verificar que sus propiedades serán aceptables. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 404Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G B.2 La gravedad específica del cemento asfáltico (ASTM D70) es 1.000. B.3 Determinar la temperatura de mezcla y compactación según la carta de viscosidad. Paso C: Preparación de los Especimenes Marshall C.1 Cálculo del peso de los agregados. Agregado grueso: 45% x 1150 gr. = 517.5 gr. Nota.- Calcular el peso de cada tamiz de acuerdo al porcentaje retenido del análisis granulométrico. Todos esos pesos deben sumar 517.5 gr. Agregado fino : 55% x 1150 gr. = 632.5 gr. Nota.- El agregado fino se peso en conjunto. C.2 Cálculo del peso de asfalto Los especimenes serán ensayados con los siguientes porcentajes de asfalto: 4.0; 4.5; 5.0; 5.5; 6.0 y 6.5. El peso de asfalto para cada uno de los porcentajes en especimenes de 1150 gr., es: asfáltico cemento Peso árido Peso asfáltico cemento Peso asfáltico Cemento % + = Para 4.0% gr 9.47 0.96 11504.0 asfáltico cemento Peso = × = Para 4.5% gr 2.54 5.95 11504.5 asfáltico cemento Peso = × = Para 5.0% gr 50.60 0.95 11505.0 asfáltico cemento Peso = × = Para 5.5% gr 90.66 5.94 11505.5 asfáltico cemento Peso = × = Para 6.0% gr 40.73 0.94 11500.6 asfáltico cemento Peso = × = Para 6.5% gr 9.79 5.93 11505.6 asfáltico cemento Peso = × = C.3 Realizar el ensayo de acuerdo a las especificaciones y método. Completar la información solicitada de la Hoja 1: Información Básica C.4 Determine la gravedad específica bulk de cada especimen, una vez enfriadas a la temperatura ambiente, según AASHTO T 166. Los especimenes fueron de textura abierta y permeable. Se empleará el segundo método para determinar Gmb (ver paso C.12 de la Preparación de Especimenes Marshall) S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 405Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G p DpD ppsubpD D mb WW -W - W W G γ − = Donde: Gmb Gravedad Específica Bulk de la muestra compactada WD Peso del especímen al aire WpD Peso del especímen parafinado al aire Wppsub Peso del especímen parafinado en agua γp Peso específico de la parafina, 0.85 WpD- Wppsub Volumen del especímen parafinado WpD- WD Peso de la parafina p DpD WW γ − Volumen de la parafina Ejemplo, especímen Nº1 317.2G 95.520 1207.30 10.35-531.30 1207.30 85.0 8.8 -531.30 1207.30 G 85.0 30.12071216.10 -531.30 1207.30 G 85.0 30.12071216.10 -684.80 - 1216.10 1207.30 G mb mb mb mb = === − = − = C.5 Calcular la gravedad específica Rice o Máxima Densidad Teórica, según la norma AASHTO T209. Empleando la fórmula se obtendrá para el especímen Nº1, lo siguiente: C filler% B %fino A %grueso asfalto G %asfalto 100 G sa mm +++ = Agregado grueso 728.2 2 765.2692.2 2 GG A sasb = + = + = Agregado fino 732.2 2 752.2712.2 2 GG B sasb = + = + = S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 406Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G 554.2 2.732 52.80 2.728 43.20 1.0 4.0 100 Gmm = ++ = Verificaciones Se deberán cumplir todas las consideraciones, ver hoja Nº3 1º Gravedad específica aparente > Gravedad específica efectiva > Gravedad específica bulk b b mm mix s se G P G P P G − = Para los especimenes 1; 2 y 3, con 4% de cemento asfáltico 730.2 0.1 4 553.2 100 4100 G se = − − = 758.2G sa = 703.2G sb = 703.2730.2758.2 GGG sbsesa >> >> 2º Calcular la gravedad específica teórica máxima con la siguiente ecuación: 554.2G 100 24.9100 2.317 G 100 VTM100 G G mm mm mb mm = × − = × − = 3º Calcular los vacíos en el agregado mineral, VMA ( ) 70.17VMA 703.2 317.252.843.2 100VMA G G%agreg 100VMA sb mb = ×+ −= × −= Paso D: Densidad y Vacío de los Especimenes D.1 Calcular para cada especímen el porcentaje de vacíos del total de la mezcla, VMA S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 407Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G 25.9VTM 100 553.2 2.317 -1VTM 100 G G -1VTM mm mb = ×⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛= ×⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = D.2 Calcular la densidad de cada especímen Marshall como sigue: 317.2 1317.2 G wmb =γ ×=γ δ×=γ D.3 Calcular el porcentaje de vacíos en el agregado mineral, VMA ( ) ( ) %7.17VMA 100 703.2 04.01317.2 -1VMA 100 G P1G -1VMA sb bmb = ×⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −= ×⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = D.4 Calcular el porcentaje de vacíos llenos con asfalto %8.47VFA 100 17.7 9.24-17.7 VFA 100 VMA VTM-VMA VFA = ×⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛= ×⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛= Paso E: Estabilidad Marshall y Ensayo de Flujo Ejecutar el ensayo de acuerdo a lo especificado, ver Hoja Nº4. El factor de estabilidad es el número que corrige la estabilidad en especimenes con alturas diferentes de 2.5”. Este factor se obtiene del siguiente cuadro: S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 408Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G Volumen de la muestra cm3 Altura aproximada de la muestra cm Factor de corrección 200-213 2.54 5.56 214-225 2.70 5.00 226-237 2.86 4.55 238-250 3.02 4.17 251-264 3.18 3.85 265-276 3.34 3.57 277-289 3.49 3.33 290-301 3.65 3.03 302-316 3.81 2.78 317-328 3.97 2.50 329-340 4.13 2.27 341-353 4.29 2.08 354-367 4.45 1.92 368-379 4.61 1.79 380-392 4.76 1.67 393-405 4.92 1.56 406-420 5.08 1.47 421-431 5.24 1.39 432-443 5.40 1.32 444-456 5.56 1.25 457-470 5.72 1.19 471-482 5.87 1.14 483-495 6.03 1.09 496-508 6.19 1.04 509-522 6.35 1.00 523-535 6.51 0.96 536-546 6.67 0.93 547-559 6.83 0.89 560-573 6.99 0.86 574-585 7.14 0.83 586-598 7.30 0.81 299-610 7.46 0.78 611-625 7.62 0.76 Paso F: Estabilidad Marshall y Ensayo de Flujo Graficar las curvas: 1. Contenido de asfalto Vs. Densidad (por unidad de peso) 2. Contenido de asfalto Vs. Estabilidad Marshall 3. Contenido de asfalto Vs. Flujo 4. Contenido de asfalto Vs. Porcentaje de vacíos, VTM 5. Contenido de asfalto Vs. Porcentaje de vacíos del agregado mineral, VMA 6. Contenido de asfalto Vs. Porcentaje de vacíos llenos de asfalto, VFA S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 409Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 410 Paso G: Determinación del Optimo Contenido de Asfalto G.1 Los siguientes dos métodos son comúnmente empleados para determinar el óptimo contenido de asfalto de los gráficos: Método 1.- El procedimiento NAPA, en TAS 14 1. Determine el contenido de asfalto correspondiente a la medida especificada del contenido de vacíos (4% típicamente). Este es el óptimo contenido de asfalto. 2. Determine las siguientes propiedades en el óptimo contenido de asfalto de los gráficos: 2.1 Estabilidad Marshall 2.2 Flujo 2.3 Porcentaje de vacíos del agregado mineral, VMA 2.4 Porcentaje de vacíos llenos de asfalto, VFA 3. Compare cada uno de estos valores de especimenes y si todos tiene el rango especificado, entonces el óptimo contenido de asfalto determinado es satisfactorio. Si algunas de estas propiedades están fuera del rango de especificaciones, la mezcla debe ser rediseñada. G6.7 Referencias Bibliográficas 1. Los Asfaltos, Tecnología y Aplicaciones. Ingº Ricardo E. Bisso Fernández. Editado por Petróleos del Perú – Petroperú S.A., Noviembre 1998 2. Standard Test Method for Resistance to Plastic Flow of Bituminous Mixtures Using Marshall Apparatus. ASTM D1559-89 3. Resistencia de Mezclas Bituminosas empelando el Aparato Marshall. MTC E504-1999 4. Mix Design Methods for Asphalt Concrete and Other Hot Mix Tipes. The Asphalt Institute, MS-2, May 1984 5. Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design and Construction. NAPA Research and Education Foundation 1996 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 412 Hoja1 : Información Básica % asfalto en la mezcla 4.00 4.0 4.5 5.0 % agregado grueso 45% (100-4,0) 43.2 43.0 42.8 % agregado fino 55% (100-4,0) 52.8 52.5 52.3 % filler 0% (100-4,0) 0.0 0.0 0.0 Nº Nº de Especímen 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 % Cemento Asfáltico en peso de la mezcla (Pb) 4.00 4.00 4.00 4.50 4.50 4.50 5.00 5.00 5.00 2 % Agregado grueso en peso de la mezcla (Ps) 43.2 43.2 43.2 43.0 43.0 43.0 42.8 42.8 42.8 3 % Agregado fino en peso de la mezcla (Ps) 52.8 52.8 52.8 52.5 52.5 52.5 52.3 52.3 52.3 4 % filler en peso de la mezcla (Ps) 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 5 Gravedad Específica Aparente (Gsa) Cemento Asfáltico 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 6 Gravedad Específica Seca Bulk (Gsb) agregado grueso 2.692 2.692 2.692 2.692 2.692 2.692 2.692 2.692 2.692 7 Gravedad Específica Seca Bulk (Gsb) agregado fino 2.712 2.712 2.712 2.712 2.712 2.712 2.712 2.712 2.712 8 Gravedad Específica Seca Bulk (Gsb) filler 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 9 Gravedad Específica Seca Aparente (Gsa) agregado grueso 2.765 2.765 2.765 2.765 2.765 2.765 2.765 2.765 2.765 10 Gravedad Específica Seca Aparente (Gsa) agregado fino 2.752 2.752 2.752 2.752 2.752 2.752 2.752 2.752 2.752 11 Gravedad Específica Seca Aparente (Gsa) filler 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 12 Promedio A=(Gsa+Gsb)/2 del agregado grueso. A=(6+9)/2 2.729 2.729 2.729 2.729 2.729 2.729 2.729 2.729 2.729 13 Promedio B=(Gsa+Gsb)/2 del agregado fino. B=(7+10)/2 2.732 2.732 2.732 2.732 2.732 2.732 2.732 2.732 2.732 14 Promedio C=(Gsa+Gsb)/2 del filler. C=(8+11)/2 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 15 Altura promedio del especimen (cm) 6.50 6.51 6.48 6.47 6.51 6.50 6.41 6.42 6.31 16 Gravedad Específica Seca Bulk de la combinación de agregados G=2+3+4 2+ 3+4 6 7 8 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 17 agregados G=2 + 3 + 4 2 + 3 + 4 9 10 11 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 414 Hoja1 : Información Básica 5.5 6.0 6.5 42.5 42.3 42.1 52.0 51.7 51.4 0.0 0.0 0.0 Nº Nº de Especímen 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1 % Cemento Asfáltico en peso de la mezcla (Pb) 5.50 5.50 5.50 6.00 6.00 6.00 6.50 6.50 6.50 2 % Agregado grueso en peso de la mezcla (Ps) 42.5 42.5 42.5 42.3 42.3 42.3 42.1 42.1 42.1 3 % Agregado fino en peso de la mezcla (Ps) 52.0 52.0 52.0 51.7 51.7 51.7 51.4 51.4 51.4 4 % filler en peso de la mezcla (Ps) 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 5 Gravedad Específica Aparente (Gsa) Cemento Asfáltico 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 6 Gravedad Específica Seca Bulk (Gsb) agregado grueso 2.692 2.692 2.692 2.692 2.692 2.692 2.692 2.692 2.692 7 Gravedad Específica Seca Bulk (Gsb) agregado fino 2.712 2.712 2.712 2.712 2.712 2.712 2.712 2.712 2.712 8 Gravedad Específica Seca Bulk (Gsb) filler 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 9 Gravedad Específica Seca Aparente (Gsa) agregado grueso 2.765 2.765 2.765 2.765 2.765 2.765 2.765 2.765 2.765 10 Gravedad Específica Seca Aparente (Gsa) agregado fino 2.752 2.752 2.752 2.752 2.752 2.752 2.752 2.752 2.752 11 Gravedad Específica Seca Aparente (Gsa) filler 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 12 Promedio A=(Gsa+Gsb)/2 del agregado grueso. A=(6+9)/2 2.729 2.729 2.729 2.729 2.729 2.729 2.729 2.729 2.729 13 Promedio B=(Gsa+Gsb)/2 del agregado fino. B=(7+10)/2 2.732 2.732 2.732 2.732 2.732 2.732 2.732 2.732 2.732 14 Promedio C=(Gsa+Gsb)/2 del filler. C=(8+11)/2 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 15 Altura promedio del especimen (cm) 6.32 6.32 6.31 6.29 6.25 6.29 6.37 6.31 6.32 16 Gravedad Específica Seca Bulk de la combinación de agregados G=2+3+4 2+ 3+4 6 7 8 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 17 agregados G=2 + 3 + 4 2 + 3 + 4 9 10 11 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 416 Hoja2 : Gravedades Específicas 0.85 Nº Nº de Especímen 1 2 3 4 5 6 7 8 9 18 Peso del especímen al aire, gr. WD 1207.3 1209.4 1203.0 1203.7 1204.8 1203.3 1208.5 1208.0 1207.0 19 Peso en el aire del especímen parafinado, gr. WpD 1216.1 1217.7 1213.2 1211.6 1213.9 1211.2 1218.6 1211.2 1214.8 20 Peso en el agua del especímen parafinado, gr. Wppsub 684.8 688.5 681.5 688.2 685.4 685.1 700.5 693.1 699.1 21 Volumen del especímen parafinado, WpD-Wppsub. (19-20) 531.3 529.2 531.7 523.4 528.5 526.1 518.1 518.1 515.7 22 Peso de la parafina, WpD-WD. (19-18) 8.8 8.3 10.2 7.9 9.1 7.9 10.1 3.2 7.8 23 Volumen de la parafina (22/ ) 10.35 9.76 12.00 9.29 10.71 9.29 11.88 3.76 9.18 24 Volumen del especímen por deslizamiento (21-23) 520.95 519.44 519.70 514.11 517.79 516.81 506.22 514.34 506.52 25 Gravedad específica seca bulk del especímen 2.318 2.328 2.315 2.341 2.327 2.328 2.387 2.349 2.383 26 Gravedad específica teórica máxima, Rice 2.554 2.554 2.554 2.533 2.533 2.533 2.513 2.513 2.513 27 Porcentaje de vacios del total de la mezcla 9.25 8.83 9.35 7.57 8.15 8.09 5.00 6.54 5.18 28 Densidad de cada especimen Marshall 2.318 2.328 2.315 2.341 2.327 2.328 2.387 2.349 2.383 29 % de vacíos del agregado mineral, VMA 17.7 17.3 17.8 17.3 17.8 17.7 16.1 17.5 16.2 30 % de vacios llenos con asfalto 47.7 49.0 47.4 56.2 54.2 54.4 68.9 62.5 68.1 pγ pγ ( ) 100 16 1/100125 -1VMA ×⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −× = 100 29 27-29 VFA ×⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = 24 18 Gmb = 14 4 13 3 12 2 5 1 100 Gmm +++ = 100 26 25 -1VTM ×⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = 125G wmb ×=δ×=γ Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 418 Hoja2 : Gravedades Específicas Nº Nº de Especímen 10 11 12 13 14 15 16 17 18 18 Peso del especímen al aire, gr. WD 1204.1 1207.1 1207.4 1205.6 1204.5 1201.8 1205.5 1202.2 1201.5 19 Peso en el aire del especímen parafinado, gr. WpD 1211.3 1213.1 1214.0 1211.8 1210.3 1208.1 1211.4 1206.0 1207.5 20 Peso en el agua del especímen parafinado, gr. Wppsub 699.9 702.0 702.3 704.8 704.1 702.0 703.1 700.4 700.6 21 Volumen del especímen parafinado, WpD-Wppsub. (19-20) 511.4 511.1 511.7 507.0 506.2 506.1 508.3 505.6 506.9 22 Peso de la parafina, WpD-WD. (19-18) 7.2 6.0 6.6 6.2 5.8 6.3 5.9 3.8 6.0 23 Volumen de la parafina (22/ ) 8.47 7.06 7.76 7.29 6.82 7.41 6.94 4.47 7.06 24 Volumen del especímen por deslizamiento (21-23) 502.93 504.04 503.94 499.71 499.38 498.69 501.36 501.13 499.84 25 Gravedad específica seca bulk del especímen 2.394 2.395 2.396 2.413 2.412 2.410 2.404 2.399 2.404 26 Gravedad específica teórica máxima, Rice 2.493 2.493 2.493 2.474 2.474 2.474 2.454 2.454 2.454 27 Porcentaje de vacios del total de la mezcla 3.97 3.94 3.90 2.47 2.49 2.57 2.03 2.26 2.06 28 Densidad de cada especimen Marshall 2.394 2.395 2.396 2.413 2.412 2.410 2.404 2.399 2.404 29 % de vacíos del agregado mineral, VMA 16.3 16.3 16.2 16.1 16.1 16.2 16.8 17.0 16.8 30 % de vacios llenos con asfalto 75.6 75.8 76.0 84.7 84.6 84.1 87.9 86.7 87.8 pγ ( ) 100 16 1/100125 -1VMA ×⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −× = 100 29 27-29 VFA ×⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = 24 18 Gmb = 14 4 13 3 12 2 5 1 100 Gmm +++ = 100 26 25 -1VTM ×⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = 125G wmb ×=δ×=γ Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 420 Hoja3 : Verificaciones Nº Nº de Especímen 1 2 3 4 5 6 7 8 9 31 Gravedad específica efectiva 2.730 2.730 2.730 2.730 2.730 2.730 2.730 2.730 2.730 32 Gravedad específica aparente de la combinación de agregados (Gsa), 17 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758 33 Gravedad específca bulk de la combinación de agregados (Gsb),16 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 34 Si Gsa>Gse>Gsb, continuar con la verificación OK! OK! OK! OK! OK! OK! OK! OK! OK! 35 Gravedad específica teórica máxima, Rice, 26 2.554 2.554 2.554 2.533 2.533 2.533 2.513 2.513 2.513 36 Gravedad específica teórica máxima, Rice 2.554 2.554 2.554 2.533 2.533 2.533 2.513 2.513 2.513 37 Si 35=36, continuar con la verificación OK! OK! OK! OK! OK! OK! OK! OK! OK! 38 % de vacíos del agregado mineral, VMA, 29 17.7 17.3 17.8 17.3 17.8 17.7 16.1 17.5 16.2 39 % de vacíos del agregado mineral 17.7 17.3 17.8 17.3 17.8 17.7 16.1 17.5 16.2 40 Si 38=39, concluye la verificación OK! OK! OK! OK! OK! OK! OK! OK! OK! 5 1 26 100 1-100 Gse − = 100 27100 25 Gmm ×− = ( ) 16 25432 -100VMA ×++ = Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 422 Hoja3 : Verificaciones Nº Nº de Especímen 10 11 12 13 14 15 16 17 18 31 Gravedad específica efectiva 2.730 2.730 2.730 2.730 2.730 2.730 2.730 2.730 2.730 32 Gravedad específica aparente de la combinación de agregados (Gsa), 17 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758 2.758 33 Gravedad específca bulk de la combinación de agregados (Gsb),16 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 2.703 34 Si Gsa>Gse>Gsb, continuar con la verificación OK! OK! OK! OK! OK! OK! OK! OK! OK! 35 Gravedad específica teórica máxima, Rice, 26 2.493 2.493 2.493 2.474 2.474 2.474 2.454 2.454 2.454 36 Gravedad específica teórica máxima, Rice 2.493 2.493 2.493 2.474 2.474 2.474 2.454 2.454 2.454 37 Si 35=36, continuar con la verificación OK! OK! OK! OK! OK! OK! OK! OK! OK! 38 % de vacíos del agregado mineral, VMA, 29 16.3 16.3 16.2 16.1 16.1 16.2 16.8 17.0 16.8 39 % de vacíos del agregado mineral 16.3 16.3 16.2 16.1 16.1 16.2 16.8 17.0 16.8 40 Si 38=39, concluye la verificación OK! OK! OK! OK! OK! OK! OK! OK! OK! 5 1 26 100 1-100 Gse − = 100 27100 25 Gmm ×− = ( ) 16 25432 -100VMA ×++ = Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 424 Hoja4 : Estabilidad marshall y Ensayo de Flujo Nº Nº de Especímen 1 2 3 4 5 6 7 8 9 41 Estabilidad sin corregir 1,745.00 1,844.00 1,690.00 1,745.00 1,755.00 1,775.00 1,895.00 1,895.00 1,906.00 42 Factor de Estabilidad 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.04 1.04 1.04 43 Estabilidad corregida (41x42) 1,745.00 1,844.00 1,690.00 1,745.00 1,755.00 1,775.00 1,970.80 1,970.80 1,982.24 44 Estabilidad corregida promedio 45 Flujo 7.00 6.50 6.50 8.50 8.00 8.00 11.50 12.00 11.50 46 Flujo promedio 47 Densidad de cada especimen Marshall, promedio 48 Porcentaje de vacios del total de la mezcla, VTM 49 Porcentaje de vacíos del agregado mineral, VMA 50 Porcentaje de vacios llenos con asfalto, VFA 2.320 2.332 2.373 48.05 54.93 66.53 17.59 17.60 16.60 9.14 7.94 5.57 1,974.61 11.676.67 8.17 1,759.67 1,758.33 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G Hoja4 : Estabilidad marshall y Ensayo de Flujo Nº Nº de Especímen 10 11 12 13 14 15 16 17 18 41 Estabilidad sin corregir 2,106.00 2,097.00 2,097.00 1,996.00 1,996.00 1,996.00 1,745.00 1,696.00 1,698.00 42 Factor de Estabilidad 1.04 1.04 1.04 1.04 1.04 1.04 1.04 1.04 1.04 43 Estabilidad corregida (41x42) 2,190.24 2,180.88 2,180.88 2,075.84 2,075.84 2,075.84 1,814.80 1,763.84 1,765.92 44 Estabilidad corregida promedio 45 Flujo 13.50 12.50 13.00 14.50 15.50 15.50 17.50 17.50 18.00 46 Flujo promedio 47 Densidad de cada especimen Marshall, promedio 48 Porcentaje de vacios del total de la mezcla, VTM 49 Porcentaje de vacíos del agregado mineral, VMA 50 Porcentaje de vacios llenos con asfalto, VFA 2.412 2.4022.395 75.80 2.51 2.12 84.45 87.47 16.27 16.14 16.90 3.94 2,184.00 13.00 15.17 17.67 2,075.84 1,781.52 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 426 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 427 DISEÑO DE MEZCLA ASFALTICA METODO DE LA NAPA PESO ESPECIFICO VS. % DE ASFALTO 2.230 2.250 2.270 2.290 2.310 2.330 2.350 2.370 2.390 2.410 2.430 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 ASFALTO (%) P E S O E S P E C IF IC O ( g r/ cm 3) ESTABILIDAD VS. % DE ASFALTO 1,650.00 1,750.00 1,850.00 1,950.00 2,050.00 2,150.00 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 ASFALTO (%) E S T A B IL ID A D ( L b ) % VACIOS VS. % DE ASFALTO 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 ASFALTO (%) V A C IO S V T M ( % ) % VACIOS LLENOS DE CON ASFALTO VS. % DE ASFALTO 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 100.00 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 ASFALTO (%) V O L U M E N L L E N O C O N A S F A L T O V F A (% ) 5,6 2151 78 5,6 5,6 4,0 FLUJO VS. % DE ASFALTO 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 ASFALTO (%) F L U JO ( 0. 01 ") % VOLUMEN DE AGREGADO GRUESO MINERAL VS. % DE ASFALTO 16.00 16.20 16.40 16.60 16.80 17.00 17.20 17.40 17.60 17.80 18.00 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 ASFALTO (%) 13,6 5,6 5,6 16,38 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G G7.1 INTRODUCCIÓN El ensayo de compresión edométrica consiste en aplicar una carga sinusoidal sin periodo de descanso a un especimen confinado. La carga se aplica con el pistón de carga del equipo CBR a un disco metálico del diámetro del espécimen. El proceso de preparación de la mezcla es similar al método Marshall ya descrito. El ensayo Marshall y el de compresión edomética son diferentes, con el primero se puede determinar el óptimo contenido de asfalto siguiendo un método aún empírico, el segundo método permite determinar módulos dinámicos, que son parámetros de diseño de pavimentos. G7.2 APLICACIÓN El siguiente procedimiento será aplicado solamente a mezclas asfálticas en caliente, preparadas con cemento asfáltico y agregados no mayores de 2.54 cm (1 pulg.), el molde empleado es el Marshall de 101.6 mm (4 pulg.). G7.3 EQUIPOS DE LABORATORIO 1. Molde de Compactación. Consiste de una placa de base plana, molde y collar de extensión cilíndricos. El molde tiene un diámetro interior de 101.6 mm (4”) y altura aproximada de 76.2 mm (3”); la placa de base plana y el collar deben ser intercambiables. 2. Martillo de compactación con base plana circular de apisonado de 98.4 mm (3 7/8”) de diámetro, equipado con un pisón de 4.54 kg (10 lb.) de peso total, cuya altura de caída es de 457.2 mm (18“). 3. Pedestal de compactación. Base de madera cuadrada de 200.3 mm de lado y 457.2 mm de altura (8”x8”x18”), en su cara superior tiene una platina cuadrada de acero de 304.8 mm de lado por 25.4 mm de espesor (12”x12”x1”), firmemente sujeta a la base. El conjunto se deberá fijar firmemente a una superficie de concreto, de tal manera que la platina de acero quede horizontal. 4. Extractor de Muestras de Asfaltos. Para extraer el especimen del molde, en forma de disco con diámetro de 100 mm (3.95”) y 12.7 mm (1/2”) de espesor. 5. Soporte para molde o portamolde. Dispositivo con resorte de tensión diseñado para sostener rígidamente el molde de compactación sobre el pedestal. 6. Mordaza. Consiste de dos semi-cilindros, con un radio de curvatura interior de 50.8 mm (2”) de acero enchapado para facilitar su fácil limpieza. El segmento inferior termina en una base plana con dos varillas perpendiculares que sirven de guía. 7. Medidor de deformación. Consiste en un deformímetro dividido en centésimas de milímetro. Estará sujeto al segmento superior y cuyo vástago se apoyará, cuando se realiza el S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 428Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G ensayo, en una palanca ajustable acoplada al segmento inferior. Las deformaciones del anillo se medirán con un deformímetro graduado en 0.001 mm. 8. Prensa. Para realizar el ensayo cíclico se usará una prensa automática. La carga se aplica de manera cíclica, un ciclo está formado por una carga y una descarga. 9. Dial de Carga. La fuerza aplicada se medirá con un anillo acoplado a la prensa, de 20 kN (2039 kgf) de capacidad, con una sensibilidad de 50 N (5 kgf) hasta 5 kN (510 kgf) y 100 N (10 kgf) hasta 20 kN (2 039 kgf). 10. Discos de Papel Filtrante de 4 pulg. 11. Horno. Horno capaz de mantener la temperatura requerida con un error menor de 3 ºC (5 ºF) se emplea para calentar los agregados, material asfáltico, conjunto de compactación y muestra. 12. Baño. El baño de agua con 150mm (6”) de profundidad mínima y controlado termostáticamente para mantener la temperatura a 60º ± 1 ºC (140º ± 1.8 ºF), deberá tener un falso fondo perforado o estar equipado con un estante para mantener las probetas por lo menos a 50.8 mm (2”) sobre el fondo del tanque. 13. 2 Recipientes de dos litros de capacidad para calentar los agregados y para mezclar el asfalto y agregado. 14. Tamices. De 50 mm (2”), 37.5 mm (1 1/2”), 25 mm (1”), 19.0 mm (3/4”), 12.5 mm (1/2”), 9.5 mm (3/8”), 4.75 mm (Nº 4), 2.36 mm (Nº 8), 300 μm (Nº 50) y 75 μm (Nº 200). 15. Termómetros blindados. De 10ºC a 232ºC (50ºF a 450ºF) para determinar las temperaturas del asfalto, agregados y mezcla, con sensibilidad de 3ºC. Para la temperatura del baño de agua se utilizará termómetro con escala de 20ºC a 70ºC y sensibilidad de 0.2ºC (68ºF a 158ºF + 0.4ºF). 16. Balanza. Para pesar agregados y asfalto de 5 kg. de capacidad, y sensibilidad de un 1 gr. Para pesar probetas compactadas de 2 kg. de capacidad y sensibilidad de 0.1 gr. 17. Parafina 18. Pirex de 500 cm3 19. Guantes de cuero. Para poder manipular el equipo caliente 20. Crayolas para identificar las probetas 21. Bandejas taradas 22. Espátulas G7.4 PROCEDIMIENTOS PREVIOS Se deben realizar los siguientes pasos antes de preparar la mezcla: Paso A: Evaluación de agregados A.1 Realice los ensayos de abrasión en la Máquina de Los Ángeles, resistencia a los sulfatos, equivalente de arena, presencia de sustancias deletéreas, caras de fractura y chatas y alargadas. A.2 Si el agregado pasó los controles de calidad del paso A.1, se debe realizar el diseño granulométrico de los agregados, gravedad específica y absorción. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 429Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G A.3 Gravedad específica bulk del agregado grueso (AASHTO T85 ó ASTM C127) y del agregado fino (AASHTO T84 ó ASTM C128). Calcule la gravedad especifica de la combinación de agregados. Paso B: Evaluación del cemento asfáltico B.1 Determine el grado apropiado de cemento asfáltico a emplear según las recomendaciones Superpave. B.2 Calcular la gravedad especifica del cemento asfáltico (AASHTO T228 ó ASTM D70) y del filler (AASHTO T100 ó ASTM D854) y grafique la viscosidad versus temperatura (Carta de Viscosidad). B.3 Determinar la temperatura de mezcla y compactación según la carta de viscosidad. 1. La temperatura de mezcla del cemento asfáltico será el correspondiente al rango de viscosidad de 170±20 centistokes (1 centistoke =1 mm2/s). 2. La temperatura de compactación se encuentra en el rango de viscosidad de 280±30 centistokes Paso C: Preparación de los Especimenes C.1 Secar los agregados hasta obtener peso constante entre 105ºC y 110ºC. Calcular el porcentaje de participación de la fracción de gravas, arenas y filler (si lo requiere). Se calcula el peso necesario de cada uno de ellos para realizar el amasado de la mezcla. El peso de la mezcla será aproximadamente de 1150 gr. Se recomienda preparar tres especimenes para cada porcentaje de asfalto a ser evaluado. C.2 Pese los agregados para el especímen por separado y caliéntelos a la temperatura de mezcla, según paso B.4. El peso total de agregado se determinará en el paso C.3. C.3 Generalmente se prepara un especímen de prueba, mida la altura del mismo (h1) y verifique la altura requerida del especímen de 63.5 ± 5.1 mm (2.5 ± 0.20 pulg.). Si el especímen está fuera del rango, ajuste la cantidad de agregados con la siguiente fórmula: gr 1150 h h Q 1 ×= Donde: Q Peso del agregado para un especímen de 63.5 mm (2.5 pulg.) de altura, gr. h Altura requerida, que será 63.5 mm ó 2.5 pulg. h1 Altura del especímen de prueba, mm (pulg) C.4 Calentar a la temperatura de mezcla la suficiente cantidad de asfalto para preparar tres especimenes para un mismo porcentaje de asfalto. Determinar la gravedad específica Rice o Máxima Densidad Teórica (TMD). S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 430Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G Nota.- No mantener el ligante por más de una hora a la temperatura de mezcla ni emplear ligante bituminoso recalentado. Durante el período de calentamiento del ligante se debe agitar frecuentemente dentro del recipiente para evitar los sobrecalentamientos. C.5 De acuerdo al tipo de mezcla determinar el número de golpes por cara para la compactación. C.6 El recipiente en el que se realizará la mezcla será manchado con una mezcla de prueba para evitar la pérdida de ligante y finos adheridos al recipiente, se limpiará solamente arrastrando con una espátula todo el material posible. Colocar la cantidad de agregado requerido en esa vasija y añada la cantidad de asfalto caliente necesario por peso, para el porcentaje de cemento asfáltico de la mezcla deseada. asfáltico cemento Peso árido Peso asfáltico cemento Peso asfáltico Cemento % + = C.7 Mezclar el cemento asfáltico, agregados, filler y fibra (para el caso de mezclas SMA) hasta que éstos estén totalmente cubiertos. La mezcla puede hacerse manual o mecánicamente. C.8 Verificar la temperatura de los materiales recién mezclados, si está sobre la temperatura de compactación, deje enfriar; si está por debajo, elimine el material y prepare una nueva muestra. C.9 Se coloca dentro del conjunto del molde y la base del martillo compactador limpios, un disco de papel filtrante de 10 cm de diámetro. Se calientan en el horno o en un baño de agua a una temperatura comprendida entre los 93º a 149ºC. Verter la mezcla y emparejarla con una espátula caliente 15 veces alrededor del perímetro y 10 veces en el interior. Limpiar el material del collar y montura dentro del molde de tal manera que el medio sea ligeramente mas alto que los bordes. Al verter la mezcla tener especial cuidado con las del tipo SMA porque tratan de segregarse. Fijar el molde y base en el pedestal. Coloque el martillo precalentado dentro del molde, y aplique el número de golpes según las especificaciones, la altura de caída del martillo es de 18” (457 mm). Mantener el eje del martillo de compactación perpendicular a la base del molde durante la compactación. C.10 Retire el molde de la base. Coloque un papel filtrante en la superficie e inviértalo de tal manera que la cara superficial se encuentre abajo. Reemplace el collar del molde y fíjelo junto con la base en el pedestal. Aplicar el número de golpes especificados. C.11 Después de la compactación remover la base y colocar el molde y collar sobre el extractor de muestras. Con el molde y el collar de extensión hacia arriba en la máquina de ensayo, aplicar presión y forzar el espécimen dentro del collar de extensión, levantar el collar del espécimen. Cuidadosamente transferir el espécimen a una superficie plana, dejarlo de pie para que repose de 12 a 24 horas a temperatura ambiente, identificarlos con códigos alfanuméricos usando Crayolas. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 431Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G C.12 Determine la gravedad especifica bulk de cada especímen tan pronto como las probetas compactadas se han enfriado a la temperatura ambiente, según AASHTO T166. Se determina calculando la relación entre su peso al aire y su volumen. Pesar el especímen al aire. Sumerja la muestra en agua por unos minutos, pesar la muestra en su condición saturada superficialmente seca (SSD) en el agua. Sacar la muestra del agua, secar el exceso de agua y pesar en su condición SSD en el aire. Calcular el volumen restando el peso del especímen SSD en el aire y el peso del especímen SSD sumergida. La fórmula empleada será: subSSD D mb W W W G − = Donde: Gmb Gravedad Específica Bulk de la muestra compactada WD Peso del especímen al aire WSSD Peso del especímen en su condición SSD en el aire Wsub Peso del especímen sumergido Se determina el peso específico bulk promedio de todas las probetas hechas con el mismo contenido asfáltico. Los valores dispares no se incluyen en el cálculo para lo cual se tendrá en cuenta el siguiente rango de variación con respecto al valor medio Peso Específico Bulk ± 1% Los valores calculados del peso específico bulk, así ensayados, dan resultados mas reales, pero existe otro procedimiento de laboratorio que cabe destacar, es el que podemos encontrar en las nuevas normas emitidas por el ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construcción. El primer método se emplea cuando la textura superficial de las probetas es cerrada e impermeable. El volumen de la probeta se obtiene restando el peso de la probeta en el aire y el peso de la probeta sumergida en agua sin haber recubierto su superficie parafinada. La fórmula empleada será: subD D mb W W W G − = Donde: Gmb Gravedad Específica Bulk de la muestra compactada WD Peso del especímen al aire Wsub Peso del especímen sumergido El segundo método se aplica a mezclas cuya superficie es abierta y permeable. El volumen aparente se determina restando el peso de la probeta en el aire y el peso de la probeta en el S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 432Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G agua pero habiéndola recubierto previamente de una capa de parafina. El peso específico bulk viene dado por la fórmula: p DpD ppsubpD D mb WW -W - W W G γ − = Donde: Gmb Gravedad Específica Bulk de la muestra compactada WD Peso del especímen al aire WpD Peso del especímen parafinado en al aire Wppsub Peso del especímen parafinado en el agua γp Peso específico de la parafina Los especimenes deben pesarse antes de ser parafinados, a continuación se sumergen en un recipiente con parafina caliente. Si es necesario, se da pinceladas de parafina en los puntos mal cubiertos. Dejar enfriar la parafina durante media hora y determinar el peso en el aire a la temperatura ambiente e inmediatamente se pesa en agua3. C.13 Calcule la gravedad especifica Rice en las mezclas asfálticas en caliente (Gmm) de acuerdo a la norma AASHTO T209, su valor se emplea en el cálculo de los vacíos. Si la mezcla contiene agregados absorbentes se recomienda colocarla en el horno (manteniéndola a la temperatura de mezcla) por cuatro horas de tal manera que el cemento asfáltico sea absorbido completamente por el agregado entes del ensayo. Mantener la mezcla en un recipiente tapado mientras se encuentra en el horno. Si el ensayo se hace por triplicado en la mezcla que contiene un porcentaje cerca al óptimo contenido de asfalto, promediar los tres resultados; calcule la gravedad específica efectiva de los agregados. Si se realiza el cálculo de la gravedad específica Rice en cada una de las muestras a diferentes contenidos de asfalto, calcular la gravedad específica efectiva de agregados en cada caso. Calcule el promedio de las gravedades específicas efectivas y el promedio de las gravedades específicas Rice. En ausencia de datos proporcionados por el Método Rice, la gravedad específica puede calcularse con una relación matemática que considera las gravedades específicas bulk y aparente de los componentes de la mezcla: C filler % B fino % A grueso % asfaltoG asfalto % 100 G sa mm +++ = Siendo: 2 GG A sasb + = , para el agregado grueso 3 Gravedad Especifica Aparente y Peso Unitario de Mezclas Asfálticas Compactadas Empleando Especimenes Parafinados. MTC E506- 1999 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 433Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G 2 GG B sasb + = , para el agregado fino 2 GG C sasb + = , para el filler Donde: Gsb Gravedad específica bulk Gsa Gravedad específica aparente Paso D: Densidad y vacíos de los especimenes Se refiere a las relaciones peso-volumen, completando los cálculos con los siguientes pasos: D.1 Para cada especímen, use la gravedad específica bulk (Gmb) del paso C.12 y gravedad específica Rice de la mezcla (Gmm) para C.13. Calcular el porcentaje de vacíos en el total de la mezcla, VTM. 100 G G -1VTM mm mb ×⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = D.2 Calcular la densidad de cada especímen Marshall como sigue: wmb 3 G)(g/cm Densidad δ×= D.3 Calcule el porcentaje de vacíos en el agregado mineral, VMA, para cada especímen Marshall usando la gravedad específica bulk en los agregados (Gsb) para los pasos A.2, la gravedad específica bulk de la mezcla compactada (Gmb) para el paso C.12, y el contenido de asfalto por peso de mezcla total (Pb) ( ) 100 G P1G -1VMA sb bmb ×⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = D.4 Calcule el porcentaje de vacíos llenos de asfalto para cada especimen Marshall usando el VTM y VMA como sigue: 100 VMA VTM-VMA VFA ×⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛= Paso E: Ensayo de Compresión Edométrica E.1 Introducir los especimenes compactados al molde. Se deberá tener cuidado de no quebrar los bordes. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 434Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G E.2 Calentar el agua del baño a 140ºF (60ºC) y colocar los especimenes a ser ensayados por un período de 30 a 40 minutos. Los especimenes se ubicarán de manera escalonada para que todos los especimenes sean calentados el tiempo especificado antes de ser ensayados. E.3 Luego de calentarlos el tiempo necesario, se irán sacando uno a la vez, quitarles el exceso de agua con una toalla y colocarlo rápidamente en la prensa de compresión. E.4 Definir la lectura en el dial de carga que corresponda a una presión de 10 y 5 kg/cm2. Colocar el deformímetro en la guía y en contacto con el borde del molde. E.5 Carga:- Con los diales de carga y deformación en cero se procede a aplicar la carga hasta que alcance 10 kg/cm2. Descarga:- disminuir la presión en el especimen hasta que la presión aplicada sea 0 kg/cm2. Tomar la lectura del deformímetro. E.6 En los siguientes ciclos de carga y descarga aplicar 5 kg/cm2 y tomar las deflexiones correspondientes. E.7 Repetir nuevamente los pasos E.5 y E.6 hasta que el especimen tenga un comportamiento elástico. Paso F: Tabulación y Gráfico de los Resultados de Ensayo F.1 Tabule los resultados de ensayo. Se habrán tomado lecturas de presión versus deflexión. Calcule la deformación en cada tramo y grafique presión versus deflexión. La pendiente de la curva en el tramo final será el valor del módulo dinámico de la mezcla. E* 1 Presión (kg/cm2) ε(%) 1º ciclo carga-descarga F.2 Evalúe las relaciones gravimétricas y volumétricas de la mezcla compactada. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 435Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 436 Foto G7.1: Agregados y filler que formarán parte de la mezcla asfáltica. Foto G7.2: Cemento asfáltico que se empleará en la mezcla asfáltica. Foto G7.3: Las mezclas del tipo SMA requiere de fibras celulosas en su composición. En la foto se muestra su forma suelta. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 437 Foto G7.4: Pesar los agregados y filler entes de llevar al horno. Foto G7.5: Llevar los recipientes pesados al horno para que sean calentados. Foto G7.6: Preparar papeles engrasados. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 438 Foto G7.8: Mezclar vigorosamente hasta que el asfalto haya recubierto cada una de las partículas de agregado. La mezcla deberá ser uniforme. Foto G7.7: Verter la cantidad de asfalto caliente requerida por la mezcla. Foto G7.9: Colocar un papel engrasado al fondo del molde precalentado. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 439 Foto G7.10: Verter la mezcla evitando la segregación de los agregados. Foto G7.11: Martillo de compactación Marshall, empleado en la preparación de los especimenes. Foto G7.12: Compactar la mezcla manteniendo la verticalidad. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 440 Foto G7.13: Extraer la mezcla compactada del molde. Foto G7.14: Mezcla compactada y enfriando a temperatura ambiente. Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G G7.4 EJEMPLO Luego del ensayo de compresión confinada para mezcla de granulometría superpave, se obtuvieron los siguientes resultados: Diámetro del área cargada, D : 10 cm Corrección del dial de carga : 10.304 lb Corrección del dial de deformación : 0.01 pulg. Altura inicial del especimen, H : 64.3 mm Ciclo Carga- descarga Lectura del dial de carga (1) Lectura de deflexión (2) Fuerza (kg) (3)=(1)x10.304/2.2 Presión (kg/cm2) (4)=(3)/( xD2/4) Deflexión (mm) (5)=(2)x0.01x2.54 Deformación (%) ε=ΔH/H 0 0 0 0 180 57.2 843.1 10 1.4529 1º 0 23.2 0 0 0.5893 0.01343* 90 36.1 421.5 5 0.9169 2º 0 22.6 0 0 0.5740 0.00533 90 36.6 421.5 5 0.9296 3º 0 23.3 0 0 0.5918 0.00525 90 37 421.5 5 0.9398 4º 0 23.8 0 0 0.6045 0.00521 90 37.4 421.5 5 0.9500 5º 0 24.4 0 0 0.6198 0.00514 * 100x 364 5893045291 . .. − =ε Graficando se obtiene: Curva Presión versus Asentamiento Presion vs Asentamiento 0 4 8 12 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 Asentamiento (mm) P re si o n ( kg /c m 2) S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 441Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Diseño Moderno de Pavimentos Anexo G Comportamiento del módulo E* versus el Nº de ciclos M odulo Elast ico vs Nº ciclos 700 800 900 1000 0 1 2 3 4N º ciclo s 5 Presion 10 kg/cm2 Presion 5 kg/cm2 S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 442Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 METODOLOGÍA AASHTO 2002 Y EL ANÁLISIS DEFORMACIONAL EN EL DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS Ing. Silene MINAYA G.; Ing. Abel ORDOÑEZ H. Universidad Nacional de Ingeniería [email protected] [email protected] 1. RESUMEN La metodología de diseño de pavimentos empírico-mecanístico AASHTO 2002, a diferencia de métodos anteriores de diseño, propone el análisis deformacional como instrumento de diseño de la estructura de pavimentos. El objetivo principal del análisis es el control de las deflexiones y los esfuerzos de tracción, asociados al agrietamiento prematuro de la carpeta asfáltica. La ponencia resume la aplicación del análisis deformacional, las cuales concluyen en la necesidad de: mejorar las condiciones del suelo de fundación de baja capacidad de soporte (CBR menor a 8-10%), incorporar bases estabilizadas en tráfico pesado y/o cimentaciones de baja capacidad de soporte modificando el tipo de diseño convencional que aún prevalece en el país y re-establecer la función de la carpeta asfáltica solamente como superficie de rodadura. El análisis deformacional demuestra la desventaja de utilizar métodos como el AASHTO 1993 y el Método del Instituto del Asfalto, los cuales no consideran adecuadamente la influencia de la estratigrafía del terreno de fundación y proponen la convertibilidad del espesor de la carpeta asfáltica a espesores de bases granulares, sin considerar los módulos elásticos o rigidez de ambos materiales y la variación de la distribución de esfuerzos y deformaciones en la estructura del pavimento 2. INTRODUCCION La aplicación del análisis deformacional en el diseño de pavimentos flexibles tiene el objetivo de controlar las deformaciones en la estructura de pavimentos, incluyendo el terreno de fundación. La magnitud de las deformaciones que se presenta en la estructura de pavimentos debido a las cargas móviles está asociada a la duración del pavimento. El análisis deformacional constituye en la actualidad una herramienta de análisis que permite considerar: a. El tipo de superficie de rodadura y/o carpeta asfáltica través del módulo dinámico. El parámetro del modelo considera las variaciones horarias y estacionarias y la velocidad del tránsito, en función de la categoría de la vía (pendiente, geometría, etc.). b. El tipo de base y sub-base granular, bases y sub-bases estabilizadas asfálticas y/o tratadas con cemento. Permite también determinar de manera directa el espesor del material estabilizado necesario para el diseño. c. La estratigrafía del terreno de fundación, la capa compactada y los estratos del terreno natural, así como la presencia de basamento rocoso. d. La distribución de los esfuerzos verticales de compresión en la sub-rasante y el terreno de fundación. e. La distribución de esfuerzos horizontales y esfuerzos de tracción en las capas superficiales del pavimento. Esto permite evitar que la superficie de rodadura o carpeta asfáltica sea sometida a esfuerzos de tracción que genere el agrietamiento prematuro. 444 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 mailto:[email protected] mailto:[email protected] El análisis deformacional se realiza a través de programas de cómputo que permiten la solución del problema elástico como el Kenlayer del Dr. Huang, 1993 de la Universidad de Kentucky, EE.UU. Programas del INPACO de Colombia, implementado en la década pasada, es también conocido en nuestro medio. Una de las preocupaciones existente en nuestro medio, para la aplicación ingenieril del análisis deformacional corresponde a la determinación de los parámetros del modelamiento elástico del pavimento. 3. MODELAMIENTO ELÁSTICO DE LA CARPETA ASFÁLTICA El método de diseño AASHTO 1993 considera como parámetro de diseño de la carpeta asfáltica el módulo resiliente, Mr resultante del ensayo de tracción indirecta. Para mezclas asfálticas densas en caliente, los valores de Mr varían de 400,000 a 450,000 psi (28,000 a 32,000 kg/cm2) considerando una temperatura de 20°C, no indicando, el tipo de asfalto y la frecuencia de ensayo asociado a la velocidad. La nueva Guía de Diseño empírico-mecanístico AASHTO 2002 recomienda que el módulo elástico de la carpeta se evalúe con el Módulo Complejo Dinámico, E* determinado de los ensayos de compresión triaxial cíclico. Sin embargo, se propone la ecuación de Witzack, el cual considera: a. El tipo de asfalto (penetración, viscocidad y/o gradación caso de Superpave, asfaltos modificados y envejecidos) b. La granulometría de la mezcla asfáltica (densa, abierta, incompleta, porosa, etc.) c. Las variaciones de temperaturas horarias y estacionarias. d. La velocidad vehicular asociada a la frecuencia de la carga. VISCOSIDAD DEL ASFALTO ORIGINAL La viscosidad del asfalto original (no envejecido) a 25ºC puede calcularse conociendo la penetración del asfalto, el modelo desarrollado por Mirza y otros (AAPT 1995) de la Universidad de Maryland1 es: 2Pen003890Pen 26012501210 )log(.)log(..log +−=η (1) El valor de la viscosidad se expresa en poises. Esta ecuación es aplicable a valores de penetración en un rango de 3 a 300 dmm. Sin embargo, cuando no se tenga como dato exacto la penetración del asfalto, su viscosidad puede calcularse con la ecuación propuesta por la Guía de Diseño Empírica-Mecanística AASHTO 2002: η RTVTSA log log log +=η (2) donde la viscosidad η se expresa en centipoises (cP), es la temperatura en Rankine; y A y VTS son parámetros de regresión que están en función de la gradación del ligante. Los parámetros de regresión A y VTS son: RT 1 Appendix EE-1 de la Guide for Mechanistic-Empirical Design of New and Rehabilitated Pavement Structures. NCHRP August 2003. 445 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Tabla 1: Parámetros de Regresión A y VTS PEN A VTS 40-50 10.5254 -3.5047 60-70 10.6508 -3.5537 85-100 11.8232 -3.6210 120-150 11.0897 -3.7252 200-300 11.8107 -4.0068 La Guía AASHTO 2002 indica que se debe tener especial cuidado cuando se usa la ecuación 2 a bajas temperaturas, pues la viscosidad del ligante asfáltico se aproxima a 2.7x1010 Poise, por lo tanto, la viscosidad a bajas temperaturas es igual al menor valor entre el calculado por la ecuación 2 y 2.7x1010 Poise. La Tabla 2 muestra la viscosidad del ligante no envejecido para diferentes temperaturas de pavimentos y penetraciones. Otra alternativa es medir la viscosidad del asfalto a la temperatura de interés, empleando el reómetro de corte dinámico de la metodología Superpave, tal como lo propone AASHTO 2002. Tabla 2: Viscosidad de Ligante No Envejecido, Mpoise Viscosidad η del ligante no envejecido, Mpoise TºC PEN 40-50 PEN 60-70 PEN 85-100 PEN 120-150 PEN 200-300 -10 1,115,628.43 731,029.32 417,758.92 173,811.03 19,295.57 0 21,249.81 13,933.23 7,967.08 3,339.57 381.226 10 739.15 487.84 281.40 120.22 14.533 20 42.136 28.105 16.444 7.214 0.941 40 0.435 0.298 0.181 0.085 0.013 60 0.014 0.010 0.006 0.003 0.001 MÓDULOS DINÁMICOS El ensayo de tracción indirecta permite determinar el Módulo Resiliente de la carpeta asfáltica cuando trabaja a tracción. Diseñar carpetas asfálticas considerando que la parte inferior trabaje a tracción y la parte superior se encuentre a compresión, generan fisuras prematuras que se reflejarán en la superficie. El nuevo criterio para el diseño de pavimentos diseña la estructura de manera que la carpeta asfáltica se encuentre trabajando toda a compresión. Esto se consigue incorporando capas inferiores estabilizadas o tratadas. Desde este punto de vista el Módulo Resiliente no es representativo del comportamiento de la carpeta, proponiéndose el Módulo Dinámico obtenido de ensayos triaxiales cíclicos. El módulo dinámico varía con la temperatura y la frecuencia de carga. Se debe tener en cuenta que el ensayo se debe realizar a la frecuencia que simule las cargas de tráfico para el diseño. Una máquina de ensayo servo hidráulica para ensayos de compresión cíclica se muestra en la foto 1. El equipo de la Universidad de Arizona, EE.UU. aplica esfuerzos sinusoidales (ondas continuas) que son medidos en la celda de carga, las 446 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 deformaciones se miden usando un traductor LVDT. El traductor se asegura usando brackets y tacones sobre el especimen. Se acondicionan barras de acero para mantener el alineamiento. (a) Muestra para ensayo triaxial cíclico (b) Prensa cíclica, Universidad de Arizona, EE.UU. Foto 1: Ensayo Triaxial Cíclico, Universidad de Arizona. Ref. 1 El comportamiento visco-elástico es la respuesta retardada del material, la deformación máxima se alcanzará en un instante posterior, cuando la carga que se haya aplicado se encuentre en el instante de la descarga. El módulo dinámico E* es la relación entre el esfuerzo y la respuesta deformacional. o oE ∈ =∗ σ (3) La ecuación de Witczak incorpora las propiedades del ligante, agregados, y características volumétricas de la mezcla. Esta ecuación está sustentada en 1430 muestras ensayadas sobre 149 tipos de mezclas asfálticas convencionales, realizados durante 30 años. La ecuación es: ( ) a42200200 V0580970p0028410p0017670p02923207500633E ×−×−×−×+= .....log * ( ) ( ) ( ) ( )( )η−−−+ +−+− + + ×− log..log... ......... . 3935320f31335106033130e1 34p0054700 2 38p000017038p00395804p002108719773 aVeffVb effVb8022080 Donde: E* Módulo dinámico de mezclas asfálticas, psi η Viscosidad del ligante en 106 poise (a cualquier temperatura y envejecimiento) f Frecuencia de carga en Hz. Va % de vacíos de aire en la mezcla, por volumen. Vbeff contenido de asfalto efectivo, porcentaje por volumen P34 % retenido acumulado en el tamiz ¾”, por peso total de agregado P38 % retenido acumulado en el tamiz 3/8”, por peso total de agregado P4 % retenido acumulado en el tamiz Nº4, por peso total de agregado 447 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 P200 % que pasa el tamiz Nº200, por peso total de agregado La ecuación considera un rango de temperaturas de 0 a 130ºF (-18 a 54ºC). La frecuencia está relacionada con la velocidad del vehículo. La Guía recomienda definir la frecuencia en función de la categoría y velocidad vehicular: Tabla 3: Recomendaciones de Velocidades y Frecuencias Categoría Velocidad KPH Superficie de rodadura (espesor= 1-3”) 1era 95 45-95 2da 70 35-70 Vías urbanas 25 10-25 Intersecciones viales 0.8 0.5-1 Ref: Flexible Design AASHTO 2002, Tabla 3.3.1, parte 3 capítulo 3 Se aplicó la ecuación de Witczak para una mezcla asfáltica densa convencional que cumpla con las especificaciones de la mezcla de tamaño máximo nominal 3/4” (19 mm), las frecuencias consideradas en el análisis fueron 15, 50 y 70 Hz. correspondiente a 25, 70 y 95 kph y para viscosidad del ligante no envejecido de diferentes penetraciones. Los porcentajes retenidos y pasantes de las mallas son: (P34 : 0%, P38 : 30%, P4 : 50%, P200 : 5%, Vbeff : 15%, Va: 4%). Las figuras 1 a 3 presenta los valores del Módulo Dinámico correspondiente a mezclas asfálticas de diversas penetraciones utilizadas en el país, en función de la temperatura y la velocidad vehicular. Los valores determinados son para asfaltos PEN 60-70, 85-100 y 120-150, asfaltos usados en zonas de temperatura cálida, intermedia (caso Lima) y de bajas temperaturas. 0 5 10 15 20 40 60 80 100 Velocidad, Km/h M ó d u lo D in á m ic o E *( x 1 0 5 ) p s i 20ºC 30ºc 40ºC 50ºC Asfalto PEN 60-70 Figura 1: Módulo Dinámico según Velocidad y Temperatura para Asfalto PEN 60-70 448 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 0 5 10 15 20 25 20 40 60 80 100 Velocidad, Km/h M ó d u lo D in á m ic o E *( x 1 0 5 ) p s i 10ºC 20ºc 30ºC 40ºC Asfalto PEN 85-100 Figura 2: Módulo Dinámico según Velocidad y Temperatura para Asfalto PEN 85-100 0 5 10 15 20 25 30 20 40 60 80 100 Velocidad, Km/h M ó d u lo D in ám ic o E *( x1 05 ) p si 0ºC 10ºc 20ºC 30ºC Asfalto PEN 120-150 Figura 3: Módulo Dinámico según Velocidad y Temperatura para Asfalto PEN 120-150 Por ejemplo si se desea calcular el Módulo Dinámico para carpeta asfáltica convencional de TMN 19 mm, para las temperaturas de pavimento y frecuencias mostradas en la tabla se tienen los siguientes módulos: 449 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Tabla 4: Módulo Dinámico E* en psi Tipo de mezclas Asfalto PEN 60-70 Sugerido en zonas cálidas2 Asfalto PEN 120-150 Sugerido en zonas frías2 velocidad de diseño 70 kph 70 kph frecuencia 50 Hz 50 Hz Temperatura de pavimento 40ºC 5ºC E*, psi 410,000 2´200,000 A altas temperaturas la mezcla asfáltica puede ser susceptible a deformaciones permanentes mientras que los valores bajos indican susceptibilidad a agrietarse por bajas temperaturas. En el primer caso se debe poner especial cuidado en la elección del ligante y la granulometría de la mezcla, el ligante debe mantener su rigidez a altas temperaturas y la granulometría del agregado deberá ser uniforme tipo Stone Mastic Asphalt, donde predomine el contacto piedra-piedra. Para el segundo caso la elección del ligante será lo más importante considerando asfaltos que mantengan su rigidez a bajas temperaturas. Para el caso de Lima donde el asfalto empleado puede ser asfalto PEN 85-100, a temperatura de pavimento de 20ºC y velocidad de diseño de 70 kph, frecuencia 50 Hz., el E* será 1´180,000 psi. Una carpeta asfáltica sometida a las condiciones de Lima, correspondiente a un diseño de pavimento convencional, tiene valores altos de rigidez, que lo puede llevar al agrietamiento al concentrar esfuerzos de tracción. 4. ANÁLISIS DEFORMACIONAL La estructura típica del pavimento en nuestro medio está formada por carpeta asfáltica y capas de material seleccionado colocadas sobre subrasante compactada y subrasante natural, el objetivo es distribuir las cargas provenientes del tránsito, de manera que las presiones verticales a nivel de fundación sean menores a las admisibles por la estructura del pavimento. La deflexión es un parámetro utilizado para verificar la capacidad estructural de un pavimento. La deflexión admisible puede ser calculada con alguna de las siguientes ecuaciones empíricas3: Instituto del Asfalto: 2383.064.25 −= NDadm CONREVIAL: ( ) 25.0/15.1 NDadm = Criterio de California, CA de 5”: 165.0237.6 −= NDadm N es el número de ejes equivalentes usado en el diseño. Aplicando las ecuaciones a 0.8x106 ejes equivalentes se tiene: 101, 109 y 66 (1/100 mm) de deformación admisible, respectivamente. La llanta no sólo genera esfuerzos verticales sino también esfuerzos horizontales. En una estructura típica de pavimento (carpeta asfáltica, base y sub base granular) los esfuerzos horizontales se disipan a través de la carpeta asfáltica, pasando de un valor positivo en la superficie a uno negativo en su fibra inferior. Los esfuerzos así generados producen fisuras que 2 Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras, EG-2000. Ministerio de Transportes y Comunicaciones del Perú. 3 Chang, C, Torres, R. “Aplicación de Ensayos no destructivos para el Control de Calidad de Pavimentos Flexibles”. Instituto de la Construcción y Gerencia, 2005. 450 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 luego se reflejarán en la superficie. La figura 5 muestra la distribución de esfuerzos horizontales (σH) y verticales (σV) de pavimentos típicos. El parámetro elástico que modela el comportamiento de la carpeta asfáltica que trabajan a tracción es el Módulo Resiliente obtenido del ensayo de tracción indirecta. Para los materiales granulares y fundación natural, el Módulo Resiliente obtenido de ensayos triaxial cíclico es el parámetro de diseño. Dos de las principales fallas que se producen en el pavimento están asociadas a las deformaciones excesivas a nivel de la sub-rasante, reflejando el comportamiento del terreno de fundación y la deformación por tracción, asociado al agrietamiento. A continuación se evaluará el comportamiento deformacional de la estructura del pavimento y el aporte de cada capa en la reducción de estas deformaciones. Se empleará el programa elástico multicapas Kenlayer del Dr. Huang de la Universidad de Kentucky. Carpeta Base granular (+) (-) v H Sub base granular Suelo compactado Fundación Figura 5: Esquema de la Distribución de Esfuerzos en Pavimentos Típicos PRIMER CASO: ESTRUCTURAS TIPICAS Se modelará una estructura típica conformada por carpeta asfáltica, base y sub base granulares, suelo compactado y fundación. Las condiciones de análisis son las mismas, sólo se variará el espesor de la carpeta asfáltica, ésta será de 2, 4 y 6 pulg. Las dimensiones y parámetros de diseño se muestran en la figura 6. La figura 7 muestra la variación de los esfuerzos verticales o de compresión en estructuras típicas. El mayor porcentaje de los esfuerzos verticales son asumidos por la carpeta asfáltica y base granular. Al nivel de fundación, para cualquier configuración, llega el mismo nivel de esfuerzos, esto indica que incrementando el espesor de la carpeta asfáltica no se reducen las deformaciones en la fundación. 451 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Figura 6: Análisis Deformacional de Estructura Típica. Figura 7: Esfuerzos Verticales o de Compresión Estructura Típica La deformación a nivel de fundación es del orden de 3.75% y deflexiones dinámicas de 0.83, 0.65 y 0.54 mm. para carpetas asfálticas de 2, 4 y 6 pulg, respectivamente. Las deflexiones dinámicas y estáticas están en una relación de 1 a 10, esto quiere decir que la deflexión en la superficie es de 8.3, 6.5 y 5.4 mm medidos con viga Benkelman, valores muy superiores a los admisibles para 0.8x106 ejes equivalentes, que está en el orden de 1 mm.. La figura 8 demuestra que el tercio superior de la carpeta asfáltica está trabajando a compresión mientras que los dos tercios restantes a tracción. En conclusión, incrementar el espesor de la CAPA DE PAVIMENTO CARACTERÍSTICAS CARPETA ASFALTICA 2, 4 y 6” Mr=450,000 psi ν=0.35 (ref. 2) BASE GRANULAR, CBR=100% Mr= 30,000 psi ν=0.35 (ref. 2) SUB BASE GRANULAR CBR=40% Mr= 17,500 psi ν=0.35 (ref. 2) SUELO COMPACTADO CBR=20% Mr= 12,000 psi ν=0.45 (ref. 2) FUNDACION CBR=4% Mr=6,000 psi ν=0.45 (ref. 2) TIPO DE EJE SIMPLE STANDARD RADIO DE CONTACTO 4.52 PULG PRESION DE CONTACTO 5 kg/cm2 Variable 20 cm 25 cm 15 cm Fundación Suelo compactado Sub base granular Carpeta asfáltica Base granular 6” 2” 4” Base granular Sub base granular Suelo compactado Fundación Carpeta v 452 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 carpeta no reduce las deformaciones por tracción, la mejor alternativa es minimizar las deformaciones plásticas a nivel de fundación mediante la estabilización. Carpeta Base granular Sub base granular Suelo compactado Fundación t 6” 2” 4 Figura 8: Deformaciones por Tracción en Estructura Típica Es contraproducente, además, convertir espesores de carpeta asfáltica a equivalentes de espesores de base granular como 1:3. La carpeta asfáltica tiene un módulo por lo menos 15 veces mayor al de la base granular y solo se podrá modificar espesores luego de un análisis deformacional. SEGUNDO CASO: ESTRUCTURA SEMIRIGIDA El esquema de distribución de esfuerzos en una estructura de pavimentos con base y/o sub base estabilizada se muestra en la figura 9. La carpeta asfáltica está sometida solamente a esfuerzos de compresión, mientras los esfuerzos de tracción son absorbidos por la base estabilizada. Carpeta Base Estabilizada Sub base Fundación (+) (-) v H Figura 9: Distribución de Esfuerzos en Pavimentos con Base y/o Sub Base Estabilizada. 453 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Desde este punto de vista el ensayo de tracción indirecta y el respectivo parámetro como es el módulo de resiliencia no representa el comportamiento mecánico de la carpeta asfáltica, así, un ensayo de compresión confinada cíclica será representativo del comportamiento mecánico. Witczak y otros, de la Universidad de Arizona, proponen evaluar el Módulo Dinámico Complejo, obtenido de ensayos de compresión triaxial cíclico. La Guía de Diseño de Pavimentos AASHTO 2002 recomienda el uso de este parámetro. El módulo dinámico, E* también ha surgido como el principal candidato para el Simple Performance Test – Superpave, que predice las deformaciones permanentes y agrietamientos fatiga en pavimentos asfálticos [4]. Con la finalidad de demostrar la importancia de considerar bases y sub-bases tratadas y/o estabilizadas en pavimentos sobre terrenos de baja capacidad de soporte, como es el caso del diseño considerado en la Vía Inter-Oceánica Sur – Tramo Inambari-Iñapari, se presenta el análisis deformacional, considerando la colocación de una carpeta asfáltica, figura 10. Ref: Flexible Design AASHTO 2002, 4Tabla 2.2.43. 5Tabla 2.2.51 Figura 10: Análisis Deformacional de Estructuras Semi-Rígidas Para los parámetros de diseño mostrado y haciendo uso del programa Kenlayer se ha obtenido la siguiente distribución de esfuerzos, figura 11. CAPA DE PAVIMENTO CARACTERÍSTICAS CARPETA ASFALTICA E*=300,000 psi ν=0.35 BASE:SUELO+CEMENTO Mr= 700,000 psi4 ν=0.15 SUB BASE:SUELO+CAL Mr= 60,000 psi ν=0.20 ARCILLA+ARENA Mr= 24,000 psi5 ν=0.25 FUNDACION CBR=3% Mr=4,500 psi ν=0.45 (ref. 2) TIPO DE EJE SIMPLE STANDARD RADIO DE CONTACTO 4.52 PULG PRESION DE CONTACTO 5 kg/cm2 1 “ 20 cm 20 cm 65 cm Fundación natural de arcilla arcilla+arena Sub base : suelo+cal Base: Suelo+cemento Carpeta asfáltica Fundación natural de arcilla arcilla+arena Sub base : suelo+cal Base: Suelo+cemento Carpeta asfáltica Deflexión =3mm v(sub-rasante) = 0.01% H (+)=0.006% v(fundación)=0.04kg/cm 2 v H Figura 11:Distribución de Esfuerzos en Pavimentos Semi- Rígidos 454 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 Luego de algunos años la fundación natural habrá perdido la mayor parte de sus deformaciones plásticas e incrementado su módulo, es en ese momento en que se podrá volver a hacer una nueva evaluación y considerar un trabajo de recapeo que permita recuperar la calidad de la superficie de rodadura. Definitivamente el diseño de carreteras sobre fundación arcillosa o limosa es por etapas. 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES El aporte del análisis deformacional en el diseño de pavimentos asfálticos, cualquiera sea su categoría, es de suma importancia debido a que permite evaluar el criterio de diseño aplicado, el tipo de diseño considerado y la influencia de las condiciones de cimentación. La metodología permite considerar las variables que influyen en la vida del pavimento, como temperatura, velocidad del tránsito, estratigrafía del terreno, la influencia de espesores de capas estabilizadas y/o tratadas, que otros métodos, debido a su limitación no pueden considerar. REFERENCIA 1) Kaloush, K., Witczak, M., Way, G., Zborowski, A., Abojaradeh, M., Sotil, A., “Performance Evaluation of Arizona Asphalt Rubber Mixtures using advanced Dynamic Material Characterization Tests”, Arizona State University, Arizona Department of Transportation, FNF Construction, Inc, July 2002. 2) Huang, Y. Pavement Analysis and Design, Second Edition, 2004. 3) Guide for Mechanistic-Empirical Design of New and Rehabilitated Pavement Structure. 2002. 4) Marasteanu, M., Clyne, T., « Dynamic Modulus Testing of Asphalt Mixtures”, University of Minnesota, February 2002. 5) Minaya, S., “Comportamiento Mecánico de Mezclas Asfálticas Tipo Superpave y SMA”, Tesis de Maestría, Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Nacional de Ingeniería, 2006. 6) Minaya, S., Ordóñez, A., “Diseño Moderno de Pavimentos”, Universidad Nacional de Ingeniería, segunda edición, 2006. 7) Minaya, S., Ordóñez, A., “SUPERPAVE y el Diseño de Mezclas Asfálticas”, Universidad Nacional de Ingeniería, 2003 8) Ordóñez, A., Minaya, S., “Consideraciones y Aplicaciones en Proyectos de Carreteras en el País de la Guía de Diseño Empírico-Mecanístico de Pavimentos NCHRP 1-37A (AASHTO 2002), ICG 2004 9) Ordóñez, A., Minaya, S., “Módulos Dinámicos de Mezclas Asfálticas SMA y Superpave”, VIII Congreso Nacional del Asfalto, 2005 10) Vasconcellos, R., “Nuevas Técnicas de Estabilización de Suelos y Reciclado de Pavimento con el uso de Cemento Portland”, ASOCEM, agosto 2006. 455 Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / Email: [email protected] / Telefax: 421-7896 UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Civil. Instituto de Investigaciones DISEÑO MODERNO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS M.Sc. SILENE MINAYA GONZÁLEZ Universidad Ricardo Palma, Universidad Alas Peruanas A nuestros hijos Fernando y Gabriela Acapitulo 3 Material de Préstamo 4.pdf Afirmado (% que pasa) Tabla 3.5: Especificaciones de Agregado que será Estabilizado con Cemento b) Estabilizados con Cal Tabla 3.6: Especificaciones de Agregado que c) Mezclas de Suelos y Agregados Acapitulo 4 Materiales asfalticos 5.pdf Figura 4.10: Ensayos del Ligante Superpave relacionados con su comportamiento en Campo Acapitulo 5 Esfuerzos y Deformaciones 6.pdf PERIOD NO. 1 LOAD GROUP NO. 1 Acapitulo 6 Estudio de Tránsito 7.pdf Nº veh/día Nºveh/día (2 sent.) Nºveh/día Nºveh/día (2 sent.) Nºveh/día Acapitulo 7 Diseño Empírico-Experimental 8.pdf Esta guía orienta sobre los pasos del diseño de pavimentos flexibles de concreto asfáltico, utilizando la “Guide for Design of Pavement Structures 1993” de la American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO). Por lo general, todo pavimento flexible está conformado por: una capa de subrasante preparada y compactada a una densidad específica, una capa de sub base que puede ser omitida dependiendo de la calidad de la subrasante, una capa de base que se coloca sobre la sub base, o sobre la subrasante. Sobre la base se conforma la carpeta asfáltica que consiste de una mezcla de material bituminoso y agregados. El método AASHTO es un método de regresión basado en resultados empíricos de la carretera de prueba AASHO construida en los años 50. AASHTO publicó la guía para el diseño de estructuras de pavimento en 1972, cuyas revisiones fueron publicadas en 1981, 1986 y la actual versión de 1993. El proceso de diseño AASHTO se amplió para el uso de geomallas para reforzamiento del pavimento flexible. La metodología de incorporación de refuerzo tiene sustento en extensos ensayos de laboratorio y verificación a escala real. 7.2. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO El método AASHTO 1993 utiliza el número estructural SN para cuantificar la resistencia estructural que el pavimento requiere para determinada capacidad de soporte del suelo, tráfico esperado y pérdida de serviciabilidad. Con la ecuación de diseño empírica usada en AASHTO 93 se busca el número estructural requerido por el proyecto: Donde: SN número estructural requerido por la sección de carretera W18 número de ejes equivalentes de 80 kN (18,000 lb), en el período de diseño. ZR desviación estándar normal (depende de la confiabilidad, R, de diseño) So error estándar por efecto del tráfico y comportamiento (PSI variación del índice de serviciabilidad. El número estructural requerido por el proyecto, SN, se convierte en espesores de carpeta asfáltica, base y sub base, mediante coeficientes de capa que representan la resistencia relativa de los materiales de cada capa. La ecuación de diseño es la siguiente: Donde: ai coeficiente de la capa i (1/pulg.) Di espesor de la capa i (pulg.) mi coeficiente de drenaje de la capa i (adimensional) Base de piedra chancada, a2 0.10 - 0.14 pulg-1 Sub base de grava arenosa, a3 0.06 - 0.10 pulg-1 7.3. CALCULO DEL NUMERO ESTRUCTURAL REQUERIDO A continuación se detallan los parámetros de diseño y recomendaciones de AASHTO. a) Período de Diseño El período de diseño se refiere al tiempo desde que la estructura de pavimento entra en servicio hasta antes que necesite algún trabajo de rehabilitación. Tabla 7.3: Períodos típicos de diseño Tabla 7.4.- Factor de distribución por carril DL Sub base granular.- La figura 7.7 muestra la carta que puede ser usada para calcular el coeficiente de capa, a3, para una sub base granular a partir cuatro diferentes ensayos de laboratorio, incluyendo el módulo resiliente de la sub base ESB. b) Coeficientes de drenaje Tabla 7.6.- Condiciones de drenaje Calidad de drenaje Figura 7.3.- Carta para calcular el coeficiente estructural de Figura 7.4.- Variación de coeficiente de capa de base granular (a2) con la variación de los parámetros de resistencia (1) Escala derivada de correlaciones obtenidas en Illinois (2) Escala derivada de proyectos de la NCHRP (3) Figura 7.5.- Variación de coeficiente de capa de bases tratadas con asfalto (a2) (1) Escala derivada de correlaciones obtenidas en Illinois, Louisiana y Texas (2) Escala derivada de proyectos de la NCHRP (3) Figura 7.6.- Variación de coeficiente de capa de bases tratadas con asfalto (a2) Figura 7.7.- Variación de coeficiente de capa de sub base granular (a3) con la variación de los parámetros de resistencia Acapitulo 8 Diseño Empírico-Mecanístico 9.pdf MÓDULOS DINÁMICOS Acapitulo 91 Diseño de Mezclas Asfálticas 11.pdf c) Gravedad Específica Efectiva, Gse Vma volumen de vacíos en agregado mineral Por definición: Sustituyendo, 10.6.1 Diseño de la Estructura del Agregado Anexo A CBR de subrasante 13.pdf C.B.R. DE SUBRASANTES ARENOSAS Y LIMO-ARCILLOSAS Trabajo publicado en los siguientes eventos:  11º Congreso Ibero-Latinoamericano del Asfalto, CILA 2001, Lima-Perú  XIII Congreso Nacional de Ingeniería Civil, CONIC 2001, Puno-Perú RESUMEN ABSTRACT Anexo B HMA Pav Mix Type 14.pdf ANEXO B “HMA Pavement Mix Type Selection Guide” National Asphalt Pavement Association NAPA y U.S. Department of Transportation Federal Highway Administration FHWA, 2001 Las mezclas densas se diseñan en los EE.UU. usando el método Superpave. Las Fotos B.1 y B.2 ilustran muestras densas. El método Marshall aún se utiliza en el Perú. Información sobre el Marshall, puede remitirse al “Manual de Laboratorio Ensayos para Pavimentos Volumen I” de S. Minaya y A. Ordóñez en la Biblioteca de la FIC-UNI. No estandarizado Anexo C Superpave y SMA tecnia 15.pdf Artículo Técnico Publicado por la Revista Científica TECNIA de la Universidad Nacional de Ingeniería, 2002 Instituto de Investigación de la Facultad de Ingeniería Civil-UNI RESUMEN Las mezclas asfálticas en los EE.UU. han sido diseñados mediante procedimientos típicamente empíricos basados en ensayos de laboratorio, esto significaba que la experiencia era necesaria para correlacionar los análisis de laboratorio y el comportamiento del pavimento en el campo. Sin embargo, aún con el seguimiento estricto de los procedimientos y criterios de diseño, el comportamiento adecuado no estaba asegurado. El Método Superpave es un producto de la Strategic Highway Research Program, SHRP creado por el Congreso Americano en el año 1987, con un presupuesto inicial de 150 millones de dólares para investigar el comportamiento de las mezclas asfálticas, la duración de las vías, así como el desarrollo de métodos basados en especificaciones que relacionen los análisis de laboratorio con el comportamiento en el campo. El Superpave está siendo implementado por agencias americanas para reemplazar los métodos Marshall y Hveem (actualmente usados en el Perú). El Superpave optimiza la resistencia de la mezcla a las deformaciones permanentes, agrietamiento por fatiga y el agrietamiento producido por bajas temperaturas. En los inicios de 1960 la industria europea del asfalto reconoció la necesidad de pavimentos resistentes a las deformaciones permanentes y daños en el pavimento sometido a tráfico pesado y bajas temperaturas. En respuesta a ello, los contratistas desarrollaron el Stone Mastic Asphalt, SMA mezcla de granulometria incompleta con un contenido mayor de agregado grueso, mineral de filler y cemento asfáltico así como menor cantidad de agregado fino y arena. La mezcla tuvo un suceso en Alemania y su uso se expandió a toda Europa y actualmente a EE.UU. y Canadá. El artículo presenta los resultados de investigaciones en la Universidad Nacional de Ingeniería para la aplicación del Superpave y el SMA en el Perú. ABSTRACT In U.S. Asphalt mixtures have typically been designed with empirical laboratory design procedures, meaning that field experience is required to determine if the laboratory analysis correlates with pavement performance. However, even with proper adherence to these procedures and the development of mix design criteria, good performance could not be assured. The Superpave is a product of the Strategic Highway Research Program, SHRP. The SHRP was established by U.S. Congress in 1987, $150 million research program to improve the performance, durability of road and the development of performance based asphalt specifications to directly relate laboratory analysis with field performance. The Superpave is being implemented by Americans agencies to replace the Marshall and Hveem design methods (actually used in Peru). The Superpave system optimises mixture resistance to permanent deformation, fatigue cracking and low temperature cracking. In the early 1960´s the European asphalt industry recognized a critical need for pavements which would be resistant to permanent deformation and the various pavement distresses associated with heavy traffic and low temperature. In response to this need, contractors developed Stone Mastic Asphalt, SMA a gap graded mix containing increased amounts of coarse aggregate, mineral filler and asphalt cement as well as decreased amounts of fine aggregate and sand. This mixture proved so successful in Germany that its use was continued throughout Europe and actually in USA and Canada. The article presents the results of investigations in the National University of Engineering for the application of the Superpave and SMA in Peru. INTRODUCCION ETAPAS DEL SISTEMA SUPERPAVE ELECCIÓN DEL LIGANTE (“Performance Graded”) 2.- SELECCIÓN DE LA COMBINACIÓN DE AGREGADOS COMPACTACION DE MUESTRAS SELECCIÓN DEL OPTIMO CONTENIDO DE ASFALTO Anexo D1 Mód din SMA y superpave 16.pdf Ing. Abel Ordoñez Huamán - [email protected] Ing. Abel Ordoñez Huamán - [email protected] Anexo E Explor y ensayos 18.pdf ANEXO E EXPLORACIONES DE CAMPO Y ENSAYOS IN SITU Forma Color Olor Condición de Humedad Estructura Rango de las partículas Tamaño máximo de partícula Tamaño de arena Tamaño de grava Tamaño de canto rodado o boleo Dureza Reacción con el HCl Nota TABLA E1.14: LISTA DE CHEQUEO PARA DESCRIPCIÓN DE SUELOS E2.1 ENSAYO DE PENETRACIÓN LIGERA CON DPL Cono de Arena Arena Figura E3.1: Equipo para el ensayo de cono de arena Equipo de Secado Equipo Misceláneo Determinar el peso de arena a ser utilizada Pesar el recipiente contenedor vacío, luego llenarlo con arena, retirar el exceso. Determine el peso del recipiente con arena. Por diferencia se conoce el peso de la arena que será empleada durante el ensayo. Anexo F Ensayos agregados 19.pdf ANEXO F ENSAYOS DE AGREGADOS PARA PAVIMENTOS F1.1 FUNDAMENTO Tabla F1.1: Peso de agregado y Nº de esferas para agregados gruesos hasta de 1 ½”, ASTM C 131 Tabla F1.2: Peso de agregado y Nº de esferas para agregados gruesos de tamaños mayores a 3/4”, ASTM C-535 F1.5 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO F1.6 CÁLCULOS F1.7 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS F2.1 FUNDAMENTO F2.2 OBJETIVO F2.4 EQUIPOS DE LABORATORIO F2.5 PREPARACIÓN DE LA MUESTRA F2.6 PROCEDIMIENTO F2.7 INFORME F2.8 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS EQUIVALENTE DE ARENAS Y AGREGADOS FINOS F3.1 FUNDAMENTO F3.2 EQUIPOS DE LABORATORIO F3.3 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO Preparación F3.6 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ENSAYO DE DURABILIDAD Martillo:- El martillo puede ser operado manual o mecánicamente, de 10 lb de peso y altura de caída de 18 pulg. La cara de contacto del espécimen deberá ser plana. Extractor de Muestra (Opcional).- Una gata, un pórtico, o cualquier otro accesorio adoptado para extraer los especímenes compactados del molde. Balanzas:- Balanza de por lo menos 20 kg con una sensibilidad de ± 1 gr y una balanza de por lo menos 1000 gr de capacidad de una sensibilidad de ± 0.01 gr. Regla de metal:- Bordes rectos de cualquier longitud conveniente, pero por lo menos deberá tener 25 mm (10 pulg). Mallas:- 3 pulg (75 mm), 3/4 pulg (19 mm) y N( 4 (4.75 mm) Figura F7.1:- Corrección de la curva esfuerzo versus penetración Soil Properties Testing, Measurement, and Evaluation F9.1 GRAVEDAD ESPECIFICA Nota Gravedad Específica Seca Aparente Gravedad Específica Saturada Superficialmente Seca Bulk Anexo G Ensayos asfalto y mezclas 20.pdf ANEXO G ENSAYOS EN ASFALTO Y MEZCLAS ASFÁLTICAS G2.2 OBJETIVO G2.4 PREPARACIÓN DE LA MUESTRA G2.5 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO Tabla No. G2.1: Temperatura para Mezcla del Material Bituminoso (Ensayo de Adherencia ASTM D-1664) Tabla No. G2.2 Cantidad de Material Bituminoso a incorporar (Ensayo de Adherencia ASTM D-1664) G2.6 NOTA DEL PROCEDIMIENTO DE ENSAYO G3.3 EQUIPOS DE LABORATORIO G3.4 PREPARACIÓN DE LA SOLUCIÓN G3.5 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO G3.6 EVALUACIÓN G3.7 INFORME Norma Francesa Normas Española, MTC y Chilena G3.8 Observaciones G3.9 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Comission Technigur Rile M 17 BM “Bitumes et Materiaux Bitumineux” Norma Española NLT-355/74 G4.1 FINALIDAD G4.2 OBJETIVO G4.3 EQUIPOS DE LABORATORIO G4.4 PROCEDIMIENTOS DE ENSAYO G4.5 CÁLCULOS G4.6 OBSERVACIONES Tabla No. G4.1: Corrección de temperatura por altitud Destilación de Asfalto Líquido ASTM D-402 G4.7 EJEMPLOS Ejemplo 1 Ejemplo 2 G4.8 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS G6.1 APLICACIÓN G6.2 EQUIPOS DE LABORATORIO Las fotos de la G6.1 a la G6.4 muestran el equipo básico que se necesita para el ensayo Marshall. G6.3 PROCEDIMIENTOS PREVIOS Paso A: Evaluación de agregados Paso B: Evaluación del cemento asfáltico Criterio de Diseño Marshall para Superficies y Bases G6.4 OBSERVACIONES G6.6 EJEMPLOS Ejemplo 1: Diseño de Mezclas Agregados Diseño de mezclas Marshall Método 2 Ejemplo 2 Diseño de Mezclas Paso A: Evaluación de Agregados Paso B: Evaluación del Cemento Asfáltico Paso C: Preparación de los Especimenes Marshall Paso D: Densidad y Vacío de los Especimenes Paso E: Estabilidad Marshall y Ensayo de Flujo Paso F: Estabilidad Marshall y Ensayo de Flujo G7.2 APLICACIÓN G7.3 EQUIPOS DE LABORATORIO G7.4 PROCEDIMIENTOS PREVIOS Paso A: Evaluación de agregados Paso B: Evaluación del cemento asfáltico Anexo G Ensayos asfalto y mezclas 20.pdf ANEXO G ENSAYOS EN ASFALTO Y MEZCLAS ASFÁLTICAS G2.2 OBJETIVO G2.4 PREPARACIÓN DE LA MUESTRA G2.5 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO Tabla No. G2.1: Temperatura para Mezcla del Material Bituminoso (Ensayo de Adherencia ASTM D-1664) Tabla No. G2.2 Cantidad de Material Bituminoso a incorporar (Ensayo de Adherencia ASTM D-1664) G2.6 NOTA DEL PROCEDIMIENTO DE ENSAYO G3.3 EQUIPOS DE LABORATORIO G3.4 PREPARACIÓN DE LA SOLUCIÓN G3.5 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO G3.6 EVALUACIÓN G3.7 INFORME Norma Francesa Normas Española, MTC y Chilena G3.8 Observaciones G3.9 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Comission Technigur Rile M 17 BM “Bitumes et Materiaux Bitumineux” Norma Española NLT-355/74 G4.1 FINALIDAD G4.2 OBJETIVO G4.3 EQUIPOS DE LABORATORIO G4.4 PROCEDIMIENTOS DE ENSAYO G4.5 CÁLCULOS G4.6 OBSERVACIONES Tabla No. G4.1: Corrección de temperatura por altitud Destilación de Asfalto Líquido ASTM D-402 G4.7 EJEMPLOS Ejemplo 1 Ejemplo 2 G4.8 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS G6.1 APLICACIÓN G6.2 EQUIPOS DE LABORATORIO Las fotos de la G6.1 a la G6.4 muestran el equipo básico que se necesita para el ensayo Marshall. G6.3 PROCEDIMIENTOS PREVIOS Paso A: Evaluación de agregados Paso B: Evaluación del cemento asfáltico Criterio de Diseño Marshall para Superficies y Bases G6.4 OBSERVACIONES G6.6 EJEMPLOS Ejemplo 1: Diseño de Mezclas Agregados Diseño de mezclas Marshall Método 2 Ejemplo 2 Diseño de Mezclas Paso A: Evaluación de Agregados Paso B: Evaluación del Cemento Asfáltico Paso C: Preparación de los Especimenes Marshall Paso D: Densidad y Vacío de los Especimenes Paso E: Estabilidad Marshall y Ensayo de Flujo Paso F: Estabilidad Marshall y Ensayo de Flujo G7.2 APLICACIÓN G7.3 EQUIPOS DE LABORATORIO G7.4 PROCEDIMIENTOS PREVIOS Paso A: Evaluación de agregados Paso B: Evaluación del cemento asfáltico Anexo G Ensayos asfalto y mezclas 20.pdf ANEXO G ENSAYOS EN ASFALTO Y MEZCLAS ASFÁLTICAS G2.2 OBJETIVO G2.4 PREPARACIÓN DE LA MUESTRA G2.5 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO Tabla No. G2.1: Temperatura para Mezcla del Material Bituminoso (Ensayo de Adherencia ASTM D-1664) Tabla No. G2.2 Cantidad de Material Bituminoso a incorporar (Ensayo de Adherencia ASTM D-1664) G2.6 NOTA DEL PROCEDIMIENTO DE ENSAYO G3.3 EQUIPOS DE LABORATORIO G3.4 PREPARACIÓN DE LA SOLUCIÓN G3.5 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO G3.6 EVALUACIÓN G3.7 INFORME Norma Francesa Normas Española, MTC y Chilena G3.8 Observaciones G3.9 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Comission Technigur Rile M 17 BM “Bitumes et Materiaux Bitumineux” Norma Española NLT-355/74 G4.1 FINALIDAD G4.2 OBJETIVO G4.3 EQUIPOS DE LABORATORIO G4.4 PROCEDIMIENTOS DE ENSAYO G4.5 CÁLCULOS G4.6 OBSERVACIONES Tabla No. G4.1: Corrección de temperatura por altitud Destilación de Asfalto Líquido ASTM D-402 G4.7 EJEMPLOS Ejemplo 1 Ejemplo 2 G4.8 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS G6.1 APLICACIÓN G6.2 EQUIPOS DE LABORATORIO Las fotos de la G6.1 a la G6.4 muestran el equipo básico que se necesita para el ensayo Marshall. G6.3 PROCEDIMIENTOS PREVIOS Paso A: Evaluación de agregados Paso B: Evaluación del cemento asfáltico Criterio de Diseño Marshall para Superficies y Bases G6.4 OBSERVACIONES G6.6 EJEMPLOS Ejemplo 1: Diseño de Mezclas Agregados Diseño de mezclas Marshall Método 2 Ejemplo 2 Diseño de Mezclas Paso A: Evaluación de Agregados Paso B: Evaluación del Cemento Asfáltico Paso C: Preparación de los Especimenes Marshall Paso D: Densidad y Vacío de los Especimenes Paso E: Estabilidad Marshall y Ensayo de Flujo Paso F: Estabilidad Marshall y Ensayo de Flujo G7.2 APLICACIÓN G7.3 EQUIPOS DE LABORATORIO G7.4 PROCEDIMIENTOS PREVIOS Paso A: Evaluación de agregados Paso B: Evaluación del cemento asfáltico Anexo H Análisis deformacional 21.pdf ANEXO G METODOLOGÍA AASHTO 2002 Y EL ANÁLISIS DEFORMACIONAL EN EL DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS ARTÍCULO PUBLICADO EN EL IX CONGRESO NACIONAL DEL ASFALTO, LIMA, OCTUBRE 2006 METODOLOGÍA AASHTO 2002 Y EL ANÁLISIS DEFORMACIONAL EN MÓDULOS DINÁMICOS REFERENCIA