Estabilización de bases

ESTABILIZACION DE

MATERIALES PARA CAPAS DE

BASE

Tabasco

29 Marzo 2012

EXPOSITOR: ING. VICTOR CINCIRE

Problemática

Carreteras deterioradas por:

•Vida útil excedida, sobrecargas,

altas presiones de inflado

•Uso de materiales y procedi-

mientosinadecuados

•Técnicas de mantenimiento deficientes con

aplicaciones fuera de tiempo

SITUACION

•México necesidades:

•Actualizar Carreteras a estándares

requeridos

•Promover el uso adecuado de reciclados

•Análisis e implementación de nuevas

Tecnologías

PAVIMENTOS

•Un pavimento es un conjunto de capas de material

compactado, diseñado para resistir los esfuerzos

impuestos por el tránsito (calidad estructural) y

proporcionar una superficie de rodamiento cómoda,

segura y económica (calidad funcional).

Enunpavimentoflexibleeslacapasobrelaqueseconstruye

lacarpeta

asfálticaócapaderodadura.Debidoasuproximidadconlasuperficie,debe

poseeraltaresistenciaaladeformaciónpara

soportarlasaltaspresiones

querecibe.

Seconstruyeconmaterialesgranularesprocesadosoestabilizadosy,

eventualmente,conalgunosmaterialesmarginales.

CAPA DE BASE

Propiedades de los materiales granulares

para bases

Estabilidady densidad

•Los materiales granulares usados para base

deberán poseer una adecuada estabilidad por

trabazón mecánica, de manera que soporten los

esfuerzos de las cargas a los que serán

sometidos.

•Depende de la granulometría del material, forma

de la partícula, fricción interna y cohesión.

Requisitos de los

agregados para

bases granulares

(Normativa SCT)

Estabilización de bases (tratam

iento)

Esel procesode modificación de algunas de las

características físicas del material, mejorando su

comportamiento mecánico y/ó hidráulico,

mediante un tratamiento químico ó mecánico.

El tratamientoquímicoconsisteen combinary

mezclarmaterialesestabilizadores(aditivos) con

agregadosgranularesparamejorarpropiedades

comogranulometría, estabilidad, resistencia,

cohesión

y permeabilidad.

¿Porqué estabilizar?

•Mejorar la calidad y propiedades de la base

•Usar materiales locales disponibles

•Mejorar su durabilidad

•Reducir el espesor

•Facilitar la construcción

•Reciclado de pavimentos existentes para su uso

en bases (recuperación a profundidad)

¿Porqué estabilizar?

Base no estabilizada

Base estabilizada

Tipos de estabilización

Tipo de estabilización

Estabilizador:

Mecánica

Granulometría,trituración

Química

Agentesestabilizadores

Materiales usados

•Cemento portland

•Emulsión asfáltica

•Cal

•Cenizas volantes (residuo de la combustión de

carbón mineral generado en plantas

termoeléctricas)

•Combinación de las anteriores

•Espuma asfáltica

Uso de agentes estabilizadores

2%

5%

6%

11%

16%

20%

40%

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

Asfalto

espumado

Ceniza

volante

Otros (Kiln

dust /

CaCl2)

Cal

Emulsion

Cem

ento

Ninguno

(seco)

Source: Portland Cement Association Market Research Report, 2003

Estabilización química (Norma SCT)

LIGANTE

BENEFICIO

DOSIFICACION

1.- Materiales modificados

a) Con cal

Disminuir plasticidad y/o efecto de materia orgánica en

suelos

2 a 3%

b) Con cemento

Pórtland

Disminuir plasticidad y/o incrementar resistencia

3 a 4%

2. Materiales estabilizados

c) Con Emulsión ó

asfalto rebajado

Mejorar comportamiento y disminuir el efecto de la

plasticidad

3 a 4% de

contenido de

asfalto

d) Con cemento

Pórtland

Incrementar resistencia y rigidez reduciendo el efecto

de la fatiga sobre la carpeta asfáltica o mejorando el

apoyo de las losas de concreto hidráulico.

8 a 10%

3.- Bases asfálticas (negras)

Con cemento

asfáltico ó emulsión

asfáltica

Obtener una capa de concreto asfáltico magro

4 a 5% de

contenido de

asfalto

4.- Base de concreto hidráulico magro o de baja resistencia

Con cemento

Pórtland

Incrementar resistencia y rigidez, transformando un

pavimento flexible en uno rígido

> 10%

Parám

etros de diseño(Norma SCT)

TIPO DE MEZCLA

CARACTERISTICAS

Modificadas con cemento

pórtlandó cal

Material por modificar:Cumplirá los requerimientos de granulometría para base hidráulica y con el

contenido de materia orgánica solicitados.

Modificador:Cumplirá los requerimientos para cal ó cemento Pórtland

Material modificado:Cumplirá LL,IP, Equiv. De arena, CBR y desgaste de los Angeles, de los

materiales para bases hidráulicas

Estabilizadas con

cemento Pórtland

Material por estabilizar: Cumplirá los requerimientos de granulometría para base hidráulica y

contenido de materia orgánica.

Estabilizador:Cumplirá los requerimientos para cemento pórtland

Material estabilizado:Compresión simple a 28días>25 kg/cm2. Compactación al 100% de AASHTO

modificada.

En el caso anterior también se podrá utilizar cal cuando así lo indique el proyecto o la secretaría

Mezclas asfálticas

Material por mezclar:

Para estabilizaciones: Cumplirá los requerimientos de granulometría para base hidráulica y

contenido de materia orgánica. Desprendimiento por fricción < 25%, cubrimiento por el método

inglés>90%.

Para bases asfálticas: Cumplirá los requerimientos para bases asfálticas

Producto:Cumplirá los requerimientos para cemento asfáltico, emulsión asfáltica ó asfalto

rebajado.

Material mezclado:

Para Estabilizaciones: Materiales finos no plásticos: Estabilidad > 0.64 Knewton

Materiales finos plásticos: Estabilidad > 180 kg. Estos procedimientos de prueba no se incluyen en

la norma actual. Compactación al 100% de AASHTO modificada.

Para bases asfálticas: Requerimientos Marshall y pérdida de estabilidad por inmersión en agua, lo

que indique el proyecto o la Secretaría. El procedimiento de prueba Marshall no se incluye en la

norma actual.

Concreto hidráulico de

baja resistencia

Material por mezclar:Cumplirá los requerimientos de base de concreto magro

Producto:Cumplirá los requerimientos para cemento pórtland

Material mezclado:Compresión simple a 28días de 150 a 200 kg/cm2. Compactación al 100% de

AASHTO modificada.

GUIA PARA LA SELECCIÓN DEL

ESTABILIZADOR

SUCS

GW

GP

GM

GC

SW

SP

SM

SC

ML

CL

OL

MH

CH

AASHTO

A-1-a

A-1-a

A-1-b

A-1-b

ó A-2-6

A-1-b

A-3 ó

A-1-b

A-2-4 ó

A-2-5

A-2-6 ó

A-2-7

A-4 ó

A-5

A-6

A-4

A-5 ó

A-7-5

A-7-6

Emulsión funcionalizada

FDR/GBS mejor si

EA >30 y P200 < 20*

Asfalto Espum

ado

P200: 10 a 20% y graduación de

máxima densidad

Cem

ento Pórtland

Indice plástico<10

Cal

IP>10 y P200<25 ó IP 10-30 y

P200>25, SO4 en arcilla <3000

ppm

Aditivo

Tipos de agregados

generalmente factibles

Beneficios

Dosificacione

s típicas

Cemento

Portland

(generalmente

tipo III y algunas

veces tipo II)

Agregados bien

graduados consuficiente

cantidad de finos

Aumento en la resistencia

2-3% Agregado

grueso

6-15%

Agregado fino

Cal

Agregados de plasticidad

media a alta

Decrecela plasticidad,

incrementa la

trabajabilidad, disminuye

el daño por humedad

2%

Modificación

3-6%

Estabilización

Asfalto

Arenas limosas

Materialgranular

Impermebiliza,disminuye

el daño por humedad,

aumenta resistencia y

cohesión

2-4% Agregado

grueso

4-6% Agregado

fino

Ceniza volante

+cal

Agregados sin finos

Mejorade granulometría y

resistencia

10-20% ceniza

3-5% cal

Estabilización con emulsión

•Se forma un enlace químico entre el asfalto y el

agregado promovido por el emulsificante

•El agregado es cubierto con asfalto de tal forma

que disminuye la penetración del agua

•En materiales no cohesivos, provee adherencia

•Incrementa la resistencia y la cohesión

TENDENCIAS EN

ESTABILIZACIONES CON

EMULSIONES ASFALTICAS

Necesidad

Solución

Base, requieremayor

resistencia, adhesión

Carpeta

6-10 plgbase

estabilizadacon

emulsiónfuncionalizada

Subbase

Suelo

Base e

sta

bil

izad

aco

n

em

uls

ión

BE

E

Diseño de la mezcla

•Se requiere diseño de mezcla antes de empezar

cada proyecto

•Considerar los siguientes factores:

–Trabajabilidad

–Resistencia

–Cohesión

–Daños por humedad

–Durabilidad

Estimación de períodos de curado

Diseño

Propiedades físicas de los agregados

Contenido óptimo de humedad

Determinación contenido de asfalto óptimo

Pruebas de desempeño

Propiedades del

agregado

Material de aporte:

Los mismos requisitos de

base hidráulica

Granulometría:

La misma de bases hidráulicas

Contenido óptimo de humedad

•Método Proctor

126.0

126.5

127.0

127.5

128.0

128.5

129.0

129.5

130.0

130.5

131.0

4.0%

4.5%

5.0%

5.5%

6.0%

6.5%

7.0%

7.5%

8.0%

8.5%

9.0%

9.5%10.0%10.5%11.0%

Pesos Volumétricos Kg/m3

Contenido de Humedad

Pesos volumétricos Vs Contenidos de humedad

65% del contenido óptimo de humedad OMC

Tipos de emulsiones

•Rompimiento medio

•Rompimiento lento

•Funcionalizadas

Probar al menos 4 contenidos de emulsión

Emulsiones funcionalizadas

Formuladaspara:

•Rompimientoquímico/Sin solvente

–Fraguadoen menortiempo

–Mejoramientoen adherenciay cubrimiento

–Resistencia al dañoporhumedad

–Trabajabilidad

Emulsion funcionalizada

Formuladapara:

•Alto contenidode asfalto

–Buena dispersión con un

alto espesor de película

–Durable

–Flexible

•Especificacióndel liganteen

funcióndel clima

•Emulsióndiseñadapara

cadaproyectoparticular

Diseño de la mezcla

Resistencia al agrietam

iento

térmico

TensiónIndirecta(IDT)

AASHTO T 322

Indicadorrelativo

de la

resistenicaa la fatigao

deflexión/cargaaplicadapara

el diseñoestructural

Modulo resiliente

ASTM D4123

Confiabilidad

Construction & QA/QC

Requirem

ents

Resistencia la dañopor

humedad

Fuerzaretenida(TSR)

ASTM D4867

Determinarsise presentaun

curadorápido

Cohesióna cortoplazo

CohesiometerASTM D1560

Parametrode desempeño

Criterio

Valores requeridos de diseño

Propiedad

Criterio

Compactación en giratorio, 1.25°angle, 600 kPa, giros

30

Cohesión temprana

Cohesiometromodificado, ASTM D 1560-92), g 25mm de ancho

150 min.

Tensión indirecta acondicionada (TSR)

ASTM D 4867

40 min.

Modulo resiliente, ASTM D 4123, 25°C

1200MPa

P200 < 10%

Valores requeridos de diseño

Propiedad

Criterio

Compactación en giratorio, 1.25°angle, 600 kPa, giros

30

Cohesión temprana

Cohesiometromodificado, ASTM D 1560-92), g 25mm de ancho

150 min.

Tensión indirecta acondicionada (TSR)

ASTM D 4867

40 min.

Modulo resiliente, ASTM D 4123, 25°C

1000MPa, mín.

P200 > 10%

Prueba de tensión indirecta AASHTO T-283

Esfuerzo de Tensión de las pastillas no acondicionadas,

Kg/Cm2

3.2

Mín

Esfuerzo de Tensión de las pastillas acondicionadas,

Kg/Cm2

1.8

Mín

% de em

ulsión

utilizada

Esfuerzo de

Tensión de las

pastillas no

acondicionadas,

Kg/Cm2

Esfuerzo de

Tensión de las

pastillas

acondicionada

s, Kg/Cm2

% TSR

% Vacíos

Gravedad Específica

máxima de la mezcla

no compactada

319.7

11.6

59%

16.6

2.473

Con 1% pc

Con 1% pc

424.5

11.6

47%

14.5

2.430

Con 1% pc

534.6

13.4

39%

13.1

2.402

Con 1% pc

Cohesióntemprana, 1hr, kg

Raveling

Contenidode

cemento

Contenido de

cemento

Contenidode

emulsión

Estabilidad,

kgContenidode

emulsión

% de desgranam

iento

3% emulsión

1%1675

3% emulsión

1%Desgranada

4% emulsión

1%1650

4% emulsión

1%5.0

5% emulsión

1%1450

5% emulsión

1%5.6

4% emulsión

0%1225

4% emulsión

0%Desgranada

5% emulsión

0%1525

5% emulsión

0%Desgranada

Referencia

Procesode construcciónparabases

recuperadas

1.Si se requierePre-perfilary compactar

ligeramenteantes de la estabilizacióny

compatación

–Corregirel perfil(pendientetransversal y

corona)

–Ayudaa mantenerla profundidadconsistente

y mayor aproximaciónen lasdosificaciones

de la emulsión.

Procesoconstructivo

2.Ajustedel contenidode humedad,

estabilizacióncon la emulsiónde diseñode

15-20 cm de espesor

3.Compactación

•Compactadorpatade cabra

•Conformaciónparaborrarlasmarcasdel rodillopatade

cabray nivelarsuperificie

•Compactaciónfinal-rodilloy/o

4.Colocaciónde la carpetao capade rodadura

1. Preperfilado

2. Ajuste de la humedad

De acuerdo al diseño y resultados del laboratorio

de control de calidad

•Adición de agua ó

•Pérdida de humedad

2. Adición de la emulsión/mezclado

Recicladora (FDR)

Mezclado en el lugar

mezclador rotatorio

múltiple

3. Compactación

Compactación profunda

(rodillo pata de cabra)

•Lograunamejorcompactación

en la parte inferior de la capa

•Alta amplitud/ bajafrecuencia

•Ejemplos:

–CAT CP 563C or

563D (rounded pads)

–Hamm and Hypac

–SuperPac(34,000 lb)

–Hyster(28,000 lb)

3. Compactación

Conformación

•Eliminar las marcas

•Nivelar la superficie

3. Compactación

•Compactación y

apariencia final

•Compactadorneumático

–20-ton mínimo

–90 psi presión

•Compactacióncon

rodillovibratorio

–10-ton mínimo

–Baja amplitud/ alta

frecuencia

4. Despuésde la estabilización

Segúnlos requerimientos

•Capacidad Estructural

–Tráfico

–Niveles de carga

•Clima

•Riegode sello

al menos

Riego de sello

Carpetade HMA

Muestreo

en cam

po-Control de calidad

•Especificarlaspruebas& frecuencia&

requerimientos

–Contenidode humedad

–Profundidad

–Tamañomáximo

–Contenidode emulsión

–Compactación

–Densidadobjetivo(Proctor)

–Aperturaal tránsito

Proyectos: Estabilizaciónde bases

Proyectos

•Colorado

•Georgia

•Illinois

•Missouri

•Minnesota

•Nebraska

•Texas

•Oklahoma

Illinois

Minnesota

Georgia

Beneficios

PROPIEDADES DE LAS BASES ESTABILIZADAS

CON EMULSION FUNCIONALIZADA

•Mezcla flexible, resistente a las roderas y con mejores

propiedades al agrietam

iento.

•Adecuada resistencia a los esfuerzos de tensión

repetidos

•Menor susceptibilidad a daños por humedad.

•Increm

ento acelerado de su resistencia, pueden ser

abiertas más rápido al tránsito.

•Se increm

enta su capacidad estructural, requiriéndose

menores espesores de capa.

Beneficios

Mejoramiento temprano de la resistencia

–Compactacióninmediata

–Aperturaal tráficousualmenteel mismodía

•Mástiempo, dependiendodel tráficode los

camionesy la resistenciade la capasubyacente

–Aplicaciónde la siguientecapaen 1-2

semanas(o antes)

•Dependedel climay humedad

–AumentoResistencia en secoy húmedo

–Incrementode la capacidadestructural

•Puedereducirel espesorde la capa

Beneficios

Excelente cubrimiento

–Mejorcubrimiento

quelas

emulsiones

convencionales

Tra

tad

aco

nT

rata

da

asfa

lto

co

n e

mu

lsió

n

esp

um

ad

ofu

ncio

nali

zad

a

•Mismoagregado

•Mismo contenido de

asfalto

Beneficiosestructurales

•Incrementael coeficienteestructural

•El coeficienteestructuraldependede:

–Cantidadde finsoPasamalla#200

–Angularidaddel material existente

RESISTENCIA ESTRUCTURAL DE LA MEZCLA

RECUPERADA

Existing Road Material

Base Treatment

0.4

0

-0

.44

0.3

4

-0

.40

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2

-0

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0.1

2E

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lsio

n*

0.1

4

-0

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depends on % cement & material; lower for less cracking

Ce

me

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(CT

B)

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em

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N/A

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0.1

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.10

Un

tre

ate

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High Quality Ag

High RAP

Med

Quality Ag

Med. Fines

Rounded Ag

High Fines

Very

Dirty

Material existente en la carretera

Tratamiento de la base

0.4

0

-0

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0.3

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depende del % cemento y material; < % < agrietamiento

Ce

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< 0

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No

tra

tad

a

Agr. Alta Calidad

Alto RAP

Agr. Med Calidadl

Med. %

Finos

Agr. Redond.

Alto % finos

Muy

sucio

Equivalencias

estructurales

Efectodel coeficientecomparadocontra otrasalternativas

•For SN of 1.0, Base tratadacon cemento

(CTB) coeficiente0.14 = 7 plgespesor

•For SN of 1.0, Base estabilizadacon

emulsiónfuncionalizada(GBS),

coeficiente0.18 = 5.5 plgespesor

•For SN of 1.0, recuperacióna

profundidad(FDR) con emulsion

funcionalizada, coeficiente0.25 = 4 plg

espesor

NS=1

CTB

NS=1

EngineeredFDR

NS=1

EngineeredGBS

*Portland Cement Association literature

NS: número estructural

Resistencia estructural

•La resistenciase

desarrollacon el tiempo

•Desarrollaunarápida

resistenciapara

soportarel traficoy un

rápidocurado

Generalized Modulus Curve for

Engineered FDR

0

50

100

150

200

250

050

100

150

200

Days since construction

In-place

FDR

modulus,

ksi

Note: Actual

values will vary by

project.

Ov

erl

ay

or

se

al

in 2

to

14

da

ys

Estabilizador zeolíticode suelos

•Se usa en el estado de Tabasco para capas de base

•Se promueve como mejorador de características de

los agregados en capas de base (resistencia y

susceptibilidad a la humedad) combinado con

cemento portland

•No hay estudios que respalden estos beneficios

•Las dosificaciones de CP recomendadas son del

orden del 8 al 10%. Estos porcentajes provocan bases

rígidas que pueden provocar agrietamientos reflexivos

en la carpeta asfáltica.

Estabilizador zeolíticode suelos

•Se maneja que una de las ventajas más sobresalientes del

Aditivo Zeoliticoen la estabilización de suelos, es el uso de

materiales del mismo lugar de la obra, sin tener que importarlos

para disminuir costos por transporte durante la construcción, lo

cual para el caso de capas de base no aplica, ya que los

agregados se transportan de los bancos de materiales que

presentan buenas características para ser utilizados en dichas

capas.

•Con el uso del Aditivo Zeoliticoel procedimiento constructivo es

más complicado que con el uso de emulsiones asfálticas, ya

que primero se debe humedecer la arena, posteriormente

adicionar el cemento portland y tratar de homogenizarlo, lo cual

hasta la fecha no se realiza satisfactoriamente, posteriormente

incluir el Aditivo Zeoliticoy esperar a que disminuya la humedad

de la mezcla para realizar la compactación.

Estudio comparativo: estabilizador

zeolíticode suelos vs emulsión asfáltica

•Para el estudio se utilizó arena del banco el Desecho,

material que fue usado para la estabilización con Aditivo

Zeoliticoen una de la obras ejecutadas en Tabasco, en el

año 2011.

•Los costos de referencia utilizados corresponden a los costos

promedio que se tenían durante la ejecución de la obra.

Ba

nco

El

de

sech

oE

l d

ese

ch

oE

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ese

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kg

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IVO

Pastillas con aditivo

Zeolítico

Resultados del estudio

•Conelusode0.1%(1.55kg/m3)deAditivoZeolíticoy8%decemento

portland,la

mezclapresenta

unaaltarigidez.Elcosto

deutilizarestosporcentajesdeambos

materialesesalto:$664.95/m3deagregado.

•Alutilizar0.3%

(4.65kg/m3)deAditivoZeolíticoy8%

decemento

portland,se

observaquelamezclaseflexibiliza,pero

elcosto

esmuyalto:$1,994.85/m3de

agregado

•Utilizar3.0%

(46.5kg/m3)deemulsióntieneunefecto

similaral0.3%delAditivo

Zeolítico,sobre

larigidezprovocadaporel8%

decemento

portland,pero

conun

costosustancialmentemenor:$372.0/m3deagregado.

•Utilizar5.0%

(77.5

kg/m3)deemulsión,sin

cemento

portland,le

confiere

buenas

propiedadesalamezcla,conundesgranamientomuybajoprovocadoporelpasode

losvehículos,comparadoconlosotroscasosenquela

mezcla

sedesgrana

totalmente.Elcostoessimilaralindicadoenelprimerpunto($620/m3).Noobstante,

seobservaunincrementoenlapérdidadeestabilidadporinmersiónenagua,loque

sepuedesubsanarconunareformulacióndela

emulsiónasfálticay/óelusode

cementoportland.

Modulo resilenteMr

•El módulo resilentees un estimado del modulo

de elasticidad que se basa en determinaciones

de esfuerzos y deformaciones bajo cargas

rápidas (como las que ocurren en el pavimento)

•El módulo resilenteno es una medida de la

resistencia del material, por cuanto éste no se

lleva a rotura en el ensayo sino que recupera su

forma original

Relación de Poisson

•Es la relaciónentre lasdeformaciones

transversalesy longitudinalesde un especimen

sometidoa carga

•Los materialesmásrígidospresentanmenores

relacionesde Poisson

Relación de Poisson

Muestra en estado

original

Muestra sometida a

compresión

Módulos de elasticidad típicos

Tipo de material

Rango (Mpa)

Valortípico

Base tratadacon emulsión

500-3000

1000

Base tratadacon cemento

3500-7000

5000

Basegranular

100-350

200

Relación de Poisson(µ)

Tipo de material

Rango

Valortípico

Base tratadacon emulsión

0,15-0,45

0,35

Base tratadacon cemento

Suelo granular

Suelo fino

0,10-0,20

0,15-0,35

0,15

0,25

Basegranular

0,3-0,4

0,4

CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES

•Eluso

combinado

de

agentes

estabilizadores

puede

incrementarelbeneficio

en

eldesempeño

de

lacapa

estabilizada.

•Lasmezclasrecuperadasconaltosporcentajesdecemento

Pórtlandsonmuyrígidasysusceptiblesalagrietamiento.Porlo

quesedebeconsiderarelusodecapasintermediaspara

mitigarelagrietamientoporreflexiónycarpetasestructurales

conasfaltomodificadoygranulometríasgruesas.

•Lascondicionesexistentesdelpavimento,unadecuado

proceso

de

diseño,la

correcta

selección

delligante

ó

estabilizadoryun

buen

procedimiento

constructivo

son

fundamentalesparaeléxitodelaaplicación.

CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES

•Esconveniente

complementarla

normativaactualSCTde

acuerdo

ala

tendencias

internacionales

yexperiencias

locales.

•Laseleccióndelligante

óestabilizadordebehacersede

acuerdoalascaracterísticasdelmaterialporestabilizar,

disponibilidaddelosestabilizadores,costosasociadosy

características

deseadas

del

pavimento

recuperado

(capacidadestructural)

•Elrecicladoofrecesignificativosahorrosdeenergía,de

materiales

no

renovables

yde

los

fondos

económicos

destinadosalaconservacióndecarreteras,contribuyendoa

susustentabilidad.

Gracias. www.semgrouplp.com