DISEÑO MODERNO PAVIMENTOS ASFALTICOS

7/22/2019 DISEO MODERNO PAVIMENTOS ASFALTICOS

1/482

DISEO MODERNO

de Pavimentos Asflticos


2/482

CAPITULO 1:

INTRODUCCIN

1.1 Introduccin

En la ingeniera de pavimentos se han incorporado nuevos conceptos como esfuerzos,deformacin, mdulo elstico, comportamiento resiliente, etc. que deber ser conocidos por ellector. En el presente captulo se definirn algunos de estos conceptos y los otros sernexplicados en captulos especiales.

1.2 Estructura del Pavimento Asfltico

La estructura que se apoya sobre el terreno de fundacin o subrasante, y que esta conformadopor capas de materiales de diferentes calidades y espesores, que obedecen a un diseoestructural, se denomina pavimento. La estructura del pavimento est destinada a soportar lascargas provenientes del trfico.

Tradicionalmente, los mtodos de diseo de pavimentos, han sido empricos; es decir, que laexperiencia representaba un papel importante. Se requera que el ingeniero tuviese muchos aosen el rea para, de alguna manera, poder interpretar los resultados de las investigaciones decampo y realizar el diseo.

Los pavimentos asflticos estn conformados por una carpeta asfltica apoyada generalmente

sobre dos capas no rgidas, la base y sub base. No obstante puede prescindirse de cualquiera deestas capas dependiendo de las necesidades particulares del proyecto.La distribucin tpica delas capas que conforman la estructura del pavimento se grafican en la figura 1.1.

Terreno de fundacin

Sub bbaassee

Base

rasante

subrasante

Terreno de fundacin sin compactar

Figura 1.1: Estructura Tpica de Pavimentos Asflticos


3/482

La carpeta asfltica o capa de rodamiento proporciona una superficie uniforme y estable altrnsito, de textura y color adecuado, que debe resistir los efectos abrasivos provenientes deltrnsito y del medio ambiente. La nueva Gua de Diseo emprico-mecanstico AASHTO 2002recomienda que el mdulo elstico de la carpeta se evale con el Mdulo Complejo Dinmico,E*, que ser detallado en los siguientes captulos. Sin embargo, podemos mencionar que lacarpeta es una capa muy rgida con valores altos de mdulo. El mtodo de diseo AASHTO 1993considera como parmetro de diseo de la carpeta asfltico el mdulo resiliente, para mezclasasflticas en caliente estos valores varan de 400,000 a 450,000 psi (28,000 a 32,000 kg/cm2) a20C.

La capa de base, generalmente granular, es una capa que se apoya sobre la sub base. La funcinde esta capa es transmitir los esfuerzos provenientes del trfico, a la sub base y subrasante. Losrequisitos de calidad de agregados de base son muy rigurosos. Esta capa est conformada porgrava chancada, compactada al 100% de la mxima densidad seca del ensayo proctor modificado.El mdulo elstico de la base se evala con el mdulo resiliente, MR. Una base granular conCBR del 100% tiene aproximadamente un valor MR de 30,000 psi (2,100 kg/cm2).

La sub base, es una capa que segn el diseo puede o no colocarse. Se apoya sobre lasubrasante y los requisitos de calidad de los materiales que la conforman son menos rigurosos, larazn de esto es que los esfuerzos verticales que se transmiten a travs de las capas depavimentos son mayores en la superficie y van disminuyendo a medida que se profundizan. Lasub base es la capa de material seleccionado, ms profunda de la estructura del pavimento, raznpor la que los materiales que la conforman cumplen requisitos menos rigurosos. El mdulo elsticode la sub base se evala con elmdulo resiliente, MR. Una sub base granular con CBR del 40%(CBR mnimo para sub bases granulares, segn las Especificaciones Tcnicas Generales paraConstruccin de Carreteras EG-2000, Ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda yConstruccin, Oficina de Control de Calidad) tiene un MR de 17,000 psi (1,200 kg/cm2).

El terreno de fundacin puede estar conformado por un terrapln (caso de rellenos) o terrenonatural en el caso de cortes, para ambos casos, la cota geomtrica superior se denominasubrasante. El mdulo elstico asociado al terreno de fundacin es el mdulo resiliente, esteparmetro ha sido ampliamente investigado por las diferentes agencias de transportes de losEstados Unidos, correlacionndolo con el CBR.

En los siguientes captulos se detallarn los mtodos que permiten determinar adecuadamenteeste valor. Pero podemos mencionar, que el CBR de suelos compactados (como es el caso deterraplenes) y de suelos granulares densos (como el conglomerado de Lima) estn asociados al100% de la mxima densidad seca del proctor modificado; sin embargo, el CBR de subrasantesarenosas y limo arcillosas no puede asociarse a este valor, porque su densidad de campo estmuy por debajo de la mxima densidad seca y su humedad natural es mayor que el ptimocontenido de humedad. En este ltimo caso el CBR se obtiene de muestras inalteradas1.

1 A. Ordez y S. Minaya, CBR de Subrasantes Arenosas y Limoarcillosas. 11 CILA 2001 Lima; XIII CongresoNacional de Ingeniera Civil, Puno 2001; IV Congreso Ecuatoriano de Mecnica de Suelos e Ingeniera Geotcnica,Guayaquil 2001.

1 3 C t i t El ti


4/482

1.3 Comportamiento Elstico

El parmetro que evala las deformaciones ante cargas estticas es el Mdulo Elstico E. Elmdulo elstico relaciona los esfuerzos aplicados y las deformaciones resultantes. Un ejemplo esla zapata, el nivel de esfuerzos aplicados al suelo a travs de la zapata es mnimo lo que originarque el suelo se deforme, pero esta deformacin no lo llevar a su condicin de falla.

La teora elstica permite determinar el mdulo elstico del suelo mediante ensayos de campo ylaboratorio, como en ensayos de compresin edomtrica, 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 presin transmitida al suelo es permanente y baja, lo que llevar a que la deformacin sea

elstica. Grficamente existente una relacin lineal entre la presin transmitida y la deformacin, lapendiente de la recta mostrada es el mdulo elstico. Para el caso de cimentaciones elasentamiento permisible es de 2.5 cm.

E

ae

q

Carga estticapermanente

q

Donde:

c Esfuerzo de confinamientoq Presin axiale Deformacin elstica

a

Deformacin axial

Figura 1.2: Compor tamiento elstico

Es posible extender la teora elstica a los ensayos de C.B.R. utilizando los resultados de laprueba de carga asociados a asentamientos caracterstico de 0.1 pulgada. Para ello, se deber

utilizar la solucin que ofrece la teora elstica para el clculo de asentamiento que ocurre cuandose tiene una superficie circular rgida cargada sobre un medio semi-infinito (Poulos y Davis, 1974).

=/2 (1-2) pr/E

c

Ensayo delaboratorio

Terreno de fundacin

d d


5/482

donde:

: Asentamiento

: Relacin de Poissonp : Presin aplicadar : Radio del rea cargadaE : Mdulo elstico

Considerando un asentamiento caracterstico de 0.1 pulgada; un valor de =0.40; radioequivalente a un rea circular cargada de 3 pulg2 y la presin aplicada en funcin 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 mdulos elsticos, E a partir del valor CBR asumiendoun comportamiento del medio como elstico, uniforme e isotrpico.

1.4 Compor tamiento Elasto-Plstico

En pavimentos la carga transmitida es mvil, es decir, el suelo experimenta ciclos de carga ydescarga. Para un mejor entendimiento se analizar el caso de un ciclo (1 carga y 1 descarga).Cuando el vehculo se aproxima al punto de anlisis A, el terreno de fundacin se empieza adeformar, esta deformacin se hace mxima cuando el vehculo se encuentra exactamente sobreel punto A, en ese momento conocemos la deformacin total. Sin embargo, cuando el vehculo se

aleja el suelo trata de recuperar su posicin inicial pero no lo consigue. La deformacin norecuperable se denomina deformacin plstica y la deformacin recuperable es la deformacinelstica. El suelo ha experimentado plastificacin.

2A. Ordez y S. Minaya, CBR de Subrasantes Arenosas y Limoarcillosas, 2001.

A

Terreno defundacin

Pavimento

Veloc.

tiempo

Carga mvil, q


6/482

eotal ??

v

ep ee

q

ep: deformacin plstica, permanente,

no recuperableee : deformacin elstica, temporal,

recuperable

q

Figura 1.3: Comportamiento elasto-plstico, un ciclo carga-descarga

El terreno de fundacin soporta muchos ciclos de carga-descarga, las deformaciones plsticas sevan acumulando y las deformaciones elsticas se van haciendo constantes. Cuando el suelo noacumula ms deformaciones plsticas ya se consolid para ese nivel de cargas. La pendiente dela recta al final de esta etapa se denominamdulo resiliente, Mr. El mdulo resiliente representa elcomportamiento elstico final del suelo.

tiempo

Carga mvil ,q

e

ep ee

Mr

q

MR: Mdulo Resiliente representa el comportamiento elstico final, residual

ep : Las deformaciones plsticas son acumulables e influyen en elcom ortamiento del avimento

ee

qMr=

Figura 1.4: Comportamiento elasto-plstico, varios ciclos carga-descarga

El mdulo resiliente ha sido correlacionado con el valor de la capacidad de soporte del suelo CBR,y ha sido usado como parmetro de diseo pero no se ha percibido que ste representa unacondicin particular del suelo.


7/482

El reciente mtodo de diseo de pavimentos (AASHTO 2002) considera que ninguna de las capasque componen la estructura del pavimento debe tener deformaciones plsticas, sobre todo en lacapa ms dbil. El terreno de fundacin aporta en gran medida en las deformaciones de laestructura que no deben exceder de 1mm. se recomienda que todos los suelos con CBR menor de8 a 10% deben ser estabilizados.

La ltima versin del catlogo Francs, 1998, clasifica los suelos del terreno de fundacin en 4tipos denominados PF1 (cuya capacidad de soporte es baja) a PF4 (elevada capacidad desoporte, generalmente tratada). El catlogo de 1998, no considera la construccin de estructurassobre suelos del tipo PF1, por considerarlos de calidad insuficiente para garantizar la durabilidadde la estructura.

Los suelos clasificados como PF1 son aquellos con CBR menor que 7% y los suelos PF4 son losque tienen CBR mayor que 30 a 40%. Suelos intermedios son el PF2 cuyo CBR est entre 7 y20%; y los suelos PF3 con CBR entre 20 y 30 a 40%.

La construccin de las capas compactadas se controlan con la Viga Benkelman. Las deflexionesmximas, recomendadas por el catlogo Francs de 1998 estn en funcin del mdulo del ensayode placa cclico y tipo de terreno de fundacin, como se muestra en la tabla 1.1. Para suelosarcillosos tratados con cal las deflexiones mximas se muestran en la tabla 1.2.

Tabla 1.1: Requisito de deformabilidad en el momento de la construcc in de la obra, paracapas de refuerzo o fundacin no t ratada (Catlogo Francs de 1998)

Clasificacin del suelo Mdulo de deformabilidaden MPa (ensayo de placa)

Deflexin mxima 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 construcc in de la obra, parasuelos arci llosos tratados con cal (Catlogo Francs de 1998)

Deflexin mxima en mm,viga Benkelman

Clasificacin del sueloTratamiento slo con

calTratamiento con cal y

cemento

PF2 1.20 0.80PF3 0.80 0.60

PF4 -.- 0.50


8/482

Cuando la carga aplicada es lenta, el mdulo resiliente, Mr, se acerca al mdulo elstico, E. El


9/482

Cua do a ca ga ap cada es e ta, e duo es e te, , se ace ca a duo estco,ensayo de mdulo resiliente se realiza para las condiciones a las que estar sometida la va.

q

deformacin

v 80 KPH v = 0

Mr E

Mr 10 E

1.6 Proyectos de Investigacin

En el ao 1987 en los EE.UU. se destin 150 millones de dlares para un proyecto deinvestigacin que agrup especialistas de diferentes reas, denominado SUPERPAVE,SuperiorPerformance Pavement. Este proyecto pretenda reemplazar las metodologas empricas,utilizadas hasta entonces, con metodologas mecansticas; es decir, aquella que utiliza losconceptos de la mecnica estructural.

El proyecto abarc la evaluacin de los agregados y ligantes asflticos. La fortaleza de estemtodo radica en la apropiada evaluacin mecnica del ligante asfltico. Con este mtodo elligante asfltico se evala a las temperaturas crticas o extremas de servicio y deja de evaluarsecon pruebas empricas, como el de penetracin.

Por otro lado, una gran parte de la red nacional se ubica por encima de los 3,000 m.s.n.m. y lospavimentos ubicados en estas zonas al sufrir el efecto de las bajas temperaturas se agrietan demanera prematura. El Stone Mastic Asphalt, SMA, de origen alemn de los aos 60 ha permitidodar solucin a los problemas de trnsitos pesados y climas fros, de las carreteras en Europa yltimamente en los EE.UU. y Canad.

El concepto de diseo SMA se basa en una estructura granular donde predomina el contactopiedra-piedra el mismo que le provee de alta resistencia cortante, baja deformacin permanente orutting y considera un buen porcentaje de ligante que le da una excelente durabilidad. Lascaractersticas del comportamiento mecnico de la mezcla asfltica se alcanzan utilizando unagranulometra incompleta (gap-graded aggregate) combinada con fibra y/o polmerosmodificados y un mayor contenido de ligante. El comportamiento del SMA es actualmentecalificado en los EE.UU. y Canad como de excelente bajo trfico pesado e intenso y climas fros,bajo costo de mantenimiento y una duracin que alcanza los 30 aos de vida de servicio.

Recientemente, las metodologas mecansticas se han extendido en su aplicacin, al diseoestructural del pavimento, incorporando los conceptos de la teora elstica. El mtodo de diseoAASHTO 2002 permite evaluar la estructura de pavimento en funcin de los esfuerzos

transmitidos, las deflexiones generadas y el aporte estructural de cada capa que compone la


10/482

, g y p p q pestructura.

1.7 Esfuerzos ms Importantes producidos en la Estruc tura del Pavimento Asfltico

La estructura tpica del pavimento en nuestro medio est formada por carpeta asfltica y capas dematerial seleccionado colocadas sobre subrasante compactada y subrasante natural, el objetivoes distribuir las cargas provenientes del trnsito, de manera que las presiones verticales a nivelde fundacin sean menores a las admisibles por la estructura del pavimento.

La llanta no slo genera esfuerzos verticales sino tambin esfuerzos horizontales. En unaestructura tpica de pavimento (carpeta asfltica, base y sub base granular) los esfuerzoshorizontales se disipan a travs de la carpeta asfltica, pasando de un valor positivo en lasuperficie a uno negativo en su fibra inferior. Los esfuerzos as generados producen fisuras queluego se reflejarn en la superficie. La figura 1.6 muestra la distribucin de esfuerzos horizontales

(H) y verticales (V) de pavimentos tpicos.

Dos de las principales fallas que se producen en el pavimento estn asociadas a lasdeformaciones excesivas a nivel de la sub-rasante, reflejando el comportamiento del terreno defundacin y la deformacin por traccin, asociado al agrietamiento.

Carpeta

Base

granular

(+)

- vH

Sub basegranular

Suelocompactado

Fundacin

Figura 1.6: Esquema de la Distribucin de Esfuerzos en Pavimentos Tpicos

El esquema de distribucin de esfuerzos en una estructura de pavimentos con base y/o sub baseestabilizada se muestra en la figura 1.7. La carpeta asfltica est sometida solamente a esfuerzosde compresin, mientras los esfuerzos de traccin son absorbidos por la base estabilizada.


11/482

Carpeta

BaseEstabilizada

Subbase

Fundacin

(+)

- H

Figura 1.7: Distribucinde Esfuerzos enPavimentoscon Base y/o Sub BaseEstabilizada.

Desde este punto de vista el ensayo de traccin indirecta y el respectivo parmetro como es elmdulo de resiliencia no representa el comportamiento mecnico de la carpeta asfltica, as, unensayo de compresin confinada cclica ser representativo del comportamiento mecnico.

Witczak y otros, de la Universidad de Arizona, proponen evaluar el Mdulo Dinmico Complejo,

obtenido de ensayos de compresin triaxial cclico. La Gua de Diseo de Pavimentos AASHTO2002 recomienda el uso de este parmetro. El mdulo dinmico, E* tambin ha surgido como elprincipal candidato para el Simple Performance Test Superpave, que predice las deformaciones

permanentes y agrietamientos fatiga en pavimentos asflticos[64].


12/482

CAPITULO 2: SUELO DE FUNDACIN

2.1 Mtodo de Exploracin de Campo del Terreno de Fundacin

En la ejecucin de cualquier proyecto u obra de ingeniera civil es necesario realizar laexploracin del lugar, como parte de un programa de investigaciones geotcnicas, el mismoque involucra aspectos de geologa y mecnica de suelos. Del tamao y tipo del proyecto,dependern las consideraciones del programa de exploracin.

Las etapas de la exploracin de campo son:1. Trabajo Preliminares de Gabinete: Es la recopilacin de la informacin del lugar como

mapas, fotografas, estudios anteriores, etc.2. Exploracin detallada del sitio y muestreo: Levantamiento estratigrfico y mineraloga

de los estratos rocosos y condiciones del subsuelo, mediante la ejecucin de pozos deprueba denominados calicatas se identifican los estratos que conforman la subrasantey se mide la densidad natural del estrato ms desfavorable. Se debe identificar lascondiciones de agua subterrnea y toma de muestra para exmenes ms detallados yensayos de laboratorio.

3. Pruebas de laboratorio con las muestras: Ensayos con muestras alteradas y noalteradas representativas de la estratigrafa. Ensayos estndar con fines decaracterizacin fsica de suelos y clasificacin, as como ensayos especiales paradeterminar su capacidad de soporte.

4. Ensayos in situ: Ensayos llevados a cabo en el propio lugar, ya sea antes o durante elproceso de construccin; controles de compactacin de campo, ensayos de penetracinligera con DPL, etc.

5. Reporte de resultados: Detalles de estudio geolgico, perfiles estratigrfico y mapeadode los resultados de penetracin ligera, resultados de las pruebas de laboratorio,incluyendo los registro de excavaciones, referencias de muestras e interpretacionesestratigrficas.

2.2 Alcance de la Exploracin del Sitio

La informacin generada por la exploracin del lugar est relacionada con los depsitossuperficiales de rocas y suelos. El objetivo consiste en obtener un modelo tridimensional dellugar, que se extienda tanto lateral como verticalmente, para incluir todos los estratos quepuedan llegar a afectarse por las cargas transmitidas al subsuelo, producidas por laconstruccin de la va. Los esfuerzos significativos transmitidos por las cargas del trnsitoalcanzan hasta 1.5 m de profundidad.


13/482


14/482

Foto 2.1: Calicata

Foto 2.2: Posteadora manualIwan Auger

El equipo de cono ligero consiste de un cono de punta cnica de 90 y 2,2 cm. de dimetro. Elmartillo pesa 10 kg. y la altura de cada es de 50 cm. El valor NDPL corresponde al nmero degolpes para conseguir 10 cm. de penetracin. El ensayo es continuo y se registran valorescada 10 cm. de profundidad. Fundamentalmente, el ensayo de penetracin ligera es un ensayode resistencia.

Los problemas asociados a pavimentos son de deformabilidad, el suelo estar muy por debajode los niveles de falla. Aunque el ensayo de penetracin ligera es un ensayo de resistencia, serecomienda usarlo para exploraciones con fines de pavimentacin, porque permite identificar,mediante la variacin del valor NDPL, los espesores y densidad relativa de los estratos queconforman la subrasante.


15/482

La principal limitacin del ensayo es la presencia de gravas en el subsuelo que altera losresultados o en el peor de los casos impide el ensayo.

Foto 2.3: Ensayos de penetracinligera con cono

A continuacin relaciones empricas entre el ngulo de friccin , densidad relativa y pesounitario de suelos granulares normalmente consolidados

Relaciones Empricas de, Dr, y Peso Unitario de los Suelos Granulares NormalmenteConsolidados basados en Ensayos SPT para Profundidades menores de 6m.

Descripcion Suelto MedioDensidad Relativa, Dr 0 0.15 0.35 0.65SPT N70

Fino 0.075-0.425 mm 3-6 7-15Medio 0.425-2.000 mm 4-7 8-20Grueso 2.000-4.750 mm 5-9 10-25

:

Fino 28-30

30-34

Medio 30-32 32-36Grueso 30-34 33-40

d (gr/cm3) 1.4-1.6 1.6-1.8

26-2827-2828-301.2-1.4

Muy Suelto

1-22-33-6


16/482


17/482

Si el suelo est conformado por arenas y es difcil conseguir una muestra inalterada, serecomienda medir la densidad de campo y tomar una muestra para humedad, de manera queen el laboratorio se remolde los especimenes.

2.5.2 Muestras Al teradas

Las muestras alteradas se usan para la identificacin del suelo y para pruebas de clasificaciny calidad a medida que se recolectan, las muestras se introducen en recipientes de vidrio oplsticos y se sellan, tambin se pueden usar latas o bolsas de plsticos.

Se debe tomar una porcin de 100 kg. aproximadamente para realizar los ensayos de proctor

modificado y CBR en muestras remoldeadas al ptimo contenido de humedad, para determinarel CBR de diseo para subrasantes granulares, materiales de sub base y base granulares.

2.6 Identif icacin Visual y Manual de Muestras de Suelo ASTM D 2488Pruebas de Campo para Clasificacin

La identificacin visual, es el reconocimiento preliminar del suelo sin necesidad de empleo deequipos o ensayos de laboratorio. Mas tarde, los ensayos de laboratorio confirmarn ypermitirn precisar la informacin obtenida del terreno. En el anexo E se detalla losprocedimiento visuales y manuales, en esta seccin solo se presenta un breve resumen.

Esta identificacin es una etapa inicial para el estudio de Mecnica de Suelos, que permitetomar decisiones y ajustar el programa de investigacin. Los trminos bsicos para designar a

los tipos de suelos son: grava, arena, limo y arcilla; sin embargo, en la naturaleza los suelosson una mezcla de dos o ms de stos y a veces contienen una cantidad de materia orgnica.Sin embargo, es posible identificar el componente predominante y asignarles el trmino bsico.Por ejemplo, una arena limosa tiene las propiedades de una arena, con una cantidadimportante de limo; un limo orgnico est compuesto prioritariamente por limo, pero contieneuna cantidad significativa de materia orgnica.

Se conoce como suelos granulares a las arenas y a las gravas, y como suelos finos a lasarcillas y limos. Esta distincin se basa en la visibilidad de las partculas individuales. Enlaboratorio, los suelos finos y gruesos se separan con la malla N200.

2.6.1 Identificacin y Descripcin de Suelos Finos

En comparacin a los suelos finos, los suelos granulares son ms fciles de identificar. Laangularidad, forma, color, olor, humedad, consistencia, cementacin, estructura, tamaomximo de partculas y dureza, son las principales caractersticas de este tipo de suelos. Lossuelos finos para su identificacin necesitan de algunos ensayos de campo, para poderdiferenciar las arcillas de los limos o de las arenas finas.


18/482

A) Reaccin a la Agitacin 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 lamano y se sacude horizontalmente golpendola en forma reiterada y fuerte contra la otra mano.

Foto 2.5: Pruebade Dilatancia

El suelo tiene reaccin rpida al sacudimiento cuando la pasta cambia de forma y evidenciauna superficie brillante (debido a la expulsin de agua).Cuando el suelo tiene reaccin rpidaal sacudimiento con unos pocos golpes, se puede asegurar que se trata de un limo. Si lareaccin del suelo es muy lenta o no hay reaccin, se puede concluir que se trata de unaarcilla. Para el caso de arenas limpias muy finas la reaccin es muy rpida.

Reacciones intermedias dejan una interrogante para identificar el suelo y por ello es necesariorecurrir a un ensayo de amasado para despejar la interrogante. Sin embargo, en el caso enque el tipo de suelo fino se pueda definir slo con el ensayo de dilatancia, es siempreconveniente continuar con el ensayo de amasado que se enuncia a continuacin.

B) Ensayo de amasado o de tenacidad

El ensayo de amasado complementa el ensayo de dilatancia. Una pasta de suelo se amasahasta alcanzar la consistencia de la masilla, luego se forma un bastn de aprox. 3 mm. Esteproceso se repite hasta que el contenido de humedad se reduce y la muestra adquiere unaconsistencia dura. El bastn se rompe en varias partes al ser amasado (foto 2.6).

Foto 2.6: Prueba de tenacidad


19/482

T bl 2 1 Id tifi i d S l P b M l


20/482

Tabla 2.1: Identificacin de Suelos con Pruebas Manuales

Suelo Tpico Resistencia enEstado Seco

Dilatancia Tenacidad Tiempo de sedimentacinen prueba de dispersin

Limo arenoso ninguna a muy baja Rpida De dbil a baja De 30 a 60 min

Limo muy baja a baja Rpida De dbil a baja De 15 a 60 min

Limo arcilloso baja a media De rpida 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 das

Limo orgnico baja a media Lenta De dbil a baja De 15 min. a varias horas

Arcilla orgnica Media a muy alta Ninguna Alta De varias horas a das

2.6.2 Identificacin y Descripcin de Suelos Granulares

En campo se considera un tamao de 5 mm. para separar gravas de arenas. Las gravaspueden separarse en:

Gravas gruesas Entre 75 mm. y 19 mmGravas finas Entre 19 mm y 5 mm

En laboratorio las arenas pueden separarse en arenas gruesas, medias y finas, segn sutamao.

Arenas gruesas. Entre la malla N 4 (4,76 mm.) y la malla N 10 (2 mm.).Arenas medias. Entre la malla N 10 y la malla N 40 (0,425 mm.).Arenas finas. Entre la malla N 40 y la malla N 200 (0,075 mm.).

En la descripcin de un suelo granular se deben incluir ciertas caractersticas particulares deimportancia, 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. Tamao mximo de las gravas o bolones en pulgadas.

4. Tamao de los granos dominantes (para los suelos pobremente graduados, es decir,que no tienen una buena distribucin de tamaos, se debe indicar si las arenas songruesas, medias o finas, al igual que las gravas si son gruesas o finas).

5. Porcentaje de finos.

6 E t d d l t l ( i l t i l tit t d l t


21/482

6. Estado de las partculas (si el material constituyente de los granos no es sano y esta enestado de alteracin, las partculas pueden romperse entre las manos).

Adems de estos datos se debe indicar:

A) Angularidad

Describir la angularidad de la arena (solamente de la fraccin gruesa), grava, cantos rodados yboleos como angular, subangular, subredondeada y redondeada.

B) Forma

Si las partculas tienen forma chata, alargada o chata y alargada. Esta caracterstica es muyimportante porque el porcentaje de participacin de estas partculas est limitado segnespecificaciones. Las partculas chatas y alargadas pueden romperse durante la aplicacin delas cargas y modificar la granulometra del medio.

C) Otros

Otras caractersticas importantes son el color, cementacin, dureza y rango de partculas.

2.7 Ensayos de Laboratorio

Las muestras representativas se remiten al laboratorio para su respectivo ensayo. Los ensayosque generalmente se solicitan para caracterizar el suelo con fines de pavimentacin son:

2.7.1 Ensayos para Clasificacin de Suelos

A las muestras representativas de los estratos que conforman la subrasante (hasta unaprofundidad de 1.50 m), se les realiza el anlisis granulomtrico por tamizado y lmites deconsistencia. Estos resultados deben corroborar la identificacin visual realizada en

campo.

Los resultados del anlisis granulomtrico y los lmites de consistencia se reportangrficamente, como se muestra en la figura 2.1.


22/482

Figura 2.1: Anlisis granulomtrico por tamizado.

2.7.2 Contenido de Humedad

Para determinar el contenido de humedad de una muestra de suelo. Se obtieneaproximadamente 200 gr. de muestra que se protegen en un recipiente o una bolsacerrada. Esta muestra se traslada al laboratorio y se pesa. Se lleva al horno por 24 horas,

y luego de este perodo se vuelve a pesar.

El contenido de humedad se reporta en porcentaje como:

secosueloPeso

secosueloPesohumedosueloPeso(%)

=

2.7.3 Ensayo de Densidad Natural

El ensayo de densidad natural, permite conocer la condicin natural del terreno de fundacin.En suelos granulares ser importante si el terreno est compacto o suelto. En terrenos defundacin conformados por subrasantes arenosas y limo arcillosas, este valor permitir

remoldear muestras en el laboratorio a la densidad de campo. Las muestras as remoldeadas,sern ensayadas en la prensa de CBR para determinar el CBR de diseo.


23/482

2 7 4 Contenido de Sales Solubles (Carbonatos Cloruros y Sulfatos etc)


24/482

2.7.4 Contenido de Sales Solubles (Carbonatos, Cloruros y Sulfatos, etc)

En casos especiales, dependiendo de los condicionantes geolgicos de sitio, es importantedeterminar el contenido de sales solubles que pueden influir en el comportamientomecnico o impactar en las obras de concreto como son los cloruros y sulfatos. En zonas

ridas prximas a la lnea de costa es probable encontrar presencia significativa de salessolubles, ya que el mar es una fuente generadora de sales. Existe una regla en el sentidoque reas ubicadas a menos de 5 km. del mar presenta contenido de sales.

2.7.5 Ensayo Proctor Modificado, ASTM D 1557

La compactacin de suelos constituye un captulo importantsimo y se halla ntimamenterelacionada con la pavimentacin de carreteras, vas urbanas y pistas de aterrizaje. El ensayode compactacin mediante el ensayo de proctor modificado, relaciona la humedad del sueloversus su densidad seca, empleando un martillo de 4.54 kg (10 lb) soltado desde una alturade 457 mm (18 pulg), trasmitiendo una energa de compactacin de 56,000 lb-pie/pie3 2,700kN-m/m3.

El suelo extrado de campo es compactado en un molde de dimensiones conocidas, condiferentes contenidos de humedad. Para contenidos bajos de humedad el suelo no secompactar adecuadamente, porque no existe la lubricacin que permita el acomodo de laspartculas. Para altos contenidos de humedad el suelo pierde densidad, porque el agua entrelas partculas impide que estas se junten. Solo se tendr unamxima densidad seca, MDS.

La humedad a la que la muestra alcanza su mxima densidad seca, se denomina ptimo

contenido de humedad. Los resultados de este ensayo son graficados como se muestra en lafigura 2.2.

Los resultados de la figura 2.2 indican que el suelo ensayado alcanza su mxima densidadseca, MDS, a 2.176 gr/cm3 y el contenido de agua asociado a esta densidad, OCH, es7.88%.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 densidadde campo, generalmente, es mucho menor que la MDS.

La Humedad Natural de Suelos Arenosos y Limo-Arcillosos muchas veces alcanzanvalores muy por encima del O.C.H. y la Densidad Natural presenta valores mucho menoresal Ensayo Proctor Modificado. En Conclusin, el terreno de fundacin no alcanzar y/oestar lejos de la Densidad Equivalente al 95% 100% de la MDS, criterio que se asume

como regla general. Figura 2.3.


25/482


26/482

Los especimenes pueden ensayarse en su condicin natural o saturada, luego de un


27/482

perodo de inmersin en agua, la condicin saturada es la ms desfavorable.

El CBR es la relacin (expresada en porcentaje) entre la resistencia a la penetracinrequerida para que un pistn de 3 pulg2 de rea penetre 0.1 pulg dentro de un suelo entre

1000 psi que es la resistencia a la penetracin de una muestra patrn. La muestra patrnes una piedra chancada. El CBR se expresa como:

100lgpu/lb000,1

pulg0.1penetrarpararequerida(psi)npenetraciolaaaResistenciCBR

2=

En ocasiones, el CBR calculado para una penetracin de 0.2 pulg. con su correspondienteresistencia a la penetracin estndar de 1500 psi, puede ser mayor que el obtenido parauna penetracin de 0.1 pulg. Cuando esto ocurre, se debe realizar un nuevo ensayo, si losresultados son similares, el valor del CBR para 0.2 pulg de penetracin, se reporta como elCBR 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 losesfuerzos verticales transmitidos por las cargas de trnsito. La deformacin del suelo ladeflexin resultante debern ser menores a las admisibles.

Para que la estructura de pavimento se comporte adecuadamente y cumpla el perodo dediseo, presentar una deflexin mxima de 0.20 mm. para cargas estticas transmitidas porun eje estndar de 8.2 ton. La deflexin mxima, bajo cargas estticas, puede ser medida conla Viga Benkelman, esto significa que al nivel de subrasante la deflexin mxima ser de 0.5 a1 mm.

Los reglamentos estatales en EE.UU. recomiendan que el valor CBR de la subrasante debe sercomo mnimo entre 8 y 10%. Caso contrario, se deber primero estabilizar el terreno antes deconstruir la estructura del pavimento.

2.9 Estratigrafa de los suelos nomenclatura y simbologa

Se debe realizar la descripcin de los diferentes estratos que conforman el terreno investigado.Se detallaran las caractersticas fsicas, clasificacin visual, color, humedad, plasticidad de losfinos, consistencia o densidad relativa y algunas caractersticas particulares como cementacin,presencia de troncos, races o cualquier material extrao.

Se mencionar, adems, la profundidad a la que se encuentre el nivel fretico, si fuera el caso,


28/482

indicando la fecha de medicin y comentarios sobre su variacin en el tiempo.

Adems, es importante indicar, el resultado de los ensayos de laboratorio obtenidos para losestratos evaluados, de manera que la informacin sea mas clara.

2.10 Registros estratigrficos.

Todos los resultados de la evaluacin de campo y ensayos de laboratorio se indican en losregistros estratigrficos.

Los registros estratigrficos se preparan para cada calicata o cada exploracin con equipo depenetracin. Un ejemplo de registro de calicata con ensayo de penetracin ligera se muestra enla figura 2.4.

2.11 Perfil longitudinal del terreno

El perfil longitudinal del terreno en estudio es el resultado grfico de la interpolacin de lascalicatas. En este perfil se visualiza la disposicin de los estratos en toda la subrasante.

Los perfiles se obtienen de los trabajos de campo, como calicatas y ensayos de penetracin.Todos los resultados de laboratorio deben indicarse en este perfil. De esta manera se puedetomar la decisin de los trabajos que sern considerados en el diseo y ejecucin del proyecto.

eo

D


29/482

0 10 20 30 50

2.20 50

PROFUND

.

(METROS)

Tipo

de

Son

de

DESCRIPCION DEL MATERIAL

PROFUNDIDAD

(METROS) ENSAYO DE PENETRACION

LIGERA

Golpe x10cm.

GRAFICA DE N

0.10 0.10

Simbo

lo

SM

4

0.200.20 6

0.30

0.40

0.30 11

0.40 7

0.600.60 10

0.500.50 6

0.70

0.80 9

0.90 11

0.70 12

0.80

1.00

0.90

1.00 12

1.101.10 25

Arena limosa, humeda, con raicez, en estado suel to a semi-

compacto, cementado. Presencia de gravillas aisladas.NDPL de 6 a 12.

1.20

GP-GM

1.20 32

1.301.30 28

1.401.40 50

1.501.50 50

1.601.60 50

1.701.70 50

1.8050

1.901.90 50

2.002.00 50

2.102.10 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-GMHumedad, : 4.1%

Limite liquido, LL : 21%

Indice Plastico, IP : N.P.

% de finos

>

>

>

>

>

>

>

>

Figura 2.4: Ejemplo de registro de calicata y sondaje

CAPITULO 3:


30/482

MATERIAL DE PRSTAMO 3.1 Introducc in

Los agregados empleados en la construccin de carreteras, deben cumplir con requisitos degranulometra y especificaciones tcnicas, que garanticen un buen comportamiento durante superiodo de vida.

En este captulo se cubrir el tema de la granulometra y calidad de agregados queconformarn las capas de afirmado, sub base y base.

Durante los ltimos 10 aos se han desarrollado nuevas tecnologas y criterios para el diseode mezclas asflticas, variando los criterios del diseo de mezclas, pero los mtodos deevaluacin de calidad de los agregados no se ha modificado.

Las especificaciones granulomtricas de las carpetas asflticas, se vern con detalle en elcaptulo correspondiente, donde se tratar de los tipos de mezclas asflticas. Sin embargo, eneste captulo se consideran los ensayos de calidad de agregados para carpetas asflticas.

3.2 Especificaciones Tcnicas de Material de Prstamo: Afirmado,Sub Bases y Bases Granulares. Mezclas de Suelos y Agregados

3.2.1 Especificaciones Granulomtricas

Los materiales granulares que conformaran las capas de afirmado, sub base y base,deben cumplir con rangos granulomtricos especificados por el MTC.

La gradacin es una de las ms importantes propiedades de los agregados. Este afecta

casi todas las propiedades importantes de una mezcla asfltica en caliente, incluyendodureza, estabilidad, durabilidad, permeabilidad, trabajabilidad, resistencia a la fatiga,resistencia al rozamiento, y resistencia a la humedad. De esta manera, la gradacin es laprimera consideracin en un diseo de mezclas asflticas.

Tericamente, es razonable pensar que la mejor gradacin 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 estn sometidas a la accinde trfico pesado, en zonas de altura.

Las especificaciones granulomtricas vigentes en el Per son las EspecificacionesTcnicas Generales para Construccin de Carreteras EG-2000, del Ministerio de

Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construccin, Oficina de Control de Calidad. Enla tabla 31 se listan los rangos mximos y mnimos para materiales de afirmado En la


31/482

la tabla 3.1 se listan los rangos mximos y mnimos para materiales de afirmado. En lafigura 3.1 se grafican los rangos especificados.

Tabla 3.1: Huso Granulomtrico para Afirmado

Muestra Afirmado (% que pasa)Abertura

Tamiz A-2A-1(mm)

2" 50,000 100 -.-1 37.500 100 -.-1" 25,000 90-100 100,0

19.000 65-100 80-1003/8" 9,500 45-80 65-100N4 4,750 30-65 50-85N10 2,000 22-52 33-67N40 0,425 15-35 20-45N200 0,075 5-20 5-20

Especificaciones Tcnicas Generales para Construccin de Carreteras EG-

2000, Ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construccin,Oficina de Control de Calidad

Huso Granulomtrico para Afirmados

3"

2"

3/4"

N4

N200

0

20

40

60

80

100

0.010.1110100

Abertura (mm)

%a

cumuladoquepasa

A-2A-1

Figura 3.1: RangosGranulomtricos para Materiales de Afirmado,Sub-base y Base Granulares (MTC)

Las especificaciones tcnicas para rangos granulomtricos de materiales de sub base ybase, son los mismos. Las normas ASTM D 1241 las especifican bajo el ttulo StandardSpecification for Materials for Soil-Aggregate Subbase, Base and Surface Courses, sta

norma fue revisada por ltima vez en 1994. El Ministerio de Transportes y Comunicacionesla hizo suya y las consider dentro de las especificaciones emitidas en el ao 2000 La


32/482

la hizo suya y las consider dentro de las especificaciones emitidas en el ao 2000. Latabla 3.2 muestra las especificaciones granulomtricas para materiales de sub base y basegranular. En la figura 3.2 se muestran las especificaciones grficamente.

Tabla 3.2: Huso para Sub-Base y Base Granular

Porcentaje que pasa en pesoAbertura

Tamiz Gradacin B Gradacin C Gradacin DGradacin A(1)(mm)

2" 50,000 100 100 -.- -.-

1" 25,000 -.- 75-95 100 1003/8" 9,500 30-65 40-75 50-85 60-100N4 4,750 25-55 30-60 35-65 50-85N10 2,000 15-40 20-45 25-50 40-70N40 0,425 8-20 15-30 15-30 25-45N200 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); yEspecificaciones Tcnicas Generales para Construccin de Carreteras EG-2000, Ministerio deTransportes, Comunicaciones, Vivienda y Construccin, Oficina de Control de Calidad: (1) lacurva gradacin A deber 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 sersometidos a ensayos de suelos, debiendo cumplir con las especificaciones tcnicasemitidas por el Ministerio de Transportes y Comunicaciones EG-2000.

Los materiales que sern empleados como material de afirmado o sub base podr seragregado natural, triturado o una combinacin de ambos. Los agregados para basesdebern ser chancados.

Todos los agregados utilizados como afirmados, sub base y base sern resistentes, sinexceso de partculas chatas o alargadas, no podrn presentar terrones de arcilla ni materiaorgnica.

Los ensayos a los que estn sometidos los suelos son: Abrasin Los Angeles,Equivalente de Arena, ensayo de proctor modificado, CBR asociados a la mximadensidad seca y al ptimo contenido de humedad del proctor, partculas chatas yalargadas, caras de fractura, sales solubles y contenido de impurezas orgnicas.

Huso Granulo mtrico para Sub Bases y Bases Granulares

4" 4 2

00


33/482

3"

2"

3/4

N4

N2

0

20

40

60

80

100

0.010.1110100

Abertura (mm)

%a

cumuladoque

pasa

BA

Rango Granulo mtrico para Sub Bases y Bases Granulares

3"

2"

3/4"

N4

N200

0

20

40

60

80

100

0.010.1110100Abertura (mm)

%a

cumuladoquepasa

DC

Figura 3.2: Rangosgranulomtricos para materiales desub base y base granulares (MTC)

Las muestras al llegar al laboratorio se separan, porque sern ensayadas para queverifique diferentes requisitos de calidad. En la tabla 3.3 se muestra en resumen, los

ensayos a los que estn sometidas las muestras que conformarn las capas de afirmado,sub base, base o carpeta de rodadura.


34/482

Tabla 3.4: Especificaciones Tcnicas para Materiales empleados enConstruccin de Carreteras


35/482

Sub base granular Base granular


36/482

En ensayos de compresin simple, la resistencia no debe ser menor de 1.76 MPa (18kg/cm2) luego de 7 das de curado hmedo. Para el ensayo humedecimiento-secado, el

contenido de cemento deber ser tal, que la prdida de peso de la mezcla compactada, nosupere los siguientes lmites de acuerdo con la clasificacin que presente el suelo porestabilizar:

Suelo por estabilizar Prdida Mxima (%)

A-1, A-2-4, A-2-5, A-3 14

A-2-6, A-2-7, A-4, A-5 10A-6, A-7 7

b) Estabilizados con Cal

El terreno de fundacin se estabiliza con cal por diferentes razones: para agilizar la

construccin, en el tratamiento de suelos expansivos y para proporcionar una cimentacinfuerte a la estructura del pavimento. Un suelo estabilizado con cal puede ser rgido ydurable, mejorando el comportamiento del pavimento.

La incorporacin de cal a suelos de gradacin fina como las arcillas origina que loscationes de la superficie de arcilla sean sustituidos por los de xido de calcio,incrementando el pH y alterando la mineraloga de la superficie de las molculas de arcilla.

Esta alteracin reduce la capacidad de la arcilla para absorber agua y por lo tanto reducesu expansin y plasticidad, mejorando su estabilidad.

Se debe incorporar cal al suelo y mezclar, agregar agua durante el mezclado. El suelodebe encontrarse dentro de 2% del ptimo contenido de humedad previo a lacompactacin. La compactacin debe realizarse dentro de los 30 minutos posteriores almezclado final.

Los suelos que sern estabilizados con cal debern cumplir con las especificaciones de latabla 3.6, los suelos no deben tener mas del 3% en peso de materia orgnica.


37/482

El tamao mximo del agregado grueso que contenga el suelo no debe ser mayor de 1/3del espesor de la capa compactada de suelo-cal.

Tabla 3.6: Especificaciones de Agregado queser Estabilizado con Cal

Ensayo NormaAgregado Agregado

grueso finoASTM D-4318

Indice Plstico, % 10 a 50%

MTC E 111ASTM C-131Abrasin Los Angeles , % 50% mx1

MTC E 207ASTM C 88

Prdida con Sulfato de Sodio , % 12% mx 10% mx1MTC E 209

1 en caso el suelo forme parte de una capa estructural

Especificaciones Tcnicas Generales para Construccin de Carreteras EG-2000,MTC, OCC

La cal que se empleo para estabilizar bases de suelo-cal puede ser cal hidrulica y debesatisfacer los requisitos establecidos en la especificacin AASHTO M 216 o ASTM C 977.

La aplicacin de la cal puede variar entre 2 y 8% en peso de los materiales. Cuando lamezcla de suelo-cal sea usada como parte de una capa estructural, el CBR de la mezcladeber cumplir con las especificaciones citadas para materiales de sub base y base.

c) Mezclas de Suelos y Agregados

La combinacin de agregados es un tema conocido por todo los estudiantes de ingeniera,los mtodos son diversos, entre ellos se encuentran la dosificacin de los agregados porpeso y por mtodos grficos.

Se dar a continuacin un ejemplo del mtodo grfico del cuadrado, para combinacin dedos agregados.

Ejemplo: Combine los agregados A y B para que cumplan con las especificaciones:

Porcentaje que pasaTamiz N 3/4" 3/8" N4 N10 N40 N80 N200

Agregado A 100 48 31 25 22 15 8Agregado B 100 75 58 43 15 5 1Especificaciones 100 52-67 40-54 30-41 14-23 7-16 2-8

1.Se traza un cuadrado ABCD, sobre cuyos lados se marcan los porcentajes de 0 a 100de 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


38/482

2.Sobre AD se marcan los porcentajes de uno de los agregados y sobre BC losporcentajes del otro.

3.Se unen con una lnea continua los extremos correspondientes a un mismo tamiz,

escribiendo sobre esta lnea el tamiz al que corresponde. Sobre estas lneas se graficanpequeos cuadrados que representan los lmites superior e inferior de lasespecificaciones

4.Se unen los cuadrados de los lmites superiores (a, b, c, ......) y luego los cuadrados delos lmites inferiores (a , b , c , ...).

5.El espacio que une los cuadrados ms cercanos (a y b )representa el margen deporcentajes entre los cuales se puede hacer la combinacin de los dos materiales.

6.Para el ejemplo puede variar (a) entre 70% del agregado B ms 30% del agregado A; y(b ) de 35% del agregado B ms 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,

debern cumplir con las especificaciones de la tabla 3.4. Los ensayos considerados verificancierta caracterstica de los agregados, en este libro se describe las razones por las que seconsideran en las especificaciones.

Si el lector est interesado en conocer el procedimiento de ensayo, puede revisar el Manual deLaboratorio Ensayos para Pavimentos Volumen I, de S. Minaya y A. Ordoez, primera edicin,publicada por el Departamento de Mecnica de Suelos de la Universidad Nacional de

Ingeniera, 2001.

3.3.1 Ensayo de Abrasin por medio de la Mquina de Los ngelesASTM C-131, MTC E 207

Los agregados deben ser capaces de resistir el desgaste irreversible y degradacin

durante la produccin, colocacin y compactacin de las obras de pavimentacin, y sobretodo durante la vida de servicio del pavimento.

Debido a las condiciones de esfuerzo-deformacin, la carga de la rueda es transmitida a lasuperficie del pavimento a travs de la llanta como una presin vertical aproximadamenteuniforme y alta. La estructura del pavimento distribuye los esfuerzos de la carga, de unamxima intensidad en la superficie hasta una mnima en la subrasante.

Por esta razn los agregados que estn en, o cerca de la superficie, como son losmateriales de base y carpeta asfltica, deben ser ms resistentes que los agregadosusados en las capas inferiores, sub base, de la estructura del pavimento, la razn se debe


39/482

a que las capas superficiales reciben los mayores esfuerzos y el mayor desgaste por partede cargas del trnsito.


40/482

Por otro lado, los agregados transmiten los esfuerzos a travs de los puntos de contactodonde actan presiones altas. El Ensayo de Abrasin de Los ngeles, ASTM C-131 MTC

E 207, mide bsicamente la resistencia de los puntos de contacto de un agregado aldesgaste y/o a la abrasin.

El porcentaje de desgaste se calcula como la diferencia del peso inicial menos el peso finalde la muestra ensayada, entre el peso inicial.

100

P

PPdesgaste%

inicial

finalinicial

=

3.3.2 Ensayo de Durabilidad, Prdida con Sulfato de Sodio o MagnesioASTM C 88 MTC E 209

Es el porcentaje de prdida de material en una mezcla de agregados durante el ensayo de

durabilidad de los ridos sometidos al ataque con sulfato de sodio o sulfato de magnesio.Este ensayo estima la resistencia del agregado al deterioro por accin de los agentesclimticos durante la vida til de la obra. Puede aplicarse tanto en agregado grueso comofino.

El ensayo se realiza exponiendo una muestra de agregado a ciclos alternativos de bao deinmersin en una solucin de sulfato de sodio o magnesio y secado en horno. Una

inmersin y un secado se consideran un ciclo de durabilidad. Durante la fase de secado,las sales precipitan en los vacos del agregado. En la reinmersin las sales se rehidratan yejercen fuerzas de expansin internas que simulan las fuerzas de expansin del aguacongelada. El resultado del ensayo es el porcentaje total de prdida de peso sobre variostamices para un nmero requerido de ciclos. Los valores mximo de prdida sonaproximadamente de 10 a 20% para cinco ciclos de inmersin-secado.

Foto 3.1: Ensayo dedurabilidad

3.3.3 Porcentaje de Partculas Chatas y Alargadas.ASTM D-4791; MTC E 211


41/482

Se ha demostrado en un sin nmero de investigaciones, que el exceso de partculaschatas y alargadas, pueden perjudicar el comportamiento de la estructura del pavimento.

La carga proveniente del trfico puede quebrar las partculas y modificar la estructuraoriginal. Se denomina partcula chata cuando la relacin ancho/espesor es mayor de 1/3; yalargada cuando la relacin largo/ancho es mayor de 1/3.

3.3.4 Porcentaje de Caras FracturadasASTM D-5821; MTC E 210

Algunas especificaciones tcnicas contienen requisitos relacionados al porcentaje deagregado grueso con caras fracturadas con el propsito de maximizar la resistencia alesfuerzo cortante con el incremento de la friccin entre las partculas. Otro propsito es darestabilidad a los agregados empleados para carpeta o afirmado; y dar friccin y textura aagregados empleados en pavimentacin.

La forma de la partcula de los agregados puede afectar la trabajabilidad durante sucolocacin; as como la cantidad de fuerza necesaria para compactarla a la densidadrequerida y la resistencia de la estructura del pavimento durante su vida de servicio.

Las partculas irregulares y angulares generalmente resisten el desplazamiento(movimiento) en el pavimento, debido a que se entrelazan al ser compactadas. El mejorentrelazamiento se da, generalmente, con partculas de bordes puntiagudos y de forma

cbica, producidas, casi siempre por trituracin.

3.3.5 Ensayo de Equivalente en ArenaASTM D 2419; MTC E 114

Este mtodo de ensayo asigna un valor emprico a la cantidad relativa, finura y

caractersticas del material fino presente en una muestra de ensayo formado por suelogranular que pasa el tamiz N4 (4.75 mm). El trmino Equivalente de Arena transmite elconcepto que la mayora de los suelos granulares y agregados finos son mezcla departculas gruesas, arenas y generalmente finos.

Para determinar el porcentaje de finos en una muestra, se incorpora una medida de sueloy solucin en una probeta plstica graduada que luego de ser agitada separa el

recubrimiento de finos de las partculas de arena; despus de un perodo de tiempo, sepueden leer las alturas de arcilla y arena en la probeta. El equivalente de arena es larelacin de la altura de arena respecto a la altura de arcilla, expresada en porcentaje.Este mtodo proporciona una manera rpida de campo para determinar cambios en lacalidad de agregados durante la produccin o colocacin.


42/482

Foto 3.2: EnsayoEquivalente de Arena

3.3.6 Sales Solubles TotalesASTM D 1888; MTC E 219

El objetivo de este ensayo es cuantificar el contenido de cloruros y sulfatos, solubles enagua, de los agregados ptreos empleados en bases y mezclas bituminosas. Este mtodosirve para efectuar controles en obra, debido a la rapidez de visualizacin y cuantificacinde la existencia de sales.

Una muestra de agregado ptreo se somete a continuos lavados con agua destilada aebullicin. La presencia de sales, se detecta mediante reactivos qumicos, los cuales, almenor indicio de sales forman precipitados fcilmente visibles. Del agua total de lavado, setoma una parte y se procede a cristalizar para determinar la cantidad de sales presentes.

3.4 Ensayos para Cuantificar el Comportamiento Mecnico de las Capas

que conforman la Estructura del Pavimento

Los materiales que conformaran las capas de afirmado, sub base y base debern serensayados con el mtodo de proctor modificado para determinar su mxima densidad seca y eloptimo contenido de humedad. Con estos valores se prepararan especimenes remoldeadospara el ensayo de CBR. El CBR asociado al 95% de la mxima densidad ser el CBR dediseo para cada capa.

Se debe recalcar que el CBR asociado a la mxima densidad seca, es un mtodo que serecomienda usar slo en el caso de material de cantera (afirmado, sub base y base) o ensubrasantes granulares. No se recomienda emplear este mtodo en subrasantes finas.

CAPITULO 4:


43/482

MATERIALES ASFLTICOS 4.1 Antecedentes

El asfalto es uno de los materiales ms antiguos utilizados como aglutinante oimpermeabilizante. 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 IslaTrinidad 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 lagosde asfalto o aparecen impregnados en calizas, formaciones de areniscas o similares, formandolas llamadas rocas asflticas, tambin se encuentran mezclados por impurezas minerales.

Durante 1800 y 1900 la demanda de las carreteras pavimentadas se incremento tan rpido que

la extraccin y transporte desde los lagos de asfalto hasta la obra, fue limitando la construccinde estos pavimentos. Se tuvo que considerar otra fuente para producir asfalto, es as que lamayora de los asfaltos utilizados en la actualidad son provenientes del refine del petrleo.

4.2 Definiciones

Asfalto

ASTM lo define como un material cementante, de color oscuro y de consistencia variable, cuyarigidez depende de la temperatura en que se encuentre. A temperatura ambiente el asfalto esslido a semislido, y cuando su temperatura se eleva se vuelve lquido, esta condicin permiteque los agregados sean cubiertos completamente, durante la mezcla.

El asfalto usado en pavimentacin, generalmente llamado cemento asfltico, a altastemperaturas (135C) es poco rgido, condicin que permite que se adhiere fcilmente a laspartculas del agregado y, por lo tanto, es un excelente cemento que une los agregados enmezclas en caliente.

El cemento asfltico tambin es usado como impermeabilizante y no es afectado por loscidos, los alclis (bases) o las sales. Esto significa que un pavimento de concreto asfltico

construido adecuadamente es impermeable y resistente a muchos tipos de dao qumico .1

1 Principios de la Construccin de Mezcla Asfltica en Caliente. Serie de Manuales No.22 (MS-22), Asphalt Institute

El asfalto al entrar en contacto con el oxgeno del medio ambiente reacciona, perdiendo suspropiedades elsticas y volvindose duro y frgil. Esta es una de las caractersticas del asfaltoque trata de retardarse, pero que se desarrolla con el tiempo.


44/482

En una mezcla convencional (asfalto + agregado de granulometra completa) el porcentaje de

asfalto es de 6.5% y del agregado de 93.5% en peso de la mezcla, aprox.; sin embargo, esimportante resaltar como un material cuya participacin es mnima puede tener tanto efecto enel comportamiento de la mezcla. Foto 4.1.

Foto 4.1: Cemento asfltico a temperatura ambiente y de briquetapreparada con una mezcla cemento asfltico-agregado.

4.3 Refinamiento del petrleo

Si se tuviese en un depsito alcohol y agua y ste se llevase a calentar, a 72C aprox. elalcohol comenzara a evaporarse. Cuando la temperatura alcance los 100C el agua seevaporara. De manera similar se refina el petrleo.

Mediante el incremento paulatino de temperatura el crudo del petrleo se descomponeliberando los solventes ms livianos, como la gasolina, el kerosene y el diesel. Para separar losdestilados mas pesados, no solo es necesario incrementar la temperatura sino someterlo avaco. Luego de un periodo de tiempo se obtendr el cemento asfltico.

En la figura 4.1 se muestra la temperatura a la cual los solventes se van separando del crudodel petrleo. En la figura 4.2 hay un esquema del proceso de refine del petrleo.


45/482

Figura 4.1: Productos y TemperaturasTpicas de Destil acin

Principios de la Construccin de Mezcla Asfltica enCaliente. MS-22, Asphalt Inst itute

Si el cemento asfltico se combina con algn solvente se obtienen los asfaltos diluidos ocutbacks. As, si el asfalto se combina con gasolina ser asfalto de curado rpido (RapidCured, RC), si se combina con kerosene ser de curado medio (Medium Cured, MC) y condiesel del curado lento (SlowCured, SC).

Si el cemento asfltico se combina con agua y un agente emulsificante se obtienen los asfaltosemulsificados.

Tanto en el caso de asfaltos diluidos como de asfaltos emulsificados, el objetivo es darletrabajabilidad al cemento asfltico. Puesto que en esta condicin los asfaltos pueden trabajarsea temperaturas que van de 60 a 20C, respectivamente. Luego de la colocacin de la mezclael solvente o el agua se evaporar y quedar el asfalto solo. Por lo tanto es importante conocerel comportamiento mecnico del cemento asfltico.

Almacenamiento de campo BombeoPozo de petroleo


46/482

Dest

Aire

Almacenamiento

Torre deDestilacion

GAS

PETROLEO

ARENA Y AGUA

Condensadores yenfriadores

Refinera

Asfalto refinado

al aire

Calentador de tubos

Figura 4.2: Refinamien

4.4 Compor tamiento mecnico del Cemento Asfltico

La naturaleza del asfalto es viscoelstica, esto quiere decir que su comportamiento depende dela temperaturayel tiempodeaplicacinde lacarga Elasfaltoaaltas temperaturas tienemenor


47/482

la temperatura y el tiempo de aplicacin de la carga. El asfalto a altas temperaturas tiene menorrigidez, tpico durante la temperatura de mezcla (135C). A medida que la temperatura

desciende el asfalto se vuelve ms rgido. A temperaturas muy bajas es asfalto puedeagrietarse porque se vuelve frgil y quebradizo.

COMPORTAMIENTO REAL

Rigidez Rigidez

Figura 4.3 Comportamiento del Asfalto

Un comportamiento anlogo se observa cuando se grafica el tiempo de aplicacin de la carga(velocidad) y la rigidez. Cuando las cargas aplicadas son rpidas el asfalto tiene mayor rigidezy cuando las cargas son lentas hay menor rigidez y mayor deformacin.

4.4.1 Comportamiento a altas temperaturas

En climas clidos (el oriente del Per, pocas de verano) o sometido a cargas de trficolentas (intersecciones, tramos en pendiente), el cemento asfltico se comporta como unlquido viscoso, dejando que el agregado soporte las cargas cclicas. Con esta condicin laestructura granular de la mezcla asfltica cumple un papel muy importante. El asfalto soloes el aglutinante.

Por definicin, la viscosidad es la caracterstica fsica del material que describe laresistencia de los lquidos a fluir. Si el flujo del cemento asfltico en caliente es lento puedeser observado microscpicamente como capas adyacentes de molculas deslizndoseunas sobre otras. La resistencia o friccin entre capas se relaciona a la velocidad relativade deslizamiento.

-50 0 50 100 150

T [C]Tiempo de carga [s]10

-s10

10

FrgilFrgil

Dctil

Dctil

La viscosidad es una caracterstica que ayuda a diferenciar a los lquidos y se define comoel esfuerzo de corte entre la velocidad de deformacin por corte. La figura 4.4 muestra unjuego de cartas que tienen una lnea vertical marcada a un lado. Cuando se aplica el corteen el punto superior las cartas tratan de deslizarse una sobre la otra y los puntos


48/482

en el punto superior, las cartas tratan de deslizarse una sobre la otra y los puntosmarcados en las cartas empiezan a separarse. La velocidad al corte es la velocidad a la

cual estos puntos se separan.

Direccin del flujo delas capas

Esfuerzo de corte,entre capas

n

2

1

Capa No:

n

2

1

Capa No:

Figura 4.4: Caractersticas del Flujo de Lquidos

Los fluidos Newtonianos tienen una relacin lineal entre el esfuerzo de corte y la velocidadrelativa. El aire, agua y asfalto caliente (a temperaturas mayores que 60C) soncomnmente fluidos Newtonianos. A temperaturas moderadas, la viscosidad del asfaltodecrece cuando la velocidad relativa se incrementa.

Los lquidos viscosos como el asfalto caliente algunas veces son llamado plsticos porque

una vez que empiezan a fluir no retornan a su posicin original. El rutting o ahuellamientoes la acumulacin de deformaciones plsticas no recuperables.

Foto 4.2: Ahuellamiento o deformacin permanente o rutting

4.4.2 Comportamiento a bajas temperaturas

En climas fros o bajo aplicaciones de carga rpida, el cemento asfltico se comporta comoun slido elstico Los slidos elsticos son como ligas porque cuando cesa la carga que


49/482

un slido elstico. Los slidos elsticos son como ligas porque cuando cesa la carga quelos deforma, regresan a su posicin original.

Si el material se esfuerza ms all de su capacidad, el slido elstico puede romperse. Elagrietamiento por bajas temperaturas algunas veces ocurre en los pavimentos cuandoestn sometidos a climas fros (Conococha, Ticcllo). En estos casos, las cargas aplicadasproducen esfuerzos internos que se acumulan en el pavimento asfltico que tender acontraerse mientras su movimiento es restringido por las capas inferiores.

Foto 4.3: Agrietamiento por bajastemperaturas o low

temperatura cracking

4.4.3 Comportamiento a temperaturas intermedias

En estos climas el asfalto muestra caractersticas de lquido viscoso y slido elstico. Aestas temperaturas, el asfalto es un excelente material adhesivo usado en pavimentacin.Cuando se calienta el asfalto acta como un lubricante, permitiendo mezclarse con elagregado, cubrirlo y compactarse formando una superficie lisa y densa. Tan pronto comose enfra, el asfalto acta manteniendo juntos los agregados en la matriz slida. En esta

etapa el comportamiento del asfalto es viscoelstico, es decir, tiene caractersticaselsticas y viscosas, dependiendo de la temperatura y velocidad de aplicacin de carga.

4.4.4 Comportamiento del ligante envejecido

Como el cemento asfltico est compuesto por hidrocarburos (combinacin de hidrgeno ycarbono) y nitrgeno, oxgeno y otros elementos. El asfalto cuando se disuelve en heptano


50/482

carbono) y nitrgeno, oxgeno y otros elementos. El asfalto cuando se disuelve en heptanose descompone en asfaltenos y maltenos.

Los asfaltenos le proporcionan al asfalto el color y rigidez. Los maltenos son lquidosviscosos compuestos de resinas y aceites. Las resinas son, por lo general, lquidospesados de color mbar 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 elmedio de transporte de asfaltenos y resinas.

Durante la reaccin con el oxgeno del medio ambiente, esto ocurre principalmente cuandoel asfalto tiene elevadas temperaturas o cuando una pelcula delgada de asfalto recubre lapartcula, Las resinas se convierten gradualmente en asfaltenos y los aceites en resinas,ocasionando as un incremento en la rigidez del asfalto. Esta reaccin se denominaoxidacin. La oxidacin cambia la estructura y composicin de las molculas de asfaltohacindolo ms frgil o quebradizo.

La inapropiada compactacin puede generar oxidacin o endurecimiento prematuro. Enestos casos, los inadecuados niveles de compactacin tienen altos porcentajes de vacosde aire interconectados, que permiten que ms aire o el agua penetre en la mezclaacelerando la oxidacin.

4.5 Esfuerzos y Deformaciones en ensayos dinmicos

Las cargas aplicadas al pavimento son mviles, cuando la carga se acerca al punto de anlisisubicado en la carpeta asfltica, sta se deforma debido a que la presin se incrementa, existeentonces incremento tanto de la carga como la deformacin. Cuando la carga se aleja, lapresin en el punto de anlisis disminuye y deformacin en la carpeta cesa, esta condicin nose da de manera simultnea, existe un tiempo de retardo, , como se puede ver en la figura4.5.

4.6 Especificaciones y ensayos para cementos asflticos

Como la qumica del asfalto es muy compleja, la experiencia ha demostrado que lasespecificaciones deben estar relacionadas con las propiedades fsicas o de manera msprecisa, con su comportamiento mecnico. Las especificaciones actuales en el Per utilizan

todava los ensayos de penetracin, viscosidad y ductilidad para evaluar el asfalto. Muchos delos ensayos actuales son empricos, significando que la experiencia es todava necesaria paraque los resultados de los ensayos se puedan interpretar adecuadamente. Sin embargo, talprctica ha demostrado que tiene importantes limitaciones.

Veloc.


51/482

Terreno defundacin

Carpeta asfltica

o o

Tiempo

Figura 4.5: comportamiento esfuerzo-deformacin en mezclas asflticas

Reconociendo las deficiencias de tal sistema, las agencias estatales de carreteras de losEstados Unidos tuvieron que implementar un programa de investigacin para adoptar un nuevosistema para especificar el pavimento asfltico. En 1987, la SHRP inici estudios paradesarrollar nuevos ensayos que permitan medir las propiedades fsicas del asfalto. La inversinde $50 millones de dlares se plasm en las especificaciones del Ligante Superpave, querequiere de un nuevo paquete de equipos para ensayos y procedimientos. Se llamespecificaciones del ligante porque se engloba a los asfaltos modificados y no modificados.

El avance ms significativo fue probablemente cambiar ensayos empricos por ensayos dondeel ligante puede ser caracterizado a variaciones de temperaturas controladas obtenidas decampo.

Los ensayos de Remetro de Corte Dinmico (DSR), Remetro de Viga de Flexin (BBR) yEnsayo de Tensin Directa (DTT) reemplazaron a los ensayos de viscosidad, penetracin y

ductilidad, respectivamente. Junto con el envejecimiento en planta (RTFO) se adopt elenvejecimiento durante la vida de servicio (PAV).

4.6.1 Ensayos de Penetracin y Viscosidad

Ensayo de Penetracin

Entre los aos 40 y 50 el sistema de clasificacin por penetracin fue usado en los EE.UU.y Canad. El ensayo de penetracin realizado a 25C (temperatura elegida como elpromedio de la temperatura de servicio del pavimento), indica la rigidez del asfalto, quesolo puede ser relacionado con su comportamiento en campo mediante la experiencia.

Como el valor de la penetracin no es una medida fundamental dicho valor no puede serracionalmente incluida en modelos mecansticos.

El ensayo consiste en aplicar una carga patrn en la superficie de una muestra de cemento


52/482

asfltico a 25C. Se debe medir la penetracin de la aguja en la muestra, luego de 5

segundos. Si el asfalto es duro la penetracin ser menor que cuando el asfalto es blando.Se recomend siempre la utilizacin de asfaltos duros para carreteras en la selva mientrasque los blandos eran recomendados para carreteras en la sierra o zonas con bajastemperaturas.

100 g

Inicial

Penetracin de 0.1 mm

Luego de 5 s.

Cemento asfltico a 25C Cemento asfltico a 25C

Figura 4.6: Esquema del Ensayo de Penetracin

La figura 4.7 muestra uno de los mayores problemas de clasificar el asfalto porpenetracin, como se muestra se pueden tener tres tipos de asfalto de diferentes fuentescon la misma clasificacin por penetracin (25C), pero con diferentes propiedades atemperaturas diferentes.

Temperatura, C

Alto

Bajo

Medio

Figura 4.7: Compor tamiento de asfaltos de diferentes fuentes,clasificados con el mismo grado de penetracin


53/482

La viscosidad cinemtica se ensaya a 135C y mide el tiempo requerido para que unvolumen fijo de lquido fluya, por capilaridad, a travs de un viscosmetro, a esatemperatura solo se requiere de la gravedad para que el asfalto fluya. Figura 4.9.


54/482

marcas

Lnea dellenado

Figura 4.9: Viscos idad Cinemtica

4.6.2 Ensayos del asfalto segn metodologa Superpave

Entre los aos 80 y 90 la Pacific Coast User Producer Conference adopt un nuevosistema de especificacin propuesto por J. Goodrich y R. Reese2, llamadoEspecificaciones de Asfalto basado en su Performance (PBA) que intent incluir lasvariaciones regionales de climas y el envejecimiento o deterioro del asfalto durante su vidade servicio.

Las especificaciones del ligante Superpave consisten en someter a las muestras aensayos que representen las tres etapas crticas durante la vida del ligante.

Los ensayos realizados en el ligante original representan la primera etapa crtica de lavida del ligante que corresponde al transporte, almacenamiento y manipuleo.

La segunda etapa representa el asfalto durante la produccin de las mezclas yconstruccin y es simulado por un proceso de envejecimiento en el Horno Rotatorio dePelcula Delgada. Este procedimiento expone la pelcula delgada del ligante acalentamiento y aire aproximndolo al envejecimiento del asfalto durante la mezcla yconstruccin.

2The Future of Performance-Related Binder Specificcations. L. Zanzotto y otros. 2000.

La tercera etapa ocurre cuando el ligante se envejece durante la operacin o vida deservicio. Esta etapa se simula con el ensayo de Envejecimiento en la Cmara de PresinVessel. Este procedimiento expone la muestra de ligante a calentamiento y presin parasimular el envejecimiento durante la vida de servicio.


55/482

Las especificaciones del ligante Superpave y los mtodos de ensayo usados paracaracterizar el asfalto estn siendo actualmente evaluados por la AASHTO y ASTM. Eneste texto se incorporan los ltimos procedimientos y especificaciones, sin embargo, estospueden ser modificados.

Los ensayos Superpave miden las propiedades fsicas que se pueden relacionardirectamente con el comportamiento en campo por principios ingenieriles. Los ensayos serealizan a la temperatura de servicio del pavimento. La Figura 4.10 describe como cadaensayo est relacionado al comportamiento del ligante en campo.

Grado de Performance

A diferencia de las especificaciones anteriores, la especificacin del ligante Superpave sebasa directamente en las propiedades fsicas bsicas del ligante y su comportamiento

observado. El grado de comportamiento del ligante o performance graded (PG) seselecciona basado en las temperaturas extremas de servicio del ligante.

La diferencia entre los diferentes tipos de PG o grados del ligante vienen a ser lastemperaturas mnima y mxima de servicio. Por ejemplo, un ligante clasificado como PG58-34 se le evaluar fsicamente a 58C y 34C.

Tmnima anual del pavimentoGrado de performance

Promedio de la temp. mx. delpavimento durante 7 das

PG 58-34

El Ministerio de Transportes y Comunicaciones dividi el Per en regiones segnEspecificaciones SHRP.


56/482

Produccin


57/482

Rutting A

DSR RVRemetro de Corte DViscosmetro Rotacional

Figura 4.10: Ensayos del Ligante Superpave relaci


58/482

Envejecimiento del Asfalto

Ensayo de Pelcula Fina en Horno Rotatorio, RTFOAASHTO T240 ASTM D 2872


59/482

El ensayo de Pelcula Fina en Horno Rotatorio, RTFO simula el envejecimiento corto delligante, producido durante el transporte, manipuleo y produccin. En la prueba, el liganteen forma de pelcula fina es sometido a calentamiento y un flujo de aire.

El procedimiento de ensayo requiere de un horno elctrico con base circular giratoria (Foto4.4). La base circular sujeta envases de muestra que rotan alrededor de su centro. Seaplicar flujo de aire dentro de cada envase de muestra con una boquilla ubicada en laparte inferior de la base rotatoria. El horno RTFO debe ser precalentado a la temperaturade envejecimiento de 163C, por un perodo mnimo de 16 horas antes de ser usado.

Envase paramuestra

Ventilador

Surtidor deaire

Foto 4.4 Ensayo de Pelcula Fina en Horno Rotatorio

Presin de Envejecimiento Vessel, PAV. AASHTO PP1

El ensayo de Presin Vessel, PAV simula el envejecimiento largo del ligante, para unperodo de servicio entre 7 a 10 aos. Como el ligante es sometido a un envejecimientolargo (durante vida de servicio) debe haber sufrido envejecimiento corto (durante la mezclay construccin), por lo que la muestra que se envejece en el PAV ser aquella que fuepreviamente envejecida en el RTFO.

Cmara depresin Vessel


60/482

presin Vessel

Portamuestras

Bases

Foto 4.5: Equipo para ensayo de Presin de Envejecimiento Vessel

El envejecimiento se realiza a diferentes temperaturas dependiendo del clima de diseo.Cuando la temperatura del Vessel est dentro de 2C de la temperatura requerida, se

aplica la presin. Luego de 20 horas, la presin se disminuye paulatinamente y elportamuestras se retira del PAV y guardan cuidadosamente.

Ensayos Reolgicos

Viscosmetro Rotacional, RV. ASTM D4402

El ensayo en el viscosmetro rotacional o de Brookfield es usado para determinar lascaractersticas de flujo del ligante asfltico asegurando que puede ser bombeado ymanipulado para la mezcla en caliente. Como se muestra en la Foto 4.6, el viscosmetrorotacional est compuesto por un contenedor trmico, un controlador de temperatura, ejede extensin, llaves de control y lector digital. El viscosmetro automticamente calcula la

viscosidad a la temperatura de ensayo.

Remetro de Corte Dinmico, DSR. AASHTO TP5

El Remetro de Corte Dinmico, DSR determina el comportamiento elstico-viscoso delligante a travs del Mdulo de Corte Complejo, G* y el ngulo de fase, paratemperaturas altas e intermedias.

El ensayo consiste en colocar la muestra de asfalto entre dos platos paralelos, uno que esfijo y el otro oscilante. Todos los ensayos en ligante Superpave se hacen a una frecuenciade 10 rad/s que es aproximadamente igual a 1.59 Hz (ciclos por segundo).


61/482

Contenedortrmico

Controlador detemperatura

Eje deextensin

Foto 4.6: Viscosmetro Rotacional

El Mdulo de Corte Complejo, G* es la resistencia del material a deformarse cuando se

expone a pulsos repetidos de esfuerzos cortante, tiene 02 componentes: elstico(recuperable) y viscoso (no recuperable). A temperaturas altas, el asfalto se comportacomo un lquido viscoso, sin capacidad de recuperacin con = 90 (componentesolamente viscoso) en la Figura 4.11.

Comportamiento Viscoso

ComportamientoElstico

Ambos comportamientosvisco-elstico

Figura 4.11: Comportamiento Visco-elstico

A bajas temperaturas, el asfalto se comporta como un slido elstico. Esta condicin serepresenta en el eje horizontal (solamente componente elstica) en la figura 4.11. En estecaso, = 0.

V1G1

V2 G2*

E2

2

*

E1

1

Bajo temperaturas normales de pavimento y cargas de trfico, el asfalto acta concaractersticas de slido elstico y lquido viscoso. En la Figura 4.11 G1* y G2* representanlos mdulos complejos de los asfaltos 1 y 2. El asfalto 2 es ms elstico que el asfalto 1,porque su es menor.


62/482

Remetro de Viga de Flexin, BBR. AASHTO TP1

El Remetro de Viga de Flexin, BBR determina la propiedad del ligante a bajastemperaturas. El BBR se usa para medir cmo el ligante se deflecta o fluye bajo carga ytemperatura constante. Las temperaturas de ensayo en el BBR se relacionan a lastemperaturas de servicio mnimas del pavimento, cuando el asfalto acta mas como unslido elstico. De esa manera, el ensayo se realiza sobre ligante doblemente envejecidoen RTFO y PAV.

Sobre una viga de asfalto se aplica manualmente una carga y se mide la deflexin con eltransductor de deformaciones, Figura 4.12. Durante el ensayo se grafica la carga ydeflexin versus el tiempo. Luego de 240 segundos, la carga de ensayo esautomticamente retirada y el software del remetro calcula la rigidez al flujo y razn deflujo.

Posicinoriginal de la

viga de asfalto

Posicindeflectada de laviga de asfalto

Transductor dedeformaciones

Figura 4.12: Ensayo de Viga de Flexin, BBR

Superpave especifica que la rigidez del ligante sea menor a 300 MPa. En caso de que larigidez se ubique entre 300 y 600 MPa, comportamiento poco dctil del ligante a bajatemperatura, deber realizarse el ensayo de Tensin Directa, DTT a la temperatura mnimaincrementado en 10C con el ligante envejecido, PAV.

Ensayo de Tensin Directa, DTT. AASHTO TP3

El equipo que mide la cantidad de deformacin del ligante antes de la falla a temperaturasmuy bajas es el ensayo de tensin directa, DTT. El ensayo se realiza a un rango de

temperatura entre 0C a 36C. El ligante debe ser doblemente envejecido por RTFO yPAV.

El ensayo DTT consiste en jalar un espcimen de asfalto hasta que falle. La elongacin ala que falla, se usa para calcular la deformacin de falla, que es un ndice que despeja lad d d t l li t (f il d til) b j t t d L


63/482

duda de cmo se comportara el ligante (frgil o dctil) a bajas temperaturas de ensayo. LaFig. 4.13 ilustra el procedimiento de ensayo.

Le

Carga

Carga

L( )

( )e

LefectivaLongitud

Llongituddevariacinfalladendeformaci

=

Figura 4.13: Ensayo de Tensin Directa, DTT

4.7 Asfaltos diluidos y Emulsiones Asflticas

El uso de emulsiones asflticas se ha ido incrementando por una serie de razones, entre ellaspor salud, seguridad, medio ambiente, costos y tcnicas. La emulsin asfltica consiste de tresingredientes bsicos: asfalto, agua y agente emulsivo.

Mezclar agua y asfalto es una tarea tan similar a la del mecnico que intenta lavar, solo conagua, sus manos engrasadas. Slo con detergente o con un agente jabonoso la grasa puedeser exitosamente removida. Las partculas de jabn rodean los glbulos de grasa, rompen latensin superficial que los mantiene unidos, y permiten que sean eliminados .3

Anlogamente el agente emulsivo rompe la tensin superficial del asfalto separndolo endiminutos glbulos dispersos en un medio acuoso. Cuando el asfalto rompa, las molculas deasfalto dispersas se volvern a reunir. Al curar el agua se evapora y el residuo asflticoconserva toda la capacidad adhesiva, y resistencia al agua propia del cemento asfltico con elcual fue elaborado.

Las emulsiones asflticas pueden clasificarse en aninicas y catinicas, que se refieren a lascargas elctricas que rodean las partculas de asfalto.

3 Emulsiones asflticas, MS-19, Asphalt Institute.

La segunda clasificacin de las emulsiones se basa en la velocidad con que las gotas deasfalto coalescen, esto es, se juntan restaurando el volumen de cemento asfltico.

4.8 Asfaltos Modificados

Como material viscoelstico el asfalto tiene una gran importancia en la determinacin de


64/482

Como material viscoelstico, el asfalto tiene una gran importancia en la determinacin demuchos aspectos del comportamiento de la carretera. Por ejemplo, una mezcla bituminosanecesita ser lo suficientemente flexible a temperaturas bajas de servicio, para prevenir losagrietamientos trmicos, y lo suficientemente resistente para soportar las deformacionespermanentes. Esas propiedades son necesarias para que el pavimento sea capaz de soportarel crecimiento de trfico con variaciones climticas. Lamentablemente las mezclas bituminosascon asfalto convencional, no siempre tienen el comportamiento deseado. Para tal sentido sehan desarrollado algunos modificadores.

Los polmeros se clasifican de innumerables maneras, de acuerdo con la necesidad; sinembargo, la clasificacin ms usada es:

a) Termorgidos, son aquellos que por accin del calor se endurecen de forma irreversible

b) Termoplsticos, son aquellos que por accin del calor se ablanda de forma reversible,endurecindose cuando se enfran. Ejemplo: EVA, polietileno, etc.

c) Elastmeros, son aquellos que cuando calentados se descomponen antes deablandarse y presentan propiedades elsticas que recuerdan al caucho.

d) Elastmero-termoplstico, son aquellos que al ser calentados se comportan comotermoplsticos, y a temperatura bajas presentan propiedades elsticas, como por ejemploel SBS.

As fal tos Modi ficados con SBS

El principal propsito de utilizar modificadores de caucho en mezclas asflticas en caliente esincrementar la rigidez de la mezcla a altas temperaturas, volverlo ms elstico y resistente al

agrietamiento por fatiga a temperaturas intermedias de servicio y no modificar su rigidez abajas temperaturas de servicio para resistir el agrietamiento trmico.

Los dominios poliestirnicos se funden encima de los 90C y el dominio polibutadinico setorna rgido prximo a 90C, por esa razn el SBS es usado como modificador del cementeasfltico tanto en zonas de muy alta temperatura como en zonas con muy bajas temperaturas.

En zonas donde las temperaturas son mucho ms altas que el punto de ablandamiento delcemento original, cuando se presenta un flujo prcticamente viscoso, el SBS forma una mallaque envuelve el ligante fluido, manteniendo alta consistencia en el sistema debido al estadoslido del dominio del estireno.

En zonas donde las temperaturas son muy bajas el cemento asfltico tiene un comportamientoms rgido. El SBS disminuye bastante el punto de ruptura Fraass de la mezcla, confiriendoconfirindole elasticidad a bajas temperaturas.

Con la elevacin del punto de ablandamiento y al mismo tiempo la disminucin del punto deruptura Fraass del cemento asfltico la presencia del elastmero termoplstico SBS en el


65/482

ruptura Fraass del cemento asfltico, la presencia del elastmero termoplstico SBS en elcemento asfltico incrementa considerablemente el rango de plasticidad, lo que significa unaconsiderable reduccin de su susceptibilidad trmica, que es la cualidad mas buscada entre losmodificadores del cemento asfltico.

4.9 VISCOSIDAD DEL ASFALTO ORIGINAL

La viscosidad del asfalto original (no envejecido) a 25C puede calcularse conociendo lapenetracin del asfalto, el modelo desarrollado por Mirza y otros (AAPT 1995) de la Universidadde Maryland es:4

2Pen003890Pen26012501210 )log(.)log(..log += (4.1)

El valor de la viscosidad se expresa en

Documents

DISEÑO MODERNO PAVIMENTOS ASFALTICOS