Suelos y revestimiento.pdf

93

5.3 SUELOS Y CAPAS DE REVESTIMIENTO GRANULAR

Las carreteras por sus capas superiores y superficie de rodadura pueden ser clasificados como sigue: i CON SUPERFICIE DE RODADURA NO PAVIMENTADA

a. Carreteras de tierra constituidas por suelo natural y mejorado con grava seleccionada por zarandeo.

b. Carreteras gravosas constituidas por una capa de revestimiento con material

natural pétreo sin procesar, seleccionado manualmente o por zarandeo, de tamaño máximo de 75 mm.

c. Carreteras afirmadas constituidas por una capa de revestimiento con

materiales de cantera, dosificadas naturalmente o por medios mecánicos (zarandeo), con una dosificación especificada, compuesta por una combinación apropiada de tres tamaños o tipos de material: piedra, arena y finos o arcilla, siendo el tamaño máximo 25mm. c.1 afirmados con gravas naturales o zarandeadas. c.2 afirmados con gravas homogenizadas mediante chancado.

d. Carreteras con superficie de rodadura estabilizada con materiales industriales: d.1 Afirmados con grava con superficie estabilizada con materiales como:

asfalto (imprimación reforzada), cemento, cal, aditivos químicos y otros. d.2 Suelos naturales estabilizados con: material granular y finos ligantes,

asfalto (imprimación reforzada), cemento, cal, aditivos químicos y otros. ii CON SUPERFICIE DE RODADURA PAVIMENTADA (No aplicable a este manual)

e. Pavimentos de adoquines de concreto;

f. Pavimentos flexibles:

f.1 Con capas granulares (sub base y base drenantes) y una superficie bituminosa de espesor de hasta 25mm (tratamiento superficial bicapa).

f.2 Con capas granulares (sub base y base drenantes) y una capa bituminosa de espesor variable > 25mm (carpetas asfálticas).

g. Pavimentos semi rígidos, conformados con solo capas asfálticas (full depth).

h. Pavimentos rígidos, conformado por losa de concreto hidráulico de cemento

Portland. Para los propósitos de éste manual, son aplicables a las carreteras de bajo volumen de tránsito, no pavimentados, los tipos a, b, c y d. El manual considera soluciones estructurales con materiales tradicionales cuyas propiedades mecánicas y comportamiento son conocidos y están considerados en el Manual de Especificaciones Técnicas Generales para la Construcción de Carreteras No Pavimentadas de Bajo Volumen de Tránsito. También forman parte de esta norma las estabilizaciones y mejoramientos de suelos de la subrasante o de las capas de

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revestimiento granular. Para la estabilización química de los suelos se utilizará la Norma Técnica de Estabilizadores Químicos MTC E 1109-2004. En el funcionamiento estructural de las capas de revestimiento granular influye el tipo de suelo de la subrasante, el número total de los vehículos pesados por día o durante el período de diseño, incluido las cargas por eje y la presión de los neumáticos. La demanda, medida en EE o por vehículos pesados, es particularmente importante para ciertos tipos de carreteras de bajo volumen pero que pudieran tener alto porcentaje de vehículos pesados, como los que se construyen para propósitos especiales como el minero y forestal (extracción de madera). 5.3.1 TRÁFICO Desde el punto de vista del diseño de la capa de rodadura sólo tienen interés los vehículos pesados (buses y camiones), considerando como tales aquellos cuyo peso bruto excede de 2.5 tn. El resto de los vehículos que puedan circular con un peso inferior (motocicletas, automóviles y camionetas) provocan un efecto mínimo sobre la capa de rodadura, por lo que no se tienen en cuenta en su cálculo. El tráfico proyectado al año horizonte, se clasificará según lo siguiente:

CLASE T0 T1 T2 T3

IMDA (Total vehículos ambos

sentidos) <15 16 - 50 51 - 100 101 - 200

Vehículos pesados (carril de

diseño) <6 6 - 15 16 - 28 29 - 56

N° Rep. EE (carril de diseño)

< 2.5 x 104 2.6x104–7.8x104 7.9x104- 1.5x105 1.6x105 -3.1x105

Para la obtención de la clase de tráfico que circula para el tramo en estudio, se realizará lo siguiente: a. Identificación de sub tramos homogéneos de la demanda. b. Conteos de tráfico en ubicaciones acordadas con la entidad y por un período

mínimo de 3 días (1 día de semana+sábado+domingo), de una semana que haya sido de circulación normal. Los conteos serán volumétricos y clasificados por tipo de vehículo.

c. El estudio podrá ser complementado con información de variaciones mensuales,

proveniente de estaciones de conteo y/o pesaje del MTC cercanas al tramo en estudio que sea representativo de la variación de tránsito del proyecto.

d. Con los datos obtenidos se determinará el número de vehículos (IMDA) y la

cantidad de pesados (buses+camiones) para el carril de diseño, suficientes para definir la clase tipo de tráfico. No obstante, será necesario obtener el número de repeticiones de Ejes Equivalentes (EE) para el período de diseño.

e. El concepto de EE corresponde a la unidad normalizada por la AASHTO que

representa el deterioro que causa en la capa de rodadura un eje simple cargado con 8,16 toneladas. Para el cálculo de los factores destructivos por eje equivalente

95

calculados, se toma en cuenta el criterio simplificado de la metodología AASHTO, aplicando las siguientes relaciones:

Tipo de eje Eje equivalente EE 8.2tn

Eje simples de rueda simples [P/6.6]4

Eje simple de rueda doble [P/8.16]4

Eje tandem de rueda doble [P/15.1]4

Eje tridem de rueda doble [P/22.9]4

P=peso por eje en toneladas

También se considerará un factor de ajuste por presión de neumáticos, de tal manera de computar el efecto adicional de deterioro de los afirmados. Este efecto se incrementa más para el caso de las capas de revestimiento granular en altura donde la baja presión atmosférica genera un aumento de la presión interna del neumático, reduciendo su área de contacto y aumentando la presión sobre la capa de rodadura. Para evitar este efecto en el cálculo de los EE, las llantas deberían tener una presión máxima de 80 psi-pulg2.

Para el cálculo de EE de 8.2 t, se usará las siguientes expresiones por tipo de vehículo pesado. El resultado final será la sumatoria de los tipos de vehículos pesados considerados:

Nrep de EE 8.2t= [EEdía-carril x 365 x (1+t)n-1] / (t) EEdía-carril = EE x Factor Direccional x factor carril EE = Nº de vehículos según tipo x factor de carga x factor de presión de llantas

Donde: Nrep de EE8.2t = Número de repeticiones de ejes equivalentes de 8.2t. EEdía-carril = Ejes equivalentes por día para el carril de diseño. 365 = Número de días del año. t = tasa de proyección del tráfico, en centésimas. EE = Ejes Equivalentes. Factor direccional = 0.5, corresponde a carreteras de dos direcciones por

calzada. Factor carril = 1, corresponde a un carril por dirección o sentido. Factor de presión de llantas= 1, este valor se estima para los CBVT y con capa de

revestimiento granular.

f. Como referencia del cálculo se presenta la tabla siguiente, para períodos de 5 y 10 años:

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5 años (carril de diseño) 10 años (carril de diseño) IMDA (total

ambos sentidos)

Veh. Pesados (carril de diseño)

Nº Repeticiones EE 8.2tn




10 3 13,565 1.36E+04 15,725 1.57E+04 20 6 27,130 2.71E+04 31,451 3.15E+04 30 9 40,695 4.07E+04 47,176 4.72E+04 40 12 56,197 5.62E+04 65,148 6.51E+04 50 15 67,824 6.78E+04 78,627 7.86E+04 60 17 75,576 7.56E+04 87,613 8.76E+04 70 20 96,892 9.69E+04 112,324 1.12E+05 80 23 104,643 1.05E+05 121,310 1.21E+05 90 26 122,084 1.22E+05 141,528 1.42E+05

100 28 131,773 1.32E+05 152,761 1.53E+05 110 31 147,275 1.47E+05 170,733 1.71E+05 120 34 160,840 1.61E+05 186,458 1.86E+05 130 37 172,467 1.72E+05 199,937 2.00E+05 140 40 187,970 1.88E+05 217,909 2.18E+05 150 43 203,473 2.03E+05 235,881 2.36E+05 160 45 209,286 2.09E+05 242,620 2.43E+05 170 48 226,727 2.27E+05 262,838 2.63E+05 180 51 236,416 2.36E+05 274,071 2.74E+05 190 54 253,856 2.54E+05 294,289 2.94E+05 200 56 265,483 2.65E+05 307,768 3.08E+05 250 71 335,245 3.35E+05 388,641 3.89E+05 300 84 399,194 3.99E+05 462,775 4.63E+05 350 99 468,956 4.69E+05 543,648 5.44E+05 400 112 529,029 5.29E+05 613,289 6.13E+05

5.3.2 SUBRASANTE

La subrasante es la capa superficial de terreno natural. Para construcción de carreteras se analizará hasta 0.45m de espesor, y para rehabilitación los últimos 0.20m. Su capacidad de soporte en condiciones de servicio, junto con el tránsito y las características de los materiales de construcción de la superficie de rodadura, constituyen las variables básicas para el diseño del afirmado, que se colocará encima. Se identificarán cinco categorías de subrasante:

S0 : SUBRASANTE MUY POBRE CBR < 3% S1 : SUBRASANTE POBRE CBR = 3% - 5%

S2 : SUBRASANTE REGULAR CBR = 6 - 10%

S3 : SUBRASANTE BUENA CBR = 11 - 19%

S4 : SUBRASANTE MUY BUENA CBR > 20%

Se considerarán como materiales aptos para la coronación de la subrasante suelos con CBR igual o mayor de 6%. En caso de ser menor, se procederá a eliminar esa capa de material inadecuado y se colocará un material granular con CBR mayor a 6%; para su estabilización. La profundidad mínima especificada de esta capa figura en el catálogo de estructuras de capas granulares que se presenta más adelante. Igualmente se estabilizarán las zonas húmedas locales y áreas blandas. Sobre la subrasante natural se colocará una capa de arena de espesor 20cm mínimo y sobre

97

ella, se añadirá una capa de espesor mínimo de 0.30m de material grueso rocoso o de piedras grandes. La superficie de la subrasante debe quedar encima del nivel de la napa freática como mínimo a 0.60m cuando se trate de una subrasante muy buena y buena; a 0.80m cuando se trate de una subrasante regular; a 1.00m cuando se trate de una subrasante pobre y a 1.20m cuando se trate de una subrasante muy pobre. En caso necesario, se colocarán subdrenes o capas anticontaminantes y/o drenantes o se elevará la rasante hasta el nivel necesario. Los subdrenes para proteger la capa del afirmado se proyectarán cuando la subrasante no esté constituida por material permeable y cuando las capas de rodadura no puedan drenar adecuadamente. Los subdrenes que se proyecten para interceptar filtraciones o para rebajar el nivel freático elevado, pueden utilizarse también para drenar el afirmado. En zonas sobre los 3 500 msnm, se evaluará la acción de las heladas en los suelos. En general, la acción de congelamiento está asociada con la profundidad de la napa freática y la susceptibilidad del suelo al congelamiento. Sí la profundidad de la napa freática es mayor a la indicada anteriormente (1.20m), la acción de congelamiento no llegará a la capa superior de la subrasante. En el caso de presentarse en la capa superior de la subrasante (0.30m – 0.45m) suelos susceptibles al congelamiento, se reemplazará este suelo en el espesor indicado o se levantará la rasante con un relleno granular adecuado, hasta el nivel necesario. Son suelos susceptibles al congelamiento, los suelos limosos. Igualmente los suelos que contienen más del 3% de su peso de un material de tamaño inferior a 0.02mm, con excepción de las arenas finas uniformes que aunque contienen hasta el 10% de materiales de tamaño inferior a los 0.02mm, no son susceptibles al congelamiento. En general, son suelos no susceptibles los que contienen menos del 3% de su peso de un material de tamaño inferior a 0.02mm. Para efectos del diseño del afirmado también se definirán sectores homogéneos a lo largo de cada uno de ellos, donde las características del material de subrasante se identifican como uniforme. Dicha uniformidad se establecerá sobre la base del estudio del suelo y de ser necesario, la realización del muestreo. El proceso de sectorización requiere de análisis y criterio del especialista. Para la identificación de sectores homogéneos se analizará lo siguiente: i Reconocimiento:

En esta etapa se efectúa un proceso de inspección visual, se identifican asentamientos, deslizamientos, etc. que puedan ser atribuidos a factores geotécnicos y se establece, en primera aproximación, las causas que la motivaron. El reconocimiento visual de suelos y rocas debe complementarse con la observación de otras características del terreno y que ayudan a definir las propiedades de este, como topografía, geomorfología, vegetación, zonas húmedas o cursos naturales de agua y, sobre todo, los taludes de cortes existentes próximos al tramo.

ii Diagnóstico:

Sí el reconocimiento del terreno permite su clasificación inmediata, pueden realizarse algunas calicatas de comprobación cada 500 m y los ensayos

98

confirmatorios. Caso contrario, sí en el terreno se detectara su naturaleza problemática, se deberá establecer un programa de muestreos y ensayos como se indica a continuación.

iii Programa de prospecciones y ensayos a realizar:

Se establecerá una estrategia para efectuar el programa exploratorio y, a partir de ello, se ordenará la toma de las muestras necesarias de cada perforación, de manera de poder evaluar aquellas características que siendo determinantes en su comportamiento, resulten de sencilla e indiscutible determinación. Las propiedades fundamentales a tomar en cuenta son:

a. Granulometría: A partir de la cual se puede estimar, con mayor o menor

aproximación, las demás propiedades que pudieran interesar. El análisis granulométrico de un suelo tiene por finalidad determinar la proporción de sus diferentes elementos constituyentes, clasificados en función de su tamaño. De acuerdo al tamaño de las partículas de suelo, se definen los siguientes términos:

Tipo de material Tamaño de las partículas

Grava 75 mm – 2 mm

Arena gruesa: 2 mm – 0.2 mm Arena

Arena fina: 0.2 mm – 0.05 mm

Limo 0.05 mm – 0.005 mm

Arcilla Menor a 0.005 mm

b. La plasticidad de un suelo depende, no de los elementos gruesos que contiene, sino únicamente de sus elementos finos. El análisis granulométrico no permite apreciar esta característica por lo que es necesario determinar los Límites de Atterberg.

A través de este método, se definen los límites correspondientes a los tres estados en los cuales puede presentarse un suelo: líquido, plástico o sólido. Estos límites, llamados límites de Atterberg, son: el límite líquido (LL) determinación según norma MTC E 110, el límite plástico (LP) determinación según norma MTC E 111 y el límite de contracción (LC) determinación norma MTC E 112.

Además del LL y del LP, una característica a obtener es el Índice de plasticidad IP que se define como la diferencia entre LL y LP:

IP = LL – LP El índice de plasticidad permite clasificar bastante bien un suelo. Un IP grande corresponde a un suelo muy arcilloso. Por el contrario, un IP pequeño es característico de un suelo poco arcilloso. Sobre todo esto se puede dar la clasificación siguiente:

99

Índice de plasticidad Característica

IP > 20 suelos muy arcillosos

20 > IP > 10 suelos arcillosos

10 > IP > 4 suelos poco arcillosos

IP = 0 suelos exentos de arcilla

Se debe tener en cuenta que, en un suelo el contenido de arcilla, es el elemento más peligroso de una carretera, debido sobre todo a su gran sensibilidad al agua.

c. Equivalente de arena: Es un ensayo que da resultados parecidos a los obtenidos mediante la determinación de los límites de Atterberg, aunque menos preciso. Tiene la ventaja de ser muy rápido y fácil de efectuar, según la norma MTC E 114.

El valor de EA es un indicativo de la plasticidad del suelo:

Equivalente de arena Característica

sí EA > 40 El suelo no es plástico, es de arena

Sí 40 > EA > 20 El suelo es poco plástico y no heladizo

sí EA < 20 El suelo es plástico y arcilloso

d. Índice de grupo: Es un índice adoptado por AASHTO de uso corriente para clasificar suelos, está basado en gran parte en los límites de Atterberg. El índice de grupo de un suelo se define mediante la formula:

IG = 0.2 (a) + 0.005 (ac) + 0.01(bd) Donde: a = F-35 (F = Fracción del porcentaje que pasa el tamiz Nº 200 -74 micras).

Expresado por un número entero positivo comprendido entre 1 y 40. b = F-15 (F = Fracción del porcentaje que pasa el tamiz Nº 200 -74 micras).

Expresado por un número entero positivo comprendido entre 1 y 40. c = LL – 40 (LL = límite líquido). Expresado por un número entero

comprendido entre 0 y 20. d = IP-10 (IP = índice plástico). Expresado por un número entero

comprendido entre 0 y 20 o más.

El índice de grupo es un valor entero positivo, comprendido entre 0 y 20 o más. Cuando el IG calculado es negativo, se reporta como cero. Un índice cero

100

significa un suelo muy bueno y un índice igual o mayor a 20, un suelo no utilizable para carreteras. Si el suelo de subrasante tiene:

Índice de grupo Suelo de subrasante

IG > 9 Muy pobre

IG está entre 4 a 9 Pobre

IG está entre 2 a 4 Regular

IG está entre 1 – 2 Bueno

IG está entre 0 – 1 Muy bueno

e. Humedad natural: Otra característica importante de los suelos es su humedad

natural pues la resistencia de los suelos de subrasante, en especial de los finos, se encuentra directamente asociada con las condiciones de humedad y densidad que estos suelos presenten. Se determinará mediante la norma MTC E 108. La determinación de la humedad natural permitirá comparar con la humedad óptima que se obtendrá en los ensayos proctor para obtener el CBR del suelo. Sí la humedad natural resulta igual o inferior a la humedad óptima, el especialista propondrá la compactación normal del suelo y el aporte de la cantidad conveniente de agua. Si la humedad natural es superior a la humedad óptima y, según la saturación del suelo, se propondrá aumentar la energía de compactación, airear el suelo o reemplazar el material saturado.

f. Clasificación de los suelos: Determinadas las características de los suelos, según los acápites anteriores, se podrá estimar con suficiente aproximación el comportamiento de los suelos, especialmente con el conocimiento de la granulometría, plasticidad e índice de grupo y, luego clasificar los suelos. La clasificación de los suelos se efectuará bajo el sistema mostrado en el cuadro Nº 5.3.2.1. Esta clasificación permite predecir el comportamiento aproximado de los suelos que contribuirá a delimitar los sectores homogéneos desde el punto de vista geotécnico. A continuación se presenta una correlación de los dos sistemas de clasificación más difundido, AASHTO y ASTM:

101

Clasificación de suelos AASHTO

Clasificación de suelos ASTM

A-1-a GW, GP, GM, SW, SP, SM A-1-b GM, GP, SM, SP

A – 2 GM, GC, SM, SC

A – 3 SP

A – 4 CL, ML

A – 5 ML, MH, CH

A – 6 CL, CH

A – 7 OH, MH, CH Fuente: US Army Corps of Engineers

g. Ensayos CBR: Una vez que se hayan clasificado los suelos por el sistema AASHTO para carreteras con tránsito mayor a 100 vehículos por día, se elaborará un perfil estratigráfico para cada sector homogéneo a partir del cual se determinará los suelos que controlarán el diseño y se establecerá el programa de ensayos y/o correlaciones para establecer el CBR que es el valor soporte o resistencia del suelo, referido al 95% de la MDS (Máxima densidad seca) y a una penetración de carga de 2.54mm.

Dada la variabilidad que presentan los suelos (aún dentro de un mismo grupo de suelos y en un sector homogéneo), así como los resultados de los ensayos de CBR (valor soporte del suelo), se efectuará un mínimo de 6 ensayos de CBR por sector homogéneo del suelo, con el fin de aplicar un criterio estadístico para la selección de un valor único de soporte del suelo. En caso de que en un determinado sector se presente una gran heterogeneidad en los suelos de subrasante que no permite definir uno como predominante, el diseño se basará en el suelo más débil que se encuentre.

El valor del CBR de diseño por sector homogéneo, se determinará según lo siguiente:

Si el sector homogéneo presenta para el período de diseño un número de

repeticiones de EE8.2 ton, menor de 1 x 105, el CBR de diseño será aquel que represente al percentil 60% de los valores de CBR.

Si el sector homogéneo presenta un número de repeticiones de EE8.2ton,

entre 1 x 105 y 1 x 106: el CBR de diseño será aquel que represente al percentil 75% de los valores de CBR.

iv. Una vez definido el valor del CBR de diseño para cada sector de características

homogéneas, se clasificará a que categoría de subrasante pertenece el sector o subtramo.

En resumen: 1. Deberá identificarse los tramos homogéneos con una longitud mínima de 1500m,

clasificar el material de subrasante y definir el CBR de diseño. En los puntos críticos, si los hubiera, se efectuarán trabajos especiales necesarios para definir su solución.

2. Se determinará el volumen de Ejes Equivalentes (EE) que soportará el afirmado,

102

durante le período de diseño escogido. 3. Se escogerá el diseño del afirmado, entre las alternativas del catálogo adjunto, que

corresponda a una solución que, en razón de los materiales y la tecnología disponibles, signifique un menor costo de construcción.

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104

CUADRO 5.3.2.2 SIGNOS CONVENCIONALES PARA PERFIL DE CALICATAS

SUELOS

A –5

A –6

A –7 – 5

A –7 – 6

MATERIA ORGÁNICA

ROCA SANA

ROCA DESINTEGRADA

A – 2 – 4

A – 2 – 5

A – 2 – 6

A – 2 – 7

A – 4

105

5.4 CATÁLOGO ESTRUCTURAL DE SUPERFICIE DE RODADURA

Para el dimensionamiento de los espesores de la capa de afirmado se adoptó como representativa la siguiente ecuación del método NAASRA, (National Association of Australian State Road Authorities, hoy AUSTROADS) que relaciona el valor soporte del suelo (CBR) y la carga actuante sobre el afirmado, expresada en número de repeticiones de EE: Donde:

e=[219-211x(log10CBR) + 58x(log10CBR)2]xlog10x(Nrep/120) E = espesor de la capa de afirmado en mm. CBR = valor del CBR de la subrasante. Nrep = número de repeticiones de EE para el carril de diseño.

Fuente: Elaboración en base a la ecuación de diseño del método NAASRA.

Sin ser una limitación, en éste manual de diseño se incluye catálogos de secciones de capas granulares de rodadura para cada tipo de tráfico y de subrasante. Estos han sido elaborados en función de la ecuación indicada. El espesor total determinado, está compuesto por una capa de afirmado (ver acápite 5.5.1), por la granulometría del material y aspectos constructivos, el espesor de la capa de afirmado no será menor de 150mm. En todo caso, se podrán ajustar las secciones de afirmado en función de las condiciones y experiencias locales, para lo cual: Se analizará las condiciones de la subrasante natural, la calidad de los materiales

de las canteras, la demanda específica de tráfico en el tramo y se decidirá el espesor necesario de la nueva estructura de la capa granular de rodadura.

En caso de que el tramo tenga ya una capa de afirmado, se aprovechará el aporte estructural de la capa existente. Sólo se colocará el espesor de afirmado necesario

106

para completar el espesor total obtenido según la metodología de diseño empleada. Este espesor complementario no será menor a 100mm. El nuevo material de afirmado se mezclará con el existente hasta homogenizarlo y conformar la nueva capa de afirmado, debidamente perfilada y compactada.

Para carreteras de muy bajo volumen de tránsito, menor a 50, se estudiarán y analizarán diferentes alternativas constructivas de capas granulares, incluyendo macadam granular, y estabilización con gravas.

En el caso de no haber disponibilidades de gravas de fácil uso a distancias económicamente razonables, se podrá recurrir a procedimientos de estabilización de los suelos naturales, analizando económicamente alternativa como estabilización con cal, estabilización con sal, estabilización con cemento, estabilización química (según norma MTC E 1109), según sea el caso.

En caso de que se requiriese proteger la superficie de las carreteras afirmadas para retardar su deterioro por razones de erosión y pérdidas de material, debido al tránsito y/o para evitar la presencia de polvo levantado por el tránsito que crea riesgos y deteriora el ambiente agrícola, podrá colocarse una capa protectora que podría ser una imprimación reforzada bituminosa o una capa superficial de afirmado con mayor índice de plasticidad que reemplazaría un espesor similar del afirmado diseñado o una estabilización con cloruros de sodio, de magnesio, u otros estabilizadores químicos.

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CATÁLOGO DE CAPAS DE REVESTIMIENTO GRANULAR

TRÁFICO T0

Nota: En caso se requiriese proteger la superficie de las carreteras, podrá colocarse una capa protectora, que podría ser una imprimación reforzada bituminosa; o una estabilización con cloruro de sodio (sal), magnesio u otros estabilizadores químicos.

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TRÁFICO T1


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TRÁFICO T2


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TRÁFICO T3


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5.5 MATERIALES Y PARTIDAS ESPECIFICAS DE LA CAPA GRANULAR DE RODADURA

5.5.1 CAPA DE AFIRMADO El material a usarse varía según la región y las fuentes locales de agregados, cantera de cerro o de río, también se diferencia si se utilizará como una capa superficial o capa inferior, porque de ello depende el tamaño máximo de los agregados y el porcentaje de material fino o arcilla, cuyo contenido es una característica obligatoria en la carretera afirmada. El afirmado es una mezcla de tres tamaños o tipos de material: piedra, arena y finos o arcilla. Si no existe una buena combinación de estos tres tamaños, el afirmado será pobre. El afirmado requiere de un porcentaje de piedra para soportar las cargas. Asimismo necesita un porcentaje de arena clasificada, según tamaño, para llenar los vacíos entre las piedras y dar estabilidad a la capa y, obligatoriamente un porcentaje de finos plásticos para cohesionar los materiales de la capa de afirmado. Hay dos principales aplicaciones en el uso de afirmados: Su uso como superficie de rodadura en carreteras no pavimentadas o su uso como capa inferior granular o como colchón anticontaminante. Como superficie de rodadura, un afirmado sin suficientes finos está expuesto a perderse porque es inestable. En construcción de carreteras, se requiere un porcentaje limitado pero suficiente de materiales finos y plásticos que cumplan la función de aglutinar para estabilizar la mezcla de gravas. Un buen afirmado para capa inferior, tendrá mayor tamaño máximo de piedras que en el caso de la capa de superficie y muy poco porcentaje de arcillas y de materiales finos en general. La razón de ello es que la capa inferior debe tener buena resistencia para soportar las cargas del tránsito y, además, debe tener la cualidad de ser drenante. Gradación de los materiales de la capa de afirmado Existen pocos depósitos naturales de material que tiene una gradación ideal, donde el material sin procesar se puede utilizar directamente por lo que será necesario zarandear el material para obtener la granulometría especificada. En general, los materiales serán agregados naturales procedentes de excedentes de excavaciones o canteras o podrán provenir de la trituración de rocas y gravas o podrán estar constituidos por una mezcla de productos de ambas procedencias. Es recomendable que las piedras tengan caras fracturadas o aristas y superficies rugosas. Su comportamiento es mucho mejor que la piedra lisa redondeada o canto rodado, dándole a la capa de afirmado resistencia y estabilidad bajo las cargas actuantes. Gravas procedentes de bancos que contienen piedras fracturadas naturalmente son consideradas como muy buenos materiales. En todo caso, se podrán obtener mejores resultados procesando el material por trituración. Esto significa que un buen porcentaje de las piedras tendrán caras fracturadas por proceso de la trituración, lográndose mejores propiedades de resistencia y estabilidad de la capa de afirmado.

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Es muy importante indicar que todas las gravas no son iguales, por lo que la calidad verdadera debe ser determinada efectuando ensayos y dosificaciones de los materiales que constituyen el afirmado. Esto asegurará que la dosificación puesta en obra sea la adecuada. Se distinguen cuatro tipos de afirmado y su espesor y aplicación estará en función del IMD, según el catálogo de revestimiento granular (Acápite 5.4) La capa del afirmado estará adecuadamente perfilada y compactada, según los alineamientos, pendientes y dimensiones indicados en los planos del proyecto. Afirmado tipo 1: Corresponde a un material granular natural o grava seleccionada por zarandeo, con un índice de plasticidad hasta 9. Excepcionalmente se podrá incrementar la plasticidad hasta 12, previa justificación técnica. El espesor de la capa será el definido en el presente Manual para el Diseño de Carreteras de Bajo Volumen de Tránsito. Se utilizará en las carreteras de bajo volumen de tránsito, clases T0 y T1, con IMD proyectado menor a 50 vehículos día. Afirmado tipo 2: Corresponde a un material granular natural o de grava seleccionada por zarandeo, con un índice de plasticidad hasta 9. Excepcionalmente se podrá incrementar la plasticidad hasta 12, previa justificación técnica. Se utilizará en las carreteras de bajo volumen de tránsito, clase T2, con IMD proyectado entre 51 y 100 vehículos día. Afirmado tipo 3: Corresponde a un material granular natural o grava seleccionada por zarandeo o por chancado, con un índice de plasticidad hasta 9. Excepcionalmente se podrá incrementar la plasticidad hasta 12, previa justificación técnica. Se utilizará en las carreteras de bajo volumen de tránsito, clase T3, con IMD proyectado entre 101 y 200 vehículos día. Para cada tipo de afirmado le corresponderá una granulometría:

PORCENTAJE QUE PASA

DEL TAMIZ

TRÁFICO T0 Y T1:

TIPO 1

IMD<50 VEH.

TRÁFICO T2:

TIPO 2

51 - 100 VEH.

TRÁFICO T3:

TIPO 3

101 – 200 VEH.

50 mm (2”) 100 100

37.5 mm (1 ½”) 95 – 100 100

25 mm (1”) 50 – 80 75 – 95 90 – 100

19 mm (3/4”) 65 – 100

12.5 mm (1/2”)

9.5 mm (3/8”) 40 – 75 45 – 80

4.75 mm (Nº 4) 20 – 50 30 – 60 30 – 65

2.36 mm (Nº 8)

2.00 mm (Nº 10) 20 – 45 22 – 52

4.25 um (Nº 40) 15 – 30 15 – 35

75 um (Nº 200) 4 – 12 5 – 15 5 – 20

Índice de plasticidad 4 - 9 4 - 9 4 - 9

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Para el caso del porcentaje que pasa el tamiz 75 µm (Nº 200 ), se tendrá en cuenta las condiciones ambientales locales (temperatura y lluvia), especialmente para prevenir el daño por la acción de las heladas, en este caso será necesario tener porcentajes más bajos al porcentaje especificado que pasa el tamiz 75 µm (Nº 200), por lo que el proyectista especificará los porcentajes apropiados. Además deberán satisfacer los siguientes requisitos de calidad:

Desgaste Los Ángeles : 50% máx. (MTC E 207) Límite líquido : 35% máx. (MTC E 110) CBR (1) : 40% mín. (MTC E 132)

(1) Referido al 100% de la Máxima Densidad Seca (MDS) y una penetración de carga de 0.1” (2.5 mm)

Muy importante es el índice de plasticidad que podrá llegar hasta un máximo de 12 y no debe ser menor de 4. La razón es que la capa de rodadura en su superficie necesita un mayor porcentaje de material plástico y las arcillas naturales le darán la cohesión necesaria y por lo tanto una superficie cómoda para la conducción vehicular. Esto puede ser crítico durante el período seco, pues necesitará riego de agua. En cambio, durante período húmedo, en la superficie pueden aparecer pequeñas huellas que después de la lluvia rápidamente se secarán y endurecerán, por efecto del sol y el viento. En cambio, si la capa de afirmado presenta una gran cantidad de finos plásticos, esta grava causará problemas si es que la humedad llega a este nivel pues esta capa inferior perderá resistencia y estabilidad, causando ahuellamiento profundo o la falla total de la capa granular de rodadura. En el caso de que se tuvieran materiales con índice de plasticidad fuera del rango 4-12%, se estudiará el empleo de un tratamiento superficial, como la imprimación reforzada bituminosa, estabilización con cal, cemento, cloruros de sodio (Sal) o magnesio u otros estabilizadores químicos con la finalidad de mantener y/o prolongar la vida útil de la carretera. Para la dosificación y mezcla del material para afirmado, se tendrá como referencia y punto de partida las gradaciones que recomienda la especificación técnica EG-CBT 2008, sección 302B. Es a partir de esta especificación que se efectúan los ensayos y dosificaciones hasta conseguir un material de afirmado de buena calidad. De ser el caso, se establecerán las diferencias que sustenten una especificación especial, como variante de la EG-CBT 2008, sección 302B. Uso del material de la carpeta asfáltica fresada como capa de grava Cuando en las obras de rehabilitación de las carreteras pavimentadas se retiren carpetas de concreto asfáltico, se podrá utilizar este material en las carreteras de bajo volumen de tránsito, reciclando este material como parte de la mezcla dosificada de la capa de grava, previo proceso de trituración o zarandeo para limitar el tamaño de las partículas; resultando una buena superficie, en la que la porción bituminosa de la mezcla actuará como ligante. Para un mejor resultado esta capa de grava con material asfáltico reciclado debe tener como mínimo, un espesor compactado de 75 mm. Esta alternativa constructiva sólo se aplicará en carreteras cuya subrasante tenga un CBR > 10%.

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Una mejor opción será mezclar el material asfáltico reciclado en una proporción 50/50 con grava natural. Se logrará así un material con buenas características ligantes que podrá ser trabajable mediante operaciones de perfilado. Sobre estas capas de material asfáltico reciclado se podrá colocar una capa de protección de imprimación bituminosa reforzada. Manipuleo y colocación del material de afirmado En relación a la obtención y manipuleo de los materiales en las canteras o fuentes de materiales es muy importante que, antes de comenzar a procesar el material, se retire la capa de tierra vegetal y la vegetación de la superficie pues ésta contiene materia orgánica que no es buena para la superficie de la carretera. Generalmente toda cantera o fuente de material tiene variaciones en las capas de revestimiento granular a explotar, pues se presentan capas aparentemente muy uniformes pero cambian repentinamente con bolsones de un material diferente y esto afecta la gradación total de la grava. Por eso es importante el conocimiento e investigación de las fuentes de materiales para conseguir una correcta explotación y una buena mezcla desde el comienzo del proceso. Otro de los problemas es la segregación del material durante el proceso. Cuando ocurre esto, las partículas de gran tamaño tienden a juntarse hasta conseguir aislarse, en vez de mezclarse con el resto del material. Esta situación provocará la inconsistencia del material así como dificultad en su compactación. Las zonas superficiales que contienen una cantidad inusual de partículas gruesas presentarán una condición suelta e inestable, mientras que otras zonas presentarán exceso de finos que provocarán ahuellamientos profundos durante el período de lluvias. Cuando un material apilado se segrega, una opción será utilizar la motoniveladora y volver a mezclar el material hasta homogenizarlo y luego extenderlo en capas uniformes sobre la carretera, este procedimiento reducirá el problema de segregación. Cuando el afirmado tenga que ser colocada sobre la carretera, es importante que la superficie se encuentre en buenas condiciones, sin problemas de drenaje e imperfecciones sobre la superficie, como ahuellamientos, baches, desniveles, etc., Todos estos problemas deben ser eliminados hasta formar correctamente la sección transversal de la carretera. Entonces, el material de afirmado se puede colocar en un espesor uniforme y en el futuro será más fácil su mantenimiento. En caso de que la superficie de la carretera sea lisa y este endurecida, se deberá escarificar ligeramente la superficie para conseguir una buena adherencia con el nuevo material. Esta es la única manera que una capa uniforme de afirmado nueva puede ser colocada. El comportamiento de la capa de afirmado dependerá en gran parte de su ejecución, especialmente de la compactación que se le haya dado. La compactación reducirá los vacíos y aumentará el número de puntos de contacto entre partículas y el correspondiente rozamiento. La capa de afirmado debe ser compactada, por lo menos al 100% de la densidad máxima, determinada según el método AASHTO T180. Otro aspecto importante lo constituye el perfilado. En cuanto a la conformación del bombeo y peraltes, cualquier defecto en el mismo constituye un impedimento para el drenaje superficial del agua de las lluvias. No obstante, es necesario indicar que el comportamiento de una superficie de afirmado no tendrá en ningún caso un comportamiento similar a las superficies

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pavimentadas. Siempre habrá algunas pérdidas de agregados en virtualmente todas las carreteras de afirmado, por lo que se debe evaluar la necesidad de colocar capas de protección o estabilizaciones, según lo permitan los presupuestos de construcción y/o mantenimiento y la disponibilidad de materiales en la zona. Durante el trabajo de colocación de la capa de afirmado, se colocarán los dispositivos de control de tránsito de acuerdo a lo establecido en el Manual de Dispositivos de Control del Tránsito Automotor para Calles y Carreteras. 5.5.2 MACADAM GRANULAR El macadam granular es la capa obtenida por compactación de agregados gruesos, distribuidos de manera uniforme, cuyos vacíos son rellenados con material de granulometría más fina, primero en seco, y después con ayuda de agua. Se coloca sobre una cama de asiento conformada por arena y como capa superficial se coloca material de afirmado tipo 1. La estabilidad de la capa se obtiene a partir de la acción mecánica de la compactación. Los trabajos consisten en el suministro de materiales, carga, transporte, descarga de los materiales, agua, mano de obra y equipos adecuados para la correcta ejecución de los trabajos a fin de tener un control de calidad del macadam granular de acuerdo con las normas y los detalles ejecutivos de proyecto. Capas del macadam granular 1. Cama de asiento del macadam granular

El agregado para la cama de asiento debe presentar una de las granulometrías siguientes:

% EN PESO QUE PASA MALLA

I II 19.0mm. (3/4”) 100 -

12.50mm. (1/2”) 80 – 100 -

9.5mm. (3/8”) 70 – 100 -

4.80mm. (Nº4) 45 – 100 100

2.0mm. (Nº10”) 25 – 65 55 – 100

0.42mm. (Nº40) 10 – 30 25 – 100

0.074mm. (Nº200) 0 - 8 0 - 12

Aparte de los requerimientos granulométricos, la cama de asiento debe estar formada por fragmentos duros, limpios, durables, libres de exceso de partículas laminares o alargadas de fácil desintegración cuando, al ser sometidos a las pruebas de durabilidad con solución de sulfato de sodio, en cinco ciclos, presenten pérdidas inferiores al 18%. El material retenido por la malla de 2.0mm. (No. 10) y sometido a la prueba de desgaste no deberá ser superior al 45%. Colocación de la cama de asiento (a) La superficie de la capa de subrasante, debe estar limpia y con un buen

acabado para poder recibir la cama de asiento.

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(b) Se colocará una cama de asiento cuya ejecución tiene por objeto evitar que

el agregado grueso ingrese en la capa de subrasante y que los finos de la subrasante penetren y contaminen la capa macadam granular. El extendido de la cama de asiento debe hacerse con la utilización de la motoniveladora, su acomodo se efectuará por compresión del rodillo neumático o estático liso, en no más de dos pasadas de cada equipo.

2. Capa de agregados gruesos El agregado grueso debe estar formado por piedra natural o triturada y que cumpla con una de las granulometrías indicadas en la tabla siguiente:

% EN PESO QUE PASA MALLA

I II III 100mm (4”) 100 - -

90mm (3 1/2”) 90 – 100 - -

76mm (3”) - 100 -

64mm (2 ½”) 25 – 60 90 – 100 100

50mm (2”) - 35 – 70 90 – 100

38mm (1 ½”) 0 – 15 0 – 15 35 – 70

25mm. (1”) - - 0 – 15

19mm (3/4”) 0 – 5 0 – 5 -

12.5mm (1/2”) - - 0 – 5

Los agregados gruesos deben cumplir las condiciones generales que se presentan a continuación:

Los fragmentos deben ser duros, limpios, durables, libres de excesos de

partículas laminares, alargadas o frágiles. Cuando son sometidas a pruebas de durabilidad, presentar valores iguales o

inferiores a 15%. El diámetro máximo recomendado debe ser de entre 1/2 y 1/3 del espesor final

de la capa ejecutada. El agregado retenido por la malla de 2.0mm. (No. 10) no debe tener un

desgaste superior al 40%. Los agregados de forma laminar, obtenidos en la muestra, no pueden ser

superiores al 20%.

Colocación de los agregados gruesos

La ejecución de las capas de agregado grueso se inicia con la carga del material de las áreas de extracción, apilamiento o plantas de trituración. La operación de carga del material se debe hacer con criterio, evitando el material laminar o el exceso de finos. La colocación de los agregados gruesos debe efectuarse con una motoniveladora o distribuidor de agregados, evitando la segregación del material. Al terminar la colocación del agregado grueso, se deben retirar los fragmentos alargados, laminares o de tamaño excesivo, visibles en la superficie.

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También se debe corregir los puntos que presenten exceso o falta de material, verificar niveles y secciones transversales.

Compactación

La compactación inicial debe hacerse mediante el uso de rodillo liso con un peso de entre 10 y 12 toneladas o rodillo liso vibratorio. En los tramos en tangente, la compactación partirá siempre de los bordes hacia el eje y en las curvas del borde más bajo hacia el más alto. En cada pasada, el equipo utilizado debe cubrir, por lo menos, la mitad de la pasada de compactación anterior. Los puntos donde no es posible el acceso de los equipos de compactación, se recomienda la utilización de equipo manual o mecánico. El valor de la humedad y el grado de compactación seguirá las especificaciones del proyecto y exigencias propias. No se permite complementar espesores con la adición de finos en la capa.

Cuando se requieran capas con espesores superiores a 15 cm., la ejecución recomendada es en dos capas.

3. Material de relleno de los vacíos

El material de relleno natural estará formado por los finos resultantes de la trituración de la piedra o por arena, conforme a la granulometría indicada en la tabla siguiente:

% EN PESO QUE PASA MALLAS

A B

19 mm(3/4") 100 -

12.5 mm (1/2") 85 - 100 -

9.5 mm (3/8") - 100

4.75 mm (No. 4) - 85 - 100

0.15 mm (No. 100) 10 -30 10 -30

La granulometría tipo A, debe ser utilizada para el material de relleno de agregado grueso de granulometría tipo I. La granulometría tipo B del material de relleno, debe ser utilizada en conjunto con el material de agregado grueso tipo II y III.

Los materiales de relleno que pasen la granulometría, estarán formados por fragmentos duros, limpios, durables, libres de exceso de partículas laminares, alargadas o de fácil desintegración y ausentes de materiales contaminantes. Cuando sean sometidos a la prueba de durabilidad con solución de sulfatos de sodio en cinco ciclos, no deben presentar pérdidas iguales o superiores al 18%. El material pasado por la malla de 2.0mm. (No. 10) no debe exhibir desgaste en la prueba de abrasión Los Ángeles superior a 40%. El equivalente de arena debe ser igual o superior a 40%.

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Colocación del material de relleno

El material de relleno, de acuerdo con las granulometrías especificadas de tipo A o B, debe ser extendido manualmente, lo más seco posible, por medio de carretillas manuales o mecánicas.

Cuando ya no es posible la penetración de los materiales de relleno en seco, es necesario humedecer la capa, nivelar y compactar el material de relleno.

La operación de humedecimiento y la aplicación de material, deben repetirse hasta que se forme una masa estable y compacta delante del rodillo.

Finalmente, la superficie humedecida quedará limpia y compactada con el rodillo liso vibratorio.

4. Capa de rodadura

Los requerimientos de construcción de la capa de rodadura estarán constituidos por el material correspondiente al afirmado tipo 1 y deben satisfacer los requisitos establecidos en la sección 302B. Afirmado.

El espesor mínimo de la capa de rodadura será de 100 mm.

5.5.3 ESTABILIZACIONES La capacidad portante o CBR de los materiales de las capas de subrasante y del afirmado, deberá estar de acuerdo a los valores de diseño, no se admitirán valores inferiores. En consecuencia, sí los materiales a utilizarse en la carretera no cumplen las características generales previamente descritas, se efectuará la estabilización correspondiente del suelo. La estabilización de un suelo, es un proceso que tiene por objeto mejorar su resistencia, su durabilidad, su insensibilidad al agua, etc. De esta forma, se podrán utilizar suelos de características marginales como subrasante o en capas inferiores de la capa de rodadura y suelos granulares de buenas características, pero de estabilidad insuficiente (CBR menor al mínimo requerido) en la capa de afirmado. La estabilización puede ser granulométrica o mecánica, conformada por mezclas de dos o más suelos de diferentes características, de tal forma que se obtenga un suelo de mejor granulometría, plasticidad, permeabilidad o impermeabilidad, etc. También la estabilización se realiza mediante aditivos que actúan física o químicamente sobre las propiedades del suelo. Entre los más utilizados están la cal y el cemento, pero también se emplean cloruro de sodio (Sal), cloruro de magnesio, asfaltos líquidos, escorias y productos químicos. La aplicación de estos últimos estará de acuerdo a la norma MTC 1109-2004 Norma Técnica de Estabilizadores Químicos. El grado de estabilización depende del tipo de suelo, del aditivo utilizado, de la cantidad añadida, y muy especialmente de la ejecución. La técnica de estabilización de suelos se aplicará utilizando materiales granulares locales y el material estabilizador que permita una solución más económica sobre otras alternativas.

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Se considera que dentro de los métodos más prácticos desde el punto de vista de su aplicación son los que a continuación se indican: 5.5.3.1 Capa superficial del afirmado. 5.5.3.2 Estabilización granulométrica. 5.5.3.3 Estabilización con cal. 5.5.3.4 Estabilización con cemento. 5.5.3.5 Imprimación reforzada bituminosa. A continuación se presenta una breve descripción no limitativa, de cada una de las estabilizaciones anteriormente mencionadas. 5.5.3.1 Capa superficial del afirmado La colocación de la capa superficial del afirmado es opcional, pero de colocarse el espesor de esta capa se deducirá del espesor total calculado para la capa de afirmado. El espesor de la capa superficial del afirmado, no será menor al mínimo constructivo de 100mm. Un buen material para capa superficial de afirmado deberá estar constituido principalmente de grava triturada y arena gruesa con partículas más finas para llenar los vacíos y una porción pequeña de arcilla para actuar como ligante. El material debe ser de buena estabilidad, resistente a la abrasión. No permitir el levantamiento de polvo que provoque un mínimo desgaste de neumáticos, económico y de fácil mantenimiento. Diversos tipos de materiales son convenientes como capa superficial del afirmado, como los agregados triturados que al mezclarse con otros materiales locales proporcionan una distribución y características de tamaño necesarias para la construcción apropiada de la capa superficial del afirmado. El CBR de la capa superficial debe ser mayor de 40%, siendo deseable que sea de 60% para los casos de excesivo tráfico de vehículos pesados (omnibuses y camiones). Los agregados pueden clasificarse en tres categorías:

1. Agregados con deficiencia de finos. 2. Agregados con suficiente cantidad de finos. 3. Agregados con exceso de finos.

Estas tres clases se pueden utilizar como materiales de la capa superficial del afirmado, pero necesitan ser modificados con la adición de otros materiales. Los agregados que son deficientes en finos se les pueden añadir materiales finos de fuentes locales tales como arenas, limos o arcillas. Las arcillas pueden ser utilizadas con los agregados de la capa superficial del afirmado, especialmente en zonas particularmente secas, porque proporcionan una capa de rodadura excelente para el afirmado. Sin embargo, puede haber problemas por excesiva humedad. Los agregados con suficiente cantidad de finos se deben utilizar directamente para la capa superficial del afirmado sin necesidad de modificación.

Documents

Suelos y revestimiento.pdf