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APUNTES DE DISEÑO Y CONSTRUCCION DE PAVIMENTOS ING. EDUARDO LOPEZ SANCHEZ Departamento de Ciencias de la Tierra

APUNTES DE DISEÑO Y CONSTRUCCION DE PAVIMENTOS PLAN 2010 ING. EDUARDO LOPEZ SANCHEZ INSTITUTO TECNOLOGICO DE TEHUACAN A. TEMARIO Unidad 1.

Temas Generalidades de los pavimentos

2.

Agregados y asfaltos empleados en la pavimentación

3.

Pavimentos flexibles

4.

Pavimentos rígidos

5.

Rehabilitación y conservación de pavimentos flexibles

Subtemas 1.1. Historia de los pavimentos 1.2. Tipos de pavimentos 1.3. Características de los tipos de pavimentos 1.4. Estructuras de los pavimentos. 1.5. Diferencias entre los pavimentos flexibles y rígidos. 2.1. La normatividad actual aplicable a la construcción de terracerías. 2.2. La normatividad actual de las bases, sub-bases y carpetas de pavimentos. 2.3. Clasificación de los productos asfálticos 2.4. Propiedades y usos de los productos asfálticos. 2.5. Normas actuales aplicables a los productos asfálticos. 3.1. Características del tránsito. 3.2. Método de diseño del Instituto de Ingeniería de la UNAM 3.3. Método de diseño de la AASHTO. 3.4. Método de diseño del Instituto del asfalto de los EUA. 3.5. Procedimientos de construcción y control de calidad de los pavimentos flexibles. 4.1. El modulo de ruptura del concreto. 4.2. Método de diseño de la PCA. 4.3. Método de la AASHTO. 4.4. Diseñó de juntas de construcción. 4.5. Procedimientos de construcción y control de calidad de los pavimentos rígidos 5.1. La viga Benkelman. 5.2. Método del Instituto del Asfalto de los EUA., para el refuerzo de pavimentos flexibles 5.3. Método de California para el refuerzo de pavimentos flexibles. 5.4. Procedimientos constructivos y control de calidad en la rehabilitación y conservación de pavimentos

B. OBJETIVO GENERAL DEL CURSO Diseña, construye, rehabilita y conserva pavimentos rígidos y flexibles

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1. Generalidades de los Pavimentos Un pavimento es una estructura construida sobre el terreno natural para permitir el paso de los vehículos a una velocidad considerable ofreciendo cierta comodidad y seguridad al usuario final. Un pavimento está constituido por diferentes capas de materiales comenzando con la superficie de rodamiento, continua una serie de capas de sustento que se desplantan, finalmente, sobre el terreno natural. Existen dos tipos de pavimentos: a) los rígidos, en los cuales la superficie de rodamiento la proporciona una losa de concreto hidráulico, y b) los flexibles, todos aquellos que no son rígidos. En ingeniería civil, tradicionalmente, se dice que el pavimento descansa sobre las terracerías; este concepto se refiere a las capas de material que se construyen hasta el nivel de la rasante a partir del terreno natural despalmado, formando dos capas principales: a) la capa subrasante, la que se ubica inmediatamente por debajo de la línea virtual llamada rasante y definida por los niveles del proyecto ejecutivo a partir de la curva-masa, y b) el cuerpo de terracerías, que puede ser corte o terraplén, según el caso. En algunos casos, la estructura del pavimento puede estar combinado formando una estructura llamada en balcón, en donde una parte se encuentra en corte, y la restante en terraplén. Las capas que forman parte del pavimento, de abajo hacia arriba, son: a) sub-base, b) base y c) superficie de rodamiento. La capa sub-base puede no ser necesaria si el diseño así lo considera; la base puede ser de varios tipos, como veremos más adelante, sobresaliendo el tipo de base hidráulica, que es muy común en las estructuras de pavimentos en México. La superficie de rodamiento o rodadura puede ser de mezcla asfáltica o de concreto hidráulico, algo que más adelante comentaremos. 1.1. Historia de los pavimentos La historia de los pavimentos en México se remonta a tiempos precortesianos, en donde sobresale mencionar la existencia de rutas de comunicación entre las civilizaciones mayas y olmecas mediante caminos revestidos o empedrados denominados sac-bés, o en el caso de las calzadas de Tenochtitlan por parte de los aztecas, algunas desplantadas sobre suelos lacustres que sorprendieron a los conquistadores españoles al mando de Hernán Cortés. Existieron algunas calzadas principales construidas a base de piedra y tierra que comunicaba a Tenochtitlan con Xochimilco, Texcoco, Teotihuacan, Tollancingo, Atlixco, Cholula hasta llegar a la región mixteco- zapoteca en Oaxaca y Chiapas, y algunas secundarias que comunicaban a la región purépecha en Michoacán y Mezcaltepec en la región del Pacífico. Durante la época colonial se adecuaron muchas veredas y brechas de comunicación existentes para formar una red de vías terrestres en la Nueva España, con fines de Página | 2


comercialización, expansión, conquista, religiosidad y minería usados por recuas y carretas de dos y cuatro ruedas, introducidas por los españoles junto con el caballo dando origen a los caminos reales con rutas principales que comunicaban a México con Veracruz por Jalapa, a Veracruz por Orizaba, a Acapulco, a Guatemala por Chiapas, a Santa Fé de Nuevo México, a Querétaro; también había rutas de San Luis Potosí a Monterrey, de Morelia a Guadalajara y Colima, de Zacatecas a Monclova y de Durango a Morelia. Durante el movimiento insurgente los caminos sirvieron para transportar víveres y material de combate por los ejércitos de ambos mandos, con uso de carretas y diligencias utilizando las vías existentes, muchas de las cuales fueron saboteadas y se encontraban en pésimas condiciones al no recibir su adecuado mantenimiento. En la era de la República se dio más importancia a los puertos y la construcción de la red ferroviaria que al crecimiento de las vías terrestres, provocando con ello, que en 1848 México perdiera más de la mitad de su territorio debido a la falta de caminos que permitieran integrar a los pobladores de ese territorio a la idiosincrasia mexicana. Con la llegada de Benito Juárez a la presidencia de México se dio un gran apoyo a la construcción de nuevos caminos, mismos que fueron usados por él durante su peregrinar por la invasión francesa en nuestro país, quienes usaron las rutas acondicionadas para un mejor avance en territorio mexicano. Debido a que Juárez recorrió casi todas las rutas existentes durante su travesía y descubrió sus incomodidades, se empeñó en remediar el problema que representaba la comunicación terrestre convirtiéndose en el primer gobierno caminero estableciendo una red carretera con rutas de México a Puebla, Jalapa, Veracruz, Pachuca, Tuxpan, Toluca, Morelia, Guadalajara, etc., prácticamente comunicó a todo el país. Durante el período del porfiriato se dio gran impulso a la red ferroviaria realizando pocas obras en materia de carreteras, dedicando su atención a la rehabilitación y adecuación de los caminos existentes para el paso de los primeros vehículos automotores que empezaron a circular en México, construyendo algunas rutas como la de Tehuacán a Oaxaca y Puerto Angel, de Tula a Cd. Victoria. Después de la Revolución Mexicana se inició la reconstrucción del país por parte de Venustiano Carranza, dando origen a la Secretaría de Comunicaciones y Obras Públicas en 1917, para que después el gobierno de Alvaro Obregón diera impulso real a la industria caminera al adquirir maquinaria especializada para la construcción de nuevas carreteras, e incluso celebrar el primer Congreso de Caminos que fue la punta de lanza para dar origen Página | 3


a la Comisión Nacional de Caminos por parte del gobierno de Elías Calles, en 1926, rescindiendo con ello los contratos de las empresas extranjeras que se encargaban de la construcción de las primeras carreteras asfaltadas para permitir que ingenieros mexicanos se encargaran ahora de ello. Tocó al gobierno de Lázaro Cárdenas la terminación en 1935 de la carretera México a Nuevo Laredo, destacando por su longitud como una obra de ingeniería mexicana en esa época. La nacionalización del petróleo derivó en un apoyo del gobierno para la construcción de nuevos caminos utilizando el asfalto como principal materia prima y estableciendo las pautas para definir instituciones regularizadoras de los proyectos nuevos y su construcción bajo la supervisión de las dependencias institucionales. Así, en 1940 aparece la Ley de Vías Generales de Comunicación, dando origen a la Secretaría de Comunicaciones y Obras Públicas que posteriormente se convertiría en la Secretaría de Comunicaciones y Transportes (SCT) actual. La creación del organismo descentralizado denominado Caminos y Puentes Federales de Ingresos y Servicios Conexos (CAPUFE) dio apertura al proyecto y construcción de carreteras de altas especificaciones a partir de 1952, permitiendo el establecimiento de cuotas en carreteras, autopistas y puentes gestionados por dicho organismo. La situación actual de la red carretera en México se muestra en la siguiente tabla, de acuerdo a información disponible en la página de las Estadísticas del Transporte de América del Norte ligada a través del portal de la SCT: Jerarquías LONGITUD DEL SISTEMA Red de carreteras Pavimentadas Sistema carretero principal Menos de cuatro carriles Cuatro carriles o más Locales No pavimentadas

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

323065 108488 101798 91585 10213

330005 110910 104189 93841 10348

337168 113125 105633 95496 10137

349037 117023 109326 98748 10578

352072 116923 110920 99951 10969

355796 122678 111900 100669 11231

356945 123354 113004 101676 11328

360075 127173 114061 102445 11616

366096 132729 119757 107783 11974

366807 136157 121340 109368 11972

371936 138404 122436 109796 12640

374262 141361 124246 111205 13041

214577

219095

224043

232014

235149

233118

233591

232902

233367

230650

233532

232901

1.2. Tipos de pavimentos Estructuralmente existen dos tipos de pavimentos: a) Los pavimentos rígidos formados por una superficie de rodamiento de concreto hidráulico, con refuerzo o sin refuerzo, que absorbe la mayor cantidad de los esfuerzos inducidos por el tránsito transmitiendo a las capas inferiores valores muy bajos; b) Los pavimentos flexibles, formados por superficies de rodamiento de material asfáltico o

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adoquines soportadas por capas de material graduado que permiten la transmisión de esfuerzos por cohesión y fricción a través de las capas que lo forman. 1.3

Características de los tipos de pavimentos

En los pavimentos rígidos se utiliza una losa de concreto hidráulico reforzada o no como superficie de rodamiento, con modulación a través de juntas transversales y longitudinales que permitan una adecuada transferencia de cargas entre los módulos por medio de varillas pasa juntas, trabazón de agregados o elementos machimbrados. La losa se coloca sobre una base, de preferencia rígida, formada por material gravoso arenoso o gravoso limoso estabilizada con cemento Portland, que presente muy bajas deformaciones para que sirve de capa de sustento a la losa; por debajo de la esta capa se ubicará la capa subrasante, que forma parte de las terracerías. En los pavimentos flexibles, la superficie de rodamiento o carpeta lo proporciona una mezcla asfáltica formada por gravas, arenas y finos aglutinados por cemento asfáltico, la cual tiene la propiedad de ajustarse a las deformaciones que puedan presentarse en las capas inferiores por cedencia; la primera capa por debajo de la carpeta asfáltica es la base, la cual puede ser: a) hidráulica, si está formada por gravas y arenas (agregados) controladas que permitan el drenado del agua hacia las capas inferiores, b) estabilizada, si se agrega cemento Portland o cal para rigidizar a los agregados, c) cementada, si contiene finos poco plásticos que ofrecen cohesión para cementar a los agregados, d) base asfáltica o base negra, si se agrega cemento asfáltico mediante emulsiones a los agregados. La siguiente capa, conocida como sub-base, está formada por material gravoso-arenoso economizada con la combinación con material del terreno natural, si se ajusta a la calidad requerida, o con material de bancos de préstamo más económicos, permitiendo el presentar diseños de pavimentos más asequibles.

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1.4

Estructuras de los pavimentos

Es importante definir la estructura de un pavimento tomando en cuenta la capa de cimentación que proporcionan las terracerías a través del terreno natural y las capas que lo conforman, como la cama de los cortes, el cuerpo del terraplén, la capa subyacente y la capa subrasante. El terreno natural es la sección del material del sitio seleccionado para el trazo de un camino que posee sus propiedades de humedad, plasticidad y granulometría naturales sin ser modificadas por adición de otro material, aunque se permite un mejoramiento de su capacidad de carga mediante la reducción volumétrica del suelo (compactación). Cuando se requiere, por especificación del proyecto del camino, realizar cortes para conformar la cama de los mismos, se deberá cortar o abrir una caja del espesor que requiere el diseño del pavimento para escarificar el piso de desplante y compactar en capas al grado de compactación especificado, según el ensaye indicado. Esto logra aumentar la capacidad de soporte del terreno natural y permite definir a la capa subrasante; en el caso del cuerpo del terraplén, deberán colocarse las capas compactadas del material propuesto para rellenar y alcanzar los niveles del proyecto para finalizar con la capa subrasante; en los caminos de altas especificaciones o de gran volumen de tránsito, se requiere una capa de transición entre el cuerpo del terraplén o la cama de los cortes y la capa subrasante que se conoce como capa subyacente, la cual deberá cumplir con los requisitos de calidad especificados en la normativa vigente. Es recomendable que el terreno natural proporcione una capacidad de carga mínima de 1 kg/cm2 como piso de desplante medido mediante una prueba de cortante, compresión simple inconfinada o ensaye triaxial sin consolidar y sin drenaje (UU); sin embargo, en los suelos de los pavimentos, el parámetro de resistencia lo proporciona el valor de soporte California (CBR) o el valor relativo de soporte (VRS) obtenidos mediante un ensaye AASHTO o un ensaye Porter modificado, respectivamente. La normativa vigente de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes (SCT) indica los siguientes parámetros y características de los materiales para terracerías, capa subyacente y capa subrasante de mostrados en las Tablas 1 y 2. Tabla 1. Definición y características de las capas de las terracerías. Terraplén

Son suelos y fragmentos de roca, producto de los cortes o de la extracción de bancos, que se utilizan para formar el cuerpo del terraplén hasta el nivel de la capa subyacente. Capa Son suelos y fragmentos de roca, producto de los cortes o de la extracción subyacente de bancos, que se utilizan para formar dicha capa inmediatamente por encima del cuerpo del terraplén, si así lo solicita el diseño. Capa Son suelos naturales, seleccionados o cribados, producto de los cortes o de subrasante la extracción de bancos, que se utilizan para formar dicha capa inmediatamente por encima de la cama de los cortes, de la capa subyacente o del cuerpo del terraplén cuando ésta última no se construya para servir de piso de desplante del pavimento. Página | 6


Los requisitos de calidad de las capas subyacente y subrasante están en función del número de ejes equivalentes de 8.2 Ton (∑L), valor que se obtiene al realizar el estudio de tránsito correspondiente para el camino a proyectar y está en función de la composición vehicular, el horizonte de proyecto, la tasa de crecimiento anual, el número de carriles del camino, los coeficientes de equivalencia. Estos datos los calcularemos más adelante. Los requisitos de calidad están contenidos en la normativa SCT N-CMT-1-01/02, N-CMT-1-02/02 y N-CMT-1-03/02. Tabla 2: Requisitos de calidad Parámetro \ CAPA TERRAPLEN Tamaño máximo, mm NA Límite líquido, max., % 50 Ïndice plástico, máx, % NA CBR, mín., % 5 Expansión máx., % 5 Grado de 90±2 compactación,% Número de ejes equivalentes de 8.2 ton, ∑L El que indique el Espesor, mín., cm proyecto

SUBYACENTE Que sea compactable 50 NA 10 3

SUBRASANTE 75 40 12 20 2

95±2 ∑L≤10

5

NA

100±2

105<∑L ≤106

106<∑L ≤107

∑L>10

30

70

Diseño especial

7

6

6

7

∑L≤10

10 <∑L<10

20

30

7

∑L>10 Diseño especial

Nota: En ningún caso se aceptarán suelos no despalmados o turbas. Cuando se requiere habilitar un camino de bajo tránsito para que sea circulable durante la mayor época del año, en lugares en donde prevalecen las lluvias y se presentan suelos muy deformables por la humedad, se recomienda usar la capa de revestimiento o revestido. En este caso se seleccionan materiales no susceptibles a la humedad, de naturaleza gravosa, arenosa, limosa de baja plasticidad, fragmentos de rocas, balastros, desperdicios de piedra de mampostería, suelos de barrancas cribados, conglomerados o suelos modificados químicamente que permitan la permeabilidad y que no se deformen por la presencia de arcillas plásticas o expansivas. Podemos decir que los revestimientos forman un pavimento primitivo y que puedan servir a futuro para usarse en algunas de las capas de un pavimento formal. Con las técnicas actuales de recuperación de pavimentos, en muchas ocasiones, pueden construirse revestimientos con material de carpetas recuperadas que no se utilizan en los pavimentos rehabilitados. Los requisitos de calidad que se solicitan para el material del revestimiento, normativa SCT N-CMT-4-01/02, se muestran en la tabla 3. Tabla 3. Requisitos de calidad de revestimientos Característica Límite líquido, máximo, % Indice plástico, máximo, % Equivalente de arena, mínimo, % Valor de Soporte de California (CBR), mínimo, % Grado de compactación, mínimo, % Página | 7

Valor 30 15 30 50 95


La granulometría que deben cumplir los materiales para revestimientos se presenta en la tabla 4. Tabla 4. Requisitos granulométricos y curva granulométrica para revestimientos Abertura mm

Designación

75.00 50.00 37.50 25.00 19.00 9.50 4.75 2.00 0.85 0.425 0.250 0.150 0.075

3” 2” 1 ½” 1” ¾” 3/8” No. 4 No. 10 No. 20 No. 40 No. 60 No. 100 No. 200

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Porcentaje que pasa 100 85 – 100 75 – 100 66 – 100 61 – 100 50 – 100 40 – 80 30 – 60 20 – 44 14 – 32 10 – 25 7 – 20 5 – 15


La primera capa que forma parte de la estructura del pavimento, inmediatamente después de las terracerías, es la capa sub-base, sin embargo, esta capa es opcional, si el diseño del pavimento establece que no se requiere, pues puede omitirse. Sin embargo, es una capa que economiza el diseño del pavimento al permitir el uso de materiales que pueden ser del mismo terreno natural, si se cumplen los requisitos de calidad, o combinados de bancos de préstamos con calidad menores que los que deben cumplir los materiales de la capa base. Los materiales que pueden usarse en esta capa los define la normativa SCT N-CMT-4-02-001/11, en la tabla 5. Tabla 5. Requisitos de calidad de los materiales para sub-bases de pavimentos asfálticos Característica Límite líquido, máximo Indice plástico, máximo Valor Soporte de California (CBR), mínimo Equivalente de arena, mínimo Desgaste Los Angeles, máximo Grado de compactación, mínimo

Valor % ∑L≤106 ∑L>106 30 25 10 6 50 60 30 40 50 40 100 100

Los requisitos de granulometría de los materiales para sub-bases de pavimentos asfálticos se muestran en la tabla 6. Tabla 6. Requisitos de granulometría de los materiales para sub-bases de pavimentos asfálticos Malla Abertura mm Designación 75.00 3” 50.00 2” 37.50 1 ½” 25.00 1” 19.00 ¾” 9.50 3/8” 4.75 No. 4 2.00 No. 10 0.85 No. 20 0.425 No. 40 0.250 No. 60 0.150 No. 100 0.075 No. 200

Porcentaje que pasa ∑L≤106 ∑L>106 100 100 85 – 100 85 – 100 75 – 100 75 – 100 62 – 100 62 – 100 54 – 100 54 – 100 40 – 100 40 – 100 30 – 100 30 – 80 21 – 100 21 – 60 13 – 92 13 – 45 8 – 75 8 – 33 5 – 60 5 – 26 3 – 45 3 – 20 0 - 25 0 – 15

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∑L≤106

∑L>106

El importante comentar que el tamaño máximo de las partículas no será mayor del 25% del espesor de la base. Si la granulometría del material obtenido en el banco, una vez sujeto al tratamiento mecánico, no cumple con los requisitos de calidad, se podrá mezclar con materiales de otros bancos, en la proporción adecuada para que cumpla con dichos requisitos; en ningún caso es aceptable mezclar con materiales finos que agreguen plasticidad a la mezcla. Existen procedimientos gráficos y matriciales basados en optimización para realizar el diseño granulométrico de las mezclas. Más adelante se comentarán algunos casos. La base es la capa que halla inmediatamente por debajo de la superficie de rodamiento y pueden ser de los siguientes tipos: a) Bases hidráulicas, formadas por materiales granulares que sirven de apoyo para una carpeta asfáltica, una capa de rodadura asfáltica o una carpeta de concreto hidráulico, cuyos materiales generalmente deben recibir un tratamiento como cribado, trituración parcial o total y mezclas, que ofrezcan un drenado adecuado del agua que llegue a penetrar por la carpeta para ser desalojada posteriormente por el bombeo de la subrasante. Normalmente este material deberá ser controlado y con requisitos de calidad muy rigurosos, en donde las granulometrías deberán ser las adecuadas para cada caso de superficie de rodamiento que vaya a recibir, como lo contempla la norma N-CMT-4-02Página | 10


002/11. Dependiendo del tránsito esperado durante la vida útil del pavimento medido a través de ∑L, se seleccionará como se indica en la tabla 7. Tabla 7. Porcentaje de roca triturada para base hidráulica de acuerdo a ∑L ∑L<106 50%

106≤∑L≤107 75%

∑L>107 100%

Los requisitos de calidad de las bases hidráulicas dependerán del tipo de superficie de rodamiento a la que dará sustento, teniendo el caso para carpetas de concreto hidráulico y para carpetas asfálticas, como se muestra en la tabla 8. Tabla 8. Requisitos de calidad para base hidráulica dependiendo del tipo de carpeta

Característica Límite líquido, máximo Índice plástico, máximo Equivalente de arena, mínimo Valor Soporte de California (CBR), mínimo Desgaste Los Ángeles, máximo Partículas alargadas y lajeadas, máximo Grado de compactación, mínimo

Tipo de carpeta De concreto De mezcla asfáltica hidráulico Valor % ∑L≤106 ∑L>106 25 25 25 6 6 6 40 40 50 80 80 100 35 35 30 40 40 35 100 100 100

La granulometría para bases hidráulicas que recibirán carpetas de concreto hidráulico se muestra en la tabla 9, junto con su curva granulométrica. Tabla 9. Requisitos de granulometría para bases de pavimentos con carpetas de concreto hidráulico Abertura mm

Designación

37.50 25.00 19.00 9.50 4.75 2.00 0.85 0.425 0.250 0.150 0.075

1 ½” 1” ¾” 3/8” No. 4 No. 10 No. 20 No. 40 No. 60 No. 100 No. 200

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Porcentaje que pasa 100 70 – 100 60 – 100 40 – 100 30 – 80 21 – 60 13 – 44 8 – 31 5 – 23 3 – 17 0 – 10


Los requisitos granulométricos y su respectiva curva granulométrica para las bases hidráulicas que soportarán carpetas de mezcla asfáltica de granulometría densa se muestran en la tabla 10. Tabla 10. Requisitos granulométricos para bases hidráulicas de carpetas asfálticas de granulometría densa. Malla Abertura mm Designación 75.00 3” 50.00 2” 37.50 1 ½” 25.00 1” 19.00 ¾” 9.50 3/8” 4.75 No. 4 2.00 No. 10 0.85 No. 20 0.425 No. 40 0.250 No. 60 0.150 No. 100 0.075 No. 200

Porcentaje que pasa ∑L≤106 ∑L>106 100 100 85 – 100 85 – 100 75 – 100 75 – 100 62 – 100 62 – 90 54 – 100 54 – 83 40 – 100 40 – 65 30 – 80 30 – 50 21 – 60 21 – 36 13 – 44 13 – 25 8 – 31 8 – 17 5 – 23 5 – 12 3 – 17 3–9 0 - 10 0–5

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∑L>106

∑L≤106

La curva granulométrica del material por emplear, determinada mediante el procedimiento M-MMP-4-01-003, Granulometría, tendrá una forma semejante a la de las curvas que se muestran en las figuras de las tablas 9 y 10, según sea el caso, sin cambios bruscos de pendiente. La relación entre el porcentaje en masa que pase la malla con abertura 0.075 mm (No. 200) al que pase la malla con abertura de 0.425 mm (No. 40) no será mayor de 0.65. Si la granulometría del material obtenido en el banco, una vez sujeto al tratamiento mecánico, no cumple con los requisitos de calidad, se podrá mezclar con materiales de otros bancos, en la proporción adecuada para que cumpla con dichos requisitos; en ningún caso es aceptable mezclar con materiales finos que agreguen plasticidad a la mezcla. Como se dijo anteriormente, existen procedimientos gráficos y matriciales basados en optimización para realizar el diseño granulométrico de las mezclas, lo que veremos más adelante. b) Bases tratadas, se refiere a materiales granulares que no cumplen con los requisitos de calidad para las bases hidráulicas o que, por razones estructurales, requieren de la incorporación de un producto que modifica alguna de sus características física, generalmente haciéndolos más rígidos y resistentes, mejorando su comportamiento mecánico e hidráulico, para ser colocados sobre la sub-base o la subrasante y formar una capa de apoyo para una carpeta asfáltica o para una carpeta de concreto hidráulico.

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En la norma N-CMT-4-02-003/04 se habla de seis tipos de bases tratadas: 1) los materiales de base modificados con cal, con incorporaciones de 2% a 3% en masa de cal para modificar su plasticidad y reducir el efecto de la materia orgánica, 2) los modificados con cemento Portland, con incorporaciones de 3% a 4% para modificar su plasticidad e incrementar su resistencia, 3) los materiales estabilizados con cemento, con incorporaciones de 8% a 10% en masa de cemento Portland para obtener resistencias a la compresión simple a los 28 días de 25 kg/cm2 e incrementar su rigidez, reduciendo el efecto de la fatiga sobre la carpeta o mejorando el apoyo de las losas de concreto hidráulico, 4) los materiales estabilizados con asfalto mediante emulsiones o asfaltos rebajados con incorporación del 3% al 4% en masa de cemento asfáltico para mejorar su comportamiento y el efecto de la plasticidad, 5) las bases de mezcla asfáltica o bases negras, en donde se incorpora, en caliente o en frío, de 4% a 5% en masa de cemento asfáltico para formar una capa de concreto asfáltico magro, y 6) las bases de concreto hidráulico magro o de baja resistencia, con incorporación de cemento Portland necesario para obtener una resistencia a la compresión simple a los 28 días de 150 kg/cm2 a 200 kg/cm2 y transformar un pavimento flexible en un pavimento rígido, como es el caso de concretos compactados con rodillo (CCR) o de la recuperación en frío de pavimentos asfálticos y su base hidráulica. Tabla 11. Requisitos de calidad para materiales de banco modificados con cal o cemento Portland o estabilizados con cemento Portland. Material Cal Cemento Portland

Requisito Cumplir con N-CMT-4-03-001 Cumplir con N-CMT-2-02-001 Tipo CPO Material de base sin modificación Cumplir con granulometría indicado por N-CMT-4-02002 Contenido de materia orgánica con color menor al obtenido con líquido oscuro que la solución normalizada no. 3 de M-MMP-4-01-012 Material de base modificado Cumplir con límite líquido, índice plástico, equivalente de arena, CBR y desgaste Los Ángeles que indique N-CMT-4-02-002 Material estabilizado con Resistencia a la compresión simple a los 28 días no cemento Portland menor de 25 kg/cm2 para cilindros compactados al 100% con respecto a su masa volumétrica seca máxima obtenida mediante ensaye AASHTO Modificada indicada en M-MMP-4-01-010 Materiales modificados con cal o En el tramo, cumplir la compactación al 100% con estabilizados con cemento respecto a la masa volumétrica seca máxima obtenida mediante ensaye AASHTO Modificada Portland indicada en M-MMP-4-01-010

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Tabla 12. Requisitos de calidad para materiales de banco estabilizados con asfalto. Material Producto asfáltico Material de base

Requisito Cumplir con N-CMT-4-05-001 Cumplir con granulometría indicado por N-CMT-4-02-002 Contenido de materia orgánica con color menor al obtenido con líquido oscuro que la solución normalizada no. 3 de MMMP-4-01-012 Desprendimiento por fricción menor del 25% Cubrimiento con asfalto mayor de 90% Para materiales arenosos, estabilidad mínima de 64 kg. Para materiales plásticos, estabilidad mínima de 180 kg, expansión máxima 2% y absorción máxima 5% Materiales estabilizado con En el tramo, cumplir la compactación al 100% con respecto asfalto a la masa volumétrica seca máxima obtenida mediante ensaye AASHTO Modificada indicada en M-MMP-4-01-010 Tabla 13. Requisitos de calidad de materiales para base negra. Característica Límite líquido, máximo Indice plástico, máximo Contenido de agua, máximo Equivalente de arena, mínimo Partículas alargadas y lajeadas, máximo Desgaste Los Angeles, máximo Pérdida de estabilidad por inmersión en agua, máximo Grado de compactación, mínimo

Valor % ∑L≤106 ∑L>106 30 25 6 6 1 1 40 50 50 40 30 30 25 25 95

95

Tabla 14. Requisitos granulométricos para bases negras Malla Abertura mm Designación 37.50 1 ½” 25.00 1” 19.00 ¾” 9.50 3/8” 4.75 No. 4 2.00 No. 10 0.85 No. 20 0.425 No. 40 0.250 No. 60 0.150 No. 100 0.075 No. 200

Porcentaje que pasa ∑L≤106 ∑L>106 100 100 90 – 100 90 – 100 76 – 100 76 – 100 42 – 100 42 – 100 24 – 100 24 – 70 10 – 90 10 – 27 5 – 65 5 – 14 4 – 47 4 – 10 2 – 35 2–8 1 – 25 1–7 0 - 15 0–6 Página | 15


∑L>106 ∑L≤106

Cuando la base negra se diseñe con el método Marshall deberá cumplir los requisitos de las tablas 15 y 16. Tabla 15. Requisitos de calidad para base negra diseñada mediante el método Marshall Valor

Característica Compactación, número de golpes en cada cara de la probeta Estabilidad, N (lbf), mínimo Flujo, mm (10-2 in) Vacíos en la mezcla asfáltica (VMC), %

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∑L≤106 50

∑L>106 75

4410 (990) 2 – 4.5 (8 – 18) 3–8

6890 (1540) 2 – 4 (8 – 16) 3-8


Tabla 16. Vacíos en el agregado mineral (VAM) para bases negras diseñadas por el método Marshall Tamaño máximo del material pétreo utilizado en la mezcla mm

Designación

4.75 6.30 9.50 12.5 19.0 25.0 37.5

No. 4 ¼” 3/8” ½” ¾” 1” 1 ½”

Vacíos en el agregado mineral (VAM) %, mínimo 18 17 16 15 14 13 12

Cuando en la elaboración de la base negra se utilice emulsión asfáltica, ésta será de rompimiento medio o lento y cuando se utilice asfalto rebajado, éste será de fraguado rápido. La temperatura de las emulsiones asfálticas al momento del mezclado, será de 5°C a 48°C; en el caso de asfaltos rebajados, será de 60°C a 80°C. Para obtener un buen cubrimiento de los pétreos, es conveniente realizar el mezclado en planta. No se aplicarán los materiales asfálticos cuando la temperatura ambiente sea menor de 5°C, cuando esté lloviendo o haya amenaza de lluvia o cuando la velocidad del viento impida que la aplicación con la petrolizadora sea uniforme. Los contenidos de cemento asfáltico, agua y disolventes en las bases asfálticas ya compactadas quedarán dentro de los límites fijados por la tabla 17. Tabla 17. Contenidos de cemento asfáltico, agua y disolventes en bases negras Material asfáltico empleado en la elaboración de la base negra Cemento asfáltico Emulsión asfáltica sin disolventes Emulsión asfáltica con disolventes Asfaltos rebajados

Tolerancia en el contenido de cemento asfáltico (CA), %

Contenido de agua libre permitido, %

Relación de disolventes a cemento asfáltico en masa, valor K

(Respecto a la masa del material pétreo)

(Respecto a la masas de la mezcla asfáltica)

CA ± 0.05

1

0

CA ± 0.10

---

0

CA ± 0.10

---

0.05 a 0.08

CA ± 0.10

1

0.05 a 0.08

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Los requisitos de calidad de materiales para base de concreto hidráulico magro o de baja resistencia provenientes de bancos de préstamo se indican en la tabla 18. Tabla 18. Requisitos de calidad del material pétreo para bases de concreto hidráulico magro. Material Cemento Portland Material pétreo

Característica Indice plástico, máximo Equivalente de arena, mínimo Desgaste Los Angeles, máximo

Requisito Cumplir con N-CMT-2-02-001 Tipo CPO La fracción del material pétreo que se retenga en la malla 4.75 mm (No. 4) tendrá al menos 50% en masa de partículas trituradas que presenten dos o más caras fracturadas. Se suministrarán fraccionados al menos en dos tamaños, separados por la malla 4.75 mm (No. 4) Contenido de materia orgánica con color más claro que la solución normalizada No. 3 Valor % NP 50 30

Tabla 19. Características granulométricas del material pétreo para bases de concreto hidráulico magro. Abertura mm

Designación

25.00 19.00 9.50 4.75 2.00 0.85 0.425 0.250 0.150 0.075

1” ¾” 3/8” No. 4 No. 10 No. 20 No. 40 No. 60 No. 100 No. 200

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Porcentaje que pasa 100 87 – 100 55 – 89 35 – 69 22 – 54 15 – 40 10 – 30 8 – 23 5 – 18 3 – 10


Tabla 20. Características granulométricas del material pétreo combinado con cemento Portland para concreto hidráulico magro Abertura mm

Designación

25.00 19.00 9.50 4.75 2.00 0.85 0.425 0.250 0.150 0.075

1” ¾” 3/8” No. 4 No. 10 No. 20 No. 40 No. 60 No. 100 No. 200

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Porcentaje que pasa 100 88 – 100 59 – 90 41 – 72 29 – 58 23 – 45 18 – 36 16 – 30 14 – 25 12 – 18


Los materiales pétreos se suministrarán fraccionados al menos en dos tamaños, separados por la malla con abertura de 4.75 mm (No. 4), si la dosificación del cemento se hace en planta estacionaria. Si el cemento se agrega en el camino, se suministrará en un solo tamaño. Los materiales combinados y el cemento Portland, se mezclarán en la proporción necesaria para producir un concreto hidráulico homogéneo, con la resistencia a la compresión simple establecida en el proyecto o aprobada por la SCT, de forma que en su estado fresco tenga un revenimiento de cero (0) cm. Será responsabilidad del Contratista de la obra determinar el proporcionamiento adecuado en el laboratorio para alcanzar la resistencia de proyecto. Salvo que en el proyecto o la SCT indiquen otra cosa, la base de concreto hidráulico magro o de baja resistencia, una vez agregado el cemento Portland, se compactará al cien (100) por ciento con respecto a la masa volumétrica seca máxima obtenida mediante la prueba AASHTO modificada con el contenido de agua óptimo. La compactación de una sección transversal cualquiera se terminará totalmente en menos de tres (3) horas. Desde el instante en que se haya iniciado la incorporación y mezclado de agua para el concreto hidráulico magro o de baja resistencia destinado a esa sección, excepto cuando el proyecto indique o la SCT aprueba la utilización de un aditivo retardador de fraguado, en cuyo caso dicha sección se compactará totalmente dentro del plazo de trabajabilidad de la mezcla.

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En todo momento se mantendrá húmeda la superficie de la base de concreto hidráulico magro mediante riegos de agua finamente pulverizada, hasta la colocación de la membrana de curado, si el camino está fuera de operación. En caso contrario se continuará con los riegos durante tres (3) días. Una vez compactada y curada la base, su resistencia a la compresión simple a los veintiocho (28) días de edad, determinada mediante el procedimiento M-MMP-2-02-058, Resistencia a la compresión simple de cilindros de concreto, será la establecida en el proyecto o la que indique la SCT. En el caso de los materiales obtenidos de la recuperación in-situ de pavimentos existentes, para ser utilizados en una nueva base, estabilizada o no, se corregirán mediante la adición de otros materiales provenientes de banco, de tal manera que cumplan con los requisitos establecidos en esta Norma según el uso a que se destinen. En los casos en que esto no sea posible o económicamente inconveniente, tal situación deberá ser tomada en cuenta en el diseño del pavimento. 1.5 Diferencias entre los pavimentos flexibles y los rígidos Los pavimentos rígidos están estructurados de tal forma que la losa de concreto hidráulico al entrar en contacto con las ruedas de los vehículos del tránsito, absorba los esfuerzos de tensión inducidas por ellas. La capa de sustento de la losa, llamada sub-base, prácticamente no recibe esfuerzos, sin embargo, no deben presentarse asentamientos ni deformaciones causadas por cedencia del suelo de las terracerías y que se manifiesta en las capas superiores. Normalmente el diseño de este tipo de pavimento involucra análisis basados en los esfuerzos de tensión que se presentan a lo largo del espesor del pavimento debido a la acción del tránsito, así como de pequeños esfuerzos inducidos por alabeos por cambios volumétricos del concreto hidráulico debido a gradientes de temperatura. También se presentan esfuerzos debidos a la fricción de la ruedas en la losa accionados por arranque y frenado, siendo valores que se representan por medio de factores que amplifican los esfuerzos de tensión del tránsito. La transferencia de esfuerzos en la losa por su modulación debido a los agrietamientos naturales que se Página | 21


presentan en el concreto por cambios volumétricos debidos a la temperatura lo que obliga a inducir zonas de debilitamiento mediante el aserrado creando las juntas transversales y longitudinales de transferencia de cargas así como las juntas de construcción y expansión, obliga a diseñar adecuadamente estos mecanismos de transferencia, conocidos como pasa-juntas, machimbrado, malla de refuerzo o trabazón de agregados. En los pavimentos flexibles, las diferentes capas que conforman exclusivamente al pavimento estructuralmente trabajan mediante la fricción y cohesión de los materiales aglutinantes en conjunto con los materiales granulares que forman el material pétreo de las capas sub-base y base, quienes reciben de la superficie de rodamiento los esfuerzos de tensión transmitidos por el tránsito que rueda. La zona de esfuerzos es más reducida a lo largo pero con valores de esfuerzos verticales más críticos que los que se presentan en un pavimento rígido. Sin embargo, la colaboración de cada capa en absorber parte de los esfuerzos y transmitirlos a las capas inferiores, provoca un comportamiento estructural, en donde su mayor problema será la deformación repetida generando un fenómeno de fatiga que provocará en un momento determinado la deformación permanente de la capa, reflejándose en la superficie de rodamiento, que comenzará a mostrar signos de falla al presentarse el agrietamiento, piel de cocodrilo, disgregado de la mezcla y, finalmente, el bache. Podemos resumir que la principal diferencia entre los dos pavimentos es la forma en cómo transmiten las cargas del tránsito a la capa subrasante. En los rígidos, la alta rigidez de la losa de concreto pemite comportarse como una placa rígida y distribuir las cargas sobe un área mayor de la subrasante, transmitiendo presiones muy bajas a las capas inferiores (terreno natural). Por sí misma, la losa proporciona la mayor capacidad estructural del pavimento rígido. Como el pavimento flexible está construido con materiales débiles y menos rígidos que los concretos hidráulicos y más deformables, de forma tal que transmiten a la subrasante las cargas de manera más concentradas en menos área de apoyo, normalmente requiere más capas y mayores espesores para resistir la transmisión de las cargas a la subrasante.

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APUNTES DE DISEÑO Y CONSTRUCCION DE PAVIMENTOS Tema1.pdf

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