Curso Básico de Diseño de Pavimentos Parte 1 - Fernando Sanchez Sabogal

CURSO BÁSICO DE DISEÑO DE PAVIMENTOS

FERNANDO SANCHEZ SABOGAL Ingeniero Civil

CONTENIDO

PRIMERA PARTE - PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

MÓDULO 1 - INTRODUCCIÓN AL DISEÑO DE PAVIMENTOS MÓDULO 2 - ESFUERZOS Y DEFORMACIONES EN PAVIMENTOS ASFÁLTICOS

MÓDULO 3 - ESFUERZOS EN PAVIMENTOS RÍGIDOS MÓDULO 4 - CARACTERIZACIÓN DEL TRÁNSITO MÓDULO 5 - CONSIDERACIONES SOBRE EL DRENAJE EN LOS PAVIMENTOS

CONTENIDO SEGUNDA PARTE - MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE PAVIMENTOS MÓDULO 6 - EVALUACIÓN DE LA SUBRASANTE MÓDULO 7 - MATERIALES PARA BASE Y SUBBASE MÓDULO 8 - LIGANTES BITUMINOSOS

MÓDULO 9 - REVESTIMIENTOS BITUMINOSOS MÓDULO 10 - MATERIALES PARA PAVIMENTOS RÍGIDOS Y DE ADOQUINES MÓDULO 11 - VARIABILIDAD EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS

CONTENIDO

TERCERA PARTE - DISEÑO DE PAVIMENTOS PARA CALLES Y CARRETERAS MÓDULO 12 - DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS PARA CALLES Y CARRETERAS MÓDULO 13 - DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS PARA CALLES Y CARRETERAS MÓDULO 14 - DISEÑO DE PAVIMENTOS DE ADOQUINES

CONTENIDO

CUARTA PARTE - CONSTRUCCIÓN DE PAVIMENTOS MÓDULO 15 - CONSTRUCCIÓN DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS MÓDULO 16 - CONSTRUCCIÓN DE PAVIMENTOS RÍGIDOS Y DE ADOQUINES

CONTENIDO QUINTA PARTE – EVALUACIÓN, MANTENIMIENTO Y REHABILITACIÓN DE PAVIMENTOS MÓDULO 17 - MANTENIMIENTO RUTINARIO DE VÍAS PAVIMENTADAS MÓDULO 18 - EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS

MÓDULO 19 - SELECCIÓN DE TRATAMIENTOS Y DE ESTRATEGIAS DE REHABILITACIÓN MÓDULO 20 - DISEÑO DE OBRAS DE REHABILITACIÓN PARA LA CORRECCIÓN DE DEFICIENCIAS ESTRUCTURALES

CONTENIDO SEXTA PARTE – VÍAS EN AFIRMADO MÓDULO 21 - VÍAS EN AFIRMADO

SÉPTIMA PARTE – ANÁLISIS ECONÓMICO MÓDULO 22 - ADMINISTRACIÓN DE PAVIMENTOS

APÉNDICE INTRODUCCIÓN A LA GUÍA AASHTO DE DISEÑO EMPÍRICOMECANÍSTICO DE PAVIMENTOS

INTRODUCCIÓN AL DISEÑO DE PAVIMENTOS

CONTENIDO Desarrollo histórico

Definiciones Tipos de pavimentos Factores que afectan el diseño y el comportamiento de los pavimentos Pavimentos flexibles contra pavimentos rígidos Pavimentos de aeropistas contra pavimentos de carreteras

Marco general del diseño de pavimentos


DESARROLLO HISTÓRICO


EVENTO

ÉPOCA

LUGAR

SIGNIFICADO

Invención de la rueda Cam inos de gran longitud

3000 A.C.

Asia

Facilitó el intercam bio com ercial y el desplazam iento de las personas

500 A.C.

Asia

Vía de enlace entre Susa (Persia) y el Mediterráneo

1607

Francia

1848

Inglaterra

1852

Francia

Prim er pavim ento de m acadam con asfalto natural

1879

Escocia

Prim er pavim ento de concreto de cem ento

1895

Francia

Aum ento de la com odidad de circulación

1924

Italia

Prim era vía del m undo con control total de accesos, para servir altos volúm enes de tránsito

1940

U.S.A.

Prim era supercarretera construida en Am érica

Legislación cam inos

sobre

Uso del alquitrán Uso m oderno del asfalto Cam inos de horm igón Autom óvil de llanta neum ática inflable Autoestrada Milan Lagos Alpinos Inauguración de la Pennsylvania Turnpike

Se sancionó el prim er estableciendo m étodos m antenim iento de cam inos

código de carreteras, de construcción y

Prim er cam ino con superficie pavim entada

DESARROLLO HISTÓRICO INVENCIÓN DE LA RUEDA

Las ruedas más antiguas que se conocen fueron construidas en la antigua Mesopotamia, entre los años 3500 A.C. y 3000 A.C. En su forma más simple, la rueda era un disco sólido de madera, fijado a un eje redondo mediante espigas de madera Con el transcurso de los años se eliminaron secciones del disco para reducir su peso y los radios empezaron a emplearse en torno al año 2000 antes de Cristo


INVENCIÓN DE LA RUEDA

Rueda de Ur ¿3000 A.C.?

Estandarte de Ur (2500 A.C.)


PRIMER CAMINO DE GRAN LONGITUD En el siglo V A.C., Darío I el Grande expandió el imperio aqueménida, dividió sus dominios en veinte satrapías encabezadas por miembros de la familia real y ordenó la construcción de una carretera desde la capital de Lidia, en el oeste de la actual Turquía, hasta Susa, para llevar el correo imperial mediante postas ecuestres Este servicio sirvió de inspiración al ―Pony Express‖, establecido por la administración postal norteamericana a mediados del siglo XIX


PRIMER CAMINO DE GRAN LONGITUD


CALZADAS ROMANAS Red de carreteras muy eficiente, sin igual hasta los tiempos actuales, que abarcaba todo el Imperio Romano  En un principio, el sistema fue diseñado con fines militares y políticos: mantener un control efectivo de las zonas incorporadas al Imperio era el principal objetivo de su construcción Una vez construidas, las calzadas adquirieron gran importancia económica, pues al unir distintas regiones, facilitaban el comercio y las comunicaciones


CALZADAS ROMANAS En la cumbre de su poder, el sistema de carreteras del Imperio Romano alcanzó unos 80.000 km, consistentes en 29 calzadas que partían de la ciudad de Roma, y una red que cubría todas las provincias conquistadas importantes, incluyendo Gran Bretaña  Las calzadas romanas tenían un espesor de 90 a 120 cm y estaban compuestas por tres capas de piedras argamasadas cada vez más finas, con una capa de bloques de piedras encajadas en la parte superior


CALZADAS ROMANAS (Sección transversal típica)

DESARROLLO HISTÓRICO CALZADAS ROMANAS


CALZADAS ROMANAS (Mapa general)


CALZADAS ROMANAS EN LA ACTUALIDAD

Vía Apia, construida en el 312 A.C. por el censor romano Apio Claudio el Ciego

Calzada en Paestum Italia


TABLA DE PEUTINGER Mapa de carreteras más antiguo que existe y contiene algunos caminos del Imperio Romano

Tiene 11 hojas y cubre 20.000 kilómetros de vías Fue elaborado en los siglos XII o XIII y es una copia de un documento más antiguo, quizás del siglo IV

Konrad Peutinger lo heredó en 1508 del bibliotecario del emperador Maximiliano de Austria Se encuentra en la Biblioteca Nacional de Austria

DESARROLLO HISTÓRICO TABLA DE PEUTINGER (fragmento de una edición del siglo XVI)


PERSONAJES NOTABLES Hubert Gautier (1660 - 1737) Escribió en 1716 el ―Traité des Ponts‖, y en 1721 el ―Traité de la Construction des Chemins‖, considerados los primeros tratados modernos sobre construcción de puentes y de caminos Fue durante 28 años inspector de puentes y caminos de la provincia de Languedoc (Francia)

DESARROLLO HISTÓRICO PERSONAJES NOTABLES Pierre-Marie Jérôme Trésaguet (1716 - 1796) Consideró que el suelo de fundación, y no las capas de la calzada, debería soportar las cargas y desarrolló un sistema de construcción mejorando el soporte con una espesa capa de piedras uniformes, cubierta por otras dos capas de partículas de menor tamaño y de bajo espesor

DESARROLLO HISTÓRICO PERSONAJES NOTABLES Thomas Telford (1757 – 1834) Aplicando conceptos similares a los de Trésaguet, mejoró el soporte mediante el empleo de piedras cuidadosamente seleccionadas de gran tamaño (100 mm de ancho y hasta 180 mm de altura), sobre las cuales colocaba otras capas de partículas de tamaño menor


PERSONAJES NOTABLES John Loudon McAdam (1756 – 1836)

Construyó caminos con una capa de partículas de piedra partida de igual tamaño (según él, ninguna partícula que no quepa en la boca de un hombre puede ir en el camino), cubierta por partículas más pequeñas, la cual se consolidaba bajo tránsito, hasta formar una capa de rodadura densa e impermeable


PERSONAJES NOTABLES Edmund J. DeSmedt Aunque anteriormente se construyeron algunas superficies pavimentadas con alquitrán, fue el 29 de Julio de 1870 cuando este químico belga colocó el primer verdadero pavimento asfáltico (Sheet Asphalt) en los Estados Unidos de América, en Broad Street, al frente del City Hall de Newark (New Jersey)

DESARROLLO HISTÓRICO PERSONAJES NOTABLES George Bartholomew Construyó el primer pavimento de concreto en América, en Bellefontaine, Ohio, en 1891

DESARROLLO HISTÓRICO PERSONAJES NOTABLES Edouard Michelin (1859-1940) Inventó el neumático inflable y desmontable para automóvil y, en 1895, condujo el primer automóvil con llantas de este tipo en la carrera París -Burdeos-París

INSPIRACIÓN PARA BIBENDUM


PERSONAJES NOTABLES Frederick J. Warren Patentó en 1900 las primeras mezclas asfálticas en caliente para pavimentación, denominadas ―Warrenite-Bitulithic‖


LOS CAMINOS A COMIENZOS DEL SIGLO XX


LOS CAMINOS A COMIENZOS DEL SIGLO XX En 1910, se construyó el primer pavimento de concreto en una carretera en el continente americano (6 pulgadas de espesor), en un tramo aproximado de una milla en Wayne County (Michigan)

DESARROLLO HISTÓRICO LA PRIMERA CARRETERA COLOMBIANA PARA TRÁNSITO AUTOMOTOR Bogotá – Santa Rosa de Viterbo Primera carretera construida por el Ministerio de Obras Públicas (1905 – 1908) en una longitud de 247 kilómetros, durante la presidencia de Rafael Reyes


PRIMERA GRAN CARRETERA DEL MUNDO Autostrada dei laghi Obra concebida en 1921 por el ingeniero Piero Puricelli (1883-1951), cuyo primer tramo, entre Milán y Varese, fue inaugurado el 21 de septiembre de 1924

Aunque en su etapa inicial sólo tuvo 2 carriles, fue la primera carretera del mundo con un diseño geométrico apropiado para alta velocidad y con control total de accesos


PENNSYLVANIA TURNPIKE (Primera supercarretera de América) En 1934, Victor Lecoq empleado de la Oficina de Planeación Estatal y William Sutherland de la Pennsylvania Motor Truck Association propusieron construir una gran carretera, aprovechando la explanación y los túneles de un proyecto ferroviario abandonado desde 1885

La obra se inició el 27 de octubre de 1938, el pavimento rígido comenzó a colocarse el 31 de agosto de 1939 y la autopista, de 160 millas, 72 túneles, 11 intercambiadores a desnivel y 10 plazas de peaje, se abrió al tránsito público el 1 de octubre de 1940


PENNSYLVANIA TURNPIKE (Primera supercarretera de América)

Los primeros autos esperan la apertura de la autopista el 1 de octubre de 1940

Corte Clear Ridge de 153 pies de altura y media milla de longitud


CAMINOS Y PISTAS DE PRUEBA Desde principios del siglo XX los Departamentos de Carreteras de los Estados Unidos de América han construido caminos pavimentados de ensayo, con el propósito de evaluar de manera acelerada y a escala real los efectos del clima, de los materiales de construcción y de las cargas del tránsito sobre el diseño y el comportamiento de los pavimentos El desarrollo tecnológico reciente ha permitido la construcción de pistas de prueba de tamaño real o a escala reducida en diferentes partes del mundo, en las cuales se simulan, en poco tiempo, los efectos de las diferentes variables sobre el comportamiento de los pavimentos a largo plazo


CAMINOS Y PISTAS DE PRUEBA ARLINGTON ROAD TEST (1921 - 1922) Ensayo realizado con vehículos de ruedas macizas de caucho sobre diferentes superficies, en pistas circulares Se comprobó el efecto de las fuerzas de impacto de diferentes cargas por rueda, lo que condujo a estudios posteriores más refinados y a la inclusión de llantas con neumáticos inflables


CAMINOS Y PISTAS DE PRUEBA PITTSBURG (CA) ROAD TEST (1921 - 1922) Comparación del comportamiento de pavimentos de concreto simple y reforzado 1371 pies, divididos en 13 secciones de pavimentos de concreto simple y reforzado, entre 5‖ y 8‖ de espesor Se determinó que los pavimentos reforzados presentaban un mejor comportamiento que los de concreto simple


BATES ROAD TEST En 1922 y 1923 se construyeron en Illinois 78 secciones de prueba con superficies de ladrillo, concreto y asfalto, para determinar cuál era el material más adecuado para pavimentar las carreteras del Estado Como resultado de las pruebas, se eligió el concreto para la pavimentación y se desarrolló el primer procedimiento de diseño de espesores (Fórmula de Older)

DESARROLLO HISTÓRICO BATES ROAD TEST

DESARROLLO HISTÓRICO CAMINOS Y PISTAS DE PRUEBA MARYLAND ROAD TEST (1950 - 1951) Su finalidad fue estudiar el efecto de 2 configuraciones de ejes, cada una con 2 cargas diferentes, sobre el comportamiento de pavimentos de concreto hidráulico

DESARROLLO HISTÓRICO PRINCIPALES HALLAZGOS DEL MARYLAND ROAD TEST

El agrietamiento aumentó con la magnitud de la carga, para la mayoría de las secciones de pavimento rígido  El ―bombeo‖ se presentó cuando las losas estaban apoyadas sobre suelos finos, pero no sobre bases granulares  El ―bombeo‖ produjo mayores deflexiones en las esquinas de las losas

El alabeo se producía principalmente en las esquinas de las losas El aumento de velocidad reducía los daños en el pavimento

DESARROLLO HISTÓRICO CAMINOS Y PISTAS DE PRUEBA

WASHO ROAD TEST (1952 - 1954) Construido en Malad (Idaho) para evaluar el comportamiento de pavimentos asfálticos bajo cuatro (4) configuraciones diferentes de ejes Las pruebas se realizaron entre 1952 y 1954 Se construyeron pavimentos con espesores totales entre 150 y 550 mm, con capas asfálticas de 50 mm y 100 mm Constó de dos circuitos con 46 secciones de ensayo

DESARROLLO HISTÓRICO CAMINOS Y PISTAS DE PRUEBA WASHO ROAD TEST (1952 - 1954)

DESARROLLO HISTÓRICO PRINCIPALES HALLAZGOS DEL WASHO ROAD TEST

 Los daños aumentan con la magnitud de la carga  Se producen mayores deterioros en los carriles exteriores cuando la bermas no están pavimentadas  Ejes tándem con una carga aproximadamente igual a 1,5 veces la carga de un eje simple, causaban el mismo deterioro  Ejes tándem con una carga aproximadamente igual a 1,8 veces la de un eje simple, producían igual deflexión máxima Se estableció la utilidad de las medidas de deflexión en el desarrollo de métodos de diseño de refuerzos de pavimentos asfálticos (viga Benkelman)

DESARROLLO HISTÓRICO CAMINOS Y PISTAS DE PRUEBA AASHO ROAD TEST (1958 - 1960) El ensayo tuvo por finalidad estudiar el comportamiento de estructuras de pavimentos de carreteras, de espesores conocidos, bajo la acción de cargas en movimiento, de magnitud y frecuencia conocidas Se construyeron 6 pistas de ensayo, 5 de las cuales fueron sometidas a tránsito controlado

La información obtenida en esta prueba constituyó un avance crucial en el conocimiento del diseño estructural, del comportamiento de los pavimentos, de las equivalencias de daño entre cargas por eje, etc


AASHO ROAD TEST


AASHO ROAD TEST

DESARROLLO HISTÓRICO AASHO ROAD TEST

Ottawa - Illinois


AASHO ROAD TEST PAVIMENTOS ASFÁLTICOS

Se construyeron 468 secciones de prueba, de 30 metros cada una, con transiciones de 5 metros PAVIMENTOS RÍGIDOS

En total se construyeron 368 secciones. Las de concreto simple fueron de 36 metros, con juntas transversales de contracción cada 4.5 metros y varillas de transferencia de carga. Las secciones de pavimento reforzado tuvieron una longitud de 72 metros, con juntas transversales de contracción cada 12 metros y varillas de transferencia de carga. El acero de refuerzo se colocó 5 cm bajo la superficie

DESARROLLO HISTÓRICO AASHO ROAD TEST

DESARROLLO HISTÓRICO PRINCIPALES HALLAZGOS DEL AASHO ROAD TEST

PAVIMENTOS ASFÁLTICOS Se presentaba mayor agrietamiento en la estación fría Las mayores deflexiones se presentaban al comienzo de la primavera La velocidad reducía la magnitud de las deflexiones Se estableció la ―Ley de la Cuarta Potencia‖ sobre equivalencias en el efecto de las diferentes cargas por eje


PAVIMENTOS RÍGIDOS El escalonamiento se produjo en las grietas y en las juntas sin varillas de transferencia de carga El ―bombeo‖ es un importante factor de falla y se presentó con mayor frecuencia a lo largo de los bordes del pavimento Los pavimentos de concreto simple con juntas se deflectan menos que los de concreto reforzado con juntas El aumento de la velocidad se tradujo en disminuciones de deformaciones y deflexiones

DESARROLLO HISTÓRICO FENÓMENO DE “BOMBEO” EN PAVIMENTOS RÍGIDOS


Se desarrolló el concepto de serviciabilidad al usuario, mediante medidas de regularidad longitudinal del pavimento (SV), la cantidad de áreas agrietadas (C) y parchadas (P) en pavimentos asfálticos y rígidos y el ahuellamiento en pavimentos asfálticos (RD) Los valores de estas medidas fueron agrupados bajo un término denominado ―índice de servicio presente‖ (ISP ó PSI) que oscila entre 5 (pavimento perfecto) y 0 (pavimento intransitable)


ÍNDICE DE SERVICIO PRESENTE


CAMINOS Y PISTAS DE PRUEBA MINNESOTA ROAD RESEARCH PROJECT (1990) Efecto del tránsito pesado y de los ciclos climáticos sobre los materiales y sobre el diseño de pavimentos Está constituido por dos caminos de ensayo: —Un tramo real de carretera de 3 millas en la carretera Interestatal 94 —Una pista cerrada de 2,5 millas sometida a tránsito de baja intensidad


CAMINOS Y PISTAS DE PRUEBA MINNESOTA ROAD RESEARCH PROJECT (1990)

DESARROLLO HISTÓRICO MINNESOTA ROAD RESEARCH PROJECT

En total, el proyecto comprendía 40 secciones de ensayo con 4.572 sensores electrónicos. La información obtenida ha permitido: —Evaluar los efectos de los vehículos pesados sobre los pavimentos —Evaluar los efectos de los cambios estacionales sobre los materiales de construcción —Mejorar el diseño de pavimentos para vías de bajo tránsito

DESARROLLO HISTÓRICO CAMINOS Y PISTAS DE PRUEBA WESTRACK (desde 1996) Construida para verificar los modelos de predicción de comportamiento y de los sistemas de diseño de mezclas SUPERPAVE Consistió en dos tramos en tangente de 910 metros cada uno conectados por 2 curvas espirales de 141.5 metros de radio  La pista tenía 3 kilómetros en total y la prueba se realizó en 26 secciones en tangente, de 70 metros cada una


CAMINOS Y PISTAS DE PRUEBA WESTRACK (desde 1996) Objetivo primario de la pista de ensayo  Construida en Carson City (Nevada), con el fin de desarrollar una especificación de mezclas asfálticas en caliente relacionada con el comportamiento y brindar una verificación rápida del método de diseño volumétrico SUPERPAVE (Nivel 1) Cargas para la prueba Cada camión se cargó de manera que representara 10.3 ejes simples equivalentes de 80 kN por pasada

DESARROLLO HISTÓRICO WESTRACK ESQUEMA DE LA PISTA


WESTRACK CAMIONES PARA LA PRUEBA


HALLAZGOS INICIALES DEL WESTRACK Los resultados fueron aleatorios, pues las mezclas gruesas presentaron mayores ahuellamientos que las finas, para los contenidos óptimos de asfalto Los agrietamientos fueron más intensos en mezclas con bajos contenidos de asfalto y altos contenidos de vacíos Los resultados permitieron establecer unos modelos preliminares de predicción de comportamiento Se comprobó que el consumo de combustible se incrementa al aumentar la rugosidad del pavimento

DESARROLLO HISTÓRICO CAMINOS Y PISTAS DE PRUEBA

NCAT PAVEMENT TEST TRACK (desde 2000) Su objetivo primario fue comparar el comportamiento de diferentes mezclas asfálticas a medida que son sometidas a tránsito real durante el transcurso del tiempo Tiene una extensión de 2.8 kilómetros y contiene 46 secciones diferentes de pavimento, debidamente instrumentadas, ensayadas en 2 ciclos de 10 millones de ejes equivalentes cada uno


NCAT PAVEMENT TEST TRACK


HALLAZGOS DEL NCAT PAVEMENT TEST TRACK EN 5 AÑOS

Las mezclas finas tipo SUPERPAVE se comportan mejor ante el ahuellamiento y el agrietamiento que las gruesas Los ahuellamientos se reducen en más de 50% en clima cálido cuando el grado de alta temperatura del asfalto (SUPERPAVE) se incrementa 2 grados sobre lo necesario No se han establecido correlaciones entre el ahuellamiento y el módulo de las mezclas asfálticas No se han establecido correlaciones entre el comportamiento de los pavimentos y los resultados de los ensayos comunes para valorar la calidad de los agregados pétreos


PROGRAMA SHRP Strategic Highway Research Program Programa de 150 millones de dólares, aprobado por el Congreso de USA en 1987, para mejorar las carreteras y hacerlas más seguras La investigación se condujo en 4 áreas: operaciones viales, concretos y estructuras, asfaltos y comportamiento de pavimentos a largo plazo (LTPP)

DESARROLLO HISTÓRICO PROGRAMA SHRP Strategic Highway Research Program La investigación sobre asfaltos se tradujo en el desarrollo del método SUPERPAVE para la clasificación de asfaltos y el diseño de mezclas

La investigación sobre el comportamiento de los pavimentos a largo plazo –LTPP– (Long Term Pavement Performance) intenta establecer una gran base de datos sobre el comportamiento de los pavimentos en los Estados Unidos y en los demás países participantes en el programa


DEFINICIONES

DEFINICIONES PAVIMENTO Conjunto de capas superpuestas, relativamente paralelas, de varios centímetros de espesor, de materiales de diversas características, adecuadamente compactados, que se construyen sobre la subrasante obtenida por el movimiento de tierras y que han de soportar las cargas del tránsito durante varios años sin presentar deterioros que afecten la seguridad y la comodidad de los usuarios o la propia integridad de la estructura Kraemer & Del Val

DEFINICIONES

DISEÑO DE PAVIMENTOS Proceso por medio del cual se determinan los componentes estructurales de un segmento vial, teniendo en cuenta la naturaleza de la subrasante, los materiales disponibles, la composición del tránsito y las condiciones del entorno

DEFINICIONES INGENIERÍA DE PAVIMENTOS ―Es el arte de utilizar materiales que no entendemos completamente, en formas que no podemos analizar con precisión, para que soporten cargas que no sabemos predecir, de tal forma que nadie sospeche de nuestra ignorancia‖

Matthew W. Witczak

FUNCIONES DE LA ESTRUCTURA DE UN PAVIMENTO

 Reducir y distribuir los esfuerzos producidos por las cargas del tránsito, de manera que no causen daño en la subrasante Proporcionar comunicación vehicular entre dos puntos en todo tiempo Proporcionar una superficie de rodamiento segura, lisa y confortable, sin excesivo desgaste Satisfacer los requerimientos ambientales y estéticos Limitar el ruido y la polución del aire

Brindar una razonable economía

FASES DEL DISEÑO DE PAVIMENTOS El diseño de la vía abarca tres etapas: Diseño geométrico (selección de ruta, alineamiento, etc.) Diseño de capacidad (determinación del número de carriles necesarios para satisfacer la demanda) Diseño estructural para soportar la acción de las cargas y del medio ambiente El diseño estructural abarca tres etapas:  Selección del tipo de pavimento  Determinación de los espesores de las capas  Dosificación de materiales

REQUISITOS DE UNA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO

 Suficiente espesor para distribuir los esfuerzos en magnitud apropiada sobre la subrasante 

Suficiente resistencia en cada una de sus capas para

soportar las cargas del tránsito vehicular

 Impermeabilidad, para evitar la penetración de agua superficial que pueda debilitar al pavimento y la subrasante

 Adecuada lisura y resistencia al deslizamiento


TIPOS DE PAVIMENTOS

TIPOS DE PAVIMENTOS

PAVIMENTOS ASFÁLTICOS

FLEXIBLES SEMI-RÍGIDOS

CONCRETO SIMPLE CON JUNTAS

PAVIMENTOS RÍGIDOS

CONCRETO REFORZADO CON JUNTAS CONCRETO CON REFUERZO CONTINUO CONCRETO CON REFUERZO ESTRUCTURAL ADOQUINES DE CONCRETO

PAVIMENTOS ARTICULADOS

ADOQUINES DE ARCILLA OTROS

TIPOS DE PAVIMENTOS PAVIMENTO ASFÁLTICO Pavimento constituido por una capa de rodadura consistente en un tratamiento o mezcla de materiales granulares y asfálticos, que se construye sobre una capa de base granular o estabilizada y una capa de subbase Si la capa de base es de tipo granular, el pavimento se llama “flexible”, en tanto que si está constituida por materiales estabilizados, el pavimento se denomina “semi – rígido”

TIPOS DE PAVIMENTOS ESTRUCTURA TÍPICA DE UN PAVIMENTO ASFÁLTICO

TIPOS DE PAVIMENTOS VISTA GENERAL DE UN PAVIMENTO ASFÁLTICO

TIPOS DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS MECANISMO DE FUNCIONAMIENTO DE UN PAVIMENTO FLEXIBLE

1. 2. 3. 4.

Deformación por compresión  Ahuellamiento de las capas asfálticas Deformación por tensión  Agrietamiento por fatiga en las capas asfálticas Deformación por compresión  Ahuellamiento en base y subbase granular Deformación por compresión Ahuellamiento en la subrasante

TIPOS DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS MECANISMO DE FUNCIONAMIENTO DE UN PAVIMENTO SEMI-RÍGIDO

1. 2. 3. 4.

Deformación por compresión Ahuellamiento en las capas asfálticas Deformación por tensión Agrietamiento por fatiga en la base estabilizada Deformación por compresión  Ahuellamiento en la subbase. Deformación por compresión  Ahuellamiento en la subrasante

TIPOS DE PAVIMENTOS

PAVIMENTO RÍGIDO Pavimento constituido por un conjunto de losas de concreto de cemento portland que se pueden construir directamente sobre la subrasante preparada o sobre una capa intermedia de apoyo (base o subbase), elaborada con materiales granulares o estabilizados o con un concreto pobre

TIPOS DE PAVIMENTOS ESTRUCTURA TÍPICA DE UN PAVIMENTO RÍGIDO

TIPOS DE PAVIMENTOS VISTA GENERAL DE UN PAVIMENTO RÍGIDO

TIPOS DE PAVIMENTOS DE CONCRETO HIDRÁULICO

PAVIMENTO DE CONCRETO SIMPLE CON JUNTAS

Contiene suficientes juntas para controlar todas las grietas previsibles Este tipo de pavimento no contiene acero de refuerzo Puede llevar varillas lisas en las juntas transversales y varillas corrugadas en las juntas longitudinales  El espaciamiento entre juntas transversales oscila entre 4.5 y 7.5 metros

TIPOS DE PAVIMENTOS DE CONCRETO HIDRÁULICO PAVIMENTO DE CONCRETO SIMPLE CON JUNTAS

TIPOS DE PAVIMENTOS DE CONCRETO HIDRÁULICO PAVIMENTO DE CONCRETO REFORZADO CON JUNTAS

La longitud de las losas oscila entre 7.5 y 15 metros, motivo por el cual requieren acero de refuerzo para mantener unidas las fisuras transversales que se desarrollan El acero de refuerzo no tiene por función tomar esfuerzos de tensión producidos por las cargas del tránsito La cantidad requerida de acero es pequeña, del orden de 0.1% a 0.2% de la sección transversal del pavimento Son poco utilizados en la actualidad

TIPOS DE PAVIMENTOS DE CONCRETO HIDRÁULICO PAVIMENTO DE CONCRETO REFORZADO CON JUNTAS

TIPOS DE PAVIMENTOS DE CONCRETO HIDRÁULICO CONSTRUCCIÓN DE PAVIMENTO DE CONCRETO REFORZADO CON JUNTAS

TIPOS DE PAVIMENTOS DE CONCRETO HIDRÁULICO PAVIMENTOS DE CONCRETO CON REFUERZO CONTINUO

No requieren juntas transversales de contracción a intervalos regulares Contienen mayores cuantías de acero de refuerzo, generalmente de 0.5 % a 0.8 % del área transversal del pavimento El acero intenta forzar el agrietamiento a intervalos pequeños, de 1 a 2 metros y mantiene firmemente unidas las grietas que se forman

TIPOS DE PAVIMENTOS DE CONCRETO HIDRÁULICO PAVIMENTOS DE CONCRETO CON REFUERZO CONTINUO


PAVIMENTOS DE CONCRETO CON REFUERZO CONTINUO

TIPOS DE PAVIMENTOS DE CONCRETO HIDRÁULICO PAVIMENTOS DE CONCRETO CON REFUERZO ESTRUCTURAL

En estos pavimentos el acero asume tensiones de tracción y compresión, de manera que es posible reducir el espesor de las losas Se utilizan principalmente en pisos industriales, donde las losas deben resistir cargas de gran magnitud Las dimensiones de las losas son similares a las de los pavimentos de concreto simple, y el acero no debe atravesar la junta transversal para evitar la aparición de fisuras


PAVIMENTOS DE CONCRETO CON REFUERZO ESTRUCTURAL

TIPOS DE PAVIMENTOS

PAVIMENTO ARTICULADO Pavimento cuya capa de rodadura está constituida por un conjunto de pequeños bloques prismáticos que se ensamblan de manera que formen una superficie continua, los cuales se apoyan sobre una capa de arena que, a su vez, se encuentra sobre una capa de base (granular o estabilizada) y sobre una capa de subbase, generalmente granular

TIPOS DE PAVIMENTOS ESTRUCTURA TÍPICA DE UN PAVIMENTO ARTICULADO

TIPOS DE PAVIMENTOS VISTA GENERAL DE UN PAVIMENTO ARTICULADO


FACTORES QUE AFECTAN EL DISEÑO Y EL COMPORTAMIENTO DE LOS PAVIMENTOS

FACTORES QUE AFECTAN EL DISEÑO DE PAVIMENTOS

FACTORES QUE AFECTAN EL COMPORTAMIENTO DE LOS PAVIMENTOS

PAVIMENTOS ASFÁLTICOS VS PAVIMENTOS RÍGIDOS

PROS Y CONTRAS

PAVIMENTOS DE AEROPISTAS VS PAVIMENTOS DE CARRETERAS

AEROPISTAS

CARRETERAS

Menor número de repeticiones de carga Mayores presiones de inflado Mayor magnitud de carga No suelen presentar deterioros en los bordes de los pavimentos asfálticos Requieren mayores espesores

Mayor número de repeticiones de carga Menores presiones de inflado Menor magnitud de carga Presentan deterioros de importancia en los bordes de los pavimentos asfálticos Requieren menores espesores

PAVIMENTOS DE AEROPISTAS VS PAVIMENTOS DE CARRETERAS PAVIMENTO RÍGIDO DE AEROPISTA

PAVIMENTO RÍGIDO DE CARRETERA

MARCO GENERAL DEL DISEÑO DE PAVIMENTOS

ESFUERZOS Y DEFORMACIONES EN PAVIMENTOS ASFÁLTICOS

CONTENIDO

Introducción Sistemas de capas de comportamiento elástico

Modelos elásticos no lineales Modelos viscoelásticos Método de los elementos finitos

Método de los elementos discretos Conceptos fundamentales de diseño

ESFUERZOS Y DEFORMACIONES

EN PAVIMENTOS ASFÁLTICOS

INTRODUCCIÓN

INTRODUCCIÓN

RESPUESTA DE UN PAVIMENTO ASFÁLTICO ANTE LAS CARGAS DEL TRÁNSITO

 Desde los años 60, el método empírico – analítico ha ido ganando popularidad entre los ingenieros de pavimentos Este método emplea propiedades físicas fundamentales y un modelo teórico para predecir las respuestas del pavimento (esfuerzos, deformaciones y deflexiones) ante las cargas del tránsito Aunque las respuestas de los materiales difieran de las asunciones de la teoría, el conocimiento de ésta es indispensable para reconocer los factores fundamentales en los cuales se basan los diseños de pavimentos

INTRODUCCIÓN RESPUESTA DE UN PAVIMENTO ASFÁLTICO ANTE LAS CARGAS DEL TRÁNSITO

INTRODUCCIÓN CARACTERIZACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE UN PAVIMENTO ASFÁLTICO

La manera más elemental de caracterizar el comportamiento de un pavimento asfáltico bajo cargas, es considerando un semi espacio homogéneo Un semi espacio tiene un área infinitamente grande y una profundidad infinita con una superficie plana sobre la cual se aplican las cargas La teoría elástica se puede usar para determinar esfuerzos, deformaciones y deflexiones



SISTEMAS DE CAPAS DE COMPORTAMIENTO ELÁSTICO

SISTEMA DE UNA CAPA Placa circular flexible

Cuando una carga se aplica sobre un área circular, los valores críticos de esfuerzo, deformación y deflexión ocurren en el eje de simetría bajo el centro del área circular La carga aplicada a un pavimento por un neumático es similar a un placa flexible con radio ―a‖ y presión de contacto uniforme ―q‖.

SISTEMA DE UNA CAPA Placa circular flexible ESFUERZOS BAJO EL CENTRO DE LA PLACA

es independiente de E y

,y

es independiente de E

SISTEMA DE UNA CAPA Placa circular flexible DEFORMACIONES BAJO EL CENTRO DE LA PLACA

SISTEMA DE UNA CAPA Placa circular flexible DEFLEXIONES BAJO EL CENTRO DE LA PLACA


Ejemplo Determinar la deflexión en la superficie (z = 0) y el esfuerzo vertical a 0.30 metros bajo el centro de una carga circular, de acuerdo con la siguiente información: —Magnitud de la carga = 40,000 N —Radio de la placa = 0.15 m — m = 0.5 — E = 4*107 N/m2


CONCEPTO DE LOS SISTEMAS MULTICAPAS

SISTEMA ELÁSTICO MULTICAPA GENERALIZADO


SUPOSICIONES BÁSICAS PARA LA SOLUCIÓN ANALÍTICA DE LOS ESTADOS DE ESFUERZOS Y DEFORMACIONES 

El material de cada capa es homogéneo, isotrópico y linealmente elástico y está caracterizado por su módulo elástico (E) y su relación de Poisson (μ) El peso del material es despreciable Con excepción de la inferior, todas las capas tienen espesor finito Las capas son infinitas lateralmente y no tienen juntas ni grietas Hay fricción completa en las interfaces No existen fuerzas cortantes en la superficie Se aplica una presión uniforme a través de un área circular


LIMITACIONES Los materiales de los pavimentos sólo responden linealmente en los bajos rangos de esfuerzos

La respuesta de los materiales no es no – viscosa. Las mezclas asfálticas son materiales visco-elásticos No todas las deformaciones son recuperables. Los materiales de los pavimentos requieren tiempo para recuperar totalmente las deformaciones Algunas deformaciones plásticas se van acumulando tras la aplicación repetida de cargas

EVOLUCIÓN DE LAS SOLUCIONES MULTICAPA DOS CAPAS (Carga circular)  Cálculo de esfuerzos, deformaciones y desplazamientos en función de z/a y r/a (Burmister, 1943) TRES CAPAS (Carga circular)  Expresiones analíticas para cálculo de esfuerzos y desplazamientos (Burmister, 1945)

 Tablas para determinar esfuerzos normales y radiales en la intersección del eje de carga con las interfaces (Acum y Fox, 1951)  Soluciones gráficas para el cálculo de los esfuerzos verticales (Peattie, 1962) n CAPAS (Carga circular)  Huang, 1967

SISTEMA DE DOS CAPAS Pavimento de espesor pleno de concreto asfáltico  Los esfuerzos y deflexiones dependen de la relación modular de las capas (E1/E2) y de la relación de espesor (h1/a)  El esfuerzo vertical decrece con el incremento de la relación modular  Para un determinada presión de contacto, el esfuerzo vertical aumenta con el radio de contacto y con la disminución del espesor de la capa superior

SISTEMA DE DOS CAPAS Pavimento de espesor pleno de concreto asfáltico CURVAS DE INFLUENCIA DE ESFUERZOS EN SISTEMAS DE DOS CAPAS (D. M. BURMISTER)

SISTEMA DE DOS CAPAS Pavimento de espesor pleno de concreto asfáltico

SISTEMA DE DOS CAPAS Pavimento de espesor pleno de concreto asfáltico FACTORES DE DEFLEXIÓN SUPERFICIAL PARA SISTEMAS DE DOSCAPAS (BURMISTER)

SISTEMA DE DOS CAPAS Pavimento de espesor pleno de concreto asfáltico FACTOR DE DEFLEXIÓN (F) DE LA INTERFAZ PARA SISTEMAS DE DOS CAPAS (HUANG)

SISTEMA DE DOS CAPAS Pavimento de espesor pleno de concreto asfáltico

Ejemplo Calcular la deflexión superficial y en la interfaz de las dos capas, bajo el centro de una llanta de impronta circular, de acuerdo con los siguientes datos: — Radio huella = 0.15 metros — Presión de contacto = 5.6*105 N/m2 — Espesor capa superior (h1) = 0.30 metros — Módulo capa superior (E1 ) = 3*108 N/m2 —Módulo capa inferior( E2 ) = 6*107 N/m2

SISTEMA DE DOS CAPAS Pavimento de espesor pleno de concreto asfáltico Solución

SISTEMA DE TRES CAPAS

SISTEMA DE TRES CAPAS Existen soluciones tabulares para el cálculo de esfuerzos horizontales (Jones, 1962)

Existen soluciones gráficas para el cálculo de los esfuerzos verticales, elaboradas a partir de las tablas de Jones (Peattie, 1962) Las tablas y figuras se desarrollaron para un valor μ = 0.5 en todas las capas

SISTEMA DE TRES CAPAS TABLAS DE JONES  Las tablas de Jones suministran valores de factores de esfuerzos como diferencia de esfuerzos (ZZ1 – RR1) (ZZ2 – RR2) (ZZ2 – RR3), con los cuales se pueden calcular los esfuerzos horizontales: sz1- sR1 = q*(ZZ1-RR1) sz2- sR2 = q*(ZZ2-RR2) sz2- sR3 = q*(ZZ2-RR3) Conociendo y se puede determinar la deformación horizontal en el fondo de la capa 1

ε =( )/2E1 para μ = 0.5

SISTEMA DE TRES CAPAS EJEMPLO DE TABLA DE JONES PARA CÁLCULO DE ESFUERZOS HORIZONTALES

SISTEMA DE TRES CAPAS

GRAFICAS DE PEATTIE Las gráficas de Peattie suministran valores de factores de esfuerzos (ZZ1 y ZZ2), con los cuales se calculan los esfuerzos verticales: sz1 = q*(ZZ1) sz2 = q*(ZZ2)

SISTEMA DE TRES CAPAS GRAFICAS DE PEATTIE

SISTEMA DE TRES CAPAS Ejemplo:

Calcular los esfuerzos verticales (sz1, sz2 ) para una estructura de tres capas, de las siguientes características: —h1 = 0.075 m —h2 = 0.30 m —E1 = 4*109 N/m2 —E2 =2 *108 N/m2 —E3 = 1*108 N/m2 —Presión de contacto =540 kPa —Radio área cargada = 0.15 metros

SISTEMA DE TRES CAPAS Solución:  Cálculo de parámetros de entrada: — K1 = E1 / E2 = 4*109 / 2*108 =20 — K2 = E2 / E3 = 2*108 / 1*108 = 2 — A1 = a / h2 = 0.15 / 0.30 =0.5 — H = h1 / h2 = 0.075 / 0.30 = 0.25  Determinación de parámetros ZZ1 y ZZ2 (GRÁFICA) ZZ1 = 0.47 ZZ2 = 0.10  Cálculo de esfuerzos verticales = 0.47*540 = 253.8 kPa

= 0.10 *540 = 54.0 kPa

SISTEMAS MULTICAPAS

La extensión lógica de las soluciones para los sistemas de capas fue el desarrollo de programas de cómputo para facilitar los cálculos y brindar mayores posibilidades en relación con las características de los materiales y la configuración de las cargas

SISTEMAS MULTICAPAS

Ejemplos de programas de cómputo: BISAR (permite especificar fricción y cargas horizontales)

parámetros

de

ELSYM 5 (permite modelar ruedas múltiples y puede analizar hasta 5 capas)

KENLAYER (permite modelar capas elásticas lineales, elásticas no lineales y viscosas. Acepta ruedas múltiples y la fricción entre capas puede ser modelada. Permite estructuras hasta de 19 capas)

SISTEMAS MULTICAPAS DATOS DE ENTRADA USUALMENTE REQUERIDOS POR LOS PROGRAMAS DE CÓMPUTO Propiedades de los materiales de cada capa: · Módulo de elasticidad ·

Relación de Poisson

Espesores de las diferentes capas Condiciones de las cargas (2 de las 3 citadas): · · ·

Magnitud de la carga por neumático Radio de la impronta Presión de contacto

Número de cargas Localización de las cargas sobre la superficie (coordenadas x, y)

Localización de los puntos de análisis de esfuerzos y deformaciones (coordenadas x, y, z)

SISTEMAS MULTICAPAS

TEORÍA ELÁSTICA vs REALIDAD Las suposiciones en las cuales se basa la teoría elástica no se cumplen a cabalidad en los materiales y en las estructuras de los pavimentos

TEORÍA ELÁSTICA

REALIDAD

•Carga estática •Continuidad en los materiales •Homogeneidad •Isotropía •Relación lineal esfuerzodeformación •Deformaciones elásticas

•Carga dinámica •Discontinuidad en los materiales •No homogeneidad •Anisotropía •Relación compleja esfuerzodeformación •Deformaciones elásticas, plásticas, viscosas y visco elásticas.

OTROS MÉTODOS DE ANÁLISIS DE ESFUERZOS Y DEFORMACIONES

MODELOS ELÁSTICOS NO LINEALES MODELOS VISCOELÁSTICOS ELEMENTOS FINITOS ELEMENTOS DISCRETOS



MODELOS ELÁSTICOS NO LINEALES

MODELOS ELÁSTICOS NO LINEALES COMPORTAMIENTO ELÁSTICO NO LINEAL

La descarga sigue la misma trayectoria que la carga, pero la relación entre el esfuerzo vertical y la deformación vertical no es constante, sino que depende de la magnitud del esfuerzo aplicado.

MODELOS ELÁSTICOS NO LINEALES Los módulos elásticos de los materiales de los pavimentos son función del estado de esfuerzos al cual se encuentran sometidos

MODELOS ELÁSTICOS NO LINEALES

Las deformaciones y deflexiones en un semi espacio de comportamiento elástico no lineal se pueden calcular con la fórmula de Boussinesq, sustituyendo el módulo con una función no lineal del esfuerzo principal mayor (s1)



MODELOS VISCOELÁSTICOS

MODELOS VISCOELÁSTICOS Las deformaciones de pavimentos bajo carga raras veces son totalmente elásticas. A menudo contienen componentes viscosa, viscoelástica o plástica en adición a la elástica.

MODELOS VISCOELÁSTICOS ESFUERZO CÍCLICO Y CURVAS DE DEFORMACIÓN VS TIEMPO PARA VARIOS MATERIALES

Para los materiales elásticos no hay retraso entre la tensión de corte aplicada y la respuesta de la deformación de corte (δ =0)


Para los materiales totalmente viscosos la respuesta de la deformación está totalmente desfasada de la tensión aplicada (δ =90º)


Los materiales visco-elásticos tienen δ entre 0 y 90 dependiendo de la temperatura de ensayo (a mayor temperatura, mayor δ)


MODELOS BÁSICOS Un material elástico se caracteriza con un resorte que obedece la ley de Hooke, la cual afirma que el esfuerzo es proporcional a la deformación, siendo la constante de proporcionalidad el módulo elástico

s  E


MODELOS BÁSICOS Un material viscoso se caracteriza por medio de un amortiguador que obedece la ley de Newton, de acuerdo con la cual el esfuerzo es proporcional a la velocidad de fluir, siendo la constante de proporcionalidad la viscosidad

d s  dt


MODELO DE MAXWELL

Si un elemento presentara sólo elasticidad instantánea y fluencia viscosa simple, su comportamiento bajo tensión constante se podría representar por:


MODELO DE MAXWELL El esfuerzo es el mismo en los dos elementos, y la deformación, que se incrementa linealmente con el tiempo de carga, es la suma de las deformaciones en los elementos elástico y viscoso Al liberar la carga se recupera inmediatamente la parte elástica de la deformación, pero se conserva la deformación dependiente del tiempo, la cual es irrecuperable


MODELO DE MAXWELL

MODELOS VISCOELÁSTICOS MODELO DE KELVIN Los materiales pueden dependientes del tiempo

presentar

efectos

elásticos

En el modelo de Kelvin la deformación de los elementos es la misma, pero el esfuerzo total es la suma de los esfuerzos en el elemento elástico y en el elemento viscoso

d s  E   dt

Si se aplica un esfuerzo constante:





0

t dt d  s  E 0 


MODELO DE KELVIN En tal caso, el comportamiento del material bajo tensión constante se podría representar por:


MODELO DE KELVIN La deformación de los elementos es la misma, aproximándose asintóticamente con el tiempo al valor ζ/E, y la fuerza externa es la suma de las fuerzas en los elementos Cuando la carga se libera, el modelo vuelve a su posición original (luego de mucho tiempo); por ello se llama de “elasticidad retardada”

MODELOS VISCOELÁSTICOS MODELO DE KELVIN

MODELOS VISCOELÁSTICOS MODELO DE BURGERS Muchos materiales de pavimentos, como las mezclas asfálticas a elevadas temperaturas y los suelos muy cohesivos, no siguen los casos ideales y se han desarrollado combinaciones de ellos para simular su respuesta En el modelo de Burgers, la deformación bajo tensión constante es la suma de las deformaciones de la parte Maxwell y la parte Kelvin


MODELO DE BURGERS


MODELO SHRP (Strategic Highway Research Program) Las propiedades visco-elásticas del asfalto se caracterizan mediante el reómetro de corte dinámico Se mide el módulo complejo en corte (G*) y el ángulo de fase (δ) sometiendo una muestra de ligante a tensiones de corte oscilante La respuesta de la deformación específica de corte de la muestra está desfasada un cierto intervalo de tiempo (Δt) en relación con la tensión aplicada

MODELOS VISCOELÁSTICOS MODELO SHRP (Strategic Highway Research Program) El retraso de la fase (ángulo de fase) se obtiene multiplicando el retraso en tiempo por la frecuencia angular [δ =w(Δt)] El módulo complejo se establece mediante la relación entre la tensión de corte máxima y la máxima deformación de corte resultante (G*= ηMáx/ γMáx)


MODELOS VISCOELÁSTICOS MODELO SHRP Para los materiales elásticos no hay retraso entre la tensión de corte aplicada y la respuesta de la deformación de corte (δ =0) Para los materiales totalmente viscosos la respuesta de la deformación está totalmente desfasada de la tensión aplicada (δ =90º) Los materiales visco-elásticos tienen δ entre 0 y 90 dependiendo de la temperatura de ensayo (a mayor temperatura, mayor δ)

MODELOS VISCOELÁSTICOS MODELO SHRP

La especificación SHRP de ligantes controla el stiffness del asfalto mediante las relaciones G*/sen δ (altas temperaturas de servicio) y G*sen δ (temperaturas medias) Controlando el stiffness a altas temperatura de servicio se busca que el ligante provea su mayor aporte a la resistencia global al corte de la mezcla en términos de elasticidad Controlándolo a temperaturas medias de servicio se busca que el ligante no contribuya a la fisuración por fatiga



MÉTODO DE LOS ELEMENTOS FINITOS

MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS

Método de análisis numérico que permite obtener soluciones aproximadas en una amplia variedad de problemas de ingeniería El método se usa para dividir un medio continuo (por ejemplo el volumen de un pavimento) en un gran número de pequeños volúmenes discretos con el fin de obtener una solución numérica aproximada para cada volumen, en lugar de una solución exacta para todo el volumen

ANÁLISIS DE ELEMENTOS FINITOS PARA UN PROBLEMA DE PAVIMENTOS

PASO 1 – DISCRETIZAR EL MEDIO DE INTERÉS El medio pavimento-subrasante se divide en un número de elementos de formas geométricas simples, denominados elementos finitos, con las cargas de las ruedas en la parte superior


PASO 2 – DETERMINAR LAS CARACTERÍSTICAS DE CADA ELEMENTO Se asignan ―nodos‖ a cada elemento y se escoge una función para interpolar la variación de la variable sobre el elemento discreto A partir de los elementos y de sus funciones de interpolación, se desarrolla una expresión matricial (matriz elemental) para relacionar las fuerzas con los desplazamientos en las esquinas de cada elemento


PASO 2 – DETERMINAR LAS CARACTERÍSTICAS DE CADA ELEMENTO (cont.)  H i  k11 H    j  k12  H k  k     13 Vi  k14 V  k  j   15 Vk  k16

k12 k13 k14 k15 k16  u i     k 22 k 23 k 24 k 25 k 26  u j  k 23 k 33 k 34 k 35 k 36  u k   *   o f   k vi  k 24 k 43 k 44 k 45 k 46  vi  k 25 k 53 k 54 k 55 k 56  v j     k 26 k 63 k 64 k 65 k 66  v k 

k11 es la fuerza horizontal en el nodo ―i‖ causada por un desplazamiento (virtual) de 1 en el nodo ―i‖, k12 es la fuerza horizontal causada por un desplazamiento horizontal de 1 en el nodo ―j‖, etc


PASO 3 – ENSAMBLAR LAS ECUACIONES ELEMENTALES Las matrices elementales se ensamblan para formar un conjunto de ecuaciones algebraicas que describen el problema global (matriz global)

F   K V  PASO 4 – INCORPORAR CONDICIONES DE BORDE Se incorporan condiciones de borde dentro de la matriz global (fondo y lados de la región de análisis escogida)


PASO 5 – RESOLVER ECUACIONES ALGEBRAICAS

SISTEMA

DE

El conjunto de ecuaciones algebraicas es resuelto mediante un método matricial adecuado a través de un programa de cómputo que provee los desplazamientos en todos los nodos y determinando, a partir de ellos, los esfuerzos y deformaciones en los elementos, así como sus direcciones


SALIDAS DE UN ANÁLISIS POR EL MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS Las salidas son las mismas que las del análisis mediante un modelo elástico multicapa: Esfuerzo – la intensidad de las fuerzas internamente distribuidas en diferentes puntos de la estructura del pavimento Deformación – el desplazamiento unitario a causa del esfuerzo Deflexión – Cambio lineal en una dimensión


El programa brinda representaciones visuales de los diferentes valores de salida

DIAGRAMA TRIDIMENSIONAL DE DEFORMACIONES

CORTE DIAGRAMA DE DEFORMACIONES



MÉTODO DE LOS ELEMENTOS DISCRETOS

MÉTODO DE LOS ELEMENTOS DISCRETOS El método de los elementos finitos no es muy satisfactorio en la simulación de los procesos en los cuales aparece fractura o fragmentación Los materiales granulares no constituyen un campo continuo, pues están conformados por un conjunto de múltiples partículas de tamaño variado El comportamiento del material granular es complejo. A veces se comporta como sólido (se deforma ante cargas), a veces como líquido (se derrama y puede fluir) y a veces como gas (se puede comprimir hasta cierto límite y está formado por partículas sin enlace)

MÉTODO DE LOS ELEMENTOS DISCRETOS

Hay desplazamientos de traslación y rotación de los granos ante los esfuerzos  La deformación de los materiales granulares es dominada por el desplazamiento de las partículas y por deslizamiento sobre las demás Para tratar con la mecánica de los materiales conformados por partículas independientes, se han desarrollado programas de cómputo de elementos discretos (Ejemplo: BALL, TRUBAL)

REGLA GENERAL Si un modelo simple permite predecir la respuesta de un pavimento razonablemente bien, es preferible a un modelo complejo

COROLARIO El modelo complejo sólo es recomendable si produce un mejoramiento sustancial en las predicciones de respuesta



CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE DISEÑO

CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE DISEÑO ESFUERZO VERTICAL DE COMPRESIÓN SOBRE LA SUBRASANTE  El valor del esfuerzo vertical sobre el suelo decrece con el incremento de: — — — —

El espesor de las capas asfálticas El módulo elástico de las capas asfálticas El espesor de las capas granulares El módulo elástico de las capas granulares. Su incidencia es mayor que la del módulo de las capas asfálticas

CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE DISEÑO ESFUERZO HORIZONTAL EN EL FONDO DE LA CAPA DE BASE (SISTEMA TRICAPA) El esfuerzo de tensión aumenta: —Al aumentar el módulo de la base —Al reducir el espesor de las capas asfálticas Nota De todas maneras, en una capa de base ligada hidráulicamente, si su módulo elástico es muy bajo, el esfuerzo de tensión puede superar la resistencia a la flexión del material, produciendo el agrietamiento de la capa


ESFUERZO VERTICAL DE COMPRESIÓN SOBRE LA CAPA DE BASE El valor del esfuerzo se incrementa: —Al aumentar el espesor de la base, manteniendo constante el espesor de las capas asfálticas —Al aumentar el módulo de la capa de base

—Al disminuir el módulo elástico de la subrasante

CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE DISEÑO ESFUERZO HORIZONTAL EN LA PARTE SUPERIOR DE LA CAPA DE BASE

El esfuerzo horizontal es compresivo cuando el espesor de las capas asfálticas es delgado El esfuerzo horizontal de compresión se incrementa al aumentar el módulo de la base El esfuerzo horizontal de compresión aumenta si el espesor o el módulo de las capas asfálticas disminuye La combinación de esfuerzos de compresión horizontales y verticales no conduce a la falla de la base, a no ser que la capa sea inusualmente débil

CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE DISEÑO ESFUERZO HORIZONTAL EN LA FIBRA INFERIOR DE LAS CAPAS ASFÁLTICAS Cuando el módulo elástico de la base es mayor que el de las capas asfálticas, el esfuerzo horizontal en el fondo de éstas es de compresión

Cuando el módulo de la base es menor, el esfuerzo es de tensión y crece a medida que el módulo de la base es más bajo El esfuerzo de tensión se incrementa al disminuir el espesor de las capas asfálticas


ESFUERZO HORIZONTAL EN LA FIBRA INFERIOR DE LAS CAPAS ASFÁLTICAS (CONTINUACIÓN) El esfuerzo horizontal se incrementa al aumentar el módulo de las capas asfálticas El esfuerzo es particularmente alto si se combinan una baja relación de espesores de las capas superiores (h1/h2 < 2) y una alta relación modular entre ellas (E1/E2)


EFECTO DE FACTORES EXTERNOS

Para una carga total fija, un aumento en la presión de contacto genera mayores esfuerzos verticales en las capas superiores, pero el efecto es despreciable a mayores profundidades Si la presión de contacto es constante, un aumento en la carga total genera mayores esfuerzos verticales a cualquier profundidad


EFECTO DE FACTORES EXTERNOS (CONTINUACIÓN) Los esfuerzos verticales a cualquier profundidad se reducen al aumentar la velocidad de aplicación de la carga El esfuerzo vertical sobre la subrasante se incrementa al aumentar la temperatura, debido a que disminuye el módulo de las capas asfálticas

CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE DISEÑO DEFLEXIÓN La mayor parte de la deflexión es causada por la compresión elástica de la subrasante (70% - 90%) El aumento en el espesor o en el módulo de las capas superiores reduce la deflexión total

La reducción es más importante con el aumento del módulo que con el aumento en el espesor La estabilización de la subrasante reduce las deflexiones, debido al incremento modular

En general, los mismos factores que hacen decrecer los esfuerzos verticales de compresión sobre la subrasante, hacen disminuir la deflexión

ESFUERZOS EN PAVIMENTOS RÍGIDOS

CONTENIDO

Introducción Esfuerzos producidos por cambios de temperatura Esfuerzos producidos por cambios de humedad Esfuerzos producidos por las cargas del tránsito Presencia de acero en el pavimento rígido Método de los elementos finitos


INTRODUCCIÓN


FACTORES QUE CONTRIBUYEN AL DESARROLLO DE ESFUERZOS EN PAVIMENTOS RÍGIDOS

Cambios de temperatura —Alabeo por gradiente térmico —Contracción durante el fraguado —Expansión y contracción por cambios uniformes de temperatura Cambios de humedad Cargas del tránsito Otros (bombeo, cambios volumétricos del soporte)


ESFUERZOS PRODUCIDOS POR CAMBIOS DE TEMPERATURA

ALABEO POR GRADIENTE TÉRMICO

Al cambiar la temperatura ambiente durante el día, también cambia la temperatura del pavimento Este ciclo térmico crea un gradiente térmico en la losa El gradiente produce un alabeo en la losa

El peso propio de la losa y su contacto con la superficie de apoyo restringen el movimiento, generándose esfuerzos Dependiendo de la hora del día, estos esfuerzos se pueden sumar o restar de los efectos producidos por las cargas del tránsito



FÓRMULAS DE BRADBURY

Borde de la losa Interior de la losa Esquina de la losa

t  t 

C * E *  * t 2

E *  * t  C1  C 2    2 2  1  

t 

E *  * t  a    3(1   )  l 


FÓRMULAS DE BRADBURY

Notas 1.Debido a que Ci es inversamente proporcional al módulo de reacción del soporte (k), los esfuerzos por alabeo se incrementan cuando el soporte es muy rígido, ya que éste no puede asumir el contorno del pavimento 2. Como Ci es directamente proporcional a la longitud de la losa, el aumento de ésta incrementa los esfuerzos por alabeo térmico


FÓRMULAS DE BRADBURY SIGNIFICADO DE LOS TÉRMINOS DE LAS FÓRMULAS t

Esfuerzo en el sitio considerado

E

Módulo elástico del concreto



Coeficiente de dilatación térmica del concreto (0.000005/ºF)

t

Diferencia de temperatura entre las dos caras de la losa (gradiente)

C

Coeficiente que depende de la longitud de la losa y del radio de rigidez relativa

C1

Coeficiente en la dirección en la cual se calcula el esfuerzo

C2

Coeficiente en la dirección perpendicular a C1



Relación de Poisson del concreto

a

Radio del área cargada en el borde de la losa

l

Radio de rigidez relativa


CARTA DE BRADBURY PARA LA DETERMINACIÓN DE C, C1 Y C2


RADIO DE RIGIDEZ RELATIVA (Westergaard) Mide la rigidez de la losa de concreto respecto del suelo de soporte

h = espesor de la losa k = módulo de reacción del soporte

ALABEO POR GRADIENTE TÉRMICO EJEMPLO DE CÁLCULO DE ESFUERZOS POR ALABEO

Calcular los diferentes esfuerzos de alabeo para las siguientes condiciones: k t  E

200 pci 3ºF/pulgadas 0.000005/ºF 5,000,000 psi

 a h Long. losa (Bx)

0.15 5.9 pulgadas 9.0 pulgadas 14 pies

Ancho losa (By)

12 pies


EJEMPLO DE CÁLCULO DE ESFUERZOS POR ALABEO

Solución


EJEMPLO DE CÁLCULO DE ESFUERZOS POR ALABEO

Cálculo de los esfuerzos


CONSIDERACIONES SOBRE LOS ESFUERZOS POR ALABEO EN EL DISEÑO ESTRUCTURAL DEL PAVIMENTO

El ejemplo muestra que los esfuerzos por alabeo pueden superar a los producidos por las cargas del tránsito Sin embargo, dichos esfuerzos no se consideran en el instante de determinar el espesor del pavimento La filosofía que gobierna el diseño es que las juntas y el acero se emplean para aliviar o cuidar los esfuerzos por alabeo, y el espesor se determina con base en las cargas del tránsito

CONTRACCIÓN DURANTE EL FRAGUADO

La fricción entre la losa y la fundación, debido a la caída de temperatura durante el fraguado de concreto, produce esfuerzos en el concreto y en la armadura que contenga El diseño de la armadura de refuerzo de un pavimento rígido se basa en la consideración de los esfuerzos de fricción

CONTRACCIÓN DURANTE EL FRAGUADO

c = (γc)(L)(fa)/2 L = longitud de la losa γc = peso unitario del concreto fa = coeficiente de fricción entre la losa y la subrasante (generalmente 1.5)

CONTRACCIÓN ESFUERZOSDURANTE DEBIDOSEL A FRAGUADO FRICCIÓN

Ejemplo Determinar el esfuerzo máximo de contracción en una losa de pavimento rígido de 30 pies de longitud y peso unitario de 150 libras/pie3, si fa = 1.5 Solución

Nota: Los esfuerzos friccionales sólo son importantes en losas de gran longitud

EXPANSIÓN Y CONTRACCIÓN DE LAS LOSAS

Las aberturas de las juntas cambian a causa de los cambios de temperatura, alterando las condiciones de transferencia de carga Las características de contracción controlan la abertura de las juntas transversales del pavimento El material que se coloque para sellar las juntas deberá ser capaz de soportar, sin despegarse, los movimientos del concreto cuando ocurra la máxima contracción


L = CL (  T + ) L = abertura de la junta o cambio en la longitud de la losa. (Si L >1 mm, se requieren varillas de transferencia de carga) C = factor de ajuste debido a la fricción entre losa y soporte (0.65 para subbase estabilizada y 0.80 para subbase granular) L = longitud de la losa (espacio entre juntas)  = coeficiente de dilatación del concreto (aprox. 0.00001/°C) T = rango máximo de diferencia de temperatura  = coeficiente de contracción del concreto (depende de la resistencia a la tracción indirecta)


VALORES DEL COEFICIENTE DE CONTRACCIÓN (δ) (Experiencias de SIKA Colombia)


Ejemplo Calcular el movimiento de la junta transversal de una losa de 4.00 m de longitud, colocada sobre una subbase granular (C=0.8) , si T = 25 ºC y  = 0.00025 Solución L = CL (  t + ) L = (0.80)(4)(1,000) (0.00001*25 + 0.00025) L = 1.6 mm


SENSIBILIDAD DE LA ABERTURA DE LA JUNTA (ΔL) A LAS DIVERSAS VARIABLES

Sensibilidad al coeficiente de contracción (δ) Si éste fuese constante, la relación es directa y lineal



Sensibilidad al coeficiente de contracción (δ) Si éste varía con la edad del concreto como indican los resultados de SIKA Colombia, la relación toma otra forma



Sensibilidad al cambio de temperatura (ΔT) La relación es lineal y directa



Sensibilidad a la longitud de la losa A igualdad de los demás factores, si la longitud aumenta, la abertura de la junta por retracción también aumenta


ESFUERZOS PRODUCIDOS POR CAMBIOS DE HUMEDAD


ALABEO POR CAMBIOS DE HUMEDAD El alabeo también se produce por cambios de humedad en la losa

Estos esfuerzos suelen ser opuestos a los producidos por cambios cíclicos de temperatura En climas húmedos, la humedad de las losas es relativamente constante En climas secos, la superficie se encuentra más seca que el fondo


ALABEO POR CAMBIOS DE HUMEDAD


ESFUERZOS PRODUCIDOS POR LAS CARGAS DEL TRÁNSITO


LOCALIZACIONES CRÍTICAS DE CARGA  Interior: Ocurre cuando la carga es aplicada en el interior de la superficie de la losa, lejana a los bordes

 Borde: Ocurre cuando la carga es aplicada en el borde de la superficie de la losa, lejana a las esquinas  Esquina: Ocurre cuando el centro de la carga está en la bisectriz del ángulo de la esquina


FÓRMULAS DE WESTERGAARD ( =0.15)

* La presencia del término h2 en el denominador de las 3 fórmulas, sugiere que el espesor de la losa es crítico en la reducción de esfuerzos por carga a niveles aceptables


FÓRMULAS DE WESTERGAARD


SUPOSICIONES PARA LAS FÓRMULAS DE WESTERGAARD La losa actúa como un sólido homogéneo, isotrópico y elástico en equilibrio La losa tiene sección transversal uniforme Todas las fuerzas son normales a la superficie No hay fuerzas friccionales o de corte


SUPOSICIONES PARA LAS FÓRMULAS DE WESTERGAARD El eje neutro se encuentra en la mitad de la losa

La deformación por corte es despreciable La losa se considera infinita para carga en el interior y semi – infinita para carga en el borde

La carga se aplica sobre un área circular


Ejemplo

Determinar los esfuerzos críticos por carga para los siguientes datos


Solución

Los resultados muestran que el sitio crítico es el borde longitudinal (junto a la berma), lejos de las esquinas de la losa


CARTAS DE INFLUENCIA Pickett y Ray (1951) desarrollaron cartas de influencia para el cálculo de momentos y deflexiones en el interior y en el borde de pavimentos rígidos, suponiendo que la subrasante actúa como un líquido denso o como un sólido elástico

La solución implica el dibujo de las huellas de los neumáticos a una escala apropiada y contar el número de cuadros cubiertos por ellas en la carta (N)


CARTAS DE INFLUENCIA Momento 2

pl N M  10000 Esfuerzo

6M  2 h

ESFUERZOS PRODUCIDOS POR LAS CARGAS DEL TRÁNSITO CARTA DE INFLUENCIA PARA DETERMINACIÓN DE MOMENTO

(Carga en el interior, subrasante líquido denso) Ejemplo Empleando la carta de influencia adecuada, determinar el esfuerzo máximo producido por una carga por eje tándem en el interior de una losa de pavimento, de acuerdo con los siguientes datos —p = 150 psi —h = 14 pulgadas —k = 100 libras/ pulgada cúbica —l = 55.31 pulgadas —P en el tándem = 160,000 libras

ESFUERZOS PRODUCIDOS POR LAS CARGAS DEL TRÁNSITO CARTA DE INFLUENCIA PARA DETERMINACIÓN DE MOMENTO (Carga en el interior, subrasante líquido denso)

Solución Dibujando el sistema tándem a escala apropiada sobre la carta de influencia, se cuentan N = 295 cuadros cubiertos por las improntas 150 * (55.31) 2 * 295 M  13,537 lb  pie 10,000



6 *13,537  414 psi (14) 2


¿Por qué no se usa la teoría elástica de capas en el análisis de los pavimentos rígidos? Porque las juntas y discontinuidades de estos pavimentos hacen inaplicable esta teoría

ESFUERZOS COMBINADOS POR CAMBIOS DE TEMPERATURA Y CARGAS DEL TRÁNSITO

Ejemplo

Para las condiciones de temperatura y carga de los ejemplos previos, determinar el esfuerzo total en la losa de 9 pulgadas de espesor

ANÁLISIS DE ELEMENTOS COMPLEMENTARIOS

PRESENCIA DE ACERO EN EL PAVIMENTO RÍGIDO

PRESENCIA DE ACERO EN LOS PAVIMENTOS RÍGIDOS

REFUERZO POR TEMPERATURA

ARMADURA DE REFUERZO EN PAVIMENTOS DE CONCRETO REFORZADO CON JUNTAS

La cantidad de acero necesaria para mantener intactas las fisuras en los pavimentos de concreto reforzado con juntas, se calcula balanceando las fuerzas a lo largo de un plano horizontal Si se desarrolla una fisura, la resistencia al movimiento debe ser soportada por la tensión en el acero



La cantidad necesaria de acero depende de tres factores: Longitud de la losa: A medida que aumenta, se incrementa el área de contacto con el material de base, lo que aumenta el esfuerzo total resistente, generando mayores esfuerzos a medida que la losa se contrae Esfuerzo de trabajo del acero: como 75 % del esfuerzo de fluencia

Usualmente se toma

Factor de fricción: Representa la resistencia a la fricción entre la parte inferior de la losa y la superior del soporte

REFUERZO POR TEMPERATURA ARMADURA DE REFUERZO EN PAVIMENTOS DE CONCRETO REFORZADO CON JUNTAS

La cantidad requerida de refuerzo por unidad de ancho o largo de la losa (As) será:

As = (gc*h*L*fa)/2fs gc = peso unitario del concreto h = espesor de la losa L = longitud de la losa fa = factor de fricción fs = esfuerzo admisible del acero



FACTORES DE FRICCIÓN



Ejemplo Determinar la armadura requerida por un pavimento rígido de 8 pulgadas (0.67 pies) de espesor, 60 pies de longitud y 24 pies de ancho con una junta longitudinal en el centro El acero tiene fs = 43,000 psi (6,192,000 lb/pie2)



Solución

Armadura requerida en sentido longitudinal As = (150*0.67*60*1.5)/(2*6,192,000) As = 0.00073 pie2/pie = 0.105 pg2/pie de ancho Armadura requerida en sentido transversal As = (150*0.67*12*1.5)/(2*6,192,000) As = 0.00073 pie2/pie = 0.021 pg2/pie de largo

REFUERZO POR TEMPERATURA ARMADURA DE REFUERZO EN PAVIMENTOS DE CONCRETO CON REFUERZO CONTINUO

Armadura longitudinal La cantidad necesaria de acero en sentido longitudinal debe satisfacer tres criterios —Espaciamiento entre grietas: para minimizar el descascaramiento de grietas, la separación máxima debe ser menor de 2.5 m, en tanto que para minimizar el potencial de punzonamiento, la mínima separación debe ser 1.07 m —Ancho de grietas: para minimizar el descascaramiento y la entrada de agua, no deberá exceder de 1 mm —Esfuerzo de trabajo del acero: 75% del esfuerzo de fluencia


El diseño del refuerzo requiere la solución de 3 ecuaciones:

La ecuación se resuelve para x = 2.5 m, lo que permite obtener la cantidad mínima de acero para mantener las grietas a menos de 2.5 m; y con x = 1.07 m para determinar la máxima cuantía para que las grietas aparezcan separadas cuando menos a 1.07 m


La solución de estas dos ecuaciones da una cantidad mínima requerida de acero

REFUERZO POR TEMPERATURA ARMADURA DE REFUERZO EN PAVIMENTOS DE CONCRETO CON REFUERZO CONTINUO SIGNIFICADO DE LOS TÉRMINOS DE LAS ECUACIONES


La primera ecuación proporciona los porcentajes requeridos de acero, mínimo (Pmín) y máximo (Pmáx) Si Pmáx > Pmín, se continúa con las otras ecuaciones, pero si no, hay que modificar los datos de entrada y rehacer los cálculos Para un determinado diámetro de varilla (φ), espesor de losas (D) y ancho de la sección de pavimento (W), el número de varillas requeridas se calcula con las expresiones:


ARMADURA DE REFUERZO EN PAVIMENTOS DE CONCRETO CON REFUERZO CONTINUO

Armadura transversal El diseño del refuerzo requerido en sentido transversal se realiza con la expresión recomendada para los pavimentos de concreto reforzado con juntas

VARILLAS DE ANCLAJE

FUNCIÓN DE LAS VARILLAS Se diseñan para soportar únicamente esfuerzos de tensión

La máxima tensión en las varillas de anclaje en una junta es igual a la fuerza requerida para soportar la fricción entre el pavimento y el soporte, en el espacio comprendido entre la junta y el borde del pavimento

VARILLAS DE ANCLAJE ÁREA REQUERIDA

El área de acero de anclaje requerida por pie de longitud de la junta se obtiene con la expresión: As = (W*b*fa)/fs W = peso del pavimento (lb/pie2) ( 12.5 * espesor de la losa en pulgadas) b = distancia entre la junta en estudio y la siguiente junta libre o el borde del pavimento (pies) fa = coeficiente de fricción (1.5) fs = esfuerzo admisible en el acero (psi)

VARILLAS DE ANCLAJE

ESPACIAMIENTO ENTRE VARILLAS

El espaciamiento centro a centro entre varillas de anclaje se determina mediante la expresión: S = A*12/As

A = área de la sección transversal de la varilla escogida (pg2). Generalmente se usan varillas de 3/8‖ y ½‖ As = área de acero requerida por pie de junta

VARILLAS DE ANCLAJE

LONGITUD DE LAS VARILLAS DE ANCLAJE

Debe ser por lo menos el doble de la requerida para desarrollar una resistencia adherente igual al esfuerzo de trabajo en el acero ( se recomienda que la longitud así calculada se incremente en 2 pulgadas) L = (2*fs*A/350 P) + 2

L = longitud de la varilla, en pulgadas P = perímetro de la varilla, en pulgadas

VARILLAS DE ANCLAJE

EJEMPLO DE DISEÑO DE VARILLAS DE ANCLAJE

Determinar la cantidad de acero requerida en varillas de anclaje, en un pavimento rígido de 8 pulgadas de espesor y 24 pies de ancho con una junta longitudinal en el medio, si el acero tiene fs = 42,000 psi Solución As = (12.5*8*12*1.5)/42,000 As = 0.043 pg2/pie de junta

VARILLAS DE ANCLAJE EJEMPLO DE DISEÑO DE VARILLAS DE ANCLAJE

Para la cuantía determinada en el problema anterior, establecer la separación centro a centro entre varillas (S) si ellas tienen ½‖ de diámetro (A = 0.20 pg2 y P = 1.571 pg). Así mismo indicar la longitud necesaria de cada varilla (L) Solución S = (0.20)(12)/0.043) S = 55.8 pulgadas (140 centímetros) L = [ (2)(42,000)(0.20)/(350)(1.571) ] +2 = 32.5 L = 32.5 pulgadas (83 centímetros)

VARILLAS DE ANCLAJE

RECETAS DE DISEÑO Los libros de diseño de pavimentos rígidos incluyen tablas con recomendaciones para el dimensionamiento de las varillas de anclaje, lo que evita la ejecución de cálculos TABLA DEL ICPC PARA DISEÑO DE VARILLAS DE ANCLAJE DE ½”, fy = 60,000 psi

VARILLAS DE TRANSFERENCIA DE CARGA

GENERALIDADES

Se diseñan para transferir carga de una losa a la siguiente Deben permitir que la junta se abra o se cierre, pero sosteniendo los extremos de la losa a la misma elevación

Su empleo reduce los riesgos de escalonamiento y de bombeo


GENERALIDADES

Su diseño debe permitir que ellas transmitan de 40% a 45% de la carga a la losa siguiente, cuando la carga se encuentre en la junta transversal y lejos del borde del pavimento Puesto que el concreto es más débil que el acero, el tamaño y la separación entre las varillas están dominados por el esfuerzo de soporte entre la varilla y el concreto


PRESIÓN EJERCIDA SOBRE UNA VARILLA CARGADA


DELEXIÓN DE LA VARILLA La deflexión de una varilla en la junta está dada por


DELEXIÓN DE LA VARILLA

D = diámetro de la varilla K = módulo de soporte de la varilla, que es la presión necesaria para producir una deflexión unitaria de la varilla dentro de la masa que la rodea


PRESIÓN DE SOPORTE Y ESFUERZO ADMISIBLE La presión de soporte sobre el concreto en la cara de la junta está dada por

El esfuerzo admisible de soporte ha sido determinado experimentalmente

Se comparan σ y fb y, en caso necesario, se aumenta el diámetro de las varillas o se reduce la separación entre ellas


ACCIÓN DEL GRUPO DE VARILLAS

Su capacidad de carga está influenciada por el espaciamiento entre varillas, su posición respecto de la carga por rueda, la capacidad de transferencia de cada varilla, el espesor del pavimento, el módulo de reacción del soporte y el espaciamiento centro a centro de las ruedas dobles del eje considerado


ACCIÓN DEL GRUPO DE VARILLAS Se considera que la varilla bajo el centro de la carga es la más efectiva (1.0) y que la efectividad decrece linealmente hasta una distancia igual a ―1.8*l‖ (donde ocurre el momento máximo negativo) La suma de las efectividades de los pasadores que intervienen para transferir carga se llama factor de capacidad (F)


ACCIÓN DEL GRUPO DE VARILLAS La capacidad de transferencia de carga del sistema de varillas es el producto del factor de capacidad (F) por la capacidad individual de cada varilla (P) Pt = F*P La carga en el borde longitudinal del pavimento establece la condición crítica, por cuanto interviene el menor número de varillas

VARILLAS DE TRANSFERENCIA DE CARGA ACCIÓN DEL GRUPO DE VARILLAS – CARGA EN EL BORDE

Factor de capacidad de carga sobre una varilla de borde (Fb) considerando sólo la carga P1

VARILLAS DE TRANSFERENCIA DE CARGA ACCIÓN DEL GRUPO DE VARILLAS – CARGA EN EL INTERIOR

Factor de capacidad de carga sobre una varilla interior (Fc) considerando sólo la carga P1



La carga ubicada en el otro extremo del eje del vehículo también afecta la capacidad de carga de las varilla La magnitud de ese efecto depende de la separación ―R‖ entre las dos ruedas del eje En este caso se elaboran dos diagramas (uno para cada carga) y se suman las correspondientes efectividades de las varillas



En caso de que R < 1.8*l, existirán varillas con efectividad de transmisión de carga mayor de 1.0 En este caso, la capacidad de transferencia se debe reducir proporcionalmente en la medida en que algunas varillas del sistema estarían sobretensionando al concreto

VARILLAS DE TRANSFERENCIA DE CARGA ACCIÓN DEL GRUPO DE VARILLAS – CASO R < 1.8 l

Factor de capacidad (F’c) cuando

R < 1.8 l


CASO DE UNA VARILLA Ejemplo No 1 Determinar la capacidad de transferencia de carga de una varilla (P), de acuerdo con los siguientes datos: K= 1,500,000 pci d= ¾ pg =0.75 pulgadas I = πd4/64 = 0.0155 pg4 E = 29,000,000 psi z = 0.25 pulgadas Esfuerzo admisible del concreto (fb) = 3,200 psi


CASO DE UNA VARILLA Solución al Ejemplo No 1

Despejando P: P = 1,212 libras


ACCIÓN DEL GRUPO DE VARILLAS Ejemplo No 2 Para la carga por rueda simple del Ejemplo No 1, determinar la capacidad de transferencia de un grupo de varillas separadas entre centros 12 pulgadas, si el radio de rigidez relativa es 60 pulgadas


ACCIÓN DEL GRUPO DE VARILLAS Solución al Ejemplo No 2 1.8*l = 1.8*60 = 108 pulgadas Número de varillas involucradas = 1.8*l/s = 108/ 12 = 9


ACCIÓN DEL GRUPO DE VARILLAS Ejemplo No 3 Determinar el diámetro requerido de varillas de transferencia, para una carga por eje simple de 25,000 libras El módulo de elasticidad de las varillas E es 29,000,000 psi y el módulo de soporte (K) es 1,500,000 pci Las varillas están separadas centro a centro 12 pulgadas y el radio de rigidez relativa (l) es 50 pulgadas


ACCIÓN DEL GRUPO DE VARILLAS Ejemplo No 3 (continuación del enunciado) La abertura de la junta transversal es 0.25 pulgadas La rueda exterior se aplica sobre la primera varilla y está alejada de la interior a una distancia mayor de 1.8*l La resistencia a compresión del concreto es 3,500 psi


ACCIÓN DEL GRUPO DE VARILLAS Solución al Ejemplo No 3



Solución al Ejemplo No 3 (cont.) Asumiendo 45 % de transferencia de carga, la carga transferida por el conjunto de varillas (Pt) será:

25,000*0.5*0.45 = 5,625 libras Número de varillas involucradas n = 1.8*l/s = 90/12 = 7  12 (7  1)  Fb  7 1  *  4.2  2   90


ACCIÓN DEL GRUPO DE VARILLAS Solución al Ejemplo No 3 (cont.) Carga transferida por la varilla exterior 5,625/4.2 = 1,339 libras Para calcular la presión de soporte del concreto sobre la cara de la junta (), se deben conocer el momento de inercia de la varilla (I) y la rigidez relativa de la varilla (β), lo que implica asumir un diámetro de varilla



Solución al Ejemplo No 3 (cont.) Adoptando un diámetro de ¾‖ (0.75 pulgadas), se tiene I = πd4/64 = 0.0155 pg4



1500000 *1339 (2  0.889 * 0.25)  3531 psi 4 * (0.889) 3 * 29000000 * 0.0155



Solución al Ejemplo No 3 (cont.) El esfuerzo admisible de soporte será  4  d  '  4  0.75  fb    fc   3,500  3,792 psi  3   3 

Como σ < fb, el diámetro adoptado de ¾‖ es correcto


LONGITUD REQUERIDA POR LAS VARILLAS La capacidad de transferencia de la varilla depende de su longitud embebida en el concreto Friberg demostró que un corte en el segundo punto de contraflexión de la varilla no afecta el esfuerzo de soporte del concreto


LONGITUD REQUERIDA POR LAS VARILLAS Las pruebas de la ACI demostraron que para varillas de ¾‖, la longitud embebida debería ser de unos 8 diámetros (6 pulgadas), lo que equivale a una longitud total de varilla del orden de 12 pulgadas) La PCA y el ACI recomiendan, en general, longitudes variables entre 12 y 18 pulgadas (30 – 45 cm) para las varillas de transferencia de pavimentos rígidos para calles y carreteras


RECOMENDACIONES GENERALES SOBRE DIMENSIONES MÍNIMAS (PCA 1975) Espesor del pavimento (mm) 160-180 190-200 210-230 240-250 260-280 290-300

diámetro de la varilla * mm pg 22,2 7/8 25,4 1 28,6 1 1/8 31,8 1 1/4 34,9 1 3/8 38,1 1 1/2

longitud (mm) 350 350 400 450 450 500

separación entre centros (mm) 300 300 300 300 300 300


RECOMENDACIONES GENERALES SOBRE DIMENSIONES MÍNIMAS * Notas: Existe una regla según la cual el diámetro de la varilla no puede ser menor de 1/8 del espesor de la losa (PCA, 1975) La PCA (1991) recomienda un diámetro de 1y 1/4‖ para espesores de losa menores de 250 mm y de 1y ½‖ para espesores iguales o mayores a 250 mm Existen recomendaciones según las cuales las losas de menos de 170 mm no requieren pasadores, debido a que corresponden a vías de tránsito liviano


MÉTODO DE LOS ELEMENTOS FINITOS


Los pavimentos rígidos se pueden analizar con programas tridimensionales de elementos finitos (ejemplos: KENSLABS, everFE, ILLI-SLAB) Mediante estos programas de cómputo es posible: (i) Modelar sistemas de losas (ii) Modelar los esfuerzos producidos por el alabeo y el tránsito (iii) Considerar la pérdida de contacto de la losa con el soporte (iv) Evaluar la transferencia de carga por varillas y por trabazón de agregados (v) Considerar variaciones en la abertura y en la inclinación de las juntas


MODELACIÓN DE LAS CONDICIONES DE TRABAJO MEDIANTE everFE


VISTA DE ESFUERZOS DE TENSIÓN BAJO LA ACCIÓN DE DOS CARGAS

CARACTERIZACIÓN DEL TRÁNSITO

CONTENIDO

Definiciones Período de diseño del pavimento Caracterización de las cargas del tránsito Equivalencia de cargas por eje Equivalencias de carga por vehículo Conversión del tránsito mezclado en aplicaciones equivalentes del eje de referencia

Tendencia histórica y proyección del tránsito

EL TRÁNSITO AUTOMOTOR


DEFINICIONES

DEFINICIONES Tránsito promedio diario  Número de vehículos que circulan durante determinado periodo, dividido por el número de días del periodo Vehículo comercial  Vehículo automotor, de cuando menos dos ejes, que comprende buses, busetas, volquetas y camiones con o sin acoplado Vehículo liviano Vehículo automotor de dos ejes simples con sistema de rueda simple

DEFINICIONES

Carril de diseño Carril por el cual se espera la circulación de mayor número de cargas de diseño Período de diseño Lapso que transcurre desde que un pavimento se da al servicio hasta que alcanza su índice de servicio terminal

DEFINICIONES

Índice de servicio presente Valor numérico, entre cero y cinco, que da una indicación del comportamiento del pavimento desde el punto de vista del usuario Índice de servicio inicial Índice de servicio de un pavimento en el instante en el cual se acaba de construir o de rehabilitar Índice de servicio terminal Menor índice de servicio que es tolerado por el usuario antes de exigir la rehabilitación del pavimento

DEFINICIONES

ÍNDICE DE SERVICIO PRESENTE


PERÍODO DE DISEÑO DEL PAVIMENTO

PERÍODOS DE DISEÑO

Los períodos de diseño suelen ser diferentes según se trate de pavimentos asfálticos o rígidos: —En los pavimentos asfálticos depende de la importancia de la vía y suelen variar entre 10 y 20 años —Los pavimentos rígidos se acostumbran diseñar para períodos de 20 años, independientemente de la importancia de la vía, por cuanto los incrementos de espesor y de costo al duplicar el período de diseño no suelen exceder de 10%

PERÍODOS DE DISEÑO

PERÍODOS DE DISEÑO RECOMENDADOS POR INVÍAS PARA LOS PAVIMENTOS ASFÁLTICOS DE LAS CARRETERAS NACIONALES

I

DESCRIPCIÓN Rango TPD inicial Periodo de diseño recomendado (años)

CATEGORÍA DE LA CARRETERA II III

IV

Autopistas interurbanas, Colectoras interurbanas, Caminos rurales con Pavimentos especiales e Caminos interurbanos Caminos rurales e tránsito medio, innovaciones principales industriales principales Caminos estratégicos 5000

1000-10000

-1000

-10000

20

15

10

10 - 15


CARACTERIZACIÓN DE LAS CARGAS DEL TRÁNSITO


TRÁNSITO MEZCLADO El efecto que producen los vehículos sobre un pavimento es muy complejo de evaluar, debido a que el tránsito es muy mezclado: —Diferentes tipos de vehículos —Diferentes magnitudes de carga por eje —Diferentes configuraciones de ejes —Diferentes presiones de contacto neumático pavimento —Diferente velocidad vehicular


DIFERENTES TIPOS DE VEHÍCULOS

Vehículo pesado

¿Vehículo liviano?


CLASIFICACIÓN DE LOS VEHÍCULOS EN COLOMBIA


DIFERENTES MAGNITUDES DE CARGA POR EJE

P1

P2

P3

P4

CARACTERIZACIÓN DE LAS CARGAS DEL TRÁNSITO CONFIGURACIONES USUALES DE LOS EJES Y DE LAS RUEDAS DE LOS VEHÍCULOS AUTOMOTORES


DIFERENTES CONFIGURACIONES DE EJES

Eje simple rueda doble

Eje tándem – rueda doble

Eje triple – rueda doble


DIFERENTES CONFIGURACIONES DE EJES

Eje simple - rueda simple

Eje simple - rueda ¿….?


DIFERENTES PRESIONES DE CONTACTO En los pavimentos asfálticos, el efecto de la presión de contacto es particularmente importante en la parte superior de la estructura, aunque no afecta el espesor total requerido de pavimento. Cuando las presiones de inflado y de contacto son altas, se requieren materiales de mejor calidad en las capas asfálticas En los pavimentos rígidos, mayores presiones de inflado y de contacto generan mayores esfuerzos y exigen espesores de pavimento superiores


DIFERENTES PRESIONES DE CONTACTO EFECTO DE LA CARGA POR RUEDA Y DE LA PRESIÓN DE CONTACTO SOBRE LOS ESFUERZOS VERTICALES EN UN PAVIMENTO ASFÁLTICO


DIFERENTES PRESIONES DE CONTACTO EFECTO DE LA CARGA POR RUEDA Y DE LA PRESIÓN DE CONTACTO SOBRE LOS ESPESORES REQUERIDOS EN UN PAVIMENTO RÍGIDO


DIFERENTE VELOCIDAD VEHICULAR La velocidad vehicular es inversamente proporcional al tiempo de aplicación de la carga sobre la superficie del pavimento Los materiales de las diferentes capas de un pavimento presentan un mayor módulo de elasticidad a menor tiempo de aplicación de la carga Por lo tanto, las magnitudes de las deformaciones en el pavimento se reducen al incrementarse la velocidad


DIFERENTE VELOCIDAD VEHICULAR EFECTO DE LA VELOCIDAD SOBRE LAS DEFORMACIONES EN UN PAVIMENTO ASFÁLTICO PARA DIVERSAS MAGNITUDES DE CARGAS POR EJE


INFORMACIÓN DE TRÁNSITO REQUERIDA PARA EL DISEÑO DE UN PAVIMENTO El número de ejes por carril y su distribución en diferentes grupos de carga durante el periodo de diseño del pavimento El efecto destructivo de los vehículos circulantes y la incidencia estructural de unos ejes con respecto de otros de diferente magnitud y configuración


MANERAS DE CARACTERIZAR EL TRÁNSITO Emplear cargas equivalentes por eje, convirtiendo las cargas reales esperadas a un número equivalente de aplicaciones de un eje normalizado, generalmente el eje simple de 80 kN. Este es el procedimiento utilizado en Colombia para el diseño de pavimentos asfálticos

Emplear el espectro de carga real de ejes simples, tándem, triples y cuádruples. Este espectro incluye el número de ejes en una serie de grupos de carga, durante intervalos de tiempo prolongados. Este es el procedimiento corriente para el diseño de pavimentos rígidos


EQUIVALENCIA DE CARGAS POR EJE


FACTOR DE EQUIVALENCIA DE CARGA POR EJE

Factor numérico que relaciona el número de aplicaciones de las carga por eje de referencia que produce en el pavimento un determinado deterioro y el número requerido de aplicaciones de otra carga por eje para producir el mismo deterioro El deterioro se mide en términos de la pérdida de índice de servicio presente



Ejemplo Establecer el factor de equivalencia de carga por eje (FECE) para la siguiente situación:

—La acción de 100,000 aplicaciones de un eje de 80 kN produjo en un pavimento una caída del índice de servicio presente de 4.2 a 2.5, en tanto que otro pavimento idéntico soportó 10,000 aplicaciones de un eje de 142 kN para sufrir la misma caída en serviciabilidad



Solución FECE = 100,000/10,000 = 10

—Es decir, que una pasada de un eje simple de 142 kN produce en un pavimento la misma pérdida de índice de servicio que 10 pasadas de un eje simple de 80 kN



Los factores de equivalencia de carga por eje (FECE) dependen de:

—Tipo de pavimento —Condición estructural del pavimento —Sistema de eje vehicular —Índice de servicio final de la estructura  Tablas con valores de los factores de equivalencia de carga por eje para diversas combinaciones de estas variables, aparecen en el manual de diseño AASHTO-93


FACTOR DE EQUIVALENCIA DE CARGA POR EJE FACTORES DE EQUIVALENCIA DE CARGA POR EJE SEGÚN AASHTO (SN = 5 y pt = 3)

Carga por eje (kip) 2 10 18 30 40 50

Pavimento asfáltico SN=5, pt =3.0 Factores de equivalencia de carga por eje Simple Tándem Triple 0.0002 0.0000 0.0000 0.101 0.008 0.002 1.0 0.090 0.020 0.702 0.167 5.1 13.1 1.98 0.536 30.0 4.05 1.26



Los FECE se pueden expresar en términos de la magnitud de las cargas involucradas, las cuales deben corresponder a una misma configuración de ejes y número de llantas.

FECE = (Pi/Pr)n Pi= Carga por eje considerada Pr = Carga por eje de referencia n = Coeficiente empírico



Ejemplo

Establecer el coeficiente exponencial empírico para las cargas por eje simple de 80 kN y de 142 kN, tomando como referencia la primera 10 = (142/80)n n = 4.01



Según se determinó en el ensayo AASHTO, el valor ―n‖ en pavimentos asfálticos oscila en un entorno mas o menos restringido (3.8 - 4.2), lo que ha llevado a los diseñadores a adoptar un valor igual a 4.0 en la solución de los problemas rutinarios con estos pavimentos Por ese motivo, la relación FECE = (Pi/Pr)4

se conoce como “Ley de la Cuarta Potencia”



En el mismo ensayo AASHTO se determinó que en pavimentos rígidos, la agresividad de una carga por eje respecto de la de referencia seguía una ley similar, pero el coeficiente ―n‖ era mayor que en el caso de los pavimentos asfálticos, entre 4.0 y 4.4


CARGAS POR EJE DE REFERENCIA En el AASHO ROAD TEST se adoptó como carga de referencia por eje simple con sistema de rueda doble una de magnitud igual a 80 kN (18 kip) y se supuso que ella producía en el pavimento un daño unitario Las magnitudes de carga aplicadas con otros sistemas de ejes y/o de rueda, que produzcan en un pavimento el mismo deterioro que el eje simple de rueda doble de 80 kN, se consideran también como cargas de referencia


CARGAS POR EJE DE REFERENCIA CARGAS DE REFERENCIA ADOPTADAS POR INVIAS PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS Tipo de eje Configuración Carga de referencia de ruedas kN kip t

Simple

Simple

65

14.5

6.6

Simple

Doble

80

18.0

8.2

Tándem

Doble

146

33.0

15.0

Triple

Doble

225*

50.7*

23.0*

* La carga de referencia adoptada por la AASHTO es de aproximadamente 48 kip


FACTORES DE EQUIVALENCIA DE CARGA POR EJE SEGÚN LA LEY DE LA CUARTA POTENCIA


EQUIVALENCIAS DE CARGA POR VEHÍCULO


CONCEPTO DE LA EQUIVALENCIA DE CARGA

El método más utilizado para estimar el tránsito con fines de diseño de pavimentos consiste en convertir las repeticiones esperadas del tránsito real a un número de aplicaciones del eje de referencia normalizado (80 kN) que produciría el mismo deterioro en el pavimento Debido a la reducida magnitud de las cargas por eje de los vehículos livianos, éstas se suelen ignorar en los cómputos de tránsito con fines de diseño de pavimentos


CONCEPTO DE LA EQUIVALENCIA DE CARGA


EJES EQUIVALENTES GENERADOS POR DIFERENTES TIPOS DE VEHÍCULOS (datos U.S.A.)


FACTOR CAMIÓN Es el parámetro empírico que permite convertir el tránsito real en aplicaciones equivalentes del eje de referencia para diseño de pavimentos asfálticos El factor camión es el número de ejes simples equivalentes de referencia (80 kN) que producirían en el pavimento un daño equivalente al de una pasada de un vehículo comercial promedio El factor camión se puede determinar de manera individual para cada tipo de vehículo comercial o como promedio de todo el flujo de tránsito pesado


DETERMINACIÓN DEL FACTOR CAMIÓN Se pesan los ejes de los vehículos comerciales que circulen por la vía durante cierto lapso

Se tabulan por grupos los valores de carga por eje obtenidos para los diversos sistemas de ejes (espectro de carga) Los valores tabulados son afectados por los factores de equivalencia de carga por eje (FECE), aplicando los factores de AASHTO o empleando la ley de la cuarta potencia, si no se dispone de ellos


DETERMINACIÓN DEL FACTOR CAMIÓN EJEMPLO DE CÁLCULO


DETERMINACIÓN DEL FACTOR CAMIÓN EJEMPLO DE CÁLCULO (cont.)


VALORES DE FACTOR CAMIÓN POR TIPO VEHÍCULO


COMENTARIOS SOBRE EL FACTOR CAMIÓN El factor camión es un valor cuya magnitud cambia con el tiempo en una determinada carretera, debido a diversos factores: —Desarrollo de la industria de fabricación de buses y camiones —Modificaciones en los límites de carga legal —Cambios en la distribución del parque de vehículos pesados El valor numérico del factor camión está relacionado directamente con la intensidad de la sobrecarga vehicular


EFECTOS DE LA SOBRECARGA VEHICULAR


EFECTOS DE LA SOBRECARGA VEHICULAR


EFECTOS DE LA SOBRECARGA VEHICULAR SOBRE EL USUARIO


EFECTOS DE LA SOBRECARGA VEHICULAR SOBRE EL PAVIMENTO


CONVERSIÓN DEL TRÁNSITO REAL EN APLICACIONES EQUIVALENTES DEL EJE DE REFERENCIA

CÁLCULO DEL NÚMERO DE EJES SIMPLES EQUIVALENTES EN UN AÑO i

Este procedimiento se aplica en evaluaciones de tránsito para el diseño de pavimentos asfálticos

NESEi Nú Número de aplicaciones de carga del eje de referencia en el carril de diseño en el año “i” TPDi Tránsito promedio diario en ambas direcciones, durante el año “i” VC Proporción del TPD que está constituida por vehículos comerciales (en cifras decimales) DD Distribución direccional del tránsito de vehículos comerciales (en cifras decimales) DC Proporción de los vehículos comerciales circulantes en una dirección, que utilizan el carril de diseño (en cifras decimales) FC Factor camión 365 Número de días de un año


DISTRIBUCIÓN DIRECCIONAL DEL TRÁNSITO DE VEHÍCULOS COMERCIALES (DD) Generalmente se supone que DD = 0.50 La guía de rehabilitación de pavimentos asfálticos del INVÍAS recomienda emplear DD = 0.55


PROPORCIÓN DE LOS VEHÍCULOS COMERCIALES QUE CIRCULAN EN UNA DIRECCIÓN, QUE UTILIZAN EL CARRIL DE DISEÑO (DC)


EJEMPLO DE CÁLCULO Datos Carretera de dos carriles Tránsito promedio diario = 1200 vehículos Livianos = 40%; Buses =15%; Camiones 45% Factor camión = 2.40 Solución VC = 15% + 45% = 60% = 0.60 DD = 0.5 (distribución direccional) DC = 1.0 (un carril por dirección) NESEi = 1200*0.6*0.5*1.0*2.40*365 = 315,360 ejes


TENDENCIA HISTÓRICA Y PROYECCIÓN DEL TRÁNSITO

EVOLUCIÓN HISTÓRICA DEL TRÁNSITO

ECUACIONES DE TENDENCIA Si se dispone de información sobre la evolución del tránsito, se calculan los NESE durante los últimos años Se establecen tendencias de crecimiento de tipo matemático y se adopta aquella que presente mejor coeficiente de correlación  Las ecuaciones de tendencia más aplicadas para estudiar el tránsito automotor son la exponencial y la lineal recta


ECUACIONES DE TENDENCIA


EJEMPLO DE CÁLCULO Definir las tendencias de crecimiento exponencial y lineal recta para los datos de NESE que presenta la tabla


EJEMPLO DE CÁLCULO Solución Aplicando los procedimientos de la estadística, se obtienen las siguientes ecuaciones de tendencia: Exponencial NESEx = 276,239*(1.061)x (r=0.94)

Lineal recta NESEx = 275,074+19,033x

(r= 0.95)

PROYECCIÓN DEL TRÁNSITO La proyección del tránsito para el diseño de un pavimento requiere la siguiente información: —Año inicial de servicio del pavimento (j) —Período de diseño del pavimento

—Ecuación de crecimiento adoptada A partir de dicha información se estima: —NESEj, empleando la ecuación de tendencia con x = j —El número acumulado de ejes simples equivalentes de referencia (80 kN) en el carril de diseño durante el período de diseño (N), a partir del año ―j‖

PROYECCIÓN DEL TRÁNSITO CÁLCULO DEL TRÁNSITO DE DISEÑO (N)

El tránsito acumulado de diseño (N) se determina integrando la ecuación de tendencia de crecimiento del tránsito Si la tendencia elegida es exponencial:  (1  i) n  1 N  NESE j   ln( 1  i )  

Si la tendencia elegida es recta: m * n2 N  NESE j * n  2

PROYECCIÓN DEL TRÁNSITO

EJEMPLO DE CÁLCULO DE “N” Ejemplo 1 Ecuación de crecimiento exponencial NESEx = 276,239*(1.061)x

(x = 0 en 2001)

Si el pavimento se pone en servicio en 2008 (x = j = 7)

NESEj = 276,239*(1.061)7 = 418,112 ejes equivalentes Periodo de diseño del pavimento = 10 años

PROYECCIÓN DEL TRÁNSITO EJEMPLO DE CÁLCULO DE “N” Solución del ejemplo 1 Como la ecuación de crecimiento es exponencial

 (1  i) n  1 N  NESE j   ln( 1  i )    (1  0.061)10  1 N  418,112   5,704,210 ejes equivalent es  ln (1  0.061) 

PROYECCIÓN DEL TRÁNSITO EJEMPLO DE CÁLCULO DE “N” Ejemplo 2 Ecuación de crecimiento lineal recta NESEx = 275,074+19033x

(x = 0 en 2001)

Si el pavimento se pone en servicio en 2008 (x = j = 7)

NESEj = 275,074+19,033*7 = 408,305 ejes equivalentes Periodo de diseño del pavimento = 10 años

PROYECCIÓN DEL TRÁNSITO EJEMPLO DE CÁLCULO DE “N” Solución del ejemplo 2 Como la ecuación de crecimiento es lineal recta

m * n2 N  NESE j * n  2 19,033 *102 N  408,305 *10   5,034,700 ejes equivalent es de 80 kN 2

CONSIDERACIONES SOBRE EL DRENAJE EN LOS PAVIMENTOS

CONTENIDO

Generalidades Drenaje superficial Drenaje interno

CONSIDERACIONES SOBRE EL DRENAJE EN LOS PAVIMENTOS

GENERALIDADES

PROBLEMAS RELACIONADOS CON EL AGUA EN LOS PAVIMENTOS

El incremento de la presión de poros reduce la fricción interna y la resistencia al corte de los suelos Generación de movimientos diferenciales en suelos expansivos

Erosión y bombeo en las capas de soporte de los pavimentos rígidos Desprendimiento del ligante que rodea los agregados pétreos en las mezclas y tratamientos asfálticos Se afecta la seguridad de los usuarios en instantes de lluvia, debido a la posibilidad de salpicaduras e hidroplaneo

PROBLEMAS RELACIONADOS CON EL AGUA EN LOS PAVIMENTOS

Los daños del pavimento relacionados con la humedad se encuentran en las siguientes categorías: — Debilitamiento de las capas del pavimento

— Degradación de los materiales (desprendimiento y erosión de mezclas asfálticas; erosión de otros materiales del pavimento; bombeo, escalonamiento y agrietamiento en pavimentos rígidos) — Pérdida de adherencia entre capas

PROBLEMAS RELACIONADOS CON EL AGUA EN LOS PAVIMENTOS FUENTES DE AGUA EN LOS PAVIMENTOS

FACTORES A CONSIDERAR EN EL DISEÑO DE OBRAS DE DRENAJE PARA PAVIMENTOS 1. Factores topográficos 

Tipo de terreno por donde transcurre la carretera: plano, ondulado, montañoso, escarpado



Situación de la carretera respecto del terreno natural: corte, terraplén, media ladera

2. Factores hidrológicos 

Aporte y desagüe de aguas superficiales



Variaciones en el nivel y caudal de las aguas subterráneas

3. Factores geotécnicos 

Naturaleza y condiciones de los suelos: homogeneidad, estratificación, permeabilidad, compresibilidad, etc.



Posibilidad de deslizamientos o de erosión del terreno

SISTEMA BÁSICO DE DRENAJE EN UNA CARRETERA

MÉTODOS PARA REDUCIR EL EFECTO DEL AGUA EN LOS PAVIMENTOS

SISTEMAS DE DRENAJE DE PAVIMENTOS


DRENAJE SUPERFICIAL

HIDRÁULICA SUPERFICIAL DEL PAVIMENTO

Existe la posibilidad de que se desarrollen películas de agua muy gruesas sobre la superficie del pavimento en instantes de lluvia Estas películas generan hidroplaneo, encharcamientos y salpicaduras excesivas Existen modelos que predicen, a partir de la condición superficial del pavimento y de la intensidad de la lluvia, la velocidad vehicular a la cual se produce hidroplaneo, la cual se debe comparar con la velocidad de operación de la carretera

HIDRÁULICA SUPERFICIAL DEL PAVIMENTO DEFINICIÓN DEL ESPESOR DE PELÍCULA DE AGUA, DE LA PROFUNDIDAD MEDIA DE LA TEXTURA Y DEL FLUJO TOTAL

HIDRÁULICA SUPERFICIAL DEL PAVIMENTO

 El espesor de la lámina de agua que contribuye al hidroplaneo es la suma de la profundidad media de textura (PMT), más el espesor de agua que fluye sobre las asperezas superficiales  El agua que se aloja bajo la PMT queda atrapada en la superficie y no contribuye al drenaje del pavimento  El aumento de la macrotextura brinda un espacio adecuado para alojar el agua (debajo de la PMT) y para facilitar el drenaje (espesor sobre la PMT)

HIDRÁULICA SUPERFICIAL DEL PAVIMENTO REQUISITOS DE PENDIENTE TRANSVERSAL Y LONGITUDINAL (INVÍAS)

Pendiente transversal Tipo de superficie Concreto hidráulico o asfáltico Mezclas en vía y tratamientos superficiales Tierra o grava

Pendiente transversal (%) Calzada Berma * 2 4 2 - 3 4 - 5 2 - 4 4 - 6

* Si la berma se construye como continuación de la calzada, se deberá mantener la pendiente de ésta

Pendiente longitudinal Valor mínimo deseado es 0.50% y mínimo absoluto 0.25%

MEZCLAS ESPECIALES PARA EL DRENAJE SUPERFICIAL

MICROAGLOMERADOS EN CALIENTE Capas de rodadura de poco espesor, elaboradas con agregado pétreo de tamaño máximo nominal comprendido entre 8 y 10 mm, con una marcada discontinuidad entre los tamaños de 2 y 5 mm, que se traduce en una superficie macro-rugosa con elevada capacidad de drenaje superficial

MEZCLAS ESPECIALES PARA EL DRENAJE SUPERFICIAL

MEZCLAS DRENANTES Mezclas asfálticas para capa de rodadura con un elevado contenido de vacíos con aire, cuyo diseño da lugar a una superficie de textura abierta y alta capacidad drenante, a causa de la cual el agua lluvia que cae sobre la calzada se elimina por infiltración

OBRAS DE DRENAJE SUPERFICIAL

PERÍODO DE RETORNO  El sistema se debe diseñar de manera que sea capaz de

desaguar el caudal máximo correspondiente a un determinado periodo de retorno (frecuencia de aparición del caudal de referencia)

OBRAS DE DRENAJE SUPERFICIAL

CAUDALES DE REFERENCIA El método de estimación de los caudales asociados a diferentes periodos de retorno depende del tamaño y naturaleza de la cuenca aportante

Para cuencas pequeñas (menos de 1000 acres - 404.7 Ha según el Instituto del Asfalto) resulta apropiado el método racional:

Q  CIA  Para cuencas mayores se recomienda la fórmula de Burkli – Ziegler: S Q  CIA 4 A

OBRAS DE DRENAJE SUPERFICIAL CAUDALES DE REFERENCIA C = coeficiente medio de escorrentía de la cuenca o superficie drenada

I = intensidad de la lluvia para el período de retorno considerado y una duración igual al tiempo de concentración A = área de la cuenca o superficie aportante S = pendiente del terreno en el área de drenaje, º/oo

OBRAS DE DRENAJE SUPERFICIAL CAUDALES DE REFERENCIA Tiempo de concentración Tiempo requerido para la escorrentía desde el punto más remoto del área de drenaje hasta arribar a la estructura Existen fórmulas empíricas para su determinación en función de la longitud máxima de recorrido del agua, diferencias de cotas entre los puntos extremos del área de drenaje, coeficientes de escorrentía, etc. (Kirpich, Témez, Giandiotti, Bureau of Reclamation) Desde el punto de vista práctico, no conviene adoptar tiempos de concentración inferiores a 5 minutos

OBRAS DE DRENAJE SUPERFICIAL TIEMPO DE CONCENTRACIÓN

DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES

CAPACIDAD DE DESAGÜE Para los elementos lineales (cunetas, bordillos) resulta determinante el rozamiento con las paredes del cauce y se puede aplicar la fórmula de Manning-Strickler Los elementos puntuales (sumideros aislados y bajantes) se pueden asimilar a vertederos Se debe tener en cuenta que la velocidad del agua no cause daños al elemento por erosión o sedimentación


CAPACIDAD DE DESAGÜE


ELEMENTOS LINEALES Cunetas

Zanjas longitudinales abiertas en el terreno junto a la plataforma de la vía  Su pendiente deberá ser igual a la de la rasante de la vía, salvo que se estime necesario ceñirse más al terreno o modificar dicha pendiente para mejorar la capacidad de desagüe


ELEMENTOS LINEALES Cunetas

CUNETA


ELEMENTOS LINEALES

Bordillos Elementos de contención de los pavimentos, que protegen sus bordes y ayudan a la recolección lateral del agua de la calzada Dado que impiden la evacuación del agua de la corona de la vía, es importante garantizar una pendiente longitudinal mínima Si su presencia da origen a láminas de agua que generen hidroplaneo, encharcamientos o salpicaduras, se deben sustituir por cunetas


CAPACIDAD DE DESAGÜE DE ELEMENTOS LINEALES

Fórmula de Manning - Strickler

Q  A * R 2 / 3 * S 1 / 2 * K *U Q = caudal desaguado A = área de la sección transversal del elemento R= radio hidráulico (A/perímetro mojado) S = pendiente longitudinal del elemento K = coeficiente de rugosidad del elemento U = coeficiente de conversión de unidades

DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES CAPACIDAD DE DESAGÜE DE ELEMENTOS LINEALES


ELEMENTOS PUNTUALES

Sumideros Permiten el desagüe de los superficiales de drenaje a un colector

dispositivos

Pueden ser continuos o aislados. En el último caso se distinguen los de rejilla (horizontales), los de tipo abierto (laterales) y los combinados


ELEMENTOS PUNTUALES Sumideros aislados

Rejilla Lateral Combinado


ELEMENTOS PUNTUALES Bajantes Permiten la conducción de las aguas colectadas por los bordillos hacia la base de los taludes de los terraplenes

DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES CAPACIDAD DE DESAGÜE DE ELEMENTOS PUNTUALES La capacidad de un conjunto de sumideros o bajantes no debe ser inferior al doble del caudal de referencia en previsión de obstrucciones o perturbaciones del flujo

Sumideros laterales y bajantes Se puede aplicar la fórmula del vertedero Q (l/s) = L*H3/2/60 Siendo H (cm) = profundidad del agua desde el borde inferior de la abertura, medida en su centro L (cm) = ancho libre

DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES CAPACIDAD DE DESAGÜE DE ELEMENTOS PUNTUALES

Sumideros horizontales y combinados Donde la profundidad del agua sea menor de 12 cm se puede usar la fórmula del vertedero (sustituyendo el ancho libre por el perímetro exterior de la rejilla suponiendo que está desprovista de barras) Donde la profundidad del agua (H) sea mayor de 40 cm se podrá usar la fórmula del orificio Q (l/s) = 300*S*[H – (D/2)]1/2 S (m2) = área del sumidero D (cm) = ancho de la abertura En casos intermedios, se puede interpolar linealmente entre las dos fórmulas

DRENAJE TRANSVERSAL

Las obras de drenaje superficial transversal se pueden dividir en dos grupos: —Las pequeñas obras de desagüe, como alcantarillas de tubo y de cajón, cuya sección resulta determinante para el desagüe del cauce (suelen tener solado) —Las obras de paso de grandes dimensiones como puentes y viaductos, cuya sección no resulta determinante para el desagüe del cauce (no tienen solado)

DRENAJE TRANSVERSAL


DRENAJE INTERNO

DRENAJE INTERNO DEL PAVIMENTO Funciones Abatir el nivel freático

Eliminar aguas de filtración lateral o a través del pavimento Derivar fuentes de agua situadas debajo de la subrasante Estas acciones se traducen en los siguientes beneficios

Facilitan la ejecución de las explanaciones Aumentan la capacidad portante de la subrasante Previenen fenómenos de erosión interna y bombeo

Contribuyen en la estabilidad de la estructura y de los taludes

CAPA PERMEABLE

 Capa que se coloca bajo la superficie pavimentada, constituida por un material filtrante de manera que, con ayuda de una pendiente transversal adecuada y unas correctas instalaciones de salida, pueda drenar el agua — que se infiltre desde la superficie del pavimento — que provenga de las bermas, o — que ascienda por subpresión desde los niveles inferiores  Esta capa, que puede ser granular o tratada con ligantes hidrocarbonados o con cemento, se puede integrar a la estructura del pavimento

CAPA PERMEABLE

 El remate de la capa permeable (manto drenante) puede ocurrir: —Contra un subdrén longitudinal —Contra el talud lateral hacia el exterior (no es recomendable, porque se pueden producir contaminaciones en el talud durante las operaciones de construcción y mantenimiento)

CAPA PERMEABLE La capa permeable puede ser: —La base, la cual pudiera cumplir a la vez funciones drenantes y estructurales. Se emplea para drenar el agua proveniente de la superficie y se aplica preferentemente en la construcción de pavimentos rígidos —Una capa adicional sobre la subrasante, sin función estructural o como parte de la subbase, para control de agua ascendiente por subpresión. Si se desea que en este caso la capa ayude a drenar el agua que se infiltre desde la superficie, la permeabilidad de las capas superiores debe ser mayor que la tasa de infiltración, para que el agua pueda fluir

CAPA PERMEABLE

NOTA :

Los materiales que rodeen la capa permeable deben cumplir requisitos de filtro

BASE PERMEABLE CARACTERÍSTICAS REQUERIDAS

Alta permeabilidad, para reducir el tiempo de saturación a un mínimo [k > 1000 pies/día (3.5*10-1 cm/s)] Suficiente estabilidad, para soportar las operaciones de construcción del pavimento Suficiente estabilidad, para resistir y distribuir los esfuerzos impuestos por las cargas del tránsito Las bases pueden ser estabilizadas o no estabilizadas. La finalidad primaria de la estabilización (con cemento asfáltico o cemento Pórtland) es brindar estabilidad a la capa durante la etapa constructiva

BASE PERMEABLE

BASE NO ESTABILIZADA Su estabilidad se logra a través de la trabazón de agregados Se exige que el material tenga 100% de partículas trituradas mecánicamente

El desgaste Los Ángeles no puede exceder de 45 % Las pérdidas en el ensayo de solidez no pueden exceder de 12 % (sulfato de sodio) o de 18 % (sulfato de magnesio)

BASE PERMEABLE BASE NO ESTABILIZADA GRANULOMETRÍAS USUALES

Nota -Se recomienda que Cu > 4 para garantizar la estabilidad de la base

BASE PERMEABLE BASE ESTABILIZADA CON CEMENTO ASFÁLTICO

Se recomienda el uso de un asfalto de grado AC-40 en proporción de 2 a 2 ½ % en peso GRANULOMETRÍAS USUALES

BASE PERMEABLE BASE ESTABILIZADA CON CEMENTO ASFÁLTICO

Lindly y Elsayed desarrollaron una fórmula para estimar la permeabilidad de las bases tratadas con asfalto:

k = 852.3 – 248.67 Pb + 97.51 Va – 95.52 P8 Siendo k = coeficiente de permeabilidad (pies/día) Pb = porcentaje de cemento asfáltico en peso Va = % de volumen de vacíos con aire P8 = porcentaje en peso de material que pasa el tamiz No 8

BASE PERMEABLE BASE ESTABILIZADA CON CEMENTO PORTLAND

La cantidad de cemento varía entre 120 y 150 kg/m3 La cantidad de agua se debe ajustar para controlar la segregación GRANULOMETRÍAS USUALES

X = % indicado por el constructor

GRADACIÓN Y PERMEABILIDAD DE MATERIALES PARA BASE COMPARACIÓN DE GRANULOMETRÍAS

GRADACIÓN Y PERMEABILIDAD DE MATERIALES PARA BASE COMPARACIÓN DE GRANULOMETRÍAS

GRADACIÓN Y PERMEABILIDAD DE MATERIALES PARA BASE VALORES TÍPICOS DEL COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD DE MATERIALES DE BASE COMPACTADOS A LA DENSIDAD MÁXIMA DEL PROCTOR ESTÁNDAR

MATERIAL

% PASA TAMIZ No. 200

k (cm/s)

Piedra partida y gravas naturales con llenante no plástico.

5 10 15

100 – 10-1 10-2 – 10-3 10-4 – 10-5

Piedra partida y gravas naturales con llenante plástico (IP<6)

5 10 15

10-1 – 10-3 10-2 – 10-5 10-4 – 10-7

Bases asfálticas a) 20% de vacíos b) 5% de vacíos Arena uniforme estabilizada con cemento Bases tratadas permeables a) AASHTO # - 57 b) AASHTO # - 67

100 – 10-2 10-7 – 10-8 Menos de 10

10-1 – 10-4

0 1

2.40 1.80

DISEÑO HIDRÁULICO DE LA BASE PERMEABLE

ESTIMACIÓN DEL FLUJO DE INFILTRACIÓN (qi)

La infiltración superficial es normalmente la mayor fuente de entrada de agua a un pavimento Existen diversos procedimientos para estimarla: —Método de la relación de infiltración —Método de la infiltración a través de juntas y grietas —Método del tiempo para drenar

DISEÑO HIDRÁULICO DE LA BASE PERMEABLE ESTIMACIÓN DEL FLUJO DE INFILTRACIÓN (qi)

Método de la relación de infiltración (Cedergren) Se seleccionan una lluvia de diseño y una relación de infiltración y la infiltración se determina con la expresión:

qi =2*C*R qi= infiltración en el pavimento (pies3/día/pie2 de pavimento)

C = relación de infiltración

0.33-0.50 para pavimentos asfálticos 0.50-0.70 para pavimentos rígidos

R = intensidad de la lluvia (pulgadas/hora). Se sugiere usar una lluvia de diseño para 2 años de frecuencia y 1 hora de duración


Método de la infiltración por juntas y grietas (Moulton) N Wc  qi  I c  c    kp W W * C s  

qi= infiltración en el pavimento (pies3/día/pie2 de pavimento) Ic = tasa de infiltración por juntas y grietas (2.4 pies3/día/pie de grieta) Nc = número de juntas o grietas longitudinales Nc = N + 1, siendo N el número de carriles que contribuyen a la infiltración Wc = longitud de las juntas o grietas transversales que contribuyen (pies) Cs = espaciamiento entre juntas o grietas transversales contributivas (pies) W = ancho de la base permeable que contribuye (pies) kp = permeabilidad de pavimento sin juntas ni grietas (pies3/día/pie2 de pavimento)


Método de la infiltración por juntas y grietas (Moulton) Ejemplo Determinar la infiltración en un pavimento rígido de 2 carriles de 12 pies de ancho cada uno y bermas de 10 pies en concreto asfáltico a cada lado en un sitio donde la pendiente transversal es uniforme en un solo sentido Las juntas transversales se encuentran cada 20 pies y la base permeable tiene un ancho igual al del pavimento más las bermas


Método de la infiltración por juntas y grietas (Moulton) Solución al ejemplo Ic = tasa de infiltración por juntas y grietas (2.4 pies3/día/pie de grieta) Nc = número de juntas o grietas longitudinales = 2 + 1 = 3 Wc = longitud de las juntas o grietas transversales que contribuyen = 24 pies Cs = espaciamiento entre juntas o grietas transversales contributivas = 20 pies W = ancho de la base permeable que contribuye = 24 pies kp = permeabilidad de pavimento sin juntas ni grietas = 0 24  3 3 2 qi  2.4   0  0 . 42 pies / día / pie  24 24 * 20 


Método del tiempo para drenar Se considera que es el mejor método para determinar el comportamiento de una base permeable, dado que la selección de los parámetros de diseño en los otros 2 métodos es muy incierta Es una aproximación que se basa en el flujo que entra al pavimento hasta que la base permeable se satura Se supone que la lluvia en exceso no entra al pavimento y simplemente corre por la superficie Existen 2 aproximaciones para determinar el tiempo para drenar (Ref: Publicación FHWA-SA-92-008 -March 1992-) —Tiempo para drenar el 50% del agua que puede drenar (AASHTO) —Criterio del 85 % de saturación

DISEÑO HIDRÁULICO DE LA BASE PERMEABLE ESTIMACIÓN DEL FLUJO DE DESCARGA DE LA BASE (qd)

qd = qi*LR Donde qd = tasa de descarga de la base permeable (pie3/día/pie de base) qi = infiltración en el pavimento (pies3/día/pie2 de pavimento) LR = longitud resultante de la trayectoria de flujo, la cual depende de las pendientes longitudinal y transversal de la base permeable (pies) S LR  W 1     Sx 

2

Siendo W = ancho de la base (pies) S = pendiente longitudinal de la calzada (pie/pie) Sx = pendiente transversal de la calzada (pie/pie)

DISEÑO HIDRÁULICO DE LA BASE PERMEABLE ESTIMACIÓN DEL FLUJO DE DESCARGA DE LA BASE (qd)

DISEÑO HIDRÁULICO DE LA BASE PERMEABLE ESTIMACIÓN DEL FLUJO DE DESCARGA DE LA BASE (qd) Ejemplo

Determinar la tasa de descarga de la base permeable de 24 pies de ancho en un pavimento rígido donde la infiltración es 1.80 pies3/día/pie2 de pavimento, si la pendiente longitudinal de la calzada es 3 % y la transversal es 2 % Solución 2

2

S  0.03  LR  W 1     24 1    43.27 pies   Sx   0.02 

qd = qi*LR = 1.80*43.27 = 77.89 pies3/día/pie de base

DISEÑO HIDRÁULICO DE LA BASE PERMEABLE DETERMINACIÓN DEL ESPESOR REQUERIDO DE BASE PERMEABLE

Se puede estimar por medio de 2 criterios: —Régimen de flujo uniforme (se obtienen espesores exagerados) —Régimen de flujo no uniforme, que considera que la profundidad del flujo se incrementará hasta alcanzar el efecto de abatimiento de la descarga del agua en el subdrén. En este caso, se toma como espesor requerido de la base permeable el valor correspondiente a la máxima profundidad del flujo (ver figura)


S R  S 2  Sx 2


Ejemplo Determinar el espesor requerido de la base permeable, dados los siguientes datos: —Infiltración en el pavimento = 1.8 pies3/día/pie2 —Longitud resultante = 43.27 pies —Pendiente longitudinal = 3 % —Pendiente transversal = 2 % —Coeficiente de permeabilidad de la base = 3,000 pies/día

DISEÑO HIDRÁULICO DE LA BASE PERMEABLE DETERMINACIÓN DEL ESPESOR REQUERIDO DE BASE PERMEABLE Solución del ejemplo -Cálculo de la pendiente resultante S R  S 2  Sx 2  (0.03) 2  (0.02) 2  0.036

-Cálculo de p

p  qi / k  1.80 / 3000  0.0006 -Entrando a la figura con p = 0.0006 y SR = 0.036 se obtiene

LR/H = 110 H = LR/130 = 43.27/110 = 0.393 pies = 0.393*12 = 4.7 pulgadas

CAPA SEPARADORA

FUNCIONES DE LA CAPA SEPARADORA Se coloca bajo la base permeable, para evitar que ésta sea contaminada por los finos de la subbase/subrasante

Si la capa de subbase/subrasante es estabilizada no se requiere la capa separadora, si la capa estabilizada no va a estar sometida a saturación o altas presiones durante períodos extensos. Un riego de imprimación sobre la subbase/subrasante estabilizada proporciona una protección adicional

CAPA SEPARADORA

La separación puede ser proporcionada por una capa de material granular o por un geotextil

CAPA SEPARADORA CAPA SEPARADORA DE MATERIAL GRANULAR Debe estar constituida por partículas duras (desgaste no mayor de 50%) y sanas (pérdidas en ensayo de solidez en sulfato de sodio menores de 12 %) Debe ser resistente, para proporcionar una plataforma adecuada para la construcción de la base permeable Su gradación debe ser seleccionada cuidadosamente, para prevenir la migración de los finos de la capa subyacente (debe cumplir requisitos de material de filtro) Su permeabilidad debe ser relativamente baja, ya que tiene que actuar como escudo para desviar el agua infiltrada al subdrén longitudinal

CAPA SEPARADORA REQUISITOS DE MATERIAL DE FILTRO PARA LA CAPA SEPARADORA DE MATERIAL GRANULAR

Criterio de obstrucción El agregado deberá ser lo suficientemente fino para prevenir que materiales más finos migren dentro de él D15 filtro  5 D85 suelo

El criterio se debe aplicar tanto a la capa separadora como a la capa permeable drenante. La ecuación se aplica primero considerando la capa separadora como filtro y la subyacente como suelo y luego considerando la base permeable como filtro y la separadora como suelo


Criterio de permeabilidad D15 filtro  5 D15 suelo

Este criterio se aplica sólo a la capa separadora en relación con el suelo que la soporta, dado que la base permeable la satisface siempre por su alta permeabilidad


Criterio de uniformidad

Busca que las curvas granulométricas de las capas adyacentes sean algo paralelas D50 filtro  25 D50 suelo

Este criterio se aplica tanto a la base permeable como a la capa separadora


Criterios adicionales

Hay discrepancias respecto de la uniformidad del material y de la cantidad de finos que puede contener

CAPA SEPARADORA

GRANULOMETRÍA TÍPICA RECOMENDADA POR LA FHWA PARA LA CAPA SEPARADORA

CAPA SEPARADORA GRANULOMETRÍAS Y PERMEABILIDADES TÍPICAS PARA BASES PERMEABLES Y MATERIALES DE FILTRO [Cedergren et al (1972)]

CAPA SEPARADORA

Ejemplo No 1 La base permeable de k = 20,000 pies/día mostrada en la figura presenta los siguientes diámetros: — D15 = 0.26 pg —D50 = 0.53 pg Determinar si es posible colocar esta capa directamente sobre un suelo de subrasante con: —D15 = 0.0013 pg — D50 = 0.0055 pg — D85 = 0.021 pg

CAPA SEPARADORA

Solución al Ejemplo No 1

Como la base se colocará directamente sobre la subrasante, la base será el filtro y la subrasante el suelo D15 base 0.26   12.4  5 (no cumple) D85 suelo 0.021 D15 base 0.26   200  5 (cumple) D15 suelo 0.0013 D50 base 0.53   96.4  D50 suelo 0.055

25 (no cumple)

En consecuencia, la base no se debe colocar directamente sobre la subrasante

CAPA SEPARADORA Ejemplo No 2 Como del ejemplo anterior se deduce que se debe colocar una capa separadora, ¿cuál de los materiales de filtro de la figura pudiera ser utilizado? Solución Cuando se coloca una capa granular como separadora entre la base permeable y la subrasante, el análisis se debe dividir en 2 etapas:

—Primero se considera la capa granular separadora como filtro y la subrasante como suelo —En segundo lugar, se coloca la base permeable como filtro y la capa granular separadora como suelo

En ambos casos se deben satisfacer los requisitos de filtro

CAPA SEPARADORA

Solución al Ejemplo No 2 - Primera Etapa Capa granular separadora como filtro y la subrasante como suelo Teniendo en cuenta los tamaños de las partículas de la subrasante (D15 = 0.0013 pg, D50 = 0.0055 pg y D85 = 0.021 pg), los requisitos que debe cumplir la capa separadora son los siguientes: D15 ≤ 5*0.021 = 0.105 pg D15 ≥ 5*0.0013 = 0.0065 pg D50 ≤ 50*0.0055 = 0.138 pg

CAPA SEPARADORA

Solución al Ejemplo No 2 - Segunda Etapa Capa de base permeable como filtro y la granular separadora como suelo Teniendo en cuenta los tamaños de las partículas de la base permeable (D15 = 0.26 pg y D50 = 0.53 pg), los requisitos que debe cumplir la capa separadora son los siguientes: D85 ≥ 0.26/5 = 0.052 pg D15 ≤ 0.26/5 = 0.052 pg D50 ≥ 0.53/25 = 0.0212 pg

CAPA SEPARADORA

Conclusión Ejemplo No 2 Combinando los seis requisitos por cumplir en las dos etapas, se llega a los siguientes tres:

0.0065 pg ≤ D15 ≤ 0.052 pg 0.0212 pg ≤ D50 ≤ 0.138 pg D85 ≥ 0.052 pg

Revisando los 5 materiales de filtro incluidos en la figura se advierte que exceptuando el más grueso (cuyo D50 = 0.18 pg), los demás satisfacen las exigencias y pueden ser utilizados

CAPA SEPARADORA CAPA SEPARADORA DE GEOTEXTIL

Debe cumplir tres requisitos PERMEABILIDAD- Debe permitir que el agua que fluya desde el suelo entre a la base permeable

RETENCIÓN – El tamaño de las aberturas debe ser tal, que en ellas se retenga la mayoría de las partículas del suelo OBSTRUCCIÓN – El geotextil debe tener suficiente cantidad de aberturas para que en caso de alguna obstrucción el flujo no se vea restringido y se generen presiones de poros excesivas

CAPA SEPARADORA

PROPIEDADES HIDRÁULICAS Y DE FILTRACIÓN DEL GEOTEXTIL

Permeabilidad La permeabilidad del geotextil debe ser superior a la del suelo de subrasante, de manera que el drenaje vertical del agua no sea impedido indebidamente por el geotextil Este requisito no suele constituir un problema, por cuanto la mayoría de los suelos tienen baja permeabilidad

CAPA SEPARADORA


Retención Esta propiedad se evalúa a través del tamaño de abertura aparente (TAA) El TAA es un número índice que identifica el tamaño de las mayores aberturas del geotextil El TAA se determina mediante la norma de ensayo ASTM D4751

CAPA SEPARADORA PROPIEDADES HIDRÁULICAS Y DE FILTRACIÓN DEL GEOTEXTIL

Retención La prueba consiste en tamizar pequeñas esferas de vidrio de tamaño uniforme a través del geotextil y determinar el porcentaje de ellas, en peso, que queda retenido en él La prueba se repite aumentando el tamaño de las esferas hasta que menos del 5 % de ellas atraviese el geotextil (más de 95 % quedan retenidas) El tamaño de abertura aparente es el número del tamiz estándar que tiene las aberturas del tamaño superior más próximo al de las esferas que son retenidas en más de 95 %

CAPA SEPARADORA PROPIEDADES HIDRÁULICAS Y DE FILTRACIÓN DEL GEOTEXTIL

Retención El tamaño de abertura aparente también se puede expresar en milímetros y se refiere al tamaño correspondiente al 95% retenido (O95) La nomenclatura de los tamaños de tamices es a veces difícil de seguir, por cuanto la abertura del tamiz decrece a medida que el número del tamiz aumenta

El tamaño de abertura aparente se debe elegir de manera que prevenga la migración de los finos dentro de la base permeable

CAPA SEPARADORA PROPIEDADES HIDRÁULICAS Y DE FILTRACIÓN DEL GEOTEXTIL TAMAÑOS DE ABERTURA DE LOS TAMICES

CAPA SEPARADORA


Obstrucción La obstrucción es un problema potencial y por lo tanto el diseño debe tomarla en consideración La mejor aproximación consiste en estudiar la interacción en la interfaz suelo/geotextil El potencial de obstrucción del geotextil se mide mediante el ensayo de relación de gradientes, según norma ASTM D5101

CAPA SEPARADORA PROPIEDADES HIDRÁULICAS Y DE FILTRACIÓN DEL GEOTEXTIL Obstrucción La prueba de relación de gradientes consiste en determinar el gradiente hidráulico a través del geotextil más 1‖ de suelo colocada encima de él (if) y a través de 2‖ de suelo colocadas encima de la anterior (ig)

CAPA SEPARADORA


Obstrucción

RELACIÓN DE GRADIENTES 

if ig

Si las partículas de suelo son atrapadas en el geotextil, la relación de gradientes aumenta, en tanto que si lo atraviesan, la relación de gradientes disminuye

CAPA SEPARADORA CRITERIOS DE DISEÑO PARA SELECCIÓN DE GEOTEXTILES


CAPA SEPARADORA CRITERIOS DE DISEÑO PARA SELECCIÓN DE GEOTEXTILES REQUERIMIENTOS DE PROPIEDADES MECÁNICAS PARA GEOTEXTILES EN CAPAS SEPARADORAS (INVÍAS)


Ejemplo Determinar el TAA de un geotextil tejido que sea adecuado para retener un suelo de subrasante cuyo D85 es 0.24 mm Solución Como se trata de un geotextil tejido O95 ≤ D85 O95 ≤ 0.24 mm

Por lo tanto, se elige un AOS No 70, el cual corresponde a un tamiz de 0.212 mm de abertura

SUBDRENES LONGITUDINALES

Zanjas paralelas a la dirección de la vía, en las cuales se colocan materiales permeables (agregados pétreos, geotextiles, geodrenes) y, eventualmente, una tubería

Excavación de zanja

Colocación de geotextil y tubería

Relleno con agregado pétreo


Utilización  Los subdrenes longitudinales se emplean para: 1. Cortar corrientes de agua subterránea, impidiendo que alcancen las inmediaciones del pavimento 2. Encauzar el agua que ingrese al pavimento por filtraciones a través de su superficie 3. Rebajar el nivel freático, manteniéndolo a una profundidad conveniente del nivel superior de la explanación


Utilización 1. Cortar corrientes de agua subterránea, impidiendo que alcancen las inmediaciones del pavimento


Utilización 2. Encauzar el agua que ingrese al pavimento por filtraciones a través de su superficie


Utilización 3. Rebajar el nivel freático, manteniéndolo a una profundidad conveniente del nivel superior de la explanación

SUBDRENES LONGITUDINALES CARACTERÍSTICAS DE LOS SUBDRENES LONGITUDINALES

Deben tener la capacidad hidráulica suficiente para conducir todo el agua que reciban

Si están unidos con una base permeable, su material de relleno debe ser el mismo de la base para asegurar su capacidad. Además, deben llevar una tubería Cuando el subdrén no va unido a una base permeable, puede estar constituido por un geodrén o ser del tipo francés envuelto en geotextil El geotextil usado para el subdrén no debe atravesar una base permeable, por cuanto formaría una barrera al flujo de agua


TUBERÍA DEL SUBDRÉN Puede ser de concreto, arcilla, metal, fibra bituminosa o plástico

Los tubos de concreto y arcilla se podrán proyectar con juntas abiertas o perforaciones que permitan la entrada del agua en su interior Los tubos de hormigón poroso permiten la entrada del agua a través de sus paredes Los tubos de plástico, metal y fibra bituminosa tienen orificios circulares o ranuras para el mismo fin


TUBERÍA DEL SUBDRÉN En tuberías con juntas abiertas, el ancho de éstas oscila entre 1 cm y 2 cm

Los orificios circulares o ranuras de las tuberías perforadas se disponen de preferencia en la mitad inferior de los tubos Se deben cumplir los siguientes requisitos para evitar que se introduzca el material granular del subdrén dentro de los tubos perforados —Para orificios circulares —Para ranuras

D85 filtro 1.0 Diámetro del orificio D85 filtro 1.2 Ancho de la ranura


TUBERÍA DEL SUBDRÉN Disposición de los orificios en una tubería perforada


DISEÑO HIDRÁULICO DEL SUBDRÉN LONGITUDINAL DETERMINACIÓN DEL FLUJO DE DESCARGA El subdrén debe ser diseñado de manera que la tasa del flujo de salida sea mayor que la de entrada y que el agua pueda ser llevada con seguridad de las fuentes hasta los sitios de descarga Existen 3 aproximaciones para el cálculo del flujo de descarga del sistema de subdrenaje:

—Tasa de descarga de la infiltración del pavimento —Tasa de descarga de la base permeable —Tasa de descarga del tiempo para drenar

DISEÑO HIDRÁULICO DEL SUBDRÉN LONGITUDINAL DETERMINACIÓN DEL FLUJO DE DESCARGA Método de la velocidad de descarga de la infiltración del pavimento

Qp = qi W L Donde Qp = caudal de diseño por el conducto (pie3/día) qi = infiltración del pavimento (pie3/día/pie2) W= ancho de la base permeable (pies) L = espaciamiento entre tubos de descarga (pies)

DISEÑO HIDRÁULICO DEL SUBDRÉN LONGITUDINAL DETERMINACIÓN DEL FLUJO DE DESCARGA Método de la velocidad de descarga de la base permeable

Algunos ingenieros consideran que el sistema debe ser capaz de manejar el flujo máximo que la base permeable puede descargar en el subdrén

Qp = k SR H L cos(A) Donde Qp = caudal de diseño por el conducto (pie3/día) k = coeficiente de permeabilidad (pies/día) SR = pendiente resultante (pie/pie) H = espesor de la base (pies) L = espaciamiento entre tubos de descarga (pies) A = ángulo entre la pendiente transversal y la pendiente resultante

DISEÑO HIDRÁULICO DEL SUBDRÉN LONGITUDINAL DETERMINACIÓN DEL FLUJO DE DESCARGA Método de la velocidad de descarga del tiempo para drenar

En esta aproximación el sistema debe ser capaz de manejar el flujo generado por el drenaje de la base permeable

Qp = (W L H Ne U)(1/tD)*24 Donde Qp = caudal de diseño por el conducto (pie3/día) W = ancho de la base permeable (pies) L = espaciamiento entre tubos de descarga (pies) H = espesor de la base (pies) Ne = porosidad efectiva U = porcentaje drenado (expresado como decimal) tD = tiempo de drenaje (horas)

DISEÑO HIDRÁULICO DEL SUBDRÉN LONGITUDINAL CAPACIDAD DE LA TUBERÍA CIRCULAR

Se puede determinar con la fórmula de Manning

Q = (53.01 D8/3 S1/2)/ n Donde Q = capacidad de la tubería (pie3/día) D = diámetro de la tubería (pulgadas) S = pendiente longitudinal (pies/pie) n = coeficiente de rugosidad de Manning

n = 0.012 para tubería lisa n = 0.024 para tubería corrugada

DISEÑO HIDRÁULICO DEL SUBDRÉN LONGITUDINAL CAPACIDAD DE LA TUBERÍA CIRCULAR Si se asignan valores de diámetro de tubería y coeficiente de rugosidad, la ecuación de Manning se puede simplificar

Q = K S1/2 Valores K para diferentes diámetros de tubería y coeficientes de rugosidad

DISEÑO HIDRÁULICO DEL SUBDRÉN LONGITUDINAL CAPACIDAD DE LA TUBERÍA CIRCULAR Ejemplo Determinar la capacidad de una tubería circular corrugada de 4 pulgadas de diámetro, si la pendiente longitudinal del subdrén longitudinal es 1 % Solución K = 89,051 (ver tabla)

Q = K S1/2 =89,051(0.01)1/2 = 8,905 pies3/día

DISEÑO HIDRÁULICO DEL SUBDRÉN LONGITUDINAL ESPACIAMIENTO ENTRE TUBOS DE DESCARGA (L) Método de la velocidad de descarga de la infiltración en el pavimento En esta aproximación se iguala el caudal de diseño de este método con la ecuación de capacidad del conducto qi W L = K S1/2

Despejando ―L‖:

K S 1/ 2 L qi W

DISEÑO HIDRÁULICO DEL SUBDRÉN LONGITUDINAL ESPACIAMIENTO ENTRE TUBOS DE DESCARGA (L) Método de la velocidad de descarga de la infiltración en el pavimento Ejemplo Dados: —Infiltración en el pavimento = 1.80 pies3/día/pie2 —Ancho de la base permeable = 24 pies —K = 89051 —Pendiente longitudinal de la tubería = 1 % Determinar el espaciamiento entre tubos de descarga Solución K S 1 / 2 89051 * (0.01)1 / 2 L   206 pies qi W 1.80 * 24

DISEÑO HIDRÁULICO DEL SUBDRÉN LONGITUDINAL

ESPACIAMIENTO ENTRE TUBOS DE DESCARGA (L) Método de la velocidad de descarga de la base permeable En esta aproximación se iguala el caudal de diseño de este método con la ecuación de capacidad del conducto k SR H L cos(A) = K S1/2 Despejando ―L‖:

K S 1/ 2 L k S R H cos( A)

DISEÑO HIDRÁULICO DEL SUBDRÉN LONGITUDINAL ESPACIAMIENTO ENTRE TUBOS DE DESCARGA (L) Método de la velocidad de descarga de la base permeable Ejemplo Dados

—Ancho de la base permeable = 24 pies —k = 3000 pies/día —K = 89051 —Pendiente longitudinal de la tubería = 1 % —Pendiente resultante = 0.036 (Sx = 0.02) —Espesor de la base permeable = 0.393 pies Determinar el espaciamiento entre tubos de descarga


ESPACIAMIENTO ENTRE TUBOS DE DESCARGA (L) Método de la velocidad de descarga de la base permeable Solución al ejemplo cos( A) 

Sx 0.02   0.556 S R 0.036

K S 1/ 2 89051 * (0.01)1 / 2 L   377 pies k S R H cos( A) 3000 * 0.036 * 0.393 * 0.556


ESPACIAMIENTO ENTRE TUBOS DE DESCARGA (L) Método de la velocidad de descarga del tiempo para drenar En esta aproximación se iguala el caudal de diseño de este método con la ecuación de capacidad del conducto

(W L H Ne U)(1/tD)*24 = K S1/2 Despejando ―L‖:

K S 1/ 2 t D L 24 W H N e U


DETERMINACIÓN DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL DEL SUBDRÉN Si no hay heladas ni un caudal significativo de agua por subpresión, el subdrén puede tener poca profundidad Tan sólo se requiere que la parte superior del tubo quede al menos 5 centímetros (2 pulgadas) por debajo del fondo de la capa permeable


DETERMINACIÓN DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL DEL SUBDRÉN El ancho mínimo de la zanja (W) se puede determinar aplicando la ley de Darcy, suponiendo que el gradiente hidráulico es unitario (i = 1) y que el caudal de diseño del subdrén (Q) es igual a la descarga de la base permeable (qd), lo que permite llegar a

qd W k


TUBERÍA DE DESCARGA Su instalación es crítica en el sistema de drenaje de bases permeables Puede ser metálica o rígida de PVC sin perforaciones y debe ir adecuadamente conectada con la tubería del subdrén, debiendo tener el mismo diámetro de ésta Su salida a la zanja o cuneta lateral debe producirse por lo menos 15 centímetros por encima del flujo de diseño para 10 años La FHWA recomienda construirle cabezal de salida y limitar la separación entre tuberías a 250 pies (76 metros)


TUBERÍA DE DESCARGA

Esquema general

Cabezal de salida

SUBDRENES TRANSVERSALES

Función  En carreteras de montaña, los subdrenes longitudinales pueden resultar insuficientes para interceptar toda el agua de filtración  En estos casos se deben instalar subdrenes transversales normales al eje de la vía o en forma de espina de pez


Función

Estos dispositivos son análogos a los longitudinales y lo único que los distingue de ellos es la dirección en la cual se desarrollan y el hecho de tener paredes inclinadas  Su efecto se puede incrementar, si en cierta longitud se coloca una capa permeable a cada lado de ellos


COROLARIO

SI EL AGUA DESTROZA LOS CAMINOS ¿QUÉ HARÁ EN LOS INTESTINOS?

EVALUACIÓN DE LA SUBRASANTE

CONTENIDO

Exploración de la subrasante Definición del perfil y delimitación de áreas homogéneas Determinación de la resistencia o respuesta de diseño para cada área homogénea


La respuesta del suelo de subrasante es el factor más importante en la determinación de los espesores de diseño del pavimento La respuesta de la subrasante ante las cargas del tránsito depende de los tipos de suelo que la constituyen y de la densidad y la humedad de ellos, tanto durante la construcción como durante el servicio


La caracterización de los suelos comprende las siguientes etapas:

de

subrasante

— Exploración de la subrasante — Definición del perfil y delimitación de áreas homogéneas — Ejecución de ensayos de resistencia sobre los suelos predominantes — Determinación del valor de resistencia o de respuesta de diseño para cada área homogénea


EXPLORACIÓN DE LA SUBRASANTE


Se debe adelantar una investigación a lo largo del alineamiento aprobado, con el fin de identificar la extensión y la condición de los diferentes depósitos de suelos que se encuentren La investigación se realiza mediante perforaciones a intervalos definidos de acuerdo con la variabilidad del terreno, la longitud y la importancia del proyecto y los recursos técnicos y económicos disponibles Las perforaciones deberán alcanzar, cuando menos, 500 mm bajo la cota proyectada de subrasante


INTERVALOS ENTRE PERFORACIONES


EJECUCIÓN DE PERFORACIONES

EXPLORACIÓN DE LA SUBRASANTE REGISTRO DEL PERFIL EN EL TERRENO

EXPLORACIÓN DE LA SUBRASANTE REGISTRO DEL PERFIL Y TOMA DE MUESTRAS


Se debe tomar suficiente cantidad de muestra de cada suelo encontrado en las perforaciones para determinar: —Humedad natural —Límites de consistencia —Granulometría —Compactación —Resistencia o respuesta ante cargas transitorias Igual tratamiento se debe dar a los suelos de préstamo que se colocarán en los rellenos y que influirán en el comportamiento del pavimento


CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS Los sistemas de clasificación encuadran los suelos en una determinada tipología a partir de su granulometría y límites de consistencia El sistema más apropiado para clasificar los suelos para estudio de calles y carreteras es el AASHTO Las muestras para clasificación y otros ensayos no se deben tomar al azar, sino de acuerdo con el desarrollo del perfil a lo largo de la vía y la secuencia en que se presenten las diferentes capas de suelo


CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS Determinación de granulometría

Determinación de los límites de consistencia

EXPLORACIÓN DE LA SUBRASANTE TABLA DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS DE LA AASHTO


DEFINICIÓN DEL PERFIL Y DELIMITACIÓN DE ÁREAS HOMOGÉNEAS

DEFINICIÓN DEL PERFIL Y DELIMITACIÓN DE ÁREAS HOMOGÉNEAS SECTORIZACIÓN INICIAL POR TRÁNSITO

Inicialmente se sectoriza el tramo en estudio, de acuerdo con los niveles esperados de tránsito a lo largo de él

DEFINICIÓN DEL PERFIL Y DELIMITACIÓN DE ÁREAS HOMOGÉNEAS SECTORIZACIÓN COMPLEMENTARIA POR TIPOS DE ROCA O SUELO

A partir de las clasificaciones de los suelos de subrasante encontrados en las perforaciones, se elabora un perfil


DETERMINACIÓN DE LAS ÁREAS HOMOGÉNEAS DE DISEÑO

Se determina la longitud en la cual predomina cada suelo y se delimitan áreas homogéneas para efectos de diseño, teniendo en cuenta el tránsito de proyecto Las secciones escogidas deben ser de suficiente longitud, con el fin de que los diseños resultantes den lugar a una construcción práctica y económica




DETALLE DE LOS SUELOS DE LA UNIDAD 4



Si en un tramo hay gran heterogeneidad en los suelos y no se puede definir uno como predominante, el diseño se basará en el más frecuente de los suelos débiles encontrados Distribución de la clasificación de los suelos de la unidad 4a


EJECUCIÓN DE ENSAYOS DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA SOBRE LOS SUELOS PREDOMINANTES

EJECUCIÓN DE ENSAYOS DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA

Los ensayos de resistencia o de respuesta se deben realizar sobre muestras representativas de los suelos predominantes, reproduciendo las condiciones de humedad y densidad que se espera prevalezcan en servicio El ensayo más utilizado es el CBR, el cual es una medida de la resistencia del suelo al esfuerzo cortante bajo condiciones de humedad y densidad controladas, que tiene aplicación en el diseño y en la evaluación de pavimentos asfálticos


El soporte de la subrasante se puede expresar, también, en términos del módulo de reacción, obtenido a través de pruebas de placa directa. Este módulo se usa en el diseño de pavimentos rígidos La respuesta del soporte se puede caracterizar también en términos de parámetros elásticos (módulo resiliente y relación de Poisson), los cuales se aplican en los procedimientos empírico mecanísticos de diseño de pavimentos asfálticos


ENSAYO CALIFORNIA BEARING RATIO (CBR) El ensayo más utilizado es el CBR, el cual representa la relación, en porcentaje, entre el esfuerzo requerido para penetrar un pistón cierta profundidad dentro del suelo ensayado y el esfuerzo requerido para penetrar un pistón igual, la misma profundidad, dentro de una muestra patrón de piedra triturada esfuerzo en el suelo ensayado (penetración x) CBR *100 esfuerzo en la muestra patrón (penetración x)


ENSAYO CALIFORNIA BEARING RATIO (CBR) Valores de esfuerzo en la muestra patrón

La muestra patrón fue elegida y ensayada por O.J. Porter, en California, en 1929, presentando los siguientes esfuerzos requeridos para diferentes profundidades de penetración del pistón: Penetración del pistón Esfuerzo

(mm)

2.5

5.0

7.5

10.0

12.5

(pulg.)

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

(MPa)

6.89

10.34

13.10

15.86

17.93

(lb/pg2)

1000

1500

1900

2300

2600


ENSAYO CALIFORNIA BEARING RATIO (CBR)


ENSAYO CALIFORNIA BEARING RATIO (CBR) Para cada muestra preparada se dibuja una gráfica relacionando Esfuerzo vs Penetración del pistón:


ENSAYO CALIFORNIA BEARING RATIO (CBR) Para cada muestra elaborada, se calcula su valor de CBR para penetraciones del pistón de 0.1‖ (2.5 mm) y 0.2‖ (5.0 mm) con las expresiones :

CBR 0.1"

σ 0.1"  *100 1000 psi

σ 0.2" CBR 0.2"  *100 1500 psi


DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA BAJO CONDICIONES DE EQUILIBRIO Humedad La resistencia de los suelos, en especial los finos, está directamente relacionada con sus condiciones de humedad y de densidad

Se recomienda determinar la resistencia de la subrasante bajo la condición más húmeda que se espere una vez que el pavimento se encuentre en servicio


DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA BAJO CONDICIONES DE EQUILIBRIO Humedad Compactar suelos finos con humedades bajas para conseguir altas densidades y altas resistencias durante la construcción, no constituye una buena práctica, por cuanto el suelo queda con una estructura que se debilita considerablemente con el humedecimiento, lo que se traduce en pérdidas posteriores de densidad y de resistencia e incrementos en la expansión

EJECUCIÓN DE ENSAYOS DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS DE ACUERDO CON LA HUMEDAD PARA LA DETERMINACIÓN DE SU RESISTENCIA


DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA BAJO CONDICIONES DE EQUILIBRIO Efectos del subdrenaje sobre la humedad de la subrasante Los cambios de humedad de la subrasante por filtración y fluctuaciones del nivel freático pueden ser controlados con la instalación y mantenimiento de dispositivos de subdrenaje Estos dispositivos sólo son efectivos si la humedad del suelo está sujeta a presión de poros positiva


DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA BAJO CONDICIONES DE EQUILIBRIO Efectos del subdrenaje sobre la humedad de la subrasante Si las filtraciones de agua provenientes de la parte superior son inevitables y abundantes, conviene determinar la resistencia de los suelos en condición saturada cuando correspondan a las categorías 1 y 2 y con la humedad óptima del ensayo normal de compactación (Proctor Standard) cuando correspondan a la categoría 3


DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA BAJO CONDICIONES DE EQUILIBRIO Densidad La densidad que alcanza la subrasante bajo una superficie impermeable (densidad de equilibrio), es función del tipo de suelo y del entorno ambiental en el cual actúa Existen procedimientos para estimar a priori la densidad de equilibrio

En general, resulta suficiente considerar una densidad equivalente al 95% de la máxima del ensayo modificado de compactación (tomar precauciones en el caso de los suelos expansivos)


CRITERIO AUSTRALIANO PARA DETERMINAR LA RESISTENCIA EN CONDICIONES DE EQUILIBRIO Factor de corrección (F) por aplicar al CBR sumergido* para estimar el CBR en condiciones de equilibrio in situ Precipitación anual Tipo de suelo ** (mm) IP < 10 IP > 10 < 600 1,0 - 1,5 1,4 - 1,8 >600 y <1000 0,6 - 1,1 1,0 - 1,4 >1000 0,4 - 0,9 0,6 - 1,0 * Cuando el CBR sumergido ha sido usado exitosamente no hay razón para modificar el resultado con el factor F ** Los valores más bajos de cada rango se aplican en situaciones donde se espera que el drenaje sea pobre, el nivel freático elevado, etc. Los valores mayores se aplican en la situación opuesta


DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA MEDIANTE ENSAYOS DE CAMPO Generalmente resulta adecuado estudiar la resistencia de la subrasante de pavimentos construidos sobre el mismo suelo en vecindades del proyecto, los cuales hayan estado sometidos a tránsito cuando menos 3 años En estos suelos, el CBR se puede medir directamente mediante el método de campo (Norma de ensayo INV E169) o se puede estimar a partir del ensayo del penetrómetro dinámico de cono (PDC)


DETERMINACIÓN DEL CBR EN EL CAMPO


ENSAYO DEL PENETRÓMETRO DINÁMICO DE CONO

Ensayo apropiado para estimar la resistencia de suelos predominantemente finos

Mediante esta prueba se mide la rata a la cual penetra en el suelo una varilla con una punta cónica, a medida que es golpeada desde cierta altura con una masa especificada de 8 kg La resistencia a la penetración es la pendiente de la recta ―Número de golpes vs penetración‖, denominada número dinámico (ND) y se expresa en mm/golpe


ENSAYO DEL PENETRÓMETRO DINÁMICO DE CONO


RESULTADO DE UN ENSAYO PDC


ENSAYO DEL PENETRÓMETRO DINÁMICO DE CONO La rata de penetración del PDC (Número Dinámico) puede ser relacionada con otros valores de resistencia in-situ, como el CBR


PARÁMETROS ELÁSTICOS DE LA SUBRASANTE 1. Módulo resiliente (MR)  Es un estimativo del módulo elástico, basado en medidas de esfuerzo y deformación a partir de cargas rápidas repetidas, similares a las que experimentan los materiales del pavimento bajo la acción del tránsito

 No es una medida de la resistencia, pues el material no se lleva a rotura, sino que retorna a su tamaño y forma originales 2.Relación de Poisson (m)

 Es la relación entre las deformaciones transversales y longitudinales de un espécimen sometido a carga


PARÁMETROS ELÁSTICOS DE LA SUBRASANTE

Módulo resiliente (MR)  Se determina mediante el ensayo triaxial dinámico:


PARÁMETROS ELÁSTICOS DE LA SUBRASANTE Procedimiento para hallar el Módulo Resiliente (MR) 1. Se coloca una muestra compactada en la cámara triaxial dentro de una membrana 2. Se somete a una presión de confinamiento (s3) 3. Se aplican pulsos repetidos de un esfuerzo axial desviador (sd)



Procedimiento para hallar el Módulo Resiliente (MR) 4. Se miden las deformaciones recuperables (DL) que ocurren en una determinada longitud de la probeta (L)

5. Se calcula la deformación axial recuperable (er= DL/ L) 6. Se determina el módulo resiliente para ese esfuerzo desviador (MR = sd/ er )

7. Se repite el procedimiento con otros esfuerzos axiales desviadores


Procedimiento para hallar el Módulo Resiliente (MR)


PARÁMETROS ELÁSTICOS DE LA SUBRASANTE Módulo resiliente (MR) Debido al comportamiento mecánico no lineal de los suelos, su caracterización se debe adelantar sobre un rango de humedades y estados de esfuerzos que representen las condiciones esperadas en el terreno


PARÁMETROS ELÁSTICOS DE LA SUBRASANTE Módulo resiliente(MR) El módulo resiliente de los suelos cohesivos decrece con el aumento del esfuerzo desviador y de la humedad del suelo, así como con la disminución de la presión de confinamiento (ablandamiento por esfuerzos) MR = A* sd -B



Módulo resiliente(MR) El módulo resiliente de los suelos granulares aumenta con el estado de esfuerzos, debido al aumento de la trabazón entre las partículas individuales (endurecimiento por esfuerzos) y disminuye con el incremento de la humedad del suelo MR = K1(I1)K2 I1= s1 + s2 + s3


PARÁMETROS ELÁSTICOS DE LA SUBRASANTE Relación de Poisson (m)


ENSAYO DE PLACA DIRECTA (AASHTO T 222)

 Se realiza para obtener el módulo de reacción de la subrasante (k) el cual se usa en el diseño de pavimentos rígidos  El valor k fue desarrollado básicamente como una constante de resorte que recibe el soporte bajo la losa de concreto  La deflexión de los resortes es proporcional a la presión aplicada, es decir, la presión reactiva para resistir para resistir una carga es proporcional a k y a la deflexión de la losa (D)


ENSAYO DE PLACA DIRECTA (AASHTO T 222)


ENSAYO DE PLACA DIRECTA (AASTHO T 222)


ENSAYO DE PLACA DIRECTA (AASTHO T 222) Determinación del módulo de reacción  Se coloca el equipo sobre el suelo por ensayar, se somete la placa a diversas presiones y se miden las deflexiones  Se dibuja una curva ―deflexión vs presión‖


ENSAYO DE PLACA DIRECTA (AASTHO T 222) Determinación del módulo de reacción

El valor de “k” se calcula dividiendo la presión sobre la placa, por la deflexión correspondiente. Hay dos criterios: —a) Usar para el cálculo la presión para D= 0.05 pulgadas —b) Usar para el cálculo la deflexión para p = 10 psi k

16  320 pci 0.05

k

10  416 pci 0.024


CORRELACIONES ENTRE DIFERENTES VALORES DE RESPUESTA DE LOS SUELOS  No todas las agencias viales están familiarizadas o

disponen de equipos modernos para caracterizar los suelos de subrasante y los materiales no ligados del pavimento  Es permitido el uso de correlaciones entre diversos indicadores de la resistencia o de la respuesta del suelo  La aplicación de estas correlaciones debe ser cuidadosa, por cuanto ellas se basan en un número limitado de datos


CORRELACIONES ENTRE DIFERENTES VALORES DE RESPUESTA DE LOS SUELOS


CORRELACIONES ENTRE DIFERENTES VALORES DE RESPUESTA DE LOS SUELOS


DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA O RESPUESTA DE DISEÑO PARA CADA ÁREA HOMOGÉNEA

RESISTENCIA O RESPUESTA DE DISEÑO PARA CADA ÁREA HOMOGÉNEA

SELECCIÓN DEL VALOR DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA DE DISEÑO  Cualquiera sea el método para medir la resistencia o la respuesta del suelo, cada muestra o cada ensayo dará generalmente un resultado diferente

 Es importante que el valor utilizado para el diseño no sea ni subestimado, por cuanto dará lugar a un mayor costo de construcción del pavimento, ni sobreestimado en un grado tal, que existan riesgos importantes de falla


SELECCIÓN DEL VALOR DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA DE DISEÑO

El número de ensayos por área homogénea depende de la extensión del proyecto: – Para vías muy cortas (≤ 150 metros) son suficientes dos pruebas – Para tramos extensos (≥ 3,000 metros) se recomienda un mínimo de 5 y un máximo de 9 por suelo homogéneo – Para tramos de longitud intermedia se aplicará el criterio del diseñador


SELECCIÓN DEL VALOR DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA DE DISEÑO Cuando se tengan menos de 5 resultados, se recomienda tomar el menor valor de resistencia o de respuesta determinado en condiciones de equilibrio Cuando se tengan 5 resultados o más, la elección del valor de diseño del área, dependerá del método de diseño del pavimento que se vaya a emplear: - Si se aplican AASHTO – 93 o INVIAS, se tomará el valor promedio - Para otros métodos, se puede emplear el criterio del Instituto del Asfalto


SELECCIÓN DEL VALOR DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA DE DISEÑO CRITERIO DEL INSTITUTO DEL ASFALTO

N

Valor que es igualado o excedido por el X % de resultados

Menor o igual a 104

X= 60%

Entre 104 y 106

X=75%

Mayor o igual a 106

X= 87.5%



 Los valores de diseño de cada área se deben redondear así: CBR (%)

Redondear a

MR (kg/cm2)

Redondear a

Menor de 5

0.5

Menor de 500

50

5 - 20

1

500 - 2000

100

20 - 50

5

2000 - 5000

500

Mayor de 50

10

Mayor de 5000

1000



Ejemplo de aplicación Los resultados de 8 ensayos triaxiales dinámicos produjeron los siguientes módulos resilientes de un suelo de subrasante en un área homogénea: 6,200 – 9,500 – 8,800 – 7,800 - 13,500 – 10,000 – 11,900 y 11,300 lb/pg2 Determinar el módulo de diseño del área, para valores N de 104 , 105 y 106 ejes equivalentes de 80 kN


SELECCIÓN DEL VALOR DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA DE DISEÑO Solución

Criterio de AASHTO 93 e INVIAS M R de diseño 

6,200  7,800  8,800  9,500  10,000  11,300  11,900  13,500  9,875 psi 8

MR de diseño = 9,875 psi (10,000 psi) para cualquier tránsito de diseño


SELECCIÓN DEL VALOR DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA DE DISEÑO Solución Criterio del Instituto del Asfalto:


SELECCIÓN DEL VALOR DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA DE DISEÑO Solución Criterio del Instituto del Asfalto:

MATERIALES PARA BASE Y SUBBASE

CONTENIDO Bases y subbases granulares Bases y subbases estabilizadas con aditivos Estabilización de suelos con cal Estabilización de suelos con cal y ceniza volante Estabilización de suelos con cemento Bases estabilizadas con asfalto

Bases estabilizadas con emulsión asfáltica Bases estabilizadas con asfalto espumado Combinación de estabilizantes Otros tipos de bases Base permeable Base de concreto pobre

BASES Y SUBBASES DEFINICIONES

 Base es la capa que se encuentra bajo la capa de rodadura de un pavimento asfáltico. Debido a su proximidad con la superficie, debe poseer alta resistencia a la deformación, para soportar las altas presiones que recibe. Se construye con materiales granulares procesados o estabilizados y, eventualmente, con algunos materiales marginales.

BASES Y SUBBASES

DEFINICIONES Subbase es la capa que se encuentra entre la base y la subrasante en un pavimento asfáltico. Debido a que está sometida a menores esfuerzos que la base, su calidad puede ser inferior y generalmente está constituida por materiales locales granulares o marginales.  El material que se coloca entre la subrasante y las losas de un pavimento rígido también se denomina subbase. En este caso, debe permitir el drenaje libre o ser altamente resistente a la erosión, con el fin de prevenir el ―bombeo‖. En algunas partes, a esta capa la llaman base.

CLASIFICACIÓN DE MATERIALES PARA BASES Y SUBBASES No ligados

Granulares - Compuestos principalmente por agregados pétreos y finos naturales. (mezclas de suelo-agregado) - Su resistencia a la deformación está determinada casi exclusivamente por el rozamiento interno de los agregados, aunque a veces existe una componente cohesional brindada por los finos plásticos del material

Ligados

Estabilizaciones - Modificación de un suelo o un agregado procesado, mediante la con aditivos incorporación y mezcla de productos que generan cambios físicos y/o químicos del suelo aumentando su capacidad portante, haciéndolo menos sensible a la acción del agua y, eventualmente, elevando su rigidez

Marginales

Naturales, subproductos industriales y materiales de desecho

- Materiales que no cumplen las especificaciones corrientes para uso vial, pero que pueden ser usados con éxito, principalmente como resultado de una experiencia local satisfactoria y un costo reducido

BASES Y SUBBASES

BASES Y SUBBASES GRANULARES

CARACTERIZACIÓN DE LOS AGREGADOS

Finalidad de la caracterización Los agregados para construcción de bases y subbases granulares y, en general, para cualquier capa de un pavimento deben ser caracterizados para:

– Establecer su idoneidad – Obtener información útil para el diseño estructural del pavimento


1. Caracterización para establecer su idoneidad de uso  La composición mineralógica de los agregados determina en buena medida sus características físicas y la manera de comportarse como materiales para una capa de pavimento  Por lo tanto, al seleccionar una fuente de materiales, el conocimiento del tipo de roca y, por lo tanto, de minerales que la componen brinda una excelente pista sobre la conveniencia de los agregados provenientes de ella


RESUMEN DE PROPIEDADES INGENIERILES DE LAS ROCAS (SEGÚN CORDON Y BESTE)


1. Caracterización para establecer su idoneidad de uso  El examen petrográfico de las rocas en el microscopio, mediante secciones delgadas, es un método excelente para determinar el tamaño del grano, su textura y su estado de descomposición  El examen, realizado por un experto, permite calcular las proporciones de las especies mineralógicas de la roca y, en muchos casos, permite también dilucidar e inclusive resolver el problema planteado


1. Caracterización para establecer su idoneidad de uso

Grano de cuarzo no reactivo con un brillo uniforme

Cuarzo reactivo exhibiendo bandas oscuras (A) y claras (B) en el mismo grano


1. Caracterización para establecer su idoneidad de uso  Las propiedades químicas de los agregados son importantes cuando se van a emplear en pavimentos  En pavimentos asfálticos, la química de los agregados puede determinar la adherencia entre ellos y el asfalto  En pavimentos rígidos, los agregados que contienen formas reactivas de sílice pueden presentar reacciones expansivas con los álcalis contenidos en la pasta del cemento


1. Caracterización para establecer su idoneidad de uso

Falla por deficiente adherencia entre los agregados y el asfalto

Reacción expansiva entre la sílice del agregado y los álcalis del cemento


1. Caracterización para establecer su idoneidad de uso  Se han desarrollado muchos ensayos para medir las características físicas de los materiales para construir pavimentos. Estos ensayos, en su mayoría arbitrarios en el sentido de que su utilidad reposa en la correlación de sus resultados con el comportamiento en el campo, han sido normalizados con el fin de obtener resultados reproducibles

 Las especificaciones de construcción fijan, de acuerdo con la experiencia local, los límites admisibles de los resultados de estos ensayos, según el uso previsto para el material


2. Caracterización para estructural del pavimento

efectos

de

diseño

 Se trata de ensayos para establecer la respuesta de los materiales al esfuerzo y a la deformación  Se emplean para cuantificar módulos y relaciones de Poisson y, para determinados componentes de la estructura del pavimento, medir su resistencia a la fatiga

FUENTES DE MATERIALES GRANULARES PARA BASES Y SUBBASES

CANTERA

DEPÓSITO ALUVIAL

PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES GRANULARES PARA BASES Y SUBBASES

Estabilidad y densidad La masa de los materiales granulares para capas de subbase y base deberá poseer una adecuada estabilidad por trabazón mecánica, de manera que soporte adecuadamente los esfuerzos impuestos por las cargas de la construcción y del tránsito automotor  La estabilidad de un material granular depende de la

distribución de los tamaños de las partículas (granulometría), de las formas de las partículas, de la densidad relativa, de la fricción interna y de la cohesión


Estabilidad y densidad (continuación) Un material granular diseñado para máxima estabilidad debe poseer alta fricción interna para resistir la deformación bajo carga  La fricción interna y la subsecuente resistencia al corte dependen, en gran medida, de la granulometría, de la forma de las partículas y de la densidad, De estos factores, la distribución de tamaños, en especial la proporción de finos respecto a los gruesos, es el más importante


Estabilidad y densidad (continuación) La máxima densidad se suele obtener cuando la distribución de tamaños se adapta a la fórmula de Fuller: p = 100(d/D)0.5

 Generalmente, la proporción de finos que permite alcanzar la máxima estabilidad es inferior a la requerida para lograr máxima estabilidad  La granulometría por escoger debe establecer un balance entre la facilidad constructiva y la mayor estabilidad posible

PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES GRANULARES PARA BASES Y SUBBASES ESTADOS FÍSICOS DE LAS MEZCLAS DE SUELO - AGREGADO

PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES GRANULARES PARA BASES Y SUBBASES VARIACIÓN DE LA DENSIDAD Y DEL CBR CON LA CANTIDAD DE FINOS DE UN MATERIAL GRANULAR


Angularidad del agregado grueso (INV E-227)  A igualdad de distribución de tamaños, un agregado con partículas fragmentadas mecánicamente presenta mayor estabilidad que uno con partículas redondeadas, debido a la mayor trabazón entre las partículas  Para iguales granulometrías, el material con partículas trituradas da lugar a un mayor coeficiente de permeabilidad, lo que hace que sea más fácil de drenar


Angularidad del agregado fino (AASHTO T 304 – INV E-239)  Porcentaje de vacíos con aire de las partículas menores

de 2.36 mm, levemente compactadas

V= volumen del molde W=peso de arena en el molde GA = peso específico arena


Partículas aplanadas y alargadas (INV E-240)  La presencia de partículas aplanadas y alargadas es indeseable, por cuanto ellas tienden a quebrarse durante la construcción y bajo tránsito, modificando la granulometría original del agregado DETERMINACIÓN DE PARTÍCULAS ALARGADAS Y PLANAS (ASTM D 4791)


Limpieza Índice plástico (AASHTO T 89 y T 90 – INV E-125 y E-126) Representa el rango de humedad en el cual una fracción fina se encuentra en estado plástico

Límite líquido (LL)

Límite plástico (LP)

Índice Plástico (IP) = LL - LP


Limpieza Equivalente de arena (AASHTO T 176 – INV E-133) El efecto de la plasticidad depende de la proporción de material fino presente en la mezcla  La determinación del índice plástico se suele complementar con la del equivalente de arena, el cual permite valorar la cantidad y actividad de la fracción coloidal de las partículas finas  El agregado se mezcla con una solución de cloruro de calcio-glicerina-formaldehído y se agita dentro de un cilindro graduado, forzando a las partículas más finas a quedar en suspensión


Limpieza Equivalente de arena (AASHTO T 176 – INV E-233) Luego de un término de reposo, se miden las alturas de arena (HA) y finos (HF) y la relación entre ellas, en porcentaje, es el equivalente de arena


Limpieza Valor de azul (EN-933-9 - INV E-235) Se usa como complemento del equivalente de arena, cuando el valor de éste no satisface el límite especificado Caracteriza la actividad de la fracción arcillosa del agregado fino y su sensibilidad al agua El valor de azul es la cantidad de azul de metileno que adsorben 1,000 gramos del material pasante del tamiz de 2 mm, colocados en una solución acuosa


Limpieza Valor de azul (EN-933-9 INV E-235)

negativo

positivo


Resistencia a la fragmentación  Las

partículas del agregado grueso deben ser resistentes a la abrasión y a la degradación mecánica, para prevenir la formación de finos que alteren la granulometría original durante la compactación y, posteriormente, bajo la acción del tránsito automotor La resistencia a la fragmentación se suele medir mediante cuatro (4) ensayos: —Desgaste Los Ángeles

—Trituración por impacto —Trituración por aplastamiento —10% de finos


Resistencia a la fragmentación Desgaste Los Ángeles (AASHTO T 96 – INV E-218 y 219) Una muestra del agregado grueso es sometida a atrición e impacto por unas esferas de acero mientras gira en un cilindro metálico a 31-33 rpm por 15 minutos, determinándose la fracción del material ensayado que pasa el tamiz de 1.70 mm (# 12)


Resistencia a la fragmentación Valor de trituración por impacto (VTI) (BS 812) Una muestra del agregado grueso se somete a 15 golpes con una masa de 13.6 kg que cae libremente desde una altura de 380 mm, determinándose luego el porcentaje de partículas que pasa el tamiz de 2.36 mm (# 8), respecto del peso inicial de la muestra


Resistencia a la fragmentación Valor de trituración por aplastamiento (VTA) (BS 812) Una muestra del agregado grueso (12.5 mm – 9.5 mm) se somete a una carga de 400 kN y se determina el porcentaje de partículas que pasa el tamiz de 2.36 mm, respecto del peso inicial de la muestra


Resistencia a la fragmentación 10 % de finos (BS 812 – INV E-224) Utiliza el mismo equipo que el ensayo VTA Una muestra del agregado grueso se somete a diferentes cargas, determinándose en cada caso el porcentaje de partículas que pasan el tamiz de 2.36 mm (# 8) respecto del peso inicial de la muestra La carga necesaria para producir 10% de partículas menores de 2.36 mm constituye el resultado de la prueba


Durabilidad  Las

partículas de los agregados deben ser resistentes a cambios mineralógicos y desintegración física a causa de los ciclos de humedecimiento y secado impuestos durante la construcción y el período de diseño del pavimento La durabilidad debe ser considerada en el momento de escoger los agregados pétreos. Materiales susceptibles de degradación por la acción de agentes climáticos durante la vida útil del pavimento, deben ser evitados


Durabilidad La durabilidad de los agregados para construcción de capas de pavimentos se acostumbra evaluar mediante dos ensayos: —Solidez bajo la acción de sulfatos de sodio o magnesio —Micro - Deval


Durabilidad Solidez bajo la acción de sulfatos (ASTM C 88 – INV E-220) Fracciones del agregado, de diversos tamaños, se someten a cinco ciclos de expansión y contracción, consistente cada uno de ellos en: —Inmersión durante un lapso de 16 a 18 horas en una solución de sulfato de sodio o de magnesio —Secado hasta peso constante a 110º C

Terminado el último ciclo se lavan las fracciones para eliminar el sulfato que contengan; se secan y se tamizan sobre los tamices en los cuales se retenían antes del ensayo, determinado las pérdidas en peso sufridas por cada fracción


Durabilidad Solidez bajo la acción de sulfatos (ASTM C 88 INV E-220)

Inmersión del agregado en la solución

Secado en el horno


Durabilidad Solidez bajo la acción de sulfatos (ASTM C 88 INV E-220)

Fracción de agregado antes del ensayo

Fracción de agregado luego de 5 ciclos


Durabilidad Ensayo Micro-Deval (AASHTO TP 58 – INV E-238) Una muestra de 1,500 gramos del agregado seco es sumergida en 2 litros de agua durante 1 hora dentro de un cilindro de 194 mm de diámetro Se introducen 5,000 gramos de esferas de acero de 9.5 mm de diámetro dentro del cilindro y se somete éste a rotación a 100 ± 5 rpm durante 2 horas Se seca la muestra y se determina la proporción de material que pasa el tamiz de 1.18 mm (# 16) respecto del peso seco inicial de la muestra, la cual constituye el resultado del ensayo


Durabilidad Ensayo Micro-Deval (AASHTO TP 58 – 9NV E-238)


Durabilidad Ensayo Micro-Deval (AASHTO TP 58 – INV E-238)

Muestra, esferas y agua dentro del cilindro

Máquina de ensayo


Permeabilidad Las características de permeabilidad de un material granular dependen de la granulometría, del tipo de agregado, del tipo de ligante y de la densidad

La permeabilidad disminuye a medida que se incrementa la fracción fina del material A medida que la granulometría se acerca a la ecuación de Fuller, el material tiende a la impermeabilidad

Coeficientes de permeabilidad inferiores a 10-3 cm/s dan lugar a materiales de pavimento que, desde el punto de vista práctico, se consideran impermeables

ESCORIA DE ALTO HORNO

Producto no metálico, compuesto principalmente por silicatos y alumino-silicatos de calcio y otras bases, que se obtiene en un alto horno, simultáneamente con la producción del hierro


PROPIEDADES QUÍMICAS


PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS TÍPICAS


Características  Muchos

Departamentos de Carreteras consideran la escoria de alto horno como un agregado pétreo convencional La escoria puede ser triturada y clasificada para producir un material que satisfaga los requisitos granulométricos de una subbase o base granular La escoria tiene propiedades cementantes, pero es frágil y de baja resistencia al impacto y a la abrasión, por lo cual no se suele exigir la ejecución de ensayos de este tipo para valorar su aptitud de uso como material de pavimento


ESPECIFICACIONES DEL INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS PARA LOS MATERIALES GRANULARES DE SUBBASE Y BASE PARA VÍAS DE TRÁNSITO PESADO

PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES GRANULARES PARA BASES Y SUBBASES ESPECIFICACIONES DEL INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS PARA LOS MATERIALES GRANULARES DE SUBBASE Y BASE PARA VÍAS DE TRÁNSITO PESADO

CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES DE BASE Y SUBBASE GRANULAR CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS

Módulo resiliente El módulo resiliente es un estimativo del módulo de elasticidad que se basa en determinaciones de esfuerzos y deformaciones bajo cargas rápidas, como las que reciben los materiales del pavimento a través de las ruedas de los vehículos  El módulo resiliente no es una medida de la resistencia del material, por cuanto éste no se lleva a rotura en el ensayo, sino que recupera su forma original


Módulo resiliente (determinación en el laboratorio)


Módulo resiliente  El módulo resiliente de los materiales

granulares es altamente dependiente del estado de esfuerzos al cual se encuentran sometidos  Diferente a lo que sucede en los suelos finos, los materiales granulares exhiben ―endurecimiento por esfuerzos‖, lo que hace que el módulo se incremente con los esfuerzos totales, debido a que se incrementa la trabazón entre las partículas individuales del agregado  El módulo resiliente de un material granular se ve afectado adversamente por la presencia de partículas finas


MÓDULO RESILIENTE Valores típicos de K1 y K2 para materiales granulares de base y subbase (MR psi)

Condición húmeda Seco Húmedo Saturado Seco Húmedo Saturado

K1 BASE 6000-10000 4000-6000 2000-4000 SUBBASE 6000-8000 4000-6000 1500-4000

K2 0,5-0,7 0,5-0,7 0,5-0,7 0,4-0,6 0,4-0,6 0,4-0,6


MÓDULO RESILIENTE Primer invariante de tensiones (q) para la base granular Espesor de concreto asfáltico (pg) <2 2-4 4-6 >6

MR de subrasante (psi) 3000

7500

q 20 10 5 5

15000

(psi) 25 15 10 5

30 20 15 5

Primer invariante de tensiones (q) para la subbase granular Espesor de concreto asfáltico (pg) <2 2-4 >4

q

(psi) 10.0 7.5 5.0

CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES DE BASE Y SUBBASE GRANULAR CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS MÓDULO RESILIENTE  El módulo resiliente de las capas granulares (MRg) depende del soporte

brindado por la subrasante (MRSR) MRg = K*MRSR

MRSR (psi) 3000 6000 12000 20000 30000

K 3,5-4,8 2,4-2,7 1,8-1,9 1,6-1,8 1,5-1,7

 SHELL recomienda la siguiente expresión para determinar el módulo

de una capa granular (MRi), a partir del espesor de dicha capa (hi) en mm y del módulo de la subyacente (MRi+1) MRi = 0.2*hi 0.45 * MR(i+1)

CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES DE BASE Y SUBBASE GRANULAR CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS RELACIONES ENTRE LOS MÓDULOS DE LAS CAPAS N Y N+1, PARA DIFERENTES ESPESORES DE SUBBASE Y BASE GRANULAR

módulo de la capa n+1 (psi*1000)

CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES DE BASE Y SUBBASE GRANULAR CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS CORRELACIÓN ENTRE EL CBR Y EL MÓDULO RESILIENTE  No todas las agencias están familiarizadas con las pruebas para

caracterizar el módulo resiliente. Por ello, es útil considerar correlaciones entre los diferentes indicadores de resistencia Estas correlaciones deben tener un manejo muy cuidadoso, pues son aproximadas y basadas en un número limitado de datos  Para el caso de materiales granulares de base y subbase, una de las correlaciones más conocidas es la desarrollada por Rada y Witczak Estado de esfuerzos (q 100 30 20 10

MR (psi) 740 CBR 440 CBR 340 CBR 250 CBR


VALORES TÍPICOS DE MÓDULOS DE ELASTICIDAD DE MATERIALES PARA PAVIMENTOS Material Rango (Kg/cm 2) Concreto hidráulico 200000-550000 Concreto asfáltico 15000-35000 Base tratada con asfalto 5000-30000 Base tratada con cemento 35000-70000 Concreto pobre 100000-300000 Base granular 1000-3500 Subbase granular 800-2000 Suelo granular 500-1500 Suelo fino 200-500 1 Kg/cm2 = 0,1 MPa = 14,3 psi

Típico (Kg/cm 2) 300000 30000 10000 50000 200000 2000 1200 1000 300


Relación de Poisson Es la relación entre las deformaciones transversales y longitudinales de un especimen sometido a carga  Los materiales más rígidos presentan menores relaciones de Poisson


ILUSTRACIÓN DE LA RELACIÓN DE POISSON


VALORES TÍPICOS DE LA RELACIÓN DE POISSON (m) Material Concreto hidráulico Concreto asfáltico Base tratada con asfalto Base tratada con cemento Suelo granular Suelo fino Concreto pobre Base y subbase granular Suelo de subrasante

Rango 0,10-0,20 0,15-0,45 0,15-0,45

Típico 0.15 0.35 0.35

0,10-0,20 0,15-0,35 0,10-0,20 0,30-0,40 0,30-0,50

0.15 0.25 0.15 0.35 0.40


Resistencia a la fatiga La falla por fatiga de una capa granular de un pavimento se produce por acumulación de deformaciones verticales irrecuperables El criterio que se adopta consiste en limitar, en función del número ―N‖ de aplicaciones de carga, la deformación vertical de compresión (εv) en superficie, mediante leyes de fatiga del tipo ε v = A*N-B Ejemplos de leyes de fatiga: εv = 2.16*10-2*N-0.25 εv = 1.11*10-2*N-0.23

(Universidad de Nottingham) (CRR - Bélgica)

BASES Y SUBBASES

BASES Y SUBBASES ESTABILIZADAS CON ADITIVOS

BASES ESTABILIZADAS CON ADITIVOS

DEFINICIONES

Aditivos  Productos comerciales manufacturados que, cuando se adicionan a un suelo o a una mezcla de suelo – agregado en cantidades apropiadas, alteran favorablemente desde el punto de vista del comportamiento ingenieril, algunas propiedades como la textura, la trabajabilidad, la plasticidad y la resistencia


DEFINICIONES Estabilización con aditivos Incorporación de uno o más aditivos a un suelo o un sueloagregado en la cantidad requerida para que una vez elaborada, extendida y compactada la mezcla, ésta presente las características apropiadas para servir como capa de base de un pavimento Modificación con aditivos Proceso similar a la estabilización, mediante el cual se busca mejorar alguna propiedad del suelo, pero el diseño de la mezcla no se traduce en aumentos significativos de resistencia y durabilidad. Debido a que se emplean menores cantidades de aditivos, su aplicación se restringe al mejoramiento de subbases y subrasantes


TIPOS DE SUELOS ESTABILIZABLES Y TIPOS DE ADITIVOS Prácticamente todos los suelos, con excepción de los orgánicos, son susceptibles de estabilizar con aditivos cementantes 

 Los principales materiales cementantes para uso vial son el cemento, el asfalto, la cal y las cenizas volantes  Otros productos con registro comercial pueden resultar aptos para la estabilización de suelos (aceite sulfonado, enzimas orgánicas, polímeros, etc.)


TIPOS DE SUELOS ESTABILIZABLES Y TIPOS DE ADITIVOS (CONT.)

Siempre existe más de un estabilizante aplicable a un suelo  Con los aditivos factibles para estabilizar un determinado suelo, se realizan ensayos de laboratorio para obtener mezclas que cumplan los requisitos ingenieriles mínimos para la construcción de capas de base o subbase  Con los resultados de los diseños y considerando las limitaciones climáticas, las restricciones de seguridad y ambientales y el diseño estructural de las alternativas, se realiza un análisis económico para llegar a la decisión final


GUÍA GENERAL PARA LA SELECCIÓN DEL ADITIVO

BASES ESTABILIZADAS CON ADITIVOS TRIÁNGULO DE GRADACIÓN PARA AYUDA EN LA SELECCIÓN DE UN AGENTE ESTABILIZANTE COMERCIAL (US AIR FORCE)

BASES ESTABILIZADAS CON ADITIVOS GUÍA PARA LA SELECCIÓN DEL ADITIVO (US AIR FORCE) Area

Suelo

1A

SW, SP

1B

SW-SM ó SP-SM ó SW-SC ó

1C

SP-SC SM, SC, SM SC

2A

GW, GP

2B

GW-GM ó GP-GM ó GW-GC ó GP - GC GM, GC GM - GC

2C

3

CH, CL, MH, ML CL - ML CH - MH OL - OH

Aditivo recomendado Restricciones en LL ó IP Restricciones del % Observaciones del suelo pasa tamiz 200 asfalto cemento cal-cemento-ceniza IP <= 25 Asfalto IP<=10 Cemento IP<=30 Cal IP>=12 La cal sola no suele conducir a estabilizaciones aptas para capas de base (1) cal-cemento-ceniza IP<=25 Asfalto IP<=10 <= 30% Cemento IP<=20+(50-PASA200)/4 Cal IP>=12 Ver (1) cal-cemento-ceniza IP<=25 Asfalto Solo material bien gradado (2) El material debe tener 45% o Cemento más pasa No. 4 (3) cal-cemento-ceniza IP<=25 Asfalto IP<=10 Ver (2) Cemento Ver (3) Cal IP>=12 Ver (1) cal-cemento-ceniza IP<=25 Asfalto IP<=10 <= 30% Ver (2) Cemento IP<=20+(50-PASA200)/4 Ver (3) Cal IP>=12 Ver (1) cal-cemento-ceniza IP<=25 Suelos orgánicos y muy ácidos no son estabilizables por Cemento LL<40, IP<20 medios convencionales Cal IP >=12 Ver (1)


ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON CAL

ESTABILIZACIÓN CON CAL

Tipos de cal El término cal se refiere al óxido y al hidróxido de calcio solos o con pequeñas proporciones óxido o hidróxido de magnesio, obtenidos por la calcinación de rocas calcáreas adecuadas sin y con posterior hidratación


Tipos de cal Debido al carácter cáustico de las cales en forma de óxido, se prefiere apagarlas añadiéndoles cantidades controladas de agua, que dan lugar a 3 tipos de cales hidratadas: —Altamente cálcica —Dolomítica monohidratada —Dolomítica dihidratada

Ca(OH)2 Ca(OH)2 + MgO Ca(OH)2 + Mg(OH)2


Tipos de cal Las cales altamente cálcicas producen menores resistencias que las que contienen cantidades apreciables de magnesio, pero presentan menores variaciones entre sí Las cales dolomíticas, si bien dan mayores resistencias, disminuyen menos la plasticidad de los suelos Las cales dolomíticas monohidratadas (donde el magnesio permanece cono MgO) producen mejores resultados al estabilizar que las dihidratadas

ESTABILIZACIÓN CON CAL PROPIEDADES DE CALES COMERCIALES VIVAS E HIDRATADAS


REACCIONES ENTRE LA CAL Y UN SUELO FINO Intercambio catiónico (reacción rápida) Floculación y aglomeración (reacción rápida) Reacción puzolánica (reacción lenta) Carbonatación


REACCIONES ENTRE LA CAL Y UN SUELO FINO Intercambio catiónico Las partículas de arcilla tienen una elevada cantidad de superficies con carga negativa que atraen cationes libres y dipolos de agua Como resultado, se forma una capa de agua altamente difusa alrededor de las partículas, separándolas y haciendo que la arcilla se vuelva débil e inestable La adición de cal al suelo en cantidad suficiente suministra un exceso de iones Ca++ que reemplaza los cationes metálicos más débiles reduciendo el tamaño de la capa de agua difusa y permitiendo que las partículas de arcilla se aproximen unas a otras o floculen


REACCIONES ENTRE LA CAL Y UN SUELO FINO


REACCIONES ENTRE LA CAL Y UN SUELO FINO Floculación y aglomeración Se produce un cambio aparente de la textura del suelo, por cuanto las partículas de arcilla se aglomeran formando otras de mayor tamaño

Como resultado de ello, se producen mejoras in meditadas en: —Plasticidad, debido a la reducción de la capa de agua adsorbida —Trabajabilidad, debido al cambio de textura de una arcilla plástica a un material friables del tipo limoso o arenoso —Aumento de fricción interna entre las partículas aglomeradas y mayor resistencia al corte




REACCIONES ENTRE LA CAL Y UN SUELO FINO Reacción puzolánica Si el suelo se compacta, se produce una reacción a largo plazo entre la cal, el agua y los minerales sílico aluminosos del suelo fino, formándose complejos compuestos de silicatos y aluminatos de calcio hidratados que son agentes cementantes que incrementan la resistencia de la mezcla y su durabilidad Esta reacción es de carácter lento y varía con el suelo por tratar y con la temperatura

Se considera que un suelo es reactivo con la cal, si se logran aumentos de resistencia de cuando menos 50 psi a los 28 días, a una temperatura de 23º C




REACCIONES ENTRE LA CAL Y UN SUELO FINO Carbonatación Consiste en la reacción de la cal con el dióxido de carbono del aire para formar carbonatos de calcio relativamente insolubles, en lugar de productos cementantes (silicatos y aluminatos de calcio hidratados)

CaO + CO2  CaCO3


REACCIONES ENTRE LA CAL Y UN SUELO FINO Carbonatación La carbonatación es una reacción indeseable y debe ser evitada, por cuanto el carbonato no reacciona con el suelo para incrementar resistencias o para disminuir plasticidades Por lo tanto, se debe impedir que el proceso de mezcla sea muy largo y que la mezcla elaborada quede expuesta al aire durante largo tiempo antes de ser compactada

ESTABILIZACIÓN CON CAL PROPIEDADES TÍPICAS DE LOS SUELOS ESTABILIZADOS CON CAL Los efectos del tratamiento de un suelo con cal pueden ser clasificados como inmediatos y a largo plazo —La modificación inmediata se logra sin necesidad del curado de la mezcla, es de gran interés durante la etapa constructiva y se atribuye a las reacciones inmediatas —La estabilización a largo plazo ocurre durante y después del curado y es importante desde el punto de vista de la resistencia y la durabilidad de la mezcla compactada

ESTABILIZACIÓN CON CAL EFECTOS INMEDIATOS DEL TRATAMIENTO DE SUELOS FINOS CON CAL El tratamiento con cal tiene efecto inmediato sobre algunas propiedades del suelo fino: —Disminuye la plasticidad —Aumenta el límite de contracción —Disminuye la proporción de partículas del tamaño de arcilla —Mejora la trabajabilidad —Disminuye la densidad máxima para una determinada energía de compactación —Reduce el potencial expansivo del suelo —Mejora de manera inmediata las propiedades de esfuerzo deformación

ESTABILIZACIÓN CON CAL SUELO FINO ANTES Y DESPUÉS DEL TRATAMIENTO CON CAL


Tendencia de la influencia de la cal sobre las propiedades plásticas de los suelos finos


Influencia de la cal sobre el potencial expansivo de los suelos finos (caso típico)

ESTABILIZACIÓN CON CAL EFECTOS A LARGO PLAZO DEL TRATAMIENTO DE SUELOS FINOS CON CAL

El tratamiento con cal tiene efectos a largo plazo sobre las siguientes propiedades de un suelo fino: —Resistencia

—Módulo resiliente —Resistencia a la fatiga —Durabilidad

ESTABILIZACIÓN CON CAL EFECTOS A LARGO PLAZO DEL TRATAMIENTO DE SUELOS FINOS CON CAL

Resistencia El efecto más obvio de la cal sobre un suelo fino o sobre la fracción fina de un agregado es la ganancia de resistencia con el tiempo. La situación se favorece al aumentar la temperatura Las propiedades de una mezcla reactiva de suelo- cal van variando con el curado, debido al desarrollo de productos cementantes adicionales  No es justificable el uso de ensayos muy elaborados para evaluar con exactitud propiedades que varían continuamente

ESTABILIZACIÓN CON CAL EFECTOS A LARGO PLAZO DEL TRATAMIENTO DE SUELOS FINOS CON CAL Resistencia El ensayo de compresión inconfinada (norma ASTM D5102) es el más empleado para determinar la resistencia de las mezclas suelo – cal La resistencia a compresión (RCI) puede ser empleada para establecer, de manera aproximada, parámetros tales como las resistencias a tensión y a flexión o el módulo resiliente  La resistencia a tensión se puede estimar de manera conservativa como el 10% de RCI y la resistencia a flexión, como el doble de la resistencia a tensión o 20 % de la RCI

ESTABILIZACIÓN CON CAL Variación típica de la resistencia de mezclas de suelo – cal en función del período de curado y del contenido de cal

ESTABILIZACIÓN CON CAL EFECTOS A LARGO PLAZO DEL TRATAMIENTO DE SUELOS FINOS CON CAL Módulo resiliente A la par con los incrementos de resistencia provocados por la reacción puzolánica, se producen cambios en la relación esfuerzo - deformación del material, los cuales se traducen en aumentos del módulo resiliente Los suelos estabilizados con cal fallan a mayores esfuerzos desviadores que los no estabilizados y a menores niveles de deformación

Existen relaciones directas entre la resistencia de las mezclas de suelo - cal y los módulos resilientes por flexión

ESTABILIZACIÓN CON CAL Relaciones esfuerzo de compresión - deformación en mezclas compactadas de suelo cal ensayadas a diferente edad

ESTABILIZACIÓN CON CAL Relación entre resistencia a compresión y módulo resiliente para suelos estabilizados con cal (Liddle, 1995)

ESTABILIZACIÓN CON CAL EFECTOS A LARGO PLAZO DEL TRATAMIENTO DE SUELOS FINOS CON CAL Resistencia a la fatiga Los efectos de ganancia de resistencia a fatiga por flexión producidos por la reacción puzolánica suelen ser sustanciales en los suelos reactivos La relación de esfuerzos (esfuerzo aplicado/resistencia a flexión) se correlaciona con el número de aplicaciones de carga hasta la fatiga, por medios experimentales


Curva típica de fatiga de una mezcla de suelo cal (Thompson y Figueroa – 1989)

ESTABILIZACIÓN CON CAL EFECTOS A LARGO PLAZO DEL TRATAMIENTO DE SUELOS FINOS CON CAL Durabilidad La humedad afecta adversamente los niveles de resistencia y rigidez producidos en el suelo por la adición de cal El efecto que produce la saturación de la mezcla depende del nivel de resistencia o reacción puzolánica alcanzada antes de que aquella se produzca  Si la saturación se produce cuando ya ha ocurrido un nivel significativo de la reacción puzolánica, la pérdida de resistencia por humedad no suele exceder de 10 %, pero si ocurre antes, la pérdida puede llegar hasta 40% o más


DISEÑO DE LA MEZCLA SUELO CAL Los criterios de diseño varían, dependiendo de los objetivos de la estabilización y de las condiciones deseadas de servicio Si sólo se pretende una modificación del suelo, basta con determinar la cantidad de cal necesaria para producir la modificación deseada (disminución de plasticidad, reducción del potencial expansivo, etc.) Si se pretende que la mezcla sea utilizada en aplicaciones estructurales en el pavimento, se deben satisfacer unos requisitos mínimos de resistencia de probetas de mezcla elaboradas y curadas en condiciones establecidas


DISEÑO DE LA MEZCLA SUELO CAL Aunque la mayoría de las Agencias han adoptado la resistencia a compresión inconfinada (RCI) como parámetro para diseño de las mezclas de suelo – cal, no existe un procedimiento universal para la elaboración, curado y ensayo de las probetas


DISEÑO DE LA MEZCLA SUELO CAL  El procedimiento general de diseño comprende los siguientes pasos: 1. Determinar la humedad óptima del suelo en el ensayo Proctor normal (AASHTO T 99 – INV E-141)


DISEÑO DE LA MEZCLA SUELO CAL 2. Estimar el porcentaje probable de cal para estabilizar el suelo, mediante el método de Eades y Grim (norma ASTM D 6276)


DISEÑO DE LA MEZCLA SUELO CAL 3. Elaborar mezclas con diferentes porcentajes de cal (por encima y por debajo del establecido en el paso anterior) y compactarlas con la humedad óptima, con la energía del ensayo AASHTO T 99 (INV E-141)


DISEÑO DE LA MEZCLA SUELO CAL 4. Curar las probetas compactadas bajo las condiciones que tenga establecida la Agencia


DISEÑO DE LA MEZCLA SUELO CAL 5. Romper las probetas por compresión simple a la velocidad especificada por la Agencia y elegir como porcentaje adecuado para la construcción de una subbase o base, el que asegure la resistencia mínima establecida por la Agencia


CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES ESTABILIZADOS CON CAL, CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS

Propiedades de esfuerzo deformación Son esenciales para analizar adecuadamente el comportamiento estructural de una capa de suelo cal en un pavimento Módulo elástico en compresión E (ksi) = 9.98 + 0.124*f’c (psi)

ESTABILIZACIÓN CON CAL CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES ESTABILIZADOS CON CAL, CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS

Propiedades de esfuerzo deformación Resistencia a tensión Es importante en el diseño de pavimento. Se usan 2 procedimientos para evaluar esta resistencia en las mezclas suelo – cal —Tracción indirecta Rti = 0.10*f’c

—Resistencia a flexión (módulo de rotura) MR = 0.20*f’c

ESTABILIZACIÓN CON CAL CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES ESTABILIZADOS CON CAL, CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS

Resistencia a fatiga Las curvas de respuesta de fatiga por flexión de mezclas curadas de suelo cal son análogas a las obtenidas con otros productos cementantes


CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES ESTABILIZADOS CON CAL, CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS

Resistencia a fatiga Se debe tener en cuenta que las mezclas suelo – cal ganan resistencia de manera continua con la edad (reacción puzolánica) y como la resistencia última de la mezcla es función del período de curado, la relación de esfuerzos para un determinado esfuerzo aplicado va disminuyendo, lo que se traduce en un incremento de la resistencia a la fatiga


ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON CAL Y CENIZA VOLANTE

BASES ESTABILIZADAS CON CAL – CENIZA VOLANTE

La cal sola reacciona con suelos cuyo índice plástico sea cuando menos de 10. Si el suelo no es suficientemente reactivo, la cal sólo es efectiva si se combina con una fuente adicional de sílice y alúmina (puzolana), en presencia de agua La puzolana más utilizada es la ceniza volante (fly - ash), que es el residuo finamente dividido que resulta de la combustión del carbón mineral en las plantas termoeléctricas


BASES ESTABILIZADAS CON CAL – CENIZA VOLANTE SUELOS ADECUADOS PARA LA ESTABILIZACIÓN CON CAL Y CENIZA

Las estabilizaciones con cal y ceniza han demostrado ser eficientes y económicas en el mejoramiento de suelos que no presenten propiedades puzólanicas (materiales granulares)

Dado que dichos suelos tienen una estructura mineral importante, las resistencias de las mezclas suelo granular - cal ceniza son mucho mayores que las de las mezclas de suelo fino con cal, lo que permite una aplicación estructural más importante en la construcción vial (bases en vías de tránsito liviano, subbases, subrasantes mejoradas, rellenos livianos)

BASES ESTABILIZADAS CON CAL – CENIZA VOLANTE GRADACIONES TÍPICAS DE AGREGADOS PARA LA ESTABILIZACIÓN CON CAL Y CENIZA


OTROS REQUISITOS TÍPICOS PARA LOS AGREGADOS EN ESTABILIZACIONES CON CAL Y CENIZA

BASES ESTABILIZADAS CON CAL – CENIZA VOLANTE EFECTOS DEL TRATAMIENTO DE UN AGREGADO PÉTREO CON CAL Y CENIZA

Efecto de la temperatura y tiempo de curado sobre la resistencia a compresión


Resistencia a compresión y flexión Mezclas adecuadamente diseñadas pueden presentar resistencias entre 500 y 1,000 psi luego de 7 días de curado a 38º C y valores superiores a 1,500 luego de un año de servicio La relación entre las resistencias flexión y compresión sigue las leyes típicas de las mezclas con estabilizantes hidráulicos. En general se encuentran entre 0.15 y 0.25, considerándose 0.20 como un promedio aceptable


Relación entre las resistencia a compresión y flexión en la estabilización de un agregado con cal y ceniza


Efecto de la cal y la cal + ceniza sobre la resistencia a compresión inconfinada de un suelo cohesivo


Cicatrización autógena Un beneficio característico de las mezclas suelo – cal – ceniza es su capacidad de re-cementarse a través de las grietas, por un mecanismo auto regenerativo Debido a ello, estas mezclas son menos susceptibles al deterioro bajo carga repetida y más resistentes a los efectos ambientales, que las mezclas que no poseen esta propiedad

BASES ESTABILIZADAS CON CAL – CENIZA VOLANTE Efecto de la fractura y el remoldeo sobre la resistencia de mezclas de agregado - cal - ceniza

BASES ESTABILIZADAS CON CAL – CENIZA VOLANTE DISEÑO DE MEZCLAS SUELO - CAL - CENIZA

 La FHWA recomienda el siguiente procedimiento de laboratorio para determinar las proporciones de la mezcla:

1. Mezclar los agregados con 5 proporciones diferentes de ceniza, entre 10 % y 20 % , añadir una cantidad estimada de humedad óptima y determinar la densidad de las cinco muestras luego de compactarlas con la energía del ensayo AASHTO T 180 (INV E-142) 2. Dibujar una curva contenido de ceniza vs densidad e identificar el valor pico de densidad


3. Elegir un contenido de matriz cuando menos 2% por encima del que dio lugar a la máxima densidad y realizar un ensayo de compactación AASHTO T180 (INV E-142) para esa mezcla, determinando la humedad óptima y la densidad máxima 4. Realizar 5 combinaciones suelo - ceniza - cal que den lugar al contenido de matriz elegido en el punto anterior. Las cantidades de cal se deben elegir de manera que la relación cal : ceniza esté entre 1:3 y 1:4 (se han encontrado mezclas satisfactorias con relaciones entre 1:2 y 1:7)

BASES ESTABILIZADAS CON CAL – CENIZA VOLANTE DISEÑO DE MEZCLAS SUELO - CAL – CENIZA

5. Para cada una de las combinaciones, compactar 6 probetas con la energía antes citada y la humedad óptima y curarlas en ambiente húmedo a 38 ºC durante 7 días. Tres de las probetas se destinarán al ensayo de compresión inconfinada y 3 al de durabilidad 6. Romper las probetas destinadas al ensayo de compresión y dibujar una curva que relacione la resistencia con el porcentaje de cal añadido. Se consideran aceptables para la construcción de capas de base, valores de resistencia de cuando menos 2,760 kPa (400 psi)


7. En relación con el ensayo de durabilidad, se realizan 12 ciclos de congelamiento y deshielo (ASTM D560), considerándose apropiado un contenido de cal que genere pérdidas no mayores de 10 %. Para zonas no expuestas a un ambiente muy severo, la FHWA recomienda aplicar la práctica local

8. Se elige la mezcla más económica que cumpla los dos requisitos y, para compensar pérdidas, se recomienda incorporar 0.5% adicional de cal en la obra


DISEÑO DE MEZCLAS SUELO - CAL - CENIZA

BASES ESTABILIZADAS CON CAL – CENIZA VOLANTE CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES ESTABILIZADOS CON CAL Y CENIZA, CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS

Módulo elástico El módulo elástico de las mezclas agregado – cal – ceniza depende de factores tales como la dureza y la gradación del agregado, el grado de compactación y las características del curado de la mezcla. Los valores típicos para diseño se encuentran entre 0.5*106 y 2.5*106 psi (3,400 – 17,200 MPa)


Relación de Poisson Su valor es el orden de 0.08 para niveles de esfuerzo inferiores al 60 % del esfuerzo último, aumentando hasta 0.3 para la carga de falla Para la mayoría de los cálculos de diseño y evaluación se pueden tomar valores de 0.10 a 0.15, sin que se cometan errores apreciables


Fatiga Como en todos los materiales de pavimentos, las mezclas agregado – cal – ceniza fallan bajo carga repetida con niveles de esfuerzo inferiores al requerido para fallar con una sola aplicación Sin embargo, debido a la cicatrización autógena, estas mezclas resultan menos susceptibles a la fatiga que otros materiales A menos que la fatiga ocurra durante los primeros días de carga, la fatiga no suele ser un factor determinante en el comportamiento de la mezcla

BASES ESTABILIZADAS CON CAL – CENIZA VOLANTE Relación entre los niveles de esfuerzo y el número ciclos hasta la fractura para una mezcla típica de agregado – cal - ceniza


ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON CEMENTO

BASES ESTABILIZADAS CON CEMENTO

DEFINICIONES Suelo modificado con cemento Suelo o agregado tratado con una cantidad relativamente baja de cemento, para corregirle alguna propiedad indeseable como la plasticidad o la susceptibilidad a cambios volumétricos. Se usan contenidos de cemento significativamente menores que en las mezclas de suelo cemento Suelo cemento Material endurecido obtenido por el curado de una mezcla íntima de suelo pulverizado, cemento Portland y agua. Su contenido de cemento es suficiente para superar las pruebas de durabilidad


DISEÑO DE LAS MEZCLAS Las estabilizaciones con ligantes hidráulicos (cemento, cal y mezclas de ellos con cenizas volantes) se diseñan con criterios de resistencia a la compresión y de durabilidad 

ENSAYOS USADOS EN COLOMBIA PARA EL DISEÑO DE MEZCLAS DE SUELO CEMENTO

DISEÑO DE MEZCLAS DE SUELO CEMENTO

CONTENIDOS PROBABLES DE CEMENTO PARA CAPAS DE BASE ESTABILIZADAS


ENSAYO DE DENSIDAD PROCTOR NORMAL PARA DETERMINAR LA HUMEDAD ÓPTIMA

DISEÑO DE MEZCLAS DE SUELO CEMENTO PREPARACIÓN DE PROBETAS CON DIFERENTES PORCENTAJES DE CEMENTO PARA ENSAYOS DE COMPRESIÓN Y DURABILIDAD

Compactación de probetas con la humedad óptima

Curado de las probetas en cámara húmeda


ENSAYO DE COMPRESIÓN SIMPLE A LOS SIETE DÍAS DE CURADO

Inmersión en agua 5 horas

Rotura por compresión

DISEÑO DE MEZCLAS DE SUELO CEMENTO DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE CEMENTO PARA OBTENER LA RESISTENCIA ESPECIFICADA


ENSAYO DE HUMEDECIMIENTO Y SECADO Se realizan doce ciclos de durabilidad, consistente cada uno de ellos en: 1. Inmersión en agua 5 horas

2. Secado en horno a 72º C por 42 horas

3. Reposo 1 hora y cepillado general


ENSAYO DE HUMEDECIMIENTO Y SECADO Se secan las probetas, se pesan y se calculan las pérdidas de peso de cada una


DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE CEMENTO PARA LAS MÁXIMAS PÉRDIDAS DE PESO ESPECIFICADAS

DISEÑO DE MEZCLAS DE SUELO CEMENTO CRITERIOS DE DISEÑO DE MEZCLAS PARA BASES ESTABILIZADAS CON LIGANTES HIDRÁULICOS RESISTENCIA MÍNIMA A 7 DÍAS PARA ESTABILIZACIÓN CON CEMENTO Y A 28 DÍAS PARA ESTABILIZACIONES CON CAL, CALCENIZA Y CEMENTO - CAL - CENIZA

Capa Base Subbase

INVIAS 450 psi -

US AIR FORCE 750 psi 250 psi

REQUERIMIENTOS DE DURABILIDAD (PÉRDIDAS MÁXIMAS ADMISIBLES LUEGO DE 12 CICLOS DE HUMEDECIMIENTO Y SECADO)

Tipo de suelo Granular IP<=10 Granular IP>10 Limos Arcillas

INVIAS 14% 10% 10% 7%

US AIR FORCE 11% 8% 8% 6%

EVOLUCION DE LA RESISTENCIA A COMPRESIÓN DE LAS MEZCLAS DE SUELO CEMENTO CON EL TIEMPO


EVOLUCION DE LA RESISTENCIA A COMPRESIÓN DE LAS MEZCLAS DE SUELO CEMENTO CON EL TIEMPO

t f (t )  f (28) a  b *t ' c

' c

t = tiempo en días a, b = coeficientes experimentales


CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES ESTABILIZADOS CON CEMENTO, CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS 1. Módulo elástico de las mezclas de suelo cemento  En

general, el comportamiento esfuerzo - deformación de los suelos estabilizados con cemento es no lineal y dependiente del esfuerzo  Sin embargo, para muchos suelos y niveles de estabilización, y dentro de rangos limitados, se puede asumir que el material es linealmente elástico bajo carga repetida


CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES ESTABILIZADOS CON CEMENTO, CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS

1. Módulo elástico de las mezclas de suelo cemento El módulo suele variar entre 35,000 kg/cm2 y 70,000 kg/cm2, dependiendo del tipo de suelo, del nivel del tratamiento, del tiempo de curado, del contenido de agua y de las condiciones de ensayo. Los suelos finos estabilizados presentan valores más próximos al límite inferior del rango, en tanto que los granulares estabilizados exhiben los valores más altos



1. Módulo elástico de las mezclas de suelo cemento  Fórmula

de Lim & Zollinger (válida para resistencias a compresión entre 200 y 2,000 libras/pg2)

E (t )  4.38 * w

1.5

*

' 0.75 f c (t )

E(t) = módulo de elasticidad en psi, en el tiempo t w = densidad de la mezcla compactada en libras/pie3 f’c(t) = resistencia a compresión en psi, en el tiempo t


CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES ESTABILIZADOS CON CEMENTO, CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS 1. Módulo elástico de las mezclas de suelo cemento  Fórmula de Illinois DOT

E (ksi) = 500 + f’c f’c = resistencia a compresión (libras/pg2)



2. Comportamiento a la fatiga Las curvas de fatiga de las mezclas de suelo cemento se describen generalmente mediante ecuaciones de relación de esfuerzos (relación entre el esfuerzo aplicado y la resistencia última a la flexión de la mezcla)

RE = a + b*log N RE = relación de esfuerzos N = número de ciclos de carga hasta la fatiga a,b = coeficientes experimentales

BASES ESTABILIZADAS CON CEMENTO CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES ESTABILIZADOS CON CEMENTO, CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS

2. Comportamiento a la fatiga (cont.)

BASES ESTABILIZADAS CON CEMENTO CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES ESTABILIZADOS CON CEMENTO, CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS

2. Comportamiento a la fatiga (cont.)


BASES ESTABILIZADAS CON ASFALTO


Productos asfálticos adecuados para la estabilización La estabilización de suelos es un proceso que se realiza a temperatura ambiente, lo que exige el uso de un asfalto que, bajo tal condición, presente una consistencia apropiada para la mezcla con el suelo

Esta característica se logra con 2 productos asfálticos: —Emulsión asfáltica —Asfalto espumado


EMULSIÓN ASFÁLTICA  Dispersión

homogénea de pequeños glóbulos de cemento asfáltico cubiertos por un emulsificante, dentro de una fase continua acuosa El emulsificante es un producto que disminuye la tensión entre el asfalto y el agua, permitiendo que el asfalto se mantenga disperso en el agua en forma de pequeños glóbulos Las moléculas del emulsificante tienen un extremo de naturaleza orgánica que es afín con el asfalto y otro cargado eléctricamente que manifiesta afinidad por el agua. Si esta carga es negativa, la emulsión es aniónica, mientras que si es positiva, la emulsión se denomina catiónica


EMULSIÓN ASFÁLTICA Las emulsiones catiónicas exhiben un comportamiento satisfactorio frente a la mayoría de los agregados pétreos, motivo por el cual son las más utilizadas El tipo y cantidad del agente emulsificante determinan en gran medida la velocidad con la cual se produce la rotura de la emulsión (separación de las dos fases) Existen emulsiones de rotura rápida (RR), de rotura media (RM) y de rotura lenta (RL) Las emulsiones apropiadas para la estabilización de suelos son las de rotura lenta


ASFALTO ESPUMADO El asfalto espumado se forma por la inyección de una pequeña cantidad de agua fría ( del orden de 2% del peso del asfalto) y aire comprimido a una masa de cemento asfáltico caliente Al entrar el agua en contacto con el asfalto caliente se convierte en vapor, el cual queda atrapado dentro de diminutas burbujas de asfalto, formándose una espuma de gran volumen Después de algunos segundos, la espuma se enfría y el vapor en las burbujas se condensa causando el colapso y la desintegración de la espuma. Entonces, el cemento asfáltico recupera tanto su volumen inicial como sus propiedades reológicas originales


CARACTERIZACIÓN DEL ASFALTO ESPUMADO

El asfalto espumado se caracteriza mediante 2 parámetros empíricos: —Relación de expansión: Relación entre el volumen máximo del asfalto en su estado espumado y el volumen del asfalto una vez que la espuma ha colapsado completamente —Vida media: Es el tiempo requerido (en segundos) para que la espuma baje hasta la mitad del volumen máximo alcanzado


CARACTERIZACIÓN DEL ASFALTO ESPUMADO

Una Relación de Expansión alta permite esperar una menor viscosidad del cemento asfáltico y, por lo tanto, una mejor dispersión en el suelo o material pétreo con el cual se mezcla Una Vida Media prolongada, implica un mayor tiempo disponible para la realización de la mezcla con el suelo o agregado, mientras el cemento asfáltico aun permanece en forma de espuma. Se considera que el mejor espumado es aquel que optimiza tanto la Relación de Expansión como la Vida Media

BASES ESTABILIZADAS CON ASFALTO Optimización de la Relación de Expansión y de la Vida Media de un asfalto espumado


CARACTERIZACIÓN DEL ASFALTO ESPUMADO La Relación de Expansión y la Vida Media se encuentran muy influenciadas tanto por la cantidad de agua inyectada, como por la temperatura del asfalto durante el proceso de espumado  A mayores temperaturas de espumado y mayor cantidad de agua se incrementa la Relación de Expansión pero se reduce la Vida Media Las Especificaciones del INVÍAS exigen: —Relación de Expansión ≥ 10 —Vida Media ≥ 10 segundos

BASES ESTABILIZADAS CON ASFALTO Influencia de la temperatura y del contenido de agua sobre la Relación de Expansión y sobre la Vida Media de un asfalto espumado

BASES ESTABILIZADAS CON ASFALTO MECANISMOS DE LA ESTABILIZACIÓN CON ASFALTO

Suelos de grano fino El mecanismo básico envuelto en la estabilización de estos suelos con asfalto es el de impermeabilización Como el suelo posee cohesión, la función del asfalto es formar una membrana que impide la penetración del agua, previniendo cambios de volumen del suelo y reducciones en su resistencia y su módulo de elasticidad

BASES ESTABILIZADAS CON ASFALTO MECANISMOS DE LA ESTABILIZACIÓN CON ASFALTO

Materiales granulares En la estabilización de materiales granulares donde ya existe aporte friccional, el asfalto involucra dos mecanismos: —Impermeabilización: Crea una membrana que previene o dificulta la entrada del agua, reduciendo la tendencia del material a perder resistencia y módulo en presencia de agua —Adhesión: Brinda al agregado la cohesión de la cual carece, aumentando la resistencia al corte y a la flexión, así como el módulo elástico


FACTORES QUE AFECTAN EL RESULTADO DE UNA ESTABILIZACIÓN CON ASFALTO

Algunos de estos factores coinciden con aquellos que afectan otros tipos de estabilizaciones: (1) tipo de estabilizante, (2) tipo y gradación del suelo, (3) densidad de la mezcla compactada y (4) curado y/o condiciones de envejecimiento de la mezcla Otros factores, por el contrario, son típicos de este tipo de estabilizaciones, debido al carácter termo-viscoelástico del asfalto: —Temperatura de ejecución de los ensayos —Velocidad de aplicación de las cargas en los ensayos


BASES ESTABILIZADAS CON EMULSIÓN ASFÁLTICA

BASES ESTABILIZADAS CON EMULSIÓN ASFÁLTICA SUELOS ADECUADOS PARA ESTABILIZAR CON EMULSIÓN ASFÁLTICA

Suelos de grano fino La posibilidad de estabilizar suelos de grano fino con asfalto depende de su plasticidad y de la cantidad de material que pasa el tamiz # 200 Un exceso de partículas finas se traduce en una superficie específica muy grande, que exigiría una proporción considerable de asfalto para cubrir la superficie de todas las partículas


Suelos de grano fino


Materiales granulares

BASES ESTABILIZADAS CON EMULSIÓN ASFÁLTICA REQUISITOS DE LAS EMULSIONES ASFÁLTICAS PARA ESTABILIZACIÓN DE SUELOS


DISEÑO DE LAS MEZCLAS Los métodos de diseño de mezclas con emulsiones asfálticas utilizan la durabilidad como criterio de comportamiento de la mezcla después de compactada y curada La mayoría de los métodos incluyen la determinación de la pérdida de capacidad resistente de la mezcla después de un período de inmersión en agua, comparando la resistencia luego de inmersión con la resistencia inicial Existen muchos métodos para el diseño de mezclas con emulsiones asfálticas


DISEÑO DE LAS MEZCLAS


Esquema del ensayo de extrusión sobre probetas de suelo – emulsión (norma INV E-812)

BASES ESTABILIZADAS CON EMULSIÓN ASFÁLTICA DISEÑO DE LA MEZCLA POR EL MÉTODO DE INMERSIÓN – COMPRESIÓN

1. Determinación de la humedad óptima de compactación

BASES ESTABILIZADAS CON EMULSIÓN ASFÁLTICA DISEÑO DE LA MEZCLA POR EL MÉTODO DE INMERSIÓN - COMPRESIÓN 2. Determinación del contenido óptimo teórico de ligante — Fórmula Duriez

LK

5



% L  % de asfalto residual K  módulo de riqueza (2.5  3.5)   Superficie específica   (0.17G  0.33 g  2.30 S  12s  135 f ) / 100 G  % partículas mayores de 10 mm g  % partículas entre 5 mm y 10 mm S  % partículas entre 0.315 mm y 5 mm s  % partículas entre 0.08 mm y 0.315 mm f  % partículas menores de 0.08 mm


3. Elaboración de mezclas  Se elaboran mezclas con diferentes cantidades de emulsión, correspondientes a porcentajes de ligante por encima y debajo del óptimo teórico, manteniendo el contenido óptimo de fluidos de compactación 4. Compactación de probetas  Se compactan probetas de 10 cm por 10 cm de altura mediante compresión creciente hasta alcanzar 210 kg/cm2, manteniendo esta presión durante 2 minutos (compactar seis probetas para cada contenido de ligante)

BASES ESTABILIZADAS CON EMULSIÓN ASFÁLTICA DISEÑO DE LA MEZCLA POR EL MÉTODO DE INMERSIÓN – COMPRESIÓN 5. Curado de las probetas  Desmoldado de las probetas y curado al aire durante 7 días a 25º C  Separar cada juego de 6 probetas en 2 grupos para el resto del curado: — Uno de los grupos se mantiene otros 7 días al aire a 25º C — El otro grupo se sumerge en agua a 25º C por 7 días


6. Ensayo de compresión  Al término del período de curado, se determina la densidad de las probetas y se rompen por compresión simple, promediando las resistencias para cada porcentaje de ligante (por aparte las curadas en seco y las curadas en húmedo) 7. Determinación del contenido óptimo de emulsión  Se dibujan gráficas de resistencia seca, resistencia húmeda y resistencia conservada y elegir el porcentaje óptimo de emulsión, de acuerdo con el criterio de diseño

BASES ESTABILIZADAS CON EMULSIÓN ASFÁLTICA Representación gráfica de los resultados de un ensayo de inmersión - compresión

BASES ESTABILIZADAS CON EMULSIÓN ASFÁLTICA CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES ESTABILIZADOS CON EMUSIÓN ASFÁLTICA, CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS

Módulo dinámico  Se trata de materiales muy variables y difíciles de modelar, debido a

que su rigidez varía con el período de curado, la temperatura y el tiempo de aplicación de la carga  Fórmula de Finn para determinar el módulo dinámico de mezclas tratadas con emulsión asfáltica, a 25° C

ln( MR  10 3 )  0.40 m  2.46( SF )  0.015( P)  1.13 m = densidad de la mezcla, lb/pie3

SF = proporción de arena, en peso (retenido entre tamices # 4 y # 200) P = penetración del asfalto base, 0.1 mm


Módulo dinámico  CHEVRON desarrolló 3 tipos de mezclas con emulsión asfáltica:

—Tipo I: elaborada en planta con agregados procesados y con propiedades similares a las de un concreto asfáltico

— Tipo II: elaborada con agregados clasificados —Tipo III: elaborada con arenas o limos arenosos Se determinaron los valores de sus módulos en el rango de 23º C a 38º C (73 a 100º F), luego de curado total y se compararon con los de mezclas de base de concreto asfáltico elaboradas con cementos asfálticos AC – 40 y AC – 5, encontrándose alta coincidencia

BASES ESTABILIZADAS CON EMULSIÓN ASFÁLTICA Variación del stiffness con la temperatura, para 3 tipos de mezclas con asfalto emulsificado en condición curada


Módulo dinámico  En

las mezclas con emulsión asfáltica es muy importante tener en cuenta los efectos del curado en el módulo dinámico Et = Ef - (Ef - Ei)*RFt Et = módulo a la temperatura T y tiempo de curado t

Ef = módulo a la temperatura T para la mezcla totalmente curada Ei = módulo a la temperatura T para la mezcla en estado no curado (inicial)


Módulo dinámico RFt = factor de reducción que tiene en cuenta la cantidad de curado alcanzada en el tiempo t


Módulo dinámico Para superar las reducidas velocidades de curado de las estabilizaciones con emulsión, se acostumbra añadir bajas proporciones de cemento (1% - 3%) que incrementan el módulo de la mezcla hasta en 200%, según la emulsión utilizada El módulo dinámico de las capas estabilizadas con emulsión asfáltica tiende a reducirse con el tiempo, a causa de la fatiga por la aplicación de las cargas del tránsito

BASES ESTABILIZADAS CON EMULSIÓN ASFÁLTICA VALORES TÍPICOS DE MÓDULOS DINÁMICOS PARA CAPAS ESTABILIZADAS CON EMULSIÓN ASFÁLTICA


Comportamiento a la fatiga  El comportamiento a fatiga de las estabilizaciones con emulsión asfáltica es similar al de las mezclas bituminosas en caliente Nf = Ket-c Nf = número de aplicaciones de carga hasta la falla para una deformación inicial de tensión, et K, c = nonstantes de regresión obtenidas del análisis de los datos de la prueba de fatiga


Comportamiento a la fatiga El stiffness de la mezcla tiene una considerable incidencia en el resultado de la prueba de fatiga  Para una determinada mezcla e iguales condiciones de temperatura y frecuencia de aplicación de carga, la curva de fatiga varía según el criterio que se elija para considerar la falla (reducción de módulo, cantidad de agrietamiento)  Los resultados de fatiga en el laboratorio conducen a una estimación muy conservativa de una mezcla bituminosa, por lo cual se deben aplicar factores de desplazamiento

BASES ESTABILIZADAS CON EMULSIÓN ASFÁLTICA Criterio de fatiga para mezclas elaboradas con emulsiones asfálticas (CHEVRON)


BASES ESTABILIZADAS CON ASFALTO ESPUMADO

BASES ESTABILIZADAS CON ASFALTO ESPUMADO SUELOS ADECUADOS PARA ESTABILIZAR CON ASFALTO ESPUMADO

Granulometría Ackeroyd & Hicks establecieron 3 zonas en la gráfica de granulometría, fijando la conveniencia de los suelos para ser estabilizados con asfalto espumado:

—Zona A: el material es adecuado para estabilización en vías de tránsito pesado —Zona B: el material es apropiado para estabilización en vías de tránsito liviano, pero su comportamiento puede ser mejorado con la adición de fracciones gruesas —Zona C: el material es deficiente en finos y no responde bien al tratamiento, por lo que no es adecuado para estabilizar

BASES ESTABILIZADAS CON ASFALTO ESPUMADO Envolventes de gradación sugeridas para mezclas con asfalto espumado (Ackeroyd & Hicks)

BASES ESTABILIZADAS CON ASFALTO ESPUMADO SUELOS ADECUADOS PARA ESTABILIZAR CON ASFALTO ESPUMADO

Plasticidad Las mezclas con asfalto espumado admiten una cantidad limitada de finos plásticos, aconsejándose que su IP no sea mayor de 6

Si se excede este valor, resulta recomendable un tratamiento previo con cal o cemento


DISEÑO DE LA MEZCLA

BASES ESTABILIZADAS CON ASFALTO ESPUMADO DISEÑO DE LA MEZCLA

1. Optimización de las propiedades del asfalto espumado

 Consiste en determinar, en una planta portátil de laboratorio, el porcentaje de agua que optimiza las propiedades de espumado del asfalto, de manera de asegurar los valores de ―Expansión‖ y ―Vida Media‖ exigidos por las especificaciones


Planta de laboratorio WLB 10 para espumar asfalto


Determinación del contenido de agua para optimizar el espumado


2. Determinación del contenido óptimo de humedad  Se requiere agua para espumar el asfalto, para ablandar el material, romper los grumos que puedan existir y para permitir una mejor dispersión del asfalto durante las operaciones de mezclado y de compactación en el laboratorio y en el campo  Insuficiente agua reduce la trabajabilidad de la mezcla dando como resultado una mala dispersión del ligante, en tanto que su exceso alarga el tiempo de curado, reduce el cubrimiento de los agregados así como la densidad y resistencia de la mezcla compactada


2. Determinación del contenido óptimo de humedad (cont.)  De acuerdo con investigaciones de Mobil Oil, el contenido óptimo de humedad para la mezcla y compactación tiene lugar en un rango entre el 70 % y el 80% de la humedad óptima del Proctor Modificado de los agregados


3. Elaboración de mezclas de ensayo  Se elaboran mezclas con 5 porcentajes diferentes de asfalto y la cantidad óptima de fluidos de compactación



Los porcentajes de asfalto se escogen en función de tipo de suelo que se va a estabilizar

 Si el material contiene partículas arcillosas, se le debe adicionar cal o cemento (las normas INVÍAS lo exigen cuando el producto IP*pasa tamiz # 200 > 72)

BASES ESTABILIZADAS CON ASFALTO ESPUMADO Rangos típicos de contenido de asfalto en mezclas con asfalto espumado (adaptado de Bowering & Martin – 1976)


Elaboración de una mezcla de ensayo


4. Compactación de probetas de ensayo  Con cada una de las mezclas se elaboran seis probetas Marshall, compactándolas con 75 golpes por cara


5. Curado de las probetas  Debido a la presencia de agua que es necesario eliminar, las mezclas con asfalto espumado desarrollan su resistencia total con el tiempo, pero requieren períodos de curado menores que en el caso de las estabilizaciones con emulsión asfáltica  Las condiciones de curado de las probetas compactadas afectan severamente la resistencia final de las mezclas con asfalto espumado, por lo que conviene simular en el laboratorio un procedimiento reproducible en la obra


5. Curado de las probetas

Probetas curadas

Sección transversal de una probeta curada

El asfalto se adhiere a la fracción fina creando un mortero que liga las partículas de mayor tamaño, pero no las cubre


Diversos procedimientos propuestos para el curado de mezclas compactadas con asfalto espumado

BASES ESTABILIZADAS CON ASFALTO ESPUMADO DISEÑO DE LA MEZCLA 6. Medida de dimensiones y pesos de las probetas  Se miden las dimensiones de todas las probetas y se determina su peso específico, descartando aquellas cuyo valor difiera en más de 30 kg/cm2 del valor medio del grupo al cual pertenecen

BASES ESTABILIZADAS CON ASFALTO ESPUMADO DISEÑO DE LA MEZCLA 7. Ensayo de tracción indirecta  Las probetas elaboradas con un determinado contenido de asfalto se separan en dos grupos: — Las probetas de un grupo se fallan por tracción indirecta con una velocidad de deformación de 50.8 mm/minuto — Las probetas del otro grupo se colocan en un desecador de vacío donde se cubren con agua a 25º C y se aplica vacío de 50 mm de mercurio por una hora, fallándose posteriormente como las del primer grupo


Ensayo de tracción indirecta

2P RTI   LD


DISEÑO DE LA MEZCLA Se elaboran gráficas que muestren la evolución de las resistencias de los 2 grupos de probetas con el contenido de asfalto y se escoge como óptimo un porcentaje de ligante que satisfaga los criterios de diseño de la mezcla Ejemplo (Criterios de diseño del Artículo 461 Especificaciones INVÍAS) Resistencia de probetas curadas en seco ≥ 2.5 kg/cm2 (250 kPa) Resistencia tras curado húmedo ≥ 50 % El porcentaje óptimo de asfalto es aquel que cumpliendo las 2 exigencias, dé lugar a la mayor resistencia tras curado húmedo

BASES ESTABILIZADAS CON ASFALTO ESPUMADO Representación gráfica de los resultados de un ensayo de tracción indirecta

BASES ESTABILIZADAS CON ASFALTO ESPUMADO SUSCEPTIBILIDAD DE LAS MEZCLAS CON ASFALTO ESPUMADO A LA ACCIÓN DEL AGUA Debido a los bajos contenidos de ligante y los altos volúmenes de vacíos que contienen, estas mezclas resultan muy susceptibles a la acción del agua La susceptibilidad al agua es inversamente proporcional al grado de curado que ha alcanzado la mezcla en el momento de la exposición

Consecuentemente, es necesario proteger las mezclas de la acción del agua durante su período inicial de vida o simular en el laboratorio unas condiciones de exposición consecuentes con las de la obra

BASES ESTABILIZADAS CON ASFALTO ESPUMADO Influencia del grado de saturación de las probetas sobre la resistencia a tracción indirecta (Campagnoli & Ríos, 2000)

BASES ESTABILIZADAS CON ASFALTO ESPUMADO CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES ESTABILIZADOS CON ASFALTO ESPUMADO, CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS

Módulo dinámico Sigue leyes de comportamiento similares a las que presentan las estabilizaciones con emulsión asfáltica, es decir, depende del período de curado, de la rata de carga, del nivel de esfuerzo y de la temperatura El módulo final se obtiene en un plazo menor que en el caso de estabilizaciones con emulsión, debido al menor contenido de agua de la mezcla


Módulo dinámico La tendencia de evolución del módulo con el contenido de asfalto es similar a la que presenta la resistencia de la mezcla

BASES ESTABILIZADAS CON ASFALTO ESPUMADO Valores de resistencia a la tracción indirecta y de módulo dinámico para mezclas del área de Bogotá (Santamaría, 2000)


Módulo dinámico REDUCCIÓN DEL MÓDULO DINÁMICO A CAUSA DE LA APLICACIÓN DE CARGAS (Long, 2001)

BASES ESTABILIZADAS CON ASFALTO ESPUMADO Vida efectiva de fatiga Se conoce como tal, el número necesario de repeticiones para reducir el módulo de la mezcla hasta 400 MPa Al alcanzar dicho valor, se considera que la estabilización se empieza a comportar como un material granular


Deformación permanente La mayor parte de la deformación se produce con las aplicaciones iniciales de carga

BASES ESTABILIZADAS CON ASFALTO ESPUMADO Deformación permanente REPETICIONES DE CARGA ADMISIBLES EN FUNCIÓN DE LA MAGNITUD DE LA CARGA APLICADA Y DEL NIVEL DE DEFORMACIÓN (Long, 2001)

BASES ESTABILIZADAS CON ASFALTO ESPUMADO RESUTADOS DE UN ESTUDIO COMPARATIVO ENTRE LAS TÉCNICAS DE ESTABILIZACIÓN CON EMUSIÓN Y CON ASFALTO ESPUMADO



Análisis de los resultados de la estabilización del material arcilloso Material solo —En condición seca, el empleo de emulsión da lugar a resistencias aceptables, en tanto que al emplear asfalto espumado se requiere la incorporación de activantes —Todas las mezclas pìerden resistencia después de inmersión en agua


Análisis de los resultados de la estabilización del material arcilloso Material + 2 % de cal —Todas las mezclas dan resultados satisfactorios, siendo mayores las resistencias en el caso de la emulsión

Material + 2 % de cemento —Las resistencia en seco son satisfactorias (aunque menores que en el caso de la cal), pero las resistencias conservadas son bajas



Análisis de los resultados de la estabilización del material sílico calcáreo —La emulsión da lugar a una mezcla con resistencia adecuada, tanto en condición seca como en condición húmeda

—La mezcla con asfalto espumado sin activante no presenta ninguna resistencia, debido a problemas de adherencia entre el asfalto y el agregado —La incorporación de activantes mejora el comportamiento de las mezclas con asfalto espumado

BASES ESTABILIZADAS CON ASFALTO ESPUMADO COMPARACIÓN ENTRE LAS TÉCNICAS DE ESTABILIZACIÓN CON EMUSIÓN Y CON ASFALTO ESPUMADO

BASES Y SUBBASES

COMBINACIÓN DE ESTABILIZANTES


Generalidades

El propósito general de la combinación de estabilizantes es realizar un tratamiento previo del suelo para modificar algunas de sus características, antes de aplicar el estabilizante dominante La ventaja del procedimiento es que uno de los estabilizantes compensa la falta de efectividad del otro en el tratamiento de una característica particular del suelo Normalmente, la dosificación del producto que se aplica primero es menor que la del segundo


TIPOS DE COMBINACIONES DE ESTABILIZANTES

Las combinaciones de estabilizantes más empleadas son: —Cal – Cemento

—Cal – Asfalto emulsionado o espumado —Cemento – Asfalto emulsionado o espumado

COMBINACIÓN DE ESTABILIZANTES SELECCIÓN DE COMBINACIÓN DE ESTABILIZANTES (adaptado de FHWA-IP-80-2)


COMBINACIÓN CAL - CEMENTO El cemento no se puede mezclar exitosamente con finos muy plásticos Al realizar un tratamiento mixto de cal y cemento, cada conglomerante cumple una misión:

—La cal, que se agrega primero, flocula los finos con una reacción rápida de intercambio iónico, disminuyendo la plasticidad del suelo y mejorando la trabajabilidad y el mezclado. Así mismo, reduce la humedad — El cemento produce un rápido incremento de resistencia mecánica en el suelo


COMBINACIÓN CAL - CEMENTO Se suele aplicar primero entre 1 % y 3 % de cal y luego la cantidad requerida de cemento, según el tipo de suelo El diseño de la mezcla se realiza por métodos aplicables al estabilizante dominante, en este caso los de compresión inconfinada y humedecimiento y secado

COMBINACIÓN DE ESTABILIZANTES Efecto de la combinación de cal y cemento sobre una arcilla de Irbid (Jordania)

EFECTO DE LA CAL SOBRE LA RESISTENCIA

EFECTO DE LA CAL COMO PRE-TRATAMIENTO

COMBINACIÓN DE ESTABILIZANTES COMBINACIÓN CAL O CEMENTO CON ASFALTO EMULSIONADO O ESPUMADO

El curado es un factor clave en el desarrollo de la resistencia de las estabilizaciones con productos asfálticos y su velocidad se ve favorecida con el uso previo de cal o cemento El tratamiento previo del suelo con cal o cemento hace que la estabilización con el producto asfáltico sea más resistente a la humedad y presente módulos mayores que estabilizando solamente con el producto asfáltico Al emplear cemento, se recomienda que su proporción respecto del asfalto residual no sea mayor de 1:5 para evitar la fragilidad de la mezcla


COMBINACIÓN DE ESTABILIZANTES RESULTADOS DE ENSAYOS DE INMERSIÓN COMPRESIÓN AL ESTABILIZAR UN MATERIAL ARCILLOSO CON CAL O CEMENTO + ASFALTO ESPUMADO (PASA TAMIZ # 200 = 15.2 %, IP = 14.5 %)

BASES Y SUBBASES

OTROS TIPOS DE BASES

BASES Y SUBBASES

Además de las bases de tipo convencional, se han desarrollado otras con el propósito de solucionar problemas específicos de los pavimentos: Bases permeables y bases de concreto pobre, con las cuales se combate el problema de la erosión del soporte de los pavimentos rígidos Bases elaboradas con mezclas asfálticas de alto módulo, desarrolladas para ayudar a combatir el ahuellamiento en los pavimentos asfálticos (VER MÓDULO 9)

BASES Y SUBBASES

BASE PERMEABLE

BASE PERMEABLE

 Capa que se coloca generalmente bajo las losas de un pavimento rígido, constituida por un material filtrante de manera que, con ayuda de una pendiente transversal adecuada y unas correctas instalaciones de salida, drena el agua que se infiltra desde la superficie del pavimento  Esta capa puede ser granular o tratada con ligantes hidrocarbonados o con cemento. La finalidad primaria de la estabilización (con cemento asfáltico o cemento Pórtland) es brindar estabilidad a la capa durante la etapa constructiva

BASE PERMEABLE

 El remate de la base permeable puede ocurrir: -Contra un subdrén longitudinal

-Contra el talud lateral hacia el exterior (no es recomendable, porque se pueden producir contaminaciones en el talud durante las operaciones de construcción y mantenimiento)

BASE PERMEABLE

BASE PERMEABLE GRANULAR Su estabilidad se logra a través de la trabazón de agregados Se exige que el material tenga 100% de partículas trituradas mecánicamente

El desgaste Los Ángeles no puede exceder de 45 % Las pérdidas en el ensayo de solidez no pueden exceder de 12 % (sulfato de sodio) o de 18 % (sulfato de magnesio)

BASE PERMEABLE

BASE PERMEABLE GRANULAR GRANULOMETRÍAS USUALES

Nota -Se recomienda que Cu > 4 para garantizar la estabilidad de la base

BASE PERMEABLE BASE PERMEABLE ESTABILIZADA CON CEMENTO ASFÁLTICO

Se recomienda el uso de un asfalto de grado AC-40 en proporción de 2 a 2 ½ % en peso GRANULOMETRÍAS USUALES

BASE PERMEABLE BASE PERMEABLE ESTABILIZADA CON CEMENTO PORTLAND

La cantidad de cemento varía entre 120 y 150 kg/m3 La cantidad de agua debe ajustarse para controlar la segregación GRANULOMETRÍAS USUALES

X = % indicado por el constructor

BASES Y SUBBASES

BASE DE CONCRETO POBRE

BASE DE CONCRETO POBRE DEFINICIÓN

Una base de concreto pobre se compone de agregados y cemento uniformemente combinados y mezclados con agua. Los agregados son de calidad marginal (característicos de subbase) y la cantidad de cemento en la mezcla es reducida El concreto pobre se utiliza como subbase de pavimentos rígidos

El material es más rígido y más resistente a la erosión que una subbase estabilizada con cemento


MATERIALES Agregado pétreo El agregado puede provenir de trituración de roca, piedra o grava o ser de tipo natural Sus partículas deben ser duras y libres de polvo, materia orgánica y otras sustancias objetables

La fracción gruesa debe carecer de excesos de partículas aplanadas (relación ancho/espesor > 5) y de partículas alargadas (relación longitud/ancho > 5) El equivalente de arena debe ser superior a 20


MATERIALES Agregado pétreo

BASE DE CONCRETO POBRE MATERIALES Cemento Debe ser el tipo I (norma ASTM C 150) Agua Debe ser limpia y estar libre de aceite, sal, ácidos, álcalis, materia orgánica, azúcar y cualquier otro elemento que pueda ser perjudicial para la mezcla. Agua que sea calificada como potable se puede emplear sin necesidad de realizar ensayos de comprobación Aditivos Pueden ser de tipo puzolánico (ASTM C 618), inclusores de aire (ASTM C 620) y reducidores de agua (ASTM C 494, Tipo A -reducidor- ó Tipo D -reducidor y retardante-)

BASE DE CONCRETO POBRE DISEÑO DE LA MEZCLA

El concreto pobre se diseña como una mezcla de concreto convencional, pero con las siguientes limitaciones de resistencia: —Resistencia mínima a compresión a 7 días : 500 psi —Resistencia mínima a compresión a 28 días : 750 psi —Resistencia máxima a compresión a 28 días: 1,200 psi La limitación de resistencia máxima tiene por objeto reducir la posibilidad de fisuración refleja en la superficie del pavimento Se puede obviar la limitación de resistencia máxima, si en la capa de concreto pobre se construyen juntas con el mismo patrón de las juntas del pavimento


DISEÑO DE LA MEZCLA El asentamiento de la mezcla (ASTM C 143) debe ser del orden de 50 mm La cantidad mínima de material cementante (cemento o cemento + ceniza volante) es de 120 kg/m3 Si el pavimento se construye en una zona sometida a heladas, la mezcla deberá presentar pérdidas no mayores de 14 % en el ensayo de congelamiento y deshielo (ASTM D 560) y una cantidad de aire incluido entre 6% y 10% (ASTM C 231 si el agregado grueso proviene de grava o piedra ó ASTM C 173 para escoria y otros agregados gruesos porosos

BASE DE CONCRETO POBRE Relación entre las resistencias a compresión y flexión para mezclas de concreto pobre (Packard, 1981)

LIGANTES BITUMINOSOS

CONTENIDO Definiciones y tipos de ligantes bituminosos Clasificación de los cementos asfálticos Ensayos de clasificación de cementos asfálticos por penetración y viscosidad Criterio SUPERPAVE para especificar cementos asfálticos Asfaltos modificados con polímeros Emulsiones asfálticas

Emulsiones asfálticas modificadas Asfalto líquido para imprimación


DEFINICIONES Y TIPOS DE LIGANTES BITUMINOSOS

LIGANTES BITUMINOSOS DEFINICIONES Ligante bituminoso

 Material que contiene betún (bitumen), el cual es un hidrocarburo soluble en bisulfuro de carbono (CS2). El asfalto y el alquitrán son materiales bituminosos Asfalto  Material aglomerante de color marrón oscuro a negro, de consistencia variable, constituido principalmente por betunes. El asfalto puede ser natural u obtenido por refinación de petróleo

LIGANTES BITUMINOSOS DEFINICIONES Alquitrán  Producto hidrocarbonado semisólido o líquido, resultante de la destilación de la hulla. Su contenido de betún es menor que el de los asfaltos. Presenta buena adhesividad con los agregados y resiste el ataque de los derivados del petróleo, pero presenta alta susceptibilidad térmica y envejecimiento rápido

TIPOS DE LIGANTES BITUMINOSOS

OBTENCIÓN DE LOS ASFALTOS EN REFINERÍA

TIPOS DE ASFALTOS PARA PAVIMENTACIÓN Cemento asfáltico  Asfalto refinado o una combinación de éste con un aceite fluidificante, cuya viscosidad es apropiada para los trabajos de pavimentación Asfalto líquido  Cemento asfáltico licuado con solventes como la gasolina (RC), el kerosén (MC) o un aceite liviano (SC). Su uso está muy limitado por efectos ambientales Emulsión asfáltica  Dispersión de glóbulos de cemento asfáltico dentro de agua en presencia de un agente emulsificante. Puede ser aniónica o catiónica, dependiendo de la carga eléctrica de los glóbulos

TIPOS DE ASFALTOS PARA PAVIMENTACIÓN


CLASIFICACIÓN DE LOS

CEMENTOS ASFÁLTICOS

CLASIFICACIÓN DE LOS CEMENTOS ASFÁLTICOS

Por grados de penetración  Se basa en el resultado del ensayo de penetración, es cual describe la consistencia a una temperatura de 25° C

 El Instituto Nacional de Vías ha adoptado dos grados de cemento asfáltico para pavimentación, con penetraciones comprendidas dentro de los rangos 60-70 y 80-100


Por grados de viscosidad  Se basa en la determinación de la viscosidad absoluta del producto a 60° C  Cuando las pruebas se realizan sobre el asfalto original se designan como AC-2.5; AC-5; AC-10; AC-20 y AC-40 y se designan como AR 1000, AR 2000, AR 4000, AR 8000 y AR 1600, cuando se efectúan sobre muestras de asfaltos sometidos a un ensayo de envejecimiento acelerado

 En el primer caso, el número de identificación es la centésima parte de la viscosidad deseada a 60°C, en Poises, y en el segundo caso es la viscosidad deseada a la misma temperatura, en Poises


Por grados de comportamiento Se basa en el desempeño previsto del ligante y lo especifica en función de las condiciones climáticas extremas en que presenta propiedades físicas adecuadas. Se designan con el acrónimo PG, acompañado de dos números que indican las temperaturas máximas y mínimas de diseño (Ejemplo: PG 64-28)  Hay 21 clases de asfaltos clasificados por grados de comportamiento

ELECCIÓN DEL GRADO DE CEMENTO ASFÁLTICO

 Independientemente del sistema de clasificación elegido, el grado por escoger depende de las condiciones ambientales  El sistema de grados de comportamiento (PG) define los límites de temperatura dentro de los cuales es previsible el buen comportamiento del cemento asfáltico

ELECCIÓN DEL GRADO DE CEMENTO ASFÁLTICO

En los otros sistemas, la tendencia es elegir bajos grados de viscosidad en climas fríos para brindar mayor flexibilidad para soportar el agrietamiento térmico a baja temperatura, en tanto que si el clima es cálido se eligen ligantes de mayor viscosidad para contribuir en la resistencia de las mezclas a la deformación permanente  La elección del grado es importante también en el diseño del pavimento, por cuanto incide en las propiedades de rigidez y de fatiga de la mezcla asfáltica


ENSAYOS DE CLASIFICACIÓN DE CEMENTOS ASFÁLTICOS POR PENETRACIÓN Y POR VISCOSIDAD

ENSAYOS PARA CLASIFICACIÓN DE CEMENTOS ASFÁLTICOS POR PENETRACIÓN Y VISCOSIDAD

Penetración (INV E-706) Es una medida de la consistencia del asfalto a la temperatura especificada para el ensayo


Punto de ablandamiento (anillo y bola) (INV E-712) Es la temperatura a la cual el cemento asfáltico se vuelve lo suficientemente blando como para comenzar fluir. Se suele suponer, en términos amplios, que la consistencia en este punto es equivalente a la que presenta cuando su penetración es 800 (0.1mm)

El concepto del punto de ablandamiento es algo arbitrario y no corresponde exactamente a un cambio físico del producto, por cuanto la consistencia del asfalto disminuye gradualmente sin presentar un punto de fusión definido


Punto de ablandamiento (anillo y bola) (INV E-712)


Índice de penetración de Pfeiffer y Van Doormaal (IP)  Expresión

matemática para estimar la susceptibilidad térmica de los cementos asfálticos 20  500 A 1  50 A log( pen )  log 800 A 25  T A& B

IP 

Donde pen = penetración a 25°C (0.1 mm) T A&B= punto de ablandamiento (°C)


Índice de penetración de Pfeiffer y Van Doormaal (IP) Ejemplo pen =100 (0.1 mm) T A&B = 45°C log 100  log 800 A  0.04515 25  45 20  500 * 0.04515 IP   0.79 1  50 * 0.04515

ENSAYOS PARA CLASIFICACIÓN DE CEMENTOS ASFÁLTICOS POR PENETRACIÓN Y VISCOSIDAD Viscosidad absoluta (INV E-716) La prueba tiene por finalidad determinar la viscosidad del cemento asfáltico a la temperatura más alta que el pavimento suele experimentar durante su servicio

ENSAYOS PARA CLASIFICACIÓN DE CEMENTOS ASFÁLTICOS POR PENETRACIÓN Y VISCOSIDAD Ductilidad (INV E-702) Es una medida de cuánto puede estirarse una muestra del asfalto antes de que se rompa en dos (5cm/minuto, 25º C) Es un ensayo más de identificación que cuantitativo. Los asfaltos provenientes de destilación del petróleo al vapor o al vacío muestran alta ductilidad, en tanto que en los obtenidos por oxidación o soplado la ductilidad es baja


Punto de inflamación (INV E-709) Es la temperatura más baja a la cual se separan materiales volátiles de la muestra, creando un ―destello‖ en presencia de una llama abierta La finalidad de la prueba es identificar la temperatura máxima a la cual el producto puede ser manejado sin peligro de que se inflame

ENSAYOS PARA CLASIFICACIÓN DE CEMENTOS ASFÁLTICOS POR PENETRACIÓN Y VISCOSIDAD Solubilidad (INV E-713) Es un procedimiento para medir la pureza del cemento asfáltico Una muestra es sumergida en un solvente donde se disuelven sus componentes cementantes activos, en tanto que las impurezas (sales, carbono libre, contaminantes inorgánicos) no se disuelven, sino que se depositan en forma de partículas

ENSAYOS PARA CLASIFICACIÓN DE CEMENTOS ASFÁLTICOS POR PENETRACIÓN Y VISCOSIDAD Contenido de agua (INV E-704) Se emplea para determinar la existencia de contaminaciones indebidas o asegurarse que no se producirá espuma durante el calentamiento del producto El método se basa en la destilación a reflujo de una muestra del asfalto, junto con un disolvente volátil no miscible con el agua, el cual, al evaporarse, facilita el arrastre del agua presente, separándose de ella al condensarse

ENSAYOS PARA CLASIFICACIÓN DE CEMENTOS ASFÁLTICOS POR PENETRACIÓN Y VISCOSIDAD Contenido de agua (INV E-704)

ENSAYOS PARA CLASIFICACIÓN DE CEMENTOS ASFÁLTICOS POR PENETRACIÓN Y VISCOSIDAD Envejecimiento en horno en película fina (INV E-721) Reproduce el efecto del aire y del calor sobre una película delgada del ligante asfáltico, simulando el envejecimiento que éste sufre a corto plazo durante los procesos de mezclado y colocación de las mezclas de concreto asfáltico

A la muestra así envejecida, se le determinan la pérdida de masa, la penetración (25º C), la ductilidad (25º C) y la viscosidad a 60º C para medir el endurecimiento anticipado del material durante las operaciones de mezcla y colocación

ENSAYOS PARA CLASIFICACIÓN DE CEMENTOS ASFÁLTICOS POR PENETRACIÓN Y VISCOSIDAD Envejecimiento en horno en película fina (INV E-721)

ENSAYOS PARA CLASIFICACIÓN DE CEMENTOS ASFÁLTICOS POR PENETRACIÓN Y VISCOSIDAD Envejecimiento al horno en película fina rotativa (INV E-720)

Reproduce el efecto del aire y del calor sobre una película delgada del ligante asfáltico en movimiento, simulando el envejecimiento que éste sufre a corto plazo durante los procesos de mezclado y colocación de las mezclas de concreto asfáltico Las ventajas de este ensayo sobre el del horno en película fina consisten en que se puede acomodar un mayor número de muestras en el horno y que el tiempo requerido para envejecerlas es menor


Envejecimiento al horno en película fina rotativa

Horno

Recipientes para el ensayo (izquierda – luego del ensayo, centro – antes del ensayo, derecha – vacío)

ENSAYOS PARA CLASIFICACIÓN DE CEMENTOS ASFÁLTICOS POR PENETRACIÓN Y VISCOSIDAD Gráfica de Heukelom (Bitumen Test Data Chart)  Muestra

la variación de la consistencia del asfalto con la temperatura  Permite determinar gráficamente el índice de penetración (IP)  Permite estimar las temperaturas más adecuadas de mezcla y compactación de las mezclas asfálticas en caliente: — El cubrimiento satisfactorio del agregado pétreo se obtiene con una viscosidad aproximada del asfalto de 0.2 Pa.s (2 Poises)

— La viscosidad óptima para compactación se encuentra entre 2 y 20 Pa.s (20 - 200 Poises)

ENSAYOS PARA CLASIFICACIÓN DE CEMENTOS ASFÁLTICOS POR PENETRACIÓN Y VISCOSIDAD Gráfica de Heukelom (Bitumen Test Data Chart)

ESPECIFICACIONES DE CEMENTOS ASFÁLTICOS ESPECIFICACIONES INVIAS CON BASE EN LA PENETRACIÓN NORMA DE ENSAYO INV

CARACTERISTICA

Penetración (25oC, 100 g, 5 s)

60-70

80-100

mín

máx

mín

máx

0.1 mm

E-706

60

70

80

100

Índice de penetración

-

E-724

-1

+1

-1

+1

Viscosidad absoluta (60° C)

P

E-716

1500

Ductilidad (25 oC, 5 cm/min)

cm

E-702

100

-

100

-

Solubilidad en tricloroetileno

%

E-713

99

-

99

-

Contenido de agua

%

E-704

-

0.2

-

0.2

230

-

230

-

-

1.0

-

1.0

Punto de ignición mediante copa abierta de Cleveland Pérdida por calentamiento en película delgada (163oc, 5 h) Penetración del residuo luego de la perdida por calentamiento, en % de la penetración original

1000

E-709 °C E-721

% %

E-706

52

48 -

-

ESPECIFICACIONES DE CEMENTOS ASFÁLTICOS Especificaciones ASTM con base en la viscosidad Requerimientos para cemento asfáltico clasificado por grados de viscosidad a 140oF (60oC) Ensayo Grado de viscosidad AC-2.5 AC-5 AC-10 AC-20 AC-40 Viscosidad, 140oF (60oC), P 250 + 50 500 + 100 1000 + 200 2000 + 400 4000 + 800 Viscosidad, 275oF (135oC), mínimo, cSt. 80 110 150 210 300 Penetración 77oF (25oC), 100g. 5 s. mínimo 200 120 70 40 20 Punto de llama copa abierta Cleveland, mínimo oF (oC) 325 (163) 350 (177) 425 (219) 450 (232) 450 (232) Solubilidad en tricloroetileno, mínimo % 99.0 99.0 99.0 99.0 99.0 Ensayos sobre el residuo del TFOT: Viscosidad 140oF (60oC), máximo 1250 2500 5000 10000 20000 o o A Ductilidad, 77 F (25 C), 5cm/min. mínimo cm. 100 100 50 20 10 Requerimientos para cemento asfáltico clasificado por grados de viscosidad a 140oF (60oC) Ensayo AC-2.5 AC-5 AC-10 AC-20 AC-30 AC-40 Viscosidad, 140oF (60oC), P 250 + 50 500 + 100 1000 + 200 2000 + 400 3000 + 600 4000 + 800 Viscosidad, 275oF (135oC), mínimo cSt. 125 175 250 300 350 400 Penetración 77oF (25oC), 100g. 5 s. mínimo 200 140 80 60 50 40 Punto de llama copa abierta Cleveland, mínimo oF (oC) 325 (163) 350 (177) 425 (219) 450 (232) 450 (232) 450 (232) Solubilidad en tricloroetileno, mínimo % 99.0 99.0 99.0 99.0 99.0 99.0 Ensayos sobre el residuo del TFOT: Viscosidad 140oF (60oC), máximo 1250 2500 5000 10000 15000 20000 Ductilidad, 77oF (25oC), 5cm/min. mínimo cm. 100A 100 75 50 40 25 o o Requerimientos para cemento asfáltico clasificado por grados de viscosidad a 140 F (60 C) Ensayos sobre el residuo del RTFOT: AR-1000 AR-2000 AR-4000 AR-8000 AR-16000 Viscosidad, 140oF (60oC), P 1000 + 250 2000 + 500 4000 + 1000 8000 + 2000 16000 + 4000 Viscosidad, 275oF (135oC), mínimo, cSt. 140 200 275 400 550 Penetración 77oF (25oC), 100g. 5 s. mínimo 65 40 25 20 20 % de penetración original, 77oF (25oC), mínimo 40 45 50 52 Ductilidad, 77oF (25oC), 5cm/min. mínimo cm. 100A 100B 75 75 75 Ensayos sobre el asfalto original: Punto de llama copa abierta Cleveland, mínimo oF (oC) 400 (205) 425 (219) 400 (227) 450 (232) 460 (238) Solubilidad en tricloroetileno, mínimo % 99.0 99.0 99.0 99.0 99.0

ESPECIFICACIONES DE CEMENTOS ASFÁLTICOS COMPARACIÓN DE GRADOS DE PENETRACIÓN Y VISCOSIDAD

VENTAJAS DE LA CLASIFICACIÓN POR GRADOS DE PENETRACIÓN Los grados de los asfaltos se relacionan con las temperaturas promedio de servicio  Los ensayos son sencillos y de rápida ejecución  Bajos costos de capital

 Los ensayos se pueden realizar en laboratorios de obra  Se puede establecer la susceptibilidad térmica

DESVENTAJAS DE LA CLASIFICACIÓN POR GRADOS DE PENETRACIÓN

El ensayo de penetración es empírico

 La velocidad de corte durante el ensayo es alta y variable  Similares penetraciones a 25°C no reflejan amplias diferencias en el comportamiento de los asfaltos en condiciones de servicio  Las temperaturas de mezcla y compactación no están disponibles

VENTAJAS DE LA CLASIFICACIÓN POR GRADOS DE VISCOSIDAD (AC)

 La

viscosidad es una propiedad fundamental del asfalto

 La evaluación se realiza en un amplio rango de temperaturas  La evaluación considera la máxima temperatura de la superficie del pavimento  Se tiene en cuenta la susceptibilidad térmica  Se dispone de información sobre las temperaturas de mezcla y compactación

DESVENTAJAS DE LA CLASIFICACIÓN POR GRADOS DE VISCOSIDAD (AC)

Mayor costo y tiempo de ejecución de los ensayos  Se requiere mayor pericia técnica  La clasificación no es válida para asfaltos no newtonianos  Asfaltos ubicados en el mismo grado pueden presentar un amplio rango de propiedades

VENTAJAS DE LA CLASIFICACIÓN POR GRADOS DE VISCOSIDAD (AR)

 Representa

las propiedades del asfalto después de calentado y mezclado en planta  Mide una propiedad fundamental del asfalto  Evaluación en un amplio rango de temperaturas

 Limita el uso de asfaltos muy susceptibles al envejecimiento

DESVENTAJAS DE LA CLASIFICACIÓN POR GRADOS DE VISCOSIDAD (AR)

 Alto

costo y largo tiempo de ejecución de los ensayos

 Requiere diferentes equipos y pericia técnica Clasificación no válida para asfaltos no newtonianos

 No hay ensayos de consistencia para el asfalto original  Amplio rango de propiedades para asfaltos del mismo grado


CRITERIO SUPERPAVE PARA ESPECIFICAR CEMENTOS ASFÁLTICOS

ESPECIFICACIONES SUPERPAVE SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS

Introducción  SUPERPAVE (Superior Performing Asphalt Pavement) es un sistema de especificación de los materiales constitutivos, diseño de mezclas asfálticas y su análisis, y la predicción del comportamiento de los pavimentos, incluyendo equipos de ensayo, métodos de ensayo y criterios. El sistema especifica los ligantes con base en el clima y la temperatura prevista en el pavimento

ESPECIFICACIONES SUPERPAVE SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS Introducción (cont.) El ligante se especifica por grados de comportamiento (grados de performance -PG-), por ejemplo, PG 64-22

 Los números (64 y -22) indican las temperaturas más alta y más baja, en grados Celsius, dentro de las cuales el ligante poseería propiedades físicas adecuadas ALTA TEMPERATURA PG 52 PG 58 PG 64 PG 70

BAJA TEMPERATURA (-) 10, 16, 22, 28, 34, 40, 46 16, 22, 28, 34, 40 16, 22, 28, 34, 40 10, 16, 22, 28


Introducción (cont.)

El sistema mide las propiedades físicas tanto sobre el ligante sin envejecer, como sobre el ligante envejecido en el laboratorio, para simular las condiciones de envejecimiento en un pavimento real a corto y largo plazo

ESPECIFICACIONES SUPERPAVE SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS El envejecimiento se simula con 2 dispositivos: Horno de película fina rotativa (RTFO)

Equipo de envejecimiento a presión (PAV)  Las propiedades físicas de los ligantes son medidas con 4 dispositivos: Viscosímetro rotacional (RV = rotational viscosimeter) Reómetro de corte dinámico (DSR = dynamic shear rheometer) Reómetro de flexión (BBR = bending beam rheometer)

Ensayo de tracción directa (DTT = direct tension test)


ENVEJECIMIENTO A CORTO PLAZO


Envejecimiento del asfalto en horno de película fina rotativa (RTFO) Simula el envejecimiento durante el mezclado y la etapa de construcción

ESPECIFICACIONES SUPERPAVE SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS ENVEJECIMIENTO A LARGO PLAZO

ESPECIFICACIONES SUPERPAVE SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS Envejecimiento del asfalto en equipo de envejecimiento a presión (PAV)  Muestras de 50 gramos del ligante son envejecidas durante 20 horas bajo una presión de 300 psi, a alta temperatura, simulando el envejecimiento del ligante después de 7 a 10 años de servicio

ESPECIFICACIONES SUPERPAVE SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS VERIFICACIÓN DE VISCOSIDAD DURANTE EL PROCESO CONSTRUCTIVO

ESPECIFICACIONES SUPERPAVE SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS Viscosímetro rotacional

 Caracteriza el stiffness del ligante a 135°C, temperatura a la cual éste actúa casi enteramente como fluido  El equipo consiste en un cilindro rotacional coaxial, que mide la viscosidad por medio del torque requerido para rotar un eje dentro de una muestra de ligante a una velocidad constante  La especificación exige una viscosidad menor de 3 Pa.s, a 135°C, para garantizar que el ligante es bombeable y manejable durante la elaboración de la mezcla

ESPECIFICACIONES SUPERPAVE SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS Viscosímetro rotacional

ESPECIFICACIONES SUPERPAVE SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS VERIFICACIÓN DE LA RESISTENCIA AL AHUELLAMIENTO Y A LA FATIGA DURANTE EL PERÍODO DE SERVICIO

ESPECIFICACIONES SUPERPAVE SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS Reómetro de corte dinámico (DSR)  Se emplea para caracterizar viscoelásticas del ligante

las

propiedades

 Mide el módulo complejo en corte (G*) y el ángulo de fase (d), sometiendo a tensiones de corte oscilante una pequeña muestra del ligante, colocada entre dos platos paralelos y midiendo la deformación de corte resultante Si el material es totalmente elástico, no hay retraso entre la tensión de corte y la respuesta de la deformación específica de corte (d0)

 Si el material es totalmente viscoso, la respuesta está totalmente desfasada (d90)


Reómetro de corte dinámico (DSR) (cont.)

Los materiales viscoelásticos tienen un ángulo de fase entre 0° y 90°, dependiendo de la temperatura del ensayo La especificación de ligantes SUPERPAVE controla el stiffness del asfalto a las mayores temperaturas de servicio y a las temperaturas intermedias


Reómetro de corte dinámico (DSR) (cont.) A altas temperaturas ( > 46°C ), lo hace mediante la relación G*/sen d , buscando garantizar que el asfalto provea su mayor aporte a la resistencia global al corte de la mezcla en términos de la elasticidad a altas temperaturas (protección contra el ahuellamiento) A temperaturas intermedias (7°C a 34°C), lo hace mediante el producto G*(sen d ), asegurando que el ligante no contribuya a la fisuración por fatiga

ESPECIFICACIONES SUPERPAVE SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS Reómetro de corte dinámico (DSR)


Reómetro de corte dinámico (DSR)

ESPECIFICACIONES SUPERPAVE SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS Reómetro de corte dinámico (DSR)

ESPECIFICACIONES SUPERPAVE SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS VERIFICACIÓN DE LA RESISTENCIA AL AGRIETAMIENTO A BAJA TEMPERATURA


Reómetro de flexión de viga (BBR)  Caracteriza las propiedades de stiffness del ligante a bajas temperaturas  Mide el stiffness en ―creep‖(S) y el logaritmo de la viscosidad de deformación en ―creep‖ (m)  Una pequeña viga de ligante es sometida a ―creep‖ a baja temperatura y conociendo la carga aplicada y la deflexión durante todo el ensayo, el stiffness en ―creep‖ puede ser determinado para diversos tiempos


Reómetro de flexión de viga (BBR)

ESPECIFICACIONES SUPERPAVE SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS Reómetro de flexión de viga (BBR)

ESPECIFICACIONES SUPERPAVE SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS Reómetro de flexión de viga (BBR)


Reómetro de flexión de viga (BBR)  El logaritmo de la velocidad de deformación en creep ―m‖ es la pendiente de la curva log (St) vs log (t), para un tiempo de 60 segundos

ESPECIFICACIONES SUPERPAVE SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS Reómetro de flexión de viga (BBR)  Ligantes con bajo stiffness en creep no se fisurarán en tiempo muy frío  Ligantes con alto valor de ―m‖ son más efectivos en la relajación de las tensiones que se desarrollan cuando la temperatura desciende, asegurando un fisuramiento mínimo por baja temperatura  Algunos ligantes (en especial los modificados con polímeros) pueden tener a baja temperatura un stiffness en creep más alto que el deseado sin que se fisuren, debido a que conservan su capacidad para estirarse sin fracturas a bajas temperaturas


Ensayo de tensión directa (DTT)  Verifica que el ligante sea suficientemente dúctil a bajas temperaturas cuando su stiffness en ―creep‖ es muy alto  El DTT provee la deformación específica de rotura en tracción, medida sobre una muestra pequeña de forma de hueso que es estirada a baja temperatura hasta que se corta


Ensayo de tensión directa (DTT)

ESPECIFICACIONES SUPERPAVE SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS PROPIEDADES QUE INTENTAN MEDIR LOS DIFERENTES ENSAYOS ASFALTO ORIGINAL

SOMETIDO ENSAYO RTFO

ENSAYO Punto de inflamación Viscosidad a 135°C Corte dinámico (DSR) AL Perdida de masa Corte dinámico (DSR)

SOMETIDO AL ENVEJECIMIENTO A Corte dinámico (DSR) PRESIÓN Reómetro de flexión (BBR) Tracción directa (DTT)

PROPIEDAD Seguridad en el manejo Facilidad de bombeo Asegurar una rigidez y elasticidad mínimas que eviten el ahuellamiento a altas temperaturas Garantizar ausencia de solventes o humedad Asegurar una rigidez y elasticidad mínimas que eviten el ahuellamiento a altas temperaturas Asegurar resistencia a la fatiga a temperaturas intermedias Prevención de fisuración en tiempo frío Complementa el BBR, cuando S es alto
















ESPECIFICACIONES SUPERPAVE SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS Ejemplo de clasificación por el sistema PG


ASFALTOS MODIFICADOS CON POLÍMEROS

ASFALTOS MODIFICADOS

Asfaltos cuyo comportamiento es mejorado en términos de su tolerancia a los esfuerzos y a los cambios térmicos, merced a una modificación del balance de comportamiento en el rango de temperaturas de aplicación y servicio

ASFALTOS MODIFICADOS

Beneficios que se buscan con la modificación del asfalto  Aumentar la rigidez a altas temperaturas de servicio, mejorando la resistencia de las mezclas a la deformación permanente  Reducir la rigidez a bajas temperaturas, previniendo la fisuración térmica.  Aumentar la resistencia a la fatiga de las mezclas  Mejorar la adhesión con los agregados pétreos

 Mejorar la cohesión, brindando mejor retención de los agregados en la vida inicial de los tratamientos superficiales

ASFALTOS MODIFICADOS Beneficios que se buscan con la modificación del asfalto Reducir el endurecimiento en servicio, brindando una vida superior a la mezcla, debido a la retención de sus ventajas iniciales  Disminuir la susceptibilidad térmica en el rango de temperaturas de servicio

 Aumentar la viscosidad a bajas velocidades de corte, permitiendo mayores espesores de película en el agregado en mezclas abiertas y reduciendo la exudación en tratamientos superficiales CADA ADITIVO MODIFICADOR PUEDE SER EXITOSO EN LA MEJORA DE CUANDO MENOS UNA DE LAS PROPIEDADES DEL ASFALTO, PERO NO EXISTE EL ADITIVO CURALOTODO.

ASFALTOS MODIFICADOS RESUMEN DE LOS BENEFICIOS POTENCIALES DE LOS ASFALTOS MODIFICADOS SOBRE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS (SHELL) M odificador

Notas

Llenantes

1

Fibras Asfalto natural M odificadores químicos Azufre

0 1 1

Polímeros termoendurecibles Polímeros termoplásticos (plastómeros) Elastómeros Caucho reciclado

Deformación permanente Alguno

Agrietamientos fatiga térmico

Sí Sí Alguno

Envejecimi Stripping Dificultad de ento reciclar Alguno Baja Alguno Alguno Baja Alguno Baja Alguno M edia

Sí 0 1

Sí

1

Sí

1 1

Sí

Sí

Sí

Sí

Sí

Costo adicional Bajo Bajo M edio M edio

M edia

M edio

Alta

Alto

M edia

Consideraciones ambientales Requiere supresión de polvo Problemas de salud

Vapores tóxicos al calentar Nocivos a la salud

M edio - Alto Posibilidad de producir un monómero nocivo

Sí Sí

Sí Sí

Sí

Alta Alta

M edio - Alto M edio

Usa material de desperdicio 1, En el mismo grupo genérico hay un amplio rango de composición de modificadores y de beneficio sobre el comportamiento. La tabla brinda sólo un panorama amplio y no se debe usar como guía para elegir un modificador con un propósito específico.

POLÍMEROS

DEFINICIÓN  Sustancias macromoleculares, formadas por asociación de gran cantidad de moléculas sencillas, cuya característica esencial es su elevado peso molecular

TIPOS DE POLÍMEROS Termoendurecibles : Formados por reacción química de los componentes (base y endurecedor), dando lugar a una estructura entrecruzada. Ejemplos: resinas epoxi, resinas de poliéster, etc.  Termoplásticos: Polímeros solubles que se reblandecen por acción de calor y pueden llegar a fluir. Ejemplos: Polietileno (PE), policloruro de vinilo (PVC), copolímeros de etileno – acetato de vinilo (EVA), etc.  Elastómeros: Polímeros lineales amorfos que al ser sometidos a vulcanización adquieren una estructura parcialmente reticulada que les confiere propiedades elásticas. Ejemplos: Caucho natural (NR), caucho de butadieno–estireno (SBR), elastómeros termoplásticos (SBS)

POLÍMEROS CARACTERÍSTICAS DE LOS POLÍMEROS COMPATIBLES PARA LA MODIFICACIÓN DEL ASFALTO

Cadena general suficientemente larga y baja polaridad Peso molecular elevado, pero no excesivamente alto para reducir riesgos por excesiva viscosidad y problemas de dispersión  Baja temperatura de transición vítrea

POLÍMEROS POLÍMEROS MÁS UTILIZADOS EN LA MODIFICACIÓN DEL ASFALTO

Las familias de polímeros más utilizadas para la modificación del asfalto son: — Plastómeros, basados normalmente en polímeros de etileno (EVA), cuyos grados difieren en función de la cuantía del acetato de vinilo y del peso molecular

— Elastómeros termoplásticos, generalmente de tipo SBS lineal, que le confieren al asfalto una baja susceptibilidad térmica, buenas características mecánicas y alta flexibilidad a bajas temperaturas

ASFALTOS MODIFICADOS CON POLÍMEROS ASFALTO MODIFICADO CON UN POLÍMERO DEL TIPO SBS


FABRICACION La fabricación consiste en la incorporación, en el seno del asfalto, de polímeros compatibles con éste, mediante el empleo de un molino coloidal de elevado poder de cizallamiento, durante un tiempo y a una temperatura determinados, los cuales dependen de la naturaleza y del contenido de cada uno de los componentes


FABRICACION

ASFALTOS MODIFICADOS CON POLÍMEROS EFECTOS DEL EVA SOBRE LAS PROPIEDADES DEL ASFALTO

 Disminuye la penetración  Aumenta el punto de ablandamiento  Incrementa el índice de penetración  Produce poco efecto sobre la ductilidad a 5ºC (poca capacidad de deformación rotura a baja temperatura)  Aumenta de manera moderada la recuperación elástica por torsión

ASFALTOS MODIFICADOS CON POLÍMEROS EFECTOS DEL SBS SOBRE LAS PROPIEDADES DEL ASFALTO

 Disminuye la penetración  Aumenta el punto de ablandamiento  Incrementa el índice de penetración (más que el EVA)  Aumenta sustancialmente la ductilidad a 5ºC  Produce incrementos de importancia en la tenacidad  Aumenta de manera importante la recuperación elástica

ASFALTOS MODIFICADOS CON POLÍMEROS Ensayo de recuperación elástica por torsión (INV E-727)  Un cilindro inmerso en una muestra del asfalto a 25º C se gira horizontalmente 180º y después de 30 minutos se mide el ángulo que ha recuperado a causa de la elasticidad del asfalto (A)

A *100 Recuperación elástica = 180

ASFALTOS MODIFICADOS CON POLÍMEROS Ensayo de recuperación elástica en ductilómetro (ASTM D6084 – INV E-742)  Una muestra del asfalto modificado es sometida a un estiramiento de 20 cm en el ductilómetro, a 25º C, a razón de 5 cm/minuto Al alcanzar esa longitud se corta la muestra y se determina la longitud que se recupera luego de una hora (X)

X *100 Recuperación elástica = 20

X

X X


PANORAMA DEL MEJORAMIENTO PRODUCIDO EN LAS PROPIEDADES DE LOS ASFALTOS POR DIFERENTES CLASES DE POLÍMEROS POLÍMERO

Termoenderucibles Elastómeros Plastómeros Caucho de llanta usada

+++ muy efectivo

RES IS TENCIA a la al agrietamiento deformación permanente térmico por fatiga

+++ ++ + 0/+

++ ++ + +/++

++ mejora sustancial

++ ++ 0 +

ADHES IÓN A

RES IS TENCIA AL

INCREMENTO DE

AGREGADOS

ENVEJECIMIENTO

COS TO

+ + 0 0

+ 0/+ 0 0

muy alto medio/alto medio medio

LOS

+ mejora significativa

0 poca o ninguna mejora


PANORAMA DEL MEJORAMIENTO PRODUCIDO EN LAS PROPIEDADES DE LOS ASFALTOS POR DIFERENTES CLASES DE POLÍMEROS  Los termoendurecibles producen ligantes de propiedades muy superiores, pero son muy costosos y difíciles de elaborar y aplicar  Los elastómeros (SBS) mejoran sustancialmente la resistencia a la deformación, a la fisuración térmica y a la fatiga; favorecen la adhesividad con los agregados y la resistencia al envejecimiento


PANORAMA DEL MEJORAMIENTO PRODUCIDO EN LAS PROPIEDADES DE LOS ASFALTOS POR DIFERENTES CLASES DE POLÍMEROS Los plastómeros (EVA) mejoran la resistencia a la deformación permanente, pero tienen poco efecto sobre las demás características

 El efecto del caucho de llanta usada es muy variable, dependiendo del tipo y del porcentaje de caucho y de las condiciones de procesamiento

ASFALTOS MODIFICADOS CON POLÍMEROS TIPOS DE ASFALTOS MODIFICADOS CON POLÍMEROS, INCLUIDOS EN LAS ESPECIFICACIONES DEL INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS TIPO I: Es un asfalto de utilización en aglomerado asfáltico, y dentro de éste, su mayor aplicación son las mezclas drenantes. Está pensado para el uso de un polímero tipo EVA o polietileno TIPO II: También para aglomerado asfáltico, de cualquier tipo. El polímero sería de tipo SBS y con grado de modificación intermedia, suficiente para muchas aplicaciones (entre ellas por ejemplo, los drenajes), con un costo menor al Tipo III TIPO III: Dentro de los tipos para utilizar en aglomerados asfálticos, éste sería el de mayor modificación siendo su aplicación principal las mezclas densas y las mezclas discontinuas en caliente para capa de rodadura. Su polímero es del Tipo SBS. TIPO IV: De mayor penetración se aplicaría a mezclas antifisuras (tipo arena-asfalto) o riegos en caliente (membranas tipo SAM o SAMI). El polímero es también SBS, el cual garantiza la alta elasticidad exigida a los ligantes en estos tratamientos. Por esto mismo, el nivel de modificación es también elevado TIPO V:: De alta consistencia, recomendado para la manufactura de mezclas de alto módulo

ASFALTOS MODIFICADOS CON POLÍMEROS ESPECIFICACIONES DEL INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS PARA LOS ASFALTOS MODIFICADOS CON POLÍMEROS


EMULSIONES

ASFÁLTICAS

EMULSIONES ASFÁLTICAS DEFINICIÓN

 Dispersión homogénea de pequeños glóbulos de cemento asfáltico cubiertos por un emulsificante, dentro de una fase continua acuosa  Su fabricación requiere dos tipos de energía:

— Una mecánica, aportada por un molino coloidal que fragmenta el asfalto en forma de gotas esféricas — Una físico - química, que evita que los glóbulos se unan unos con otros, la cual es aportada por el emulsificante, que disminuye la tensión interfacial entre el asfalto y el agua y crea una carga eléctrica en la superficie de los glóbulos

EMULSIONES ASFÁLTICAS ESQUEMA DE PLANTA DE FABRICACIÓN

EMULSIONES ASFÁLTICAS ESQUEMA DE PLANTA DE FABRICACIÓN

EMULSIONES ASFÁLTICAS Clasificación de las emulsiones asfálticas a) Por el tipo de emulsificante utilizado en su elaboración Aniónicas Fabricadas a partir de emulsificantes iónicos que al disociarse en el agua, el glóbulo de betún queda rodeado de cargas negativas Los emulsificantes utilizados son jabones procedentes de la reacción química de ácidos grasos de cadena larga o resinas, con bases inorgánicas fuertes como el NaOH. RCOOH  NaOH  RCOONa   H 2 O H   RCOO  , Na  2O

Catiónicas Fabricadas a partir de emulsificantes iónicos que al disociarse en el agua, el glóbulo queda rodeado de cargas positivas Los emulsificantes usados son sales originadas por acción de ácidos minerales, como el HCl, sobre productos amínicos

RNH 2  HCl  RNH 3 Cl H   RNH 3 , Cl  2O

Son de reducida aplicación (agregados calizos y Se adaptan perfectamente a la mayor parte de condiciones ambientales muy favorables) los agregados y permiten trabajar en condiciones abientales menos favorables.

EMULSIONES ASFÁLTICAS

Clasificación de las emulsiones asfálticas a) Por el tipo de emulsificante utilizado en su elaboración

EMULSIONES ASFÁLTICAS Clasificación de las emulsiones asfálticas b) Por su velocidad de rotura  Rotura

es la separación irreversible del asfalto y del agua de la emulsión. En función de la velocidad de rotura, es decir, de su mayor o menor facilidad para romper el equilibrio de las emulsiones cuando se enfrentan con los agregados pétreos, se subdividen en: -De rotura rápida (ARR-CRR) -De rotura media (ARM - CRM) -De rotura lenta (ARL - CRL)

 La obtención de una u otra se logra en función del tipo y de la cantidad de emulsificante empleado

EMULSIONES ASFÁLTICAS

Beneficios de su aplicación  En

la mayoría de los casos se puede utilizar sin calentamiento alguno y no requieren solventes de petróleo para su fluidificación  Previenen la contaminación ambiental, porque las emisiones de productos hidrocarbonados son nulas o muy pequeñas  Tienen capacidad para envolver agregados pétreos húmedos  Se pueden formular para satisfacer múltiples requisitos de diseño y construcción  No se presentan riesgos de incendio durante su manejo y aplicación

ENSAYOS PARA CLASIFICAR LAS EMULSIONES ASFÁLTICAS

ENSAYOS DE CALIDAD EN CUANTO A SU FABRICACIÓN  pH  Carga de partículas  Contenido de agua  Destilación  Estabilidad al almacenamiento  Tamizado

ENSAYOS PARA CLASIFICAR LAS EMULSIONES ASFÁLTICAS Potencial de hidrógeno (pH) (INV E-768) Determina el grado de acidez o alcalinidad de la fase acuosa, indicando el tipo de emulsión, ya que las catiónicas son ácidas (pH < 7) y las aniónicas son alcalinas (pH >7)

ENSAYOS PARA CLASIFICAR LAS EMULSIONES ASFÁLTICAS Ensayo de carga eléctrica de partículas (INV E-767) Se realiza para identificar la polaridad de los glóbulos de asfalto de la emulsión, teniendo carga eléctrica negativa las aniónicas y positiva las catiónicas Se aplica una carga de 8 miliamperios y los glóbulos se dirigen hacia el lado que presente carga contraria a la del emulsificante que ellos tienen


Contenido de agua (INV E-761) Es un procedimiento rápido para conocer la concentración del ligante en una emulsión asfáltica Se coloca en un matraz una determinada cantidad de emulsión con un disolvente no miscible con el agua, sometiéndola a calentamiento El agua y el disolvente se destilan condensándose en un refrigerante, del cual caen a un colector graduado donde se puede leer la cantidad de agua que contenía la emulsión


Destilación (INV E-762) Permite obtener el contenido de agua y disolventes que presenta la emulsión al calentarla a 260° C

El residuo se recupera para realizar sobre él pruebas de penetración, ductilidad y solubilidad, para saber cómo ha afectado al cemento asfáltico el calentamiento

ENSAYOS PARA CLASIFICAR LAS EMULSIONES ASFÁLTICAS Estabilidad en almacenamiento (INV E-764) Ayuda a conocer la homogeneidad que presenta la emulsión al ser almacenada durante largo tiempo y consiste en dejar reposar durante 5 días el producto y determinar la concentración de asfalto en él, en diferentes alturas del depósito


Tamizado (INV E-765) Su finalidad es determinar si la emulsión contiene grumos de asfalto coagulado que puedan entorpecer el funcionamiento de los distribuidores de presión de los carrotanques  La prueba se realiza determinando el residuo que se retiene en el tamiz # 20


ENSAYOS DE CALIDAD EN CUANTO A SU APLICACIÓN  Viscosidad  Demulsibilidad  Mezcla con cemento  Resistencia a la acción del agua (adhesividad)

ENSAYOS PARA CLASIFICAR LAS EMULSIONES ASFÁLTICAS Viscosidad Saybolt – Furol (INV E-763) Mide la consistencia de la emulsión, dando una idea de su manejabilidad y de su comportamiento a las temperaturas utilizadas durante la construcción

Se determina el tiempo que tardan en salir del viscosímetro 60 cm3 de emulsión a la temperatura especificada

ENSAYOS PARA CLASIFICAR LAS EMULSIONES ASFÁLTICAS Rotura a) Demulsibilidad (INV E-766)  Se aplica a las emulsiones catiónicas de rotura rápida para determinar su estabilidad al enfrentarse con los agregados

 La emulsión se somete a adiciones de una solución al 0.8% de dioctilsulfosuccinato sódico para provocar su rotura, tamizándola posteriormente por el tamiz # 14, determinando el residuo retenido en dicho tamiz

ENSAYOS PARA CLASIFICAR LAS EMULSIONES ASFÁLTICAS Rotura

b) Mezcla con cemento (INV E-770) Tiene por objeto fijar una condición de mínima estabilidad para las emulsiones de rotura lenta en mezclas con agregados que contengan una elevada proporción de finos Se diluye la emulsión al 55% y se mezclan 100 cm3 de ella con 50 gramos de cemento, determinando la cantidad de mezcla que no pasa el tamiz # 14


Recubrimiento del agregado desplazamiento (INV E-769)

y

resistencia

al

Sirve para determinar la capacidad de la emulsión para envolver el agregado, para soportar el mezclado sin que se rompa la película formada y para resistir la acción de lavado del agua después de completado el mezclado Aunque la prueba se puede realizar con cualquier emulsión, solamente está especificada para emulsiones de rotura media

EMULSIONES ASFÁLTICAS Especificaciones del Instituto Nacional de Vías para emulsiones asfálticas catiónicas ROTURA RAPIDA

ROTURA MEDIA CRM

TIPOS DE EMULSIONES CRR - 1 1. ENSAYO SOBRE EMULSION Viscosidad

CRR - 2

Mín

Máx

Mín

Máx

Mín

ROTURA LENTA CRL - 0

CRL - 1

CRL - 1h

Máx

Mín

Máx

Mín

Máx

Mín

Máx

E-763

·

Saybolt Furol a 25° C

Seg

-

-

-

-

-

-

-

50

-

200

-

100

·

Saybolt Furol a 50° C

Seg

20

100

20

300

20

400

-

-

-

-

-

-

Contenido de agua en volumen

%

-

40

-

35

-

35

-

50

-

43

-

43

·

Sedimentación a los 7 días

E-761

%

E-764

Destilación: Contenido de Asfalto Residual % ·

Contenido de disolventes

%

-

Tamizado: Retenido T 20 (850 m) Rotura: ·

Dioctilsulfosuccinato sódico

Mezcla con cemento

E-762

5 60

%

Carga Partícula pH

··

Recubrimiento del agregado y resistencia al desplazamiento Con agregado seco y acción del agua

· ·

-

5 60

65

3 0.1

E-765 %

5 3

12

-

0.1 40

10 40 10

0.1

20

-

0.1

-

-

0.1

.1

E-770

-

E-767

POSITIVA

POSITIVA

POSITIVA

POSITIVA

POSITIVA

POSITIVA

E-768

-

-

-

-

6

-

6

-

6

6

-

6

-

E-769

-

6

-

-

0

E-766

-

-

5 57

40 -

-

5 57

-

-

-

-

2

Buena -

-

-

-

Satisfactoria

-

-

-

-

-

-

Con agregado húmedo

-

-

-

-

Satisfactoria

-

-

-

-

-

-

Con agregado húmedo y acción del agua

-

-

-

-

Satisfactoria

-

-

-

-

-

-

2.

ENSAYOS SOBRE RESIDUO DE ESTILACION Penetración (25oC,100gr,5seg) 0.1 mm. Ductilidad (25oC,5cm/m) cm.

E-706

60 100

100 250

60 100

100 250

100

250

200

300

60 100

100 250

60

100

E-702

40

-

40

-

40

-

40

-

40

-

40

-

Solubilidad en tricloroetileno

E-713

97

-

97

-

97

-

97

-

97

-

97

-

%


EMULSIONES ASFÁLTICAS MODIFICADAS


 Las ventajas de los asfaltos modificados son aplicables al ligante residual de las emulsiones modificadas  La modificación se logra de dos maneras: — Añadiendo látex a la fase acuosa y empleando un cemento asfáltico convencional. Es una dispersión de látex en medio de la emulsión — Elaborando la emulsión con betunes previamente modificados con polímeros. El grado de modificación es mayor que el obtenido con látex, a igualdad de contenido de polímero


ENSAYOS PARA CLASIFICAR LAS EMULSIONES ASFÁLTICAS MODIFICADAS

Ensayos sobre emulsiones modificadas Son los mismos que para emulsiones convencionales, puesto que no debe haber diferencias apreciables en las características, por el hecho de que el ligante esté modificado Las diferencias se presentan en el ensayo para obtener el residuo, el cual no se puede obtener por destilación, sino por evaporación (INV E-771), puesto que el polímero pudiera degradarse a las altas temperaturas alcanzadas durante el proceso de destilación El ensayo de solubilidad no se incluye, puesto que ciertos polímeros pueden presentar problemas por no ser solubles o por la dificultad en conseguir la solubilización

ENSAYOS PARA CLASIFICAR LAS EMULSIONES ASFÁLTICAS MODIFICADAS

Ensayos sobre emulsiones modificadas (cont.) Como ensayos adicionales sobre el residuo se incorporan: —Punto de ablandamiento, el cual permite conocer el comportamiento del ligante a alta temperatura y comprobar la modificación del mismo —Ductilidad a 5°C, el cual permite conocer el comportamiento del ligante a baja temperaturas —Recuperación elástica, el cual se incluye para medir la elasticidad del ligante modificado

EMULSIONES ASFÁLTICAS MODIFICADAS ESPECIFICACIONES DEL INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS PARA LAS EMULSIONES ASFÁLTICAS MODIFICADAS CON POLÍMEROS Norm a de

TIPOS DE EMULSIONES 1. ENSAYOS SOBRE EMULSIÓN Viscosidad Saybolt Furol a 25ºC a 50ºC Contenido de agua en volumen Estabilidad almacenamiento Sedimentación a los 7 días Destilación Contenido de asfalto residual Contenido de disolventes Tamizado Retenido en tamiz nº 20 (850 m) Rotura Dioctilsulfosuccinato sódico Mezcla con cemento Carga partícula pH Recubrimiento del agregado y resistencia al desplazamiento Con agregado seco Con agregado seco y acción del agua Con agregado húmedo Con agregado húmedo y acción del agua 2. ENSAYOS SOBRE EL RESIDUO DE EVAPORACIÓN Penetración (25ºC, 100 g, 5 s) Punto de ablandamiento Ductilidad (5ºC, 5 cm/min) Recuperación elástica por torsión 25ºC

ensay o INV

E-763 s s %

ROTURA RÁPIDA CRR-1m Mín Má . x.

R. MEDIA

CRR-2m Mín Má . x.

R. LENTA

CRMm Mín Má . x.

CRL-1hm Mín Má . x. 100

E-761 E-764

%

20 -

100 40

20 -

300 35

20 -

450 35

-

43

-

5

-

5

-

5

-

5

60 -

3

65 -

3

60 -

12

57 -

0

-

0.1

-

0.1

-

0.1

-

0.1

E-762 % % E-765 % % %

0.1m m ºC

cm %

E-766 E-770 E-767 E-768 E-769

E-771 E-706 E-712 E-702 E-727

40 Positiva 6 -

-

60 100 55 45

100 250

10 12

--

40 Positiva 6

Positiva 6

2 Positiva 6

Buena Satisfactori a Satisfactori a Satisfactori a

-

-

-

-

100 250

100

250

60

100

--

40

-

55 45

--

60 100 55 45

10 12

10 12

10 12


ASFALTO LÍQUIDO PARA RIEGOS DE IMPRIMACIÓN

ASFALTO LÍQUIDO PARA IMPRIMACIÓN

A pesar de la limitación en el uso de los asfaltos líquidos por razones ambientales, las especificaciones del INVÍAS contemplan el uso del MC 30, específicamente para riegos de imprimación, dado que se considera que su comportamiento es mejor que el de las emulsiones asfálticas destinadas al mismo uso La denominación MC se refiere al tipo de solvente involucrado en el asfalto (kerosén)

El símbolo numérico (30) se refiere a la viscosidad cinemática mínima, en centistokes, que debe presentar el producto a 60ºC. La viscosidad máxima admisible corresponde al doble del valor de identificación del asfalto

ASFALTO LÍQUIDO PARA IMPRIMACIÓN ESPECIFICACIONES DEL INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS PARA LOS ASFALTOS LÍQUIDOS PARA RIEGOS DE IMPRIMACIÓN

REVESTIMIENTOS BITUMINOSOS

CONTENIDO

Introducción Riegos sin gravilla

Riegos con gravilla Lechadas asfálticas y microaglomerados en frío Mezclas asfálticas en caliente Concreto asfáltico Método Marshall Método de diseño volumétrico SUPERPAVE

CONTENIDO (continuación) Evaluación de mezclas de concreto asfáltico Ensayos para análisis y diseño empírico-mecanístico de pavimentos asfálticos Módulo elástico Resistencia a la fatiga

Ahuellamiento del pavimento asfáltico Agrietamiento térmico Susceptibilidad a la humedad

Fricción

CONTENIDO (continuación) Mezclas abiertas en caliente Mezclas SMA

Mezclas asfálticas de alto módulo Mezcla discontinua en caliente para capa de rodadura Mezcla drenante Mezclas asfálticas en frío Mezclas densas en frío Mezclas abiertas en frío


INTRODUCCIÓN


Definición El revestimiento bituminoso es la capa superior de un pavimento, constituida por un tratamiento o por una mezcla bituminosa Función Brindar una superficie de rodamiento lisa y segura al tránsito automotor


Composición Agregados pétreos y un producto bituminoso, aplicados en forma de riegos o de mezcla. En el primer caso el revestimiento no brinda aporte estructural y en el segundo generalmente sí Requerimientos Proporcionar adecuada resistencia al deslizamiento, al ahuellamiento (mezclas) y a la fractura por causas imputables o no a las cargas del tránsito

AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO

Características generales La mayoría de las pruebas para verificar la calidad de los materiales para los revestimientos bituminosos son las mismas exigidas para las capas granulares Existen dos tipos de pruebas adicionales, que sirven para verificar ciertas condiciones específicas del agregado como parte del revestimiento: —Coeficiente de pulimento acelerado —Adhesividad con el ligante bituminoso Así mismo, para el diseño de mezclas asfálticas se requiere conocer los pesos específicos de los agregados y del llenante


Coeficiente de pulimento acelerado (INV E-232) Es una medida de la resistencia de los agregados a la acción de pulimento bajo la acción de los neumáticos de los vehículos Muestras del agregado son sometidas a la acción de una llanta con presión de 3.15 kg/cm2 y a un polvo abrasivo y agua durante 6 horas

Las características de fricción del agregado pulimentado se miden con el péndulo británico de fricción


Coeficiente de pulimento acelerado (INV E-232) MÁQUINA DE ENSAYO


Coeficiente de pulimento acelerado (INV E-232)


Adhesividad con el ligante bituminoso Los ensayos de afinidad con el ligante buscan determinar la resistencia de los agregados al desprendimiento de la película de asfalto en presencia de agua

Los ensayos usuales determinan la adhesividad pasiva, es decir, la resistencia al desplazamiento del ligante en contacto los agregados, por la acción del agua y/o del tránsito: —Adherencia en bandeja —Placa Vialit —Stripping —Riedel Weber —Estabilidad retenida (Marshall) —Resistencia retenida (inmersión-compresión) —Resistencia retenida (tracción indirecta)


Adhesividad con el ligante bituminoso Ensayo de adherencia en bandeja (INV E 740) Se usa para valorar la adherencia de los agregados para la construcción de tratamientos superficiales

Partículas de agregado seco se adhieren a una película de asfalto de 1.5 mm, llevándose el conjunto al horno a 60ºC por 1 día y cubriéndolo luego con agua durante 4 días, después de los cuales se remueven las partículas y se evalúa, en porcentaje, la proporción de su superficie que conserva el asfalto adherido


Adhesividad con el ligante bituminoso Ensayo de adherencia en bandeja (INV E 740)


Adhesividad con el ligante bituminoso Ensayo de adherencia en Placa Vialit (NLT 313) Se usa para valorar la adherencia de los agregados para la construcción de tratamientos superficiales


Adhesividad con el ligante bituminoso Ensayo de adherencia en Placa Vialit (NLT 313) Se coloca el ligante sobre la placa y se insertan en él 100 partículas de la gravilla por emplear y se compactan Una vez curado el ligante, la placa se coloca en posición invertida sobre el soporte del dispositivo de ensayo y se somete a 3 impactos de una esfera de acero Se cuentan las partículas desprendidas que no estén manchadas por el ligante (A) Adhesividad (%) = 100 - A


Adhesividad con el ligante bituminoso

Ensayo de adherencia en Placa Vialit (NLT 313)

Placa con ligante y gravilla

Colocación de placa sobre el soporte

Posición de la esfera para los impactos



Ensayo de adherencia en Placa Vialit (NLT 313)

Se levanta la placa luego de los impactos

Aspecto de la muestra luego de la prueba

Conteo de partículas no manchadas


Adhesividad con el ligante bituminoso Stripping (AASHTO T 182 – INV E-737) Se emplea para valorar la afinidad con el asfalto de los agregados para mezclas abiertas en caliente Una muestra del agregado se mezcla con una cantidad conocida de asfalto, se sumerge en agua por 48 horas y luego se estima de manera visual si el área de las partículas cubiertas por el ligante es mayor o menor de 95 %


Adhesividad con el ligante bituminoso Stripping (AASHTO T 182 – INV E-737)

AGREGADOS CON DIFERENTES NIVELES DE ADHESIVIDAD


Adhesividad con el ligante bituminoso Ensayo Riedel – Weber para arenas (INV E - 774) Partículas de arena de tamaños entre 0.20 mm y 0.63 mm, mezcladas con asfalto, se someten a la acción de soluciones de carbonato sódico de concentraciones crecientes

Se determina cuál es la menor de las concentraciones de la solución que produce el desprendimiento total del ligante de la superficie de la arena



Estabilidad Marshall retenida (AASHTO T 245) Probetas Marshall elaboradas con el contenido óptimo de asfalto según diseño, se sumergen en agua a 60º C por 48 horas y luego se someten al ensayo de estabilidad Las estabilidades se comparan con las obtenidas sobre probetas ensayadas en condición normal (inmersión a 60ºC por 30 minutos)



Resistencia retenida por inmersión compresión (AASHTO T 165 y T 167 – INV E-738) Probetas con el contenido óptimo de asfalto se compactan por presión (170 kN) y se someten a curado, divididas en 2 grupos, durante 4 días: uno al aire a 25 ºC y el otro en agua a 49 ºC por 4 días o a 60 ºC por 24 horas Las probetas se fallan por compresión simple y se comparan los resultados promedio de los 2 grupos: RESISTENCI A RETENIDA 

RESISTENCI A TRAS CURADO HÚMEDO *100 RESISTENCI A TRAS CURADO SECO



Resistencia retenida por inmersión compresión (AASHTO T 165 y T 167 – INV E-738)


Adhesividad con el ligante bituminoso Resistencia retenida en tracción indirecta (AASHTO T283 – INV E-725)


Adhesividad con el ligante bituminoso Resistencia retenida en tracción indirecta (INV E-725)

Las probetas cilíndricas son sometidas a compresión hasta la falla a lo largo de dos generatrices opuestas, con una velocidad de deformación de 50 mm/minuto a 25 °C Este modo de carga produce un esfuerzo horizontal de tensión a lo largo del eje vertical y uno de compresión a lo largo del diámetro horizontal

La falla se produce por agrietamiento por tensión a lo largo del diámetro vertical



2000 * P ST   * D *t

ST = resistencia a la tensión indirecta, kPa P = carga máxima, N D = diámetro de la probeta, mm t = espesor de la probeta, mm




Ensayo adicional sobre el agregado grueso Contenido de impurezas (INV E 237)

Determina la limpieza superficial del agregado grueso Mediante lavado, se separan las partículas menores al tamiz # 35 (0.5 mm), las cuales se consideran como impurezas El porcentaje en masa de las impurezas respecto de la masa seca de las partículas ensayadas, es el resultado del ensayo


Peso específico del agregado grueso (AASHTO T85 – INV E-223) 1. Determinación de la condición SSS

 Una muestra del agregado se sumerge en agua 24 horas, luego se seca con una tela absorbente para eliminar el agua libre,

pero dejando la apariencia de que la superficie de las partículas está húmeda  Se anota el peso del agregado SSS (B)


Peso específico del agregado grueso (AASHTO T85 – INV E-223) 2. Determinación de los pesos específicos Se coloca la muestra en una canasta de malla y se determina el peso de la muestra sumergida en agua (C)


Peso específico del agregado grueso (AASHTO T85 – INV E-223) 2. Determinación de los pesos específicos Se saca la muestra de la canasta, se seca en el horno y se determina su peso (A)


Peso específico del agregado grueso (AASHTO T85 – INV E-223) 2. Determinación de los pesos específicos


Peso específico del agregado fino (AASHTO T84 – INV E-222) 1. Determinación de la condición SSS Una muestra del agregado humedecido se coloca en un molde troncocónico y se le aplican 25 golpes de un pisón metálico Se levanta el molde y si la arena mantiene la forma, es que se encuentra muy húmeda y se debe airear Se repite la operación hasta que la muestra se escurre al retirar el molde


Peso específico del agregado fino (AASHTO T84 – INV E-222) 1. Determinación de la condición SSS

Apisonado del agregado

Condición SSS del agregado


Peso específico del agregado fino (AASHTO T84 – INV E-222) 2. Determinación de los pesos específicos Se colocan 500 gramos del agregado en condición SSS en un frasco de volumen V Se llena el frasco con agua a 20ºC y se determina el peso de agua requerida para llenarlo (W) Se saca el agregado del frasco, se seca en el horno y se pesa (A)


Peso específico del agregado fino (AASHTO T84 – INV E-222) 2. Determinación de los pesos específicos

Colocación de la muestra en el frasco de volumen V

Eliminación de las burbujas de aire

Completando el agua para llenar el frasco


Peso específico del agregado fino (AASHTO T84 – INV E-222) 2. Determinación de los pesos específicos


Peso específico del llenante mineral (AASHTO T100 – INV E-128) La muestra de ensayo y se pesa (Wo) Se coloca la muestra en un picnómetro, se llena éste con agua a temperatura Tx y se pesa (Wb) Se determina el peso del picnómetro lleno de agua a la temperatura Tx (Wa)


Peso específico del llenante mineral (AASHTO T100 – INV E-128)

Determinación peso del picnómetro lleno de agua a temperatura Tx

Sacando burbujas de aire del frasco con agua y llenante, mediante calor


Peso específico de los agregados y el llenante mineral combinados Cuando se mezclan varios agregados, se debe determinar el peso especifico de la mezcla de ellos, incluyendo el llenante mineral, si éste se encuentra presente

AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO REQUISITOS DE CALIDAD DE LOS AGREGADOS PÉTREOS PARA LECHADAS ASFÁLTICAS

ESPECIFICACIONES INVÍAS

AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO REQUISITOS DE CALIDAD DE LOS AGREGADOS PÉTREOS PARA LECHADAS ASFÁLTICAS

ESPECIFICACIONES IDU - 2006

AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO REQUISITOS DE CALIDAD DE LOS AGREGADOS PÉTREOS PARA CONCRETOS ASFÁLTICOS



REQUISITOS DE CALIDAD DE LOS AGREGADOS PÉTREOS PARA CONCRETOS ASFÁLTICOS (CONT.)



REQUISITOS DE CALIDAD DE LOS AGREGADOS PÉTREOS PARA MEZCLAS DISCONTINUAS EN CALIENTE PARA CAPA DE RODADURA



REQUISITOS DE CALIDAD DE LOS AGREGADOS PÉTREOS PARA MEZCLAS DRENANTE

ESPECIFICACIONES INVÍAS

AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO GRANULOMETRÍAS TÍPICAS DE LOS AGREGADOS PÉTREOS PARA TRATAMIENTOS Y MEZCLAS BITUMINOSAS

TIPOS DE REVESTIMIENTOS BITUMINOSOS

Riegos sin gravilla(*)

Revestimientos bituminosos

Imprimación Riegos de liga Otros riegos (curado, antipolvo, niebla, etc) Riegos con Tratamiento superficial simple gravilla Tratamiento superficial doble Lechadas asfálticas en caliente Mezclas en frío

densas (concreto asfáltico) abiertas discontinuas drenantes densas abiertas

(*)los riegos sin gravilla no son propiamente revestimientos bituminosos, sino tratamientos previos a ellos o colocados con otros fines


RIEGOS SIN GRAVILLA

RIEGOS SIN GRAVILLA

Imprimación Aplicación de un ligante bituminoso sobre una capa granular, previa a la construcción de un revestimiento bituminoso

El ligante por emplear debe presentar baja viscosidad para que sea fácilmente aplicable, penetre por capilaridad en la capa de base e impregne adecuadamente la superficie de ésta El ligante debe ser de curado medio (asfalto líquido MC 30 o MC 70) o de rotura lenta (emulsión asfáltica CRL 0) para favorecer el proceso de penetración dentro de la base

RIEGOS SIN GRAVILLA

Imprimación (cont.) La dosificación se establece en obra y no será inferior a 500 g/m2 de ligante residual

RIEGOS SIN GRAVILLA

Riego de liga Aplicación de un ligante bituminoso sobre un pavimento existente, previamente a la extensión de una capa bituminosa El ligante por emplear debe ser fluido para permitir una fácil aplicación, lo más uniforme posible y en dosificaciones pequeñas Deberá ser una emulsión asfáltica de rotura rápida (CRR), para permitir la puesta en obra de la nueva capa lo más rápidamente posible Debe tener muy pequeñas cantidades de disolventes o carecer de ellos, pues su exceso puede contaminar la capa bituminosa, desmejorando sus características mecánicas La dosificación se establece en obra y oscila entre 200 y 300 gramos/m2 de ligante residual

OTROS RIEGOS SIN GRAVILLA

Riego antipolvo (paliativo de polvo) Aplicación de un ligante asfáltico sobre la superficie de un camino destapado, con el fin de eliminar el polvo del mismo y hacer más cómoda la circulación  Se suelen emplear emulsiones de rotura lenta (CRL 1) diluidas entre 5 y 10 veces el volumen de la emulsión  La cantidad de emulsión por aplicar oscila entre 0.8 y 1.5 litros/m2, según la condición de la superficie por tratar

OTROS RIEGOS SIN GRAVILLA Riego antipolvo (paliativo de polvo)

SIN RIEGO

CON RIEGO


Riego de curado Aplicación de un ligante asfáltico sobre una base estabilizada con cal o con cemento Portland, Su finalidad es formar una película continua que impida o retrase la evaporación del agua, favoreciendo el curado de la capa e impidiendo su fisuramiento  Se emplean emulsiones de rotura rápida (CRL 1) en cantidades no inferiores a 400 g/m2 de ligante residual

OTROS RIEGOS SIN GRAVILLA Riego de curado

OTROS RIEGOS SIN GRAVILLA Riego niebla (riego en negro) Aplicación de un ligante asfáltico sobre un pavimento antiguo para mejorar su impermeabilidad o para rejuvenecerlo si presenta síntomas de degradación por desgaste o por escasez en la dosificación del ligante

 Se emplean emulsiones de rotura lenta (CRL 1) diluidas en agua en proporciones iguales  La cantidad del material diluido por regar varía entre 0.5 y 1.0 litro/m2


Riego niebla (riego en negro)


RIEGOS CON GRAVILLA

TRATAMIENTOS SUPERFICIALES Tratamiento superficial simple Es la aplicación de un ligante bituminoso sobre una superficie, seguida inmediatamente por la extensión y compactación de una capa de agregado pétreo de tamaño tan uniforme como sea posible

TRATAMIENTOS SUPERFICIALES

Tratamiento superficial doble Consiste en dos aplicaciones alternativas y consecutivas de un ligante bituminoso y agregados pétreos, seguidas de un proceso de compactación

 El tamaño máximo del agregado de la segunda distribución es, aproximadamente, la mitad del tamaño del agregado de la primera capa El agregado debe ser tan uniforme en tamaño como sea posible, de manera que el tratamiento tenga esencialmente una sola capa de partículas

TRATAMIENTOS SUPERFICIALES Tratamiento superficial doble


Funciones de los componentes El ligante desempeña las funciones de impermeabilizar el pavimento y fijar las partículas del agregado. Se recomienda el empleo de emulsiones asfálticas de rotura rápida (CRR 2 o CRR 2m) El agregado aporta al tratamiento características antideslizantes, resistencia a la circulación de los vehículos y asegura la drenabilidad de las aguas superficiales El tratamiento provee una superficie de rodamiento económica, asegura la estanqueidad de las capas inferiores del pavimento y brinda una textura superficial que impide el deslizamiento de los vehículos

TRATAMIENTOS SUPERFICIALES FRANJAS GRANULOMÉTRICAS TÍPICAS PARA TRATAMIENTOS SUPERFICIALES Simples (Artículo 430 Especificaciones INVIAS) TAMIZ Normal 19.0 mm 12.5 mm 9.5 mm 6.3 mm 4.75 mm 2.36 mm

Alterno 3/4‖ 1/2‖ 3/8‖ 1/4‖ No.4 No.8

PORCENTAJE QUE PASA TSS-1 TSS-2 100 90-100 100 20-55 90-100 0-15 10-40 0-15 0-5 0-5

Dobles (Artículo 431 Especificaciones INVIAS) TAMIZ Normal Alterno 25.0 mm 19.0 mm 12.5 mm 9.5 mm 6.3 mm 4.75 mm 2.36 mm 1.18 mm

1‖ 3/4‖ 1/2‖ 3/8‖ 1/4‖ No.4 No.8 No.16

PORCENTAJE QUE PASA TIPO TSD 1 TSD 2 TSD 3 TSD 4 100 90-100 100 10-45 90-100 100 0-15 20-55 90-100 100 0-15 10-40 90-100 0.5 0-15 20-55 0-5 0-5 0-15 0-5

TRATAMIENTOS SUPERFICIALES FRANJAS GRANULOMÉTRICAS TÍPICAS PARA TRATAMIENTOS SUPERFICIALES

TRATAMIENTOS SUPERFICIALES Dosificación de los tratamientos

Los métodos de dosificación son empíricos Inicialmente, se define el tamaño y la dosificación del agregado pétreo La cantidad de ligante debe ser suficiente para fijar el agregado y quedar a una altura aproximada del 70 % de éste Cualquiera sea el método utilizado, la dosificación básica se debe modificar a la vista de las condiciones particulares de cada obra


RECOMENDACIONES INVIAS PARA LA DOSIFICACIÓN DE TRATAMIENTOS SUPERFICIALES TRATAMIENTOS SUPERFICIALES SIMPLES AGREGADOS Gradación Dosificación (l/m2)

LIGANTE RESIDUAL (l/m2)

TSS-1

8-10

0.9-1.3

TSS-2

6-8

0.7-1.1


RECOMENDACIONES INVIAS PARA LA DOSIFICACIÓN DE TRATAMIENTOS SUPERFICIALES TRATAMIENTOS SUPERFICIALES DOBLES

TRATAMIENTOS SUPERFICIALES MÉTODO DE DOSIFICACIÓN DEL CRR (CENTRE DE RECHERCHES ROUTIERES DE BÉLGICA)


MÉTODO DE DOSIFICACIÓN DE LINCKENHEYL (REGLA DEL DÉCIMO) Parámetro Definición D Tamaño máximo nominal d

Tamaño mínimo nominal

A Q

Tamaño medio agregado Cantidad de agregado para el riego

L

Dosificación del ligante residual

Unidad Cálculo mm Se obtiene de franja granulométrica mm Se obtiene de franja granulométrica mm (D+d)/2 2 l/m Q = 0.9*A, si A >10mm Q = 3+0.7*A, si A 10mm 2 l/m L = 0.1*Q

TRATAMIENTOS SUPERFICIALES COMPARACIÓN ENTRE LOS MÉTODOS DE DOSIFICACIÓN DE TRATAMIENTOS SUPERFICIALES

Ejemplo Tratamiento superficial simple Franja granulométrica TSS 2 — (D = 9.5 mm; d = 4.75 mm; A = 7.1 mm) Parámetro de pérdidas (R = 1.0 litros/m2)

Superficie normal (a = 0.34) Agregados pétreos naturales (b = 0.09) Emulsión catiónica CRR 2, concentrada al 68 % (0.68)


Solución Especificaciones de construcción INVIAS Q = 6 - 8 litros/ m2 L = 0.7 - 1.1 litros/ m2 Método del CRR Q = A- (A2/100) + R = 7.1 - (7.1*7.1/100) + 1 = 8.6 litros/ m2 L = a + b*Q = 0.34 + 0.09*8.6 = 1.06 litros/ m2 Método de Linckenheyl Q = 3 + 0.7*A = 3 + 0.7*7.1 = 8.0 litros/ m2 L = 0.1*Q = 0.1*8.0 = 0.8 litros/ m2


Solución (cont.) Como el producto bituminoso del tratamiento superficial se aplica en forma de emulsión asfáltica, las dosificaciones de ligante residual (L) deben ser convertidas a cantidades equivalentes de emulsión asfáltica (E), de acuerdo con la concentración de ésta 2 L ( l / m ) 2 E (l / m )  Concentrac ión de la emulsión


LECHADAS ASFÁLTICAS Y MICROAGLOMERADOS

EN FRÍO

LECHADA ASFÁLTICA Definición Mezcla de consistencia fluida, compuesta por emulsión asfáltica de rotura lenta, agregado fino bien gradado (normalmente de tamaño máximo 10 mm), llenante mineral, agua y, eventualmente, aditivos Objetivos Impermeabilizar la superficie de un pavimento existente Proteger la carpeta asfáltica Aumentar la resistencia al deslizamiento del pavimento Mejorar la apariencia superficial La lechada no aporta capacidad estructural y no corrige la serviciabilidad del pavimento

LECHADA ASFÁLTICA

LECHADA ASFÁLTICA Funciones de los componentes Agregado pétreo Proveer un esqueleto mineral que soporte las cargas del tránsito Resistir la abrasión producida por el tránsito automotor Brindar una adecuada resistencia al deslizamiento Ligante Durante la construcción, la emulsión y el agua proveen fluidez al sistema, permitiendo que llene grietas y pequeñas depresiones y que los agregados se asienten adecuadamente Ligar el esqueleto mineral, impidiendo que las partículas de agregado sean arrancadas por el tránsito Impedir el paso de agua y aire a las capas inferiores, asegurando la durabilidad del sistema La emulsión deberá ser de rotura lenta y superestable (CRL 1h)

LECHADA ASFÁLTICA Funciones de los componentes Llenante mineral Ejercer como agente modificador de la velocidad de rotura y de la cohesión de la lechada Según el tipo de emulsificante empleado en la fabricación de la emulsión, puede actuar como acelerador o retardador de la rotura de la lechada Agua Ejercer papel de lubricante entre los agregados y la emulsión, permitiendo una correcta dispersión y fácil mezclado Brindar la consistencia necesaria para una puesta en obra de la lechada sin rotura prematura ni segregaciones Aditivo Facilitar la envuelta de la emulsión y regular su velocidad de rotura

LECHADA ASFÁLTICA Tipos de lechadas asfálticas El tipo de lechada queda definido por la gradación del agregado que la compone TAMIZ PORCENTAJE QUE PASA Normal Alterno LA-1 LA-2 LA-3 LA-4 12.5 mm 1/2‖ 100 9.5 mm 3/8‖ 85-100 100 100 4.75 mm No.4 60-85 70-90 85-100 100 2.36 mm No.8 40-60 45-70 65-90 95-100 1.18 mm No.16 28-45 28-50 45-70 65-90 600 m No.30 19-34 19-34 30-50 40-60 300 m No.50 12-25 12-25 18-30 24-42 7-18 7-18 10-20 15-30 180 m No.80 4-8 5-11 5-15 10-20 75 m No.200

LECHADA ASFÁLTICA

FRANJA GRANULOMÉTRICA TÍPICA PARA LECHADA LA-1

LECHADA ASFÁLTICA

Tipos de lechadas asfálticas El tamaño del agregado define la cantidad de la lechada y su aplicación en el pavimento TIPO DE AGREGADO Ligante residual (% en peso sobre agregados). Agua preenvuelta (% en peso sobre agregados). Agua total (% en peso sobre agregados) Cantidad de lechada (kg/m2) Capa en que se aplica

LA-1 5.5-7.5

LA-2 6.5-12.0

LA-3 7.0-13.0

LA-4 10.0-15.0

8-12

10-15

10-15

10-20

10-20

10-20

10-20

10-30

15-20 10-15 2ª o única

7-12 4-8 cualquiera 1ª o única

LECHADA ASFÁLTICA

Diseño de la lechada

Consiste en la determinación de las cantidades adecuadas de los ingredientes que conforman la mezcla La cantidad de ligante debe ser suficiente para cubrir la superficie de los agregados con una película de espesor determinado que brinde ligazón al sistema, pero sin que existan riesgos de exudación

LECHADA ASFÁLTICA

Diseño de la lechada

El contenido de agua es de la mayor importancia, tanto para la obtención de una correcta puesta en obra, como para su buena trabajabilidad y el adecuado comportamiento de la lechada frente a la acción del tránsito automotor Un exceso de agua puede retrasar la rotura y dar lugar a segregaciones de la mezcla, fluyendo parte de la emulsión hacia las zonas más bajas de la vía

LECHADA ASFÁLTICA DISEÑO DE LA LECHADA 1. Determinación del porcentaje óptimo teórico de ligante L = K (S*A)0.2 Siendo: L = contenido de ligante residual sobre el peso de los agregados (%) K = módulo de riqueza 4.4 - 4.5 para lechada tipo LA-2 4.5 - 4.8 para lechada tipo LA-3 4.9 - 5.1 para lechada tipo LA-4 S = superficie específica del agregado (m2/kg) A = factor de corrección por peso específico del agregado (A = 1.00 cuando el peso específico es 2.65)

LECHADA ASFÁLTICA DISEÑO DE LA LECHADA 1. Determinación del porcentaje óptimo teórico de ligante (cont.) Superficie específica (S) (% retenido en un tamiz * FSE )  S 100

—Factor de superficie específica (FSE) FSE = 2.50 (D*d)0.5 Siendo: D = abertura del tamiz mayor (mm) d = abertura del tamiz menor (mm)

LECHADA ASFÁLTICA DISEÑO DE LA LECHADA 1. Determinación del porcentaje óptimo teórico de ligante Ejemplo Agregado silíceo, peso específico 2.65, gradación LA-3 Gradación

Agregado

Retenido entre tamices 0 8 12 20 20 15 10 8 7

Tamiz % pasa 3/8" 100 No 4 92 No 8 80 No1 6 60 No 30 40 No 50 25 No 80 15 No 200 7 Fondo 0 Suma Superficie específica (S).m2/kg Módulo de riqueza (K) Factor de corrección por peso específico (A) % LIGANTE TEÓRICO

F.S.E.

0,37 0,74 1,5 2,97 5,89 10,76 21,52 130

Producto

2,96 8,88 30,00 59,40 88,35 107,60 172,16 910,00 1.379,35 13,79 4.7 1.0 7.9

LECHADA ASFÁLTICA DISEÑO DE LA LECHADA

2. Determinación de la consistencia (% óptimo de agua) La consistencia debe ser lo suficientemente fluida para que la lechada pueda penetrar en grietas y deformaciones. Sin embargo, si la lechada es demasiado fluida puede segregarse y escurrir de manera excesiva bajo la caja mezcladora y sobre el pavimento El ensayo del cono de consistencia, permite ajustar la dosis de agua de mezclado (adicional al agua de la emulsión) para obtener una óptima colocación de la lechada (norma de ensayo INV E-777)


2. Determinación de la consistencia (% óptimo de agua)

LECHADA ASFÁLTICA

DISEÑO DE LA LECHADA 2. Determinación de la consistencia (% óptimo de agua)

Para realizar el ensayo se fabrica una mezcla de prueba y se llena con ella el cono sobre la placa graduada. El cono se levanta y se mide la extensión de la lechada en cuatro puntos perpendiculares. El valor promedio se registra como la consistencia de la lechada Se considera que el porcentaje óptimo de fluidos es aquel con el cual se logra una fluencia de la lechada entre 2 y 3 cm

LECHADA ASFÁLTICA DISEÑO DE LA LECHADA 2. Determinación de la consistencia (% óptimo de agua)


3. Propiedades mecánicas En el diseño de una lechada asfáltica se deben verificar dos propiedades:

—Resistencia a la abrasión, mediante el ensayo de abrasión en pista húmeda, WTAT (norma de ensayo INV E-778) —Tendencia a exudar, mediante el ensayo de absorción de arena en la máquina de rueda cargada, LWT (norma de ensayo INV E-779)


3.1 Ensayo de abrasión en pista húmeda Se utiliza para determinar el contenido mínimo de ligante que impida un desgaste excesivo de la lechada en condiciones de servicio Se someten probetas curadas de lechada, de forma circular, sumergidas en agua a 25°C, a la acción abrasiva de un caucho de manguera durante 5 minutos

El desgaste se mide por la pérdida de peso por unidad de área de la muestra y se denomina ―pérdida por abrasión‖

LECHADA ASFÁLTICA DISEÑO DE LA LECHADA 3.1 Ensayo de abrasión en pista húmeda

LECHADA ASFÁLTICA DISEÑO DE LA LECHADA 3.1 Ensayo de abrasión en pista húmeda Se grafican los pérdidas obtenidas en el ensayo para diferentes contenidos de ligante Se considera que una lechada no sufrirá problemas críticos de abrasión, si las pérdidas no exceden de 650 gramos/m2

LECHADA ASFÁLTICA

DISEÑO DE LA LECHADA 3.2 Ensayo de absorción de arena en la máquina de rueda cargada Mide la tendencia de la lechada a exudar, la cual puede ser asociada con ahuellamiento Se emplean probetas curadas de lechada, de forma rectangular, las cuales son sometidas a 1000 ciclos de una rueda que busca comprimir la lechada para expulsar el exceso de asfalto, si lo hay

LECHADA ASFÁLTICA

DISEÑO DE LA LECHADA

3.2 Ensayo de absorción de arena en la máquina de rueda cargada Luego se distribuye arena caliente sobre la probeta y se aplican 100 nuevos ciclos de carga  La arena se adhiere a la superficie de la probeta en una cantidad que es proporcional a la exudación de asfalto La tendencia a exudar se calcula por el peso de arena adherida por unidad de superficie de la probeta y se denomina ―absorción de arena‖

LECHADA ASFÁLTICA

DISEÑO DE LA LECHADA 3.2 Ensayo de absorción de arena en la máquina de rueda cargada

LECHADA ASFÁLTICA

DISEÑO DE LA LECHADA 3.2 Ensayo de absorción de arena en la máquina de rueda cargada

Se grafican los resultados obtenidos en el ensayo para diferentes contenidos de ligante El criterio de diseño es el siguiente: TPD Absorción máxima de arena <300 800 g/ m2 300-1500 700 g/ m2 >1500 600 g/ m2 El contenido máximo admisible de ligante en la lechada es aquel que corresponda a la máxima absorción admisible de arena


3.2 Ensayo de absorción de arena en la máquina de rueda cargada

LECHADA ASFÁLTICA DISEÑO DE LA LECHADA 4. Selección del contenido óptimo de ligante

LECHADA ASFÁLTICA

DISEÑO DE LA LECHADA

5. Propiedades de curado Estas propiedades, que se miden con el cohesiómetro, entregan información respecto del tiempo que tarda la mezcla en romper y el desarrollo del curado Esta información es necesaria para asegurar que la lechada puede ser mezclada sin riesgo de rotura antes de ser colocada y para conocer el momento en el cual se puede abrir al tránsito

LECHADA ASFÁLTICA

DISEÑO DE LA LECHADA 5. Propiedades de curado El cohesiómetro mide la resistencia a la torsión en la superficie de la lechada Se realizan medidas a intervalos regulares de tiempo, las cuales permiten elaborar una curva de evolución de la cohesión en el tiempo El criterio de ISSA sobre el particular es el siguiente: —Rotura: cuando se alcanza una resistencia a la torsión de 12 kg-cm —Apertura al tránsito: cuando se alcanzan 20 kg-cm —Curado: Cuando se logran 26 kg-cm

LECHADA ASFÁLTICA

DISEÑO DE LA LECHADA 5. Propiedades de curado

MICROAGLOMERADOS EN FRÍO Conocidos también como micro pavimentos, son aplicaciones similares a las lechadas asfálticas que combinan las características de éstas con la bondades del asfalto modificado con polímeros, lo que da lugar a un producto con mayor durabilidad y resistencia ante las cargas del tránsito y los agentes ambientales

MICROAGLOMERADOS EN FRÍO

FACTORES QUE HACEN DIFERENTE UN MICROAGLOMERADO EN FRÍO DE UNA LECHADA ASFÁLTICA

Se elaboran con emulsiones asfálticas modificadas con polímeros, del tipo CRL-1hm El agregado pétreo por emplear debe ser grueso, preferiblemente de gradación LA-1 o LA-2 Como el microaglomerado presenta mayor consistencia durante el mezclado y la colocación, se requieren equipos que, aunque similares, son de mayor potencia y diseño mecánico más robusto para su elaboración y extensión

MICROAGLOMERADOS EN FRÍO

FACTORES QUE HACEN DIFERENTE UN MICROAGLOMERADO EN FRÍO DE UNA LECHADA ASFÁLTICA (cont.)

No se exige el requisito del ensayo del cono de consistencia durante el proceso de diseño Se aplican en espesores aproximadamente 50% mayores que la lechada asfáltica, para el mismo tamaño de agregado pétreo


MEZCLAS ASFÁLTICAS

EN CALIENTE

MEZCLAS ASFÁLTICAS EN CALIENTE

Generalidades Combinación de agregados pétreos y cemento asfáltico en una planta en la cual los materiales son calentados, dosificados y mezclados para producir la mezcla de pavimentación deseada La mezcla es transportada al sitio de la pavimentación y es extendida por medio de una máquina pavimentadora en una capa ligeramente compactada, para obtener una superficie uniforme y pareja


Generalidades (cont.) Mientras la mezcla aún se encuentra caliente, es compactada intensamente con rodillos pesados para producir una capa lisa, uniforme y bien consolidada Según la granulometría del agregado utilizado, la mezcla puede ser cerrada (densa o semidensa), semicerrada (gruesa) o abierta Las mezclas cerradas y semicerradas en caliente son más conocidas como concretos asfálticos


Generalidades (cont.) La mezclas cerradas requieren de un agregado pétreo bien gradado

La mezclas semicerradas son parecidas a las anteriores, pero sus curvas granulométrica se alejan de la máxima compacidad, tiene menores contenidos de llenante y requieren menores contenidos de asfalto  Las mezclas abiertas presentan un agregado mal gradado, con baja proporción de partículas de arena y finos, de manera que existe en ellas una estructura mineral que resiste por rozamiento interno


Generalidades (cont.) Con el desarrollo de los asfaltos modificados, en los años recientes se han popularizado otros tipos de mezclas asfálticas en caliente: —SMA

—Mezclas de alto módulo —Mezclas discontinuas en caliente para capa de rodadura —Mezclas drenantes


CONCRETO ASFÁLTICO

CONCRETO ASFÁLTICO

Definición El concreto asfáltico es una mezcla íntima, elaborada en caliente, de agregados pétreos, llenante mineral y un cemento asfáltico, de manera que la superficie de todas y cada una de las partículas minerales quede recubierta de manera homogénea por una película de ligante Al compactar la mezcla cuando aún se encuentre caliente, el agregado grueso forma un esqueleto mineral, rígido y resistente, cuyos vacíos son rellenados por las partículas más finas El sistema conformado por el llenante y el asfalto forma un medio continuo y viscoso que mantiene unidas las partículas minerales, dando cohesión a la mezcla

CONCRETO ASFÁLTICO

Franjas granulométricas típicas para un concreto asfáltico Artículo 450 - INVIAS

CONCRETO ASFÁLTICO FRANJA GRANULOMÉTRICA TÍPICA PARA UN CONCRETO ASFÁLTICO

CONCRETO ASFÁLTICO CONSECUENCIAS DE LAS IRREGULARIDADES EN LA CURVA GRANULOMÉTRICA PARA UN CONCRETO ASFÁLTICO

CONCRETO ASFÁLTICO

Selección del cemento asfáltico para mezclas de concreto asfáltico Artículo 400 - INVÍAS

CONCRETO ASFÁLTICO

Requerimientos de una mezcla de concreto asfáltico Suficiente asfalto para asegurar un pavimento durable Suficiente estabilidad bajo cargas de tránsito

Suficientes vacíos con aire: - límite superior para prevenir desintegración de la capa - límite inferior para dar espacio a la densificación producida por el tránsito Suficiente trabajabilidad para prevenir segregaciones durante la elaboración y la colocación de la mezcla Suficiente flexibilidad para adaptarse a asentamientos y movimientos graduales de las capas inferiores

CONCRETO ASFÁLTICO Caracterización de la mezcla

Ensayos empleados para establecer las proporciones de los diferentes componentes de la mezcla y el posterior control de producción y de construcción de la misma (Marshall, Hveem, SUPERPAVE) Ensayos empleados para evaluar ciertos rasgos de comportamiento y las propiedades estructurales de la mezcla, requeridas por los métodos mecanísticos y mecanístico-empíricos de diseño de pavimentos asfálticos (triaxial, tensión indirecta, módulo resiliente diametral, módulo dinámico, ensayos de flexión de viga, creep, corte, etc)

DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO ASFÁLTICO

MÉTODO MARSHALL

MÉTODO MARSHALL Generalidades El ensayo se realiza de acuerdo con el procedimiento descrito en el manual MS2 del Instituto del Asfalto y es aplicable a mezclas con agregado de tamaño máximo no mayor de 25 mm Emplea probetas de 4 pulgadas de diámetro y 2.5 pulgadas de altura, compactadas a alta temperatura, con diferentes proporciones de asfalto, las cuales son ensayadas a 60 °C mediante deformación lateral hasta alcanzar la falla

 La carga de falla de las probetas se denomina estabilidad y la deformación máxima se llama flujo

MÉTODO MARSHALL

Generalidades (cont.) Las probetas se compactan con un martillo normalizado (10 libras y caída libre de 18 pulgadas), aplicando 35, 50 o 75 golpes por cara, dependiendo de la intensidad del tránsito de la vía para la cual se realiza el diseño

El método requiere, además del ensayo de estabilidad y flujo, la ejecución de un análisis de densidad y vacíos de las probetas compactadas, para establecer la fórmula de trabajo (proporciones óptimas de agregados y cemento asfáltico)

MÉTODO MARSHALL

DISEÑO DE LA MEZCLA DE CONCRETO ASFÁLTICO

Elementos básicos

Adición del asfalto a los agregados

MÉTODO MARSHALL DISEÑO DE LA MEZCLA DE CONCRETO ASFÁLTICO

Temperaturas de mezcla y compactación

Mezcla de los agregados con el asfalto a la temperatura especificada

MÉTODO MARSHALL


Colocación de la mezcla dentro del molde de compactación

Compactación de la mezcla

MÉTODO MARSHALL


Probetas compactadas

Pesada de probeta en el aire

Pesada de probeta en el agua

MÉTODO MARSHALL


Probetas en baño maría

Ensayo de estabilidad y flujo

MÉTODO MARSHALL DISEÑO DE LA MEZCLA DE CONCRETO ASFÁLTICO

Representación de los resultados del ensayo Marshall

MÉTODO MARSHALL CRITERIOS PARA EL DISEÑO DE LA MEZCLA Artículo 450 -INVIAS

MÉTODO MARSHALL MÉTODO MARSHALLL MODIFICADO PARA AGREGADOS DE TAMAÑO MÁXIMO MAYOR DE 25 MILÍMETROS

Cuando el agregado por utilizar en la elaboración del concreto asfáltico presente un tamaño máximo mayor de 25 mm, pero no superior a 38 mm, el Instituto del Asfalto recomienda el empleo de un método modificado, propuesto por Kandhal La modificación consiste, básicamente, en el empleo probetas de 6 pulgadas de diámetro y 3.75 pulgadas de altura, compactadas a alta temperatura, con un martillo de base con mayor diámetro y 22.5 libras de peso, con altura de caída de 18 pulgadas (norma ASTM D5581)

MÉTODO MARSHALL

MÉTODO MARSHALLL MODIFICADO PARA AGREGADOS DE TAMAÑO MÁXIMO MAYOR DE 25 MILÍMETROS

El número de golpes por aplicar por cada cara de la probeta debe ser 1.5 veces el especificado en el procedimiento normal El criterio de diseño en cuanto a estabilidad y flujo también se modifica. La estabilidad debe ser, como mínimo, 2.25 veces la exigida en el método normal, y el rango de flujo debe ser 1.5 veces mayor que el especificado en aquél

MÉTODO MARSHALL MÉTODO MARSHALLL MODIFICADO PARA AGREGADOS DE TAMAÑO MÁXIMO MAYOR DE 25 MILÍMETROS

Moldes y martillos para los métodos Marshall normal y modificado

MÉTODO MARSHALL REQUISITOS COMPLEMENTARIOS PARA EL DISEÑO DE LA MEZCLA

Una vez definido el porcentaje óptimo de asfalto de diseño según el criterio Marshall, se compactan nuevas probetas de mezcla con dicho óptimo, las cuales se someten a dos comprobaciones para verificar la validez del diseño: —Resistencia a la deformación plástica —Comprobación de la adhesividad agregado pétreo y el ligante asfáltico

entre

el


Resistencia a la deformación permanente El INVÍAS utiliza el ensayo de pista de laboratorio (norma de ensayo INV E – 756) Una probeta compactada en condiciones normalizadas se somete a 60ºC a la acción cíclica de una rueda que aplica una presión de 9 kg/cm2 durante 120 minutos Se mide la velocidad de deformación de la probeta en el intervalo comprendido entre 105 y 120 minutos


Ensayo de pista de laboratorio


Comprobación de la adhesividad entre el agregado y el asfalto El INVÍAS utilizó hasta 2007 el ensayo de inmersión y compresión (norma de ensayo INV E – 738) Probetas compactadas en condiciones normalizadas se someten a curado en dos grupos: uno al aire a 25º C durante 4 días y otro mediante inmersión en agua a 49º C durante el mismo lapso o 24 horas a 60º C Las probetas se fallan por compresión simple y se comparan los resultados de los dos grupos


Ensayo de inmersión - compresión


En 2007, el INVÍAS especificó la prueba de tensión indirecta (norma de ensayo INV E – 725) para verificar las condiciones de adhesividad entre el agregado y el asfalto en presencia de agua Probetas compactadas con el contenido óptimo de asfalto y entre 6 y 8 % de vacíos con aire se someten a curado en dos grupos: uno al aire y otro mediante saturación al vacío Las probetas se fallan por compresión diametral y se comparan los resultados de los dos grupos

MÉTODO MARSHALL EVALUACIÓN DE LA SENSIBILIDAD A LA HUMEDAD (AASHTO T 283 – INV E-725)


Ensayo de tensión indirecta Las probetas cilíndricas son sometidas a compresión hasta la falla a lo largo de dos generatrices opuestas, con una velocidad de deformación de 50 mm/minuto a 25 °C Este modo de carga produce un esfuerzo horizontal de tensión a lo largo del eje vertical y uno de compresión a lo largo del diámetro horizontal



Ensayo de tensión indirecta

2000 * P ST   * D *t




MÉTODO MARSHALL ATRIBUTOS DEL MÉTODO DE DISEÑO MARSHALL Ventajas Atención a vacíos, resistencia y durabilidad Empleo de equipos de bajo costo Fácil uso en el proceso de control y aceptación Desventajas Compactación por método de impacto No considera esfuerzos de corte La carga es perpendicular al eje de compactación

DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO ASFÁLTICO

MÉTODO DE DISEÑO VOLUMÉTRICO SUPERPAVE

MÉTODO SUPERPAVE

OBJETIVOS DEL MÉTODO DE DISEÑO VOLUMÉTRICO

Desarrollar un método de compactación en laboratorio que simule la compactación en el terreno

el

Incluir en el diseño partículas de mayor tamaño Identificar mezclas con problemas de compactabilidad Brindar la posibilidad de empleo tanto en el control como en la verificación de la calidad de la mezcla Considerar factores de durabilidad

MÉTODO SUPERPAVE COMPACTADOR GIRATORIO SUPERPAVE (CGS) Desarrollado para satisfacer los objetivos del método

MÉTODO SUPERPAVE CARACTERÍSTICAS DE LA COMPACTACIÓN DEL CGS

MÉTODO SUPERPAVE

DISEÑO DE LA COMPACTACIÓN

MÉTODO SUPERPAVE

BOSQUEJO DEL MÉTODO Se determinan tres granulometrías de prueba apropiadas Para cada una de las granulometrías, se preparan y compactan dos mezclas con un contenido de ligante que teóricamente dé lugar a especímenes con 4 % de vacíos con aire  La compactación se realiza hasta el máximo número de giros y durante el proceso se va calculando el porcentaje de compactación Terminada la compactación, se calculan los volúmenes reales de vacíos con aire y de vacíos en los agregados minerales

MÉTODO SUPERPAVE BOSQUEJO DEL MÉTODO (cont.) Se determina el contenido de ligante asfáltico para alcanzar 4% de vacíos con aire (96% de Gmm para el Ndiseño) y con él se recalculan las otras propiedades volumétricas (vacíos en los agregados minerales -VAM- y vacíos llenos de asfalto -VLA-) Las propiedades estimadas se comparan con los criterios de diseño de la mezcla (VAM, VLA, %Gmm@Nini, %Gmm@Nmáx). Además, se verifica que la relación llenante/ligante (proporción de polvo) se encuentre entre 0.6 y 1.2

MÉTODO SUPERPAVE

BOSQUEJO DEL MÉTODO (cont.) Con estos resultados se escoge la mezcla que parezca más aceptable y con ella se compactan especímenes con diferentes contenidos de ligante por debajo y por encima del estimado previamente Se calculan, para cada contenido de ligante, las propiedades volumétricas (Vacíos con aire, VAM, %Gmm@Nini , %Gmm@Nmáx)

Se elaboran gráficas y se determina un óptimo de acuerdo con los criterios de diseño

MÉTODO SUPERPAVE SELECCIÓN DEL CONTENIDO DE ASFALTO DE DISEÑO

MÉTODO SUPERPAVE

CRITERIOS DE DISEÑO Vacíos con aire: 4 % Vacíos en los agregados minerales

MÉTODO SUPERPAVE

CRITERIOS DE DISEÑO (cont.) Vacíos llenos de asfalto

 Relación llenante/ligante (proporción de polvo): 0.6 - 1.2  %Gmm@Nini : < 89 %  %Gmm@Nmáx : < 98 %

MÉTODO SUPERPAVE EVALUACIÓN DE LA SENSIBILIDAD A LA HUMEDAD (AASHTO T 283 - INV E-725)


Ensayo de tensión indirecta Las probetas cilíndricas son sometidas a compresión hasta la falla a lo largo de dos generatrices opuestas, con una velocidad de deformación de 50 mm/minuto a 25 °C Este modo de carga produce un esfuerzo horizontal de tensión a lo largo del eje vertical y uno de compresión a lo largo del diámetro horizontal



Ensayo de tensión indirecta

2000 * P ST   * D *t




EVALUACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO ASFÁLTICO

EVALUACIÓN DE LAS MEZCLAS DE CONCRETO ASFÁLTICO Las mezclas de concreto asfáltico son sometidas a diferentes pruebas para evaluar algunas propiedades estructurales requeridas por los métodos de tipo empírico mecanístico para el análisis y el diseño de pavimentos asfálticos, así como otros rasgos de comportamiento Entre las primeras, se encuentran aquellas destinadas a determinar los módulos y la resistencia a la fatiga Entre las segundas, están las que estudian la resistencia al ahuellamiento, la susceptibilidad al agrietamiento térmico y a la humedad y las características de fricción superficial

EVALUACIÓN DE LAS MEZCLAS DE CONCRETO ASFÁLTICO

ENSAYOS PARA ANÁLISIS Y DISEÑO EMPÍRICOMECANÍSTICO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS

ENSAYOS PARA ANÁLISIS Y DISEÑO EMPÍRICO - MECANÍSTICO

Generalidades Los métodos analíticos de diseño estructural de pavimentos asfálticos se basan en el estado de tensiones y deformaciones producido por las solicitaciones consideradas, con un estudio posterior de lo que significa dicho estado en la degradación de la estructura Los modelos de análisis de empleo más generalizado, son los basados en sistemas multicapa y ecuaciones elásticas (hipótesis de Burmister)


Generalidades (cont.)

Parte de la información por entregar a los modelos de respuesta basados en las hipótesis de Burmister, en relación con las capas asfálticas, es la referente a sus características mecánicas (módulo elástico y relación de Poisson) En cuanto al análisis de los deterioros generados por las cargas en las capas asfálticas, se recurre a relaciones empíricas entre las deformaciones unitarias a tracción en la mezcla asfáltica y el número admisible de aplicaciones de carga (leyes de fatiga)


MÓDULO ELÁSTICO

ENSAYOS PARA ANÁLISIS Y DISEÑO EMPÍRICO - MECANÍSTICO ENSAYO DE TENSIÓN INDIRECTA BAJO CARGA REPETIDA (ASTM D 4123 – INV E-749)

Permite determinar el módulo resiliente diametral de mezclas asfálticas, mediante la aplicación de pulsos de carga sobre el diámetro vertical de especimenes de al menos 2x4 pulgadas o 3x6 pulgadas, a diferentes temperaturas y con distintas frecuencias, con una intensidad de carga tal, que induzca entre 10% y 50% de la resistencia a la tensión

La medida de la deformación horizontal recuperable, luego de un determinado número de ciclos de carga (generalmente entre 50 y 200), permite determinar el módulo resiliente de elasticidad


P(   0.2734) ER  DH * t ER = módulo resiliente total, MPa (psi) μ = relación de Poisson de la mezcla P = magnitud de la carga repetida, N (libras) DH = deformación total recuperable horizontal, mm (pulg.) t = espesor de la probeta, mm (pulgadas)


ENSAYOS PARA ANÁLISIS Y DISEÑO EMPÍRICO - MECANÍSTICO ENSAYO PARA LA DETERMINACIÓN DEL MÓDULO DINÁMICO (ASTM D 3497 – INV E-754)

Probetas cilíndricas con relación altura/diámetro de 2 y diámetro mínimo de 101.6 mm (4 pulgadas) son sometidas, bajo diferentes condiciones de temperatura, frecuencia e intensidad, a un esfuerzo axial de compresión sinusoidal  La relación entre el esfuerzo axial (σo) y la deformación unitaria axial de compresión correspondiente (εo), luego de un tiempo de carga entre 30 y 45 segundos, se define como módulo dinámico |E* | |E* | = σo / εo

ENSAYOS PARA ANÁLISIS Y DISEÑO EMPÍRICO - MECANÍSTICO ENSAYO PARA LA DETERMINACIÓN DEL MÓDULO DINÁMICO (ASTM D 3497 – INV E-754)

ENSAYOS PARA ANÁLISIS Y DISEÑO EMPÍRICO - MECANÍSTICO DETERMINACIÓN DEL MÓDULO DINÁMICO A PARTIR DE ENSAYOS DE FATIGA POR FLEXIÓN SOBRE VIGAS (AASHTO TP 8 94)

Un espécimen de mezcla asfáltica en forma de viga (380x50x63 mm) es sometido a flexión repetida en forma de pulsos de carga, con una frecuencia de 5 a 10 ciclos por segundo, con un determinado nivel de deformación, a una temperatura preestablecida  El módulo se determina a partir de la deflexión máxima en el centro de la viga (A), en el ciclo de carga número 50


Es 

P*a ( 3l 2  4 a 2 ) 4 Abh3

Es = módulo dinámico (stiffness) flexural P = carga dinámica aplicada a = distancia entre apoyos (l / 3) l = luz libre de la viga b = ancho promedio de la viga h = altura promedio de la viga

ENSAYOS PARA ANÁLISIS Y DISEÑO EMPÍRICO - MECANÍSTICO DETERMINACIÓN DEL MÓDULO DINÁMICO A PARTIR DE ENSAYOS DE FATIGA POR FLEXIÓN SOBRE VIGAS (AASHTO TP 8 94) EQUIPO DE ENSAYO


El módulo dinámico flexural es altamente dependiente del esfuerzo de flexión (σ) al cual es sometida la viga. Para la mayoría de las mezclas, la relación la establece la expresión

Es  Eo * A1 A1 = constante que depende del tipo de mezcla y de la temperatura de ensayo Eo = rigidez flexural hipotética para σ = 0 (se ha encontrado experimentalmente que para una frecuencia de 2 Hz, su valor difiere de |E*| sólo 3 o 4 %)

ENSAYOS PARA ANÁLISIS Y DISEÑO EMPÍRICO - MECANÍSTICO RELACIÓN ENTRE EL MÓDULO DINÁMICO FLEXURAL Y EL NIVEL DE ESFUERZO DE FLEXIÓN (Ejemplo)

ST 

2000 * P  * D *t

STIFFNESS DE LAS MEZCLAS DE CONCRETO ASFÁLTICO ALGUNAS APROXIMACIONES PARA SU DETERMINACIÓN (Brown & Brunton, 1992)

a) Módulo elástico del ligante bituminoso (Eb), MPa


b) Propiedades del asfalto recuperado su mezcla y colocación

p(I) = penetración inicial del asfalto

después de


c) Tiempo efectivo de aplicación de carga (t1)


d) Stiffness de la mezcla (Em)

STIFFNESS DE LAS MEZCLAS DE CONCRETO ASFÁLTICO MODELO PREDICTIVO DE WITCZAK

Donde:

STIFFNESS DE LAS MEZCLAS DE CONCRETO ASFÁLTICO

VALORES TÍPICOS DEL MÓDULO DINÁMICO DE MEZCLAS DE CONCRETO ASFÁLTICO


RESISTENCIA A LA

FATIGA

RESISTENCIA A LA FATIGA

El agrietamiento por fatiga es uno de los dos modos principales de falla de un pavimento asfáltico, asociado con las cargas del tránsito La fatiga consiste en el agrietamiento de la capa asfáltica, inducido por aplicaciones repetidas de carga a un nivel de esfuerzo o deformación por debajo de la resistencia última del material


El modo de carga es uno de los factores primarios que afectan la respuesta a fatiga de las mezclas  Los ensayos a esfuerzo controlado miden, esencialmente, la carga para iniciar la fisuración  Los ensayos a deformación controlada dan lugar a vidas de fatiga mayores, debido a que también consideran la propagación de grietas El modo de esfuerzo controlado es característico de las capas espesas, en tanto que el modo de deformación controlada es característico de las capas asfálticas delgadas


AGRIETAMIENTO POR FATIGA

ENSAYOS PARA ANÁLISIS Y DISEÑO EMPÍRICO - MECANÍSTICO MÉTODOS DE ENSAYO PARA LA FATIGA Pruebas que tienden a evaluar la vida respecto de la iniciación del agrietamiento Flexión simple •Flexión repetida sobre una viga en el punto central •Flexión repetida sobre una viga en los tercios •Flexión repetida sobre una viga rotando en cantiliver •Flexión repetida sobre una viga en dos puntos (cantiliver trapezoidal) Carga directa axial •Probetas cilíndricas sometidas a tensión y compresión •Probetas cilíndricas de sección angostada, sometidas a tensión y compresión

Carga diametral •Ensayo cíclico de tensión indirecta

ENSAYOS PARA ANÁLISIS Y DISEÑO EMPÍRICO - MECANÍSTICO MÉTODOS DE ENSAYO PARA LA FATIGA

Pruebas que tienden a evaluar la resistencia de la mezcla a la propagación de grietas Flexión soportada •Viga soportada •Disco soportado •Losa soportada Mecánica de las fracturas •Vigas muescadas

ENSAYOS PARA ANÁLISIS Y DISEÑO EMPÍRICO - MECANÍSTICO DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA A LA FATIGA MEDIANTE EL ENSAYO DE FLEXIÓN REPETIDA SOBRE VIGAS CARGADAS EN LOS TERCIOS (AASHTO TP 8-94)

La prueba es la misma que se utiliza para determinar el módulo dinámico

El nivel de deformación producido por la carga cíclica se establece de manera que la viga requiera un mínimo de 10,000 ciclos de carga antes de que su módulo dinámico (stiffness) se reduzca al 50% de su valor inicial La reducción del stiffness en 50% representa la falla por fatiga de la viga


Se dibuja una gráfica que relacione el logaritmo del número de aplicaciones de carga contra el logaritmo de la deformación y se establece la ecuación correspondiente

1 Nf  K 1    

K2


ENSAYOS PARA ANÁLISIS Y DISEÑO EMPÍRICO - MECANÍSTICO ENSAYO CÍCLICO DE TENSIÓN INDIRECTA PARA DETERMINAR LA RESISTENCIA A LA FATIGA

El montaje es muy similar al usado para determinar el módulo resiliente mediante el ensayo de tensión indirecta bajo carga repetida La carga cíclica se aplica a diferentes especimenes de la misma mezcla, con una frecuencia determinada y a distintos niveles de esfuerzo La vida de fatiga para cada espécimen se establece como el número total de ciclos al cual la pendiente de la deformación plástica horizontal acumulada comienza a incrementarse, o el número de ciclos requerido para que el stiffness de la mezcla se reduzca 50%


ENSAYO CÍCLICO DE TENSIÓN INDIRECTA PARA DETERMINAR LA RESISTENCIA A LA FATIGA Con los valores de las deformaciones generadas para cada esfuerzo y los ciclos necesarios para llegar a la falla, se presentan los datos de la misma manera que en los ensayos de flexión repetida sobre vigas Las vidas de fatiga determinadas por compresión diametral suelen ser mayores que las obtenidas en el ensayo de flexión de viga, porque la deformación permanente es permitida en el primero y prohibida en el segundo

ENSAYOS PARA ANÁLISIS Y DISEÑO EMPÍRICO - MECANÍSTICO CURVAS TÍPICAS DE FATIGA PARA MEZCLAS DE CONCRETO ASFÁLTICO

RESISTENCIA A LA FATIGA ALGUNAS APROXIMACIONES PARA SU ESTIMACIÓN 1. Universidad de Nottingham (temperatura < 30°C)

log  t 

14.39 log VB  24.2 log TAB  40.07  log N f 5.13 log VB  8.63 log TAB  15.8

2. Shell International Petroleum Company 0.36  t  (0.856 *VB  1.08) * S mix * N f 0.2

RESISTENCIA A LA FATIGA ALGUNAS APROXIMACIONES PARA SU ESTIMACIÓN 3. Instituto del Asfalto



N f  18.4 * C 4.325 *10 3  t 

C  10 M  VB  M  4.84 *   0.69   VV  VB 

S mix 0.854 

3.291

RESISTENCIA A LA FATIGA RELACIÓN ENTRE LOS RESULTADOS DE LOS ENSAYOS Y EL COMPORTAMIENTO A LA FATIGA EN EL TERRENO La fórmulas de fatiga determinadas en el laboratorio producen una falla más temprana que la observada en el campo para iguales niveles de deformación (N fatiga < N terreno) Las condiciones de trabajo en el laboratorio son más agresivas: mayor concentración de carga, menores períodos de reposo, temperaturas fijas. Para compensar estas diferencias, se aplica un ―factor de desplazamiento‖ o ―shift factor‖ al valor N fatiga

RESISTENCIA A LA FATIGA RELACIÓN ENTRE LOS RESULTADOS DE LOS ENSAYOS Y EL COMPORTAMIENTO A LA FATIGA EN EL TERRENO (CONT.) El ―factor de desplazamiento‖ es dependiente, además, del tipo y condiciones del ensayo del laboratorio, de las características del asfalto y del espesor de las capas asfálticas (aumenta con el espesor) La bibliografía presenta un rango amplio de factores, desde algo más de 1.0 hasta valores del orden de 400. En los estudios rutinarios se aplica un valor entre 10 y 20

N terreno = N fatiga * Factor de desplazamiento


RESUMEN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE RESISTENCIA A LA FATIGA Factor Asfalto

Stiffness

Cam bio en

Efecto sobre la resistencia

el factor

al agrietam iento

Aumenta

Aumenta (esfuerzo controlado) Disminuye (deformación controlada)

Mezcla

Contenido de asfalto

Aumenta

Aumenta

Contenido de llenante

Aumenta

Aumenta

vacíos con aire

Aumenta

Disminuye

Temperatura

Aumenta

Disminuye (esfuerzo controlado)

Condiciones

Aumenta (deformación controlada)

del ensayo o

Estado de

esfuerzo controlado a

del terreno

esfuerzo/deformación

deformación controlada

Períodos

Aumenta

de reposo

Aumenta Aumenta


AHUELLAMIENTO DEL PAVIMENTO ASFÁLTICO

AHUELLAMIENTO Acumulación gradual de deformaciones permanentes en las zonas de canalización del tránsito, producida por una combinación de : —densificación (decremento de volumen y consecuente aumento de densidad) —deformaciones repetitivas por corte (constituyen la causa principal de ahuellamiento en los pavimentos bien construidos)

AHUELLAMIENTO

MECANISMO DEL AHUELLAMIENTO El tránsito tiene una incidencia importante sobre el ahuellamiento en una etapa inicial y el incremento de la deformación permanente bajo las llantas es marcadamente mayor en las zonas ubicadas bajo ellas (densificación) Después de la etapa inicial, el decremento de volumen bajo las llantas es aproximadamente igual al aumento que se produce en las zonas de levantamiento adyacentes. El ahuellamiento es causado por desplazamiento con constancia de volumen

AHUELLAMIENTO

MECANISMO DEL AHUELLAMIENTO

AHUELLAMIENTO

TIPOS DE AHUELLAMIENTO

Los pavimentos asfálticos presentan dos tipos de ahuellamiento: —Estructural

—No estructural

AHUELLAMIENTO

AHUELLAMIENTO ESTRUCTURAL

AHUELLAMIENTO


AHUELLAMIENTO


Muchos métodos de diseño de pavimentos incluyen criterios para limitar los valores de deformación sobre la subrasante, con el fin de prevenir el ahuellamiento en la superficie

v

1    N 

m

AHUELLAMIENTO


Este criterio no suele considerar el ahuellamiento producido en las capas asfálticas por causas no estructurales

AHUELLAMIENTO

AHUELLAMIENTO NO ESTRUCTURAL

AHUELLAMIENTO

AHUELLAMIENTO NO ESTRUCTURAL

AHUELLAMIENTO AHUELLAMIENTO NO ESTRUCTURAL

Producido exclusivamente por acumulación de deformaciones en capas asfálticas, cuya resistencia al corte es demasiado baja para soportar las cargas pesadas repetidas La deformación por corte se caracteriza por un movimiento de la mezcla hacia abajo y lateralmente Para predecir el ahuellamiento generado en las capas asfálticas se han desarrollado dos procedimientos analíticos:

— Deformación por capas (layer - strain) — Metodología viscoelástica

AHUELLAMIENTO

AHUELLAMIENTO NO ESTRUCTURAL Metodología de deformación por capa Predice la profundidad del ahuellamiento usando características de deformación permanente de la mezcla, determinadas en el laboratorio, junto con análisis de la teoría elástica lineal o no lineal

Cada capa del pavimento se divide en sub-capas y se calcula el estado de esfuerzos para cada una de ellas bajo el centro de la carga, lo que permite determinar la deformación plástica axial

AHUELLAMIENTO

AHUELLAMIENTO NO ESTRUCTURAL Metodología de deformación por capa (cont.) La profundidad total de ahuellamiento (Δp) para un determinado número de aplicaciones de carga es la suma de los productos de la deformación plástica promedio en el centro de cada sub-capa (εi) por el espesor de la subcapa correspondiente (Δzi) : n

p    i z i  i 1

AHUELLAMIENTO AHUELLAMIENTO NO ESTRUCTURAL Metodología viscoelástica

Considera las cargas por rueda en conjunto con propiedades de la mezcla dependientes del tiempo (definidas en términos de modelos de elementos finitos o elementos de Kelvin o Maxwell), para establecer los estados de esfuerzos y deformaciones en puntos particulares de la estructura

AHUELLAMIENTO

AHUELLAMIENTO NO ESTRUCTURAL Metodología viscoelástica (cont.) Las características de respuesta se suelen estimar mediante modelos viscoelásticos de deformaciones permanentes (VESYS por ejemplo), los cuales predicen el incremento en ahuellamiento debido a la circulación de las cargas

Estos modelos son complejos y no han dado buenas correlaciones con las deformaciones reales, no presentando un avance práctico significativo respecto del procedimiento de deformación por capas

AHUELLAMIENTO MODELOS DE PREDICCIÓN DEL AHUELLAMIENTO

Método Baladi Se basa en resultados de ensayos de tensión indirecta, datos obtenidos en el campo y el empleo del programa MICH-PAVE de elementos finitos elásticos no lineales: log(RD) = - 1.6 + (0.067)(AV) - (1.5)[log(TAC)] - (0.07)(T) - (0.000434)(KV) + (0.15)[log(ESAL)] - (0.4)[log(MRSUB)] - (0.63)[log(MRB)] + (0.1)[log(SD)] + (0.01)[log(CS)]


Método Baladi Siendo:


Predicción de ahuellamiento en capas asfálticas AASHTO 2002


Predicción de ahuellamiento en capas no ligadas AASHTO 2002


Factores de calibración de ahuellamiento AASHTO 2002

AHUELLAMIENTO FACTORES QUE AFECTAN EL AHUELLAMIENTO EN LAS MEZCLAS DE CONCRETO ASFÁLTICO Factor

A gregado

Ligante Mezcla

Condiciones de ensayo/campo

Textura superficial Gradación Forma Tamaño Rigidez Contenido ligante Vacíos con aire VA M Temperatura Estado de esf/deform. Repeticiones de carga A gua

Cambio en el factor Lisa a rugosa Discontinua a continua Redondeado a angular A umernto tamaño máximo A umento A umento A umento A umento A umento A umento en la presión de contacto de llanta A umento Seco a húmedo

Efecto sobre la resistencia al ahuellamiento A umento A umento A umento A umento A umento Disminución Disminución Disminución Disminución Disminución Disminución Disminución si la mezcla es sensitiva al agua

AHUELLAMIENTO ENSAYOS PARA DETERMINAR LAS DEFORMACIONES PERMANENTES

El desarrollo de modelos predictivos del ahuellamiento requiere tanto de técnicas estables para calcular la respuesta del pavimento, como de una caracterización realista de los materiales

Se requieren pruebas de laboratorio para determinar los parámetros representativos de las mezclas, las cuales deben reproducir, de la mejor manera, las condiciones reales del pavimento: estado de esfuerzos, temperatura, humedad y características generales del material

AHUELLAMIENTO ENSAYOS PARA CARACTERIZAR LA RESPUESTA DE LOS CONCRETOS ASFÁLTICOS A LA DEFORMACIÓN PERMANENTE

 Ensayos de creep estático  Ensayos de carga repetida

 Ensayos de módulo dinámico  Ensayos empíricos  Ensayos de pista


1. Ensayos de creep estático

 Aplican una carga estática a la muestra y miden la recuperación cuando ella es retirada  Los resultados de estos ensayos no suelen correlacionar debidamente con las medidas de ahuellamiento de pavimentos en servicio


2. Ensayos de carga repetida Aplican a los especimenes una carga repetida de magnitud fija, a una frecuencia constante y miden las deformaciones recuperables y permanentes

Correlacionan con los ahuellamientos reales mejor que los de creep estático


3. Ensayos de módulo dinámico Aplican una carga repetida sinusoidal con determinada frecuencia durante un período relativamente corto y miden las deformaciones recuperables y permanentes

Sus resultados correlacionan razonablemente bien con las medidas de ahuellamiento en pavimentos reales


4. Ensayos empíricos Métodos tradicionales de diseño de mezclas asfálticas, como el Marshall y el Hveem  Aunque pueden correlacionar con medidas de ahuellamiento, no miden ningún parámetro fundamental de la mezcla


5. Ensayos de pista Duplican las condiciones de esfuerzo de los pavimentos reales y correlacionan aceptablemente con medidas de ahuellamiento, pero no miden ningún parámetro fundamental de la mezcla

AHUELLAMIENTO ENSAYOS DE CREEP ESTÁTICO

Ensayo uniaxial Es el más utilizado por su sencillez y bajo costo Para obtener alguna correlación con los ahuellamientos observados en pistas reales, el ensayo se debe realizar a un bajo nivel de esfuerzo axial (± 1 kg/cm2) El espécimen se coloca entre dos bases de acero, una de las cuales es móvil, aplicándose una carga constante sobre esta última y midiendo la deformación en función del tiempo, a una determinada temperatura, con ayuda de LVDTs Al retirar totalmente la carga, se determina la deformación permanente

AHUELLAMIENTO

ENSAYOS DE CREEP ESTÁTICO

Ensayo triaxial Es similar al uniaxial, pero usa una presión de confinamiento del orden de 1.5 kg/cm2, la cual permite que las condiciones de ensayo sean más parecidas a las de campo

AHUELLAMIENTO


AHUELLAMIENTO

ENSAYOS DE CREEP ESTÁTICO Ensayos uniaxial y triaxial En ensayos sobre materiales viscoelásticos suele ser ventajoso el empleo del término ―compliance‖, que es el recíproco del módulo y representa la relación deformación/esfuerzo D(t) =εT/σd Siendo εT = deformación unitaria axial σd = esfuerzo desviador aplicado durante el ensayo

AHUELLAMIENTO

ENSAYOS DE CREEP ESTÁTICO Ensayos uniaxial y triaxial (cont.) La variación de D(t) con el tiempo permite definir el ―tiempo de flujo‖, que es el instante en el cual se inicia la deformación por corte bajo volumen constante El ―tiempo de flujo‖ es un parámetro que se puede relacionar con la resistencia al ahuellamiento de la mezcla asfáltica

AHUELLAMIENTO




Ensayo de creep estático diametral Utiliza el equipo del ensayo de tensión indirecta Probetas de 150 mm de diámetro por 50 mm de altura se someten, a cierta temperatura, a una carga constante estática en su plano diametral que genere una deformación en el rango viscoelástico lineal (menos de 300 micro deformaciones horizontales) durante un lapso de 100 segundos, midiéndose las deformaciones horizontales a lo largo del ensayo


Ensayo de creep estático diametral Se calculan las deformaciones unitarias horizontales de tensión, las cuales se relacionan con el esfuerzo aplicado, permitiendo el cálculo del ―creep compliance‖ durante el desarrollo del ensayo

AHUELLAMIENTO ENSAYOS DE CARGA REPETIDA Se aplica una carga repetida de magnitud fija y con determinada frecuencia a un espécimen cilíndrico, con o sin confinamiento, a una temperatura preestablecida La carga se aplica en un pulso corto, seguido de un período de reposo Se registra la deformación permanente acumulada en función del número de ciclos y se correlaciona con el potencial de ahuellamiento Los ensayos de carga repetida son similares en concepto al ensayo para determinar el módulo resiliente triaxial para suelos

AHUELLAMIENTO ENSAYOS DE CARGA REPETIDA


A menudo, los resultados se presentan mediante una curva de deformación axial acumulada El número de flujo (NF) es el número de ciclos al cual se inicia el ―flujo terciario‖, que corresponde al punto donde la curva se aleja de la tendencia lineal recta y la deformación ocurre sin cambio de volumen. El número de flujo (NF) se puede asociar con el potencial de ahuellamiento de la mezcla



AHUELLAMIENTO

ENSAYOS DE CARGA REPETIDA Ensayo de carga repetida diametral Una probeta cilíndrica de concreto asfáltico es sometida a carga repetida en su plano diametral

El ensayo presenta reparos para la caracterización de la deformación permanente de las mezclas porque: —El estado de esfuerzos no es uniforme y es altamente dependiente de la forma de la probeta

— A alta temperatura o bajo carga elevada, la deformación permanente produce cambios en la forma de la probeta que afectan tanto el estado de esfuerzos como la medida de las deformaciones

AHUELLAMIENTO ENSAYOS DE CARGA REPETIDA Ensayo de carga repetida diametral (cont.) —Durante el ensayo, el único estado de esfuerzos relativamente uniforme es la tensión que ocurre a lo largo del diámetro vertical de la probeta, en tanto que los demás estados de esfuerzos son marcadamente no uniformes —Como los esfuerzos de corte contribuyen significativamente al ahuellamiento y en los especímenes diametrales se presenta un espectro no uniforme de esfuerzos de este tipo, las medidas de deformación no pueden ser asociadas con un nivel específico de esfuerzos

AHUELLAMIENTO ENSAYOS DE CARGA REPETIDA Ensayo de corte repetido a altura constante (AASHTO TP7 - procedimiento F ) Se realiza sobre probetas de 150 mm de diámetro y 50 mm de espesor en el equipo de ensayo de corte SUPERPAVE (SST)

Las probetas se someten a una carga de corte semi sinusoidal discontinua, hasta lograr una tensión constante de 68 kPa

AHUELLAMIENTO

ENSAYOS DE CARGA REPETIDA Ensayo de corte repetido a altura constante (AASHTO TP7 - procedimiento F )

Debido a la aplicación de la carga de corte, las probetas tratan de dilatarse y ello se evita aplicando una carga axial adecuada, lo que promueve la acumulación de una deformación permanente por corte Las probetas se someten a 5,000 ciclos o hasta que la deformación específica sea 5 %  Durante el ensayo se registran las cargas axiales y de corte y las deformaciones

AHUELLAMIENTO ENSAYOS DE CARGA REPETIDA EQUIPO DE ENSAYO DE CORTE SUPERPAVE (AASHTO TP 7)

AHUELLAMIENTO

ENSAYOS DE CARGA REPETIDA CRITERIO PARA EVALUAR LA RESISTENCIA AL AHUELLAMIENTO USANDO LA DEFORMACIÓN PERMANENTE POR CORTE REPETIDO A ALTURA CONSTANTE

DEFORMACIÓN MÁXIMA PERMANENTE POR CORTE EN ENSAYO A ALTURA CONSTANTE (%) <1 1a<2 2a<3 >=3

RESISTENCIA AL AHUELLAMIENTO Excelente Buena Regular Pobre

AHUELLAMIENTO

ENSAYO DE MÓDULO DINÁMICO PARA DEFORMACIÓN

Se aplica un esfuerzo compresivo sinusoidal a un espécimen de concreto asfáltico a una determinada temperatura (entre 25 °C y 60 °C) y con cierta frecuencia de carga (entre 0.1 Hz y 10 Hz) Los esfuerzos aplicados y las respectivas deformaciones axiales recuperables se miden y se emplean para calcular el módulo dinámico y el ángulo de fase

AHUELLAMIENTO


El ensayo difiere del de carga repetida en los ciclos de carga y en las frecuencias  El ensayo de carga repetida aplica miles de cargas a una sola frecuencia, en tanto que el de módulo aplica la carga durante poco tiempo (30 a 45 segundos) y sobre un rango de frecuencias Se han establecido relaciones entre los módulos y el potencial de ahuellamiento de las mezclas

AHUELLAMIENTO


AHUELLAMIENTO


AHUELLAMIENTO


AHUELLAMIENTO ENSAYO DE MÓDULO DINÁMICO PARA DEFORMACIÓN CORRELACIÓN ENTRE EL MÓDULO Y LA PROFUNDIDAD DE AHUELLAMIENTO

AHUELLAMIENTO ENSAYOS DE PISTA Miden el ahuellamiento producido por un dispositivo de rueda cargada que se desplaza repetidamente sobre un espécimen compactado de mezcla asfáltica Existen muchos equipos para realizar estos ensayos: —Analizador de pavimentos asfálticos (APA) —Hamburger Wheel-Tracking Device —French Pavement Rutting Tester —Pista de ensayo de laboratorio (INV E-756)

AHUELLAMIENTO

ENSAYOS DE PISTA Analizador de pavimentos asfálticos (APA) Mide la susceptibilidad al ahuellamiento de las mezclas asfálticas sometiéndolas a la acción de una rueda oscilante de caucho inflada con 0.69 MPa que soporta una carga de 445N. Un ensayo normal consta de 8,000 ciclos que se completan en 2 horas y 15 minutos, a una temperatura de 64 °C NCAT sugiere que una deformación no mayor de 4.5 - 5.0 mm luego de los 8,000 ciclos asegura un ahuellamiento mínimo en el terreno

AHUELLAMIENTO

ENSAYOS DE PISTA ANALIZADOR DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS (APA)

AHUELLAMIENTO Comparación entre los resultados del ensayo de corte repetido a altura constante y los del analizador de pavimentos asfálticos

AHUELLAMIENTO

ENSAYOS DE PISTA Hamburger Wheel-Tracking Device Mide la susceptibilidad al ahuellamiento y a la humedad de las probetas asfálticas, sometiéndolas a la acción de una rueda metálica con una presión de contacto de 0.73 MPa y 53 ± 2 pasadas/minuto, cuando están sumergidas en agua caliente (generalmente a 50 °C)

AHUELLAMIENTO ENSAYOS DE PISTA

Hamburger Wheel-Tracking Device (cont.) El Departamento de Transporte de Colorado acepta un ahuellamiento máximo de 4 mm luego de 10,000 pasadas y 10 mm luego de 20,000 pasadas El ensayo permite analizar la consolidación por postcompactación, la pendiente inversa de creep, el punto de inflexión de stripping y la pendiente inversa de stripping

AHUELLAMIENTO

ENSAYOS DE PISTA Hamburger Wheel-Tracking Device (cont.) Consolidación post-compactación —Es la deformación en mm luego de 1,000 pasadas de la rueda

Pendiente inversa de creep —Mide la acumulación de deformación permanente primaria debido a mecanismos diferentes de la humedad. Es el inverso de la rata de deformación (pasadas/mm de huella) en la región recta entre la post-compactación y el punto de inflexión de stripping

AHUELLAMIENTO

ENSAYOS DE PISTA Hamburger Wheel-Tracking Device (cont.) Punto de inflexión de stripping —Número de pasadas en el punto de intersección de la pendiente de creep y la pendiente de stripping. A partir de él, el daño por humedad comienza a gobernar el comportamiento Pendiente inversa de stripping —Mide la acumulación de deformación permanente a causa de la humedad. Es el inverso de la rata de deformación (pasadas/mm de huella) luego del punto de inflexión de stripping

AHUELLAMIENTO

ENSAYOS DE PISTA Hamburger Wheel-Tracking Device (cont.)

AHUELLAMIENTO ENSAYOS DE PISTA HAMBURGER WHEEL-TRACKING DEVICE

AHUELLAMIENTO ENSAYOS DE PISTA French Pavement Rutting Tester Mide la susceptibilidad al ahuellamiento de las mezclas asfálticas, sometiendo probetas a la acción de una rueda de caucho con una carga de 5,000 ± 50 N a 67 ciclos por minuto (134 pasadas/minuto)

Las muestras se someten a la acción de la rueda a 60 ± 2°C y se mide periódicamente la profundidad de la huella, calculándose el porcentaje de deformación en relación con el espesor inicial de las muestras

AHUELLAMIENTO ENSAYOS DE PISTA French Pavement Rutting Tester (cont.)

La especificación francesa establece como aceptables las mezclas si, para un espesor de probeta de 50 mm, el porcentaje de deformación a 1,000 y 3,000 ciclos no excede de 10% y 20%, respectivamente, en tanto que para probetas de 100 mm de espesor el valor no debe exceder de 10 % a 30,000 ciclos

AHUELLAMIENTO

ENSAYOS DE PISTA FRENCH PAVEMENT RUTTING TESTER

AHUELLAMIENTO

ENSAYOS DE PISTA Ensayo de pista de laboratorio Una probeta compactada en condiciones normalizadas se somete, a 60ºC, a la acción cíclica de una rueda que aplica una presión de 9 kg/cm2 durante 120 minutos Se determina la velocidad de deformación (VD) de la probeta en el intervalo comprendido entre 105 y 120 minutos

Se considera aceptable un VD menor de 15 μm/min si la temperatura de la región es mayor de 24º C, y menor de 20 μm/min si la temperatura es menor o igual a 24º C

AHUELLAMIENTO ENSAYOS DE PISTA ENSAYO DE PISTA DE LABORATORIO


AGRIETAMIENTO TÉRMICO


La disminución de temperatura crea un estado de esfuerzos de tensión térmica en las capas asfálticas, el cual se traduce en la formación de grietas transversales


PAVIMENTO CON GRIETAS DE ORIGEN TÉRMICO


CRITERIOS DE SUSCEPTIBILIDAD TÉRMICA DEL ASFALTO

1. Número penetración - viscosidad (PVN)

AGRIETAMIENTO TÉRMICO CRITERIOS DE SUSCEPTIBILIDAD TÉRMICA DEL ASFALTO

2. Índice de penetración (IP)

Criterio: Se considera que un asfalto con IP mayor de -1.5 presenta una baja susceptibilidad térmica


CRITERIOS DE SUSCEPTIBILIDAD TÉRMICA DEL ASFALTO

3. Empleo del reómetro de flexión de viga (SUPERPAVE)

Caracteriza las propiedades de stiffness del ligante a bajas temperaturas  Mide el stiffness en ―creep‖(S) y el logaritmo de la viscosidad de deformación en ―creep‖ (m) Ligantes con bajo stiffness en creep no se fisurarán en tiempo muy frío  La máxima temperatura a la cual m = 0.300 y S = 300 MPa se denomina temperatura crítica (Tb)

AGRIETAMIENTO TÉRMICO MODELO DE PREDICCIÓN DE AGRIETAMIENTO TÉRMICO (Boutin & Lupien)

1. Determinar la temperatura crítica en el instante (Tb(t))

Tb(t) = Tbo + t Tbo =temperatura crítica del asfalto en el tanque, según el reómetro de flexión de viga (BBR), antes de su uso (° C) t = tiempo que corresponde a la edad del pavimento (años) 2. Verificar la siguiente desigualdad

Tb(t) - T0.5D  2 °C T0.5D = temperatura en la mitad del espesor de la capa asfáltica, (°C)


MODELO DE PREDICCIÓN DE AGRIETAMIENTO TÉRMICO (Boutin & Lupien)

3. Predecir el agrietamiento Si la desigualdad no se cumple, no se observa agrietamiento térmico Si la desigualdad se cumple, el agrietamiento se presenta de acuerdo con la expresión:

τ = 667 - 632e-0.02t τ = número esperado de grietas transversales por kilómetro en el año t

AGRIETAMIENTO TÉRMICO ENSAYOS PARA CARACTERIZAR EL AGRIETAMIENTO A BAJA TEMPERATURA

Ensayo de tensión (AASHTO TP 9)

indirecta

Constituye una segunda fase del ensayo de creep estático diametral El análisis para agrietamiento térmico se realiza a -20, -10 y 0 °C, aplicando una carga diametral a razón de 12.5 mm/minuto hasta que la carga comience a decrecer por falla de la probeta

AGRIETAMIENTO TÉRMICO ENSAYOS PARA CARACTERIZAR EL AGRIETAMIENTO A BAJA TEMPERATURA

Ensayo de probeta sometida a esfuerzo térmico restringido (AASHTO TP 10) Un núcleo de mezcla de 60 mm de diámetro y 250 mm de altura es enfriado a tasa constante mientras se restringe su contracción

El esfuerzo de tensión que se va desarrollando es medido durante el ensayo, así como la temperatura a la cual ocurre la fractura de la probeta

AGRIETAMIENTO TÉRMICO ENSAYOS PARA CARACTERIZAR EL AGRIETAMIENTO A BAJA TEMPERATURA RESULTADOS TÍPICOS DE UN ENSAYO DE PROBETA SOMETIDA A ESFUERZO TÉRMICO RESTRINGIDO


SUSCEPTIBILIDAD A

LA HUMEDAD

SUSCEPTIBILIDAD A LA HUMEDAD

Existen tres mecanismos por medio de los cuales la humedad puede degradar la integridad de una mezcla de concreto asfáltico: —Pérdida de cohesión (resistencia) de la película de asfalto —Falla de la adhesión entre el agregado y el asfalto —Degradación o fractura de partículas individuales de agregado por ciclos de congelación

SUSCEPTIBILIDAD A LA HUMEDAD Se han desarrollado muchos ensayos para predecir la susceptibilidad de las mezclas de concreto asfáltico a la humedad


ENSAYOS PARA CARACTERIZAR LA SUSCEPTIBILIDAD DE LAS MEZCLAS A LA HUMEDAD


ENSAYOS PARA CARACTERIZAR LA SUSCEPTIBILIDAD DE LAS MEZCLAS A LA HUMEDAD


ENSAYOS PARA CARACTERIZAR LA SUSCEPTIBILIDAD DE LAS MEZCLAS A LA HUMEDAD (cont.)





SUSCEPTIBILIDAD A LA HUMEDAD COMENTARIOS SOBRE LOS ENSAYOS

No existe ningún ensayo que demuestre ser definitivamente ―superior‖ a los demás y que permita identificar la susceptibilidad de la mezcla a la humedad en todos los casos Muchas mezclas se han comportado satisfactoriamente en el campo a pesar de no cumplir los criterios de los ensayos y muchas otras se han comportado pobremente a pesar de cumplirlos De acuerdo con la experiencia actual, el ensayo Lottman modificado (AASHTO T 283 – INV E-725) parece el más apropiado para detectar el daño por humedad en las mezclas de concreto asfáltico y está incluido en los procedimientos de diseño de mezclas SUPERPAVE y en las especificaciones del INVÍAS


FRICCIÓN

FRICCIÓN

Es la relación entre la fuerza vertical y la fuerza horizontal desarrollada entre la superficie del pavimento y los neumáticos, que resiste el deslizamiento de estos últimos cuando se aplican los frenos al vehículo.

FRICCIÓN CARACTERÍSTICAS DE FRICCIÓN

Idealmente, la fricción en condición húmeda debería ser tan alta como en condición de superficie seca Mientras la fricción en estado seco es relativamente independiente de la velocidad, en condición húmeda la situación es muy diferente La fricción se puede reducir con el transcurso del tiempo, por pulimento de los agregados de la capa superficial o por exudación de la mezcla

FRICCIÓN

COMPONENTES DE LA FRICCIÓN La fricción de la superficie de un pavimento es función de dos componentes: microtextura y macrotextura

La microtextura es suministrada por las pequeñas asperezas superficiales de las partículas de agregado y produce una buena resistencia friccional entre la llanta y el pavimento La macrotextura es suministrada por las asperezas mayores y proporciona canales de drenaje para la expulsión del agua entre el neumático y el pavimento, garantizando el adecuado contacto entre ellos y previniendo el hidroplaneo

FRICCIÓN

CLASES DE TEXTURA SUPERFICIAL

FRICCIÓN VARIACIÓN DE LA FRICCIÓN CON LA VELOCIDAD DE DESLIZAMIENTO

FRICCIÓN EQUIPOS PARA LA MEDIDA DE LA FRICCIÓN MODO OPERACIONAL Rueda bloqueada (locked wheel testers)

Rueda oblicua respecto del sentido de marcha (side force measurement)

EQUIPOS REPRESENTATIVOS Trailer ASTM E-274 Diagonal Braked Vehicle (DBV) Polish SRT-3 Skidómetro BV-8 Adhera - LCPC Mu Meter SCRIM Odoliograph Stradograph

Rueda parcialmente bloqueada (con grado de deslizamiento fijo) (fixed slip devices)

Trailer DWW Griptester Saab Friction Tester Runway Friction Tester

Rueda parcialmente bloqueada (con grado de deslizamiento variable) (variable slip devices) Zapatas (slider)

Komatsu Skid Tester ROAR Norsemeter Péndulo de fricción TRL

OBSERVACIONES Remolque donde va la rueda de medida arrastrada a velocidad constante y frena en el instante de la medición. La velocidad relativa entre el neumático y el pavimento es igual a la del vehículo. El grado de deslizamiento es 100% Autopropulsados. La rueda de medida forma un ángulo respecto del sentido del movimiento del equipo, sin aplicar otra condición de frenado. Miden el esfuerzo lateral, perpendicular al plano de rotación. La velocidad relativa de la rueda de medida es del orden de la velocidad del vehículo (V) por el seno del ángulo de deriva (a) y, por lo tanto, es una medida de baja velocidad. Por ello, el sistema es sensible principalmente a la microtextura Realizan registro continuo de la fricción si la relación de deslizamiento es pequeña. Estos equipos suelen operar con un grado de deslizamiento de 10 a 20% y su medida de fricción es de baja velocidad, ya que la velocidad de deslizamiento es el producto de la velocidad (V) por el tanto por uno de deslizamiento. Estos equipos no miden la fricción máxima Miden a diferente grado de deslizamiento y, por lo tanto, brindan la mayor cantidad de información sobre las características de fricción pavimento - neumático Equipos portátiles. Miden la fricción entre una zapata deslizante de caucho y la superficie del pavimento. El grado de deslizamiento es de 100%.

FRICCIÓN EQUIPOS PARA LA MEDIDA DE LA FRICCIÓN

FRICCIÓN EQUIPOS PARA LA MEDIDA DE LA FRICCIÓN

Equipo de rueda bloqueada

Péndulo portátil TRL

FRICCIÓN TEXTURA El coeficiente de fricción se reduce al aumentar la velocidad de deslizamiento, en especial cuando la macrotextura es fina En carreteras de alta velocidad, es conveniente tener conocimiento de la fricción a velocidades intermedias y altas

La medida de la fricción a alta velocidad se hace de manera indirecta, a partir de mediciones de macrotextura o rugosidad: — Ensayo del círculo de arena — Drenómetros — Perfilómetros Láser

FRICCIÓN TEXTURA

FRICCIÓN

TEXTURA PERFILÓMETROS LÁSER DE ALTA VELOCIDAD

FRICCIÓN

FRICCIÓN Y TEXTURA Índice de fricción internacional (IFI) Los diferentes equipos para la medida de fricción y textura y tienen concepciones y escalas de referencia propias, razón por la cual no es fácil comparar los valores obtenidos con ellos La AIPCR promovió el desarrollo del índice de fricción internacional (IFI), el cual es una referencia universal de la fricción y de la textura del pavimento, independiente de los aparatos con los cuales se midan la textura y la fricción

FRICCIÓN FRICCIÓN Y TEXTURA

Índice de fricción internacional (IFI) IFI = (F60 , Sp)

F60 = Constante de fricción a 60 km/h (depende de la fricción y de la macrotextura) Sp = Constante de referencia de velocidad, km/h (depende de la macrotextura)

FRICCIÓN FRICCIÓN Y TEXTURA Determinación de la constante de referencia de velocidad (Sp) Sp = a + b*Tx Tx = Valor medido de la macrotextura

a, b = Constantes que dependen del equipo con el cual se ha efectuado la medida (Tabla 24 del documento AIPCR)

FRICCIÓN

FRICCIÓN Y TEXTURA Determinación de la constante de fricción a 60 kph (F60) Se establece la velocidad de operación del equipo de medida (S) y se le aplica un factor de corrección según el tipo de equipo utilizado (rueda bloqueada, rueda parcialmente bloqueada, rueda oblicua) Se mide la fricción superficial con el equipo escogido (FRS) Se determina el valor F60 con la expresión: F60 = A + B*(FRS)*e (S - 60)/Sp A, B = constantes que dependen del equipo usado para la medida (Tabla 25 del documento AIPCR)

FRICCIÓN FRICCIÓN Y TEXTURA El valor F60 es una medida normalizada de la fricción a 60 km/h Con los valores de F60 y Sp se puede calcular la fricción a cualquier otra velocidad de deslizamiento (S), mediante la expresión:

F(S) = F60*e(60-S)/Sp


Ejemplo de determinación del IFI Fricción medida con el SCRIM del Ministerio de Fomento de España a 50 km/h. El aparato tiene un ángulo de deriva de 20º y la fricción obtenida fue 0.65 La textura superficial se determinó con el círculo de arena y el valor obtenido fue 1 milímetro


Medida de textura Medida de fricción


Solución al ejemplo de determinación del IFI Determinación de Sp —El círculo de arena corresponde al equipo A8 del experimento AIPCR, para el cual la Tabla 24 del documento indica que a = - 11.5981 y b = 113.63246 Sp = - 11.5981 + 113.63246*1 = 102 km/h

FRICCIÓN FRICCIÓN Y TEXTURA Solución al ejemplo de determinación del IFI (cont.) Velocidad de operación corregida por el ángulo de deriva del equipo: S = 50 * sen 20º = 17.1 km/h El SCRIM empleado es el equipo C6E del experimento AIPCR, para el cual la Tabla 5 del documento indica que A = 0.0319 y B = 0.8734 F60 = 0.0319 + 0.8734*0.65*e (17.1 – 60)/102 = 0.41

FRICCIÓN FRICCIÓN Y TEXTURA Solución al ejemplo de determinación del IFI (cont.) Expresión del IFI

(0.41, 102) La expresión de la curva de fricción de referencia es F (S) = 0.41 * e (60 – S)/102 Así, por ejemplo, si la velocidad es 80 km/h, la fricción a dicha velocidad será: F (S) = 0.41 * e (60 – 80)/102 = 0.34


MEZCLAS ABIERTAS

EN CALIENTE

MEZCLA ABIERTA EN CALIENTE

Definición Mezcla destinada al alivio del reflejo de las juntas y grietas durante las operaciones de rehabilitación de un pavimento Está constituida por una combinación, en caliente, de un agregado pétreo con baja o nula proporción de finos y una cantidad muy limitada de cemento asfáltico, la cual se define por tanteos en obra (rango: 1.5% - 3.0 %) Al compactar la mezcla en obra, presenta un elevado volumen de vacíos con aire (superior a 20%) que controla la transmisión de las juntas y las grietas del pavimento existente a la capa densa que se construya como refuerzo

MEZCLA ABIERTA EN CALIENTE Granulometría agregados pétreos TAMIZ

PORCENTAJE QUE PASA

Normal

Alterno

MAC-1

MAC-2

MAC-3

75 mm 63 mm 50 mm 37.5 mm 19.0 mm 9.5 mm 4.75 mm 2.36 mm 150 m

3‖ 2 1/2‖ 2‖ 1 1/2‖ 3/4‖ 3/8‖ No.4 No.8 No.100

100 95-100 30-70 3-20 0-5 -

100 35-70 5-20 0-5 -

100 75-90 50-70 8-20 0-5

Ligante asfáltico Cemento asfáltico del tipo 60 - 70


MEZCLAS SMA

MEZCLAS SMA

Definición SMA significa ―Stone Matrix Asphalt‖ o ―Stone Mastic Asphalt‖ y es una mezcla asfáltica en caliente de gradación discontinua para capa de rodadura, desarrollada para maximizar la resistencia al ahuellamiento y la durabilidad

Aspecto de una capa de SMA

Probeta de SMA

MEZCLAS SMA Composición Una mezcla SMA está compuesta por: — Agregados con un esqueleto granular fuerte, que proporciona el contacto ―piedra con piedra‖ que previene el ahuellamiento y suministra resistencia al deslizamiento —Un mortero asfáltico de alta viscosidad, constituido por arena, llenante mineral, un elevado contenido de asfalto modificado y un agente estabilizante (fibras minerales o de celulosa) que se agrega para minimizar el escurrimiento del asfalto y suministrar al mortero una consistencia satisfactoria

MEZCLAS SMA Composición

MEZCLAS SMA MATERIALES PARA LA MEZCLA Agregados pétreos Los requisitos de calidad de los agregados grueso y fino son prácticamente los mismos que se exigen a los agregados para las mezclas de concreto asfáltico Los siguientes se pueden considerar como adicionales:

MEZCLAS SMA MATERIALES PARA LA MEZCLA

Agregados pétreos Granulometrías recomendadas por NCHRP 9-8

MEZCLAS SMA

MATERIALES PARA LA MEZCLA Agente estabilizante Se incluye para minimizar el escurrimiento del asfalto en la mezcla y contribuir en la adecuada consistencia del mortero Está constituido por fibras de celulosa o de tipo mineral La cantidad en la cual se debe incorporar es, como mínimo, 0.3 % respecto del peso de la mezcla Ligante bituminoso Asfalto modificado con polímero, Tipo II o Tipo III



MEZCLAS SMA DISEÑO DE LA MEZCLA

Generalidades El diseño incluye una dosificación de tipo volumétrico y una verificación de la susceptibilidad de la mezcla a la humedad Además, involucra dos ensayos que no son típicos de la mayoría de las mezclas densas en caliente: —Determinación de vacíos en el agregado grueso —Escurrimiento

MEZCLAS SMA DISEÑO DE LA MEZCLA 1. Selección de la gradación Para el TMN elegido se evalúan 3 posibles gradaciones dentro de la franja maestra de la especificación El tamiz que separa el agregado grueso del fino se denomina tamiz del ―punto de corte‖ Tamices de punto de corte para diferentes TMN

MEZCLAS SMA DISEÑO DE LA MEZCLA 2. Determinación de los vacíos en el agregado grueso Esta prueba se realiza para evaluar la existencia de contacto entre partícula y partícula del agregado grueso Los VAG se determinan a partir del peso unitario apisonado del agregado grueso -(γa)- (norma de ensayo AASHTO T 19) y de la gravedad específica bulk del agregado grueso (Gag) VGAdrc 

Gag  w   a Gag  w

*100


3. Selección del contenido de asfalto de prueba El mínimo contenido de ligante efectivo de la SMA es 6%

Se recomienda que el contenido de asfalto de la mezcla en la fase de selección de gradación sea 7.0% para la TMN-9.5; 6.7% para la TNM-12.5 y 6.0% para la TMN y la TMN-25.0

MEZCLAS SMA DISEÑO DE LA MEZCLA 4. Preparación y compactación de las mezclas en la fase de selección Se requiere un total de 12 muestras: 4 para cada una de las 3 gradaciones de prueba Cada muestra es mezclada con el contenido de asfalto de prueba Tres de la cuatro muestras para cada gradación se compactan con 100 giros del Compactador Giratorio Superpave o con 50 golpes por cara, según la técnica Marshall Con la cuarta mezcla de cada grupo se determina la gravedad específica máxima medida (Gmm) (AASHTO T 209)

MEZCLAS SMA DISEÑO DE LA MEZCLA 5. Selección de la gradación deseada Se determina la gravedad específica bulk de las probetas compactadas (Gmb) Para cada grupo de probetas se calculan los promedios de vacíos con aire (Va), vacíos en el agregado grueso (VAGmix) y vacíos en los agregados minerales (VAM) De todas las mezclas de prueba ensayadas, aquella con el más alto porcentaje que pase el tamiz del ―punto de quiebre‖, que simultáneamente cumpla el requerimiento los de VAM mínimos y presente un valor VAG mix < VAGdrc, se elige como gradación deseada

MEZCLAS SMA DISEÑO DE LA MEZCLA 5. Selección de la gradación deseada (cont.)  G  Va  1  mb  * 100  Gmm   Gmb  VAG mix  100    * Pag  Gag  G  VAM  100   mb  * Pm  Gac 

Pag = porcentaje de agregado grueso dentro de la mezcla total Pm = porcentaje de agregado en las mezcla Gac = peso específico bulk del todo el agregado combinado


6. Selección del contenido óptimo de ligante Elegida la gradación deseada, se elaboran nuevas mezclas con un total de tres contenidos de asfalto (incluyendo valores por encima y debajo del contenido de prueba) Para cada contenido de asfalto se preparan 4 muestras, 3 de las cuales se compactan como las de la fase de selección y la cuarta se usa para la determinación de la gravedad específica máxima medida (G mm) El contenido óptimo de ligante es aquél con el cual se obtiene 4.0 % de vacíos con aire, siempre y cuando se satisfagan los VAM mínimos y VAG mix < VAG drc

MEZCLAS SMA

DISEÑO DE LA MEZCLA 7. Ensayo de escurrimiento El ensayo se realiza según la norma AASHTO T 305 El ensayo se realiza colocando una muestra de la mezcla suelta en un horno a la temperatura anticipada de producción en la planta, dentro de una canasta de malla de tamiz de ¼‖ durante 1 hora y pesando el material que haya drenado a través de la malla durante dicho lapso

Si el resultado no satisface el máximo especificado de 0.30 %, se debe incrementar la proporción de fibras en la mezcla, hasta reducir el escurrimiento a un límite aceptable

MEZCLAS SMA DISEÑO DE LA MEZCLA 7. Ensayo de escurrimiento

CANASTA DE MALLA DE ABERTURA ¼”

MEZCLA EN EL HORNO

MEZCLAS SMA

DISEÑO DE LA MEZCLA 7. Ensayo de escurrimiento

ESCURRIMIENTO DE MEZCLA SIN FIBRAS, A 158º C

ESCURRIMIENTO DE MEZCLA CON 0.3% DE FIBRA, A 158º C

MEZCLAS SMA

DISEÑO DE LA MEZCLA 8. Evaluación de la sensibilidad a la humedad (AASHTO T 283)

MEZCLAS SMA DISEÑO DE LA MEZCLA 8. Evaluación de la sensibilidad a la humedad (AASHTO T 283)

La evaluación se realiza mediante el ensayo de tensión indirecta, sometiendo las probetas cilíndricas a compresión hasta la falla a lo largo de dos generatrices opuestas, con una velocidad de deformación de 50 mm/minuto a 25° C Este modo de carga produce un esfuerzo horizontal de tensión a lo largo del eje vertical y uno de compresión a lo largo del diámetro horizontal


MEZCLAS SMA DISEÑO DE LA MEZCLA Ensayo de tensión indirecta

2000 * P ST   * D *t


MEZCLAS SMA DISEÑO DE LA MEZCLA 8. Evaluación de la sensibilidad a la humedad (AASHTO T 283)

MEZCLAS SMA

CRITERIO DE DISEÑO PARA MEZCLAS SMA

MEZCLAS SMA CARACTERIZACIÓN DE LA MEZCLA SMA, CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS

Módulo dinámico

Los módulos dinámicos de las mezclas SMA tienden a ser algo mayores que los de las mezclas convencionales y presentan la misma susceptibilidad a la temperatura Pruebas de tensión indirecta bajo carga repetida (ASTM D 4123 – INV E-749) sobre mezclas SMA con asfaltos convencionales y modificados y diferentes tipos de llenantes, mostraron valores de módulo resiliente en el entorno de 1,000 MPa a 35º C y entre 5,000 y 6,000 MPa a 15º C


MEZCLAS SMA A LAS CUALES SE ESTUDIARON MÓDULOS RESILIENTES Y RESISTENCIA A FATIGA (Lago, 2003)


Módulo dinámico


Resistencia a la fatiga ECUACIONES DE FATIGA EN ENSAYO A ESFUERZO CONTROLADO A 20º C y 1 Hz


Resistencia a la fatiga

MEZCLAS SMA COMPARACIÓN DE VIDAS A FATIGA DE MEZCLAS SMA CON ASFALTO MODIFICADO Y DE UNA MEZCLA DENSA CONVENCIONAL CON ASFALTO MODIFICADO


MEZCLAS ASFÁLTICAS

DE ALTO MÓDULO

MEZCLA ASFÁLTICA DE ALTO MÓDULO

Capa de mezcla asfáltica, usada como base, elaborada en caliente, cuya rigidez es del orden del doble o del triple de la que presentan las mezclas asfálticas convencionales Se elabora con un cemento asfáltico de baja penetración y un agregado pétreo con fuerte esqueleto mineral, de manera de lograr una gran capacidad de absorción de esfuerzos y gran resistencia al ahuellamiento El empleo de un contenido de ligante relativamente alto mejora el comportamiento a la fatiga de la mezcla, haciéndolo comparable al de una mezcla tradicional

MEZCLA ASFÁLTICA DE ALTO MÓDULO AGREGADOS PÉTREOS PARA MEZCLAS ASFÁLTICAS DE ALTO MÓDULO

MEZCLA ASFÁLTICA DE ALTO MÓDULO AGREGADOS PÉTREOS PARA MEZCLAS ASFÁLTICAS DE ALTO MÓDULO

MEZCLA ASFÁLTICA DE ALTO MÓDULO CEMENTO ASFÁLTICO PARA MEZCLAS ASFÁLTICAS DE ALTO MÓDULO

Se pueden emplear:

— Cementos asfálticos de destilación directa, de baja penetración (10 - 25) y punto de ablandamiento elevado (60ºC ó más) —Cementos asfálticos modificados con polímero de penetración 20 – 40. En este caso, se brinda al producto una mayor flexibilidad

MEZCLA ASFÁLTICA DE ALTO MÓDULO

CEMENTO ASFÁLTICO PARA MEZCLAS ASFÁLTICAS DE ALTO MÓDULO

MEZCLA ASFÁLTICA DE ALTO MÓDULO DISEÑO DE LA MEZCLA ASFÁLTICA DE ALTO MÓDULO

Se suele emplear el método Marshall, debiendo cumplirse los siguientes requisitos

Requisito adicional





MEZCLA ASFÁLTICA DE ALTO MÓDULO CARACTERIZACIÓN DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS DE ALTO MÓDULO CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS

Módulo dinámico

Los módulos dinámicos de las mezclas de alto módulo son sustancialmente más elevados que los de los concretos asfálticos convencionales, para cualquier temperatura y frecuencia Los ensayos para su determinación son los mismos descritos para los concretos asfálticos

MEZCLA ASFÁLTICA DE ALTO MÓDULO CARACTERIZACIÓN DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS DE ALTO MÓDULO CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS MÓDULOS DINÁMICOS DE UNA MEZCLA TÍPICA DE BOGOTÁ Universidad de los Andes (2001)

MEZCLA ASFÁLTICA DE ALTO MÓDULO CARACTERIZACIÓN DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS DE ALTO MÓDULO CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS

Resistencia a la fatiga Las leyes de fatiga de las mezclas de alto módulo adoptan la misma expresión que en las demás mezclas asfálticas: log ε = A + B log N ε = deformación aplicada, multiplicada por 106 N = número de ciclos con el que dicha deformación conduce a la rotura A, B = coeficientes adimensionales propios de cada mezcla

MEZCLA ASFÁLTICA DE ALTO MÓDULO CARACTERIZACIÓN DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS DE ALTO MÓDULO CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS PARÁMETROS DE LEYES DE FATIGA DE MEZCLAS ESPAÑOLAS Y COLOMBIANAS DETERMINADOS A 20º C Y FRECUENCIA DE 10 Hz

NOTA : Los parámetros que dan mayores resistencia a fatiga son los más elevados en el caso de A y los más bajos en valor absoluto en el caso de B


MEZCLA DISCONTINUA EN CALIENTE PARA CAPA DE RODADURA


Definición Mezcla para capa de rodadura de reducido espesor, elaborada en caliente, empleando un agregado pétreo de tamaño máximo nominal comprendido entre 8 mm y 10 mm, con una marcada discontinuidad entre los tamaños de 2 mm y 4.75 mm La discontinuidad granulométrica brinda características favorables en cuanto a sonoridad, fricción y drenabilidad superficial Esta mezcla se conoce como “microaglomerado en caliente”


Tramo de microaglomerado en caliente en el sector San Felipe – Los Andes (Chile)


Aplicaciones Restauración de la resistencia al deslizamiento sobre pavimentos estructuralmente competentes

Mejoramiento del drenaje superficial Rejuvenecimiento de superficies de rodamiento Actuación de mantenimiento periódico de la calzada, sin incremento excesivo de cotas


Granulometría de los agregados TAMIZ

PORCENTAJE QUE PASA

Normal

Alterno

M-1

M-2

F-1

F-2

12.5 mm

1/2‖

100

9.5 mm

3/8‖

75-97

100

75-97

100

8.0 mm

5/16‖

-

75-97

-

75-97

4.75 mm

No.4

15-28

15-28

25-40

25-40

2.00 mm

No.10

11-22

11-22

18-32

18-32

425 m

No.40

8-16

8-16

10-20

10-20

75 m

No.200

5-8

5-8

7-10

7-10

100

Ligante bituminoso Asfalto modificado con polímeros, tipo II o tipo III

MEZCLA DISCONTINUA EN CALIENTE PARA CAPA DE RODADURA FRANJA GRANULOMÉTRICA TÍPICA PARA MEZCLA DISCONTINUA EN CALIENTE PARA CAPA DE RODADURA


DISEÑO MEZCLAS TIPO M Ensayo Cántabro (INV E -760)

1. Preparación de las mezclas Se elaboran mezclas con 1,000 gramos de agregados y diferentes porcentajes de ligante, a una temperatura que corresponda a una viscosidad del ligante entre 150 y 190 centistokes, verificando que no haya escurrimiento del ligante a dicha temperatura Se deben elaborar por lo menos 4 mezclas para cada porcentaje de ligante utilizado


DISEÑO MEZCLAS TIPO M Ensayo Cántabro (INV E -760) 2. Compactación de probetas y determinación de vacíos Se compactan las mezclas mediante la técnica Marshall, a la temperatura apropiada, aplicando 50 golpes por cara a cada probeta Se pesan las probetas y se dividen en dos grupos Se determinan los vacíos con aire de las probetas a partir de la medida geométrica de su volumen y de la densidad relativa de los materiales


DISEÑO MEZCLAS TIPO M Ensayo Cántabro (INV E -760) 3. Prueba de desgaste Las probetas para ensayo en seco se dejan en reposo durante 6 horas Se introducen las probetas en la máquina de los Ángeles sin esferas y se someten a 300 vueltas Se pesan las probetas luego del ensayo

Se calculan las pérdidas de peso de las probetas, en porcentaje


DISEÑO MEZCLAS TIPO M Ensayo Cántabro (INV E -760) 3. Prueba de desgaste

Probetas ensayadas con distinto contenido de ligante


DISEÑO MEZCLAS TIPO M Ensayo Cántabro (INV E -760) 4.Verificación de la adhesividad El juego de probetas destinado a verificar la adhesividad se somete a inmersión a 60oC por 24 horas Se efectúa el ensayo de desgaste como a las probetas ensayadas en seco y se calculan las pérdidas de peso correspondientes


DISEÑO MEZCLAS TIPO M Ensayo Cántabro (INV E -760)


DISEÑO MEZCLAS TIPO F Ensayo Marshall 1. Preparación de las probetas  Como en el ensayo Marshall compactando con 50 golpes por cara 2.

convencional,

Análisis de densidad y de vacíos y ensayo de estabilidad y flujo

 Como en el ensayo Marshall convencional 3.

Criterio de dosificación

 

Estabilidad : 750 kg mínimo Vacíos con aire : 4% mínimo


DISEÑO MEZCLAS TIPO F Ensayo Marshall 4. Verificaciones Comprobación de la adhesividad mediante el ensayo de tensión indirecta (INV E-725) Criterio La pérdida de resistencia no debe exceder de 20%


DISEÑO MEZCLAS TIPO F Ensayo Marshall 4. Verificaciones Medida de la resistencia a la deformación plástica (norma de ensayo INV E-756) Criterio En el intervalo de 105 a 120 minutos:

VD ≤ 0.012 mm/ minuto ( Si T > 24o C) VD ≤ 0.015 mm/ minuto (Si T ≤ 24o C)


MEZCLA DRENANTE

MEZCLA DRENANTE

Definición Mezcla asfáltica para capa de rodadura con un elevado contenido de vacíos con aire, cuyo diseño da lugar a una superficie de textura abierta y alta capacidad drenante, a causa de la cual el agua lluvia que cae sobre la calzada se elimina por infiltración

MEZCLA DRENANTE

MEZCLA DRENANTE Características principales Suministra un adecuado drenaje superficial Brinda alta resistencia al deslizamiento Reduce el volumen de agua proyectada al paso de los vehículos en condición lluviosa Mejora la visibilidad en condición de pavimento húmedo Disminuye el ruido producido por la circulación vehicular

MEZCLA DRENANTE

Granulometría de los agregados TAMIZ Normal

Alterno

PORCENTAJE QUE PASA MD-1

19.0 mm

3/4‖

100

12.5 mm

1/2‖

70-100

9.5 mm

3/8‖

50-75

4.75 mm

No.4

15-32

2.00 mm

No.10

9-20

425 m

No.40

5-12

75 m

No.200

3-7

Ligante bituminoso Asfalto modificado con polímeros, tipo I o tipo II

MEZCLA DRENANTE FRANJA GRANULOMÉTRICA TÍPICA PARA MEZCLA DRENANTE

MEZCLA DRENANTE

DISEÑO MEZCLA Ensayo Cántabro (INV E -760) 1. Preparación de las mezclas Se elaboran mezclas con 1,000 gramos de agregados y diferentes porcentajes de ligante, a una temperatura que corresponda a una viscosidad del ligante entre 150 y 190 centistokes, verificando que no haya escurrimiento del ligante a dicha temperatura Se deben elaborar por lo menos 4 mezclas para cada porcentaje de ligante utilizado

MEZCLA DRENANTE

DISEÑO MEZCLA Ensayo Cántabro (INV E -760) 2. Compactación de probetas y determinación de vacíos Se compactan las mezclas mediante la técnica Marshall, a la temperatura apropiada, aplicando 50 golpes por cara a cada probeta Se pesan las probetas y se dividen en dos grupos Se determinan los vacíos con aire de las probetas a partir de la medida geométrica de su volumen y de la densidad relativa de los materiales

MEZCLA DRENANTE

DISEÑO MEZCLA Ensayo Cántabro (INV E -760) 3. Prueba de desgaste Las probetas para ensayo en seco se dejan en reposo durante 6 horas Se introducen las probetas en la máquina de los Ángeles sin esferas y se someten a 300 vueltas Se pesan las probetas luego del ensayo

Se calculan las pérdidas de peso de las probetas, en porcentaje

MEZCLA DRENANTE

DISEÑO MEZCLA Ensayo Cántabro (INV E -760) 4.Verificación de la adhesividad El juego de probetas destinado a verificar la adhesividad se somete a inmersión a 60o C por 24 horas Se efectúa el ensayo de desgaste como a las probetas ensayadas en seco y se calculan las pérdidas de peso correspondientes

MEZCLA DRENANTE

DISEÑO MEZCLA Ensayo Cántabro (INV E -760)


MEZCLAS ASFÁLTICAS EN FRÍO

MEZCLAS ASFÁLTICAS EN FRÍO Definición Mezclas constituidas por la combinación de uno o más agregados pétreos y un llenante mineral (cuando es necesario), con una emulsión asfáltica y, eventualmente, agua Estas mezclas son elaboradas, aplicadas y compactadas a temperatura ambiente Existen dos tipos de mezclas asfálticas en frío — Densas — Abiertas

MEZCLAS ASFÁLTICAS EN FRÍO

MEZCLAS DENSAS

EN FRÍO

MEZCLA DENSA EN FRÍO Definición Combinación de una emulsión asfáltica, agua, agregados pétreos grueso y fino y, eventualmente, un llenante mineral, cuya granulometría combinada es similar a la de un concreto asfáltico; mezcla que es posible fabricar, extender y compactar a temperatura ambiente El agua se debe incorporar a los agregados antes que la emulsión asfáltica, con el fin de evitar un rompimiento prematuro de ésta, asegurando un cubrimiento completo del agregado y una buena uniformidad en la mezcla.

MEZCLA DENSA EN FRÍO

Granulometría TAMIZ

PORCENTAJE QUE PASA

Normal

Alterno

MDF-1

MDF-2

MDF-3

37.5 mm 25.0 mm 19.0 mm 12.5 mm 9.5 mm 4.75 mm 2.36 mm 300 m 75 m

1 1/2‖ 1‖ 3/4‖ 1/2‖ 3/8‖ No.4 No.8 No.50 No200

100 80-95 62-77 45-60 35-50 13-23 3-8

100 80-95 60-75 47-62 35-50 13-23 3-8

100 80-95 50-65 35-50 13-23 3-8

Ligante bituminoso

Emulsión asfáltica catiónica de rotura lenta y controlada que corresponda a los tipos CRL-1 o CRL-1h

MEZCLA DENSA EN FRÍO FRANJA GRANULOMÉTRICA TÍPICA PARA MEZCLA DENSA EN FRÍO

MEZCLA DENSA EN FRÍO DISEÑO DE LA MEZCLA 1. Determinación del porcentaje óptimo teórico de ligante 1.1 Cálculo con base en la superficie específica L = K (S*A)0.2 Siendo: L = contenido de ligante residual sobre el peso de los agregados (%) K = módulo de riqueza (4.0 – 5.0) S = superficie específica del agregado (m2/kg) A = factor de corrección por peso específico del agregado (A = 1.00 cuando el peso específico es 2.65)

MEZCLA DENSA EN FRÍO DISEÑO DE LA MEZCLA

1. Determinación del porcentaje óptimo teórico de ligante (cont.) Superficie específica (S) (% retenido en un tamiz * FSE )  S 100

—Factor de superficie específica (FSE) FSE = 2.50 (D*d)0.5 Siendo: D = abertura del tamiz mayor (mm) d = abertura del tamiz menor (mm)


1. Determinación del porcentaje óptimo teórico de ligante (cont.) 1.2 Método propuesto por AEMA E = 0.05A + 0.1B +0.5C Siendo:

E = % teórico de emulsión asfáltica A = % de agregado retenido en tamiz # 8 B = % de agregado entre tamices # 8 y # 200 C = % que pasa el tamiz # 200


2. Determinación de los contenidos de agua de envuelta y compactación Se efectúan pruebas de envuelta con diferentes humedades de la mezcla observando la cobertura y, a la vista de los resultados, se escoge el más conveniente Para determinar la humedad de compactación, es una buena guía la humedad óptima del ensayo Proctor Modificado (INV E-142) sobre los agregados solos

MEZCLA DENSA EN FRÍO DISEÑO DE LA MEZCLA 3. Ensayos mecánicos para la determinación del óptimo real de ligante

Existen diversas posibilidades para diseñar en el laboratorio las mezclas densas en frío, siendo las más utilizadas: —Ensayo de inmersión - compresión —Ensayo Marshall modificado


DISEÑO DE LA MEZCLA POR EL MÉTODO DE INMERSIÓN – COMPRESIÓN

1. Determinación de la humedad óptima de compactación

MEZCLA DENSA EN FRÍO DISEÑO DE LA MEZCLA POR EL MÉTODO DE INMERSIÓN - COMPRESIÓN 2. Determinación del contenido óptimo teórico de ligante — Fórmula Duriez

LK

5



% L  % de asfalto residual K  módulo de riqueza (4.0  5.0)   Superficie específica   (0.17G  0.33 g  2.30 S  12s  135 f ) / 100 G  % partículas mayores de 10 mm g  % partículas entre 5 mm y 10 mm S  % partículas entre 0.315 mm y 5 mm s  % partículas entre 0.08 mm y 0.315 mm f  % partículas menores de 0.08 mm


DISEÑO DE LA MEZCLA POR EL MÉTODO DE INMERSIÓN – COMPRESIÓN

3. Elaboración de mezclas  Se elaboran mezclas con diferentes cantidades de emulsión, correspondientes a porcentajes de ligante por encima y por debajo del óptimo teórico, manteniendo el contenido óptimo de fluidos de compactación 4. Compactación de probetas  Se compactan probetas de 10 cm por 10 cm de altura mediante compresión creciente hasta alcanzar 210 kg/cm2, manteniendo esta presión durante 2 minutos (compactar seis probetas para cada contenido de ligante)


DISEÑO DE LA MEZCLA POR EL MÉTODO DE INMERSIÓN – COMPRESIÓN 5. Curado de las probetas  Desmoldado de las probetas y curado al aire durante 7 días a 25º C  Separar cada juego de 6 probetas en 2 grupos para el resto del curado: — Uno de los grupos se mantiene otros 7 días al aire a 25ºC — El otro grupo se sumerge en agua a 25ºC por 7 días

MEZCLA DENSA EN FRÍO DISEÑO DE LA MEZCLA POR EL MÉTODO DE INMERSIÓN – COMPRESIÓN

6. Ensayo de compresión  Al término del período de curado, se determina la densidad de las probetas y se rompen por compresión simple, promediando las resistencias para cada porcentaje de ligante (por aparte las curadas en seco y las curadas en húmedo) 7. Determinación del contenido óptimo de emulsión  Se dibujan gráficas de resistencia seca, resistencia húmeda y resistencia conservada y se elige el porcentaje óptimo de emulsión, de acuerdo con el criterio de diseño

MEZCLA DENSA EN FRÍO Representación gráfica resultados ensayo de inmersión - compresión

CRITERIO DE DISEÑO ARTÍCULO 440 ESPECIFICACIONES INVÍAS

MEZCLA DENSA EN FRÍO CARACTERIZACIÓN DE LA MEZCLA DENSA EN FRÍO, CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS

Módulo dinámico

 La mezcla denominada Tipo I del Instituto del Asfalto, elaborada en planta con agregados procesados y con propiedades similares a las de un concreto asfáltico, se puede asimilar a una mezcla densa en frío La variación de su módulo dinámico en el rango de 23º C a 38º C (73 a 100º F), luego de curado total, es altamente coincidente con la que presentan las mezclas de base de concreto asfáltico elaboradas con cementos asfálticos AC – 40


Módulo dinámico  En

las mezclas con emulsión asfáltica es muy importante tener en cuenta los efectos del curado en el módulo dinámico Et = Ef - (Ef - Ei)*RFt Et = módulo a la temperatura T y tiempo de curado t

Ef = módulo a la temperatura T para la mezcla totalmente curada Ei = módulo a la temperatura T para la mezcla en estado no curado (inicial)


Módulo dinámico RFt = factor de reducción que tiene en cuenta la cantidad de curado alcanzada en el tiempo t



Comportamiento a la fatiga  El comportamiento a fatiga de las estabilizaciones con emulsión asfáltica es similar al de las mezclas bituminosas en caliente Nf = Kt-c Nf = número de aplicaciones de carga hasta la falla para una deformación inicial de tensión, t K, c = constantes de regresión obtenidas del análisis de los datos de la prueba de fatiga

MEZCLA DENSA EN FRÍO Criterio de fatiga para mezclas elaboradas con emulsiones asfálticas (CHEVRON)


MEZCLAS ABIERTAS

EN FRÍO

MEZCLA ABIERTA EN FRÍO

Definición Combinación de un agregado pétreo predominantemente grueso y de granulometría uniforme, con un ligante bituminoso, constituyendo un producto que puede ser elaborado, extendido y compactado a temperatura ambiente y que presenta un elevado contenido de vacíos con aire

La mezcla abierta en frío puede ser colocada en obra inmediatamente después de su fabricación o tras un período de almacenamiento más o menos largo


Características de una mezcla abierta en frío

La resistencia de la mezcla a la acción del tránsito se debe al rozamiento interno de su esqueleto mineral, junto con la cohesión que proporciona la película del ligante asfáltico La estructura de este esqueleto mineral y el espesor de la película de ligante, hacen que la mezcla sea permeable y flexible


Granulometría de los agregados TAMIZ

PORCENTAJE QUE PASA

Normal

Alterno

MAF-1

MAF-2

MAF-3

37.5 mm 25.0 mm 19.0 mm 12.5 mm 9.5 mm 4.75 mm 2.36 mm 75 m

1 1/2‖ 1‖ 3/4‖ 1/2‖ 3/8‖ No.4 No.8 No.200

100 70-100 25-55 0-15 0-5 0-2

100 70-100 20-45 0-20 0-10 0-2

100 70-100 10-30 0-10 0-2

Ligante bituminoso Emulsión asfáltica catiónica de rotura media, del tipo CRM, con fluidificantes, bajo contenido de agua y alta viscosidad


DISEÑO DE LA MEZCLA

1. Determinación del porcentaje óptimo teórico de ligante

 Cálculo con base en la superficie específica — El cálculo se realiza como en el caso de las mezclas densas en frío, empleando un módulo de riqueza entre 3.5 y 3.7


DISEÑO DE LA MEZCLA 2. Ensayos de cubrimiento y desplazamiento  Con diferentes porcentajes de ligante por encima y por debajo del óptimo teórico se fabrican mezclas a las cuales se les realizan pruebas de: -

Cubrimiento, para determinar el porcentaje de cubrimiento de agregados y observar si se producen peladuras durante el tiempo de envuelta

-

Desplazamiento, sometiendo las mezclas a la acción del agua para estimar el porcentaje de lavado de los agregados

MEZCLA ABIERTA EN FRÍO DISEÑO DE LA MEZCLA 3. Selección del porcentaje óptimo de ligante para diseño

A la vista de los resultados de las pruebas de cubrimiento y desplazamiento, se elige el porcentaje de ligante que se considere más conveniente, el cual se podrá ajustar luego de las pruebas iniciales de obra CRITERIOS SOBRE CUBRIMIENTO Y DESPLAZAMIENTO

MEZCLA ABIERTA EN FRÍO DISEÑO DE LA MEZCLA 3. Selección del porcentaje óptimo de ligante para diseño Usualmente, una mezcla que responde adecuadamente a estas pruebas, presenta las siguientes características de dosificación :

MEZCLAS ASFÁLTICAS EN FRÍO COMPARACIÓN ENTRE LAS MEZCLAS DENSAS Y ABIERTAS EN FRÍO PARÁMETRO MEZCLAS DENSAS Emulsión Tipo Rotura lenta Fluidificantes No Ligante residual 60% Película de ligante Delgada Agregados Granulometría Bien gradada pasa tamiz 2mm 20-60 % pasa tamiz 0.075 mm 3-8% Dosificación Agua de preenvuelta Necesaria % ligante 4.0 - 5.5 Criterio de diseño Pruebas mecánicas Tipo de resistencia Principalmente por cohesión del mortero Otros Almacenabilidad No Apertura al tránsito No inmediato Costo Mayor

MEZCLAS ABIERTAS Rotura media Sí 70% Gruesa Gruesa y uniforme 0-10 % 0-2% No necesaria 2.5 - 4.0 Subjetivo Por rozamiento interno de los agregados Sí Inmediato (con sellado) Menor

MATERIALES PARA PAVIMENTOS RÍGIDOS Y DE ADOQUINES

CONTENIDO Materiales para la construcción de pavimentos rígidos Materiales constitutivos del concreto Curado del concreto Ensayos sobre las mezclas de concreto

Diseño de mezclas de concreto hidráulico para pavimentos Otros materiales Materiales para pavimentos articulados

MATERIALES PARA PAVIMENTOS RÍGIDOS Y DE ADOQUINES

MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE PAVIMENTOS RÍGIDOS


Concreto Mezcla homogénea de cemento Portland, agua, agregados fino y grueso y aditivos, cuando se requieren La mezcla de concreto constituye la estructura del pavimento


Acero Para pasadores y varillas de unión También para mallas electrosoldadas en pavimentos de concreto reforzado Materiales para el curado Evitan que los agentes atmosféricos sequen prematuramente la superficie de la losa que se acaba de vaciar Sellante para las juntas Asegura la estanqueidad de las juntas, minimiza la infiltración de agua superficial y evita la penetración de partículas sólidas entre las caras de las juntas


MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO


Cemento Portland Producto obtenido por pulverización del ―clinker‖ Portland, con la adición de una o más formas de sulfato de calcio, admitiéndose la adición de otros productos que no afecten las propiedades del cemento resultante


Cemento Portland ESQUEMA DEL PROCESO DE FABRICACIÓN


Cemento Portland FABRICACIÓN La combinación más común de ingredientes está constituida por piedra caliza (fuente de calcio), con arcilla y arena (como fuentes de sílice, aluminio y hierro) La materia prima es triturada, dosificada y mezclada


Cemento Portland

FABRICACIÓN La materia prima triturada pasa a través de una torre de precalentamiento y posteriormente a un horno rotatorio de grandes dimensiones donde es calcinada a alta temperatura (1300ºC – 1400ºC)


Cemento Portland

FABRICACIÓN La materia prima emerge por el extremo inferior del horno, como una nueva sustancia formada por partículas al rojo vivo, denominadas ―clinker‖


Cemento Portland

FABRICACIÓN El ―clinker‖ es enfriado al caer sobre una reja sometida a una corriente de aire forzado Se añade yeso para evitar que el cemento resultante fragüe rápidamente y se tritura el ―clinker‖ en un molino de bolas, dando como resultado el cemento Portland


Cemento Portland

COMPOSICIÓN La composición típica de un cemento Portland es la siguiente:

Óxido de calcio, CaO Óxido de silicio, SiO2 Óxido de aluminio, Al2O3 Óxido de hierro, Fe2O3 Trióxido de azufre, SO3

62-67% 20-25% 3-7% 2-5% 1-3%


Cemento Portland De acuerdo con sus cualidades y usos, existen los siguientes tipos de cemento Portland (NTC 30) Tipo 1 1M 2 3 4 5 1A 1MA 2A 3A

Características Normal, que es el empleado en las obras de hormigón en general y es el más utilizado en la construcción de pavimentos Destinado a obras de hormigón en general, pero que presenta resistencias superiores a las del tipo I Uso en obras de hormigón expuestas a la acción moderada de sulfatos y donde se requiera moderado calor de hidratación Cemento de alta resistencia inicial Cemento que desarrolla bajo calor de hidratación Cemento de alta resistencia a la acción de sulfatos Tipo 1 al cual se adiciona un incorporador de aire Tipo 1 M al cual se adiciona un incorporador de aire Tipo 2 al cual se adiciona un incorporador de aire Tipo 3 al cual se adiciona un incorporador de aire

Los cementos 1M y 1MA no están especificados en la norma ASTM C150


Cemento Portland CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS Y FÍSICAS Las características químicas y físicas del cemento Portland deben satisfacer los requisitos indicados en la norma ASTM C150 En la construcción del pavimento rígido se empleará cemento Portland del Tipo 1 si los documentos del proyecto no presentan indicación en contrario


Cemento Portland REQUISITOS QUÍMICOS NORMALES PARA CEMENTO PORTLAND TIPO 1 (ASTM C150)

Los ensayos se realizan de acuerdo con la norma ASTM C 114


Cemento Portland REQUISITOS FÍSICOS NORMALES PARA CEMENTO PORTLAND TIPO 1 (ASTM C150)

MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO ENSAYOS PARA DETERMINAR LAS CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DEL CEMENTO PORTLAND

1. Finura La hidratación de las partículas de cemento es lenta y depende del diámetro de sus partículas

 Cuanto más fino sea el cemento, mayor será la cantidad de él que se hidrate, pues la superficie total expuesta será mayor Al hidratarse un porcentaje mayor de la masa del cemento se obtendrá una mayor resistencia


ENSAYOS PARA DETERMINAR LAS CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DEL CEMENTO PORTLAND

1. Finura

Turbidímetro de Wagner

Permeámetro de Blaine



1. Finura 1.1 Turbidímetro de Wagner (ASTM C115 – INV E-303) Usa una celda fotoeléctrica para medir la intensidad de un haz de luz que pasa a través de una suspensión de partículas de cemento en un líquido (kerosén) Mediante la ley de Stokes se puede determinar la distribución del tamaño de las partículas y, a partir de ella, la superficie específica del cemento


1. Finura 1.2 Permeámetro de Blaine (ASTM C204 – INV E-302) Mide la permeabilidad al paso del aire de una capa de cemento compactada en el permeámetro El aire se hace pasar a través de la muestra mediante succión, determinándose el tiempo que un líquido normalizado demora en pasar entre dos marcas y, a partir de él, se puede determinar la superficie específica del cemento


2. Expansión al autoclave (ASTM C151 – INV E-304) Ensayo que se realiza sobre la pasta (cemento+agua) para establecer si el contenido de óxido de magnesio puede ser peligroso para la estabilidad de las mezclas que se hagan con el cemento Una barra de pasta de cemento de 2.5*2.5*25 cm se somete a vapor de agua a una presión de 20.7 kg/cm2 durante 3 horas y luego se mide el porcentaje de aumento de longitud de la barra a causa de este proceso


2. Expansión al autoclave (ASTM C151 – INV E-304)


3. Tiempo de fraguado

El fraguado se refiere al paso de la mezcla del estado fluido o plástico al estado sólido En la práctica se utilizan los términos de fraguado inicial y fraguado final para describir dos etapas del fraguado definidas arbitrariamente Para el control de calidad del cemento, los tiempos de fraguado se determinan sobre la pasta de cemento


3. Tiempo de fraguado

Método Gillmore

Método Vicat


3. Tiempo de fraguado 3.1 Método Gillmore (ASTM C266 – INV E-306) Una muestra de pasta de consistencia normal se somete periódicamente a la penetración de las agujas del aparato Cuando una aguja de diámetro 1/12‖ y peso de ¼ libra deja una pequeña huella en la pasta, pero no penetra en ella, se dice que se produce el ―fraguado inicial‖ Cuando una aguja de diámetro 1/24‖ y peso de 1 libra no penetra en la pasta, se dice que se produce el ―fraguado final‖


3. Tiempo de fraguado 3.2 Método Vicat (ASTM C191 – INV E-305) Una muestra de pasta de consistencia normal se somete periódicamente a la penetración de una aguja de 1 mm de diámetro y 300 gramos de peso, a diferentes tiempos Cuando la aguja penetra 25 mm en 30 segundos, se dice que ha transcurrido el tiempo de ―fraguado inicial‖ Cuando la aguja sólo deja una ligera huella en la pasta, se dice que ha transcurrido el tiempo de ―fraguado final‖


4. Resistencia a compresión (ASTM C109 – INV E-323) La resistencia mecánica del cemento endurecido es la propiedad que resulta más obvia en cuanto a los requisitos para usos estructurales La medida de resistencia no se realiza sobre la pasta de cemento puro, por cuanto se presentan dificultades de moldeo que darían lugar a resultados muy dispersos Por lo tanto, la medida se realiza sobre el mortero, es decir una mezcla de agua, cemento y un agregado fino específico, en proporciones normalizadas


4. Resistencia a compresión (ASTM C109 – INV E-323) El mortero de prueba está compuesto por una parte de cemento y 2.75 partes de una arena silícea normalizada (arena de Ottawa) con una gradación específica La cantidad de agua en el mortero debe ser la necesaria para producir una relación agua/cemento = 0.485 El mortero se coloca en moldes cúbicos de 50 mm de lado, los cuales se mantienen 24 horas en una cámara húmeda y el resto del tiempo los cubos se colocan sueltos en agua hasta el día del ensayo


4. Resistencia a compresión (ASTM C109 – INV E-323)


5. Contenido de aire del mortero (ASTM C185 – INV E-328) La prueba tiene por finalidad determinar si se cumplen los requisitos de aire incorporado, según el tipo de cemento que se esté ensayando El ensayo se realiza sobre un mortero elaborado con 1400 gramos de una arena estandarizada, 350 gramos de cemento y una cantidad de agua tal, que produzca una fluidez de 87.5% ± 7.5% en la mesa de flujo



5. Contenido de aire del mortero (ASTM C 185 – INV E-328) La prueba de fluidez se realiza colocando el molde de flujo sobre la mesa de flujo y vertiendo dentro de él y compactando, bajo condiciones normalizadas, una muestra del mortero con determinada cantidad de agua Después de compactado el mortero se retira el molde y se somete la mesa a 10 impactos, girando la manivela que acciona la excéntrica sobre la cual se apoya su plataforma, midiéndose el incremento del diámetro inferior del mortero Se hacen tanteos con diferentes contenidos de agua hasta encontrar el que incrementa el diámetro en 87.5% ± 7.5%



5. Contenido de aire del mortero (ASTM C185 – INV E-328)

Equipo para prueba de fluidez

Molde para ensayo de contenido de aire



5. Contenido de aire del mortero (ASTM C185 – INV E-328) PRUEBA DE FLUIDEZ

Se llena el molde

Se retira el molde

Se mide el aumento de diámetro tras los golpes



5. Contenido de aire del mortero (ASTM C185 – INV E-328) El mortero dosificado se coloca en 3 capas dentro de un molde de 400 cm3, se enrasa y se pesa, determinándose el peso neto del mortero (W) Se calcula el contenido de aire:

P = porcentaje de agua en la mezcla, basado en la masa del cemento usado


Agua  Su función es permitir la hidratación del cemento y hacer manejable la mezcla  Debe ser limpia y libre de cualquier sustancia perjudicial al pavimento terminado  En general, se considera adecuada el agua que sea apta para el consumo humano REQUISITOS DEL AGUA PARA EL CONCRETO Características pH Sustancias disueltas Contenido de sulfatos (SO4) Sustancias orgánicas solubles en éter Contenido de ion cloro Hidratos de carbono (azúcares)

Límite ≥5 ≤ 15 g/l ≤ 1 g/l ≤ 15 g/l ≤ 6 g/l 0


Agregado fino  Fracción de agregado que pasa por el tamiz # 4

 Puede provenir de arenas naturales o de la trituración de gravas, rocas o escorias  Requisitos de calidad: — Granulometría Tamiz (mm) % PASA

9,5 100

4,75 2,36 95-100 80-100

1,18 50-85

0,6 25-60

0,3 10-30

0,15 2-10


Agregado fino Requisitos de calidad (cont.): — Módulo de finura →Permite estimar qué tan fina o gruesa es la arena →Es la suma de los porcentajes retenidos acumulados en los tamices indicados en el cuadro de control granulométrico (9.5 mm hasta 0.15 mm) →Su valor se usa en el diseño de las mezclas de concreto


Agregado fino Requisitos de calidad (cont.):

— Contenido de sustancias perjudiciales Características Terrones de arcilla y partículas deleznables Material que pasa por el tamiz No. 200 Cantidad de partículas livianas Contenido de sulfatos (SO4)

Límite ≤1% ≤5% ≤ 0,5 % ≤ 1,2 %

—Reactividad con los álcalis del cemento: No debe presentar — Equivalente de arena: ≥ 60 % —Pérdida en ensayo de solidez ≤ 10 % (Na2SO4) ó ≤ 15 % (MgSO4)


Agregado fino Requisitos de calidad (cont.): — No se permite el empleo de arena que en el ensayo colorimétrico para detección de materia orgánica (norma de ensayo INV E-212) produzca un color más oscuro que el de la muestra patrón


Agregado grueso  Fracción de agregado retenida en el tamiz # 4

 Puede ser grava natural o proceder de la trituración de grava, roca u otro producto adecuado  Requisitos de calidad: — Granulometría Tamiz (mm) % PASA AG 1 % PASA AG 2

57 100 -

50 37,5 95-100 100 95-100

25 35-70 -

19 35-70

12,5 10-30 -

9,5 10-30

— Partículas planas y alargadas (relación 5:1) ≤ 10 % — Desgaste Los Ángeles ≤ 40 % —Desgaste Micro Deval ≤ 30 %

4,75 0-5 0-5


Agregado grueso  Requisitos de calidad (cont.): —Pérdidas en ensayos de solidez ≤ 12% (Na2SO4) ó 18% ≤ (MgSO4) — Contenido de sustancias perjudiciales Características Terrones de arcilla y partículas deleznables Cantidad de partículas livianas Contenido de sulfatos (SO4)

Límite ≤ 0,25 % ≤ 0,50 % ≤ 1,00 %

—No debe presentar reactividad con los álcalis del cemento


Aditivos  Sustancias que se agregan al concreto para modificar o mejorar una o más de sus características básicas  Los aditivos se pueden clasificar (ASTM C 494) en : — Plastificantes, que permiten disminuir la cantidad de agua necesaria para obtener una determinada consistencia del hormigón. — Retardadores, los cuales retardan el fraguado del concreto


Aditivos (cont.) —Acelerantes, que aceleran tanto el fraguado como la resistencia a temprana edad — Plastificantes retardadores — Plastificantes acelerantes —Inclusores de aire (ASTM C1017), incrementan la resistencia ante ciclos de congelamiento y deshielo y contribuyen en la trabajabilidad y la resistencia a los sulfatos y a la reacción síliceálcalis Existen otros productos no incluidos en la anterior clasificación: impermeabilizantes, repelentes de agua, colorantes, superplastificantes, etc.


Aditivos


Adiciones  Las cenizas volantes (ASTM C618) se pueden incorporar en una mezcla de concreto con alguno de los siguientes propósitos: —Como material inerte, para corregir la carencia de finos de la arena (adición)

—Como complemento del efecto ligante del cemento, que aporta resistencia al final del período, por el hecho de tener poder puzolánico en presencia de cal o de yeso (aditivo)

FACTORES QUE DETERMINAN LA CALIDAD DEL CONCRETO

CURADO DEL

CONCRETO

CURADO DEL CONCRETO

Definición  Es el proceso de mantener un contenido de humedad satisfactorio y una temperatura favorable en el cemento durante un periodo de tiempo apropiado, de manera de evitar la pérdida acelerada de agua (reducir la fisuración) y garantizar la hidratación del cemento (asegurar la resistencia)

CURADO DEL CONCRETO EFECTO DE LAS CONDICIONES DE HUMEDAD DURANTE EL CURADO Y EN EL INSTANTE DE FALLA, SOBRE LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN


ENSAYOS SOBRE LAS MEZCLAS DE CONCRETO

ENSAYOS SOBRE LAS MEZCLAS DE CONCRETO ENSAYOS PARA EL CONTROL DE CALIDAD Y EL DISEÑO DE LA MEZCLA

1. Composición 1.1 Consistencia (ASTM C143 – INV E- 404) Sirve para determinar variaciones en la uniformidad entre las diferentes bachadas de una determinada mezcla  También da una idea de la trabajabilidad y de la facilidad de puesta en obra del concreto La prueba no constituye una medida de resistencia, de durabilidad o de comportamiento futuro


1. Composición 1.1 Consistencia (ASTM C143 – INV E-404)

Cono de consistencia de Abrams


1. Composición 1.2 Contenido de aire (ASTM C 231 – ASTM C 173) El ensayo mide el contenido de aire total de una mezcla de concreto fresco No permite establecer el contenido de aire incluido, que incide en la durabilidad del concreto endurecido La prueba se realiza antes del vibrado y consolidación del concreto en obra, lo que limita la representatividad del resultado respecto de la durabilidad


1. Composición 1.2 Contenido de aire

Método de presión (ASTM C-231 – INV E-406

Método volumétrico (ASTM C173 – INV E-408)


ENSAYOS PARA EL CONTROL DE CALIDAD Y EL DISEÑO DE LA MEZCLA

2. Resistencia a la compresión (f’c) (ASTM C39 – INV E-410) Es una medida universal de la calidad del concreto No está muy relacionada con las condiciones de trabajo de un pavimento rígido, dado que la relación entre los esfuerzos de compresión del tránsito y la resistencia a la compresión del concreto es muy pequeña para influir sobre el espesor de diseño de las losas


2. Resistencia a la compresión (f’c) (ASTM C39)


3. Resistencia a la flexión sR (ASTM C78 – INV E-414) Es el esfuerzo en la fibra extrema bajo la carga de rotura Es el valor que se utiliza en el diseño de pavimentos rígidos, debido a que la relación entre los esfuerzos de flexión producidos por el tránsito y la resistencia a flexión del concreto es alta, a menudo mayor de 0.50 El período de curado utilizado para determinar esta resistencia es de 28 días en diseños para calles y carreteras y de 90 días en diseños para pistas de aeropuertos


3. Resistencia a la flexión sR (ASTM C78 - INV E-414) La resistencia a la flexión se determina mediante ensayos de módulo de rotura sobre probetas prismáticas apoyadas en sus extremos y aplicando dos cargas concentradas en los tercios de la luz


3. Resistencia a la flexión σR (ASTM C78 – INV E-414) La resistencia se determina mediante las expresiones: sR 

Pl bd 2

sR 

3Pa bd 2

( Si la fractura se inicia en el tercio medio de la luz libre) ( Si la fractura se inicia fuera del tercio medio de la luz libre, pero separada de él a una distancia ≤ 5% de la luz libre)

P = máxima carga aplicada l = longitud libre entre apoyos b = ancho promedio de la probeta d = altura promedio de la probeta a = distancia entre la línea de fractura y el apoyo más cercano



4. Ensayo de tensión sT No se suele medir de manera directa El ensayo usual es el de tracción indirecta sobre cilindros normales de concreto (ASTM C496 – INV E-411) El ensayo tiene algunas ventajas de orden práctico respecto del método del módulo de rotura: —Emplea probetas cilíndricas iguales a las usadas en el ensayo a compresión —No requiere aditamentos especiales para la máquina de ensayo —El valor σT correlaciona bastante bien con el σR



4. Ensayo de tracción indirecta sT (ASTM C496 – INV E-411)

2P sT  DL P = carga máxima de ensayo D = diámetro del cilindro L = longitud del cilindro


CORRELACIONES ENTRE LAS DIFERENTES MEDIDAS DE RESISTENCIA

Resistencia a flexión σR - Resistencia a compresión (f’c) sR = 8.4 (f’c)0.5 sR, f’c en psi sR = K (f’c)0.5 K = coeficiente que varía de 2.00 a 2.70 sR, f’c en kg/cm2


CORRELACIONES ENTRE LAS DIFERENTES MEDIDAS DE RESISTENCIA

Resistencia a tensión indirecta (σT) – Resistencia a compresión (f’c)

sT = 6.7 (f’c) 0.5 σR, f’c en psi Resistencia a flexión (σR) – Resistencia a tensión indirecta (σT) sR = 1.02 sT + 200

(en psi)


ENSAYOS PARA ANÁLISIS MECANÍSTICO Y DISEÑO DE PAVIMENTOS

1. Módulo de elasticidad (Ec) Representa la rigidez de la losa y su capacidad para distribuir las cargas Incide sobre las deflexiones, curvatura, esfuerzos y deformaciones del pavimento rígido

Es un parámetro de la mayor importancia en los programas de elementos finitos para el cálculo de esfuerzos y deformaciones



1. Módulo de elasticidad (Ec) Ec = 57000 (f’c)0.5

Ec = 33 (w) 1.5 (f’c)0.5 Donde: Ec = módulo de Young (libras/pg2) w = peso unitario del concreto (libras/pie3) f’c = resistencia a la compresión (libras/pg2)



2. Coeficiente de expansión térmica Los cambios de temperatura producen alabeos en las losas que generan esfuerzos adicionales a los de las cargas, los cuales se deben tener en cuenta para definir el espaciamiento entre juntas, la abertura de ellas y las necesidades de armadura



2. Coeficiente de expansión térmica Valores propuestos por la FHWA: —11.7*10-6/ °C

para arenisca

—10.8*10-6/ °C

para grava

—16.8*10-6/ °C

para caliza



3. Coeficiente de contracción por secado Se emplea para computar las aberturas de las juntas transversales —0.00080 cm/cm para concreto con σT menor de 300 psi —0.00045 cm/cm para concreto con σT de 500 psi —0.00020 cm/cm para concreto con σT mayor de 700 psi



4. Ensayo de fatiga sobre vigas sometidas a flexión

Se usan para determinar la vida a fatiga de las losas bajo carga repetida

s n N f  K1 ( ) sR Nf = número de repeticiones de carga hasta la falla s = esfuerzo aplicado sR = módulo de rotura K1 , n = constantes de fatiga



4. Ensayo de fatiga sobre vigas sometidas a flexión Ecuaciones de la Portland Cement Association (1985): Para

s  0.55 : sR

Para 0.45 

Para

log N f  11.737  12.077(

s  0.55 : sR

s  0.45 : sR

s ) sR

   4.2577   Nf    s  0.4325  s R   

N f  ilimitado

3.268



4. Ensayo de fatiga sobre vigas sometidas a flexión


DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS


Objetivo Determinar la combinación de agregados pétreos (grueso y fino), cemento Portland, agua y eventuales aditivos que den lugar a una mezcla económica que en estado fresco presente una manejabilidad apropiada y en estado endurecido presente la resistencia y la durabilidad requeridas Una mezcla típica de concreto para pavimento está compuesta por 60-75% de volumen de agregados y 25-40% de volumen de pasta (cemento, agua y aire)


Datos requeridos para el diseño 1. Agregados pétreos —Granulometría de los agregados grueso y fino —Tamaño máximo nominal del agregado grueso —Módulo de finura del agregado fino —Peso específico aparente y absorción —Peso unitario seco y apisonado —Humedad antes de realizar la mezcla 2. Agua —Peso específico (usualmente 1000 kg/m3)


Datos requeridos para el diseño (cont.) 3. Cemento Portland —Peso específico 4. Aditivos —Peso específico 5. Características de elemento por construir —Tipo de elemento —Dimensiones


Datos requeridos para el diseño (cont.) 6. Resistencia de diseño —Resistencia a flexión (normalmente a 28 días) 7. Calidad del control de ejecución de la mezcla —Uniformidad de elaboración, medida por la desviación estándar (S) de la resistencia o por el coeficiente de variación (V) 8. Condiciones de exposición del elemento —En contacto con el agua —Bajo condiciones de congelamiento y deshielo


Pasos del diseño de la mezcla 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.

Selección del asentamiento (slump) Selección del tamaño máximo nominal del agregado Estimación del contenido de agua de la mezcla Determinación del volumen de aire atrapado en la mezcla Determinación de la resistencia de dosificación Selección de la relación agua/cemento (A/C) Cálculo de la cantidad requerida de cemento Calculo de la cantidad de cada agregado Ajuste de cantidades por humedad de los agregados Determinación de las proporciones iniciales Elaboración de mezcla de prueba y verificación del slump Verificación de la resistencia de la mezcla


Pasos del diseño de la mezcla 1. Selección del asentamiento (slump) —Se escoge de acuerdo con las características de la obra por construir Máximo Slump (mm)

Mínimo Slump (mm)

Fundaciones reforzadas

75

25

Fundaciones de concreto simple, caissons

75

25

Vigas y muros reforzados

100

25

Columnas

100

25

Pavimentos y losas

75

25

Construcciones voluminosas

75

25

Tipo de construcción


Pasos del diseño de la mezcla 2. Selección del tamaño máximo nominal del agregado —Se recomienda que no sea mayor de 1/3 del espesor del pavimento por construir 3. Estimación del contenido de agua de la mezcla —La cantidad de agua requerida depende del asentamiento deseado y del tamaño máximo nominal del agregado y teniendo en cuenta si el concreto se elaborará con aire incluido o no


Pasos del diseño de la mezcla 3. Estimación del contenido de agua de la mezcla CONCRETO SIN AIRE INCLUIDO* Agua aproximada en la mezcla (kg/m3) según el tamaño máximo nominal del agregado Slump (mm)

9.5 mm

12.5 mm

19 mm

25 mm

37.5 mm

50 mm

75 mm

150 mm

25 a 50

207

199

190

179

166

154

130

113

75 a 100

228

216

205

193

181

169

145

124

150 a 175

243

228

216

202

190

178

160

-

Más de 175

-

-

-

-

-

-

-

-

* Existe una tabla similar para el caso de una mezcla de concreto con aire incluido


Pasos del diseño de la mezcla 4. Determinación del volumen de aire atrapado en la mezcla CONCRETO SIN AIRE INCLUIDO Cantidad aproximada de aire atrapado (%) Slump (mm)

9.5

12.5

19

25

37.5

50

75

150

Todos

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.3

0.2



Pasos del diseño de la mezcla 5. Determinación de la resistencia de dosificación —El diseño estructural del pavimento debe especificar, en la memoria de cálculo, una resistencia de diseño a la flexión o módulo de rotura (MRd) —Debido a las variaciones que se producen en la elaboración, transporte, colocación, compactación y curado de la mezcla en obra, ésta debe ser dosificada para alcanzar una resistencia promedio ( MR) superior a la resistencia del diseño estructural del pavimento


Pasos del diseño de la mezcla 5. Determinación de la resistencia de dosificación (cont.) —Si se dispone de suficientes datos estadísticos sobre las características de la mezcla y sobre los procedimientos de colocación y curado, el MR se estima con la expresión: MR  MRd  0.842 * SMR * C

Siendo: SMR = desviación estándar del módulo de rotura de la mezcla C = coeficiente de modificación, que depende del número de resultados (n) con base en el cual se estableció SMR


Pasos del diseño de la mezcla 5. Determinación de la resistencia de dosificación (cont.) —Cuando no hay datos estadísticos sobre la calidad de la mezcla o se reconoce que su uniformidad es deficiente:

MR  1.25 * MRd —Es recomendable hacer los cálculos con las dos expresiones y utilizar el menor valor obtenido de MR


Pasos del diseño de la mezcla 6. Determinación de la relación agua/cemento (A/C) —Tanto la resistencia como la durabilidad del concreto dependen de esta relación

—Existen relaciones empíricas entre A/C y la resistencia a compresión del concreto a 28 días —Debido a que las mezclas de concreto para pavimentos rígidos se diseñan a la flexión, es necesario emplear alguna correlación confiable entre estas dos resistencias


Pasos del diseño de la mezcla 6. Determinación de la relación agua cemento (A/C) Relación entre A/C y la resistencia a compresión del concreto Resistencia a compresión a 28 días (MPa)

Relación A/C por peso (Concreto sin aire incluido)

40

0.42

35

0.47

30

0.54

25

0.61

20

0.69

15

0.79



Pasos del diseño de la mezcla 6. Determinación de la relación agua cemento (A/C) (cont.) —La relación A/C determinada por resistencia debe ser verificada por durabilidad si la obra va a estar sometida a condiciones ambientales severas, debiendo escogerse la menor de las dos relaciones A/C obtenidas Máxima relación A/C permisible para concretos bajo condiciones severas de exposición

Tipo de estructura

Estructura expuesta continuamente al agua dulce y/o a ciclos de congelamiento y deshielo

Estructura expuesta al agua del mar o a sulfatos

Secciones delgadas y otras secciones que presenten una cobertura de concreto de menos de 25 mm sobre el acero de refuerzo

0.45

0.40

Todas las demás estructuras

0.50

0.45


Pasos del diseño de la mezcla 7. Cálculo de la cantidad requerida de cemento —Se determina a partir de la cantidad de agua (paso 3) y de la relación A/C (paso 6) Agua (kg/m 3 ) Cemento (kg/m )  A/C 3

Cemento (kg/m 3 ) Cemento (m /m )  3,150 (kg/m 3 ) 3

3

—Si se van a emplear adiciones puzolánicas o aditivos, se indica su cantidad, como porcentaje del peso del cemento, según las recomendaciones del proveedor


Pasos del diseño de la mezcla 8. Cálculo de la cantidad de cada agregado —Una tabla permite determinar el volumen de agregado grueso seco y apisonado (Vagp) por unidad de volumen de concreto, en función del tamaño máximo nominal y el módulo de finura del agregado fino —Se entiende que los agregados grueso y fino cumplen las granulometrías indicadas en la norma ASTM C 33


Pasos del diseño de la mezcla 8. Cálculo de la cantidad de cada agregado Volumen de agregado grueso seco y apisonado por unidad de volumen de concreto (Vagp) Tamaño máximo nominal del agregado (mm)

2.40

2.60

2.80

3.00

9.5

0.50

0.48

0.46

0.44

12.5

0.59

0.57

0.55

0.53

19

0.66

0.64

0.62

0.60

25

0.71

0.69

0.67

0.65

37.5

0.75

0.73

0.71

0.69

50

0.78

0.76

0.74

0.72

75

0.82

0.80

0.78

0.76

150

0.87

0.85

0.83

0.81


Pasos del diseño de la mezcla 8. Cálculo de la cantidad de cada agregado —A partir del valor obtenido en la tabla se determina el volumen necesario de agregado grueso en la mezcla (Vag): Peso unitario apisonado (kg/m 3 ) Vag  Vagp * Peso específico aparente agregado grueso *1,000

—Se calcula el peso del agregado grueso por unidad de volumen de mezcla (Wag): Wag = Vag * peso específico aparente agregado grueso*1,000


Pasos del diseño de la mezcla 8. Cálculo de la cantidad de cada agregado —Se calcula el volumen de agregado fino por unidad de volumen de mezcla (Vaf): Vaf = 1 – Vag – Vcemento – Vagua - Vaire —Se calcula el peso del agregado fino por unidad de volumen de mezcla (Wagf): Waf = Vaf * peso específico aparente agregado fino*1,000


Pasos del diseño de la mezcla 9. Ajuste de cantidades por humedad de los agregados —Debido a que los cálculos se realizan suponiendo agregados secos y no absorbentes, la cantidad neta de agua y de agregados por incluir en la mezcla se debe ajustar en función de la humedad de éstos en el momento de la mezcla y de sus características de absorción


Pasos del diseño de la mezcla 9. Ajuste de cantidades por humedad de los agregados  (absorción ag  humedad natural ag )  Wag ajustado  Wag x 1   100    (absorción af  humedad natural af )  Waf ajustado  Waf x 1   100   Wagua ajustado  Wagua  (Wag ajustado  Wag )  (Waf ajustado  Waf )


Pasos del diseño de la mezcla 10. Determinación de las proporciones iniciales —Se expresan las cantidades iniciales de cemento, agregado fino y agregado grueso de manera proporcional, tomando como referencia el peso del cemento: (A/C) : 1 (cemento) : AF : AG Siendo: AF 

AG

Waf (kg / m 3 ) Wcemento (kg / m 3 ) Wag (kg / m 3 ) Wcemento (kg / m 3 )


Pasos del diseño de la mezcla 11. Elaboración de mezcla de prueba y verificación del slump —Con las proporciones iniciales calculadas se elabora una mezcla de prueba y se verifica si ella cumple el requisito de asentamiento

—En caso de no cumplirlo, se deben efectuar ajustes a las proporciones de ingredientes hasta lograr su cumplimiento


Pasos del diseño de la mezcla 12. Verificación de la resistencia de la mezcla —Hecho el ajuste por asentamiento (si hubo lugar a él) se elaboran vigas de prueba que se curan por el procedimiento normalizado y se rompen por flexión a 28 días

—Si la resistencia obtenida difiere sustancialmente de la de dosificación (MR), se deben ajustar los contenidos de agua, cemento y agregados, sin afectar la durabilidad —El ajuste se debe hacer variando las cantidades de cemento y agregado fino para obtener una nueva relación A/C, pero dejando constantes las cantidades de agua y agregado grueso para mantener el asentamiento (slump)


Ejemplo de diseño Datos agregados pétreos —Tamaño máximo nominal del agregado grueso = 50 mm —Módulo de finura del agregado fino = 2.80 —Peso específico aparente agregado grueso = 2.60 —Absorción agregado grueso = 2.0 % —Humedad natural agregado grueso = 1.0 % —Peso específico aparente agregado fino = 2.66 —Absorción agregado fino = 4.0 % —Humedad natural agregado fino = 1.0 %


Ejemplo de diseño (cont.) Datos cemento —Peso específico = 3.15 Datos del concreto —Asentamiento (slump) = 50 mm —MRd = 3.7 MPa —Desviación estándar en MR en obra = 0.5 MPa —Coeficiente de modificación = 1.08 (20 datos) —Concreto sin aire incluido —El pavimento estará sometido a condiciones ambientales normales


Ejemplo de diseño (Solución) 1. Selección del asentamiento (slump) —El valor elegido, 50 mm, se encuentra en el promedio del rango admisible para mezclas de pavimentos rígidos 2. Selección del tamaño máximo nominal del agregado —El tamaño máximo elegido, 25 mm, es inferior a la tercera parte del espesor de diseño de las losas


Ejemplo de diseño (Solución) 3. Estimación del contenido de agua de la mezcla CONCRETO SIN AIRE INCLUIDO* Agua aproximada en la mezcla (kg/m3) según el tamaño máximo nominal del agregado Slump (mm)

9.5 mm

12.5 mm

19 mm

25 mm

37.5 mm

50 mm

75 mm

150 mm

25 a 50

207

199

190

179

166

154

130

113

75 a 100

228

216

205

193

181

169

145

124

150 a 175

243

228

216

202

190

178

160

-

Más de 175

-

-

-

-

-

-

-

-


Ejemplo de diseño (Solución) 4. Determinación del volumen de aire atrapado en la mezcla CONCRETO SIN AIRE INCLUIDO Cantidad aproximada de aire atrapado (%) Slump (mm)

9.5

12.5

19

25

37.5

50

75

150

Todos

3.0

2.5

2.0 1.5

1.0

0.5 0.3

0.2


Ejemplo de diseño (Solución) 5. Determinación de la resistencia de dosificación Opción 1:

MR  MRd  0.842 * SMR * C MR  3.7  0.842 * 0.5 *1.08  4.15 MPa (590 psi aprox.)

Opción 2: MR  1.25 * MRd MR  1.25 * 3.7  4.6 MPa (660 psi aprox.)

Se adopta el menor de los dos (590 psi)


Ejemplo de diseño (Solución) 6. Determinación de la relación agua cemento (A/C) —Para establecer la relación A/C se debe conocer la resistencia a compresión de diseño a 28 días —Como las mezclas de concreto para pavimentos rígidos se diseñan a la flexión, es necesario estimar la resistencia a compresión con alguna correlación confiable: MR = 8.4 (f’c)0.5

(valores en psi)

f’c = (MR/8.4)2 = (590/8.4)2 = 4,930 psi (35 MPa aprox.)


Ejemplo de diseño (Solución) 6. Determinación de la relación agua cemento (A/C) Relación entre A/C y la resistencia a compresión del concreto Resistencia a compresión a 28 días (MPa)

Relación A/C por peso (Concreto sin aire incluido)

40

0.42

35

0.47

30

0.54

25

0.61

20

0.69

15

0.79


Ejemplo de diseño (Solución) 7. Cálculo de la cantidad requerida de cemento Agua (kg/m 3 ) 179 Cemento (kg/m )    380.85 kg/m 3 A/C 0.47 3

Cemento (kg/m 3 ) 380.85 3 3 Cemento (m /m )    0.121 m /m 3150 3150 (kg/m 3 ) 3

3


Ejemplo de diseño (Solución) 8. Cálculo de la cantidad de cada agregado Volumen de agregado grueso seco y apisonado por unidad de volumen de concreto (Vagp) Tamaño máximo nominal del agregado (mm)

2.40

2.60

2.80

3.00

9.5

0.50

0.48

0.46

0.44

12.5

0.59

0.57

0.55

0.53

19

0.66

0.64

0.62

0.60

25

0.71

0.69

0.67

0.65

37.5

0.75

0.73

0.71

0.69

50

0.78

0.76

0.74

0.72

75

0.82

0.80

0.78

0.76

150

0.87

0.85

0.83

0.81


Ejemplo de diseño (Solución) 8. Cálculo de la cantidad de agregado grueso Peso unitario apisonado (kg/m 3 ) Vag  Vagp x Peso específico aparente agregado grueso *1,000

Vag  0.67 x

1800  0.464 m3 /m 3 2.60 *1,000

Wag = 0.464 * 2.60*1,000 = 1,206 kg/m3


Ejemplo de diseño (Solución) 8. Cálculo de la cantidad de agregado fino Vaf = 1 – Vag – Vcemento – Vagua - Vaire Vaf = 1 – 0.464 – 0.121 – 0.179 – 0.005 = 0.231 m3/m3 Waf = 0.231 * 2.66*1,000 = 614.46 kg/m3


Ejemplo de diseño (Solución) 9. Ajuste de cantidades por humedad de los agregados  (absorción ag  humedad natural ag )  Wag ajustado  Wag x 1   100  

 (2  1)  3 Wag ajustado  1,206 x 1   1,218 kg/m 100  


Ejemplo de diseño (Solución) 9. Ajuste de cantidades por humedad de los agregados  (absorción af  humedad natural af )  Waf ajustado  Waf x 1   100    (4  1)  3 Waf ajustado  614.46 x 1   633 kg/m 100  


Ejemplo de diseño (Solución) 9. Ajuste de cantidades por humedad de los agregados Wagua ajustado  Wagua  (Wag ajustado  Wag )  (Waf ajustado  Waf )

Wagua ajustado  179  (1,218  1,206)  (633  614.46)  209.5 kg/m 3


Ejemplo de diseño (Solución) 10. Determinación de las proporciones iniciales —De acuerdo con los cálculos, se requieren las siguientes cantidades de ingredientes por metro cúbico de concreto: —Cemento = 380.85 kg —Agregado fino = 633 kg —Agregado grueso = 1218 kg —Expresando los resultados proporcionalmente al peso del cemento, se tiene: (A/C) : 1 (cemento) : AF : AG

(0.47) : 1 : 1.66 : 3.20

MATERIALES REQUERIDOS PARA LA CONSTRUCCIÓN DE PAVIMENTOS RÍGIDOS

OTROS MATERIALES

ACERO

Pasadores (varillas de transferencia de carga) Constituidos por barras lisas de acero redondo y liso, grado 40, que cumplan las exigencias de la norma ASTM A 615 (AASHTO M 31)  Se colocan en las juntas transversales y deben ser revestidas en 2/3 de su longitud con una película fina de un producto adecuado, para evitar su adherencia al concreto y no coartar su deslizamiento dentro de la losa

ACERO

Varillas de unión Se colocan en las juntas longitudinales para evitar el desplazamiento relativo de losas de carriles vecinos Deben ser corrugadas, de grado 60 y cumplir las exigencias de la norma ASTM A 615 (AASHTO M31)

ACERO

Refuerzo en las losas Se emplea para armar los pavimentos de concreto reforzado  Puede consistir en malla de alambre de acero de refuerzo soldado (AASHTO M 55) o emparrillado de varillas de acero (AASHTO M 54)

ACERO

Pasadores

Refuerzo

Varillas de unión

MATERIALES PARA CURADO

PRODUCTOS QUE MANTIENEN UN MEDIO HÚMEDO MEDIANTE LA APLICACIÓN CONTINUA O FRECUENTE DE AGUA

Esteras de algodón

AASHTO M 73

Brin de yute o kenaf

AASHTO M 182

PRODUCTOS SELLANTES QUE EVITAN LA PÉRDIDA DE AGUA

Papel impermeable

AASHTO M 171

Polietileno blanco

ASTM C 171

Compuestos líquidos de curado

AASHTO M 148

SELLANTE PARA LAS JUNTAS MATERIALES MÁS COMUNES PARA EL SELLADO DE JUNTAS

1. Para vertido en caliente Elástico a base de asfalto polimérico Polimérico de bajo módulo Elastómero PVC alquitrán de hulla

ASTM D1190 ASTM D3405 ASTM D3406

2. De un solo componente para aplicación en frío Silicona ASTM D5893

SELLANTE PARA LAS JUNTAS MATERIALES MÁS COMUNES PARA EL SELLADO DE JUNTAS

3. De dos componentes para aplicación en frío Polímeros elastoméricos SS - S 200

4. Sellantes premoldeados Policloropreno elastomérico ASTM D2628 Premoldeado asfáltico ASTM D994 Premoldeado no bituminoso, elástico, no extruído ASTM D1752 5. Lubricantes Lubricante para sellante premoldeado

ASTM D2835

SELLANTE PARA LAS JUNTAS

SELLANTE PREMOLDEADO (ASTM D 2628)

SELLANTE DE SILICONA

CORDÓN DE RESPALDO Se emplea cuando la junta se sella con silicona Debe ser antiadherente con la silicona e impedir la adhesión de ella a la superficie inferior de la junta Debe cumplir los requisitos del Tipo 3 de la norma ASTM D 5249

Cordón

MATERIALES PARA PAVIMENTOS ARTICULADOS



Arena para capa de soporte Preferentemente de origen aluvial, de partículas duras, no plástica y libre de sustancias objetables Equivalente de arena ≥ 60 % Granulometría, según requerimientos de ASTM C 33:


Adoquines de concreto Resistencia a compresión promedio por muestra ≥ 55 MPa (8,000 psi), sin valores individuales menores de 50 MPa (7,200 psi) (ASTM C 936) ICONTEC exige un módulo de rotura promedio por muestra ≥ 4.5 MPa , sin valores individuales menores de 3.6 MPa (NTC 2017) Absorción de agua < 5.0 % (ASTM C 140) Si se emplean pigmentos, deberán satisfacer los requisitos de la norma ASTM C 979


Adoquines de ladrillo (ASTM C 1272) Resistencia a compresión promedio por muestra de 5 ladrillos ≥ 69 MPa (10,000 psi), sin valores individuales menores de 61 MPa (8,800 psi) (ASTM C 936) Carga de rotura promedio por muestra de 5 ladrillos ≥ 83 kN/mm (475 lb/pg) , sin valores individuales menores de 58 kN/mm (333 lb/pg) Absorción de agua promedio por muestra ≤ 5.0 % sin valores individuales mayores de 7 % (ASTM C 140)


Arena para sello de juntas Puede ser natural o manufacturada, libre de sustancias objetables

Granulometría, según requerimientos de ASTM C 144:

VARIABILIDAD EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS

CONTENIDO

Ejemplos de la variabilidad que afecta a los pavimentos

Variabilidad en el comportamiento del pavimento Variabilidad en los resultados de los ensayos de laboratorio

Variabilidad en las propiedades de los suelos de subrasante Variabilidad en los espesores de las capas del pavimento

CONTENIDO (continuación)

Variabilidad en la compactación de las capas inferiores Variabilidad en los parámetros de los materiales y de las mezclas

Variabilidad en los parámetros del tránsito Variabilidad en el pavimento construido Aplicaciones de la variabilidad en los sistemas de pavimentos


La palabra ―pavimento‖ es sinónimo de variabilidad La variabilidad es inevitable y su magnitud y su tendencia inciden en todos los asuntos ligados con la ingeniería de pavimentos: —Desarrollo de las guías de diseño —Elaboración de los estudios para el diseño —Especificaciones de construcción —Control de la construcción —Evaluación del comportamiento en servicio


EJEMPLOS DE LA VARIABILIDAD QUE AFECTA A LOS PAVIMENTOS

EJEMPLOS DE LA VARIABILIDAD QUE AFECTA A LOS PAVIMENTOS INCERTIDUMBRE EN LOS DATOS DE ENTRADA PARA EL DISEÑO

EJEMPLOS DE LA VARIABILIDAD QUE AFECTA A LOS PAVIMENTOS VARIABILIDAD EN LAS PROPIEDADES DE LOS MATERIALES Y EN LA CALIDAD DE LA CONSTRUCCIÓN VARIACIÓN EN LA RESISTENCIA A COMPRESIÓN DE NÚCLEOS DE PAVIMENTO RÍGIDO TOMADOS A INTERVALOS DE 30 METROS.


VARIABILIDAD EN EL COMPORTAMIENTO DEL PAVIMENTO


FACTORES QUE GENERAN VARIABILIDAD EN EL COMPORTAMIENTO DEL PAVIMENTO  Incertidumbre en los datos de entrada para el diseño  Variabilidad en la composición y propiedades físicas de los materiales utilizados y en la práctica constructiva  Variabilidad en el comportamiento del pavimento en servicio


 La variabilidad en el comportamiento es el resultado de las variaciones en el diseño del pavimento, en las propiedades de los materiales y en la calidad de la construcción VARIACIONES DE COMPORTAMIENTO DE SECCIONES IDÉNTICAS DE PAVIMENTOS RÍGIDOS, CONSTRUIDOS BAJO CONDICIONES SIMILARES Sección

Edad (años)

N (106)

PSI

Escalonamiento (pulgadas) 0.11

Agrietamient o Pies/milla 0

Juntas deterioradas por milla 0

1

18

5

4.2

2

18

5

4.0

0.05

0

0

3

18

5

3.4

0.25

0

0

4

22

5

3.8

0.06

950

1

5

22

5

3.6

0.10

1162

0

VARIABILIDAD EN EL COMPORTAMIENTO DEL PAVIMENTO IMPACTO DE LA VARIABILIDAD EN EL COMPORTAMIENTO DE LOS PAVIMENTOS

 Las diferencias entre los valores asumidos para los ―inputs‖ de diseño y los valores reales de ellos, se reflejan en aumentos o disminuciones en la vida del pavimento, según el sentido de esas diferencias  Las variaciones en los parámetros relacionados con la calidad de la construcción se pueden asociar con diferentes deterioros y con variaciones indeseables en la rugosidad del pavimento La adaptabilidad del método de diseño utilizado contribuye en las variaciones de comportamiento


MEDIDAS DE LA VARIABLIDAD Desviación estándar

Se expresa en las mismas unidades de la serie

Coeficiente de variación

Se expresa en valor porcentual

VARIABILIDAD EN EL COMPORTAMIENTO DEL PAVIMENTO CASI TODOS LOS FACTORES MEDIBLES EN EL DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y COMPORTAMIENTO DE LOS PAVIMENTOS, PRESENTAN ALGÚN GRADO DE ALEATORIEDAD

 Variabilidad en los resultados de los ensayos de laboratorio  Variabilidad en las características de los suelos de subrasante  Variabilidad en los espesores de las capas del pavimento  Variabilidad en la compactación de las diferentes capas  Variabilidad en los parámetros de las mezclas  Variabilidad en las cargas del tránsito  Variabilidad en el pavimento construido


VARIABILIDAD EN LOS RESULTADOS DE LOS ENSAYOS DE LABORATORIO

VARIABILIDAD EN LOS RESULTADOS DE LOS ENSAYOS DE LABORATORIO


VARIABILIDAD EN LAS PROPUIEDADES DE LOS SUELOS DE SUBRASANTE

VARIABILIDAD EN LAS PROPIEDADES DE LOS SUELOS DE SUBRASANTE


VARIABILIDAD EN LOS ESPESORES DE LAS CAPAS DEL PAVIMENTO

VARIABILIDAD EN LOS ESPESORES DE LAS CAPAS DEL PAVIMENTO


VARIABILIDAD EN LA COMPACTACIÓN DE LAS CAPAS INFERIORES

VARIABILIDAD EN LA COMPACTACIÓN DE LAS CAPAS INFERIORES DE PAVIMENTO

CAPA

S(%)

CV (%)

FUENTE

GRANULAR RELLENOS, SUBRASANTE DENSIDAD SECA (GRANULAR) DENSIDAD SECA (SUBRASANTE)

2,0 - 3,5 2,0 - 7,5 -

2,6 4ó-

Yoder y Witczak Yoder y Witczak Stubstad y otros Stubstad y otros


VARIABILIDAD EN LOS PARÁMETROS DE LOS MATERIALES Y DE LAS MEZCLAS

VARIABILIDAD EN LOS PARÁMETROS DE RESISTENCIA

VARIABILIDAD EN LOS PARÁMETROS DEL CONCRETO ASFÁLTICO

VARIABILIDAD EN LOS PARÁMETROS DE LAS MEZCLAS DE CONCRETO HIDRÁULICO




VARIABILIDAD EN LOS PARÁMETROS DEL TRÁNSITO




VARIABILIDAD EN EL PAVIMENTO CONSTRUIDO

VARIABILIDAD EN EL PAVIMENTO CONSTRUIDO


APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS

APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD

Aplicaciones Optimización del muestreo y ensayo  Aplicación en el diseño estructural del pavimento  Uso de ensayos de hipótesis para aceptación o rechazo  Desarrollo de especificaciones de construcción con orientación estadística


1. Optimización del muestreo y ensayo  La precisión en la estimación del valor de una determinada variable aumenta cuando se incrementa el número de ensayos para determinarla  La diferencia entre los valores promedio de una muestra y de una población x-  se denomina límite de precisión (R)


1. Optimización del muestreo y ensayo

 ―R‖ representa el rango dentro del cual se encuentra el valor real de la propiedad evaluada a partir del valor promedio obtenido con la ejecución de ―n‖ ensayos, para un nivel de confianza igual a 100 (1-a), siendo a la probabilidad de que la medida iguale o exceda el valor límite especificado.  ―a‖ se obtiene en las tablas de áreas bajo la curva de distribución normal (si s de la población es conocida) o bajo curvas de distribución t (si s de la población es desconocida)


1. Optimización del muestreo y ensayo


1. Optimización del muestreo y ensayo Intervalos de confianza para el promedio de una distribución de datos


1. Optimización del muestreo y ensayo Ejemplo de aplicación  Si por experiencia se sabe que la desviación estándar (s) del CBR de un suelo típico de una región es 2.6, determinar el número de ensayos de resistencia por realizar en un proyecto sobre ese suelo, con un límite de precisión de +- 2% y un nivel de confianza de 90%


1. Optimización del muestreo y ensayo Solución  Como s es conocido (2.5) y el intervalo de confianza es de dos lados, se emplea la fórmula 3.5.1

 La ecuación puede igualarse así: R = x-  = K a /2 * (s/(n)1/2) = 2


1. Optimización del muestreo y ensayo Solución  Como el nivel de confianza es de 90% = 100(1-a), se obtiene que a = 0.1 y a/2=0.05  En la tabla 3.5.2 (distribución normal) se encuentra que K a/2 = 1.645. El valor de K a/2 representa el número de veces que se debe contemplar la desviación estándar para lograr un determinado grado de confiabilidad

 K a/2 * (s/(n)1/2) = 1.645(2.6/(n)1/2) = 2 n = 4.57 (5 ensayos)


2. Diseño estructural de pavimentos  La confiabilidad en el diseño ( R ), es la probabilidad de que el pavimento cumpla la función prevista dentro de su vida útil bajo las condiciones de entorno que tienen lugar en ese lapso. En otras palabras, que sea capaz de soportar un número de cargas mayor que el previsto en el diseño, sin fallar


2. Diseño estructural de pavimentos Confiabilidad (R%)=100 Probabilidad (Nt> =NT)

Donde: Nt = número de ejes equivalentes que llevan el pavimento a su serviciabilidad final

NT = número de ejes equivalentes que realmente actúan sobre el pavimento durante su periodo de diseño


2. Diseño estructural de pavimentos  El comportamiento del pavimento (indicado por Nt) se estima mediante relaciones empíricas que no son exactas  La predicción del tránsito (representado por NT) también está sujeta a muchas fuentes de error


2. Diseño estructural de pavimentos  Estas variables (Nt y NT) no se consideran normalmente distribuidas, pero su distribución logarítmica sí: Confiabilidad (R%) =100 Probabilidad (log Nt >= log NT)

=100 Probabilidad (log Nt - log NT ) >= 0 = 100P (D>=0)

D = log Nt - log NT


2. Diseño estructural de pavimentos  Como las variables (log Nt) y (log NT ) son probabilísticas y tienen una distribución normal, D también la tendrá y ZR 

D-D SD



Si D = 0



Si D = log FR, FR = 10 – zR(SD)

ZR 

-D SD

FR = valor por el cual se debe multiplicar el tránsito estimado para obtener el valor de tránsito que se debe utilizar para diseñar el pavimento con la confiabilidad deseada


2. Diseño estructural de pavimentos Ejemplo de aplicación  Para diferentes niveles de confiabilidad y desviación estándar, encontrar los valores de tránsito para el diseño de espesores, si el tránsito previsto durante el periodo de diseño es 106 repeticiones de la carga equivalente Confiabilidad

ZR

SD

FR

deseada 50

0

80

0,84

90

1,28

0,3 0,5 0,3 0,5 0,3 0,5

1,0 1,0 1,8 2,6 2,4 4,4

Tránsito para el cálculo de espesores 106 106 1.79x106 2.63x106 2.42x106 4.37x106


3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo Definiciones Decisiones estadísticas

 Decisiones que se toman sobre poblaciones a partir de información muestral de las mismas Hipótesis estadísticas  Supuestos, que pueden ser o no ciertos, acerca de las poblaciones que se estudian, basados en las distribuciones de probabilidad de las muestras de estas poblaciones


3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo Definiciones Hipótesis nula

 Es la descripción de la suposición que se desea rechazar o invalidar a través de un procedimiento estadístico. Se denota por Ho Hipótesis alternativa

 Descripción de la suposición que difiere de la hipótesis dada. Se denota por HA


3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo Definiciones Ensayos de hipótesis y significación

 Son procedimientos que permiten decidir si una hipótesis se acepta o se rechaza o determinar si las muestras consideradas difieren significativamente de los resultados esperados Error estadístico  Es la probabilidad que existe de aceptar o rechazar una hipótesis cuando debería ser rechazada o aceptada, por errores en los ensayos muestrales


3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo Definiciones Error estadístico de tipo I

 Es el que se comete cuando se rechaza una hipótesis cuando debería ser aceptada  En las obras de pavimentos se presenta cuando un material o una construcción aceptable son rechazados como si no fueran satisfactorios  Este es el riesgo del constructor y se puede traducir en remociones innecesarias y en la reconstrucción de secciones de pavimento


3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo Definiciones  La probabilidad de cometer un error de tipo I se denomina nivel de significación, a, de un ensayo de hipótesis (riesgo a)  Dicha probabilidad se debe fijar previamente a la ejecución del ensayo, con el fin de que no influya en la decisión de rechazo de la hipótesis. En la práctica, se fijan valores de a entre 1 y 5%  Decir, por ejemplo, que una hipótesis ha sido rechazada al nivel de significación del 0.05, indica que se puede cometer un error con una probabilidad de 5%


3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo Definiciones Error estadístico de tipo II  Es el que se comete al aceptar una hipótesis cuando debería ser rechazada. En las obras de pavimentos se presenta cuando un material deficiente o una obra de construcción inaceptable se reciben como satisfactorios  Este es el riesgo de la entidad contratante y se puede traducir en costos adicionales de mantenimiento y fallas prematuras del pavimento  La probabilidad de contener un error de este tipo se define como riesgo b y oscila entre 0.05 y 0.10


3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo Definiciones Reglas de decisión del ensayo de hipótesis o significación a) Se rechaza la hipótesis nula si el valor de estadístico empleado para determinar la validez de la hipótesis cae fuera del rango a fijado. Es decir, el estadístico muestral observado es significativo al nivel del a predeterminado

b) Se acepta la hipótesis nula si el valor del estadístico calculado cae dentro del rango a fijado


3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo Definiciones Ensayos de una y dos colas

 La clasificación de los ensayos planteamiento de la hipótesis

depende

del

 Si pretende demostrar la factibilidad de los extremos a ambos lados de la media, dicho ensayo es de dos colas en la distribución, es decir, es bilateral  Por el contrario, si solo se aspira evaluar en una sola dirección de la media o de la proporción, será de una cola o unilateral


VALORES DE Z PARA ALGUNOS NIVELES DE SIGNIFICACIÓN PARA ENSAYOS DE UNA Y DOS COLAS Nivel de significación Valores críticos de z para una cola Valores críticos de z para una cola

0.1 ± 1.28 ± 1.65

0.05 ± 1.65 ± 1.96

0.01 ± 2.33 ± 2.58


3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo Ensayo de hipótesis sobre la media de una población para muestras grandes (n>30)


3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo

Ejemplo No. 1 de ensayo de hipótesis para muestras grandes  La deflexión media de un sector de pavimento (Xm), medida el año anterior, fue 40 centésimas de milímetro

 Este año se realizaron 35 medidas de deflexión al azar en el mismo sector, obteniéndose x = 42.1 (0.01 m) y s = 13.85 (0.01 mm)  Probar la hipótesis de que la deflexión media actual de todo el sector sea 40 (0.01 mm), contra la alternativa de que sea mayor de 40 (0.01 mm), con un nivel de significación, a = 0.05 (Ho:  = 40; Ha:  > 40)


3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo Solución al Ejemplo No. 1 de ensayo de hipótesis para muestras grandes  Usando a = 0.05, se se rechazará la hipótesis nula para este ensayo de una cola si z > za = z 0.05, es decir si z > 1.65, como lo muestra la figura


3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo Solución al Ejemplo No. 1 de ensayo de hipótesis para muestras grandes

Como z < za , el valor no cae en la región de rechazo y, por tanto, no se rechaza Ho Es decir, que no hay evidencia suficiente, con 95% de confianza, para concluir que la deflexión media actual del pavimento sea mayor de 40 (0.01 mm). Se requeriría una muestra de mayor tamaño para evaluar si Xm actual > 40 (0.01 mm) si, en efecto, este fuera el caso


3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo Ejemplo No. 2 de ensayo de hipótesis para muestras grandes  Un constructor debe elaborar una mezcla asfáltica con un porcentaje medio de 5% de asfalto, según la fórmula de trabajo establecida  Debido a posibles desajustes en la planta, los porcentajes de asfalto en la mezcla comenzaron a mostrar fluctuaciones


3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo Ejemplo No. 2 de ensayo de hipótesis para muestras grandes  El constructor desea detectar la incidencia de los cambios y ajustar la planta de ser necesario. Para ello, selecciona periódicamente muestras de 40 fracciones de la mezcla y calcula el promedio del contenido de asfalto y la desviación estándar. Si los datos de una muestra indican que x = 5.25 % y s = 0.30 %, determinar si la media () de la población es diferente de 5%, con un nivel de significación de 0.01 ( Ho:  = 5.0 ; Ha :  ≠ 5.0)


3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo Solución al Ejemplo No. 2 de ensayo de hipótesis para muestras grandes  Puesto que los desplazamientos en  pueden ocurrir en ambas direcciones, se emplea el ensayo de dos colas  A un nivel de significación, a, de 0.01, se rechazará la hipótesis nula si: z < za/ 2 = -z0.005 o

z > za /2 = z0.005

Es decir: z < -2.58

ó

z >2.58


3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo

Solución al Ejemplo No. 2 de ensayo de hipótesis para muestras grandes Como lo muestra la figura:


3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo Solución al Ejemplo No. 2 de ensayo de hipótesis para muestras grandes Como este valor es superior al crítico superior (2.58), se rechaza la hipótesis nula y se acepta la hipótesis alternativa con un nivel de significación de 0.01  Se concluye que el porcentaje promedio de asfalto no es 5.0%, con una probabilidad menor de 1% de cometer un error tipo I


3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo Ensayo de hipótesis sobre la media de una población para muestras pequeñas (n<30)


3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo Ejemplo de ensayo de hipótesis para muestras pequeñas  El porcentaje de compactación esperado mediante un determinado proceso es 95%. Para verificar un nuevo lote, se realizaron 10 ensayos de densidad en el terreno cuyo promedio fue 94.2% con una desviación estándar de 1,6%.

 Ensayar la hipótesis de que el porcentaje de compactación no ha cambiado, empleando un nivel de significación a = 0.05 (Ho:  = 95 ; Ha:  95)


3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo Solución al Ejemplo de ensayo de hipótesis para muestras pequeñas

 Como nos encontramos restringidos a una muestra pequeña, se hace la suposición de que los porcentajes de compactación tienen una distribución de frecuencia relativa que es aproximadamente normal  Bajo tal suposición, el estadístico de ensayo tendrá una distribución ―t‖ con (n – 1) = (10 – 1) = 9 grados de libertad


3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo Solución al Ejemplo de ensayo de hipótesis para muestras pequeñas  La regla de rechazo para este ensayo de 2 colas, consiste en rechazar la hipótesis nula para valores de ―t‖ tales que: t < -t a/2 o t > t a/2

con a/2 =0.05/2 =0.025

 En la tabla 3.5.4, para 9 grados de libertad, se halla t 0.025 = 2.262


3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo Solución al Ejemplo de ensayo de hipótesis para muestras pequeñas

 El valor del estadístico de ensayo es:

 Valor que no es menor que –2.262, por lo que se acepta la hipótesis nula y se concluye que hay evidencia (con 95% de confianza) de que el promedio de compactación no ha cambiado


4. Desarrollo de especificaciones de construcción con orientación estadística Objetivo  Estas especificaciones incluyen un análisis del nivel de calidad, que es un procedimiento estadístico para determinar el porcentaje de cumplimiento de un material en relación con lo especificado y establecer factores de pago de acuerdo con dicho cumplimiento


4. Desarrollo de especificaciones de construcción con orientación estadística Análisis del nivel de calidad a. Determinar la media aritmética (Xm) de los resultados de los ensayos para materiales considerados

Xm

x   n

Donde: S x = suma de los valores individuales de los ensayos n = número de ensayos


4. Desarrollo de especificaciones de construcción con orientación estadística Análisis del nivel de calidad b. Calcular la desviación estándar de la muestra  n x 2 - ( x) 2  s  n ( n 1 )  

1/ 2

Donde:

x

= suma de los cuadrados de los valores de los ensayos individuales 2

( x ) 2

= suma de los valores de los ensayos individuales, elevada al cuadrado


4. Desarrollo de especificaciones de construcción con orientación estadística Análisis del nivel de calidad c. Calcular el índice de calidad superior (Qu)

USL - X m QU  S Donde: USL (límite superior de la especificación) = valor objetivo, más la tolerancia permitida


4. Desarrollo de especificaciones de construcción con orientación estadística

Análisis del nivel de calidad d. Calcular el índice de calidad inferior (QL) QL 

X m - LSL S

Donde: LSL (límite inferior de la especificación) = valor objetivo, menos la tolerancia permitida


4.Desarrollo de especificaciones de construcción con orientación estadística

Análisis del nivel de calidad e. Determinar en la Tabla 1 el porcentaje dentro del límite superior de la especificación (USL) que corresponde al índice Qu (Pu). Si el USL es 100.0 o no está especificado, Pu será 100 f. Determinar en la Tabla 1 el porcentaje dentro del límite inferior de la especificación (LSL) que corresponde al índice QL (PL). Si el LSL no está especificado, PL será 100


4. Desarrollo de especificaciones de construcción con orientación estadística Análisis del nivel de calidad g. Determinar el nivel de calidad (porcentaje total dentro de los límites de la especificación)

Nivel de calidad = (Pu + PL ) - 100


APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS Tabla 1 (continuación)


4. Desarrollo de especificaciones de construcción con orientación estadística Análisis del nivel de calidad

h. A partir del valor del nivel de calidad, determinar el factor de pago en la Tabla 2 i. Considerando que la aceptación de un lote depende del comportamiento de diferentes criterios, se debe calcular el factor de pago para cada uno de ellos (PFi) y luego determinar el factor de pago compuesto para todo el lote



Tabla 2 (continuación)


4. Desarrollo de especificaciones de construcción con orientación estadística Ejemplo  Considérese un lote constituido por 32 núcleos de un concreto asfáltico (n), cuya compactación media (Xm) es 91.9625, con una desviación estándar (s) de 1.0877  La especificación de construcción establece que el porcentaje de compactación mínimo admisible respecto de la densidad máxima medida (Rice) es 90  Determinar el nivel de calidad y el factor de pago correspondiente al lote, en lo que se refiere al criterio de compactación


4. Desarrollo de especificaciones de construcción con orientación estadística Solución 1. Índice de calidad superior (Qu) Qu 

USL - X m S

La especificación no establece un nivel de tolerancia superior

2. Índice de calidad inferior (QL): QL 

X m - LSL 91.9625 - 90   1.804 S 1.0877


4. Desarrollo de especificaciones de construcción con orientación estadística Solución 3. En la Tabla 1 se determinan los porcentajes de núcleos dentro de los límites superior e inferior: - Como el límite superior (USL) no está especificado, Pu= 100 - Como el límite inferior (LSL) es 1.804 y n = 32, PL = 97

4. Nivel de calidad = (Pu + PL ) -100 = (100+97) -100 = 97 5. Factor de pago (Tabla 2) Para nivel de calidad = 97 y n = 32, factor de pago = 1.04

DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS PARA CALLES Y CARRETERAS

CONTENIDO

Introducción Métodos empíricos de diseño

Método AASHTO - 93 Modelos INVÍAS - 98 Métodos empírico-mecanísticos de diseño

Método SHELL – 98 (SPDM 3.0) Diseño de pavimentos sobre suelos blandos


INTRODUCCIÓN

INTRODUCCIÓN

Generalidades  La mayoría de los métodos de diseño de pavimentos tienen un alto grado de empirismo, propio de las agencias que los han desarrollado Es corriente obtener diferentes espesores al aplicar distintos métodos de diseño, empleando los mismos datos de entrada

INTRODUCCIÓN Generalidades (cont.) Gran parte de estas diferencias se debe a la falta de una descripción precisa y cuantitativa de lo que constituye la falla de un pavimento de calle o carretera, así como a los niveles de confiabilidad que consideran los diferentes métodos Los procesos de diseño de pavimentos se pueden dividir en dos grupos: — Empíricos —Empírico - mecanísticos

INTRODUCCIÓN

PROCESOS EMPÍRICOS DE DISEÑO  Se basan en los resultados de experimentos o en la experiencia Requieren un elevado número de observaciones para establecer relaciones aceptables entre las variables y los resultados de las pruebas No es necesario establecer una base científica firme de las relaciones, en la medida en que se reconocen sus limitaciones

INTRODUCCIÓN

PROCESOS EMPÍRICOS DE DISEÑO En muchos casos resulta más conveniente confiar en la experiencia que tratar de cuantificar la causa exacta y el efecto de ciertos fenómenos Ejemplos de métodos de diseño de concepción empírica son el de California (Hveem y Carmany), el AASHTO-93 y el INVIAS-98

INTRODUCCIÓN

PROCESOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO

 Incorporan elementos de ambos planteamientos La componente mecánica determina las reacciones del pavimento, tales como esfuerzos, deformaciones y deflexiones, mediante el uso de modelos matemáticos

La porción empírica relaciona estas reacciones con el comportamiento de la estructura del pavimento (por ejemplo, relaciona una deflexión calculada matemáticamente, con la vida real del pavimento)

INTRODUCCIÓN

PROCESOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO

Aunque existen técnicas mecanísticas complejas de cálculo, los modelos elásticos lineales sujetos a carga estática son los más empleados en la solución de problemas rutinarios de ingeniería de pavimentos Ejemplos de métodos de diseño de pavimentos que usan estos procesos son el del Instituto del Asfalto, el de Shell y el AASHTO 2002

DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS

MÉTODOS EMPÍRICOS DE DISEÑO


MÉTODO AASHTO - 93

MÉTODO AASHTO - 93

FUNDAMENTOS DEL MÉTODO  Se basa en los resultados AASHO Road Test En la revisión realizada en 1986 se introdujeron factores de confiabilidad, drenaje y aspectos climáticos Su criterio de falla es el índice de servicio final (pt)

MÉTODO AASHTO - 93

FUNDAMENTOS DEL MÉTODO

El tránsito que lleva a la falla del pavimento es función del número estructural, de la resistencia de la subrasante, de la pérdida deseada de índice de servicio y de la confiabilidad elegida Incluye la posibilidad de que se reduzca el periodo de diseño por la presencia de suelos de subrasante expansivos

MÉTODO AASHTO - 93 DEFINICIONES  Serviciabilidad Capacidad de un pavimento de servir al tránsito que hace uso de él en un instante determinado, desde el punto de vista del usuario Comportamiento del pavimento (performance) Tendencia de la serviciabilidad con el incremento en el número de aplicaciones de carga por eje Periodo de comportamiento (periodo de diseño)

Lapso que transcurre desde que un pavimento es construido o rehabilitado, hasta que alcanza su serviciabilidad terminal

MÉTODO AASHTO - 93

CONSIDERACIONES DE DISEÑO Concepto de serviciabilidad – comportamiento La serviciabilidad de un pavimento se expresa en términos de su Índice de Servicio Presente (ISP)

MÉTODO AASHTO - 93

CONSIDERACIONES DE DISEÑO Concepto de serviciabilidad – comportamiento Fórmula del Índice de Servicio Presente (ISP) para pavimentos asfálticos

sv = Varianza de la pendiente del perfil longitudinal

(c + p) = Área con grietas clases 2 y 3 más área parchada por cada 1000 pies2 RD = Ahuellamiento medido con una regla de 1.20 metros

MÉTODO AASHTO - 93

CONSIDERACIONES DE DISEÑO Ecuación de comportamiento  ISP  log   4.2  1.5   (2.32)(log M )  8.07 LogW18  ( z R )( So)  (9.36)(log( SN  1))  0.20  R 1094 0.4  ( SN  1) 5.19

MÉTODO AASHTO - 93 CONSIDERACIONES DE DISEÑO Significado de los términos de la ecuación W18 = número de aplicaciones de ejes simples equivalentes de 18 kip (80 kN) hasta el tiempo t en el cual se alcanza ISP = pt SN = número estructural

ISP = pi - pt = diferencia entre los índices de servicio inicial y terminal MR = módulo resiliente de la subrasante ( libras/pg2) So = desviación estándar total de la distribución normal de los errores asociados con las predicciones de tránsito y de comportamiento del pavimento (0.44-0.49) zR = parámetro estadístico asociado con distribuciones normales de datos, que considera la probabilidad de que el índice de servicio del pavimento sea superior a pt durante el periodo de diseño

MÉTODO AASHTO - 93 REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE LA ECUACIÓN

MÉTODO AASHTO - 93

CONSIDERACIONES DE DISEÑO

NIVELES DE CONFIABILIDAD RECOMENDADOS POR AASHTO

Clasificación funcional de Nivel recomendado de confiabilidad (%) la vía Urbana Rural Autopistas 85 - 99.9 80 - 99.9 Arterias principales 80 - 99 75 - 95 Colectoras 80 - 95 75 - 95 Locales 50 - 80 50 - 80

MÉTODO AASHTO - 93


RELACIONES ENTRE CONFIABILIDAD Y ZR EN UNA DISTRIBUCIÓN NORMAL

Confiabilidad (%) zR

50 0

75 80 85 95 99 0.674 0.842 1.037 1.645 2.327

99.9 3.08

MÉTODO AASHTO - 93 CONSIDERACIONES DE DISEÑO

Módulo resiliente efectivo (MR)  Es el módulo resiliente promedio que se traduce en un daño del pavimento (Uf) igual al que se alcanzaría si se usaran valores modulares estacionales: —Se divide el año en periodos con diferente MR con base en la humedad del suelo o en la variación de las deflexiones medidas en pavimentos construidos sobre el mismo suelo


Módulo resiliente efectivo (MR) —Se determina el daño relativo por periodo Uf = 1.8 x 106 * MR -2.32 —Se calcula el daño relativo promedio —Se halla el módulo resiliente efectivo a partir del daño relativo promedio, usando la misma ecuación

MÉTODO AASHTO - 93

CONSIDERACIONES DE DISEÑO VARIACIÓN DEL MÓDULO DURANTE EL AÑO

MÉTODO AASHTO - 93 CONSIDERACIONES DE DISEÑO VARIACIÓN DEL MÓDULO DURANTE EL AÑO

MÉTODO AASHTO - 93 AJUSTE DEL MR DE LA SUBRASANTE POR LAS VARIACIONES ESTACIONALES

MÉTODO AASHTO - 93 CONSIDERACIONES DE DISEÑO Número estructural (SN)  La resistencia del pavimento se representa por SN, el cual es función del espesor de las capas, de los coeficientes estructurales de ellas y del coeficiente de drenaje El número estructural total del pavimento está dado por : SN =

Sai*Di*mi

MÉTODO AASHTO - 93 CONSIDERACIONES DE DISEÑO Número estructural (SN) SN = a1*D1+ a2*D2*m2+ a3*D3*m3 D1,2,3 = espesores de capas asfálticas, base y subbase respectivamente (pulgadas) ai = coeficiente estructural de capa i, dependiente de su módulo mi = coeficientes de drenaje para capas no estabilizadas, dependiente del tiempo requerido para drenar y del tiempo en que la humedad se encuentre en niveles cercanos a la saturación

MÉTODO AASHTO - 93 CONSIDERACIONES DE DISEÑO Coeficientes estructurales de capa (ai) Miden la capacidad relativa de una unidad de espesor de una determinada capa para funcionar como componente estructural del pavimento  Los coeficientes estructurales dependen de: —Resistencia del material (CBR, módulo, etc) —Calidad de la construcción —Estado de esfuerzos


Coeficientes estructurales de capa (ai) Valores promedio de coeficientes estructurales —Mezcla asfáltica densa en caliente: 0.44/pulgada —Base de grava y piedra partida: 0.14/pulgada —Subbase granular: 0.11/pulgada


COEFICIENTES ESTRUCTURALES DE CAPA (ai) CAPA

Coeficiente estructural Asfáltica Figura GG.7, volumen II, manual AASHTO ( 0.20-0.50) Base granular a2 = 0.249 (log E B ) - 0.977 estabilizada con cemento Figura GG.9, volumen II, manual AASHTO ( 0.10-0.28) estabilizada con asfalto Figura GG.10, volumen II, manual AASHTO ( 0.10-0.35) Subbase granular a3 = 0.227 (log E SB ) - 0.839

MÉTODO AASHTO - 93 NOMOGRAMA AASHTO PARA LA DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE ESTRUCTURAL DE UNA BASE GRANULAR

MÉTODO AASHTO - 93 CONSIDERACIONES DE DISEÑO Coeficientes de drenaje (mi) Se establecen a partir de la calidad del drenaje y del tiempo que se considera que el pavimento puede encontrarse con una cantidad de agua cercana a la saturación

MÉTODO AASHTO - 93

CONSIDERACIONES DE DISEÑO COEFICIENTES DE DRENAJE mi RECOMENDADOS PARA BASES Y SUBBASES GRANULARES

Ejemplo: Pavimento diseñado con drenaje normal (la humedad drena en una semana) y durante dos meses del año (2/12=0.17=17%) está sometido a condiciones cercanas a la saturación. mi = 1.00 - 0.80

MÉTODO AASHTO - 93 CONSIDERACIONES DE DISEÑO Determinación de los espesores de las capas individuales (Di)  Se requiere determinar el número estructural (SN) requerido para proteger cada capa inferior Para ello, se debe aplicar el algoritmo AASHTO usando el módulo resiliente de cada capa por proteger

MÉTODO AASHTO - 93 CONSIDERACIONES DE DISEÑO Determinación de individuales (Di)

los

espesores D1* 

de

las

capas

SN1 a1

SN1*  a1 D1*  SN1 D2*  ( SN 2  SN1* ) / a2 m2 SN1*  SN 2*  SN 2

D3*  SN3  ( SN1*  SN 2* ) / a3 m3

* Indica el valor realmente usado, el cual debe ser igual o mayor que el valor requerido según el algoritmo

MÉTODO AASHTO - 93

CONSIDERACIONES DE DISEÑO Determinación gráfica del SN

MÉTODO AASHTO - 93 CONSIDERACIONES DE DISEÑO Determinación del SN con un programa de cómputo

MÉTODO AASHTO - 93

CONSIDERACIONES DE DISEÑO ESPESORES MÍNIMOS ADMISIBLES PARA LAS CAPAS ASFÁLTICAS Y LA BASE GRANULAR N (10 ) < 0.05 0.05-0.15 0.15-0.50 0.50-2.00 2.00-7.00 >7.00 6

Espesores mínimos (pulgadas) Capas asfálticas Base granular TSD 4.0 2.0 4.0 2.5 4.0 3.0 6.0 3.5 6.0 4.0 6.0

MÉTODO AASHTO - 93 EJEMPLO DE DISEÑO

Vía rural local Confiabilidad deseada = 75 % (zR = 0.674) Tránsito esperado = 1,300,000 ejes equivalentes

Pérdida total de serviciabilidad = 4.2 – 2.0 =2.2 Desviación estándar total = 0.49 Características de drenaje = Aceptables

Condición cercana a la saturación durante 4 meses/año mi = 0.80

MÉTODO AASHTO - 93 EJEMPLO DE DISEÑO Características de los materiales de construcción

MÉTODO AASHTO - 93 SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO

Determinación de SN1


Cálculo de D1 D1 

SN 1 1.97   4.47 pulgadas (tomar 4.5 pulgadas) a1 0.44

Verificación de D1 4.5 pulgadas > 3.0 pulgadas

Cálculo de SN1* SN1* = a1 * D1* = 0.44 * 4.5 = 1.98

O.K.




Cálculo de D2 SN 2  SN 1* 2.54 - 1.98 D2    5.4 pulgadas a 2m2 0.14 * 0.8

Verificación de D2 5.4 pulgadas < 6.0 pulgadas

tomar 6.0 pulgadas

Cálculo de SN2* SN2* = a2 D2* m2 = 0.13 * 6.0 * 0.8 = 0.624




Cálculo de D3 SN 3  (SN *2  SN 1* ) 3.43 - ( 1.98  0.624) D3    10.1 pulgadas a 3m3 0.102 * 0.8

Resumen del diseño


MÉTODO INVÍAS - 98

MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO

Generalidades  Contiene un catálogo de estructuras definido con base en el método AASHTO-93  El catálogo de diseño cubre los tipos de pavimentos y materiales usados actualmente en la práctica local e incluye nuevas tipologías de eficiencia demostrada en otros países con características similares a las colombianas  El método considera factores ambientales, de suelos, de tránsito y de disponibilidad de materiales, acordes con la realidad colombiana


REGIONES CLIMÁTICAS

El país se dividió en seis regiones climáticas, con base en la temperatura y la precipitación media anual

MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO RESISTENCIA DE LA SUBRASANTE

Se debe considerar el valor promedio de resistencia del suelo predominante en cada unidad homogénea y, a partir de él, se establece una categoría de subrasante

MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO TRÁNSITO DE DISEÑO REQUISITOS DE TRÁNSITO CONTEMPLADOS EN LA GUÍA DE DISEÑO Categoría

T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9

Ejes equivalentes de 80kN en el carril de diseño durante el periodo de diseño del pavimento N* (106) 0.5 - 1.0 1.0 - 2.0 2.0 - 4.0 4.0 - 6.0 6.0 - 10.0 10.0 - 15.0 15.0 - 20.0 20.0 - 30.0 30.0 - 40.0

N*  10 0.05*z R * N Si la confiabili dad es 90%, z R  1.282, y N*  1.159 * N


CONSIDERACIONES PARTICULARES DE DISEÑO

Se empleó la ecuación básica del método AASHTO-93 Se adoptó S0=0.44, que corresponde a considerar la variación de la predicción del comportamiento del pavimento, sin errores en la estimación del tránsito

La posibilidad de errores en la predicción del tránsito se incorpora con la expresión (10 0.05*ZR * N) Se consideró una pérdida de serviciabilidad de 2.2 durante el periodo de diseño del pavimento


CONSIDERACIONES PARTICULARES DE DISEÑO

Se adoptaron coeficientes estructurales de capa ajustados a los resultados de experiencias realizadas en el país Se adoptaron 3 coeficientes de drenaje para las capas granulares (mi=1.0 si la precipitación < 2,000 mm/año, mi=0.90 si la precipitación está entre 2,000 y 4,000 mm/año y mi=0.80 para precipitaciones mayores) Las estructuras obtenidas se verificaron con módulos teóricos y curvas de fatiga SHELL


CONSIDERACIONES PARTICULARES DE DISEÑO VALORES ADOPTADOS PARA LOS COEFICIENTES ESTRUCTURALES DE CAPA Material Mezcla densa en caliente

Mezcla densa en frio

Base granular Base estabilizada con cemento

Base estabilizada con emulsión asfáltica

Subbase granular

Condición T < 13°C 13°C £ T < 20°C 20°C £ T < 30°C T < 13°C 13°C £ T < 20°C 20°C £ T < 30°C suelos A-1 suelos A-2-4, A-2-5 y A-3 demás suelos agregado grueso (BEE1) agregado fino (BEE2) suelo (BEE3)

ai 0,44 0,37 0,30 0,35 0,30 0,24 0,14 0,16 0,14 0,13 0,20 0,20 0,14 0,11


CATÁLOGO DE DISEÑO Comprende seis cartas de diseño, contemplando los siguientes aspectos: Carta No. Región climática

Categorías de subrasante

Categorías de Materiales de tránsito construcción

1

R1

S1-S5

T1-T9

variables

2

R2

S1-S5

T1-T9

variables

3

R3

S1-S5

T1-T9

variables

4

R4

S1-S5

T1-T9

variables

5

R5

S1-S5

T1-T9

variables

6

R6

S1-S5

T1-T9

variables


ESTRUCTURAS RECOMENDADAS EN LA CARTA No. 3 PARA CATEGORÍA DE TRÁNSITO T5 S1

S2

S3 S4 espesores de capa (cm)

Capa de pavimento

S5

Mezcla densa en caliente

15

12

12

10

12

10

7.5

10

10

7.5

10

10

7.5

10

Base granular

30

-

30

-

25

30

-

25

25

-

25

20

-

15

Base estabilizada (BEE1)

-

15

-

15

-

-

15

-

-

15

-

-

15

-

Base estabilizada (BEE2)

-

10

-

10

-

-

10

-

-

-

-

-

-

-

Base estabilizada con cemento

-

-

-

-

30

-

-

30

-

-

25

-

-

20

45

45

35

35

-

30

30

-

25

35

-

20

25

-

Subbase granular


Ejemplo de diseño Clima Temperatura media anual = 24º C Precipitación media anual = 1,850 mm Subrasante Suelo predominante = Arena arcillosa CBR promedio = 8.5 % Tránsito de diseño N* = 5.7*106 ejes equivalentes Materiales disponibles En la zona abundan materiales granulares de buena calidad para la elaboración de subbases, bases y concretos asfálticos


Solución al ejemplo de diseño Establecimiento de región climática Para los datos de temperatura y precipitación corresponde la Región R 3 Establecimiento de categoría de subrasante Para los datos de CBR promedio corresponde la categoría S 3 Establecimiento de categoría de tránsito

N’ = 1.159 N = 1.159 x 5.7*106 = 6.6*106 ejes equivalentes Para este valor de N* corresponde la categoría T 5


Solución al ejemplo de diseño Elección de Carta de Diseño Para Región R 3, usar Carta de Diseño No 3 Espesores de diseño para la combinación S 3 – T 5 Mezcla densa en caliente = 10 centímetros

Base granular = 30 centímetros Subbase granular = 30 centímetros

DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS

MÉTODOS EMPÍRICOMECANÍSTICOS DE DISEÑO

MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO

VENTAJAS SOBRE LOS MÉTODOS EMPÍRICOS  Adaptabilidad a tipos de cargas cambiantes

 Mejor utilización de los materiales disponibles Capacidad de incorporar nuevos materiales en los diseños Mejoramiento en la confiabilidad en las predicciones de comportamiento Se mejora la definición de las propiedades de las capas de un pavimento existente Es posible acomodar los efectos ambientales y de edad sobre los materiales del pavimento


INFORMACIÓN QUE REQUIERE UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO PARA CALCULAR LA RESPUESTA DE UN PAVIMENTO BAJO CARGA

 Propiedades del material de cada capa —Módulo de elasticidad —Relación de Poisson  Condiciones de adherencia entre capas adyacentes


INFORMACIÓN QUE REQUIERE UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO PARA CALCULAR LA RESPUESTA DE UN PAVIMENTO BAJO CARGA

 Espesor de cada una de las capas  Condiciones de carga —Magnitud de la carga —Geometría de la carga —Número de cargas actuantes

MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO SALIDAS DE UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO

 El programa calcula los esfuerzos, deformaciones y deflexiones en cualquier punto de la estructura del pavimento  Hay unos pocos sitios en los que generalmente se interesa el diseñador para el cálculo de respuestas críticas Ubicación Superficie del pavimento Fondo de capas asfálticas ó bases estabilizadas Parte superior de las capas intermedias granulares Superficie de la subrasante

Respuesta Deflexión Deformación horizontal de tensión Deformación vertical de compresión Deformación vertical de compresión


PROCEDIMIENTO DE DISEÑO EMPLEANDO UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO El diseño de un pavimento usando el planteamiento empírico - mecanístico es un proceso iterativo que requiere varios pasos:

1. Estimar el tránsito durante el periodo de diseño del pavimento (N) 2. Fijar las condiciones de carga

3. Establecer unos espesores iniciales de las capas del pavimento


PROCEDIMIENTO DE DISEÑO EMPLEANDO UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO

4. Fijar los módulos y las relaciones de Poisson para las capas, así como las condiciones de adherencia entre ellas 5. Calcular los esfuerzos y deformaciones en los puntos críticos de la estructura del pavimento mediante el programa de análisis elástico


PROCEDIMIENTO DE DISEÑO EMPLEANDO UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO 6. Adoptar ecuaciones de comportamiento de los diferentes materiales

7. Determinar las repeticiones de carga admisibles (ni) para las magnitudes de los esfuerzos y deformaciones obtenidas en los puntos críticos del modelo


PROCEDIMIENTO DE DISEÑO EMPLEANDO UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO 8. Computar las relaciones Di = N/ni en todos los puntos críticos 9. Aumentar o disminuir espesores, variar calidad de materiales, o ambas cosas simultáneamente, si Di no es próximo a 1.0 10. Iterar hasta obtener el diseño definitivo



EJEMPLO DE INFORMACIÓN SOBRE CARGAS Y CAPAS DEL PAVIMENTO EN UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO

MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO EJEMPLO DE ESFUERZOS Y DEFORMACIONES CALCULADOS POR UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO


CRITERIOS DE FALLA  La parte empírica fundamental de estos métodos la constituyen las ecuaciones utilizadas para calcular el número requerido de ciclos de carga para alcanzar la falla del pavimento  Estas ecuaciones se han obtenido observando el comportamiento de pavimentos y relacionando el tipo y la extensión de la falla observada, con una deformación inicial bajo diferentes cargas


CRITERIOS DE FALLA

Generalmente, se reconocen dos tipos de criterios de falla de los pavimentos asfálticos: uno relacionado con el agrietamiento por fatiga y el otro con el inicio del ahuellamiento en la subrasante  Un tercer criterio aplicaciones específicas

(deflexión)

se

usa

en


CRITERIOS DE FALLA


CRITERIOS DE FALLA  El agrietamiento por fatiga se desarrolla bajo

cargas repetidas si el esfuerzo horizontal en el fondo de la capa asfáltica inferior es excesivo  El ahuellamiento o deformación permanente ocurre en la superficie del pavimento debido a la sobrecarga de la subrasante, si el esfuerzo vertical de compresión sobre dicha capa es excesivo


CRITERIO DE FALLA POR FATIGA DEL CONCRETO ASFÁLTICO

 Se han desarrollado muchas ecuaciones para estimar el número de repeticiones a la falla en el modo de fatiga para el concreto asfáltico Todas ellas dependen de la deformación horizontal de tensión en la fibra inferior de las capas asfálticas


CRITERIO DE FALLA POR FATIGA DEL CONCRETO ASFÁLTICO

Fórmula de Finn et al Log Nf = 15.947 - 3.291 log (et/10-6) - 0.854 log (EAC/103)

Nf = número de aplicaciones de carga que dan lugar al agrietamiento del 10% del área sometida a carga

et = deformación horizontal de tensión en el fondo de la capa asfáltica EAC = módulo de la capa asfáltica (psi)


CRITERIO DE FALLA POR AHUELLAMIENTO

 Aunque el ahuellamiento se puede generar en cualquier capa del pavimento, el criterio corriente es atribuirlo principalmente al sobreesfuerzo de la subrasante  Este criterio se suele expresar en términos de la deformación vertical de compresión en la superficie de la capa subrasante (εz)


CRITERIO DE FALLA POR AHUELLAMIENTO

 Fórmula de CHEVRON Nf = 1.05x10-2 * ez-0.223

Nf = número admisible de aplicaciones de carga para que el ahuellamiento no exceda de 13 mm ez = deformación vertical de compresión en la superficie de la subrasante


CRITERIO DE FALLA POR DEFLEXIÓN

 Fue el criterio de fatiga más utilizado durante mucho tiempo, pero hoy se emplea únicamente en algunas aplicaciones especiales  Su información, aunque valiosa, no da una medida tan apropiada del funcionamiento estructural como las deformaciones específicas horizontales y verticales


CRITERIO DE FALLA POR DEFLEXIÓN

Fórmula del Instituto del Asfalto DB = 25.64*N-0.2383

N = número admisible de aplicaciones de carga hasta la falla, para una determinada deflexión Benkelman característica (DB) en milímetros

MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO SENSIBILIDAD DEL DISEÑO A LOS CRITERIOS DE FALLA

 El criterio que controla el diseño es aquel que exija un mayor espesor de pavimento para un determinado nivel de tránsito


MÉTODO SHELL – 98 (SPDM 3.0)

MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)

Generalidades  El método considera el pavimento como un

sistema de capas homogéneas, isotrópicas y de comportamiento linealmente elástico  Los materiales de las diversas capas están caracterizados por E y m


Generalidades (cont.) Los criterios de diseño incluyen: —Tensión horizontal en el fondo de las capas asfálticas o en las capas de base cementadas, cuando la estructura las incluya —Deformación vertical de compresión al nivel de la subrasante

—Deformación asfálticas

permanente

de

las

mezclas


Generalidades (cont.) El método permite considerar fricción variable en las interfaces de las capas del pavimento Los cálculos de los esfuerzos y deformaciones se realizan con el programa BISAR La determinación de espesores se realiza a través de un módulo del programa Windows SPDM 3.0

MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0) INFORMACIÓN REQUERIDA PARA EL DISEÑO

 Clima

 Tránsito y periodo de diseño del pavimento

 Características de las capas granulares y la subrasante  Composición de la mezcla características de fatiga de ella

asfáltica

 Rigidez de la capa asfáltica y espesores

y

MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0) CONSIDERACIONES DE DISEÑO

Clima


Clima  Se emplea la temperatura promedio anual ponderada del sitio del proyecto (w-MAAT), la cual se puede obtener de 3 maneras:

—Introduciendo los 12 valores de temperatura promedio mensual —Seleccionando de la base de datos, a través del botón Retrieve, los valores de las temperaturas promedio mensuales —Introduciendo directamente el valor de la MAAT

w-


Tránsito y período de diseño


Tránsito y período de diseño  Se emplea el número de ejes simples equivalentes de 80 kN en el carril de diseño durante el período de diseño, el cual se puede obtener de dos maneras:

—Introduciendo el espectro de cargas, junto con información sobre el número de días del año con tránsito, la tasa de crecimiento anual del tránsito y el período de diseño del pavimento —Introduciendo directamente el número de ejes simples equivalentes


Tránsito y período de diseño La pantalla da la oportunidad de efectuar correcciones por movimiento lateral del tránsito sobre la calzada y por el efecto de reposo entre aplicaciones sucesivas de carga por eje  Los valores incluidos por defecto son 5 y 2 respectivamente


Características de las capas granulares y de la subrasante



 Se debe ingresar obligatoriamente el módulo de la subrasante (E3) y el espesor de las capas granulares (h2) Se puede incluir un valor promedio del módulo de las capas granulares (E2) o permitir que el programa lo calcule con 50% de confiabilidad mediante la expresión: (E2 = 0.2* h2 0.45 *E3)



Se permite aumentar la confiabilidad a 85% o 95% Se asigna por defecto una relación de Poisson de 0.35, pero puede ser modificada Se puede ingresar una fórmula propia sobre el criterio de deformación de la subrasante o emplear las fórmulas SHELL para 50%, 85% o 95% de confiabilidad


Composición de la mezcla asfáltica y fatiga


Composición de la mezcla asfáltica y fatiga

 Se debe ingresar la información correspondiente a los volúmenes de agregados, asfalto y vacíos de la mezcla compactada (es suficiente ingresar 2 de los 3 datos)  Se debe incluir la ecuación de fatiga de la mezcla compactada, la cual puede ser propia o la que suministra el método por defecto El valor Nfat es el número de ciclos para el cual el stiffness decrece un 50% de su valor original


Stiffness de la mezcla asfáltica y espesor de capas asfálticas



 El módulo de la mezcla se puede alimentar de 3 maneras: —Ingresando su valor para las condiciones reales de temperatura y de tiempo de aplicación de carga —Incorporando el stiffness del asfalto (Sbit) para las mismas condiciones

—Incorporando los datos básicos de comportamiento del asfalto envejecido (punto de ablandamiento y penetración)



La relación de Poisson de la mezcla es de 0.35 por defecto, pero puede ser modificada

 El espesor adoptado de capas asfálticas para el primer tanteo de diseño es, por defecto, 0.2 m


Cálculo del espesor de diseño de las capas asfálticas

 Se marcan las opciones ―Results” y ―Calculate”  Aparece un mensaje ofreciendo la posibilidad de salvar la información  El programa realiza los cálculos de esfuerzos y deformaciones para el modelo de pavimento creado para el primer tanteo y compara los resultados con los criterios de falla introducidos  Si no hay coincidencia, efectúa las iteraciones necesarias hasta obtener el espesor apropiado de capas asfálticas



Cálculo del espesor de diseño de las capas asfálticas

MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0) INFORME DE DISEÑO DE ESPESORES


DISEÑO DE PAVIMENTOS SOBRE SUELOS BLANDOS


Los suelos blandos de subrasante suelen presentar problemas, tanto para la construcción como para el comportamiento del pavimento, razón por la cual se suele recomendar (i) su remoción y su reemplazo por materiales seleccionados de relleno o (ii) emplear algún tratamiento de estabilización

Si el retiro total de la capa blanda es posible, el material seleccionado de reemplazo constituye la nueva subrasante y el pavimento se diseña por algún método convencional, a partir de la respuesta del nuevo material


Cuando el reemplazo total de la capa blanda no resulta práctico, se acostumbra mejorar las condiciones del suelo mediante diferentes alternativas, entre ellas: —la colocación de una capa de material granular grueso de tamaños surtidos (rajón), hasta lograr un soporte consistente

—la instalación de un elemento que ayude a distribuir mejor los esfuerzos sobre el suelo previniendo fallas locales por corte (geomalla), acompañado o no de otro elemento que separe el suelo blando de las capas granulares del pavimento (geotextil)

DISEÑO DE PAVIMENTOS SOBRE SUELOS BLANDOS COLOCACIÓN DE UNA CAPA DE MATERIAL GRANULAR GRUESO (RAJÓN)

DISEÑO DE PAVIMENTOS SOBRE SUELOS BLANDOS COLOCACIÓN DE UNA CAPA DE MATERIAL GRANULAR GRUESO (RAJÓN)

Cuando se emplea la capa de rajón, el diseñador escoge un espesor efectivo de éste (generalmente entre 200 y 300 mm) A continuación, partiendo del módulo resiliente de la subrasante y del espesor efectivo del rajón, se calcula el valor del módulo del sistema bicapa constituido por el rajón y la subrasante Tomando como base el módulo del bicapa, se diseña el pavimento empleando algún método convencional

DISEÑO DE PAVIMENTOS SOBRE SUELOS BLANDOS USO DE GEOMALLAS

Cuando se emplean geomallas, se aplican criterios empíricos de diseño sugeridos por sus fabricantes, basados en la consideración de que ellas distribuyen mejor los esfuerzos del tránsito sobre el suelo, permitiendo disminuciones del espesor del pavimento, respecto del requerido sobre el suelo sin reforzar

DISEÑO DE PAVIMENTOS SOBRE SUELOS BLANDOS USO DE GEOMALLAS EJEMPLO DE SOFWARE PARA DISEÑO DE PAVIMENTO, ELABORADO POR UN FABRICANTE DE GEOMALLAS

DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS PARA CALLES Y CARRETERAS

CONTENIDO

Método de diseño PCA Método de diseño PCA simplificado Diseño de juntas

DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS PARA CALLES Y CARRETERAS BASES DE LOS CRITERIOS ACTUALES PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS

Los estudios teóricos del comportamiento de losas y los desarrollos recientes de análisis de esfuerzos y deformaciones en pavimentos rígidos Pavimentos experimentales sometidos a tránsito controlado, como los de Bates, Pittsburg, Maryland y AASHO El estudio del comportamiento bajo servicio de pavimentos normalmente construidos, sometidos a tránsito mixto, el cual ha constituido la mayor fuente de conocimiento

MÉTODOS DE DISEÑO

MÉTODO DE DISEÑO PCA



Generalidades Publicado en 1966 y actualizado en 1984

Es aplicable a: — Pavimentos de concreto simple con juntas — Pavimentos de concreto reforzado con juntas

— Pavimentos con refuerzo continuo


Generalidades Los esfuerzos y deflexiones críticas se han calculado y combinado con criterios de diseño, para desarrollar tablas y gráficas de diseño Los criterios de diseño consideran: —Análisis de fatiga —Análisis de erosión

MÉTODO DE DISEÑO PCA ANÁLISIS DE FATIGA

 Reconoce que el pavimento puede fallar por fatiga del concreto  Se basa en el cálculo de esfuerzos por cargas en el borde de las losas, a medio camino entre juntas transversales


ANÁLISIS DE FATIGA Los esfuerzos debidos considerados en el diseño

al

alabeo

no

son

La magnitud de los esfuerzos críticos se reduce si las bermas se anclan al pavimento

 El análisis de fatiga controla los diseños de pavimentos delgados para bajo tránsito, independientemente del tipo de transferencia de carga en las juntas transversales


La resistencia a la fatiga se basa en la relación de esfuerzos: Esfuerzo producido por la carga por eje Módulo de rotura del concreto

Se considera que la resistencia a fatiga no consumida por una carga queda disponible para ser consumida por las repeticiones de otras cargas (Ley de Miner)


MÉTODO DE DISEÑO PCA ANÁLISIS DE EROSIÓN  Considera que el pavimento falla por bombeo, por erosión del soporte y por escalonamiento de las juntas La deflexión más crítica ocurre en la esquina de la losa, cuando la carga está situada en la junta, en cercanías de la esquina


ANÁLISIS DE EROSIÓN La deflexión en la esquina de la losa se reduce si la berma está anclada al pavimento o si la losa es lo suficientemente ancha como para que las llantas circulen lejos del borde de la losa  El análisis de erosión controla el diseño de los pavimentos espesos para tránsito medio y pesado cuando la transferencia de carga es por trabazón de agregados y controla el diseño para tránsito pesado cuando la transferencia es por varillas

MÉTODO DE DISEÑO PCA FACTORES DE DISEÑO DEL PAVIMENTO Factor Soporte Resistencia del concreto

Cargas del tránsito

Otros factores

Medida Módulo de reacción (k) de la subrasante o del conjunto subrasante - subbase, si esta última se coloca Resistencia de tracción por flexión con carga en los tercios medios. Se utiliza una resistencia de diseño a 28 días de curado de la mezcla y se denomina módulo de rotura. Se debe conocer el espectro de cargas por eje y proyectarlo durante el periodo de diseño del pavimento. Las cargas incluyen un factor de seguridad según la intensidad del tránsito (1.0, 1.1, 1.2) Tipo de transferencia de carga en juntas transversales. Presencia de bermas de concreto ancladas al pavimento


CONSIDERACIONES DE DISEÑO Soporte del pavimento

 La resistencia de cada suelo se debe expresar en términos del módulo de reacción (k)  No se requiere realizar correcciones de ―k‖ por efectos estacionales

 Se permite la determinación de ―k‖ por correlación con el CBR CBR (%) k (pci)

3 100

4 120

5 140

8 175

10 200

20 250

MÉTODO DE DISEÑO PCA CONSIDERACIONES DE DISEÑO Soporte del pavimento  La colocación de una subbase para prevenir el bombeo (granular o estabilizada) y para brindar un apoyo más uniforme a las losas, se traduce en un incremento del módulo de reacción del soporte (k), el cual se aprovecha en el diseño del espesor de las losas


CONSIDERACIONES DE DISEÑO Soporte del pavimento


CONSIDERACIONES DE DISEÑO Resistencia del concreto  Los esfuerzos que sufre un pavimento rígido bajo carga son de compresión y tensión Los esfuerzos de compresión son muy bajos respecto de la resistencia a la compresión del concreto  Los esfuerzos de tensión pueden representar una fracción importante de resistencia a flexión, razón por la cual son éstos los que se consideran en el diseño del pavimento


CONSIDERACIONES DE DISEÑO Resistencia del concreto a flexión

MÉTODO DE DISEÑO PCA CONSIDERACIONES DE DISEÑO Resistencia del concreto El diseño hace uso del valor de fatiga del concreto bajo flexión repetida  El criterio de fatiga se basa en la hipótesis de que la resistencia a fatiga no consumida por las repeticiones de una determinada carga queda disponible para las repeticiones de las demás  El consumo total de fatiga no deberá exceder de 100%  La ecuación de fatiga está incorporada en las gráficas de diseño


CONSIDERACIONES DE DISEÑO Cargas del tránsito  El método exige el conocimiento del espectro de cargas por eje, discriminado por tipo de eje (simple, tándem, triple)  El espectro actual debe proyectarse al futuro de acuerdo con la tasa de crecimiento anual de tránsito, para determinar el número esperado de aplicaciones de cada grupo de carga por eje durante el periodo de diseño que, generalmente, es 20 años


CONSIDERACIONES DE DISEÑO Cargas del tránsito Las magnitudes de las cargas por eje se deben afectar por un factor de seguridad: —Vías con un flujo importante de tránsito pesado, FSC=1.2 —Vías con moderado volumen de tránsito de vehículos pesados, FSC= 1.1 —Vías residenciales y otras con bajo volumen de tránsito, FSC = 1.0


CONSIDERACIONES DE DISEÑO Otros factores I - Tipo de transferencia de carga en las juntas transversales

 El método considera dos sistemas: —Por varillas para la transferencia de carga (pasadores) — Por trabazón de agregados


CONSIDERACIONES DE DISEÑO Otros factores I - Tipo de transferencia de carga en las juntas transversales  La inclusión de varillas para la transferencia de carga (pasadores) en la juntas trasversales de contracción mejora el comportamiento del pavimento en relación con la posibilidad de falla por escalonamiento, en particular cuando los volúmenes de tránsito son elevados


CONSIDERACIONES DE DISEÑO Otros factores I - Tipo de transferencia de carga en las juntas transversales VARILLAS DE TRANSFERENCIA


CONSIDERACIONES DE DISEÑO Otros factores I - Tipo de transferencia de carga en las juntas transversales TRABAZÓN DE AGREGADOS


CONSIDERACIONES DE DISEÑO Otros factores II - Uso de bermas de concreto  El empleo de bermas de concreto ancladas al pavimento produce alguna transferencia de carga que da lugar a reducciones en los esfuerzos de flexión y en las deflexiones producidas por las cargas de los vehículos, las cuales se pueden traducir en una disminución del espesor de diseño


CONSIDERACIONES DE DISEÑO Otros factores II - Uso de bermas de concreto


TABLAS Y GRÁFICAS DE DISEÑO


TABLAS Y GRÁFICAS DE DISEÑO


TABLA PARA EL CÁLCULO DEL ESFUERZO EQUIVALENTE PARA EJE SENCILLO EN UN PAVIMENTO SIN BERMAS DE CONCRETO (PARCIAL) (EJE SIMPLE/EJE TÁNDEM)

Espesor losas(pg) 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5

50 825/679 699/586 602/516 526/461 465/416 417/380

100 726/585 616/500 531/436 464/387 411/348 367/317

k combinado (lb/pg3) 150 200 300 671/542 634/516 584/486 571/460 540/435 498/406 493/399 467/376 432/349 431/353 409/331 379/305 382/316 362/296 336/271 341/286 324/267 300/244

500 523/457 448/378 390/321 343/278 304/246 273/220

700 484/443 417/363 363/307 320/264 285/232 256/207

MÉTODO DE DISEÑO PCA GRÁFICA PARA ANÁLISIS DE FATIGA

MÉTODO DE DISEÑO PCA TABLA PARA EL CÁLCULO DEL FACTOR DE EROSIÓN PARA EJE SIMPLE EN UN PAVIMENTO CON SISTEMA DE TRANSFERENCIA POR VARILLAS Y SIN BERMAS DE CONCRETO (PARCIAL) (EJE SIMPLE/EJE TÁNDEM) Espesor losas(pg) 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5

50 3.74/3.83 3.59/3.70 3.45/3.58 3.33/3.47 3.22/3.38 3.11/3.29

100 3.73/3.79 3.57/3.65 3.43/3.52 3.31/3.41 3.19/3.31 3.09/3.22

k combinado (lb/pg3) 200 300 3.72/3.75 3.71/3.73 3.56/3.61 3.55/3.58 3.42/3.48 3.41/3.45 3.29/3.36 3.28/3.33 3.18/3.26 3.17/3.23 3.07/3.16 3.06/3.13

500 3.70/3.70 3.54/3.55 3.40/3.42 3.27/3.30 3.15/3.20 3.05/3.10

700 3.68/3.67 3.52/3.53 3.38/3.40 3.26/3.28 3.14/3.17 3.03/3.07

MÉTODO DE DISEÑO PCA GRÁFICA PARA ANÁLISIS DE EROSIÓN


PROCEDIMIENTO DE DISEÑO MODELO DE HOJA DE CÁLCULO Proyecto: Espesor: ksist.:

cm MPa/m

fctM,k : Fsc:

Juntas con dovelas: Bermas de concreto:

MPa

Período de diseño (años):

CARGAS POR EJE (kN)

CARGAS POR EJE x Fsc

NÚMERO REPETICIONES ESPERADAS

1

2

3

ANÁLISIS DE FATIGA NÚMERO CONSUMO REPETICONES DE FATIGA ADMISIBLES (%) 4

5

ANÁLISIS DE EROSIÓN NÚMERO DAÑOS POR REPETICIONES EROSIÓN ADMISIBLES (%) 6

EJES SENCILOS

Esf. equivalente: Factor de relación de esfuerzo:

Factor de erosión:

EJES TÁNDEM


Factor de erosión:

EJES TRÍDEM


Factor de erosión:

TOTAL

TOTAL

7

MÉTODO DE DISEÑO PCA PROCEDIMIENTO DE DISEÑO

Inclusión de datos de entrada en la hoja de cálculo Espesor de tanteo de losas de concreto Módulo de reacción de la subrasante o del conjunto subrasante - subbase Módulo de rotura promedio del concreto


PROCEDIMIENTO DE DISEÑO Inclusión de datos de entrada en la hoja de cálculo Factor de seguridad de carga adoptado Sistema de transferencia de carga en las juntas transversales Presencia o ausencia de bermas de concreto Periodo de diseño del pavimento


PROCEDIMIENTO DE DISEÑO Inclusión de datos de entrada en la hoja de cálculo  Esfuerzo equivalente para ejes simples, tomado de la tabla que corresponda (pavimento con o sin berma) en función del espesor de tanteo y del ―k‖ de diseño Relación de esfuerzos para ejes simples = Esfuerzo equivalente para ejes simples / Módulo de rotura del concreto Factor de erosión para ejes simples, tomado de la tabla que corresponda, según los tipos de confinamiento y transferencia de carga, en función del espesor de tanteo y del ―k‖ de diseño

MÉTODO DE DISEÑO PCA PROCEDIMIENTO DE DISEÑO Inclusión de datos de entrada en la hoja de cálculo Esfuerzo equivalente, relación de esfuerzos y factor de erosión para ejes tándem con un procedimiento similar al de los ejes simples Inclusión del espectro de cargas elegido (columna 1)

Multiplicación de cada valor de carga x FSC (columna 2) Inclusión de número de repeticiones esperadas de cada carga por eje (columna 3)


PROCEDIMIENTO DE DISEÑO Análisis de fatiga  Para cada una de las cargas por eje simple de la columna 2 y la relación de esfuerzos para ejes simples, se determina el número admisible de repeticiones de carga en la gráfica de análisis de fatiga y se coloca en la casilla correspondiente de la columna 4

 Si el número de repeticiones admisible resulta superior a 10,000,000, se escribirá ―ilimitado‖ en la casilla correspondiente


PROCEDIMIENTO DE DISEÑO Análisis de fatiga Se procede de manera similar con las cargas por eje tándem  Se calcula el consumo de fatiga de cada una de las cargas por eje simple y tándem, dividiendo los valores de la columna 3 por los valores de la columna 4. Se coloca cada resultado en la columna 5, como porcentaje  La suma de todos los valores de la columna 5 será el consumo total de fatiga, correspondiente al espesor de tanteo escogido

MÉTODO DE DISEÑO PCA PROCEDIMIENTO DE DISEÑO Análisis de erosión  Para cada una de las cargas por eje simple de la columna 2 y el factor de erosión para ejes simples, se determina el número de repeticiones admisibles por este concepto en la gráfica que corresponda (según si el pavimento tiene o no bermas de concreto) y se coloca en la casilla correspondiente de la columna 6  Para repeticiones mayores de 100,000,000, se escribe ―ilimitado‖

MÉTODO DE DISEÑO PCA PROCEDIMIENTO DE DISEÑO Análisis de erosión Se procede de manera similar con las cargas por eje tándem Se calcula el daño relativo por erosión, relacionando, en porcentaje, los valores de las columnas 3 y 6  Se colocan los valores calculados en la columna 7  La suma de todos los valores de la columna 7 es el daño total por erosión correspondiente al espesor de tanteo escogido


PROCEDIMIENTO DE DISEÑO Análisis de resultados  El espesor de losas escogido para el tanteo se considera inadecuado si el consumo total de fatiga o el daño total por erosión superan 100%  En este caso, se realiza otro tanteo con un espesor de losas mayor  Si los totales son mucho menores que 100%, se debe realizar otro tanteo con un espesor menor


PROCEDIMIENTO DE DISEÑO Análisis de resultados Para disminuir el número de tanteos, el efecto del espesor sobre los daños por fatiga y erosión se ajusta a una proyección geométrica  Por ejemplo, si el consumo de fatiga para un espesor de 20 cm resultó 178% y para uno de 24 cm fue 33%, el consumo de fatiga para 22 cm será

178 * 33  77%

MÉTODO DE DISEÑO PCA PROCEDIMIENTO DE DISEÑO HOJA DE CÁLCULO CON TANTEO DE DISEÑO

MÉTODO DE DISEÑO PCA OTRAS POSIBILIDADES DEL MÉTODO DE LA PCA

 El método contempla la posibilidad de incluir capas de subbase de concreto pobre e incluye gráficas de diseño para ello  Se tiene en cuenta la presencia de ejes triples, los cuales se procesan en una hoja de cálculo extra  Se considera que cada eje triple equivale a 3 ejes simples, cada uno de ellos con una carga igual a la tercera parte del eje triple y se emplean las tablas y escalas gráficas correspondientes a los ejes simples para los cálculos de fatiga y erosión

MÉTODO DE DISEÑO PCA DISEÑO MEDIANTE PROGRAMAS DE CÓMPUTO

Existen programas de cómputo que realizan los tanteos con gran rapidez, a partir de los parámetros básicos de diseño (ejemplo: programa BS-PCA)

MÉTODO DE DISEÑO PCA PROGRAMA BS-PCA PANTALLA CON INFORMACIÓN SOBRE TRÁNSITO

MÉTODO DE DISEÑO PCA PROGRAMA BS-PCA PANTALLA CON DATOS DE ENTRADA Y RESULTADOS

MÉTODOS DE DISEÑO

MÉTODO DE DISEÑO PCA SIMPLIFICADO

MÉTODO SIMPLIFICADO DE DISEÑO PCA

Generalidades

 Este método se aplica cuando no se dispone de datos sobre el espectro de cargas  La PCA ha generado unas tablas de diseño basadas en volúmenes de tránsito mixto que representan diferentes categorías de calles y carreteras de los Estados Unidos de América  Su aplicación en otros medios debe ser cuidadosa, debido a las diferencias en las costumbres del tránsito, en particular las cargas máximas por eje


Generalidades El tránsito y el soporte se caracterizan de manera diferente al método general de la PCA  El módulo de rotura del concreto y las condiciones de transferencia de carga y confinamiento lateral se analizan de la misma manera  Los factores de seguridad de carga están incorporados en las tablas de diseño, las cuales han sido elaboradas para un periodo de diseño de 20 años

MÉTODO SIMPLIFICADO DE DISEÑO PCA CLASIFICACIÓN DEL TRÁNSITO CATEGORIAS DE CARGA POR EJE Tránsito TPD * TPD VC Categoría Descripción de la vía (ADT) (ADTT) 1 Calles residenciales 200-800 25 ó Carreteras secundarias de tránsito bajo y medio 2 Calles colectoras 700-5000 40 -1000 Carreteras secundarias de mayor tránsito Vias arterias de bajo tránsito 3 Vías arterias y carreteras 3000-12000 500-5000+ primarias de tránsito medio (2 carriles) Vias expresas de tránsito bajo y 3000-50000 medio (4 carriles) 4 Vias arterias primarias y 3000-20000 1500-8000+ expresas de alto tránsito (2 carriles) 3000-150000 (4 carriles o más)

* Se excluye todo vehículo de 2 ejes y 4 llantas

Máximas cargas por eje, kips (t) Ejes simples Ejes tándem 22 (10)

36 (16)

26 (12)

44 (20)

30 (14)

52 (24)

34 (16)

60 (27)

MÉTODO SIMPLIFICADO DE DISEÑO PCA CLASIFICACIÓN DEL TRÁNSITO

Consideraciones sobre TPD (ADT) y TPDvc (ADTT)  TPD (ADT) es el tránsito promedio diario en ambas direcciones, el cual incluye todos los vehículos  TPDvc (ADTT) es el tránsito promedio diario en ambas direcciones, de vehículos comerciales (vehículos con 6 o más llantas)

MÉTODO SIMPLIFICADO DE DISEÑO PCA CLASIFICACIÓN DEL TRÁNSITO

Consideraciones sobre TPD (ADT) y TPDvc (ADTT) Los valores de TPD y TPDvc que se usan para el diseño deben ser valores promedio durante el periodo de diseño, por lo que los valores iniciales deben ser afectados por factores de proyección que dependen de la tasa anual de crecimiento del tránsito


CLASIFICACIÓN DEL SOPORTE Tipo de soporte Bajo

Medio

Alto Muy alto

Tipo de suelo

Rango típico de k (pci) Suelo de grano fino donde predominan 75-120 partículas de limo y arcilla Arenas y mezclas de grava y arena con cantidades moderadas de partículas finas Arenas y mezclas de gravas y arenas relativamente libres de finos plásticos Subrasantes protegidas con subbases tratadas con cemento

130-170

180-220 250-400


PASOS PARA EL DISEÑO  Se elige una categoría de tránsito  Lo correcto es basarse en la descripción del tipo de vía y las cargas máximas esperables por eje, más que en los valores de TPD y TPDvc, los cuales han sido incluidos para ilustrar valores típicos  Se determina el tipo de soporte


PASOS PARA EL DISEÑO Se establecen las características de transferencia de carga y confinamiento lateral del pavimento

 Se escoge la tabla de diseño apropiada para los parámetros citados  Se halla el espesor de losas de concreto requerido, según el módulo de rotura de diseño de la mezcla


EJEMPLO DE DISEÑO Datos del problema Vía arteria de dos carriles TPD de diseño = 6,200 vehículos TPDvc de diseño = 630 vehículos comerciales No se espera la acción de cargas inusualmente altas o bajas Suelo de subrasante arcilloso (k = 80 lb/pg3) Subbase granular de 4 pulgadas de espesor Módulo de rotura del concreto = 650 lb/pg2 Transferencia de cagas por varillas Pavimento confinado por berma de concreto


EJEMPLO DE DISEÑO Solución del problema Considerando el tipo de vía y el hecho de que no habrá cargas excepcionales, se escoge la Categoría 3 de tránsito Para la combinación de subrasante y subbase granular, en encuentra un ―k‖ combinado de 120 pci, al cual corresponde un Soporte Bajo Se escoge la tabla de diseño adecuada a los datos del problema (categoría de tránsito, tipo de transferencia de carga y existencia de confinamiento)


EJEMPLO DE TABLA DE DISEÑO DEL PAVIMENTO

Módulo rotura concreto (lb/pg2)

650

PAVIMENTO CON BERMAS DE CONCRETO Espesor SOPORTE SUBRASANTE - SUBBASE losas (pg) 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5

Bajo

Medio

52 320 1600 6900

220 1200 5700 23700

Alto 83 550 2900 13300

Muy alto 320 1900 9800


EJEMPLO DE DISEÑO Solución del problema (cont.) Para un módulo de rotura de 650 psi, la tabla muestra que

—7.5 pulgadas de losas soportan un TPDvc hasta de 320 vehículos comerciales —8.0 pulgadas de losas soportan un TPDvc hasta de 1600 vehículos comerciales

Como el TPDvc del problema es 630, se concluye que el espesor de losas requerido es 8.0 pulgadas

SENSIBILIDAD DE LOS FACTORES DE DISEÑO

CAPACIDAD DE SOPORTE

Si se duplica el módulo de reacción de diseño, se logra una disminución media de 2 cm en el espesor de losas si el soporte es bajo o medio  La disminución es del orden de 1 cm para soportes de mejor calidad


RESISTENCIA DE DISEÑO DEL CONCRETO Tránsito Junta Medio a muy Sin pasadores pesado Con pasadores Liviano a Con y sin pasadores medio

Resistencia del concreto No tiene influencia. El control lo ejerce la erosión En promedio, un aumento de 3 kg/cm2 reduce 1 cm el espesor En promedio, un aumento de 3 kg/cm2 disminuye 1 cm el espesor

BERMA PAVIMENTADA EN CONCRETO

Su consideración permite disminuir, en promedio, 3 cm el espesor del pavimento


COLOCACIÓN DE PASADORES EN JUNTAS TRANSVERSALES

Tránsito Pesado y muy pesado Medio Liviano a medio Liviano

Resistencia del concreto Efecto de los pasadores Alta Permite reducir el espesor en 5 cm Media y baja Permite reducir el espesor en 2 cm Alta Permite reducir el espesor de 2 a 3 cm Media y baja No influye Alta a baja No influye Alta a baja No influye

ELEMENTOS AUXILIARES

DISEÑO DE JUNTAS EN PAVIMENTOS RÍGIDOS

DISEÑO DE JUNTAS FUNCIONES DE LAS JUNTAS DE LOS PAVIMENTOS RÍGIDOS  Controlar el agrietamiento transversal y longitudinal

generado por la contracción restringida del concreto y por los efectos combinados del alabeo y las cargas del tránsito

 Permitir los movimientos de las losas  Asegurar una adecuada transferencia de carga  Proveer espacio para el material de sello

DISEÑO DE JUNTAS FISURACIÓN INICIAL DEL CONCRETO  La contracción generada durante las primeras horas

de vida del pavimento, a causa de la reducción de volumen y temperatura del concreto, genera fricción entre el pavimento y el soporte  Esta fricción produce esfuerzos de tracción que causan un patrón de fisuramiento transversal a intervalos del orden de 10 a 45 metros

DISEÑO DE JUNTAS FISURACIÓN INICIAL DEL CONCRETO

Debido a la acción de gradientes térmicos, los segmentos en los cuales se ha dividido el pavimento tienden a alabearse, generándose esfuerzos de flexión proporcionales a la longitud de los segmentos, los cuales exceden el módulo de rotura, dando lugar a la aparición de fisuras intermedias  El proceso se sigue repitiendo hasta que las dimensiones de los segmentos sean tales, que la magnitud del esfuerzo generado por el gradiente térmico resulte inferior al módulo de rotura del concreto

DISEÑO DE JUNTAS FISURACIÓN INICIAL DE UN PAVIMENTO RÍGIDO TÍPICO SIN JUNTAS

DISEÑO DE JUNTAS PROPÓSITO DEL PROYECTO DE JUNTAS

 Determinar las dimensiones de las losas que conduzcan a la forma más económica de controlar la fisuración transversal y longitudinal debida a cambios volumétricos del concreto y al alabeo restringido

DISEÑO DE JUNTAS TIPOS DE JUNTAS EN PAVIMENTOS RÍGIDOS




DISEÑO DE JUNTAS

DIMENSIONES MÍNIMAS DE LOS PASADORES DE CARGA PCA (1975) Espesor del pavimento (mm) 160-180 190-200 210-230 240-250 260-280 290-300

diámetro del pasador * mm pg 22,2 7/8 25,4 1 28,6 1 1/8 31,8 1 1/4 34,9 1 3/8 38,1 1 1/2

longitud (mm) 350 350 400 450 450 500

separación entre centros (mm) 300 300 300 300 300 300

DISEÑO DE JUNTAS DIMENSIONES MÍNIMAS DE LOS PASADORES DE CARGA

Existe una regla según la cual el diámetro de la varilla no puede ser menor de 1/8 del espesor de la losa (PCA, 1975) La PCA (1991) recomienda diámetros de 1 y ¼‖ para espesores de losa menores de 250 mm y 1 y ½‖‖ para espesores iguales o mayores a 250 mm

Existen recomendaciones según las cuales las losas de menos de 170 mm no requieren pasadores, debido a que corresponden a vías de tránsito liviano

DISEÑO DE JUNTAS RECOMENDACIONES SOBRE VARILLAS DE ANCLAJE GRADO 60 EN LAS JUNTAS LONGITUDINALES DE PAVIMENTOS RÍGIDOS Espesor losa (mm)

Long (mm)

varillas de 1/2" varillas de 5/8" Separación entre centros (m) Long (mm) Separación entre centros (m) Carril 3.05 m Carril 3.35 m Carril 3.65 m Carril 3.05 m Carril 3.35 m Carril 3.65 m

150

1,20

1,20

1,20

1,20

1,20

1,20

175

1,20

1,20

1,20

1,20

1,20

1,20

1,20

1,20

1,20

1,20

1,20

1,20

225

1,20

1,20

1,20

1,20

1,20

1,20

250

1,20

1,15

1,10

1,20

1,20

1,20

200

850

1000

No se deben colocar varillas de anclaje a menos de 38 cm de la junta transversal

DISEÑO DE JUNTAS SEPARACIÓN ENTRE JUNTAS  Los registros locales de comportamiento constituyen la mejor guía para establecer la separación entre juntas que controlen efectivamente los agrietamientos transversal y longitudinal  La juntas longitudinales de pavimentos rígidos de calles y carreteras suelen cumplir la doble función de dividir el pavimento en carriles y de controlar las fisuras longitudinales  La separación entre juntas transversales de contracción, que determina la longitud de las losas, debe garantizar que la abertura de la junta no sea excesiva si la transferencia de carga es por trabazón de agregados

DISEÑO DE JUNTAS RECOMENDACIONES SOBRE LONGITUDES MÁXIMAS DE LOSAS EN PAVIMENTOS DE CONCRETO SIMPLE

DISEÑO DE JUNTAS EJEMPLO DE APLICACIÓN DEL CRITERIO FHWA LONGITUDES DE LOSA RESULTANTES PARA UN RANGO NORMAL DE ESPESORES DE LOSAS Y MÓDULOS DE RELACIÓN DE SOPORTE DE MANERA QUE L/l = 5 Espesor de losa (pg) 9 13

k=100 pci l (pg) L (pie) 42.0 17.5 55.3 23.0

k=200 pci l (pg) L (pie) 35.3 14.7 46.5 19.4

k=800pci l (pg) L (pie) 25.0 10.4 32.9 13.7

 De acuerdo con la tabla, si los soportes son rígidos (subbases estabilizadas) la longitud de las losas debe ser menor — Del orden de 12 pies para losas de 9 pulgadas de espesor, y del orden de 15 pies para losas de 13 pulgadas

DISEÑO DE JUNTAS COMPARACIÓN DE LONGITUDES MÁXIMAS DE LOSAS SEGÚN DIVERSOS CRITERIOS (espesor = 9 pulgadas)

Criterio FHWA

FAA PCA Fordyce

Longitud máxima k= 100 pci; L = 17.5 pies (5.3 m) k= 200 pci; L = 14.7 pies (4.5 m) k= 800 pci; L = 10.4 pies (3.2 m) L= 2x9 = 18 pies (5.5 m) L=25*9/12 = 18.75 pies (5.7 m) depende del tipo de agregado grueso

DISEÑO DE JUNTAS RECOMENDACIONES GENERALES PARA LA DISPOSICIÓN DE JUNTAS EN PAVIMENTOS DE CONCRETO SIMPLE

 Las juntas tienen por finalidad ayudar a la construcción y minimizar los agrietamientos aleatorios del pavimento Se debe tener en cuenta que el concreto tiende siempre a tomar la forma cuadrada  Las losas largas y estrechas tienden a agrietarse más que las losas aproximadamente cuadradas  La relación largo/ancho no debería exceder de 1.4

DISEÑO DE JUNTAS RECOMENDACIONES GENERALES PARA LA DISPOSICIÓN DE JUNTAS EN PAVIMENTOS DE CONCRETO SIMPLE

Las losas delgadas se tienden a agrietar a menores intervalos que las losas espesas

 Los lados de las losas en las zonas de giro no deben tener menos de 45 cm Se deben hacer ajustes menores en la distribución de juntas donde haya sumideros o pozos de inspección y las losas donde ellos queden incluidos suelen armarse en la parte superior

DISEÑO DE JUNTAS EJEMPLO DE DISTRIBUCIÓN DE JUNTAS EN PAVIMENTOS DE CONCRETO SIMPLE

reforzadas


reforzadas


DISEÑO DE JUNTAS EJEMPLOS DE DISPOSICIÓN DE JUNTAS AISLADORAS EN PAVIMENTOS DE CONCRETO SIMPLE

DISEÑO DE JUNTAS REFUERZO DE LOSAS DE FORMA IRREGULAR O CON ESTRUCTURAS FIJAS EN SU INTERIOR

DISEÑO DE JUNTAS ESQUEMA DE TRANSICIÓN ENTRE PAVIMENTOS ASFÁLTICO Y RÍGIDO

DISEÑO DE JUNTAS DISEÑO DEL SELLO DE LAS JUNTAS

Las juntas deben ser selladas para minimizar la infiltración de agua superficial y de materiales incompresibles dentro de ellas Las características requeridas de un sellador son diferentes para los distintos tipos de juntas. Un sellador para una junta longitudinal no requiere ser tan elástico como para una junta transversal


Las dimensiones de las cajas de las juntas son un factor importante en la selección y comportamiento de los selladores Las dimensiones de las cajas se establecen para ayudar a los materiales selladores a soportar los movimientos de apertura y cierre de las juntas

Las estimaciones de los movimientos de las juntas transversales se hacen con la ecuación: DL = CL ( a Dt + d)


Cajas para selladores líquidos El ancho de la caja para alojar el sello debe ser como mínimo de 6 mm y como máximo de 10 mm El ancho de corte con la sierra y la profundidad de inserción del cordón de respaldo determinan la forma del sellador El factor de forma (relación profundidad/ancho) es crítico para el éxito a largo plazo de los selladores líquidos


Cajas para selladores líquidos Los movimientos de expansión y contracción de las losas inducen deformaciones en el material de sello y tensiones en sus áreas de adherencia con la caja Un factor de forma menor de 1.0 produce tensiones más bajas en el sellador, lo que minimiza la pérdida de adherencia con las paredes de la junta


Cajas para selladores líquidos


Cajas para selladores líquidos Los selladores líquidos de vertido en caliente soportan hasta un 20% de alargamiento con respecto a su ancho original, mientras las siliconas y otros materiales de bajo módulo soportan hasta el 100% En consecuencia, el sellador se debe escoger de acuerdo con su alargamiento máximo esperado a causa de la retracción del concreto


Cajas para selladores líquidos Ejemplo

Si se tienen los siguientes datos: C = 0.8; L = 4 metros; α = 10-5; ΔT = 25ºC y δ = 0.00045: Y se emplea la ecuación: DL = CL ( a Dt + d) Se obtiene la siguiente abertura máxima de la junta: DL = 0.8*4*1000 ( 10-5*25 + 0.00045) = 2.24 mm



De acuerdo con recomendaciones de ACPA, el ancho mínimo de la caja para alojar el sello debe ser de 6 mm Como según el ejemplo, la abertura de la junta será de 2.24 mm, después de la contracción del concreto el reservorio tendrá un ancho de 6.0+2.24 = 8.24 mm, lo que hace que el material de sello deba tener un porcentaje de alargamiento mayor de 2.24/6.0 = 0.37 (37 %), con el fin de soportar, sin desprenderse, el movimiento de la junta en sentido horizontal




Cajas para selladores preformados Los selladores preformados se colocan para permanecer en compresión dentro de la junta durante su vida útil, aun cuando la junta esté abierta a su máxima anchura Ello es necesario para mantener la presión de contacto requerida entre la junta y el sellador, de manera que éste se conserve en su lugar Si la junta se abre hasta un ancho mayor que el del sellador, éste fallará, por cuanto caerá dentro de la junta o será expulsado por el tránsito


Cajas para selladores preformados Es muy importante elegir el tamaño correcto de sellador y que éste mantenga sus propiedades elásticas

El sellador debe permanecer en compresión, transmitiendo esfuerzos a las caras de la junta a través de sus nervaduras Si la junta se hace muy estrecha y los esfuerzos de compresión sobre el sellador son muy altos, éste pierde su elasticidad y el sello falla cayendo al fondo de la junta o siendo expulsado de ésta


Cajas para selladores preformados


Procedimiento para elegir el tamaño del sellador preformado El primer paso consiste en calcular la abertura que puede tener la junta: DL = CL ( a Dt + d) Determinadas las aberturas máxima y mínima de la junta, se establece el rango de trabajo del sellador, de manera que éste se encuentre comprimido por lo menos 20%, pero no más de 60 % Estimado el rango de trabajo, se determina el ancho que requiere el sellador

DISEÑO DE JUNTAS DISEÑO DEL SELLO DE LAS JUNTAS Ejemplo de cálculo del tamaño del sellador preformado Datos: –Temperatura en el instante de colocar el sellador = 28 ºC –Temperatura máxima del pavimento = 45 ºC –Temperatura mínima del pavimento = 0 ºC –Longitud de losa = 4.50 metros –Coeficiente de dilatación térmica del concreto (α) = 10-5/º C –Coeficiente de contracción por secado (δ) = 0.00045 –Factor de ajuste por fricción = 0.8

DISEÑO DE JUNTAS DISEÑO DEL SELLO DE LAS JUNTAS Ejemplo de cálculo del tamaño del sellador preformado Determinación de la mayor abertura de la junta (frío): DL = 0.8*4.5*1000 [ 10-5* (28 - 0) + 0.00045] = 2.63 mm Determinación de la menor abertura de la junta (calor): DL = 0.8*4.5*1000 [ 10-5* (45 - 28) + 0.00045] = 2.23 mm Si el ancho de corte de la junta es 10 mm, las aberturas máxima y mínima de la caja serán: D máx. = 10 + 2.63 = 12.63 mm D mín. = 10 - 2.23 = 7.77 mm

DISEÑO DE JUNTAS DISEÑO DEL SELLO DE LAS JUNTAS Ejemplo de cálculo del tamaño del sellador preformado Determinación del rango de trabajo del sellador preformado –Si el sello debe permanecer comprimido no menos de 20% cuando la junta está abierta, ni más de 60% cuando está cerrada, su rango de trabajo se determina así: Ancho máximo del sello = Ancho mínimo de junta*5.0 Ancho mínimo del sello = Ancho máximo de junta*1.2

DISEÑO DE JUNTAS DISEÑO DEL SELLO DE LAS JUNTAS Ejemplo de cálculo del tamaño del sellador preformado Determinación del rango de trabajo del sellador preformado Ancho máximo del sello = 7.77*5.0 = 38.9 mm Ancho mínimo del sello = 12.63*1.2 = 15.2 mm

DISEÑO DE JUNTAS DISEÑO DEL SELLO DE LAS JUNTAS Ejemplo de cálculo del tamaño del sellador preformado Determinación del ancho del sellador preformado –Un criterio es tomar el promedio de estos dos extremos (27 mm), aunque una regla general es tomar el doble del ancho de corte en el momento de sellado, si cumple los criterios del cálculo. De acuerdo con esta regla, el ancho sería 10*2 = 20 mm (3/4‖) y su rango de trabajo: Máximo = 20 – 0.2*20 = 16 mm (20% de compresión) Mínimo = 20 – 0.6*20 = 8 mm (60% de compresión)

DISEÑO DE PAVIMENTOS DE ADOQUINES

CONTENIDO

Ventajas y desventajas de los pavimentos de adoquines Trabazón en los pavimentos articulados

Método de diseño ICPI


VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS PAVIMENTOS DE ADOQUINES

INTRODUCCIÓN VENTAJAS DE LOS PAVIMENTOS DE ADOQUINES

Por ser elaborados con un concreto o ladrillo de alta resistencia, los adoquines presentan alta resistencia a las cargas concentradas, a la abrasión y a los agentes atmosféricos. Además, no son afectados por los productos derivados del petróleo Por el reducido tamaño de los bloques, el pavimento no está sujeto a los esfuerzos por cambios térmicos que afectan a los pavimentos rígidos y se acomodan fácilmente a pequeños asentamientos del soporte Los adoquines son reutilizables cuando se requiere su remoción para ejecutar trabajos subterráneos

Su construcción puede emplear mano de obra no calificada si no se desea la instalación mecánica

INTRODUCCIÓN

DESVENTAJAS DE LOS PAVIMENTOS DE ADOQUINES

Debido a la innumerable cantidad de juntas que posee el pavimento, la circulación es incómoda y se traduce en mayores costos de operación vehicular en relación con otras alternativas de pavimento


TRABAZÓN EN LOS PAVIMENTOS ARTICULADOS


Trabazón vertical Se logra por transferencia de cortante entre bloques vecinos a través de la arena presente en las juntas Trabazón rotacional La mantienen los adoquines si tienen suficiente espesor, si se encuentran muy cercanos entre sí y si están confinados por un sardinel que restrinja las fuerzas laterales de las ruedas de los vehículos


Trabazón horizontal Se logra, fundamentalmente, mediante un adecuado ensamble de los adoquines que disperse las fuerzas de frenado, aceleración y giro de los vehículos  El ensamble más efectivo es el de espina de pez




MÉTODO DE DISEÑO ICPI


MÉTODO DE DISEÑO ICPI FACTORES DE DISEÑO Medio ambiente Los ensayos de resistencia de la subrasante se deben realizar en las condiciones de humedad y densidad de equilibrio esperadas Cuando la resistencia se evalúe indirectamente a partir de la clasificación de los suelos, se debe establecer previamente una opción de medio ambiente y drenaje

MÉTODO DE DISEÑO ICPI FACTORES DE DISEÑO

Medio ambiente

MÉTODO DE DISEÑO ICPI FACTORES DE DISEÑO Resistencia de la subrasante Utilizar el valor de CBR o el módulo resiliente de diseño, cuando se disponga de él Si no se tienen resultados de ensayos de resistencia, adoptar valores por correlación con la clasificación del suelo y la opción ambiental Cuando el CBR < 3%, se debe contemplar el reemplazo del suelo por otro de mayor capacidad portante, la construcción de una subrasante mejorada, el mejoramiento del suelo mediante estabilización o el uso de geomallas y/o geotextiles


FACTORES DE DISEÑO Resistencia de la subrasante

MÉTODO DE DISEÑO ICPI FACTORES DE DISEÑO Tránsito Alternativa 1

— Si se dispone de datos suficientes, calcular N (EALs) Alternativa 2

— Si no hay información detallada disponible sobre el tránsito, emplear la tabla siguiente


FACTORES DE DISEÑO Tránsito (Alternativa 2)

MÉTODO DE DISEÑO ICPI DETERMINACIÓN DE ESPESORES El espesor de adoquines de concreto para tránsito vehicular se establece en 80 mm

El espesor de la capa de arena de soporte de los adoquines, oscila entre 25 y 40 mm (esta capa no brinda aporte estructural) Hay una gráfica de diseño para cada tipo de material de base considerado por el método (granular, estabilizado con asfalto, estabilizado con cemento) Parte del espesor de la base que se obtiene en las gráficas puede ser convertido a un espesor equivalente de subbase granular


DETERMINACIÓN DE ESPESORES Se deben respetar los siguientes espesores mínimos para la capa de base:

— granular: 100 mm si N < 500,000 ejes 150 mm si N ≥ 500,000 ejes — estabilizada con asfalto: 75 mm

— estabilizada con cemento: 100 mm

MÉTODO DE DISEÑO ICPI DETERMINACIÓN DE ESPESORES

Factores de conversión de espesor de base a espesor equivalente de subbase granular: —para base granular: 1.75

—para base estabilizada con asfalto: 3.40 —para base estabilizada con cemento: 2.50

MÉTODO DE DISEÑO ICPI GRÁFICAS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS DE CONCRETO

MÉTODO DE DISEÑO ICPI GRÁFICAS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS DE CONCRETO


EJEMPLO DE DISEÑO Vía urbana residencial de dos carriles Suelo predominante de subrasante: arcilla limosa (CH) No hay datos disponibles sobre la resistencia de la subrasante ni sobre tránsito De acuerdo con la información climática, se anticipa que el pavimento estará expuesto a niveles cercanos a la saturación más del 25 % del tiempo Se prevé que la calidad del drenaje sea aceptable

MÉTODO DE DISEÑO ICPI SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO Tránsito Como no hay información detallada disponible, se emplea el valor N que recomienda la tabla respectiva (840,000 ejes equivalentes ) Medio ambiente Por las condiciones esperadas, se adopta la opción 1 para el establecimiento de la resistencia de la subrasante Resistencia de la subrasante Para la clase de suelo (CH) y la condición ambiental (opción 1), se adopta un MR= 4,500 psi (31 MPa)

MÉTODO DE DISEÑO ICPI SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO

Caso de pavimento con base granular Espesor adoquines de concreto = 80 mm Espesor capa de soporte de arena = 25 a 40 mm

Espesor total de base (gráfica) = 330 mm Espesor mínimo requerido de base granular = 150 mm Espesor subbase granular = (330 - 150)*1.75 = 320 mm

MÉTODO DE DISEÑO ICPI SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO

Caso de pavimento con base granular


SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO Caso de pavimento con base estabilizada con asfalto Espesor adoquines de concreto = 80 mm Espesor capa de soporte de arena = 25 – 40 mm Espesor total de base (gráfica) = 135 mm Espesor mínimo requerido de base = 75 mm Espesor subbase granular = (135 -75)*3.40 = 200 mm


SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO Caso de pavimento con base estabilizada con asfalto

Curso Básico de Diseño de Pavimentos Parte 1 - Fernando Sanchez Sabogal

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