Diseño de pavimentos basado en la utilización de bloques de poliestireno - caracterización física y mecánica

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(1)RECOMENDACIONES DE DIS EÑO DE PAVIMENTOS BAS ADO EN LA UTILIZACIÓN DE BLOQUES DE POLIES TIRENO. CARACTERIZACIÓN FÍS ICA Y MECÁNIC A.. JUAN NICOLAS FORERO MARCELO. UNIVERS IDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL BOGOTA 2007.

(2) DIS EÑO DE PAVIMENTOS BAS ADO EN LA UTILIZACIÓN DE BLOQUES DE POLIES TIRENO. CARACTERIZAC IÓN FÍS ICA Y MEC ÁNICA.. JUAN NICOLAS FORERO MARCELO. Trabajo de grado para optar por el titulo de Ingeniero Civil. Director ING. CAMILO MARULANDA. UNIVERS IDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL BOGOTA 2007 2.

(3) AGRAD ECIMIENTOS. 3.

(4) CONTENIDO. Pág. AGRAD ECIMENTOS …….………………………………………………………… I CONTENIDO………………..……………………………………………………… II LIS TA DE TABLAS …………………………………………………………………… LIS TA DE FIGURAS …………………………………………………………………. LIS TA DE AN EXOS ………………………………………………………………….. 1. INTRODUCCION Y JUS TIFIC ACION………………………………………… 1.1 OBJETIVOS …………………………………………………………………… 1.1.1 Objetivo General………………………………………………………….. 1.1.2 Objetivos Específicos……………………………………………………… 1.2 METODOLOGIA……………………………………………………………… 1.3 CLARIFICACIÓN Y EXPLICACION DEL PROBLEMA………………… 1.4 TRATAMIENTOS PARA S UELOS BLANDOS COMPRES IBLES ……… 2. CARACTERIZAC IÓN DEL EPS ………………………………………………... 2.1 MATERIA PRIMA……………………………………………………………. 2.2 PROCES O DE OBTENCIÓN………………………………………………… 2.3 PROPIED ADES QUIMICAS Y BIOLOGICAS ……………………………. 2.4 PROPIED ADES FÍS ICAS ……………………………………………………. 2.4.1 Densidad…………………………………………………………………… 2.4.2 Color……………………………………………………………………….. 2.4.3 Tamaño y estabilidad dimensional………………………………………. 2.4.4 Durabilidad……………………………………………………………….. 2.4.5 Impacto Ambiental……………………………………………………….. 2.4.6 Textura……………………………………………………………………... 4.

(5) 2.5 PROPIED ADES TÉRMICAS ………………………………………………… 2.5.1 Aislamiento térmico.……………………………………………………….. 2.5.2 Capacidad combustible…………………………………………………….. 2.6 PROPIED ADES MEC ÁNICAS ……………………………………………….. 2.6.1 Resistencia a la compresión………………………………………………... 2.6.2 Comportamiento a fatiga y relación de poisson…………………………... 2.6.3 Comportamiento dependiente del tiempo y temperatura (TT)………….. 2.6.4 Resistencia a la tensión y a la flexión……………………………………… 2.6.5 Resistencia al corte…………………………………………………………. 2.6.6 Ductilidad y Rigidez……………………………………………………….. 2.6.7 Resumen de Propiedades………………………………………………….. 3. RECOMENDACIONES Y CONS IDERACIONES ATEN ER EN CUENTA AL DIS EÑAR UN PAVIMENTO CON EPS ……………………………………….. 3.1 INTRODUCCION…………………………………………………………...... 3.2 VARIABLES Y LIMITACIONES DE DIS EÑO……….……………………. 3.3 COMPONENTES PRINCIPALES DE UN RELLENO…………………….. 3.4 CRITERIOS Y FAS ES DE DIS EÑO………………………………………… 3.4.1 Estabilidad Externa………………………………………………………… 3.4.1.1 Asentamientos…………………………………………………………. 3.4.1.2 Capacidad Portante…………………………………………………... 3.4.1.3 Estabilidad de Taludes……………………………………………….. 3.4.1.4 Estabilidad S ísmica…………………………………………………… 3.4.1.5 Volcamiento…………………………………………………………… 3.4.1.6 Análisis de flotación o levantamiento hidrostático…………………. 3.4.2 Estabilidad Interna……………………………………………………….. 3.4.2.1 Deslizamiento debido a cargas de agua……………………………... 3.4.2.2 Estabilidad S ísmica…………………………………………………… 3.4.2.3 Capacidad Portante…………………………………………………… 3.4.3 Diseño de la estructura de pavimento……………………………………... 5.

(6) 3.4.3.1 Cartilla de diseño…………………………………………………… 3.5 Metodología de diseño del relleno………………………………………….. 3.6 Recomendaciones generales acerca del EPS y de su proceso constructivo… 4. CASO HIS TORICO – I15 S ALT LAKE CITY, UTAH ………………………. 4.1 INTRODUCCION……………………………………………………………. 4.2 DES CRIPCION DEL PROYECTO………………………………………… 4.3 CARACTERÍS TICAS DEL EPS UTILIZADO……………………………. 4.4 S EGUIMIENTO Y CONTROL DE LOS RELLENOS ……………………. 5. CONCLUS IONES ………………………………………………………………… BIBLIOGRAFIA……………………………………………………………………. 6.

(7) LIS TA DE TABLAS. Tabla 1. Densidades para EPS según ASTM 578-92………………………………. Tabla 2. Clasificación del EP S y resistencia a flexión……………………………… Tabla 3. Clasificación según densidad de la asociación nacional de poliestireno expandido de España ……...………………………………………………………….. Tabla 4.. Resumen propiedades según asociación nacional de poliestireno expandido. de España ………………………………………………………………………………. Tabla 5.. Resumen Propiedades químicas según asociación nacional de poliestireno. expandido de España …………………………………………………………………... Tabla 6. M ódulos de elasticidad y límites elásticos para algunas de las designaciones de EPS impuestas por la AASHTO…………………………………………………….. Tabla 7. Tabla 8.. Parámetros de diseño para subrasante – EPS………………………………. Valores de U para establecer el valor del coeficiente asociado a la. probabilidad de falla……………………………………………………………………. Tabla 9.. Desviación estándar de la ley de fatiga…………………………………...... Tabla 10. Desviación estándar de los espesores de las capas……………………….... Tabla 11. Coeficiente de calibración datos laboratorio – in situ……………………… Tabla 12. Coeficiente de reducción por heterogeneidad de las subrasante…………… Tabla 13. Parámetros y valores estándares de diseño………………………………… Tabla 14. Clasificación del tráfico según IDU – UNIANDES………………………. Tabla 15. Deformaciones Verticales Admisibles…………………………………….. Tabla 16. Probabilidades de falla según tipo de ligante……………………………… Tabla 17. Nomenclatura de estructuras………………………………………………. Tabla 18. Deformaciones admisibles Capa de rodadura……………………………... Tabla 19. Deformaciones admisibles Base Asfáltica…………………………………. 7.

(8) Tabla 20. Esfuerzos admisibles a tensión parte inferior ligante hidráulico………….. Tabla 21. Relaciones de poisson para diseño………………………………………… Tabla 22. Espesores estructura 1 con EPS 50 como subrasante……………………… Tabla 23. Espesores estructura 1 con EPS 100 como subrasante……………………. Tabla 24. Espesores estructura 2 con EPS 50 como subrasante……………………... Tabla 25. Espesores estructura 2 con EPS 100 como subrasante……………………. Tabla 26. Espesores estructura 3 con EPS 50 como subrasante……………………… Tabla 27. Espesores estructura 3 con EPS 100 como subrasante……………………. Tabla 28. Espesores estructura 4 con EPS 50 como subrasante……………………... Tabla 29. Espesores estructura 4 con EPS 100 como subrasante…………………….. Tabla 30. Especificaciones del EPS según ASTM C – 578…………………………... 8.

(9) LIS TA DE FIGURAS. Figura 1. Grafico Esfuerzo a compresión Vs Deformación para 5 tipos de EPS según clasificación del proveedor TerraLite……………………………………………….. Figura 2. Variación de la Resistencia del material con base a su densidad.....…… Figura 3. Componentes principales de un relleno con EPS………………………. Figura 4. Pagina de inicio programa DEPAV…………………………................. Figura 5. Estructuras a diseñar con EPS…………………………………………... 9.

(10) 1. INTRODUCCION Y JUS TIFIC ACION. Partiendo del punto que la infraestructura vial de un país incide mucho en su desarrollo y su economía, se debe sumar el hecho que hoy en día, en un país en vía de desarrollo como lo es Colombia, se presenta un nuevo reto que es desarrollar diseños de buena calidad, durables y con presupuestos restringidos, además con procesos y técnicas que permitan reducir tiempos de construcción así como la utilización de nuevos materiales que cumplan con las especificaciones y exigencias impuestas su entorno y todo tipo de carga que afecte la estructura del pavimento. Por otro lado, se debe tener en cuenta el hecho que muchas veces se debe diseñar y construir carreteras en zonas de difícil acceso, con características climáticas desfavorables para la ejecución del proyecto además que afecten el comportamiento y durabilidad de la estructura del pavimento, también se tiene en contra unos de los factores mas importantes en el diseño de estructuras de pavimento que es la característica de la subrasante, es decir, se debe construir sobre terrenos compuestos por suelos blandos, compresibles, de poca capacidad portante, susceptibles a asentamientos y grandes deformaciones muy comunes en diferentes regiones del territorio nacional como por ejemplo en Bogota. Teniendo en cuenta todos los aspectos mencionados anteriormente, se tiene que en diferentes países del mundo se han desarrollado varios procesos y diferentes métodos para solucionar los problemas que implica construir sobre un suelo blando, por ejemplo la estabilización del suelo de subrasante por medio de ligante asfáltico o cemento para mejorar sus características y su rendimiento en cuanto a su comportamiento cuando este presenta solicitaciones de carga o deformación. Existen diferentes formas de contrarrestar el efecto que tienen los suelos blandos sobre las estructuras de pavimento, una de ellas es utilizar materiales de muy bajo peso unitario para así disminuir el nivel de carga transferido al suelo y evitar grandes deformaciones o asentamientos que afecten. 10.

(11) la funcionalidad del pavimento; en este caso, el uso de bloques de poliestireno expandido (EPS – Geofoam) como material de relleno va a ser el tema principal de este informe que tiene como propósito dar a conocer este tipo de material, como es su comportamiento y cuales son sus propiedades, establecer cuales son los principales criterios de seguridad y que se deben tener en cuenta en el diseño de este tipo de rellenos, para así luego poder realizar recomendaciones de su uso en Colombia en cuanto a ingeniería de pavimentos; eso sí, basándose en estudios, pruebas y guías realizadas por otros países. Se va a tener como sustento principal el reporte numero 529 de la NCHRP (National Cooperative Highway Research Program) titulado “Guidelines and recommended Standards for Geofoam applications in highway Embankments” apoyado por otra serie de publicaciones hechas a nivel mundial relacionadas con el diseño de estructuras de pavimento utilizando EPS. Después de establecer las principales recomendaciones para el uso de este material en proyectos de ingeniería de pavimentos se va a estudiar un proyecto que haya usado EPS como material de relleno, también se va a realizar una cartilla de pavimentos para 4 estructuras diferentes con nuevos diseños utilizando EPS como material de soporte para diferentes niveles de trafico (T1-T5); además se va a realizar el análisis de estas nueva estructuras por medio del programa mecanicista empírico “Design Guide 2002” y así poder encontrar ventajas y desventajas con base a los diseños convencionales.. 1.1 OBJETIVOS. 1.1.1 Objetivo General A partir de la caracterización física y mecánica del material entender como es el comportamiento de los bloques de poliestireno (EPS) y cuales son sus propiedades principales para poder realizar recomendaciones de diseño de estructuras de pavimento. 11.

(12) al tener como plataforma de soporte el EPS, establecer criterios de diseño de rellenos y estudiar un caso histórico que halla utilizado este tipo de material. 1.1.2 Objetivos Específicos •. Determinar cuales son los principales problemas que se presentan cuando el uso de EPS es una posible solución para la ejecución de un proyecto.. •. A partir de información suministrada por proveedores de EPS y diferentes estudios realizados a nivel mundial realizar una caracterización de este material para conocer sus propiedades, su comportamiento y sus falencias.. •. Determinar cuales son las propiedades más importantes a tener en cuenta cuando se va a diseñar un relleno y una estructura de pavimento utilizando EPS.. •. Establecer métodos de obtención del material y cuales deben ser los procesos que se deben llevar a cabo para obtener un material de buena calidad que se pueda utilizar en proyectos de infraestructura vial. •. Conocer cuales son los criterios y fases de diseño que se deben realizar para diseñar un relleno con EPS que cumpla con los requerimientos mínimos de seguridad.. •. Establecer criterios de diseño de pavimentos utilizando EPS como material de soporte, además de aplicar estos criterios a ciertas estructuras de pavimento.. •. Realizar recomendaciones de diseño, proceso constructivo y tratamiento del material. •. Estudiar y analizar un caso histórico que halla utilizado EPS para solucionar el problema que se presenta al tener un suelo blando, compresible.. 12.

(13) •. Realizar el diseño del relleno y de una estructura de pavimento diferente a la ejecutada en el proyecto.. 1.2 METODOLOGIA. Partiendo de los objetivos generales y específicos se comenzó estudiar y entender cuales son los principales problemas que se presentan cuando se va a construir un relleno y una estructura de pavimento sobre un terreno blando y compresible, cuales son los métodos convencionales mas utilizados y desarrollados por los ingenieros para evitar que este tipo de terreno afecte las estructuras construidas sobre el, y se estableció porque el uso de bloques de poliestireno expandido (EPS) son una buena solución a los problemas que se presentan al construir sobre suelos blandos. Conociendo en detalle el problema principal, se empezó a investigar en diferentes libros, sitios web y paginas de proveedores, cual es el comportamiento del EPS ante cargas estáticas y dinámicas, cuales son sus propiedades, cual es el método de obtención de este material, y todo tipo de información referente al EPS para así poder realizar una caracterización completa del material, conocer todas sus propiedades, cuales son sus puntos fuertes y cuales sus puntos débiles, además de establecer cuales son las propiedades mas importantes en el diseño de pavimentos y cuales son los criterios que se deben tener en cuenta para que el relleno construido no falle y mucho menos colapse. Posteriormente de haber realizado la caracterización del material, se continúo por investigar acerca de los principales criterios, verificaciones y fases de diseño que se deben tener en cuenta al realizar un diseño de un relleno con EPS, además de establecer los parametros y propiedades que se deben utilizar al diseñar la estructura de pavimento. Después se establecieron criterios de diseño del pavimento y se realizaron los diseños de. 13.

(14) 4 tipos de estructuras diferentes para 5 niveles de tráfico con diferentes agresividades utilizando 2 tipos de EPS, EPS 50 y EPS 100. Finalmente se investigo y estudio un caso histórico, la interestatal I15 construida en el estado de Utah específicamente en la ciudad de “SALT Lake City”, donde la utilización de bloques de poliestireno fue fundamental para solucionar el problema debido a la existencia de suelo blando, además fue el principal factor para tener un gran ahorro en tiempo y dinero. Por ultimo se realizo el diseño de algunas secciones de este proyecto con otro tipo de estructura diferente a la utilizada. Durante esta ultima parte fue de vital importancia tener conocimiento acerca de los diferentes métodos de diseño, cuales son los criterios que se deben utilizar y conocer cual es el comportamiento de los materiales y cuales son sus falencias.. 1.3 CLARIFICACIÓN Y EXPLICACIÓN DEL PROBLEMA Las exigencias propuestas por el crecimiento de la población mundial, los cambios ocurridos en las sociedades y su economía, el incremento de la demanda vehicular y de infraestructura de transporte, y la necesidad por ejecutar cada día mejores proyectos, a buen precio y con buena calidad, conlleva a que ingenieros y expertos en diferentes áreas de la ingeniería descubran y utilicen nuevos materiales, nuevas tecnologías, nuevos procesos que permitan mejorar la infraestructura vial y aumentar su oferta, de tal forma que pueda suplir la demanda vehicular actual y futura, además que permita la construcción de nuevas obras en poco tiempo y al mínimo costo posible. Por otro lado se tiene que los nuevos materiales utilizados, las nuevas tecnologías y procesos constructivos deben servir para realizar mantenimientos o reparaciones sobre la infraestructura vial existente que se encuentre deteriorada o en mal estado que requiera. 14.

(15) de un mejoramiento con el fin de poder cumplir con un buen comportamiento funcional y estructural que brinde confort y seguridad al usuario. Sin importar el gran problema que conlleva suplir la demanda vehicular existente y futura con una infraestructura adecuada que brinde un buen servicio y confort al usuario, se suma otro problema, un problema de trascendencia en proyectos de ingeniería de todo tipo, y es la ejecución de proyectos en zonas donde existan estratos de suelo blando, compresible y de poca capacidad portante que requieran ser tratados o intervenidos de alguna forma especial para que puedan tener un buen comportamiento y cumplir con las solicitaciones y necesidades requeridas por la estructura o construcción. De acuerdo a esto, los ingenieros han creado y utilizado una gran cantidad de métodos y tratamientos para estabilizar el suelo y mejorar de este modo sus propiedades, aumentando su capacidad portante, y disminuyendo su compresibilidad (asentamientos); algunos de los métodos mas utilizados consisten en cambiar el material existente por otro mas competente, mejorar la transferencia de carga a un estrato con mejores propiedades (pilotes sobre estrato duro “roca”), reducir la compresibilidad del suelo por medio de una carga, aplicar algún químico o tratamiento como cemento para aumentar la capacidad portante del suelo, y reducir la transferencia de carga (aplicada al suelo). Para poder seleccionar cual de estos métodos utilizar se deben realizar varios estudios o contar con la suficiente experiencia que le permita tomar la mejor decisión en cuanto a la posible solución al problema de suelos blandos, de poca capacidad portante y susceptibles a asentamientos, teniendo en cuenta la necesidad de reducir tiempo y costos. De acuerdo a las exigencias impuestas por la demanda vehicular, al crecimiento poblacional, al interés por mejorar y construir nueva infraestructura vial y a la necesidad de dar solución al problema de construir sobre suelos blandos y compresibles, es que se ha optado por utilizar métodos basados en disminuir la carga aplicada sobre el suelo como lo es el uso de bloques de poli estireno expandido comúnmente llamado “EPS. 15.

(16) Geofoam”. Este es un material relativamente nuevo, cuyo uso aumentó en la década de los años noventa pero que ha venido siendo utilizados desde hace tres décadas en diferentes partes del mundo, en realidad comenzó en Noruega en el año 1972 con la función principal de aislar térmicamente el suelo del exterior para así evitar posibles fallas por el congelamiento (cambios de nivel); hoy en día su uso se ha extendido a Norte América (USA), Asia (Japón) y algunos países de Europa aunque el mayor consumo se encuentra en Japón el cual consume aproximadamente la mitad de la producción mundial. El EPS es un material que tiene múltiples aplicaciones, unas de las más usadas son como material de soporte de cimentaciones poco profundas, también para disminuir presiones laterales sobre estructuras (muros de contención), como aislante térmico entre otras. En este caso la principal aplicación es la construccion de rellenos o terraplenes para vías y carreteras que se deban construir sobre suelos compresibles y de poca capacidad portante con la función principal de reducir la carga aplicada al suelo. De este modo, en un proyecto que vincule la construcción de una carretera sobre un terreno blando se debería tener en cuenta la posible utilización de bloques de poliestireno donde se requiera hacer un relleno o terraplén. Existen varias razones por las cuales se debería utilizar este material, en primer lugar, existe mayor incertidumbre al tratar de cambiar las propiedades del suelo que al tratar de reducir el peso del relleno y la aplicación de carga, además no requiere la ejecución de pruebas para conocer el comportamiento y estrato del suelo lo que implica una posible reducción de costos. Por otro lado, es un material de muy baja densidad y alta resistencia a la compresión lo que hace que sea un material muy atractivo para este tipo de aplicaciones, es durable, reduce asentamientos, minimiza impacto sobre la subrasante, optimiza proceso constructivo disminuyendo el tiempo de ejecución de la obra lo que lo hace un factor muy importante en el cronograma de la obra, no presenta restricciones dependientes del clima, no requiere de maquinaria compleja para su colocación, permite construir la carretera en zonas de difícil acceso, evita la compra, transporte y excavación de material y por ultimo. 16.

(17) disminuye mantenimiento requerido sobre la estructura de pavimento debido a que no se deteriora con el tiempo ni hay un cambio sustancial de sus propiedades. 1.4 TRATAMIENTOS PARA S UELOS BLANDOS COMPRES IBLES Usualmente en los proyectos de ingeniería civil se deben aplicar una serie de tratamientos o utilizar diferentes métodos con el fin de mejorar las propiedades del suelo, mejorarla capacidad portante y disminuir los asentamientos que este sufra cuando se le apliquen cargas. Con este fin, ingenieros de todo el mundo han inventado y desarrollado diferentes formas para mejorar el suelo teniendo en cuenta diferentes factores como lo son: • • • • • • •. Requerimientos de estabilidad Asentamientos máximos permitidos Propiedades del suelo natural Tipo de suelo Disponibilidad de materiales y maquinaria Clima Balance Tiempo-Costo-Calidad. Teniendo en cuenta estos factores se han clasificado los diferentes métodos de mejoramiento del suelo en: •. •. • •. •. Reducción de carga aplicada: Este método busca reducir el nivel de esfuerzos transmitidos a suelo para así evitar asentamientos y deformaciones excesivas. Se llevar acabo por medio de la utilización de materiales de bajo peso específico. M aterial más competente: Se remueve el material existente y se cambia por uno de mejor comportamiento y capacidad portante. EL material existente se puede remover en su totalidad o solamente una parte al igual que puede ser trabajado para aumentar sus propiedades a través de la aplicación de una carga que lo compacte. Refuerzo del suelo: Se puede lograr por medio de estabilizadores mecánicos, agentes químicos, geotextiles, geomallas, etc. Disminución de la compresibilidad: Por medio de precargas, agentes estabilizadores químicos o mecánicos como vibrocompactadores se desea disminuir el nivel de asentamientos que sufra el suelo a lo largo de la vida útil del proyecto. M ejorar la transferencia de carga: Utilizando cimentaciones profundas se transfiere la carga a estratos de suelo de mejor resistencia evitando que. 17.

(18) suelos blandos sean los que soporten las cargas impuestas por las estructuras.. 2. CARACTERIZAC IÓN DEL EPS. 2.1 MATERIA PRIMA La materia prima para la producción y obtención de bloques de poliestireno para rellenos livianos y otras aplicaciones es el poliestireno expandible, un material perteneciente a la familia de los polímeros que se obtiene a partir de la polimerización del Estireno en presencia de un agente expansor (Hidrocarburo de pentano C5-H12), en este proceso el Estireno se mezcla con agua y el agente expansor para formar macromoléculas de poliestireno (5),(6). El poliestireno se encuentra en forma de pellets, partículas redondas entre 0.25 y 2mm de diámetro, para la elaboraron de los bloques se puede partir de 100% material virgen o tener una mezcla entre material virgen y material reciclado, la diferencia principal es que al utilizar material reciclado se van a afectar las propiedades del bloque como su modulo de elasticidad, pero según los proveedores se puede tener hasta 5% de material reciclado sin que se afecten sus propiedades. Un factor muy importante durante el proceso de obtención es que el punto de ablandamiento de poliestireno es aproximadamente 100ºC, temperatura a partir de la cual se comienzan a fusionar y unir las diferentes partículas de poliestireno para formar un solo bloque.. 2.2 PROCES O DE OBTENCION Los bloques de poliestireno se obtienen a partir de pellets (partículas de forma redonda) y de material de base reciclado, las mejores características se obtienen cuando se utiliza 100% material virgen porque utilizando material reciclado se afectan las propiedades 18.

(19) mecánicas debido a que la estructura inicial de la partícula reciclada queda con deformaciones permanentes y esfuerzos residuales, “contaminando” el material virgen y formando 2 fases de material con características y comportamiento diferente. El proceso de obtención de los bloques de poliestireno consta básicamente de 3 etapas; preexpansión, estabilización, y expansión final y moldeo. En la primera de ellas, la etapa de preexpansión, las partículas o pellets permanecen sueltos con muy baja cantidad de partículas por unidad de volumen, en este punto los pellets son agitados continuamente y se expanden hasta 50 veces su tamaño inicial por medio del calentamiento con vapor de agua a una temperatura entre 90 y 105 ºC, lo pellets tienen en su interior un agente expansor (Pentano) que se disuelve a causa del aumento de la temperatura y se convierte en un gas que aumenta el tamaño de la partícula; este es un gas de fácil descomposición en la atmósfera lo cual hace que este proceso no afecte el medio ambiente, además es importante saber que la densidad final del producto depende de esta etapa y oscila entre 3 10 y 30 kg/m (6). En la segunda etapa, la de estabilización, se tiene que los pellets. expandidos se deben almacenar en unos recipientes ventilados (silos) para que se estabilicen química y térmicamente, en esta etapa el gas generado sale a la atmósfera y entra aire dentro de las partículas, las seca y estabiliza volumètricamente; esta etapa es de vital importancia ya que la calidad final del producto es muy dependiente del tiempo de estabilización o almacenamiento, usualmente es de 24 horas. Por ultimo, en la etapa de expansión final y moldeo se depositan los pellets expandidos estabilizados en un molde usualmente de acero, una vez se ha llenado el molde se inyecta nuevamente vapor de agua a 110 ºC donde los pellets se ablandan y fusionan térmicamente para llenar los vacíos; en este proceso se deben aplicar ciclos de calentamiento y enfriamiento muy controlados para garantizar una densidad homogénea a lo largo de todo el bloque y un acabado superficial bueno sin huecos ni deformaciones que actúen como un concentrador de esfuerzos (6). Una vez se ha consolidado el bloque, obteniendo una estructura celular interna compacta, se saca y se deja enfriar y estabilizar aproximadamente durante 72 horas a temperatura ambiente; este ultimo proceso es importante porque el volumen del bloque puede variar con el enfriamiento, además se. 19.

(20) debe permitir que el agente expansor (pentano en estado gaseoso) salga del bloque y disminuye su concentración. Por ultimo se tiene que dar una forma final, esta puede ser por medio de cortes y formando bloques (EPS) o sometiendo al material a procesos de extrusión para dar otra forma, el resultado de este proceso es conocido como Poliestireno extruido (XPS).. 2.3 PROPIED ADES QUIMICAS Y BIOLOGICAS Este es un material que presenta una muy buena estabilidad ante agentes o factores químicos y biológicos. Es inestable químicamente ante la presencia de ácidos concentrados sin agua al 100%, disolventes orgánicos como acetonas o esteres, hidrocarburos alifáticos saturados, carburantes y aceites de silicona y combustibles como el diesel, pero es estable ante la presencia de ácidos muy corrosivos como el sulfúrico al 95%, el agua de mar, algunos tipos de alcoholes como el metìlico o etílico. Además, el poliestireno expandido es imputrescible, no enmohece, no se descompone y resiste el ataque de microorganismos descomponedores y bacterias aunque puede servir como medio de transporte de los mismos, es un material que no afecta el medio ambiente, no contamina las aguas y en caso de ser incinerado no produce gases nocivos para la salud humana ni para el medio ambiente (7).. 2.4 PROPIED ADES FIS ICAS 2.4.1 Densidad Es definida como la cantidad de masa por unidad de volumen, presenta unidades de 3 kg/m y. para este material, el valor final depende de muchas variables y afectara. muchas otras propiedades y comportamientos. Los bloques de poliestireno expandido se. 20.

(21) caracterizan por tener muy bajas densidades, entre 10 y 30 kg/m3. La compresibilidad del bloque, la resistencia a la compresión y a la fluencia, entre otras propiedades, son dependientes de la densidad obtenida, que a su vez es función de la duración del calentamiento y otras características del proceso de obtención. Esta es una propiedad muy variable, presenta gradientes de densidad a través de todo el bloque llegando a los mayores valores en el centro y a las máximas distorsiones en los extremos; a causa de esto es que usualmente el material utilizado para el diseño de rellenos y otras aplicaciones de ingeniería corresponde al cortado y obtenido del centro del bloque que es el que tiene una densidad mayor y mas uniforme. Además de eso es importante enunciar que la densidad es dependiente de la temperatura a la que se calienten los pellets, el tiempo de calentamiento, el tiempo que se de para que el gas de pentano se evapore y el material se estabilice y depende de la humedad que se tenga, a mayor humedad relativa del ambiente se tendrá una mayor densidad. Un factor importante relacionado con la densidad es cuando el bloque de poliestireno esta sumergido en agua ya sea por inundación o por aumento del nivel freatico del suelo, el punto importante es que cuando esto sucede y el material esta expuesto por largos periodos al contacto con el 3 agua, este la absorbe y aumenta su densidad hasta 80 kg/m , casi 3 veces su densidad. inicial. Existen cinco tipos de EPS definidos por la ASTM 578 -92 de acuerdo a su densidad, sus densidades de muestran a continuación en la tabla 1.. Tipo de M aterial XI I VIII II IX. Densidad nominal 3 (kg/m ) 12 16 20 24 32. Densidad mínima (kg/m3) 12 15 18 22 29. 21.

(22) Tabla 1: Densidades para EPS según ASTM 578-92 (14). 2.4.2 Color Esta es una propiedad utilizada básicamente para diferenciar un producto de otro, usualmente el bloque estándar es de color blanco, pero lo proveedores y productores han optado por agregar colorantes a los pellets expandidos para poder diferenciarlos en cuanto a su aplicación y a su densidad, es decir que se tiene un color especifico para aquellos que contienen algún agente especifico, por ejemplo agentes retardantes de llama, también se tiene un color para determinar si es EPS o XPS al igual que para identificar propiedades y aplicaciones. Cuando el material es sometido a largos periodos de radiación UV se genera una decoloración pero no afecta las otras propiedades del material.. 2.4.3 Tamaño y estabilidad dimensional Las propiedades mecánicas y geotécnicas del material no dependen de su tamaño, es decir que el comportamiento será el mismo si se tiene un bloque de 1 m de altura que si se tiene uno de 10m, la diferencia entre el uno y el otro es la manejabilidad que se tenga afectando así rendimiento. Existen moldes de varios tamaños pero el más utilizado es en forma de cubos de 1m de arista, se puede cortar en campo preferiblemente con una sección (laminas o alambres) delgada caliente para obtener tamaños requeridos por el diseño o pedir los tamaños y cortes requeridos al proveedor del material. Es un material que presenta una alta estabilidad dimensional ya que tiene un coeficiente de dilatación térmica bajo que provoca deformaciones del orden de 0.05 y 0.07 mm por cada grado centígrado de variación, además mantiene las dimensiones estables hasta los 85ºC.. 22.

(23) 2.4.4 Durabilidad En realidad no es una propiedad si no una característica muy importante de este material, es un material que presenta una alta durabilidad debido a que no es biodegradable, no se disuelve, no se deteriora y no cambia su composición química ni su tamaño. Un punto importante a tener en cuenta es que puede absorber agua pero no cambia su forma ni tamaño, solo afecta sus propiedades térmicas. Los únicos agentes de uso común que pueden disolver o afectar el EP S son la gasolina o el diesel, por otro lado dependiendo la zona en la que se valla a ejecutar el proyecto se debe tener en cuenta si se requiere de un EPS con algún agente que actué contra el ataque de insectos ya que estos pueden causar agujeros y discontinuidades dentro del material afectando su comportamiento y deteriorándolo mas rápidamente.. 2.4.5 Impacto ambiental Este es un producto prácticamente neutro, no se descompone, no interactúa con el suelo ni con el agua y la única forma que tiene para interactuar con el medio ambiente es si este se quema o incinera, en este caso no presenta ningún ries go para el medio ambiente ya que los únicos productos de la combustión son CO2 y H2O y si el bloque tiene retardantes de flama produce bromuros de hidrogeno que tampoco son compuestos tóxicos ni peligrosos para el hombre o el medio ambiente. Además existen algunos tipos de EPS a los cuales se les adicionan aditivos para prevenir la infestacion y el deterioro debido a insectos.. 23.

(24) 2.4.6 Textura Textura o rugosidad superficial no es una propiedad dependiente de la densidad como la mayoría de las otras propiedades, esta es dependiente fundamentalmente del proceso de obtención, es decir depende al la rugosidad que tenga el molde, del tipo de corte con el que se de forma final al molde, de los tiempos y temperaturas de calentamiento y enfriamiento y de la velocidad de secado. En realidad esta no es un propiedad que halla sido estudiada en gran detalle, apenas algunos investigadores encontraron que el coeficiente de fricción entre dos bloques de poli estireno esta entre 0.5 y 0.7 equivalentes a ángulos de fricción interna entre 27 y 35° (14).. 2.5 PROPIED ADES TERMICAS. 2.5.1 Aislamiento térmico Esta es una de las propiedades mas características del EP S ya que es un material que presenta una alta capacidad aislante debido a su bajo coeficiente de conductividad térmico, aplica tanto a temperaturas bajas como altas ( 80ºC). La buena capacidad aislante del EPS esta basada en su estructura compuesta de aire y poliestireno expandido en proporciones de 98% y 2% respectivamente. Además se sabe que el aire en reposo es un muy buen aislante térmico lo que es la base fundamental del aislamiento del EPS (9), pero cuando aumenta el contenido de agua del EPS también aumenta la conductividad térmica. La capacidad aislante de 1mm de EP S corresponde a la mis ma capacidad aislante de un espesor de suelo entre 30 y 45 mm.. 24.

(25) 2.5.2 Capacidad combustible Esta propiedad es básicamente la capacidad que tiene un material de hacer combustión y de extinguirse, para poder entender mejor se definirá el índice de oxigeno de un material, este se conoce como la proporción mínima de oxigeno que este requiere para soportar combustión continua. Se tiene que cuando este índice es mayor a 21 el material no soportara combustión continua mientras que si esta por debajo si se tendrá combustión continúa. Con base a análisis de combustión realizados sobre pedazos de EPS se encontró que el índice de oxigeno es de 18 lo que indica que este se quema libremente después de hacer combustión, por eso es que se ha decidido incorporarle aditivos retardantes de llama (Compuestos de bromo) que no afectan otras propiedades pero si aumenta el pto de fusión a 260 ºC y además el índice de oxigeno sube a 24 lo cual hace que una vez el material se prenda el mismo se apague y no se siga incendiando, además que por su composición química los compuestos formados a partir de la combustión no afectan el medio ambiente.. 2.6 PROPIED ADES MEC ANICAS Sin desestimar la importancia de las propiedades físicas, térmicas, químicas y biológicas explicadas en las secciones anteriores, las propiedades mecánicas son las que mayor influencia tienen en la aplicación en obras civiles de los bloques de poliestireno expandido, en este caso la aplicación de este material en estructuras y rellenos para pavimentos. Básicamente es importante conocer 2 tipos de propiedades; las propiedades del material cuando es sometido a esfuerzos verticales y a cargas horizontales, es decir,. 25.

(26) es importante conocer la estabilidad lateral del relleno y la estabilidad interna ante cargas verticales. A continuación se van a explicar cuales son las propiedades mecánicas que mayor influencia tienen en rellenos para estructuras de pavimento. 2.6.1 Resistencia a la compresión Esta es tal vez la propiedad más importante de los bloques de poliestireno EP S ya que es el modo principal de carga en el relleno donde el bloque es sometido a compresión a causa de esfuerzos verticales producidos principalmente por el paso de vehículos y el peso propio del relleno y la estructura de pavimento. El valor de la resistencia a compresión y a fluencia depende estrictamente de la densidad que tenga el EPS, de este modo es muy importante tener un muy buen control de la densidad del material utilizado ya que este presenta gradientes de densidad después de producido. Para el objetivo de este trabajo no es necesario explicar el procedimiento de ejecución de ensayos de compresión, simplemente se tiene un pequeño cubo de 50 mm de lado a condiciones de laboratorio que es sometido a una carga compresora, se mide la deformación axial para cada carga que se tenga y se obtiene un diagrama esfuerzo deformación. Este diagrama esta compuesto por una zona inicial lineal (Zona Elastica) seguida por una zona de fluencia, luego un endurecimiento, lo importante en este caso es saber que este material no falla en forma convencional sino que la fluencia del material ocurre sobre un gran rango de esfuerzos (13). Existen 2 conceptos importantes, el primero es el limite elástico que corresponde al esfuerzo obtenido para una deformación de 1%, y el otro es el modulo de la tangente inicial que es la pendiente de la porción inicial hasta el limite elástico, es denominado modulo de elasticidad o modulo de Young. Con base a muchos ensayos de laboratorio y pruebas realizadas al EPS se han encontrado muchas relaciones empíricas para el modulo de elasticidad, el esfuerzo de fluencia y el esfuerzo para el 10% de la deformación que es conocido como el esfuerzo a compresión del material; todas estas. 26.

(27) propiedades son dependientes de la densidad. A continuación se muestran algunas de estas correlaciones resumidas en el NCHRP_65 (13). E ti = 450ρ − 3000 σ y = 6.41ρ − 35.2. σ y = 6.62 ρ − 46.3 σ y = 6.83 ρ − 48.4 σ c10 = 8.82ρ − 61.7 Para estas relaciones la densidad esta dada en kg/m3, el modulo y esfuerzos en KPa. Cuando se utiliza material reciclado para la elaboración de estos bloques se afecta principalmente el modulo de elasticidad y el de fluencia pero no el de compresión.. 2.6.2 Comportamiento a fatiga y relación de poisson En el caso del análisis y comportamiento del EPS a la fatiga se tiene que por debajo de deformaciones del 1% o por debajo del esfuerzo de fluencia, este tendrá “vida infinita” ya que no se generaran deformaciones permanentes en el material y soportara gran cantidad de ciclos de carga, además teniendo en cuenta la estructura interna del material compuesta en gran parte por vacíos, estos detienen la propagación de grietas formadas al interior del material evitando su falla prematura y haciendo que se necesite de una mayor aplicación de energía (carga) para continuar la propagación de la grieta hasta la fractura súbita. En realidad este es un fenómeno que no se tiene en cuenta cuando se esta diseñando rellenos con EPS ya que estos se realizan para no exceder mas del 1% de la deformación del material, teniendo así muy poca carga aplicada sobre cada bloque y con muy baja energía para iniciar el inicio y propagación de grietas.. 27.

(28) En cuanto a la relación de poisson del EPS se tiene que es muy pequeña en comparación a otros materiales utilizados en ingeniería y se encontró que mientras se este diseñando en el rango elástico el material presenta relación de poisson cero, aunque los japoneses desarrollaron correlaciones de la relación de poisson con base a la densidad del material, se tiene que: ν = 0.0056ρ + 0.0024. Además después de exceder el límite elástico del material, esta relación decrece demasiado rápido con el aumento de carga indicando que se tienen grandes deformaciones.. 2.6.3 Comportamiento dependiente de Tiempo y Temperatura (TT) Este es uno de los comportamientos mas impredecibles que tiene todo material, depende de muchos factores y variables, algunas de ellas controladas por el hombre y otras no, en este caso para el EPS los principales factores son la densidad del material, la carga aplicada con su respectiva deformación, la tasa de deformación y de aplicación de carga, la temperatura ambiente,. tiempo de aplicación y frecuencia de carga. Existen. básicamente dos fenómenos dependientes del tiempo y de la temperatura, el primero de ellos es el Creep que es la deformación plástica continua que se tiene en un material cuando este es sometido a una carga de magnitud constante durante un largo periodo de tiempo, por otro lado también se tiene la relajación de esfuerzos dentro del material que ocurre cuando se tiene una deformación constante en un periodo de tiempo. Ambos fenómenos son dependientes y más críticos con el aumento de la temperatura y sus efectos sobre el material solo se pueden observar después de un tiempo, en el caso de rellenos para estructuras de pavimento solo aplica el creep debido al peso de la estructura y del relleno que es la carga constante. El comportamiento al creep del EP S es muy similar al de otros materiales aunque en este caso es dependiente de la densidad que se tenga, entre mas denso, menos susceptibilidad al creep. El EPS presenta creep primario, secundario y terciario, en la primera etapa es donde se presentan las máximas. 28.

(29) tasas de deformación que van disminuyendo hasta alcanzar la etapa dos donde se estabiliza y disminuye la tasa de deformación, también se conoce como zona de endurecimiento del material, por ultimo en la tercera fase se tiene un aumento en la tasa de deformación y es cuando el material falla por ruptura. Con base a ensayos realizados de creep sobre EPS se determinaron 3 condiciones de carga – deformación importantes; la primera de ellas es que mientras la carga aplicada no produzca una deformación mayor 0.5% los efectos de creep son insignificantes y no se deben tener en cuenta, por otro lado mientras no se exceda una carga que provoque deformaciones mayores a 1% (correspondientes al valor de la deformación para el limite elástico) se considera que el creep es aceptable y no afectara la estabilidad y comportamiento funcional del relleno a lo largo de su vida útil, por ultimo, cuando se exceda la carga que provoque una deformación mayor al 1% los efectos de creep serán importantes y afectaran el comportamiento del relleno, es decir entre mas cercano se este al esfuerzo limite del EP S mayores deformaciones por creep se tendrán (13). En vista de que esta es una propiedad muy importante en todos los materiales y un modo de falla poco estudiado, se han desarrollado gran cantidad de pruebas de creep sobre bloques de EPS pero debido a la falta de un estándar aplicable al EPS, lo único que si se ha estandarizado son las condiciones de laboratorio con humedad del 50% y temperatura de 23°C aproximadamente. Las pruebas realizadas sobre este material presentan gran cantidad de variables lo que hace que no exista ninguna correlación entre resultados de una prueba y otra; las principales variables para estas pruebas son (13): •. Forma de la muestra. •. Tamaño de la muestra. •. Edad de la muestra. •. Nivel de esfuerzos aplicados. •. Duración de la prueba. 29.

(30) Existen dos modelos completamente empíricos utilizados para estimar la deformación vertical de un bloque de EPS al estar sometido a un nivel de. esfuerzos constante,. ambos modelos están compuestos por una deformación. inmediata provocada por la. aplicación de la carga y una deformación causada por. el. creep. o. deformación. dependiente del tiempo. M odelo del laboratorio “Pants et chaussess” (LCPC) (13). ⎛σ ε = ⎜⎜ ⎝ E ti Donde:. ⎛ σ ⎞ ⎟⎟ + 0.00209⎜ ⎜σ p ⎠ ⎝. ⎞ ⎟ ⎟ ⎠. 2.47. ⎡ −0.9 log10 ⎛⎜1− σ ⎞⎟ ⎤ ⎜ σ ⎟ p ⎠ ⎥ ⎝ ⎢t ⎢ ⎥ ⎣⎢ ⎦⎥. σ = Esfuerzo aplicado σ = Esfuerzo plástico o de fluencia Eti = M odulo inicial tangente. LCPC desarrollo dos relaciones empíricas para el modulo de elasticidad inicial y para el esfuerzo de fluencia.. σ p = 6.41ρ − 35.2 → [ KPa] y[kg / m 3 ] Eti = 479 ρ − 2875 → [ KPa] y[kg / m 3 ]. M odelo de Findley (13). 30.

(31) ⎛ σ ⎞ ⎛ σ ⎞ 0.2 ⎟ + 0 .0305 sinh⎜ ⎟t ⎝ 54.2 ⎠ ⎝ 33 ⎠. ε = 1.1Sinh⎜. Donde:. σ = Esfuerzo aplicado ε = Deformación vertical T = tiempo en horas después de la aplicación de la carga.. Este modelo fue implementado sobre material con densidad de 20 kg/m3 para niveles de esfuerzo entre 30 y 50 KPa aunque puede ser utilizado para niveles de. esfuerzo. superior.. 2.6.4 Resistencia a la tensión y a la flexión. A diferencia de muchos materiales, el esfuerzo a tensión no es una propiedad fundamental y básica para utilizar como criterio en diseños y construcciones que requieran el uso de bloques de EP S ya que el principal modo de carga es la compresión. No se realizan pruebas de tensión por dificultad para elaborar las probetas de material ya que tienen forma de reloj de arena donde la sección mas pequeña debe tener un área de 2 645 mm deformada a una tasa de deformación de 0.5% por minuto (14), a diferencia se. realizan pruebas de flexión sobre vigas de sección cuadrada para determinar cual es el máximo esfuerzo a flexión soportado por el material. Estas pruebas se realizan con el objeto de tener un parámetro de calidad del material y conocer que tan bien se fusiono este en sus etapas de procesamiento y no de obtener un valor o propiedad característica del EPS (13). En la tabla 2 se observa la clasificación del EP S con base a su resistencia en KPa y cual es aproximadamente el valor de la resistencia a flexión del material, por. 31.

(32) ejemplo el EPS 70 presenta una resistencia a la compresión σ10 de 70 KPa y a la flexión de 115 KPa (15), cabe resaltar que la resistencia a compresión es menor a la de flexión no porque el EPS se comporte mejor a tensión si no porque el σ10 corresponde al esfuerzo soportado para una deformación del 10% y no es el esfuerzo de falla o ruptura del material.. Tabla 2: Clasificación del EP S y resistencia a flexión (15).. 2.6.5 Resistencia al corte. La resistencia al corte es una propiedad muy importante en suelos ya que de ella dependen muchas Construcciones civiles como por ejemplo la estabilidad que tenga un talud, la capacidad de carga del suelo o el empuje que este ejerza sobre otras estructuras (muros de contención), a su vez la resistencia al corte depende de el ángulo de fricción y de la cohesión del material. En el caso de realizar rellenos con EPS Geofoam se tiene 32.

(33) que analizar dos tipos de resistencia al corte; La resistencia al corte interna que se refiere al material en si, a su estructura interna y también se debe analizar la resistencia al corte existente entre la interfase de dos superficies, esta ultima se fundamente en la rugosidad superficial del material y como se realiza el traslapo entre bloques. Aunque no es una prueba necesaria debido a que la prueba de compresión permite estimar valores de la resistencia al corte interna, la norma ASTM – C273 rige la prueba de corte directo y consta básicamente de inducir un esfuerzo cortante hasta la falla de la pieza de EPS por medio de dos placas rígidas planas movidas en dirección opuesta a una tasa de deformación de 0.5% por minuto. Por otro lado la resistencia externa al corte depende fundamentalmente de la fricción existente entre bloques la cual depende de la carga normal (vertical) aplicada, el coeficiente de fricción o rugosidad del material y si existen algún otro mecanismo de agarre entre bloques; con base a pruebas realizadas, los investigadores encontraron que la rugosidad superficial del material proporciona ángulos de fricción entre 27 y 35° (correspondiente a tener arena limosa o uniforme) no dependientes de la densidad del EPS sino del molde utilizado y del proceso de obtención (p.e tasas de calentamiento y enfriamiento) además se debe tener en cuenta que también puede haber interfase del suelo u otros materiales con el EPS; de tal modo se tiene que para EPS-EPS-Arena φ=30°, EPS – Geotextil φ = 25° y EPS – Geomembrana φ = 50° (13). En cuanto a la carga vertical aplicada, esta es muy baja como para proporcionar mayor resistencia al deslizamiento y en algunos casos se deben utilizar pasadores o conectores mecánicos para mejorar la resistencia al corte externo y por ende la estabilidad del relleno (importante cuando se tienen rellenos de gran altitud y además cargas horizontales debidas a viento, agua o sismos) (14).. 2.6.6 Ductilidad y rigidez. 33.

(34) El poliestireno expandible es un material que a causa de su estructura interna porosa presenta una alta ductilidad, al igual que por la magnitud de los enlaces formados entre pellets también presenta alta rigidez, es decir que requiere de un alto nivel de esfuerzos para lograr un poco deformación, estos dos comportamientos se pueden observar en la figura 1 donde se ve claramente que el de mayor rigidez es el EPS tipo IX. El modulo de rigidez del material es gobernado por la magnitud de los enlaces formados, la cantidad de dislocaciones presentes al interior del material y la cantidad de poros debido a que primero se necesitara de la energía suficiente para romper los enlaces e iniciar la propagación de las grietas y el movimiento de las dislocaciones, las cuales chocaran con los poros (forma redonda) requiriendo de mayor aplicaron de energía (carga) para provocar que la dislocación redondee el poro y continúe con su desplazamiento hasta un punto donde ya no se pueda mover mas y de este modo comience el material a deformarse plásticamente. Por otro lado, la alta ductilidad que presenta este material también esta asociada al gran numero de poros presentes en el material, que requerirán de mayores niveles de energía para la propagación las dislocaciones y posterior rompimiento a causa del crecimiento de grietas al interior del material.. 34.

(35) Figura 1: Grafico Esfuerzo a compresión Vs Deformación para 5 tipos de EPS según clasificación del proveedor TerraLite (10). 2.6.7 Resumen de propiedades. La asociación nacional de poliestireno expandido de España fundada desde 1979 se ha encargado de suministrar productos de poli estireno expandido de todo tipo, se fundamentan en procesos de obtención, producción y comercialización al igual que en la transformación y terminación del producto ya acabado. Debido a que esta empresa esta encargada tanto de la obtención como de la terminación del material, se decidió recurrir a sus fichas técnicas para tener como resumen de las propiedades del EPS, estas fichas se muestran a continuación:. Tabla 3: Clasificación según densidad de la asociación nacional de poliestireno expandido(15).. 35.

(36) Tabla 4: Resumen propiedades según asociación nacional de poliestireno expandido de España (15).. 36.

(37) Tabla 5: Resumen Propiedades químicas según asociación nacional de poliestireno expandido de España (15).. Figura 2: Variación de la resistencia del material con base a su densidad (13).. 37.

(38) 3. RECOMENDACIONES Y CONS IDERACIONES ATEN ER EN CUENTA AL DIS EÑAR UN PAVIMENTO CON EPS. 3.1 INTRODUCCION En el momento de realizar un diseño de una estructura de pavimento utilizando como material de soporte EPS se debe tener en cuenta básicamente dos cosas; primero que se conserve el nivel de servicio del pavimento y segundo que no valla a haber colapso del relleno. En relación al nivel de servicio se tienen diferentes tipos de fallas que lo podrían afectar, ya sea fallas por asentamientos o por desgaste y deterioro de la superficie asfáltica donde aunque la estructura puede seguir en funcionamiento, esta falla implica una perdida en el nivel de servicio; por otro lado, en cuanto a evitar colapso se debe tener en cuenta capacidad portante del terreno, estabilidad de taludes, estabilidad sísmica, volcamiento, cambios de nivel, movimientos laterales y otros tipos de fallas que impedirán el funcionamiento de la estructura de pavimento y posiblemente la perdida completa de servicio. Teniendo en cuenta los dos criterios de falla principales mencionados anteriormente, se debe cumplir con una serie de parámetros en el diseño para evitar perdida de funcionalidad, proporcionar estructuras durables, confiables y al mismo tiempo optimizar la relación existente entre Precio - Calidad - Tiempo.. 3.2 VARIABLES Y LIMITACIONES DE DIS EÑO. Al igual que para el diseño de estructuras de pavimento convencionales, ya sea por el método AASHTO, SHELL, Instituto de asfalto, entro otros, las variables de diseño son las mismas, donde dependiendo la calidad y numero de variables se va a tener un. 38.

(39) método mas confiable y un diseño mas seguro. Estos métodos permiten obtener los espesores de la estructura como tal pero presentan una serie de limitaciones. como. restricción del numero de estructuras a diseñar, no se puede optimizar la estructura reduciendo espesores, se limitan a ciertos rangos de propiedades y de valores de la variables y muchas otras limitaciones que hacen que aunque la estructura cumpla teóricamente con las solicitaciones no se puede a tener un manejo completo de las variables y de la estructura como tal. Debido a esto y teniendo en cuenta seleccionar el diseño que mejor se acomode a las variables, con lo menores espesores y que presente un mejor comportamiento se van a utilizar conjuntamente 2 programas; DEPAV elaborado en la universidad del Cauca con el objetivo de establecer los espesores de cada estructura que cumplan con esfuerzos y deformaciones admisibles para cada capa y cada material que se tenga, y el programa “Design Guide 2002” elaborado por la NCHRP con el fin de conocer el comportamiento de la estructura diseñada. El proceso de diseño de pavimentos es un proceso iterativo que busca obtener la estructura de pavimento que mejor se acomode a las especificaciones y variables tenidas, partiendo del hecho que se debe considerar el EP S como una capa de material; a continuación se muestran las principales variables del método mecanicista empírico. • •. Características de los. •. Clima. materiales. •. Estructura pavimento. Trafico. •. Resistencia de la subrasante. Además de tener en cuenta las variables mencionadas anteriormente se tiene que el diseño del relleno esta limitado por una serie de aspectos como lo son: •. Especificaciones y dimensiones del bloque propuestas por el proveedor del material, no hay estándares ya que existen diferentes tamaños de moldes y los cortes son dependientes de la uniformidad de densidad obtenida en el proceso de obtención. 39.

(40) •. Restricciones impuestas por el terreno. •. Tiempo de construcción. •. Precio unitario del EPS. Disminuir volumen del relleno. •. Dimensiones máximas permitidas que cumplan con todos los criterios de falla.. Teniendo en cuenta estas limitaciones,. especialmente la primera de ellas. correspondiente a dimensiones impuestas por el proveedor es que se ha decidido en países como Estados unidos dejar el diseño del relleno al proveedor, es decir, lo único que hace el ingeniero es suministrar al proveedor el peso máximo permitido con base al suelo que se tenga, además de realizar las revisiones finales del diseño basándose en especificaciones del contrato y en las variables que rijan el proyecto.. 3.3 COMPONENTES PRINCIPALES DE UN RELLENO. Un relleno de EPS esta compuesto básicamente por 3 partes, la primera de ellas es el suelo de subrasante o material disponible en la zona del proyecto, puede estar tratado o sin tratar dependiendo de las condiciones y exigencias a las que valla a estar expuesta por el relleno, se pueden utilizar métodos de estabilización como ligante asfáltico o cemento; en la segunda parte esta el relleno como tal de EP S, es decir la masa de material con su respectivo volumen y dimensiones cuyo principal objetivo es reducir el peso del relleno y así el nivel de cargas soportado por el suelo; por ultimo se tiene la estructura del pavimento que puede ser tanto de tipo flexible como rígida, y su función principal es servir como superficie de rodadura y brindar comodidad y confort al usuario en el momento de desplazarse, además de disipar cargas y disminuir su transferencia a la subrasante, su elección depende básicamente de cual es mas económica aunque es. 40.

(41) conveniente realizar estructuras de tipo flexible ya que estas pueden soportar mejor las deformaciones causadas por los asentamientos sin disminuir su funcionalidad, además que tiene mayor facilidad y menores costos de reparación y mantenimiento. Aunque estos son los principales componentes de un relleno se deben tener en cuenta que la forma y tamaño del relleno dependen en gran parte de la topografía del terreno y la ubicación de la cota de la superficie del pavimento, además que las pendientes o taludes usualmente son cubiertos por tierra orgánica y pasto o algún otro tipo de vegetación (16). Los componentes y distribución general de un relleno compuesto por EPS se pueden observar en la figura 2 obtenida del reporte 529 de NCHRP.. Figura 3: Componentes principales de un relleno con EPS (16). 3.4 CRITERIOS Y FAS ES DE DIS EÑO. Como ya se había mencionado anteriormente, el diseño se debe hacer para evitar fallas de tipo funcional, estructural y el colapso del relleno. Debido a esto es que los criterios y fases de diseño se dividen en tres partes, la primera de ellas relacionada a la estabilidad externa y la interacción del relleno con el suelo y sus alrededores, la segunda es la fase. 41.

(42) de estabilidad interna donde se entra a analizar el comportamiento del relleno como tal cuando es sometido a cierto tipo de cargas, por ultimo se tiene la fase relacionada con la estructura y rendimiento del pavimento en cuanto a su estructura y su comportamiento al tener EPS como capa de soporte.. 3.4.1 Estabilidad Externa. 3.4.1.1 Asentamientos. Se entiende por asentamiento la deformación vertical que sufre el suelo cuando es sometido a algún tipo de carga, se tiene que el asentamiento total del relleno de EPS esta compuesto por un asentamiento inmediato del EPS(Sif) y del terreno (Si), seguido por asentamientos debidos a consolidación primaria (Sf) y secundaria (Ss) y por ultimo asentamientos debidos al creep. Se ha encontrado que los asentamientos por Creep siempre y cuando se cumpla con lo especificado en el numeral 2.6.3 van a ser menores al 1% del asentamiento total. Por otro lado los asentamientos inmediatos del terreno y del relleno no afectaran la condición final del pavimento, es decir que para el análisis de asentamientos solo se debe tener en cuenta aquellos ocurridos debido a consolidación primaria y secundaria (16). Uno de los criterios de selección del tipo de estructura entre rígida y flexible es el nivel de asentamientos, la uniformidad que tengan y que tan rápido ocurren en el tiempo, de este modo al tener asentamientos lentos y uniformes entre 1 y 2 ft se pueden utilizar pavimentos rígidos, de otro modo si no se tiene gran certeza en la uniformidad y nivel de los asentamientos se aconseja utilizar pavimentos flexibles ya que estos toleran mejor las deformaciones (ST >15 cm).. 42.

(43) El calculo de asentamientos por consolidación primaria y secundaria se hace con base a la teoría de suelos consolidados, sobreconsolidados y normalmente consolidados, para esto se puede recurrir a cualquier libro de suelos o a la pagina 23 del reporte 529 de la NCHRP (16).. 3.4.1.2 Capacidad portante. Es un factor muy importante ya que si esta se excede se tendrán niveles de asentamientos muy grandes. Con base a la teoría de Terzagui y a desarrollos hechos por Prandt, además de saber que para este tipo de estructuras el EPS va a estar sobre un terreno saturado, blando y cohesivo se encontró que la cohesión es igual a la resistencia al corte sin drenar, de este modo se tiene que:. qult =. 1 5Su FS. Donde FS corresponde al factor de seguridad (usualmente es 3), Su es la resistencia al corte sin drenar y qu corresponde al esfuerzo aplicado al suelo debido a cargad de trafico, de la estructura del pavimento y al peso del relleno. Los ingenieros han establecido una serie de valores conservativos para estos esfuerzos, y se tiene que los esfuerzos inducidos por trafico son de 11.5 kPa, debidos a la estructura de pavimento son de 21.5 kPa y los que son a causa del peso del terraplén dependen de la densidad del EPS.. 43.