UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
M.Sc. SILENE MINAYA GONZÁLEZ
Universidad Ricardo Palma, Universidad Alas PeruanasM.Sc. e ING. ABEL ORDÓÑEZ HUAMÁN
Universidad Nacional de IngenieríaSEGUNDA EDICIÓN LIMA, 2006
DISEÑO MODERNO
de Pavimentos Asfálticos
Dedicatoria
A nuestros hijos Fernando y Gabriela
INTRODUCCIÓN
1.1 IntroducciónEn la ingeniería de pavimentos se han incorporado nuevos conceptos como esfuerzos, deformación, módulo elástico, comportamiento resiliente, etc. que deberá ser conocidos por el lector. En el presente capítulo se definirán algunos de estos conceptos y los otros serán explicados en capítulos especiales.
1.2 Estructura del Pavimento Asfáltico
La estructura que se apoya sobre el terreno de fundación o subrasante, y que esta conformado por capas de materiales de diferentes calidades y espesores, que obedecen a un diseño estructural, se denomina pavimento. La estructura del pavimento está destinada a soportar las cargas provenientes del tráfico.
Tradicionalmente, los métodos de diseño de pavimentos, han sido empíricos; es decir, que la experiencia representaba un papel importante. Se requería que el ingeniero tuviese muchos años en el área para, de alguna manera, poder interpretar los resultados de las investigaciones de campo y realizar el diseño.
Los pavimentos asfálticos están conformados por una carpeta asfáltica apoyada generalmente sobre dos capas no rígidas, la base y sub base. No obstante puede prescindirse de cualquiera de estas capas dependiendo de las necesidades particulares del proyecto. La distribución típica de las capas que conforman la estructura del pavimento se grafican en la figura 1.1.
Terreno de fundación Sub bbaassee
Base
rasante
subrasante
Terreno de fundación sin compactar
tránsito, de textura y color adecuado, que debe resistir los efectos abrasivos provenientes del tránsito y del medio ambiente. La nueva Guía de Diseño empírico-mecanístico AASHTO 2002 recomienda que el módulo elástico de la carpeta se evalúe con el Módulo Complejo Dinámico, E*, que será detallado en los siguientes capítulos. Sin embargo, podemos mencionar que la carpeta es una capa muy rígida con valores altos de módulo. El método de diseño AASHTO 1993 considera como parámetro de diseño de la carpeta asfáltico el módulo resiliente, para mezclas asfálticas en caliente estos valores varían de 400,000 a 450,000 psi (28,000 a 32,000 kg/cm2) a 20ºC.
La capa de base, generalmente granular, es una capa que se apoya sobre la sub base. La función de esta capa es transmitir los esfuerzos provenientes del tráfico, a la sub base y subrasante. Los requisitos de calidad de agregados de base son muy rigurosos. Esta capa está conformada por grava chancada, compactada al 100% de la máxima densidad seca del ensayo proctor modificado. El módulo elástico de la base se evalúa con el módulo resiliente, MR. Una base granular con
CBR del 100% tiene aproximadamente un valor MR de 30,000 psi (2,100 kg/cm2).
La sub base, es una capa que según el diseño puede o no colocarse. Se apoya sobre la subrasante y los requisitos de calidad de los materiales que la conforman son menos rigurosos, la razón de esto es que los esfuerzos verticales que se transmiten a través de las capas de pavimentos son mayores en la superficie y van disminuyendo a medida que se profundizan. La sub base es la capa de material seleccionado, más profunda de la estructura del pavimento, razón por la que los materiales que la conforman cumplen requisitos menos rigurosos. El módulo elástico de la sub base se evalúa con el módulo resiliente, MR. Una sub base granular con CBR del 40%
(CBR mínimo para sub bases granulares, según las Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras EG-2000, Ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construcción, Oficina de Control de Calidad) tiene un MR de 17,000 psi (1,200 kg/cm2).
El terreno de fundación puede estar conformado por un terraplén (caso de rellenos) o terreno natural en el caso de cortes, para ambos casos, la cota geométrica superior se denomina subrasante. El módulo elástico asociado al terreno de fundación es el módulo resiliente, este parámetro ha sido ampliamente investigado por las diferentes agencias de transportes de los Estados Unidos, correlacionándolo con el CBR.
En los siguientes capítulos se detallarán los métodos que permiten determinar adecuadamente este valor. Pero podemos mencionar, que el CBR de suelos compactados (como es el caso de terraplenes) y de suelos granulares densos (como el conglomerado de Lima) están asociados al 100% de la máxima densidad seca del proctor modificado; sin embargo, el CBR de subrasantes arenosas y limo arcillosas no puede asociarse a este valor, porque su densidad de campo está muy por debajo de la máxima densidad seca y su humedad natural es mayor que el óptimo contenido de humedad. En este último caso el CBR se obtiene de muestras inalteradas1.
1 A. Ordóñez y S. Minaya, CBR de Subrasantes Arenosas y Limoarcillosas. 11º CILA 2001 Lima; XIII Congreso
El parámetro que evalúa las deformaciones ante cargas estáticas es el Módulo Elástico E. El módulo elástico relaciona los esfuerzos aplicados y las deformaciones resultantes. Un ejemplo es la zapata, el nivel de esfuerzos aplicados al suelo a través de la zapata es mínimo lo que originará que el suelo se deforme, pero esta deformación no lo llevará a su condición de falla.
La teoría elástica permite determinar el módulo elástico del suelo mediante ensayos de campo y laboratorio, como en ensayos de compresión edométrica, triaxial, CBR, placa de carga entre otros. En un ensayo triaxial, a una muestra de suelo se le aplica un confinamiento promedio inicial ( c)
para luego aplicarle el esfuerzo axial q.
La presión transmitida al suelo es permanente y baja, lo que llevará a que la deformación sea elástica. Gráficamente existente una relación lineal entre la presión transmitida y la deformación, la pendiente de la recta mostrada es el módulo elástico. Para el caso de cimentaciones el asentamiento permisible es de 2.5 cm. E a e q Carga estática permanente q Donde: σc Esfuerzo de confinamiento q Presión axial εe Deformación elástica εa Deformación axial
Figura 1.2: Comportamiento elástico
Es posible extender la teoría elástica a los ensayos de C.B.R. utilizando los resultados de la prueba de carga asociados a asentamientos característico de 0.1 pulgada. Para ello, se deberá utilizar la solución que ofrece la teoría elástica para el cálculo de asentamiento que ocurre cuando se tiene una superficie circular rígida cargada sobre un medio semi-infinito (Poulos y Davis, 1974).
ρ = π/2 (1-ν2) pr/E
c
Ensayo de laboratorio Terreno de fundación
ρ : Asentamiento ν : Relación de Poisson p : Presión aplicada r : Radio del área cargada E : Módulo elástico
Considerando un asentamiento característico de 0.1 pulgada; un valor de ν=0.40; radio equivalente a un área circular cargada de 3 pulg2 y la presión aplicada en función del valor CBR, se obtienen las siguientes relaciones2:
E = 139.7CBR ; E en libra/pulg2 E = 9.83CBR ; E en kg/cm2
Entonces, es posible obtener valores de módulos elásticos, E a partir del valor CBR asumiendo un comportamiento del medio como elástico, uniforme e isotrópico.
1.4 Comportamiento Elasto-Plástico
En pavimentos la carga transmitida es móvil, es decir, el suelo experimenta ciclos de carga y descarga. Para un mejor entendimiento se analizará el caso de un ciclo (1 carga y 1 descarga). Cuando el vehículo se aproxima al punto de análisis A, el terreno de fundación se empieza a deformar, esta deformación se hace máxima cuando el vehículo se encuentra exactamente sobre el punto A, en ese momento conocemos la deformación total. Sin embargo, cuando el vehículo se aleja el suelo trata de recuperar su posición inicial pero no lo consigue. La deformación no recuperable se denomina deformación plástica y la deformación recuperable es la deformación elástica. El suelo ha experimentado plastificación.
2 A Terreno de fundación Pavimento Veloc. tiempo Carga móvil, q
etotal ??
εv
ep ee
ep : deformación plástica, permanente, no recuperable
ee : deformación elástica, temporal, recuperable
q
Figura 1.3: Comportamiento elasto-plástico, un ciclo carga-descarga
El terreno de fundación soporta muchos ciclos de carga-descarga, las deformaciones plásticas se van acumulando y las deformaciones elásticas se van haciendo constantes. Cuando el suelo no acumula más deformaciones plásticas ya se consolidó para ese nivel de cargas. La pendiente de la recta al final de esta etapa se denomina módulo resiliente, Mr. El módulo resiliente representa el comportamiento elástico final del suelo.
tiempo Carga móvil, q e
ep
ee q Mr q
MR : Módulo Resiliente representa el comportamiento elástico final, residual
ep : Las deformaciones plásticas son acumulables e influyen en el
comportamiento del pavimento
e
e q Mr =
Figura 1.4: Comportamiento elasto-plástico, varios ciclos carga-descarga
El módulo resiliente ha sido correlacionado con el valor de la capacidad de soporte del suelo CBR, y ha sido usado como parámetro de diseño pero no se ha percibido que éste representa una condición particular del suelo.
El reciente método de diseño de pavimentos (AASHTO 2002) considera que ninguna de las capas que componen la estructura del pavimento debe tener deformaciones plásticas, sobre todo en la capa más débil. El terreno de fundación aporta en gran medida en las deformaciones de la estructura que no deben exceder de 1mm. se recomienda que todos los suelos con CBR menor de 8 a 10% deben ser estabilizados.
La última versión del catálogo Francés, 1998, clasifica los suelos del terreno de fundación en 4 tipos denominados PF1 (cuya capacidad de soporte es baja) a PF4 (elevada capacidad de soporte, generalmente tratada). El catálogo de 1998, no considera la construcción de estructuras sobre suelos del tipo PF1, por considerarlos de calidad insuficiente para garantizar la durabilidad de la estructura.
Los suelos clasificados como PF1 son aquellos con CBR menor que 7% y los suelos PF4 son los que tienen CBR mayor que 30 a 40%. Suelos intermedios son el PF2 cuyo CBR está entre 7 y 20%; y los suelos PF3 con CBR entre 20 y 30 a 40%.
La construcción de las capas compactadas se controlan con la Viga Benkelman. Las deflexiones máximas, recomendadas por el catálogo Francés de 1998 están en función del módulo del ensayo de placa cíclico y tipo de terreno de fundación, como se muestra en la tabla 1.1. Para suelos arcillosos tratados con cal las deflexiones máximas se muestran en la tabla 1.2.
Tabla 1.1: Requisito de deformabilidad en el momento de la construcción de la obra, para capas de refuerzo o fundación no tratada (Catálogo Francés de 1998)
Clasificación del suelo Módulo de deformabilidad en MPa (ensayo de placa)
Deflexión máxima en mm, viga Benkelman
PF2 50 2.0 PF3 120 0.9 PF4 200 0.5
Tabla 1.2: Requisito de deformabilidad en el momento de la construcción de la obra, para suelos arcillosos tratados con cal (Catálogo Francés de 1998)
Deflexión máxima en mm, viga Benkelman Clasificación del suelo
Tratamiento sólo con cal
Tratamiento con cal y cemento
PF2 1.20 0.80 PF3 0.80 0.60 PF4 -.- 0.50
1.5 Ensayo del módulo resiliente para suelos
El ensayo del módulo resiliente es similar a un ensayo triaxial, se aplica un esfuerzo desviador cíclico a la muestra previamente confinada. El esfuerzo desviador está en función de la velocidad, carga y confinamiento.
La norma AASHTO T274 que estandariza el ensayo del módulo resiliente, en su última revisión de 1999, considera que el especimen puede alcanzar una deformación máxima de 5%. Si la muestra tiene valores mayores de deformación, el módulo resiliente ya no es representativo.
El esfuerzo desviador está en función de la velocidad directriz de la vía. Si el vehículo se desplaza lentamente, como en zonas agrestes de fuerte pendiente (carretera central, velocidad entre 10 a 20 km/h), el terreno de fundación podrá deformarse mucho más que en el caso el vehículo circulase rápidamente.
ensayo de módulo resiliente se realiza para las condiciones a las que estará sometida la vía. q deformación v <> 80 KPH v = 0 Mr E Mr <> 10 E 1.6 Proyectos de Investigación
En el año 1987 en los EE.UU. se destinó 150 millones de dólares para un proyecto de investigación que agrupó especialistas de diferentes áreas, denominado SUPERPAVE, Superior Performance Pavement. Este proyecto pretendía reemplazar las metodologías empíricas, utilizadas hasta entonces, con metodologías mecanísticas; es decir, aquella que utiliza los conceptos de la mecánica estructural.
El proyecto abarcó la evaluación de los agregados y ligantes asfálticos. La fortaleza de este método radica en la apropiada evaluación mecánica del ligante asfáltico. Con este método el ligante asfáltico se evalúa a las temperaturas críticas o extremas de servicio y deja de evaluarse con pruebas empíricas, como el de penetración.
Por otro lado, una gran parte de la red nacional se ubica por encima de los 3,000 m.s.n.m. y los pavimentos ubicados en estas zonas al sufrir el efecto de las bajas temperaturas se agrietan de manera prematura. El Stone Mastic Asphalt, SMA, de origen alemán de los años 60 ha permitido dar solución a los problemas de tránsitos pesados y climas fríos, de las carreteras en Europa y últimamente en los EE.UU. y Canadá.
El concepto de diseño SMA se basa en una estructura granular donde predomina el contacto piedra-piedra el mismo que le provee de alta resistencia cortante, baja deformación permanente o “rutting” y considera un buen porcentaje de ligante que le da una excelente durabilidad. Las características del comportamiento mecánico de la mezcla asfáltica se alcanzan utilizando una granulometría incompleta (”gap-graded aggregate”) combinada con fibra y/o polímeros modificados y un mayor contenido de ligante. El comportamiento del SMA es actualmente calificado en los EE.UU. y Canadá como de excelente bajo tráfico pesado e intenso y climas fríos, bajo costo de mantenimiento y una duración que alcanza los 30 años de vida de servicio.
Recientemente, las metodologías mecanísticas se han extendido en su aplicación, al diseño estructural del pavimento, incorporando los conceptos de la teoría elástica. El método de diseño AASHTO 2002 permite evaluar la estructura de pavimento en función de los esfuerzos
estructura.
1.7 Esfuerzos más Importantes producidos en la Estructura del Pavimento Asfáltico
La estructura típica del pavimento en nuestro medio está formada por carpeta asfáltica y capas de material seleccionado colocadas sobre subrasante compactada y subrasante natural, el objetivo es distribuir las cargas provenientes del tránsito, de manera que las presiones verticales a nivel de fundación sean menores a las admisibles por la estructura del pavimento.
La llanta no sólo genera esfuerzos verticales sino también esfuerzos horizontales. En una estructura típica de pavimento (carpeta asfáltica, base y sub base granular) los esfuerzos horizontales se disipan a través de la carpeta asfáltica, pasando de un valor positivo en la superficie a uno negativo en su fibra inferior. Los esfuerzos así generados producen fisuras que luego se reflejarán en la superficie. La figura 1.6 muestra la distribución de esfuerzos horizontales (σH) y verticales (σV) de pavimentos típicos.
Dos de las principales fallas que se producen en el pavimento están asociadas a las deformaciones excesivas a nivel de la sub-rasante, reflejando el comportamiento del terreno de fundación y la deformación por tracción, asociado al agrietamiento.
Carpeta Base granular (+) (
-
) v H Sub base granular Suelo compactado FundaciónFigura 1.6: Esquema de la Distribución de Esfuerzos en Pavimentos Típicos
El esquema de distribución de esfuerzos en una estructura de pavimentos con base y/o sub base estabilizada se muestra en la figura 1.7. La carpeta asfáltica está sometida solamente a esfuerzos de compresión, mientras los esfuerzos de tracción son absorbidos por la base estabilizada.
Carpeta Base Estabilizada Sub base Fundación (+) (
-
) v H Figura 1.7: Distribución de Esfuerzos en Pavimentoscon Base y/o Sub Base Estabilizada.
Desde este punto de vista el ensayo de tracción indirecta y el respectivo parámetro como es el módulo de resiliencia no representa el comportamiento mecánico de la carpeta asfáltica, así, un ensayo de compresión confinada cíclica será representativo del comportamiento mecánico.
Witczak y otros, de la Universidad de Arizona, proponen evaluar el Módulo Dinámico Complejo, obtenido de ensayos de compresión triaxial cíclico. La Guía de Diseño de Pavimentos AASHTO 2002 recomienda el uso de este parámetro. El módulo dinámico, E* también ha surgido como el principal candidato para el Simple Performance Test – Superpave, que predice las deformaciones permanentes y agrietamientos fatiga en pavimentos asfálticos [64].
SUELO DE FUNDACIÓN
2.1 Método de Exploración de Campo del Terreno de FundaciónEn la ejecución de cualquier proyecto u obra de ingeniería civil es necesario realizar la exploración del lugar, como parte de un programa de investigaciones geotécnicas, el mismo que involucra aspectos de geología y mecánica de suelos. Del tamaño y tipo del proyecto, dependerán las consideraciones del programa de exploración.
Las etapas de la exploración de campo son:
1. Trabajo Preliminares de Gabinete: Es la recopilación de la información del lugar como mapas, fotografías, estudios anteriores, etc.
2. Exploración detallada del sitio y muestreo: Levantamiento estratigráfico y mineralogía de los estratos rocosos y condiciones del subsuelo, mediante la ejecución de pozos de prueba denominados “calicatas” se identifican los estratos que conforman la subrasante y se mide la densidad natural del estrato más desfavorable. Se debe identificar las condiciones de agua subterránea y toma de muestra para exámenes más detallados y ensayos de laboratorio.
3. Pruebas de laboratorio con las muestras: Ensayos con muestras alteradas y no alteradas representativas de la estratigrafía. Ensayos estándar con fines de caracterización física de suelos y clasificación, así como ensayos especiales para determinar su capacidad de soporte.
4. Ensayos in situ: Ensayos llevados a cabo en el propio lugar, ya sea antes o durante el proceso de construcción; controles de compactación de campo, ensayos de penetración ligera con DPL, etc.
5. Reporte de resultados: Detalles de estudio geológico, perfiles estratigráfico y mapeado de los resultados de penetración ligera, resultados de las pruebas de laboratorio, incluyendo los registro de excavaciones, referencias de muestras e interpretaciones estratigráficas.
2.2 Alcance de la Exploración del Sitio
La información generada por la exploración del lugar está relacionada con los depósitos superficiales de rocas y suelos. El objetivo consiste en obtener un modelo tridimensional del lugar, que se extienda tanto lateral como verticalmente, para incluir todos los estratos que puedan llegar a afectarse por las cargas transmitidas al subsuelo, producidas por la construcción de la vía. Los esfuerzos significativos transmitidos por las cargas del tránsito alcanzan hasta 1.5 m de profundidad.
Los ensayos de penetración y calicatas deben efectuarse cada 500 m en caso de carreteras y cada 100 m cuando la vía es urbana1. En condiciones uniformes y homogéneas, las calicatas se pueden espaciar a varios kilómetros. En condiciones de variaciones laterales o verticales la separación se reduce, con el objetivo de identificar la zona en la que cambian las condiciones de sitio.
La profundidad de exploración está relacionada con la transmisión de los esfuerzos, el alcance máximo de una calicata o ensayo de penetración ligera es hasta 1.50 m con respecto al nivel de subrasante.
2.3 Excavaciones a Cielo Abierto (calicatas) y Uso de Posteadoras Manuales
Las calicatas (foto 2.1) son realizadas en la mayoría de los suelos, la presencia del nivel freático puede ser una de las limitaciones de este tipo de exploración. Tienen la ventaja de que se pueden realizar a mano o con una excavadora mecánica, y de exponer la sucesión de estratos para facilitar su inspección visual. No existen desventajas para este tipo de exploración.
La ejecución de las calicatas requiere un conocimiento de los suelos encontrados, la identificación visual es muy importante durante esta etapa. Las muestras pueden tomarse manualmente del fondo y de las paredes laterales de la calicata.
Las calicatas permiten extraer muestras inalteradas que serán remoldeadas en el laboratorio, también permite obtener muestras inalteradas que serán protegidas para que no pierdan humedad natural y se pueden realizar ensayos de densidad in situ.
El barrenador manual (foto 2.2), posteadoras del tipo Iwan Auger es una herramienta manual muy simple que se usa para perforaciones o sondajes en suelos blandos hasta una profundidad de 5 a 6 m. La forma usual es un barrenador para arcilla semicilíndrica de 10 cm. de diámetro, unido por medio de una serie de varillas de extensión de 1m a un mango en forma de cruceta que se hace girar manualmente desde la superficie. Las cucharas acopladas en el extremo para extraer muestras tienen diseño especial cuando se trate de suelos puramente cohesivos (arcillas) o friccionantes (arenas). Las posteadoras constituyen un método muy sencillo, económico y rápido de realizar perforaciones en suelos que no contengan presencia de gravas.
2.4 Ensayo de Penetración Ligera con Cono, DPL
Se utiliza el Cono Ligero Alemán (foto 2.3) de acuerdo a la Norma DIN 4094 incorporado en la Norma Técnica E0.50 de Suelos y Cimentaciones. Dado que el Cono Alemán transmite la misma cantidad de energía específica que el Ensayo de Penetración Standard S.P.T. - ASTM D 1586, según la Norma DIN, no es necesario utilizar correlaciones para la interpretación de los resultados, ya que el valor numérico de NSPT es similar al valor NDPL.
Foto 2.1: Calicata
Foto 2.2: Posteadora manual Iwan Auger
El equipo de cono ligero consiste de un cono de punta cónica de 90° y 2,2 cm. de diámetro. El martillo pesa 10 kg. y la altura de caída es de 50 cm. El valor NDPL corresponde al número de golpes para conseguir 10 cm. de penetración. El ensayo es continuo y se registran valores cada 10 cm. de profundidad. Fundamentalmente, el ensayo de penetración ligera es un ensayo de resistencia.
Los problemas asociados a pavimentos son de deformabilidad, el suelo estará muy por debajo de los niveles de falla. Aunque el ensayo de penetración ligera es un ensayo de resistencia, se recomienda usarlo para exploraciones con fines de pavimentación, porque permite identificar, mediante la variación del valor NDPL, los espesores y densidad relativa de los estratos que conforman la subrasante.
La principal limitación del ensayo es la presencia de gravas en el subsuelo que altera los resultados o en el peor de los casos impide el ensayo.
Foto 2.3: Ensayos de penetración ligera con cono
A continuación relaciones empíricas entre el ángulo de fricción φ, densidad relativa y peso unitario de suelos granulares normalmente consolidados
Relaciones Empíricas de φ, Dr, y Peso Unitario de los Suelos Granulares Normalmente Consolidados basados en Ensayos SPT para Profundidades menores de 6m.
Descripcion Suelto Medio
Densidad Relativa, Dr 0 0.15 0.35 0.65 SPT N70 Fino 0.075-0.425 mm 3-6 7-15 Medio 0.425-2.000 mm 4-7 8-20 Grueso 2.000-4.750 mm 5-9 10-25 φ: Fino 28-30 30-34 Medio 30-32 32-36 Grueso 30-34 33-40 γd (gr/cm3) 1.4-1.6 1.6-1.8 26-28 27-28 28-30 1.2-1.4 Muy Suelto 1-2 2-3 3-6
La resistencia a la penetración del ensayo de DPL puede ser correlacionado con el módulo elástico del suelo. Ordóñez y Jurado 2000.
Arenas Secas (*) E = 75+2.5N (**)
E = 50+1.7N
Arenas Humedecidas E = 55+1.7N
E = 25+0.85N
(*) Arenas de El Silencio, punta Hermosa.
. (**)N es el número de golpes/10 cm de penetración, E en kg/cm2
2.5 Muestreo de Suelos, obtención de Muestras Inalteradas y Alteradas Existen dos categorías principales de muestras de suelos:
2.5.1 Muestras Inalteradas
Se preserva, en la medida de lo posible, la estructura y el contenido de humedad para que representen las condiciones de campo, las muestras inalteradas son necesarios para ensayos de CBR en suelos finos como por ejemplo las arcillas, arenas limosas o arcillosas.
Las muestras inalteradas se extraen con los moldes de CBR y un accesorio de este, que permite cortar el suelo. Se protege y traslada al laboratorio para su inmediato ensayo, el CBR así calculado, estará asociado a la densidad y humedad natural. Foto 2.4.
Si el suelo está conformado por arenas y es difícil conseguir una muestra inalterada, se recomienda medir la densidad de campo y tomar una muestra para humedad, de manera que en el laboratorio se remolde los especimenes.
2.5.2 Muestras Alteradas
Las muestras alteradas se usan para la identificación del suelo y para pruebas de clasificación y calidad a medida que se recolectan, las muestras se introducen en recipientes de vidrio o plásticos y se sellan, también se pueden usar latas o bolsas de plásticos.
Se debe tomar una porción de 100 kg. aproximadamente para realizar los ensayos de proctor modificado y CBR en muestras remoldeadas al óptimo contenido de humedad, para determinar el CBR de diseño para subrasantes granulares, materiales de sub base y base granulares.
2.6 Identificación Visual y Manual de Muestras de Suelo ASTM D 2488 Pruebas de Campo para Clasificación
La identificación visual, es el reconocimiento preliminar del suelo sin necesidad de empleo de equipos o ensayos de laboratorio. Mas tarde, los ensayos de laboratorio confirmarán y permitirán precisar la información obtenida del terreno. En el anexo E se detalla los procedimiento visuales y manuales, en esta sección solo se presenta un breve resumen.
Esta identificación es una etapa inicial para el estudio de Mecánica de Suelos, que permite tomar decisiones y ajustar el programa de investigación. Los términos básicos para designar a los tipos de suelos son: grava, arena, limo y arcilla; sin embargo, en la naturaleza los suelos son una mezcla de dos o más de éstos y a veces contienen una cantidad de materia orgánica. Sin embargo, es posible identificar el componente predominante y asignarles el término básico. Por ejemplo, una arena limosa tiene las propiedades de una arena, con una cantidad importante de limo; un limo orgánico está compuesto prioritariamente por limo, pero contiene una cantidad significativa de materia orgánica.
Se conoce como suelos granulares a las arenas y a las gravas, y como suelos finos a las arcillas y limos. Esta distinción se basa en la visibilidad de las partículas individuales. En laboratorio, los suelos finos y gruesos se separan con la malla Nº200.
2.6.1 Identificación y Descripción de Suelos Finos
En comparación a los suelos finos, los suelos granulares son más fáciles de identificar. La angularidad, forma, color, olor, humedad, consistencia, cementación, estructura, tamaño máximo de partículas y dureza, son las principales características de este tipo de suelos. Los suelos finos para su identificación necesitan de algunos ensayos de campo, para poder diferenciar las arcillas de los limos o de las arenas finas.
A) Reacción a la Agitación o Dilatancia
Una muestra de suelo se amasa formando una bolita, la que debe contener una humedad tal que el agua casi aparezca en la superficie. La muestra preparada se coloca en la palma de la mano y se sacude horizontalmente golpeándola en forma reiterada y fuerte contra la otra mano.
Foto 2.5: Prueba de Dilatancia
El suelo tiene reacción rápida al sacudimiento cuando la pasta cambia de forma y evidencia una superficie brillante (debido a la expulsión de agua). Cuando el suelo tiene reacción rápida al sacudimiento con unos pocos golpes, se puede asegurar que se trata de un limo. Si la reacción del suelo es muy lenta o no hay reacción, se puede concluir que se trata de una
arcilla. Para el caso de arenas limpias muy finas la reacción es muy rápida.
Reacciones intermedias dejan una interrogante para identificar el suelo y por ello es necesario recurrir a un ensayo de amasado para despejar la interrogante. Sin embargo, en el caso en que el tipo de suelo fino se pueda definir sólo con el ensayo de dilatancia, es siempre conveniente continuar con el ensayo de amasado que se enuncia a continuación.
B) Ensayo de amasado o de tenacidad
El ensayo de amasado complementa el ensayo de dilatancia. Una pasta de suelo se amasa hasta alcanzar la consistencia de la masilla, luego se forma un bastón de aprox. 3 mm. Este proceso se repite hasta que el contenido de humedad se reduce y la muestra adquiere una consistencia dura. El bastón se rompe en varias partes al ser amasado (foto 2.6).
Cuanto más tenaz es el rollito y cuanto mas duros son los trozos al desmoronarse, mas importante es la fracción arcillosa del suelo.
Durante el ensayo se deben observar:
1. Resistencia del suelo al amasado, cuando está cerca de las condiciones de ruptura descritas: una arcilla opone mucha resistencia y un limo opone una baja resistencia. 2. Plasticidad el suelo se comporta plásticamente durante el amasado, pero deja de
hacerlo una vez que alcanza la humedad que tiene el bastón al romperse.
3. Brillo cuando se alcanza la rotura del bastón de suelo, se puede unir sus partes al oprimirlas entre sí fuertemente con los dedos, se frota con la uña y se observa si la superficie frotada brilla. Las arcillas presentan una superficie brillante que va en aumento según el crecimiento de la plasticidad, es decir, es más brillante si la arcilla es más plástica.
C) Resistencia en Estado Seco (a la disgregación)
Una muestra de suelo se deja secar expuesta al sol y aire, se mide su resistencia rompiéndola y desmoronándola entre los dedos. La resistencia (en estado seco) aumenta con la plasticidad (presencia de arcilla). Un limo inorgánico posee una resistencia muy ligera. Las arenas finas limosas y los limos tienen baja resistencia. Una arcilla será muy resistente en estado seco, a mayor porcentaje de arcilla en la muestra, mayor será su resistencia.
En la tabla 2.1 se resumen los ensayos de campo, con resultados visuales y el tipo de suelo al que está relacionado ese comportamiento.
Tabla 2.1: Identificación de Suelos con Pruebas Manuales Suelo Típico Resistencia en
Estado Seco Dilatancia Tenacidad Tiempo de sedimentación en prueba de dispersión
Limo arenoso ninguna a muy baja Rápida De débil a baja De 30 a 60 min
Limo muy baja a baja Rápida De débil a baja De 15 a 60 min
Limo arcilloso baja a media De rápida a lenta Media De 15 min. a varias horas
Arcilla arenosa baja a alta De lenta a ninguna Media De 30 seg. a varias horas
Arcilla limosa Media a alta De lenta a ninguna Media De 15 min. a varias horas
Arcilla Alta a muy alta Ninguna Alta De varias horas a días
Limo orgánico baja a media Lenta De débil a baja De 15 min. a varias horas
Arcilla orgánica Media a muy alta Ninguna Alta De varias horas a días
2.6.2 Identificación y Descripción de Suelos Granulares
En campo se considera un tamaño de 5 mm. para separar gravas de arenas. Las gravas pueden separarse en:
Gravas gruesas Entre 75 mm. y 19 mm Gravas finas Entre 19 mm y 5 mm
En laboratorio las arenas pueden separarse en arenas gruesas, medias y finas, según su tamaño.
Arenas gruesas. Entre la malla Nº 4 (4,76 mm.) y la malla Nº 10 (2 mm.). Arenas medias. Entre la malla Nº 10 y la malla Nº 40 (0,425 mm.). Arenas finas. Entre la malla Nº 40 y la malla Nº 200 (0,075 mm.).
En la descripción de un suelo granular se deben incluir ciertas características particulares de importancia, las cuales van a influir en su comportamiento.
1. Suelo predominante (grava arenosa, arena con grava, etc.).
2. Porcentaje estimado de bolones de preferencia en el pozo de reconocimiento y no en la muestra obtenida.
3. Tamaño máximo de las gravas o bolones en pulgadas.
4. Tamaño de los granos dominantes (para los suelos pobremente graduados, es decir, que no tienen una buena distribución de tamaños, se debe indicar si las arenas son gruesas, medias o finas, al igual que las gravas si son gruesas o finas).
6. Estado de las partículas (si el material constituyente de los granos no es sano y esta en estado de alteración, las partículas pueden romperse entre las manos).
Además de estos datos se debe indicar: A) Angularidad
Describir la angularidad de la arena (solamente de la fracción gruesa), grava, cantos rodados y boleos como angular, subangular, subredondeada y redondeada.
B) Forma
Si las partículas tienen forma chata, alargada o chata y alargada. Esta característica es muy importante porque el porcentaje de participación de estas partículas está limitado según especificaciones. Las partículas chatas y alargadas pueden romperse durante la aplicación de las cargas y modificar la granulometría del medio.
C) Otros
Otras características importantes son el color, cementación, dureza y rango de partículas.
2.7 Ensayos de Laboratorio
Las muestras representativas se remiten al laboratorio para su respectivo ensayo. Los ensayos que generalmente se solicitan para caracterizar el suelo con fines de pavimentación son:
2.7.1 Ensayos para Clasificación de Suelos
A las muestras representativas de los estratos que conforman la subrasante (hasta una profundidad de 1.50 m), se les realiza el análisis granulométrico por tamizado y límites de consistencia. Estos resultados deben corroborar la identificación visual realizada en campo.
Los resultados del análisis granulométrico y los límites de consistencia se reportan gráficamente, como se muestra en la figura 2.1.
Figura 2.1: Análisis granulométrico por tamizado.
2.7.2 Contenido de Humedad
Para determinar el contenido de humedad de una muestra de suelo. Se obtiene aproximadamente 200 gr. de muestra que se protegen en un recipiente o una bolsa cerrada. Esta muestra se traslada al laboratorio y se pesa. Se lleva al horno por 24 horas, y luego de este período se vuelve a pesar.
El contenido de humedad se reporta en porcentaje como:
seco suelo Peso seco suelo Peso humedo suelo Peso (%) = − ω
2.7.3 Ensayo de Densidad Natural
El ensayo de densidad natural, permite conocer la condición natural del terreno de fundación. En suelos granulares será importante si el terreno está compacto o suelto. En terrenos de fundación conformados por subrasantes arenosas y limo arcillosas, este valor permitirá remoldear muestras en el laboratorio a la densidad de campo. Las muestras así remoldeadas, serán ensayadas en la prensa de CBR para determinar el CBR de diseño.
Otra aplicación de este ensayo es en los controles de compactación de campo para el caso de la conformación de terraplenes, capas de afirmado, base y sub base. Conociendo la máxima densidad seca y el óptimo contenido de humedad del suelo a compactar, se puede verificar el porcentaje de compactación con este ensayo.
En el mercado hay una diversidad de equipos que permiten medir la densidad natural del suelo y contenido de humedad. Entre ellos se encuentra el método del Cono y la Arena, densímetro nuclear, etc.
E EnnssaayyooddeeDDeennssiiddaadd N NaattuurraallmmeeddiiaanntteeeellCCoonnoo d deeAArreennaa E EnnssaayyooddeeDDeennssiiddaaddNNaattuurraall c coonnDDeennssíímmeettrrooNNuucclleeaarr A ASSTTMMDD22992222
2.7.4 Contenido de Sales Solubles (Carbonatos, Cloruros y Sulfatos, etc)
En casos especiales, dependiendo de los condicionantes geológicos de sitio, es importante determinar el contenido de sales solubles que pueden influir en el comportamiento mecánico o impactar en las obras de concreto como son los cloruros y sulfatos. En zonas áridas próximas a la línea de costa es probable encontrar presencia significativa de sales solubles, ya que el mar es una fuente generadora de sales. Existe una regla en el sentido que áreas ubicadas a menos de 5 km. del mar presenta contenido de sales.
2.7.5 Ensayo Proctor Modificado, ASTM D 1557
La compactación de suelos constituye un capítulo importantísimo y se halla íntimamente relacionada con la pavimentación de carreteras, vías urbanas y pistas de aterrizaje. El ensayo de compactación mediante el ensayo de proctor modificado, relaciona la humedad del suelo versus su densidad seca, empleando un martillo de 4.54 kg (10 lb) soltado desde una altura de 457 mm (18 pulg), trasmitiendo una energía de compactación de 56,000 lb-pie/pie3 ó 2,700 kN-m/m3.
El suelo extraído de campo es compactado en un molde de dimensiones conocidas, con diferentes contenidos de humedad. Para contenidos bajos de humedad el suelo no se compactará adecuadamente, porque no existe la lubricación que permita el acomodo de las partículas. Para altos contenidos de humedad el suelo pierde densidad, porque el agua entre las partículas impide que estas se junten. Solo se tendrá una máxima densidad seca, MDS.
La humedad a la que la muestra alcanza su máxima densidad seca, se denomina óptimo
contenido de humedad. Los resultados de este ensayo son graficados como se muestra en la
figura 2.2.
Los resultados de la figura 2.2 indican que el suelo ensayado alcanza su máxima densidad seca, MDS, a 2.176 gr/cm3 y el contenido de agua asociado a esta densidad, OCH, es 7.88%.
En suelos granulares densos, la densidad de campo es muy cercana a la MDS del proctor modificado; sin embargo, en suelos finos como las arenas y arcillas limosas, la densidad de campo, generalmente, es mucho menor que la MDS.
La Humedad Natural de Suelos Arenosos y Limo-Arcillosos muchas veces alcanzan valores muy por encima del O.C.H. y la Densidad Natural presenta valores mucho menores al Ensayo Proctor Modificado. En Conclusión, el terreno de fundación no alcanzará y/o estará lejos de la Densidad Equivalente al 95% ó 100% de la MDS, criterio que se asume como regla general. Figura 2.3.
Curva de Compactación 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 5 6 7 8 9 10 Contenido de Humedad (%) P eso E sp ecíf ico S eco ( g r/ cc) 11
Figura 2.2: Curva de compactación del proctor modificado
Si el lector desea tener mayor información sobre el proyecto de investigación realizado por los autores durante el año 2000, titulado “C.B.R. DE SUBRASANTES ARENOSAS Y
LIMO-ARCILLOSAS” podrá remitirse al Anexo A de este libro.
1.45 1.65 1.85 2.05 4 8 12 16 20 24 Humedad (%) Densidad Seca (gr/cm 3 ) 11.7 1.971 (20.1,1.62) Proctor Modificado Condición Natural
Figura 2.3: Curva Densidad Seca –Humedad. Av. La Paz Cdra. 10 San Miguel - Lima
2.7.6 California Bearing Ratio (C.B.R.)
Los métodos de diseño de pavimentos relacionan el valor de la capacidad de soporte del suelo o CBR con el módulo resiliente del material. El módulo resiliente es el parámetro que se utiliza en el diseño del pavimento.
El módulo resiliente se obtiene de ensayos triaxiales mediante ciclos de carga y descarga; sin embargo, AASHTO 2002 presenta una ecuación que permite correlacionar el valor del módulo resiliente con el del CBR. De aquí la importancia de evaluar adecuadamente el CBR del material.
El ensayo de “California Bearing Ratio” o CBR, es un ensayo relativamente simple, comúnmente usado para obtener un índice de la resistencia del suelo de subrasante, material de base, sub base o afirmado.
Para materiales de base, sub base y afirmado, así como subrasantes granulares, el CBR puede estar asociado a la máxima densidad seca del próctor modificado; sin embargo, para subrasantes finas (subrasantes arenosas, arcillosas o limosas) el valor del CBR debe estar asociado a su densidad de campo. Investigaciones han demostrado que el CBR de suelos finos en muestras compactadas al OCH y MDS, arrojan valores de CBR muy por encima de su valor real. Tranquilamente una arcilla compactada al OCH y MDS puede tener un CBR de 15%, pero ensayada en su condición natural el CBR puede ser menor a 2 ó 3%.
El comportamiento de la subrasante es función de la humedad y densidad, asociado a las condiciones ambientales del sitio. En suelos de baja capacidad de soporte donde los valores de humedad alcanzan la condición saturada y los valores de densidad de campo están muy por debajo de la densidad de compactación, los valores de los módulos elásticos realmente son muy bajos. Se proponen tres métodos para determinar el valor de CBR:
CBR in situ, mide directamente la deformación ante una carga aplicada,
CBR en muestras inalteradas, es un método recomendado para subrasantes de suelos finos. Consiste en obtener una muestra inalterada de campo, que será protegida para que no pierda su humedad natural (si no fuese posible obtener una muestra inalterada de campo, se puede preparar especimenes en laboratorio a la humedad y densidad natural). En el laboratorio se realiza el ensayo de penetración en su condición natural y saturada, siguiendo el mismo procedimiento que en muestras remoldeadas. CBR en muestras remoldeadas, método recomendado para subrasantes granulares, materiales de base, sub base y afirmado.
Los especimenes pueden ensayarse en su condición natural o saturada, luego de un período de inmersión en agua, la condición saturada es la más desfavorable.
El CBR es la relación (expresada en porcentaje) entre la resistencia a la penetración requerida para que un pistón de 3 pulg2 de área penetre 0.1 pulg dentro de un suelo entre 1000 psi que es la resistencia a la penetración de una muestra patrón. La muestra patrón es una piedra chancada. El CBR se expresa como:
100 lg pu / lb 000 , 1 pulg 0.1 penetrar para requerida (psi) n penetracio la a a Resistenci CBR 2 × =
En ocasiones, el CBR calculado para una penetración de 0.2 pulg. con su correspondiente resistencia a la penetración estándar de 1500 psi, puede ser mayor que el obtenido para una penetración de 0.1 pulg. Cuando esto ocurre, se debe realizar un nuevo ensayo, si los resultados son similares, el valor del CBR para 0.2 pulg de penetración, se reporta como el CBR representativo de la muestra.
2.8 Concepto de Capacidad de Soporte de la Subrasante
La capacidad de soporte de la subrasante, es la capacidad que tiene el suelo de soportar los esfuerzos verticales transmitidos por las cargas de tránsito. La deformación del suelo la deflexión resultante deberán ser menores a las admisibles.
Para que la estructura de pavimento se comporte adecuadamente y cumpla el período de diseño, presentará una deflexión máxima de 0.20 mm. para cargas estáticas transmitidas por un eje estándar de 8.2 ton. La deflexión máxima, bajo cargas estáticas, puede ser medida con la Viga Benkelman, esto significa que al nivel de subrasante la deflexión máxima será de 0.5 a 1 mm.
Los reglamentos estatales en EE.UU. recomiendan que el valor CBR de la subrasante debe ser como mínimo entre 8 y 10%. Caso contrario, se deberá primero estabilizar el terreno antes de construir la estructura del pavimento.
2.9 Estratigrafía de los suelos nomenclatura y simbología
Se debe realizar la descripción de los diferentes estratos que conforman el terreno investigado. Se detallaran las características físicas, clasificación visual, color, humedad, plasticidad de los finos, consistencia o densidad relativa y algunas características particulares como cementación, presencia de troncos, raíces o cualquier material extraño.
Se mencionará, además, la profundidad a la que se encuentre el nivel freático, si fuera el caso, indicando la fecha de medición y comentarios sobre su variación en el tiempo.
Además, es importante indicar, el resultado de los ensayos de laboratorio obtenidos para los estratos evaluados, de manera que la información sea mas clara.
2.10 Registros estratigráficos.
Todos los resultados de la evaluación de campo y ensayos de laboratorio se indican en los registros estratigráficos.
Los registros estratigráficos se preparan para cada calicata o cada exploración con equipo de penetración. Un ejemplo de registro de calicata con ensayo de penetración ligera se muestra en la figura 2.4.
2.11 Perfil longitudinal del terreno
El perfil longitudinal del terreno en estudio es el resultado gráfico de la interpolación de las calicatas. En este perfil se visualiza la disposición de los estratos en toda la subrasante.
Los perfiles se obtienen de los trabajos de campo, como calicatas y ensayos de penetración. Todos los resultados de laboratorio deben indicarse en este perfil. De esta manera se puede tomar la decisión de los trabajos que serán considerados en el diseño y ejecución del proyecto.
0 10 20 30 50 2.20 50 PROFUND. (MET RO S) Tipo de S ondeo
DESCRIPCION DEL MATERIAL
PROFUNDIDAD ( M ETROS) ENSAYO DE PENETRACION LIGERA Golpe x 10cm. GRAFICA DE N 0.10 0.10 S imbolo SM 4 0.20 0.20 6 0.30 0.40 0.30 11 0.40 7 0.60 0.60 10 0.50 0.50 6 0.70 0.80 9 0.90 11 0.70 12 0.80 1.00 0.90 1.00 12 1.10 1.10 25
Arena limosa, humeda, con raicez, en estado suelto a semi-compacto, cementado. Presencia de gravillas aisladas. NDPL de 6 a 12. 1.20 GP-GM 1.20 32 1.30 1.30 28 1.40 1.40 50 1.50 1.50 50 1.60 1.60 50 1.70 1.70 50 1.80 50 1.90 1.90 50 2.00 2.00 50 2.10 2.10 50 2.20
Grava limosa, pobremente graduada, semi compacto, con presencia de bolones subredondeados de TM=8". Porcentaje de bolones de 25%. NDPL mayor de 50. Clasificacion SUCS : GP-GM Humedad, ω : 4.1% Limite liquido, LL : 21% Indice Plastico, IP : N.P. % de finos<Nº200 : 10.5% 1.80
CALICATA A CIELO ABIERTOPENETRACIÒN LIGERA
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MATERIAL DE PRÉSTAMO
3.1 Introducción
Los agregados empleados en la construcción de carreteras, deben cumplir con requisitos de granulometría y especificaciones técnicas, que garanticen un buen comportamiento durante su periodo de vida.
En este capítulo se cubrirá el tema de la granulometría y calidad de agregados que conformarán las capas de afirmado, sub base y base.
Durante los últimos 10 años se han desarrollado nuevas tecnologías y criterios para el diseño de mezclas asfálticas, variando los criterios del diseño de mezclas, pero los métodos de evaluación de calidad de los agregados no se ha modificado.
Las especificaciones granulométricas de las carpetas asfálticas, se verán con detalle en el capítulo correspondiente, donde se tratará de los tipos de mezclas asfálticas. Sin embargo, en este capítulo se consideran los ensayos de calidad de agregados para carpetas asfálticas.
3.2 Especificaciones Técnicas de Material de Préstamo: Afirmado, Sub Bases y Bases Granulares. Mezclas de Suelos y Agregados 3.2.1 Especificaciones Granulométricas
Los materiales granulares que conformaran las capas de afirmado, sub base y base, deben cumplir con rangos granulométricos especificados por el MTC.
La gradación es una de las más importantes propiedades de los agregados. Este afecta casi todas las propiedades importantes de una mezcla asfáltica en caliente, incluyendo dureza, estabilidad, durabilidad, permeabilidad, trabajabilidad, resistencia a la fatiga, resistencia al rozamiento, y resistencia a la humedad. De esta manera, la gradación es la primera consideración en un diseño de mezclas asfálticas.
Teóricamente, es razonable pensar que la mejor gradación sea la densa o bien gradada; sin embargo, recientes investigaciones han demostrado que las mezclas del tipo Stone
Mastic Asphalt, SMA, tienen un mejor comportamiento cuando están sometidas a la acción
de tráfico pesado, en zonas de altura.
Las especificaciones granulométricas vigentes en el Perú son las Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras EG-2000, del Ministerio de
Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construcción, Oficina de Control de Calidad. En la tabla 3.1 se listan los rangos máximos y mínimos para materiales de afirmado. En la figura 3.1 se grafican los rangos especificados.
Tabla 3.1: Huso Granulométrico para Afirmado Muestra Afirmado (% que pasa)
Abertura
Tamiz A-1 A-2
(mm) 2" 50,000 100 -.- 1 ½” 37.500 100 -.- 1" 25,000 90-100 100,0 ¾” 19.000 65-100 80-100 3/8" 9,500 45-80 65-100 Nº4 4,750 30-65 50-85 Nº10 2,000 22-52 33-67 Nº40 0,425 15-35 20-45 Nº200 0,075 5-20 5-20
Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras EG-2000, Ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construcción, Oficina de Control de Calidad
Huso Granulométrico para Afirmados
3" 2" 3/4" Nº4 Nº200 0 20 40 60 80 100 0.01 0.1 1 10 100 Abertura (mm) % acum
ulado que pasa
A-2 A-1
Figura 3.1: Rangos Granulométricos para Materiales de Afirmado, Sub-base y Base Granulares (MTC)
Las especificaciones técnicas para rangos granulométricos de materiales de sub base y base, son los mismos. Las normas ASTM D 1241 las especifican bajo el título Standard
norma fue revisada por última vez en 1994. El Ministerio de Transportes y Comunicaciones la hizo suya y las consideró dentro de las especificaciones emitidas en el año 2000. La tabla 3.2 muestra las especificaciones granulométricas para materiales de sub base y base granular. En la figura 3.2 se muestran las especificaciones gráficamente.
Tabla 3.2: Huso para Sub-Base y Base Granular Porcentaje que pasa en peso Abertura
Tamiz Gradación A(1) Gradación B Gradación C Gradación D (mm) 2" 50,000 100 100 -.- -.- 1" 25,000 -.- 75-95 100 100 3/8" 9,500 30-65 40-75 50-85 60-100 Nº4 4,750 25-55 30-60 35-65 50-85 Nº10 2,000 15-40 20-45 25-50 40-70 Nº40 0,425 8-20 15-30 15-30 25-45 Nº200 0,075 2-8 5-15 5-15 8-15
Standard Specification for Materials for Soil-Aggregate Subbase, Base and Surface Courses.
ASTM D-1241-68 (Reapproved 1994); y
Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras EG-2000, Ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construcción, Oficina de Control de Calidad: (1) la curva “gradación A” deberá emplearse en zonas con altitud mayor o igual a 3000 m.s.n.m. 3.2.2 Calidad de Agregados
Para verificar la calidad de un determinado banco de materiales, estos deben ser sometidos a ensayos de suelos, debiendo cumplir con las especificaciones técnicas emitidas por el Ministerio de Transportes y Comunicaciones EG-2000.
Los materiales que serán empleados como material de afirmado o sub base podrá ser agregado natural, triturado o una combinación de ambos. Los agregados para bases deberán ser chancados.
Todos los agregados utilizados como afirmados, sub base y base serán resistentes, sin exceso de partículas chatas o alargadas, no podrán presentar terrones de arcilla ni materia orgánica.
Los ensayos a los que están sometidos los suelos son: Abrasión “Los Angeles”, Equivalente de Arena, ensayo de proctor modificado, CBR asociados a la máxima densidad seca y al óptimo contenido de humedad del proctor, partículas chatas y alargadas, caras de fractura, sales solubles y contenido de impurezas orgánicas.
Huso Granulométrico para Sub Bases y Bases Granulares 3" 2" 3/4" Nº4 Nº200 0 20 40 60 80 100 0.01 0.1 1 10 100 Abertura (mm)
% acumulado que pasa
B A
Rango Granulométrico para Sub Bases y Bases Granulares
3" 2" 3/4" Nº4 Nº200 0 20 40 60 80 100 0.01 0.1 1 10 100 Abertura (mm)
% acumulado que pasa
D C
Figura 3.2: Rangos granulométricos para materiales de sub base y base granulares (MTC)
Las muestras al llegar al laboratorio se separan, porque serán ensayadas para que verifique diferentes requisitos de calidad. En la tabla 3.3 se muestra en resumen, los ensayos a los que están sometidas las muestras que conformarán las capas de afirmado, sub base, base o carpeta de rodadura.
Tabla 3.3: Ensayos de Calidad de Agregados
Asfalto Sub base Base Afirmado
ENSAYOS
Granular Piedra Arena
Análisis Granulométrico por Tamizado X X X X X
Límites de Consistencia X X X
Equivalente de Arena X X X X
Peso específico y Absorción X X
Peso unitario suelto X X
Peso unitario varillado X X
Abrasión X X X X
Proctor Modificado X X X
CBR X X X
Porcentaje de caras fracturadas X X X
% de partículas chatas y alargadas X X X
Contenido de impurezas orgánicas X X X
Contenido de sales solubles totales X X X X X Adherencia (entre mallas Nº3/8" y ¼") X
Riedel Weber (según norma a emplear) X
Durabilidad X X
En la tabla 3.4 se listan las especificaciones técnicas que deben cumplir los materiales que serán usados como afirmado, sub base y base.
3.2.3 Suelos Estabilizados
Las normas del Ministerio de Transportes y Comunicaciones considera dentro de sus especificaciones a los suelos estabilizados con cemento y cal, se harán un breve resumen de ambas combinaciones.
a) Estabilizados con Cemento
El material a estabilizar con cemento podrá ser A-1, A-2, A-3, A-4, A-5, A-6 y A-7, con tamaño máximo de 2” y no mayor de 1/3 del espesor de la capa compactada.
En la tabla 3.5 se muestran las especificaciones del agregado que será estabilizado con cemento.
El cemento con que será estabilizado el suelo será portland, el cual deberá cumplir con la Norma Técnica Peruana NTP 334.009, Norma AASHTO M85 ó ASTM C 150. El cemento que podrá ser empleado es el denominado Tipo I o cemento portland normal.
Tabla 3.4: Especificaciones Técnicas para Materiales empleados en Construcción de Carreteras
Sub base granular Base granular
<3000 msnm ≥3000 msnm Ensayo Norma Afirmado <3000
msnm ≥3000 msnm Agregado grueso Agregado fino Agregado grueso Agregado fino ASTM D 4318 35% máx 25% máx 25% máx Límite Líquido, % MTC E 110 ASTM D 4318 4 a 9 6% máx 4% máx 4% máx 2% máx Indice Plástico, % MTC E 111 Abrasión Los Angeles, % ASTM C 131 50% máx 50% máx 50% máx 40% máx 40% máx MTC E 207 Equivalente de arena, % ASTM D 2419
20% mIn 25% mIn 35% mIn 35% mIn 45% mIn
MTC E 114 CBR al 100% de
la M.D.S. y 0.1” de penetración
ASTM D 1883 40% mín 40% mín 40% mín Tráfico ligero a medio: 80% mín
MTC E 132 Tráfico pesado: 100% mín Pérdida con Sulfato de Sodio, % ASTM C 88 MTC E 209 -.- 12% máx Pérdida con Sulfato de Magnesio, % ASTM C 88 MTC E 209 -.- 18% máx Indice de
Durabilidad MTC E 214 35% mIn 35% mIn
Caras de fractura, % 1 cara fracturada 2 caras fracturadas ASTM D 5821 MTC E 210 80% mín 40% mín 80% mín 50% mín Partículas chatas y alargadas, % ASTM D 4791 20% máx 20% máx 15% máx 15% máx Relación 1/3 (espesor/longitud) MTC E 211 Sales Solubles Totales, % ASTM D 1888 1% máx 1% máx 0.5% máx 0.5% máx 0.5% máx 0.5% máx MTC E 219
Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras EG-2000, MTC, OCC
Tabla 3.5: Especificaciones de Agregado que será Estabilizado con Cemento
Ensayo Norma Agregado Agregado
grueso Fino
Límite Líquido, % ASTM D-4318; MTC E 110 40% máx
Indice Plástico, % ASTM D-4318; MTC E 111 18% máx
Abrasión Los Angeles , % 1 ASTM C-131; MTC E 207 50% máx
Pérdida con Sulfato de Sodio , % 1 ASTM C 88; MTC E 209 12% máx 10% máx
Contenido de sulfatos, SO , en peso 4 0.2% máx
1 en caso el suelo forme parte de una capa estructural.
La mezcla suelo-cemento se diseña mediante los ensayos de resistencia a compresión simple y humedecimiento-secado (normas MTC E 1103 y MTC E 1140).
En ensayos de compresión simple, la resistencia no debe ser menor de 1.76 MPa (18 kg/cm2) luego de 7 días de curado húmedo. Para el ensayo humedecimiento-secado, el contenido de cemento deberá ser tal, que la pérdida de peso de la mezcla compactada, no supere los siguientes límites de acuerdo con la clasificación que presente el suelo por estabilizar:
Suelo por estabilizar Pérdida Máxima (%) A-1, A-2-4, A-2-5, A-3 14
A-2-6, A-2-7, A-4, A-5 10
A-6, A-7 7
b) Estabilizados con Cal
El terreno de fundación se estabiliza con cal por diferentes razones: para agilizar la construcción, en el tratamiento de suelos expansivos y para proporcionar una cimentación fuerte a la estructura del pavimento. Un suelo estabilizado con cal puede ser rígido y durable, mejorando el comportamiento del pavimento.
La incorporación de cal a suelos de gradación fina como las arcillas origina que los cationes de la superficie de arcilla sean sustituidos por los de óxido de calcio, incrementando el pH y alterando la mineralogía de la superficie de las moléculas de arcilla. Esta alteración reduce la capacidad de la arcilla para absorber agua y por lo tanto reduce su expansión y plasticidad, mejorando su estabilidad.
Se debe incorporar cal al suelo y mezclar, agregar agua durante el mezclado. El suelo debe encontrarse dentro de ±2% del óptimo contenido de humedad previo a la compactación. La compactación debe realizarse dentro de los 30 minutos posteriores al mezclado final.
Los suelos que serán estabilizados con cal deberán cumplir con las especificaciones de la tabla 3.6, los suelos no deben tener mas del 3% en peso de materia orgánica.
El tamaño máximo del agregado grueso que contenga el suelo no debe ser mayor de 1/3 del espesor de la capa compactada de suelo-cal.
Tabla 3.6: Especificaciones de Agregado que será Estabilizado con Cal
Ensayo Norma Agregado Agregado
grueso fino ASTM D-4318
Indice Plástico, % 10 a 50%
MTC E 111 ASTM C-131
Abrasión Los Angeles , % 1 50% máx MTC E 207
ASTM C 88
Pérdida con Sulfato de Sodio , %1 12% máx 10% máx MTC E 209
1 en caso el suelo forme parte de una capa estructural
Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras EG-2000, MTC, OCC
La cal que se empleo para estabilizar bases de suelo-cal puede ser cal hidráulica y debe satisfacer los requisitos establecidos en la especificación AASHTO M 216 o ASTM C 977.
La aplicación de la cal puede variar entre 2 y 8% en peso de los materiales. Cuando la mezcla de suelo-cal sea usada como parte de una capa estructural, el CBR de la mezcla deberá cumplir con las especificaciones citadas para materiales de sub base y base. c) Mezclas de Suelos y Agregados
La combinación de agregados es un tema conocido por todo los estudiantes de ingeniería, los métodos son diversos, entre ellos se encuentran la dosificación de los agregados por peso y por métodos gráficos.
Se dará a continuación un ejemplo del método gráfico del cuadrado, para combinación de dos agregados.
Ejemplo: Combine los agregados A y B para que cumplan con las especificaciones: Porcentaje que pasa
Tamiz Nº 3/4" 3/8" Nº4 Nº10 Nº40 Nº80 Nº200
Agregado A 100 48 31 25 22 15 8
Agregado B 100 75 58 43 15 5 1
1. Se traza un cuadrado ABCD, sobre cuyos lados se marcan los porcentajes de 0 a 100 de izquierda a derecha en el lado AB y viceversa en el lado CD. Ver figura 3.3.
2. Sobre AD se marcan los porcentajes de uno de los agregados y sobre BC los porcentajes del otro.
3. Se unen con una línea continua los extremos correspondientes a un mismo tamiz, escribiendo sobre esta línea el tamiz al que corresponde. Sobre estas líneas se grafican pequeños cuadrados que representan los límites superior e inferior de las especificaciones
4. Se unen los cuadrados de los límites superiores (a, b, c, ...) y luego los cuadrados de los límites inferiores (a´, b´, c´, ...).
5. El espacio que une los cuadrados más cercanos (a y b´)representa el margen de porcentajes entre los cuales se puede hacer la combinación de los dos materiales. 6. Para el ejemplo puede variar (a) entre 70% del agregado B más 30% del agregado A; y
(b´) de 35% del agregado B más 65% del agregado A.
3.3 Ensayos de calidad de agregados
Todos los agregados que conformen alguna de las capas de la estructura del pavimento, deberán cumplir con las especificaciones de la tabla 3.4. Los ensayos considerados verifican cierta característica de los agregados, en este libro se describe las razones por las que se consideran en las especificaciones.
Si el lector está interesado en conocer el procedimiento de ensayo, puede revisar el Manual de
Laboratorio Ensayos para Pavimentos Volumen I, de S. Minaya y A. Ordoñez, primera edición,
publicada por el Departamento de Mecánica de Suelos de la Universidad Nacional de Ingeniería, 2001.
3.3.1 Ensayo de Abrasión por medio de la Máquina de Los Ángeles ASTM C-131, MTC E 207
Los agregados deben ser capaces de resistir el desgaste irreversible y degradación durante la producción, colocación y compactación de las obras de pavimentación, y sobre todo durante la vida de servicio del pavimento.
Debido a las condiciones de esfuerzo-deformación, la carga de la rueda es transmitida a la superficie del pavimento a través de la llanta como una presión vertical aproximadamente uniforme y alta. La estructura del pavimento distribuye los esfuerzos de la carga, de una máxima intensidad en la superficie hasta una mínima en la subrasante.
Por esta razón los agregados que están en, o cerca de la superficie, como son los materiales de base y carpeta asfáltica, deben ser más resistentes que los agregados usados en las capas inferiores, sub base, de la estructura del pavimento, la razón se debe
Combinación Gráfica de dos agregados 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Porcentajes Gr anulome tr ía Agr ega do B Nº10 3/8" Nº4 Nº80 Nº40 Nº200 Gr anulome tría Agr ega do A b c d d´ c´ b´ a´ a
a que las capas superficiales reciben los mayores esfuerzos y el mayor desgaste por parte de cargas del tránsito.
Por otro lado, los agregados transmiten los esfuerzos a través de los puntos de contacto donde actúan presiones altas. El Ensayo de Abrasión de Los Ángeles, ASTM C-131 ó MTC E 207, mide básicamente la resistencia de los puntos de contacto de un agregado al desgaste y/o a la abrasión.
El porcentaje de desgaste se calcula como la diferencia del peso inicial menos el peso final de la muestra ensayada, entre el peso inicial.
100 P P P desgaste % inicial final inicial− × =
3.3.2 Ensayo de Durabilidad, Pérdida con Sulfato de Sodio o Magnesio ASTM C 88 ó MTC E 209
Es el porcentaje de pérdida de material en una mezcla de agregados durante el ensayo de durabilidad de los áridos sometidos al ataque con sulfato de sodio o sulfato de magnesio. Este ensayo estima la resistencia del agregado al deterioro por acción de los agentes climáticos durante la vida útil de la obra. Puede aplicarse tanto en agregado grueso como fino.
El ensayo se realiza exponiendo una muestra de agregado a ciclos alternativos de baño de inmersión en una solución de sulfato de sodio o magnesio y secado en horno. Una inmersión y un secado se consideran un ciclo de durabilidad. Durante la fase de secado, las sales precipitan en los vacíos del agregado. En la reinmersión las sales se rehidratan y ejercen fuerzas de expansión internas que simulan las fuerzas de expansión del agua congelada. El resultado del ensayo es el porcentaje total de pérdida de peso sobre varios tamices para un número requerido de ciclos. Los valores máximo de pérdida son aproximadamente de 10 a 20% para cinco ciclos de inmersión-secado.
Foto 3.1: Ensayo de durabilidad
3.3.3 Porcentaje de Partículas Chatas y Alargadas. ASTM D-4791; MTC E 211
Se ha demostrado en un sin número de investigaciones, que el exceso de partículas chatas y alargadas, pueden perjudicar el comportamiento de la estructura del pavimento. La carga proveniente del tráfico puede quebrar las partículas y modificar la estructura original. Se denomina partícula chata cuando la relación ancho/espesor es mayor de 1/3; y alargada cuando la relación largo/ancho es mayor de 1/3.
3.3.4 Porcentaje de Caras Fracturadas ASTM D-5821; MTC E 210
Algunas especificaciones técnicas contienen requisitos relacionados al porcentaje de agregado grueso con caras fracturadas con el propósito de maximizar la resistencia al esfuerzo cortante con el incremento de la fricción entre las partículas. Otro propósito es dar estabilidad a los agregados empleados para carpeta o afirmado; y dar fricción y textura a agregados empleados en pavimentación.
La forma de la partícula de los agregados puede afectar la trabajabilidad durante su colocación; así como la cantidad de fuerza necesaria para compactarla a la densidad requerida y la resistencia de la estructura del pavimento durante su vida de servicio.
Las partículas irregulares y angulares generalmente resisten el desplazamiento (movimiento) en el pavimento, debido a que se entrelazan al ser compactadas. El mejor entrelazamiento se da, generalmente, con partículas de bordes puntiagudos y de forma cúbica, producidas, casi siempre por trituración.
3.3.5 Ensayo de Equivalente en Arena ASTM D 2419; MTC E 114
Este método de ensayo asigna un valor empírico a la cantidad relativa, finura y características del material fino presente en una muestra de ensayo formado por suelo granular que pasa el tamiz Nº4 (4.75 mm). El término “Equivalente de Arena” transmite el concepto que la mayoría de los suelos granulares y agregados finos son mezcla de partículas gruesas, arenas y generalmente finos.
Para determinar el porcentaje de finos en una muestra, se incorpora una medida de suelo y solución en una probeta plástica graduada que luego de ser agitada separa el recubrimiento de finos de las partículas de arena; después de un período de tiempo, se pueden leer las alturas de arcilla y arena en la probeta. El equivalente de arena es la relación de la altura de arena respecto a la altura de arcilla, expresada en porcentaje. Este método proporciona una manera rápida de campo para determinar cambios en la calidad de agregados durante la producción o colocación.
Foto 3.2: Ensayo Equivalente de Arena
3.3.6 Sales Solubles Totales ASTM D 1888; MTC E 219
El objetivo de este ensayo es cuantificar el contenido de cloruros y sulfatos, solubles en agua, de los agregados pétreos empleados en bases y mezclas bituminosas. Este método sirve para efectuar controles en obra, debido a la rapidez de visualización y cuantificación de la existencia de sales.
Una muestra de agregado pétreo se somete a continuos lavados con agua destilada a ebullición. La presencia de sales, se detecta mediante reactivos químicos, los cuales, al menor indicio de sales forman precipitados fácilmente visibles. Del agua total de lavado, se toma una parte y se procede a cristalizar para determinar la cantidad de sales presentes. 3.4 Ensayos para Cuantificar el Comportamiento Mecánico de las Capas
que conforman la Estructura del Pavimento
Los materiales que conformaran las capas de afirmado, sub base y base deberán ser ensayados con el método de proctor modificado para determinar su máxima densidad seca y el optimo contenido de humedad. Con estos valores se prepararan especimenes remoldeados para el ensayo de CBR. El CBR asociado al 95% de la máxima densidad será el CBR de diseño para cada capa.
Se debe recalcar que el CBR asociado a la máxima densidad seca, es un método que se recomienda usar sólo en el caso de material de cantera (afirmado, sub base y base) o en subrasantes granulares. No se recomienda emplear este método en subrasantes finas.
