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asflato y concreto
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Ing. Johny Bendezu Acero 1Pavimentos-2015
II Capítulo:
Caracterización de los materiales
Ing. Johny Bendezu Acero 2Pavimentos-2015
2.3 Materiales Bituminosos
AsfaltoDefinición: El asfalto es un materialaltamente impermeable, adherente ycohesivo, capaz de resistir altosesfuerzos instantáneos y fluir bajo laacción de cargas permanentes.
Cambia su comportamientodependiendo de la temperatura y eltiempo de aplicación de la carga.
• A bajas temperaturas
• A altas temperaturas
Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 3
PSEUDO-PLÁSTICO
FLUIDO-VISCOSO
Propiedades
• Es un aglomerante resistente, muy adhesivo.
• Es altamente impermeable y duradero.
• Alta resistencia al envejecimiento
• Es una sustancia plástica que da flexibilidad controlable a las mezclas de áridos con los que se combina usualmente.
• Es altamente resistente a la mayor parte de los ácidos, álcalis y sales.
• Es una sustancia solida o semisólida a temperatura atmosférica normal.
• Puede licuarse fácilmente por aplicación de calor, por la acción de disolventes de volatilidad variable, o por emulsificacion.
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Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 5
Proceso Típico de Refinación
Asfaltos refinados para pavimentación.
Materiales asfalticos líquidos
Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 6
Tipos de crudo
El petróleo crudo se destila para separar sus diversas fracciones y recuperar el asfalto.
Temperaturas de destilación de crudo de petróleo
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Asfaltos con Base en el Petróleo
• El Asfalto es un sub-producto de refinería, obtenido del procesamiento del petróleo crudo.
• Sus propiedades dependen de:
– Operaciones en la refinería
– Composición de la fuente del crudo
Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 8
Componentes del cemento asfalticoAsfáltenos
• Partículas sólidas bituminosas discretas.
• Alta Viscosidad.
• Proveen elasticidad, resistencia y cohesión.
Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 9
Maltenos• Se subdividen en resinas y aceites.
Resinas• Muy susceptibles a la Temperatura. (fluidas cuando se calientan, semi-sólidas o sólidas a temperatura ambiente, quebradizas cuando están frías)• Son los responsables de la viscoelasticidad.• En la oxidación se transformanen asfáltenos.
Aceites• Aumentan la fluidez.• Soluble en la mayor parte de solventes• En la oxidación se transforman en resinas
Estructura Coloidal del Asfalto
• Normalmente se atribuye al asfalto una estructura dedispersión coloidal en forma de Gel.
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Reología del Asfalto
• Estudio de los cambios en la forma y el flujo de la materia, abarcando, elasticidad, viscosidad y plasticidad.
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Reología del Asfalto
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Elástico Visco-Elástico Viscoso
Curva reologica del asfalto
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Tipos de asfalto de pavimentación
Cemento Asfáltico
• Generalmente material producido en la refinería
• Cementos Asfálticos Soplados
Asfalto Diluido o Rebajado “Cutbacks”
• Cementos Asfálticos “rebajados” con solventes de petróleo (RC-MC-SC).
Asfalto Emulsificado
• Mezclas de cemento asfáltico, agua y un agente emulsificante.
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Productos Asfalticos Líquidos
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Cutbacks
Curado Rápido (RC) (Nafta o Gasolina)
• Alta volatilidad del solvente
• Riegos de Liga, Tratamientos Superficiales
Curado Medio (MC) (Kerosene)
• Moderada volatilidad
• Mezclas almacenables para bacheo
Curado Lento (SC) (Aceite de baja viscosidad)
• Baja volatilidad
• Imprimación, control de polvo
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Emulsiones Asfálticas
Es un sistema heterogeneo que normalmente contienedos fases inmiscibles (asfalto y agua) en donde el aguaforma la fase continua de la emulsión, y pequeños glóbulosde asfalto forman la fase discontinua. La emulsión deasfalto pueden ser de tipo aniónico (glóbulos cargadosnegativamente) o catiónico (glóbulos cargadospositivamente), dependiendo del agente emulsionante.
• Aniónicas: carga negativa, alkalina, buena para calizas (carga positiva)
• Catiónicas: carga positiva, acida, buena con gravas silíceas (carga negativa)
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Emulsiones Asfálticas
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Emulsiones Asfálticas
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Cemento asfáltico
El cemento asfáltico a emplear en los riegos deliga y en las mezclas asfálticas elaboradas encaliente serán clasificados:
• Por viscosidad absoluta
• Por penetración
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Pruebas para determinar las propiedades del cemento asfaltico
• Penetración
• Viscosidad
• Ductilidad
• Punto de Inflamación
• Solubilidad
• Índice de penetración
• Ensayo de película delgada
Penetración
El ensayo de penetración determina la dureza oconsistencia relativa del asfalto, midiendo la distancia(mm/10) que una aguja normalizada penetraverticalmente.
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PENetracion en 0.1 mm
Penetración
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Tipos Usados en el Perú:
• CA PEN 40/50
• CA PEN 60/70
• CA PEN 85/100
• CA PEN 120/150
Viscosidad
• Se define como el pequeñorozamiento interno que seda entre las capas de unfluido. Esta es unapropiedad importante y uníndice de la medida en queeste rozamiento de lasmoléculas se opone almovimiento de la masa delfluido.
Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 26
• Es la resistencia de unliquido a fluir.
Viscosidad
Relación entre elesfuerzo de corteaplicado y la tasade deformacióncortante.
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Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 28
Viscosidad del asfalto
• Comportamiento reológicocuando el asfalto seencuentra en estadoliquido.
• Indica la consistencia delasfalto
• Determina la resistencia aldesplazamiento en el rangode temperaturas usadasdurante los usos deaplicación.
Viscosidad Absoluta
• Tubo en forma de U, con marcas & rellenado con asfalto
• Colocado en un baño a 60 °C
• Se usa el vacío para hacer pasar el asfalto a través del tubo
• Se toma el tiempo para pasar las marcas
• Viscosidad en Poises
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Viscosidad Cinemática
• Tubo con marcas & relleno con asfalto
• Colocado en un baño a 135 °C
• La gravedad mueve el asfalto a través del tubo
• Se toma el tiempo para pasar las marcas
• Visc. en mm2/ s (centistokes)
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Viscosidad Saybolt Furol
Ductilidad
• Este concepto está directamente asociado a la capacidaddel material de absorber energía
• Es la medida en centímetros de la longitud final que alcanzael asfalto por estiramiento hasta su ruptura.
• Se elonga a una velocidad de 5 cm/mín a 25 °C.
• Una alta ductilidad indica mayor susceptibilidad térmica.
• los asfaltos con las ductilidades mas bajas, tienen una grantendencia a producir pavimentos con agrietamientoexcesivo.
Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 31
Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 32
Punto de inflamación
Punto de inflamación
(copa abierta de Cleveland)
• Es la Temperatura masbaja a la cual los vaporesdel asfalto puedeninflamarse al entrar encontacto con una “llama“.
Solubilidad
• Determina el contenido de Bitumen (Ligante) en el Asfalto.
• Mide la pureza de un cemento asfaltico.
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Índice de penetración
• Expresa la sensibilidad del Asfalto ante una variación de temperatura.
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Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 35
Ensayo de película delgada
Ensayo de
Película delgada
• Se emplea para prever el endurecimiento que puede esperarse se produzca en el cemento asfaltico durante las operaciones de mezclado en las plantas de mezcla en caliente.
• Esta tendencia al endurecimiento se mide por ensayos de penetración realizados antes y después del tratamiento en estufa.
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Especificaciones cemento asfáltico
Especificaciones cemento asfáltico
Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 37
Ing. Johny Bendezu Acero 38Pavimentos-2015
3.3Mezclas asfálticas
Mezclas asfálticas• Las mezclas asfálticas están
formadas por un materialpétreo bien graduado ycemento asfáltico comoligante.
• Se elaboran en una plantaque calienta el materialpétreo a una temperatura de140 ó 150 ºC y el cementoasfáltico a una temperaturade 110 a 130 ºC.
Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 39
• Después que el materialpétreo esté caliente y seco semezclan sus componentes deacuerdo a una composicióngranulométrica aprobada,incorporándole a continuaciónel cemento asfáltico en unacantidad previamentedefinida.
• Las mezclas terminadas seextienden en capas uniformesen el espesor y anchorequeridos, para luego sercompactadas a temperaturassuperiores a los 90 ºC.
Diseño de Mezclas de Concreto Asfáltico
• Objetivo: desarrollar una mezcla económica deagregados y asfalto que cumpla con losrequerimientos de diseño.
• Métodos de diseño de mezcla:
– Marshall
– Hveem
– Superpave (nuevo)
Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 40
Propiedades volumétricas en las mezclas asfálticas
• Densidad de la mezcla
• Vacíos de aire, o simplemente vacíos
• Vacíos en el agregado mineral (VMA)
• Contenido de asfalto
Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 41
Diseño de Mezclas de Concreto Asfáltico
Las mezclas asfálticas estánconstituidas aproximadamente porun 90 % de agregados pétreosgrueso y fino, un 5% de polvomineral (filler) y otro 5% de liganteasfaltico. Los componentesmencionados anteriormente son degran importancia para el correctofuncionamiento del pavimento y lafalta de calidad en alguno de ellosafecta el conjunto.
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Cemento asfaltico
Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 43
Propiedades consideradas en el diseño de mezclas
• Estabilidad
• Durabilidad
• Impermeabilidad
• Trabajabilidad
• Flexibilidad
• Resistencia a la fatiga
• Resistencia al deslizamiento
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Temperaturas de aplicación del asfalto
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Modulo de resilencia en mezclas asfálticas
Métodos basados en Ensayos de Laboratorio
1. Ensayo uniaxial de tensión
2. Ensayo de compresión uniaxial
3. Ensayo de flexión (viga o cantilever)
4. Ensayo de tensión indirecta diametral
5. Ensayo de compresión triaxial
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Modulo de resilencia en mezclas asfálticas
Métodos Empíricos-Predictivos
Estabilidad en kg y flujo en mm.
Estabilidad en lb y flujo en pulgadas
Modulo dinámico en mezclas asfálticas
• Describe la relación esfuerzo-deformación de materiales visco elásticos.
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Modulo dinámico en mezclas asfálticas E
• Es la principal propiedad de las mezclas asfálticas para los modernos métodos empírico-mecanicistas de diseño de pavimentos flexibles. Esta propiedad que describe la relación entre tensiones impuestas y deformaciones resultantes es fuertemente dependiente de la temperatura y la frecuencia de ensayo así como de otros factores tales como la rigidez del ligante asfáltico utilizado, la composición granulométrica de los agregados y los contenidos volumétricos de asfalto y vacíos. El equipo de ensayos permite la medición mediante dos configuraciones diferentes (compresión axial y tracción indirecta) a las frecuencias de 5, 4, 2, 1, 0.5, 0.25 y 0.1 Hz y a las temperaturas de 0, 10, 20, 30 y 40 °C lo que permite posteriormente al trazado de las respectivas Curvas Maestras.
Por otra parte, el equipo puede ser adaptado para medir el Módulo Resiliente de acuerdo a la Norma EN 12697-26, Mezclas bituminosas -Métodos de ensayo para mezclas bituminosas en caliente – Parte 26: Rigidez
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Modulo dinámico en mezclas asfálticas(cálculo indirecto AAHSTO 2008)
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Modulo de dinámico en mezclas asfálticas(cálculo indirecto Instituto del Asfalto)
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Diferencias entre el módulo resilente y el módulo dinámico
CARACTERISTICA COMPRESION TRACCION INDIRECTAMODULO DINAMICO
COMPLEJOMODULO DINAMICO DE RIGIDEZ
ESPECIMEN4" de diámetro 8" de
altura
4" de diámetro y 2.5"
de espesor (Tamaño
de la muestra Marshall)
cilíndricasviga de 15" de largo
ancho y espesor 3"
TEMPERATURA
DE ENSAYO
ECUACION
MODULO
RESILENTE
CARGA LA QUE
SE CALCULA EL
MR20 psi 40-60 lb 200 repeticiones
TIPO DE CARGA sinusoidal o haversine haversine
DURACION DE LA
CARGA0.1 s 0.1 s 30-40 s 0.1 s
DURACION
REPOSO0.9 3 s sin reposo 0.4 s
MODULO RESILENTE
41, 77 Y 104 ºF
haversine
MODULO DINAMICO
r
d
RM
t
PM R
2734.0
3
22
4
43
hb
aLaPEs rte
Elog
*
1
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Modulo de rigidez del asfalto (nomograma de Shell)
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Modulo de rigidez del asfalto
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Fatiga de mezcla asfáltica en función del tipo de agregado y la temperatura de la prueba
100
1000
10000
100 1000 10000 100000 1000000 10000000
Cycles to failure
Un
it s
tra
in,
inc
h/i
nc
h (
x1
0-6
)
Crushed granite 85-
100, 75 oF
Uncrushed gravel 85-100,
40 oF Crushed granite
85-100, 40oF
Uncrushed gravel 85-
100 68oF
Ing. Johny Bendezu Acero 63Pavimentos-2015
2.4 Concreto hidráulico
Concreto hidráulico
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Materiales
Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 66
Agregado fino
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Agregado grueso
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Agua
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Concreto
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Clases de concreto
Propiedades del concreto en estado fresco
Consistencia
Peso unitario
Contenido de aire
Temperatura de la mezcla
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Revenimiento o slump
Asentamiento recomendado para diversos tipos de obras. (ACI-211.1-91)
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Contenido de aire
74
Quemaduras
Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero
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Cuidado
El contacto con el concreto fresco, mortero, cemento, o mezclas de cemento pueden causar la irritación de piel, graves quemaduras químicas o daño serio en los ojos.
La exposición frecuente puede ser relacionado con irritación y/o dermatitis alérgica de la piel .
Cuando se trabaje con estos materiales usar guantes impermeables, camisa larga , pantalones largos y protección adecuada para los ojos.
Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero
Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 76
Estructura de Hid ratación de la pasta vs Relació n Agua/Cemento
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9
Relación Agua/Cem ento
Po
rce
nta
je
Ceme nto Hidratado Cemento sin hidra ta r Poros capilar es Agua de hidratación Agua Sobrante
Propiedades del concreto en estado endurecido
Resistencia a la Compresión
Resistencia a la Flexión
Módulo Elástico
Relación de Poisson
Resistencia a la abrasión
Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 77
Resistencia a la Compresión
• Ensayo mucho mas fácil de realizar.
• Correlación con el modulo de rotura.
• Menos propenso a variaciones durante el ensayo.
Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 78
Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 79
Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 80
Muestra con diamantina (extracción de núcleos por barrenacion)
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Modulo de rotura (Sc)
• La resistencia a la tracción del concreto sedetermina por métodos indirectos (flexión ycompresión diagonal), los cuales producenvalores de resistencia mayores que la resistenciaa la tracción real bajo carga uniaxial.
• En la prueba de flexión el esfuerzo a la tensiónmáximo se alcanza en la fibra del fondo de laviga de prueba (módulo de rotura) el cual seemplea en el diseño de pavimentos.
Resistencia a la tracción directa
Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 82
Resistencia a la tracción indirecta (compresión diametral)
Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 83
Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 84
Ensayo de compresión diametral o diagonal
dL
PSMR c
2'
Resistencia a la tracción indirecta (flexión)
Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 85
Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 86
Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 87
Cálculo del módulo de rotura
• Módulo de rotura del concreto a los 28 días ensayo de viga cargada en el tercio
3'
db
lPSMR c
Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 88
Modulo de Rotura del Concreto
Se aplica carga en el tercio central de una viga de 6x6x30” y cuando el tamaño máximo es menor a 1” la viga es de 4x4x20”, la prueba ASTM C78 se efectua en una viga de 6x6x20”
Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 89
Modulo de rotura a partir del ensayo de compresión simple
Mr
Mr
Modulo de rotura a partir del ensayo de compresión simple
Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 90
Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 91
Elasticidad del concreto
• El concreto se comporta de manera no elástica-no lineal, y presenta deformación permanente despues del retiro de la carga.
• El módulo de Young se puede determinar únicamente para la parte inicial de la curva de carga.
• Cuando no esta presente una porción recta de la curva se puede medir el módulo tangente inicial.
• Para efectos prácticos se considera la deformación por la aplicación del esfuerzo de diseño se considera elástica y el subsecuente incremento como flujo plástico (módulo secante) se mide por lo general con esfuerzos que van de 15 a 50% de la resistencia de corto plazo.
Elasticidad del concreto
Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 92
Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 93
Módulo de elasticidad
Módulo de elasticidad
Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 94
Relacion de poisson
• La relación de Poisson es unamedida de la deflection que esperpendicular a la dirección dela carga. El valor usadocomúnmente para concreto es0.20 a 0.21, pero el valorpuede variar de 0.15 a 0.25dependiendo de los agregados,humedad, edad del concreto yresistencia a la compresión.
Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 95
• The coefficient of thermal expansion ranges from 3 to 8 X 10-6/°F (5.4 to 14.4 x 10-6/°C), with 5 x 10-6/°F(9 x 10-6/°C) as typical. The coefficient of drying shrinkage ranges from 0 .5 to 2 .5 x 10-4, with 1 x 10-4 as typical .
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Resistencia a la abrasión mecánica
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Resistencia a la fatiga del concreto
• Cuando el concreto falla bajo ciertonúmero de cargas repetidas todas ellasmenores que la resistencia estática a lacompresión.
• Nf: numero de ciclos para la falla.
Resistencia a la fatiga del concreto
• La Asociación de Cemento Portland recomienda el uso de las siguientes ecuaciones de fatiga:
Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 99
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Fatiga en pavimentos de concreto
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Fatiga en pavimentos de concreto
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.E+00 1.E+02 1.E+04 1.E+06 1.E+08
Load application to failure
Str
ess/
stre
ngth
Kesler Samples did not fail (Kesler)Raithby & Galloway BallingerSamples did not fail (Ballinger) Best fit line
PCA
Zero maintenance
design
Figure 6-4.5 Summary of PCC fatigue data with three fatigue models (after 1)
Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 102
Pavimentos-2015 Ing. Johny Bendezu Acero 103
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