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Curso básico de Diseño de Pavimentos elaborado por Fernando Sanchez Sabogal, Ingeniero Civil.Éste curso es un paso a paso del diseño de pavimentos siguiendo los métodos más utilizados en éste campo.
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CURSO BÁSICO DE
DISEÑO DE PAVIMENTOS
FERNANDO SANCHEZ SABOGAL
Ingeniero Civil
PRIMERA PARTE - PRINCIPIOS FUNDAMENTALES
MÓDULO 1 - INTRODUCCIÓN AL DISEÑO DE PAVIMENTOS
MÓDULO 2 - ESFUERZOS Y DEFORMACIONES EN PAVIMENTOS
ASFÁLTICOS
MÓDULO 3 - ESFUERZOS EN PAVIMENTOS RÍGIDOS
MÓDULO 4 - CARACTERIZACIÓN DEL TRÁNSITO
MÓDULO 5 - CONSIDERACIONES SOBRE EL DRENAJE EN LOS
PAVIMENTOS
CONTENIDO
SEGUNDA PARTE - MATERIALES PARA LA
CONSTRUCCIÓN DE PAVIMENTOS
MÓDULO 6 - EVALUACIÓN DE LA SUBRASANTE
MÓDULO 7 - MATERIALES PARA BASE Y SUBBASE
MÓDULO 8 - LIGANTES BITUMINOSOS
MÓDULO 9 - REVESTIMIENTOS BITUMINOSOS
MÓDULO 10 - MATERIALES PARA PAVIMENTOS RÍGIDOS Y DE
ADOQUINES
MÓDULO 11 - VARIABILIDAD EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
CONTENIDO
TERCERA PARTE - DISEÑO DE PAVIMENTOS PARA
CALLES Y CARRETERAS
MÓDULO 12 - DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS PARA
CALLES Y CARRETERAS
MÓDULO 13 - DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS PARA CALLES
Y CARRETERAS
MÓDULO 14 - DISEÑO DE PAVIMENTOS DE ADOQUINES
CONTENIDO
CUARTA PARTE - CONSTRUCCIÓN DE PAVIMENTOS
MÓDULO 15 - CONSTRUCCIÓN DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
MÓDULO 16 - CONSTRUCCIÓN DE PAVIMENTOS RÍGIDOS Y DE
ADOQUINES
CONTENIDO
QUINTA PARTE – EVALUACIÓN, MANTENIMIENTO Y
REHABILITACIÓN DE PAVIMENTOS
MÓDULO 17 - MANTENIMIENTO RUTINARIO DE VÍAS
PAVIMENTADAS
MÓDULO 18 - EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS
MÓDULO 19 - SELECCIÓN DE TRATAMIENTOS Y DE
ESTRATEGIAS DE REHABILITACIÓN
MÓDULO 20 - DISEÑO DE OBRAS DE REHABILITACIÓN PARA LA
CORRECCIÓN DE DEFICIENCIAS ESTRUCTURALES
CONTENIDO
SEXTA PARTE – VÍAS EN AFIRMADO
MÓDULO 21 - VÍAS EN AFIRMADO
SÉPTIMA PARTE – ANÁLISIS ECONÓMICO
MÓDULO 22 - ADMINISTRACIÓN DE PAVIMENTOS
CONTENIDO
APÉNDICE
INTRODUCCIÓN A LA GUÍA AASHTO DE DISEÑO EMPÍRICO-
MECANÍSTICO DE PAVIMENTOS
INTRODUCCIÓN AL DISEÑO
DE PAVIMENTOS
CONTENIDO
Desarrollo histórico
Definiciones
Tipos de pavimentos
Factores que afectan el diseño y el comportamiento de los
pavimentos
Pavimentos flexibles contra pavimentos rígidos
Pavimentos de aeropistas contra pavimentos de carreteras
Marco general del diseño de pavimentos
INTRODUCCIÓN AL
DISEÑO DE PAVIMENTOS
DESARROLLO
HISTÓRICO
EVENTO ÉPOCA LUGAR SIGNIFICADOInvención de la
rueda
3000 A.C. Asia Facilitó el intercambio comercial y el desplazamiento
de las personas
Caminos de gran
longitud500 A.C. Asia Vía de enlace entre Susa (Persia) y el Mediterráneo
Legislación sobre
caminos
1607 Francia Se sancionó el primer código de carreteras,
estableciendo métodos de construcción y
mantenimiento de caminos
Uso del alquitrán 1848 Inglaterra Primer camino con superficie pavimentada
Uso moderno del
asfalto1852 Francia Primer pavimento de macadam con asfalto natural
Caminos de
hormigón1879 Escocia Primer pavimento de concreto de cemento
Automóvil de llanta
neumática inflable1895 Francia Aumento de la comodidad de circulación
Autoestrada Milan -
Lagos Alpinos
1924 Italia Primera vía del mundo con control total de accesos,
para servir altos volúmenes de tránsito
Inauguración de la
Pennsylvania
Turnpike
1940 U.S.A. Primera supercarretera construida en América
DESARROLLO HISTÓRICO
INVENCIÓN DE LA RUEDA
DESARROLLO HISTÓRICO
Las ruedas más antiguas que se conocen fueron
construidas en la antigua Mesopotamia, entre los años
3500 A.C. y 3000 A.C.
En su forma más simple, la rueda era un disco sólido
de madera, fijado a un eje redondo mediante espigas de
madera
Con el transcurso de los años se eliminaron secciones
del disco para reducir su peso y los radios empezaron a
emplearse en torno al año 2000 antes de Cristo
Estandarte de Ur
(2500 A.C.)
Rueda de Ur
¿3000 A.C.?
INVENCIÓN DE LA RUEDA
DESARROLLO HISTÓRICO
PRIMER CAMINO DE GRAN LONGITUD
DESARROLLO HISTÓRICO
En el siglo V A.C., Darío I el Grande expandió el
imperio aqueménida, dividió sus dominios en veinte
satrapías encabezadas por miembros de la familia real y
ordenó la construcción de una carretera desde la capital
de Lidia, en el oeste de la actual Turquía, hasta Susa,
para llevar el correo imperial mediante postas ecuestres
Este servicio sirvió de inspiración al ―Pony Express‖,
establecido por la administración postal norteamericana
a mediados del siglo XIX
PRIMER CAMINO DE GRAN LONGITUD
DESARROLLO HISTÓRICO
CALZADAS ROMANAS
DESARROLLO HISTÓRICO
Red de carreteras muy eficiente, sin igual hasta los
tiempos actuales, que abarcaba todo el Imperio Romano
En un principio, el sistema fue diseñado con fines
militares y políticos: mantener un control efectivo de las
zonas incorporadas al Imperio era el principal objetivo de
su construcción
Una vez construidas, las calzadas adquirieron gran
importancia económica, pues al unir distintas regiones,
facilitaban el comercio y las comunicaciones
CALZADAS ROMANAS
DESARROLLO HISTÓRICO
En la cumbre de su poder, el sistema de carreteras del
Imperio Romano alcanzó unos 80.000 km, consistentes
en 29 calzadas que partían de la ciudad de Roma, y una
red que cubría todas las provincias conquistadas
importantes, incluyendo Gran Bretaña
Las calzadas romanas tenían un espesor de 90 a 120
cm y estaban compuestas por tres capas de piedras
argamasadas cada vez más finas, con una capa de
bloques de piedras encajadas en la parte superior
DESARROLLO HISTÓRICO
CALZADAS ROMANAS
(Sección transversal típica)
DESARROLLO HISTÓRICO
CALZADAS ROMANAS
DESARROLLO HISTÓRICO
CALZADAS ROMANAS
(Mapa general)
Calzada en Paestum
Italia
Vía Apia, construida en el 312 A.C. por
el censor romano Apio Claudio el Ciego
DESARROLLO HISTÓRICO
CALZADAS ROMANAS EN LA ACTUALIDAD
TABLA DE PEUTINGER
Mapa de carreteras más antiguo que existe y contiene
algunos caminos del Imperio Romano
Tiene 11 hojas y cubre 20.000 kilómetros de vías
Fue elaborado en los siglos XII o XIII y es una copia
de un documento más antiguo, quizás del siglo IV
Konrad Peutinger lo heredó en 1508 del bibliotecario
del emperador Maximiliano de Austria
Se encuentra en la Biblioteca Nacional de Austria
DESARROLLO HISTÓRICO
TABLA DE PEUTINGER
(fragmento de una edición del siglo XVI)
DESARROLLO HISTÓRICO
Hubert Gautier (1660 - 1737)
Escribió en 1716 el ―Traité des Ponts‖,
y en 1721 el ―Traité de la Construction
des Chemins‖, considerados los primeros
tratados modernos sobre construcción de
puentes y de caminos
Fue durante 28 años inspector de
puentes y caminos de la provincia de
Languedoc (Francia)
PERSONAJES NOTABLES
DESARROLLO HISTÓRICO
Pierre-Marie Jérôme Trésaguet (1716 - 1796)
Consideró que el suelo de fundación, y no las capas de
la calzada, debería soportar las cargas y desarrolló un
sistema de construcción mejorando el soporte con una
espesa capa de piedras uniformes, cubierta por otras dos
capas de partículas de menor tamaño y de bajo espesor
PERSONAJES NOTABLES
DESARROLLO HISTÓRICO
Thomas Telford (1757 – 1834)
Aplicando conceptos similares a los de
Trésaguet, mejoró el soporte mediante el
empleo de piedras cuidadosamente
seleccionadas de gran tamaño (100 mm de
ancho y hasta 180 mm de altura), sobre las
cuales colocaba otras capas de partículas
de tamaño menor
PERSONAJES NOTABLES
DESARROLLO HISTÓRICO
PERSONAJES NOTABLES
John Loudon McAdam (1756 – 1836)
Construyó caminos con una capa de
partículas de piedra partida de igual
tamaño (según él, ninguna partícula que no
quepa en la boca de un hombre puede ir en
el camino), cubierta por partículas más
pequeñas, la cual se consolidaba bajo
tránsito, hasta formar una capa de rodadura
densa e impermeable
DESARROLLO HISTÓRICO
PERSONAJES NOTABLES
Edmund J. DeSmedt
Aunque anteriormente se
construyeron algunas superficies
pavimentadas con alquitrán, fue
el 29 de Julio de 1870 cuando
este químico belga colocó el
primer verdadero pavimento
asfáltico (Sheet Asphalt) en los
Estados Unidos de América, en
Broad Street, al frente del City
Hall de Newark (New Jersey)
DESARROLLO HISTÓRICO
PERSONAJES NOTABLES
George Bartholomew
Construyó el primer pavimento
de concreto en América, en
Bellefontaine, Ohio, en 1891
DESARROLLO HISTÓRICO
PERSONAJES NOTABLES
Edouard Michelin (1859-1940)
Inventó el neumático inflable y
desmontable para automóvil y, en
1895, condujo el primer automóvil
con llantas de este tipo en la
carrera París -Burdeos-París
DESARROLLO HISTÓRICO
INSPIRACIÓN PARA BIBENDUM
Frederick J. Warren
Patentó en 1900 las primeras mezclas asfálticas en caliente
para pavimentación, denominadas ―Warrenite-Bitulithic‖
PERSONAJES NOTABLES
DESARROLLO HISTÓRICO
LOS CAMINOS A COMIENZOS DEL SIGLO XX
DESARROLLO HISTÓRICO
LOS CAMINOS A COMIENZOS DEL SIGLO XX
DESARROLLO HISTÓRICO
En 1910, se construyó el primer pavimento de concreto en
una carretera en el continente americano (6 pulgadas de
espesor), en un tramo aproximado de una milla en Wayne
County (Michigan)
LA PRIMERA CARRETERA COLOMBIANA PARA
TRÁNSITO AUTOMOTOR
Bogotá – Santa Rosa de Viterbo
DESARROLLO HISTÓRICO
Primera carretera construida por el Ministerio de Obras
Públicas (1905 – 1908) en una longitud de 247 kilómetros,
durante la presidencia de Rafael Reyes
PRIMERA GRAN CARRETERA DEL MUNDO
Autostrada dei laghi
DESARROLLO HISTÓRICO
Obra concebida en 1921 por el ingeniero Piero Puricelli
(1883-1951), cuyo primer tramo, entre Milán y Varese, fue
inaugurado el 21 de septiembre de 1924
Aunque en su etapa inicial sólo tuvo 2 carriles, fue la primera
carretera del mundo con un diseño geométrico apropiado para
alta velocidad y con control total de accesos
PENNSYLVANIA TURNPIKE
(Primera supercarretera de América)
DESARROLLO HISTÓRICO
En 1934, Victor Lecoq empleado de la Oficina de
Planeación Estatal y William Sutherland de la Pennsylvania
Motor Truck Association propusieron construir una gran
carretera, aprovechando la explanación y los túneles de un
proyecto ferroviario abandonado desde 1885
La obra se inició el 27 de octubre de 1938, el pavimento
rígido comenzó a colocarse el 31 de agosto de 1939 y la
autopista, de 160 millas, 72 túneles, 11 intercambiadores a
desnivel y 10 plazas de peaje, se abrió al tránsito público el 1
de octubre de 1940
PENNSYLVANIA TURNPIKE
(Primera supercarretera de América)
DESARROLLO HISTÓRICO
Los primeros autos esperan la apertura
de la autopista el 1 de octubre de 1940
Corte Clear Ridge de 153 pies de
altura y media milla de longitud
CAMINOS Y PISTAS DE PRUEBA
DESARROLLO HISTÓRICO
Desde principios del siglo XX los Departamentos de
Carreteras de los Estados Unidos de América han construido
caminos pavimentados de ensayo, con el propósito de evaluar
de manera acelerada y a escala real los efectos del clima, de los
materiales de construcción y de las cargas del tránsito sobre el
diseño y el comportamiento de los pavimentos
El desarrollo tecnológico reciente ha permitido la
construcción de pistas de prueba de tamaño real o a escala
reducida en diferentes partes del mundo, en las cuales se
simulan, en poco tiempo, los efectos de las diferentes variables
sobre el comportamiento de los pavimentos a largo plazo
ARLINGTON ROAD TEST (1921 - 1922)
CAMINOS Y PISTAS DE PRUEBA
DESARROLLO HISTÓRICO
Ensayo realizado con vehículos de ruedas macizas de caucho
sobre diferentes superficies, en pistas circulares
Se comprobó el efecto de las fuerzas de impacto de diferentes
cargas por rueda, lo que condujo a estudios posteriores más
refinados y a la inclusión de llantas con neumáticos inflables
PITTSBURG (CA) ROAD TEST (1921 - 1922)
Comparación del comportamiento de pavimentos de
concreto simple y reforzado
CAMINOS Y PISTAS DE PRUEBA
DESARROLLO HISTÓRICO
1371 pies, divididos en 13 secciones de pavimentos de
concreto simple y reforzado, entre 5‖ y 8‖ de espesor
Se determinó que los pavimentos reforzados presentaban
un mejor comportamiento que los de concreto simple
En 1922 y 1923 se construyeron en Illinois 78
secciones de prueba con superficies de ladrillo, concreto
y asfalto, para determinar cuál era el material más
adecuado para pavimentar las carreteras del Estado
Como resultado de las pruebas, se eligió el concreto
para la pavimentación y se desarrolló el primer
procedimiento de diseño de espesores (Fórmula de
Older)
BATES ROAD TEST
DESARROLLO HISTÓRICO
BATES ROAD TEST
DESARROLLO HISTÓRICO
MARYLAND ROAD TEST (1950 - 1951)
Su finalidad fue estudiar el efecto de 2
configuraciones de ejes, cada una con 2 cargas
diferentes, sobre el comportamiento de pavimentos de
concreto hidráulico
DESARROLLO HISTÓRICO
CAMINOS Y PISTAS DE PRUEBA
El agrietamiento aumentó con la magnitud de la carga,
para la mayoría de las secciones de pavimento rígido
El ―bombeo‖ se presentó cuando las losas estaban
apoyadas sobre suelos finos, pero no sobre bases granulares
El ―bombeo‖ produjo mayores deflexiones en las esquinas
de las losas
El alabeo se producía principalmente en las esquinas de las
losas
El aumento de velocidad reducía los daños en el pavimento
PRINCIPALES HALLAZGOS DEL MARYLAND ROAD TEST
DESARROLLO HISTÓRICO
WASHO ROAD TEST (1952 - 1954)
DESARROLLO HISTÓRICO
CAMINOS Y PISTAS DE PRUEBA
Construido en Malad (Idaho) para evaluar el
comportamiento de pavimentos asfálticos bajo cuatro (4)
configuraciones diferentes de ejes
Las pruebas se realizaron entre 1952 y 1954
Se construyeron pavimentos con espesores totales
entre 150 y 550 mm, con capas asfálticas de 50 mm y
100 mm
Constó de dos circuitos con 46 secciones de ensayo
WASHO ROAD TEST (1952 - 1954)
DESARROLLO HISTÓRICO
CAMINOS Y PISTAS DE PRUEBA
Los daños aumentan con la magnitud de la carga
Se producen mayores deterioros en los carriles exteriores
cuando la bermas no están pavimentadas
Ejes tándem con una carga aproximadamente igual a 1,5
veces la carga de un eje simple, causaban el mismo deterioro
Ejes tándem con una carga aproximadamente igual a 1,8
veces la de un eje simple, producían igual deflexión máxima
Se estableció la utilidad de las medidas de deflexión en el
desarrollo de métodos de diseño de refuerzos de pavimentos
asfálticos (viga Benkelman)
PRINCIPALES HALLAZGOS DEL WASHO ROAD TEST
DESARROLLO HISTÓRICO
AASHO ROAD TEST (1958 - 1960)
DESARROLLO HISTÓRICO
CAMINOS Y PISTAS DE PRUEBA
El ensayo tuvo por finalidad estudiar el comportamiento de
estructuras de pavimentos de carreteras, de espesores
conocidos, bajo la acción de cargas en movimiento, de
magnitud y frecuencia conocidas
Se construyeron 6 pistas de ensayo, 5 de las cuales fueron
sometidas a tránsito controlado
La información obtenida en esta prueba constituyó un
avance crucial en el conocimiento del diseño estructural, del
comportamiento de los pavimentos, de las equivalencias de
daño entre cargas por eje, etc
AASHO ROAD TEST
DESARROLLO HISTÓRICO
AASHO ROAD TEST
DESARROLLO HISTÓRICO
AASHO ROAD TEST
DESARROLLO HISTÓRICO
Ottawa - Illinois
AASHO ROAD TEST
PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
Se construyeron 468 secciones de prueba, de 30 metros cada
una, con transiciones de 5 metros
PAVIMENTOS RÍGIDOS
En total se construyeron 368 secciones. Las de concreto
simple fueron de 36 metros, con juntas transversales de
contracción cada 4.5 metros y varillas de transferencia de
carga. Las secciones de pavimento reforzado tuvieron una
longitud de 72 metros, con juntas transversales de contracción
cada 12 metros y varillas de transferencia de carga. El acero
de refuerzo se colocó 5 cm bajo la superficie
DESARROLLO HISTÓRICO
AASHO ROAD TEST
DESARROLLO HISTÓRICO
Se presentaba mayor agrietamiento en la estación fría
Las mayores deflexiones se presentaban al comienzo
de la primavera
La velocidad reducía la magnitud de las deflexiones
Se estableció la ―Ley de la Cuarta Potencia‖ sobre
equivalencias en el efecto de las diferentes cargas por eje
PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
PRINCIPALES HALLAZGOS DEL AASHO ROAD TEST
DESARROLLO HISTÓRICO
El escalonamiento se produjo en las grietas y en las
juntas sin varillas de transferencia de carga
El ―bombeo‖ es un importante factor de falla y se
presentó con mayor frecuencia a lo largo de los bordes del
pavimento
Los pavimentos de concreto simple con juntas se
deflectan menos que los de concreto reforzado con juntas
El aumento de la velocidad se tradujo en disminuciones
de deformaciones y deflexiones
PAVIMENTOS RÍGIDOS
PRINCIPALES HALLAZGOS DEL AASHO ROAD TEST
DESARROLLO HISTÓRICO
FENÓMENO DE “BOMBEO” EN PAVIMENTOS RÍGIDOS
DESARROLLO HISTÓRICO
DESARROLLO HISTÓRICO
PRINCIPALES HALLAZGOS DEL AASHO ROAD TEST
Se desarrolló el concepto de serviciabilidad al
usuario, mediante medidas de regularidad longitudinal
del pavimento (SV), la cantidad de áreas agrietadas (C)
y parchadas (P) en pavimentos asfálticos y rígidos y el
ahuellamiento en pavimentos asfálticos (RD)
Los valores de estas medidas fueron agrupados bajo
un término denominado ―índice de servicio presente‖
(ISP ó PSI) que oscila entre 5 (pavimento perfecto) y 0
(pavimento intransitable)
DESARROLLO HISTÓRICO
PRINCIPALES HALLAZGOS DEL AASHO ROAD TEST
ÍNDICE DE SERVICIO PRESENTE
MINNESOTA ROAD RESEARCH PROJECT (1990)
Efecto del tránsito pesado y de los ciclos climáticos sobre
los materiales y sobre el diseño de pavimentos
DESARROLLO HISTÓRICO
CAMINOS Y PISTAS DE PRUEBA
Está constituido por dos caminos de ensayo:
—Un tramo real de carretera de 3 millas en la carretera
Interestatal 94
—Una pista cerrada de 2,5 millas sometida a tránsito de
baja intensidad
MINNESOTA ROAD RESEARCH PROJECT (1990)
DESARROLLO HISTÓRICO
CAMINOS Y PISTAS DE PRUEBA
—Evaluar los efectos de los vehículos pesados sobre
los pavimentos
—Evaluar los efectos de los cambios estacionales
sobre los materiales de construcción
—Mejorar el diseño de pavimentos para vías de bajo
tránsito
MINNESOTA ROAD RESEARCH PROJECT
En total, el proyecto comprendía 40 secciones de
ensayo con 4.572 sensores electrónicos. La
información obtenida ha permitido:
DESARROLLO HISTÓRICO
WESTRACK (desde 1996)
Construida para verificar los modelos de predicción de
comportamiento y de los sistemas de diseño de mezclas
SUPERPAVE
DESARROLLO HISTÓRICO
CAMINOS Y PISTAS DE PRUEBA
Consistió en dos tramos en tangente de 910 metros cada
uno conectados por 2 curvas espirales de 141.5 metros de
radio
La pista tenía 3 kilómetros en total y la prueba se realizó
en 26 secciones en tangente, de 70 metros cada una
WESTRACK (desde 1996)
DESARROLLO HISTÓRICO
Objetivo primario de la pista de ensayo
Construida en Carson City (Nevada), con el fin de
desarrollar una especificación de mezclas asfálticas en
caliente relacionada con el comportamiento y brindar una
verificación rápida del método de diseño volumétrico
SUPERPAVE (Nivel 1)
Cargas para la prueba
Cada camión se cargó de manera que representara 10.3
ejes simples equivalentes de 80 kN por pasada
CAMINOS Y PISTAS DE PRUEBA
WESTRACK
DESARROLLO HISTÓRICO
ESQUEMA DE LA PISTA
WESTRACK
DESARROLLO HISTÓRICO
CAMIONES PARA LA PRUEBA
HALLAZGOS INICIALES DEL WESTRACK
DESARROLLO HISTÓRICO
Los resultados fueron aleatorios, pues las mezclas gruesas
presentaron mayores ahuellamientos que las finas, para los
contenidos óptimos de asfalto
Los agrietamientos fueron más intensos en mezclas con
bajos contenidos de asfalto y altos contenidos de vacíos
Los resultados permitieron establecer unos modelos
preliminares de predicción de comportamiento
Se comprobó que el consumo de combustible se
incrementa al aumentar la rugosidad del pavimento
NCAT PAVEMENT TEST TRACK (desde 2000)
DESARROLLO HISTÓRICO
CAMINOS Y PISTAS DE PRUEBA
Su objetivo primario fue comparar el comportamiento
de diferentes mezclas asfálticas a medida que son
sometidas a tránsito real durante el transcurso del
tiempo
Tiene una extensión de 2.8 kilómetros y contiene 46
secciones diferentes de pavimento, debidamente
instrumentadas, ensayadas en 2 ciclos de 10 millones de
ejes equivalentes cada uno
NCAT PAVEMENT TEST TRACK
DESARROLLO HISTÓRICO
HALLAZGOS DEL NCAT PAVEMENT TEST TRACK EN 5 AÑOS
DESARROLLO HISTÓRICO
Las mezclas finas tipo SUPERPAVE se comportan mejor ante
el ahuellamiento y el agrietamiento que las gruesas
Los ahuellamientos se reducen en más de 50% en clima cálido
cuando el grado de alta temperatura del asfalto (SUPERPAVE) se
incrementa 2 grados sobre lo necesario
No se han establecido correlaciones entre el ahuellamiento y el
módulo de las mezclas asfálticas
No se han establecido correlaciones entre el comportamiento de
los pavimentos y los resultados de los ensayos comunes para
valorar la calidad de los agregados pétreos
Programa de 150 millones de dólares, aprobado por el
Congreso de USA en 1987, para mejorar las carreteras y
hacerlas más seguras
La investigación se condujo en 4 áreas: operaciones
viales, concretos y estructuras, asfaltos y
comportamiento de pavimentos a largo plazo (LTPP)
PROGRAMA SHRP
Strategic Highway Research Program
DESARROLLO HISTÓRICO
La investigación sobre asfaltos se tradujo en el
desarrollo del método SUPERPAVE para la
clasificación de asfaltos y el diseño de mezclas
La investigación sobre el comportamiento de los
pavimentos a largo plazo –LTPP– (Long Term
Pavement Performance) intenta establecer una gran
base de datos sobre el comportamiento de los
pavimentos en los Estados Unidos y en los demás
países participantes en el programa
PROGRAMA SHRP
Strategic Highway Research Program
DESARROLLO HISTÓRICO
INTRODUCCIÓN AL
DISEÑO DE PAVIMENTOS
DEFINICIONES
PAVIMENTO
Conjunto de capas superpuestas, relativamente
paralelas, de varios centímetros de espesor, de materiales
de diversas características, adecuadamente compactados,
que se construyen sobre la subrasante obtenida por el
movimiento de tierras y que han de soportar las cargas del
tránsito durante varios años sin presentar deterioros que
afecten la seguridad y la comodidad de los usuarios o la
propia integridad de la estructura
Kraemer & Del Val
DEFINICIONES
DISEÑO DE PAVIMENTOS
Proceso por medio del cual se determinan los
componentes estructurales de un segmento vial, teniendo
en cuenta la naturaleza de la subrasante, los materiales
disponibles, la composición del tránsito y las condiciones
del entorno
DEFINICIONES
INGENIERÍA DE PAVIMENTOS
―Es el arte de utilizar materiales que no entendemos
completamente, en formas que no podemos analizar con
precisión, para que soporten cargas que no sabemos
predecir, de tal forma que nadie sospeche de nuestra
ignorancia‖
Matthew W. Witczak
DEFINICIONES
FUNCIONES DE LA ESTRUCTURA DE UN PAVIMENTO
Reducir y distribuir los esfuerzos producidos por las
cargas del tránsito, de manera que no causen daño en la
subrasante
Proporcionar comunicación vehicular entre dos puntos
en todo tiempo
Proporcionar una superficie de rodamiento segura, lisa y
confortable, sin excesivo desgaste
Satisfacer los requerimientos ambientales y estéticos
Limitar el ruido y la polución del aire
Brindar una razonable economía
FASES DEL DISEÑO DE PAVIMENTOS
El diseño de la vía abarca tres etapas:
Diseño geométrico (selección de ruta, alineamiento,
etc.)
Diseño de capacidad (determinación del número de
carriles necesarios para satisfacer la demanda)
Diseño estructural para soportar la acción de las cargas
y del medio ambiente
El diseño estructural abarca tres etapas:
Selección del tipo de pavimento
Determinación de los espesores de las capas
Dosificación de materiales
REQUISITOS DE UNA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO
Suficiente espesor para distribuir los esfuerzos en
magnitud apropiada sobre la subrasante
Suficiente resistencia en cada una de sus capas
para soportar las cargas del tránsito vehicular
Impermeabilidad, para evitar la penetración de
agua superficial que pueda debilitar al pavimento
y la subrasante
Adecuada lisura y resistencia al deslizamiento
INTRODUCCIÓN AL
DISEÑO DE PAVIMENTOS
TIPOS DE
PAVIMENTOS
TIPOS DE PAVIMENTOS
PAVIMENTOS
ASFÁLTICOS
PAVIMENTOS
RÍGIDOS
PAVIMENTOS
ARTICULADOS
FLEXIBLES
SEMI-RÍGIDOS
CONCRETO SIMPLE CON JUNTAS
CONCRETO REFORZADO CON JUNTAS
CONCRETO CON REFUERZO CONTINUO
CONCRETO CON REFUERZO ESTRUCTURAL
ADOQUINES DE CONCRETO
ADOQUINES DE ARCILLA
OTROS
TIPOS DE PAVIMENTOS
PAVIMENTO ASFÁLTICO
Pavimento constituido por una capa de rodadura
consistente en un tratamiento o mezcla de materiales
granulares y asfálticos, que se construye sobre una capa
de base granular o estabilizada y una capa de subbase
Si la capa de base es de tipo granular, el pavimento se
llama “flexible”, en tanto que si está constituida por
materiales estabilizados, el pavimento se denomina
“semi – rígido”
TIPOS DE PAVIMENTOS
ESTRUCTURA TÍPICA DE UN PAVIMENTO ASFÁLTICO
TIPOS DE PAVIMENTOS
VISTA GENERAL DE UN PAVIMENTO ASFÁLTICO
TIPOS DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
MECANISMO DE FUNCIONAMIENTO DE UN PAVIMENTO FLEXIBLE
1. Deformación por compresión Ahuellamiento de las capas asfálticas
2. Deformación por tensión Agrietamiento por fatiga en las capas asfálticas
3. Deformación por compresión Ahuellamiento en base y subbase granular
4. Deformación por compresión Ahuellamiento en la subrasante
MECANISMO DE FUNCIONAMIENTO DE UN PAVIMENTO SEMI-RÍGIDO
1. Deformación por compresión Ahuellamiento en las capas asfálticas
2. Deformación por tensión Agrietamiento por fatiga en la base estabilizada
3. Deformación por compresión Ahuellamiento en la subbase.
4. Deformación por compresión Ahuellamiento en la subrasante
TIPOS DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
TIPOS DE PAVIMENTOS
PAVIMENTO RÍGIDO
Pavimento constituido por un conjunto de losas de
concreto de cemento portland que se pueden construir
directamente sobre la subrasante preparada o sobre una
capa intermedia de apoyo (base o subbase), elaborada
con materiales granulares o estabilizados o con un
concreto pobre
TIPOS DE PAVIMENTOS
ESTRUCTURA TÍPICA DE UN PAVIMENTO RÍGIDO
TIPOS DE PAVIMENTOS
VISTA GENERAL DE UN PAVIMENTO RÍGIDO
TIPOS DE PAVIMENTOS DE CONCRETO HIDRÁULICO
PAVIMENTO DE CONCRETO SIMPLE CON JUNTAS
Contiene suficientes juntas para controlar todas las
grietas previsibles
Este tipo de pavimento no contiene acero de refuerzo
Puede llevar varillas lisas en las juntas transversales y
varillas corrugadas en las juntas longitudinales
El espaciamiento entre juntas transversales oscila
entre 4.5 y 7.5 metros
TIPOS DE PAVIMENTOS DE CONCRETO HIDRÁULICO
PAVIMENTO DE CONCRETO SIMPLE CON JUNTAS
PAVIMENTO DE CONCRETO REFORZADO CON JUNTAS
La longitud de las losas oscila entre 7.5 y 15 metros,
motivo por el cual requieren acero de refuerzo para
mantener unidas las fisuras transversales que se
desarrollan
El acero de refuerzo no tiene por función tomar
esfuerzos de tensión producidos por las cargas del
tránsito
La cantidad requerida de acero es pequeña, del orden
de 0.1% a 0.2% de la sección transversal del pavimento
Son poco utilizados en la actualidad
TIPOS DE PAVIMENTOS DE CONCRETO HIDRÁULICO
PAVIMENTO DE CONCRETO REFORZADO CON JUNTAS
TIPOS DE PAVIMENTOS DE CONCRETO HIDRÁULICO
CONSTRUCCIÓN DE PAVIMENTO DE CONCRETO
REFORZADO CON JUNTAS
TIPOS DE PAVIMENTOS DE CONCRETO HIDRÁULICO
No requieren juntas transversales de contracción a
intervalos regulares
Contienen mayores cuantías de acero de refuerzo,
generalmente de 0.5 % a 0.8 % del área transversal del
pavimento
El acero intenta forzar el agrietamiento a intervalos
pequeños, de 1 a 2 metros y mantiene firmemente
unidas las grietas que se forman
TIPOS DE PAVIMENTOS DE CONCRETO HIDRÁULICO
PAVIMENTOS DE CONCRETO CON REFUERZO CONTINUO
PAVIMENTOS DE CONCRETO CON REFUERZO CONTINUO
TIPOS DE PAVIMENTOS DE CONCRETO HIDRÁULICO
PAVIMENTOS DE CONCRETO CON REFUERZO CONTINUO
TIPOS DE PAVIMENTOS DE CONCRETO HIDRÁULICO
PAVIMENTOS DE CONCRETO CON REFUERZO
ESTRUCTURAL
En estos pavimentos el acero asume tensiones de
tracción y compresión, de manera que es posible reducir
el espesor de las losas
Se utilizan principalmente en pisos industriales, donde
las losas deben resistir cargas de gran magnitud
Las dimensiones de las losas son similares a las de los
pavimentos de concreto simple, y el acero no debe
atravesar la junta transversal para evitar la aparición de
fisuras
TIPOS DE PAVIMENTOS DE CONCRETO HIDRÁULICO
PAVIMENTOS DE CONCRETO CON REFUERZO
ESTRUCTURAL
TIPOS DE PAVIMENTOS DE CONCRETO HIDRÁULICO
TIPOS DE PAVIMENTOS
PAVIMENTO ARTICULADO
Pavimento cuya capa de rodadura está constituida por
un conjunto de pequeños bloques prismáticos que se
ensamblan de manera que formen una superficie
continua, los cuales se apoyan sobre una capa de arena
que, a su vez, se encuentra sobre una capa de base
(granular o estabilizada) y sobre una capa de subbase,
generalmente granular
TIPOS DE PAVIMENTOS
ESTRUCTURA TÍPICA DE UN PAVIMENTO ARTICULADO
TIPOS DE PAVIMENTOS
VISTA GENERAL DE UN PAVIMENTO ARTICULADO
INTRODUCCIÓN AL
DISEÑO DE PAVIMENTOS
FACTORES QUE
AFECTAN EL DISEÑO Y
EL COMPORTAMIENTO
DE LOS PAVIMENTOS
FACTORES QUE AFECTAN EL DISEÑO DE PAVIMENTOS
FACTORES QUE AFECTAN EL COMPORTAMIENTO
DE LOS PAVIMENTOS
PAVIMENTOS ASFÁLTICOS VS PAVIMENTOS RÍGIDOS
PROS Y CONTRAS
PAVIMENTOS DE AEROPISTAS VS
PAVIMENTOS DE CARRETERAS
AEROPISTAS CARRETERAS
Menor número de repeticiones de
carga
Mayor número de repeticiones de
carga
Mayores presiones de inflado Menores presiones de inflado
Mayor magnitud de carga Menor magnitud de carga
No suelen presentar deterioros en
los bordes de los pavimentos
asfálticos
Presentan deterioros de
importancia en los bordes de los
pavimentos asfálticos
Requieren mayores espesores Requieren menores espesores
PAVIMENTOS DE AEROPISTAS VS
PAVIMENTOS DE CARRETERAS
PAVIMENTO RÍGIDO
DE AEROPISTA
PAVIMENTO RÍGIDO
DE CARRETERA
MARCO GENERAL DEL DISEÑO DE PAVIMENTOS
ESFUERZOS Y
DEFORMACIONES EN
PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
CONTENIDO
Introducción
Sistemas de capas de comportamiento elástico
Modelos elásticos no lineales
Modelos viscoelásticos
Método de los elementos finitos
Método de los elementos discretos
Conceptos fundamentales de diseño
INTRODUCCIÓN
ESFUERZOS Y DEFORMACIONES
EN PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
INTRODUCCIÓN
Desde los años 60, el método empírico – analítico ha ido
ganando popularidad entre los ingenieros de pavimentos
Este método emplea propiedades físicas fundamentales y un
modelo teórico para predecir las respuestas del pavimento
(esfuerzos, deformaciones y deflexiones) ante las cargas del
tránsito
Aunque las respuestas de los materiales difieran de las
asunciones de la teoría, el conocimiento de ésta es indispensable
para reconocer los factores fundamentales en los cuales se basan
los diseños de pavimentos
RESPUESTA DE UN PAVIMENTO ASFÁLTICO ANTE LAS
CARGAS DEL TRÁNSITO
RESPUESTA DE UN PAVIMENTO ASFÁLTICO ANTE LAS
CARGAS DEL TRÁNSITO
INTRODUCCIÓN
La manera más elemental de caracterizar el
comportamiento de un pavimento asfáltico bajo cargas, es
considerando un semi espacio homogéneo
Un semi espacio tiene un área infinitamente grande y una
profundidad infinita con una superficie plana sobre la cual
se aplican las cargas
La teoría elástica se puede usar para determinar esfuerzos,
deformaciones y deflexiones
INTRODUCCIÓN
CARACTERIZACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE UN
PAVIMENTO ASFÁLTICO
SISTEMAS DE CAPAS DE
COMPORTAMIENTO
ELÁSTICO
ESFUERZOS Y DEFORMACIONES
EN PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
SISTEMA DE UNA CAPA
Placa circular flexible
Cuando una carga se aplica sobre un área circular, los
valores críticos de esfuerzo, deformación y deflexión
ocurren en el eje de simetría bajo el centro del área
circular
La carga aplicada a un pavimento por un neumático es
similar a un placa flexible con radio ―a‖ y presión de
contacto uniforme ―q‖.
SISTEMA DE UNA CAPA
Placa circular flexible
ESFUERZOS BAJO EL CENTRO DE LA PLACA
es independiente de E y , y es independiente de E
SISTEMA DE UNA CAPA
Placa circular flexible
DEFORMACIONES BAJO EL CENTRO DE LA PLACA
SISTEMA DE UNA CAPA
Placa circular flexible
DEFLEXIONES BAJO EL CENTRO DE LA PLACA
SISTEMA DE UNA CAPA
Placa circular flexible
Ejemplo
Determinar la deflexión en la superficie (z = 0) y el
esfuerzo vertical a 0.30 metros bajo el centro de una
carga circular, de acuerdo con la siguiente
información:
—Magnitud de la carga = 40,000 N
—Radio de la placa = 0.15 m
— m = 0.5
— E = 4*107 N/m2
SISTEMA DE UNA CAPA
Placa circular flexible
CONCEPTO DE LOS SISTEMAS MULTICAPAS
SISTEMA ELÁSTICO MULTICAPA GENERALIZADO
CONCEPTO DE LOS SISTEMAS MULTICAPAS
El material de cada capa es homogéneo, isotrópico ylinealmente elástico y está caracterizado por su móduloelástico (E) y su relación de Poisson (μ)
El peso del material es despreciable
Con excepción de la inferior, todas las capas tienen espesorfinito
Las capas son infinitas lateralmente y no tienen juntas nigrietas
Hay fricción completa en las interfaces
No existen fuerzas cortantes en la superficie
Se aplica una presión uniforme a través de un área circular
SUPOSICIONES BÁSICAS PARA LA SOLUCIÓN ANALÍTICA DE
LOS ESTADOS DE ESFUERZOS Y DEFORMACIONES
CONCEPTO DE LOS SISTEMAS MULTICAPAS
Los materiales de los pavimentos sólo responden
linealmente en los bajos rangos de esfuerzos
La respuesta de los materiales no es no – viscosa. Las
mezclas asfálticas son materiales visco-elásticos
No todas las deformaciones son recuperables. Los
materiales de los pavimentos requieren tiempo para
recuperar totalmente las deformaciones
Algunas deformaciones plásticas se van acumulando
tras la aplicación repetida de cargas
LIMITACIONES
EVOLUCIÓN DE LAS SOLUCIONES MULTICAPA
DOS CAPAS (Carga circular)
Cálculo de esfuerzos, deformaciones y desplazamientos en función
de z/a y r/a (Burmister, 1943)
TRES CAPAS (Carga circular)
Expresiones analíticas para cálculo de esfuerzos y desplazamientos
(Burmister, 1945)
Tablas para determinar esfuerzos normales y radiales en la
intersección del eje de carga con las interfaces (Acum y Fox, 1951)
Soluciones gráficas para el cálculo de los esfuerzos verticales
(Peattie, 1962)
n CAPAS (Carga circular)
Huang, 1967
SISTEMA DE DOS CAPAS
Pavimento de espesor pleno de concreto asfáltico
Los esfuerzos y deflexiones dependen de la relación
modular de las capas (E1/E2) y de la relación de espesor
(h1/a)
El esfuerzo vertical decrece con el incremento de la
relación modular
Para un determinada presión de contacto, el esfuerzo
vertical aumenta con el radio de contacto y con la
disminución del espesor de la capa superior
SISTEMA DE DOS CAPAS
Pavimento de espesor pleno de concreto asfáltico
CURVAS DE INFLUENCIA DE ESFUERZOS EN SISTEMAS DE DOS CAPAS
(D. M. BURMISTER)
SISTEMA DE DOS CAPAS
Pavimento de espesor pleno de concreto asfáltico
SISTEMA DE DOS CAPAS
Pavimento de espesor pleno de concreto asfáltico
FACTORES DE DEFLEXIÓN SUPERFICIAL PARA SISTEMAS DE DOSCAPAS
(BURMISTER)
SISTEMA DE DOS CAPAS
Pavimento de espesor pleno de concreto asfáltico
FACTOR DE DEFLEXIÓN (F) DE LA INTERFAZ PARA SISTEMAS DE DOS CAPAS
(HUANG)
SISTEMA DE DOS CAPAS
Pavimento de espesor pleno de concreto asfáltico
Ejemplo
Calcular la deflexión superficial y en la interfaz de
las dos capas, bajo el centro de una llanta de impronta
circular, de acuerdo con los siguientes datos:
— Radio huella = 0.15 metros
— Presión de contacto = 5.6*105 N/m2
— Espesor capa superior (h1) = 0.30 metros
— Módulo capa superior (E1 ) = 3*108 N/m2
—Módulo capa inferior( E2 ) = 6*107 N/m2
SISTEMA DE DOS CAPAS
Pavimento de espesor pleno de concreto asfáltico
Solución
SISTEMA DE TRES CAPAS
SISTEMA DE TRES CAPAS
Existen soluciones tabulares para el cálculo de esfuerzos
horizontales (Jones, 1962)
Existen soluciones gráficas para el cálculo de los
esfuerzos verticales, elaboradas a partir de las tablas de
Jones (Peattie, 1962)
Las tablas y figuras se desarrollaron para un valor μ =
0.5 en todas las capas
SISTEMA DE TRES CAPAS
TABLAS DE JONES
Las tablas de Jones suministran valores de factores de
esfuerzos como diferencia de esfuerzos (ZZ1 – RR1) (ZZ2 –
RR2) (ZZ2 – RR3), con los cuales se pueden calcular los
esfuerzos horizontales:
sz1- sR1 = q*(ZZ1-RR1)
sz2- sR2 = q*(ZZ2-RR2)
sz2- sR3 = q*(ZZ2-RR3)
Conociendo y se puede determinar la deformación
horizontal en el fondo de la capa 1
ε = ( - )/2E1
para μ = 0.5
SISTEMA DE TRES CAPAS
EJEMPLO DE TABLA DE JONES PARA CÁLCULO DE ESFUERZOS HORIZONTALES
SISTEMA DE TRES CAPAS
GRAFICAS DE PEATTIE
Las gráficas de Peattie suministran valores de factores
de esfuerzos (ZZ1 y ZZ2), con los cuales se calculan los
esfuerzos verticales:
sz1 = q*(ZZ1)
sz2 = q*(ZZ2)
SISTEMA DE TRES CAPAS
GRAFICAS DE PEATTIE
SISTEMA DE TRES CAPAS
Ejemplo:
Calcular los esfuerzos verticales (sz1, sz2 ) para una
estructura de tres capas, de las siguientes
características:
—h1 = 0.075 m
—h2 = 0.30 m
—E1 = 4*109 N/m2
—E2 =2 *108 N/m2
—E3 = 1*108 N/m2
—Presión de contacto =540 kPa
—Radio área cargada = 0.15 metros
SISTEMA DE TRES CAPAS
Solución:
Cálculo de parámetros de entrada:
— K1 = E1 / E2 = 4*109 / 2*108 =20
— K2 = E2 / E3 = 2*108 / 1*108 = 2
—A1 = a / h2 = 0.15 / 0.30 =0.5
— H = h1 / h2 = 0.075 / 0.30 = 0.25
Determinación de parámetros ZZ1 y ZZ2 (GRÁFICA)
ZZ1 = 0.47 ZZ2 = 0.10
Cálculo de esfuerzos verticales
= 0.47*540 = 253.8 kPa
= 0.10 *540 = 54.0 kPa
SISTEMAS MULTICAPAS
La extensión lógica de las soluciones para
los sistemas de capas fue el desarrollo de
programas de cómputo para facilitar los
cálculos y brindar mayores posibilidades en
relación con las características de los
materiales y la configuración de las cargas
SISTEMAS MULTICAPAS
Ejemplos de programas de cómputo:
BISAR (permite especificar parámetros de
fricción y cargas horizontales)
ELSYM 5 (permite modelar ruedas múltiples y
puede analizar hasta 5 capas)
KENLAYER (permite modelar capas elásticas
lineales, elásticas no lineales y viscosas. Acepta ruedas
múltiples y la fricción entre capas puede ser modelada.
Permite estructuras hasta de 19 capas)
SISTEMAS MULTICAPAS
DATOS DE ENTRADA USUALMENTE REQUERIDOS POR LOS
PROGRAMAS DE CÓMPUTO
Propiedades de los materiales de cada capa:
· Módulo de elasticidad
· Relación de Poisson
Espesores de las diferentes capas
Condiciones de las cargas (2 de las 3 citadas):· Magnitud de la carga por neumático
· Radio de la impronta
· Presión de contacto
Número de cargas
Localización de las cargas sobre la superficie (coordenadas x, y)
Localización de los puntos de análisis de esfuerzos y deformaciones
(coordenadas x, y, z)
SISTEMAS MULTICAPAS
TEORÍA ELÁSTICA vs REALIDAD
Las suposiciones en las cuales se basa la teoría elástica no se
cumplen a cabalidad en los materiales y en las estructuras de los
pavimentos
TEORÍA ELÁSTICA REALIDAD
•Carga estática
•Continuidad en los materiales
•Homogeneidad
•Isotropía
•Relación lineal esfuerzo-
deformación
•Deformaciones elásticas
•Carga dinámica
•Discontinuidad en los materiales
•No homogeneidad
•Anisotropía
•Relación compleja esfuerzo-
deformación
•Deformaciones elásticas, plásticas,
viscosas y visco elásticas.
OTROS MÉTODOS DE ANÁLISIS DE
ESFUERZOS Y DEFORMACIONES
MODELOS ELÁSTICOS NO LINEALES
MODELOS VISCOELÁSTICOS
ELEMENTOS FINITOS
ELEMENTOS DISCRETOS
MODELOS
ELÁSTICOS NO
LINEALES
ESFUERZOS Y DEFORMACIONES
EN PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
MODELOS ELÁSTICOS NO LINEALES
COMPORTAMIENTO ELÁSTICO NO LINEAL
La descarga sigue la
misma trayectoria que la
carga, pero la relación entre
el esfuerzo vertical y la
deformación vertical no es
constante, sino que depende
de la magnitud del esfuerzo
aplicado.
MODELOS ELÁSTICOS NO LINEALES
Los módulos elásticos de los materiales de los
pavimentos son función del estado de esfuerzos al cual se
encuentran sometidos
Las deformaciones y
deflexiones en un semi
espacio de comportamiento
elástico no lineal se pueden
calcular con la fórmula de
Boussinesq, sustituyendo el
módulo con una función no
lineal del esfuerzo principal
mayor (s1)
MODELOS ELÁSTICOS NO LINEALES
MODELOS
VISCOELÁSTICOS
ESFUERZOS Y DEFORMACIONES
EN PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
MODELOS VISCOELÁSTICOS
Las deformaciones de pavimentos bajo carga raras
veces son totalmente elásticas.
A menudo contienen componentes viscosa,
viscoelástica o plástica en adición a la elástica.
MODELOS VISCOELÁSTICOS
ESFUERZO CÍCLICO Y CURVAS DE DEFORMACIÓN VS
TIEMPO PARA VARIOS MATERIALES
Para los materiales elásticos no hay retraso entre la
tensión de corte aplicada y la respuesta de la
deformación de corte (δ =0)
MODELOS VISCOELÁSTICOS
ESFUERZO CÍCLICO Y CURVAS DE DEFORMACIÓN VS
TIEMPO PARA VARIOS MATERIALES
Para los materiales totalmente viscosos la respuesta
de la deformación está totalmente desfasada de la
tensión aplicada (δ =90º)
MODELOS VISCOELÁSTICOS
ESFUERZO CÍCLICO Y CURVAS DE DEFORMACIÓN VS
TIEMPO PARA VARIOS MATERIALES
Los materiales visco-elásticos tienen δ entre 0 y 90
dependiendo de la temperatura de ensayo (a mayor
temperatura, mayor δ)
Un material elástico se caracteriza con un resorte
que obedece la ley de Hooke, la cual afirma que el
esfuerzo es proporcional a la deformación, siendo la
constante de proporcionalidad el módulo elástico
MODELOS VISCOELÁSTICOS
MODELOS BÁSICOS
s E
MODELOS VISCOELÁSTICOS
MODELOS BÁSICOS
Un material viscoso se caracteriza por medio de un
amortiguador que obedece la ley de Newton, de
acuerdo con la cual el esfuerzo es proporcional a la
velocidad de fluir, siendo la constante de
proporcionalidad la viscosidad
dt
ds
MODELO DE MAXWELL
Si un elemento presentara sólo elasticidad instantánea y
fluencia viscosa simple, su comportamiento bajo tensión
constante se podría representar por:
MODELOS VISCOELÁSTICOS
MODELO DE MAXWELL
El esfuerzo es el mismo en los dos elementos, y la
deformación, que se incrementa linealmente con el
tiempo de carga, es la suma de las deformaciones en los
elementos elástico y viscoso
Al liberar la carga se recupera inmediatamente la parte
elástica de la deformación, pero se conserva la
deformación dependiente del tiempo, la cual es
irrecuperable
MODELOS VISCOELÁSTICOS
MODELO DE MAXWELL
MODELOS VISCOELÁSTICOS
MODELO DE KELVIN
Los materiales pueden presentar efectos elásticos
dependientes del tiempo
En el modelo de Kelvin la deformación de los elementos es
la misma, pero el esfuerzo total es la suma de los esfuerzos en
el elemento elástico y en el elemento viscoso
MODELOS VISCOELÁSTICOS
dt
dE
s
Si se aplica un esfuerzo constante:
t dt
E
d
00 s
MODELO DE KELVIN
En tal caso, el comportamiento del material bajo
tensión constante se podría representar por:
MODELOS VISCOELÁSTICOS
MODELO DE KELVIN
La deformación de los elementos es la misma,
aproximándose asintóticamente con el tiempo al valor
ζ/E, y la fuerza externa es la suma de las fuerzas en los
elementos
Cuando la carga se libera, el modelo vuelve a su
posición original (luego de mucho tiempo); por ello se
llama de “elasticidad retardada”
MODELOS VISCOELÁSTICOS
MODELO DE KELVIN
MODELOS VISCOELÁSTICOS
MODELO DE BURGERS
Muchos materiales de pavimentos, como las mezclas
asfálticas a elevadas temperaturas y los suelos muy
cohesivos, no siguen los casos ideales y se han
desarrollado combinaciones de ellos para simular su
respuesta
En el modelo de Burgers, la deformación bajo tensión
constante es la suma de las deformaciones de la parte
Maxwell y la parte Kelvin
MODELOS VISCOELÁSTICOS
MODELO DE BURGERS
MODELOS VISCOELÁSTICOS
MODELO SHRP
(Strategic Highway Research Program)
Las propiedades visco-elásticas del asfalto se
caracterizan mediante el reómetro de corte dinámico
Se mide el módulo complejo en corte (G*) y el ángulo
de fase (δ) sometiendo una muestra de ligante a
tensiones de corte oscilante
La respuesta de la deformación específica de corte de
la muestra está desfasada un cierto intervalo de tiempo
(Δt) en relación con la tensión aplicada
MODELOS VISCOELÁSTICOS
MODELO SHRP
(Strategic Highway Research Program)
El retraso de la fase (ángulo de fase) se obtiene
multiplicando el retraso en tiempo por la frecuencia
angular [δ =w(Δt)]
El módulo complejo se establece mediante la relación
entre la tensión de corte máxima y la máxima
deformación de corte resultante (G*= ηMáx/ γMáx)
MODELOS VISCOELÁSTICOS
MODELOS VISCOELÁSTICOS
MODELO SHRP
Para los materiales elásticos no hay retraso entre la
tensión de corte aplicada y la respuesta de la
deformación de corte (δ =0)
Para los materiales totalmente viscosos la respuesta
de la deformación está totalmente desfasada de la
tensión aplicada (δ =90º)
Los materiales visco-elásticos tienen δ entre 0 y 90
dependiendo de la temperatura de ensayo (a mayor
temperatura, mayor δ)
MODELOS VISCOELÁSTICOS
MODELO SHRP
La especificación SHRP de ligantes controla el
stiffness del asfalto mediante las relaciones G*/sen δ
(altas temperaturas de servicio) y G*sen δ (temperaturas
medias)
Controlando el stiffness a altas temperatura de
servicio se busca que el ligante provea su mayor aporte
a la resistencia global al corte de la mezcla en términos
de elasticidad
Controlándolo a temperaturas medias de servicio se
busca que el ligante no contribuya a la fisuración por
fatiga
MODELOS VISCOELÁSTICOS
MÉTODO DE LOS
ELEMENTOS
FINITOS
ESFUERZOS Y DEFORMACIONES
EN PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS
Método de análisis numérico que permite obtener
soluciones aproximadas en una amplia variedad de
problemas de ingeniería
El método se usa para dividir un medio continuo
(por ejemplo el volumen de un pavimento) en un gran
número de pequeños volúmenes discretos con el fin
de obtener una solución numérica aproximada para
cada volumen, en lugar de una solución exacta para
todo el volumen
PASO 1 – DISCRETIZAR EL MEDIO DE INTERÉS
El medio pavimento-subrasante se divide en un número de
elementos de formas geométricas simples, denominados
elementos finitos, con las cargas de las ruedas en la parte
superior
ANÁLISIS DE ELEMENTOS FINITOS
PARA UN PROBLEMA DE PAVIMENTOS
ANÁLISIS DE ELEMENTOS FINITOS
PARA UN PROBLEMA DE PAVIMENTOS
PASO 2 – DETERMINAR LAS
CARACTERÍSTICAS DE CADA ELEMENTO
Se asignan ―nodos‖ a cada elemento y se escoge una
función para interpolar la variación de la variable sobre
el elemento discreto
A partir de los elementos y de sus funciones de
interpolación, se desarrolla una expresión matricial
(matriz elemental) para relacionar las fuerzas con los
desplazamientos en las esquinas de cada elemento
PASO 2 – DETERMINAR LAS CARACTERÍSTICAS
DE CADA ELEMENTO (cont.)
k11 es la fuerza horizontal en el nodo ―i‖ causada por un
desplazamiento (virtual) de 1 en el nodo ―i‖, k12 es la
fuerza horizontal causada por un desplazamiento
horizontal de 1 en el nodo ―j‖, etc
ANÁLISIS DE ELEMENTOS FINITOS
PARA UN PROBLEMA DE PAVIMENTOS
i
k
j
i
k
j
i
k
j
i
k
j
i
vkfo
v
v
v
u
u
u
kkkkkk
kkkkkk
kkkkkk
kkkkkk
kkkkkk
kkkkkk
V
V
V
H
H
H
*
666564632616
565554532515
464544432414
363534332313
262524232212
161514131211
PASO 3 – ENSAMBLAR LAS ECUACIONES
ELEMENTALES
Las matrices elementales se ensamblan para formar un
conjunto de ecuaciones algebraicas que describen el
problema global (matriz global)
PASO 4 – INCORPORAR CONDICIONES DE
BORDE
Se incorporan condiciones de borde dentro de la matriz
global (fondo y lados de la región de análisis escogida)
ANÁLISIS DE ELEMENTOS FINITOS
PARA UN PROBLEMA DE PAVIMENTOS
VKF
PASO 5 – RESOLVER SISTEMA DE
ECUACIONES ALGEBRAICAS
El conjunto de ecuaciones algebraicas es resuelto
mediante un método matricial adecuado a través de un
programa de cómputo que provee los desplazamientos en
todos los nodos y determinando, a partir de ellos, los
esfuerzos y deformaciones en los elementos, así como
sus direcciones
ANÁLISIS DE ELEMENTOS FINITOS
PARA UN PROBLEMA DE PAVIMENTOS
SALIDAS DE UN ANÁLISIS POR EL MÉTODO DE
ELEMENTOS FINITOS
Las salidas son las mismas que las del análisis
mediante un modelo elástico multicapa:
Esfuerzo – la intensidad de las fuerzas
internamente distribuidas en diferentes puntos de la
estructura del pavimento
Deformación – el desplazamiento unitario a causa
del esfuerzo
Deflexión – Cambio lineal en una dimensión
ANÁLISIS DE ELEMENTOS FINITOS
PARA UN PROBLEMA DE PAVIMENTOS
El programa brinda representaciones visuales de los
diferentes valores de salida
ANÁLISIS DE ELEMENTOS FINITOS
PARA UN PROBLEMA DE PAVIMENTOS
DIAGRAMA TRIDIMENSIONAL DE DEFORMACIONES CORTE DIAGRAMA DE DEFORMACIONES
MÉTODO DE LOS
ELEMENTOS
DISCRETOS
ESFUERZOS Y DEFORMACIONES
EN PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
MÉTODO DE LOS ELEMENTOS DISCRETOS
El método de los elementos finitos no es muy
satisfactorio en la simulación de los procesos en los
cuales aparece fractura o fragmentación
Los materiales granulares no constituyen un campo
continuo, pues están conformados por un conjunto de
múltiples partículas de tamaño variado
El comportamiento del material granular es complejo.
A veces se comporta como sólido (se deforma ante
cargas), a veces como líquido (se derrama y puede fluir)
y a veces como gas (se puede comprimir hasta cierto
límite y está formado por partículas sin enlace)
MÉTODO DE LOS ELEMENTOS DISCRETOS
Hay desplazamientos de traslación y rotación de los
granos ante los esfuerzos
La deformación de los materiales granulares es
dominada por el desplazamiento de las partículas y por
deslizamiento sobre las demás
Para tratar con la mecánica de los materiales
conformados por partículas independientes, se han
desarrollado programas de cómputo de elementos
discretos (Ejemplo: BALL, TRUBAL)
REGLA GENERAL
Si un modelo simple permite predecir la respuesta de
un pavimento razonablemente bien, es preferible a un
modelo complejo
El modelo complejo sólo es recomendable si
produce un mejoramiento sustancial en las
predicciones de respuesta
COROLARIO
CONCEPTOS
FUNDAMENTALES
DE DISEÑO
ESFUERZOS Y DEFORMACIONES
EN PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE DISEÑO
ESFUERZO VERTICAL DE COMPRESIÓN
SOBRE LA SUBRASANTE
El valor del esfuerzo vertical sobre el suelo decrece
con el incremento de:
— El espesor de las capas asfálticas
— El módulo elástico de las capas asfálticas
— El espesor de las capas granulares
— El módulo elástico de las capas granulares. Su
incidencia es mayor que la del módulo de las
capas asfálticas
CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE DISEÑO
ESFUERZO HORIZONTAL EN EL FONDO DE LA
CAPA DE BASE (SISTEMA TRICAPA)
El esfuerzo de tensión aumenta:
—Al aumentar el módulo de la base
—Al reducir el espesor de las capas asfálticas
Nota
De todas maneras, en una capa de base ligada
hidráulicamente, si su módulo elástico es muy bajo, el
esfuerzo de tensión puede superar la resistencia a la
flexión del material, produciendo el agrietamiento de la
capa
CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE DISEÑO
ESFUERZO VERTICAL DE COMPRESIÓN
SOBRE LA CAPA DE BASE
El valor del esfuerzo se incrementa:
—Al aumentar el espesor de la base, manteniendo
constante el espesor de las capas asfálticas
—Al aumentar el módulo de la capa de base
—Al disminuir el módulo elástico de la subrasante
CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE DISEÑO
ESFUERZO HORIZONTAL EN LA PARTE
SUPERIOR DE LA CAPA DE BASE
El esfuerzo horizontal es compresivo cuando el espesor
de las capas asfálticas es delgado
El esfuerzo horizontal de compresión se incrementa al
aumentar el módulo de la base
El esfuerzo horizontal de compresión aumenta si el
espesor o el módulo de las capas asfálticas disminuye
La combinación de esfuerzos de compresión
horizontales y verticales no conduce a la falla de la base,
a no ser que la capa sea inusualmente débil
CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE DISEÑO
ESFUERZO HORIZONTAL EN LA FIBRA
INFERIOR DE LAS CAPAS ASFÁLTICAS
Cuando el módulo elástico de la base es mayor que el de
las capas asfálticas, el esfuerzo horizontal en el fondo de
éstas es de compresión
Cuando el módulo de la base es menor, el esfuerzo es de
tensión y crece a medida que el módulo de la base es más
bajo
El esfuerzo de tensión se incrementa al disminuir el
espesor de las capas asfálticas
CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE DISEÑO
ESFUERZO HORIZONTAL EN LA FIBRA
INFERIOR DE LAS CAPAS ASFÁLTICAS
(CONTINUACIÓN)
El esfuerzo horizontal se incrementa al aumentar el
módulo de las capas asfálticas
El esfuerzo es particularmente alto si se combinan una
baja relación de espesores de las capas superiores (h1/h2 <
2) y una alta relación modular entre ellas (E1/E2)
CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE DISEÑO
EFECTO DE FACTORES EXTERNOS
Para una carga total fija, un aumento en la presión de
contacto genera mayores esfuerzos verticales en las
capas superiores, pero el efecto es despreciable a
mayores profundidades
Si la presión de contacto es constante, un aumento en
la carga total genera mayores esfuerzos verticales a
cualquier profundidad
CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE DISEÑO
EFECTO DE FACTORES EXTERNOS
(CONTINUACIÓN)
Los esfuerzos verticales a cualquier profundidad se
reducen al aumentar la velocidad de aplicación de la
carga
El esfuerzo vertical sobre la subrasante se incrementa
al aumentar la temperatura, debido a que disminuye el
módulo de las capas asfálticas
CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE DISEÑO
DEFLEXIÓN
La mayor parte de la deflexión es causada por la
compresión elástica de la subrasante (70% - 90%)
El aumento en el espesor o en el módulo de las capas
superiores reduce la deflexión total
La reducción es más importante con el aumento del
módulo que con el aumento en el espesor
La estabilización de la subrasante reduce las
deflexiones, debido al incremento modular
En general, los mismos factores que hacen decrecer
los esfuerzos verticales de compresión sobre la
subrasante, hacen disminuir la deflexión
ESFUERZOS EN PAVIMENTOS
RÍGIDOS
CONTENIDO
Introducción
Esfuerzos producidos por cambios de temperatura
Esfuerzos producidos por cambios de humedad
Esfuerzos producidos por las cargas del tránsito
Presencia de acero en el pavimento rígido
Método de los elementos finitos
INTRODUCCIÓN
ESFUERZOS EN PAVIMENTOS RÍGIDOS
ESFUERZOS EN PAVIMENTOS RÍGIDOS
Cambios de temperatura
—Alabeo por gradiente térmico
—Contracción durante el fraguado
—Expansión y contracción por cambios uniformes de
temperatura
Cambios de humedad
Cargas del tránsito
Otros (bombeo, cambios volumétricos del soporte)
FACTORES QUE CONTRIBUYEN AL DESARROLLO
DE ESFUERZOS EN PAVIMENTOS RÍGIDOS
ESFUERZOS
PRODUCIDOS POR
CAMBIOS DE
TEMPERATURA
ESFUERZOS EN PAVIMENTOS RÍGIDOS
Al cambiar la temperatura ambiente durante el día,
también cambia la temperatura del pavimento
Este ciclo térmico crea un gradiente térmico en la losa
El gradiente produce un alabeo en la losa
El peso propio de la losa y su contacto con la superficie
de apoyo restringen el movimiento, generándose
esfuerzos
Dependiendo de la hora del día, estos esfuerzos se
pueden sumar o restar de los efectos producidos por las
cargas del tránsito
ALABEO POR GRADIENTE TÉRMICO
ALABEO POR GRADIENTE TÉRMICO
FÓRMULAS DE BRADBURY
2
*** tECt
21
21
2
**
CCtEt
l
atEt
)1(3
**
Borde de la losa
Interior de la losa
Esquina de la losa
ALABEO POR GRADIENTE TÉRMICO
FÓRMULAS DE BRADBURY
Notas
1.Debido a que Ci es inversamente proporcional al
módulo de reacción del soporte (k), los esfuerzos por
alabeo se incrementan cuando el soporte es muy
rígido, ya que éste no puede asumir el contorno del
pavimento
2. Como Ci es directamente proporcional a la longitud
de la losa, el aumento de ésta incrementa los esfuerzos
por alabeo térmico
ALABEO POR GRADIENTE TÉRMICO
t Esfuerzo en el sitio considerado
E Módulo elástico del concreto
Coeficiente de dilatación térmica del concreto (0.000005/ºF)
t Diferencia de temperatura entre las dos caras de la losa (gradiente)
C Coeficiente que depende de la longitud de la losa y del radio de rigidez relativa
C1 Coeficiente en la dirección en la cual se calcula el esfuerzo
C2 Coeficiente en la dirección perpendicular a C1
Relación de Poisson del concreto
a Radio del área cargada en el borde de la losa
l Radio de rigidez relativa
FÓRMULAS DE BRADBURY
SIGNIFICADO DE LOS TÉRMINOS DE LAS FÓRMULAS
ALABEO POR GRADIENTE TÉRMICO
CARTA DE BRADBURY PARA LA DETERMINACIÓN DE C, C1 Y C2
ALABEO POR GRADIENTE TÉRMICO
RADIO DE RIGIDEZ RELATIVA
(Westergaard)
Mide la rigidez de la losa de concreto respecto del
suelo de soporte
ALABEO POR GRADIENTE TÉRMICO
h = espesor de la losa
k = módulo de reacción del soporte
EJEMPLO DE CÁLCULO DE ESFUERZOS POR ALABEO
Calcular los diferentes esfuerzos de alabeo para las
siguientes condiciones:
k 200 pci
t 3ºF/pulgadas
0.000005/ºF
E 5,000,000 psi
0.15
a 5.9 pulgadas
h 9.0 pulgadas
Long. losa (Bx) 14 pies
Ancho losa (By) 12 pies
ALABEO POR GRADIENTE TÉRMICO
EJEMPLO DE CÁLCULO DE ESFUERZOS POR ALABEO
Solución
ALABEO POR GRADIENTE TÉRMICO
Cálculo de los esfuerzos
EJEMPLO DE CÁLCULO DE ESFUERZOS POR ALABEO
ALABEO POR GRADIENTE TÉRMICO
El ejemplo muestra que los esfuerzos por alabeo
pueden superar a los producidos por las cargas del
tránsito
Sin embargo, dichos esfuerzos no se consideran en el
instante de determinar el espesor del pavimento
La filosofía que gobierna el diseño es que las juntas y
el acero se emplean para aliviar o cuidar los esfuerzos
por alabeo, y el espesor se determina con base en las
cargas del tránsito
CONSIDERACIONES SOBRE LOS ESFUERZOS POR ALABEO
EN EL DISEÑO ESTRUCTURAL DEL PAVIMENTO
ALABEO POR GRADIENTE TÉRMICO
CONTRACCIÓN DURANTE EL FRAGUADO
La fricción entre la losa y la fundación, debido a la
caída de temperatura durante el fraguado de concreto,
produce esfuerzos en el concreto y en la armadura que
contenga
El diseño de la armadura de refuerzo de un
pavimento rígido se basa en la consideración de los
esfuerzos de fricción
CONTRACCIÓN DURANTE EL FRAGUADO
c = (γc)(L)(fa)/2
L = longitud de la losa
γc = peso unitario del concreto
fa = coeficiente de fricción entre la losa y la subrasante
(generalmente 1.5)
ESFUERZOS DEBIDOS A FRICCIÓNCONTRACCIÓN DURANTE EL FRAGUADO
Ejemplo
Determinar el esfuerzo máximo de contracción en una
losa de pavimento rígido de 30 pies de longitud y peso
unitario de 150 libras/pie3, si fa = 1.5
Solución
Nota:
Los esfuerzos friccionales sólo son importantes en losas
de gran longitud
EXPANSIÓN Y CONTRACCIÓN DE LAS LOSAS
Las aberturas de las juntas cambian a causa de los
cambios de temperatura, alterando las condiciones de
transferencia de carga
Las características de contracción controlan la abertura
de las juntas transversales del pavimento
El material que se coloque para sellar las juntas deberá
ser capaz de soportar, sin despegarse, los movimientos
del concreto cuando ocurra la máxima contracción
L = abertura de la junta o cambio en la longitud de la losa.
(Si L >1 mm, se requieren varillas de transferencia
de carga)
C = factor de ajuste debido a la fricción entre losa y soporte
(0.65 para subbase estabilizada y 0.80 para subbase
granular)
L = longitud de la losa (espacio entre juntas)
= coeficiente de dilatación del concreto (aprox. 0.00001/°C)
T = rango máximo de diferencia de temperatura
= coeficiente de contracción del concreto (depende de la
resistencia a la tracción indirecta)
EXPANSIÓN Y CONTRACCIÓN DE LAS LOSAS
L = CL ( T + )
EXPANSIÓN Y CONTRACCIÓN DE LAS LOSAS
VALORES DEL COEFICIENTE DE CONTRACCIÓN (δ)
(Experiencias de SIKA Colombia)
Ejemplo
Calcular el movimiento de la junta transversal de una
losa de 4.00 m de longitud, colocada sobre una subbase
granular (C=0.8) , si T = 25 ºC y = 0.00025
Solución
L = (0.80)(4)(1,000) (0.00001*25 + 0.00025)
L = 1.6 mm
EXPANSIÓN Y CONTRACCIÓN DE LAS LOSAS
L = CL ( t + )
Sensibilidad al coeficiente de contracción (δ)
Si éste fuese constante, la relación es directa y lineal
EXPANSIÓN Y CONTRACCIÓN DE LAS LOSAS
SENSIBILIDAD DE LA ABERTURA DE LA JUNTA (ΔL) A
LAS DIVERSAS VARIABLES
Sensibilidad al coeficiente de contracción (δ)
Si éste varía con la edad del concreto como indican los
resultados de SIKA Colombia, la relación toma otra forma
EXPANSIÓN Y CONTRACCIÓN DE LAS LOSAS
SENSIBILIDAD DE LA ABERTURA DE LA JUNTA (ΔL) A
LAS DIVERSAS VARIABLES
Sensibilidad al cambio de temperatura (ΔT)
La relación es lineal y directa
EXPANSIÓN Y CONTRACCIÓN DE LAS LOSAS
SENSIBILIDAD DE LA ABERTURA DE LA JUNTA (ΔL) A
LAS DIVERSAS VARIABLES
Sensibilidad a la longitud de la losa
A igualdad de los demás factores, si la longitud aumenta,
la abertura de la junta por retracción también aumenta
EXPANSIÓN Y CONTRACCIÓN DE LAS LOSAS
SENSIBILIDAD DE LA ABERTURA DE LA JUNTA (ΔL) A
LAS DIVERSAS VARIABLES
ESFUERZOS
PRODUCIDOS POR
CAMBIOS DE
HUMEDAD
ESFUERZOS EN PAVIMENTOS RÍGIDOS
ESFUERZOS PRODUCIDOS POR
CAMBIOS DE HUMEDAD
ALABEO POR CAMBIOS DE HUMEDAD
El alabeo también se produce por cambios de
humedad en la losa
Estos esfuerzos suelen ser opuestos a los producidos
por cambios cíclicos de temperatura
En climas húmedos, la humedad de las losas es
relativamente constante
En climas secos, la superficie se encuentra más seca
que el fondo
ALABEO POR CAMBIOS DE HUMEDAD
ESFUERZOS PRODUCIDOS POR
CAMBIOS DE HUMEDAD
ESFUERZOS
PRODUCIDOS POR
LAS CARGAS DEL
TRÁNSITO
ESFUERZOS EN PAVIMENTOS RÍGIDOS
LOCALIZACIONES CRÍTICAS DE CARGA
Interior: Ocurre cuando la carga es aplicada en el
interior de la superficie de la losa, lejana a los bordes
Borde: Ocurre cuando la carga es aplicada en el borde
de la superficie de la losa, lejana a las esquinas
Esquina: Ocurre cuando el centro de la carga está en la
bisectriz del ángulo de la esquina
ESFUERZOS PRODUCIDOS POR
LAS CARGAS DEL TRÁNSITO
ESFUERZOS PRODUCIDOS POR
LAS CARGAS DEL TRÁNSITO
FÓRMULAS DE WESTERGAARD ( =0.15)
* La presencia del término h2 en el denominador de las 3 fórmulas, sugiere que el
espesor de la losa es crítico en la reducción de esfuerzos por carga a niveles
aceptables
FÓRMULAS DE WESTERGAARD
ESFUERZOS PRODUCIDOS POR
LAS CARGAS DEL TRÁNSITO
SUPOSICIONES PARA LAS FÓRMULAS DE
WESTERGAARD
La losa actúa como un sólido homogéneo,
isotrópico y elástico en equilibrio
La losa tiene sección transversal uniforme
Todas las fuerzas son normales a la superficie
No hay fuerzas friccionales o de corte
ESFUERZOS PRODUCIDOS POR
LAS CARGAS DEL TRÁNSITO
SUPOSICIONES PARA LAS FÓRMULAS DE
WESTERGAARD
El eje neutro se encuentra en la mitad de la losa
La deformación por corte es despreciable
La losa se considera infinita para carga en el interior
y semi – infinita para carga en el borde
La carga se aplica sobre un área circular
ESFUERZOS PRODUCIDOS POR
LAS CARGAS DEL TRÁNSITO
Ejemplo
Determinar los esfuerzos críticos por carga para los
siguientes datos
ESFUERZOS PRODUCIDOS POR
LAS CARGAS DEL TRÁNSITO
Los resultados muestran que el sitio crítico es el borde
longitudinal (junto a la berma), lejos de las esquinas de
la losa
Solución
ESFUERZOS PRODUCIDOS POR
LAS CARGAS DEL TRÁNSITO
CARTAS DE INFLUENCIA
Pickett y Ray (1951) desarrollaron cartas de
influencia para el cálculo de momentos y deflexiones
en el interior y en el borde de pavimentos rígidos,
suponiendo que la subrasante actúa como un líquido
denso o como un sólido elástico
La solución implica el dibujo de las huellas de los
neumáticos a una escala apropiada y contar el número
de cuadros cubiertos por ellas en la carta (N)
ESFUERZOS PRODUCIDOS POR
LAS CARGAS DEL TRÁNSITO
Esfuerzo
CARTAS DE INFLUENCIA
Momento
10000
2 NplM
2
6
h
M
ESFUERZOS PRODUCIDOS POR
LAS CARGAS DEL TRÁNSITO
CARTA DE INFLUENCIA PARA DETERMINACIÓN DE
MOMENTO
(Carga en el interior, subrasante líquido denso)
Ejemplo
Empleando la carta de influencia adecuada, determinar
el esfuerzo máximo producido por una carga por eje
tándem en el interior de una losa de pavimento, de
acuerdo con los siguientes datos
—p = 150 psi
—h = 14 pulgadas
—k = 100 libras/ pulgada cúbica
—l = 55.31 pulgadas
—P en el tándem = 160,000 libras
ESFUERZOS PRODUCIDOS POR
LAS CARGAS DEL TRÁNSITO
psi414)14(
537,13*62
(Carga en el interior, subrasante líquido denso)
Solución
Dibujando el sistema tándem a escala apropiada sobre
la carta de influencia, se cuentan N = 295 cuadros
cubiertos por las improntas
pielbM 537,13000,10
295*)31.55(*150 2
CARTA DE INFLUENCIA PARA DETERMINACIÓN DE
MOMENTO
ESFUERZOS PRODUCIDOS POR
LAS CARGAS DEL TRÁNSITO
¿Por qué no se usa la teoría elástica de capas en el
análisis de los pavimentos rígidos?
Porque las juntas y discontinuidades de estos
pavimentos hacen inaplicable esta teoría
ESFUERZOS PRODUCIDOS POR
LAS CARGAS DEL TRÁNSITO
ESFUERZOS COMBINADOS POR CAMBIOS DE
TEMPERATURA Y CARGAS DEL TRÁNSITO
Para las condiciones de temperatura y carga de los
ejemplos previos, determinar el esfuerzo total en la
losa de 9 pulgadas de espesor
Ejemplo
ANÁLISIS DE ELEMENTOS
COMPLEMENTARIOS
PRESENCIA DE
ACERO EN EL
PAVIMENTO RÍGIDO
PRESENCIA DE ACERO
EN LOS PAVIMENTOS RÍGIDOS
REFUERZO POR TEMPERATURA
La cantidad de acero necesaria para mantener
intactas las fisuras en los pavimentos de concreto
reforzado con juntas, se calcula balanceando las
fuerzas a lo largo de un plano horizontal
Si se desarrolla una fisura, la resistencia al
movimiento debe ser soportada por la tensión en el
acero
ARMADURA DE REFUERZO EN PAVIMENTOS DE
CONCRETO REFORZADO CON JUNTAS
La cantidad necesaria de acero depende de tres factores:
Longitud de la losa: A medida que aumenta, se
incrementa el área de contacto con el material de base, lo que
aumenta el esfuerzo total resistente, generando mayores
esfuerzos a medida que la losa se contrae
Esfuerzo de trabajo del acero: Usualmente se toma
como 75 % del esfuerzo de fluencia
Factor de fricción: Representa la resistencia a la fricción
entre la parte inferior de la losa y la superior del soporte
REFUERZO POR TEMPERATURA
ARMADURA DE REFUERZO EN PAVIMENTOS DE
CONCRETO REFORZADO CON JUNTAS
As = (gc*h*L*fa)/2fs
gc = peso unitario del concreto
h = espesor de la losa
L = longitud de la losa
fa = factor de fricción
fs = esfuerzo admisible del acero
REFUERZO POR TEMPERATURA
La cantidad requerida de refuerzo por unidad de
ancho o largo de la losa (As) será:
ARMADURA DE REFUERZO EN PAVIMENTOS DE
CONCRETO REFORZADO CON JUNTAS
REFUERZO POR TEMPERATURA
FACTORES DE FRICCIÓN
ARMADURA DE REFUERZO EN PAVIMENTOS DE
CONCRETO REFORZADO CON JUNTAS
Ejemplo
Determinar la armadura requerida por un
pavimento rígido de 8 pulgadas (0.67 pies) de
espesor, 60 pies de longitud y 24 pies de ancho con
una junta longitudinal en el centro
El acero tiene fs = 43,000 psi (6,192,000 lb/pie2)
REFUERZO POR TEMPERATURA
ARMADURA DE REFUERZO EN PAVIMENTOS DE
CONCRETO REFORZADO CON JUNTAS
Solución
Armadura requerida en sentido longitudinal
As = (150*0.67*60*1.5)/(2*6,192,000)
As = 0.00073 pie2/pie = 0.105 pg2/pie de ancho
Armadura requerida en sentido transversal
As = (150*0.67*12*1.5)/(2*6,192,000)
As = 0.00073 pie2/pie = 0.021 pg2/pie de largo
REFUERZO POR TEMPERATURA
ARMADURA DE REFUERZO EN PAVIMENTOS DE
CONCRETO REFORZADO CON JUNTAS
REFUERZO POR TEMPERATURA
ARMADURA DE REFUERZO EN PAVIMENTOS DE
CONCRETO CON REFUERZO CONTINUO
Armadura longitudinal
La cantidad necesaria de acero en sentido longitudinal debe
satisfacer tres criterios
—Espaciamiento entre grietas: para minimizar el
descascaramiento de grietas, la separación máxima debe ser
menor de 2.5 m, en tanto que para minimizar el potencial
de punzonamiento, la mínima separación debe ser 1.07 m
—Ancho de grietas: para minimizar el descascaramiento y
la entrada de agua, no deberá exceder de 1 mm
—Esfuerzo de trabajo del acero: 75% del esfuerzo de
fluencia
REFUERZO POR TEMPERATURA
ARMADURA DE REFUERZO EN PAVIMENTOS DE
CONCRETO CON REFUERZO CONTINUO
La ecuación se resuelve para x = 2.5 m, lo que permite
obtener la cantidad mínima de acero para mantener las grietas
a menos de 2.5 m; y con x = 1.07 m para determinar la
máxima cuantía para que las grietas aparezcan separadas
cuando menos a 1.07 m
El diseño del refuerzo requiere la solución de 3 ecuaciones:
REFUERZO POR TEMPERATURA
ARMADURA DE REFUERZO EN PAVIMENTOS DE
CONCRETO CON REFUERZO CONTINUO
La solución de estas dos ecuaciones da una cantidad
mínima requerida de acero
REFUERZO POR TEMPERATURA
ARMADURA DE REFUERZO EN PAVIMENTOS DE
CONCRETO CON REFUERZO CONTINUO
SIGNIFICADO DE LOS TÉRMINOS DE LAS ECUACIONES
REFUERZO POR TEMPERATURA
ARMADURA DE REFUERZO EN PAVIMENTOS DE
CONCRETO CON REFUERZO CONTINUO
La primera ecuación proporciona los porcentajes requeridos
de acero, mínimo (Pmín) y máximo (Pmáx)
Si Pmáx > Pmín, se continúa con las otras ecuaciones, pero si
no, hay que modificar los datos de entrada y rehacer los
cálculos
Para un determinado diámetro de varilla (φ), espesor de
losas (D) y ancho de la sección de pavimento (W), el número
de varillas requeridas se calcula con las expresiones:
REFUERZO POR TEMPERATURA
ARMADURA DE REFUERZO EN PAVIMENTOS DE
CONCRETO CON REFUERZO CONTINUO
Armadura transversal
El diseño del refuerzo requerido en sentido transversal
se realiza con la expresión recomendada para los
pavimentos de concreto reforzado con juntas
VARILLAS DE ANCLAJE
Se diseñan para soportar únicamente esfuerzos de
tensión
La máxima tensión en las varillas de anclaje en
una junta es igual a la fuerza requerida para soportar
la fricción entre el pavimento y el soporte, en el
espacio comprendido entre la junta y el borde del
pavimento
FUNCIÓN DE LAS VARILLAS
ÁREA REQUERIDA
El área de acero de anclaje requerida por pie de
longitud de la junta se obtiene con la expresión:
As = (W*b*fa)/fs
VARILLAS DE ANCLAJE
W = peso del pavimento (lb/pie2) ( 12.5 * espesor de
la losa en pulgadas)
b = distancia entre la junta en estudio y la siguiente
junta libre o el borde del pavimento (pies)
fa = coeficiente de fricción (1.5)
fs = esfuerzo admisible en el acero (psi)
ESPACIAMIENTO ENTRE VARILLAS
El espaciamiento centro a centro entre varillas de
anclaje se determina mediante la expresión:
S = A*12/As
A = área de la sección transversal de la varilla
escogida (pg2). Generalmente se usan varillas de 3/8‖ y
½‖
As = área de acero requerida por pie de junta
VARILLAS DE ANCLAJE
LONGITUD DE LAS VARILLAS DE ANCLAJE
Debe ser por lo menos el doble de la requerida para
desarrollar una resistencia adherente igual al esfuerzo
de trabajo en el acero ( se recomienda que la longitud
así calculada se incremente en 2 pulgadas)
L = (2*fs*A/350 P) + 2
L = longitud de la varilla, en pulgadas
P = perímetro de la varilla, en pulgadas
VARILLAS DE ANCLAJE
EJEMPLO DE DISEÑO DE VARILLAS DE ANCLAJE
VARILLAS DE ANCLAJE
Determinar la cantidad de acero requerida en
varillas de anclaje, en un pavimento rígido de 8
pulgadas de espesor y 24 pies de ancho con una junta
longitudinal en el medio, si el acero tiene fs = 42,000
psi
Solución
As = (12.5*8*12*1.5)/42,000
As = 0.043 pg2/pie de junta
VARILLAS DE ANCLAJE
S = (0.20)(12)/0.043)
S = 55.8 pulgadas (140 centímetros)
L = [ (2)(42,000)(0.20)/(350)(1.571) ] +2 = 32.5
L = 32.5 pulgadas (83 centímetros)
EJEMPLO DE DISEÑO DE VARILLAS DE ANCLAJE
Para la cuantía determinada en el problema
anterior, establecer la separación centro a centro
entre varillas (S) si ellas tienen ½‖ de diámetro (A
= 0.20 pg2 y P = 1.571 pg). Así mismo indicar la
longitud necesaria de cada varilla (L)
Solución
Los libros de diseño de pavimentos rígidos incluyen
tablas con recomendaciones para el dimensionamiento de
las varillas de anclaje, lo que evita la ejecución de cálculos
TABLA DEL ICPC PARA DISEÑO DE VARILLAS DE
ANCLAJE DE ½”, fy = 60,000 psi
VARILLAS DE ANCLAJE
RECETAS DE DISEÑO
VARILLAS DE TRANSFERENCIA DE CARGA
Se diseñan para transferir carga de una losa a la
siguiente
Deben permitir que la junta se abra o se cierre, pero
sosteniendo los extremos de la losa a la misma
elevación
Su empleo reduce los riesgos de escalonamiento y de
bombeo
GENERALIDADES
VARILLAS DE TRANSFERENCIA DE CARGA
Su diseño debe permitir que ellas transmitan de 40%
a 45% de la carga a la losa siguiente, cuando la carga
se encuentre en la junta transversal y lejos del borde
del pavimento
Puesto que el concreto es más débil que el acero, el
tamaño y la separación entre las varillas están
dominados por el esfuerzo de soporte entre la varilla y
el concreto
GENERALIDADES
PRESIÓN EJERCIDA SOBRE UNA VARILLA CARGADA
VARILLAS DE TRANSFERENCIA DE CARGA
VARILLAS DE TRANSFERENCIA DE CARGA
La deflexión de una varilla en la junta está dada por
DELEXIÓN DE LA VARILLA
VARILLAS DE TRANSFERENCIA DE CARGA
DELEXIÓN DE LA VARILLA
D = diámetro de la varilla
K = módulo de soporte de la varilla, que es la
presión necesaria para producir una deflexión
unitaria de la varilla dentro de la masa que la rodea
VARILLAS DE TRANSFERENCIA DE CARGA
La presión de soporte sobre el concreto en la cara de la
junta está dada por
PRESIÓN DE SOPORTE Y ESFUERZO ADMISIBLE
El esfuerzo admisible de soporte ha sido determinado
experimentalmente
Se comparan σ y fb y, en caso necesario, se aumenta el
diámetro de las varillas o se reduce la separación entre ellas
VARILLAS DE TRANSFERENCIA DE CARGA
ACCIÓN DEL GRUPO DE VARILLAS
Su capacidad de carga está influenciada por el
espaciamiento entre varillas, su posición respecto de la
carga por rueda, la capacidad de transferencia de cada
varilla, el espesor del pavimento, el módulo de reacción
del soporte y el espaciamiento centro a centro de las
ruedas dobles del eje considerado
VARILLAS DE TRANSFERENCIA DE CARGA
ACCIÓN DEL GRUPO DE VARILLAS
Se considera que la varilla bajo el centro de la carga
es la más efectiva (1.0) y que la efectividad decrece
linealmente hasta una distancia igual a ―1.8*l‖ (donde
ocurre el momento máximo negativo)
La suma de las efectividades de los pasadores que
intervienen para transferir carga se llama factor de
capacidad (F)
VARILLAS DE TRANSFERENCIA DE CARGA
ACCIÓN DEL GRUPO DE VARILLAS
La capacidad de transferencia de carga del sistema
de varillas es el producto del factor de capacidad (F)
por la capacidad individual de cada varilla (P)
Pt = F*P
La carga en el borde longitudinal del pavimento
establece la condición crítica, por cuanto interviene el
menor número de varillas
ACCIÓN DEL GRUPO DE VARILLAS – CARGA EN EL BORDE
Factor de capacidad de carga sobre una
varilla de borde (Fb) considerando sólo la
carga P1
VARILLAS DE TRANSFERENCIA DE CARGA
ACCIÓN DEL GRUPO DE VARILLAS – CARGA EN EL INTERIOR
Factor de capacidad de carga sobre una varilla
interior (Fc) considerando sólo la carga P1
VARILLAS DE TRANSFERENCIA DE CARGA
ACCIÓN DEL GRUPO DE VARILLAS
VARILLAS DE TRANSFERENCIA DE CARGA
La carga ubicada en el otro extremo del eje del
vehículo también afecta la capacidad de carga de las
varilla
La magnitud de ese efecto depende de la separación
―R‖ entre las dos ruedas del eje
En este caso se elaboran dos diagramas (uno para
cada carga) y se suman las correspondientes
efectividades de las varillas
ACCIÓN DEL GRUPO DE VARILLAS
VARILLAS DE TRANSFERENCIA DE CARGA
En caso de que R < 1.8*l, existirán varillas con
efectividad de transmisión de carga mayor de 1.0
En este caso, la capacidad de transferencia se debe
reducir proporcionalmente en la medida en que
algunas varillas del sistema estarían sobretensionando
al concreto
ACCIÓN DEL GRUPO DE VARILLAS – CASO R < 1.8 l
Factor de capacidad (F’c) cuando R < 1.8 l
VARILLAS DE TRANSFERENCIA DE CARGA
VARILLAS DE TRANSFERENCIA DE CARGA
Ejemplo No 1
Determinar la capacidad de transferencia de carga de
una varilla (P), de acuerdo con los siguientes datos:
K= 1,500,000 pci
d= ¾ pg =0.75 pulgadas
I = πd4/64 = 0.0155 pg4
E = 29,000,000 psi
z = 0.25 pulgadas
Esfuerzo admisible del concreto (fb) = 3,200 psi
CASO DE UNA VARILLA
VARILLAS DE TRANSFERENCIA DE CARGA
CASO DE UNA VARILLA
Solución al Ejemplo No 1
Despejando P:
P = 1,212 libras
VARILLAS DE TRANSFERENCIA DE CARGA
ACCIÓN DEL GRUPO DE VARILLAS
Ejemplo No 2
Para la carga por rueda simple del Ejemplo No 1,
determinar la capacidad de transferencia de un grupo
de varillas separadas entre centros 12 pulgadas, si el
radio de rigidez relativa es 60 pulgadas
VARILLAS DE TRANSFERENCIA DE CARGA
ACCIÓN DEL GRUPO DE VARILLAS
Solución al Ejemplo No 2
1.8*l = 1.8*60 = 108 pulgadas
Número de varillas involucradas = 1.8*l/s = 108/ 12 = 9
Ejemplo No 3
Determinar el diámetro requerido de varillas de
transferencia, para una carga por eje simple de 25,000
libras
El módulo de elasticidad de las varillas E es
29,000,000 psi y el módulo de soporte (K) es 1,500,000
pci
Las varillas están separadas centro a centro 12
pulgadas y el radio de rigidez relativa (l) es 50 pulgadas
VARILLAS DE TRANSFERENCIA DE CARGA
ACCIÓN DEL GRUPO DE VARILLAS
Ejemplo No 3 (continuación del enunciado)
La abertura de la junta transversal es 0.25 pulgadas
La rueda exterior se aplica sobre la primera varilla y
está alejada de la interior a una distancia mayor de
1.8*l
La resistencia a compresión del concreto es 3,500 psi
VARILLAS DE TRANSFERENCIA DE CARGA
ACCIÓN DEL GRUPO DE VARILLAS
Solución al Ejemplo No 3
VARILLAS DE TRANSFERENCIA DE CARGA
ACCIÓN DEL GRUPO DE VARILLAS
Solución al Ejemplo No 3 (cont.)
Asumiendo 45 % de transferencia de carga, la carga
transferida por el conjunto de varillas (Pt) será:
25,000*0.5*0.45 = 5,625 libras
Número de varillas involucradas
n = 1.8*l/s = 90/12 = 7
2.42
)17(*
90
1217
bF
VARILLAS DE TRANSFERENCIA DE CARGA
ACCIÓN DEL GRUPO DE VARILLAS
Solución al Ejemplo No 3 (cont.)
Carga transferida por la varilla exterior
5,625/4.2 = 1,339 libras
Para calcular la presión de soporte del concreto sobre
la cara de la junta (), se deben conocer el momento de
inercia de la varilla (I) y la rigidez relativa de la varilla
(β), lo que implica asumir un diámetro de varilla
VARILLAS DE TRANSFERENCIA DE CARGA
ACCIÓN DEL GRUPO DE VARILLAS
Solución al Ejemplo No 3 (cont.)
Adoptando un diámetro de ¾‖ (0.75 pulgadas), se tiene
psi3531)25.0*889.02(0155.0*29000000*)889.0(*4
1339*15000003
VARILLAS DE TRANSFERENCIA DE CARGA
ACCIÓN DEL GRUPO DE VARILLAS
I = πd4/64 = 0.0155 pg4
Solución al Ejemplo No 3 (cont.)
El esfuerzo admisible de soporte será
psifd
f cb 792,3500,33
75.04
3
4 '
Como σ < fb, el diámetro adoptado de ¾‖ es correcto
VARILLAS DE TRANSFERENCIA DE CARGA
ACCIÓN DEL GRUPO DE VARILLAS
La capacidad de transferencia de la varilla depende de
su longitud embebida en el concreto
Friberg demostró que un corte en el segundo punto de
contraflexión de la varilla no afecta el esfuerzo de
soporte del concreto
VARILLAS DE TRANSFERENCIA DE CARGA
LONGITUD REQUERIDA POR LAS VARILLAS
Las pruebas de la ACI demostraron que para varillas
de ¾‖, la longitud embebida debería ser de unos 8
diámetros (6 pulgadas), lo que equivale a una longitud
total de varilla del orden de 12 pulgadas)
La PCA y el ACI recomiendan, en general, longitudes
variables entre 12 y 18 pulgadas (30 – 45 cm) para las
varillas de transferencia de pavimentos rígidos para
calles y carreteras
VARILLAS DE TRANSFERENCIA DE CARGA
LONGITUD REQUERIDA POR LAS VARILLAS
mm pg
160-180 22,2 7/8 350 300
190-200 25,4 1 350 300
210-230 28,6 1 1/8 400 300
240-250 31,8 1 1/4 450 300
260-280 34,9 1 3/8 450 300
290-300 38,1 1 1/2 500 300
diámetro de la varilla *Espesor del
pavimento (mm)
longitud
(mm)
separación entre
centros (mm)
RECOMENDACIONES GENERALES SOBRE
DIMENSIONES MÍNIMAS (PCA 1975)
VARILLAS DE TRANSFERENCIA DE CARGA
* Notas:
Existe una regla según la cual el diámetro de la varilla no
puede ser menor de 1/8 del espesor de la losa (PCA, 1975)
La PCA (1991) recomienda un diámetro de 1y 1/4‖ para
espesores de losa menores de 250 mm y de 1y ½‖ para
espesores iguales o mayores a 250 mm
Existen recomendaciones según las cuales las losas de
menos de 170 mm no requieren pasadores, debido a que
corresponden a vías de tránsito liviano
VARILLAS DE TRANSFERENCIA DE CARGA
RECOMENDACIONES GENERALES SOBRE
DIMENSIONES MÍNIMAS
MÉTODO DE LOS
ELEMENTOS
FINITOS
ESFUERZOS EN PAVIMENTOS RÍGIDOS
MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS
Los pavimentos rígidos se pueden analizar con
programas tridimensionales de elementos finitos
(ejemplos: KENSLABS, everFE, ILLI-SLAB)
Mediante estos programas de cómputo es posible: (i)
Modelar sistemas de losas (ii) Modelar los esfuerzos
producidos por el alabeo y el tránsito (iii) Considerar
la pérdida de contacto de la losa con el soporte (iv)
Evaluar la transferencia de carga por varillas y por
trabazón de agregados (v) Considerar variaciones en la
abertura y en la inclinación de las juntas
MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS
MODELACIÓN DE LAS CONDICIONES DE TRABAJO MEDIANTE everFE
MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS
VISTA DE ESFUERZOS DE TENSIÓN BAJO LA ACCIÓN DE DOS CARGAS
CARACTERIZACIÓN DEL
TRÁNSITO
CONTENIDO
Definiciones
Período de diseño del pavimento
Caracterización de las cargas del tránsito
Equivalencia de cargas por eje
Equivalencias de carga por vehículo
Conversión del tránsito mezclado en aplicaciones
equivalentes del eje de referencia
Tendencia histórica y proyección del tránsito
EL TRÁNSITO AUTOMOTOR
CARACTERIZACIÓN DEL TRÁNSITO
DEFINICIONES
DEFINICIONES
Tránsito promedio diario
Número de vehículos que circulan durante
determinado periodo, dividido por el número de días
del periodo
Vehículo comercial
Vehículo automotor, de cuando menos dos ejes,
que comprende buses, busetas, volquetas y camiones
con o sin acoplado
Vehículo liviano
Vehículo automotor de dos ejes simples con sistema
de rueda simple
Carril de diseño
Carril por el cual se espera la circulación de mayor
número de cargas de diseño
Período de diseño
Lapso que transcurre desde que un pavimento se da al
servicio hasta que alcanza su índice de servicio terminal
DEFINICIONES
Índice de servicio presente
Valor numérico, entre cero y cinco, que da una
indicación del comportamiento del pavimento desde
el punto de vista del usuario
Índice de servicio inicial
Índice de servicio de un pavimento en el instante en
el cual se acaba de construir o de rehabilitar
Índice de servicio terminal
Menor índice de servicio que es tolerado por el
usuario antes de exigir la rehabilitación del pavimento
DEFINICIONES
ÍNDICE DE SERVICIO PRESENTE
DEFINICIONES
CARACTERIZACIÓN DEL TRÁNSITO
PERÍODO DE DISEÑO
DEL PAVIMENTO
PERÍODOS DE DISEÑO
Los períodos de diseño suelen ser diferentes según
se trate de pavimentos asfálticos o rígidos:
—En los pavimentos asfálticos depende de la
importancia de la vía y suelen variar entre 10 y 20
años
—Los pavimentos rígidos se acostumbran diseñar
para períodos de 20 años, independientemente de
la importancia de la vía, por cuanto los
incrementos de espesor y de costo al duplicar el
período de diseño no suelen exceder de 10%
PERÍODOS DE DISEÑO
I II III IV
DESCRIPCIÓN
Autopistas interurbanas,
Caminos interurbanos
principales
Colectoras interurbanas,
Caminos rurales e
industriales principales
Caminos rurales con
tránsito medio,
Caminos estratégicos
Pavimentos especiales e
innovaciones
Rango TPD inicial 5000 1000-10000 -1000 -10000
Periodo de diseño
recomendado (años) 20 15 10 10 - 15
CATEGORÍA DE LA CARRETERA
PERÍODOS DE DISEÑO RECOMENDADOS POR INVÍAS PARA LOS
PAVIMENTOS ASFÁLTICOS DE LAS CARRETERAS NACIONALES
CARACTERIZACIÓN DEL TRÁNSITO
CARACTERIZACIÓN
DE LAS CARGAS
DEL TRÁNSITO
—Diferentes tipos de vehículos
—Diferentes magnitudes de carga por eje
—Diferentes configuraciones de ejes
—Diferentes presiones de contacto neumático -
pavimento
—Diferente velocidad vehicular
TRÁNSITO MEZCLADO
CARACTERIZACIÓN DE
LAS CARGAS DEL TRÁNSITO
El efecto que producen los vehículos sobre un
pavimento es muy complejo de evaluar, debido a que
el tránsito es muy mezclado:
DIFERENTES TIPOS DE VEHÍCULOS
Vehículo pesado ¿Vehículo liviano?
CARACTERIZACIÓN DE
LAS CARGAS DEL TRÁNSITO
CARACTERIZACIÓN DE
LAS CARGAS DEL TRÁNSITO
CLASIFICACIÓN DE LOS VEHÍCULOS EN COLOMBIA
DIFERENTES MAGNITUDES DE CARGA POR EJE
CARACTERIZACIÓN DE
LAS CARGAS DEL TRÁNSITO
P1 P2P3 P4
CONFIGURACIONES USUALES DE LOS EJES Y DE LAS RUEDAS DE LOS VEHÍCULOS AUTOMOTORES
CARACTERIZACIÓN DE
LAS CARGAS DEL TRÁNSITO
DIFERENTES CONFIGURACIONES DE EJES
Eje simple -
rueda doble
Eje tándem –
rueda doble
Eje triple –
rueda doble
CARACTERIZACIÓN DE
LAS CARGAS DEL TRÁNSITO
CARACTERIZACIÓN DE
LAS CARGAS DEL TRÁNSITO
DIFERENTES CONFIGURACIONES DE EJES
Eje simple - rueda simple Eje simple - rueda ¿….?
DIFERENTES PRESIONES DE CONTACTO
CARACTERIZACIÓN DE
LAS CARGAS DEL TRÁNSITO
En los pavimentos asfálticos, el efecto de la
presión de contacto es particularmente importante en
la parte superior de la estructura, aunque no afecta el
espesor total requerido de pavimento. Cuando las
presiones de inflado y de contacto son altas, se
requieren materiales de mejor calidad en las capas
asfálticas
En los pavimentos rígidos, mayores presiones de
inflado y de contacto generan mayores esfuerzos y
exigen espesores de pavimento superiores
DIFERENTES PRESIONES DE CONTACTO
CARACTERIZACIÓN DE
LAS CARGAS DEL TRÁNSITO
EFECTO DE LA CARGA POR RUEDA Y DE LA PRESIÓN DE CONTACTO SOBRE
LOS ESFUERZOS VERTICALES EN UN PAVIMENTO ASFÁLTICO
DIFERENTES PRESIONES DE CONTACTO
CARACTERIZACIÓN DE
LAS CARGAS DEL TRÁNSITO
EFECTO DE LA CARGA POR RUEDA Y DE LA PRESIÓN DE CONTACTO SOBRE
LOS ESPESORES REQUERIDOS EN UN PAVIMENTO RÍGIDO
DIFERENTE VELOCIDAD VEHICULAR
CARACTERIZACIÓN DE
LAS CARGAS DEL TRÁNSITO
La velocidad vehicular es inversamente
proporcional al tiempo de aplicación de la carga
sobre la superficie del pavimento
Los materiales de las diferentes capas de un
pavimento presentan un mayor módulo de elasticidad
a menor tiempo de aplicación de la carga
Por lo tanto, las magnitudes de las deformaciones
en el pavimento se reducen al incrementarse la
velocidad
DIFERENTE VELOCIDAD VEHICULAR
CARACTERIZACIÓN DE
LAS CARGAS DEL TRÁNSITO
EFECTO DE LA VELOCIDAD SOBRE LAS DEFORMACIONES EN UN PAVIMENTO
ASFÁLTICO PARA DIVERSAS MAGNITUDES DE CARGAS POR EJE
CARACTERIZACIÓN DE
LAS CARGAS DEL TRÁNSITO
El número de ejes por carril y su distribución en
diferentes grupos de carga durante el periodo de
diseño del pavimento
El efecto destructivo de los vehículos circulantes y
la incidencia estructural de unos ejes con respecto de
otros de diferente magnitud y configuración
INFORMACIÓN DE TRÁNSITO REQUERIDA
PARA EL DISEÑO DE UN PAVIMENTO
Emplear cargas equivalentes por eje, convirtiendo las cargas
reales esperadas a un número equivalente de aplicaciones de
un eje normalizado, generalmente el eje simple de 80 kN. Este
es el procedimiento utilizado en Colombia para el diseño de
pavimentos asfálticos
Emplear el espectro de carga real de ejes simples, tándem,
triples y cuádruples. Este espectro incluye el número de ejes
en una serie de grupos de carga, durante intervalos de tiempo
prolongados. Este es el procedimiento corriente para el diseño
de pavimentos rígidos
CARACTERIZACIÓN DE
LAS CARGAS DEL TRÁNSITO
MANERAS DE CARACTERIZAR EL TRÁNSITO
CARACTERIZACIÓN DEL TRÁNSITO
EQUIVALENCIA DE
CARGAS POR EJE
EQUIVALENCIA DE CARGAS POR EJE
Factor numérico que relaciona el número de
aplicaciones de las carga por eje de referencia que
produce en el pavimento un determinado deterioro y el
número requerido de aplicaciones de otra carga por eje
para producir el mismo deterioro
El deterioro se mide en términos de la pérdida de
índice de servicio presente
FACTOR DE EQUIVALENCIA DE CARGA POR EJE
Ejemplo
Establecer el factor de equivalencia de carga por eje
(FECE) para la siguiente situación:
—La acción de 100,000 aplicaciones de un eje de
80 kN produjo en un pavimento una caída del
índice de servicio presente de 4.2 a 2.5, en tanto
que otro pavimento idéntico soportó 10,000
aplicaciones de un eje de 142 kN para sufrir la
misma caída en serviciabilidad
FACTOR DE EQUIVALENCIA DE CARGA POR EJE
EQUIVALENCIA DE CARGAS POR EJE
Solución
FECE = 100,000/10,000 = 10
—Es decir, que una pasada de un eje simple de 142
kN produce en un pavimento la misma pérdida de
índice de servicio que 10 pasadas de un eje simple
de 80 kN
FACTOR DE EQUIVALENCIA DE CARGA POR EJE
EQUIVALENCIA DE CARGAS POR EJE
Los factores de equivalencia de carga por eje (FECE)
dependen de:
—Tipo de pavimento
—Condición estructural del pavimento
—Sistema de eje vehicular
—Índice de servicio final de la estructura
Tablas con valores de los factores de equivalencia de
carga por eje para diversas combinaciones de estas
variables, aparecen en el manual de diseño AASHTO-93
FACTOR DE EQUIVALENCIA DE CARGA POR EJE
EQUIVALENCIA DE CARGAS POR EJE
Carga por eje
(kip)
Pavimento asfáltico SN=5, pt =3.0
Factores de equivalencia de carga por eje
Simple Tándem
0.0000
Triple
2 0.0002 0.0000 0.0000
10 0.101 0.008 0.002
18 1.0 0.090
0.702
0.020
0.16730 5.1
40 13.1 1.98 0.536
50 30.0 4.05 1.26
FACTOR DE EQUIVALENCIA DE CARGA POR EJE
FACTORES DE EQUIVALENCIA DE CARGA POR EJE SEGÚN AASHTO
(SN = 5 y pt = 3)
EQUIVALENCIA DE CARGAS POR EJE
Los FECE se pueden expresar en términos de la
magnitud de las cargas involucradas, las cuales deben
corresponder a una misma configuración de ejes y
número de llantas.
FECE = (Pi/Pr)n
Pi= Carga por eje considerada
Pr = Carga por eje de referencia
n = Coeficiente empírico
FACTOR DE EQUIVALENCIA DE CARGA POR EJE
EQUIVALENCIA DE CARGAS POR EJE
Ejemplo
Establecer el coeficiente exponencial empírico para
las cargas por eje simple de 80 kN y de 142 kN,
tomando como referencia la primera
10 = (142/80)n
n = 4.01
FACTOR DE EQUIVALENCIA DE CARGA POR EJE
EQUIVALENCIA DE CARGAS POR EJE
Según se determinó en el ensayo AASHTO, el valor
―n‖ en pavimentos asfálticos oscila en un entorno mas o
menos restringido (3.8 - 4.2), lo que ha llevado a los
diseñadores a adoptar un valor igual a 4.0 en la solución
de los problemas rutinarios con estos pavimentos
Por ese motivo, la relación
FECE = (Pi/Pr)4
se conoce como “Ley de la Cuarta Potencia”
FACTOR DE EQUIVALENCIA DE CARGA POR EJE
EQUIVALENCIA DE CARGAS POR EJE
En el mismo ensayo AASHTO se determinó que en
pavimentos rígidos, la agresividad de una carga por eje
respecto de la de referencia seguía una ley similar,
pero el coeficiente ―n‖ era mayor que en el caso de los
pavimentos asfálticos, entre 4.0 y 4.4
FACTOR DE EQUIVALENCIA DE CARGA POR EJE
EQUIVALENCIA DE CARGAS POR EJE
En el AASHO ROAD TEST se adoptó como carga
de referencia por eje simple con sistema de rueda doble
una de magnitud igual a 80 kN (18 kip) y se supuso
que ella producía en el pavimento un daño unitario
Las magnitudes de carga aplicadas con otros sistemas
de ejes y/o de rueda, que produzcan en un pavimento el
mismo deterioro que el eje simple de rueda doble de 80
kN, se consideran también como cargas de referencia
CARGAS POR EJE DE REFERENCIA
EQUIVALENCIA DE CARGAS POR EJE
CARGAS DE REFERENCIA ADOPTADAS POR INVIAS PARA EL
DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
Tipo de eje Configuración
de ruedas
Carga de referencia
kN kip t
Simple Simple 65 14.5 6.6
Simple Doble 80 18.0 8.2
Tándem Doble 146 33.0 15.0
Triple Doble 225* 50.7* 23.0*
* La carga de referencia adoptada por la AASHTO es de aproximadamente 48 kip
CARGAS POR EJE DE REFERENCIA
EQUIVALENCIA DE CARGAS POR EJE
FACTORES DE EQUIVALENCIA DE CARGA POR
EJE SEGÚN LA LEY DE LA CUARTA POTENCIA
EQUIVALENCIA DE CARGAS POR EJE
CARACTERIZACIÓN DEL TRÁNSITO
EQUIVALENCIAS DE
CARGA POR
VEHÍCULO
El método más utilizado para estimar el tránsito con
fines de diseño de pavimentos consiste en convertir las
repeticiones esperadas del tránsito real a un número de
aplicaciones del eje de referencia normalizado (80 kN)
que produciría el mismo deterioro en el pavimento
Debido a la reducida magnitud de las cargas por eje
de los vehículos livianos, éstas se suelen ignorar en los
cómputos de tránsito con fines de diseño de pavimentos
CONCEPTO DE LA EQUIVALENCIA DE CARGA
EQUIVALENCIAS DE CARGA POR VEHÍCULO
CONCEPTO DE LA EQUIVALENCIA DE CARGA
EQUIVALENCIAS DE CARGA POR VEHÍCULO
EJES EQUIVALENTES GENERADOS POR
DIFERENTES TIPOS DE VEHÍCULOS
(datos U.S.A.)
EQUIVALENCIAS DE CARGA POR VEHÍCULO
Es el parámetro empírico que permite convertir el
tránsito real en aplicaciones equivalentes del eje de
referencia para diseño de pavimentos asfálticos
El factor camión es el número de ejes simples
equivalentes de referencia (80 kN) que producirían en
el pavimento un daño equivalente al de una pasada de
un vehículo comercial promedio
El factor camión se puede determinar de manera
individual para cada tipo de vehículo comercial o
como promedio de todo el flujo de tránsito pesado
FACTOR CAMIÓN
EQUIVALENCIAS DE CARGA POR VEHÍCULO
Se pesan los ejes de los vehículos comerciales que
circulen por la vía durante cierto lapso
Se tabulan por grupos los valores de carga por eje
obtenidos para los diversos sistemas de ejes (espectro
de carga)
Los valores tabulados son afectados por los factores
de equivalencia de carga por eje (FECE), aplicando los
factores de AASHTO o empleando la ley de la cuarta
potencia, si no se dispone de ellos
DETERMINACIÓN DEL FACTOR CAMIÓN
EQUIVALENCIAS DE CARGA POR VEHÍCULO
EJEMPLO DE CÁLCULO
DETERMINACIÓN DEL FACTOR CAMIÓN
EQUIVALENCIAS DE CARGA POR VEHÍCULO
EJEMPLO DE CÁLCULO (cont.)
DETERMINACIÓN DEL FACTOR CAMIÓN
EQUIVALENCIAS DE CARGA POR VEHÍCULO
VALORES DE FACTOR CAMIÓN POR TIPO VEHÍCULO
EQUIVALENCIAS DE CARGA POR VEHÍCULO
COMENTARIOS SOBRE EL FACTOR CAMIÓN
El factor camión es un valor cuya magnitud cambia con
el tiempo en una determinada carretera, debido a diversos
factores:
—Desarrollo de la industria de fabricación de buses y
camiones
—Modificaciones en los límites de carga legal
—Cambios en la distribución del parque de vehículos
pesados
El valor numérico del factor camión está relacionado
directamente con la intensidad de la sobrecarga vehicular
EQUIVALENCIAS DE CARGA POR VEHÍCULO
EFECTOS DE LA SOBRECARGA VEHICULAR
EQUIVALENCIAS DE CARGA POR VEHÍCULO
EFECTOS DE LA SOBRECARGA VEHICULAR
EQUIVALENCIAS DE CARGA POR VEHÍCULO
EQUIVALENCIAS DE CARGA POR VEHÍCULO
EFECTOS DE LA SOBRECARGA VEHICULAR
SOBRE EL USUARIO
EQUIVALENCIAS DE CARGA POR VEHÍCULO
EFECTOS DE LA SOBRECARGA VEHICULAR
SOBRE EL PAVIMENTO
CARACTERIZACIÓN DEL TRÁNSITO
CONVERSIÓN DEL TRÁNSITO
REAL EN APLICACIONES
EQUIVALENTES DEL EJE DE
REFERENCIA
CÁLCULO DEL NÚMERO DE EJES SIMPLES
EQUIVALENTES EN UN AÑO i
NESEi Nú Número de aplicaciones de carga del eje de referencia en el carril de
diseño en el año “i”
TPDi Tránsito promedio diario en ambas direcciones, durante el año “i”
VC Proporción del TPD que está constituida por vehículos comerciales (en
cifras decimales)
DD Distribución direccional del tránsito de vehículos comerciales (en cifras
decimales)
DC Proporción de los vehículos comerciales circulantes en una dirección,
que utilizan el carril de diseño (en cifras decimales)
FC Factor camión
365 Número de días de un año
Este procedimiento se aplica en evaluaciones de
tránsito para el diseño de pavimentos asfálticos
DISTRIBUCIÓN DIRECCIONAL DEL TRÁNSITO
DE VEHÍCULOS COMERCIALES (DD)
CÁLCULO DEL NÚMERO DE EJES SIMPLES
EQUIVALENTES EN UN AÑO i
Generalmente se supone que DD = 0.50
La guía de rehabilitación de pavimentos asfálticos del
INVÍAS recomienda emplear DD = 0.55
CÁLCULO DEL NÚMERO DE EJES SIMPLES
EQUIVALENTES EN UN AÑO i
PROPORCIÓN DE LOS VEHÍCULOS COMERCIALES
QUE CIRCULAN EN UNA DIRECCIÓN, QUE UTILIZAN
EL CARRIL DE DISEÑO (DC)
CÁLCULO DEL NÚMERO DE EJES SIMPLES
EQUIVALENTES EN UN AÑO i
Datos
Carretera de dos carriles
Tránsito promedio diario = 1200 vehículos
Livianos = 40%; Buses =15%; Camiones 45%
Factor camión = 2.40
Solución
VC = 15% + 45% = 60% = 0.60
DD = 0.5 (distribución direccional)
DC = 1.0 (un carril por dirección)
NESEi = 1200*0.6*0.5*1.0*2.40*365 = 315,360 ejes
EJEMPLO DE CÁLCULO
CARACTERIZACIÓN DEL TRÁNSITO
TENDENCIA HISTÓRICA
Y PROYECCIÓN DEL
TRÁNSITO
EVOLUCIÓN HISTÓRICA DEL TRÁNSITO
Si se dispone de información sobre la evolución del
tránsito, se calculan los NESE durante los últimos
años
Se establecen tendencias de crecimiento de tipo
matemático y se adopta aquella que presente mejor
coeficiente de correlación
Las ecuaciones de tendencia más aplicadas para
estudiar el tránsito automotor son la exponencial y la
lineal recta
ECUACIONES DE TENDENCIA
EVOLUCIÓN HISTÓRICA DEL TRÁNSITO
ECUACIONES DE TENDENCIA
EJEMPLO DE CÁLCULO
Definir las tendencias de crecimiento exponencial y
lineal recta para los datos de NESE que presenta la tabla
EVOLUCIÓN HISTÓRICA DEL TRÁNSITO
EJEMPLO DE CÁLCULO
Solución
Aplicando los procedimientos de la estadística, se
obtienen las siguientes ecuaciones de tendencia:
Exponencial
NESEx = 276,239*(1.061)x (r=0.94)
Lineal recta
NESEx = 275,074+19,033x (r= 0.95)
EVOLUCIÓN HISTÓRICA DEL TRÁNSITO
PROYECCIÓN DEL TRÁNSITO
La proyección del tránsito para el diseño de un pavimento
requiere la siguiente información:
—Año inicial de servicio del pavimento (j)
—Período de diseño del pavimento
—Ecuación de crecimiento adoptada
A partir de dicha información se estima:
—NESEj, empleando la ecuación de tendencia con x = j
—El número acumulado de ejes simples equivalentes de
referencia (80 kN) en el carril de diseño durante el
período de diseño (N), a partir del año ―j‖
PROYECCIÓN DEL TRÁNSITO
El tránsito acumulado de diseño (N) se determina
integrando la ecuación de tendencia de crecimiento del
tránsito
Si la tendencia elegida es exponencial:
)1ln(
1)1(
i
iNESEN
n
j
Si la tendencia elegida es recta:
2
**
2nmnNESEN j
CÁLCULO DEL TRÁNSITO DE DISEÑO (N)
Ejemplo 1
Ecuación de crecimiento exponencial
NESEx = 276,239*(1.061)x (x = 0 en 2001)
Si el pavimento se pone en servicio en 2008 (x = j = 7)
NESEj = 276,239*(1.061)7 = 418,112 ejes equivalentes
Periodo de diseño del pavimento = 10 años
PROYECCIÓN DEL TRÁNSITO
EJEMPLO DE CÁLCULO DE “N”
PROYECCIÓN DEL TRÁNSITO
Solución del ejemplo 1
Como la ecuación de crecimiento es exponencial
esequivalentejesN 210,704,5)061.01(ln
1)061.01(112,418
10
)1ln(
1)1(
i
iNESEN
n
j
EJEMPLO DE CÁLCULO DE “N”
PROYECCIÓN DEL TRÁNSITO
Ejemplo 2
Ecuación de crecimiento lineal recta
NESEx = 275,074+19033x (x = 0 en 2001)
Si el pavimento se pone en servicio en 2008 (x = j = 7)
NESEj = 275,074+19,033*7 = 408,305 ejes equivalentes
Periodo de diseño del pavimento = 10 años
EJEMPLO DE CÁLCULO DE “N”
PROYECCIÓN DEL TRÁNSITO
Solución del ejemplo 2
Como la ecuación de crecimiento es lineal recta
2
**
2nmnNESEN j
kNdeesequivalentejesN 80700,034,52
10*033,1910*305,408
2
EJEMPLO DE CÁLCULO DE “N”
CONSIDERACIONES SOBRE EL
DRENAJE EN LOS PAVIMENTOS
CONTENIDO
Generalidades
Drenaje superficial
Drenaje interno
CONSIDERACIONES SOBRE
EL DRENAJE EN LOS PAVIMENTOS
GENERALIDADES
El incremento de la presión de poros reduce la fricción
interna y la resistencia al corte de los suelos
Generación de movimientos diferenciales en suelos
expansivos
Erosión y bombeo en las capas de soporte de los
pavimentos rígidos
Desprendimiento del ligante que rodea los agregados
pétreos en las mezclas y tratamientos asfálticos
Se afecta la seguridad de los usuarios en instantes de
lluvia, debido a la posibilidad de salpicaduras e hidroplaneo
PROBLEMAS RELACIONADOS
CON EL AGUA EN LOS PAVIMENTOS
Los daños del pavimento relacionados con la humedad
se encuentran en las siguientes categorías:
— Debilitamiento de las capas del pavimento
— Degradación de los materiales (desprendimiento y
erosión de mezclas asfálticas; erosión de otros
materiales del pavimento; bombeo, escalonamiento
y agrietamiento en pavimentos rígidos)
— Pérdida de adherencia entre capas
PROBLEMAS RELACIONADOS
CON EL AGUA EN LOS PAVIMENTOS
FUENTES DE AGUA EN LOS PAVIMENTOS
PROBLEMAS RELACIONADOS
CON EL AGUA EN LOS PAVIMENTOS
1. Factores topográficos
Tipo de terreno por donde transcurre la carretera: plano,
ondulado, montañoso, escarpado
Situación de la carretera respecto del terreno natural: corte,
terraplén, media ladera
2. Factores hidrológicos
Aporte y desagüe de aguas superficiales
Variaciones en el nivel y caudal de las aguas subterráneas
3. Factores geotécnicos
Naturaleza y condiciones de los suelos: homogeneidad,
estratificación, permeabilidad, compresibilidad, etc.
Posibilidad de deslizamientos o de erosión del terreno
FACTORES A CONSIDERAR EN EL DISEÑO
DE OBRAS DE DRENAJE PARA PAVIMENTOS
SISTEMA BÁSICO DE DRENAJE
EN UNA CARRETERA
SISTEMAS DE DRENAJE DE PAVIMENTOS
MÉTODOS PARA REDUCIR EL EFECTO
DEL AGUA EN LOS PAVIMENTOS
MÉTODOS PARA REDUCIR EL EFECTO
DEL AGUA EN LOS PAVIMENTOS
DRENAJE
SUPERFICIAL
Existe la posibilidad de que se desarrollen películas de
agua muy gruesas sobre la superficie del pavimento en
instantes de lluvia
Estas películas generan hidroplaneo, encharcamientos
y salpicaduras excesivas
Existen modelos que predicen, a partir de la condición
superficial del pavimento y de la intensidad de la lluvia,
la velocidad vehicular a la cual se produce hidroplaneo,
la cual se debe comparar con la velocidad de operación
de la carretera
HIDRÁULICA SUPERFICIAL DEL PAVIMENTO
HIDRÁULICA SUPERFICIAL DEL PAVIMENTO
DEFINICIÓN DEL ESPESOR DE PELÍCULA DE AGUA, DE LA
PROFUNDIDAD MEDIA DE LA TEXTURA Y DEL FLUJO
TOTAL
El espesor de la lámina de agua que contribuye al
hidroplaneo es la suma de la profundidad media de
textura (PMT), más el espesor de agua que fluye sobre
las asperezas superficiales
El agua que se aloja bajo la PMT queda atrapada en
la superficie y no contribuye al drenaje del pavimento
El aumento de la macrotextura brinda un espacio
adecuado para alojar el agua (debajo de la PMT) y
para facilitar el drenaje (espesor sobre la PMT)
HIDRÁULICA SUPERFICIAL DEL PAVIMENTO
REQUISITOS DE PENDIENTE TRANSVERSAL Y LONGITUDINAL
(INVÍAS)
Pendiente transversal
Calzada Berma *
Concreto hidráulico o asfáltico 2 4
Mezclas en vía y tratamientos superficiales 2 - 3 4 - 5
Tierra o grava 2 - 4 4 - 6
Tipo de superficie
Pendiente transversal (%)
* Si la berma se construye como continuación de la calzada, se deberá mantener la pendiente de ésta
Pendiente longitudinal
Valor mínimo deseado es 0.50% y mínimo absoluto 0.25%
HIDRÁULICA SUPERFICIAL DEL PAVIMENTO
MEZCLAS ESPECIALES PARA
EL DRENAJE SUPERFICIAL
MICROAGLOMERADOS EN CALIENTE
Capas de rodadura de poco espesor, elaboradas con agregado
pétreo de tamaño máximo nominal comprendido entre 8 y 10
mm, con una marcada discontinuidad entre los tamaños de 2 y
5 mm, que se traduce en una superficie macro-rugosa con
elevada capacidad de drenaje superficial
MEZCLAS DRENANTES
Mezclas asfálticas para capa de rodadura con un elevado
contenido de vacíos con aire, cuyo diseño da lugar a una
superficie de textura abierta y alta capacidad drenante, a
causa de la cual el agua lluvia que cae sobre la calzada se
elimina por infiltración
MEZCLAS ESPECIALES PARA
EL DRENAJE SUPERFICIAL
El sistema se debe diseñar de manera que sea capaz de
desaguar el caudal máximo correspondiente a un
determinado periodo de retorno (frecuencia de aparición del
caudal de referencia)
OBRAS DE DRENAJE SUPERFICIAL
PERÍODO DE RETORNO
El método de estimación de los caudales asociados a
diferentes periodos de retorno depende del tamaño y
naturaleza de la cuenca aportante
Para cuencas pequeñas (menos de 1000 acres - 404.7 Ha -
según el Instituto del Asfalto) resulta apropiado el método
racional:
Para cuencas mayores se recomienda la fórmula de Burkli –
Ziegler:
OBRAS DE DRENAJE SUPERFICIAL
CAUDALES DE REFERENCIA
4
A
SCIAQ
CIAQ
OBRAS DE DRENAJE SUPERFICIAL
CAUDALES DE REFERENCIA
C = coeficiente medio de escorrentía de la cuenca o superficie drenada
I = intensidad de la lluvia para el período de retorno considerado y una
duración igual al tiempo de concentración
A = área de la cuenca o superficie aportante
S = pendiente del terreno en el área de drenaje, º/oo
OBRAS DE DRENAJE SUPERFICIAL
Tiempo de concentración
Tiempo requerido para la escorrentía desde el punto más
remoto del área de drenaje hasta arribar a la estructura
Existen fórmulas empíricas para su determinación en
función de la longitud máxima de recorrido del agua,
diferencias de cotas entre los puntos extremos del área de
drenaje, coeficientes de escorrentía, etc. (Kirpich, Témez,
Giandiotti, Bureau of Reclamation)
Desde el punto de vista práctico, no conviene adoptar
tiempos de concentración inferiores a 5 minutos
CAUDALES DE REFERENCIA
OBRAS DE DRENAJE SUPERFICIAL
TIEMPO DE CONCENTRACIÓN
DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES
CAPACIDAD DE DESAGÜE
Para los elementos lineales (cunetas, bordillos) resulta
determinante el rozamiento con las paredes del cauce y
se puede aplicar la fórmula de Manning-Strickler
Los elementos puntuales (sumideros aislados y
bajantes) se pueden asimilar a vertederos
Se debe tener en cuenta que la velocidad del agua no
cause daños al elemento por erosión o sedimentación
DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES
CAPACIDAD DE DESAGÜE
DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES
ELEMENTOS LINEALES
Cunetas
Zanjas longitudinales abiertas en el terreno junto a la
plataforma de la vía
Su pendiente deberá ser igual a la de la rasante de la
vía, salvo que se estime necesario ceñirse más al
terreno o modificar dicha pendiente para mejorar la
capacidad de desagüe
DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES
ELEMENTOS LINEALES
Cunetas
CUNETA
DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES
ELEMENTOS LINEALES
Bordillos
Elementos de contención de los pavimentos, que protegen sus
bordes y ayudan a la recolección lateral del agua de la calzada
Dado que impiden la evacuación del agua de la corona de la vía, es
importante garantizar una pendiente longitudinal mínima
Si su presencia da origen a láminas de agua que generen
hidroplaneo, encharcamientos o salpicaduras, se deben sustituir por
cunetas
DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES
CAPACIDAD DE DESAGÜE DE ELEMENTOS LINEALES
Fórmula de Manning - Strickler
UKSRAQ **** 2/13/2
Q = caudal desaguado
A = área de la sección transversal del elemento
R= radio hidráulico (A/perímetro mojado)
S = pendiente longitudinal del elemento
K = coeficiente de rugosidad del elemento
U = coeficiente de conversión de unidades
DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES
CAPACIDAD DE DESAGÜE DE ELEMENTOS LINEALES
DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES
Sumideros
Permiten el desagüe de los dispositivos
superficiales de drenaje a un colector
Pueden ser continuos o aislados. En el último
caso se distinguen los de rejilla (horizontales), los
de tipo abierto (laterales) y los combinados
ELEMENTOS PUNTUALES
DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES
Sumideros aislados
ELEMENTOS PUNTUALES
Rejilla
Lateral
Combinado
DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES
ELEMENTOS PUNTUALES
Bajantes
Permiten la conducción de las aguas colectadas por los
bordillos hacia la base de los taludes de los terraplenes
DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES
CAPACIDAD DE DESAGÜE DE ELEMENTOS PUNTUALES
La capacidad de un conjunto de sumideros o bajantes no debe ser
inferior al doble del caudal de referencia en previsión de obstrucciones
o perturbaciones del flujo
Sumideros laterales y bajantes
Se puede aplicar la fórmula del vertedero
Q (l/s) = L*H3/2/60
Siendo
H (cm) = profundidad del agua desde el borde inferior de la abertura,
medida en su centro
L (cm) = ancho libre
DRENAJE DE LA PLATAFORMA Y MÁRGENES
CAPACIDAD DE DESAGÜE DE ELEMENTOS PUNTUALES
Sumideros horizontales y combinados
Donde la profundidad del agua sea menor de 12 cm se puede usar
la fórmula del vertedero (sustituyendo el ancho libre por el perímetro
exterior de la rejilla suponiendo que está desprovista de barras)
Donde la profundidad del agua (H) sea mayor de 40 cm se podrá
usar la fórmula del orificio
Q (l/s) = 300*S*[H – (D/2)]1/2
S (m2) = área del sumidero
D (cm) = ancho de la abertura
En casos intermedios, se puede interpolar linealmente entre las dos
fórmulas
Las obras de drenaje superficial transversal se pueden
dividir en dos grupos:
—Las pequeñas obras de desagüe, como alcantarillas
de tubo y de cajón, cuya sección resulta determinante
para el desagüe del cauce (suelen tener solado)
—Las obras de paso de grandes dimensiones como
puentes y viaductos, cuya sección no resulta
determinante para el desagüe del cauce (no tienen
solado)
DRENAJE TRANSVERSAL
DRENAJE TRANSVERSAL
MÉTODOS PARA REDUCIR EL EFECTO
DEL AGUA EN LOS PAVIMENTOS
DRENAJE
INTERNO
DRENAJE INTERNO DEL PAVIMENTO
Funciones
Abatir el nivel freático
Eliminar aguas de filtración lateral o a través delpavimento
Derivar fuentes de agua situadas debajo de la subrasante
Estas acciones se traducen en los siguientes beneficios
Facilitan la ejecución de las explanaciones
Aumentan la capacidad portante de la subrasante
Previenen fenómenos de erosión interna y bombeo
Contribuyen en la estabilidad de la estructura y de lostaludes
CAPA PERMEABLE
Capa que se coloca bajo la superficie pavimentada,
constituida por un material filtrante de manera que, con ayuda
de una pendiente transversal adecuada y unas correctas
instalaciones de salida, pueda drenar el agua
— que se infiltre desde la superficie del pavimento
— que provenga de las bermas, o
— que ascienda por subpresión desde los niveles inferiores
Esta capa, que puede ser granular o tratada con ligantes
hidrocarbonados o con cemento, se puede integrar a la
estructura del pavimento
CAPA PERMEABLE
El remate de la capa permeable (manto drenante) puede
ocurrir:
—Contra un subdrén longitudinal
—Contra el talud lateral hacia el exterior (no es
recomendable, porque se pueden producir contaminaciones
en el talud durante las operaciones de construcción y
mantenimiento)
CAPA PERMEABLE
La capa permeable puede ser:
—La base, la cual pudiera cumplir a la vez funciones
drenantes y estructurales. Se emplea para drenar el agua
proveniente de la superficie y se aplica preferentemente
en la construcción de pavimentos rígidos
—Una capa adicional sobre la subrasante, sin función
estructural o como parte de la subbase, para control de
agua ascendiente por subpresión. Si se desea que en este
caso la capa ayude a drenar el agua que se infiltre desde la
superficie, la permeabilidad de las capas superiores debe
ser mayor que la tasa de infiltración, para que el agua
pueda fluir
CAPA PERMEABLE
NOTA : Los materiales que rodeen la capa permeable
deben cumplir requisitos de filtro
BASE PERMEABLE
CARACTERÍSTICAS REQUERIDAS
Alta permeabilidad, para reducir el tiempo de saturación a
un mínimo [k > 1000 pies/día (3.5*10-1 cm/s)]
Suficiente estabilidad, para soportar las operaciones de
construcción del pavimento
Suficiente estabilidad, para resistir y distribuir los
esfuerzos impuestos por las cargas del tránsito
Las bases pueden ser estabilizadas o no estabilizadas. La
finalidad primaria de la estabilización (con cemento
asfáltico o cemento Pórtland) es brindar estabilidad a la
capa durante la etapa constructiva
BASE PERMEABLE
BASE NO ESTABILIZADA
Su estabilidad se logra a través de la trabazón de
agregados
Se exige que el material tenga 100% de partículas
trituradas mecánicamente
El desgaste Los Ángeles no puede exceder de 45 %
Las pérdidas en el ensayo de solidez no pueden
exceder de 12 % (sulfato de sodio) o de 18 % (sulfato
de magnesio)
BASE PERMEABLE
BASE NO ESTABILIZADA
GRANULOMETRÍAS USUALES
Nota -Se recomienda que Cu > 4 para garantizar la estabilidad de la base
BASE PERMEABLE
BASE ESTABILIZADA CON CEMENTO ASFÁLTICO
Se recomienda el uso de un asfalto de grado AC-40 en
proporción de 2 a 2 ½ % en peso
GRANULOMETRÍAS USUALES
BASE PERMEABLE
BASE ESTABILIZADA CON CEMENTO ASFÁLTICO
Lindly y Elsayed desarrollaron una fórmula para estimar
la permeabilidad de las bases tratadas con asfalto:
k = 852.3 – 248.67 Pb + 97.51 Va – 95.52 P8
Siendo
k = coeficiente de permeabilidad (pies/día)
Pb = porcentaje de cemento asfáltico en peso
Va = % de volumen de vacíos con aire
P8 = porcentaje en peso de material que pasa el tamiz No 8
BASE PERMEABLE
BASE ESTABILIZADA CON CEMENTO PORTLAND
La cantidad de cemento varía entre 120 y 150 kg/m3
La cantidad de agua se debe ajustar para controlar la
segregación
GRANULOMETRÍAS USUALES
X = % indicado por el constructor
COMPARACIÓN DE GRANULOMETRÍAS
GRADACIÓN Y PERMEABILIDAD
DE MATERIALES PARA BASE
GRADACIÓN Y PERMEABILIDAD
DE MATERIALES PARA BASE
COMPARACIÓN DE GRANULOMETRÍAS
MATERIAL % PASA TAMIZ No. 200 k (cm/s)
Piedra partida y gravas naturales con
llenante no plástico.
5
10
15
100 – 10-1
10-2 – 10-3
10-4 – 10-5
Piedra partida y gravas naturales con
llenante plástico (IP<6)
5
10
15
10-1 – 10-3
10-2 – 10-5
10-4 – 10-7
Bases asfálticas
a) 20% de vacíos
b) 5% de vacíos
100 – 10-2
10-7 – 10-8
Arena uniforme estabilizada con cemento Menos de 10 10-1 – 10-4
Bases tratadas permeables
a) AASHTO # - 57
b) AASHTO # - 67
0
1
2.40
1.80
VALORES TÍPICOS DEL COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD DE MATERIALES DE BASE
COMPACTADOS A LA DENSIDAD MÁXIMA DEL PROCTOR ESTÁNDAR
GRADACIÓN Y PERMEABILIDAD
DE MATERIALES PARA BASE
DISEÑO HIDRÁULICO DE
LA BASE PERMEABLE
ESTIMACIÓN DEL FLUJO DE INFILTRACIÓN (qi)
La infiltración superficial es normalmente la mayor fuente
de entrada de agua a un pavimento
Existen diversos procedimientos para estimarla:
—Método de la relación de infiltración
—Método de la infiltración a través de juntas y grietas
—Método del tiempo para drenar
DISEÑO HIDRÁULICO DE
LA BASE PERMEABLE
ESTIMACIÓN DEL FLUJO DE INFILTRACIÓN (qi)
Método de la relación de infiltración (Cedergren)
Se seleccionan una lluvia de diseño y una relación de infiltración y la
infiltración se determina con la expresión:
qi =2*C*R
qi= infiltración en el pavimento (pies3/día/pie2 de pavimento)
C = relación de infiltración 0.33-0.50 para pavimentos asfálticos
0.50-0.70 para pavimentos rígidos
R = intensidad de la lluvia (pulgadas/hora). Se sugiere usar una lluvia de
diseño para 2 años de frecuencia y 1 hora de duración
DISEÑO HIDRÁULICO DE
LA BASE PERMEABLE
ESTIMACIÓN DEL FLUJO DE INFILTRACIÓN (qi)
Método de la infiltración por juntas y grietas (Moulton)
qi= infiltración en el pavimento (pies3/día/pie2 de pavimento)
Ic = tasa de infiltración por juntas y grietas (2.4 pies3/día/pie de grieta)
Nc = número de juntas o grietas longitudinales
Nc = N + 1, siendo N el número de carriles que contribuyen a la infiltración
Wc = longitud de las juntas o grietas transversales que contribuyen (pies)
Cs = espaciamiento entre juntas o grietas transversales contributivas (pies)
W = ancho de la base permeable que contribuye (pies)
kp = permeabilidad de pavimento sin juntas ni grietas (pies3/día/pie2 de pavimento)
p
s
ccci k
CW
W
W
NIq
*
DISEÑO HIDRÁULICO DE
LA BASE PERMEABLE
ESTIMACIÓN DEL FLUJO DE INFILTRACIÓN (qi)
Método de la infiltración por juntas y grietas (Moulton)
Ejemplo
Determinar la infiltración en un pavimento rígido de 2
carriles de 12 pies de ancho cada uno y bermas de 10 pies en
concreto asfáltico a cada lado en un sitio donde la pendiente
transversal es uniforme en un solo sentido
Las juntas transversales se encuentran cada 20 pies y la base
permeable tiene un ancho igual al del pavimento más las
bermas
DISEÑO HIDRÁULICO DE
LA BASE PERMEABLE
ESTIMACIÓN DEL FLUJO DE INFILTRACIÓN (qi)
Método de la infiltración por juntas y grietas (Moulton)
Solución al ejemplo
Ic = tasa de infiltración por juntas y grietas (2.4 pies3/día/pie de grieta)
Nc = número de juntas o grietas longitudinales = 2 + 1 = 3
Wc = longitud de las juntas o grietas transversales que contribuyen = 24
pies
Cs = espaciamiento entre juntas o grietas transversales contributivas =
20 pies
W = ancho de la base permeable que contribuye = 24 pies
kp = permeabilidad de pavimento sin juntas ni grietas = 0
23 //42.0020*24
24
24
34.2 piedíapiesqi
DISEÑO HIDRÁULICO DE
LA BASE PERMEABLE
ESTIMACIÓN DEL FLUJO DE INFILTRACIÓN (qi)
Método del tiempo para drenarSe considera que es el mejor método para determinar el comportamiento
de una base permeable, dado que la selección de los parámetros de diseño
en los otros 2 métodos es muy incierta
Es una aproximación que se basa en el flujo que entra al pavimento
hasta que la base permeable se satura
Se supone que la lluvia en exceso no entra al pavimento y simplemente
corre por la superficie
Existen 2 aproximaciones para determinar el tiempo para drenar
(Ref: Publicación FHWA-SA-92-008 -March 1992-)
—Tiempo para drenar el 50% del agua que puede drenar (AASHTO)
—Criterio del 85 % de saturación
DISEÑO HIDRÁULICO DE
LA BASE PERMEABLE
ESTIMACIÓN DEL FLUJO DE DESCARGA DE LA BASE (qd)
qd = qi*LR
Donde
qd = tasa de descarga de la base permeable (pie3/día/pie de base)
qi = infiltración en el pavimento (pies3/día/pie2 de pavimento)
LR = longitud resultante de la trayectoria de flujo, la cual depende de
las pendientes longitudinal y transversal de la base permeable (pies)
Siendo
W = ancho de la base (pies)
S = pendiente longitudinal de la calzada (pie/pie)
Sx = pendiente transversal de la calzada (pie/pie)
2
1
Sx
SWLR
DISEÑO HIDRÁULICO DE
LA BASE PERMEABLE
ESTIMACIÓN DEL FLUJO DE DESCARGA DE LA BASE (qd)
DISEÑO HIDRÁULICO DE
LA BASE PERMEABLE
ESTIMACIÓN DEL FLUJO DE DESCARGA DE LA BASE (qd)
Ejemplo
Determinar la tasa de descarga de la base permeable de 24
pies de ancho en un pavimento rígido donde la infiltración es
1.80 pies3/día/pie2 de pavimento, si la pendiente longitudinal de
la calzada es 3 % y la transversal es 2 %
Solución
piesSx
SWLR 27.43
02.0
03.01241
22
qd = qi*LR = 1.80*43.27 = 77.89 pies3/día/pie de base
DISEÑO HIDRÁULICO DE
LA BASE PERMEABLE
DETERMINACIÓN DEL ESPESOR REQUERIDO DE BASE
PERMEABLE
Se puede estimar por medio de 2 criterios:
—Régimen de flujo uniforme (se obtienen espesores
exagerados)
—Régimen de flujo no uniforme, que considera que la
profundidad del flujo se incrementará hasta alcanzar el
efecto de abatimiento de la descarga del agua en el
subdrén. En este caso, se toma como espesor requerido
de la base permeable el valor correspondiente a la
máxima profundidad del flujo (ver figura)
DISEÑO HIDRÁULICO DE
LA BASE PERMEABLE
DETERMINACIÓN DEL ESPESOR REQUERIDO DE BASE PERMEABLE
22 SxSSR
DISEÑO HIDRÁULICO DE
LA BASE PERMEABLE
DETERMINACIÓN DEL ESPESOR REQUERIDO DE BASE
PERMEABLE
Ejemplo
Determinar el espesor requerido de la base permeable, dados
los siguientes datos:
—Infiltración en el pavimento = 1.8 pies3/día/pie2
—Longitud resultante = 43.27 pies
—Pendiente longitudinal = 3 %
—Pendiente transversal = 2 %
—Coeficiente de permeabilidad de la base = 3,000 pies/día
DISEÑO HIDRÁULICO DE
LA BASE PERMEABLE
DETERMINACIÓN DEL ESPESOR REQUERIDO DE BASE
PERMEABLE
Solución del ejemplo
-Cálculo de la pendiente resultante
036.0)02.0()03.0( 2222 SxSSR
-Cálculo de p
-Entrando a la figura con p = 0.0006 y SR = 0.036 se obtiene
LR/H = 110
H = LR/130 = 43.27/110 = 0.393 pies = 0.393*12 = 4.7 pulgadas
0006.03000/80.1/ kqp i
CAPA SEPARADORA
FUNCIONES DE LA CAPA SEPARADORA
Se coloca bajo la base permeable, para evitar que ésta
sea contaminada por los finos de la subbase/subrasante
Si la capa de subbase/subrasante es estabilizada no se
requiere la capa separadora, si la capa estabilizada no
va a estar sometida a saturación o altas presiones
durante períodos extensos.
Un riego de imprimación sobre la subbase/subrasante
estabilizada proporciona una protección adicional
CAPA SEPARADORA
La separación puede ser proporcionada por una capa
de material granular o por un geotextil
CAPA SEPARADORA
CAPA SEPARADORA DE MATERIAL GRANULAR
Debe estar constituida por partículas duras (desgaste no
mayor de 50%) y sanas (pérdidas en ensayo de solidez en
sulfato de sodio menores de 12 %)
Debe ser resistente, para proporcionar una plataforma
adecuada para la construcción de la base permeable
Su gradación debe ser seleccionada cuidadosamente, para
prevenir la migración de los finos de la capa subyacente
(debe cumplir requisitos de material de filtro)
Su permeabilidad debe ser relativamente baja, ya que
tiene que actuar como escudo para desviar el agua infiltrada
al subdrén longitudinal
CAPA SEPARADORA
REQUISITOS DE MATERIAL DE FILTRO PARA LA
CAPA SEPARADORA DE MATERIAL GRANULAR
Criterio de obstrucción
El agregado deberá ser lo suficientemente fino para prevenir
que materiales más finos migren dentro de él
El criterio se debe aplicar tanto a la capa separadora como a
la capa permeable drenante. La ecuación se aplica primero
considerando la capa separadora como filtro y la subyacente
como suelo y luego considerando la base permeable como
filtro y la separadora como suelo
585
15 sueloD
filtroD
CAPA SEPARADORA
REQUISITOS DE MATERIAL DE FILTRO PARA LA
CAPA SEPARADORA DE MATERIAL GRANULAR
Criterio de permeabilidad
Este criterio se aplica sólo a la capa separadora en
relación con el suelo que la soporta, dado que la base
permeable la satisface siempre por su alta
permeabilidad
515
15 sueloD
filtroD
CAPA SEPARADORA
REQUISITOS DE MATERIAL DE FILTRO PARA LA
CAPA SEPARADORA DE MATERIAL GRANULAR
Criterio de uniformidad
Busca que las curvas granulométricas de las capas
adyacentes sean algo paralelas
Este criterio se aplica tanto a la base permeable como a
la capa separadora
2550
50 sueloD
filtroD
CAPA SEPARADORA
REQUISITOS DE MATERIAL DE FILTRO PARA LA
CAPA SEPARADORA DE MATERIAL GRANULAR
Criterios adicionales
Hay discrepancias respecto de la uniformidad del
material y de la cantidad de finos que puede contener
CAPA SEPARADORA
GRANULOMETRÍA TÍPICA RECOMENDADA POR
LA FHWA PARA LA CAPA SEPARADORA
CAPA SEPARADORA
GRANULOMETRÍAS Y PERMEABILIDADES TÍPICAS PARA
BASES PERMEABLES Y MATERIALES DE FILTRO
[Cedergren et al (1972)]
CAPA SEPARADORA
La base permeable de k = 20,000 pies/día mostrada en la
figura presenta los siguientes diámetros:
— D15 = 0.26 pg
—D50 = 0.53 pg
Ejemplo No 1
Determinar si es posible colocar esta capa directamente
sobre un suelo de subrasante con:
—D15 = 0.0013 pg
— D50 = 0.0055 pg
— D85 = 0.021 pg
CAPA SEPARADORA
)(54.12021.0
26.0
85
15 cumplenosueloD
baseD
)(254.96055.0
53.0
50
50 cumplenosueloD
baseD
Solución al Ejemplo No 1
Como la base se colocará directamente sobre la
subrasante, la base será el filtro y la subrasante el suelo
En consecuencia, la base no se debe colocar
directamente sobre la subrasante
)(52000013.0
26.0
15
15 cumplesueloD
baseD
CAPA SEPARADORA
Como del ejemplo anterior se deduce que se debe colocar una capa
separadora, ¿cuál de los materiales de filtro de la figura pudiera ser
utilizado?
Solución
Cuando se coloca una capa granular como separadora entre la base
permeable y la subrasante, el análisis se debe dividir en 2 etapas:
—Primero se considera la capa granular separadora como filtro
y la subrasante como suelo
—En segundo lugar, se coloca la base permeable como filtro y
la capa granular separadora como suelo
En ambos casos se deben satisfacer los requisitos de filtro
Ejemplo No 2
CAPA SEPARADORA
Solución al Ejemplo No 2 - Primera Etapa
Capa granular separadora como filtro y la subrasante como
suelo
Teniendo en cuenta los tamaños de las partículas de la
subrasante (D15 = 0.0013 pg, D50 = 0.0055 pg y D85 = 0.021
pg), los requisitos que debe cumplir la capa separadora son
los siguientes:
D15 ≤ 5*0.021 = 0.105 pg
D15 ≥ 5*0.0013 = 0.0065 pg
D50 ≤ 50*0.0055 = 0.138 pg
CAPA SEPARADORA
Solución al Ejemplo No 2 - Segunda Etapa
Capa de base permeable como filtro y la granular
separadora como suelo
Teniendo en cuenta los tamaños de las partículas de la base
permeable (D15 = 0.26 pg y D50 = 0.53 pg), los requisitos
que debe cumplir la capa separadora son los siguientes:
D85 ≥ 0.26/5 = 0.052 pg
D15 ≤ 0.26/5 = 0.052 pg
D50 ≥ 0.53/25 = 0.0212 pg
CAPA SEPARADORA
Conclusión Ejemplo No 2
Combinando los seis requisitos por cumplir en las dos etapas,
se llega a los siguientes tres:
0.0065 pg ≤ D15 ≤ 0.052 pg
0.0212 pg ≤ D50 ≤ 0.138 pg
D85 ≥ 0.052 pg
Revisando los 5 materiales de filtro incluidos en la figura se
advierte que exceptuando el más grueso (cuyo D50 = 0.18 pg),
los demás satisfacen las exigencias y pueden ser utilizados
CAPA SEPARADORA
CAPA SEPARADORA DE GEOTEXTIL
Debe cumplir tres requisitos
PERMEABILIDAD- Debe permitir que el agua que fluya
desde el suelo entre a la base permeable
RETENCIÓN – El tamaño de las aberturas debe ser tal, que
en ellas se retenga la mayoría de las partículas del suelo
OBSTRUCCIÓN – El geotextil debe tener suficiente
cantidad de aberturas para que en caso de alguna obstrucción
el flujo no se vea restringido y se generen presiones de poros
excesivas
CAPA SEPARADORA
PROPIEDADES HIDRÁULICAS Y DE FILTRACIÓN
DEL GEOTEXTIL
Permeabilidad
La permeabilidad del geotextil debe ser superior a la
del suelo de subrasante, de manera que el drenaje
vertical del agua no sea impedido indebidamente por el
geotextil
Este requisito no suele constituir un problema, por
cuanto la mayoría de los suelos tienen baja
permeabilidad
CAPA SEPARADORA
PROPIEDADES HIDRÁULICAS Y DE FILTRACIÓN
DEL GEOTEXTIL
Retención
Esta propiedad se evalúa a través del tamaño de
abertura aparente (TAA)
El TAA es un número índice que identifica el tamaño
de las mayores aberturas del geotextil
El TAA se determina mediante la norma de ensayo
ASTM D4751
CAPA SEPARADORA
PROPIEDADES HIDRÁULICAS Y DE FILTRACIÓN
DEL GEOTEXTIL
Retención
La prueba consiste en tamizar pequeñas esferas de vidrio de
tamaño uniforme a través del geotextil y determinar el
porcentaje de ellas, en peso, que queda retenido en él
La prueba se repite aumentando el tamaño de las esferas
hasta que menos del 5 % de ellas atraviese el geotextil (más
de 95 % quedan retenidas)
El tamaño de abertura aparente es el número del tamiz
estándar que tiene las aberturas del tamaño superior más
próximo al de las esferas que son retenidas en más de 95 %
CAPA SEPARADORA
PROPIEDADES HIDRÁULICAS Y DE FILTRACIÓN
DEL GEOTEXTIL
Retención
El tamaño de abertura aparente también se puede expresar
en milímetros y se refiere al tamaño correspondiente al 95%
retenido (O95)
La nomenclatura de los tamaños de tamices es a veces
difícil de seguir, por cuanto la abertura del tamiz decrece a
medida que el número del tamiz aumenta
El tamaño de abertura aparente se debe elegir de manera
que prevenga la migración de los finos dentro de la base
permeable
CAPA SEPARADORA
PROPIEDADES HIDRÁULICAS Y DE FILTRACIÓN
DEL GEOTEXTIL
TAMAÑOS DE ABERTURA DE LOS TAMICES
CAPA SEPARADORA
PROPIEDADES HIDRÁULICAS Y DE FILTRACIÓN
DEL GEOTEXTIL
Obstrucción
La obstrucción es un problema potencial y por lo tanto el
diseño debe tomarla en consideración
La mejor aproximación consiste en estudiar la interacción
en la interfaz suelo/geotextil
El potencial de obstrucción del geotextil se mide mediante
el ensayo de relación de gradientes, según norma ASTM
D5101
CAPA SEPARADORA
PROPIEDADES HIDRÁULICAS Y DE FILTRACIÓN
DEL GEOTEXTIL
Obstrucción
La prueba de relación
de gradientes consiste en
determinar el gradiente
hidráulico a través del
geotextil más 1‖ de suelo
colocada encima de él (if)
y a través de 2‖ de suelo
colocadas encima de la
anterior (ig)
CAPA SEPARADORA
PROPIEDADES HIDRÁULICAS Y DE FILTRACIÓN
DEL GEOTEXTIL
Obstrucción
Si las partículas de suelo son atrapadas en el geotextil,
la relación de gradientes aumenta, en tanto que si lo
atraviesan, la relación de gradientes disminuye
g
f
i
iGRADIENTESDERELACIÓN
CAPA SEPARADORA
CRITERIOS DE DISEÑO PARA SELECCIÓN DE GEOTEXTILES
CAPA SEPARADORA
CRITERIOS DE DISEÑO PARA SELECCIÓN DE GEOTEXTILES
CAPA SEPARADORA
CRITERIOS DE DISEÑO PARA SELECCIÓN DE GEOTEXTILES
REQUERIMIENTOS DE PROPIEDADES MECÁNICAS PARA
GEOTEXTILES EN CAPAS SEPARADORAS (INVÍAS)
CAPA SEPARADORA
CRITERIOS DE DISEÑO PARA SELECCIÓN DE GEOTEXTILES
Ejemplo
Determinar el TAA de un geotextil tejido que sea adecuado
para retener un suelo de subrasante cuyo D85 es 0.24 mm
Solución
Como se trata de un geotextil tejido
O95 ≤ D85
O95 ≤ 0.24 mm
Por lo tanto, se elige un AOS No 70, el cual corresponde a
un tamiz de 0.212 mm de abertura
SUBDRENES LONGITUDINALES
Zanjas paralelas a la dirección de la vía, en las cuales
se colocan materiales permeables (agregados pétreos,
geotextiles, geodrenes) y, eventualmente, una tubería
Excavación de zanja Colocación de geotextil
y tubería
Relleno con agregado pétreo
Utilización
Los subdrenes longitudinales se emplean para:
1. Cortar corrientes de agua subterránea, impidiendo
que alcancen las inmediaciones del pavimento
2. Encauzar el agua que ingrese al pavimento por
filtraciones a través de su superficie
3. Rebajar el nivel freático, manteniéndolo a una
profundidad conveniente del nivel superior de la
explanación
SUBDRENES LONGITUDINALES
Utilización
1. Cortar corrientes de agua subterránea, impidiendo
que alcancen las inmediaciones del pavimento
SUBDRENES LONGITUDINALES
Utilización
2. Encauzar el agua que ingrese al pavimento por
filtraciones a través de su superficie
SUBDRENES LONGITUDINALES
Utilización
3. Rebajar el nivel freático, manteniéndolo a una
profundidad conveniente del nivel superior de la
explanación
SUBDRENES LONGITUDINALES
CARACTERÍSTICAS DE LOS SUBDRENES
LONGITUDINALES
Deben tener la capacidad hidráulica suficiente para conducir
todo el agua que reciban
Si están unidos con una base permeable, su material de
relleno debe ser el mismo de la base para asegurar su
capacidad. Además, deben llevar una tubería
Cuando el subdrén no va unido a una base permeable, puede
estar constituido por un geodrén o ser del tipo francés envuelto
en geotextil
El geotextil usado para el subdrén no debe atravesar una base
permeable, por cuanto formaría una barrera al flujo de agua
SUBDRENES LONGITUDINALES
TUBERÍA DEL SUBDRÉN
Puede ser de concreto, arcilla, metal, fibra bituminosa
o plástico
Los tubos de concreto y arcilla se podrán proyectar
con juntas abiertas o perforaciones que permitan la
entrada del agua en su interior
Los tubos de hormigón poroso permiten la entrada del
agua a través de sus paredes
Los tubos de plástico, metal y fibra bituminosa tienen
orificios circulares o ranuras para el mismo fin
SUBDRENES LONGITUDINALES
TUBERÍA DEL SUBDRÉN
En tuberías con juntas abiertas, el ancho de éstas oscila
entre 1 cm y 2 cm
Los orificios circulares o ranuras de las tuberías perforadas
se disponen de preferencia en la mitad inferior de los tubos
Se deben cumplir los siguientes requisitos para evitar que
se introduzca el material granular del subdrén dentro de los
tubos perforados
SUBDRENES LONGITUDINALES
2.185 ranuraladeAncho
filtroD
0.185 orificiodelDiámetro
filtroD—Para orificios circulares
—Para ranuras
TUBERÍA DEL SUBDRÉN
SUBDRENES LONGITUDINALES
Disposición de los orificios en una tubería perforada
SUBDRENES LONGITUDINALES
DISEÑO HIDRÁULICO DEL
SUBDRÉN LONGITUDINAL
DETERMINACIÓN DEL FLUJO DE DESCARGA
El subdrén debe ser diseñado de manera que la tasa del
flujo de salida sea mayor que la de entrada y que el agua
pueda ser llevada con seguridad de las fuentes hasta los sitios
de descarga
Existen 3 aproximaciones para el cálculo del flujo de
descarga del sistema de subdrenaje:
—Tasa de descarga de la infiltración del pavimento
—Tasa de descarga de la base permeable
—Tasa de descarga del tiempo para drenar
DISEÑO HIDRÁULICO DEL
SUBDRÉN LONGITUDINAL
DETERMINACIÓN DEL FLUJO DE DESCARGA
Método de la velocidad de descarga de la infiltración del pavimento
Qp = qi W L
Donde
Qp = caudal de diseño por el conducto (pie3/día)
qi = infiltración del pavimento (pie3/día/pie2)
W= ancho de la base permeable (pies)
L = espaciamiento entre tubos de descarga (pies)
DISEÑO HIDRÁULICO DEL
SUBDRÉN LONGITUDINAL
DETERMINACIÓN DEL FLUJO DE DESCARGA
Método de la velocidad de descarga de la base permeable
Algunos ingenieros consideran que el sistema debe ser capaz
de manejar el flujo máximo que la base permeable puede
descargar en el subdrén
Qp = k SR H L cos(A)
Donde
Qp = caudal de diseño por el conducto (pie3/día)
k = coeficiente de permeabilidad (pies/día)
SR = pendiente resultante (pie/pie)
H = espesor de la base (pies)
L = espaciamiento entre tubos de descarga (pies)
A = ángulo entre la pendiente transversal y la pendiente resultante
DISEÑO HIDRÁULICO DEL
SUBDRÉN LONGITUDINAL
DETERMINACIÓN DEL FLUJO DE DESCARGA
Método de la velocidad de descarga del tiempo para drenar
En esta aproximación el sistema debe ser capaz de manejar el
flujo generado por el drenaje de la base permeable
Qp = (W L H Ne U)(1/tD)*24
Donde
Qp = caudal de diseño por el conducto (pie3/día)
W = ancho de la base permeable (pies)
L = espaciamiento entre tubos de descarga (pies)
H = espesor de la base (pies)
Ne = porosidad efectiva
U = porcentaje drenado (expresado como decimal)
tD = tiempo de drenaje (horas)
DISEÑO HIDRÁULICO DEL
SUBDRÉN LONGITUDINAL
CAPACIDAD DE LA TUBERÍA CIRCULAR
Se puede determinar con la fórmula de Manning
Q = (53.01 D8/3 S1/2)/ n
Donde
Q = capacidad de la tubería (pie3/día)
D = diámetro de la tubería (pulgadas)
S = pendiente longitudinal (pies/pie)
n = coeficiente de rugosidad de Manning
n = 0.012 para tubería lisa
n = 0.024 para tubería corrugada
DISEÑO HIDRÁULICO DEL
SUBDRÉN LONGITUDINAL
CAPACIDAD DE LA TUBERÍA CIRCULAR
Si se asignan valores de diámetro de tubería y coeficiente de
rugosidad, la ecuación de Manning se puede simplificar
Q = K S1/2
Valores K para diferentes diámetros de
tubería y coeficientes de rugosidad
DISEÑO HIDRÁULICO DEL
SUBDRÉN LONGITUDINAL
CAPACIDAD DE LA TUBERÍA CIRCULAR
Ejemplo
Determinar la capacidad de una tubería circular corrugada
de 4 pulgadas de diámetro, si la pendiente longitudinal del
subdrén longitudinal es 1 %
Solución
K = 89,051 (ver tabla)
Q = K S1/2 =89,051(0.01)1/2 = 8,905 pies3/día
DISEÑO HIDRÁULICO DEL
SUBDRÉN LONGITUDINAL
ESPACIAMIENTO ENTRE TUBOS DE DESCARGA (L)
Método de la velocidad de descarga de la infiltración en el
pavimento
En esta aproximación se iguala el caudal de diseño de este
método con la ecuación de capacidad del conducto
qi W L = K S1/2
Despejando ―L‖:
Wq
SKL
i
2/1
DISEÑO HIDRÁULICO DEL
SUBDRÉN LONGITUDINAL
ESPACIAMIENTO ENTRE TUBOS DE DESCARGA (L)
Método de la velocidad de descarga de la infiltración en el pavimento
Ejemplo
Dados:
—Infiltración en el pavimento = 1.80 pies3/día/pie2
—Ancho de la base permeable = 24 pies
—K = 89051
—Pendiente longitudinal de la tubería = 1 %
Determinar el espaciamiento entre tubos de descarga
Solución
piesWq
SKL
i
20624*80.1
)01.0(*89051 2/12/1
DISEÑO HIDRÁULICO DEL
SUBDRÉN LONGITUDINAL
ESPACIAMIENTO ENTRE TUBOS DE DESCARGA (L)
Método de la velocidad de descarga de la base permeable
En esta aproximación se iguala el caudal de diseño de este
método con la ecuación de capacidad del conducto
k SR H L cos(A) = K S1/2
Despejando ―L‖:
)cos(
2/1
AHSk
SKL
R
DISEÑO HIDRÁULICO DEL
SUBDRÉN LONGITUDINAL
ESPACIAMIENTO ENTRE TUBOS DE DESCARGA (L)
Método de la velocidad de descarga de la base permeable
Ejemplo
Dados
—Ancho de la base permeable = 24 pies
—k = 3000 pies/día
—K = 89051
—Pendiente longitudinal de la tubería = 1 %
—Pendiente resultante = 0.036 (Sx = 0.02)
—Espesor de la base permeable = 0.393 pies
Determinar el espaciamiento entre tubos de descarga
DISEÑO HIDRÁULICO DEL
SUBDRÉN LONGITUDINAL
ESPACIAMIENTO ENTRE TUBOS DE DESCARGA (L)
Método de la velocidad de descarga de la base permeable
Solución al ejemplo
556.0036.0
02.0)cos(
R
x
S
SA
piesAHSk
SKL
R
377556.0*393.0*036.0*3000
)01.0(*89051
)cos(
2/12/1
DISEÑO HIDRÁULICO DEL
SUBDRÉN LONGITUDINAL
ESPACIAMIENTO ENTRE TUBOS DE DESCARGA (L)
Método de la velocidad de descarga del tiempo para drenar
En esta aproximación se iguala el caudal de diseño de este
método con la ecuación de capacidad del conducto
(W L H Ne U)(1/tD)*24 = K S1/2
Despejando ―L‖:
UNHW
tSKL
e
D
24
2/1
DISEÑO HIDRÁULICO DEL
SUBDRÉN LONGITUDINAL
DETERMINACIÓN DE LA SECCIÓN
TRANSVERSAL DEL SUBDRÉN
Si no hay heladas ni un caudal significativo de agua
por subpresión, el subdrén puede tener poca profundidad
Tan sólo se requiere que la parte superior del tubo
quede al menos 5 centímetros (2 pulgadas) por debajo
del fondo de la capa permeable
DISEÑO HIDRÁULICO DEL
SUBDRÉN LONGITUDINAL
DETERMINACIÓN DE LA SECCIÓN
TRANSVERSAL DEL SUBDRÉN
El ancho mínimo de la zanja (W) se puede determinar
aplicando la ley de Darcy, suponiendo que el gradiente
hidráulico es unitario (i = 1) y que el caudal de diseño del
subdrén (Q) es igual a la descarga de la base permeable
(qd), lo que permite llegar a
k
qW d
TUBERÍA DE DESCARGA
Su instalación es crítica en el sistema de drenaje de bases
permeables
Puede ser metálica o rígida de PVC sin perforaciones y
debe ir adecuadamente conectada con la tubería del subdrén,
debiendo tener el mismo diámetro de ésta
Su salida a la zanja o cuneta lateral debe producirse por lo
menos 15 centímetros por encima del flujo de diseño para 10
años
La FHWA recomienda construirle cabezal de salida y
limitar la separación entre tuberías a 250 pies (76 metros)
SUBDRENES LONGITUDINALES
TUBERÍA DE DESCARGA
SUBDRENES LONGITUDINALES
Esquema general Cabezal de salida
SUBDRENES TRANSVERSALES
En carreteras de montaña, los subdrenes
longitudinales pueden resultar insuficientes para
interceptar toda el agua de filtración
En estos casos se deben instalar subdrenes
transversales normales al eje de la vía o en forma de
espina de pez
Función
SUBDRENES TRANSVERSALES
Estos dispositivos son análogos a los longitudinales y
lo único que los distingue de ellos es la dirección en la
cual se desarrollan y el hecho de tener paredes
inclinadas
Su efecto se puede incrementar, si en cierta longitud
se coloca una capa permeable a cada lado de ellos
Función
SUBDRENES TRANSVERSALES
SI EL AGUA DESTROZA LOS CAMINOS
¿QUÉ HARÁ EN LOS INTESTINOS?
COROLARIO
EVALUACIÓN DE LA
SUBRASANTE
CONTENIDO
Exploración de la subrasante
Definición del perfil y delimitación de
áreas homogéneas
Determinación de la resistencia o respuesta
de diseño para cada área homogénea
EVALUACIÓN DE LA SUBRASANTE
La respuesta del suelo de subrasante es el factor más
importante en la determinación de los espesores de
diseño del pavimento
La respuesta de la subrasante ante las cargas del
tránsito depende de los tipos de suelo que la
constituyen y de la densidad y la humedad de ellos,
tanto durante la construcción como durante el servicio
EVALUACIÓN DE LA SUBRASANTE
La caracterización de los suelos de subrasante
comprende las siguientes etapas:
— Exploración de la subrasante
— Definición del perfil y delimitación de áreas
homogéneas
— Ejecución de ensayos de resistencia sobre los
suelos predominantes
— Determinación del valor de resistencia o de
respuesta de diseño para cada área homogénea
EVALUACIÓN DE LA SUBRASANTE
EXPLORACIÓN
DE LA
SUBRASANTE
EXPLORACIÓN DE LA SUBRASANTE
Se debe adelantar una investigación a lo largo del
alineamiento aprobado, con el fin de identificar la
extensión y la condición de los diferentes depósitos de
suelos que se encuentren
La investigación se realiza mediante perforaciones a
intervalos definidos de acuerdo con la variabilidad del
terreno, la longitud y la importancia del proyecto y los
recursos técnicos y económicos disponibles
Las perforaciones deberán alcanzar, cuando menos,
500 mm bajo la cota proyectada de subrasante
EXPLORACIÓN DE LA SUBRASANTE
INTERVALOS ENTRE PERFORACIONES
EXPLORACIÓN DE LA SUBRASANTE
EJECUCIÓN DE PERFORACIONES
EXPLORACIÓN DE LA SUBRASANTE
REGISTRO DEL PERFIL EN EL TERRENO
EXPLORACIÓN DE LA SUBRASANTE
REGISTRO DEL PERFIL Y TOMA DE MUESTRAS
Se debe tomar suficiente cantidad de muestra de cada
suelo encontrado en las perforaciones para determinar:
—Humedad natural
—Límites de consistencia
—Granulometría
—Compactación
—Resistencia o respuesta ante cargas transitorias
Igual tratamiento se debe dar a los suelos de préstamo
que se colocarán en los rellenos y que influirán en el
comportamiento del pavimento
EXPLORACIÓN DE LA SUBRASANTE
EXPLORACIÓN DE LA SUBRASANTE
Los sistemas de clasificación encuadran los suelos en
una determinada tipología a partir de su granulometría y
límites de consistencia
El sistema más apropiado para clasificar los suelos
para estudio de calles y carreteras es el AASHTO
Las muestras para clasificación y otros ensayos no se
deben tomar al azar, sino de acuerdo con el desarrollo
del perfil a lo largo de la vía y la secuencia en que se
presenten las diferentes capas de suelo
CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS
EXPLORACIÓN DE LA SUBRASANTE
CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS
Determinación de granulometría Determinación de los límites de consistencia
EXPLORACIÓN DE LA SUBRASANTE
TABLA DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS DE LA AASHTO
EVALUACIÓN DE LA SUBRASANTE
DEFINICIÓN DEL
PERFIL Y
DELIMITACIÓN DE
ÁREAS HOMOGÉNEAS
Inicialmente se sectoriza el tramo en estudio, de acuerdo
con los niveles esperados de tránsito a lo largo de él
DEFINICIÓN DEL PERFIL Y DELIMITACIÓN
DE ÁREAS HOMOGÉNEAS
SECTORIZACIÓN INICIAL POR TRÁNSITO
A partir de las clasificaciones de los suelos de subrasante
encontrados en las perforaciones, se elabora un perfil
DEFINICIÓN DEL PERFIL Y DELIMITACIÓN
DE ÁREAS HOMOGÉNEAS
SECTORIZACIÓN COMPLEMENTARIA POR TIPOS DE ROCA O SUELO
DEFINICIÓN DEL PERFIL Y DELIMITACIÓN
DE ÁREAS HOMOGÉNEAS
Se determina la longitud en la cual predomina cada suelo
y se delimitan áreas homogéneas para efectos de diseño,
teniendo en cuenta el tránsito de proyecto
Las secciones escogidas deben ser de suficiente longitud,
con el fin de que los diseños resultantes den lugar a una
construcción práctica y económica
DETERMINACIÓN DE LAS ÁREAS HOMOGÉNEAS DE DISEÑO
DETERMINACIÓN DE LAS ÁREAS HOMOGÉNEAS DE DISEÑO
DEFINICIÓN DEL PERFIL Y DELIMITACIÓN
DE ÁREAS HOMOGÉNEAS
DETALLE DE LOS SUELOS DE LA UNIDAD 4
DEFINICIÓN DEL PERFIL Y DELIMITACIÓN
DE ÁREAS HOMOGÉNEAS
Distribución de la clasificación de los suelos de la unidad 4a
DEFINICIÓN DEL PERFIL Y DELIMITACIÓN
DE ÁREAS HOMOGÉNEAS
Si en un tramo hay gran heterogeneidad en los suelos y no se
puede definir uno como predominante, el diseño se basará en
el más frecuente de los suelos débiles encontrados
DETERMINACIÓN DE LAS ÁREAS HOMOGÉNEAS DE DISEÑO
EVALUACIÓN DE LA SUBRASANTE
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE
RESPUESTA SOBRE LOS
SUELOS
PREDOMINANTES
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA
Los ensayos de resistencia o de respuesta se deben
realizar sobre muestras representativas de los suelos
predominantes, reproduciendo las condiciones de
humedad y densidad que se espera prevalezcan en
servicio
El ensayo más utilizado es el CBR, el cual es una
medida de la resistencia del suelo al esfuerzo cortante
bajo condiciones de humedad y densidad controladas,
que tiene aplicación en el diseño y en la evaluación de
pavimentos asfálticos
El soporte de la subrasante se puede expresar, también,
en términos del módulo de reacción, obtenido a través de
pruebas de placa directa. Este módulo se usa en el diseño
de pavimentos rígidos
La respuesta del soporte se puede caracterizar también
en términos de parámetros elásticos (módulo resiliente y
relación de Poisson), los cuales se aplican en los
procedimientos empírico mecanísticos de diseño de
pavimentos asfálticos
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA
ENSAYO CALIFORNIA BEARING RATIO (CBR)
El ensayo más utilizado es el CBR, el cual representa
la relación, en porcentaje, entre el esfuerzo requerido
para penetrar un pistón cierta profundidad dentro del
suelo ensayado y el esfuerzo requerido para penetrar un
pistón igual, la misma profundidad, dentro de una
muestra patrón de piedra triturada
100*x)ón(penetracipatrónmuestralaenesfuerzo
x)ón(penetraciensayadosueloelenesfuerzoCBR
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA
ENSAYO CALIFORNIA BEARING RATIO (CBR)
La muestra patrón fue elegida y ensayada por O.J.
Porter, en California, en 1929, presentando los
siguientes esfuerzos requeridos para diferentes
profundidades de penetración del pistón:
Valores de esfuerzo en la muestra patrón
Penetración del
pistón
(mm) 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5
(pulg.) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Esfuerzo
(MPa) 6.89 10.34 13.10 15.86 17.93
(lb/pg2) 1000 1500 1900 2300 2600
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA
ENSAYO CALIFORNIA BEARING RATIO (CBR)
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA
ENSAYO CALIFORNIA BEARING RATIO (CBR)
Para cada muestra preparada se dibuja una gráfica
relacionando Esfuerzo vs Penetración del pistón:
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA
ENSAYO CALIFORNIA BEARING RATIO (CBR)
Para cada muestra elaborada, se calcula su valor de
CBR para penetraciones del pistón de 0.1‖ (2.5 mm) y
0.2‖ (5.0 mm) con las expresiones :
100*psi1500
σCBR
100*psi1000
σCBR
0.2"
0.2"
0.1"
0.1"
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA
DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA BAJO
CONDICIONES DE EQUILIBRIO
Humedad
La resistencia de los suelos, en especial los finos, está
directamente relacionada con sus condiciones de humedad
y de densidad
Se recomienda determinar la resistencia de la subrasante
bajo la condición más húmeda que se espere una vez que
el pavimento se encuentre en servicio
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA
DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA BAJO
CONDICIONES DE EQUILIBRIO
Humedad
Compactar suelos finos con humedades bajas para
conseguir altas densidades y altas resistencias durante
la construcción, no constituye una buena práctica, por
cuanto el suelo queda con una estructura que se debilita
considerablemente con el humedecimiento, lo que se
traduce en pérdidas posteriores de densidad y de
resistencia e incrementos en la expansión
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA
CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS DE ACUERDO CON LA
HUMEDAD PARA LA DETERMINACIÓN DE SU RESISTENCIA
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA
DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA BAJO
CONDICIONES DE EQUILIBRIO
Efectos del subdrenaje sobre la humedad de lasubrasante
Los cambios de humedad de la subrasante porfiltración y fluctuaciones del nivel freático pueden sercontrolados con la instalación y mantenimiento dedispositivos de subdrenaje
Estos dispositivos sólo son efectivos si la humedad delsuelo está sujeta a presión de poros positiva
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA
DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA BAJO
CONDICIONES DE EQUILIBRIO
Efectos del subdrenaje sobre la humedad de lasubrasante
Si las filtraciones de agua provenientes de la partesuperior son inevitables y abundantes, convienedeterminar la resistencia de los suelos en condiciónsaturada cuando correspondan a las categorías 1 y 2 ycon la humedad óptima del ensayo normal decompactación (Proctor Standard) cuando correspondan ala categoría 3
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA
Densidad
La densidad que alcanza la subrasante bajo una superficieimpermeable (densidad de equilibrio), es función del tipo desuelo y del entorno ambiental en el cual actúa
Existen procedimientos para estimar a priori la densidadde equilibrio
En general, resulta suficiente considerar una densidadequivalente al 95% de la máxima del ensayo modificado decompactación (tomar precauciones en el caso de los suelosexpansivos)
DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA BAJO
CONDICIONES DE EQUILIBRIO
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA
CRITERIO AUSTRALIANO PARA DETERMINAR LA
RESISTENCIA EN CONDICIONES DE EQUILIBRIO
IP < 10 IP > 10
< 600 1,0 - 1,5 1,4 - 1,8
>600 y <1000 0,6 - 1,1 1,0 - 1,4
>1000 0,4 - 0,9 0,6 - 1,0
Factor de corrección (F) por aplicar al CBR sumergido* para estimar el CBR en
condiciones de equilibrio in situ
Tipo de suelo **Precipitación anual
(mm)
* Cuando el CBR sumergido ha sido usado exitosamente no hay razón para modificar el resultado con el factor F
** Los valores más bajos de cada rango se aplican en situaciones donde se espera que el drenaje sea pobre, el
nivel freático elevado, etc. Los valores mayores se aplican en la situación opuesta
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA
DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
MEDIANTE ENSAYOS DE CAMPO
Generalmente resulta adecuado estudiar la resistencia
de la subrasante de pavimentos construidos sobre el
mismo suelo en vecindades del proyecto, los cuales hayan
estado sometidos a tránsito cuando menos 3 años
En estos suelos, el CBR se puede medir directamente
mediante el método de campo (Norma de ensayo INV E-
169) o se puede estimar a partir del ensayo del
penetrómetro dinámico de cono (PDC)
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA
DETERMINACIÓN DEL CBR EN EL CAMPO
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA
ENSAYO DEL PENETRÓMETRO DINÁMICO DE CONO
Ensayo apropiado para estimar la resistencia de suelos
predominantemente finos
Mediante esta prueba se mide la rata a la cual penetra en
el suelo una varilla con una punta cónica, a medida que es
golpeada desde cierta altura con una masa especificada de
8 kg
La resistencia a la penetración es la pendiente de la recta
―Número de golpes vs penetración‖, denominada número
dinámico (ND) y se expresa en mm/golpe
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA
ENSAYO DEL PENETRÓMETRO DINÁMICO DE CONO
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA
RESULTADO DE UN ENSAYO PDC
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA
La rata de penetración del PDC (Número Dinámico) puede
ser relacionada con otros valores de resistencia in-situ, como el
CBR
ENSAYO DEL PENETRÓMETRO DINÁMICO DE CONO
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA
PARÁMETROS ELÁSTICOS DE LA SUBRASANTE
1. Módulo resiliente (MR)
Es un estimativo del módulo elástico, basado enmedidas de esfuerzo y deformación a partir de cargasrápidas repetidas, similares a las que experimentan losmateriales del pavimento bajo la acción del tránsito
No es una medida de la resistencia, pues el material nose lleva a rotura, sino que retorna a su tamaño y formaoriginales
2.Relación de Poisson (m)
Es la relación entre las deformaciones transversales ylongitudinales de un espécimen sometido a carga
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA
Módulo resiliente (MR)
Se determina mediante el ensayo triaxial dinámico:
PARÁMETROS ELÁSTICOS DE LA SUBRASANTE
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA
Procedimiento para hallar el Módulo Resiliente (MR)
1. Se coloca una muestra compactada en la cámara
triaxial dentro de una membrana
2. Se somete a una presión de confinamiento (s3)
3. Se aplican pulsos repetidos de un esfuerzo axial
desviador (sd)
PARÁMETROS ELÁSTICOS DE LA SUBRASANTE
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA
Procedimiento para hallar el Módulo Resiliente (MR)
4. Se miden las deformaciones recuperables (DL) que
ocurren en una determinada longitud de la probeta (L)
5. Se calcula la deformación axial recuperable (er= DL/ L)
6. Se determina el módulo resiliente para ese esfuerzo
desviador (MR = sd/ er )
7. Se repite el procedimiento con otros esfuerzos axiales
desviadores
PARÁMETROS ELÁSTICOS DE LA SUBRASANTE
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA
Procedimiento para hallar el Módulo Resiliente (MR)
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA
Módulo resiliente (MR)
Debido al comportamiento mecánico no lineal de los
suelos, su caracterización se debe adelantar sobre un
rango de humedades y estados de esfuerzos que
representen las condiciones esperadas en el terreno
PARÁMETROS ELÁSTICOS DE LA SUBRASANTE
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA
Módulo resiliente(MR)
El módulo resiliente de los
suelos cohesivos decrece con
el aumento del esfuerzo
desviador y de la humedad del
suelo, así como con la
disminución de la presión de
confinamiento (ablandamiento
por esfuerzos)
MR = A* sd -B
PARÁMETROS ELÁSTICOS DE LA SUBRASANTE
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA
Módulo resiliente(MR)
El módulo resiliente de los suelos
granulares aumenta con el estado de
esfuerzos, debido al aumento de la
trabazón entre las partículas
individuales (endurecimiento por
esfuerzos) y disminuye con el
incremento de la humedad del suelo
MR = K1(I1)K2
I1= s1 + s2 + s3
PARÁMETROS ELÁSTICOS DE LA SUBRASANTE
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA
Relación de Poisson (m)
PARÁMETROS ELÁSTICOS DE LA SUBRASANTE
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA
ENSAYO DE PLACA DIRECTA (AASHTO T 222)
Se realiza para obtener el módulo de reacción de la
subrasante (k) el cual se usa en el diseño de pavimentos
rígidos
El valor k fue desarrollado básicamente como una
constante de resorte que recibe el soporte bajo la losa de
concreto
La deflexión de los resortes es proporcional a la
presión aplicada, es decir, la presión reactiva para resistir
para resistir una carga es proporcional a k y a la
deflexión de la losa (D)
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA
ENSAYO DE PLACA DIRECTA (AASHTO T 222)
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA
ENSAYO DE PLACA DIRECTA (AASTHO T 222)
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA
ENSAYO DE PLACA DIRECTA (AASTHO T 222)
Se coloca el equipo sobre el suelo por ensayar, se somete la
placa a diversas presiones y se miden las deflexiones
Se dibuja una curva ―deflexión vs presión‖
Determinación del módulo de reacción
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA
ENSAYO DE PLACA DIRECTA (AASTHO T 222)
El valor de “k” se calcula dividiendo la presión sobre la
placa, por la deflexión correspondiente. Hay dos criterios:
—a) Usar para el cálculo la presión para D= 0.05 pulgadas
—b) Usar para el cálculo la deflexión para p = 10 psi
pcik 32005.0
16
pcik 416024.0
10
Determinación del módulo de reacción
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA
No todas las agencias viales están familiarizadas o
disponen de equipos modernos para caracterizar los
suelos de subrasante y los materiales no ligados del
pavimento
Es permitido el uso de correlaciones entre diversos
indicadores de la resistencia o de la respuesta del suelo
La aplicación de estas correlaciones debe ser
cuidadosa, por cuanto ellas se basan en un número
limitado de datos
CORRELACIONES ENTRE DIFERENTES
VALORES DE RESPUESTA DE LOS SUELOS
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA
CORRELACIONES ENTRE DIFERENTES
VALORES DE RESPUESTA DE LOS SUELOS
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA
CORRELACIONES ENTRE DIFERENTES
VALORES DE RESPUESTA DE LOS SUELOS
EJECUCIÓN DE ENSAYOS
DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA
DETERMINACIÓN DE LA
RESISTENCIA O
RESPUESTA DE DISEÑO
PARA CADA ÁREA
HOMOGÉNEA
EVALUACIÓN DE LA SUBRASANTE
SELECCIÓN DEL VALOR DE RESISTENCIA O DE
RESPUESTA DE DISEÑO
Cualquiera sea el método para medir la resistencia o la
respuesta del suelo, cada muestra o cada ensayo dará
generalmente un resultado diferente
Es importante que el valor utilizado para el diseño no
sea ni subestimado, por cuanto dará lugar a un mayor costo
de construcción del pavimento, ni sobreestimado en un
grado tal, que existan riesgos importantes de falla
RESISTENCIA O RESPUESTA
DE DISEÑO PARA CADA ÁREA HOMOGÉNEA
SELECCIÓN DEL VALOR DE RESISTENCIA O DE
RESPUESTA DE DISEÑO
El número de ensayos por área homogénea depende de la
extensión del proyecto:
– Para vías muy cortas (≤ 150 metros) son suficientes
dos pruebas
– Para tramos extensos (≥ 3,000 metros) se recomienda
un mínimo de 5 y un máximo de 9 por suelo homogéneo
– Para tramos de longitud intermedia se aplicará el
criterio del diseñador
RESISTENCIA O RESPUESTA
DE DISEÑO PARA CADA ÁREA HOMOGÉNEA
SELECCIÓN DEL VALOR DE RESISTENCIA O DE
RESPUESTA DE DISEÑO
Cuando se tengan menos de 5 resultados, se recomienda
tomar el menor valor de resistencia o de respuesta
determinado en condiciones de equilibrio
Cuando se tengan 5 resultados o más, la elección del valor
de diseño del área, dependerá del método de diseño del
pavimento que se vaya a emplear:
- Si se aplican AASHTO – 93 o INVIAS, se tomará el
valor promedio
- Para otros métodos, se puede emplear el criterio del
Instituto del Asfalto
RESISTENCIA O RESPUESTA
DE DISEÑO PARA CADA ÁREA HOMOGÉNEA
SELECCIÓN DEL VALOR DE RESISTENCIA O DE
RESPUESTA DE DISEÑO
X= 87.5%Mayor o igual a 106
X=75%Entre 104 y 106
X= 60%Menor o igual a 104
Valor que es igualado o
excedido por el X % de
resultados
N
CRITERIO DEL INSTITUTO DEL ASFALTO
RESISTENCIA O RESPUESTA
DE DISEÑO PARA CADA ÁREA HOMOGÉNEA
SELECCIÓN DEL VALOR DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA DE DISEÑO
Los valores de diseño de cada área se deben redondearasí:
1000Mayor de 500010Mayor de 50
5002000 - 5000520 - 50
100500 - 200015 - 20
50Menor de 5000.5Menor de 5
Redondear aMR (kg/cm2)Redondear aCBR (%)
RESISTENCIA O RESPUESTA
DE DISEÑO PARA CADA ÁREA HOMOGÉNEA
SELECCIÓN DEL VALOR DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA DE DISEÑO
Ejemplo de aplicación
Los resultados de 8 ensayos triaxiales dinámicos
produjeron los siguientes módulos resilientes de un
suelo de subrasante en un área homogénea: 6,200 –
9,500 – 8,800 – 7,800 - 13,500 – 10,000 – 11,900 y
11,300 lb/pg2
Determinar el módulo de diseño del área, para valores
N de 104 , 105 y 106 ejes equivalentes de 80 kN
RESISTENCIA O RESPUESTA
DE DISEÑO PARA CADA ÁREA HOMOGÉNEA
Solución
Criterio de AASHTO 93 e INVIAS
SELECCIÓN DEL VALOR DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA DE DISEÑO
RESISTENCIA O RESPUESTA
DE DISEÑO PARA CADA ÁREA HOMOGÉNEA
MR de diseño = 9,875 psi (10,000 psi) para cualquier tránsito
de diseño
psi875,98
500,13900,1111,30010,0005009,8008,8007,6,200diseñodeMR
Solución
Criterio del Instituto del Asfalto:
SELECCIÓN DEL VALOR DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA DE DISEÑO
RESISTENCIA O RESPUESTA
DE DISEÑO PARA CADA ÁREA HOMOGÉNEA
Solución
Criterio del Instituto del Asfalto:
SELECCIÓN DEL VALOR DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA DE DISEÑO
RESISTENCIA O RESPUESTA
DE DISEÑO PARA CADA ÁREA HOMOGÉNEA
MATERIALES PARA BASE Y
SUBBASE
CONTENIDO
Bases y subbases granulares
Bases y subbases estabilizadas con aditivos
Estabilización de suelos con cal
Estabilización de suelos con cal y ceniza volante
Estabilización de suelos con cemento
Bases estabilizadas con asfalto
Bases estabilizadas con emulsión asfáltica
Bases estabilizadas con asfalto espumado
Combinación de estabilizantes
Otros tipos de bases
Base permeable
Base de concreto pobre
DEFINICIONES
Base es la capa que se encuentra bajo la capa derodadura de un pavimento asfáltico. Debido a suproximidad con la superficie, debe poseer altaresistencia a la deformación, para soportar las altaspresiones que recibe. Se construye con materialesgranulares procesados o estabilizados y, eventualmente,con algunos materiales marginales.
BASES Y SUBBASES
DEFINICIONES
Subbase es la capa que se encuentra entre la base y lasubrasante en un pavimento asfáltico. Debido a queestá sometida a menores esfuerzos que la base, sucalidad puede ser inferior y generalmente estáconstituida por materiales locales granulares omarginales.
El material que se coloca entre la subrasante y laslosas de un pavimento rígido también se denominasubbase. En este caso, debe permitir el drenaje libre oser altamente resistente a la erosión, con el fin deprevenir el ―bombeo‖. En algunas partes, a esta capala llaman base.
BASES Y SUBBASES
- Compuestos principalmente por agregados pétreos y finos naturales.
- Su resistencia a la deformación está determinada casi exclusivamente
por el rozamiento interno de los agregados, aunque a veces existe una
componente cohesional brindada por los finos plásticos del material
- Modificación de un suelo o un agregado procesado, mediante la
incorporación y mezcla de productos que generan cambios físicos y/o
químicos del suelo aumentando su capacidad portante, haciéndolo menos
sensible a la acción del agua y, eventualmente, elevando su rigidez
- Materiales que no cumplen las especificaciones corrientes para uso vial,
pero que pueden ser usados con éxito, principalmente como resultado
de una experiencia local satisfactoria y un costo reducido
Naturales,
subproductos
industriales y
materiales de
desecho
Marginales
Granulares
(mezclas de
suelo-agregado)
No ligados
Estabilizaciones
con aditivos
Ligados
CLASIFICACIÓN DE MATERIALES PARA BASES Y SUBBASES
BASES Y SUBBASES
BASES Y
SUBBASES
GRANULARES
Los agregados para construcción de bases y subbasesgranulares y, en general, para cualquier capa de unpavimento deben ser caracterizados para:
– Establecer su idoneidad
– Obtener información útil para el diseño estructuraldel pavimento
CARACTERIZACIÓN DE LOS AGREGADOS
Finalidad de la caracterización
1. Caracterización para establecer su idoneidad de uso
La composición mineralógica de los agregadosdetermina en buena medida sus características físicas yla manera de comportarse como materiales para unacapa de pavimento
Por lo tanto, al seleccionar una fuente de materiales, elconocimiento del tipo de roca y, por lo tanto, deminerales que la componen brinda una excelente pistasobre la conveniencia de los agregados provenientes deella
CARACTERIZACIÓN DE LOS AGREGADOS
CARACTERIZACIÓN DE LOS AGREGADOS
RESUMEN DE PROPIEDADES INGENIERILES DE LAS ROCAS
(SEGÚN CORDON Y BESTE)
1. Caracterización para establecer su idoneidad de uso
El examen petrográfico de las rocas en el microscopio,mediante secciones delgadas, es un método excelentepara determinar el tamaño del grano, su textura y suestado de descomposición
El examen, realizado por un experto, permite calcularlas proporciones de las especies mineralógicas de laroca y, en muchos casos, permite también dilucidar einclusive resolver el problema planteado
CARACTERIZACIÓN DE LOS AGREGADOS
1. Caracterización para establecer su idoneidad de uso
CARACTERIZACIÓN DE LOS AGREGADOS
Cuarzo reactivo exhibiendo bandas oscuras
(A) y claras (B) en el mismo grano
Grano de cuarzo no reactivo con un
brillo uniforme
CARACTERIZACIÓN DE LOS AGREGADOS
1. Caracterización para establecer su idoneidad de uso
Las propiedades químicas de los agregados sonimportantes cuando se van a emplear en pavimentos
En pavimentos asfálticos, la química de los agregadospuede determinar la adherencia entre ellos y el asfalto
En pavimentos rígidos, los agregados que contienenformas reactivas de sílice pueden presentar reaccionesexpansivas con los álcalis contenidos en la pasta delcemento
CARACTERIZACIÓN DE LOS AGREGADOS
1. Caracterización para establecer su idoneidad de uso
Falla por deficiente adherencia
entre los agregados y el asfalto
Reacción expansiva entre la
sílice del agregado y los álcalis
del cemento
1. Caracterización para establecer su idoneidad de uso
Se han desarrollado muchos ensayos para medir lascaracterísticas físicas de los materiales para construirpavimentos. Estos ensayos, en su mayoría arbitrarios enel sentido de que su utilidad reposa en la correlación desus resultados con el comportamiento en el campo, hansido normalizados con el fin de obtener resultadosreproducibles
Las especificaciones de construcción fijan, de acuerdocon la experiencia local, los límites admisibles de losresultados de estos ensayos, según el uso previsto parael material
CARACTERIZACIÓN DE LOS AGREGADOS
2. Caracterización para efectos de diseñoestructural del pavimento
Se trata de ensayos para establecer la respuesta delos materiales al esfuerzo y a la deformación
Se emplean para cuantificar módulos y relaciones dePoisson y, para determinados componentes de laestructura del pavimento, medir su resistencia a lafatiga
CARACTERIZACIÓN DE LOS AGREGADOS
FUENTES DE MATERIALES
GRANULARES PARA BASES Y SUBBASES
CANTERA
DEPÓSITO ALUVIAL
PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES
GRANULARES PARA BASES Y SUBBASES
Estabilidad y densidad
La masa de los materiales granulares para capas desubbase y base deberá poseer una adecuada estabilidadpor trabazón mecánica, de manera que soporteadecuadamente los esfuerzos impuestos por las cargasde la construcción y del tránsito automotor
La estabilidad de un material granular depende de ladistribución de los tamaños de las partículas(granulometría), de las formas de las partículas, de ladensidad relativa, de la fricción interna y de la cohesión
PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES
GRANULARES PARA BASES Y SUBBASES
Estabilidad y densidad (continuación)
Un material granular diseñado para máximaestabilidad debe poseer alta fricción interna para resistirla deformación bajo carga
La fricción interna y la subsecuente resistencia alcorte dependen, en gran medida, de la granulometría, dela forma de las partículas y de la densidad, De estosfactores, la distribución de tamaños, en especial laproporción de finos respecto a los gruesos, es el másimportante
Estabilidad y densidad (continuación)
La máxima densidad se suele obtener cuando la distribuciónde tamaños se adapta a la fórmula de Fuller:
p = 100(d/D)0.5
Generalmente, la proporción de finos que permite alcanzarla máxima estabilidad es inferior a la requerida para lograrmáxima estabilidad
La granulometría por escoger debe establecer un balanceentre la facilidad constructiva y la mayor estabilidad posible
PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES
GRANULARES PARA BASES Y SUBBASES
ESTADOS FÍSICOS DE LAS MEZCLAS DE SUELO - AGREGADO
PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES
GRANULARES PARA BASES Y SUBBASES
VARIACIÓN DE LA DENSIDAD Y DEL CBR CON LA
CANTIDAD DE FINOS DE UN MATERIAL GRANULAR
PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES
GRANULARES PARA BASES Y SUBBASES
Angularidad del agregado grueso (INV E-227)
A igualdad de distribución de tamaños, un agregado con partículasfragmentadas mecánicamente presenta mayor estabilidad que uno conpartículas redondeadas, debido a la mayor trabazón entre las partículas
Para iguales granulometrías, el material con partículas trituradas dalugar a un mayor coeficiente de permeabilidad, lo que hace que sea másfácil de drenar
PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES
GRANULARES PARA BASES Y SUBBASES
Angularidad del agregado fino (AASHTO T 304 – INVE-239)
Porcentaje de vacíos con aire de las partículas menoresde 2.36 mm, levemente compactadas
PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES
GRANULARES PARA BASES Y SUBBASES
V= volumen del molde
W=peso de arena en el molde
GA = peso específico arena
Partículas aplanadas y alargadas (INV E-240)
La presencia de partículas aplanadas y alargadas es indeseable, porcuanto ellas tienden a quebrarse durante la construcción y bajo tránsito,modificando la granulometría original del agregado
DETERMINACIÓN DE PARTÍCULAS ALARGADAS Y PLANAS (ASTM D 4791)
PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES
GRANULARES PARA BASES Y SUBBASES
Limpieza
Índice plástico (AASHTO T 89 y T 90 – INV E-125 y E-126)
Representa el rango de humedad en el cual una fracción finase encuentra en estado plástico
PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES
GRANULARES PARA BASES Y SUBBASES
Límite líquido (LL) Límite plástico (LP)
Índice Plástico (IP) = LL - LP
Limpieza
Equivalente de arena (AASHTO T 176 – INV E-133)
El efecto de la plasticidad depende de la proporción dematerial fino presente en la mezcla
La determinación del índice plástico se suelecomplementar con la del equivalente de arena, el cualpermite valorar la cantidad y actividad de la fraccióncoloidal de las partículas finas
El agregado se mezcla con una solución de cloruro decalcio-glicerina-formaldehído y se agita dentro de uncilindro graduado, forzando a las partículas más finas aquedar en suspensión
PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES
GRANULARES PARA BASES Y SUBBASES
Limpieza
Equivalente de arena (AASHTO T 176 – INV E-233)
Luego de un término de reposo, se miden las alturas de arena(HA) y finos (HF) y la relación entre ellas, en porcentaje, es elequivalente de arena
PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES
GRANULARES PARA BASES Y SUBBASES
Limpieza
Valor de azul (EN-933-9 - INV E-235)
Se usa como complemento del equivalente de arena,
cuando el valor de éste no satisface el límite especificado
Caracteriza la actividad de la fracción arcillosa del
agregado fino y su sensibilidad al agua
El valor de azul es la cantidad de azul de metileno que
adsorben 1,000 gramos del material pasante del tamiz de 2
mm, colocados en una solución acuosa
PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES
GRANULARES PARA BASES Y SUBBASES
Limpieza
Valor de azul (EN-933-9 INV E-235)
PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES
GRANULARES PARA BASES Y SUBBASES
negativo
positivo
Resistencia a la fragmentación
Las partículas del agregado grueso deben ser resistentesa la abrasión y a la degradación mecánica, para prevenirla formación de finos que alteren la granulometríaoriginal durante la compactación y, posteriormente, bajola acción del tránsito automotor
La resistencia a la fragmentación se suele medirmediante cuatro (4) ensayos:
—Desgaste Los Ángeles
—Trituración por impacto
—Trituración por aplastamiento
—10% de finos
PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES
GRANULARES PARA BASES Y SUBBASES
Resistencia a la fragmentación
PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES
GRANULARES PARA BASES Y SUBBASES
Desgaste Los Ángeles (AASHTO T 96 – INV E-218 y 219)
Una muestra del agregado grueso es sometida a atrición e
impacto por unas esferas de acero mientras gira en un cilindro
metálico a 31-33 rpm por 15 minutos, determinándose la fracción
del material ensayado que pasa el tamiz de 1.70 mm (# 12)
Resistencia a la fragmentación
PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES
GRANULARES PARA BASES Y SUBBASES
Valor de trituración por impacto (VTI) (BS 812)
Una muestra del agregado
grueso se somete a 15 golpes
con una masa de 13.6 kg que
cae libremente desde una altura
de 380 mm, determinándose
luego el porcentaje de
partículas que pasa el tamiz de
2.36 mm (# 8), respecto del
peso inicial de la muestra
Resistencia a la fragmentación
PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES
GRANULARES PARA BASES Y SUBBASES
Valor de trituración por aplastamiento (VTA) (BS 812)
Una muestra del agregado grueso (12.5 mm – 9.5 mm) se
somete a una carga de 400 kN y se determina el porcentaje de
partículas que pasa el tamiz de 2.36 mm, respecto del peso
inicial de la muestra
Resistencia a la fragmentación
PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES
GRANULARES PARA BASES Y SUBBASES
10 % de finos (BS 812 – INV E-224)
Utiliza el mismo equipo que el ensayo VTA
Una muestra del agregado grueso se somete a diferentes
cargas, determinándose en cada caso el porcentaje de
partículas que pasan el tamiz de 2.36 mm (# 8) respecto del
peso inicial de la muestra
La carga necesaria para producir 10% de partículas menores
de 2.36 mm constituye el resultado de la prueba
Durabilidad
Las partículas de los agregados deben ser resistentes acambios mineralógicos y desintegración física a causa de losciclos de humedecimiento y secado impuestos durante laconstrucción y el período de diseño del pavimento
La durabilidad debe ser considerada en el momento deescoger los agregados pétreos. Materiales susceptibles dedegradación por la acción de agentes climáticos durante lavida útil del pavimento, deben ser evitados
PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES
GRANULARES PARA BASES Y SUBBASES
Durabilidad
La durabilidad de los agregados para construcción decapas de pavimentos se acostumbra evaluar mediantedos ensayos:
—Solidez bajo la acción de sulfatos de sodio omagnesio
—Micro - Deval
PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES
GRANULARES PARA BASES Y SUBBASES
Durabilidad
PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES
GRANULARES PARA BASES Y SUBBASES
Solidez bajo la acción de sulfatos (ASTM C 88 – INV E-220)
Fracciones del agregado, de diversos tamaños, se someten a
cinco ciclos de expansión y contracción, consistente cada uno de
ellos en:
—Inmersión durante un lapso de 16 a 18 horas en una
solución de sulfato de sodio o de magnesio
—Secado hasta peso constante a 110º C
Terminado el último ciclo se lavan las fracciones para eliminar
el sulfato que contengan; se secan y se tamizan sobre los tamices
en los cuales se retenían antes del ensayo, determinado las
pérdidas en peso sufridas por cada fracción
Durabilidad
PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES
GRANULARES PARA BASES Y SUBBASES
Solidez bajo la acción de sulfatos (ASTM C 88 INV E-220)
Inmersión del agregado
en la solución
Secado en el horno
Durabilidad
PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES
GRANULARES PARA BASES Y SUBBASES
Solidez bajo la acción de sulfatos (ASTM C 88 INV E-220)
Fracción de agregado
antes del ensayo
Fracción de agregado
luego de 5 ciclos
Durabilidad
PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES
GRANULARES PARA BASES Y SUBBASES
Ensayo Micro-Deval (AASHTO TP 58 – INV E-238)
Una muestra de 1,500 gramos del agregado seco es
sumergida en 2 litros de agua durante 1 hora dentro de un
cilindro de 194 mm de diámetro
Se introducen 5,000 gramos de esferas de acero de 9.5 mm
de diámetro dentro del cilindro y se somete éste a rotación a
100 ± 5 rpm durante 2 horas
Se seca la muestra y se determina la proporción de material
que pasa el tamiz de 1.18 mm (# 16) respecto del peso seco
inicial de la muestra, la cual constituye el resultado del ensayo
Durabilidad
PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES
GRANULARES PARA BASES Y SUBBASES
Ensayo Micro-Deval (AASHTO TP 58 – 9NV E-238)
Durabilidad
PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES
GRANULARES PARA BASES Y SUBBASES
Muestra, esferas y agua dentro
del cilindro
Ensayo Micro-Deval (AASHTO TP 58 – INV E-238)
Máquina de ensayo
Permeabilidad
Las características de permeabilidad de un materialgranular dependen de la granulometría, del tipo de agregado,del tipo de ligante y de la densidad
La permeabilidad disminuye a medida que se incrementa lafracción fina del material
A medida que la granulometría se acerca a la ecuación deFuller, el material tiende a la impermeabilidad
Coeficientes de permeabilidad inferiores a 10-3 cm/s danlugar a materiales de pavimento que, desde el punto de vistapráctico, se consideran impermeables
PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES
GRANULARES PARA BASES Y SUBBASES
ESCORIA DE ALTO HORNO
Producto no metálico, compuesto principalmente por silicatosy alumino-silicatos de calcio y otras bases, que se obtiene en unalto horno, simultáneamente con la producción del hierro
PROPIEDADES QUÍMICAS
ESCORIA DE ALTO HORNO
PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS TÍPICAS
ESCORIA DE ALTO HORNO
Características
Muchos Departamentos de Carreteras consideran la escoriade alto horno como un agregado pétreo convencional
La escoria puede ser triturada y clasificada para producir unmaterial que satisfaga los requisitos granulométricos de unasubbase o base granular
La escoria tiene propiedades cementantes, pero es frágil yde baja resistencia al impacto y a la abrasión, por lo cual nose suele exigir la ejecución de ensayos de este tipo paravalorar su aptitud de uso como material de pavimento
ESCORIA DE ALTO HORNO
ESPECIFICACIONES DEL INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS PARA LOS MATERIALES GRANULARES DE SUBBASE Y BASE PARA VÍAS
DE TRÁNSITO PESADO
PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES
GRANULARES PARA BASES Y SUBBASES
ESPECIFICACIONES DEL INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS PARA LOS MATERIALES GRANULARES DE SUBBASE Y BASE PARA VÍAS
DE TRÁNSITO PESADO
PROPIEDADES GENERALES DE LOS MATERIALES
GRANULARES PARA BASES Y SUBBASES
CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES DE BASE Y SUBBASE
GRANULAR CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS
Módulo resiliente
El módulo resiliente es un estimativo del módulo deelasticidad que se basa en determinaciones de esfuerzosy deformaciones bajo cargas rápidas, como las quereciben los materiales del pavimento a través de lasruedas de los vehículos
El módulo resiliente no es una medida de laresistencia del material, por cuanto éste no se lleva arotura en el ensayo, sino que recupera su forma original
Módulo resiliente (determinación en el laboratorio)
CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES DE BASE Y SUBBASE
GRANULAR CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS
Módulo resiliente
El módulo resiliente de los materialesgranulares es altamente dependiente delestado de esfuerzos al cual se encuentransometidos
Diferente a lo que sucede en lossuelos finos, los materiales granularesexhiben ―endurecimiento por esfuerzos‖,lo que hace que el módulo se incrementecon los esfuerzos totales, debido a quese incrementa la trabazón entre laspartículas individuales del agregado
El módulo resiliente de un materialgranular se ve afectado adversamentepor la presencia de partículas finas
CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES DE BASE Y SUBBASE
GRANULAR CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS
MÓDULO RESILIENTE
Valores típicos de K1 y K2 para materiales granulares de base y subbase (MR psi)
Condición
húmeda K1 K2
Seco 6000-10000 0,5-0,7
Húmedo 4000-6000 0,5-0,7
Saturado 2000-4000 0,5-0,7
Seco 6000-8000 0,4-0,6
Húmedo 4000-6000 0,4-0,6
Saturado 1500-4000 0,4-0,6
BASE
SUBBASE
CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES DE BASE Y SUBBASE
GRANULAR CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS
MÓDULO RESILIENTE
Primer invariante de tensiones (q) para la base granular
Primer invariante de tensiones (q) para la subbase granular
3000 7500 15000
< 2 20 25 30
2 - 4 10 15 20
4 - 6 5 10 15
> 6 5 5 5
MR de subrasante (psi)
q (psi)
Espesor de
concreto
asfáltico (pg)
< 2 10.0
2 - 4 7.5
> 4 5.0
Espesor de concreto
asfáltico (pg) q (psi)
CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES DE BASE Y SUBBASE
GRANULAR CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS
MÓDULO RESILIENTE
El módulo resiliente de las capas granulares (MRg) depende del soportebrindado por la subrasante (MRSR)
MRg = K*MRSR
MRSR (psi) K
3000 3,5-4,8
6000 2,4-2,7
12000 1,8-1,9
20000 1,6-1,8
30000 1,5-1,7
SHELL recomienda la siguiente expresión para determinar el módulode una capa granular (MRi), a partir del espesor de dicha capa (hi) en mmy del módulo de la subyacente (MRi+1)
MRi = 0.2*hi0.45 * MR(i+1)
CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES DE BASE Y SUBBASE
GRANULAR CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS
RELACIONES ENTRE LOS MÓDULOS DE LAS CAPAS N Y N+1, PARA DIFERENTES ESPESORES DE SUBBASE Y BASE GRANULAR
CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES DE BASE Y SUBBASE
GRANULAR CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS
módulo de la capa n+1 (psi*1000)
CORRELACIÓN ENTRE EL CBR Y EL MÓDULO RESILIENTE
No todas las agencias están familiarizadas con las pruebas paracaracterizar el módulo resiliente. Por ello, es útil considerarcorrelaciones entre los diferentes indicadores de resistencia
Estas correlaciones deben tener un manejo muy cuidadoso, puesson aproximadas y basadas en un número limitado de datos
Para el caso de materiales granulares de base y subbase, una delas correlaciones más conocidas es la desarrollada por Rada yWitczak
Estado de
esfuerzos
(q
MR (psi)
100 740 CBR
30 440 CBR
20 340 CBR
10 250 CBR
CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES DE BASE Y SUBBASE
GRANULAR CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS
VALORES TÍPICOS DE MÓDULOS DE ELASTICIDAD DE MATERIALES PARA PAVIMENTOS
Material Rango (Kg/cm2) Típico (Kg/cm2)
Concreto hidráulico 200000-550000 300000
Concreto asfáltico 15000-35000 30000
Base tratada con asfalto 5000-30000 10000
Base tratada con cemento 35000-70000 50000
Concreto pobre 100000-300000 200000
Base granular 1000-3500 2000
Subbase granular 800-2000 1200
Suelo granular 500-1500 1000
Suelo fino 200-500 300
1 Kg/cm2 = 0,1 MPa = 14,3 psi
CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES DE BASE Y SUBBASE
GRANULAR CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS
Relación de Poisson
Es la relación entre las deformaciones transversalesy longitudinales de un especimen sometido a carga
Los materiales más rígidos presentan menoresrelaciones de Poisson
CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES DE BASE Y SUBBASE
GRANULAR CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS
ILUSTRACIÓN DE LA RELACIÓN DE POISSON
CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES DE BASE Y SUBBASE
GRANULAR CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS
VALORES TÍPICOS DE LA RELACIÓN DE POISSON (m)
Material Rango Típico
Concreto hidráulico 0,10-0,20 0.15
Concreto asfáltico 0,15-0,45 0.35
Base tratada con asfalto 0,15-0,45 0.35
Base tratada con cemento
Suelo granular 0,10-0,20 0.15
Suelo fino 0,15-0,35 0.25
Concreto pobre 0,10-0,20 0.15
Base y subbase granular 0,30-0,40 0.35
Suelo de subrasante 0,30-0,50 0.40
CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES DE BASE Y SUBBASE
GRANULAR CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS
Resistencia a la fatiga
CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES DE BASE Y SUBBASE
GRANULAR CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS
La falla por fatiga de una capa granular de un pavimento se
produce por acumulación de deformaciones verticales
irrecuperables
El criterio que se adopta consiste en limitar, en función del
número ―N‖ de aplicaciones de carga, la deformación vertical de
compresión (εv) en superficie, mediante leyes de fatiga del tipo
ε v = A*N-B
Ejemplos de leyes de fatiga:
εv = 2.16*10-2*N-0.25 (Universidad de Nottingham)
εv = 1.11*10-2*N-0.23 (CRR - Bélgica)
BASES Y SUBBASES
BASES Y SUBBASES
ESTABILIZADAS CON
ADITIVOS
BASES ESTABILIZADAS CON ADITIVOS
DEFINICIONES
Aditivos
Productos comerciales manufacturados que, cuando seadicionan a un suelo o a una mezcla de suelo – agregadoen cantidades apropiadas, alteran favorablemente desde elpunto de vista del comportamiento ingenieril, algunaspropiedades como la textura, la trabajabilidad, laplasticidad y la resistencia
DEFINICIONES
Estabilización con aditivos
Incorporación de uno o más aditivos a un suelo o un suelo-agregado en la cantidad requerida para que una vez elaborada,extendida y compactada la mezcla, ésta presente las característicasapropiadas para servir como capa de base de un pavimento
Modificación con aditivos
Proceso similar a la estabilización, mediante el cual se buscamejorar alguna propiedad del suelo, pero el diseño de la mezclano se traduce en aumentos significativos de resistencia ydurabilidad. Debido a que se emplean menores cantidades deaditivos, su aplicación se restringe al mejoramiento de subbases ysubrasantes
BASES ESTABILIZADAS CON ADITIVOS
TIPOS DE SUELOS ESTABILIZABLES Y TIPOS DE ADITIVOS
Prácticamente todos los suelos, con excepción de losorgánicos, son susceptibles de estabilizar con aditivoscementantes
Los principales materiales cementantes para uso vialson el cemento, el asfalto, la cal y las cenizas volantes
Otros productos con registro comercial pueden resultaraptos para la estabilización de suelos (aceite sulfonado,enzimas orgánicas, polímeros, etc.)
BASES ESTABILIZADAS CON ADITIVOS
TIPOS DE SUELOS ESTABILIZABLES Y TIPOS DE ADITIVOS (CONT.)
Siempre existe más de un estabilizante aplicable a unsuelo
Con los aditivos factibles para estabilizar undeterminado suelo, se realizan ensayos de laboratorio paraobtener mezclas que cumplan los requisitos ingenierilesmínimos para la construcción de capas de base o subbase
Con los resultados de los diseños y considerando laslimitaciones climáticas, las restricciones de seguridad yambientales y el diseño estructural de las alternativas, serealiza un análisis económico para llegar a la decisión final
BASES ESTABILIZADAS CON ADITIVOS
GUÍA GENERAL PARA LA SELECCIÓN DEL ADITIVO
BASES ESTABILIZADAS CON ADITIVOS
TRIÁNGULO DE GRADACIÓN PARA AYUDA EN LA SELECCIÓN DE UN AGENTE ESTABILIZANTE COMERCIAL (US AIR FORCE)
BASES ESTABILIZADAS CON ADITIVOS
GUÍA PARA LA SELECCIÓN DEL ADITIVO (US AIR FORCE)
Area Suelo Aditivo recomendado Restricciones en LL ó IP
del suelo
Restricciones del %
pasa tamiz 200
Observaciones
asfalto
cemento
cal-cemento-ceniza
1B SW-SM ó Asfalto IP<=10
SP-SM ó Cemento IP<=30
SW-SC ó Cal IP>=12 La cal sola no suele conducir a
estabilizaciones aptas para
capas de base (1)
SP-SC cal-cemento-ceniza IP<=25
1C SM, SC, Asfalto IP<=10 <= 30%
SM SC Cemento IP<=20+(50-PASA200)/4
Cal IP>=12 Ver (1)
cal-cemento-ceniza IP<=25
2A GW, GP Asfalto Solo material bien gradado (2)
Cemento
El material debe tener 45% o
más pasa No. 4 (3)
cal-cemento-ceniza IP<=25
2B GW-GM ó Asfalto IP<=10 Ver (2)
GP-GM ó Cemento Ver (3)
GW-GC ó Cal IP>=12 Ver (1)
GP - GC cal-cemento-ceniza IP<=25
2C GM, GC Asfalto IP<=10 <= 30% Ver (2)
GM - GC Cemento IP<=20+(50-PASA200)/4 Ver (3)
Cal IP>=12 Ver (1)
cal-cemento-ceniza IP<=25
3 CH, CL, Cemento LL<40, IP<20
Suelos orgánicos y muy ácidos
no son estabilizables por
medios convencionales
MH, ML
CL - ML
CH - MH
OL - OH
SW, SP1A
IP <= 25
Cal IP >=12 Ver (1)
BASES ESTABILIZADAS CON ADITIVOS
BASES ESTABILIZADAS CON ADITIVOS
ESTABILIZACIÓN
DE SUELOS CON
CAL
ESTABILIZACIÓN CON CAL
Tipos de cal
El término cal se refiere al óxido y al hidróxido de calcio
solos o con pequeñas proporciones óxido o hidróxido de
magnesio, obtenidos por la calcinación de rocas calcáreas
adecuadas sin y con posterior hidratación
ESTABILIZACIÓN CON CAL
Tipos de cal
Debido al carácter cáustico de las cales en forma de óxido, se
prefiere apagarlas añadiéndoles cantidades controladas de agua,
que dan lugar a 3 tipos de cales hidratadas:
—Altamente cálcica Ca(OH)2
—Dolomítica monohidratada Ca(OH)2 + MgO
—Dolomítica dihidratada Ca(OH)2 + Mg(OH)2
Tipos de cal
Las cales altamente cálcicas producen menores resistencias
que las que contienen cantidades apreciables de magnesio, pero
presentan menores variaciones entre sí
Las cales dolomíticas, si bien dan mayores resistencias,
disminuyen menos la plasticidad de los suelos
Las cales dolomíticas monohidratadas (donde el magnesio
permanece cono MgO) producen mejores resultados al
estabilizar que las dihidratadas
ESTABILIZACIÓN CON CAL
PROPIEDADES DE CALES COMERCIALES VIVAS E HIDRATADAS
ESTABILIZACIÓN CON CAL
REACCIONES ENTRE LA CAL Y UN SUELO FINO
Intercambio catiónico (reacción rápida)
Floculación y aglomeración (reacción rápida)
Reacción puzolánica (reacción lenta)
Carbonatación
ESTABILIZACIÓN CON CAL
REACCIONES ENTRE LA CAL Y UN SUELO FINO
Intercambio catiónico
Las partículas de arcilla tienen una elevada cantidad de
superficies con carga negativa que atraen cationes libres y
dipolos de agua
Como resultado, se forma una capa de agua altamente difusa
alrededor de las partículas, separándolas y haciendo que la
arcilla se vuelva débil e inestable
La adición de cal al suelo en cantidad suficiente suministra
un exceso de iones Ca++ que reemplaza los cationes metálicos
más débiles reduciendo el tamaño de la capa de agua difusa y
permitiendo que las partículas de arcilla se aproximen unas a
otras o floculen
ESTABILIZACIÓN CON CAL
REACCIONES ENTRE LA CAL Y UN SUELO FINO
ESTABILIZACIÓN CON CAL
REACCIONES ENTRE LA CAL Y UN SUELO FINO
Floculación y aglomeración
Se produce un cambio aparente de la textura del suelo, por
cuanto las partículas de arcilla se aglomeran formando otras de
mayor tamaño
Como resultado de ello, se producen mejoras in meditadas en:
—Plasticidad, debido a la reducción de la capa de agua
adsorbida
—Trabajabilidad, debido al cambio de textura de una arcilla
plástica a un material friables del tipo limoso o arenoso
—Aumento de fricción interna entre las partículas
aglomeradas y mayor resistencia al corte
ESTABILIZACIÓN CON CAL
REACCIONES ENTRE LA CAL Y UN SUELO FINO
ESTABILIZACIÓN CON CAL
REACCIONES ENTRE LA CAL Y UN SUELO FINO
Reacción puzolánica
Si el suelo se compacta, se produce una reacción a largo plazo
entre la cal, el agua y los minerales sílico aluminosos del suelo
fino, formándose complejos compuestos de silicatos y aluminatos
de calcio hidratados que son agentes cementantes que
incrementan la resistencia de la mezcla y su durabilidad
Esta reacción es de carácter lento y varía con el suelo por tratar
y con la temperatura
Se considera que un suelo es reactivo con la cal, si se logran
aumentos de resistencia de cuando menos 50 psi a los 28 días, a
una temperatura de 23º C
ESTABILIZACIÓN CON CAL
REACCIONES ENTRE LA CAL Y UN SUELO FINO
ESTABILIZACIÓN CON CAL
REACCIONES ENTRE LA CAL Y UN SUELO FINO
Carbonatación
Consiste en la reacción de la cal con el dióxido de carbono
del aire para formar carbonatos de calcio relativamente
insolubles, en lugar de productos cementantes (silicatos y
aluminatos de calcio hidratados)
CaO + CO2 CaCO3
ESTABILIZACIÓN CON CAL
REACCIONES ENTRE LA CAL Y UN SUELO FINO
Carbonatación
La carbonatación es una reacción indeseable y debe ser
evitada, por cuanto el carbonato no reacciona con el suelo para
incrementar resistencias o para disminuir plasticidades
Por lo tanto, se debe impedir que el proceso de mezcla sea
muy largo y que la mezcla elaborada quede expuesta al aire
durante largo tiempo antes de ser compactada
ESTABILIZACIÓN CON CAL
PROPIEDADES TÍPICAS DE LOS SUELOS
ESTABILIZADOS CON CAL
Los efectos del tratamiento de un suelo con cal pueden ser
clasificados como inmediatos y a largo plazo
—La modificación inmediata se logra sin necesidad del
curado de la mezcla, es de gran interés durante la etapa
constructiva y se atribuye a las reacciones inmediatas
—La estabilización a largo plazo ocurre durante y después
del curado y es importante desde el punto de vista de la
resistencia y la durabilidad de la mezcla compactada
ESTABILIZACIÓN CON CAL
EFECTOS INMEDIATOS DEL TRATAMIENTO DE
SUELOS FINOS CON CAL
El tratamiento con cal tiene efecto inmediato sobre algunas
propiedades del suelo fino:
—Disminuye la plasticidad
—Aumenta el límite de contracción
—Disminuye la proporción de partículas del tamaño de arcilla
—Mejora la trabajabilidad
—Disminuye la densidad máxima para una determinada energía de
compactación
—Reduce el potencial expansivo del suelo
—Mejora de manera inmediata las propiedades de esfuerzo -
deformación
ESTABILIZACIÓN CON CAL
SUELO FINO ANTES Y DESPUÉS DEL
TRATAMIENTO CON CAL
ESTABILIZACIÓN CON CAL
Tendencia de la influencia de la cal sobre las
propiedades plásticas de los suelos finos
ESTABILIZACIÓN CON CAL
Influencia de la cal sobre el potencial expansivo de
los suelos finos (caso típico)
ESTABILIZACIÓN CON CAL
EFECTOS A LARGO PLAZO DEL TRATAMIENTO
DE SUELOS FINOS CON CAL
El tratamiento con cal tiene efectos a largo plazo sobre las
siguientes propiedades de un suelo fino:
—Resistencia
—Módulo resiliente
—Resistencia a la fatiga
—Durabilidad
ESTABILIZACIÓN CON CAL
EFECTOS A LARGO PLAZO DEL TRATAMIENTO DE
SUELOS FINOS CON CAL
Resistencia
El efecto más obvio de la cal sobre un suelo fino o sobre la
fracción fina de un agregado es la ganancia de resistencia con
el tiempo. La situación se favorece al aumentar la
temperatura
Las propiedades de una mezcla reactiva de suelo- cal van
variando con el curado, debido al desarrollo de productos
cementantes adicionales
No es justificable el uso de ensayos muy elaborados para
evaluar con exactitud propiedades que varían continuamente
ESTABILIZACIÓN CON CAL
EFECTOS A LARGO PLAZO DEL TRATAMIENTO DE
SUELOS FINOS CON CAL
Resistencia
El ensayo de compresión inconfinada (norma ASTM D5102) es
el más empleado para determinar la resistencia de las mezclas
suelo – cal
La resistencia a compresión (RCI) puede ser empleada para
establecer, de manera aproximada, parámetros tales como las
resistencias a tensión y a flexión o el módulo resiliente
La resistencia a tensión se puede estimar de manera
conservativa como el 10% de RCI y la resistencia a flexión,
como el doble de la resistencia a tensión o 20 % de la RCI
ESTABILIZACIÓN CON CAL
Variación típica de la resistencia de mezclas de suelo – cal
en función del período de curado y del contenido de cal
ESTABILIZACIÓN CON CAL
EFECTOS A LARGO PLAZO DEL TRATAMIENTO DE
SUELOS FINOS CON CAL
Módulo resiliente
A la par con los incrementos de resistencia provocados por
la reacción puzolánica, se producen cambios en la relación
esfuerzo - deformación del material, los cuales se traducen
en aumentos del módulo resiliente
Los suelos estabilizados con cal fallan a mayores
esfuerzos desviadores que los no estabilizados y a menores
niveles de deformación
Existen relaciones directas entre la resistencia de las
mezclas de suelo - cal y los módulos resilientes por flexión
ESTABILIZACIÓN CON CAL
Relaciones esfuerzo de compresión - deformación en mezclas
compactadas de suelo cal ensayadas a diferente edad
ESTABILIZACIÓN CON CAL
Relación entre resistencia a compresión y módulo
resiliente para suelos estabilizados con cal (Liddle, 1995)
ESTABILIZACIÓN CON CAL
EFECTOS A LARGO PLAZO DEL TRATAMIENTO DE
SUELOS FINOS CON CAL
Resistencia a la fatiga
Los efectos de ganancia de resistencia a fatiga por flexión
producidos por la reacción puzolánica suelen ser sustanciales
en los suelos reactivos
La relación de esfuerzos (esfuerzo aplicado/resistencia a
flexión) se correlaciona con el número de aplicaciones de
carga hasta la fatiga, por medios experimentales
ESTABILIZACIÓN CON CAL
Curva típica de fatiga de una mezcla de suelo cal
(Thompson y Figueroa – 1989)
ESTABILIZACIÓN CON CAL
EFECTOS A LARGO PLAZO DEL TRATAMIENTO DE
SUELOS FINOS CON CAL
Durabilidad
La humedad afecta adversamente los niveles de resistencia y
rigidez producidos en el suelo por la adición de cal
El efecto que produce la saturación de la mezcla depende del
nivel de resistencia o reacción puzolánica alcanzada antes de
que aquella se produzca
Si la saturación se produce cuando ya ha ocurrido un nivel
significativo de la reacción puzolánica, la pérdida de resistencia
por humedad no suele exceder de 10 %, pero si ocurre antes, la
pérdida puede llegar hasta 40% o más
ESTABILIZACIÓN CON CAL
DISEÑO DE LA MEZCLA SUELO CAL
Los criterios de diseño varían, dependiendo de los objetivos
de la estabilización y de las condiciones deseadas de servicio
Si sólo se pretende una modificación del suelo, basta con
determinar la cantidad de cal necesaria para producir la
modificación deseada (disminución de plasticidad, reducción
del potencial expansivo, etc.)
Si se pretende que la mezcla sea utilizada en aplicaciones
estructurales en el pavimento, se deben satisfacer unos
requisitos mínimos de resistencia de probetas de mezcla
elaboradas y curadas en condiciones establecidas
ESTABILIZACIÓN CON CAL
DISEÑO DE LA MEZCLA SUELO CAL
Aunque la mayoría de las Agencias han adoptado la resistencia
a compresión inconfinada (RCI) como parámetro para diseño de
las mezclas de suelo – cal, no existe un procedimiento universal
para la elaboración, curado y ensayo de las probetas
ESTABILIZACIÓN CON CAL
DISEÑO DE LA MEZCLA SUELO CAL
El procedimiento general de diseño comprende los
siguientes pasos:
1. Determinar la humedad óptima del suelo en el ensayo
Proctor normal (AASHTO T 99 – INV E-141)
ESTABILIZACIÓN CON CAL
DISEÑO DE LA MEZCLA SUELO CAL
2. Estimar el porcentaje probable de cal para estabilizar
el suelo, mediante el método de Eades y Grim (norma
ASTM D 6276)
ESTABILIZACIÓN CON CAL
DISEÑO DE LA MEZCLA SUELO CAL
3. Elaborar mezclas con diferentes porcentajes de cal
(por encima y por debajo del establecido en el paso
anterior) y compactarlas con la humedad óptima, con
la energía del ensayo AASHTO T 99 (INV E-141)
ESTABILIZACIÓN CON CAL
DISEÑO DE LA MEZCLA SUELO CAL
4. Curar las probetas compactadas bajo las condiciones
que tenga establecida la Agencia
ESTABILIZACIÓN CON CAL
ESTABILIZACIÓN CON CAL
DISEÑO DE LA MEZCLA SUELO CAL
5. Romper las probetas por compresión simple a la velocidad
especificada por la Agencia y elegir como porcentaje
adecuado para la construcción de una subbase o base, el que
asegure la resistencia mínima establecida por la Agencia
CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES ESTABILIZADOS CON CAL, CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS
Propiedades de esfuerzo deformación
Son esenciales para analizar adecuadamente el
comportamiento estructural de una capa de suelo cal en
un pavimento
Módulo elástico en compresión
E (ksi) = 9.98 + 0.124*f’c (psi)
ESTABILIZACIÓN CON CAL
CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES ESTABILIZADOS CON CAL, CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS
Propiedades de esfuerzo deformación
Resistencia a tensión
Es importante en el diseño de pavimento. Se usan 2
procedimientos para evaluar esta resistencia en las
mezclas suelo – cal
—Tracción indirecta
Rti = 0.10*f’c
—Resistencia a flexión (módulo de rotura)
MR = 0.20*f’c
ESTABILIZACIÓN CON CAL
CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES ESTABILIZADOS CON CAL, CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS
Resistencia a fatiga
Las curvas de respuesta de fatiga por flexión de mezclas curadas
de suelo cal son análogas a las obtenidas con otros productos
cementantes
ESTABILIZACIÓN CON CAL
CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES ESTABILIZADOS CON CAL, CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS
Resistencia a fatiga
Se debe tener en cuenta que las mezclas suelo – cal
ganan resistencia de manera continua con la edad
(reacción puzolánica) y como la resistencia última de la
mezcla es función del período de curado, la relación de
esfuerzos para un determinado esfuerzo aplicado va
disminuyendo, lo que se traduce en un incremento de la
resistencia a la fatiga
ESTABILIZACIÓN CON CAL
BASES ESTABILIZADAS CON ADITIVOS
ESTABILIZACIÓN
DE SUELOS CON
CAL Y CENIZA
VOLANTE
BASES ESTABILIZADAS CON
CAL – CENIZA VOLANTE
La cal sola reacciona con suelos cuyo índice plástico sea
cuando menos de 10. Si el suelo no es suficientemente
reactivo, la cal sólo es efectiva si se combina con una fuente
adicional de sílice y alúmina (puzolana), en presencia de
agua
La puzolana más utilizada es la ceniza volante (fly - ash),
que es el residuo finamente dividido que resulta de la
combustión del carbón mineral en las plantas termoeléctricas
BASES ESTABILIZADAS CON
CAL – CENIZA VOLANTE
BASES ESTABILIZADAS CON
CAL – CENIZA VOLANTE
SUELOS ADECUADOS PARA LA ESTABILIZACIÓN CON CAL
Y CENIZA
Las estabilizaciones con cal y ceniza han demostrado ser
eficientes y económicas en el mejoramiento de suelos que no
presenten propiedades puzólanicas (materiales granulares)
Dado que dichos suelos tienen una estructura mineral
importante, las resistencias de las mezclas suelo granular - cal -
ceniza son mucho mayores que las de las mezclas de suelo fino
con cal, lo que permite una aplicación estructural más importante
en la construcción vial (bases en vías de tránsito liviano,
subbases, subrasantes mejoradas, rellenos livianos)
BASES ESTABILIZADAS CON
CAL – CENIZA VOLANTE
GRADACIONES TÍPICAS DE AGREGADOS PARA LA
ESTABILIZACIÓN CON CAL Y CENIZA
BASES ESTABILIZADAS CON
CAL – CENIZA VOLANTE
OTROS REQUISITOS TÍPICOS PARA LOS AGREGADOS
EN ESTABILIZACIONES CON CAL Y CENIZA
BASES ESTABILIZADAS CON
CAL – CENIZA VOLANTE
EFECTOS DEL TRATAMIENTO DE UN AGREGADO
PÉTREO CON CAL Y CENIZA
Efecto de la temperatura y tiempo de curado sobre la
resistencia a compresión
BASES ESTABILIZADAS CON
CAL – CENIZA VOLANTE
EFECTOS DEL TRATAMIENTO DE UN AGREGADO
PÉTREO CON CAL Y CENIZA
Resistencia a compresión y flexión
Mezclas adecuadamente diseñadas pueden presentar
resistencias entre 500 y 1,000 psi luego de 7 días de curado a
38º C y valores superiores a 1,500 luego de un año de servicio
La relación entre las resistencias flexión y compresión sigue
las leyes típicas de las mezclas con estabilizantes hidráulicos.
En general se encuentran entre 0.15 y 0.25, considerándose 0.20
como un promedio aceptable
BASES ESTABILIZADAS CON
CAL – CENIZA VOLANTE
Relación entre las resistencia a compresión y flexión en la
estabilización de un agregado con cal y ceniza
BASES ESTABILIZADAS CON
CAL – CENIZA VOLANTE
Efecto de la cal y la cal + ceniza sobre la resistencia a
compresión inconfinada de un suelo cohesivo
BASES ESTABILIZADAS CON
CAL – CENIZA VOLANTE
EFECTOS DEL TRATAMIENTO DE UN AGREGADO
PÉTREO CON CAL Y CENIZA
Cicatrización autógena
Un beneficio característico de las mezclas suelo – cal –
ceniza es su capacidad de re-cementarse a través de las
grietas, por un mecanismo auto regenerativo
Debido a ello, estas mezclas son menos susceptibles al
deterioro bajo carga repetida y más resistentes a los efectos
ambientales, que las mezclas que no poseen esta propiedad
BASES ESTABILIZADAS CON
CAL – CENIZA VOLANTE
Efecto de la fractura y el remoldeo sobre la resistencia de
mezclas de agregado - cal - ceniza
BASES ESTABILIZADAS CON
CAL – CENIZA VOLANTE
DISEÑO DE MEZCLAS SUELO - CAL - CENIZA
La FHWA recomienda el siguiente procedimiento de
laboratorio para determinar las proporciones de la mezcla:
1. Mezclar los agregados con 5 proporciones diferentes de
ceniza, entre 10 % y 20 % , añadir una cantidad estimada
de humedad óptima y determinar la densidad de las
cinco muestras luego de compactarlas con la energía del
ensayo AASHTO T 180 (INV E-142)
2. Dibujar una curva contenido de ceniza vs densidad e
identificar el valor pico de densidad
BASES ESTABILIZADAS CON
CAL – CENIZA VOLANTE
DISEÑO DE MEZCLAS SUELO - CAL - CENIZA
3. Elegir un contenido de matriz cuando menos 2% por
encima del que dio lugar a la máxima densidad y realizar
un ensayo de compactación AASHTO T180 (INV E-142)
para esa mezcla, determinando la humedad óptima y la
densidad máxima
4. Realizar 5 combinaciones suelo - ceniza - cal que den lugar
al contenido de matriz elegido en el punto anterior. Las
cantidades de cal se deben elegir de manera que la relación
cal : ceniza esté entre 1:3 y 1:4 (se han encontrado mezclas
satisfactorias con relaciones entre 1:2 y 1:7)
BASES ESTABILIZADAS CON
CAL – CENIZA VOLANTE
DISEÑO DE MEZCLAS SUELO - CAL – CENIZA
5. Para cada una de las combinaciones, compactar 6 probetas
con la energía antes citada y la humedad óptima y curarlas
en ambiente húmedo a 38 ºC durante 7 días. Tres de las
probetas se destinarán al ensayo de compresión
inconfinada y 3 al de durabilidad
6. Romper las probetas destinadas al ensayo de compresión y
dibujar una curva que relacione la resistencia con el
porcentaje de cal añadido. Se consideran aceptables para la
construcción de capas de base, valores de resistencia de
cuando menos 2,760 kPa (400 psi)
BASES ESTABILIZADAS CON
CAL – CENIZA VOLANTE
DISEÑO DE MEZCLAS SUELO - CAL - CENIZA
7. En relación con el ensayo de durabilidad, se realizan 12
ciclos de congelamiento y deshielo (ASTM D560),
considerándose apropiado un contenido de cal que genere
pérdidas no mayores de 10 %. Para zonas no expuestas a un
ambiente muy severo, la FHWA recomienda aplicar la
práctica local
8. Se elige la mezcla más económica que cumpla los dos
requisitos y, para compensar pérdidas, se recomienda
incorporar 0.5% adicional de cal en la obra
BASES ESTABILIZADAS CON
CAL – CENIZA VOLANTE
DISEÑO DE MEZCLAS SUELO - CAL - CENIZA
BASES ESTABILIZADAS CON
CAL – CENIZA VOLANTE
CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES ESTABILIZADOS CON CAL Y CENIZA, CON FINES DE
DISEÑO DE PAVIMENTOS
Módulo elástico
El módulo elástico de las mezclas agregado – cal – ceniza
depende de factores tales como la dureza y la gradación del
agregado, el grado de compactación y las características del
curado de la mezcla. Los valores típicos para diseño se
encuentran entre 0.5*106 y 2.5*106 psi (3,400 – 17,200 MPa)
BASES ESTABILIZADAS CON
CAL – CENIZA VOLANTE
Relación de Poisson
Su valor es el orden de 0.08 para niveles de esfuerzo
inferiores al 60 % del esfuerzo último, aumentando hasta 0.3
para la carga de falla
Para la mayoría de los cálculos de diseño y evaluación se
pueden tomar valores de 0.10 a 0.15, sin que se cometan
errores apreciables
CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES ESTABILIZADOS CON CAL Y CENIZA, CON FINES DE
DISEÑO DE PAVIMENTOS
BASES ESTABILIZADAS CON
CAL – CENIZA VOLANTE
Fatiga
Como en todos los materiales de pavimentos, las mezclas
agregado – cal – ceniza fallan bajo carga repetida con niveles de
esfuerzo inferiores al requerido para fallar con una sola
aplicación
Sin embargo, debido a la cicatrización autógena, estas mezclas
resultan menos susceptibles a la fatiga que otros materiales
A menos que la fatiga ocurra durante los primeros días de
carga, la fatiga no suele ser un factor determinante en el
comportamiento de la mezcla
CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES ESTABILIZADOS CON CAL Y CENIZA, CON FINES DE
DISEÑO DE PAVIMENTOS
BASES ESTABILIZADAS CON
CAL – CENIZA VOLANTE
Relación entre los niveles de esfuerzo y el número ciclos hasta la fractura para una mezcla típica de agregado – cal - ceniza
BASES ESTABILIZADAS CON ADITIVOS
ESTABILIZACIÓN DE
SUELOS CON
CEMENTO
DEFINICIONES
Suelo modificado con cemento
Suelo o agregado tratado con una cantidad relativamente baja decemento, para corregirle alguna propiedad indeseable como laplasticidad o la susceptibilidad a cambios volumétricos. Se usancontenidos de cemento significativamente menores que en lasmezclas de suelo cemento
Suelo cemento
Material endurecido obtenido por el curado de una mezclaíntima de suelo pulverizado, cemento Portland y agua. Sucontenido de cemento es suficiente para superar las pruebas dedurabilidad
BASES ESTABILIZADAS CON CEMENTO
DISEÑO DE LAS MEZCLAS
Las estabilizaciones con ligantes hidráulicos(cemento, cal y mezclas de ellos con cenizas volantes)se diseñan con criterios de resistencia a la compresión yde durabilidad
ENSAYOS USADOS EN COLOMBIA PARA EL DISEÑO DE MEZCLAS DE SUELO CEMENTO
BASES ESTABILIZADAS CON CEMENTO
CONTENIDOS PROBABLES DE CEMENTO PARA CAPAS DE BASE ESTABILIZADAS
DISEÑO DE MEZCLAS DE SUELO CEMENTO
ENSAYO DE DENSIDAD PROCTOR NORMAL PARA DETERMINAR LA HUMEDAD ÓPTIMA
DISEÑO DE MEZCLAS DE SUELO CEMENTO
PREPARACIÓN DE PROBETAS CON DIFERENTES PORCENTAJES DE CEMENTO PARA ENSAYOS DE
COMPRESIÓN Y DURABILIDAD
Compactación de probetas
con la humedad óptimaCurado de las probetas
en cámara húmeda
DISEÑO DE MEZCLAS DE SUELO CEMENTO
ENSAYO DE COMPRESIÓN SIMPLE A LOS SIETE DÍAS DE CURADO
Inmersión en agua 5 horas Rotura por compresión
DISEÑO DE MEZCLAS DE SUELO CEMENTO
DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE CEMENTO PARA OBTENER LA RESISTENCIA ESPECIFICADA
DISEÑO DE MEZCLAS DE SUELO CEMENTO
ENSAYO DE HUMEDECIMIENTO Y SECADO
Se realizan doce ciclos de durabilidad, consistente cada uno de ellos en:
1. Inmersión en
agua 5 horas
2. Secado en horno a
72º C por 42 horas
3. Reposo 1 hora y
cepillado general
DISEÑO DE MEZCLAS DE SUELO CEMENTO
ENSAYO DE HUMEDECIMIENTO Y SECADO
Se secan las probetas, se pesan y se calculan las pérdidas de peso
de cada una
DISEÑO DE MEZCLAS DE SUELO CEMENTO
DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE CEMENTO PARA LAS MÁXIMAS PÉRDIDAS DE PESO
ESPECIFICADAS
DISEÑO DE MEZCLAS DE SUELO CEMENTO
CRITERIOS DE DISEÑO DE MEZCLAS PARA BASES ESTABILIZADAS CON LIGANTES HIDRÁULICOS
RESISTENCIA MÍNIMA A 7 DÍAS PARA ESTABILIZACIÓN CON
CEMENTO Y A 28 DÍAS PARA ESTABILIZACIONES CON CAL, CAL-CENIZA Y CEMENTO - CAL - CENIZA
REQUERIMIENTOS DE DURABILIDAD (PÉRDIDAS MÁXIMAS
ADMISIBLES LUEGO DE 12 CICLOS DE HUMEDECIMIENTO Y SECADO)
Capa INVIAS US AIR FORCE
Base 450 psi 750 psi
Subbase - 250 psi
Tipo de suelo INVIAS US AIR FORCE
Granular IP<=10 14% 11%
Granular IP>10 10% 8%
Limos 10% 8%
Arcillas 7% 6%
DISEÑO DE MEZCLAS DE SUELO CEMENTO
EVOLUCION DE LA RESISTENCIA A COMPRESIÓN DE LAS
MEZCLAS DE SUELO CEMENTO CON EL TIEMPO
EVOLUCION DE LA RESISTENCIA A COMPRESIÓN DE LAS MEZCLAS DE SUELO CEMENTO CON EL TIEMPO
DISEÑO DE MEZCLAS DE SUELO CEMENTO
tba
tftf cc
*)28()( ''
t = tiempo en días
a, b = coeficientes experimentales
CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES ESTABILIZADOS CON CEMENTO, CON FINES
DE DISEÑO DE PAVIMENTOS
1. Módulo elástico de las mezclas de suelo cemento
En general, el comportamiento esfuerzo - deformaciónde los suelos estabilizados con cemento es no lineal ydependiente del esfuerzo
Sin embargo, para muchos suelos y niveles deestabilización, y dentro de rangos limitados, se puedeasumir que el material es linealmente elástico bajo cargarepetida
BASES ESTABILIZADAS CON CEMENTO
CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES ESTABILIZADOS CON CEMENTO, CON FINES DE
DISEÑO DE PAVIMENTOS
1. Módulo elástico de las mezclas de suelo cemento
El módulo suele variar entre 35,000 kg/cm2 y 70,000kg/cm2, dependiendo del tipo de suelo, del nivel deltratamiento, del tiempo de curado, del contenido de agua yde las condiciones de ensayo.
Los suelos finos estabilizados presentan valores máspróximos al límite inferior del rango, en tanto que losgranulares estabilizados exhiben los valores más altos
BASES ESTABILIZADAS CON CEMENTO
CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES ESTABILIZADOS CON CEMENTO, CON FINES DE
DISEÑO DE PAVIMENTOS
1. Módulo elástico de las mezclas de suelo cemento
Fórmula de Lim & Zollinger (válida para resistencias acompresión entre 200 y 2,000 libras/pg2)
E(t) = módulo de elasticidad en psi, en el tiempo t
w = densidad de la mezcla compactada en libras/pie3
f’c(t) = resistencia a compresión en psi, en el tiempo t
BASES ESTABILIZADAS CON CEMENTO
75.0'5.1 )(**38.4)( tfwtE c
CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES ESTABILIZADOS CON CEMENTO, CON FINES
DE DISEÑO DE PAVIMENTOS
1. Módulo elástico de las mezclas de suelo cemento
Fórmula de Illinois DOT
E (ksi) = 500 + f’c
f’c = resistencia a compresión (libras/pg2)
BASES ESTABILIZADAS CON CEMENTO
CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES ESTABILIZADOS CON CEMENTO, CON FINES DE
DISEÑO DE PAVIMENTOS
2. Comportamiento a la fatiga
Las curvas de fatiga de las mezclas de suelo cemento sedescriben generalmente mediante ecuaciones de relación deesfuerzos (relación entre el esfuerzo aplicado y la resistenciaúltima a la flexión de la mezcla)
RE = a + b*log N
RE = relación de esfuerzos N = número de ciclos de carga hasta la fatiga a,b = coeficientes experimentales
BASES ESTABILIZADAS CON CEMENTO
CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES ESTABILIZADOS CON CEMENTO, CON FINES DE DISEÑO
DE PAVIMENTOS
2. Comportamiento a la fatiga (cont.)
BASES ESTABILIZADAS CON CEMENTO
CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES ESTABILIZADOS CON CEMENTO, CON FINES DE DISEÑO
DE PAVIMENTOS
2. Comportamiento a la fatiga (cont.)
BASES ESTABILIZADAS CON CEMENTO
BASES ESTABILIZADAS CON ADITIVOS
BASES
ESTABILIZADAS
CON ASFALTO
BASES ESTABILIZADAS CON ASFALTO
Productos asfálticos adecuados para la estabilización
La estabilización de suelos es un proceso que se realiza
a temperatura ambiente, lo que exige el uso de un asfalto
que, bajo tal condición, presente una consistencia
apropiada para la mezcla con el suelo
Esta característica se logra con 2 productos asfálticos:
—Emulsión asfáltica
—Asfalto espumado
BASES ESTABILIZADAS CON ASFALTO
Dispersión homogénea de pequeños glóbulos de cemento
asfáltico cubiertos por un emulsificante, dentro de una fase
continua acuosa
El emulsificante es un producto que disminuye la tensión
entre el asfalto y el agua, permitiendo que el asfalto se
mantenga disperso en el agua en forma de pequeños glóbulos
Las moléculas del emulsificante tienen un extremo de
naturaleza orgánica que es afín con el asfalto y otro cargado
eléctricamente que manifiesta afinidad por el agua. Si esta
carga es negativa, la emulsión es aniónica, mientras que si es
positiva, la emulsión se denomina catiónica
EMULSIÓN ASFÁLTICA
BASES ESTABILIZADAS CON ASFALTO
Las emulsiones catiónicas exhiben un comportamiento
satisfactorio frente a la mayoría de los agregados pétreos,
motivo por el cual son las más utilizadas
El tipo y cantidad del agente emulsificante determinan en
gran medida la velocidad con la cual se produce la rotura de
la emulsión (separación de las dos fases)
Existen emulsiones de rotura rápida (RR), de rotura media
(RM) y de rotura lenta (RL)
Las emulsiones apropiadas para la estabilización de suelos
son las de rotura lenta
EMULSIÓN ASFÁLTICA
BASES ESTABILIZADAS CON ASFALTO
ASFALTO ESPUMADO
El asfalto espumado se forma por la inyección de una
pequeña cantidad de agua fría ( del orden de 2% del peso del
asfalto) y aire comprimido a una masa de cemento asfáltico
caliente
Al entrar el agua en contacto con el asfalto caliente se
convierte en vapor, el cual queda atrapado dentro de diminutas
burbujas de asfalto, formándose una espuma de gran volumen
Después de algunos segundos, la espuma se enfría y el vapor
en las burbujas se condensa causando el colapso y la
desintegración de la espuma. Entonces, el cemento asfáltico
recupera tanto su volumen inicial como sus propiedades
reológicas originales
CARACTERIZACIÓN DEL ASFALTO ESPUMADO
El asfalto espumado se caracteriza mediante 2 parámetros
empíricos:
—Relación de expansión: Relación entre el volumen
máximo del asfalto en su estado espumado y el
volumen del asfalto una vez que la espuma ha
colapsado completamente
—Vida media: Es el tiempo requerido (en segundos)
para que la espuma baje hasta la mitad del volumen
máximo alcanzado
BASES ESTABILIZADAS CON ASFALTO
CARACTERIZACIÓN DEL ASFALTO ESPUMADO
Una Relación de Expansión alta permite esperar una menor
viscosidad del cemento asfáltico y, por lo tanto, una mejor
dispersión en el suelo o material pétreo con el cual se mezcla
Una Vida Media prolongada, implica un mayor tiempo
disponible para la realización de la mezcla con el suelo o
agregado, mientras el cemento asfáltico aun permanece en
forma de espuma.
Se considera que el mejor espumado es aquel que optimiza
tanto la Relación de Expansión como la Vida Media
BASES ESTABILIZADAS CON ASFALTO
BASES ESTABILIZADAS CON ASFALTO
Optimización de la Relación de Expansión y de la Vida
Media de un asfalto espumado
CARACTERIZACIÓN DEL ASFALTO ESPUMADO
La Relación de Expansión y la Vida Media se encuentran
muy influenciadas tanto por la cantidad de agua inyectada,
como por la temperatura del asfalto durante el proceso de
espumado
A mayores temperaturas de espumado y mayor cantidad
de agua se incrementa la Relación de Expansión pero se
reduce la Vida Media
Las Especificaciones del INVÍAS exigen:
—Relación de Expansión ≥ 10
—Vida Media ≥ 10 segundos
BASES ESTABILIZADAS CON ASFALTO
BASES ESTABILIZADAS CON ASFALTO
Influencia de la temperatura y del contenido de agua
sobre la Relación de Expansión y sobre la Vida Media
de un asfalto espumado
BASES ESTABILIZADAS CON ASFALTO
MECANISMOS DE LA ESTABILIZACIÓN CON ASFALTO
Suelos de grano fino
El mecanismo básico envuelto en la estabilización de
estos suelos con asfalto es el de impermeabilización
Como el suelo posee cohesión, la función del asfalto
es formar una membrana que impide la penetración del
agua, previniendo cambios de volumen del suelo y
reducciones en su resistencia y su módulo de
elasticidad
BASES ESTABILIZADAS CON ASFALTO
MECANISMOS DE LA ESTABILIZACIÓN CON ASFALTO
Materiales granulares
En la estabilización de materiales granulares donde ya existe
aporte friccional, el asfalto involucra dos mecanismos:
—Impermeabilización: Crea una membrana que previene
o dificulta la entrada del agua, reduciendo la tendencia del
material a perder resistencia y módulo en presencia de
agua
—Adhesión: Brinda al agregado la cohesión de la cual
carece, aumentando la resistencia al corte y a la flexión,
así como el módulo elástico
BASES ESTABILIZADAS CON ASFALTO
FACTORES QUE AFECTAN EL RESULTADO DE UNA
ESTABILIZACIÓN CON ASFALTO
Algunos de estos factores coinciden con aquellos que afectan
otros tipos de estabilizaciones: (1) tipo de estabilizante, (2) tipo y
gradación del suelo, (3) densidad de la mezcla compactada y (4)
curado y/o condiciones de envejecimiento de la mezcla
Otros factores, por el contrario, son típicos de este tipo de
estabilizaciones, debido al carácter termo-viscoelástico del asfalto:
—Temperatura de ejecución de los ensayos
—Velocidad de aplicación de las cargas en los ensayos
BASES ESTABILIZADAS CON ASFALTO
BASES ESTABILIZADAS
CON EMULSIÓN
ASFÁLTICA
SUELOS ADECUADOS PARA ESTABILIZAR
CON EMULSIÓN ASFÁLTICA
Suelos de grano fino
La posibilidad de estabilizar suelos de grano fino con asfalto
depende de su plasticidad y de la cantidad de material que
pasa el tamiz # 200
Un exceso de partículas finas se traduce en una superficie
específica muy grande, que exigiría una proporción
considerable de asfalto para cubrir la superficie de todas las
partículas
BASES ESTABILIZADAS
CON EMULSIÓN ASFÁLTICA
Suelos de grano fino
SUELOS ADECUADOS PARA ESTABILIZAR
CON EMULSIÓN ASFÁLTICA
BASES ESTABILIZADAS
CON EMULSIÓN ASFÁLTICA
Materiales granulares
SUELOS ADECUADOS PARA ESTABILIZAR
CON EMULSIÓN ASFÁLTICA
BASES ESTABILIZADAS
CON EMULSIÓN ASFÁLTICA
REQUISITOS DE LAS EMULSIONES ASFÁLTICAS PARA
ESTABILIZACIÓN DE SUELOS
BASES ESTABILIZADAS
CON EMULSIÓN ASFÁLTICA
BASES ESTABILIZADAS
CON EMULSIÓN ASFÁLTICA
DISEÑO DE LAS MEZCLAS
Los métodos de diseño de mezclas con emulsionesasfálticas utilizan la durabilidad como criterio decomportamiento de la mezcla después de compactada ycurada
La mayoría de los métodos incluyen la determinación dela pérdida de capacidad resistente de la mezcla después deun período de inmersión en agua, comparando la resistencialuego de inmersión con la resistencia inicial
Existen muchos métodos para el diseño de mezclas conemulsiones asfálticas
BASES ESTABILIZADAS
CON EMULSIÓN ASFÁLTICA
DISEÑO DE LAS MEZCLAS
BASES ESTABILIZADAS
CON EMULSIÓN ASFÁLTICA
Esquema del ensayo de extrusión sobre probetas de suelo – emulsión (norma INV E-812)
BASES ESTABILIZADAS
CON EMULSIÓN ASFÁLTICA
DISEÑO DE LA MEZCLA POR EL MÉTODO DE INMERSIÓN – COMPRESIÓN
1. Determinación de la humedad óptima de compactación
BASES ESTABILIZADAS
CON EMULSIÓN ASFÁLTICA
DISEÑO DE LA MEZCLA POR EL MÉTODO DE INMERSIÓN - COMPRESIÓN
2. Determinación del contenido óptimo teórico de ligante
— Fórmula Duriez
mmdemenorespartículasf
mmymmentrepartículass
mmymmentrepartículasS
mmymmentrepartículasg
mmdemayorespartículasG
fsSgG
específicaSuperficie
riquezademóduloK
residualasfaltodeL
08.0%
315.008.0%
5315.0%
105%
10%
100/)1351230.233.017.0(
)5.35.2(
%%
5 KL
BASES ESTABILIZADAS
CON EMULSIÓN ASFÁLTICA
DISEÑO DE LA MEZCLA POR EL MÉTODO DE INMERSIÓN – COMPRESIÓN
3. Elaboración de mezclas
Se elaboran mezclas con diferentes cantidades deemulsión, correspondientes a porcentajes de ligante porencima y debajo del óptimo teórico, manteniendo elcontenido óptimo de fluidos de compactación
4. Compactación de probetas
Se compactan probetas de 10 cm por 10 cm de alturamediante compresión creciente hasta alcanzar 210kg/cm2, manteniendo esta presión durante 2 minutos(compactar seis probetas para cada contenido deligante)
BASES ESTABILIZADAS
CON EMULSIÓN ASFÁLTICA
DISEÑO DE LA MEZCLA POR EL MÉTODO DE INMERSIÓN – COMPRESIÓN
5. Curado de las probetas
Desmoldado de las probetas y curado al aire durante7 días a 25º C
Separar cada juego de 6 probetas en 2 grupos para elresto del curado:
— Uno de los grupos se mantiene otros 7 días alaire a 25º C
— El otro grupo se sumerge en agua a 25º C por 7días
BASES ESTABILIZADAS
CON EMULSIÓN ASFÁLTICA
DISEÑO DE LA MEZCLA POR EL MÉTODO DE INMERSIÓN – COMPRESIÓN
6. Ensayo de compresión
Al término del período de curado, se determina ladensidad de las probetas y se rompen por compresiónsimple, promediando las resistencias para cadaporcentaje de ligante (por aparte las curadas en seco ylas curadas en húmedo)
7. Determinación del contenido óptimo de emulsión
Se dibujan gráficas de resistencia seca, resistenciahúmeda y resistencia conservada y elegir el porcentajeóptimo de emulsión, de acuerdo con el criterio dediseño
BASES ESTABILIZADAS
CON EMULSIÓN ASFÁLTICA
Representación gráfica de los resultados de un ensayo de
inmersión - compresión
CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES ESTABILIZADOS CON EMUSIÓN ASFÁLTICA, CON FINES DE DISEÑO DE
PAVIMENTOS
Módulo dinámico
Se trata de materiales muy variables y difíciles de modelar, debido aque su rigidez varía con el período de curado, la temperatura y eltiempo de aplicación de la carga
Fórmula de Finn para determinar el módulo dinámico de mezclastratadas con emulsión asfáltica, a 25° C
13.1)(015.0)(46.240.0)10ln( 3 PSFMR m
m = densidad de la mezcla, lb/pie3
SF = proporción de arena, en peso (retenido entre tamices # 4 y # 200)
P = penetración del asfalto base, 0.1 mm
BASES ESTABILIZADAS
CON EMULSIÓN ASFÁLTICA
CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES ESTABILIZADOS CON EMUSIÓN ASFÁLTICA, CON FINES DE DISEÑO DE
PAVIMENTOS
Módulo dinámico
CHEVRON desarrolló 3 tipos de mezclas con emulsión asfáltica:
—Tipo I: elaborada en planta con agregados procesados y conpropiedades similares a las de un concreto asfáltico
— Tipo II: elaborada con agregados clasificados
—Tipo III: elaborada con arenas o limos arenosos
Se determinaron los valores de sus módulos en el rango de 23º C a38º C (73 a 100º F), luego de curado total y se compararon con los demezclas de base de concreto asfáltico elaboradas con cementosasfálticos AC – 40 y AC – 5, encontrándose alta coincidencia
BASES ESTABILIZADAS
CON EMULSIÓN ASFÁLTICA
Variación del stiffness con la temperatura, para 3 tipos de
mezclas con asfalto emulsificado en condición curada
BASES ESTABILIZADAS
CON EMULSIÓN ASFÁLTICA
En las mezclas con emulsión asfáltica es muy importante teneren cuenta los efectos del curado en el módulo dinámico
Et = Ef - (Ef - Ei)*RFt
Et = módulo a la temperatura T y tiempo de curado t
Ef = módulo a la temperatura T para la mezcla totalmente curada
Ei = módulo a la temperatura T para la mezcla en estado nocurado (inicial)
BASES ESTABILIZADAS
CON EMULSIÓN ASFÁLTICA
CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES ESTABILIZADOS CON EMUSIÓN ASFÁLTICA, CON FINES DE DISEÑO DE
PAVIMENTOS
Módulo dinámico
RFt = factor de reducción que tiene en cuenta la cantidad decurado alcanzada en el tiempo t
BASES ESTABILIZADAS
CON EMULSIÓN ASFÁLTICA
CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES ESTABILIZADOS CON EMUSIÓN ASFÁLTICA, CON FINES DE DISEÑO DE
PAVIMENTOS
Módulo dinámico
Módulo dinámico
Para superar las reducidas velocidades de curado de lasestabilizaciones con emulsión, se acostumbra añadir bajasproporciones de cemento (1% - 3%) que incrementan elmódulo de la mezcla hasta en 200%, según la emulsiónutilizada
El módulo dinámico de las capas estabilizadas conemulsión asfáltica tiende a reducirse con el tiempo, acausa de la fatiga por la aplicación de las cargas deltránsito
BASES ESTABILIZADAS
CON EMULSIÓN ASFÁLTICA
CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES ESTABILIZADOS CON EMUSIÓN ASFÁLTICA, CON FINES DE DISEÑO DE
PAVIMENTOS
BASES ESTABILIZADAS
CON EMULSIÓN ASFÁLTICA
VALORES TÍPICOS DE MÓDULOS DINÁMICOS PARA CAPAS ESTABILIZADAS CON EMULSIÓN ASFÁLTICA
El comportamiento a fatiga de las estabilizaciones con emulsiónasfáltica es similar al de las mezclas bituminosas en caliente
Nf = Ket-c
Nf = número de aplicaciones de carga hasta la falla para unadeformación inicial de tensión, et
K, c = nonstantes de regresión obtenidas del análisis de los datosde la prueba de fatiga
BASES ESTABILIZADAS
CON EMULSIÓN ASFÁLTICA
CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES ESTABILIZADOS CON EMUSIÓN ASFÁLTICA, CON FINES DE DISEÑO DE
PAVIMENTOS
Comportamiento a la fatiga
El stiffness de la mezcla tiene una considerable incidencia enel resultado de la prueba de fatiga
Para una determinada mezcla e iguales condiciones detemperatura y frecuencia de aplicación de carga, la curva defatiga varía según el criterio que se elija para considerar la falla(reducción de módulo, cantidad de agrietamiento)
Los resultados de fatiga en el laboratorio conducen a unaestimación muy conservativa de una mezcla bituminosa, por locual se deben aplicar factores de desplazamiento
BASES ESTABILIZADAS
CON EMULSIÓN ASFÁLTICA
CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES ESTABILIZADOS CON EMUSIÓN ASFÁLTICA, CON FINES DE DISEÑO DE
PAVIMENTOS
Comportamiento a la fatiga
Criterio de fatiga para mezclas elaboradas con emulsiones asfálticas (CHEVRON)
BASES ESTABILIZADAS
CON EMULSIÓN ASFÁLTICA
BASES ESTABILIZADAS CON ASFALTO
BASES
ESTABILIZADAS CON
ASFALTO ESPUMADO
BASES ESTABILIZADAS
CON ASFALTO ESPUMADO
SUELOS ADECUADOS PARA ESTABILIZAR CON ASFALTO
ESPUMADO
Granulometría
Ackeroyd & Hicks establecieron 3 zonas en la gráfica de
granulometría, fijando la conveniencia de los suelos para ser
estabilizados con asfalto espumado:
—Zona A: el material es adecuado para estabilización en vías
de tránsito pesado
—Zona B: el material es apropiado para estabilización en
vías de tránsito liviano, pero su comportamiento puede ser
mejorado con la adición de fracciones gruesas
—Zona C: el material es deficiente en finos y no responde
bien al tratamiento, por lo que no es adecuado para estabilizar
Envolventes de gradación sugeridas para mezclas con asfalto
espumado (Ackeroyd & Hicks)
BASES ESTABILIZADAS
CON ASFALTO ESPUMADO
SUELOS ADECUADOS PARA ESTABILIZAR CON ASFALTO
ESPUMADO
Plasticidad
Las mezclas con asfalto espumado admiten una cantidad
limitada de finos plásticos, aconsejándose que su IP no sea
mayor de 6
Si se excede este valor, resulta recomendable un tratamiento
previo con cal o cemento
BASES ESTABILIZADAS
CON ASFALTO ESPUMADO
DISEÑO DE LA MEZCLA
BASES ESTABILIZADAS
CON ASFALTO ESPUMADO
DISEÑO DE LA MEZCLA
1. Optimización de las propiedades del asfalto espumado
Consiste en determinar, en una planta portátil de
laboratorio, el porcentaje de agua que optimiza
las propiedades de espumado del asfalto, de
manera de asegurar los valores de ―Expansión‖ y
―Vida Media‖ exigidos por las especificaciones
BASES ESTABILIZADAS
CON ASFALTO ESPUMADO
BASES ESTABILIZADAS
CON ASFALTO ESPUMADO
Planta de laboratorio WLB 10 para espumar asfalto
BASES ESTABILIZADAS
CON ASFALTO ESPUMADO
Determinación del contenido de agua para optimizar el espumado
DISEÑO DE LA MEZCLA
2. Determinación del contenido óptimo de humedad
Se requiere agua para espumar el asfalto, para ablandar
el material, romper los grumos que puedan existir y
para permitir una mejor dispersión del asfalto durante
las operaciones de mezclado y de compactación en el
laboratorio y en el campo
Insuficiente agua reduce la trabajabilidad de la mezcla
dando como resultado una mala dispersión del ligante,
en tanto que su exceso alarga el tiempo de curado,
reduce el cubrimiento de los agregados así como la
densidad y resistencia de la mezcla compactada
BASES ESTABILIZADAS
CON ASFALTO ESPUMADO
DISEÑO DE LA MEZCLA
2. Determinación del contenido óptimo de humedad (cont.)
De acuerdo con investigaciones de Mobil Oil, el
contenido óptimo de humedad para la mezcla y
compactación tiene lugar en un rango entre el 70 % y el
80% de la humedad óptima del Proctor Modificado de
los agregados
BASES ESTABILIZADAS
CON ASFALTO ESPUMADO
3. Elaboración de mezclas de ensayo
Se elaboran mezclas con 5 porcentajes diferentes de
asfalto y la cantidad óptima de fluidos de compactación
Los porcentajes de asfalto se escogen en función de
tipo de suelo que se va a estabilizar
Si el material contiene partículas arcillosas, se le debe
adicionar cal o cemento (las normas INVÍAS lo exigen
cuando el producto IP*pasa tamiz # 200 > 72)
BASES ESTABILIZADAS
CON ASFALTO ESPUMADO
DISEÑO DE LA MEZCLA
Rangos típicos de contenido de asfalto en mezclas con asfalto espumado
(adaptado de Bowering & Martin – 1976)
BASES ESTABILIZADAS
CON ASFALTO ESPUMADO
Elaboración de una mezcla de ensayo
BASES ESTABILIZADAS
CON ASFALTO ESPUMADO
DISEÑO DE LA MEZCLA
4. Compactación de probetas de ensayo
Con cada una de las mezclas se elaboran seis probetas
Marshall, compactándolas con 75 golpes por cara
BASES ESTABILIZADAS
CON ASFALTO ESPUMADO
DISEÑO DE LA MEZCLA
5. Curado de las probetas
Debido a la presencia de agua que es necesario
eliminar, las mezclas con asfalto espumado desarrollan
su resistencia total con el tiempo, pero requieren
períodos de curado menores que en el caso de las
estabilizaciones con emulsión asfáltica
Las condiciones de curado de las probetas compactadas
afectan severamente la resistencia final de las mezclas
con asfalto espumado, por lo que conviene simular en
el laboratorio un procedimiento reproducible en la obra
BASES ESTABILIZADAS
CON ASFALTO ESPUMADO
DISEÑO DE LA MEZCLA
5. Curado de las probetas
BASES ESTABILIZADAS
CON ASFALTO ESPUMADO
Probetas curadas
El asfalto se adhiere a la fracción fina creando un mortero
que liga las partículas de mayor tamaño, pero no las cubre
Sección transversal de
una probeta curada
BASES ESTABILIZADAS
CON ASFALTO ESPUMADO
Diversos procedimientos propuestos para el curado de
mezclas compactadas con asfalto espumado
BASES ESTABILIZADAS
CON ASFALTO ESPUMADO
DISEÑO DE LA MEZCLA
6. Medida de dimensiones y pesos de las probetas
Se miden las dimensiones de todas las probetas y se
determina su peso específico, descartando aquellas
cuyo valor difiera en más de 30 kg/cm2 del valor
medio del grupo al cual pertenecen
BASES ESTABILIZADAS
CON ASFALTO ESPUMADO
DISEÑO DE LA MEZCLA
7. Ensayo de tracción indirecta
Las probetas elaboradas con un determinado contenido de
asfalto se separan en dos grupos:
— Las probetas de un grupo se fallan por tracción
indirecta con una velocidad de deformación de 50.8
mm/minuto
— Las probetas del otro grupo se colocan en un
desecador de vacío donde se cubren con agua a 25º C
y se aplica vacío de 50 mm de mercurio por una hora,
fallándose posteriormente como las del primer grupo
BASES ESTABILIZADAS
CON ASFALTO ESPUMADO
Ensayo de tracción indirecta
DL
PRTI
2
BASES ESTABILIZADAS
CON ASFALTO ESPUMADO
DISEÑO DE LA MEZCLA
Se elaboran gráficas que muestren la evolución de las resistencias
de los 2 grupos de probetas con el contenido de asfalto y se escoge
como óptimo un porcentaje de ligante que satisfaga los criterios de
diseño de la mezcla
Ejemplo
(Criterios de diseño del Artículo 461 Especificaciones INVÍAS)
Resistencia de probetas curadas en seco ≥ 2.5 kg/cm2 (250 kPa)
Resistencia tras curado húmedo ≥ 50 %
El porcentaje óptimo de asfalto es aquel que cumpliendo las 2
exigencias, dé lugar a la mayor resistencia tras curado húmedo
BASES ESTABILIZADAS
CON ASFALTO ESPUMADO
Representación gráfica de los resultados de un ensayo de
tracción indirecta
BASES ESTABILIZADAS
CON ASFALTO ESPUMADO
SUSCEPTIBILIDAD DE LAS MEZCLAS CON ASFALTO
ESPUMADO A LA ACCIÓN DEL AGUA
Debido a los bajos contenidos de ligante y los altos
volúmenes de vacíos que contienen, estas mezclas resultan muy
susceptibles a la acción del agua
La susceptibilidad al agua es inversamente proporcional al
grado de curado que ha alcanzado la mezcla en el momento de
la exposición
Consecuentemente, es necesario proteger las mezclas de la
acción del agua durante su período inicial de vida o simular en
el laboratorio unas condiciones de exposición consecuentes con
las de la obra
BASES ESTABILIZADAS
CON ASFALTO ESPUMADO
Influencia del grado de saturación de las probetas sobre la
resistencia a tracción indirecta (Campagnoli & Ríos, 2000)
BASES ESTABILIZADAS
CON ASFALTO ESPUMADO
Sigue leyes de comportamiento similares a las que
presentan las estabilizaciones con emulsión asfáltica, es
decir, depende del período de curado, de la rata de carga,
del nivel de esfuerzo y de la temperatura
El módulo final se obtiene en un plazo menor que en el
caso de estabilizaciones con emulsión, debido al menor
contenido de agua de la mezcla
CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES ESTABILIZADOS CON ASFALTO ESPUMADO, CON FINES DE DISEÑO DE
PAVIMENTOS
Módulo dinámico
BASES ESTABILIZADAS
CON ASFALTO ESPUMADO
CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES ESTABILIZADOS CON ASFALTO ESPUMADO, CON FINES DE DISEÑO DE
PAVIMENTOS
Módulo dinámico
La tendencia de evolución del módulo con el contenido deasfalto es similar a la que presenta la resistencia de la mezcla
Valores de resistencia a la tracción indirecta y de módulo dinámico para
mezclas del área de Bogotá (Santamaría, 2000)
BASES ESTABILIZADAS
CON ASFALTO ESPUMADO
BASES ESTABILIZADAS
CON ASFALTO ESPUMADO
REDUCCIÓN DEL MÓDULO DINÁMICO A CAUSA
DE LA APLICACIÓN DE CARGAS (Long, 2001)
CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES ESTABILIZADOS CON ASFALTO ESPUMADO, CON FINES DE DISEÑO DE
PAVIMENTOS
Módulo dinámico
Vida efectiva de fatiga
Se conoce como tal, el número necesario de repeticiones para
reducir el módulo de la mezcla hasta 400 MPa
Al alcanzar dicho valor, se considera que la estabilización se
empieza a comportar como un material granular
BASES ESTABILIZADAS
CON ASFALTO ESPUMADO
Deformación permanente
La mayor parte de la deformación se produce con las
aplicaciones iniciales de carga
BASES ESTABILIZADAS
CON ASFALTO ESPUMADO
BASES ESTABILIZADAS
CON ASFALTO ESPUMADO
Deformación permanente
REPETICIONES DE CARGA ADMISIBLES EN FUNCIÓN DE
LA MAGNITUD DE LA CARGA APLICADA Y DEL NIVEL DE
DEFORMACIÓN (Long, 2001)
BASES ESTABILIZADAS
CON ASFALTO ESPUMADO
RESUTADOS DE UN ESTUDIO COMPARATIVO ENTRE LAS TÉCNICAS
DE ESTABILIZACIÓN CON EMUSIÓN Y CON ASFALTO ESPUMADO
BASES ESTABILIZADAS
CON ASFALTO ESPUMADO
RESUTADOS DE UN ESTUDIO COMPARATIVO ENTRE LAS TÉCNICAS
DE ESTABILIZACIÓN CON EMUSIÓN Y CON ASFALTO ESPUMADO
BASES ESTABILIZADAS
CON ASFALTO ESPUMADO
Análisis de los resultados de la estabilización del
material arcilloso
Material solo
—En condición seca, el empleo de emulsión da lugar a
resistencias aceptables, en tanto que al emplear
asfalto espumado se requiere la incorporación de
activantes
—Todas las mezclas pìerden resistencia después de
inmersión en agua
RESUTADOS DE UN ESTUDIO COMPARATIVO ENTRE LAS TÉCNICAS
DE ESTABILIZACIÓN CON EMUSIÓN Y CON ASFALTO ESPUMADO
BASES ESTABILIZADAS
CON ASFALTO ESPUMADO
Análisis de los resultados de la estabilización del
material arcilloso
Material + 2 % de cal
—Todas las mezclas dan resultados satisfactorios, siendo
mayores las resistencias en el caso de la emulsión
Material + 2 % de cemento
—Las resistencia en seco son satisfactorias (aunque
menores que en el caso de la cal), pero las
resistencias conservadas son bajas
RESUTADOS DE UN ESTUDIO COMPARATIVO ENTRE LAS TÉCNICAS
DE ESTABILIZACIÓN CON EMUSIÓN Y CON ASFALTO ESPUMADO
BASES ESTABILIZADAS
CON ASFALTO ESPUMADO
RESUTADOS DE UN ESTUDIO COMPARATIVO ENTRE LAS TÉCNICAS
DE ESTABILIZACIÓN CON EMUSIÓN Y CON ASFALTO ESPUMADO
BASES ESTABILIZADAS
CON ASFALTO ESPUMADO
RESUTADOS DE UN ESTUDIO COMPARATIVO ENTRE LAS TÉCNICAS
DE ESTABILIZACIÓN CON EMUSIÓN Y CON ASFALTO ESPUMADO
Análisis de los resultados de la estabilización del material
sílico calcáreo
—La emulsión da lugar a una mezcla con resistencia
adecuada, tanto en condición seca como en condición húmeda
—La mezcla con asfalto espumado sin activante no presenta
ninguna resistencia, debido a problemas de adherencia entre el
asfalto y el agregado
—La incorporación de activantes mejora el comportamiento
de las mezclas con asfalto espumado
BASES ESTABILIZADAS
CON ASFALTO ESPUMADO
COMPARACIÓN ENTRE LAS TÉCNICAS DE ESTABILIZACIÓN
CON EMUSIÓN Y CON ASFALTO ESPUMADO
BASES Y SUBBASES
COMBINACIÓN DE
ESTABILIZANTES
COMBINACIÓN DE ESTABILIZANTES
El propósito general de la combinación de
estabilizantes es realizar un tratamiento previo del
suelo para modificar algunas de sus características,
antes de aplicar el estabilizante dominante
La ventaja del procedimiento es que uno de los
estabilizantes compensa la falta de efectividad del otro
en el tratamiento de una característica particular del
suelo
Normalmente, la dosificación del producto que se
aplica primero es menor que la del segundo
Generalidades
COMBINACIÓN DE ESTABILIZANTES
Las combinaciones de estabilizantes más empleadas
son:
—Cal – Cemento
—Cal – Asfalto emulsionado o espumado
—Cemento – Asfalto emulsionado o espumado
TIPOS DE COMBINACIONES DE ESTABILIZANTES
COMBINACIÓN DE ESTABILIZANTES
SELECCIÓN DE COMBINACIÓN DE ESTABILIZANTES
(adaptado de FHWA-IP-80-2)
El cemento no se puede mezclar exitosamente con finos muy
plásticos
Al realizar un tratamiento mixto de cal y cemento, cada
conglomerante cumple una misión:
—La cal, que se agrega primero, flocula los finos con una
reacción rápida de intercambio iónico, disminuyendo la
plasticidad del suelo y mejorando la trabajabilidad y el
mezclado. Así mismo, reduce la humedad
— El cemento produce un rápido incremento de resistencia
mecánica en el suelo
COMBINACIÓN DE ESTABILIZANTES
COMBINACIÓN CAL - CEMENTO
Se suele aplicar primero entre 1 % y 3 % de cal y
luego la cantidad requerida de cemento, según el tipo de
suelo
El diseño de la mezcla se realiza por métodos
aplicables al estabilizante dominante, en este caso los de
compresión inconfinada y humedecimiento y secado
COMBINACIÓN DE ESTABILIZANTES
COMBINACIÓN CAL - CEMENTO
COMBINACIÓN DE ESTABILIZANTES
Efecto de la combinación de cal y cemento sobre una arcilla
de Irbid (Jordania)
EFECTO DE LA CAL SOBRE LA RESISTENCIA EFECTO DE LA CAL COMO PRE-TRATAMIENTO
El curado es un factor clave en el desarrollo de la
resistencia de las estabilizaciones con productos asfálticos y
su velocidad se ve favorecida con el uso previo de cal o
cemento
El tratamiento previo del suelo con cal o cemento hace que
la estabilización con el producto asfáltico sea más resistente
a la humedad y presente módulos mayores que estabilizando
solamente con el producto asfáltico
Al emplear cemento, se recomienda que su proporción
respecto del asfalto residual no sea mayor de 1:5 para evitar
la fragilidad de la mezcla
COMBINACIÓN DE ESTABILIZANTES
COMBINACIÓN CAL O CEMENTO CON ASFALTO
EMULSIONADO O ESPUMADO
COMBINACIÓN DE ESTABILIZANTES
COMBINACIÓN DE ESTABILIZANTES
RESULTADOS DE ENSAYOS DE INMERSIÓN COMPRESIÓN AL ESTABILIZAR
UN MATERIAL ARCILLOSO CON CAL O CEMENTO + ASFALTO ESPUMADO
(PASA TAMIZ # 200 = 15.2 %, IP = 14.5 %)
BASES Y SUBBASES
OTROS TIPOS DE BASES
BASES Y SUBBASES
Además de las bases de tipo convencional, se han
desarrollado otras con el propósito de solucionar
problemas específicos de los pavimentos:
Bases permeables y bases de concreto pobre, con las
cuales se combate el problema de la erosión del soporte
de los pavimentos rígidos
Bases elaboradas con mezclas asfálticas de alto
módulo, desarrolladas para ayudar a combatir el
ahuellamiento en los pavimentos asfálticos (VER
MÓDULO 9)
BASES Y SUBBASES
BASE PERMEABLE
BASE PERMEABLE
Capa que se coloca generalmente bajo las losas de un
pavimento rígido, constituida por un material filtrante de
manera que, con ayuda de una pendiente transversal
adecuada y unas correctas instalaciones de salida, drena
el agua que se infiltra desde la superficie del pavimento
Esta capa puede ser granular o tratada con ligantes
hidrocarbonados o con cemento. La finalidad primaria de
la estabilización (con cemento asfáltico o cemento
Pórtland) es brindar estabilidad a la capa durante la etapa
constructiva
BASE PERMEABLE
El remate de la base permeable puede ocurrir:
Contra un subdrén longitudinal
Contra el talud lateral hacia el exterior (no es recomendable,
porque se pueden producir contaminaciones en el talud
durante las operaciones de construcción y mantenimiento)
BASE PERMEABLE
BASE PERMEABLE GRANULAR
Su estabilidad se logra a través de la trabazón de
agregados
Se exige que el material tenga 100% de partículas
trituradas mecánicamente
El desgaste Los Ángeles no puede exceder de 45 %
Las pérdidas en el ensayo de solidez no pueden
exceder de 12 % (sulfato de sodio) o de 18 % (sulfato
de magnesio)
BASE PERMEABLE
BASE PERMEABLE GRANULAR
GRANULOMETRÍAS USUALES
Nota -Se recomienda que Cu > 4 para garantizar la estabilidad de la base
BASE PERMEABLE
BASE PERMEABLE ESTABILIZADA CON CEMENTO
ASFÁLTICO
Se recomienda el uso de un asfalto de grado AC-40 en
proporción de 2 a 2 ½ % en peso
GRANULOMETRÍAS USUALES
BASE PERMEABLE
BASE PERMEABLE ESTABILIZADA CON CEMENTO
PORTLAND
La cantidad de cemento varía entre 120 y 150 kg/m3
La cantidad de agua debe ajustarse para controlar la
segregación
GRANULOMETRÍAS USUALES
X = % indicado por el constructor
BASES Y SUBBASES
BASE DE
CONCRETO POBRE
BASE DE CONCRETO POBRE
DEFINICIÓN
Una base de concreto pobre se compone de
agregados y cemento uniformemente combinados y
mezclados con agua. Los agregados son de calidad
marginal (característicos de subbase) y la cantidad de
cemento en la mezcla es reducida
El concreto pobre se utiliza como subbase de
pavimentos rígidos
El material es más rígido y más resistente a la
erosión que una subbase estabilizada con cemento
BASE DE CONCRETO POBRE
Agregado pétreo
El agregado puede provenir de trituración de roca,
piedra o grava o ser de tipo natural
Sus partículas deben ser duras y libres de polvo,
materia orgánica y otras sustancias objetables
La fracción gruesa debe carecer de excesos de
partículas aplanadas (relación ancho/espesor > 5) y de
partículas alargadas (relación longitud/ancho > 5)
El equivalente de arena debe ser superior a 20
MATERIALES
BASE DE CONCRETO POBRE
MATERIALES
Agregado pétreo
BASE DE CONCRETO POBRE
MATERIALES
Cemento
Debe ser el tipo I (norma ASTM C 150)
Agua
Debe ser limpia y estar libre de aceite, sal, ácidos, álcalis,
materia orgánica, azúcar y cualquier otro elemento que pueda
ser perjudicial para la mezcla. Agua que sea calificada como
potable se puede emplear sin necesidad de realizar ensayos de
comprobación
Aditivos
Pueden ser de tipo puzolánico (ASTM C 618), inclusores de
aire (ASTM C 620) y reducidores de agua (ASTM C 494, Tipo
A -reducidor- ó Tipo D -reducidor y retardante-)
BASE DE CONCRETO POBRE
DISEÑO DE LA MEZCLA
El concreto pobre se diseña como una mezcla de concreto
convencional, pero con las siguientes limitaciones de resistencia:
—Resistencia mínima a compresión a 7 días : 500 psi
—Resistencia mínima a compresión a 28 días : 750 psi
—Resistencia máxima a compresión a 28 días: 1,200 psi
La limitación de resistencia máxima tiene por objeto reducir la
posibilidad de fisuración refleja en la superficie del pavimento
Se puede obviar la limitación de resistencia máxima, si en la
capa de concreto pobre se construyen juntas con el mismo patrón
de las juntas del pavimento
BASE DE CONCRETO POBRE
DISEÑO DE LA MEZCLA
El asentamiento de la mezcla (ASTM C 143) debe ser del
orden de 50 mm
La cantidad mínima de material cementante (cemento o
cemento + ceniza volante) es de 120 kg/m3
Si el pavimento se construye en una zona sometida a heladas,
la mezcla deberá presentar pérdidas no mayores de 14 % en el
ensayo de congelamiento y deshielo (ASTM D 560) y una
cantidad de aire incluido entre 6% y 10% (ASTM C 231 si el
agregado grueso proviene de grava o piedra ó ASTM C 173
para escoria y otros agregados gruesos porosos
BASE DE CONCRETO POBRE
Relación entre las resistencias a compresión y flexión
para mezclas de concreto pobre (Packard, 1981)
LIGANTES BITUMINOSOS
CONTENIDO
Definiciones y tipos de ligantes bituminosos
Clasificación de los cementos asfálticos
Ensayos de clasificación de cementos asfálticos por
penetración y viscosidad
Criterio SUPERPAVE para especificar cementos
asfálticos
Asfaltos modificados con polímeros
Emulsiones asfálticas
Emulsiones asfálticas modificadas
Asfalto líquido para imprimación
LIGANTES BITUMINOSOS
DEFINICIONES Y TIPOS DE
LIGANTES BITUMINOSOS
Ligante bituminoso
Material que contiene betún (bitumen), el cual es unhidrocarburo soluble en bisulfuro de carbono (CS2). Elasfalto y el alquitrán son materiales bituminosos
Asfalto
Material aglomerante de color marrón oscuro a negro,de consistencia variable, constituido principalmente porbetunes. El asfalto puede ser natural u obtenido porrefinación de petróleo
LIGANTES BITUMINOSOS
DEFINICIONES
Alquitrán
Producto hidrocarbonado semisólido o líquido,resultante de la destilación de la hulla. Su contenidode betún es menor que el de los asfaltos. Presentabuena adhesividad con los agregados y resiste elataque de los derivados del petróleo, pero presentaalta susceptibilidad térmica y envejecimiento rápido
LIGANTES BITUMINOSOS
DEFINICIONES
TIPOS DE LIGANTES BITUMINOSOS
OBTENCIÓN DE LOS ASFALTOS EN REFINERÍA
TIPOS DE ASFALTOS PARA PAVIMENTACIÓN
Cemento asfáltico
Asfalto refinado o una combinación de éste con un aceitefluidificante, cuya viscosidad es apropiada para los trabajos depavimentación
Asfalto líquido
Cemento asfáltico licuado con solventes como la gasolina(RC), el kerosén (MC) o un aceite liviano (SC). Su uso está muylimitado por efectos ambientales
Emulsión asfáltica
Dispersión de glóbulos de cemento asfáltico dentro de aguaen presencia de un agente emulsificante. Puede ser aniónica ocatiónica, dependiendo de la carga eléctrica de los glóbulos
TIPOS DE ASFALTOS PARA PAVIMENTACIÓN
LIGANTES BITUMINOSOS
CLASIFICACIÓN DE LOS
CEMENTOS ASFÁLTICOS
CLASIFICACIÓN DE LOS
CEMENTOS ASFÁLTICOS
Por grados de penetración
Se basa en el resultado del ensayo de penetración, escual describe la consistencia a una temperatura de 25° C
El Instituto Nacional de Vías ha adoptado dos gradosde cemento asfáltico para pavimentación, conpenetraciones comprendidas dentro de los rangos 60-70y 80-100
Por grados de viscosidad
Se basa en la determinación de la viscosidad absoluta delproducto a 60° C
Cuando las pruebas se realizan sobre el asfalto original sedesignan como AC-2.5; AC-5; AC-10; AC-20 y AC-40 y sedesignan como AR 1000, AR 2000, AR 4000, AR 8000 y AR1600, cuando se efectúan sobre muestras de asfaltossometidos a un ensayo de envejecimiento acelerado
En el primer caso, el número de identificación es lacentésima parte de la viscosidad deseada a 60°C, en Poises, yen el segundo caso es la viscosidad deseada a la mismatemperatura, en Poises
CLASIFICACIÓN DE LOS
CEMENTOS ASFÁLTICOS
Por grados de comportamiento
Se basa en el desempeño previsto del ligante y loespecifica en función de las condiciones climáticasextremas en que presenta propiedades físicasadecuadas. Se designan con el acrónimo PG,acompañado de dos números que indican lastemperaturas máximas y mínimas de diseño (Ejemplo:PG 64-28)
Hay 21 clases de asfaltos clasificados por grados decomportamiento
CLASIFICACIÓN DE LOS
CEMENTOS ASFÁLTICOS
ELECCIÓN DEL GRADO
DE CEMENTO ASFÁLTICO
Independientemente del sistema de clasificaciónelegido, el grado por escoger depende de las condicionesambientales
El sistema de grados de comportamiento (PG) definelos límites de temperatura dentro de los cuales esprevisible el buen comportamiento del cemento asfáltico
En los otros sistemas, la tendencia es elegir bajosgrados de viscosidad en climas fríos para brindarmayor flexibilidad para soportar el agrietamientotérmico a baja temperatura, en tanto que si el clima escálido se eligen ligantes de mayor viscosidad paracontribuir en la resistencia de las mezclas a ladeformación permanente
La elección del grado es importante también en eldiseño del pavimento, por cuanto incide en laspropiedades de rigidez y de fatiga de la mezclaasfáltica
ELECCIÓN DEL GRADO
DE CEMENTO ASFÁLTICO
LIGANTES BITUMINOSOS
ENSAYOS DE CLASIFICACIÓN
DE CEMENTOS ASFÁLTICOS
POR PENETRACIÓN Y POR
VISCOSIDAD
ENSAYOS PARA CLASIFICACIÓN DE CEMENTOS
ASFÁLTICOS POR PENETRACIÓN Y VISCOSIDAD
Penetración (INV E-706)
Es una medida de la consistencia del asfalto a la
temperatura especificada para el ensayo
Punto de ablandamiento (anillo y bola) (INV E-712)
Es la temperatura a la cual el cemento asfáltico se
vuelve lo suficientemente blando como para comenzar
fluir. Se suele suponer, en términos amplios, que la
consistencia en este punto es equivalente a la que
presenta cuando su penetración es 800 (0.1mm)
El concepto del punto de ablandamiento es algo
arbitrario y no corresponde exactamente a un cambio
físico del producto, por cuanto la consistencia del asfalto
disminuye gradualmente sin presentar un punto de fusión
definido
ENSAYOS PARA CLASIFICACIÓN DE CEMENTOS
ASFÁLTICOS POR PENETRACIÓN Y VISCOSIDAD
Punto de ablandamiento (anillo y bola) (INV E-712)
ENSAYOS PARA CLASIFICACIÓN DE CEMENTOS
ASFÁLTICOS POR PENETRACIÓN Y VISCOSIDAD
Índice de penetración de Pfeiffer y Van Doormaal (IP)
Expresión matemática para estimar la susceptibilidadtérmica de los cementos asfálticos
BAT
penA
A
AIP
&25
800log)log(
501
50020
Donde
pen = penetración a 25°C (0.1 mm)
T A&B= punto de ablandamiento (°C)
ENSAYOS PARA CLASIFICACIÓN DE CEMENTOS
ASFÁLTICOS POR PENETRACIÓN Y VISCOSIDAD
Índice de penetración de Pfeiffer y Van Doormaal (IP)
Ejemplo
pen =100 (0.1 mm)
T A&B = 45°C
79.004515.0*501
04515.0*50020
04515.04525
800log100log
IP
A
ENSAYOS PARA CLASIFICACIÓN DE CEMENTOS
ASFÁLTICOS POR PENETRACIÓN Y VISCOSIDAD
Viscosidad absoluta (INV E-716)
La prueba tiene por finalidad determinar la viscosidad
del cemento asfáltico a la temperatura más alta que el
pavimento suele experimentar durante su servicio
ENSAYOS PARA CLASIFICACIÓN DE CEMENTOS
ASFÁLTICOS POR PENETRACIÓN Y VISCOSIDAD
Ductilidad (INV E-702)
Es una medida de cuánto puede estirarse una muestra del
asfalto antes de que se rompa en dos (5cm/minuto, 25º C)
Es un ensayo más de identificación que cuantitativo. Los
asfaltos provenientes de destilación del petróleo al vapor o al
vacío muestran alta ductilidad, en tanto que en los obtenidos por
oxidación o soplado la ductilidad es baja
ENSAYOS PARA CLASIFICACIÓN DE CEMENTOS
ASFÁLTICOS POR PENETRACIÓN Y VISCOSIDAD
Punto de inflamación (INV E-709)
Es la temperatura más baja a la cual
se separan materiales volátiles de la
muestra, creando un ―destello‖ en
presencia de una llama abierta
La finalidad de la prueba es
identificar la temperatura máxima a la
cual el producto puede ser manejado
sin peligro de que se inflame
ENSAYOS PARA CLASIFICACIÓN DE CEMENTOS
ASFÁLTICOS POR PENETRACIÓN Y VISCOSIDAD
Solubilidad (INV E-713)
Es un procedimiento para medir la pureza del cemento
asfáltico
Una muestra es sumergida en un solvente donde se disuelven
sus componentes cementantes activos, en tanto que las
impurezas (sales, carbono libre, contaminantes inorgánicos) no
se disuelven, sino que se depositan en forma de partículas
ENSAYOS PARA CLASIFICACIÓN DE CEMENTOS
ASFÁLTICOS POR PENETRACIÓN Y VISCOSIDAD
Contenido de agua (INV E-704)
Se emplea para determinar la existencia de
contaminaciones indebidas o asegurarse que no se
producirá espuma durante el calentamiento del
producto
El método se basa en la destilación a reflujo de una
muestra del asfalto, junto con un disolvente volátil no
miscible con el agua, el cual, al evaporarse, facilita el
arrastre del agua presente, separándose de ella al
condensarse
ENSAYOS PARA CLASIFICACIÓN DE CEMENTOS
ASFÁLTICOS POR PENETRACIÓN Y VISCOSIDAD
Contenido de agua (INV E-704)
ENSAYOS PARA CLASIFICACIÓN DE CEMENTOS
ASFÁLTICOS POR PENETRACIÓN Y VISCOSIDAD
Envejecimiento en horno en película fina (INV E-721)
Reproduce el efecto del aire y del calor sobre una
película delgada del ligante asfáltico, simulando el
envejecimiento que éste sufre a corto plazo durante los
procesos de mezclado y colocación de las mezclas de
concreto asfáltico
A la muestra así envejecida, se le determinan la pérdida
de masa, la penetración (25º C), la ductilidad (25º C) y la
viscosidad a 60º C para medir el endurecimiento
anticipado del material durante las operaciones de mezcla
y colocación
ENSAYOS PARA CLASIFICACIÓN DE CEMENTOS
ASFÁLTICOS POR PENETRACIÓN Y VISCOSIDAD
Envejecimiento en horno en película fina
(INV E-721)
ENSAYOS PARA CLASIFICACIÓN DE CEMENTOS
ASFÁLTICOS POR PENETRACIÓN Y VISCOSIDAD
Envejecimiento al horno en película fina rotativa
(INV E-720)
Reproduce el efecto del aire y del calor sobre una
película delgada del ligante asfáltico en movimiento,
simulando el envejecimiento que éste sufre a corto plazo
durante los procesos de mezclado y colocación de las
mezclas de concreto asfáltico
Las ventajas de este ensayo sobre el del horno en
película fina consisten en que se puede acomodar un
mayor número de muestras en el horno y que el tiempo
requerido para envejecerlas es menor
ENSAYOS PARA CLASIFICACIÓN DE CEMENTOS
ASFÁLTICOS POR PENETRACIÓN Y VISCOSIDAD
ENSAYOS PARA CLASIFICACIÓN DE CEMENTOS
ASFÁLTICOS POR PENETRACIÓN Y VISCOSIDAD
Horno
Recipientes para el ensayo
(izquierda – luego del ensayo, centro – antes
del ensayo, derecha – vacío)
Envejecimiento al horno en película fina rotativa
Gráfica de Heukelom (Bitumen Test Data Chart)
Muestra la variación de la consistencia del asfalto con latemperatura
Permite determinar gráficamente el índice de penetración(IP)
Permite estimar las temperaturas más adecuadas de mezcla ycompactación de las mezclas asfálticas en caliente:
— El cubrimiento satisfactorio del agregado pétreo seobtiene con una viscosidad aproximada del asfalto de 0.2Pa.s (2 Poises)
— La viscosidad óptima para compactación se encuentraentre 2 y 20 Pa.s (20 - 200 Poises)
ENSAYOS PARA CLASIFICACIÓN DE CEMENTOS
ASFÁLTICOS POR PENETRACIÓN Y VISCOSIDAD
Gráfica de Heukelom (Bitumen Test Data Chart)
ENSAYOS PARA CLASIFICACIÓN DE CEMENTOS
ASFÁLTICOS POR PENETRACIÓN Y VISCOSIDAD
ESPECIFICACIONES DE CEMENTOS ASFÁLTICOS
ESPECIFICACIONES INVIAS CON BASE EN LA PENETRACIÓN
CARACTERISTICA
NORMA DE
ENSAYO INV 60-70 80-100
mín máx mín máx
Penetración (25oC, 100 g, 5 s) 0.1 mm E-706 60 70 80 100
Índice de penetración - E-724 -1 +1 -1 +1
Viscosidad absoluta (60° C) P E-716 1500 1000
Ductilidad (25 oC, 5 cm/min) cm E-702 100 - 100 -
Solubilidad en tricloroetileno % E-713 99 - 99 -
Contenido de agua % E-704 - 0.2 - 0.2
Punto de ignición mediante copa abierta
de Cleveland °C
E-709
230 - 230 -
Pérdida por calentamiento en película
delgada (163oc, 5 h) %
E-721
- 1.0 - 1.0
Penetración del residuo luego de la
perdida por calentamiento, en % de la
penetración original
% E-706 52
-
48
-
Especificaciones ASTM con base en la viscosidadRequerimientos para cemento asfáltico clasificado por grados de viscosidad a 140
oF (60
oC)
Grado de viscosidadEnsayoAC-2.5 AC-5 AC-10 AC-20 AC-40
Viscosidad, 140oF (60
oC), P
Viscosidad, 275oF (135
oC), mínimo, cSt.
Penetración 77oF (25
oC), 100g. 5 s. mínimo
Punto de llama copa abierta Cleveland, mínimo oF (
oC)
Solubilidad en tricloroetileno, mínimo %Ensayos sobre el residuo del TFOT: Viscosidad 140
oF (60
oC), máximo
Ductilidad, 77oF (25
oC), 5cm/min. mínimo cm.
250 + 5080200
325 (163)99.0
1250100
A
500 + 100110120
350 (177)99.0
2500100
1000 + 20015070
425 (219)99.0
500050
2000 + 40021040
450 (232)99.0
1000020
4000 + 80030020
450 (232)99.0
2000010
Requerimientos para cemento asfáltico clasificado por grados de viscosidad a 140oF (60
oC)
Ensayo AC-2.5 AC-5 AC-10 AC-20 AC-30 AC-40Viscosidad, 140
oF (60
oC), P
Viscosidad, 275oF (135
oC), mínimo cSt.
Penetración 77oF (25
oC), 100g. 5 s. mínimo
Punto de llama copa abierta Cleveland, mínimo oF (
oC)
Solubilidad en tricloroetileno, mínimo %Ensayos sobre el residuo del TFOT: Viscosidad 140
oF (60
oC), máximo
Ductilidad, 77oF (25
oC), 5cm/min. mínimo cm.
250 + 50125200
325 (163)99.0
1250100
A
500 + 100175140
350 (177)99.0
2500100
1000 + 20025080
425 (219)99.0
500075
2000 + 40030060
450 (232)99.0
1000050
3000 + 60035050
450 (232)99.0
1500040
4000 + 80040040
450 (232) 99.0
2000025
Requerimientos para cemento asfáltico clasificado por grados de viscosidad a 140oF (60
oC)
Ensayos sobre el residuo del RTFOT: AR-1000 AR-2000 AR-4000 AR-8000 AR-16000Viscosidad, 140
oF (60
oC), P
Viscosidad, 275oF (135
oC), mínimo, cSt.
Penetración 77oF (25
oC), 100g. 5 s. mínimo
% de penetración original, 77oF (25oC), mínimoDuctilidad, 77
oF (25
oC), 5cm/min. mínimo cm.
Ensayos sobre el asfalto original: Punto de llama copa abierta Cleveland, mínimo
oF (
oC)
Solubilidad en tricloroetileno, mínimo %
1000 + 25014065-
100A
400 (205)99.0
2000 + 5002004040
100B
425 (219)99.0
4000 + 1000275254575
400 (227)99.0
8000 + 2000400205075
450 (232)99.0
16000 + 4000550205275
460 (238)99.0
ESPECIFICACIONES DE CEMENTOS ASFÁLTICOS
COMPARACIÓN DE GRADOS DE PENETRACIÓN Y VISCOSIDAD
ESPECIFICACIONES DE CEMENTOS ASFÁLTICOS
VENTAJAS DE LA CLASIFICACIÓN
POR GRADOS DE PENETRACIÓN
Los grados de los asfaltos se relacionan con lastemperaturas promedio de servicio
Los ensayos son sencillos y de rápida ejecución
Bajos costos de capital
Los ensayos se pueden realizar en laboratorios deobra
Se puede establecer la susceptibilidad térmica
DESVENTAJAS DE LA CLASIFICACIÓN
POR GRADOS DE PENETRACIÓN
El ensayo de penetración es empírico
La velocidad de corte durante el ensayo es alta yvariable
Similares penetraciones a 25°C no reflejan ampliasdiferencias en el comportamiento de los asfaltos encondiciones de servicio
Las temperaturas de mezcla y compactación no estándisponibles
VENTAJAS DE LA CLASIFICACIÓN
POR GRADOS DE VISCOSIDAD (AC)
La viscosidad es una propiedad fundamental del asfalto
La evaluación se realiza en un amplio rango detemperaturas
La evaluación considera la máxima temperatura de lasuperficie del pavimento
Se tiene en cuenta la susceptibilidad térmica
Se dispone de información sobre las temperaturas demezcla y compactación
DESVENTAJAS DE LA CLASIFICACIÓN
POR GRADOS DE VISCOSIDAD (AC)
Mayor costo y tiempo de ejecución de los ensayos
Se requiere mayor pericia técnica
La clasificación no es válida para asfaltos nonewtonianos
Asfaltos ubicados en el mismo grado puedenpresentar un amplio rango de propiedades
VENTAJAS DE LA CLASIFICACIÓN
POR GRADOS DE VISCOSIDAD (AR)
Representa las propiedades del asfalto después decalentado y mezclado en planta
Mide una propiedad fundamental del asfalto
Evaluación en un amplio rango de temperaturas
Limita el uso de asfaltos muy susceptibles alenvejecimiento
DESVENTAJAS DE LA CLASIFICACIÓN
POR GRADOS DE VISCOSIDAD (AR)
Alto costo y largo tiempo de ejecución de los ensayos
Requiere diferentes equipos y pericia técnica
Clasificación no válida para asfaltos no newtonianos
No hay ensayos de consistencia para el asfalto original
Amplio rango de propiedades para asfaltos del mismogrado
LIGANTES BITUMINOSOS
CRITERIO SUPERPAVE
PARA ESPECIFICAR
CEMENTOS ASFÁLTICOS
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
Introducción
SUPERPAVE (Superior Performing AsphaltPavement) es un sistema de especificación de losmateriales constitutivos, diseño de mezclas asfálticas ysu análisis, y la predicción del comportamiento de lospavimentos, incluyendo equipos de ensayo, métodos deensayo y criterios. El sistema especifica los ligantes conbase en el clima y la temperatura prevista en elpavimento
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
Introducción (cont.)
El ligante se especifica por grados de comportamiento(grados de performance -PG-), por ejemplo, PG 64-22
Los números (64 y -22) indican las temperaturas másalta y más baja, en grados Celsius, dentro de las cuales elligante poseería propiedades físicas adecuadas
ALTA TEMPERATURA BAJA TEMPERATURA (-)
PG 52 10, 16, 22, 28, 34, 40, 46
PG 58 16, 22, 28, 34, 40
PG 64 16, 22, 28, 34, 40
PG 70 10, 16, 22, 28
Introducción (cont.)
El sistema mide las propiedades físicas tanto sobreel ligante sin envejecer, como sobre el liganteenvejecido en el laboratorio, para simular lascondiciones de envejecimiento en un pavimento reala corto y largo plazo
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
El envejecimiento se simula con 2 dispositivos:
Horno de película fina rotativa (RTFO)
Equipo de envejecimiento a presión (PAV)
Las propiedades físicas de los ligantes son medidas con4 dispositivos:
Viscosímetro rotacional (RV = rotational viscosimeter)
Reómetro de corte dinámico (DSR = dynamic shearrheometer)
Reómetro de flexión (BBR = bending beam rheometer)
Ensayo de tracción directa (DTT = direct tension test)
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
ENVEJECIMIENTO A CORTO PLAZO
Envejecimiento del asfalto en horno de película finarotativa (RTFO)
Simula el envejecimiento durante el mezclado y laetapa de construcción
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
ENVEJECIMIENTO A LARGO PLAZO
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
Envejecimiento del asfalto en equipo de envejecimientoa presión (PAV)
Muestras de 50 gramos del ligante son envejecidasdurante 20 horas bajo una presión de 300 psi, a altatemperatura, simulando el envejecimiento del ligantedespués de 7 a 10 años de servicio
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
VERIFICACIÓN DE VISCOSIDAD DURANTE EL PROCESO CONSTRUCTIVO
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
Viscosímetro rotacional
Caracteriza el stiffness del ligante a 135°C,temperatura a la cual éste actúa casi enteramente comofluido
El equipo consiste en un cilindro rotacional coaxial,que mide la viscosidad por medio del torque requeridopara rotar un eje dentro de una muestra de ligante a unavelocidad constante
La especificación exige una viscosidad menor de 3Pa.s, a 135°C, para garantizar que el ligante esbombeable y manejable durante la elaboración de lamezcla
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
Viscosímetro rotacional
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
VERIFICACIÓN DE LA RESISTENCIA AL AHUELLAMIENTO
Y A LA FATIGA DURANTE EL PERÍODO DE SERVICIO
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
Reómetro de corte dinámico (DSR)
Se emplea para caracterizar las propiedadesviscoelásticas del ligante
Mide el módulo complejo en corte (G*) y el ángulo defase (d), sometiendo a tensiones de corte oscilante unapequeña muestra del ligante, colocada entre dos platosparalelos y midiendo la deformación de corte resultante
Si el material es totalmente elástico, no hay retrasoentre la tensión de corte y la respuesta de la deformaciónespecífica de corte (d0)
Si el material es totalmente viscoso, la respuesta estátotalmente desfasada (d90)
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
Reómetro de corte dinámico (DSR) (cont.)
Los materiales viscoelásticos tienen un ángulo defase entre 0° y 90°, dependiendo de la temperatura delensayo
La especificación de ligantes SUPERPAVE controlael stiffness del asfalto a las mayores temperaturas deservicio y a las temperaturas intermedias
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
Reómetro de corte dinámico (DSR) (cont.)
A altas temperaturas ( > 46°C ), lo hace mediante larelación G*/sen d , buscando garantizar que el asfaltoprovea su mayor aporte a la resistencia global al cortede la mezcla en términos de la elasticidad a altastemperaturas (protección contra el ahuellamiento)
A temperaturas intermedias (7°C a 34°C), lo hacemediante el producto G*(sen d ), asegurando que elligante no contribuya a la fisuración por fatiga
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
Reómetro de corte dinámico (DSR)
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
Reómetro de corte dinámico (DSR)
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
Reómetro de corte dinámico (DSR)
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
VERIFICACIÓN DE LA RESISTENCIA ALAGRIETAMIENTO A BAJA TEMPERATURA
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
Reómetro de flexión de viga (BBR)
Caracteriza las propiedades de stiffness del ligantea bajas temperaturas
Mide el stiffness en ―creep‖(S) y el logaritmo dela viscosidad de deformación en ―creep‖ (m)
Una pequeña viga de ligante es sometida a ―creep‖a baja temperatura y conociendo la carga aplicada yla deflexión durante todo el ensayo, el stiffness en―creep‖ puede ser determinado para diversos tiempos
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
Reómetro de flexión de viga (BBR)
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
Reómetro de flexión de viga (BBR)
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
Reómetro de flexión de viga (BBR)
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
Reómetro de flexión de viga (BBR)
El logaritmo de la velocidad de deformación en creep―m‖ es la pendiente de la curva log (St) vs log (t), paraun tiempo de 60 segundos
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
Reómetro de flexión de viga (BBR)
Ligantes con bajo stiffness en creep no se fisurarán entiempo muy frío
Ligantes con alto valor de ―m‖ son más efectivos enla relajación de las tensiones que se desarrollan cuandola temperatura desciende, asegurando un fisuramientomínimo por baja temperatura
Algunos ligantes (en especial los modificados conpolímeros) pueden tener a baja temperatura un stiffnessen creep más alto que el deseado sin que se fisuren,debido a que conservan su capacidad para estirarse sinfracturas a bajas temperaturas
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
Ensayo de tensión directa (DTT)
Verifica que el ligante sea suficientemente dúctil abajas temperaturas cuando su stiffness en ―creep‖ esmuy alto
El DTT provee la deformación específica de roturaen tracción, medida sobre una muestra pequeña deforma de hueso que es estirada a baja temperaturahasta que se corta
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
Ensayo de tensión directa (DTT)
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
ASFALTO ENSAYO PROPIEDAD
Punto de inflamación Seguridad en el manejo
Viscosidad a 135°C Facilidad de bombeo
Corte dinámico (DSR)
Asegurar una rigidez y elasticidad mínimas que eviten
el ahuellamiento a altas temperaturas
Perdida de masa Garantizar ausencia de solventes o humedad
Corte dinámico (DSR)
Asegurar una rigidez y elasticidad mínimas que eviten
el ahuellamiento a altas temperaturas
Corte dinámico (DSR)
Asegurar resistencia a la fatiga a temperaturas
intermedias
Reómetro de flexión (BBR) Prevención de fisuración en tiempo frío
Tracción directa (DTT) Complementa el BBR, cuando S es alto
ORIGINAL
SOMETIDO AL
ENVEJECIMIENTO A
PRESIÓN
SOMETIDO AL
ENSAYO RTFO
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
PROPIEDADES QUE INTENTAN MEDIR LOS DIFERENTES ENSAYOS
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
Ejemplo de clasificación por el sistema PG
ESPECIFICACIONES SUPERPAVE
SOBRE LIGANTES ASFÁLTICOS
LIGANTES BITUMINOSOS
ASFALTOS MODIFICADOS
CON POLÍMEROS
Asfaltos cuyo comportamiento es mejorado en
términos de su tolerancia a los esfuerzos y a los cambios
térmicos, merced a una modificación del balance de
comportamiento en el rango de temperaturas de
aplicación y servicio
ASFALTOS MODIFICADOS
Beneficios que se buscan con la modificación del asfalto
Aumentar la rigidez a altas temperaturas de servicio,
mejorando la resistencia de las mezclas a la deformación
permanente
Reducir la rigidez a bajas temperaturas, previniendo la
fisuración térmica.
Aumentar la resistencia a la fatiga de las mezclas
Mejorar la adhesión con los agregados pétreos
Mejorar la cohesión, brindando mejor retención de los
agregados en la vida inicial de los tratamientos superficiales
ASFALTOS MODIFICADOS
Beneficios que se buscan con la modificación del asfalto
Reducir el endurecimiento en servicio, brindando una
vida superior a la mezcla, debido a la retención de sus
ventajas iniciales
Disminuir la susceptibilidad térmica en el rango de
temperaturas de servicio
Aumentar la viscosidad a bajas velocidades de corte,
permitiendo mayores espesores de película en el agregado
en mezclas abiertas y reduciendo la exudación en
tratamientos superficiales
CADA ADITIVO MODIFICADOR PUEDE SER EXITOSO EN LA MEJORA DE
CUANDO MENOS UNA DE LAS PROPIEDADES DEL ASFALTO, PERO NO EXISTE
EL ADITIVO CURALOTODO.
ASFALTOS MODIFICADOS
fatiga térmico
Llenantes 1 Alguno
Alguno
Alguno Baja Bajo Requiere supresión de
polvo
Fibras 0 Sí Alguno Baja Bajo Problemas de salud
Asfalto natural 1 Sí Alguno Baja Medio
Modificadores
químicos
1 Alguno Alguno Media Medio
Azufre
0
Sí Media Medio Vapores tóxicos al
calentar
Polímeros
termoendurecibles
1 Sí Sí Sí Sí Sí Alta Alto Nocivos a la salud
Polímeros
termoplásticos
(plastómeros)
1 Sí Media Medio - Alto Posibilidad de producir
un monómero nocivo
Elastómeros 1 Sí Sí Sí Sí Alta Medio - Alto
Caucho reciclado 1 Sí Sí Alta Medio Usa material de
desperdicio
Modificador
1, En el mismo grupo genérico hay un amplio rango de composición de modificadores y de beneficio sobre el comportamiento. La tabla brinda sólo un panorama
amplio y no se debe usar como guía para elegir un modificador con un propósito específico.
Dificultad de
reciclar
Costo
adicional
Consideraciones
ambientales
AgrietamientosNotas Deformación
permanente
Envejecimi
ento
Stripping
RESUMEN DE LOS BENEFICIOS POTENCIALES DE LOS ASFALTOS
MODIFICADOS SOBRE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS (SHELL)
ASFALTOS MODIFICADOS
DEFINICIÓN
Sustancias macromoleculares, formadas por
asociación de gran cantidad de moléculas sencillas,
cuya característica esencial es su elevado peso
molecular
POLÍMEROS
Termoendurecibles : Formados por reacción química de los
componentes (base y endurecedor), dando lugar a una
estructura entrecruzada. Ejemplos: resinas epoxi, resinas de
poliéster, etc.
Termoplásticos: Polímeros solubles que se reblandecen por
acción de calor y pueden llegar a fluir. Ejemplos: Polietileno
(PE), policloruro de vinilo (PVC), copolímeros de etileno –
acetato de vinilo (EVA), etc.
Elastómeros: Polímeros lineales amorfos que al ser
sometidos a vulcanización adquieren una estructura
parcialmente reticulada que les confiere propiedades
elásticas. Ejemplos: Caucho natural (NR), caucho de
butadieno–estireno (SBR), elastómeros termoplásticos (SBS)
TIPOS DE POLÍMEROS
CARACTERÍSTICAS DE LOS POLÍMEROS COMPATIBLES
PARA LA MODIFICACIÓN DEL ASFALTO
Cadena general suficientemente larga y baja
polaridad
Peso molecular elevado, pero no excesivamente alto
para reducir riesgos por excesiva viscosidad y
problemas de dispersión
Baja temperatura de transición vítrea
POLÍMEROS
Las familias de polímeros más utilizadas para la
modificación del asfalto son:
— Plastómeros, basados normalmente en polímeros
de etileno (EVA), cuyos grados difieren en función
de la cuantía del acetato de vinilo y del peso
molecular
— Elastómeros termoplásticos, generalmente de
tipo SBS lineal, que le confieren al asfalto una baja
susceptibilidad térmica, buenas características
mecánicas y alta flexibilidad a bajas temperaturas
POLÍMEROS
POLÍMEROS MÁS UTILIZADOS EN LA MODIFICACIÓN
DEL ASFALTO
ASFALTO MODIFICADO CON UN POLÍMERO DEL TIPO SBS
ASFALTOS MODIFICADOS CON POLÍMEROS
FABRICACION
ASFALTOS MODIFICADOS CON POLÍMEROS
La fabricación consiste en la incorporación, en el seno
del asfalto, de polímeros compatibles con éste, mediante
el empleo de un molino coloidal de elevado poder de
cizallamiento, durante un tiempo y a una temperatura
determinados, los cuales dependen de la naturaleza y del
contenido de cada uno de los componentes
FABRICACION
ASFALTOS MODIFICADOS CON POLÍMEROS
EFECTOS DEL EVA SOBRE LAS PROPIEDADES
DEL ASFALTO
Disminuye la penetración
Aumenta el punto de ablandamiento
Incrementa el índice de penetración
Produce poco efecto sobre la ductilidad a 5ºC (poca
capacidad de deformación rotura a baja temperatura)
Aumenta de manera moderada la recuperación
elástica por torsión
ASFALTOS MODIFICADOS CON POLÍMEROS
EFECTOS DEL SBS SOBRE LAS PROPIEDADES
DEL ASFALTO
Disminuye la penetración
Aumenta el punto de ablandamiento
Incrementa el índice de penetración (más que el
EVA)
Aumenta sustancialmente la ductilidad a 5ºC
Produce incrementos de importancia en la tenacidad
Aumenta de manera importante la recuperación
elástica
ASFALTOS MODIFICADOS CON POLÍMEROS
Ensayo de recuperación elástica por torsión (INV E-727)
ASFALTOS MODIFICADOS CON POLÍMEROS
Un cilindro inmerso en una muestra del asfalto a 25º C se gira
horizontalmente 180º y después de 30 minutos se mide el ángulo
que ha recuperado a causa de la elasticidad del asfalto (A)
Recuperación elástica = 100*180
A
ASFALTOS MODIFICADOS CON POLÍMEROS
X
X
X
Ensayo de recuperación elástica en ductilómetro (ASTM D6084
– INV E-742)
Una muestra del asfalto modificado es sometida a un
estiramiento de 20 cm en el ductilómetro, a 25º C, a razón de
5 cm/minuto
Al alcanzar esa longitud se corta la muestra y se determina
la longitud que se recupera luego de una hora (X)
Recuperación elástica = 100*20
X
térmico por fatiga
Termoenderucibles +++ ++ ++ + + muy alto
Elastómeros ++ ++ ++ + 0/+ medio/alto
Plastómeros + + 0 0 0 medio
Caucho de llanta usada 0/+ +/++ + 0 0 medio
ADHESIÓN A
LOS
AGREGADOS
RESISTENCIA AL
ENVEJECIMIENTO
INCREMENTO DE
COSTO
POLÍMERO
al agrietamientoa la
deformación
permanente
RESISTENCIA
PANORAMA DEL MEJORAMIENTO PRODUCIDO EN
LAS PROPIEDADES DE LOS ASFALTOS POR
DIFERENTES CLASES DE POLÍMEROS
+++ muy efectivo ++ mejora sustancial + mejora significativa 0 poca o ninguna mejora
ASFALTOS MODIFICADOS CON POLÍMEROS
Los termoendurecibles producen ligantes de
propiedades muy superiores, pero son muy costosos y
difíciles de elaborar y aplicar
Los elastómeros (SBS) mejoran sustancialmente la
resistencia a la deformación, a la fisuración térmica y a la
fatiga; favorecen la adhesividad con los agregados y la
resistencia al envejecimiento
PANORAMA DEL MEJORAMIENTO PRODUCIDO EN LAS
PROPIEDADES DE LOS ASFALTOS POR DIFERENTES
CLASES DE POLÍMEROS
ASFALTOS MODIFICADOS CON POLÍMEROS
Los plastómeros (EVA) mejoran la resistencia a la
deformación permanente, pero tienen poco efecto sobre
las demás características
El efecto del caucho de llanta usada es muy
variable, dependiendo del tipo y del porcentaje de
caucho y de las condiciones de procesamiento
PANORAMA DEL MEJORAMIENTO PRODUCIDO EN LAS
PROPIEDADES DE LOS ASFALTOS POR DIFERENTES
CLASES DE POLÍMEROS
ASFALTOS MODIFICADOS CON POLÍMEROS
TIPOS DE ASFALTOS MODIFICADOS CON POLÍMEROS, INCLUIDOS
EN LAS ESPECIFICACIONES DEL INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS
TIPO V:: De alta consistencia, recomendado para la manufactura de mezclas de alto módulo
TIPO I: Es un asfalto de utilización en aglomerado asfáltico, y dentro de éste, su mayor aplicación son las
mezclas drenantes. Está pensado para el uso de un polímero tipo EVA o polietileno
TIPO II: También para aglomerado asfáltico, de cualquier tipo. El polímero sería de tipo SBS y con grado de
modificación intermedia, suficiente para muchas aplicaciones (entre ellas por ejemplo, los drenajes), con un
costo menor al Tipo III
TIPO III: Dentro de los tipos para utilizar en aglomerados asfálticos, éste sería el de mayor modificación
siendo su aplicación principal las mezclas densas y las mezclas discontinuas en caliente para capa de
rodadura. Su polímero es del Tipo SBS.
TIPO IV: De mayor penetración se aplicaría a mezclas antifisuras (tipo arena-asfalto) o riegos en caliente
(membranas tipo SAM o SAMI). El polímero es también SBS, el cual garantiza la alta elasticidad exigida a
los ligantes en estos tratamientos. Por esto mismo, el nivel de modificación es también elevado
ASFALTOS MODIFICADOS CON POLÍMEROS
ESPECIFICACIONES DEL INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS PARA LOS
ASFALTOS MODIFICADOS CON POLÍMEROS
ASFALTOS MODIFICADOS CON POLÍMEROS
LIGANTES BITUMINOSOS
EMULSIONES
ASFÁLTICAS
EMULSIONES ASFÁLTICAS
DEFINICIÓN
Dispersión homogénea de pequeños glóbulos de cemento
asfáltico cubiertos por un emulsificante, dentro de una fase
continua acuosa
Su fabricación requiere dos tipos de energía:
— Una mecánica, aportada por un molino coloidal que
fragmenta el asfalto en forma de gotas esféricas
— Una físico - química, que evita que los glóbulos se
unan unos con otros, la cual es aportada por el
emulsificante, que disminuye la tensión interfacial entre
el asfalto y el agua y crea una carga eléctrica en la
superficie de los glóbulos
ESQUEMA DE PLANTA DE FABRICACIÓN
EMULSIONES ASFÁLTICAS
ESQUEMA DE PLANTA DE FABRICACIÓN
EMULSIONES ASFÁLTICAS
Clasificación de las emulsiones asfálticas
a) Por el tipo de emulsificante utilizado en su elaboración
Aniónicas Catiónicas
Fabricadas a partir de emulsificantes iónicos
que al disociarse en el agua, el glóbulo de betún
queda rodeado de cargas negativas
Fabricadas a partir de emulsificantes iónicos que
al disociarse en el agua, el glóbulo queda
rodeado de cargas positivas
Los emulsificantes utilizados son jabones
procedentes de la reacción química de ácidos
grasos de cadena larga o resinas, con bases
inorgánicas fuertes como el NaOH.
Los emulsificantes usados son sales originadas
por acción de ácidos minerales, como el HCl,
sobre productos amínicos
Son de reducida aplicación (agregados calizos y
condiciones ambientales muy favorables)
Se adaptan perfectamente a la mayor parte de
los agregados y permiten trabajar en condiciones
abientales menos favorables.
NaRCOOOHRCOONaNaOHRCOOHOH
,2
2
ClRNHClRNHHClRNHOH
,3
322
EMULSIONES ASFÁLTICAS
Clasificación de las emulsiones asfálticas
a) Por el tipo de emulsificante utilizado en su elaboración
EMULSIONES ASFÁLTICAS
Clasificación de las emulsiones asfálticas
b) Por su velocidad de rotura
Rotura es la separación irreversible del asfalto y del agua de la
emulsión. En función de la velocidad de rotura, es decir, de su
mayor o menor facilidad para romper el equilibrio de las
emulsiones cuando se enfrentan con los agregados pétreos, se
subdividen en:
-De rotura rápida (ARR-CRR)
-De rotura media (ARM - CRM)
-De rotura lenta (ARL - CRL)
La obtención de una u otra se logra en función del tipo y de la
cantidad de emulsificante empleado
EMULSIONES ASFÁLTICAS
Beneficios de su aplicación
En la mayoría de los casos se puede utilizar sin calentamiento
alguno y no requieren solventes de petróleo para su
fluidificación
Previenen la contaminación ambiental, porque las emisiones
de productos hidrocarbonados son nulas o muy pequeñas
Tienen capacidad para envolver agregados pétreos húmedos
Se pueden formular para satisfacer múltiples requisitos de
diseño y construcción
No se presentan riesgos de incendio durante su manejo y
aplicación
EMULSIONES ASFÁLTICAS
ENSAYOS PARA CLASIFICAR
LAS EMULSIONES ASFÁLTICAS
ENSAYOS DE CALIDAD EN CUANTO A SU
FABRICACIÓN
pH
Carga de partículas
Contenido de agua
Destilación
Estabilidad al almacenamiento
Tamizado
Potencial de hidrógeno (pH) (INV E-768)
Determina el grado de acidez o alcalinidad de la fase acuosa,
indicando el tipo de emulsión, ya que las catiónicas son ácidas
(pH < 7) y las aniónicas son alcalinas (pH >7)
ENSAYOS PARA CLASIFICAR
LAS EMULSIONES ASFÁLTICAS
Ensayo de carga eléctrica de
partículas (INV E-767)
Se realiza para identificar la
polaridad de los glóbulos de
asfalto de la emulsión, teniendo
carga eléctrica negativa las
aniónicas y positiva las catiónicas
Se aplica una carga de 8
miliamperios y los glóbulos se
dirigen hacia el lado que presente
carga contraria a la del
emulsificante que ellos tienen
ENSAYOS PARA CLASIFICAR
LAS EMULSIONES ASFÁLTICAS
Contenido de agua (INV E-761)
Es un procedimiento rápido para
conocer la concentración del ligante en
una emulsión asfáltica
Se coloca en un matraz una determinada
cantidad de emulsión con un disolvente no
miscible con el agua, sometiéndola a
calentamiento
El agua y el disolvente se destilan
condensándose en un refrigerante, del cual
caen a un colector graduado donde se
puede leer la cantidad de agua que
contenía la emulsión
ENSAYOS PARA CLASIFICAR
LAS EMULSIONES ASFÁLTICAS
Destilación (INV E-762)
Permite obtener el contenido
de agua y disolventes que
presenta la emulsión al
calentarla a 260° C
El residuo se recupera para
realizar sobre él pruebas de
penetración, ductilidad y
solubilidad, para saber cómo
ha afectado al cemento
asfáltico el calentamiento
ENSAYOS PARA CLASIFICAR
LAS EMULSIONES ASFÁLTICAS
Estabilidad en almacenamiento (INV E-764)
Ayuda a conocer la homogeneidad que presenta la emulsión al
ser almacenada durante largo tiempo y consiste en dejar reposar
durante 5 días el producto y determinar la concentración de
asfalto en él, en diferentes alturas del depósito
ENSAYOS PARA CLASIFICAR
LAS EMULSIONES ASFÁLTICAS
Tamizado (INV E-765)
Su finalidad es determinar si
la emulsión contiene grumos de
asfalto coagulado que puedan
entorpecer el funcionamiento de
los distribuidores de presión de
los carrotanques
La prueba se realiza
determinando el residuo que se
retiene en el tamiz # 20
ENSAYOS PARA CLASIFICAR
LAS EMULSIONES ASFÁLTICAS
ENSAYOS PARA CLASIFICAR
LAS EMULSIONES ASFÁLTICAS
ENSAYOS DE CALIDAD EN CUANTO A SU
APLICACIÓN
Viscosidad
Demulsibilidad
Mezcla con cemento
Resistencia a la acción del agua (adhesividad)
Viscosidad Saybolt – Furol (INV E-763)
Mide la consistencia de la emulsión, dando una idea de su
manejabilidad y de su comportamiento a las temperaturas
utilizadas durante la construcción
Se determina el tiempo que tardan en salir del viscosímetro
60 cm3 de emulsión a la temperatura especificada
ENSAYOS PARA CLASIFICAR
LAS EMULSIONES ASFÁLTICAS
Rotura
a) Demulsibilidad (INV E-766)
Se aplica a las emulsiones catiónicas de rotura
rápida para determinar su estabilidad al enfrentarse
con los agregados
La emulsión se somete a adiciones de una solución
al 0.8% de dioctilsulfosuccinato sódico para
provocar su rotura, tamizándola posteriormente por
el tamiz # 14, determinando el residuo retenido en
dicho tamiz
ENSAYOS PARA CLASIFICAR
LAS EMULSIONES ASFÁLTICAS
Rotura
b) Mezcla con cemento (INV E-770)
Tiene por objeto fijar una condición de mínima
estabilidad para las emulsiones de rotura lenta en
mezclas con agregados que contengan una elevada
proporción de finos
Se diluye la emulsión al 55% y se mezclan 100 cm3
de ella con 50 gramos de cemento, determinando la
cantidad de mezcla que no pasa el tamiz # 14
ENSAYOS PARA CLASIFICAR
LAS EMULSIONES ASFÁLTICAS
Recubrimiento del agregado y resistencia al
desplazamiento (INV E-769)
Sirve para determinar la capacidad de la emulsión
para envolver el agregado, para soportar el mezclado
sin que se rompa la película formada y para resistir la
acción de lavado del agua después de completado el
mezclado
Aunque la prueba se puede realizar con cualquier
emulsión, solamente está especificada para emulsiones
de rotura media
ENSAYOS PARA CLASIFICAR
LAS EMULSIONES ASFÁLTICAS
EMULSIONES ASFÁLTICAS
Especificaciones del Instituto Nacional de Vías para emulsiones asfálticas catiónicas
TIPOS DE EMULSIONES
ROTURA RAPIDA ROTURA
MEDIA
ROTURA LENTA
CRR - 1 CRR - 2 CRM CRL - 0 CRL - 1 CRL - 1h
1. ENSAYO SOBRE EMULSION Mín Máx Mín Máx Mín Máx Mín Máx Mín Máx Mín Máx
Viscosidad E-763
· Saybolt Furol a 25° C Seg - - - - - - - 50 - 200 - 100
· Saybolt Furol a 50° C Seg 20 100 20 300 20 400 - - - - - -
Contenido de agua en volumen % E-761 - 40 - 35 - 35 - 50 - 43 - 43
· Sedimentación a los 7 días % E-764
-
5
-
5
-
5
-
10
-
5
-
5
Destilación: Contenido de Asfalto Residual % E-762 60
-
65
-
60
-
40
-
57
-
57
-· Contenido de disolventes % - 3 - 3 - 12 10 20 - - - 0
Tamizado: Retenido T 20 (850 m) E-765
-
0.1
-
0.1
-
0.1
-
0.1
-
0.1
-
.1
Rotura: Dioctilsulfosuccinato sódico % E-766 40
-
40
- - - - - - - - -· Mezcla con cemento % E-770 - - - - -
-
- - - - - 2
Carga Partícula E-767 POSITIVA POSITIVA POSITIVA POSITIVA POSITIVA POSITIVA
pH E-768 - 6 - 6 - 6 - 6 - 6 - 6
Recubrimiento del agregado y resistencia al
desplazamiento
· Con agregado seco
E-769
- - - -
Buena
- - - - - -· y acción del agua Satisfactoria
· Con agregado húmedo - - - - Satisfactoria - - - - - -
· Con agregado húmedo y acción del agua - - - - Satisfactoria - - - - - -
2. ENSAYOS SOBRE RESIDUO DE
ESTILACIONPenetración (25oC,100gr,5seg)
0.1 mm.
E-706 60
100100
250
60
100100
250100 250 200 300 60
100
100
25060 100
Ductilidad (25oC,5cm/m) cm. E-702 40 - 40 - 40 - 40 - 40 - 40 -
Solubilidad en tricloroetileno % E-713 97 - 97 - 97 - 97 - 97 - 97 -
LIGANTES BITUMINOSOS
EMULSIONES ASFÁLTICAS
MODIFICADAS
EMULSIONES ASFÁLTICAS MODIFICADAS
Las ventajas de los asfaltos modificados son aplicables
al ligante residual de las emulsiones modificadas
La modificación se logra de dos maneras:
— Añadiendo látex a la fase acuosa y empleando un
cemento asfáltico convencional. Es una dispersión de
látex en medio de la emulsión
— Elaborando la emulsión con betunes previamente
modificados con polímeros. El grado de modificación
es mayor que el obtenido con látex, a igualdad de
contenido de polímero
EMULSIONES ASFÁLTICAS MODIFICADAS
ENSAYOS PARA CLASIFICAR LAS
EMULSIONES ASFÁLTICAS MODIFICADAS
Ensayos sobre emulsiones modificadas
Son los mismos que para emulsiones convencionales,
puesto que no debe haber diferencias apreciables en las
características, por el hecho de que el ligante esté modificado
Las diferencias se presentan en el ensayo para obtener el
residuo, el cual no se puede obtener por destilación, sino por
evaporación (INV E-771), puesto que el polímero pudiera
degradarse a las altas temperaturas alcanzadas durante el
proceso de destilación
El ensayo de solubilidad no se incluye, puesto que ciertos
polímeros pueden presentar problemas por no ser solubles o
por la dificultad en conseguir la solubilización
Ensayos sobre emulsiones modificadas (cont.)
Como ensayos adicionales sobre el residuo se incorporan:
—Punto de ablandamiento, el cual permite conocer el
comportamiento del ligante a alta temperatura y
comprobar la modificación del mismo
—Ductilidad a 5°C, el cual permite conocer el
comportamiento del ligante a baja temperaturas
—Recuperación elástica, el cual se incluye para medir la
elasticidad del ligante modificado
ENSAYOS PARA CLASIFICAR LAS
EMULSIONES ASFÁLTICAS MODIFICADAS
EMULSIONES ASFÁLTICAS MODIFICADAS
ESPECIFICACIONES DEL INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS PARA LAS
EMULSIONES ASFÁLTICAS MODIFICADAS CON POLÍMEROS
TIPOS DE EMULSIONES
Norm
a de ROTURA RÁPIDA R. MEDIA R. LENTA
ensay
oCRR-1m CRR-2m CRMm CRL-1hm
1. ENSAYOS SOBRE EMULSIÓN INV Mín
.
Má
x.
Mín
.
Má
x.
Mín
.
Má
x.
Mín
.
Má
x.Viscosidad Saybolt Furol E-763
a 25ºC s 100
a 50ºC s 20 100 20 300 20 450
Contenido de agua en volumen % E-761 - 40 - 35 - 35 - 43
Estabilidad almacenamiento E-764
Sedimentación a los 7 días % - 5 - 5 - 5 - 5
Destilación E-762
Contenido de asfalto residual % 60 - 65 - 60 - 57 -
Contenido de disolventes % - 3 - 3 - 12 - 0
Tamizado E-765
Retenido en tamiz nº 20 (850 m) % - 0.1 - 0.1 - 0.1 - 0.1
Rotura
Dioctilsulfosuccinato sódico % E-766 40 - 40 - - - - -
Mezcla con cemento % E-770 - - - - - - - 2
Carga partícula E-767 Positiva Positiva Positiva Positiva
pH E-768 - 6 - 6 - 6 - 6
Recubrimiento del agregado y resistencia al
desplazamiento
E-769
Con agregado seco - - Buena - - - -
Con agregado seco y acción del agua - - Satisfactori
a
- - - -
Con agregado húmedo - - Satisfactori
a
- - - -
Con agregado húmedo y acción del agua - - Satisfactori
a
- - - -
2. ENSAYOS SOBRE EL RESIDUO DE EVAPORACIÓN E-771
Penetración (25ºC, 100 g, 5 s) 0.1m
mE-706 60
100100250
60100
100250
100 250 60 100
Punto de ablandamiento ºC E-712 5545 -
-
5545 -
-
40 - 5545 -
-Ductilidad (5ºC, 5 cm/min) cm E-702 10 - 10 - 10 - 10 -
Recuperación elástica por torsión 25ºC % E-727 12 - 12 - 12 - 12 -
LIGANTES BITUMINOSOS
ASFALTO LÍQUIDO PARA
RIEGOS DE IMPRIMACIÓN
ASFALTO LÍQUIDO PARA IMPRIMACIÓN
A pesar de la limitación en el uso de los asfaltos líquidos
por razones ambientales, las especificaciones del INVÍAS
contemplan el uso del MC 30, específicamente para riegos de
imprimación, dado que se considera que su comportamiento
es mejor que el de las emulsiones asfálticas destinadas al
mismo uso
La denominación MC se refiere al tipo de solvente
involucrado en el asfalto (kerosén)
El símbolo numérico (30) se refiere a la viscosidad
cinemática mínima, en centistokes, que debe presentar el
producto a 60ºC. La viscosidad máxima admisible
corresponde al doble del valor de identificación del asfalto
ASFALTO LÍQUIDO PARA IMPRIMACIÓN
ESPECIFICACIONES DEL INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS PARA LOS
ASFALTOS LÍQUIDOS PARA RIEGOS DE IMPRIMACIÓN
REVESTIMIENTOS
BITUMINOSOS
CONTENIDO
Introducción
Riegos sin gravilla
Riegos con gravilla
Lechadas asfálticas y microaglomerados en frío
Mezclas asfálticas en caliente
Concreto asfáltico
Método Marshall
Método de diseño volumétrico SUPERPAVE
CONTENIDO
(continuación)
Evaluación de mezclas de concreto asfáltico
Ensayos para análisis y diseño empírico-mecanístico
de pavimentos asfálticos
Módulo elástico
Resistencia a la fatiga
Ahuellamiento del pavimento asfáltico
Agrietamiento térmico
Susceptibilidad a la humedad
Fricción
CONTENIDO
(continuación)
Mezclas abiertas en caliente
Mezclas SMA
Mezclas asfálticas de alto módulo
Mezcla discontinua en caliente para capa de rodadura
Mezcla drenante
Mezclas asfálticas en frío
Mezclas densas en frío
Mezclas abiertas en frío
REVESTIMIENTOS BITUMINOSOS
INTRODUCCIÓN
Definición
El revestimiento bituminoso es la capa superior de
un pavimento, constituida por un tratamiento o por
una mezcla bituminosa
Función
Brindar una superficie de rodamiento lisa y segura
al tránsito automotor
REVESTIMIENTOS BITUMINOSOS
Composición
Agregados pétreos y un producto bituminoso,
aplicados en forma de riegos o de mezcla. En el primer
caso el revestimiento no brinda aporte estructural y en
el segundo generalmente sí
Requerimientos
Proporcionar adecuada resistencia al deslizamiento,
al ahuellamiento (mezclas) y a la fractura por causas
imputables o no a las cargas del tránsito
REVESTIMIENTOS BITUMINOSOS
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
Características generales
La mayoría de las pruebas para verificar la calidad de los
materiales para los revestimientos bituminosos son las
mismas exigidas para las capas granulares
Existen dos tipos de pruebas adicionales, que sirven para
verificar ciertas condiciones específicas del agregado como
parte del revestimiento:
—Coeficiente de pulimento acelerado
—Adhesividad con el ligante bituminoso
Así mismo, para el diseño de mezclas asfálticas se requiere
conocer los pesos específicos de los agregados y del llenante
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
Coeficiente de pulimento acelerado (INV E-232)
Es una medida de la resistencia de los agregados a la
acción de pulimento bajo la acción de los neumáticos
de los vehículos
Muestras del agregado son sometidas a la acción de
una llanta con presión de 3.15 kg/cm2 y a un polvo
abrasivo y agua durante 6 horas
Las características de fricción del agregado
pulimentado se miden con el péndulo británico de
fricción
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
Coeficiente de pulimento acelerado (INV E-232)
MÁQUINA DE ENSAYO
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
Coeficiente de pulimento acelerado (INV E-232)
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
Adhesividad con el ligante bituminoso
Los ensayos de afinidad con el ligante buscan determinar la
resistencia de los agregados al desprendimiento de la película de
asfalto en presencia de agua
Los ensayos usuales determinan la adhesividad pasiva, es decir, la
resistencia al desplazamiento del ligante en contacto los agregados, por
la acción del agua y/o del tránsito:
—Adherencia en bandeja
—Placa Vialit
—Stripping
—Riedel Weber
—Estabilidad retenida (Marshall)
—Resistencia retenida (inmersión-compresión)
—Resistencia retenida (tracción indirecta)
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
Adhesividad con el ligante bituminoso
Ensayo de adherencia en bandeja (INV E 740)
Se usa para valorar la adherencia de los agregados para
la construcción de tratamientos superficiales
Partículas de agregado seco se adhieren a una película
de asfalto de 1.5 mm, llevándose el conjunto al horno a
60ºC por 1 día y cubriéndolo luego con agua durante 4
días, después de los cuales se remueven las partículas y
se evalúa, en porcentaje, la proporción de su superficie
que conserva el asfalto adherido
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
Adhesividad con el ligante bituminoso
Ensayo de adherencia en bandeja (INV E 740)
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
Adhesividad con el ligante bituminoso
Ensayo de adherencia en Placa Vialit (NLT 313)
Se usa para valorar la adherencia de los agregados para
la construcción de tratamientos superficiales
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
Adhesividad con el ligante bituminoso
Ensayo de adherencia en Placa Vialit (NLT 313)
Se coloca el ligante sobre la placa y se insertan en él
100 partículas de la gravilla por emplear y se compactan
Una vez curado el ligante, la placa se coloca en
posición invertida sobre el soporte del dispositivo de
ensayo y se somete a 3 impactos de una esfera de acero
Se cuentan las partículas desprendidas que no estén
manchadas por el ligante (A)
Adhesividad (%) = 100 - A
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
Adhesividad con el ligante bituminoso
Ensayo de adherencia en Placa Vialit (NLT 313)
Placa con ligante
y gravilla
Colocación de placa
sobre el soporte
Posición de la esfera
para los impactos
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
Adhesividad con el ligante bituminoso
Ensayo de adherencia en Placa Vialit (NLT 313)
Se levanta la placa
luego de los impactos
Aspecto de la muestra
luego de la prueba
Conteo de partículas
no manchadas
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
Adhesividad con el ligante bituminoso
Stripping (AASHTO T 182 – INV E-737)
Se emplea para valorar la afinidad con el asfalto de los
agregados para mezclas abiertas en caliente
Una muestra del agregado se mezcla con una cantidad
conocida de asfalto, se sumerge en agua por 48 horas y
luego se estima de manera visual si el área de las
partículas cubiertas por el ligante es mayor o menor de
95 %
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
Adhesividad con el ligante bituminoso
Stripping (AASHTO T 182 – INV E-737)
AGREGADOS CON DIFERENTES NIVELES DE ADHESIVIDAD
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
Adhesividad con el ligante bituminoso
Ensayo Riedel – Weber para arenas (INV E - 774)
Partículas de arena de tamaños entre 0.20 mm y 0.63
mm, mezcladas con asfalto, se someten a la acción de
soluciones de carbonato sódico de concentraciones
crecientes
Se determina cuál es la menor de las concentraciones de
la solución que produce el desprendimiento total del
ligante de la superficie de la arena
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
Adhesividad con el ligante bituminoso
Estabilidad Marshall retenida (AASHTO T 245)
Probetas Marshall elaboradas con el contenido óptimo
de asfalto según diseño, se sumergen en agua a 60º C por
48 horas y luego se someten al ensayo de estabilidad
Las estabilidades se comparan con las obtenidas sobre
probetas ensayadas en condición normal (inmersión a
60ºC por 30 minutos)
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
Adhesividad con el ligante bituminoso
Resistencia retenida por inmersión compresión
(AASHTO T 165 y T 167 – INV E-738)
Probetas con el contenido óptimo de asfalto se compactan
por presión (170 kN) y se someten a curado, divididas en 2
grupos, durante 4 días: uno al aire a 25 ºC y el otro en agua
a 49 ºC por 4 días o a 60 ºC por 24 horas
Las probetas se fallan por compresión simple y se
comparan los resultados promedio de los 2 grupos:
100*SECOCURADOTRASARESISTENCI
HÚMEDOCURADOTRASARESISTENCIRETENIDAARESISTENCI
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
Adhesividad con el ligante bituminoso
Resistencia retenida por inmersión compresión
(AASHTO T 165 y T 167 – INV E-738)
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
Adhesividad con el ligante bituminoso
Resistencia retenida en tracción indirecta (AASHTO T283 –
INV E-725)
Las probetas cilíndricas son sometidas a compresión
hasta la falla a lo largo de dos generatrices opuestas, con
una velocidad de deformación de 50 mm/minuto a 25 °C
Este modo de carga produce un esfuerzo horizontal de
tensión a lo largo del eje vertical y uno de compresión a
lo largo del diámetro horizontal
La falla se produce por agrietamiento por tensión a lo
largo del diámetro vertical
Adhesividad con el ligante bituminoso
Resistencia retenida en tracción indirecta (INV E-725)
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
tD
PST
**
*2000
ST = resistencia a la tensión indirecta, kPa
P = carga máxima, N
D = diámetro de la probeta, mm
t = espesor de la probeta, mm
Adhesividad con el ligante bituminoso
Resistencia retenida en tracción indirecta (INV E-725)
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
Adhesividad con el ligante bituminoso
Resistencia retenida en tracción indirecta (INV E-725)
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
Ensayo adicional sobre el agregado grueso
Contenido de impurezas (INV E 237)
Determina la limpieza superficial del agregado grueso
Mediante lavado, se separan las partículas menores al
tamiz # 35 (0.5 mm), las cuales se consideran como
impurezas
El porcentaje en masa de las impurezas respecto de la
masa seca de las partículas ensayadas, es el resultado del
ensayo
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
Peso específico del agregado grueso (AASHTO T85 –
INV E-223)
1. Determinación de la condición SSS
Una muestra del agregado se sumerge en
agua 24 horas, luego se seca con una tela
absorbente para eliminar el agua libre,
pero dejando la apariencia de que la
superficie de las partículas está húmeda
Se anota el peso del agregado SSS (B)
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
Peso específico del agregado grueso (AASHTO T85 –
INV E-223)
2. Determinación de los pesos específicos
Se coloca la muestra en una canasta de malla y se
determina el peso de la muestra sumergida en agua (C)
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
Peso específico del agregado grueso (AASHTO T85 –
INV E-223)
2. Determinación de los pesos específicos
Se saca la muestra de la canasta, se seca en el horno y
se determina su peso (A)
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
Peso específico del agregado grueso (AASHTO T85 –
INV E-223)
2. Determinación de los pesos específicos
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
Peso específico del agregado fino (AASHTO T84 –
INV E-222)1. Determinación de la condición SSS
Una muestra del agregado humedecido se coloca en un
molde troncocónico y se le aplican 25 golpes de un pisón
metálico
Se levanta el molde y si la arena mantiene la forma, es que
se encuentra muy húmeda y se debe airear
Se repite la operación hasta que la muestra se escurre al
retirar el molde
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
Peso específico del agregado fino (AASHTO T84 –
INV E-222)1. Determinación de la condición SSS
Apisonado del agregado Condición SSS del agregado
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
Peso específico del agregado fino (AASHTO T84 –
INV E-222)
Se colocan 500 gramos del agregado en condición SSS en
un frasco de volumen V
Se llena el frasco con agua a 20ºC y se determina el peso
de agua requerida para llenarlo (W)
Se saca el agregado del frasco, se seca en el horno y se pesa
(A)
2. Determinación de los pesos específicos
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
Peso específico del agregado fino (AASHTO T84 –
INV E-222)
2. Determinación de los pesos específicos
Colocación de la
muestra en el frasco
de volumen V
Eliminación de las
burbujas de aire
Completando el agua
para llenar el frasco
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
Peso específico del agregado fino (AASHTO T84 –
INV E-222)
2. Determinación de los pesos específicos
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
Peso específico del llenante mineral (AASHTO T100 –
INV E-128)
La muestra de ensayo y se pesa (Wo)
Se coloca la muestra en un picnómetro, se llena éste con
agua a temperatura Tx y se pesa (Wb)
Se determina el peso del picnómetro lleno de agua a la
temperatura Tx (Wa)
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
Determinación peso del
picnómetro lleno de agua a
temperatura Tx
Sacando burbujas de aire del
frasco con agua y llenante,
mediante calor
Peso específico del llenante mineral (AASHTO T100 –
INV E-128)
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
Peso específico de los agregados y el llenante mineral
combinados
Cuando se mezclan varios agregados, se debe
determinar el peso especifico de la mezcla de ellos,
incluyendo el llenante mineral, si éste se encuentra
presente
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
REQUISITOS DE CALIDAD DE LOS AGREGADOS PÉTREOS
PARA LECHADAS ASFÁLTICAS
ESPECIFICACIONES INVÍAS
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
REQUISITOS DE CALIDAD DE LOS AGREGADOS PÉTREOS
PARA LECHADAS ASFÁLTICAS
ESPECIFICACIONES IDU - 2006
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
REQUISITOS DE CALIDAD DE LOS AGREGADOS PÉTREOS
PARA CONCRETOS ASFÁLTICOS
ESPECIFICACIONES IDU - 2006
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
REQUISITOS DE CALIDAD DE LOS AGREGADOS PÉTREOS
PARA CONCRETOS ASFÁLTICOS (CONT.)
ESPECIFICACIONES IDU - 2006
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
REQUISITOS DE CALIDAD DE LOS AGREGADOS PÉTREOS PARA
MEZCLAS DISCONTINUAS EN CALIENTE PARA CAPA DE RODADURA
ESPECIFICACIONES IDU - 2006
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
REQUISITOS DE CALIDAD DE LOS AGREGADOS PÉTREOS PARA
MEZCLAS DRENANTE
ESPECIFICACIONES INVÍAS
AGREGADOS PÉTREOS PARA EL REVESTIMIENTO
GRANULOMETRÍAS TÍPICAS DE LOS AGREGADOS PÉTREOS
PARA TRATAMIENTOS Y MEZCLAS BITUMINOSAS
TIPOS DE REVESTIMIENTOS BITUMINOSOS
Riegos sin Imprimación
gravilla(*) Riegos de liga
Otros riegos (curado, antipolvo, niebla, etc)
Riegos con Tratamiento superficial simple
gravilla Tratamiento superficial doble
Revestimientos Lechadas asfálticas
bituminosos densas (concreto asfáltico)
en caliente abiertas
Mezclas discontinuas
drenantes
en frío densas
abiertas
(*)los riegos sin gravilla no son propiamente revestimientos bituminosos, sino tratamientos previos a ellos o colocados con otros f ines
REVESTIMIENTOS BITUMINOSOS
RIEGOS SIN GRAVILLA
Imprimación
Aplicación de un ligante bituminoso sobre una capagranular, previa a la construcción de un revestimientobituminoso
El ligante por emplear debe presentar bajaviscosidad para que sea fácilmente aplicable, penetrepor capilaridad en la capa de base e impregneadecuadamente la superficie de ésta
El ligante debe ser de curado medio (asfalto líquidoMC 30 o MC 70) o de rotura lenta (emulsión asfálticaCRL 0) para favorecer el proceso de penetracióndentro de la base
RIEGOS SIN GRAVILLA
Imprimación (cont.)
La dosificación se establece en obra y no seráinferior a 500 g/m2 de ligante residual
RIEGOS SIN GRAVILLA
Riego de liga
Aplicación de un ligante bituminoso sobre un pavimentoexistente, previamente a la extensión de una capa bituminosa
El ligante por emplear debe ser fluido para permitir una fácilaplicación, lo más uniforme posible y en dosificacionespequeñas
Deberá ser una emulsión asfáltica de rotura rápida (CRR),para permitir la puesta en obra de la nueva capa lo másrápidamente posible
Debe tener muy pequeñas cantidades de disolventes o carecerde ellos, pues su exceso puede contaminar la capa bituminosa,desmejorando sus características mecánicas
La dosificación se establece en obra y oscila entre 200 y 300gramos/m2 de ligante residual
RIEGOS SIN GRAVILLA
Riego antipolvo (paliativo de polvo)
Aplicación de un ligante asfáltico sobre la superficiede un camino destapado, con el fin de eliminar elpolvo del mismo y hacer más cómoda la circulación
Se suelen emplear emulsiones de rotura lenta (CRL1) diluidas entre 5 y 10 veces el volumen de laemulsión
La cantidad de emulsión por aplicar oscila entre 0.8y 1.5 litros/m2, según la condición de la superficie portratar
OTROS RIEGOS SIN GRAVILLA
Riego antipolvo (paliativo de polvo)
OTROS RIEGOS SIN GRAVILLA
CON RIEGOSIN RIEGO
Riego de curado
Aplicación de un ligante asfáltico sobre una baseestabilizada con cal o con cemento Portland,
Su finalidad es formar una película continua queimpida o retrase la evaporación del agua,favoreciendo el curado de la capa e impidiendo sufisuramiento
Se emplean emulsiones de rotura rápida (CRL 1)en cantidades no inferiores a 400 g/m2 de liganteresidual
OTROS RIEGOS SIN GRAVILLA
Riego de curado
OTROS RIEGOS SIN GRAVILLA
Riego niebla (riego en negro)
Aplicación de un ligante asfáltico sobre unpavimento antiguo para mejorar su impermeabilidad opara rejuvenecerlo si presenta síntomas de degradaciónpor desgaste o por escasez en la dosificación delligante
Se emplean emulsiones de rotura lenta (CRL 1)diluidas en agua en proporciones iguales
La cantidad del material diluido por regar varíaentre 0.5 y 1.0 litro/m2
OTROS RIEGOS SIN GRAVILLA
Riego niebla (riego en negro)
OTROS RIEGOS SIN GRAVILLA
REVESTIMIENTOS BITUMINOSOS
RIEGOS CON GRAVILLA
Tratamiento superficial simple
Es la aplicación de un ligante bituminoso sobre una
superficie, seguida inmediatamente por la extensión y
compactación de una capa de agregado pétreo de tamaño
tan uniforme como sea posible
TRATAMIENTOS SUPERFICIALES
Tratamiento superficial doble
Consiste en dos aplicaciones alternativas y
consecutivas de un ligante bituminoso y agregados
pétreos, seguidas de un proceso de compactación
El tamaño máximo del agregado de la segunda
distribución es, aproximadamente, la mitad del tamaño
del agregado de la primera capa
El agregado debe ser tan uniforme en tamaño como
sea posible, de manera que el tratamiento tenga
esencialmente una sola capa de partículas
TRATAMIENTOS SUPERFICIALES
Tratamiento superficial doble
TRATAMIENTOS SUPERFICIALES
TRATAMIENTOS SUPERFICIALES
Funciones de los componentes
El ligante desempeña las funciones de impermeabilizar
el pavimento y fijar las partículas del agregado. Se
recomienda el empleo de emulsiones asfálticas de rotura
rápida (CRR 2 o CRR 2m)
El agregado aporta al tratamiento características
antideslizantes, resistencia a la circulación de los vehículos
y asegura la drenabilidad de las aguas superficiales
El tratamiento provee una superficie de rodamiento
económica, asegura la estanqueidad de las capas inferiores
del pavimento y brinda una textura superficial que impide
el deslizamiento de los vehículos
FRANJAS GRANULOMÉTRICAS TÍPICAS PARA
TRATAMIENTOS SUPERFICIALES
Simples (Artículo 430 Especificaciones INVIAS)
TRATAMIENTOS SUPERFICIALES
Dobles (Artículo 431 Especificaciones INVIAS)
TAMIZ PORCENTAJE QUE PASANormal Alterno TIPO
TSD 1 TSD 2 TSD 3 TSD 425.0 mm19.0 mm12.5 mm9.5 mm6.3 mm
4.75 mm2.36 mm1.18 mm
1‖3/4‖1/2‖3/8‖1/4‖No.4No.8No.16
10090-10010-450-15
-0.5--
-100
90-10020-550-15
-0-5-
--
10090-10010-400-150-5-
---
10090-10020-550-150-5
TAMIZ PORCENTAJE QUE PASA
Normal Alterno TSS-1 TSS-2
19.0 mm
12.5 mm
9.5 mm
6.3 mm
4.75 mm
2.36 mm
3/4‖
1/2‖
3/8‖
1/4‖
No.4
No.8
100
90-100
20-55
0-15
-
0-5
-
100
90-100
10-40
0-15
0-5
FRANJAS GRANULOMÉTRICAS TÍPICAS PARA
TRATAMIENTOS SUPERFICIALES
TRATAMIENTOS SUPERFICIALES
TRATAMIENTOS SUPERFICIALES
Los métodos de dosificación son empíricos
Inicialmente, se define el tamaño y la dosificación del
agregado pétreo
La cantidad de ligante debe ser suficiente para fijar el
agregado y quedar a una altura aproximada del 70 % de
éste
Cualquiera sea el método utilizado, la dosificación
básica se debe modificar a la vista de las condiciones
particulares de cada obra
Dosificación de los tratamientos
RECOMENDACIONES INVIAS PARA LA DOSIFICACIÓN DE
TRATAMIENTOS SUPERFICIALES
TRATAMIENTOS SUPERFICIALES
AGREGADOS LIGANTE RESIDUALGradación Dosificación
(l/m2)
(l/m2)
TSS-1
TSS-2
8-10
6-8
0.9-1.3
0.7-1.1
TRATAMIENTOS SUPERFICIALES SIMPLES
TRATAMIENTOS SUPERFICIALES
TRATAMIENTOS SUPERFICIALES DOBLES
RECOMENDACIONES INVIAS PARA LA DOSIFICACIÓN DE
TRATAMIENTOS SUPERFICIALES
TRATAMIENTOS SUPERFICIALES
MÉTODO DE DOSIFICACIÓN DEL CRR (CENTRE DE
RECHERCHES ROUTIERES DE BÉLGICA)
TRATAMIENTOS SUPERFICIALES
MÉTODO DE DOSIFICACIÓN DE LINCKENHEYL (REGLA
DEL DÉCIMO)
Parámetro Definición Unidad Cálculo
D Tamaño máximo nominal mm Se obtiene de franja
granulométrica
d Tamaño mínimo nominal mm Se obtiene de franja
granulométrica
A Tamaño medio agregado mm (D+d)/2
Q Cantidad de agregado para el riego l/m2 Q = 0.9*A, si A >10mm
Q = 3+0.7*A, si A 10mm
L Dosificación del ligante residual l/m2 L = 0.1*Q
TRATAMIENTOS SUPERFICIALES
Ejemplo
Tratamiento superficial simple
Franja granulométrica TSS 2
— (D = 9.5 mm; d = 4.75 mm; A = 7.1 mm)
Parámetro de pérdidas (R = 1.0 litros/m2)
Superficie normal (a = 0.34)
Agregados pétreos naturales (b = 0.09)
Emulsión catiónica CRR 2, concentrada al 68 % (0.68)
COMPARACIÓN ENTRE LOS MÉTODOS DE DOSIFICACIÓN
DE TRATAMIENTOS SUPERFICIALES
TRATAMIENTOS SUPERFICIALES
Solución
Especificaciones de construcción INVIAS
Q = 6 - 8 litros/ m2
L = 0.7 - 1.1 litros/ m2
Método del CRR
Q = A- (A2/100) + R = 7.1 - (7.1*7.1/100) + 1 = 8.6 litros/ m2
L = a + b*Q = 0.34 + 0.09*8.6 = 1.06 litros/ m2
Método de Linckenheyl
Q = 3 + 0.7*A = 3 + 0.7*7.1 = 8.0 litros/ m2
L = 0.1*Q = 0.1*8.0 = 0.8 litros/ m2
COMPARACIÓN ENTRE LOS MÉTODOS DE DOSIFICACIÓN
DE TRATAMIENTOS SUPERFICIALES
TRATAMIENTOS SUPERFICIALES
Solución (cont.)
Como el producto bituminoso del tratamiento superficial
se aplica en forma de emulsión asfáltica, las dosificaciones
de ligante residual (L) deben ser convertidas a cantidades
equivalentes de emulsión asfáltica (E), de acuerdo con la
concentración de ésta
COMPARACIÓN ENTRE LOS MÉTODOS DE DOSIFICACIÓN
DE TRATAMIENTOS SUPERFICIALES
emulsiónladeiónConcentrac
mlLmlE
)/()/(
22
REVESTIMIENTOS BITUMINOSOS
LECHADAS ASFÁLTICAS
Y
MICROAGLOMERADOS
EN FRÍO
LECHADA ASFÁLTICA
Definición
Mezcla de consistencia fluida, compuesta por emulsión
asfáltica de rotura lenta, agregado fino bien gradado
(normalmente de tamaño máximo 10 mm), llenante mineral,
agua y, eventualmente, aditivos
Objetivos
Impermeabilizar la superficie de un pavimento existente
Proteger la carpeta asfáltica
Aumentar la resistencia al deslizamiento del pavimento
Mejorar la apariencia superficial
La lechada no aporta capacidad estructural y no corrige la
serviciabilidad del pavimento
LECHADA ASFÁLTICA
Funciones de los componentes
Agregado pétreo
Proveer un esqueleto mineral que soporte las cargas del tránsito
Resistir la abrasión producida por el tránsito automotor
Brindar una adecuada resistencia al deslizamiento
Ligante
Durante la construcción, la emulsión y el agua proveen fluidez al
sistema, permitiendo que llene grietas y pequeñas depresiones y
que los agregados se asienten adecuadamente
Ligar el esqueleto mineral, impidiendo que las partículas de
agregado sean arrancadas por el tránsito
Impedir el paso de agua y aire a las capas inferiores, asegurando
la durabilidad del sistema
La emulsión deberá ser de rotura lenta y superestable (CRL 1h)
LECHADA ASFÁLTICA
Funciones de los componentes
Llenante mineral
Ejercer como agente modificador de la velocidad de rotura y
de la cohesión de la lechada
Según el tipo de emulsificante empleado en la fabricación de
la emulsión, puede actuar como acelerador o retardador de la
rotura de la lechada
Agua
Ejercer papel de lubricante entre los agregados y la emulsión,
permitiendo una correcta dispersión y fácil mezclado
Brindar la consistencia necesaria para una puesta en obra de la
lechada sin rotura prematura ni segregaciones
Aditivo
Facilitar la envuelta de la emulsión y regular su velocidad de
rotura
LECHADA ASFÁLTICA
Tipos de lechadas asfálticas
El tipo de lechada queda definido por la gradación del
agregado que la compone
TAMIZ PORCENTAJE QUE PASA
Normal Alterno LA-1 LA-2 LA-3 LA-4
12.5 mm
9.5 mm
4.75 mm
2.36 mm
1.18 mm
600 m
300 m
180 m
75 m
1/2‖
3/8‖
No.4
No.8
No.16
No.30
No.50
No.80
No.200
100
85-100
60-85
40-60
28-45
19-34
12-25
7-18
4-8
-
100
70-90
45-70
28-50
19-34
12-25
7-18
5-11
-
100
85-100
65-90
45-70
30-50
18-30
10-20
5-15
-
-
100
95-100
65-90
40-60
24-42
15-30
10-20
LECHADA ASFÁLTICA
LECHADA ASFÁLTICA
FRANJA GRANULOMÉTRICA TÍPICA PARA LECHADA LA-1
Tipos de lechadas asfálticas
El tamaño del agregado define la cantidad de la lechada
y su aplicación en el pavimento
TIPO DE AGREGADO LA-1 LA-2 LA-3 LA-4Ligante residual (% en pesosobre agregados).
5.5-7.5 6.5-12.0 7.0-13.0 10.0-15.0
Agua preenvuelta (% en pesosobre agregados).
8-12 10-15 10-15 10-20
Agua total (% en peso sobreagregados)
10-20 10-20 10-20 10-30
Cantidad de lechada (kg/m2) 15-20 10-15 7-12 4-8
Capa en que se aplica 2ª o única cualquiera 1ª o única
LECHADA ASFÁLTICA
Diseño de la lechada
Consiste en la determinación de las cantidades
adecuadas de los ingredientes que conforman la mezcla
La cantidad de ligante debe ser suficiente para cubrir
la superficie de los agregados con una película de
espesor determinado que brinde ligazón al sistema, pero
sin que existan riesgos de exudación
LECHADA ASFÁLTICA
Diseño de la lechada
El contenido de agua es de la mayor importancia, tanto
para la obtención de una correcta puesta en obra, como
para su buena trabajabilidad y el adecuado
comportamiento de la lechada frente a la acción del
tránsito automotor
Un exceso de agua puede retrasar la rotura y dar lugar a
segregaciones de la mezcla, fluyendo parte de la emulsión
hacia las zonas más bajas de la vía
LECHADA ASFÁLTICA
DISEÑO DE LA LECHADA
1. Determinación del porcentaje óptimo teórico de ligante
L = K (S*A)0.2
Siendo:
L = contenido de ligante residual sobre el peso de los agregados (%)
K = módulo de riqueza
4.4 - 4.5 para lechada tipo LA-2
4.5 - 4.8 para lechada tipo LA-3
4.9 - 5.1 para lechada tipo LA-4
S = superficie específica del agregado (m2/kg)
A = factor de corrección por peso específico del agregado (A = 1.00
cuando el peso específico es 2.65)
LECHADA ASFÁLTICA
DISEÑO DE LA LECHADA
1. Determinación del porcentaje óptimo teórico de ligante (cont.)
Superficie específica (S)
—Factor de superficie específica (FSE)
FSE = 2.50 (D*d)0.5
Siendo:
D = abertura del tamiz mayor (mm)
d = abertura del tamiz menor (mm)
LECHADA ASFÁLTICA
100
)*(%
FSEtamizunenretenidoS
DISEÑO DE LA LECHADA
1. Determinación del porcentaje óptimo teórico de ligante
Ejemplo
Agregado silíceo, peso específico 2.65, gradación LA-3
Gradación Agregado Retenido
entre F.S.E. Producto
Tamiz % pasa tamices
3/8" 100 0
No 4 92 8 0,37 2,96
No 8 80 12 0,74 8,88
No1 6 60 20 1,5 30,00
No 30 40 20 2,97 59,40
No 50 25 15 5,89 88,35
No 80 15 10 10,76 107,60
No 200 7 8 21,52 172,16
Fondo 0 7 130 910,00
Suma 1.379,35
Superficie específica (S).m2/kg 13,79
Módulo de riqueza (K) 4.7
Factor de corrección por peso específico (A) 1.0
% LIGANTE TEÓRICO 7.9
LECHADA ASFÁLTICA
DISEÑO DE LA LECHADA
2. Determinación de la consistencia (% óptimo de agua)
La consistencia debe ser lo suficientemente fluida para
que la lechada pueda penetrar en grietas y deformaciones.
Sin embargo, si la lechada es demasiado fluida puede
segregarse y escurrir de manera excesiva bajo la caja
mezcladora y sobre el pavimento
El ensayo del cono de consistencia, permite ajustar la
dosis de agua de mezclado (adicional al agua de la
emulsión) para obtener una óptima colocación de la lechada
(norma de ensayo INV E-777)
LECHADA ASFÁLTICA
DISEÑO DE LA LECHADA
2. Determinación de la consistencia (% óptimo de agua)
LECHADA ASFÁLTICA
DISEÑO DE LA LECHADA
2. Determinación de la consistencia (% óptimo de agua)
Para realizar el ensayo se fabrica una mezcla de prueba y
se llena con ella el cono sobre la placa graduada.
El cono se levanta y se mide la extensión de la lechada en
cuatro puntos perpendiculares. El valor promedio se registra
como la consistencia de la lechada
Se considera que el porcentaje óptimo de fluidos es aquel
con el cual se logra una fluencia de la lechada entre 2 y 3 cm
LECHADA ASFÁLTICA
DISEÑO DE LA LECHADA
2. Determinación de la consistencia (% óptimo de agua)
LECHADA ASFÁLTICA
DISEÑO DE LA LECHADA
3. Propiedades mecánicas
En el diseño de una lechada asfáltica se deben verificar
dos propiedades:
—Resistencia a la abrasión, mediante el ensayo de
abrasión en pista húmeda, WTAT (norma de
ensayo INV E-778)
—Tendencia a exudar, mediante el ensayo de
absorción de arena en la máquina de rueda
cargada, LWT (norma de ensayo INV E-779)
LECHADA ASFÁLTICA
DISEÑO DE LA LECHADA
3.1 Ensayo de abrasión en pista húmeda
Se utiliza para determinar el contenido mínimo de
ligante que impida un desgaste excesivo de la lechada en
condiciones de servicio
Se someten probetas curadas de lechada, de forma
circular, sumergidas en agua a 25°C, a la acción abrasiva
de un caucho de manguera durante 5 minutos
El desgaste se mide por la pérdida de peso por unidad
de área de la muestra y se denomina ―pérdida por
abrasión‖
LECHADA ASFÁLTICA
DISEÑO DE LA LECHADA
3.1 Ensayo de abrasión en pista húmeda
LECHADA ASFÁLTICA
DISEÑO DE LA LECHADA
3.1 Ensayo de abrasión en pista húmeda
Se grafican los pérdidas obtenidas en el ensayo para
diferentes contenidos de ligante
Se considera que una lechada no sufrirá problemas críticos
de abrasión, si las pérdidas no exceden de 650 gramos/m2
LECHADA ASFÁLTICA
DISEÑO DE LA LECHADA
3.2 Ensayo de absorción de arena en la máquina de
rueda cargada
Mide la tendencia de la lechada a exudar, la cual puede
ser asociada con ahuellamiento
Se emplean probetas curadas de lechada, de forma
rectangular, las cuales son sometidas a 1000 ciclos de una
rueda que busca comprimir la lechada para expulsar el
exceso de asfalto, si lo hay
LECHADA ASFÁLTICA
DISEÑO DE LA LECHADA
3.2 Ensayo de absorción de arena en la máquina de
rueda cargada
Luego se distribuye arena caliente sobre la probeta y se
aplican 100 nuevos ciclos de carga
La arena se adhiere a la superficie de la probeta en una
cantidad que es proporcional a la exudación de asfalto
La tendencia a exudar se calcula por el peso de arena
adherida por unidad de superficie de la probeta y se
denomina ―absorción de arena‖
LECHADA ASFÁLTICA
DISEÑO DE LA LECHADA
3.2 Ensayo de absorción de arena en la máquina de rueda
cargada
LECHADA ASFÁLTICA
DISEÑO DE LA LECHADA
3.2 Ensayo de absorción de arena en la máquina de rueda
cargada
Se grafican los resultados obtenidos en el ensayo para
diferentes contenidos de ligante
El criterio de diseño es el siguiente:
TPD Absorción máxima de arena
<300 800 g/ m2
300-1500 700 g/ m2
>1500 600 g/ m2
El contenido máximo admisible de ligante en la lechada es
aquel que corresponda a la máxima absorción admisible de
arena
LECHADA ASFÁLTICA
DISEÑO DE LA LECHADA
3.2 Ensayo de absorción de arena en la máquina de rueda
cargada
LECHADA ASFÁLTICA
DISEÑO DE LA LECHADA
4. Selección del contenido óptimo de ligante
LECHADA ASFÁLTICA
DISEÑO DE LA LECHADA
5. Propiedades de curado
Estas propiedades, que se miden con el cohesiómetro,
entregan información respecto del tiempo que tarda la
mezcla en romper y el desarrollo del curado
Esta información es necesaria para asegurar que la
lechada puede ser mezclada sin riesgo de rotura antes de
ser colocada y para conocer el momento en el cual se
puede abrir al tránsito
LECHADA ASFÁLTICA
DISEÑO DE LA LECHADA
5. Propiedades de curado
El cohesiómetro mide la resistencia a la torsión en la
superficie de la lechada
Se realizan medidas a intervalos regulares de tiempo, las
cuales permiten elaborar una curva de evolución de la
cohesión en el tiempo
El criterio de ISSA sobre el particular es el siguiente:
—Rotura: cuando se alcanza una resistencia a la torsión
de 12 kg-cm
—Apertura al tránsito: cuando se alcanzan 20 kg-cm
—Curado: Cuando se logran 26 kg-cm
LECHADA ASFÁLTICA
DISEÑO DE LA LECHADA
5. Propiedades de curado
LECHADA ASFÁLTICA
MICROAGLOMERADOS EN FRÍO
Conocidos también como micro pavimentos, son
aplicaciones similares a las lechadas asfálticas que
combinan las características de éstas con la bondades
del asfalto modificado con polímeros, lo que da lugar a
un producto con mayor durabilidad y resistencia ante
las cargas del tránsito y los agentes ambientales
MICROAGLOMERADOS EN FRÍO
Se elaboran con emulsiones asfálticas modificadas con
polímeros, del tipo CRL-1hm
El agregado pétreo por emplear debe ser grueso,
preferiblemente de gradación LA-1 o LA-2
Como el microaglomerado presenta mayor consistencia
durante el mezclado y la colocación, se requieren equipos
que, aunque similares, son de mayor potencia y diseño
mecánico más robusto para su elaboración y extensión
FACTORES QUE HACEN DIFERENTE UN MICROAGLOMERADO
EN FRÍO DE UNA LECHADA ASFÁLTICA
MICROAGLOMERADOS EN FRÍO
No se exige el requisito del ensayo del cono de
consistencia durante el proceso de diseño
Se aplican en espesores aproximadamente 50% mayores
que la lechada asfáltica, para el mismo tamaño de agregado
pétreo
FACTORES QUE HACEN DIFERENTE UN MICROAGLOMERADO
EN FRÍO DE UNA LECHADA ASFÁLTICA (cont.)
REVESTIMIENTOS BITUMINOSOS
MEZCLAS ASFÁLTICAS
EN CALIENTE
MEZCLAS ASFÁLTICAS EN CALIENTE
Generalidades
Combinación de agregados pétreos y cemento
asfáltico en una planta en la cual los materiales son
calentados, dosificados y mezclados para producir la
mezcla de pavimentación deseada
La mezcla es transportada al sitio de la pavimentación
y es extendida por medio de una máquina
pavimentadora en una capa ligeramente compactada,
para obtener una superficie uniforme y pareja
MEZCLAS ASFÁLTICAS EN CALIENTE
Generalidades (cont.)
Mientras la mezcla aún se encuentra caliente, es
compactada intensamente con rodillos pesados para
producir una capa lisa, uniforme y bien consolidada
Según la granulometría del agregado utilizado, la
mezcla puede ser cerrada (densa o semidensa),
semicerrada (gruesa) o abierta
Las mezclas cerradas y semicerradas en caliente son
más conocidas como concretos asfálticos
MEZCLAS ASFÁLTICAS EN CALIENTE
Generalidades (cont.)
La mezclas cerradas requieren de un agregado
pétreo bien gradado
La mezclas semicerradas son parecidas a las
anteriores, pero sus curvas granulométrica se alejan de
la máxima compacidad, tiene menores contenidos de
llenante y requieren menores contenidos de asfalto
Las mezclas abiertas presentan un agregado mal
gradado, con baja proporción de partículas de arena y
finos, de manera que existe en ellas una estructura
mineral que resiste por rozamiento interno
MEZCLAS ASFÁLTICAS EN CALIENTE
Generalidades (cont.)
Con el desarrollo de los asfaltos modificados, en los
años recientes se han popularizado otros tipos de mezclas
asfálticas en caliente:
—SMA
—Mezclas de alto módulo
—Mezclas discontinuas en caliente para capa de
rodadura
—Mezclas drenantes
MEZCLAS ASFÁLTICAS EN CALIENTE
CONCRETO ASFÁLTICO
Definición
El concreto asfáltico es una mezcla íntima, elaborada
en caliente, de agregados pétreos, llenante mineral y un
cemento asfáltico, de manera que la superficie de todas
y cada una de las partículas minerales quede recubierta
de manera homogénea por una película de ligante
Al compactar la mezcla cuando aún se encuentre
caliente, el agregado grueso forma un esqueleto mineral,
rígido y resistente, cuyos vacíos son rellenados por las
partículas más finas
El sistema conformado por el llenante y el asfalto
forma un medio continuo y viscoso que mantiene unidas
las partículas minerales, dando cohesión a la mezcla
CONCRETO ASFÁLTICO
Franjas granulométricas típicas para un concreto asfáltico
Artículo 450 - INVIAS
CONCRETO ASFÁLTICO
FRANJA GRANULOMÉTRICA TÍPICA PARA UN CONCRETO
ASFÁLTICO
CONCRETO ASFÁLTICO
CONSECUENCIAS DE LAS IRREGULARIDADES EN LA CURVA
GRANULOMÉTRICA PARA UN CONCRETO ASFÁLTICO
CONCRETO ASFÁLTICO
Selección del cemento asfáltico para mezclas de concreto
asfáltico
CONCRETO ASFÁLTICO
Artículo 400 - INVÍAS
Requerimientos de una mezcla de concreto asfáltico
Suficiente asfalto para asegurar un pavimento durable
Suficiente estabilidad bajo cargas de tránsito
Suficientes vacíos con aire:
- límite superior para prevenir desintegración de la capa
- límite inferior para dar espacio a la densificación
producida por el tránsito
Suficiente trabajabilidad para prevenir segregaciones
durante la elaboración y la colocación de la mezcla
Suficiente flexibilidad para adaptarse a asentamientos y
movimientos graduales de las capas inferiores
CONCRETO ASFÁLTICO
Caracterización de la mezcla
Ensayos empleados para establecer las proporciones de
los diferentes componentes de la mezcla y el posterior
control de producción y de construcción de la misma
(Marshall, Hveem, SUPERPAVE)
Ensayos empleados para evaluar ciertos rasgos de
comportamiento y las propiedades estructurales de la
mezcla, requeridas por los métodos mecanísticos y
mecanístico-empíricos de diseño de pavimentos
asfálticos (triaxial, tensión indirecta, módulo resiliente
diametral, módulo dinámico, ensayos de flexión de viga,
creep, corte, etc)
CONCRETO ASFÁLTICO
DISEÑO DE MEZCLAS
DE CONCRETO ASFÁLTICO
MÉTODO MARSHALL
Generalidades
El ensayo se realiza de acuerdo con elprocedimiento descrito en el manual MS2 del Institutodel Asfalto y es aplicable a mezclas con agregado detamaño máximo no mayor de 25 mm
Emplea probetas de 4 pulgadas de diámetro y 2.5
pulgadas de altura, compactadas a alta temperatura,
con diferentes proporciones de asfalto, las cuales son
ensayadas a 60 °C mediante deformación lateral hasta
alcanzar la falla
La carga de falla de las probetas se denomina
estabilidad y la deformación máxima se llama flujo
MÉTODO MARSHALL
Generalidades (cont.)
Las probetas se compactan con un martillo
normalizado (10 libras y caída libre de 18 pulgadas),
aplicando 35, 50 o 75 golpes por cara, dependiendo de
la intensidad del tránsito de la vía para la cual se realiza
el diseño
El método requiere, además del ensayo de estabilidad
y flujo, la ejecución de un análisis de densidad y vacíos
de las probetas compactadas, para establecer la fórmula
de trabajo (proporciones óptimas de agregados y
cemento asfáltico)
MÉTODO MARSHALL
DISEÑO DE LA MEZCLA DE CONCRETO
ASFÁLTICO
Elementos básicos Adición del asfalto
a los agregados
MÉTODO MARSHALL
Mezcla de los agregados
con el asfalto a la
temperatura especificada
Temperaturas de mezcla y compactación
MÉTODO MARSHALL
DISEÑO DE LA MEZCLA DE CONCRETO
ASFÁLTICO
Colocación de la mezcla
dentro del molde de
compactación
Compactación de
la mezcla
MÉTODO MARSHALL
DISEÑO DE LA MEZCLA DE CONCRETO
ASFÁLTICO
Probetas compactadas Pesada de probeta
en el aire
MÉTODO MARSHALL
DISEÑO DE LA MEZCLA DE CONCRETO
ASFÁLTICO
Pesada de probeta
en el agua
Ensayo de estabilidad y flujoProbetas en baño maría
MÉTODO MARSHALL
DISEÑO DE LA MEZCLA DE CONCRETO
ASFÁLTICO
Representación de los resultados del ensayo Marshall
MÉTODO MARSHALL
DISEÑO DE LA MEZCLA DE CONCRETO
ASFÁLTICO
Artículo 450 -INVIAS
MÉTODO MARSHALL
CRITERIOS PARA EL DISEÑO DE LA MEZCLA
MÉTODO MARSHALL
MÉTODO MARSHALLL MODIFICADO PARA AGREGADOS
DE TAMAÑO MÁXIMO MAYOR DE 25 MILÍMETROS
Cuando el agregado por utilizar en la elaboración delconcreto asfáltico presente un tamaño máximo mayor de25 mm, pero no superior a 38 mm, el Instituto del Asfaltorecomienda el empleo de un método modificado,propuesto por Kandhal
La modificación consiste, básicamente, en el empleo
probetas de 6 pulgadas de diámetro y 3.75 pulgadas de
altura, compactadas a alta temperatura, con un martillo de
base con mayor diámetro y 22.5 libras de peso, con altura
de caída de 18 pulgadas (norma ASTM D5581)
MÉTODO MARSHALL
MÉTODO MARSHALLL MODIFICADO PARA AGREGADOS
DE TAMAÑO MÁXIMO MAYOR DE 25 MILÍMETROS
El número de golpes por aplicar por cada cara de laprobeta debe ser 1.5 veces el especificado en elprocedimiento normal
El criterio de diseño en cuanto a estabilidad y flujo
también se modifica. La estabilidad debe ser, como
mínimo, 2.25 veces la exigida en el método normal, y el
rango de flujo debe ser 1.5 veces mayor que el
especificado en aquél
MÉTODO MARSHALL
MÉTODO MARSHALLL MODIFICADO PARA AGREGADOS
DE TAMAÑO MÁXIMO MAYOR DE 25 MILÍMETROS
Moldes y martillos para los métodos Marshall normal y modificado
MÉTODO MARSHALL
REQUISITOS COMPLEMENTARIOS PARA EL
DISEÑO DE LA MEZCLA
Una vez definido el porcentaje óptimo de asfalto de
diseño según el criterio Marshall, se compactan nuevas
probetas de mezcla con dicho óptimo, las cuales se
someten a dos comprobaciones para verificar la validez
del diseño:
—Resistencia a la deformación plástica
—Comprobación de la adhesividad entre el
agregado pétreo y el ligante asfáltico
MÉTODO MARSHALL
REQUISITOS COMPLEMENTARIOS PARA EL
DISEÑO DE LA MEZCLA
Resistencia a la deformación permanente
El INVÍAS utiliza el ensayo de pista de laboratorio
(norma de ensayo INV E – 756)
Una probeta compactada en condiciones normalizadas
se somete a 60ºC a la acción cíclica de una rueda que
aplica una presión de 9 kg/cm2 durante 120 minutos
Se mide la velocidad de deformación de la probeta en
el intervalo comprendido entre 105 y 120 minutos
MÉTODO MARSHALL
REQUISITOS COMPLEMENTARIOS PARA EL
DISEÑO DE LA MEZCLA
Ensayo de pista de laboratorio
MÉTODO MARSHALL
REQUISITOS COMPLEMENTARIOS PARA EL
DISEÑO DE LA MEZCLA
Comprobación de la adhesividad entre el agregado y
el asfalto
El INVÍAS utilizó hasta 2007 el ensayo de inmersión y
compresión (norma de ensayo INV E – 738)
Probetas compactadas en condiciones normalizadas se
someten a curado en dos grupos: uno al aire a 25º C
durante 4 días y otro mediante inmersión en agua a 49º C
durante el mismo lapso o 24 horas a 60º C
Las probetas se fallan por compresión simple y se
comparan los resultados de los dos grupos
MÉTODO MARSHALL
REQUISITOS COMPLEMENTARIOS PARA EL
DISEÑO DE LA MEZCLA
Ensayo de inmersión - compresión
MÉTODO MARSHALL
REQUISITOS COMPLEMENTARIOS PARA EL
DISEÑO DE LA MEZCLA
En 2007, el INVÍAS especificó la prueba de tensión
indirecta (norma de ensayo INV E – 725) para verificar
las condiciones de adhesividad entre el agregado y el
asfalto en presencia de agua
Probetas compactadas con el contenido óptimo de
asfalto y entre 6 y 8 % de vacíos con aire se someten a
curado en dos grupos: uno al aire y otro mediante
saturación al vacío
Las probetas se fallan por compresión diametral y se
comparan los resultados de los dos grupos
EVALUACIÓN DE LA SENSIBILIDAD A LA HUMEDAD
(AASHTO T 283 – INV E-725)
MÉTODO MARSHALL
Las probetas cilíndricas son sometidas a compresión
hasta la falla a lo largo de dos generatrices opuestas, con
una velocidad de deformación de 50 mm/minuto a 25 °C
Este modo de carga produce un esfuerzo horizontal de
tensión a lo largo del eje vertical y uno de compresión a
lo largo del diámetro horizontal
La falla se produce por agrietamiento por tensión a lo
largo del diámetro vertical
Ensayo de tensión indirecta
EVALUACIÓN DE LA SENSIBILIDAD A LA HUMEDAD
(AASHTO T 283 – INV E-725)
MÉTODO MARSHALL
Ensayo de tensión indirecta
tD
PST
**
*2000
ST = resistencia a la tensión indirecta, kPa
P = carga máxima, N
D = diámetro de la probeta, mm
t = espesor de la probeta, mm
EVALUACIÓN DE LA SENSIBILIDAD A LA HUMEDAD
(AASHTO T 283 – INV E-725)
MÉTODO MARSHALL
EVALUACIÓN DE LA SENSIBILIDAD A LA HUMEDAD
(AASHTO T 283 – INV E-725)
MÉTODO MARSHALL
MÉTODO MARSHALL
REQUISITOS COMPLEMENTARIOS PARA EL
DISEÑO DE LA MEZCLA
ATRIBUTOS DEL MÉTODO DE DISEÑO
MARSHALL
Ventajas
Atención a vacíos, resistencia y durabilidad
Empleo de equipos de bajo costo
Fácil uso en el proceso de control y aceptación
Desventajas
Compactación por método de impacto
No considera esfuerzos de corte
La carga es perpendicular al eje de compactación
MÉTODO MARSHALL
DISEÑO DE MEZCLAS
DE CONCRETO ASFÁLTICO
MÉTODO DE DISEÑO
VOLUMÉTRICO
SUPERPAVE
OBJETIVOS DEL MÉTODO DE DISEÑO VOLUMÉTRICO
Desarrollar un método de compactación en el
laboratorio que simule la compactación en el terreno
Incluir en el diseño partículas de mayor tamaño
Identificar mezclas con problemas de compactabilidad
Brindar la posibilidad de empleo tanto en el control
como en la verificación de la calidad de la mezcla
Considerar factores de durabilidad
MÉTODO SUPERPAVE
COMPACTADOR GIRATORIO SUPERPAVE (CGS)
MÉTODO SUPERPAVE
Desarrollado para satisfacer los objetivos del método
CARACTERÍSTICAS DE LA COMPACTACIÓN DEL CGS
MÉTODO SUPERPAVE
DISEÑO DE LA COMPACTACIÓN
MÉTODO SUPERPAVE
BOSQUEJO DEL MÉTODO
Se determinan tres granulometrías de prueba apropiadas
Para cada una de las granulometrías, se preparan y
compactan dos mezclas con un contenido de ligante que
teóricamente dé lugar a especímenes con 4 % de vacíos
con aire
La compactación se realiza hasta el máximo número de
giros y durante el proceso se va calculando el porcentaje
de compactación
Terminada la compactación, se calculan los volúmenes
reales de vacíos con aire y de vacíos en los agregados
minerales
MÉTODO SUPERPAVE
BOSQUEJO DEL MÉTODO (cont.)
Se determina el contenido de ligante asfáltico para
alcanzar 4% de vacíos con aire (96% de Gmm para el
Ndiseño) y con él se recalculan las otras propiedades
volumétricas (vacíos en los agregados minerales -VAM- y
vacíos llenos de asfalto -VLA-)
Las propiedades estimadas se comparan con los
criterios de diseño de la mezcla (VAM, VLA,
%Gmm@Nini, %Gmm@Nmáx). Además, se verifica que la
relación llenante/ligante (proporción de polvo) se
encuentre entre 0.6 y 1.2
MÉTODO SUPERPAVE
Con estos resultados se escoge la mezcla que parezca
más aceptable y con ella se compactan especímenes con
diferentes contenidos de ligante por debajo y por encima
del estimado previamente
Se calculan, para cada contenido de ligante, las
propiedades volumétricas (Vacíos con aire, VAM,
%Gmm@Nini , %Gmm@Nmáx)
Se elaboran gráficas y se determina un óptimo de
acuerdo con los criterios de diseño
MÉTODO SUPERPAVE
BOSQUEJO DEL MÉTODO (cont.)
SELECCIÓN DEL CONTENIDO DE ASFALTO DE DISEÑO
MÉTODO SUPERPAVE
CRITERIOS DE DISEÑO
Vacíos con aire: 4 %
Vacíos en los agregados minerales
MÉTODO SUPERPAVE
CRITERIOS DE DISEÑO (cont.)
Vacíos llenos de asfalto
Relación llenante/ligante (proporción de polvo): 0.6 - 1.2
%Gmm@Nini : < 89 %
%Gmm@Nmáx : < 98 %
MÉTODO SUPERPAVE
MÉTODO SUPERPAVE
EVALUACIÓN DE LA SENSIBILIDAD A LA HUMEDAD
(AASHTO T 283 - INV E-725)
Las probetas cilíndricas son sometidas a compresión
hasta la falla a lo largo de dos generatrices opuestas, con
una velocidad de deformación de 50 mm/minuto a 25 °C
Este modo de carga produce un esfuerzo horizontal de
tensión a lo largo del eje vertical y uno de compresión a
lo largo del diámetro horizontal
La falla se produce por agrietamiento por tensión a lo
largo del diámetro vertical
Ensayo de tensión indirecta
MÉTODO SUPERPAVE
EVALUACIÓN DE LA SENSIBILIDAD A LA HUMEDAD
(AASHTO T 283 - INV E-725)
Ensayo de tensión indirecta
tD
PST
**
*2000
ST = resistencia a la tensión indirecta, kPa
P = carga máxima, N
D = diámetro de la probeta, mm
t = espesor de la probeta, mm
MÉTODO SUPERPAVE
EVALUACIÓN DE LA SENSIBILIDAD A LA HUMEDAD
(AASHTO T 283 - INV E-725)
MÉTODO SUPERPAVE
EVALUACIÓN DE LA SENSIBILIDAD A LA HUMEDAD
(AASHTO T 283 - INV E-725)
MEZCLAS ASFÁLTICAS EN CALIENTE
EVALUACIÓN DE
MEZCLAS DE CONCRETO
ASFÁLTICO
EVALUACIÓN DE LAS MEZCLAS
DE CONCRETO ASFÁLTICO
Las mezclas de concreto asfáltico son sometidas a
diferentes pruebas para evaluar algunas propiedades
estructurales requeridas por los métodos de tipo empírico
mecanístico para el análisis y el diseño de pavimentos
asfálticos, así como otros rasgos de comportamiento
Entre las primeras, se encuentran aquellas destinadas a
determinar los módulos y la resistencia a la fatiga
Entre las segundas, están las que estudian la resistencia
al ahuellamiento, la susceptibilidad al agrietamiento
térmico y a la humedad y las características de fricción
superficial
EVALUACIÓN DE LAS MEZCLAS
DE CONCRETO ASFÁLTICO
ENSAYOS PARA ANÁLISIS Y
DISEÑO EMPÍRICO-
MECANÍSTICO DE
PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
ENSAYOS PARA ANÁLISIS Y
DISEÑO EMPÍRICO - MECANÍSTICO
Los métodos analíticos de diseño estructural de
pavimentos asfálticos se basan en el estado de tensiones
y deformaciones producido por las solicitaciones
consideradas, con un estudio posterior de lo que
significa dicho estado en la degradación de la estructura
Los modelos de análisis de empleo más generalizado,
son los basados en sistemas multicapa y ecuaciones
elásticas (hipótesis de Burmister)
Generalidades
ENSAYOS PARA ANÁLISIS Y
DISEÑO EMPÍRICO - MECANÍSTICO
Parte de la información por entregar a los modelos de
respuesta basados en las hipótesis de Burmister, en
relación con las capas asfálticas, es la referente a sus
características mecánicas (módulo elástico y relación
de Poisson)
En cuanto al análisis de los deterioros generados por
las cargas en las capas asfálticas, se recurre a relaciones
empíricas entre las deformaciones unitarias a tracción
en la mezcla asfáltica y el número admisible de
aplicaciones de carga (leyes de fatiga)
Generalidades (cont.)
EVALUACIÓN DE LAS MEZCLAS
DE CONCRETO ASFÁLTICO
MÓDULO ELÁSTICO
Permite determinar el módulo resiliente diametral de
mezclas asfálticas, mediante la aplicación de pulsos de
carga sobre el diámetro vertical de especimenes de al menos
2x4 pulgadas o 3x6 pulgadas, a diferentes temperaturas y
con distintas frecuencias, con una intensidad de carga tal,
que induzca entre 10% y 50% de la resistencia a la tensión
La medida de la deformación horizontal recuperable,
luego de un determinado número de ciclos de carga
(generalmente entre 50 y 200), permite determinar el
módulo resiliente de elasticidad
ENSAYO DE TENSIÓN INDIRECTA BAJO CARGA REPETIDA
(ASTM D 4123 – INV E-749)
ENSAYOS PARA ANÁLISIS Y
DISEÑO EMPÍRICO - MECANÍSTICO
tD
PE
H
R*
)2734.0(
ER = módulo resiliente total, MPa (psi)
μ = relación de Poisson de la mezcla
P = magnitud de la carga repetida, N (libras)
DH = deformación total recuperable horizontal, mm (pulg.)
t = espesor de la probeta, mm (pulgadas)
ENSAYO DE TENSIÓN INDIRECTA BAJO CARGA REPETIDA
(ASTM D 4123 – INV E-749)
ENSAYOS PARA ANÁLISIS Y
DISEÑO EMPÍRICO - MECANÍSTICO
ENSAYO DE TENSIÓN INDIRECTA BAJO CARGA REPETIDA
(ASTM D 4123 – INV E-749)
ENSAYOS PARA ANÁLISIS Y
DISEÑO EMPÍRICO - MECANÍSTICO
Probetas cilíndricas con relación altura/diámetro de 2 y
diámetro mínimo de 101.6 mm (4 pulgadas) son sometidas,
bajo diferentes condiciones de temperatura, frecuencia e
intensidad, a un esfuerzo axial de compresión sinusoidal
La relación entre el esfuerzo axial (σo) y la deformación
unitaria axial de compresión correspondiente (εo), luego de
un tiempo de carga entre 30 y 45 segundos, se define como
módulo dinámico |E* |
|E* | = σo / εo
ENSAYO PARA LA DETERMINACIÓN DEL MÓDULO DINÁMICO
(ASTM D 3497 – INV E-754)
ENSAYOS PARA ANÁLISIS Y
DISEÑO EMPÍRICO - MECANÍSTICO
ENSAYO PARA LA DETERMINACIÓN DEL MÓDULO DINÁMICO
(ASTM D 3497 – INV E-754)
ENSAYOS PARA ANÁLISIS Y
DISEÑO EMPÍRICO - MECANÍSTICO
Un espécimen de mezcla asfáltica en forma de viga
(380x50x63 mm) es sometido a flexión repetida en forma
de pulsos de carga, con una frecuencia de 5 a 10 ciclos por
segundo, con un determinado nivel de deformación, a una
temperatura preestablecida
El módulo se determina a partir de la deflexión máxima
en el centro de la viga (A), en el ciclo de carga número 50
DETERMINACIÓN DEL MÓDULO DINÁMICO A PARTIR DE
ENSAYOS DE FATIGA POR FLEXIÓN SOBRE VIGAS
(AASHTO TP 8 94)
ENSAYOS PARA ANÁLISIS Y
DISEÑO EMPÍRICO - MECANÍSTICO
3
22
4
)43(*
Abh
alaPEs
Es = módulo dinámico (stiffness) flexural
P = carga dinámica aplicada
a = distancia entre apoyos (l / 3)
l = luz libre de la viga
b = ancho promedio de la viga
h = altura promedio de la viga
DETERMINACIÓN DEL MÓDULO DINÁMICO A PARTIR DE
ENSAYOS DE FATIGA POR FLEXIÓN SOBRE VIGAS
(AASHTO TP 8 94)
ENSAYOS PARA ANÁLISIS Y
DISEÑO EMPÍRICO - MECANÍSTICO
DETERMINACIÓN DEL MÓDULO DINÁMICO A PARTIR DE
ENSAYOS DE FATIGA POR FLEXIÓN SOBRE VIGAS
(AASHTO TP 8 94)
EQUIPO DE ENSAYO
ENSAYOS PARA ANÁLISIS Y
DISEÑO EMPÍRICO - MECANÍSTICO
El módulo dinámico flexural es altamente dependiente del
esfuerzo de flexión (σ) al cual es sometida la viga. Para la
mayoría de las mezclas, la relación la establece la expresión
1* AEoEs
A1 = constante que depende del tipo de mezcla y de la
temperatura de ensayo
Eo = rigidez flexural hipotética para σ = 0 (se ha
encontrado experimentalmente que para una frecuencia de
2 Hz, su valor difiere de |E*| sólo 3 o 4 %)
DETERMINACIÓN DEL MÓDULO DINÁMICO A PARTIR DE
ENSAYOS DE FATIGA POR FLEXIÓN SOBRE VIGAS
(AASHTO TP 8 94)
ENSAYOS PARA ANÁLISIS Y
DISEÑO EMPÍRICO - MECANÍSTICO
RELACIÓN ENTRE EL MÓDULO DINÁMICO FLEXURAL Y
EL NIVEL DE ESFUERZO DE FLEXIÓN (Ejemplo)
tD
PST
**
*2000
ENSAYOS PARA ANÁLISIS Y
DISEÑO EMPÍRICO - MECANÍSTICO
STIFFNESS DE LAS MEZCLAS
DE CONCRETO ASFÁLTICO
ALGUNAS APROXIMACIONES PARA SU DETERMINACIÓN
(Brown & Brunton, 1992)
a) Módulo elástico del ligante bituminoso (Eb), MPa
b) Propiedades del asfalto recuperado después de
su mezcla y colocación
p(I) = penetración inicial del asfalto
STIFFNESS DE LAS MEZCLAS
DE CONCRETO ASFÁLTICO
ALGUNAS APROXIMACIONES PARA SU DETERMINACIÓN
(Brown & Brunton, 1992)
c) Tiempo efectivo de aplicación de carga (t1)
STIFFNESS DE LAS MEZCLAS
DE CONCRETO ASFÁLTICO
ALGUNAS APROXIMACIONES PARA SU DETERMINACIÓN
(Brown & Brunton, 1992)
d) Stiffness de la mezcla (Em)
STIFFNESS DE LAS MEZCLAS
DE CONCRETO ASFÁLTICO
ALGUNAS APROXIMACIONES PARA SU DETERMINACIÓN
(Brown & Brunton, 1992)
MODELO PREDICTIVO DE WITCZAK
STIFFNESS DE LAS MEZCLAS
DE CONCRETO ASFÁLTICO
Donde:
VALORES TÍPICOS DEL MÓDULO DINÁMICO DE
MEZCLAS DE CONCRETO ASFÁLTICO
STIFFNESS DE LAS MEZCLAS
DE CONCRETO ASFÁLTICO
EVALUACIÓN DE LAS MEZCLAS
DE CONCRETO ASFÁLTICO
RESISTENCIA A LA
FATIGA
RESISTENCIA A LA FATIGA
El agrietamiento por fatiga es uno de los dos modos
principales de falla de un pavimento asfáltico, asociado
con las cargas del tránsito
La fatiga consiste en el agrietamiento de la capa
asfáltica, inducido por aplicaciones repetidas de carga a
un nivel de esfuerzo o deformación por debajo de la
resistencia última del material
El modo de carga es uno de los factores primarios que
afectan la respuesta a fatiga de las mezclas
Los ensayos a esfuerzo controlado miden, esencialmente,
la carga para iniciar la fisuración
Los ensayos a deformación controlada dan lugar a vidas
de fatiga mayores, debido a que también consideran la
propagación de grietas
El modo de esfuerzo controlado es característico de las
capas espesas, en tanto que el modo de deformación
controlada es característico de las capas asfálticas delgadas
RESISTENCIA A LA FATIGA
AGRIETAMIENTO POR FATIGA
RESISTENCIA A LA FATIGA
Pruebas que tienden a evaluar la vida respecto de la
iniciación del agrietamiento
Flexión simple
•Flexión repetida sobre una viga en el punto central
•Flexión repetida sobre una viga en los tercios
•Flexión repetida sobre una viga rotando en cantiliver
•Flexión repetida sobre una viga en dos puntos (cantiliver trapezoidal)
Carga directa axial
•Probetas cilíndricas sometidas a tensión y compresión
•Probetas cilíndricas de sección angostada, sometidas a tensión y
compresión
Carga diametral
•Ensayo cíclico de tensión indirecta
MÉTODOS DE ENSAYO PARA LA FATIGA
ENSAYOS PARA ANÁLISIS Y
DISEÑO EMPÍRICO - MECANÍSTICO
Pruebas que tienden a evaluar la resistencia de la
mezcla a la propagación de grietas
Flexión soportada
•Viga soportada
•Disco soportado
•Losa soportada
Mecánica de las fracturas
•Vigas muescadas
MÉTODOS DE ENSAYO PARA LA FATIGA
ENSAYOS PARA ANÁLISIS Y
DISEÑO EMPÍRICO - MECANÍSTICO
La prueba es la misma que se utiliza para determinar el
módulo dinámico
El nivel de deformación producido por la carga cíclica
se establece de manera que la viga requiera un mínimo
de 10,000 ciclos de carga antes de que su módulo
dinámico (stiffness) se reduzca al 50% de su valor inicial
La reducción del stiffness en 50% representa la falla
por fatiga de la viga
DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA A LA FATIGA
MEDIANTE EL ENSAYO DE FLEXIÓN REPETIDA SOBRE
VIGAS CARGADAS EN LOS TERCIOS
(AASHTO TP 8-94)
ENSAYOS PARA ANÁLISIS Y
DISEÑO EMPÍRICO - MECANÍSTICO
Se dibuja una gráfica que relacione el logaritmo del
número de aplicaciones de carga contra el logaritmo de la
deformación y se establece la ecuación correspondiente
21
1
K
KNf
DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA A LA FATIGA
MEDIANTE EL ENSAYO DE FLEXIÓN REPETIDA SOBRE
VIGAS CARGADAS EN LOS TERCIOS
(AASHTO TP 8-94)
ENSAYOS PARA ANÁLISIS Y
DISEÑO EMPÍRICO - MECANÍSTICO
DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA A LA FATIGA
MEDIANTE EL ENSAYO DE FLEXIÓN REPETIDA SOBRE
VIGAS CARGADAS EN LOS TERCIOS
(AASHTO TP 8-94)
ENSAYOS PARA ANÁLISIS Y
DISEÑO EMPÍRICO - MECANÍSTICO
El montaje es muy similar al usado para determinar el
módulo resiliente mediante el ensayo de tensión indirecta
bajo carga repetida
La carga cíclica se aplica a diferentes especimenes de la
misma mezcla, con una frecuencia determinada y a distintos
niveles de esfuerzo
La vida de fatiga para cada espécimen se establece como el
número total de ciclos al cual la pendiente de la deformación
plástica horizontal acumulada comienza a incrementarse, o el
número de ciclos requerido para que el stiffness de la mezcla
se reduzca 50%
ENSAYO CÍCLICO DE TENSIÓN INDIRECTA PARA
DETERMINAR LA RESISTENCIA A LA FATIGA
ENSAYOS PARA ANÁLISIS Y
DISEÑO EMPÍRICO - MECANÍSTICO
Con los valores de las deformaciones generadas para cada
esfuerzo y los ciclos necesarios para llegar a la falla, se
presentan los datos de la misma manera que en los ensayos
de flexión repetida sobre vigas
Las vidas de fatiga determinadas por compresión diametral
suelen ser mayores que las obtenidas en el ensayo de flexión
de viga, porque la deformación permanente es permitida en
el primero y prohibida en el segundo
ENSAYO CÍCLICO DE TENSIÓN INDIRECTA PARA
DETERMINAR LA RESISTENCIA A LA FATIGA
ENSAYOS PARA ANÁLISIS Y
DISEÑO EMPÍRICO - MECANÍSTICO
CURVAS TÍPICAS DE FATIGA PARA MEZCLAS DE CONCRETO
ASFÁLTICO
ENSAYOS PARA ANÁLISIS Y
DISEÑO EMPÍRICO - MECANÍSTICO
ALGUNAS APROXIMACIONES PARA SU ESTIMACIÓN
8.15log63.8log13.5
log07.40log2.24log39.14log
ABB
fABB
tTV
NTV
1. Universidad de Nottingham (temperatura < 30°C)
2. Shell International Petroleum Company
2.036.0 **)08.1*856.0( fmixBt NSV
RESISTENCIA A LA FATIGA
3. Instituto del Asfalto
MC 10
69.0*84.4
BV
B
VV
VM
RESISTENCIA A LA FATIGA
ALGUNAS APROXIMACIONES PARA SU ESTIMACIÓN
854.0291.3310*325.4*4.18 mixtf SCN
RELACIÓN ENTRE LOS RESULTADOS DE LOS
ENSAYOS Y EL COMPORTAMIENTO A LA FATIGA
EN EL TERRENO
La fórmulas de fatiga determinadas en el laboratorio
producen una falla más temprana que la observada en el
campo para iguales niveles de deformación (N fatiga < N
terreno)
Las condiciones de trabajo en el laboratorio son más
agresivas: mayor concentración de carga, menores períodos de
reposo, temperaturas fijas. Para compensar estas diferencias,
se aplica un ―factor de desplazamiento‖ o ―shift factor‖ al
valor N fatiga
RESISTENCIA A LA FATIGA
RELACIÓN ENTRE LOS RESULTADOS DE LOS
ENSAYOS Y EL COMPORTAMIENTO A LA FATIGA
EN EL TERRENO (CONT.)
El ―factor de desplazamiento‖ es dependiente, además, del
tipo y condiciones del ensayo del laboratorio, de las
características del asfalto y del espesor de las capas asfálticas
(aumenta con el espesor)
La bibliografía presenta un rango amplio de factores, desde
algo más de 1.0 hasta valores del orden de 400. En los
estudios rutinarios se aplica un valor entre 10 y 20
RESISTENCIA A LA FATIGA
N terreno = N fatiga * Factor de desplazamiento
RESUMEN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE RESISTENCIA A LA FATIGA
Factor Cambio en Efecto sobre la resistencia
el factor al agrietamiento
Asfalto Stiffness Aumenta Aumenta (esfuerzo controlado)
Disminuye (deformación controlada)
Contenido de asfalto Aumenta Aumenta
Mezcla Contenido de llenante Aumenta Aumenta
vacíos con aire Aumenta Disminuye
Temperatura Aumenta Disminuye (esfuerzo controlado)
Condiciones Aumenta (deformación controlada)
del ensayo o Estado de esfuerzo controlado a Aumenta
del terreno esfuerzo/deformación deformación controlada
Períodos Aumenta Aumenta
de reposo
RESISTENCIA A LA FATIGA
EVALUACIÓN DE LAS MEZCLAS
DE CONCRETO ASFÁLTICO
AHUELLAMIENTO
DEL PAVIMENTO
ASFÁLTICO
AHUELLAMIENTO
Acumulación gradual de deformaciones permanentes en las
zonas de canalización del tránsito, producida por una
combinación de :
—densificación (decremento de volumen y consecuente
aumento de densidad)
—deformaciones repetitivas por corte (constituyen la
causa principal de ahuellamiento en los pavimentos bien
construidos)
MECANISMO DEL AHUELLAMIENTO
El tránsito tiene una incidencia importante sobre el
ahuellamiento en una etapa inicial y el incremento de la
deformación permanente bajo las llantas es marcadamente
mayor en las zonas ubicadas bajo ellas (densificación)
Después de la etapa inicial, el decremento de volumen
bajo las llantas es aproximadamente igual al aumento que
se produce en las zonas de levantamiento adyacentes. El
ahuellamiento es causado por desplazamiento con
constancia de volumen
AHUELLAMIENTO
MECANISMO DEL AHUELLAMIENTO
AHUELLAMIENTO
TIPOS DE AHUELLAMIENTO
Los pavimentos asfálticos presentan dos tipos de
ahuellamiento:
—Estructural
—No estructural
AHUELLAMIENTO
AHUELLAMIENTO ESTRUCTURAL
AHUELLAMIENTO
AHUELLAMIENTO
AHUELLAMIENTO ESTRUCTURAL
AHUELLAMIENTO ESTRUCTURAL
Muchos métodos de diseño de pavimentos incluyen
criterios para limitar los valores de deformación sobre
la subrasante, con el fin de prevenir el ahuellamiento en
la superficie
m
vN
1
AHUELLAMIENTO
AHUELLAMIENTO ESTRUCTURAL
Este criterio no suele considerar el ahuellamiento
producido en las capas asfálticas por causas no
estructurales
AHUELLAMIENTO
AHUELLAMIENTO NO ESTRUCTURAL
AHUELLAMIENTO
AHUELLAMIENTO
AHUELLAMIENTO NO ESTRUCTURAL
Producido exclusivamente por acumulación de
deformaciones en capas asfálticas, cuya resistencia al corte
es demasiado baja para soportar las cargas pesadas repetidas
La deformación por corte se caracteriza por un
movimiento de la mezcla hacia abajo y lateralmente
Para predecir el ahuellamiento generado en las capas
asfálticas se han desarrollado dos procedimientos analíticos:
— Deformación por capas (layer - strain)
— Metodología viscoelástica
AHUELLAMIENTO
AHUELLAMIENTO NO ESTRUCTURAL
Metodología de deformación por capa
Predice la profundidad del ahuellamiento usando
características de deformación permanente de la mezcla,
determinadas en el laboratorio, junto con análisis de la
teoría elástica lineal o no lineal
Cada capa del pavimento se divide en sub-capas y se
calcula el estado de esfuerzos para cada una de ellas bajo
el centro de la carga, lo que permite determinar la
deformación plástica axial
AHUELLAMIENTO
AHUELLAMIENTO NO ESTRUCTURAL
Metodología de deformación por capa (cont.)
La profundidad total de ahuellamiento (Δp) para un
determinado número de aplicaciones de carga es la suma
de los productos de la deformación plástica promedio en
el centro de cada sub-capa (εi) por el espesor de la sub-
capa correspondiente (Δzi) :
n
i
ii zp1
AHUELLAMIENTO
AHUELLAMIENTO NO ESTRUCTURAL
Metodología viscoelástica
Considera las cargas por rueda en conjunto con
propiedades de la mezcla dependientes del tiempo
(definidas en términos de modelos de elementos finitos o
elementos de Kelvin o Maxwell), para establecer los
estados de esfuerzos y deformaciones en puntos
particulares de la estructura
AHUELLAMIENTO
AHUELLAMIENTO NO ESTRUCTURAL
Metodología viscoelástica (cont.)
Las características de respuesta se suelen estimar
mediante modelos viscoelásticos de deformaciones
permanentes (VESYS por ejemplo), los cuales predicen
el incremento en ahuellamiento debido a la circulación
de las cargas
Estos modelos son complejos y no han dado buenas
correlaciones con las deformaciones reales, no
presentando un avance práctico significativo respecto del
procedimiento de deformación por capas
AHUELLAMIENTO
AHUELLAMIENTO NO ESTRUCTURAL
Método Baladi
Se basa en resultados de ensayos de tensión indirecta,
datos obtenidos en el campo y el empleo del programa
MICH-PAVE de elementos finitos elásticos no lineales:
log(RD) = - 1.6 + (0.067)(AV) - (1.5)[log(TAC)] - (0.07)(T) - (0.000434)(KV) +
(0.15)[log(ESAL)] - (0.4)[log(MRSUB)] - (0.63)[log(MRB)] + (0.1)[log(SD)] + (0.01)[log(CS)]
AHUELLAMIENTO
MODELOS DE PREDICCIÓN DEL AHUELLAMIENTO
Método Baladi
Siendo:
AHUELLAMIENTO
MODELOS DE PREDICCIÓN DEL AHUELLAMIENTO
Predicción de ahuellamiento en capas asfálticas
AASHTO 2002
AHUELLAMIENTO
MODELOS DE PREDICCIÓN DEL AHUELLAMIENTO
Predicción de ahuellamiento en capas no ligadas
AASHTO 2002
AHUELLAMIENTO
MODELOS DE PREDICCIÓN DEL AHUELLAMIENTO
Factores de calibración de ahuellamiento
AASHTO 2002
AHUELLAMIENTO
MODELOS DE PREDICCIÓN DEL AHUELLAMIENTO
FACTORES QUE AFECTAN EL AHUELLAMIENTO EN LAS
MEZCLAS DE CONCRETO ASFÁLTICO
Factor Cambio en Efecto sobre la resistencia
el factor al ahuellamiento
Textura superficial Lisa a rugosa Aumento
Agregado Gradación Discontinua a continua Aumento
Forma Redondeado a angular Aumento
Tamaño Aumernto tamaño máximo Aumento
Ligante Rigidez Aumento Aumento
Contenido ligante Aumento Disminución
Mezcla Vacíos con aire Aumento Disminución
V A M Aumento Disminución
Temperatura Aumento Disminución
Condiciones de Estado de Aumento en la presión Disminución
ensayo/campo esf/deform. de contacto de llanta
Repeticiones de carga Aumento Disminución
Agua Seco a húmedo Disminución si la mezcla
es sensitiva al agua
AHUELLAMIENTO
El desarrollo de modelos predictivos del ahuellamiento
requiere tanto de técnicas estables para calcular la
respuesta del pavimento, como de una caracterización
realista de los materiales
Se requieren pruebas de laboratorio para determinar los
parámetros representativos de las mezclas, las cuales
deben reproducir, de la mejor manera, las condiciones
reales del pavimento: estado de esfuerzos, temperatura,
humedad y características generales del material
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS PARA DETERMINAR LAS DEFORMACIONES
PERMANENTES
Ensayos de creep estático
Ensayos de carga repetida
Ensayos de módulo dinámico
Ensayos empíricos
Ensayos de pista
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS PARA CARACTERIZAR LA RESPUESTA DE
LOS CONCRETOS ASFÁLTICOS A LA DEFORMACIÓN
PERMANENTE
1. Ensayos de creep estático
Aplican una carga estática a la muestra y miden la
recuperación cuando ella es retirada
Los resultados de estos ensayos no suelen
correlacionar debidamente con las medidas de
ahuellamiento de pavimentos en servicio
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS PARA CARACTERIZAR LA RESPUESTA DE
LOS CONCRETOS ASFÁLTICOS A LA DEFORMACIÓN
PERMANENTE
2. Ensayos de carga repetida
Aplican a los especimenes una carga repetida de
magnitud fija, a una frecuencia constante y miden las
deformaciones recuperables y permanentes
Correlacionan con los ahuellamientos reales mejor
que los de creep estático
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS PARA CARACTERIZAR LA RESPUESTA DE
LOS CONCRETOS ASFÁLTICOS A LA DEFORMACIÓN
PERMANENTE
3. Ensayos de módulo dinámico
Aplican una carga repetida sinusoidal con determinada
frecuencia durante un período relativamente corto y
miden las deformaciones recuperables y permanentes
Sus resultados correlacionan razonablemente bien con
las medidas de ahuellamiento en pavimentos reales
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS PARA CARACTERIZAR LA RESPUESTA DE
LOS CONCRETOS ASFÁLTICOS A LA DEFORMACIÓN
PERMANENTE
4. Ensayos empíricos
Métodos tradicionales de diseño de mezclas asfálticas,
como el Marshall y el Hveem
Aunque pueden correlacionar con medidas de
ahuellamiento, no miden ningún parámetro fundamental
de la mezcla
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS PARA CARACTERIZAR LA RESPUESTA DE
LOS CONCRETOS ASFÁLTICOS A LA DEFORMACIÓN
PERMANENTE
5. Ensayos de pista
Duplican las condiciones de esfuerzo de los
pavimentos reales y correlacionan aceptablemente con
medidas de ahuellamiento, pero no miden ningún
parámetro fundamental de la mezcla
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS PARA CARACTERIZAR LA RESPUESTA DE
LOS CONCRETOS ASFÁLTICOS A LA DEFORMACIÓN
PERMANENTE
Ensayo uniaxial
Es el más utilizado por su sencillez y bajo costo
Para obtener alguna correlación con los ahuellamientos
observados en pistas reales, el ensayo se debe realizar a un
bajo nivel de esfuerzo axial (± 1 kg/cm2)
El espécimen se coloca entre dos bases de acero, una de las
cuales es móvil, aplicándose una carga constante sobre esta
última y midiendo la deformación en función del tiempo, a
una determinada temperatura, con ayuda de LVDTs
Al retirar totalmente la carga, se determina la deformación
permanente
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS DE CREEP ESTÁTICO
Ensayo triaxial
Es similar al uniaxial, pero usa una presión de
confinamiento del orden de 1.5 kg/cm2, la cual
permite que las condiciones de ensayo sean más
parecidas a las de campo
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS DE CREEP ESTÁTICO
ENSAYOS DE CREEP ESTÁTICO
AHUELLAMIENTO
Ensayos uniaxial y triaxial
En ensayos sobre materiales viscoelásticos suele ser
ventajoso el empleo del término ―compliance‖, que es
el recíproco del módulo y representa la relación
deformación/esfuerzo
D(t) =εT/σd
Siendo
εT = deformación unitaria axial
σd = esfuerzo desviador aplicado durante el ensayo
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS DE CREEP ESTÁTICO
Ensayos uniaxial y triaxial (cont.)
La variación de D(t) con el tiempo permite definir el
―tiempo de flujo‖, que es el instante en el cual se inicia
la deformación por corte bajo volumen constante
El ―tiempo de flujo‖ es un parámetro que se puede
relacionar con la resistencia al ahuellamiento de la
mezcla asfáltica
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS DE CREEP ESTÁTICO
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS DE CREEP ESTÁTICO
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS DE CREEP ESTÁTICO
Ensayo de creep estático diametral
Utiliza el equipo del ensayo de tensión indirecta
Probetas de 150 mm de diámetro por 50 mm de altura
se someten, a cierta temperatura, a una carga constante
estática en su plano diametral que genere una
deformación en el rango viscoelástico lineal (menos de
300 micro deformaciones horizontales) durante un lapso
de 100 segundos, midiéndose las deformaciones
horizontales a lo largo del ensayo
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS DE CREEP ESTÁTICO
Ensayo de creep estático diametral
Se calculan las deformaciones unitarias horizontales de
tensión, las cuales se relacionan con el esfuerzo aplicado,
permitiendo el cálculo del ―creep compliance‖ durante el
desarrollo del ensayo
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS DE CREEP ESTÁTICO
Se aplica una carga repetida de magnitud fija y con
determinada frecuencia a un espécimen cilíndrico, con o sin
confinamiento, a una temperatura preestablecida
La carga se aplica en un pulso corto, seguido de un período
de reposo
Se registra la deformación permanente acumulada en
función del número de ciclos y se correlaciona con el
potencial de ahuellamiento
Los ensayos de carga repetida son similares en concepto al
ensayo para determinar el módulo resiliente triaxial para
suelos
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS DE CARGA REPETIDA
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS DE CARGA REPETIDA
A menudo, los resultados se presentan mediante una
curva de deformación axial acumulada
El número de flujo (NF) es el número de ciclos al
cual se inicia el ―flujo terciario‖, que corresponde al
punto donde la curva se aleja de la tendencia lineal
recta y la deformación ocurre sin cambio de volumen.
El número de flujo (NF) se puede asociar con el
potencial de ahuellamiento de la mezcla
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS DE CARGA REPETIDA
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS DE CARGA REPETIDA
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS DE CARGA REPETIDA
Ensayo de carga repetida diametral
Una probeta cilíndrica de concreto asfáltico es sometida a
carga repetida en su plano diametral
El ensayo presenta reparos para la caracterización de la
deformación permanente de las mezclas porque:
—El estado de esfuerzos no es uniforme y es altamente
dependiente de la forma de la probeta
— A alta temperatura o bajo carga elevada, la
deformación permanente produce cambios en la forma de
la probeta que afectan tanto el estado de esfuerzos como
la medida de las deformaciones
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS DE CARGA REPETIDA
Ensayo de carga repetida diametral (cont.)
—Durante el ensayo, el único estado de esfuerzos
relativamente uniforme es la tensión que ocurre a lo largo
del diámetro vertical de la probeta, en tanto que los demás
estados de esfuerzos son marcadamente no uniformes
—Como los esfuerzos de corte contribuyen
significativamente al ahuellamiento y en los especímenes
diametrales se presenta un espectro no uniforme de
esfuerzos de este tipo, las medidas de deformación no
pueden ser asociadas con un nivel específico de esfuerzos
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS DE CARGA REPETIDA
Ensayo de corte repetido a altura constante (AASHTO
TP7 - procedimiento F )
Se realiza sobre probetas de 150 mm de diámetro y 50
mm de espesor en el equipo de ensayo de corte
SUPERPAVE (SST)
Las probetas se someten a una carga de corte semi
sinusoidal discontinua, hasta lograr una tensión constante
de 68 kPa
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS DE CARGA REPETIDA
Ensayo de corte repetido a altura constante (AASHTO
TP7 - procedimiento F )
Debido a la aplicación de la carga de corte, las probetas
tratan de dilatarse y ello se evita aplicando una carga axial
adecuada, lo que promueve la acumulación de una
deformación permanente por corte
Las probetas se someten a 5,000 ciclos o hasta que la
deformación específica sea 5 %
Durante el ensayo se registran las cargas axiales y de
corte y las deformaciones
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS DE CARGA REPETIDA
EQUIPO DE ENSAYO DE CORTE SUPERPAVE (AASHTO TP 7)
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS DE CARGA REPETIDA
CRITERIO PARA EVALUAR LA RESISTENCIA AL AHUELLAMIENTO
USANDO LA DEFORMACIÓN PERMANENTE POR CORTE REPETIDO A
ALTURA CONSTANTE
DEFORMACIÓN MÁXIMA
PERMANENTE POR CORTE RESISTENCIA AL
EN ENSAYO A ALTURA AHUELLAMIENTO
CONSTANTE (%)
< 1 Excelente
1 a < 2 Buena
2 a < 3 Regular
> = 3 Pobre
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS DE CARGA REPETIDA
Se aplica un esfuerzo compresivo sinusoidal a un
espécimen de concreto asfáltico a una determinada
temperatura (entre 25 °C y 60 °C) y con cierta frecuencia
de carga (entre 0.1 Hz y 10 Hz)
Los esfuerzos aplicados y las respectivas deformaciones
axiales recuperables se miden y se emplean para calcular
el módulo dinámico y el ángulo de fase
AHUELLAMIENTO
ENSAYO DE MÓDULO DINÁMICO PARA DEFORMACIÓN
El ensayo difiere del de carga repetida en los ciclos de
carga y en las frecuencias
El ensayo de carga repetida aplica miles de cargas a una
sola frecuencia, en tanto que el de módulo aplica la carga
durante poco tiempo (30 a 45 segundos) y sobre un rango
de frecuencias
Se han establecido relaciones entre los módulos y el
potencial de ahuellamiento de las mezclas
AHUELLAMIENTO
ENSAYO DE MÓDULO DINÁMICO PARA DEFORMACIÓN
AHUELLAMIENTO
ENSAYO DE MÓDULO DINÁMICO PARA DEFORMACIÓN
AHUELLAMIENTO
ENSAYO DE MÓDULO DINÁMICO PARA DEFORMACIÓN
AHUELLAMIENTO
ENSAYO DE MÓDULO DINÁMICO PARA DEFORMACIÓN
CORRELACIÓN ENTRE EL MÓDULO Y LA PROFUNDIDAD DE AHUELLAMIENTO
AHUELLAMIENTO
ENSAYO DE MÓDULO DINÁMICO PARA DEFORMACIÓN
Miden el ahuellamiento producido por un dispositivo
de rueda cargada que se desplaza repetidamente sobre un
espécimen compactado de mezcla asfáltica
Existen muchos equipos para realizar estos ensayos:
—Analizador de pavimentos asfálticos (APA)
—Hamburger Wheel-Tracking Device
—French Pavement Rutting Tester
—Pista de ensayo de laboratorio (INV E-756)
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS DE PISTA
Analizador de pavimentos asfálticos (APA)
Mide la susceptibilidad al ahuellamiento de las mezclas
asfálticas sometiéndolas a la acción de una rueda oscilante de
caucho inflada con 0.69 MPa que soporta una carga de 445N.
Un ensayo normal consta de 8,000 ciclos que se completan
en 2 horas y 15 minutos, a una temperatura de 64 °C
NCAT sugiere que una deformación no mayor de 4.5 - 5.0
mm luego de los 8,000 ciclos asegura un ahuellamiento
mínimo en el terreno
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS DE PISTA
ANALIZADOR DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS (APA)
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS DE PISTA
Comparación entre los resultados del ensayo de corte repetido a
altura constante y los del analizador de pavimentos asfálticos
AHUELLAMIENTO
Hamburger Wheel-Tracking Device
Mide la susceptibilidad al ahuellamiento y a la
humedad de las probetas asfálticas, sometiéndolas a la
acción de una rueda metálica con una presión de contacto
de 0.73 MPa y 53 ± 2 pasadas/minuto, cuando están
sumergidas en agua caliente (generalmente a 50 °C)
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS DE PISTA
Hamburger Wheel-Tracking Device (cont.)
El Departamento de Transporte de Colorado acepta un
ahuellamiento máximo de 4 mm luego de 10,000 pasadas
y 10 mm luego de 20,000 pasadas
El ensayo permite analizar la consolidación por post-
compactación, la pendiente inversa de creep, el punto de
inflexión de stripping y la pendiente inversa de stripping
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS DE PISTA
Hamburger Wheel-Tracking Device (cont.)
Consolidación post-compactación
—Es la deformación en mm luego de 1,000 pasadas
de la rueda
Pendiente inversa de creep
—Mide la acumulación de deformación permanente
primaria debido a mecanismos diferentes de la
humedad. Es el inverso de la rata de deformación
(pasadas/mm de huella) en la región recta entre la
post-compactación y el punto de inflexión de
stripping
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS DE PISTA
Hamburger Wheel-Tracking Device (cont.)
Punto de inflexión de stripping
—Número de pasadas en el punto de intersección de
la pendiente de creep y la pendiente de stripping. A
partir de él, el daño por humedad comienza a
gobernar el comportamiento
Pendiente inversa de stripping
—Mide la acumulación de deformación permanente a
causa de la humedad. Es el inverso de la rata de
deformación (pasadas/mm de huella) luego del punto
de inflexión de stripping
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS DE PISTA
Hamburger Wheel-Tracking Device (cont.)
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS DE PISTA
HAMBURGER WHEEL-TRACKING DEVICE
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS DE PISTA
French Pavement Rutting Tester
Mide la susceptibilidad al ahuellamiento de las mezclas
asfálticas, sometiendo probetas a la acción de una rueda
de caucho con una carga de 5,000 ± 50 N a 67 ciclos por
minuto (134 pasadas/minuto)
Las muestras se someten a la acción de la rueda a 60 ±
2°C y se mide periódicamente la profundidad de la
huella, calculándose el porcentaje de deformación en
relación con el espesor inicial de las muestras
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS DE PISTA
French Pavement Rutting Tester (cont.)
La especificación francesa establece como aceptables
las mezclas si, para un espesor de probeta de 50 mm, el
porcentaje de deformación a 1,000 y 3,000 ciclos no
excede de 10% y 20%, respectivamente, en tanto que
para probetas de 100 mm de espesor el valor no debe
exceder de 10 % a 30,000 ciclos
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS DE PISTA
FRENCH PAVEMENT RUTTING TESTER
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS DE PISTA
Una probeta compactada en condiciones normalizadas
se somete, a 60ºC, a la acción cíclica de una rueda que
aplica una presión de 9 kg/cm2 durante 120 minutos
Se determina la velocidad de deformación (VD) de la
probeta en el intervalo comprendido entre 105 y 120
minutos
Se considera aceptable un VD menor de 15 μm/min si
la temperatura de la región es mayor de 24º C, y menor
de 20 μm/min si la temperatura es menor o igual a 24º C
ENSAYOS DE PISTA
AHUELLAMIENTO
Ensayo de pista de laboratorio
ENSAYO DE PISTA DE LABORATORIO
AHUELLAMIENTO
ENSAYOS DE PISTA
EVALUACIÓN DE LAS MEZCLAS
DE CONCRETO ASFÁLTICO
AGRIETAMIENTO
TÉRMICO
AGRIETAMIENTO TÉRMICO
La disminución de temperatura crea un estado de
esfuerzos de tensión térmica en las capas asfálticas, el
cual se traduce en la formación de grietas transversales
AGRIETAMIENTO TÉRMICO
PAVIMENTO CON GRIETAS DE ORIGEN TÉRMICO
CRITERIOS DE SUSCEPTIBILIDAD TÉRMICA DEL ASFALTO
1. Número penetración - viscosidad (PVN)
AGRIETAMIENTO TÉRMICO
CRITERIOS DE SUSCEPTIBILIDAD TÉRMICA DEL ASFALTO
2. Índice de penetración (IP)
Criterio:
Se considera que un asfalto con IP mayor de -1.5 presenta
una baja susceptibilidad térmica
AGRIETAMIENTO TÉRMICO
CRITERIOS DE SUSCEPTIBILIDAD TÉRMICA DEL ASFALTO
3. Empleo del reómetro de flexión de viga (SUPERPAVE)
Caracteriza las propiedades de stiffness del ligante abajas temperaturas
Mide el stiffness en ―creep‖(S) y el logaritmo de laviscosidad de deformación en ―creep‖ (m)
Ligantes con bajo stiffness en creep no se fisurarán entiempo muy frío
La máxima temperatura a la cual m = 0.300 y S = 300MPa se denomina temperatura crítica (Tb)
AGRIETAMIENTO TÉRMICO
MODELO DE PREDICCIÓN DE AGRIETAMIENTO TÉRMICO
(Boutin & Lupien)
1. Determinar la temperatura crítica en el instante (Tb(t))
Tb(t) = Tbo + t
Tbo =temperatura crítica del asfalto en el tanque, según el
reómetro de flexión de viga (BBR), antes de su uso (° C)
t = tiempo que corresponde a la edad del pavimento (años)
2. Verificar la siguiente desigualdad
Tb(t) - T0.5D 2 °C
T0.5D = temperatura en la mitad del espesor de la capa asfáltica,
(°C)
AGRIETAMIENTO TÉRMICO
MODELO DE PREDICCIÓN DE AGRIETAMIENTO TÉRMICO
(Boutin & Lupien)
3. Predecir el agrietamiento
Si la desigualdad no se cumple, no se observa agrietamiento
térmico
Si la desigualdad se cumple, el agrietamiento se presenta de
acuerdo con la expresión:
τ = 667 - 632e-0.02t
τ = número esperado de grietas transversales por kilómetro en el
año t
AGRIETAMIENTO TÉRMICO
ENSAYOS PARA CARACTERIZAR EL AGRIETAMIENTO A BAJA
TEMPERATURA
Ensayo de tensión indirecta
(AASHTO TP 9)
Constituye una segunda fase del
ensayo de creep estático diametral
El análisis para agrietamiento
térmico se realiza a -20, -10 y 0 °C,
aplicando una carga diametral a
razón de 12.5 mm/minuto hasta que
la carga comience a decrecer por
falla de la probeta
AGRIETAMIENTO TÉRMICO
Ensayo de probeta sometida a
esfuerzo térmico restringido
(AASHTO TP 10)
Un núcleo de mezcla de 60 mm
de diámetro y 250 mm de altura es
enfriado a tasa constante mientras
se restringe su contracción
El esfuerzo de tensión que se va
desarrollando es medido durante el
ensayo, así como la temperatura a la
cual ocurre la fractura de la probeta
AGRIETAMIENTO TÉRMICO
ENSAYOS PARA CARACTERIZAR EL AGRIETAMIENTO A BAJA
TEMPERATURA
RESULTADOS TÍPICOS DE UN ENSAYO DE PROBETA SOMETIDA A
ESFUERZO TÉRMICO RESTRINGIDO
AGRIETAMIENTO TÉRMICO
ENSAYOS PARA CARACTERIZAR EL AGRIETAMIENTO A BAJA
TEMPERATURA
EVALUACIÓN DE LAS MEZCLAS
DE CONCRETO ASFÁLTICO
SUSCEPTIBILIDAD A
LA HUMEDAD
SUSCEPTIBILIDAD A LA HUMEDAD
Existen tres mecanismos por medio de los cuales la
humedad puede degradar la integridad de una mezcla de
concreto asfáltico:
—Pérdida de cohesión (resistencia) de la película de
asfalto
—Falla de la adhesión entre el agregado y el asfalto
—Degradación o fractura de partículas individuales
de agregado por ciclos de congelación
Se han desarrollado muchos ensayos para predecir la
susceptibilidad de las mezclas de concreto asfáltico a la
humedad
SUSCEPTIBILIDAD A LA HUMEDAD
ENSAYOS PARA CARACTERIZAR LA SUSCEPTIBILIDAD DE
LAS MEZCLAS A LA HUMEDAD
SUSCEPTIBILIDAD A LA HUMEDAD
ENSAYOS PARA CARACTERIZAR LA SUSCEPTIBILIDAD DE
LAS MEZCLAS A LA HUMEDAD
SUSCEPTIBILIDAD A LA HUMEDAD
ENSAYOS PARA CARACTERIZAR LA SUSCEPTIBILIDAD DE
LAS MEZCLAS A LA HUMEDAD (cont.)
SUSCEPTIBILIDAD A LA HUMEDAD
ENSAYOS PARA CARACTERIZAR LA SUSCEPTIBILIDAD DE
LAS MEZCLAS A LA HUMEDAD (cont.)
SUSCEPTIBILIDAD A LA HUMEDAD
ENSAYOS PARA CARACTERIZAR LA SUSCEPTIBILIDAD DE
LAS MEZCLAS A LA HUMEDAD (cont.)
SUSCEPTIBILIDAD A LA HUMEDAD
No existe ningún ensayo que demuestre ser definitivamente
―superior‖ a los demás y que permita identificar la susceptibilidad
de la mezcla a la humedad en todos los casos
Muchas mezclas se han comportado satisfactoriamente en el
campo a pesar de no cumplir los criterios de los ensayos y muchas
otras se han comportado pobremente a pesar de cumplirlos
De acuerdo con la experiencia actual, el ensayo Lottman
modificado (AASHTO T 283 – INV E-725) parece el más
apropiado para detectar el daño por humedad en las mezclas de
concreto asfáltico y está incluido en los procedimientos de diseño
de mezclas SUPERPAVE y en las especificaciones del INVÍAS
COMENTARIOS SOBRE LOS ENSAYOS
SUSCEPTIBILIDAD A LA HUMEDAD
EVALUACIÓN DE LAS MEZCLAS
DE CONCRETO ASFÁLTICO
FRICCIÓN
FRICCIÓN
Es la relación entre la fuerza vertical y la fuerza
horizontal desarrollada entre la superficie del pavimento
y los neumáticos, que resiste el deslizamiento de estos
últimos cuando se aplican los frenos al vehículo.
CARACTERÍSTICAS DE FRICCIÓN
Idealmente, la fricción en condición húmeda debería ser
tan alta como en condición de superficie seca
Mientras la fricción en estado seco es relativamente
independiente de la velocidad, en condición húmeda la
situación es muy diferente
La fricción se puede reducir con el transcurso del
tiempo, por pulimento de los agregados de la capa
superficial o por exudación de la mezcla
FRICCIÓN
COMPONENTES DE LA FRICCIÓN
La fricción de la superficie de un pavimento es función de dos
componentes: microtextura y macrotextura
La microtextura es suministrada por las pequeñas asperezas
superficiales de las partículas de agregado y produce una buena
resistencia friccional entre la llanta y el pavimento
La macrotextura es suministrada por las asperezas mayores
y proporciona canales de drenaje para la expulsión del agua
entre el neumático y el pavimento, garantizando el adecuado
contacto entre ellos y previniendo el hidroplaneo
FRICCIÓN
CLASES DE TEXTURA SUPERFICIAL
FRICCIÓN
VARIACIÓN DE LA FRICCIÓN CON LA VELOCIDAD DE
DESLIZAMIENTO
FRICCIÓN
EQUIPOS PARA LA MEDIDA DE LA FRICCIÓN
MODO EQUIPOS REPRESENTATIVOS OBSERVACIONES
OPERACIONAL
Rueda bloqueada Trailer ASTM E-274 Remolque donde va la rueda de medida arrastrada a velocidad
(locked wheel testers) Diagonal Braked Vehicle (DBV) constante y frena en el instante de la medición. La velocidad
Polish SRT-3 relativa entre el neumático y el pavimento es igual a la del
Skidómetro BV-8 vehículo. El grado de deslizamiento es 100%
Adhera - LCPC
Rueda oblicua respecto Mu Meter Autopropulsados. La rueda de medida forma un ángulo
del sentido de marcha SCRIM respecto del sentido del movimiento del equipo, sin aplicar
(side force measurement) Odoliograph otra condición de frenado. Miden el esfuerzo lateral,
Stradograph perpendicular al plano de rotación. La velocidad relativa de la
rueda de medida es del orden de la velocidad del vehículo (V)
por el seno del ángulo de deriva (a) y, por lo tanto, es una
medida de baja velocidad. Por ello, el sistema es sensible
principalmente a la microtextura
Rueda parcialmente bloqueada Trailer DWW Realizan registro continuo de la fricción si la relación
(con grado de deslizamiento fijo) Griptester de deslizamiento es pequeña. Estos equipos suelen operar
(fixed slip devices) Saab Friction Tester con un grado de deslizamiento de 10 a 20% y su medida de
Runway Friction Tester fricción es de baja velocidad, ya que la velocidad de
deslizamiento es el producto de la velocidad (V) por el tanto
por uno de deslizamiento. Estos equipos no miden la
fricción máxima
Rueda parcialmente bloqueada Komatsu Skid Tester Miden a diferente grado de deslizamiento y, por lo tanto,
(con grado de deslizamiento variable) ROAR brindan la mayor cantidad de información sobre las
(variable slip devices) Norsemeter características de fricción pavimento - neumático
Zapatas Péndulo de fricción TRL Equipos portátiles. Miden la fricción entre una zapata
(slider) deslizante de caucho y la superficie del pavimento. El grado
de deslizamiento es de 100%.
FRICCIÓN
EQUIPOS PARA LA MEDIDA DE LA FRICCIÓN
FRICCIÓN
EQUIPOS PARA LA MEDIDA DE LA FRICCIÓN
Equipo de rueda bloqueada
Péndulo portátil TRL
FRICCIÓN
El coeficiente de fricción se reduce al aumentar la
velocidad de deslizamiento, en especial cuando la
macrotextura es fina
En carreteras de alta velocidad, es conveniente tener
conocimiento de la fricción a velocidades intermedias y
altas
La medida de la fricción a alta velocidad se hace de
manera indirecta, a partir de mediciones de macrotextura
o rugosidad:
— Ensayo del círculo de arena
— Drenómetros
— Perfilómetros Láser
FRICCIÓN
TEXTURA
FRICCIÓN
TEXTURA
PERFILÓMETROS LÁSER DE ALTA VELOCIDAD
FRICCIÓN
TEXTURA
Índice de fricción internacional (IFI)
Los diferentes equipos para la medida de fricción y
textura y tienen concepciones y escalas de referencia
propias, razón por la cual no es fácil comparar los valores
obtenidos con ellos
La AIPCR promovió el desarrollo del índice de fricción
internacional (IFI), el cual es una referencia universal de la
fricción y de la textura del pavimento, independiente de los
aparatos con los cuales se midan la textura y la fricción
FRICCIÓN
FRICCIÓN Y TEXTURA
Índice de fricción internacional (IFI)
IFI = (F60 , Sp)
F60 = Constante de fricción a 60 km/h (depende de la
fricción y de la macrotextura)
Sp = Constante de referencia de velocidad, km/h (depende
de la macrotextura)
FRICCIÓN
FRICCIÓN Y TEXTURA
Determinación de la constante de referencia de
velocidad (Sp)
Sp = a + b*Tx
Tx = Valor medido de la macrotextura
a, b = Constantes que dependen del equipo con el cual se
ha efectuado la medida (Tabla 24 del documento AIPCR)
FRICCIÓN
FRICCIÓN Y TEXTURA
Determinación de la constante de fricción a 60 kph (F60)
Se establece la velocidad de operación del equipo de medida
(S) y se le aplica un factor de corrección según el tipo de
equipo utilizado (rueda bloqueada, rueda parcialmente
bloqueada, rueda oblicua)
Se mide la fricción superficial con el equipo escogido (FRS)
Se determina el valor F60 con la expresión:
F60 = A + B*(FRS)*e (S - 60)/Sp
A, B = constantes que dependen del equipo usado para la
medida (Tabla 25 del documento AIPCR)
FRICCIÓN
FRICCIÓN Y TEXTURA
El valor F60 es una medida normalizada de la fricción
a 60 km/h
Con los valores de F60 y Sp se puede calcular la
fricción a cualquier otra velocidad de deslizamiento (S),
mediante la expresión:
F(S) = F60*e(60-S)/Sp
FRICCIÓN
FRICCIÓN Y TEXTURA
Ejemplo de determinación del IFI
Fricción medida con el SCRIM del Ministerio de
Fomento de España a 50 km/h. El aparato tiene un
ángulo de deriva de 20º y la fricción obtenida fue 0.65
La textura superficial se determinó con el círculo de
arena y el valor obtenido fue 1 milímetro
FRICCIÓN
FRICCIÓN Y TEXTURA
FRICCIÓN
FRICCIÓN Y TEXTURA
Medida de fricción
Medida de textura
Solución al ejemplo de determinación del IFI
Determinación de Sp
—El círculo de arena corresponde al equipo A8 del
experimento AIPCR, para el cual la Tabla 24 del
documento indica que a = - 11.5981 y b = 113.63246
Sp = - 11.5981 + 113.63246*1 = 102 km/h
FRICCIÓN
FRICCIÓN Y TEXTURA
Solución al ejemplo de determinación del IFI (cont.)
Velocidad de operación corregida por el ángulo de
deriva del equipo:
S = 50 * sen 20º = 17.1 km/h
El SCRIM empleado es el equipo C6E del experimento
AIPCR, para el cual la Tabla 5 del documento indica que
A = 0.0319 y B = 0.8734
F60 = 0.0319 + 0.8734*0.65*e (17.1 – 60)/102 = 0.41
FRICCIÓN
FRICCIÓN Y TEXTURA
Solución al ejemplo de determinación del IFI (cont.)
Expresión del IFI
(0.41, 102)
La expresión de la curva de fricción de referencia es
F (S) = 0.41 * e (60 – S)/102
Así, por ejemplo, si la velocidad es 80 km/h, la fricción
a dicha velocidad será:
F (S) = 0.41 * e (60 – 80)/102 = 0.34
FRICCIÓN
FRICCIÓN Y TEXTURA
REVESTIMIENTOS BITUMINOSOS
MEZCLAS ABIERTAS
EN CALIENTE
MEZCLA ABIERTA EN CALIENTE
Definición
Mezcla destinada al alivio del reflejo de las juntas y
grietas durante las operaciones de rehabilitación de un
pavimento
Está constituida por una combinación, en caliente, de
un agregado pétreo con baja o nula proporción de finos y
una cantidad muy limitada de cemento asfáltico, la cual
se define por tanteos en obra (rango: 1.5% - 3.0 %)
Al compactar la mezcla en obra, presenta un elevado
volumen de vacíos con aire (superior a 20%) que controla
la transmisión de las juntas y las grietas del pavimento
existente a la capa densa que se construya como refuerzo
MEZCLA ABIERTA EN CALIENTE
Granulometría agregados pétreos
TAMIZ PORCENTAJE QUE PASA
Normal Alterno MAC-1 MAC-2 MAC-3
75 mm
63 mm
50 mm
37.5 mm
19.0 mm
9.5 mm
4.75 mm
2.36 mm
150 m
3‖
2 1/2‖
2‖
1 1/2‖
3/4‖
3/8‖
No.4
No.8
No.100
100
95-100
-
30-70
3-20
0-5
-
-
-
-
100
-
35-70
5-20
-
-
0-5
-
-
-
100
75-90
50-70
-
8-20
-
0-5
Ligante asfáltico
Cemento asfáltico del tipo 60 - 70
REVESTIMIENTOS BITUMINOSOS
MEZCLAS SMA
MEZCLAS SMA
SMA significa ―Stone Matrix Asphalt‖ o ―Stone Mastic
Asphalt‖ y es una mezcla asfáltica en caliente de
gradación discontinua para capa de rodadura, desarrollada
para maximizar la resistencia al ahuellamiento y la
durabilidad
Definición
Aspecto de una capa de SMA Probeta de SMA
Una mezcla SMA está compuesta por:
— Agregados con un esqueleto granular fuerte, que
proporciona el contacto ―piedra con piedra‖ que
previene el ahuellamiento y suministra resistencia
al deslizamiento
—Un mortero asfáltico de alta viscosidad, constituido
por arena, llenante mineral, un elevado contenido de
asfalto modificado y un agente estabilizante (fibras
minerales o de celulosa) que se agrega para minimizar
el escurrimiento del asfalto y suministrar al mortero
una consistencia satisfactoria
Composición
MEZCLAS SMA
MEZCLAS SMA
Composición
MEZCLAS SMA
Agregados pétreos
Los requisitos de calidad de los agregados grueso y
fino son prácticamente los mismos que se exigen a los
agregados para las mezclas de concreto asfáltico
Los siguientes se pueden considerar como adicionales:
MATERIALES PARA LA MEZCLA
MEZCLAS SMA
Granulometrías recomendadas por NCHRP 9-8
MATERIALES PARA LA MEZCLA
Agregados pétreos
MEZCLAS SMA
MATERIALES PARA LA MEZCLA
Agente estabilizante
Se incluye para minimizar el escurrimiento del asfalto
en la mezcla y contribuir en la adecuada consistencia del
mortero
Está constituido por fibras de celulosa o de tipo mineral
La cantidad en la cual se debe incorporar es, como
mínimo, 0.3 % respecto del peso de la mezcla
Ligante bituminoso
Asfalto modificado con polímero, Tipo II o Tipo III
MEZCLAS SMA
MATERIALES PARA LA MEZCLA
MEZCLAS SMA
MATERIALES PARA LA MEZCLA
MEZCLAS SMA
DISEÑO DE LA MEZCLA
Generalidades
El diseño incluye una dosificación de tipo volumétrico
y una verificación de la susceptibilidad de la mezcla a la
humedad
Además, involucra dos ensayos que no son típicos de
la mayoría de las mezclas densas en caliente:
—Determinación de vacíos en el agregado grueso
—Escurrimiento
MEZCLAS SMA
DISEÑO DE LA MEZCLA
1. Selección de la gradación
Para el TMN elegido se evalúan 3 posibles gradaciones
dentro de la franja maestra de la especificación
El tamiz que separa el agregado grueso del fino se
denomina tamiz del ―punto de corte‖
Tamices de punto de corte para diferentes TMN
MEZCLAS SMA
DISEÑO DE LA MEZCLA
2. Determinación de los vacíos en el agregado grueso
Esta prueba se realiza para evaluar la existencia de
contacto entre partícula y partícula del agregado grueso
Los VAG se determinan a partir del peso unitario
apisonado del agregado grueso -(γa)- (norma de ensayo
AASHTO T 19) y de la gravedad específica bulk del
agregado grueso (Gag)
100*wag
awag
drcG
GVGA
MEZCLAS SMA
DISEÑO DE LA MEZCLA
3. Selección del contenido de asfalto de prueba
El mínimo contenido de ligante efectivo de la SMA es
6 %
Se recomienda que el contenido de asfalto de la mezcla
en la fase de selección de gradación sea 7.0% para la
TMN-9.5; 6.7% para la TNM-12.5 y 6.0% para la TMN
y la TMN-25.0
MEZCLAS SMA
DISEÑO DE LA MEZCLA
4. Preparación y compactación de las mezclas en la fase
de selección
Se requiere un total de 12 muestras: 4 para cada una de las 3
gradaciones de prueba
Cada muestra es mezclada con el contenido de asfalto de prueba
Tres de la cuatro muestras para cada gradación se compactan
con 100 giros del Compactador Giratorio Superpave o con 50
golpes por cara, según la técnica Marshall
Con la cuarta mezcla de cada grupo se determina la gravedad
específica máxima medida (Gmm) (AASHTO T 209)
MEZCLAS SMA
DISEÑO DE LA MEZCLA
5. Selección de la gradación deseada
Se determina la gravedad específica bulk de las probetas
compactadas (Gmb)
Para cada grupo de probetas se calculan los promedios de
vacíos con aire (Va), vacíos en el agregado grueso (VAGmix)
y vacíos en los agregados minerales (VAM)
De todas las mezclas de prueba ensayadas, aquella con el
más alto porcentaje que pase el tamiz del ―punto de
quiebre‖, que simultáneamente cumpla el requerimiento los
de VAM mínimos y presente un valor VAG mix < VAGdrc, se
elige como gradación deseada
MEZCLAS SMA
DISEÑO DE LA MEZCLA
5. Selección de la gradación deseada (cont.)
m
ac
mb
ag
ag
mb
mix
mm
mb
a
PG
GVAM
PG
GVAG
G
GV
*100
*100
100*1
Pag = porcentaje de agregado grueso dentro de la mezcla total
Pm = porcentaje de agregado en las mezcla
Gac = peso específico bulk del todo el agregado combinado
MEZCLAS SMA
DISEÑO DE LA MEZCLA
6. Selección del contenido óptimo de ligante
Elegida la gradación deseada, se elaboran nuevas mezclas
con un total de tres contenidos de asfalto (incluyendo
valores por encima y debajo del contenido de prueba)
Para cada contenido de asfalto se preparan 4 muestras, 3
de las cuales se compactan como las de la fase de selección
y la cuarta se usa para la determinación de la gravedad
específica máxima medida (G mm)
El contenido óptimo de ligante es aquél con el cual se
obtiene 4.0 % de vacíos con aire, siempre y cuando se
satisfagan los VAM mínimos y VAG mix < VAG drc
MEZCLAS SMA
DISEÑO DE LA MEZCLA
7. Ensayo de escurrimiento
El ensayo se realiza según la norma AASHTO T 305
El ensayo se realiza colocando una muestra de la mezcla
suelta en un horno a la temperatura anticipada de
producción en la planta, dentro de una canasta de malla de
tamiz de ¼‖ durante 1 hora y pesando el material que haya
drenado a través de la malla durante dicho lapso
Si el resultado no satisface el máximo especificado de
0.30 %, se debe incrementar la proporción de fibras en la
mezcla, hasta reducir el escurrimiento a un límite aceptable
MEZCLAS SMA
DISEÑO DE LA MEZCLA
7. Ensayo de escurrimiento
CANASTA DE
MALLA DE
ABERTURA ¼”
MEZCLA EN EL HORNO
MEZCLAS SMA
DISEÑO DE LA MEZCLA
7. Ensayo de escurrimiento
ESCURRIMIENTO DE
MEZCLA CON 0.3% DE
FIBRA, A 158º C
ESCURRIMIENTO DE
MEZCLA SIN FIBRAS,
A 158º C
8. Evaluación de la sensibilidad a la humedad (AASHTO T 283)
DISEÑO DE LA MEZCLA
MEZCLAS SMA
La evaluación se realiza mediante el ensayo de tensión
indirecta, sometiendo las probetas cilíndricas a
compresión hasta la falla a lo largo de dos generatrices
opuestas, con una velocidad de deformación de 50
mm/minuto a 25° C
Este modo de carga produce un esfuerzo horizontal de
tensión a lo largo del eje vertical y uno de compresión a
lo largo del diámetro horizontal
La falla se produce por agrietamiento por tensión a lo
largo del diámetro vertical
DISEÑO DE LA MEZCLA
8. Evaluación de la sensibilidad a la humedad (AASHTO T 283)
MEZCLAS SMA
Ensayo de tensión indirecta
tD
PST
**
*2000
ST = resistencia a la tensión indirecta, kPa
P = carga máxima, N
D = diámetro de la probeta, mm
t = espesor de la probeta, mm
DISEÑO DE LA MEZCLA
MEZCLAS SMA
DISEÑO DE LA MEZCLA
8. Evaluación de la sensibilidad a la humedad (AASHTO T 283)
MEZCLAS SMA
MEZCLAS SMA
CRITERIO DE DISEÑO PARA MEZCLAS SMA
MEZCLAS SMA
CARACTERIZACIÓN DE LA MEZCLA SMA, CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS
Módulo dinámico
Los módulos dinámicos de las mezclas SMA tienden a
ser algo mayores que los de las mezclas convencionales y
presentan la misma susceptibilidad a la temperatura
Pruebas de tensión indirecta bajo carga repetida (ASTM
D 4123 – INV E-749) sobre mezclas SMA con asfaltos
convencionales y modificados y diferentes tipos de
llenantes, mostraron valores de módulo resiliente en el
entorno de 1,000 MPa a 35º C y entre 5,000 y 6,000 MPa a
15º C
MEZCLAS SMA
CARACTERIZACIÓN DE LA MEZCLA SMA, CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS
MEZCLAS SMA A LAS CUALES SE ESTUDIARON MÓDULOS
RESILIENTES Y RESISTENCIA A FATIGA (Lago, 2003)
MEZCLAS SMA
CARACTERIZACIÓN DE LA MEZCLA SMA, CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS
Módulo dinámico
MEZCLAS SMA
CARACTERIZACIÓN DE LA MEZCLA SMA, CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS
Resistencia a la fatiga
ECUACIONES DE FATIGA EN ENSAYO A
ESFUERZO CONTROLADO A 20º C y 1 Hz
MEZCLAS SMA
CARACTERIZACIÓN DE LA MEZCLA SMA, CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS
Resistencia a la fatiga
MEZCLAS SMA
COMPARACIÓN DE VIDAS A FATIGA DE MEZCLAS SMA CON ASFALTO MODIFICADO Y DE UNA MEZCLA DENSA
CONVENCIONAL CON ASFALTO MODIFICADO
REVESTIMIENTOS BITUMINOSOS
MEZCLAS ASFÁLTICAS
DE ALTO MÓDULO
MEZCLA ASFÁLTICA DE ALTO MÓDULO
Capa de mezcla asfáltica, usada como base, elaborada
en caliente, cuya rigidez es del orden del doble o del triple
de la que presentan las mezclas asfálticas convencionales
Se elabora con un cemento asfáltico de baja penetración
y un agregado pétreo con fuerte esqueleto mineral, de
manera de lograr una gran capacidad de absorción de
esfuerzos y gran resistencia al ahuellamiento
El empleo de un contenido de ligante relativamente alto
mejora el comportamiento a la fatiga de la mezcla,
haciéndolo comparable al de una mezcla tradicional
AGREGADOS PÉTREOS PARA MEZCLAS
ASFÁLTICAS DE ALTO MÓDULO
MEZCLA ASFÁLTICA DE ALTO MÓDULO
AGREGADOS PÉTREOS PARA MEZCLAS
ASFÁLTICAS DE ALTO MÓDULO
MEZCLA ASFÁLTICA DE ALTO MÓDULO
CEMENTO ASFÁLTICO PARA MEZCLAS
ASFÁLTICAS DE ALTO MÓDULO
Se pueden emplear:
— Cementos asfálticos de destilación directa, de
baja penetración (10 - 25) y punto de ablandamiento
elevado (60ºC ó más)
—Cementos asfálticos modificados con polímero de
penetración 20 – 40. En este caso, se brinda al
producto una mayor flexibilidad
MEZCLA ASFÁLTICA DE ALTO MÓDULO
CEMENTO ASFÁLTICO PARA MEZCLAS
ASFÁLTICAS DE ALTO MÓDULO
MEZCLA ASFÁLTICA DE ALTO MÓDULO
DISEÑO DE LA MEZCLA ASFÁLTICA DE ALTO
MÓDULO
Se suele emplear el método Marshall, debiendo cumplirse
los siguientes requisitos
Requisito adicional
MEZCLA ASFÁLTICA DE ALTO MÓDULO
DISEÑO DE LA MEZCLA ASFÁLTICA DE
ALTO MÓDULO
Ensayo de pista de laboratorio
MEZCLA ASFÁLTICA DE ALTO MÓDULO
DISEÑO DE LA MEZCLA ASFÁLTICA DE
ALTO MÓDULO
Ensayo de pista de laboratorio
MEZCLA ASFÁLTICA DE ALTO MÓDULO
CARACTERIZACIÓN DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS DE ALTO MÓDULO CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS
Módulo dinámico
Los módulos dinámicos de las mezclas de alto
módulo son sustancialmente más elevados que los de
los concretos asfálticos convencionales, para cualquier
temperatura y frecuencia
Los ensayos para su determinación son los mismos
descritos para los concretos asfálticos
MEZCLA ASFÁLTICA DE ALTO MÓDULO
CARACTERIZACIÓN DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS DE ALTO MÓDULO CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS
MÓDULOS DINÁMICOS DE UNA MEZCLA TÍPICA DE BOGOTÁ
Universidad de los Andes (2001)
MEZCLA ASFÁLTICA DE ALTO MÓDULO
CARACTERIZACIÓN DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS DE ALTO MÓDULO CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS
Resistencia a la fatiga
Las leyes de fatiga de las mezclas de alto módulo adoptan
la misma expresión que en las demás mezclas asfálticas:
log ε = A + B log N
ε = deformación aplicada, multiplicada por 106
N = número de ciclos con el que dicha deformación
conduce a la rotura
A, B = coeficientes adimensionales propios de cada mezcla
MEZCLA ASFÁLTICA DE ALTO MÓDULO
CARACTERIZACIÓN DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS DE ALTO MÓDULO CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS
PARÁMETROS DE LEYES DE FATIGA DE MEZCLAS ESPAÑOLAS Y
COLOMBIANAS DETERMINADOS A 20º C Y FRECUENCIA DE 10 Hz
NOTA : Los parámetros que dan mayores resistencia a fatiga son
los más elevados en el caso de A y los más bajos en valor absoluto
en el caso de B
MEZCLA ASFÁLTICA DE ALTO MÓDULO
REVESTIMIENTOS BITUMINOSOS
MEZCLA DISCONTINUA
EN CALIENTE PARA
CAPA DE RODADURA
MEZCLA DISCONTINUA EN CALIENTE
PARA CAPA DE RODADURA
Definición
Mezcla para capa de rodadura de reducido espesor,
elaborada en caliente, empleando un agregado pétreo de
tamaño máximo nominal comprendido entre 8 mm y 10
mm, con una marcada discontinuidad entre los tamaños
de 2 mm y 4.75 mm
La discontinuidad granulométrica brinda características
favorables en cuanto a sonoridad, fricción y drenabilidad
superficial
Esta mezcla se conoce como “microaglomerado en
caliente”
MEZCLA DISCONTINUA EN CALIENTE
PARA CAPA DE RODADURA
Tramo de microaglomerado en caliente en el sector
San Felipe – Los Andes (Chile)
MEZCLA DISCONTINUA EN CALIENTE
PARA CAPA DE RODADURA
Aplicaciones
Restauración de la resistencia al deslizamiento sobre
pavimentos estructuralmente competentes
Mejoramiento del drenaje superficial
Rejuvenecimiento de superficies de rodamiento
Actuación de mantenimiento periódico de la calzada,
sin incremento excesivo de cotas
MEZCLA DISCONTINUA EN CALIENTE
PARA CAPA DE RODADURA
TAMIZ PORCENTAJE QUE PASA
Normal Alterno M-1 M-2 F-1 F-2
12.5 mm 1/2‖ 100 100
9.5 mm 3/8‖ 75-97 100 75-97 100
8.0 mm 5/16‖ - 75-97 - 75-97
4.75 mm No.4 15-28 15-28 25-40 25-40
2.00 mm No.10 11-22 11-22 18-32 18-32
425 m No.40 8-16 8-16 10-20 10-20
75 m No.200 5-8 5-8 7-10 7-10
Ligante bituminoso
Asfalto modificado con polímeros, tipo II o tipo III
Granulometría de los agregados
MEZCLA DISCONTINUA EN CALIENTE
PARA CAPA DE RODADURA
FRANJA GRANULOMÉTRICA TÍPICA PARA MEZCLA
DISCONTINUA EN CALIENTE PARA CAPA DE RODADURA
MEZCLA DISCONTINUA EN CALIENTE
PARA CAPA DE RODADURA
1. Preparación de las mezclas
Se elaboran mezclas con 1,000 gramos de agregados ydiferentes porcentajes de ligante, a una temperatura quecorresponda a una viscosidad del ligante entre 150 y 190centistokes, verificando que no haya escurrimiento delligante a dicha temperatura
Se deben elaborar por lo menos 4 mezclas para cadaporcentaje de ligante utilizado
DISEÑO MEZCLAS TIPO M
Ensayo Cántabro (INV E -760)
MEZCLA DISCONTINUA EN CALIENTE
PARA CAPA DE RODADURA
2. Compactación de probetas y determinación de
vacíos
Se compactan las mezclas mediante la técnicaMarshall, a la temperatura apropiada, aplicando 50golpes por cara a cada probeta
Se pesan las probetas y se dividen en dos grupos
Se determinan los vacíos con aire de las probetas a
partir de la medida geométrica de su volumen y de la
densidad relativa de los materiales
DISEÑO MEZCLAS TIPO M
Ensayo Cántabro (INV E -760)
MEZCLA DISCONTINUA EN CALIENTE
PARA CAPA DE RODADURA
3. Prueba de desgaste
Las probetas para ensayo en seco se dejan en reposodurante 6 horas
Se introducen las probetas en la máquina de losÁngeles sin esferas y se someten a 300 vueltas
Se pesan las probetas luego del ensayo
Se calculan las pérdidas de peso de las probetas, enporcentaje
DISEÑO MEZCLAS TIPO M
Ensayo Cántabro (INV E -760)
MEZCLA DISCONTINUA EN CALIENTE
PARA CAPA DE RODADURA
3. Prueba de desgaste
DISEÑO MEZCLAS TIPO M
Ensayo Cántabro (INV E -760)
Probetas ensayadas con distinto contenido de ligante
MEZCLA DISCONTINUA EN CALIENTE
PARA CAPA DE RODADURA
4.Verificación de la adhesividad
El juego de probetas destinado a verificar la
adhesividad se somete a inmersión a 60oC por 24 horas
Se efectúa el ensayo de desgaste como a las probetas
ensayadas en seco y se calculan las pérdidas de peso
correspondientes
DISEÑO MEZCLAS TIPO M
Ensayo Cántabro (INV E -760)
MEZCLA DISCONTINUA EN CALIENTE
PARA CAPA DE RODADURA
DISEÑO MEZCLAS TIPO M
Ensayo Cántabro (INV E -760)
MEZCLA DISCONTINUA EN CALIENTE
PARA CAPA DE RODADURA
1. Preparación de las probetas
Como en el ensayo Marshall convencional,compactando con 50 golpes por cara
2. Análisis de densidad y de vacíos y ensayo de
estabilidad y flujo
Como en el ensayo Marshall convencional
3. Criterio de dosificación
Estabilidad : 750 kg mínimo
Vacíos con aire : 4% mínimo
DISEÑO MEZCLAS TIPO F
Ensayo Marshall
MEZCLA DISCONTINUA EN CALIENTE
PARA CAPA DE RODADURA
4. Verificaciones
Comprobación de la adhesividad mediante el ensayo
de tensión indirecta (INV E-725)
Criterio
La pérdida de resistencia no debe exceder de 20%
DISEÑO MEZCLAS TIPO F
Ensayo Marshall
MEZCLA DISCONTINUA EN CALIENTE
PARA CAPA DE RODADURA
4. Verificaciones
Medida de la resistencia a la deformación plástica
(norma de ensayo INV E-756)
Criterio
En el intervalo de 105 a 120 minutos:
VD ≤ 0.012 mm/ minuto ( Si T > 24o C)
VD ≤ 0.015 mm/ minuto (Si T ≤ 24o C)
DISEÑO MEZCLAS TIPO F
Ensayo Marshall
REVESTIMIENTOS BITUMINOSOS
MEZCLA DRENANTE
Definición
Mezcla asfáltica para capa de rodadura con un
elevado contenido de vacíos con aire, cuyo diseño
da lugar a una superficie de textura abierta y alta
capacidad drenante, a causa de la cual el agua lluvia
que cae sobre la calzada se elimina por infiltración
MEZCLA DRENANTE
MEZCLA DRENANTE
MEZCLA DRENANTE
Características principales
Suministra un adecuado drenaje superficial
Brinda alta resistencia al deslizamiento
Reduce el volumen de agua proyectada al paso de
los vehículos en condición lluviosa
Mejora la visibilidad en condición de pavimento
húmedo
Disminuye el ruido producido por la circulación
vehicular
MEZCLA DRENANTE
TAMIZ PORCENTAJE QUE
PASA
Normal Alterno MD-1
19.0 mm 3/4‖ 100
12.5 mm 1/2‖ 70-100
9.5 mm 3/8‖ 50-75
4.75 mm No.4 15-32
2.00 mm No.10 9-20
425 m No.40 5-12
75 m No.200 3-7
Ligante bituminoso
Asfalto modificado con polímeros, tipo I o tipo II
Granulometría de los agregados
MEZCLA DRENANTE
FRANJA GRANULOMÉTRICA TÍPICA PARA MEZCLA DRENANTE
MEZCLA DRENANTE
DISEÑO MEZCLA
Ensayo Cántabro (INV E -760)
1. Preparación de las mezclas
Se elaboran mezclas con 1,000 gramos de agregados ydiferentes porcentajes de ligante, a una temperatura quecorresponda a una viscosidad del ligante entre 150 y 190centistokes, verificando que no haya escurrimiento delligante a dicha temperatura
Se deben elaborar por lo menos 4 mezclas para cadaporcentaje de ligante utilizado
MEZCLA DRENANTE
2. Compactación de probetas y determinación de
vacíos
Se compactan las mezclas mediante la técnicaMarshall, a la temperatura apropiada, aplicando 50golpes por cara a cada probeta
Se pesan las probetas y se dividen en dos grupos
Se determinan los vacíos con aire de las probetas a
partir de la medida geométrica de su volumen y de la
densidad relativa de los materiales
DISEÑO MEZCLA
Ensayo Cántabro (INV E -760)
MEZCLA DRENANTE
3. Prueba de desgaste
Las probetas para ensayo en seco se dejan en reposodurante 6 horas
Se introducen las probetas en la máquina de losÁngeles sin esferas y se someten a 300 vueltas
Se pesan las probetas luego del ensayo
Se calculan las pérdidas de peso de las probetas, enporcentaje
DISEÑO MEZCLA
Ensayo Cántabro (INV E -760)
MEZCLA DRENANTE
4.Verificación de la adhesividad
El juego de probetas destinado a verificar la
adhesividad se somete a inmersión a 60o C por 24 horas
Se efectúa el ensayo de desgaste como a las probetas
ensayadas en seco y se calculan las pérdidas de peso
correspondientes
DISEÑO MEZCLA
Ensayo Cántabro (INV E -760)
MEZCLA DRENANTE
DISEÑO MEZCLA
Ensayo Cántabro (INV E -760)
REVESTIMIENTOS BITUMINOSOS
MEZCLAS ASFÁLTICAS
EN FRÍO
MEZCLAS ASFÁLTICAS EN FRÍO
Definición
Mezclas constituidas por la combinación de uno o más
agregados pétreos y un llenante mineral (cuando es
necesario), con una emulsión asfáltica y, eventualmente,
agua
Estas mezclas son elaboradas, aplicadas y compactadas
a temperatura ambiente
Existen dos tipos de mezclas asfálticas en frío
— Densas
— Abiertas
MEZCLAS ASFÁLTICAS EN FRÍO
MEZCLAS DENSAS
EN FRÍO
MEZCLA DENSA EN FRÍO
Definición
Combinación de una emulsión asfáltica, agua,
agregados pétreos grueso y fino y, eventualmente, un
llenante mineral, cuya granulometría combinada es
similar a la de un concreto asfáltico; mezcla que es
posible fabricar, extender y compactar a temperatura
ambiente
El agua se debe incorporar a los agregados antes que
la emulsión asfáltica, con el fin de evitar un
rompimiento prematuro de ésta, asegurando un
cubrimiento completo del agregado y una buena
uniformidad en la mezcla.
MEZCLA DENSA EN FRÍO
Granulometría
TAMIZ PORCENTAJE QUE PASA
Normal Alterno MDF-1 MDF-2 MDF-3
37.5 mm
25.0 mm
19.0 mm
12.5 mm
9.5 mm
4.75 mm
2.36 mm
300 m
75 m
1 1/2‖
1‖
3/4‖
1/2‖
3/8‖
No.4
No.8
No.50
No200
100
80-95
-
62-77
-
45-60
35-50
13-23
3-8
-
100
80-95
-
60-75
47-62
35-50
13-23
3-8
-
-
100
80-95
-
50-65
35-50
13-23
3-8
Ligante bituminoso
Emulsión asfáltica catiónica de rotura lenta y controlada
que corresponda a los tipos CRL-1 o CRL-1h
MEZCLA DENSA EN FRÍO
FRANJA GRANULOMÉTRICA TÍPICA PARA MEZCLA
DENSA EN FRÍO
MEZCLA DENSA EN FRÍO
1. Determinación del porcentaje óptimo teórico de
ligante
1.1 Cálculo con base en la superficie específica
L = K (S*A)0.2
Siendo:
L = contenido de ligante residual sobre el peso de los
agregados (%)
K = módulo de riqueza (4.0 – 5.0)
S = superficie específica del agregado (m2/kg)
A = factor de corrección por peso específico del agregado
(A = 1.00 cuando el peso específico es 2.65)
DISEÑO DE LA MEZCLA
MEZCLA DENSA EN FRÍO
1. Determinación del porcentaje óptimo teórico de
ligante (cont.)
DISEÑO DE LA MEZCLA
100
)*(%
FSEtamizunenretenidoS
—Factor de superficie específica (FSE)
FSE = 2.50 (D*d)0.5
Siendo:
D = abertura del tamiz mayor (mm)
d = abertura del tamiz menor (mm)
Superficie específica (S)
MEZCLA DENSA EN FRÍO
1. Determinación del porcentaje óptimo teórico de
ligante (cont.)
DISEÑO DE LA MEZCLA
E = 0.05A + 0.1B +0.5C
Siendo:
E = % teórico de emulsión asfáltica
A = % de agregado retenido en tamiz # 8
B = % de agregado entre tamices # 8 y # 200
C = % que pasa el tamiz # 200
1.2 Método propuesto por AEMA
MEZCLA DENSA EN FRÍO
2. Determinación de los contenidos de agua de envuelta
y compactación
Se efectúan pruebas de envuelta con diferentes
humedades de la mezcla observando la cobertura y, a la
vista de los resultados, se escoge el más conveniente
Para determinar la humedad de compactación, es una
buena guía la humedad óptima del ensayo Proctor
Modificado (INV E-142) sobre los agregados solos
DISEÑO DE LA MEZCLA
MEZCLA DENSA EN FRÍO
3. Ensayos mecánicos para la determinación del
óptimo real de ligante
Existen diversas posibilidades para diseñar en el
laboratorio las mezclas densas en frío, siendo las más
utilizadas:
—Ensayo de inmersión - compresión
—Ensayo Marshall modificado
DISEÑO DE LA MEZCLA
DISEÑO DE LA MEZCLA POR EL MÉTODO DE INMERSIÓN – COMPRESIÓN
1. Determinación de la humedad óptima de compactación
MEZCLA DENSA EN FRÍO
DISEÑO DE LA MEZCLA POR EL MÉTODO DE INMERSIÓN - COMPRESIÓN
2. Determinación del contenido óptimo teórico de ligante
— Fórmula Duriez
5 KL
MEZCLA DENSA EN FRÍO
mmdemenorespartículasf
mmymmentrepartículass
mmymmentrepartículasS
mmymmentrepartículasg
mmdemayorespartículasG
fsSgG
específicaSuperficie
riquezademóduloK
residualasfaltodeL
08.0%
315.008.0%
5315.0%
105%
10%
100/)1351230.233.017.0(
)0.50.4(
%%
DISEÑO DE LA MEZCLA POR EL MÉTODO DE INMERSIÓN – COMPRESIÓN
3. Elaboración de mezclas
Se elaboran mezclas con diferentes cantidades deemulsión, correspondientes a porcentajes de ligante porencima y por debajo del óptimo teórico, manteniendoel contenido óptimo de fluidos de compactación
4. Compactación de probetas
Se compactan probetas de 10 cm por 10 cm de alturamediante compresión creciente hasta alcanzar 210kg/cm2, manteniendo esta presión durante 2 minutos(compactar seis probetas para cada contenido deligante)
MEZCLA DENSA EN FRÍO
DISEÑO DE LA MEZCLA POR EL MÉTODO DE INMERSIÓN – COMPRESIÓN
5. Curado de las probetas
Desmoldado de las probetas y curado al aire durante7 días a 25º C
Separar cada juego de 6 probetas en 2 grupos para elresto del curado:
— Uno de los grupos se mantiene otros 7 días alaire a 25ºC
— El otro grupo se sumerge en agua a 25ºC por 7días
MEZCLA DENSA EN FRÍO
DISEÑO DE LA MEZCLA POR EL MÉTODO DE INMERSIÓN – COMPRESIÓN
6. Ensayo de compresión
Al término del período de curado, se determina ladensidad de las probetas y se rompen por compresiónsimple, promediando las resistencias para cadaporcentaje de ligante (por aparte las curadas en seco ylas curadas en húmedo)
7. Determinación del contenido óptimo de emulsión
Se dibujan gráficas de resistencia seca, resistenciahúmeda y resistencia conservada y se elige elporcentaje óptimo de emulsión, de acuerdo con elcriterio de diseño
MEZCLA DENSA EN FRÍO
Representación gráfica resultados ensayo de inmersión - compresión
MEZCLA DENSA EN FRÍO
CRITERIO DE DISEÑO ARTÍCULO 440 ESPECIFICACIONES INVÍAS
CARACTERIZACIÓN DE LA MEZCLA DENSA EN FRÍO, CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS
Módulo dinámico
La mezcla denominada Tipo I del Instituto delAsfalto, elaborada en planta con agregados procesados ycon propiedades similares a las de un concreto asfáltico,se puede asimilar a una mezcla densa en frío
La variación de su módulo dinámico en el rango de23º C a 38º C (73 a 100º F), luego de curado total, esaltamente coincidente con la que presentan las mezclasde base de concreto asfáltico elaboradas con cementosasfálticos AC – 40
MEZCLA DENSA EN FRÍO
En las mezclas con emulsión asfáltica es muy importante teneren cuenta los efectos del curado en el módulo dinámico
Et = Ef - (Ef - Ei)*RFt
Et = módulo a la temperatura T y tiempo de curado t
Ef = módulo a la temperatura T para la mezcla totalmente curada
Ei = módulo a la temperatura T para la mezcla en estado nocurado (inicial)
CARACTERIZACIÓN DE LA MEZCLA DENSA EN FRÍO, CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS
Módulo dinámico
MEZCLA DENSA EN FRÍO
RFt = factor de reducción que tiene en cuenta la cantidad decurado alcanzada en el tiempo t
CARACTERIZACIÓN DE LA MEZCLA DENSA EN FRÍO, CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS
Módulo dinámico
MEZCLA DENSA EN FRÍO
CARACTERIZACIÓN DE LA MEZCLA DENSA EN FRÍO, CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS
MEZCLA DENSA EN FRÍO
El comportamiento a fatiga de las estabilizaciones conemulsión asfáltica es similar al de las mezclas bituminosas encaliente
Nf = Kt-c
Nf = número de aplicaciones de carga hasta la falla para unadeformación inicial de tensión, t
K, c = constantes de regresión obtenidas del análisis de los datosde la prueba de fatiga
CARACTERIZACIÓN DE LA MEZCLA DENSA EN FRÍO, CON FINES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS
Comportamiento a la fatiga
MEZCLA DENSA EN FRÍO
Criterio de fatiga para mezclas elaboradas con emulsiones asfálticas (CHEVRON)
MEZCLA DENSA EN FRÍO
REVESTIMIENTOS BITUMINOSOS
MEZCLAS ABIERTAS
EN FRÍO
MEZCLA ABIERTA EN FRÍO
Definición
Combinación de un agregado pétreo predominantemente
grueso y de granulometría uniforme, con un ligante
bituminoso, constituyendo un producto que puede ser
elaborado, extendido y compactado a temperatura
ambiente y que presenta un elevado contenido de vacíos
con aire
La mezcla abierta en frío puede ser colocada en obra
inmediatamente después de su fabricación o tras un
período de almacenamiento más o menos largo
MEZCLA ABIERTA EN FRÍO
Características de una mezcla abierta en frío
La resistencia de la mezcla a la acción del tránsito se
debe al rozamiento interno de su esqueleto mineral,
junto con la cohesión que proporciona la película del
ligante asfáltico
La estructura de este esqueleto mineral y el espesor de
la película de ligante, hacen que la mezcla sea
permeable y flexible
MEZCLA ABIERTA EN FRÍO
Granulometría de los agregados
TAMIZ PORCENTAJE QUE PASA
Normal Alterno MAF-1 MAF-2 MAF-3
37.5 mm
25.0 mm
19.0 mm
12.5 mm
9.5 mm
4.75 mm
2.36 mm
75 m
1 1/2‖
1‖
3/4‖
1/2‖
3/8‖
No.4
No.8
No.200
100
70-100
-
25-55
-
0-15
0-5
0-2
-
100
70-100
-
20-45
0-20
0-10
0-2
-
-
100
70-100
-
10-30
0-10
0-2
Ligante bituminoso
Emulsión asfáltica catiónica de rotura media, del tipo
CRM, con fluidificantes, bajo contenido de agua y alta
viscosidad
MEZCLA ABIERTA EN FRÍO
1. Determinación del porcentaje óptimo teórico de
ligante
Cálculo con base en la superficie específica
— El cálculo se realiza como en el caso de las
mezclas densas en frío, empleando un módulo de
riqueza entre 3.5 y 3.7
DISEÑO DE LA MEZCLA
MEZCLA ABIERTA EN FRÍO
2. Ensayos de cubrimiento y desplazamiento
Con diferentes porcentajes de ligante por encima y por
debajo del óptimo teórico se fabrican mezclas a las
cuales se les realizan pruebas de:
- Cubrimiento, para determinar el porcentaje de
cubrimiento de agregados y observar si se producen
peladuras durante el tiempo de envuelta
- Desplazamiento, sometiendo las mezclas a la
acción del agua para estimar el porcentaje de
lavado de los agregados
DISEÑO DE LA MEZCLA
MEZCLA ABIERTA EN FRÍO
3. Selección del porcentaje óptimo de ligante para diseño
DISEÑO DE LA MEZCLA
A la vista de los resultados de las pruebas de
cubrimiento y desplazamiento, se elige el porcentaje de
ligante que se considere más conveniente, el cual se
podrá ajustar luego de las pruebas iniciales de obra
CRITERIOS SOBRE CUBRIMIENTO Y DESPLAZAMIENTO
MEZCLA ABIERTA EN FRÍO
3. Selección del porcentaje óptimo de ligante para diseño
DISEÑO DE LA MEZCLA
Usualmente, una mezcla que responde adecuadamente
a estas pruebas, presenta las siguientes características de
dosificación :
MEZCLAS ASFÁLTICAS EN FRÍO
COMPARACIÓN ENTRE LAS MEZCLAS DENSAS Y ABIERTAS EN FRÍO
PARÁMETRO MEZCLAS DENSAS MEZCLAS ABIERTAS
Emulsión
Tipo Rotura lenta Rotura media
Fluidificantes No Sí
Ligante residual 60% 70%
Película de ligante Delgada Gruesa
Agregados
Granulometría Bien gradada Gruesa y uniforme
pasa tamiz 2mm 20-60 % 0-10 %
pasa tamiz 0.075 mm 3-8% 0-2%
Dosificación
Agua de preenvuelta Necesaria No necesaria
% ligante 4.0 - 5.5 2.5 - 4.0
Criterio de diseño Pruebas mecánicas Subjetivo
Tipo de resistencia Principalmente por cohesión del mortero Por rozamiento interno de los agregados
Otros
Almacenabilidad No Sí
Apertura al tránsito No inmediato Inmediato (con sellado)
Costo Mayor Menor
MATERIALES PARA PAVIMENTOS
RÍGIDOS Y DE ADOQUINES
CONTENIDO
Materiales para la construcción de pavimentos
rígidos
Materiales constitutivos del concreto
Curado del concreto
Ensayos sobre las mezclas de concreto
Diseño de mezclas de concreto hidráulico para
pavimentos
Otros materiales
Materiales para pavimentos articulados
MATERIALES PARA PAVIMENTOS
RÍGIDOS Y DE ADOQUINES
MATERIALES PARA LA
CONSTRUCCIÓN DE
PAVIMENTOS RÍGIDOS
MATERIALES PARA LA
CONSTRUCCIÓN DE PAVIMENTOS RÍGIDOS
Concreto
Mezcla homogénea de cemento Portland, agua, agregados
fino y grueso y aditivos, cuando se requieren
La mezcla de concreto constituye la estructura del
pavimento
MATERIALES PARA LA
CONSTRUCCIÓN DE PAVIMENTOS RÍGIDOS
Acero
Para pasadores y varillas de unión
También para mallas electrosoldadas en pavimentos de
concreto reforzado
Materiales para el curado
Evitan que los agentes atmosféricos sequen
prematuramente la superficie de la losa que se acaba de
vaciar
Sellante para las juntas
Asegura la estanqueidad de las juntas, minimiza la
infiltración de agua superficial y evita la penetración de
partículas sólidas entre las caras de las juntas
MATERIALES PARA LA
CONSTRUCCIÓN DE PAVIMENTOS RÍGIDOS
MATERIALES
CONSTITUTIVOS DEL
CONCRETO
Cemento Portland
Producto obtenido por pulverización del ―clinker‖
Portland, con la adición de una o más formas de
sulfato de calcio, admitiéndose la adición de otros
productos que no afecten las propiedades del
cemento resultante
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
Cemento Portland
ESQUEMA DEL PROCESO DE FABRICACIÓN
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
Cemento Portland
FABRICACIÓN
La combinación más común de ingredientes está
constituida por piedra caliza (fuente de calcio), con
arcilla y arena (como fuentes de sílice, aluminio y
hierro)
La materia prima es triturada, dosificada y mezclada
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
Cemento Portland
FABRICACIÓN
La materia prima triturada pasa a través de una torre
de precalentamiento y posteriormente a un horno
rotatorio de grandes dimensiones donde es calcinada a
alta temperatura (1300ºC – 1400ºC)
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
Cemento Portland
FABRICACIÓN
La materia prima emerge por el extremo inferior del
horno, como una nueva sustancia formada por
partículas al rojo vivo, denominadas ―clinker‖
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
Cemento Portland
FABRICACIÓN
El ―clinker‖ es enfriado al caer sobre una reja sometida
a una corriente de aire forzado
Se añade yeso para evitar que el cemento resultante
fragüe rápidamente y se tritura el ―clinker‖ en un molino
de bolas, dando como resultado el cemento Portland
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
Cemento Portland
COMPOSICIÓN
La composición típica de un cemento Portland es la
siguiente:
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
Óxido de calcio, CaO 62-67%
Óxido de silicio, SiO2 20-25%
Óxido de aluminio, Al2O3 3-7%
Óxido de hierro, Fe2O3 2-5%
Trióxido de azufre, SO3 1-3%
Cemento Portland
De acuerdo con sus cualidades y usos, existen lossiguientes tipos de cemento Portland (NTC 30)
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
Tipo Características
1
Normal, que es el empleado en las obras de hormigón en general y es el más
utilizado en la construcción de pavimentos
1M
Destinado a obras de hormigón en general, pero que presenta resistencias
superiores a las del tipo I
2
Uso en obras de hormigón expuestas a la acción moderada de sulfatos y donde
se requiera moderado calor de hidratación
3 Cemento de alta resistencia inicial
4 Cemento que desarrolla bajo calor de hidratación
5 Cemento de alta resistencia a la acción de sulfatos
1A Tipo 1 al cual se adiciona un incorporador de aire
1MA Tipo 1 M al cual se adiciona un incorporador de aire
2A Tipo 2 al cual se adiciona un incorporador de aire
3A Tipo 3 al cual se adiciona un incorporador de aire
Los cementos 1M y 1MA no están especificados en la norma ASTM C150
Cemento Portland
CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS Y FÍSICAS
Las características químicas y físicas del cemento
Portland deben satisfacer los requisitos indicados en la
norma ASTM C150
En la construcción del pavimento rígido se empleará
cemento Portland del Tipo 1 si los documentos del
proyecto no presentan indicación en contrario
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
Cemento Portland
REQUISITOS QUÍMICOS NORMALES PARA
CEMENTO PORTLAND TIPO 1 (ASTM C150)
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
Los ensayos se realizan de acuerdo con la norma ASTM C 114
Cemento Portland
REQUISITOS FÍSICOS NORMALES PARA
CEMENTO PORTLAND TIPO 1 (ASTM C150)
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
ENSAYOS PARA DETERMINAR LAS CARACTERÍSTICAS
FÍSICAS DEL CEMENTO PORTLAND
1. Finura
La hidratación de las partículas de cemento es lenta
y depende del diámetro de sus partículas
Cuanto más fino sea el cemento, mayor será la
cantidad de él que se hidrate, pues la superficie total
expuesta será mayor
Al hidratarse un porcentaje mayor de la masa del
cemento se obtendrá una mayor resistencia
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
ENSAYOS PARA DETERMINAR LAS CARACTERÍSTICAS
FÍSICAS DEL CEMENTO PORTLAND
1. Finura
Turbidímetro de Wagner Permeámetro de Blaine
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
ENSAYOS PARA DETERMINAR LAS CARACTERÍSTICAS
FÍSICAS DEL CEMENTO PORTLAND
1. Finura
1.1 Turbidímetro de Wagner (ASTM C115 – INV E-303)
Usa una celda fotoeléctrica para medir la intensidad de
un haz de luz que pasa a través de una suspensión de
partículas de cemento en un líquido (kerosén)
Mediante la ley de Stokes se puede determinar la
distribución del tamaño de las partículas y, a partir de
ella, la superficie específica del cemento
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
ENSAYOS PARA DETERMINAR LAS CARACTERÍSTICAS
FÍSICAS DEL CEMENTO PORTLAND
1. Finura
1.2 Permeámetro de Blaine (ASTM C204 – INV E-302)
Mide la permeabilidad al paso del aire de una capa de
cemento compactada en el permeámetro
El aire se hace pasar a través de la muestra mediante
succión, determinándose el tiempo que un líquido
normalizado demora en pasar entre dos marcas y, a partir
de él, se puede determinar la superficie específica del
cemento
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
ENSAYOS PARA DETERMINAR LAS CARACTERÍSTICAS
FÍSICAS DEL CEMENTO PORTLAND
2. Expansión al autoclave (ASTM C151 – INV E-304)
Ensayo que se realiza sobre la pasta (cemento+agua)
para establecer si el contenido de óxido de magnesio
puede ser peligroso para la estabilidad de las mezclas
que se hagan con el cemento
Una barra de pasta de cemento de 2.5*2.5*25 cm se
somete a vapor de agua a una presión de 20.7 kg/cm2
durante 3 horas y luego se mide el porcentaje de
aumento de longitud de la barra a causa de este proceso
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
ENSAYOS PARA DETERMINAR LAS CARACTERÍSTICAS
FÍSICAS DEL CEMENTO PORTLAND
2. Expansión al autoclave (ASTM C151 – INV E-304)
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
ENSAYOS PARA DETERMINAR LAS CARACTERÍSTICAS
FÍSICAS DEL CEMENTO PORTLAND
3. Tiempo de fraguado
El fraguado se refiere al paso de la mezcla del estado
fluido o plástico al estado sólido
En la práctica se utilizan los términos de fraguado
inicial y fraguado final para describir dos etapas del
fraguado definidas arbitrariamente
Para el control de calidad del cemento, los tiempos de
fraguado se determinan sobre la pasta de cemento
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
ENSAYOS PARA DETERMINAR LAS CARACTERÍSTICAS
FÍSICAS DEL CEMENTO PORTLAND
3. Tiempo de fraguado
Método Gillmore Método Vicat
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
ENSAYOS PARA DETERMINAR LAS CARACTERÍSTICAS
FÍSICAS DEL CEMENTO PORTLAND
3. Tiempo de fraguado
3.1 Método Gillmore (ASTM C266 – INV E-306)
Una muestra de pasta de consistencia normal se somete
periódicamente a la penetración de las agujas del aparato
Cuando una aguja de diámetro 1/12‖ y peso de ¼ libra deja
una pequeña huella en la pasta, pero no penetra en ella, se dice
que se produce el ―fraguado inicial‖
Cuando una aguja de diámetro 1/24‖ y peso de 1 libra no
penetra en la pasta, se dice que se produce el ―fraguado final‖
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
ENSAYOS PARA DETERMINAR LAS CARACTERÍSTICAS
FÍSICAS DEL CEMENTO PORTLAND
3. Tiempo de fraguado
3.2 Método Vicat (ASTM C191 – INV E-305)
Una muestra de pasta de consistencia normal se somete
periódicamente a la penetración de una aguja de 1 mm de
diámetro y 300 gramos de peso, a diferentes tiempos
Cuando la aguja penetra 25 mm en 30 segundos, se dice que
ha transcurrido el tiempo de ―fraguado inicial‖
Cuando la aguja sólo deja una ligera huella en la pasta, se
dice que ha transcurrido el tiempo de ―fraguado final‖
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
ENSAYOS PARA DETERMINAR LAS CARACTERÍSTICAS
FÍSICAS DEL CEMENTO PORTLAND
4. Resistencia a compresión (ASTM C109 – INV E-323)
La resistencia mecánica del cemento endurecido es la
propiedad que resulta más obvia en cuanto a los requisitos
para usos estructurales
La medida de resistencia no se realiza sobre la pasta de
cemento puro, por cuanto se presentan dificultades de
moldeo que darían lugar a resultados muy dispersos
Por lo tanto, la medida se realiza sobre el mortero, es
decir una mezcla de agua, cemento y un agregado fino
específico, en proporciones normalizadas
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
ENSAYOS PARA DETERMINAR LAS CARACTERÍSTICAS
FÍSICAS DEL CEMENTO PORTLAND
4. Resistencia a compresión (ASTM C109 – INV E-323)
El mortero de prueba está compuesto por una parte de
cemento y 2.75 partes de una arena silícea normalizada
(arena de Ottawa) con una gradación específica
La cantidad de agua en el mortero debe ser la necesaria
para producir una relación agua/cemento = 0.485
El mortero se coloca en moldes cúbicos de 50 mm de lado,
los cuales se mantienen 24 horas en una cámara húmeda y el
resto del tiempo los cubos se colocan sueltos en agua hasta el
día del ensayo
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
ENSAYOS PARA DETERMINAR LAS CARACTERÍSTICAS
FÍSICAS DEL CEMENTO PORTLAND
4. Resistencia a compresión (ASTM C109 – INV E-323)
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
ENSAYOS PARA DETERMINAR LAS CARACTERÍSTICAS
FÍSICAS DEL CEMENTO PORTLAND
5. Contenido de aire del mortero (ASTM C185 – INV E-328)
La prueba tiene por finalidad determinar si se cumplen los
requisitos de aire incorporado, según el tipo de cemento que
se esté ensayando
El ensayo se realiza sobre un mortero elaborado con 1400
gramos de una arena estandarizada, 350 gramos de cemento y
una cantidad de agua tal, que produzca una fluidez de 87.5% ±
7.5% en la mesa de flujo
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
ENSAYOS PARA DETERMINAR LAS CARACTERÍSTICAS
FÍSICAS DEL CEMENTO PORTLAND
5. Contenido de aire del mortero (ASTM C 185 – INV E-328)
La prueba de fluidez se realiza colocando el molde de flujo
sobre la mesa de flujo y vertiendo dentro de él y compactando,
bajo condiciones normalizadas, una muestra del mortero con
determinada cantidad de agua
Después de compactado el mortero se retira el molde y se
somete la mesa a 10 impactos, girando la manivela que acciona
la excéntrica sobre la cual se apoya su plataforma, midiéndose
el incremento del diámetro inferior del mortero
Se hacen tanteos con diferentes contenidos de agua hasta
encontrar el que incrementa el diámetro en 87.5% ± 7.5%
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
ENSAYOS PARA DETERMINAR LAS CARACTERÍSTICAS
FÍSICAS DEL CEMENTO PORTLAND
5. Contenido de aire del mortero (ASTM C185 – INV E-328)
Equipo para prueba
de fluidez
Molde para ensayo
de contenido de aire
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
ENSAYOS PARA DETERMINAR LAS CARACTERÍSTICAS
FÍSICAS DEL CEMENTO PORTLAND
5. Contenido de aire del mortero (ASTM C185 – INV E-328)
Se llena el molde Se retira el moldeSe mide el aumento de
diámetro tras los golpes
PRUEBA DE FLUIDEZ
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
ENSAYOS PARA DETERMINAR LAS CARACTERÍSTICAS
FÍSICAS DEL CEMENTO PORTLAND
5. Contenido de aire del mortero (ASTM C185 – INV E-328)
El mortero dosificado se coloca en 3 capas dentro de un
molde de 400 cm3, se enrasa y se pesa, determinándose el peso
neto del mortero (W)
Se calcula el contenido de aire:
P = porcentaje de agua en la mezcla, basado en la masa del
cemento usado
Agua
Su función es permitir la hidratación del cemento yhacer manejable la mezcla
Debe ser limpia y libre de cualquier sustancia perjudicialal pavimento terminado
En general, se considera adecuada el agua que sea aptapara el consumo humano
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
Características Límite
pH ≥ 5
Sustancias disueltas ≤ 15 g/l
Contenido de sulfatos (SO4) ≤ 1 g/l
Sustancias orgánicas solubles en éter ≤ 15 g/l
Contenido de ion cloro ≤ 6 g/l
Hidratos de carbono (azúcares) 0
REQUISITOS DEL AGUA PARA EL CONCRETO
Agregado fino
Fracción de agregado que pasa por el tamiz # 4
Puede provenir de arenas naturales o de la trituración degravas, rocas o escorias
Requisitos de calidad:
— Granulometría
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
Tamiz (mm) 9,5 4,75 2,36 1,18 0,6 0,3 0,15
% PASA 100 95-100 80-100 50-85 25-60 10-30 2-10
Agregado fino
Requisitos de calidad (cont.):
— Módulo de finura
→Permite estimar qué tan fina o gruesa es la arena
→Es la suma de los porcentajes retenidosacumulados en los tamices indicados en el cuadro decontrol granulométrico (9.5 mm hasta 0.15 mm)
→Su valor se usa en el diseño de las mezclas deconcreto
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
Agregado fino
Requisitos de calidad (cont.):
— Contenido de sustancias perjudiciales
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
Características Límite
Terrones de arcilla y partículas deleznables ≤ 1 %
Material que pasa por el tamiz No. 200 ≤ 5 %
Cantidad de partículas livianas ≤ 0,5 %
Contenido de sulfatos (SO4) ≤ 1,2 %
—Reactividad con los álcalis del cemento: No debepresentar
— Equivalente de arena: ≥ 60 %
—Pérdida en ensayo de solidez ≤ 10 % (Na2SO4) ó ≤15 % (MgSO4)
Agregado fino
Requisitos de calidad (cont.):
— No se permite el empleo de arena que en el ensayocolorimétrico para detección de materia orgánica (normade ensayo INV E-212) produzca un color más oscuro queel de la muestra patrón
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
Agregado grueso
Fracción de agregado retenida en el tamiz # 4
Puede ser grava natural o proceder de la trituración de
grava, roca u otro producto adecuado
Requisitos de calidad:
— Granulometría
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
— Partículas planas y alargadas (relación 5:1) ≤ 10 %
— Desgaste Los Ángeles ≤ 40 %
—Desgaste Micro Deval ≤ 30 %
Tamiz (mm) 57 50 37,5 25 19 12,5 9,5 4,75
% PASA AG 1 100 95-100 - 35-70 - 10-30 - 0-5
% PASA AG 2 - 100 95-100 - 35-70 - 10-30 0-5
Agregado grueso
Requisitos de calidad (cont.):
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
—Pérdidas en ensayos de solidez ≤ 12% (Na2SO4)ó 18% ≤ (MgSO4)
— Contenido de sustancias perjudiciales
—No debe presentar reactividad con los álcalis delcemento
Características Límite
Terrones de arcilla y partículas deleznables ≤ 0,25 %
Cantidad de partículas livianas ≤ 0,50 %
Contenido de sulfatos (SO4) ≤ 1,00 %
Aditivos
Sustancias que se agregan al concreto para modificar omejorar una o más de sus características básicas
Los aditivos se pueden clasificar (ASTM C 494) en :
— Plastificantes, que permiten disminuir la cantidadde agua necesaria para obtener una determinadaconsistencia del hormigón.
— Retardadores, los cuales retardan el fraguado delconcreto
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
Aditivos (cont.)
—Acelerantes, que aceleran tanto el fraguado como laresistencia a temprana edad
— Plastificantes retardadores
— Plastificantes acelerantes
—Inclusores de aire (ASTM C1017), incrementan laresistencia ante ciclos de congelamiento ydeshielo y contribuyen en la trabajabilidad y laresistencia a los sulfatos y a la reacción sílice-álcalis
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
Existen otros productos no incluidos en la anteriorclasificación: impermeabilizantes, repelentes de agua,colorantes, superplastificantes, etc.
Aditivos
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
Adiciones
Las cenizas volantes (ASTM C618) se puedenincorporar en una mezcla de concreto con alguno de lossiguientes propósitos:
—Como material inerte, para corregir la carencia definos de la arena (adición)
—Como complemento del efecto ligante delcemento, que aporta resistencia al final del período,por el hecho de tener poder puzolánico en presenciade cal o de yeso (aditivo)
MATERIALES CONSTITUTIVOS DEL CONCRETO
FACTORES QUE DETERMINAN
LA CALIDAD DEL CONCRETO
CURADO DEL
CONCRETO
Definición
Es el proceso de mantener un contenido de humedad
satisfactorio y una temperatura favorable en el cemento
durante un periodo de tiempo apropiado, de manera de
evitar la pérdida acelerada de agua (reducir la
fisuración) y garantizar la hidratación del cemento
(asegurar la resistencia)
CURADO DEL CONCRETO
EFECTO DE LAS CONDICIONES DE HUMEDAD DURANTE EL
CURADO Y EN EL INSTANTE DE FALLA, SOBRE LA RESISTENCIA
A LA COMPRESIÓN
CURADO DEL CONCRETO
MATERIALES PARA LA
CONSTRUCCIÓN DE PAVIMENTOS RÍGIDOS
ENSAYOS SOBRE LAS
MEZCLAS DE CONCRETO
ENSAYOS SOBRE LAS MEZCLAS DE CONCRETO
1. Composición
ENSAYOS PARA EL CONTROL DE CALIDAD Y
EL DISEÑO DE LA MEZCLA
1.1 Consistencia (ASTM C143 – INV E- 404)
Sirve para determinar variaciones en la uniformidad
entre las diferentes bachadas de una determinada
mezcla
También da una idea de la trabajabilidad y de la
facilidad de puesta en obra del concreto
La prueba no constituye una medida de resistencia,
de durabilidad o de comportamiento futuro
ENSAYOS SOBRE LAS MEZCLAS DE CONCRETO
1. Composición
ENSAYOS PARA EL CONTROL DE CALIDAD Y
EL DISEÑO DE LA MEZCLA
1.1 Consistencia (ASTM C143 – INV E-404)
Cono de consistencia de Abrams
1.2 Contenido de aire (ASTM C 231 – ASTM C 173)
El ensayo mide el contenido de aire total de una
mezcla de concreto fresco
No permite establecer el contenido de aire incluido,
que incide en la durabilidad del concreto endurecido
La prueba se realiza antes del vibrado y consolidación
del concreto en obra, lo que limita la representatividad
del resultado respecto de la durabilidad
ENSAYOS SOBRE LAS MEZCLAS DE CONCRETO
ENSAYOS PARA EL CONTROL DE CALIDAD Y
EL DISEÑO DE LA MEZCLA
1. Composición
1.2 Contenido de aire
ENSAYOS SOBRE LAS MEZCLAS DE CONCRETO
ENSAYOS PARA EL CONTROL DE CALIDAD Y
EL DISEÑO DE LA MEZCLA
1. Composición
Método de presión
(ASTM C-231 – INV E-406
Método volumétrico
(ASTM C173 – INV E-408)
2. Resistencia a la compresión (f’c) (ASTM C39 – INV E-410)
Es una medida universal de la calidad del concreto
No está muy relacionada con las condiciones de trabajo de un
pavimento rígido, dado que la relación entre los esfuerzos de
compresión del tránsito y la resistencia a la compresión del
concreto es muy pequeña para influir sobre el espesor de diseño
de las losas
ENSAYOS SOBRE LAS MEZCLAS DE CONCRETO
ENSAYOS PARA EL CONTROL DE CALIDAD Y
EL DISEÑO DE LA MEZCLA
ENSAYOS SOBRE LAS MEZCLAS DE CONCRETO
ENSAYOS PARA EL CONTROL DE CALIDAD Y
EL DISEÑO DE LA MEZCLA
2. Resistencia a la compresión (f’c) (ASTM C39)
3. Resistencia a la flexión sR (ASTM C78 – INV E-414)
Es el esfuerzo en la fibra extrema bajo la carga de rotura
Es el valor que se utiliza en el diseño de pavimentos rígidos,
debido a que la relación entre los esfuerzos de flexión
producidos por el tránsito y la resistencia a flexión del
concreto es alta, a menudo mayor de 0.50
El período de curado utilizado para determinar esta
resistencia es de 28 días en diseños para calles y carreteras y
de 90 días en diseños para pistas de aeropuertos
ENSAYOS SOBRE LAS MEZCLAS DE CONCRETO
ENSAYOS PARA EL CONTROL DE CALIDAD Y
EL DISEÑO DE LA MEZCLA
3. Resistencia a la flexión sR (ASTM C78 - INV E-414)
La resistencia a la flexión se determina mediante ensayos de
módulo de rotura sobre probetas prismáticas apoyadas en sus
extremos y aplicando dos cargas concentradas en los tercios
de la luz
ENSAYOS SOBRE LAS MEZCLAS DE CONCRETO
ENSAYOS PARA EL CONTROL DE CALIDAD Y
EL DISEÑO DE LA MEZCLA
3. Resistencia a la flexión σR (ASTM C78 – INV E-414)
La resistencia se determina mediante las expresiones:
2bd
PlRs
2
3
bd
PaRs
( Si la fractura se inicia en el tercio medio de la luz libre)
( Si la fractura se inicia fuera del tercio medio de la luz libre,
pero separada de él a una distancia ≤ 5% de la luz libre)
P = máxima carga aplicada
l = longitud libre entre apoyos
b = ancho promedio de la probeta
d = altura promedio de la probeta
a = distancia entre la línea de fractura y el apoyo más cercano
ENSAYOS SOBRE LAS MEZCLAS DE CONCRETO
ENSAYOS PARA EL CONTROL DE CALIDAD Y
EL DISEÑO DE LA MEZCLA
4. Ensayo de tensión sT
No se suele medir de manera directa
El ensayo usual es el de tracción indirecta sobre cilindrosnormales de concreto (ASTM C496 – INV E-411)
El ensayo tiene algunas ventajas de orden práctico respectodel método del módulo de rotura:
—Emplea probetas cilíndricas iguales a las usadas en elensayo a compresión
—No requiere aditamentos especiales para la máquina deensayo
—El valor σT correlaciona bastante bien con el σR
ENSAYOS SOBRE LAS MEZCLAS DE CONCRETO
ENSAYOS PARA EL CONTROL DE CALIDAD Y
EL DISEÑO DE LA MEZCLA
4. Ensayo de tracción indirecta sT (ASTM C496 – INV E-411)
ENSAYOS SOBRE LAS MEZCLAS DE CONCRETO
ENSAYOS PARA EL CONTROL DE CALIDAD Y
EL DISEÑO DE LA MEZCLA
DL
PT
s
2
P = carga máxima de ensayo
D = diámetro del cilindro
L = longitud del cilindro
Resistencia a flexión σR - Resistencia a compresión (f’c)
sR = 8.4 (f’c)0.5
sR, f’c en psi
sR = K (f’c)0.5
K = coeficiente que varía de 2.00 a 2.70sR, f’c en kg/cm2
ENSAYOS SOBRE LAS MEZCLAS DE CONCRETO
CORRELACIONES ENTRE LAS DIFERENTES
MEDIDAS DE RESISTENCIA
Resistencia a tensión indirecta (σT) – Resistencia a
compresión (f’c)
sT = 6.7 (f’c) 0.5
σR, f’c en psi
Resistencia a flexión (σR) – Resistencia a tensión
indirecta (σT)
sR = 1.02 sT + 200 (en psi)
ENSAYOS SOBRE LAS MEZCLAS DE CONCRETO
CORRELACIONES ENTRE LAS DIFERENTES
MEDIDAS DE RESISTENCIA
1. Módulo de elasticidad (Ec)
Representa la rigidez de la losa y su capacidad para
distribuir las cargas
Incide sobre las deflexiones, curvatura, esfuerzos y
deformaciones del pavimento rígido
Es un parámetro de la mayor importancia en los
programas de elementos finitos para el cálculo de
esfuerzos y deformaciones
ENSAYOS SOBRE LAS MEZCLAS DE CONCRETO
ENSAYOS PARA ANÁLISIS MECANÍSTICO Y
DISEÑO DE PAVIMENTOS
1. Módulo de elasticidad (Ec)
Ec = 57000 (f’c)0.5
Ec = 33 (w) 1.5 (f’c)0.5
Donde:
Ec = módulo de Young (libras/pg2)
w = peso unitario del concreto (libras/pie3)
f’c = resistencia a la compresión (libras/pg2)
ENSAYOS SOBRE LAS MEZCLAS DE CONCRETO
ENSAYOS PARA ANÁLISIS MECANÍSTICO Y
DISEÑO DE PAVIMENTOS
2. Coeficiente de expansión térmica
Los cambios de temperatura producen alabeos en
las losas que generan esfuerzos adicionales a los de
las cargas, los cuales se deben tener en cuenta para
definir el espaciamiento entre juntas, la abertura de
ellas y las necesidades de armadura
ENSAYOS SOBRE LAS MEZCLAS DE CONCRETO
ENSAYOS PARA ANÁLISIS MECANÍSTICO Y
DISEÑO DE PAVIMENTOS
2. Coeficiente de expansión térmica
Valores propuestos por la FHWA:
—11.7*10-6/ °C para arenisca
—10.8*10-6/ °C para grava
—16.8*10-6/ °C para caliza
ENSAYOS SOBRE LAS MEZCLAS DE CONCRETO
ENSAYOS PARA ANÁLISIS MECANÍSTICO Y
DISEÑO DE PAVIMENTOS
3. Coeficiente de contracción por secado
Se emplea para computar las aberturas de las juntas
transversales
—0.00080 cm/cm para concreto con σT menor de 300 psi
—0.00045 cm/cm para concreto con σT de 500 psi
—0.00020 cm/cm para concreto con σT mayor de 700 psi
ENSAYOS SOBRE LAS MEZCLAS DE CONCRETO
ENSAYOS PARA ANÁLISIS MECANÍSTICO Y
DISEÑO DE PAVIMENTOS
4. Ensayo de fatiga sobre vigas sometidas a flexión
Se usan para determinar la vida a fatiga de las losas bajocarga repetida
n
R
f KN )(1s
s
Nf = número de repeticiones de carga hasta la falla
s = esfuerzo aplicado
sR = módulo de rotura
K1 , n = constantes de fatiga
ENSAYOS SOBRE LAS MEZCLAS DE CONCRETO
ENSAYOS PARA ANÁLISIS MECANÍSTICO Y
DISEÑO DE PAVIMENTOS
4. Ensayo de fatiga sobre vigas sometidas a flexión
Ecuaciones de la Portland Cement Association (1985):
ENSAYOS SOBRE LAS MEZCLAS DE CONCRETO
ENSAYOS PARA ANÁLISIS MECANÍSTICO Y
DISEÑO DE PAVIMENTOS
ilimitadoN:45.0Para
4325.0
2577.4N:55.045.0Para
)(077.12737.11Nlog:55.0Para
f
268.3
f
f
R
R
R
RR
s
s
s
ss
s
s
s
s
s
4. Ensayo de fatiga sobre vigas sometidas a flexión
ENSAYOS SOBRE LAS MEZCLAS DE CONCRETO
ENSAYOS PARA ANÁLISIS MECANÍSTICO Y
DISEÑO DE PAVIMENTOS
MATERIALES PARA LA
CONSTRUCCIÓN DE PAVIMENTOS RÍGIDOS
DISEÑO DE MEZCLAS
DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA
PAVIMENTOS
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Objetivo
Determinar la combinación de agregados pétreos (grueso y
fino), cemento Portland, agua y eventuales aditivos que den
lugar a una mezcla económica que en estado fresco presente
una manejabilidad apropiada y en estado endurecido presente
la resistencia y la durabilidad requeridas
Una mezcla típica de concreto para pavimento está
compuesta por 60-75% de volumen de agregados y 25-40%
de volumen de pasta (cemento, agua y aire)
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Datos requeridos para el diseño
1. Agregados pétreos
—Granulometría de los agregados grueso y fino
—Tamaño máximo nominal del agregado grueso
—Módulo de finura del agregado fino
—Peso específico aparente y absorción
—Peso unitario seco y apisonado
—Humedad antes de realizar la mezcla
2. Agua
—Peso específico (usualmente 1000 kg/m3)
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Datos requeridos para el diseño (cont.)
3. Cemento Portland
—Peso específico
4. Aditivos
—Peso específico
5. Características de elemento por construir
—Tipo de elemento
—Dimensiones
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Datos requeridos para el diseño (cont.)
6. Resistencia de diseño
—Resistencia a flexión (normalmente a 28 días)
7. Calidad del control de ejecución de la mezcla
—Uniformidad de elaboración, medida por la
desviación estándar (S) de la resistencia o por el
coeficiente de variación (V)
8. Condiciones de exposición del elemento
—En contacto con el agua
—Bajo condiciones de congelamiento y deshielo
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Pasos del diseño de la mezcla
1. Selección del asentamiento (slump)
2. Selección del tamaño máximo nominal del agregado
3. Estimación del contenido de agua de la mezcla
4. Determinación del volumen de aire atrapado en la mezcla
5. Determinación de la resistencia de dosificación
6. Selección de la relación agua/cemento (A/C)
7. Cálculo de la cantidad requerida de cemento
8. Calculo de la cantidad de cada agregado
9. Ajuste de cantidades por humedad de los agregados
10. Determinación de las proporciones iniciales
11. Elaboración de mezcla de prueba y verificación del slump
12. Verificación de la resistencia de la mezcla
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Pasos del diseño de la mezcla
1. Selección del asentamiento (slump)
—Se escoge de acuerdo con las características de la obra
por construir
Tipo de construcciónMáximo Slump
(mm)
Mínimo Slump
(mm)
Fundaciones reforzadas 75 25
Fundaciones de concreto simple, caissons 75 25
Vigas y muros reforzados 100 25
Columnas 100 25
Pavimentos y losas 75 25
Construcciones voluminosas 75 25
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Pasos del diseño de la mezcla
2. Selección del tamaño máximo nominal del agregado
—Se recomienda que no sea mayor de 1/3 del espesor del
pavimento por construir
3. Estimación del contenido de agua de la mezcla
—La cantidad de agua requerida depende del
asentamiento deseado y del tamaño máximo nominal del
agregado y teniendo en cuenta si el concreto se elaborará
con aire incluido o no
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Pasos del diseño de la mezcla
3. Estimación del contenido de agua de la mezcla
CONCRETO SIN AIRE INCLUIDO*
Agua aproximada en la mezcla (kg/m3) según el tamaño máximo nominal del agregado
Slump (mm) 9.5 mm 12.5 mm 19 mm 25 mm 37.5 mm 50 mm 75 mm 150 mm
25 a 50 207 199 190 179 166 154 130 113
75 a 100 228 216 205 193 181 169 145 124
150 a 175 243 228 216 202 190 178 160 -
Más de 175 - - - - - - - -
* Existe una tabla similar para el caso de una mezcla de concreto con aire incluido
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Pasos del diseño de la mezcla
4. Determinación del volumen de aire atrapado en la mezcla
* Existe una tabla similar para el caso de una mezcla de concreto con aire incluido
CONCRETO SIN AIRE INCLUIDO
Cantidad aproximada de aire atrapado (%)
Slump
(mm)9.5 12.5 19 25 37.5 50 75 150
Todos 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.3 0.2
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Pasos del diseño de la mezcla
5. Determinación de la resistencia de dosificación
—El diseño estructural del pavimento debe especificar, en
la memoria de cálculo, una resistencia de diseño a la
flexión o módulo de rotura (MRd)
—Debido a las variaciones que se producen en la
elaboración, transporte, colocación, compactación y
curado de la mezcla en obra, ésta debe ser dosificada para
alcanzar una resistencia promedio ( ) superior a la
resistencia del diseño estructural del pavimento
MR
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Pasos del diseño de la mezcla
5. Determinación de la resistencia de dosificación (cont.)
—Si se dispone de suficientes datos estadísticos sobre las
características de la mezcla y sobre los procedimientos de
colocación y curado, el se estima con la expresión:
C*S*0.842MRdMR MR
MR
Siendo:
SMR = desviación estándar del módulo de rotura de la mezcla
C = coeficiente de modificación, que depende del número de
resultados (n) con base en el cual se estableció SMR
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Pasos del diseño de la mezcla
5. Determinación de la resistencia de dosificación (cont.)
—Cuando no hay datos estadísticos sobre la calidad de la
mezcla o se reconoce que su uniformidad es deficiente:
MRd*25.1MR
—Es recomendable hacer los cálculos con las dos
expresiones y utilizar el menor valor obtenido de MR
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Pasos del diseño de la mezcla
6. Determinación de la relación agua/cemento (A/C)
—Tanto la resistencia como la durabilidad del concreto
dependen de esta relación
—Existen relaciones empíricas entre A/C y la resistencia a
compresión del concreto a 28 días
—Debido a que las mezclas de concreto para pavimentos
rígidos se diseñan a la flexión, es necesario emplear alguna
correlación confiable entre estas dos resistencias
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Pasos del diseño de la mezcla
6. Determinación de la relación agua cemento (A/C)
Relación entre A/C y la resistencia a compresión del concreto
Resistencia a compresión a 28 días
(MPa)
Relación A/C por peso
(Concreto sin aire incluido)
40 0.42
35 0.47
30 0.54
25 0.61
20 0.69
15 0.79
* Existe una tabla similar para el caso de una mezcla de concreto con aire incluido
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Pasos del diseño de la mezcla
6. Determinación de la relación agua cemento (A/C) (cont.)
Máxima relación A/C permisible para concretos bajo condiciones severas de exposición
Tipo de estructura
Estructura expuesta
continuamente al agua dulce
y/o a ciclos de congelamiento
y deshielo
Estructura expuesta
al agua del mar o a
sulfatos
Secciones delgadas y otras secciones que
presenten una cobertura de concreto de
menos de 25 mm sobre el acero de refuerzo
0.45 0.40
Todas las demás estructuras 0.50 0.45
—La relación A/C determinada por resistencia debe ser
verificada por durabilidad si la obra va a estar sometida a
condiciones ambientales severas, debiendo escogerse la
menor de las dos relaciones A/C obtenidas
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Pasos del diseño de la mezcla
7. Cálculo de la cantidad requerida de cemento
A/C
)(kg/mAgua)(kg/m Cemento
33
—Si se van a emplear adiciones puzolánicas o aditivos, se
indica su cantidad, como porcentaje del peso del cemento,
según las recomendaciones del proveedor
—Se determina a partir de la cantidad de agua (paso 3) y de
la relación A/C (paso 6)
)(kg/m 3,150
)(kg/mCemento)/m(m Cemento
3
333
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Pasos del diseño de la mezcla
8. Cálculo de la cantidad de cada agregado
—Una tabla permite determinar el volumen de agregado
grueso seco y apisonado (Vagp) por unidad de volumen de
concreto, en función del tamaño máximo nominal y el
módulo de finura del agregado fino
—Se entiende que los agregados grueso y fino cumplen las
granulometrías indicadas en la norma ASTM C 33
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Pasos del diseño de la mezcla
8. Cálculo de la cantidad de cada agregado
Volumen de agregado grueso seco y apisonado por unidad de volumen de concreto (Vagp)
Tamaño máximo
nominal del
agregado (mm)
2.40 2.60 2.80 3.00
9.5 0.50 0.48 0.46 0.44
12.5 0.59 0.57 0.55 0.53
19 0.66 0.64 0.62 0.60
25 0.71 0.69 0.67 0.65
37.5 0.75 0.73 0.71 0.69
50 0.78 0.76 0.74 0.72
75 0.82 0.80 0.78 0.76
150 0.87 0.85 0.83 0.81
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Pasos del diseño de la mezcla
8. Cálculo de la cantidad de cada agregado
—A partir del valor obtenido en la tabla se determina el
volumen necesario de agregado grueso en la mezcla (Vag):
—Se calcula el peso del agregado grueso por unidad de
volumen de mezcla (Wag):
Wag = Vag * peso específico aparente agregado grueso*1,000
1,000*gruesoagregadoaparenteespecíficoPeso
)(kg/mapisonadounitarioPeso*VV
3
agpag
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Pasos del diseño de la mezcla
8. Cálculo de la cantidad de cada agregado
—Se calcula el volumen de agregado fino por unidad de
volumen de mezcla (Vaf):
Vaf = 1 – Vag – Vcemento – Vagua - Vaire
Waf = Vaf * peso específico aparente agregado fino*1,000
—Se calcula el peso del agregado fino por unidad de
volumen de mezcla (Wagf):
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Pasos del diseño de la mezcla
9. Ajuste de cantidades por humedad de los agregados
—Debido a que los cálculos se realizan suponiendo
agregados secos y no absorbentes, la cantidad neta de
agua y de agregados por incluir en la mezcla se debe
ajustar en función de la humedad de éstos en el momento
de la mezcla y de sus características de absorción
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Pasos del diseño de la mezcla
9. Ajuste de cantidades por humedad de los agregados
100
)naturalhumedad(absorción1xWajustadoW
agag
agag
100
)naturalhumedad(absorción1xWajustadoW afaf
afaf
)Wajustado(W)Wajustado(WWajustadoW afafagagaguaagua
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Pasos del diseño de la mezcla
10. Determinación de las proporciones iniciales
—Se expresan las cantidades iniciales de cemento,
agregado fino y agregado grueso de manera proporcional,
tomando como referencia el peso del cemento:
(A/C) : 1 (cemento) : AF : AG
)/(
)/(
)/(
)/(
3
3
3
3
mkgW
mkgWAG
mkgW
mkgWAF
cemento
ag
cemento
af
Siendo:
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Pasos del diseño de la mezcla
11. Elaboración de mezcla de prueba y verificación del slump
—Con las proporciones iniciales calculadas se elabora
una mezcla de prueba y se verifica si ella cumple el
requisito de asentamiento
—En caso de no cumplirlo, se deben efectuar ajustes a
las proporciones de ingredientes hasta lograr su
cumplimiento
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Pasos del diseño de la mezcla
12. Verificación de la resistencia de la mezcla
—Hecho el ajuste por asentamiento (si hubo lugar a él) se
elaboran vigas de prueba que se curan por el procedimiento
normalizado y se rompen por flexión a 28 días
—Si la resistencia obtenida difiere sustancialmente de la de
dosificación ( ), se deben ajustar los contenidos de agua,
cemento y agregados, sin afectar la durabilidad
—El ajuste se debe hacer variando las cantidades de
cemento y agregado fino para obtener una nueva relación
A/C, pero dejando constantes las cantidades de agua y
agregado grueso para mantener el asentamiento (slump)
MR
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Ejemplo de diseño
Datos agregados pétreos
—Tamaño máximo nominal del agregado grueso = 50 mm
—Módulo de finura del agregado fino = 2.80
—Peso específico aparente agregado grueso = 2.60
—Absorción agregado grueso = 2.0 %
—Humedad natural agregado grueso = 1.0 %
—Peso específico aparente agregado fino = 2.66
—Absorción agregado fino = 4.0 %
—Humedad natural agregado fino = 1.0 %
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Ejemplo de diseño (cont.)
Datos cemento
—Peso específico = 3.15
Datos del concreto
—Asentamiento (slump) = 50 mm
—MRd = 3.7 MPa
—Desviación estándar en MR en obra = 0.5 MPa
—Coeficiente de modificación = 1.08 (20 datos)
—Concreto sin aire incluido
—El pavimento estará sometido a condiciones ambientales
normales
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Ejemplo de diseño (Solución)
—El valor elegido, 50 mm, se encuentra en el promedio
del rango admisible para mezclas de pavimentos rígidos
1. Selección del asentamiento (slump)
2. Selección del tamaño máximo nominal del agregado
—El tamaño máximo elegido, 25 mm, es inferior a la
tercera parte del espesor de diseño de las losas
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Ejemplo de diseño (Solución)
3. Estimación del contenido de agua de la mezcla
CONCRETO SIN AIRE INCLUIDO*
Agua aproximada en la mezcla (kg/m3) según el tamaño máximo nominal del agregado
Slump
(mm)9.5 mm 12.5 mm 19 mm 25 mm 37.5 mm 50 mm 75 mm 150 mm
25 a 50 207 199 190 179 166 154 130 113
75 a 100 228 216 205 193 181 169 145 124
150 a
175243 228 216 202 190 178 160 -
Más de
175- - - - - - - -
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Ejemplo de diseño (Solución)
4. Determinación del volumen de aire atrapado en la mezcla
CONCRETO SIN AIRE INCLUIDO
Cantidad aproximada de aire atrapado (%)
Slump (mm) 9.5 12.5 19 25 37.5 50 75 150
Todos 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.3 0.2
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Ejemplo de diseño (Solución)
C*S*0.842MRdMR MR
5. Determinación de la resistencia de dosificación
aprox.)psi (590 MPa 4.151.08*0.5*0.8423.7MR
Opción 1:
Opción 2:
MRd*25.1MR
aprox.) psi (660 MPa 4.6 3.7*25.1MR
Se adopta el menor de los dos (590 psi)
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Ejemplo de diseño (Solución)
6. Determinación de la relación agua cemento (A/C)
—Para establecer la relación A/C se debe conocer la
resistencia a compresión de diseño a 28 días
—Como las mezclas de concreto para pavimentos rígidos
se diseñan a la flexión, es necesario estimar la resistencia
a compresión con alguna correlación confiable:
MR = 8.4 (f’c)0.5 (valores en psi)
f’c = (MR/8.4)2 = (590/8.4)2 = 4,930 psi (35 MPa aprox.)
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Ejemplo de diseño (Solución)
6. Determinación de la relación agua cemento (A/C)
Relación entre A/C y la resistencia a compresión
del concreto
Resistencia a compresión
a 28 días
(MPa)
Relación A/C por peso
(Concreto sin aire
incluido)
40 0.42
35 0.47
30 0.54
25 0.61
20 0.69
15 0.79
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Ejemplo de diseño (Solución)
33
3 kg/m380.850.47
179
A/C
)(kg/mAgua)(kg/m Cemento
7. Cálculo de la cantidad requerida de cemento
33
3
333 /mm0.121
3150
380.85
)(kg/m 3150
)(kg/mCemento)/m(m Cemento
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Ejemplo de diseño (Solución)
8. Cálculo de la cantidad de cada agregado
Volumen de agregado grueso seco y apisonado por unidad de volumen de concreto
(Vagp)
Tamaño máximo nominal del agregado (mm) 2.40 2.60 2.80 3.00
9.5 0.50 0.48 0.46 0.44
12.5 0.59 0.57 0.55 0.53
19 0.66 0.64 0.62 0.60
25 0.71 0.69 0.67 0.65
37.5 0.75 0.73 0.71 0.69
50 0.78 0.76 0.74 0.72
75 0.82 0.80 0.78 0.76
150 0.87 0.85 0.83 0.81
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Ejemplo de diseño (Solución)
1,000*gruesoagregadoaparenteespecíficoPeso
)(kg/mapisonadounitarioPesoxVV
3
agpag
8. Cálculo de la cantidad de agregado grueso
33
ag /mm0.4641,000*2.60
1800x0.67V
Wag = 0.464 * 2.60*1,000 = 1,206 kg/m3
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Ejemplo de diseño (Solución)
8. Cálculo de la cantidad de agregado fino
Vaf = 1 – Vag – Vcemento – Vagua - Vaire
Vaf = 1 – 0.464 – 0.121 – 0.179 – 0.005 = 0.231 m3/m3
Waf = 0.231 * 2.66*1,000 = 614.46 kg/m3
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Ejemplo de diseño (Solución)
100
)naturalhumedad(absorción1xWajustadoW
agag
agag
9. Ajuste de cantidades por humedad de los agregados
3
ag kg/m1,218100
1)(21x1,206ajustadoW
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Ejemplo de diseño (Solución)
100
)naturalhumedad(absorción1xWajustadoW afaf
afaf
9. Ajuste de cantidades por humedad de los agregados
3
af kg/m633100
1)(41x614.46ajustadoW
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Ejemplo de diseño (Solución)
)Wajustado(W)Wajustado(WWajustadoW afafagagaguaagua
9. Ajuste de cantidades por humedad de los agregados
3
agua kg/m 209.5 614.46)(6331,206)(1,218791ajustadoW
DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO
HIDRÁULICO PARA PAVIMENTOS
Ejemplo de diseño (Solución)
10. Determinación de las proporciones iniciales
—De acuerdo con los cálculos, se requieren las siguientes
cantidades de ingredientes por metro cúbico de concreto:
—Cemento = 380.85 kg
—Agregado fino = 633 kg
—Agregado grueso = 1218 kg
—Expresando los resultados proporcionalmente al peso
del cemento, se tiene:
(A/C) : 1 (cemento) : AF : AG
(0.47) : 1 : 1.66 : 3.20
MATERIALES REQUERIDOS PARA LA
CONSTRUCCIÓN DE PAVIMENTOS RÍGIDOS
OTROS MATERIALES
Pasadores (varillas de transferencia de carga)
Constituidos por barras lisas de acero redondo y
liso, grado 40, que cumplan las exigencias de la
norma ASTM A 615 (AASHTO M 31)
Se colocan en las juntas transversales y deben ser
revestidas en 2/3 de su longitud con una película fina
de un producto adecuado, para evitar su adherencia al
concreto y no coartar su deslizamiento dentro de la
losa
ACERO
Varillas de unión
Se colocan en las juntas longitudinales para evitar
el desplazamiento relativo de losas de carriles
vecinos
Deben ser corrugadas, de grado 60 y cumplir las
exigencias de la norma ASTM A 615 (AASHTO
M31)
ACERO
Refuerzo en las losas
Se emplea para armar los pavimentos de concreto
reforzado
Puede consistir en malla de alambre de acero de
refuerzo soldado (AASHTO M 55) o emparrillado
de varillas de acero (AASHTO M 54)
ACERO
ACERO
Pasadores
Varillas de unión
Refuerzo
PRODUCTOS QUE MANTIENEN UN MEDIO HÚMEDO MEDIANTE
LA APLICACIÓN CONTINUA O FRECUENTE DE AGUA
Esteras de algodón AASHTO M 73
Brin de yute o kenaf AASHTO M 182
PRODUCTOS SELLANTES QUE EVITAN LA PÉRDIDA DE AGUA
Papel impermeable AASHTO M 171
Polietileno blanco ASTM C 171
Compuestos líquidos de curado AASHTO M 148
MATERIALES PARA CURADO
1. Para vertido en caliente
Elástico a base de asfalto polimérico ASTM D1190
Polimérico de bajo módulo ASTM D3405
Elastómero PVC alquitrán de hulla ASTM D3406
2. De un solo componente para aplicación en frío
Silicona ASTM D5893
SELLANTE PARA LAS JUNTAS
MATERIALES MÁS COMUNES PARA EL SELLADO DE JUNTAS
3. De dos componentes para aplicación en frío
Polímeros elastoméricos SS - S 200
4. Sellantes premoldeados
Policloropreno elastomérico ASTM D2628
Premoldeado asfáltico ASTM D994
Premoldeado no bituminoso, elástico, no extruídoASTM D1752
5. Lubricantes
Lubricante para sellante premoldeado ASTM D2835
SELLANTE PARA LAS JUNTAS
MATERIALES MÁS COMUNES PARA EL SELLADO DE JUNTAS
SELLANTE PARA LAS JUNTAS
SELLANTE PREMOLDEADO
(ASTM D 2628)SELLANTE DE SILICONA
CORDÓN DE RESPALDO
Se emplea cuando la junta se sella con silicona
Debe ser antiadherente con la silicona e impedir la
adhesión de ella a la superficie inferior de la junta
Debe cumplir los requisitos del Tipo 3 de la norma
ASTM D 5249
Cordón
MATERIALES PARA PAVIMENTOS
ARTICULADOS
MATERIALES PARA
PAVIMENTOS
ARTICULADOS
MATERIALES PARA PAVIMENTOS
ARTICULADOS
Arena para capa de soporte
Preferentemente de origen aluvial, de partículas duras,
no plástica y libre de sustancias objetables
Equivalente de arena ≥ 60 %
Granulometría, según requerimientos de ASTM C 33:
MATERIALES PARA PAVIMENTOS
ARTICULADOS
Adoquines de concreto
Resistencia a compresión promedio por muestra ≥ 55
MPa (8,000 psi), sin valores individuales menores de 50
MPa (7,200 psi) (ASTM C 936)
ICONTEC exige un módulo de rotura promedio por
muestra ≥ 4.5 MPa , sin valores individuales menores de
3.6 MPa (NTC 2017)
Absorción de agua < 5.0 % (ASTM C 140)
Si se emplean pigmentos, deberán satisfacer los
requisitos de la norma ASTM C 979
MATERIALES PARA PAVIMENTOS
ARTICULADOS
Adoquines de ladrillo (ASTM C 1272)
Resistencia a compresión promedio por muestra de 5
ladrillos ≥ 69 MPa (10,000 psi), sin valores individuales
menores de 61 MPa (8,800 psi) (ASTM C 936)
Carga de rotura promedio por muestra de 5 ladrillos ≥
83 kN/mm (475 lb/pg) , sin valores individuales menores
de 58 kN/mm (333 lb/pg)
Absorción de agua promedio por muestra ≤ 5.0 % sin
valores individuales mayores de 7 % (ASTM C 140)
MATERIALES PARA PAVIMENTOS
ARTICULADOS
Arena para sello de juntas
Puede ser natural o manufacturada, libre de sustancias
objetables
Granulometría, según requerimientos de ASTM C 144:
VARIABILIDAD EN LOS
SISTEMAS DE PAVIMENTOS
CONTENIDO
Ejemplos de la variabilidad que afecta a los
pavimentos
Variabilidad en el comportamiento del pavimento
Variabilidad en los resultados de los ensayos de
laboratorio
Variabilidad en las propiedades de los suelos de
subrasante
Variabilidad en los espesores de las capas del
pavimento
CONTENIDO
(continuación)
Variabilidad en la compactación de las capas
inferiores
Variabilidad en los parámetros de los materiales y de
las mezclas
Variabilidad en los parámetros del tránsito
Variabilidad en el pavimento construido
Aplicaciones de la variabilidad en los sistemas de
pavimentos
VARIABILIDAD EN LOS
SISTEMAS DE PAVIMENTOS
La palabra ―pavimento‖ es sinónimo de variabilidad
La variabilidad es inevitable y su magnitud y su
tendencia inciden en todos los asuntos ligados con la
ingeniería de pavimentos:
—Desarrollo de las guías de diseño
—Elaboración de los estudios para el diseño
—Especificaciones de construcción
—Control de la construcción
—Evaluación del comportamiento en servicio
VARIABILIDAD EN LOS
SISTEMAS DE PAVIMENTOS
EJEMPLOS DE LA
VARIABILIDAD QUE
AFECTA A LOS
PAVIMENTOS
INCERTIDUMBRE EN LOS DATOS DE ENTRADA PARA
EL DISEÑO
EJEMPLOS DE LA VARIABILIDAD QUE
AFECTA A LOS PAVIMENTOS
VARIABILIDAD EN LAS PROPIEDADES DE LOS MATERIALES Y
EN LA CALIDAD DE LA CONSTRUCCIÓN
VARIACIÓN EN LA RESISTENCIA A COMPRESIÓN DE NÚCLEOS DE
PAVIMENTO RÍGIDO TOMADOS A INTERVALOS DE 30 METROS.
EJEMPLOS DE LA VARIABILIDAD QUE
AFECTA A LOS PAVIMENTOS
VARIABILIDAD EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
VARIABILIDAD EN EL
COMPORTAMIENTO
DEL PAVIMENTO
FACTORES QUE GENERAN VARIABILIDAD EN
EL COMPORTAMIENTO DEL PAVIMENTO
Incertidumbre en los datos de entrada para el diseño
Variabilidad en la composición y propiedades físicas
de los materiales utilizados y en la práctica constructiva
Variabilidad en el comportamiento del pavimento en
servicio
VARIABILIDAD EN EL COMPORTAMIENTO
DEL PAVIMENTO
La variabilidad en el comportamiento es el resultado
de las variaciones en el diseño del pavimento, en las
propiedades de los materiales y en la calidad de la
construcción
VARIACIONES DE COMPORTAMIENTO DE SECCIONES IDÉNTICAS DE
PAVIMENTOS RÍGIDOS, CONSTRUIDOS BAJO CONDICIONES SIMILARES
Sección Edad
(años)
N
(106)
PSI Escalonamiento
(pulgadas)
Agrietamient
o
Pies/milla
Juntas
deterioradas
por milla
1 18 5 4.2 0.11 0 0
2 18 5 4.0 0.05 0 0
3 18 5 3.4 0.25 0 0
4 22 5 3.8 0.06 950 1
5 22 5 3.6 0.10 1162 0
VARIABILIDAD EN EL COMPORTAMIENTO
DEL PAVIMENTO
Las diferencias entre los valores asumidos para los
―inputs‖ de diseño y los valores reales de ellos, se
reflejan en aumentos o disminuciones en la vida del
pavimento, según el sentido de esas diferencias
Las variaciones en los parámetros relacionados con
la calidad de la construcción se pueden asociar con
diferentes deterioros y con variaciones indeseables en
la rugosidad del pavimento
La adaptabilidad del método de diseño utilizado
contribuye en las variaciones de comportamiento
IMPACTO DE LA VARIABILIDAD EN EL
COMPORTAMIENTO DE LOS PAVIMENTOS
VARIABILIDAD EN EL COMPORTAMIENTO
DEL PAVIMENTO
Desviación estándar Coeficiente de variación
Se expresa en las mismas unidades de la serie
Se expresa en valor porcentual
VARIABILIDAD EN EL COMPORTAMIENTO
DEL PAVIMENTO
MEDIDAS DE LA VARIABLIDAD
CASI TODOS LOS FACTORES MEDIBLES EN EL DISEÑO,
CONSTRUCCIÓN Y COMPORTAMIENTO DE LOS PAVIMENTOS,
PRESENTAN ALGÚN GRADO DE ALEATORIEDAD
Variabilidad en los resultados de los ensayos de laboratorio
Variabilidad en las características de los suelos de subrasante
Variabilidad en los espesores de las capas del pavimento
Variabilidad en la compactación de las diferentes capas
Variabilidad en los parámetros de las mezclas
Variabilidad en las cargas del tránsito
Variabilidad en el pavimento construido
VARIABILIDAD EN EL COMPORTAMIENTO
DEL PAVIMENTO
VARIABILIDAD EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
VARIABILIDAD EN
LOS RESULTADOS DE
LOS ENSAYOS DE
LABORATORIO
VARIABILIDAD EN LOS RESULTADOS
DE LOS ENSAYOS DE LABORATORIO
VARIABILIDAD EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
VARIABILIDAD EN LAS
PROPUIEDADES DE
LOS SUELOS DE
SUBRASANTE
VARIABILIDAD EN LAS PROPIEDADES
DE LOS SUELOS DE SUBRASANTE
VARIABILIDAD EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
VARIABILIDAD EN LOS
ESPESORES DE LAS
CAPAS DEL PAVIMENTO
VARIABILIDAD EN LOS ESPESORES DE
LAS CAPAS DEL PAVIMENTO
VARIABILIDAD EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
VARIABILIDAD EN LA
COMPACTACIÓN DE
LAS CAPAS INFERIORES
VARIABILIDAD EN LA COMPACTACIÓN
DE LAS CAPAS INFERIORES DE PAVIMENTO
CAPA S(%) CV (%) FUENTE
GRANULAR 2,0 - 3,5 - Yoder y Witczak
RELLENOS, SUBRASANTE 2,0 - 7,5 - Yoder y Witczak
DENSIDAD SECA (GRANULAR) - 2,6 Stubstad y otros
DENSIDAD SECA (SUBRASANTE) - 4 ó - Stubstad y otros
VARIABILIDAD EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
VARIABILIDAD EN LOS
PARÁMETROS DE LOS
MATERIALES Y DE LAS
MEZCLAS
VARIABILIDAD EN LOS PARÁMETROS
DE RESISTENCIA
VARIABILIDAD EN LOS PARÁMETROS
DEL CONCRETO ASFÁLTICO
VARIABILIDAD EN LOS PARÁMETROS DE
LAS MEZCLAS DE CONCRETO HIDRÁULICO
VARIABILIDAD EN LOS PARÁMETROS DE
LAS MEZCLAS DE CONCRETO HIDRÁULICO
VARIABILIDAD EN LOS PARÁMETROS DE
LAS MEZCLAS DE CONCRETO HIDRÁULICO
VARIABILIDAD EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
VARIABILIDAD EN
LOS PARÁMETROS
DEL TRÁNSITO
VARIABILIDAD EN LOS
PARÁMETROS DEL TRÁNSITO
VARIABILIDAD EN LOS
PARÁMETROS DEL TRÁNSITO
VARIABILIDAD EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
VARIABILIDAD EN EL
PAVIMENTO
CONSTRUIDO
VARIABILIDAD EN EL PAVIMENTO CONSTRUIDO
VARIABILIDAD EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
APLICACIONES DE LA
VARIABILIDAD EN
LOS SISTEMAS DE
PAVIMENTOS
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
Aplicaciones
Optimización del muestreo y ensayo
Aplicación en el diseño estructural del pavimento
Uso de ensayos de hipótesis para aceptación o
rechazo
Desarrollo de especificaciones de construcción con
orientación estadística
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
1. Optimización del muestreo y ensayo
La precisión en la estimación del valor de una
determinada variable aumenta cuando se incrementa el
número de ensayos para determinarla
La diferencia entre los valores promedio de una
muestra y de una población x- se denomina límite
de precisión (R)
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
1. Optimización del muestreo y ensayo
―R‖ representa el rango dentro del cual se encuentra el
valor real de la propiedad evaluada a partir del valor
promedio obtenido con la ejecución de ―n‖ ensayos, para
un nivel de confianza igual a 100 (1-a), siendo a la
probabilidad de que la medida iguale o exceda el valor
límite especificado.
―a‖ se obtiene en las tablas de áreas bajo la curva de
distribución normal (si s de la población es conocida) o
bajo curvas de distribución t (si s de la población es
desconocida)
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
1. Optimización del muestreo y ensayo
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
1. Optimización del muestreo y ensayo
Intervalos de confianza para el promedio de una distribución de datos
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
1. Optimización del muestreo y ensayo
Ejemplo de aplicación
Si por experiencia se sabe que la desviación estándar(s) del CBR de un suelo típico de una región es 2.6,determinar el número de ensayos de resistencia porrealizar en un proyecto sobre ese suelo, con un límitede precisión de +- 2% y un nivel de confianza de90%
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
1. Optimización del muestreo y ensayo
Solución
Como s es conocido (2.5) y el intervalo de confianzaes de dos lados, se emplea la fórmula 3.5.1
La ecuación puede igualarse así:
R = x- = K a /2 * (s/(n)1/2) = 2
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
1. Optimización del muestreo y ensayo
Solución
Como el nivel de confianza es de 90% = 100(1-a), seobtiene que a = 0.1 y a/2=0.05
En la tabla 3.5.2 (distribución normal) se encuentra queK a/2 = 1.645. El valor de K a/2 representa el número deveces que se debe contemplar la desviación estándarpara lograr un determinado grado de confiabilidad
K a/2 * (s/(n)1/2) = 1.645(2.6/(n)1/2) = 2
n = 4.57 (5 ensayos)
2. Diseño estructural de pavimentos
La confiabilidad en el diseño ( R ), es la probabilidad
de que el pavimento cumpla la función prevista dentro
de su vida útil bajo las condiciones de entorno que
tienen lugar en ese lapso. En otras palabras, que sea
capaz de soportar un número de cargas mayor que el
previsto en el diseño, sin fallar
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
2. Diseño estructural de pavimentos
Confiabilidad (R%)=100 Probabilidad (Nt> =NT)
Donde:
Nt = número de ejes equivalentes que llevan el
pavimento a su serviciabilidad final
NT = número de ejes equivalentes que realmente
actúan sobre el pavimento durante su periodo de
diseño
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
2. Diseño estructural de pavimentos
El comportamiento del pavimento (indicado por Nt)
se estima mediante relaciones empíricas que no son
exactas
La predicción del tránsito (representado por NT)
también está sujeta a muchas fuentes de error
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
2. Diseño estructural de pavimentos
Estas variables (Nt y NT) no se consideran
normalmente distribuidas, pero su distribución
logarítmica sí:
Confiabilidad (R%) =100 Probabilidad (log Nt >= log NT)
=100 Probabilidad (log Nt - log NT ) >= 0 = 100P (D>=0)
D = log Nt - log NT
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
2. Diseño estructural de pavimentos
Como las variables (log Nt) y (log NT ) son probabilísticas
y tienen una distribución normal, D también la tendrá y
Si D = 0
Si = log FR, FR = 10 –zR(SD)
FR = valor por el cual se debe multiplicar el tránsito estimado
para obtener el valor de tránsito que se debe utilizar para
diseñar el pavimento con la confiabilidad deseada
D
RS
DDZ
-
D
RS
DZ
-
D
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
2. Diseño estructural de pavimentos
Ejemplo de aplicación
Para diferentes niveles de confiabilidad y desviación estándar,encontrar los valores de tránsito para el diseño de espesores, siel tránsito previsto durante el periodo de diseño es 106
repeticiones de la carga equivalente
Confiabilidad
deseada
ZR SD FR Tránsito para el
cálculo de
espesores
0,3 1,0 106
0,5 1,0 106
0,3 1,8 1.79x106
0,5 2,6 2.63x106
0,3 2,4 2.42x106
0,5 4,4 4.37x106
50
80
90
0
0,84
1,28
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo
Definiciones
Decisiones estadísticas
Decisiones que se toman sobre poblaciones a partir deinformación muestral de las mismas
Hipótesis estadísticas
Supuestos, que pueden ser o no ciertos, acerca de laspoblaciones que se estudian, basados en lasdistribuciones de probabilidad de las muestras de estaspoblaciones
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo
Definiciones
Hipótesis nula
Es la descripción de la suposición que se desearechazar o invalidar a través de un procedimientoestadístico. Se denota por Ho
Hipótesis alternativa
Descripción de la suposición que difiere de la hipótesisdada. Se denota por HA
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo
Definiciones
Ensayos de hipótesis y significación
Son procedimientos que permiten decidir si una hipótesisse acepta o se rechaza o determinar si las muestrasconsideradas difieren significativamente de los resultadosesperados
Error estadístico
Es la probabilidad que existe de aceptar o rechazar unahipótesis cuando debería ser rechazada o aceptada, porerrores en los ensayos muestrales
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo
Definiciones
Error estadístico de tipo I
Es el que se comete cuando se rechaza una hipótesiscuando debería ser aceptada
En las obras de pavimentos se presenta cuando unmaterial o una construcción aceptable son rechazadoscomo si no fueran satisfactorios
Este es el riesgo del constructor y se puede traducir enremociones innecesarias y en la reconstrucción desecciones de pavimento
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo
Definiciones
La probabilidad de cometer un error de tipo I sedenomina nivel de significación, a, de un ensayo dehipótesis (riesgo a)
Dicha probabilidad se debe fijar previamente a laejecución del ensayo, con el fin de que no influya en ladecisión de rechazo de la hipótesis. En la práctica, sefijan valores de a entre 1 y 5%
Decir, por ejemplo, que una hipótesis ha sidorechazada al nivel de significación del 0.05, indica quese puede cometer un error con una probabilidad de 5%
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo
Definiciones
Error estadístico de tipo II
Es el que se comete al aceptar una hipótesis cuandodebería ser rechazada. En las obras de pavimentos sepresenta cuando un material deficiente o una obra deconstrucción inaceptable se reciben comosatisfactorios
Este es el riesgo de la entidad contratante y se puedetraducir en costos adicionales de mantenimiento yfallas prematuras del pavimento
La probabilidad de contener un error de este tipo sedefine como riesgo b y oscila entre 0.05 y 0.10
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo
Definiciones
Reglas de decisión del ensayo de hipótesis o significación
a) Se rechaza la hipótesis nula si el valor de estadísticoempleado para determinar la validez de la hipótesiscae fuera del rango a fijado. Es decir, el estadísticomuestral observado es significativo al nivel del apredeterminado
b) Se acepta la hipótesis nula si el valor del estadísticocalculado cae dentro del rango a fijado
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo
Definiciones
Ensayos de una y dos colas
La clasificación de los ensayos depende delplanteamiento de la hipótesis
Si pretende demostrar la factibilidad de los extremos aambos lados de la media, dicho ensayo es de dos colasen la distribución, es decir, es bilateral
Por el contrario, si solo se aspira evaluar en una soladirección de la media o de la proporción, será de unacola o unilateral
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
VALORES DE Z PARA ALGUNOS NIVELES DE SIGNIFICACIÓN PARA ENSAYOS DE UNA Y
DOS COLAS
Nivel de significación 0.1 0.05 0.01
Valores críticos de z para una cola ± 1.28 ± 1.65 ± 2.33
Valores críticos de z para una cola ± 1.65 ± 1.96 ± 2.58
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo
Ensayo de hipótesis sobre la media de una población para muestras grandes (n>30)
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo
Ejemplo No. 1 de ensayo de hipótesis para muestras grandes
La deflexión media de un sector de pavimento (Xm),medida el año anterior, fue 40 centésimas de milímetro
Este año se realizaron 35 medidas de deflexión al azaren el mismo sector, obteniéndose = 42.1 (0.01 m) y s= 13.85 (0.01 mm)
Probar la hipótesis de que la deflexión media actual detodo el sector sea 40 (0.01 mm), contra la alternativade que sea mayor de 40 (0.01 mm), con un nivel designificación, a = 0.05 (Ho: = 40; Ha: > 40)
x
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo
Solución al Ejemplo No. 1 de ensayo de hipótesis para muestras grandes
Usando a = 0.05, se se rechazará la hipótesis nula para este ensayo de una cola si z > za = z 0.05, es decir si z > 1.65, como lo muestra la figura
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo
Solución al Ejemplo No. 1 de ensayo de hipótesis para muestras grandes
Como z < za , el valor no cae en la región de rechazo y, portanto, no se rechaza Ho
Es decir, que no hay evidencia suficiente, con 95% deconfianza, para concluir que la deflexión media actual delpavimento sea mayor de 40 (0.01 mm). Se requeriría unamuestra de mayor tamaño para evaluar si Xm actual > 40 (0.01mm) si, en efecto, este fuera el caso
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo
Ejemplo No. 2 de ensayo de hipótesis para muestrasgrandes
Un constructor debe elaborar una mezcla asfáltica conun porcentaje medio de 5% de asfalto, según la fórmulade trabajo establecida
Debido a posibles desajustes en la planta, losporcentajes de asfalto en la mezcla comenzaron amostrar fluctuaciones
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo
Ejemplo No. 2 de ensayo de hipótesis para muestrasgrandes
El constructor desea detectar la incidencia de loscambios y ajustar la planta de ser necesario. Para ello,selecciona periódicamente muestras de 40 fraccionesde la mezcla y calcula el promedio del contenido deasfalto y la desviación estándar. Si los datos de unamuestra indican que = 5.25 % y s = 0.30 %,determinar si la media () de la población es diferentede 5%, con un nivel de significación de 0.01 ( Ho: =5.0 ; Ha : ≠ 5.0)
x
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo
Solución al Ejemplo No. 2 de ensayo de hipótesis para muestras grandes
Puesto que los desplazamientos en pueden ocurrir en ambas direcciones, se emplea el ensayo de dos colas
A un nivel de significación, a, de 0.01, se rechazará la hipótesis nula si:
z < za/ 2 = -z0.005 o z > za /2 = z0.005
Es decir:
z < -2.58 ó z >2.58
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo
Solución al Ejemplo No. 2 de ensayo de hipótesis para muestras grandes
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
Como lo muestra la
figura:
3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo
Solución al Ejemplo No. 2 de ensayo de hipótesis para muestras grandes
Como este valor es superior al crítico superior
(2.58), se rechaza la hipótesis nula y se acepta la
hipótesis alternativa con un nivel de significación de
0.01
Se concluye que el porcentaje promedio de asfalto
no es 5.0%, con una probabilidad menor de 1% de
cometer un error tipo I
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación o rechazo
Ensayo de hipótesis sobre la media de una población para muestras pequeñas (n<30)
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación orechazo
Ejemplo de ensayo de hipótesis para muestraspequeñas
El porcentaje de compactación esperado mediante undeterminado proceso es 95%. Para verificar un nuevolote, se realizaron 10 ensayos de densidad en el terrenocuyo promedio fue 94.2% con una desviación estándarde 1,6%.
Ensayar la hipótesis de que el porcentaje decompactación no ha cambiado, empleando un nivel designificación a = 0.05 (Ho: = 95 ; Ha: 95)
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación orechazo
Solución al Ejemplo de ensayo de hipótesis paramuestras pequeñas
Como nos encontramos restringidos a una muestrapequeña, se hace la suposición de que los porcentajesde compactación tienen una distribución de frecuenciarelativa que es aproximadamente normal
Bajo tal suposición, el estadístico de ensayo tendráuna distribución ―t‖ con (n – 1) = (10 – 1) = 9 gradosde libertad
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación orechazo
Solución al Ejemplo de ensayo de hipótesis paramuestras pequeñas
La regla de rechazo para este ensayo de 2 colas,consiste en rechazar la hipótesis nula para valores de―t‖ tales que:
t < -t a/2 o t > t a/2 con a/2 =0.05/2 =0.025
En la tabla 3.5.4, para 9 grados de libertad, se halla t
0.025 = 2.262
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
3. Uso de ensayos de hipótesis para la aceptación orechazo
Solución al Ejemplo de ensayo de hipótesis paramuestras pequeñas
El valor del estadístico de ensayo es:
Valor que no es menor que –2.262, por lo que seacepta la hipótesis nula y se concluye que hayevidencia (con 95% de confianza) de que elpromedio de compactación no ha cambiado
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
4. Desarrollo de especificaciones de construcción con
orientación estadística
Objetivo
Estas especificaciones incluyen un análisis del nivel de
calidad, que es un procedimiento estadístico para
determinar el porcentaje de cumplimiento de un
material en relación con lo especificado y establecer
factores de pago de acuerdo con dicho cumplimiento
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
4. Desarrollo de especificaciones de construcción con orientación estadística
Análisis del nivel de calidad
a. Determinar la media aritmética (Xm) de los resultadosde los ensayos para materiales considerados
Donde:
S x = suma de los valores individuales de los ensayos
n = número de ensayos
n
xX m
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
4. Desarrollo de especificaciones de construcción conorientación estadística
Análisis del nivel de calidad
b. Calcular la desviación estándar de la muestra
2)( x
2x = suma de los cuadrados de los valores de los
ensayos individuales
= suma de los valores de los ensayos individuales,
elevada al cuadrado
2/122
)1(
)(
-
-
nn
xxns
Donde:
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
4. Desarrollo de especificaciones de construcción con orientación estadística
Análisis del nivel de calidad
c. Calcular el índice de calidad superior (Qu)
S
XUSLQ m
U
-
Donde:
USL (límite superior de la especificación) = valor
objetivo, más la tolerancia permitida
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
4. Desarrollo de especificaciones de construcción con orientación estadística
Análisis del nivel de calidad
LSL (límite inferior de la especificación) = valor
objetivo, menos la tolerancia permitida
d. Calcular el índice de calidad inferior (QL)
S
LSLXQ m
L
-
Donde:
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
4.Desarrollo de especificaciones de construcción conorientación estadística
Análisis del nivel de calidad
e. Determinar en la Tabla 1 el porcentaje dentro dellímite superior de la especificación (USL) quecorresponde al índice Qu (Pu). Si el USL es 100.0 o noestá especificado, Pu será 100
f. Determinar en la Tabla 1 el porcentaje dentro del
límite inferior de la especificación (LSL) que
corresponde al índice QL (PL). Si el LSL no está
especificado, PL será 100
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
4. Desarrollo de especificaciones de construcción conorientación estadística
Análisis del nivel de calidad
g. Determinar el nivel de calidad (porcentaje total
dentro de los límites de la especificación)
Nivel de calidad = (Pu + PL ) - 100
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
Tabla 1 (continuación)
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
h. A partir del valor del nivel de calidad, determinar
el factor de pago en la Tabla 2
i. Considerando que la aceptación de un lote depende
del comportamiento de diferentes criterios, se debe
calcular el factor de pago para cada uno de ellos (PFi)
y luego determinar el factor de pago compuesto para
todo el lote
4. Desarrollo de especificaciones de construcción con orientación estadística
Análisis del nivel de calidad
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
Tabla 2 (continuación)
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
4. Desarrollo de especificaciones de construcción conorientación estadística
Ejemplo
Considérese un lote constituido por 32 núcleos de unconcreto asfáltico (n), cuya compactación media(Xm) es 91.9625, con una desviación estándar (s) de1.0877
La especificación de construcción establece que elporcentaje de compactación mínimo admisiblerespecto de la densidad máxima medida (Rice) es 90
Determinar el nivel de calidad y el factor de pagocorrespondiente al lote, en lo que se refiere al criteriode compactación
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
4. Desarrollo de especificaciones de construcción conorientación estadística
Solución
1. Índice de calidad superior (Qu)
La especificación no establece un nivel de toleranciasuperior
2. Índice de calidad inferior (QL):
S
XUSLQu m-
804.10877.1
909625.91
-
-
S
LSLXQ m
L
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
4. Desarrollo de especificaciones de construcción conorientación estadística
Solución
3. En la Tabla 1 se determinan los porcentajes de núcleos dentro de los límites superior e inferior: - Como el límite superior (USL) no está especificado,
Pu= 100
- Como el límite inferior (LSL) es 1.804 y n = 32, PL = 97
4. Nivel de calidad = (Pu + PL ) -100 = (100+97) -100 = 97
5. Factor de pago (Tabla 2) Para nivel de calidad = 97 y n = 32, factor de pago = 1.04
APLICACIONES DE LA VARIABILIDAD
EN LOS SISTEMAS DE PAVIMENTOS
DISEÑO DE PAVIMENTOS
ASFÁLTICOS PARA CALLES Y
CARRETERAS
CONTENIDO
Introducción
Métodos empíricos de diseño
Método AASHTO - 93
Modelos INVÍAS - 98
Métodos empírico-mecanísticos de diseño
Método SHELL – 98 (SPDM 3.0)
Diseño de pavimentos sobre suelos blandos
DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
PARA CALLES Y CARRETERAS
INTRODUCCIÓN
La mayoría de los métodos de diseño de
pavimentos tienen un alto grado de empirismo,
propio de las agencias que los han desarrollado
Es corriente obtener diferentes espesores al
aplicar distintos métodos de diseño, empleando
los mismos datos de entrada
INTRODUCCIÓN
Generalidades
Gran parte de estas diferencias se debe a la falta de
una descripción precisa y cuantitativa de lo que
constituye la falla de un pavimento de calle o
carretera, así como a los niveles de confiabilidad que
consideran los diferentes métodos
Los procesos de diseño de pavimentos se pueden
dividir en dos grupos:
— Empíricos
—Empírico - mecanísticos
Generalidades (cont.)
INTRODUCCIÓN
Se basan en los resultados de experimentos o en la
experiencia
Requieren un elevado número de observaciones para
establecer relaciones aceptables entre las variables y los
resultados de las pruebas
No es necesario establecer una base científica firme
de las relaciones, en la medida en que se reconocen sus
limitaciones
INTRODUCCIÓN
PROCESOS EMPÍRICOS DE DISEÑO
En muchos casos resulta más conveniente confiar en
la experiencia que tratar de cuantificar la causa exacta
y el efecto de ciertos fenómenos
Ejemplos de métodos de diseño de concepción
empírica son el de California (Hveem y Carmany), el
AASHTO-93 y el INVIAS-98
INTRODUCCIÓN
PROCESOS EMPÍRICOS DE DISEÑO
Incorporan elementos de ambos planteamientos
La componente mecánica determina las reacciones
del pavimento, tales como esfuerzos, deformaciones y
deflexiones, mediante el uso de modelos matemáticos
La porción empírica relaciona estas reacciones con
el comportamiento de la estructura del pavimento (por
ejemplo, relaciona una deflexión calculada
matemáticamente, con la vida real del pavimento)
INTRODUCCIÓN
PROCESOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
Aunque existen técnicas mecanísticas complejas de
cálculo, los modelos elásticos lineales sujetos a carga
estática son los más empleados en la solución de
problemas rutinarios de ingeniería de pavimentos
Ejemplos de métodos de diseño de pavimentos que
usan estos procesos son el del Instituto del Asfalto, el
de Shell y el AASHTO 2002
INTRODUCCIÓN
PROCESOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
MÉTODOS EMPÍRICOS
DE DISEÑO
MÉTODOS EMPÍRICOS DE DISEÑO
MÉTODO AASHTO - 93
Se basa en los resultados AASHO Road Test
En la revisión realizada en 1986 se introdujeron
factores de confiabilidad, drenaje y aspectos climáticos
Su criterio de falla es el índice de servicio final (pt)
MÉTODO AASHTO - 93
FUNDAMENTOS DEL MÉTODO
El tránsito que lleva a la falla del pavimento es
función del número estructural, de la resistencia de la
subrasante, de la pérdida deseada de índice de
servicio y de la confiabilidad elegida
Incluye la posibilidad de que se reduzca el periodo
de diseño por la presencia de suelos de subrasante
expansivos
FUNDAMENTOS DEL MÉTODO
MÉTODO AASHTO - 93
Serviciabilidad
Capacidad de un pavimento de servir al tránsito que hace
uso de él en un instante determinado, desde el punto de
vista del usuario
Comportamiento del pavimento (performance)
Tendencia de la serviciabilidad con el incremento en el
número de aplicaciones de carga por eje
Periodo de comportamiento (periodo de diseño)
Lapso que transcurre desde que un pavimento es construido
o rehabilitado, hasta que alcanza su serviciabilidad terminal
DEFINICIONES
MÉTODO AASHTO - 93
Concepto de serviciabilidad – comportamiento
La serviciabilidad de un pavimento se expresa entérminos de su Índice de Servicio Presente (ISP)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
MÉTODO AASHTO - 93
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Concepto de serviciabilidad – comportamiento
Fórmula del Índice de Servicio Presente (ISP) parapavimentos asfálticos
sv = Varianza de la pendiente del perfil longitudinal
(c + p) = Área con grietas clases 2 y 3 más área parchada
por cada 1000 pies2
RD = Ahuellamiento medido con una regla de 1.20 metros
MÉTODO AASHTO - 93
Ecuación de comportamiento
07.8))(log32.2(
)1(
10944.0
5.12.4log
20.0))1)(log(36.9())((
19.5
18
RR
M
SN
ISP
SNSozLogW
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
MÉTODO AASHTO - 93
W18 = número de aplicaciones de ejes simples equivalentes de 18 kip
(80 kN) hasta el tiempo t en el cual se alcanza ISP = pt
SN = número estructural
ISP = pi - pt = diferencia entre los índices de servicio inicial y terminal
MR = módulo resiliente de la subrasante ( libras/pg2)
So = desviación estándar total de la distribución normal de los errores
asociados con las predicciones de tránsito y de comportamiento
del pavimento (0.44-0.49)
zR = parámetro estadístico asociado con distribuciones normales de
datos, que considera la probabilidad de que el índice de servicio
del pavimento sea superior a pt durante el periodo de diseño
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Significado de los términos de la ecuación
MÉTODO AASHTO - 93
REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE LA ECUACIÓN
MÉTODO AASHTO - 93
NIVELES DE CONFIABILIDAD RECOMENDADOS POR AASHTO
Urbana Rural
Autopistas 85 - 99.9 80 - 99.9
Arterias principales 80 - 99 75 - 95
Colectoras 80 - 95 75 - 95
Locales 50 - 80 50 - 80
Clasificación funcional de
la vía
Nivel recomendado de confiabilidad (%)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
MÉTODO AASHTO - 93
RELACIONES ENTRE CONFIABILIDAD Y ZR EN UNA DISTRIBUCIÓN NORMAL
Confiabilidad (%) 50 75 80 85 95 99 99.9
zR 0 0.674 0.842 1.037 1.645 2.327 3.08
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
MÉTODO AASHTO - 93
Módulo resiliente efectivo (MR)
Es el módulo resiliente promedio que se traduce en un
daño del pavimento (Uf) igual al que se alcanzaría si se
usaran valores modulares estacionales:
—Se divide el año en periodos con diferente MR con
base en la humedad del suelo o en la variación de las
deflexiones medidas en pavimentos construidos sobre
el mismo suelo
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
MÉTODO AASHTO - 93
—Se determina el daño relativo por periodo
Uf = 1.8 x 106 * MR-2.32
—Se calcula el daño relativo promedio
—Se halla el módulo resiliente efectivo a partir del
daño relativo promedio, usando la misma
ecuación
Módulo resiliente efectivo (MR)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
MÉTODO AASHTO - 93
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
VARIACIÓN DEL MÓDULO DURANTE EL AÑO
MÉTODO AASHTO - 93
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
VARIACIÓN DEL MÓDULO DURANTE EL AÑO
MÉTODO AASHTO - 93
AJUSTE DEL MR DE LA SUBRASANTE POR LAS VARIACIONES
ESTACIONALES
MÉTODO AASHTO - 93
La resistencia del pavimento se representa por SN, el cual es
función del espesor de las capas, de los coeficientes
estructurales de ellas y del coeficiente de drenaje
El número estructural total del pavimento está dado por :
SN = Sai*Di*mi
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Número estructural (SN)
MÉTODO AASHTO - 93
SN = a1*D1+ a2*D2*m2+ a3*D3*m3
D1,2,3 = espesores de capas asfálticas, base y subbase
respectivamente (pulgadas)
ai = coeficiente estructural de capa i, dependiente de su módulo
mi = coeficientes de drenaje para capas no estabilizadas,
dependiente del tiempo requerido para drenar y del tiempo en
que la humedad se encuentre en niveles cercanos a la saturación
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Número estructural (SN)
MÉTODO AASHTO - 93
Coeficientes estructurales de capa (ai)
Los coeficientes estructurales dependen de:
—Resistencia del material (CBR, módulo, etc)
—Calidad de la construcción
—Estado de esfuerzos
Miden la capacidad relativa de una unidad de
espesor de una determinada capa para funcionar como
componente estructural del pavimento
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
MÉTODO AASHTO - 93
Valores promedio de coeficientes estructurales
—Mezcla asfáltica densa en caliente: 0.44/pulgada
—Base de grava y piedra partida: 0.14/pulgada
—Subbase granular: 0.11/pulgada
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Coeficientes estructurales de capa (ai)
MÉTODO AASHTO - 93
Coeficiente estructural
Figura GG.7, volumen II, manual AASHTO ( 0.20-0.50)
granular a2 = 0.249 (log EB) - 0.977
estabilizada con cemento Figura GG.9, volumen II, manual AASHTO ( 0.10-0.28)
estabilizada con asfalto Figura GG.10, volumen II, manual AASHTO ( 0.10-0.35)
a3 = 0.227 (log ESB) - 0.839Subbase granular
Base
CAPA
Asfáltica
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
COEFICIENTES ESTRUCTURALES DE CAPA (ai)
MÉTODO AASHTO - 93
NOMOGRAMA AASHTO PARA LA DETERMINACIÓN DEL
COEFICIENTE ESTRUCTURAL DE UNA BASE GRANULAR
MÉTODO AASHTO - 93
Coeficientes de drenaje (mi)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Se establecen a partir de la calidad del drenaje y del
tiempo que se considera que el pavimento puede
encontrarse con una cantidad de agua cercana a la
saturación
MÉTODO AASHTO - 93
COEFICIENTES DE DRENAJE mi RECOMENDADOS PARA
BASES Y SUBBASES GRANULARES
Ejemplo:
Pavimento diseñado con drenaje normal (la humedad drena en una
semana) y durante dos meses del año (2/12=0.17=17%) está sometido a
condiciones cercanas a la saturación.
mi = 1.00 - 0.80
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
MÉTODO AASHTO - 93
Determinación de los espesores de las capas
individuales (Di)
Se requiere determinar el número estructural (SN)
requerido para proteger cada capa inferior
Para ello, se debe aplicar el algoritmo AASHTO
usando el módulo resiliente de cada capa por proteger
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
MÉTODO AASHTO - 93
33
*
2
*
13
*
3
2
*
2
*
1
22
*
12
*
2
1
*
11
*
1
1
1*
1
/)(
/)(
maSNSNSND
SNSNSN
maSNSND
SNDaSN
a
SND
* Indica el valor realmente usado, el cual debe
ser igual o mayor que el valor requerido según
el algoritmo
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Determinación de los espesores de las capas
individuales (Di)
MÉTODO AASHTO - 93
Determinación gráfica del SN
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
MÉTODO AASHTO - 93
Determinación del SN con un programa de cómputo
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
MÉTODO AASHTO - 93
ESPESORES MÍNIMOS ADMISIBLES PARA LAS
CAPAS ASFÁLTICAS Y LA BASE GRANULAR
N
(106) Capas asfálticas Base granular
< 0.05 TSD 4.0
0.05-0.15 2.0 4.0
0.15-0.50 2.5 4.0
0.50-2.00 3.0 6.0
2.00-7.00 3.5 6.0
>7.00 4.0 6.0
Espesores mínimos (pulgadas)
MÉTODO AASHTO - 93
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
EJEMPLO DE DISEÑO
MÉTODO AASHTO - 93
Vía rural local
Confiabilidad deseada = 75 % (zR = 0.674)
Tránsito esperado = 1,300,000 ejes equivalentes
Pérdida total de serviciabilidad = 4.2 – 2.0 =2.2
Desviación estándar total = 0.49
Características de drenaje = Aceptables
Condición cercana a la saturación durante 4 meses/año
mi = 0.80
MÉTODO AASHTO - 93
Características de los materiales de construcción
EJEMPLO DE DISEÑO
SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO
MÉTODO AASHTO - 93
Determinación de SN1
MÉTODO AASHTO - 93
Cálculo de D1
Verificación de D1
4.5 pulgadas > 3.0 pulgadas O.K.
Cálculo de SN1*
SN1* = a1 * D1
* = 0.44 * 4.5 = 1.98
pulgadas)4.5(tomarpulgadas4.470.44
1.97
a
SND
1
11
SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO
MÉTODO AASHTO - 93
Determinación de SN2
SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO
MÉTODO AASHTO - 93
Cálculo de D2
Verificación de D2
5.4 pulgadas < 6.0 pulgadas tomar 6.0 pulgadas
Cálculo de SN2*
SN2* = a2 D2
* m2 = 0.13 * 6.0 * 0.8 = 0.624
pulgadas5.40.8*0.14
1.98 - 2.54
ma
SNSND
22
*
122
SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO
MÉTODO AASHTO - 93
Determinación de SN3
SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO
MÉTODO AASHTO - 93
Cálculo de D3
Resumen del diseño
pulgadas10.10.8*0.102
0.624)1.98 (- 3.43
ma
)SN(SNSND
33
*
1
*
23
3
SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO
MÉTODOS EMPÍRICOS DE DISEÑO
MÉTODO INVÍAS - 98
MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
Generalidades
Contiene un catálogo de estructuras definido con
base en el método AASHTO-93
El catálogo de diseño cubre los tipos de pavimentos y
materiales usados actualmente en la práctica local e
incluye nuevas tipologías de eficiencia demostrada en
otros países con características similares a las
colombianas
El método considera factores ambientales, de suelos,
de tránsito y de disponibilidad de materiales, acordes
con la realidad colombiana
REGIONES CLIMÁTICAS
El país se dividió en seis regiones climáticas, con base
en la temperatura y la precipitación media anual
MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
RESISTENCIA DE LA SUBRASANTE
Se debe considerar el valor promedio de resistencia
del suelo predominante en cada unidad homogénea y, a
partir de él, se establece una categoría de subrasante
MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
TRÁNSITO DE DISEÑO
REQUISITOS DE TRÁNSITO CONTEMPLADOS
EN LA GUÍA DE DISEÑO
Categoría
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
T9
4.0 - 6.0
6.0 - 10.0
10.0 - 15.0
Ejes equivalentes de 80kN en el
carril de diseño durante el periodo
de diseño del pavimento N* (106)
0.5 - 1.0
1.0 - 2.0
2.0 - 4.0
15.0 - 20.0
20.0 - 30.0
30.0 - 40.0
MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
N*1.159N*
y1.282,z90%, es dadconfiabili la Si
N*10N*
R
z*0.05 R
CONSIDERACIONES PARTICULARES DE DISEÑO
Se empleó la ecuación básica del método AASHTO-93
Se adoptó S0=0.44, que corresponde a considerar la
variación de la predicción del comportamiento del
pavimento, sin errores en la estimación del tránsito
La posibilidad de errores en la predicción del tránsito
se incorpora con la expresión (10 0.05*ZR * N)
Se consideró una pérdida de serviciabilidad de 2.2
durante el periodo de diseño del pavimento
MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
Se adoptaron coeficientes estructurales de capa
ajustados a los resultados de experiencias realizadas en el
país
Se adoptaron 3 coeficientes de drenaje para las capas
granulares (mi=1.0 si la precipitación < 2,000 mm/año,
mi=0.90 si la precipitación está entre 2,000 y 4,000
mm/año y mi=0.80 para precipitaciones mayores)
Las estructuras obtenidas se verificaron con módulos
teóricos y curvas de fatiga SHELL
MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
CONSIDERACIONES PARTICULARES DE DISEÑO
VALORES ADOPTADOS PARA LOS COEFICIENTES ESTRUCTURALES DE CAPA
Material Condición ai
T < 13°C 0,44
13°C £ T < 20°C 0,37
20°C £ T < 30°C 0,30
T < 13°C 0,35
13°C £ T < 20°C 0,30
20°C £ T < 30°C 0,24
Base granular 0,14
suelos A-1 0,16
suelos A-2-4, A-2-5 y A-3 0,14
demás suelos 0,13
agregado grueso (BEE1) 0,20
agregado fino (BEE2) 0,20
suelo (BEE3) 0,14
Subbase granular 0,11
Mezcla densa en caliente
Mezcla densa en frio
Base estabilizada con cemento
Base estabilizada con emulsión asfáltica
MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
CONSIDERACIONES PARTICULARES DE DISEÑO
CATÁLOGO DE DISEÑO
Comprende seis cartas de diseño, contemplando los
siguientes aspectos:
Carta No. Región climática Categorías de
subrasante
Categorías de
tránsito
Materiales de
construcción
1 R1 S1-S5 T1-T9 variables
2 R2 S1-S5 T1-T9 variables
3 R3 S1-S5 T1-T9 variables
4 R4 S1-S5 T1-T9 variables
5 R5 S1-S5 T1-T9 variables
6 R6 S1-S5 T1-T9 variables
MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
ESTRUCTURAS RECOMENDADAS EN LA CARTA
No. 3 PARA CATEGORÍA DE TRÁNSITO T5
15 12 12 10 12 10 7.5 10 10 7.5 10 10 7.5 10
30 - 30 - 25 30 - 25 25 - 25 20 - 15
- 15 - 15 - - 15 - - 15 - - 15 -
- 10 - 10 - - 10 - - - - - - -
- - - - 30 - - 30 - - 25 - - 20
45 45 35 35 - 30 30 - 25 35 - 20 25 -Subbase granular
Base estabilizada con cemento
S1 S2
Mezcla densa en caliente
Base granular
Base estabilizada (BEE1)
Base estabilizada (BEE2)
S3 S4 S5
Capa de pavimento espesores de capa (cm)
MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
Ejemplo de diseño
MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
Clima
Temperatura media anual = 24º C
Precipitación media anual = 1,850 mm
Subrasante
Suelo predominante = Arena arcillosa
CBR promedio = 8.5 %
Tránsito de diseño
N* = 5.7*106 ejes equivalentes
Materiales disponibles
En la zona abundan materiales granulares de buena calidad
para la elaboración de subbases, bases y concretos asfálticos
Solución al ejemplo de diseño
MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
Establecimiento de región climática
Para los datos de temperatura y precipitación corresponde la
Región R 3
Establecimiento de categoría de subrasante
Para los datos de CBR promedio corresponde la categoría S 3
Establecimiento de categoría de tránsito
N’ = 1.159 N = 1.159 x 5.7*106 = 6.6*106 ejes equivalentes
Para este valor de N* corresponde la categoría T 5
Solución al ejemplo de diseño
MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
Elección de Carta de Diseño
Para Región R 3, usar Carta de Diseño No 3
Espesores de diseño para la combinación S 3 – T 5
Mezcla densa en caliente = 10 centímetros
Base granular = 30 centímetros
Subbase granular = 30 centímetros
DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
MÉTODOS EMPÍRICO-
MECANÍSTICOS DE DISEÑO
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
VENTAJAS SOBRE LOS MÉTODOS EMPÍRICOS
Adaptabilidad a tipos de cargas cambiantes
Mejor utilización de los materiales disponibles
Capacidad de incorporar nuevos materiales en los diseños
Mejoramiento en la confiabilidad en las predicciones de
comportamiento
Se mejora la definición de las propiedades de las capas de un
pavimento existente
Es posible acomodar los efectos ambientales y de edad sobre
los materiales del pavimento
INFORMACIÓN QUE REQUIERE UN PROGRAMA DE
ANÁLISIS ELÁSTICO PARA CALCULAR LA RESPUESTA
DE UN PAVIMENTO BAJO CARGA
Propiedades del material de cada capa
—Módulo de elasticidad
—Relación de Poisson
Condiciones de adherencia entre capas adyacentes
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
Espesor de cada una de las capas
Condiciones de carga
—Magnitud de la carga
—Geometría de la carga
—Número de cargas actuantes
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
INFORMACIÓN QUE REQUIERE UN PROGRAMA DE
ANÁLISIS ELÁSTICO PARA CALCULAR LA RESPUESTA
DE UN PAVIMENTO BAJO CARGA
SALIDAS DE UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO
El programa calcula los esfuerzos, deformaciones y
deflexiones en cualquier punto de la estructura del
pavimento
Hay unos pocos sitios en los que generalmente se
interesa el diseñador para el cálculo de respuestas críticas
Ubicación Respuesta
Superficie del pavimento Deflexión
Fondo de capas asfálticas ó
bases estabilizadas
Deformación horizontal de
tensión
Parte superior de las capas
intermedias granulares
Deformación vertical de
compresión
Superficie de la subrasante Deformación vertical de
compresión
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO EMPLEANDO
UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO
El diseño de un pavimento usando el planteamiento
empírico - mecanístico es un proceso iterativo que
requiere varios pasos:
1. Estimar el tránsito durante el periodo de diseño del
pavimento (N)
2. Fijar las condiciones de carga
3. Establecer unos espesores iniciales de las capas del
pavimento
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
4. Fijar los módulos y las relaciones de Poisson para
las capas, así como las condiciones de adherencia
entre ellas
5. Calcular los esfuerzos y deformaciones en los
puntos críticos de la estructura del pavimento
mediante el programa de análisis elástico
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO EMPLEANDO
UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO
6. Adoptar ecuaciones de comportamiento de los
diferentes materiales
7. Determinar las repeticiones de carga admisibles (ni)
para las magnitudes de los esfuerzos y deformaciones
obtenidas en los puntos críticos del modelo
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO EMPLEANDO
UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO
8. Computar las relaciones Di = N/ni en todos los puntos
críticos
9. Aumentar o disminuir espesores, variar calidad de
materiales, o ambas cosas simultáneamente, si Di no es
próximo a 1.0
10. Iterar hasta obtener el diseño definitivo
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO EMPLEANDO
UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
EJEMPLO DE INFORMACIÓN SOBRE CARGAS Y CAPAS DEL
PAVIMENTO EN UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
EJEMPLO DE ESFUERZOS Y DEFORMACIONES CALCULADOS
POR UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO
CRITERIOS DE FALLA
La parte empírica fundamental de estos métodos la
constituyen las ecuaciones utilizadas para calcular el
número requerido de ciclos de carga para alcanzar la
falla del pavimento
Estas ecuaciones se han obtenido observando el
comportamiento de pavimentos y relacionando el tipo
y la extensión de la falla observada, con una
deformación inicial bajo diferentes cargas
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
Generalmente, se reconocen dos tipos de criterios
de falla de los pavimentos asfálticos: uno relacionado
con el agrietamiento por fatiga y el otro con el inicio
del ahuellamiento en la subrasante
Un tercer criterio (deflexión) se usa en
aplicaciones específicas
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
CRITERIOS DE FALLA
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
CRITERIOS DE FALLA
El agrietamiento por fatiga se desarrolla bajo
cargas repetidas si el esfuerzo horizontal en el fondo
de la capa asfáltica inferior es excesivo
El ahuellamiento o deformación permanente
ocurre en la superficie del pavimento debido a la
sobrecarga de la subrasante, si el esfuerzo vertical de
compresión sobre dicha capa es excesivo
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
CRITERIOS DE FALLA
CRITERIO DE FALLA POR FATIGA DEL
CONCRETO ASFÁLTICO
Se han desarrollado muchas ecuaciones para
estimar el número de repeticiones a la falla en el
modo de fatiga para el concreto asfáltico
Todas ellas dependen de la deformación horizontal
de tensión en la fibra inferior de las capas asfálticas
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
Fórmula de Finn et al
Log Nf = 15.947 - 3.291 log (et/10-6) - 0.854 log (EAC/103)
Nf = número de aplicaciones de carga que dan lugar al
agrietamiento del 10% del área sometida a carga
et = deformación horizontal de tensión en el fondo de la
capa asfáltica
EAC = módulo de la capa asfáltica (psi)
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
CRITERIO DE FALLA POR FATIGA DEL
CONCRETO ASFÁLTICO
CRITERIO DE FALLA POR AHUELLAMIENTO
Aunque el ahuellamiento se puede generar en
cualquier capa del pavimento, el criterio corriente es
atribuirlo principalmente al sobreesfuerzo de la
subrasante
Este criterio se suele expresar en términos de la
deformación vertical de compresión en la superficie
de la capa subrasante (εz)
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
Fórmula de CHEVRON
Nf = 1.05x10-2 * ez-0.223
Nf = número admisible de aplicaciones de carga para
que el ahuellamiento no exceda de 13 mm
ez = deformación vertical de compresión en la
superficie de la subrasante
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
CRITERIO DE FALLA POR AHUELLAMIENTO
CRITERIO DE FALLA POR DEFLEXIÓN
Fue el criterio de fatiga más utilizado durante
mucho tiempo, pero hoy se emplea únicamente en
algunas aplicaciones especiales
Su información, aunque valiosa, no da una medida
tan apropiada del funcionamiento estructural como las
deformaciones específicas horizontales y verticales
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
Fórmula del Instituto del Asfalto
DB = 25.64*N-0.2383
N = número admisible de aplicaciones de carga hasta
la falla, para una determinada deflexión Benkelman
característica (DB) en milímetros
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
CRITERIO DE FALLA POR DEFLEXIÓN
SENSIBILIDAD DEL DISEÑO A LOS CRITERIOS DE FALLA
El criterio que controla el diseño es aquel que exija
un mayor espesor de pavimento para un determinado
nivel de tránsito
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
MÉTODO SHELL – 98
(SPDM 3.0)
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
Generalidades
El método considera el pavimento como unsistema de capas homogéneas, isotrópicas y decomportamiento linealmente elástico
Los materiales de las diversas capas estáncaracterizados por E y m
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
Generalidades (cont.)
Los criterios de diseño incluyen:
—Tensión horizontal en el fondo de las capasasfálticas o en las capas de base cementadas,cuando la estructura las incluya
—Deformación vertical de compresión al nivel dela subrasante
—Deformación permanente de las mezclasasfálticas
Generalidades (cont.)
El método permite considerar fricción variable en lasinterfaces de las capas del pavimento
Los cálculos de los esfuerzos y deformaciones serealizan con el programa BISAR
La determinación de espesores se realiza a través deun módulo del programa Windows SPDM 3.0
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
INFORMACIÓN REQUERIDA PARA EL DISEÑO
Clima
Tránsito y periodo de diseño del pavimento
Características de las capas granulares y lasubrasante
Composición de la mezcla asfáltica ycaracterísticas de fatiga de ella
Rigidez de la capa asfáltica y espesores
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
Clima
Se emplea la temperatura promedio anual ponderadadel sitio del proyecto (w-MAAT), la cual se puedeobtener de 3 maneras:
—Introduciendo los 12 valores de temperaturapromedio mensual
—Seleccionando de la base de datos, a través delbotón Retrieve, los valores de las temperaturaspromedio mensuales
—Introduciendo directamente el valor de la w-MAAT
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Clima
Tránsito y período de diseño
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Se emplea el número de ejes simples equivalentes de80 kN en el carril de diseño durante el período de diseño,el cual se puede obtener de dos maneras:
—Introduciendo el espectro de cargas, junto coninformación sobre el número de días del año contránsito, la tasa de crecimiento anual del tránsito yel período de diseño del pavimento
—Introduciendo directamente el número de ejessimples equivalentes
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Tránsito y período de diseño
La pantalla da la oportunidad de efectuarcorrecciones por movimiento lateral del tránsito sobrela calzada y por el efecto de reposo entre aplicacionessucesivas de carga por eje
Los valores incluidos por defecto son 5 y 2respectivamente
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Tránsito y período de diseño
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Características de las capas granulares y de la subrasante
Se debe ingresar obligatoriamente el módulo de lasubrasante (E3) y el espesor de las capas granulares (h2)
Se puede incluir un valor promedio del módulo de lascapas granulares (E2) o permitir que el programa localcule con 50% de confiabilidad mediante la expresión:
(E2 = 0.2* h20.45 *E3)
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Características de las capas granulares y de la subrasante
Se permite aumentar la confiabilidad a 85% o 95%
Se asigna por defecto una relación de Poisson de 0.35,pero puede ser modificada
Se puede ingresar una fórmula propia sobre el criteriode deformación de la subrasante o emplear las fórmulasSHELL para 50%, 85% o 95% de confiabilidad
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Características de las capas granulares y de la subrasante
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Composición de la mezcla asfáltica y fatiga
Se debe ingresar la información correspondiente alos volúmenes de agregados, asfalto y vacíos de lamezcla compactada (es suficiente ingresar 2 de los 3datos)
Se debe incluir la ecuación de fatiga de la mezclacompactada, la cual puede ser propia o la quesuministra el método por defecto
El valor Nfat es el número de ciclos para el cual elstiffness decrece un 50% de su valor original
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Composición de la mezcla asfáltica y fatiga
Stiffness de la mezcla asfáltica y espesor de capas asfálticas
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
El módulo de la mezcla se puede alimentar de 3maneras:
—Ingresando su valor para las condicionesreales de temperatura y de tiempo deaplicación de carga
—Incorporando el stiffness del asfalto (Sbit) paralas mismas condiciones
—Incorporando los datos básicos decomportamiento del asfalto envejecido(punto de ablandamiento y penetración)
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Stiffness de la mezcla asfáltica y espesor de capas asfálticas
La relación de Poisson de la mezcla es de 0.35 pordefecto, pero puede ser modificada
El espesor adoptado de capas asfálticas para elprimer tanteo de diseño es, por defecto, 0.2 m
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Stiffness de la mezcla asfáltica y espesor de capas asfálticas
Cálculo del espesor de diseño de las capas asfálticas
Se marcan las opciones ―Results” y ―Calculate”
Aparece un mensaje ofreciendo la posibilidad desalvar la información
El programa realiza los cálculos de esfuerzos ydeformaciones para el modelo de pavimento creadopara el primer tanteo y compara los resultados con loscriterios de falla introducidos
Si no hay coincidencia, efectúa las iteracionesnecesarias hasta obtener el espesor apropiado de capasasfálticas
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Cálculo del espesor de diseño de las capas asfálticas
INFORME DE DISEÑO DE ESPESORES
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
PARA CALLES Y CARRETERAS
DISEÑO DE
PAVIMENTOS SOBRE
SUELOS BLANDOS
Los suelos blandos de subrasante suelen presentar
problemas, tanto para la construcción como para el
comportamiento del pavimento, razón por la cual se
suele recomendar (i) su remoción y su reemplazo por
materiales seleccionados de relleno o (ii) emplear algún
tratamiento de estabilización
Si el retiro total de la capa blanda es posible, el
material seleccionado de reemplazo constituye la nueva
subrasante y el pavimento se diseña por algún método
convencional, a partir de la respuesta del nuevo material
DISEÑO DE PAVIMENTOS
SOBRE SUELOS BLANDOS
Cuando el reemplazo total de la capa blanda no resulta
práctico, se acostumbra mejorar las condiciones del suelo
mediante diferentes alternativas, entre ellas:
—la colocación de una capa de material granular
grueso de tamaños surtidos (rajón), hasta lograr un
soporte consistente
—la instalación de un elemento que ayude a distribuir
mejor los esfuerzos sobre el suelo previniendo fallas
locales por corte (geomalla), acompañado o no de otro
elemento que separe el suelo blando de las capas
granulares del pavimento (geotextil)
DISEÑO DE PAVIMENTOS
SOBRE SUELOS BLANDOS
DISEÑO DE PAVIMENTOS
SOBRE SUELOS BLANDOS
COLOCACIÓN DE UNA CAPA DE MATERIAL
GRANULAR GRUESO (RAJÓN)
Cuando se emplea la capa de rajón, el diseñador
escoge un espesor efectivo de éste (generalmente entre
200 y 300 mm)
A continuación, partiendo del módulo resiliente de la
subrasante y del espesor efectivo del rajón, se calcula el
valor del módulo del sistema bicapa constituido por el
rajón y la subrasante
Tomando como base el módulo del bicapa, se diseña
el pavimento empleando algún método convencional
DISEÑO DE PAVIMENTOS
SOBRE SUELOS BLANDOS
COLOCACIÓN DE UNA CAPA DE MATERIAL
GRANULAR GRUESO (RAJÓN)
DISEÑO DE PAVIMENTOS
SOBRE SUELOS BLANDOS
Cuando se emplean geomallas, se aplican criterios
empíricos de diseño sugeridos por sus fabricantes,
basados en la consideración de que ellas distribuyen
mejor los esfuerzos del tránsito sobre el suelo,
permitiendo disminuciones del espesor del pavimento,
respecto del requerido sobre el suelo sin reforzar
USO DE GEOMALLAS
DISEÑO DE PAVIMENTOS
SOBRE SUELOS BLANDOS
EJEMPLO DE SOFWARE PARA DISEÑO DE PAVIMENTO,
ELABORADO POR UN FABRICANTE DE GEOMALLAS
USO DE GEOMALLAS
DISEÑO DE PAVIMENTOS
RÍGIDOS PARA CALLES Y
CARRETERAS
CONTENIDO
Método de diseño PCA
Método de diseño PCA simplificado
Diseño de juntas
Los estudios teóricos del comportamiento de losas y
los desarrollos recientes de análisis de esfuerzos y
deformaciones en pavimentos rígidos
Pavimentos experimentales sometidos a tránsito
controlado, como los de Bates, Pittsburg, Maryland y
AASHO
El estudio del comportamiento bajo servicio de
pavimentos normalmente construidos, sometidos a
tránsito mixto, el cual ha constituido la mayor fuente de
conocimiento
DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS
PARA CALLES Y CARRETERAS
BASES DE LOS CRITERIOS ACTUALES PARA EL
DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS
MÉTODOS DE DISEÑO
MÉTODO DE DISEÑO
PCA
MÉTODO DE DISEÑO PCA
MÉTODO DE DISEÑO PCA
Generalidades
Publicado en 1966 y actualizado en 1984
Es aplicable a:
— Pavimentos de concreto simple con juntas
— Pavimentos de concreto reforzado con juntas
— Pavimentos con refuerzo continuo
MÉTODO DE DISEÑO PCA
Generalidades
Los esfuerzos y deflexiones críticas se han calculado
y combinado con criterios de diseño, para desarrollar
tablas y gráficas de diseño
Los criterios de diseño consideran:
—Análisis de fatiga
—Análisis de erosión
Reconoce que el pavimento puede fallar por fatiga
del concreto
Se basa en el cálculo de esfuerzos por cargas en el
borde de las losas, a medio camino entre juntas
transversales
MÉTODO DE DISEÑO PCA
ANÁLISIS DE FATIGA
Los esfuerzos debidos al alabeo no son
considerados en el diseño
La magnitud de los esfuerzos críticos se reduce si
las bermas se anclan al pavimento
El análisis de fatiga controla los diseños de
pavimentos delgados para bajo tránsito,
independientemente del tipo de transferencia de carga
en las juntas transversales
MÉTODO DE DISEÑO PCA
ANÁLISIS DE FATIGA
La resistencia a la fatiga se basa en la relación de
esfuerzos:
Se considera que la resistencia a fatiga no consumida por
una carga queda disponible para ser consumida por las
repeticiones de otras cargas (Ley de Miner)
MÉTODO DE DISEÑO PCA
ANÁLISIS DE FATIGA
concretodelroturadeMódulo
ejeporcargalaporproducidoEsfuerzo
MÉTODO DE DISEÑO PCA
ANÁLISIS DE FATIGA
Considera que el pavimento falla por bombeo, por
erosión del soporte y por escalonamiento de las juntas
La deflexión más crítica ocurre en la esquina de la
losa, cuando la carga está situada en la junta, en
cercanías de la esquina
MÉTODO DE DISEÑO PCA
ANÁLISIS DE EROSIÓN
La deflexión en la esquina de la losa se reduce si la
berma está anclada al pavimento o si la losa es lo
suficientemente ancha como para que las llantas
circulen lejos del borde de la losa
El análisis de erosión controla el diseño de los
pavimentos espesos para tránsito medio y pesado
cuando la transferencia de carga es por trabazón de
agregados y controla el diseño para tránsito pesado
cuando la transferencia es por varillas
MÉTODO DE DISEÑO PCA
ANÁLISIS DE EROSIÓN
FACTORES DE DISEÑO DEL PAVIMENTO
Factor Medida
Soporte Módulo de reacción (k) de la subrasante o del conjunto
subrasante - subbase, si esta última se coloca
Resistencia del concreto Resistencia de tracción por flexión con carga en los
tercios medios. Se utiliza una resistencia de diseño a 28
días de curado de la mezcla y se denomina módulo de
rotura.
Cargas del tránsito Se debe conocer el espectro de cargas por eje y
proyectarlo durante el periodo de diseño del pavimento.
Las cargas incluyen un factor de seguridad según la
intensidad del tránsito (1.0, 1.1, 1.2)
Otros factores Tipo de transferencia de carga en juntas transversales.
Presencia de bermas de concreto ancladas al pavimento
MÉTODO DE DISEÑO PCA
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
La resistencia de cada suelo se debe expresar entérminos del módulo de reacción (k)
No se requiere realizar correcciones de ―k‖ porefectos estacionales
Se permite la determinación de ―k‖ por correlacióncon el CBR
CBR (%) 3 4 5 8 10 20
k (pci) 100 120 140 175 200 250
MÉTODO DE DISEÑO PCA
Soporte del pavimento
La colocación de una subbase para prevenir el
bombeo (granular o estabilizada) y para brindar un
apoyo más uniforme a las losas, se traduce en un
incremento del módulo de reacción del soporte (k),
el cual se aprovecha en el diseño del espesor de las
losas
MÉTODO DE DISEÑO PCA
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Soporte del pavimento
MÉTODO DE DISEÑO PCA
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Soporte del pavimento
Los esfuerzos que sufre un pavimento rígido bajocarga son de compresión y tensión
Los esfuerzos de compresión son muy bajos respectode la resistencia a la compresión del concreto
Los esfuerzos de tensión pueden representar unafracción importante de resistencia a flexión, razón porla cual son éstos los que se consideran en el diseño delpavimento
MÉTODO DE DISEÑO PCA
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Resistencia del concreto
MÉTODO DE DISEÑO PCA
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Resistencia del concreto a flexión
El diseño hace uso del valor de fatiga del concretobajo flexión repetida
El criterio de fatiga se basa en la hipótesis de que laresistencia a fatiga no consumida por las repeticionesde una determinada carga queda disponible para lasrepeticiones de las demás
El consumo total de fatiga no deberá exceder de100%
La ecuación de fatiga está incorporada en lasgráficas de diseño
MÉTODO DE DISEÑO PCA
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Resistencia del concreto
El método exige el conocimiento del espectro decargas por eje, discriminado por tipo de eje (simple,tándem, triple)
El espectro actual debe proyectarse al futuro deacuerdo con la tasa de crecimiento anual de tránsito,para determinar el número esperado de aplicaciones decada grupo de carga por eje durante el periodo de diseñoque, generalmente, es 20 años
MÉTODO DE DISEÑO PCA
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Cargas del tránsito
Las magnitudes de las cargas por eje se debenafectar por un factor de seguridad:
—Vías con un flujo importante de tránsitopesado, FSC=1.2
—Vías con moderado volumen de tránsito devehículos pesados, FSC= 1.1
—Vías residenciales y otras con bajo volumende tránsito, FSC = 1.0
MÉTODO DE DISEÑO PCA
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Cargas del tránsito
I - Tipo de transferencia de carga en las juntastransversales
El método considera dos sistemas:
—Por varillas para la transferencia de carga (pasadores)
— Por trabazón de agregados
MÉTODO DE DISEÑO PCA
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Otros factores
I - Tipo de transferencia de carga en las juntastransversales
La inclusión de varillas para la transferencia decarga (pasadores) en la juntas trasversales decontracción mejora el comportamiento del pavimentoen relación con la posibilidad de falla porescalonamiento, en particular cuando los volúmenes detránsito son elevados
MÉTODO DE DISEÑO PCA
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Otros factores
I - Tipo de transferencia de carga en las juntastransversales
MÉTODO DE DISEÑO PCA
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Otros factores
VARILLAS DE TRANSFERENCIA
I - Tipo de transferencia de carga en las juntastransversales
MÉTODO DE DISEÑO PCA
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Otros factores
TRABAZÓN DE AGREGADOS
II - Uso de bermas de concreto
El empleo de bermas de concreto ancladas alpavimento produce alguna transferencia de carga queda lugar a reducciones en los esfuerzos de flexión y enlas deflexiones producidas por las cargas de losvehículos, las cuales se pueden traducir en unadisminución del espesor de diseño
MÉTODO DE DISEÑO PCA
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Otros factores
II - Uso de bermas de concreto
MÉTODO DE DISEÑO PCA
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Otros factores
TABLAS Y GRÁFICAS DE DISEÑO
MÉTODO DE DISEÑO PCA
TABLAS Y GRÁFICAS DE DISEÑO
MÉTODO DE DISEÑO PCA
TABLA PARA EL CÁLCULO DEL ESFUERZO EQUIVALENTE PARA
EJE SENCILLO EN UN PAVIMENTO SIN BERMAS DE CONCRETO (PARCIAL)
(EJE SIMPLE/EJE TÁNDEM)
50 100 150 200 300 500 700
4.0 825/679 726/585 671/542 634/516 584/486 523/457 484/443
4.5 699/586 616/500 571/460 540/435 498/406 448/378 417/363
5.0 602/516 531/436 493/399 467/376 432/349 390/321 363/307
5.5 526/461 464/387 431/353 409/331 379/305 343/278 320/264
6.0 465/416 411/348 382/316 362/296 336/271 304/246 285/232
6.5 417/380 367/317 341/286 324/267 300/244 273/220 256/207
k combinado (lb/pg3)Espesor
losas(pg)
MÉTODO DE DISEÑO PCA
GRÁFICA PARA ANÁLISIS DE FATIGA
MÉTODO DE DISEÑO PCA
TABLA PARA EL CÁLCULO DEL FACTOR DE EROSIÓN PARA EJE
SIMPLE EN UN PAVIMENTO CON SISTEMA DE TRANSFERENCIA POR
VARILLAS Y SIN BERMAS DE CONCRETO (PARCIAL)
(EJE SIMPLE/EJE TÁNDEM)
50 100 200 300 500 700
4.0 3.74/3.83 3.73/3.79 3.72/3.75 3.71/3.73 3.70/3.70 3.68/3.67
4.5 3.59/3.70 3.57/3.65 3.56/3.61 3.55/3.58 3.54/3.55 3.52/3.53
5.0 3.45/3.58 3.43/3.52 3.42/3.48 3.41/3.45 3.40/3.42 3.38/3.40
5.5 3.33/3.47 3.31/3.41 3.29/3.36 3.28/3.33 3.27/3.30 3.26/3.28
6.0 3.22/3.38 3.19/3.31 3.18/3.26 3.17/3.23 3.15/3.20 3.14/3.17
6.5 3.11/3.29 3.09/3.22 3.07/3.16 3.06/3.13 3.05/3.10 3.03/3.07
Espesor
losas(pg)
k combinado (lb/pg3)
MÉTODO DE DISEÑO PCA
GRÁFICA PARA ANÁLISIS DE EROSIÓN
MÉTODO DE DISEÑO PCA
MODELO DE HOJA DE CÁLCULOProyecto:
Espesor: cm Juntas con dovelas:
ksist.: MPa/m Bermas de concreto:
fctM,k: MPa Período de diseño (años):
Fsc:
ANÁLISIS DE FATIGA ANÁLISIS DE EROSIÓN
CARGAS CARGAS NÚMERO NÚMERO CONSUMO NÚMERO DAÑOS POR
POR EJE POR EJE REPETICIONES REPETICONES DE FATIGA REPETICIONES EROSIÓN
(kN) x Fsc ESPERADAS ADMISIBLES (%) ADMISIBLES (%)
1 2 3 4 5 6 7
EJES SENCILOS Esf. equivalente: Factor de erosión:
Factor de relación de esfuerzo:
EJES TÁNDEM Esf. equivalente: Factor de erosión:
Factor de relación de esfuerzo:
EJES TRÍDEM Esf. equivalente: Factor de erosión:
Factor de relación de esfuerzo:
TOTAL TOTAL
MÉTODO DE DISEÑO PCA
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO
Inclusión de datos de entrada en la hoja de cálculo
Espesor de tanteo de losas de concreto
Módulo de reacción de la subrasante o del conjunto
subrasante - subbase
Módulo de rotura promedio del concreto
MÉTODO DE DISEÑO PCA
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO
Inclusión de datos de entrada en la hoja de cálculo
Factor de seguridad de carga adoptado
Sistema de transferencia de carga en las juntas
transversales
Presencia o ausencia de bermas de concreto
Periodo de diseño del pavimento
MÉTODO DE DISEÑO PCA
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO
Inclusión de datos de entrada en la hoja de cálculo
Esfuerzo equivalente para ejes simples, tomado de la
tabla que corresponda (pavimento con o sin berma) en
función del espesor de tanteo y del ―k‖ de diseño
Relación de esfuerzos para ejes simples = Esfuerzo
equivalente para ejes simples / Módulo de rotura del
concreto
Factor de erosión para ejes simples, tomado de la tabla
que corresponda, según los tipos de confinamiento y
transferencia de carga, en función del espesor de tanteo y
del ―k‖ de diseño
MÉTODO DE DISEÑO PCA
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO
Inclusión de datos de entrada en la hoja de cálculo
Esfuerzo equivalente, relación de esfuerzos y factor de
erosión para ejes tándem con un procedimiento similar al
de los ejes simples
Inclusión del espectro de cargas elegido (columna 1)
Multiplicación de cada valor de carga x FSC (columna
2)
Inclusión de número de repeticiones esperadas de cada
carga por eje (columna 3)
MÉTODO DE DISEÑO PCA
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO
Análisis de fatiga
Para cada una de las cargas por eje simple de la
columna 2 y la relación de esfuerzos para ejes simples,
se determina el número admisible de repeticiones de
carga en la gráfica de análisis de fatiga y se coloca en
la casilla correspondiente de la columna 4
Si el número de repeticiones admisible resulta
superior a 10,000,000, se escribirá ―ilimitado‖ en la
casilla correspondiente
MÉTODO DE DISEÑO PCA
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO
Análisis de fatiga
Se procede de manera similar con las cargas por eje
tándem
Se calcula el consumo de fatiga de cada una de las
cargas por eje simple y tándem, dividiendo los valores
de la columna 3 por los valores de la columna 4. Se
coloca cada resultado en la columna 5, como porcentaje
La suma de todos los valores de la columna 5 será el
consumo total de fatiga, correspondiente al espesor de
tanteo escogido
MÉTODO DE DISEÑO PCA
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO
Análisis de erosión
Para cada una de las cargas por eje simple de la
columna 2 y el factor de erosión para ejes simples, se
determina el número de repeticiones admisibles por
este concepto en la gráfica que corresponda (según si el
pavimento tiene o no bermas de concreto) y se coloca
en la casilla correspondiente de la columna 6
Para repeticiones mayores de 100,000,000, se
escribe ―ilimitado‖
MÉTODO DE DISEÑO PCA
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO
Análisis de erosión
Se procede de manera similar con las cargas por eje
tándem
Se calcula el daño relativo por erosión, relacionando,
en porcentaje, los valores de las columnas 3 y 6
Se colocan los valores calculados en la columna 7
La suma de todos los valores de la columna 7 es el
daño total por erosión correspondiente al espesor de
tanteo escogido
MÉTODO DE DISEÑO PCA
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO
Análisis de resultados
El espesor de losas escogido para el tanteo se
considera inadecuado si el consumo total de fatiga o
el daño total por erosión superan 100%
En este caso, se realiza otro tanteo con un espesor
de losas mayor
Si los totales son mucho menores que 100%, se
debe realizar otro tanteo con un espesor menor
MÉTODO DE DISEÑO PCA
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO
Análisis de resultados
Para disminuir el número de tanteos, el efecto del
espesor sobre los daños por fatiga y erosión se ajusta a
una proyección geométrica
Por ejemplo, si el consumo de fatiga para un espesor
de 20 cm resultó 178% y para uno de 24 cm fue 33%,
el consumo de fatiga para 22 cm será
%7733*178
MÉTODO DE DISEÑO PCA
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO
HOJA DE CÁLCULO CON TANTEO DE DISEÑO
MÉTODO DE DISEÑO PCA
OTRAS POSIBILIDADES DEL MÉTODO DE LA PCA
El método contempla la posibilidad de incluir capas
de subbase de concreto pobre e incluye gráficas de
diseño para ello
Se tiene en cuenta la presencia de ejes triples, los
cuales se procesan en una hoja de cálculo extra
Se considera que cada eje triple equivale a 3 ejes
simples, cada uno de ellos con una carga igual a la
tercera parte del eje triple y se emplean las tablas y
escalas gráficas correspondientes a los ejes simples para
los cálculos de fatiga y erosión
MÉTODO DE DISEÑO PCA
DISEÑO MEDIANTE PROGRAMAS DE CÓMPUTO
Existen programas de cómputo que realizan los tanteos
con gran rapidez, a partir de los parámetros básicos de
diseño (ejemplo: programa BS-PCA)
MÉTODO DE DISEÑO PCA
PROGRAMA BS-PCA
MÉTODO DE DISEÑO PCA
PANTALLA CON INFORMACIÓN SOBRE TRÁNSITO
MÉTODO DE DISEÑO PCA
PANTALLA CON DATOS DE ENTRADA Y RESULTADOS
PROGRAMA BS-PCA
MÉTODOS DE DISEÑO
MÉTODO DE DISEÑO
PCA SIMPLIFICADO
Generalidades
Este método se aplica cuando no se dispone de datos
sobre el espectro de cargas
La PCA ha generado unas tablas de diseño basadas
en volúmenes de tránsito mixto que representan
diferentes categorías de calles y carreteras de los
Estados Unidos de América
Su aplicación en otros medios debe ser cuidadosa,
debido a las diferencias en las costumbres del tránsito,
en particular las cargas máximas por eje
MÉTODO SIMPLIFICADO DE DISEÑO PCA
Generalidades
El tránsito y el soporte se caracterizan de manera
diferente al método general de la PCA
El módulo de rotura del concreto y las condiciones
de transferencia de carga y confinamiento lateral se
analizan de la misma manera
Los factores de seguridad de carga están
incorporados en las tablas de diseño, las cuales han
sido elaboradas para un periodo de diseño de 20 años
MÉTODO SIMPLIFICADO DE DISEÑO PCA
CLASIFICACIÓN DEL TRÁNSITO
TPD
(ADT)
* TPD VC
(ADTT)
Ejes simples Ejes tándem
Calles residenciales
Carreteras secundarias de
tránsito bajo y medio
Calles colectoras
Carreteras secundarias de
mayor tránsito
Vias arterias de bajo tránsito
Vías arterias y carreteras
primarias de tránsito medio
3000-12000
(2 carriles)
Vias expresas de tránsito bajo y
medio
3000-50000
(4 carriles)
3000-20000
(2 carriles)
3000-150000
(4 carriles o
más)
Descripción de la vía
Tránsito Máximas cargas por eje, kips (t)
1
3
2
Categoría
Vias arterias primarias y
expresas de alto tránsito
25 ó -
500-5000+
1500-8000+
40 -1000
200-800
700-5000
CATEGORIAS DE CARGA POR EJE
34 (16) 60 (27)
26 (12) 44 (20)
22 (10) 36 (16)
30 (14) 52 (24)
4
* Se excluye todo vehículo de 2 ejes y 4 llantas
MÉTODO SIMPLIFICADO DE DISEÑO PCA
Consideraciones sobre TPD (ADT) y TPDvc (ADTT)
TPD (ADT) es el tránsito promedio diario en ambas
direcciones, el cual incluye todos los vehículos
TPDvc (ADTT) es el tránsito promedio diario en
ambas direcciones, de vehículos comerciales (vehículos
con 6 o más llantas)
MÉTODO SIMPLIFICADO DE DISEÑO PCA
CLASIFICACIÓN DEL TRÁNSITO
Consideraciones sobre TPD (ADT) y TPDvc (ADTT)
Los valores de TPD y TPDvc que se usan para el
diseño deben ser valores promedio durante el periodo de
diseño, por lo que los valores iniciales deben ser
afectados por factores de proyección que dependen de la
tasa anual de crecimiento del tránsito
MÉTODO SIMPLIFICADO DE DISEÑO PCA
CLASIFICACIÓN DEL TRÁNSITO
CLASIFICACIÓN DEL SOPORTE
Tipo de
soporte
Tipo de suelo Rango típico de k
(pci)
Bajo Suelo de grano fino donde predominan
partículas de limo y arcilla
75-120
Medio Arenas y mezclas de grava y arena
con cantidades moderadas de
partículas finas
130-170
Alto Arenas y mezclas de gravas y arenas
relativamente libres de finos plásticos
180-220
Muy alto Subrasantes protegidas con
subbases tratadas con cemento
250-400
MÉTODO SIMPLIFICADO DE DISEÑO PCA
PASOS PARA EL DISEÑO
Se elige una categoría de tránsito
Lo correcto es basarse en la descripción del tipo de
vía y las cargas máximas esperables por eje, más que
en los valores de TPD y TPDvc, los cuales han sido
incluidos para ilustrar valores típicos
Se determina el tipo de soporte
MÉTODO SIMPLIFICADO DE DISEÑO PCA
PASOS PARA EL DISEÑO
Se establecen las características de transferencia de
carga y confinamiento lateral del pavimento
Se escoge la tabla de diseño apropiada para los
parámetros citados
Se halla el espesor de losas de concreto requerido,
según el módulo de rotura de diseño de la mezcla
MÉTODO SIMPLIFICADO DE DISEÑO PCA
EJEMPLO DE DISEÑO
MÉTODO SIMPLIFICADO DE DISEÑO PCA
Datos del problema
Vía arteria de dos carriles
TPD de diseño = 6,200 vehículos
TPDvc de diseño = 630 vehículos comerciales
No se espera la acción de cargas inusualmente altas o bajas
Suelo de subrasante arcilloso (k = 80 lb/pg3)
Subbase granular de 4 pulgadas de espesor
Módulo de rotura del concreto = 650 lb/pg2
Transferencia de cagas por varillas
Pavimento confinado por berma de concreto
MÉTODO SIMPLIFICADO DE DISEÑO PCA
EJEMPLO DE DISEÑO
Solución del problema
Considerando el tipo de vía y el hecho de que no
habrá cargas excepcionales, se escoge la Categoría 3
de tránsito
Para la combinación de subrasante y subbase
granular, en encuentra un ―k‖ combinado de 120 pci,
al cual corresponde un Soporte Bajo
Se escoge la tabla de diseño adecuada a los datos
del problema (categoría de tránsito, tipo de
transferencia de carga y existencia de confinamiento)
EJEMPLO DE TABLA DE DISEÑO DEL PAVIMENTO
Bajo Medio Alto Muy alto
6.5 83 320
7.0 52 220 550 1900
7.5 320 1200 2900 9800
8.0 1600 5700 13300
8.5 6900 23700
PAVIMENTO CON BERMAS DE CONCRETO
650
Módulo rotura
concreto (lb/pg2)
Espesor
losas (pg)
SOPORTE SUBRASANTE - SUBBASE
MÉTODO SIMPLIFICADO DE DISEÑO PCA
MÉTODO SIMPLIFICADO DE DISEÑO PCA
EJEMPLO DE DISEÑO
Solución del problema (cont.)
Para un módulo de rotura de 650 psi, la tabla
muestra que
—7.5 pulgadas de losas soportan un TPDvc hasta
de 320 vehículos comerciales
—8.0 pulgadas de losas soportan un TPDvc hasta
de 1600 vehículos comerciales
Como el TPDvc del problema es 630, se concluye
que el espesor de losas requerido es 8.0 pulgadas
CAPACIDAD DE SOPORTE
SENSIBILIDAD DE LOS FACTORES DE DISEÑO
Si se duplica el módulo de reacción de diseño, se
logra una disminución media de 2 cm en el espesor de
losas si el soporte es bajo o medio
La disminución es del orden de 1 cm para soportes
de mejor calidad
SENSIBILIDAD DE LOS FACTORES DE DISEÑO
RESISTENCIA DE DISEÑO DEL CONCRETO
Tránsito Junta Resistencia del concreto
Sin pasadores
No tiene influencia. El control lo ejerce la
erosión
Con pasadores
En promedio, un aumento de 3 kg/cm2 reduce
1 cm el espesor
Liviano a
medio
Con y sin pasadores En promedio, un aumento de 3 kg/cm2
disminuye 1 cm el espesor
Medio a
muy
pesado
BERMA PAVIMENTADA EN CONCRETO
Su consideración permite disminuir, en promedio, 3 cm
el espesor del pavimento
COLOCACIÓN DE PASADORES EN JUNTAS TRANSVERSALES
Tránsito Resistencia del concreto Efecto de los pasadores
Alta Permite reducir el espesor en 5 cm
Media y baja Permite reducir el espesor en 2 cm
Alta Permite reducir el espesor de 2 a 3 cm
Media y baja No influye
Liviano a medio Alta a baja No influye
Liviano Alta a baja No influye
Pesado y muy
pesado
Medio
SENSIBILIDAD DE LOS FACTORES DE DISEÑO
ELEMENTOS AUXILIARES
DISEÑO DE JUNTAS EN
PAVIMENTOS RÍGIDOS
FUNCIONES DE LAS JUNTAS DE LOS PAVIMENTOS RÍGIDOS
Controlar el agrietamiento transversal y longitudinal
generado por la contracción restringida del concreto y
por los efectos combinados del alabeo y las cargas del
tránsito
Permitir los movimientos de las losas
Asegurar una adecuada transferencia de carga
Proveer espacio para el material de sello
DISEÑO DE JUNTAS
FISURACIÓN INICIAL DEL CONCRETO
La contracción generada durante las primeras horas
de vida del pavimento, a causa de la reducción de
volumen y temperatura del concreto, genera fricción
entre el pavimento y el soporte
Esta fricción produce esfuerzos de tracción que
causan un patrón de fisuramiento transversal a
intervalos del orden de 10 a 45 metros
DISEÑO DE JUNTAS
Debido a la acción de gradientes térmicos, los
segmentos en los cuales se ha dividido el pavimento
tienden a alabearse, generándose esfuerzos de flexión
proporcionales a la longitud de los segmentos, los
cuales exceden el módulo de rotura, dando lugar a la
aparición de fisuras intermedias
El proceso se sigue repitiendo hasta que las
dimensiones de los segmentos sean tales, que la
magnitud del esfuerzo generado por el gradiente
térmico resulte inferior al módulo de rotura del concreto
DISEÑO DE JUNTAS
FISURACIÓN INICIAL DEL CONCRETO
FISURACIÓN INICIAL DE UN PAVIMENTO RÍGIDO TÍPICO SIN JUNTAS
DISEÑO DE JUNTAS
PROPÓSITO DEL PROYECTO DE JUNTAS
Determinar las dimensiones de las losas que
conduzcan a la forma más económica de controlar la
fisuración transversal y longitudinal debida a cambios
volumétricos del concreto y al alabeo restringido
DISEÑO DE JUNTAS
TIPOS DE JUNTAS EN PAVIMENTOS RÍGIDOS
DISEÑO DE JUNTAS
TIPOS DE JUNTAS EN PAVIMENTOS RÍGIDOS
DISEÑO DE JUNTAS
TIPOS DE JUNTAS EN PAVIMENTOS RÍGIDOS
DISEÑO DE JUNTAS
DISEÑO DE JUNTAS
TIPOS DE JUNTAS EN PAVIMENTOS RÍGIDOS
DIMENSIONES MÍNIMAS DE LOS PASADORES DE CARGA
PCA (1975)
mm pg
160-180 22,2 7/8 350 300
190-200 25,4 1 350 300
210-230 28,6 1 1/8 400 300
240-250 31,8 1 1/4 450 300
260-280 34,9 1 3/8 450 300
290-300 38,1 1 1/2 500 300
diámetro del pasador *Espesor del
pavimento (mm)
longitud
(mm)
separación entre
centros (mm)
DISEÑO DE JUNTAS
Existe una regla según la cual el diámetro de la varilla
no puede ser menor de 1/8 del espesor de la losa (PCA,
1975)
La PCA (1991) recomienda diámetros de 1 y ¼‖ para
espesores de losa menores de 250 mm y 1 y ½‖‖ para
espesores iguales o mayores a 250 mm
Existen recomendaciones según las cuales las losas de
menos de 170 mm no requieren pasadores, debido a que
corresponden a vías de tránsito liviano
DISEÑO DE JUNTAS
DIMENSIONES MÍNIMAS DE LOS PASADORES DE CARGA
RECOMENDACIONES SOBRE VARILLAS DE ANCLAJE GRADO 60 EN
LAS JUNTAS LONGITUDINALES DE PAVIMENTOS RÍGIDOS
Carril 3.05 m Carril 3.35 m Carril 3.65 m Carril 3.05 m Carril 3.35 m Carril 3.65 m
150 1,20 1,20 1,20 1,20 1,20 1,20
175 1,20 1,20 1,20 1,20 1,20 1,20
200 1,20 1,20 1,20 1,20 1,20 1,20
225 1,20 1,20 1,20 1,20 1,20 1,20
250 1,20 1,15 1,10 1,20 1,20 1,20
850 1000
Espesor
losa
(mm)
varillas de 1/2" varillas de 5/8"
Separación entre centros (m)Long
(mm)
Long (mm) Separación entre centros (m)
No se deben colocar varillas de anclaje a menos de 38 cm de la junta transversal
DISEÑO DE JUNTAS
SEPARACIÓN ENTRE JUNTAS
Los registros locales de comportamiento constituyen la
mejor guía para establecer la separación entre juntas que
controlen efectivamente los agrietamientos transversal y
longitudinal
La juntas longitudinales de pavimentos rígidos de calles y
carreteras suelen cumplir la doble función de dividir el
pavimento en carriles y de controlar las fisuras longitudinales
La separación entre juntas transversales de contracción, que
determina la longitud de las losas, debe garantizar que la
abertura de la junta no sea excesiva si la transferencia de carga
es por trabazón de agregados
DISEÑO DE JUNTAS
RECOMENDACIONES SOBRE LONGITUDES MÁXIMAS DE
LOSAS EN PAVIMENTOS DE CONCRETO SIMPLE
DISEÑO DE JUNTAS
EJEMPLO DE APLICACIÓN DEL CRITERIO FHWA
LONGITUDES DE LOSA RESULTANTES PARA UN RANGO NORMAL DE
ESPESORES DE LOSAS Y MÓDULOS DE RELACIÓN DE SOPORTE DE
MANERA QUE L/l = 5
l (pg) L (pie) l (pg) L (pie) l (pg) L (pie)
9 42.0 17.5 35.3 14.7 25.0 10.4
13 55.3 23.0 46.5 19.4 32.9 13.7
k=100 pci k=200 pci k=800pciEspesor de losa (pg)
De acuerdo con la tabla, si los soportes son rígidos
(subbases estabilizadas) la longitud de las losas debe ser
menor
— Del orden de 12 pies para losas de 9 pulgadas de
espesor, y del orden de 15 pies para losas de 13
pulgadas
DISEÑO DE JUNTAS
COMPARACIÓN DE LONGITUDES MÁXIMAS DE LOSAS
SEGÚN DIVERSOS CRITERIOS
(espesor = 9 pulgadas)
Criterio
FAA
PCA
Fordyce
L= 2x9 = 18 pies (5.5 m)
L=25*9/12 = 18.75 pies (5.7 m)
depende del tipo de agregado grueso
FHWA
Longitud máxima
k= 100 pci; L = 17.5 pies (5.3 m)
k= 200 pci; L = 14.7 pies (4.5 m)
k= 800 pci; L = 10.4 pies (3.2 m)
DISEÑO DE JUNTAS
Las juntas tienen por finalidad ayudar a la
construcción y minimizar los agrietamientos aleatorios
del pavimento
Se debe tener en cuenta que el concreto tiende siempre
a tomar la forma cuadrada
Las losas largas y estrechas tienden a agrietarse más
que las losas aproximadamente cuadradas
La relación largo/ancho no debería exceder de 1.4
RECOMENDACIONES GENERALES PARA LA DISPOSICIÓN
DE JUNTAS EN PAVIMENTOS DE CONCRETO SIMPLE
DISEÑO DE JUNTAS
Las losas delgadas se tienden a agrietar a menores
intervalos que las losas espesas
Los lados de las losas en las zonas de giro no deben
tener menos de 45 cm
Se deben hacer ajustes menores en la distribución de
juntas donde haya sumideros o pozos de inspección y
las losas donde ellos queden incluidos suelen armarse
en la parte superior
DISEÑO DE JUNTAS
RECOMENDACIONES GENERALES PARA LA DISPOSICIÓN
DE JUNTAS EN PAVIMENTOS DE CONCRETO SIMPLE
EJEMPLO DE DISTRIBUCIÓN DE JUNTAS EN
PAVIMENTOS DE CONCRETO SIMPLE
DISEÑO DE JUNTAS
reforzadas
EJEMPLO DE DISTRIBUCIÓN DE JUNTAS EN
PAVIMENTOS DE CONCRETO SIMPLE
DISEÑO DE JUNTAS
reforzadas
EJEMPLO DE DISTRIBUCIÓN DE JUNTAS EN
PAVIMENTOS DE CONCRETO SIMPLE
DISEÑO DE JUNTAS
EJEMPLOS DE DISPOSICIÓN DE JUNTAS AISLADORAS
EN PAVIMENTOS DE CONCRETO SIMPLE
DISEÑO DE JUNTAS
DISEÑO DE JUNTAS
REFUERZO DE LOSAS DE FORMA IRREGULAR O CON
ESTRUCTURAS FIJAS EN SU INTERIOR
ESQUEMA DE TRANSICIÓN ENTRE PAVIMENTOS
ASFÁLTICO Y RÍGIDO
DISEÑO DE JUNTAS
DISEÑO DEL SELLO DE LAS JUNTAS
Las juntas deben ser selladas para minimizar la
infiltración de agua superficial y de materiales
incompresibles dentro de ellas
Las características requeridas de un sellador son
diferentes para los distintos tipos de juntas. Un
sellador para una junta longitudinal no requiere ser tan
elástico como para una junta transversal
DISEÑO DE JUNTAS
DISEÑO DEL SELLO DE LAS JUNTAS
Las dimensiones de las cajas de las juntas son un
factor importante en la selección y comportamiento de
los selladores
Las dimensiones de las cajas se establecen para
ayudar a los materiales selladores a soportar los
movimientos de apertura y cierre de las juntas
Las estimaciones de los movimientos de las juntas
transversales se hacen con la ecuación:
DISEÑO DE JUNTAS
DL = CL ( a Dt + d)
DISEÑO DEL SELLO DE LAS JUNTAS
El ancho de la caja para alojar el sello debe ser como
mínimo de 6 mm y como máximo de 10 mm
El ancho de corte con la sierra y la profundidad de
inserción del cordón de respaldo determinan la forma
del sellador
El factor de forma (relación profundidad/ancho) es
crítico para el éxito a largo plazo de los selladores
líquidos
DISEÑO DE JUNTAS
Cajas para selladores líquidos
DISEÑO DEL SELLO DE LAS JUNTAS
DISEÑO DE JUNTAS
Cajas para selladores líquidos
Los movimientos de expansión y contracción de las
losas inducen deformaciones en el material de sello y
tensiones en sus áreas de adherencia con la caja
Un factor de forma menor de 1.0 produce tensiones
más bajas en el sellador, lo que minimiza la pérdida de
adherencia con las paredes de la junta
DISEÑO DEL SELLO DE LAS JUNTAS
Cajas para selladores líquidos
DISEÑO DE JUNTAS
DISEÑO DEL SELLO DE LAS JUNTAS
Cajas para selladores líquidos
Los selladores líquidos de vertido en caliente
soportan hasta un 20% de alargamiento con respecto a
su ancho original, mientras las siliconas y otros
materiales de bajo módulo soportan hasta el 100%
En consecuencia, el sellador se debe escoger de
acuerdo con su alargamiento máximo esperado a causa
de la retracción del concreto
DISEÑO DE JUNTAS
DL = CL ( a Dt + d)
DL = 0.8*4*1000 ( 10-5*25 + 0.00045) = 2.24 mm
DISEÑO DE JUNTAS
DISEÑO DEL SELLO DE LAS JUNTAS
Cajas para selladores líquidos
Ejemplo
Si se tienen los siguientes datos:
C = 0.8; L = 4 metros; α = 10-5; ΔT = 25ºC y
δ = 0.00045:
Y se emplea la ecuación:
Se obtiene la siguiente abertura máxima de la junta:
De acuerdo con recomendaciones de ACPA, el ancho
mínimo de la caja para alojar el sello debe ser de 6 mm
Como según el ejemplo, la abertura de la junta será de
2.24 mm, después de la contracción del concreto el
reservorio tendrá un ancho de 6.0+2.24 = 8.24 mm, lo
que hace que el material de sello deba tener un
porcentaje de alargamiento mayor de 2.24/6.0 = 0.37 (37
%), con el fin de soportar, sin desprenderse, el
movimiento de la junta en sentido horizontal
DISEÑO DE JUNTAS
DISEÑO DEL SELLO DE LAS JUNTAS
Cajas para selladores líquidos
DISEÑO DE JUNTAS
Cajas para selladores líquidos
DISEÑO DEL SELLO DE LAS JUNTAS
DISEÑO DE JUNTAS
Cajas para selladores preformados
DISEÑO DEL SELLO DE LAS JUNTAS
Los selladores preformados se colocan para permanecer
en compresión dentro de la junta durante su vida útil, aun
cuando la junta esté abierta a su máxima anchura
Ello es necesario para mantener la presión de contacto
requerida entre la junta y el sellador, de manera que éste
se conserve en su lugar
Si la junta se abre hasta un ancho mayor que el del
sellador, éste fallará, por cuanto caerá dentro de la junta o
será expulsado por el tránsito
DISEÑO DE JUNTAS
Cajas para selladores preformados
DISEÑO DEL SELLO DE LAS JUNTAS
Es muy importante elegir el tamaño correcto de
sellador y que éste mantenga sus propiedades elásticas
El sellador debe permanecer en compresión,
transmitiendo esfuerzos a las caras de la junta a través
de sus nervaduras
Si la junta se hace muy estrecha y los esfuerzos de
compresión sobre el sellador son muy altos, éste pierde
su elasticidad y el sello falla cayendo al fondo de la
junta o siendo expulsado de ésta
DISEÑO DE JUNTAS
Cajas para selladores preformados
DISEÑO DEL SELLO DE LAS JUNTAS
DISEÑO DE JUNTAS
Procedimiento para elegir el tamaño del sellador
preformado
DISEÑO DEL SELLO DE LAS JUNTAS
El primer paso consiste en calcular la abertura que
puede tener la junta: DL = CL ( a Dt + d)
Determinadas las aberturas máxima y mínima de la
junta, se establece el rango de trabajo del sellador, de
manera que éste se encuentre comprimido por lo menos
20%, pero no más de 60 %
Estimado el rango de trabajo, se determina el ancho
que requiere el sellador
DISEÑO DE JUNTAS
Ejemplo de cálculo del tamaño del sellador preformado
DISEÑO DEL SELLO DE LAS JUNTAS
Datos:
–Temperatura en el instante de colocar el sellador = 28 ºC
–Temperatura máxima del pavimento = 45 ºC
–Temperatura mínima del pavimento = 0 ºC
–Longitud de losa = 4.50 metros
–Coeficiente de dilatación térmica del concreto (α) = 10-5/º C
–Coeficiente de contracción por secado (δ) = 0.00045
–Factor de ajuste por fricción = 0.8
DISEÑO DE JUNTAS
Ejemplo de cálculo del tamaño del sellador preformado
DISEÑO DEL SELLO DE LAS JUNTAS
Determinación de la mayor abertura de la junta (frío):
DL = 0.8*4.5*1000 [ 10-5* (28 - 0) + 0.00045] = 2.63 mm
DL = 0.8*4.5*1000 [ 10-5* (45 - 28) + 0.00045] = 2.23 mm
Determinación de la menor abertura de la junta (calor):
Si el ancho de corte de la junta es 10 mm, las aberturas
máxima y mínima de la caja serán:
D máx. = 10 + 2.63 = 12.63 mm
D mín. = 10 - 2.23 = 7.77 mm
DISEÑO DE JUNTAS
Ejemplo de cálculo del tamaño del sellador preformado
DISEÑO DEL SELLO DE LAS JUNTAS
Determinación del rango de trabajo del sellador
preformado
–Si el sello debe permanecer comprimido no menos de
20% cuando la junta está abierta, ni más de 60% cuando
está cerrada, su rango de trabajo se determina así:
Ancho máximo del sello = Ancho mínimo de junta*5.0
Ancho mínimo del sello = Ancho máximo de junta*1.2
DISEÑO DE JUNTAS
Ejemplo de cálculo del tamaño del sellador preformado
DISEÑO DEL SELLO DE LAS JUNTAS
Determinación del rango de trabajo del sellador
preformado
Ancho máximo del sello = 7.77*5.0 = 38.9 mm
Ancho mínimo del sello = 12.63*1.2 = 15.2 mm
DISEÑO DE JUNTAS
Ejemplo de cálculo del tamaño del sellador preformado
DISEÑO DEL SELLO DE LAS JUNTAS
Determinación del ancho del sellador preformado
–Un criterio es tomar el promedio de estos dos extremos
(27 mm), aunque una regla general es tomar el doble del
ancho de corte en el momento de sellado, si cumple los
criterios del cálculo. De acuerdo con esta regla, el ancho
sería 10*2 = 20 mm (3/4‖) y su rango de trabajo:
Máximo = 20 – 0.2*20 = 16 mm (20% de compresión)
Mínimo = 20 – 0.6*20 = 8 mm (60% de compresión)
DISEÑO DE PAVIMENTOS DE
ADOQUINES
CONTENIDO
Ventajas y desventajas de los pavimentos de adoquines
Trabazón en los pavimentos articulados
Método de diseño ICPI
DISEÑO DE PAVIMENTOS DE ADOQUINES
VENTAJAS Y
DESVENTAJAS DE LOS
PAVIMENTOS DE
ADOQUINES
VENTAJAS DE LOS PAVIMENTOS DE ADOQUINES
Por ser elaborados con un concreto o ladrillo de alta resistencia,
los adoquines presentan alta resistencia a las cargas concentradas,
a la abrasión y a los agentes atmosféricos. Además, no son
afectados por los productos derivados del petróleo
Por el reducido tamaño de los bloques, el pavimento no está
sujeto a los esfuerzos por cambios térmicos que afectan a los
pavimentos rígidos y se acomodan fácilmente a pequeños
asentamientos del soporte
Los adoquines son reutilizables cuando se requiere su remoción
para ejecutar trabajos subterráneos
Su construcción puede emplear mano de obra no calificada si no
se desea la instalación mecánica
INTRODUCCIÓN
DESVENTAJAS DE LOS PAVIMENTOS DE ADOQUINES
Debido a la innumerable cantidad de juntas que posee
el pavimento, la circulación es incómoda y se traduce en
mayores costos de operación vehicular en relación con
otras alternativas de pavimento
INTRODUCCIÓN
DISEÑO DE PAVIMENTOS DE
ADOQUINES
TRABAZÓN EN LOS
PAVIMENTOS
ARTICULADOS
Trabazón vertical
Se logra por transferencia de cortante entre bloques
vecinos a través de la arena presente en las juntas
Trabazón rotacional
La mantienen los adoquines si tienen suficiente
espesor, si se encuentran muy cercanos entre sí y si
están confinados por un sardinel que restrinja las
fuerzas laterales de las ruedas de los vehículos
TRABAZÓN EN LOS PAVIMENTOS
ARTICULADOS
Trabazón horizontal
Se logra, fundamentalmente, mediante un adecuado
ensamble de los adoquines que disperse las fuerzas de
frenado, aceleración y giro de los vehículos
El ensamble más efectivo es el de espina de pez
TRABAZÓN EN LOS PAVIMENTOS
ARTICULADOS
TRABAZÓN EN LOS PAVIMENTOS
ARTICULADOS
TRABAZÓN EN LOS PAVIMENTOS
ARTICULADOS
DISEÑO DE PAVIMENTOS DE
ADOQUINES
MÉTODO DE DISEÑO
ICPI
MÉTODO DE DISEÑO ICPI
Medio ambiente
Los ensayos de resistencia de la subrasante se debenrealizar en las condiciones de humedad y densidad deequilibrio esperadas
Cuando la resistencia se evalúe indirectamente apartir de la clasificación de los suelos, se debeestablecer previamente una opción de medio ambientey drenaje
MÉTODO DE DISEÑO ICPI
FACTORES DE DISEÑO
Medio ambiente
MÉTODO DE DISEÑO ICPI
FACTORES DE DISEÑO
Resistencia de la subrasante
Utilizar el valor de CBR o el módulo resiliente dediseño, cuando se disponga de él
Si no se tienen resultados de ensayos de resistencia,adoptar valores por correlación con la clasificación delsuelo y la opción ambiental
Cuando el CBR < 3%, se debe contemplar elreemplazo del suelo por otro de mayor capacidadportante, la construcción de una subrasante mejorada, elmejoramiento del suelo mediante estabilización o el usode geomallas y/o geotextiles
MÉTODO DE DISEÑO ICPI
FACTORES DE DISEÑO
Resistencia de la subrasante
MÉTODO DE DISEÑO ICPI
FACTORES DE DISEÑO
Tránsito
Alternativa 1
— Si se dispone de datos suficientes, calcular N(EALs)
Alternativa 2
— Si no hay información detallada disponiblesobre el tránsito, emplear la tabla siguiente
MÉTODO DE DISEÑO ICPI
FACTORES DE DISEÑO
Tránsito (Alternativa 2)
MÉTODO DE DISEÑO ICPI
FACTORES DE DISEÑO
El espesor de adoquines de concreto para tránsitovehicular se establece en 80 mm
El espesor de la capa de arena de soporte de losadoquines, oscila entre 25 y 40 mm (esta capa nobrinda aporte estructural)
Hay una gráfica de diseño para cada tipo dematerial de base considerado por el método (granular,estabilizado con asfalto, estabilizado con cemento)
Parte del espesor de la base que se obtiene en lasgráficas puede ser convertido a un espesorequivalente de subbase granular
MÉTODO DE DISEÑO ICPI
DETERMINACIÓN DE ESPESORES
Se deben respetar los siguientes espesoresmínimos para la capa de base:
— granular: 100 mm si N < 500,000 ejes
150 mm si N ≥ 500,000 ejes
— estabilizada con asfalto: 75 mm
— estabilizada con cemento: 100 mm
MÉTODO DE DISEÑO ICPI
DETERMINACIÓN DE ESPESORES
Factores de conversión de espesor de base a espesorequivalente de subbase granular:
—para base granular: 1.75
—para base estabilizada con asfalto: 3.40
—para base estabilizada con cemento: 2.50
MÉTODO DE DISEÑO ICPI
DETERMINACIÓN DE ESPESORES
GRÁFICAS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS
ARTICULADOS DE CONCRETO
MÉTODO DE DISEÑO ICPI
MÉTODO DE DISEÑO ICPI
GRÁFICAS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS
ARTICULADOS DE CONCRETO
Vía urbana residencial de dos carriles
Suelo predominante de subrasante: arcilla limosa (CH)
No hay datos disponibles sobre la resistencia de la
subrasante ni sobre tránsito
De acuerdo con la información climática, se anticipa
que el pavimento estará expuesto a niveles cercanos a la
saturación más del 25 % del tiempo
Se prevé que la calidad del drenaje sea aceptable
EJEMPLO DE DISEÑO
MÉTODO DE DISEÑO ICPI
Tránsito
Como no hay información detallada disponible, seemplea el valor N que recomienda la tabla respectiva(840,000 ejes equivalentes )
Medio ambiente
Por las condiciones esperadas, se adopta la opción 1para el establecimiento de la resistencia de la subrasante
Resistencia de la subrasante
Para la clase de suelo (CH) y la condición ambiental(opción 1), se adopta un MR= 4,500 psi (31 MPa)
MÉTODO DE DISEÑO ICPI
SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO
Caso de pavimento con base granular
Espesor adoquines de concreto = 80 mm
Espesor capa de soporte de arena = 25 a 40 mm
Espesor total de base (gráfica) = 330 mm
Espesor mínimo requerido de base granular = 150 mm
Espesor subbase granular = (330 - 150)*1.75 = 320 mm
MÉTODO DE DISEÑO ICPI
SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO
Caso de pavimento con base granular
MÉTODO DE DISEÑO ICPI
SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO
Caso de pavimento con base estabilizada con asfalto
Espesor adoquines de concreto = 80 mm
Espesor capa de soporte de arena = 25 – 40 mm
Espesor total de base (gráfica) = 135 mm
Espesor mínimo requerido de base = 75 mm
Espesor subbase granular = (135 -75)*3.40 = 200 mm
MÉTODO DE DISEÑO ICPI
SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO
Caso de pavimento con base estabilizada con asfalto
MÉTODO DE DISEÑO ICPI
SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO