UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN MARTIN FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

SYLABUS DE DISEÑO AVANZADO DE PAVIMENTO FLEXIBLE

I. - GENERALIDADES:

1. Facultad : Ingeniería Civil 2. Asignatura : Diseño Avanzado de Pavimento Flexible 3. PRE. Requisito: Grado de Bachiller en Ingeniería Civil 4. Ciclo : VIII Ciclo de Complementación Académica 5. Semestre : 2006 – I 6. Extensión : 40 Horas 7. Docente : Ing. Daniel Pérez Castañón

II. - OBJETIVOS:

El curso actualizará al cursante en los métodos actuales de diseño de pavimentos de tipo flexible, así como en la revisión de estos tipos de estructuras. Permitirá seleccionar una estructura que cumpla con los requerimientos por las condiciones locales de suelo, clima, transito y materiales que sea capaz de resistir las cargas de tránsito en el periodo de diseño. Lograr la preparación teórica y práctica de los Ingenieros para la ejecución de los proyectos de organización de Obras Viales, atendiendo a las características específicas de este tipo de obras y el diseño de la producción en cadenas y el Control de Calidad en la Ejecución de Proyectos de Carreteras.

III. - SUMILLA:

Funcionamiento estructural de pavimento. Elementos y principios de diseño. Resistencia de la subrasante, transito, clima, materiales. Métodos de diseño Racional de pavimentos y de mezclas bituminosas: método del Instituto del Asfalto, método de la AASHTO y método Marshall. Método de diseño avanzado basados en principios teóricos de pavimento y de mezclas bituminosas: Diseño Mecanístico de pavimento NCHRP 1-37A, y Sistema de SUPERPAVE. Organización de Obras Lineales, método de los flujos, tiempos de ejecución, determinación de las holguras para optimización del tiempo y los recursos por métodos analíticos y gráficos. Control de calidad en la ejecución de proyectos de Carreteras.

IV. - EVALUACION:

Dos trabajos aplicativos extractases, una prueba parcial y un examen final.

V. - CONTENIDO TEMATICO:

CAPITULO I : MATERIALES PARA LA CONSTRUCCION DE PAVIMENTO

1.1.- Materiales para la construcción de Pavimentos. 1.2.- Materiales granulares para bases y subbases de Pavimentos. 1.3.- Requerimientos de granulometría y plasticidad.

1.4.- Requerimientos de resistencia y compactación. 1.5.- Especificaciones de materiales para capa granulares. 1.6.- Drenaje de capas granulares. 1.7.- Geotextiles para el drenaje de pavimentos. 1.8.- Ejercitación de granulometría de suelos para pavimentos.

CAPITULOII:ESTABILIZACIÓNDEMATERIALES GRANULARES PARA CAPA DE PAVIMENTOS

2.1.- Estabilización de materiales granulares para capa de pavimentos. 2.2.- Proceso de estabilización, factores que intervienen. 2.3.- Tipos de estabilización. 2.4.- Estabilización mecánicas: Métodos gráficos, Métodos a partir de sistemas de ecuaciones, Método a Partir del módulo granulométrico. 2.5.- Estabilizaciones Químicas. 2.6.- Uso de geotextiles en estructura de pavimentos. 2.7.- Ejercitación sobre materiales para la construcción de capas granulares.

CAPITULO III : MATERIALES ASFALTICOS (BETUNES)

3.1.- Materiales asfálticos (Betunes). 3.2.- Propiedades Químicas y Físicas. 3.3.- Ensayo de Betunes. 3.4.- Consistencia del Betún, ensayo de penetración o Pen. 3.5.- Consistencia del Betún, ensayo punto de ablandamiento o punto de anillo y Bola. 3.6.- In dice de penetración Ip. 3.7.- Envejecimiento de los Betunes. 3.8.- Ensayo del Betún que miden: Ductilidad, Punto de información, Solubilidad y peso específico. 3.9.- Asfaltos Diluidos o Fluidificados.

CAPITULO IV : EMULSIONES ASFALTICAS

4.1.- Generalidades 4.2.- Emulgentes. 4.3.- Emulsiones Aniónicas, Emulsiones Catiónicas. 4.4.- Fabricación de las emulsiones. 4.5.- Emulgentes Múltiples. 4.6.- Rotura de las Emulsiones. 4.7.- Tipos de Emulsiones Aniónicas. 4.8.- Tipos de Emulsiones Catiónicas. 4.9.- Adhesividad del Asfalto 4.10.- Activación de las Emulsiones. 4.11.- Contenido de Asfalto, tamaño de las partículas de Asfalto de una emulsión 4.12.- Viscosidad de las Emulsiones. 4.13.- Emulsiones no Iónicas. 4.14.- Especificaciones de las Emulsiones Asfálticos. 4.15.- Ensayo de Emulsiones Asfálticos: Viscosidad, Destilación, contenido de agua, Demulsibilidad,

Sedimentación, Tamizado, Mezclado con cemento, Miscibilidad con agua, Congelación, Otros ensayos Para Emulsiones: Uniformidad, Comportamiento durante la aplicación. 4.16.- Emulsiones asfálticas modificadas con ELASTOMEROS SBR (estireno- butadieno) 4.17.- Usos generales de la Emulsión cationicas 4.18.- Usos de las Emulsiones Asfálticas 4.19.- Mezclas asfálticas con emulsión cationicas y polimeros S.B.R. 4.20.-Riegos asfálticos: mortero asfáltico SLURRY SEAL. 4.21.-Las emulsiones asfálticas en el mantenimiento de pavimentos

CAPITULO V : DISEÑO DE MEZCLAS ASFALTICAS

5.1.- Concreto Asfáltico, típicos de concreto, mezclas en caliente y frió 5.2.- Tipos de mezclas por las características de la granulometría de los agregados. 5.3.- Propiedades de las mezclas asfálticas. 5.4.- Ligantes y agregados 5.5.- Relación de peso y volumen. 5.6.- Diseño de Mezclas: - Método Marshall - Método huband-field - Método Hveem - Método triaxial - SUPERPAVE 5.7.-Manual de ensayos de materiales para carretera EM-2000; MEZCLAS BITUMINOSAS. 5.8.-Ejercitación de los diseños de mezclas.

CAPITULO VI : TRANSITO

6.1 Transito 6.2 Vehículos pesados. 6.3 Crecimiento de transito, Ejemplos 6.4 Cargas por rueda y por ejes 6.5 Cálculos de transito para el diseño, ejemplo

CAPITULO VII : SISTEMA SUPERPAVE

7.1 Riesgo de imprimación y adherencia. 7.2 Sistema SUPERPAVE ( Superior Perfoming Aspholt Pavement). 7.3 Ejercitación sobre asfálticos y Superpave.

CAPITULO VIII : METODO DEL INSTITUTO DEL ASFALTO PARA EL DISEÑO DE ESPESEROS DE PAVIMENTOS FLEXIBLES

8.1 Método del Instituto del asfaltó, principios de diseño 8.2 Tipos de estructura 8.3 Factores de Diseño. 8.4 Procedimientos de diseño. 8.5 Gráficos de diseño.

8.6. Ejemplos de aplicación. 8.7 Programa: Software Hwy. 8.8 Guía de programa HWY para el cálculo de pavimento flexible.

CAPITULO IX : METODOS DE LA AASHTO PARA EL DISEÑO DE ESPESORES DE PAVIMENTO FLEXIBLES

9.1 Método de la AASHTO para el diseño de pavimento flexible. 9.2 Factores de diseño. 9.3 Confianza. 9.4 Número estructural (SN). 9.5 Gráfico de diseño. 9.6 Ejemplo de aplicaciones. 9.7 Programa: Software AASHTO para el cálculo de pavimento flexible. 9.8 Ejercitación de los métodos de los diseños de pavimentos flexibles: Instituto del Asfalto y de la AASHTO.

CAPITULO X : DISEÑO MECANISTICO DE PAVIMENTOS NUEVOS NCHRP 1-37 A

10.1 Introducción. 10.2 Guía de diseño Mecanistico de pavimentos NCHRP 1-37 A 10.3 Calculo internos de la 2002 DG 10.4 Análisis de sensibilidad de la guía de Diseño de pavimentos NCHRP 1-37 A 10.5 Centro de ensayo de pavimentos en los EEUU. 10.6 Centro de ensayo de pavimentos en Europa. 10.7 Conclusiones.

CAPITULO XI : ORGANIZACIÓN PARA LA CONSTRUCCIÓN DE OBRAS LINEALES

11.1 Antecedentes históricos de la organización. 11.2 Definiciones y tipos de recursos. 11.3 Principios fundamentales de la organización. 11.4 Métodos de Organización del Trabajo en la Construcción. 11.5 Principios generales de la organización de los trabajos de construcción de Explanaciones para Obras Viales. 11.6 Tiempo para la ejecución de los Objetos de Obra. 11.7 Matriz de optimización del tiempo de los plazos de ejecución. 11.8 Aplicación Metodologica para la construcción de una Carretera (ejemplos).

CAPITULO XII: CONTROL DE CALIDAD EN LA EJECUCIÓN DE PROYECTOS DECARRETERAS

12.1 Factores involucrados. 12.2 Sistema de Calidad. 12.3 Control de calidad ISO 8402:94 12.4 Control de calidad en especificaciones EG - 2000. 12.5 Ejemplos.

VI. - REFERENCIAS BIBLIOGRAFIA:

• Yang Huang , Pavement analysis and design, 1993 • Alfonso Montejo, Ingeniería de pavimentos para carreteras, 1998 • ASPHALT INSTITUTE, “ MS 17 Asphalt Overlays for Highway vand Street Rehabilitation”, 1991 • ASPHALT INSTITUTE,“ MS-1 Thickness Design Asphalt pavements for Highway & Street”, 1991 • AASHTO “ Guide for desing of pavement structures”, American Association of State Highway and Transportation Officials, Washington D .C. , 1993 • ASTM, American Estándar Tecnical Materials, USA 1998 • MTC, Manual de Ensayos de Materiales para Carreteras EM- 2000, Lima Perú, 2000 • MTC, Especificaciones Técnicas Generales para carreteras EG – 2000, Lima Perú, 2000 • SHRP, Strategic Highway Research Program, SUPERPAVE Superior Perfoming Asphalt Pavement,1987 • Lytton, Robert. Metodologías avanzadas de Diseño de pavimentos, Estados Unidos, 1999

• Ing. MSc. Carlos Chang Albitres, curso de postgrado “ Diseño Avanzado de Pavimentos”, Notas de clases, Sección de Postgrado UNI, 2001 • Bowles J. “ Manual de Laboratorio de Suelos en Ingeniería civil”, Editoerial McGraw- Hill Latinoamericana, Bogotá, Colombia, 1980 • Cano Gomez L., “ Aspectos Geotécnicos en el Diseño y construcción de Proyectos Viales”, CISMID-UNI, Lima, Perú 1999 • Torres Vila, Juan A. , Diseño y Construcción de Explanaciones, 1986 • Leal Acosta, Eduardo U. , Organización de Obras para la Construcción de Obras Lineales, 2001

CAP I. MATERIALES PARA LA CONSTRUCCION DE

PAVIMENTO

1.1 MATERIALES PARA LA CONSTRUCCION DE PAVIMENTO

Las capas de pavimentos están formados por materiales de una naturaleza o por combinación de dos o más de ellos, como pueden ser agregados naturales o procesados, ligantes hidrocarbonatados, conglomerantes hidráulicos y residuos de procesos industriales.

Las características de una determinada capa van a depender de gran medida de las características de los materiales básicos componentes, por lo que se hace imprescindible el estudio de dichos materiales.

Los suelos agregados se obtienen generalmente de la zona de construcción de la vía, con un menor o mayor trabajo de selección y procesamiento, y requieren por lo tanto de una caracterización en el laboratorio antes de ser aceptado par el uso, mientras que los conglomerantes y los ligantes son comprados a un suministrador y éste debe extender un certificado de origen con las características del producto para que el ingeniero evalúe su conveniencia.

1.2 MATERIALES GRANULARES PARA BASES Y SUBBASES

Por las características de los tipos de estructuras que forman los pavimentos, por los tipos

de fallos más comunes, su comportamiento a lo largo del período de diseño a las grandes longitudes de las obras, se hace vital que el mismo sea eminentemente económico, por esta razón se debe considerar en su estructura los materiales más baratos y de mayor facilidad constructiva siempre que cumpla con las especificaciones y requerimientos del diseño.

Por esta razón los ingenieros proyectistas de pavimento tratan en lo posible de utilizar materiales locales con un mínimo de tratamiento sean capaces de cumplir con los mencionados requerimientos, en sentido general se utilizan suelos granulares, agregados producto de la trituración de rocas y mezclas de los anteriores.

La experiencia ha demostrado que los suelos finos no son adecuados para su uso en capas de pavimentos.

Estos materiales son los de mayor diversidad en las estructuras de los pavimentos, debido a la gran diversidad de materiales pétreos que se pueden encontrar en los disímiles sitio donde se construyen carreteras.

Si bien es cierto que ha menudo no se les da la importancia que los mismos requieren, la consecuencia de este menosprecio es el fallo prematuro del pavimento con graves implicancias económicas. Estos materiales que salvo raras excepciones van ha estar presentes en la totalidad de los pavimentos deben ser objeto de un especial tratamiento, por suerte existe una gran experiencia acumulada en este sentido que facilita el trabajo de selección y construcción de capas con los mismos.

La experiencia indica que las capas formadas por estos materiales deben caracterizarse por:

• Estabilidad Entendida como la capacidad de resistir las cargas que llegan a esa capa producto de la transmisión de los superiores. • Densidad Suficiente como para no sufrir deformaciones permanentes por acomodo adicional de las partículas que la componen. • Características adecuadas de drenaje para facilitar la salida del agua puede llegar a la misma, ya que la presencia del agua disminuye la estabilidad de las capas de materiales granulares. • Facilidades de construcción fundamentalmente en lo relativo a la compactación y a la segregación. • Poca susceptibilidad a la acción de los agentes químicos o naturales del medio ambiente, que puede alterar sus características resisten. La mayoría de las características anteriormente señaladas dependen en gran medida de la combinación de una serie de propiedades implícitas en la naturaleza de los propios materiales como son: 1. Dureza de las partículas que conforman el material 2. Forma de las partículas 3. Paso específico de las partículas del material. 4. Fricción interna y cohesión desde el punto de vista geotécnico. 5. Distribución granulométrica. 6. Características de plasticidad.

El proyectista y el constructor deben tener una comprensión clara de cada una de estas

características mencionadas, como evaluar cada una de ellas y las especificaciones existentes o experiencias anteriores en el uso de estos materiales. Por la heterogeneidad de los materiales que serán utilizados es preciso realizar su análisis a través de ensayos sencillos pero a la vez confiables. La mayoría de las especificaciones tratan de evaluar estar propiedades a través de los siguientes ensayos 7. Análisis granulométricos. 8. Límites de consistencia y ensayos de Equivalente de arena 9. Planas y alargadas 10. Desgaste “Los Angeles” y/o ensayos de pulimento o desgaste acelerado 11. Peso específico y absorción

Resistencia de la acción de los sulfatos

• Resistencia CBR • Densidad Proctor. Se debe señalar que no todo estos ensayos se indican siempre, estando en dependencia del tipo de material que se esté evaluando. En ocasiones puede prescindirse de algunos de ellos si existe una valoración o conocimiento previo del material, tal es el caso de agregados que se conozca que tiene una adecuada dureza o resistencia a la acción de los agentes externos.

1.3 REQUERIMIENTO DE GRANULOMETRIA Y PLASTICIDAD. Sin duda los ensayos más utilizados en la caracterización de los materiales granulares son los de granulometría y plasticidad, debido fundamentalmente a su facilidad de ejecución y a que son repetibles y reproducibles. Desde el punto de vista de la granulometría se buscan materiales con un conjunto de partículas que sea capaz de lograr una alta densidad, alta densidad, adecuada permeabilidad y facilidad de compactación. Como algunas de estas propiedades tienden a ser contrapuestas es preciso fijar algunos rangos. La experiencia ha sancionado las llamadas granulometrías continuas como las de mejores resultados. Se entiende por granulometría continuas a la que tiene una distribución de tamaños que hace que se logre un adecuado empaquetamiento de alta densidad. El % de finos (materiales tamiz 200), se fija en un máximo para evitar la pérdida de estabilidad y de permeabilidad cuando la humedad aumenta, el exceso de materiales finos trae aparejado también el peligro de capiralidad, cambios de volumen y de intrusión de capas. Los trabajos llevados a cabo demuestran que una granulometría continua se puede presentar por una curva de ecuación: P = 100 *(d / D)n P Es el % que pasa por cada tamiz de la serie que se considere. d Es la abertura de cada uno de los tamices que conformarán la curva. D Es el diámetro máximo del conjunto de partículas n Es el exponente que tiene valores cercanos a 0,5. Cuando el valor es éste se conoce como curva del Fuller o de máxima densidad. La curva se acostumbra a representar en escala semilogarítmica, debido a la gran diferencia que se encuentra entre los tamaños de las partículas de un material granular. En la práctica el valor del coeficiente “n” ha sido ajustado para obtener lo que se conocen como husos granulométricos, que no son otra cosa que un par de curvas que conforman los límites superior e inferior donde debe estar la granulometría del material que va ser usado como base o subbase, se prefiere que la curva del material sea sensiblemente

paralela de dichos límites. En estos husos el % pasado de los tamices finos es algo menor que el que se obtiene al evaluar a “n” como 0,5. D Es el diámetro máximo del conjunto de partículas n Es el exponente que tiene valores cercanos a 0,5. Cuando el valor és éste se conoce como curva del Fuller o de máxima densidad. La curva se acostumbra a representar en escala semilogarítmica, debido a la gran diferencia que se encuentra entre los tamaños de las partículas de un material granular. En la práctica el valor del coeficiente “n” ha sido ajustado para obtener lo que se conocen como husos granulométricos, que no son otra cosa que un par de curvas que conforman los límites superior e inferior donde debe estar la granulometría del material que va ser usado como base o subbase, se prefiere que la curva del material sea sensiblemente paralela de dichos límites. En estos husos el % pasado de los tamices finos es algo menor que el que se obtiene al evaluar a “n” como 0,5. En esta forma se obtiene mayores valores de resistencia, ya que un incremento en los finos tiende a disminuir la misma como se dijo anteriormente. Puede encontrarse valores para n entre 0,4 y 0,6. Existen diferentes husos granulométricos a partir del valor de “D” (Tamaño máximo del material), en general a mayor tamaño máximo se obtiene mayor resistencia, por lo que deberá usarse el mayor tamaño máximo que permita el espesor de capa lo que equivale a utilizar el material más grueso posible dentro de los existentes. Se especifica generalmente D= ½ a 1/3 del espesor de capa. En ocasiones la curva granulométrica del material ensayado se puede salir ligeramente de los límites impuestos por el huso, en estos casos cuando se sale por arriba del límite superior es debido al exceso de finos, lo que conlleva pérdida de estabilidad o resistencia, en el caso de que salgan por debajo de límite inferior es debido al exceso de gruesos y esto produce dificultad de compactación y peligros de segregación. El segundo caso es menos peligroso que el primero. En las curvas granulometrícas se puede obtener los llamados diámetros efectivos Dn que representan el tamaño del tamiz por donde pasa un determinado % n, estos son usados para determinar los coeficientes de curvatura y uniformidad, los que sirve para caracterizar el posible comportamiento de materiales granulares con menos de 10% de finos. La curva con coeficiente n = 0,5 tiene un coeficiente de uniformidad de 2,25, se acepta valores entre 1 y 3 para este coeficiente en el caso de suelos granulares con granulometría continuas. La plasticidad es una propiedad de los suelos finos principalmente y no de los materiales granulares, por esta razón la totalidad de las especificaciones limitan a valores bajos el límite líquido y el índice plástico de los materiales que se pretenden usar en capas de base y/o subbases. Se especifica generalmente. LL< 25%   IP < 6% ó NP Para valorar la plasticidad o la presencia de materiales finos en los materiales granulares se emplea también el ensayo de Equivalente de arena, el mismo es procedimiento de sedimentación en el que se compara la altura alanzada por la parte eminentemente granular en un suelo dentro de un recipiente con la altura total de esta parte más la parte arcillosa floculada en una solución de cloruro de calcio se define el equivalente de arena EA. EA=(ha / ht)* 100 ha = Es la altura alcanzada por la fracción granular ht = Es la altura total del material granular más el floculado A mayor valor EA es menor la presencia de finos arcillosos, pero además como los

distintos materiales arcillosos tienen diferente comportamiento se puede distinguir no sólo la cantidad de finos, sino también la naturaleza de los mismos. Estos aspectos relativos a la granulometría, plasticidad, las formas de realizar los ensayos y otros aspectos son tratados en los textos de mecánica de suelos y pueden ampliarse en los mismos. Se anexan unas páginas del tomo 2 del texto Proyecto y Construcción de carreteras de Jeuffoy, donde se tratan estos aspectos

1.4 REQUERIMIENTO DE RESISTENCIA Y COMPACTACION

Los materiales granulares que cumplen con las características anteriormente señaladas generalmente tendrán elevadas resistencias, de hecho en algunas especificaciones para tránsito ligero sólo se exige una determinada granulometría y plasticidad. Pero a menudo sucede que los materiales pueden salirse ligeramente de las especificaciones o aun cumpliéndolas lo hacen en menor o mayor grado, o cuando el tránsito es medido o pesado dentro de estas posibilidades la resistencia será menor o mayor, por esa razón se indican ensayos para determinar la misma generalmente el ensayo CBR. La existencia de CBR lógicamente es mayor en materiales que se usarán como base que en aquellos que se usarán como subbase. En el caso de que no se consigan materiales granulares que cumplan con los requerimientos de resistencia que se exijan de acuerdo a la ubicación de la capa donde vayan a estar situados, deberá incrementar el espesor de la capa superior, para así disminuir los efectos que llegarán a aquella. De igual manera es necesario que la resistencia adecuada, no sirve de nada colocar materiales de buena calidad sin una adecuada compactación. Los requerimientos de compactación son de orden del 95 al 100% del Proctor modificado en materiales granulares estos niveles se logran con compactación vibratoria.

1.5 ESPECIFICACIONES DE MATERIALES PARA CAPAS GRANULARES A continuación se relacionan algunas especificaciones de materiales de capas granulares aclarando que no son únicas, en general cada país tiene las suyas en dependencia de las condiciones locales, si se tiene una clara comprensión de los que se persigue con cada una de estas especificaciones se podrá realizar un mejor juicio a la hora de realizar la selección final. Tabla V-3 requerimientos de calidad para base y subbase de agregados no tratados Folleto MS 1 del Instituto del Asfalto.

|ENSAYO |REQUERIMIENTOS | | |Subbese |Base | |CBR mínimo |20 |80 | |Límite líquido máximo |25 |25 | |Índice plástico máximo |6 |NP | |Equivalente de área mínimo |25 |35 | |Pasado por el tamiz 200 máximo |12 |7 |

Las bases y subbases de agregados no tratados deben compactarse a un contenido de humedad óptimo con una tolerancia de +/- 1,5%, a fin de alcanzar un mínimo del 100% de la densidad máxima de laboratorio del Proctor modificado. Materiales de subbases granulares de pavimento rígidos según el pliego de condiciones de España.

Aridos naturales o procedentes de machaqueo El % que pasa el tamiz 0,080 UNE < 2/3 del % que pasa el tamiz 0,040 UNE. El tamaño máximo debe ser ( ½ del espesor de la capa compactada. Desgaste Los Angeles < 50% CBR > 20%

|Transito |Ligero |Medio o pesado | |Husos Granulometricos |S1,S2, S3, S4,S5, S6 |S1, S2, S3 | |Plasticidad |LL< 25% y IP < 6% |NP | |Equivalente de arena |> 25% |> 30% |

Se debe alcanzar una densidad ( 95% de la máxima del Proctor modificado.

Se anexa las especificaciones de la AASHO para capas de base y subbase del texto de JEUFFROY mencionado anteriormente, se señala que en el mismo se usa el término cimiento para capas por debajo de la base, también las especificaciones utilizadas en Colombia.

1.6 DRENAJE DE CAPAS GRANULARES

El efecto perjudicial del agua en las capas del pavimento es conocido por lo que se hace necesario el control del agua en las diferentes capas del mismo. El control se puede lograr por diferentes vías. 12. Prever que no entre en el pavimento 13. Sacar rápidamente el agua que entre 14. Construir capas que trabajen el estado de saturación o que sean insensibles al efecto del agua. En el caso de la prevención se logra a través de superficies impermeables y bombeos adecuados al tipo de superficie, las superficies impermeables se vuelven permeables en el tiempo debido a la fisuración, por lo que se requiere un gran esfuerzo de mantenimiento. En el caso de los pendientes superficiales se recuerda están entre 1,5 al 3% para las superficies, del 3 al 5% para paseos y del 25 al 50 % para cunetas y taludes. Para sacar el agua de las capas deben construirse drenes longitudinales y transversales que generalmente son caros, y utilizar materiales que compongan capas filtrantes. Estas capas deben construirse con cuidado para evitar la contaminación con materiales finos que las tupen o sellan, de igual forma se debe evitar que esto ocurra durante las labores de mantenimiento. Es importante que se prevea su ubicación en el pavimento para evitar la entrada de agua desde las cunetas. Capas filtrantes o permanentes. Las capas filtrantes pueden ser usadas como bases, pero como generalmente tienen pocos finos esto hace difícil la compactación e influir en la resistencia. Son favorables pues evitan el agua y el bombeo o erosión debajo de las losas de los pavimentos rígidos. Como desventaja se señala que no drena la totalidad del pavimento, pues el agua atrapada en la subbase no sale por ella. Puede ser usadas como subbases o como una capa especial de drenaje sobre las subrasantes, pero se debe garantizar que las capas superiores tengan una permeabilidad suficiente que les permita drenar hacia ella el agua que penetra en las mismas. Es decir la permeabilidad de las capas superiores debe ser mayor que la tasa de infiltración hacia las mismas. Las capas permeables.

Las capas permeables se componen por agregados duros limpios con granulometría abierta, protegidos por filtros que eviten la tupición por finos para lograr una adecuada estabilidad. El efecto negativo de estos finos en la permeabilidad se puede atenuar con la adición de pequeñas cantidades de asfalto o cemento. La siguiente tabla ayuda a la comprensión.

|Permeabilidad en pies /día (1 Pies /día =3,5 *10- 4 cm. / seg.) | |Tamaño del agregado |Sin Asfalto |Con 2 % de asfalto | |1 ½ a 1in |140000 |120000 | |3/8 a ¾ in. |380000 |35000 | |No a 8 a No 4 |8000 |6000 |

El tamiz 200 reduce la permeabilidad, en un agregado sin finos que pueda tener permeabilidad de 3,5* 10-4 cm/seg. La misma puede decrecer hasta 7* 10-6 ó 7 *10 – 8 cm / seg. con un 25% de finos, los descensos menores con finos calizos los mayores con finos limosos y arcillosos. Hanzen : llego a relaciones empíricas para determinar la permeabilidad a partir de la granulometría de las arenas de filtro.

K = Ck * (D 10) 2

K : Permeabilidad en mm/ seg.

Ck : Coeficiente de permeabilidad de las arenas. Arenas uniformes con D10 entre 0,06 y 3 mm. Ck de 8 a 12 Arenas bien granuladas y arenas limosas con D10 entre 0,003 y 0,06 mm. Ck de 5 a 8. D10 diámetro de tamiz por el que pasa el 10% de la arena (mm) Moutton en 1980 : halló de igual forma una reacción empírica similar

K = [6,214 * 10 5 (D 10) 1,478 n 6,654 ]/ (t 200) 0,597

K permeabilidad en pies / día D10 ídem que en la anterior. n = Porosidad, n = 1- (( d / Gs), ( d es la densidad seca del material compactado Gs el peso específico de los sólidos del propio material. t200 es el % que pasa por matiz número 200.

Criterio para la selección de un material que sirve como capa filtrante o filtro. 1.- Para evitar la intrusión de finos D15 filtro / D85 suelo - ( 5. Además se recomienda que D 5 filtro ( 0,074 ó t200 < 5%. 2.- Para la adecuada permeabilidad D15 filtro / D15 suelo ( 5. 3.- Para lograr paralelismo entre las granulometrías del filtro y el suelo D50 filtro / D50 suelo ( 25. 4.- Para evitar o reducir al mínimo la segregación Cu = D 60 filtro / D 10 filtro ( 25.

Ejemplo 1. Se puede colocar una base de K = 70mm/seg. con D 15 = 6,6 mm y D50 =13,5 mm Directamente sobre una subrasante si ésta tiene D 15 = 0.033 mm , D50 =10.138 mm y D85 =0.53 mm.

Solución : En este caso considerar que la base debe actuar como filtro. D15 filtro / D85 suelo = 6,6 /0,53 = 12,45 > 5 no cumple, por lo que se espera que haya intrusión de finos desde la subrasante hacia la base. D15 filtro / D 15 suelo = 6,6 / 0,033 = 200 > 5 cumple, por lo que hay adecuada permeabilidad D50 filtro / D50 suelo = 13,5 / 0,138 = 97,83 > 25 no cumple, no hay un adecuado paralelismo entre filtro y suelo.

Del análisis anterior se deduce que no debe colocarse. Se debe colocar una capa de subbase intermedia. Esta capa al interponerse entre las anteriores debe jugar doble papel, primero servir de filtro sobre la subrasante y segundo que la base sirva como filtro sobre ella.

Subbase como filtro: Criterio de intrusión, D15 filtro / D85 suelo < 5 sustituyendo el valor D15 filtro / 0, 53 < 5 y D15 filtro = 5 * 0,53 = 2,65 mm o menor.

Criterio de permeabilidad, D15 filtro / D15 suelo > 5 sustituyendo D15 filtro / 0, 033 > 5 y D15 filtro = 5 * 0,033 = 0,17 mm o mayor.

Criterio de paralelismo, D50 filtro / D50 suelo < 25 sustituyendo D50 filtro / 0, 138 < 25 y D50 filtro = 25 * 0, 138 = 3,45 mm o menor.

Subbase como suelo: Criterio de intrusión, D15 base / D85 suelo 5 sustituyendo 6,6 / D15 suelo > 5 y D15 suelo = 6,6 / 5 = 1, 32 mm o menor.

Criterio de paralelismo, D50 base / D50 suelo < 25 sustituyendo 13,5 / D50 suelo < 25 y D50 suelo = 13,5 / 25 = 0, 54 mm o mayor.

Resumen de las características de la subbase.

0, 17 mm < D15 subbase < 1,32 mm 0, 54 mm < D50 subbase < 3,45 mm 1,32 mm < D85 subbase

Se debe chequear igualmente que la subbase tenga Cu = D60 / D10 < 25.

Por ejemplo una subbase que tenga: D15 subbase = 1,0 mm D50 subbase = 2,0 mm D85 subbase = 3,0 mm

Con respecto al subrasante la subbase es filtro.

Criterio de intrusión D15 filtro / D85 suelo < 5 sustituyendo 1,0 / 0,53= 1,89< 5 ok.

Criterio de permeabilidad D15, filtro / D15 suelo > 5 sustituyendo1,0 / 0,033 = 30,3 > 5 ok.

Criterio de paralelismo D50 filtro / D50 suelo < 25 sustituyendo 2,0 / 0,138 = 14,5 < 25 ok.

Con respecto a la base la subbase es suelo.

Criterio de intrusión D15 filtro / D85 suelo 5 sustituyendo 6,6 / 1,0 =6,6 > 5 ok.

Criterio de paralelismo D50 filtro / D50 suelo < 25 sustituyendo 13,5 / 2,0 = 6,75 < 25 ok

El trabajo con los criterios anteriores se debe llevar a cabo interpolando en las curvas granulométricas de los materiales lo que debe hacerse con gran cuidado, por estar la escala de las abcisas como logaritmo de la abertura del tamiz. Una forma de realizar matemáticamente esta interpolación es:

log D x = log Da + [( x - a ) / ( b - a )] * log ( Db / Da)

a y b % pasados por dos tamices conocidos consecutivos. ( b > a) Db y Da abertura de los tamices por donde pasan los % b y a respectivamente x es el % pasado por la abertura de tamiz que se quiere conocer D x

Ejemplo 2 Una muestra que tiene 15,5 % pasado por el tamiz 60 ( 0,25 mm ), y 3 % pasado por el tamiz 200 ( 0,074 mm ). ¿Cuál será su D10?

log D10 = log 0, 074 + [(10,0 - 3,0 ) / (15,5 - 3,0)]* log (0,25 /0,074)=-0,83469 D10= 0,146 mm

1.7 GEOTEXTILES PARA EL GRENAJE DE PAVIMENTOS

Estos materiales que en la actualidad están cada vez siendo de mayor uso por los constructores de obras viales pueden jugar un papel importante cuando no sea factible conseguir materiales granulares que cumplan con las características ya vistas.

Los geotextiles pueden ser usados para proteger las capas de filtro de la intrusión de los finos, retener el suelo de filtro pero además deben permitir el paso del agua hacia estas y no deben tupirse. Son construidos de fibras de poliéster, polipropilenos u otras fibras poliméricas. Pueden ser tejidos o no tejidos.

Desde el punto de vista de drenaje la principal característica es el tamaño de la abertura nominal AOS, especificado por ASTM.

A continuación se exponen algunos criterios que pueden usarse en la selección del geotextil adecuado.

Criterio de retención o de resistencia al bombeo o erosión.

• Suelos finos con más del 50 % pasado por el tamiz 200.

Tejidos AOS < D85 del suelo.

No tejidos AOS No 50 o abertura nominal = 0,297 mm.

• Suelos granulares con menos del 50 % por el tamiz 200.

AOS 8, B =1. Para 2 < Cu < 4, B = 0,5 Cu. Para 4 < Cu < 8, B = 8 / Cu.

• Cuando el suelo protegido tiene partículas de mas de 4,76 mm (tamiz,No 4) sólo se tendrán en cuenta las menores a ese tamiz para determinar la granulometría, debido a que estas son las que pueden salir entre las aberturas de la malla. Esta granulometría se obtiene dividiendo los % pasados por los tamices inferiores al No 4 entre el % pasado por ese tamiz.

Criterio de permeabilidad.

El fabricante debe entregar la permeabilidad de la malla, o en su defecto la permisividad, en este segundo caso la permeabilidad se obtiene de multiplicar la permisividad por el espesor de la malla. Para obtener eficiencia la malla debe tener mayor permeabilidad que el suelo protegido,

K malla > K suelo.

Criterio de intrusión o tupición.

Tejidos, el % del área abierta debe ser como mínimo del 4% No tejidos, la porosidad debe ser como mínimo del 30 %.

Ejemplo: Determinar la malla adecuada para proteger un suelo con la siguiente curva granulométrica.

|Tamiz. | | | | |

Ejemplo: 3

Determinar la malla adecuada pata proteger un suelo con 'la siguiente curva granulométrica.

Tamiz. % pasado % tamiz 4 1 in . 100 3/8 80 No 4 60 100 No 10 36 60 No 40 6 10 No 200 3 5

Cu = D60 / D10 = 2,00/ 0,42 =4,76

B = 8/ Cu = 8 /4,76 = 1,68

AOS ≤ B * D85

Es necesario determinar el D85 del suelo lo que puede hacerse por interpolación.

log Dx = log Da + [(x – a) / (b - a)] *log (Db / Da)

log D85 = log 2,00 + [(85 – 60) / (100 – 60)] * log (4.76 / 2,00) =0,53639

D85 = 3,44 mm.

AOS ≤ 1,68 * 3,44 ≤ 5,779 mm.

En este caso cualquiera de las mallas normales puede cumplir fácilmente este criterio debido a que es un suelo grueso.

Una malla AOS No 16 tiene una abertura de 1,19 mm y es adecuada para el propósito que se persigue en este caso.

CAP II. ESTABILIZACIÓN DE MATERIALES GRANULARES PARA CAPA DE PAVIMENTOS

13 TABILIZACIÓNES DE MATERIALES GRANULARES

PARA CAPAS DE PAVIMENTOS.

En ocasiones no se encuentran a distancias cortas de las obras materiales granulares que cumplan con los requerimientos para poder ser utilizados como base y / o subbase, en este caso se recomienda el uso de estabilizaciones como opción económica, debe señalarse que aunque la opción de la estabilización es cara, por el consumo de aditivos v por las técnicas requeridas, ésta puede ser más barata que transportar los materiales granulares adecuados desde largas distancias.

Existen muchas formas de estabilizar o dar estabilidad a un suelo, se dice que la forma más simple de estabilización es la propia compactación, ya que aumenta la densidad, la resistencia ante las cargas, se reducen los posibles cambios de volumen y disminuye la sensibilidad ante los cambios de humedad. Mientras que la compactación es un proceso intrínsico a la construcción vial que se da por hecho y no necesita discusión, también pueden usarse aditivos que faciliten la Compactación al disminuir la humedad de ¡os suelos o la plasticidad y esta variante cae dentro del campo de las estabilizaciones.

Teóricamente cualquier suelo puede ser estabilizado y el tipo de estabilización depende del objetivo que se persiga, pero en el caso de las capas de los pavimentos que deben tener un determinado papel estructural resistente, se logran los mejores resultados si se usan suelos de mejor calidad, es decir suelos granulares. En la medida que el suelo se acerca más a los estándares especificados, será menor el esfuerzo necesario para lograr su estabilización. As¡ por ejemplo una arcilla puede requerir el doble de cemento que una grava si se plantea realizar un suelo cemento para una base de pavimento.

1. PROCESO DE ESTABILIZACIÓN, FACTORES QUE INTERVIENEN.

El proceso de estabilización, con independencia del tipo que vaya a ser usado se ha desarrollado técnicamente a partir de un patrón mas o menos definido.

Los factores que intervienen o deben tenerse en cuenta en el proceso son:

• Contenido del agente estabilizador. • Humedad de compactación • Homogeneidad de la mezcla • Energía de compactación

En general estos factores siempre juegan los mismos papeles independientemente de tipo de agente estabilizador, se busca con ellos obtener la mayor resistencia. Los ensayos para determinar la resistencia más utilizados son el CBR, la resistencia a compresión simple y la resistencia a compresión diametral. Es importante que las resistencias obtenidas en el laboratorio estén correlacionadas con un comportamiento bajo tránsito de las capas puestas en obra.

Para la evaluación de ¡a resistencia, con ligeras variantes, se siguen los siguientes pasos:

1. Ensayo Proctor con adición del agente estabilizador.

2. Preparación de probetas con 3 ó 4 contenidos de humedad, compactadas con una energía correspondiente a una energía Proctor y con 3 ó 4 contenidos diferentes de¡ agente estabilizador.

3. Ensayos mecánicos sobre las probetas realizadas según algún procedimiento como puede ser el fraguado, curado, evaporación de volátiles, ciclos de inmersión etc.

4. Trazado de curvas que relacionen la resistencia con el contenido del agente estabilizador o ¡a densidad seca o humedad, etc.

S. Decisión del contenido de agente estabilizador a escoger y variables de acuerdo a los resultados.

Un factor importante es la homogeneidad de la mezcla y los efectos del tiempo, para lo que se determina la resistencia dejando inalterables los otros factores y variando el tiempo de mezclado, o el período de fraguado antes de la compactación, o el tipo de mezclado empleado etc.

Otro factor importante es la energía de compactación, en general la resistencia se incrementa con el aumento de la densidad seca, pero en ocasiones debe tenerse cuidado, con el contenido de humedad, la humedad óptima es menor en el caso de un incremento de ¡a energía de compactación, pero esta disminución puede afectar el fraguado del agente estabilizador,

2. TIPOS DE ESTABILIZACIÓN

Existe una gran variedad de tipos: de estabilizaciones, muchos autores han propuesto diferentes tipologias como por ejemplo:

• Mecánicas si solo se producen cambios físicos en las propiedades de los materiales.

• Químicas cuando ocurren reacciones que modifican una o varias propiedades de ¡os materiales estabilizados.

• Modificaciones si las propiedades cambian ligeramente,

• Estabilizaciones cuando hay un cambio notable en el resultado final.

Otros las han clasificado según el tipo de agente estabilizador:

• Estabilizaciones con aglomerantes como el cemento o la cal. • Estabilizaciones con ligantes asfálticos. • Estabilizaciones con escorias granuladas.

Aunque existe una gran experiencia en el uso de algunas de estas técnicas y muy poca en otras, es posible obtener un buen resultado si se tiene cuidado en el procedimiento escogido para la dosificación y se tiene claro el objetivo propuesto, pero además debe prestarse una esmerada atención al proceso constructivo, de nada sirve un buen resultado de laboratorio sí después no se puede llevar a vías de hecho en la carretera.

3. ESTABILIZACIÓN MÉCANICAS.

Es este tipo el más utilizado debido a su bajo costo, se pretende a través del mismo modificar un suelo o agregado que no cumple con las especificaciones añadiéndole otro suelo o agregado, por ejemplo puede citarse una grava limpia de río a la que se le añade algo de fino para mejorar su densidad, ganar resistencia y facilitar la compactación, o el caso de una arena limosa a la que añadiéndole un porcentaje de gravas o agregados se le incrementa su resistencia. Como se ve la estabilización mecánica es la mezcla de dos suelos o agregados o un suelo y un agregado. Aunque pueden mezclarse más de dos suelos, en la práctica no se hace, ya que desde le punto de vista constructivo se hace demasiado compleja su ejecución.

Para diseñar una estabilización de este tipo se parte de las granulometrías de los materiales que se pretenden mezclar y del huso granulométrico que se desea obtener como se ha visto generalmente los materiales que cumplen unas determinadas características granulométricas tienen un buen comportamiento, entonces el problema se resuelve determinando las proporciones en la mezcla de cada uno de ¡os materiales para lograr una granulometría que este dentro del huso deseado.

Existen diferentes procedimientos para determinar las proporciones de una mezcla de dos materiales:

• Método a partir de sistemas de ecuaciones • Métodos gráficos • Método a partir del módulo granulométrico

Cualquiera que se utilice no será mas que un punto de partida para tener una aproximación de las buscadas proporciones, las propiedades finales de la mezcla deben investigar en el laboratorio.

Método a partir del sistema de ecuaciones.

Se parte de los % pasados por los diferentes tamices de la forma siguiente:

A* % pasa de A en el tamiz i + B* % pasa de B en el tamiz i = % especif. en el tamiz

A y B son los porcentajes de los materiales A y B en la mezcla, pero expresados en decimales.

% pasa de A y B son los % pasados de cada uno de estos materiales por cada uno los i tamices utilizados.

% especificado es un valor que cumpla con el rango especificado para cada tamiz generalmente se utiliza el valor central del rango de la especificación.

Cada uno de los tamices da origen a una ecuación, como generalmente existe mayor cantidad de tamices en el análisis que las incógnitas se pueden tener diferente soluciones algunas de ellas contraproducentes, por lo que deben revisarse los resultados.

Ejemplo.-

Calcular las proporciones de A y B para cumplir con las especificaciones.

Tamices in. Tamices Porcentaje pasado mm, Material A. Material B. Especificaciones,

1 1/2 38,1 100 100 100 3/4 19,1 85 100 85-100 3/8 9,76 40 80 50-80 40 0,42 10 40 20-35 200 0,074 6 20 5-12

Se pueden plantear las siguientes ecuaciones:

100 * A + 100 * B =100 85 * A. + 100 * B = 92 40 * A + 80 * B = 70 10 * A + 40 * B = 28. 6 * A + 20 * B = 8

Un total de 5 ecuaciones y sólo 2 incógnitas, de las ecuaciones es obligado el uso de la primera (1 ½ ) ya que las proporciones de los materiales A y B deben sumar 100.

Si se escogen los tamices de 1 ½ y el 200.

A + B = 1 de donde A = 1 - B

6 * A + 20 * B = 8 6 - 6 * B + 20 * B = 8 6 + 14 * B = 8 14 * B = 2 B = 0,14 y A = 0,86-

Sí se escogen los tamices de 1 ½ y el 40.

A + B = 1 de donde A = 1 - B 10 * A + 40 * B = 28 10 - 10 * B + 40 * B = 28 30 * B = 18 B = 0,60 y A = 0,40

Proporciones que difieren de las primeras.

Sustituyendo en las ecuaciones 100 * 0,86 + 100 *0,14 = 100 85 * 0,86 + 100 * 0,14 = 87,1 40 * 0,86 + 80 * 0, 14 = 45,6 < 50 no cumple. 10 * 0,86 + 40 * 0,14 = 14,2 < 20 no cumple, 6 * 0,86 + 20 * 0,14 = 7,96 100 * 0,40 + 100 * 0,60 = 100 100 * 0,40 ( 100 * 0,60 = 100 85 * 40 + 100 * 0.60 = 94 40 * 0,40 + 80 * 0,60 = 63 10 * 0,40 + 40 * 0,60 = 28 6 * 0,40 + 20 * 0,60 = 14,4 >12 no cumple.

Como se observa dependiendo de las ecuaciones escogidas, se cumplen exactamente los tamices seleccionados, sin embargo otros pueden no cumplir. Si se repite el proceso con las otras ecuaciones tampoco se obtiene una solución que satisfaga al total de ellas.

Parece ser que el problema no tiene solución pero en este caso se debe a las características propias del mismo.

Métodos gráficos.

Existen diversos pero el más utilizado es a través de un cuadrado dividido en 100 unidades por cada lado, En los lados inferior y superior se expresan los porcentajes en la mezcla de cada uno de los dos materiales, pero mientras que uno de ellos aumenta de 0 a 100, el otro disminuye de 100 a 0 de forma tal que una vertical corta ambos lados en un par de Valores que suman siempre 100.

En los laterales del cuadro se expresan las granulometrías en % pasado de cada material, allí, donde este el 100% de un material se coloca la granulometría del mismo.

Se unen a través de rectas los % pasados de cada material para un mismo tamiz, de manera que cada una de estas rectas representa como varia el % pasado por ese tamiz cuando varían las proporciones de cada material en la mezcla.

Finalmente se ubican las intersecciones de los limites superior e inferior de cada tamiz en cada recta representativa, definiéndose los subrangos donde unas determinadas proporciones de ¡a mezcla satisfacen a las especificaciones de ese tamiz.

Finalmente se tomaran como rango de cumplimiento total aquel que esté contenido en todos los subrangos.

Se adjunta un gráfico donde se resuelve el problema anterior, en él se puede apreciar que el rango final es de aproximadamente de 35 a 40 % para B lo que se corresponde con 65 a 60 % para A. Comprobación con la proporción 60 % de A y 40 % de B.

100 * 0,60 + 100 * 0,40 = 100 85 * 0,60 + 100 *0,40 =91 40 * 0,60 + 80 * 0,40 =56 10 * 0,60 + 40 * 0,40 =22 6 * 0,60 + 20 * 0,40 = 11,6

Todos los valores cumplen las especificaciones, pero en el caso del tamiz 200 en el límite lo que se observa en el gráfico. Si se resuelven las primeras ecuaciones vistas pero con el valor de 12 en vez de 8 para el tamiz 200, los valores de las proporciones de A y B serían estos (60 % de A y 40 % de B).

Método del módulo granulométrico.

Este método parte no del cumplimiento de una granulometría sino de una determinada compacidad obtenida a través del llamado módulo granulométrico, similar al módulo de finura que se utiliza para el caso de los agregados de concretos.

Se adjuntan unas copias de la definición, cálculo del mencionado módulo y ejemplo de obtención de las proporciones de dos materiales en este caso denominados X y Y.

Si se resuelve el ejemplo que se ha tratado por este procedimiento se obtiene.

Tamiz Tamices Especif. Porcientos pasados y retenidos acumulados. In. mm. Retenido Material Retenido Material Reten acumul. A acumul. B acum 1 ½ 38,1 100 0 100 0 100 0 ¾ 19.1 92 8 85 15 100 0 3/8 9.76 65 35 40 60 80 20 40 0.42 28 72 10 90 40 60 200 0,074 8 92 6 94 20 80 Totales / 100 2,07 2,59 1,60

Resolviendo las ecuaciones.

2,59 * A + 1.60 * B = 2,07 * 100

A + B=100 y A =100-B

259 - 2.59 * B + 1.60 * B = 207

B=53% y A=47% Estos valores dan la siguiente granulometría que se compara con la obtenida por el método gráfico

Tamices in. Tamices Porcentaje pasado mm. Método del Método Especificaciones. módulo gráfico. 1 ½ 38,1 100 100 100 ¾ 19,1 93 91 85-100 3/8 9,76 61 56 50-80 40 0,42 2-0 22 20-35 200 0,074 13,4 11,6 5-12

El valor del tamiz 200 obtenido por el último método es ligeramente superior al del límite superior lo que podría reducir la resistencia, pero para dar un resultado final se deben realizar los ensayos de laboratorio a las diferentes variantes obtenidas. Es necesario aclarar que los valores escogidos para las proporciones finales deben ser constructivos dependiendo de la técnica a utilizar.

4. ESTABILIZACIONES QUÍMICAS.

Se conocen así las que utilizan aditivos que de alguna forma tienen un intercambio o intervienen o modifican determinadas características de¡ suelo o agregado, tal es el caso de¡ cemento, cal o materiales asfálticos.

Existen suelos modificados con cemento o cal, si estos aditivos se usan en pequeñas cantidades y cambian ligeramente propiedades como por ejemplo la plasticidad. En el caso ce utilizarse mayores cantidades de aditivos ocurren cambios notables como es el endurecimiento y se llaman suelos cementos, suelos cal o suelos asfaltos.

De los diferentes tipos el de mayor uso es el suelo cemento y es del que existe mayor experiencia y bibliografía. Una variante es la grava cemento que utiliza en vez de un suelo un material preparado en cantera con una granulometría continua y con partículas trituradas, este tipo de material normalmente se estabiliza con pequeñas cantidades de cemento, aproximadamente un 3 % en peso, mientras que un suelo A1 requiere del 5 al 7 %, uno A2 del 5 al 9% y otros suelos finos necesitan más del 10 %. Las gravas cementos son muy utilizadas en Europa como subbases debajo de los pavimentos rígidos por ser muy poco erosionables.

La estabilización con cal se usa mayormente para modificar propiedades, tales como la humedad y la plasticidad de suelos finos para facilitar su compactación, aunque mejora la resistencia lo hace a mas largo plazo y no compite con el cemento en este aspecto.

Las estabilizaciones con materiales asfálticos se usan generalmente con suelos granulares, no se obtienen buenos resultados con suelos finos. Por las características de los materiales asfálticos se requiere de un cuidadoso estudio en el laboratorio ya que el ligante utilizado en conjunto con la humedad deben garantizar que se obtenga la debida

compactación, este aspecto difiere si se usa una emulsión o un asfalto fluidificado.

Existen otras estabilizaciones químicas como las mezclas de suelos con Cloruro de Calcio si se desea mantener la humedad en pavimentos sin carpeta asfáltica en climas secos, las de suelos con escorias de fundiciones, residuos de procesos industriales y otras más. En muchos casos se persigue el doble propósito de mejorar el suelo y de buscarle un uso a los residuos que, generalmente contaminan el medio.

Existen variados enfoques a la hora de decidir el procedimiento para llevar a cabo los estudios de laboratorio y de seleccionar la cantidad de aditivo, el torno 2 del texto Diseño y Construcción de Explanaciones de Torres Vila tiene una amplia recopilación de este tema y puede ser consultado para la profundización en el mismo, Los pasos generales ya han sido abordados anteriormente en este material.

5. USO DE GEOTEXTILES EN ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS.

Estos materiales se utilizan de forma variada dentro del campo de los pavimentos generalmente. Además de las funciones ya vistas para separar suelos, facilitar el drenaje etc. pueden ser usados en los pavimentos para:

• Absorber tensiones en suelos que normalmente no las resisten.

• Como barrera impermeable si son impregnados con materiales asfálticos.

• Para evitar la reflexión de grietas en pavimentos con estos signos de deterioro.

• Refuerzo estructura¡ disminuyendo espesores.

La idea del funcionamiento de un geotextil es la misma que la del refuerzo de acero en los elementos de concreto. La combinación de una capa de suelo y un geotextil se logra por el aporte del primero para tomar las compresiones y del segundo para tomar las tracciones que el suelo es incapaz de aceptar. Este material comienza a tomar las tracciones a partir de un estiramiento que sufre producto de las deformaciones que se originan en la subrasante al paso de las ruedas de los vehículos pesados. Su ubicación correcta debe ser dentro de la capa de agregados, aunque se han usado directamente sobre la subrasante.

En Australia se han construido miles de caminos sin pavimentar con el uso, de geotextiles como refuerzo.

En general el uso de los geotextiles proporciona las siguientes ventajas:

• Reduce la magnitud de las deformaciones por lo que se traduce en un aumento de ¡a rigidez, • Incrementa la resistencia a tracción, disminuyendo el agrietamiento. • Mejora el comportamiento a la fatiga, prolongando la vida. • Mantiene la integridad de las capas granulares. • Disminuye los espesores del pavimento. • Reduce o restringe la entrada del agua sí se usan geotextiles impermeables. • Disminuye el bombeo y la erosión si, se usan geotextiles impermeables.

• Reduce la reflexión de grietas • Reduce en general los costos de mantenimiento.

El cálculo del papel de refuerzo de los geotextiles se hace a través de principios de geotecnia, aunque muchos fabricantes dan sus parámetros de uso debido a la gran variedad de estos materiales que existen en la actualidad.

En el caso de AASHTO esta institución recomienda incorporar el papel de refuerzo del geotextil a través de un incremento en el aporte al número estructural en la capa donde se considere su uso esto se logra como un incremento al coeficiente estructural de Capa.

Existe un grupo normalizado de ensayos para caracterizar los geotextiles, pero estos requieren equipamiento especializado. Lo más recomendable es seguir las instrucciones del fabricante.

6. EJARCITACIÓN SOBRE MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE CAPAS GRANULARES

Ejemplo Propuesto N .1

A partir de las características granulométricas de los materiales mostrados seleccione la combinación adecuada para una capa de base y otra de subbase.

A la base se le exige el 50 % de las partículas con al menos una cara fracturada.

Ambas conformarán capas de un pavimento colocado sobre una subrasante del tipo que se indica.

En los gráficos granulométricos finales dibuje también las curvas obtenidas por el procedimiento del módulo granulométrico.

Deben chequearse los criterios de drenaje de las capas granulares.

Tamices Tamices % pasados In mm Material Material Material Especificac. Especificac A. B. C. subba granular base gra 1 ½ 38.1 100 100 100 70-100 100 1 25.4 100 90 85 60 – 100 70 - 100 3/4 19.1 94 75 79 50 – 90 60 - 90 3/8 9.76 89 50 68 40 – 80 45 - 75 4 4.76 76 6 56 30 – 70 30 – 60 10 2.0 57 11 20 – 55 20 - 45 40 0.42 38 4 10 – 40 10 - 30 200 0.074 13 4 – 20 5 - 15

El material A es una arena arcillos de LL = 30% e IP= 8%. Tiene CBR = 25% El material B, es una piedra de río triturada NP El material C, es una arena pobremente graduada con abundante gravas NP Subrasante ML que tiene D85 = 0,42 mm. D50 = 0,05 mm. D15 = 0,02 mm. Ejemplo N.2 GRANULOMETRÍA DE SUELOS PARA PAVIMENTOS

1. Dibuja la curva granulométrica del suelo dado. Calcular los coeficientes de uniformidad y curvatura y comentar las características granulométricas.

2. Clasifique el suelo por el sistema unificado.

3. Para cumplir con las especificaciones indicadas determine y localice un árido local con que debe mezclarse este suelo. Determine las proporciones.

4. Indique las especificaciones de resistencia y plasticidad que deben alcanzarse si se desea usar esta mezcla como base de una vía con tránsito ligero.

5. Realice comentarios sobre la compactación para este suelo.

| |Muestras |Especificaciones | |Tamices | | | | |1 |2 |3 |4 | | |1” |100 |100 |100 |100 |100 | |3/8” |86 |85 |79 |94 |60 – 100 | |Nº 4 |60 |72 |68 |89 |50 – 85 | |Nº 10 |35 |42 |56 |76 |40 – 70 | |Nº 40 |21 |20 |11 |38 |25 – 45 | |Nº 200 |10 |8 |4 |3 |10 - 25 | | | | | | | | |LL |30 |25 |20 |15 | | |IP |6 |4 |-.- |-.- | |

Dato: Para el desarrollo del trabajo: Muestra Nº 4 dato del problema

Solución:

1. Dibujo de la curva granulométrica

Con los datos de la muestra Nº 4 del suelo se tiene la siguiente tabla.

| |Abertura (mm) |Muestra 4 % que |% Retenido acumulado |Especificaciones % que pasa |

|Tamiz Nº | |pasa | | | |1” |25.40 |100 |0 |100 | |3/8” |9.52 |94 |6 |60 – 100 | |Nº 4 |4.70 |89 |11 |50 – 85 | |Nº 10 |2.70 |76 |24 |40 – 70 | |Nº 40 |0.426 |38 |62 |25 – 45 | |Nº 200 |0.074 |3 |97 |10 - 25 | | | | | | | |LL |15 | | | | |IP |-.- | | | |

Con los datos que se tiene se grafica la curva granulométrica del suelo muestra Nº 4 (Suelo – a) :

• Línea contínua de color azul

También se grafica las curvas de las Especificaciones:

• Línea discontínua de color rojo

El gráfico se muestra en la página siguiente.

[pic] [pic]

1. CALCULO DEL COEFICIENTE DE UNIFORMIDAD Cu :

Tenemos que:

Donde : D10 y D60 obtenemos del gráfico de la curva granulométrica del suelo, donde por interpolación se obtiene los valores siguientes:

D60 : Diámetro tal, que el 60% en peso del suelo, sea igual o menor D20 : Diámetro tal, que el 10% en peso del suelo, sea igual o menor.

D60 = 0.971 D10 = 0.120

( Cu = 0.971 = 8.09 0.120

Evaluación:

Si : Cu < 3 ( se consideran los suelos muy uniformes

Si : Cu > 6 ( se consideran los suelos bien graduados.

( Cu = 8.09 > 6 ( El suelo es bien graduado.

2. CÁLCULO DEL COEFICIENTE DE CURVATURA Cc :

Tenemos que

Donde :

D30 : Diámetro tal, que el 30% en peso del suelo, sea igual o menor.

Del gráfico de la curva granulométrica del suelo, interpolando se tiene:

D30 = 0.322

( Cc = (0.322)2 = 0.89 (0.971) * (0.120)

Evaluación

Si : - Cc oscila entre 1 y 3 ( suelos bien graduados.

Si no se encuentra dentro de éste intervalo el suelo no es uniforme.

( Cc = 0.89 No cumple el primero ( Suelo mal graduado.

3. COMENTARIOS:

• En el gráfico se observa que la curva granulométrica del suelo, no se encuentra dentro de la zona de especificación, pues se puede notar que la muestra adolece de fines y de gruesos, predominando el material de granos intermedios.

• El valor del coeficiente de uniformidad decrece cuando la uniformidad aumenta.

• El suelo presentará alta permeabilidad.

1. CLASIFICACIÓN DEL SUELO POR EL SISTEMA UNIFICADO (SUCS)

Auxiliémonos de las tablas anexos:

— Tabla sistema unificado de clasificación de suelo — Procedimiento auxiliar para identificación de suelos en el laboratorio.

a. Veamos primero si el suelo es de grano grueso o fino:

Fracción gruesa = 100 - % pasa el tamiz # 200 Fracción gruesa = 100 – 3 = 97%

Como más del 50% está retenido en el tamiz Nº 200, El suelo es de grano grueso.

b. Definamos ahora si el suelo es de grava o arena.

Esto es si más de la mitad de la fracción gruesa es retenida en el tamiz Nº 04 es grava.

97/12 = 48.50% mitad de la fracción gruesa.

100 – 85 = 11% Material retenido en el tamiz Nº 04

97 – 11 = 86% lo que pasa el tamiz Nº 04 de la fracción gruesa.

( 86% > 48.50% ( más de la mitad de la fracción gruesa pasa por el tamiz Nº 04, ( El suelo es Arenoso.

c. Haciendo uso de los límites de Atterberg

• El cuadro de clasificación de suelos (SUCS) Carta de Plasticidad. Tenemos : Para el LL = 15 Nuestro suelo no se puede determinar

IP = 0

Este caso es cuando más del 12% pasa la malla Nº 200 y en nuestro caso sólo pasa 3%

• Cuando menos del 50% pasa la malla Nº 200, debemos clasificar considerando la graduación del material.

( Para nuestro suelo mal graduado le corresponde una clasificación SUCS : SP

SP : Arenas mal graduadas, arenas con grava con poca o nada de finos.

[pic] [pic]

2. MEJORAMIENTO DEL SUELO

De acuerdo con lo observado el suelo dado no cumple con las Especificaciones que se tiene, por lo que para que cumpla se ha buscado otro material para mezclar y se le ha denominado suelo “B”. dicho material tiene características granulométricas diferentes a fin de complementar con el otro (Suelo “A”) durante el mezclado.

GRANULOMETRÍA

| | |Suelo “A” (Dato) % que|Suelo “B” (Elegido) | | |Tamiz Nº |Abertura (mm) |pasa |% que pasa |Especificaciones | |1” |25.40 |100 |100 |100 | |3/8” |9.52 |94 |42.50 |60 – 100 | |4 |4.76 |89 |35.50 |50 – 85 | |10 |2.00 |76 |32.50 |40 – 70 | |40 |0.426 |38 |28.00 |25 – 45 | |200 |0.074 |3 |22.00 |10 - 25 |

CALCULO DE LA PROPORCIÓN DE LA MEZCLA:

• Conocidas las granulometrías de dos áridos (A y B) emplearemos el “METODO GRÁFICO DE MEZCLADO” para obtener un suelo combinado. • TAL COMO SE MUESTRA EN GRÁFICO RECTANGULAR DE RESULTADO.

[pic]

COMENTARIO

• Se va haciendo un trabajo de delimitación de zona con todos los tamices hasta llegar a la definitiva abad (Gráfico Rectangular – Resultado).

• Generalmente se toma unas porciones que estén aproximadamente al centro de la zona hallada.

• Una vez establecido las rangos de la especificación para cada diámetro, en el intervalo que cumpla con toda la especificación, con una línea vertical se elige una combinación y

se comprueba analíticamente.

• La combinación que se elige debe ser tal que se obtenga una buen material (bien graduado) enmarcado dentro del término medio de las especificaciones en la medida de las posibilidades.

• En este caso fijaremos una proporción de 47.50% de A y 52.50% de B, obtendríamos un nuevo material combinado y con lo cual se obtendrá:

— Material bien graduado que cumple con holgura las especificaciones y capaz de compactarse y adquirir una resistencia apreciable. — Esta granulometría, como es lógico, cumple todas las especificaciones.

• Estos valores granulométricos se obtienen gráficamente “GRÁFICO RECTANGULAR – RESULTADO”, leyendo el porcentaje pasado correspondiente al intercepto de la vertical X – X’ con la línea de los materiales en cada tamiz, estos interceptos se producen en e, f, g, h, i y j, respectivamente y los valores obtenidos se pueden leer los porcentajes pasados en el GRAFICO RECTANGULAR.

COMPROBACIÓN ANALÍTICA PARA LA PROPORCIÓN DE LA MEZCLA 47.50% DEL SUELO “A” CON 52.50% DEL SUELO “B”

|Tamiz Nº |COMPROBACIÓN |% |Especificaciones | | |47.50% A + 52.50 B |Que pasa | | |1” |0.475 (100) + 0.525 (100) |100 |100 | |3/8” |0.475 (94) + 0.525 (42.50) |67 |60 – 100 | |4 |0.475 (89) + 0.525 (35.50) |61 |50 – 85 | |10 |0.475 (76) + 0.525 (32.50) |53 |40 – 70 | |40 |0.475 (38) + 0.525 (28.00) |33 |25 – 45 | |200 |0.475 (03) + 0.525 (22.00) |13 |10 - 25 |

( La proporción del suelo “A” 47.50% y el suelo “B” 52.50% cumple con las especificaciones tanto por el método gráfico como ANALÍTICA por lo que la mezcla es aceptable.

• La comprobación debe realizarse necesariamente para garantizar que no hubo error en la apreciación gráfica y obtener una correcta proporción de la mezcla de suelo.

• La CURVA GRANULOMÉTRICA DE LA MEZCLA SE GRAFICA:

— Está indicada en el gráfico de curvas granulométricas con línea continuo de color negro. Esta curva queda enmarcada dentro de las especificaciones y con la forma característica de un material con buena graduación.

3. ESPECIFICACIONES DE RESISTENCIA Y PLASTICIDAD QUE DEBEN ALCANZARSE, SI SE DESEA USAR ESTA MEZCLA COMO BASE DE UNA VIA DE TRÁNSITO LIGERO

Después de haber determinado la proporción de mezcla, esta se debe llevar a laboratorio para determinar los parámetros de RESISTENCIA, PLASTICIDAD Y OTROS aunque

algunos es posible obtener en campo.

Si la Mezcla obtenida se desea utilizar para material de base y para tránsito ligero deberá cumplir las siguientes especificaciones:

MATERIAL PARA BASE :

• Las normas peruanas han tomado los mismos valores dados por las siguientes normas:

— Normas para Carreteras, AASHTO, ASSOCIATION OF STATE HIGH – WAY AND TRANSPORTATION OFFICIALS, WASHINGTON D.C, 1973

— NORMAS ASTM, AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS, PHILADELPHIA, 1967.

• Según las especificaciones generales para construcción de caminos – Ministerio de Transportes y Comunicaciones.

a) Los materiales para la base estará conformado por los siguientes tipos:

El material para la base tipo “A”.- Estará constituido por el material ARENOSO de cantera zarandeado o arena natural de adecuada calidad aglomerante aprobada por el Ingeniero. El material arenoso estará libre de materias orgánicas o extrañas, tierra, arcilla, como también de cualquier otra sustancia dañina.

El material par base tipo “B”.- Consistirá de mezclas uniformes de grava triturada y/o fragmentos de roca con arena, lino y arcilla.

El material par base tipo “C”.- Consistirá de suelo estabilizado, como está indicado en las especificaciones especiales.

b) Todo agregado para la capa de base será conforme a los requisitos físicos siguientes:

— Dureza (ASTM D-3-18) ---------------------------- 6 mínimo

— Pérdida de Resistencia al sulfato de sodio (ASTM C – 86- 56T) ---------------------- 10% Máximo

— Pérdida de Resistencia al sulfato de magnesio (ASTM C – 88- 56T) ---------------------- 12% Máximo

— Pérdida por abrasión después de 100 revoluciones (ASTM C – 131 – 55T) ---------------------- 10% Máximo

— Pérdida por abrasión después de 500 revoluciones (ASTM C – 131 – 55T) ---------------------- 40% Máximo

— Fragmentos o trozos delgados y alargados, Por peso(pedazos más anchos de 1” – espesor menor de 115 del largo) ---------- 40% Máximo

— Fragmentos blandos, (ASTM C–235 – 57T)--- 5% Máximo

— Terrones de arcilla, (ASTM C–142 – 55T)--- 0.25% Máximo

c) Laboratorio.- El equipo y provisión de materiales de laboratorio permitirá efectuar los siguientes ensayos Standard:

1. Análisis granulométrico por zarandeo y por sedimentación ----------------- AASHO T88 – 57

2. Peso específico de agregados finos y gruesos-ASTM C128-C127.

3. Límite de líquidos ------------------------------- AASHO T89 – 60

4. Límite plástico --------------------------------- AASHO T90 – 56

5. Índice de plasticidad --------------------------- AASHO T91 – 54

6. Equivalente de arena --------------------------- AASHO T176 -56

7. Determinación de durabilidad Máxima y húmeda ---------------------------- AASHO T180 - 57

8. Determinación del CBR ----------------------- ASTM D 1883-61T Dpto. de Carreteras del Estado de California

9. Densidad del terreno in situ ------------------ AASHO T 147-54

10. Determinación del CBR, in situ --------- Dpto. de Carreteras del Estado de California

11. Ensayo Marshall ------------------------- ASTM D 1559-60T

12. Determinación de porcentaje de Asfalto en las mezclas asfálticas -------- ASTM D 1097 - 58 RESUMEN Si la mezcla obtenida se desea utilizar para material de base y para tránsito ligero, deberá satisfacer los siguientes requisitos, material de base tipo “A”

— Límite de líquido (ASTM D 423 – 54T) …………........ 25 Máximo — Indice de plasticidad (ASTM D 424 – 54T) ............ 6 Máximo — Equivalente de arena (Calif. Nº 217) .................. 30% mínimo — CBR (Tránsito ligero) ....................................... 80% mínimo — Compactación ................................................. 95% mínimo 4. COMENTARIO SOBRE LA COMPACTACIÓN PARA ESTE SUELO

Después de haber determinado las especificaciones generales para el material base, de acuerdo a la proporción de Mezcla (Arenas), esta se debe llevar al laboratorio para

determinar los factores que intervienen en el proceso de compactación, esencialmente son los mismos en Obra, estos son:

1. Humedad que contenga el suelo en el momento de la compactación A. RELACIÓN DENSIDAD SECA – HUMEDA:

Al relacionar la densidad seca con los porcentajes de humedad, obtendremos una curva, en la que indica que existirá un determinado punto para el cual la Densidad Seca es Máxima ( (d máx.) y el contenido de humedad para el cual se obtiene esta densidad máxima se llama HUMEDAD ÓPTIMA (Wopt.)

B. RELACIÓN ENTRE DENSIDAD SECA Y ENERGÍA DE COMPACTACIÓN: De la relación de la humedad y densidad seca, se puede observar como a medida que aumenta la energía de compactación para un mismo tipo de suelo:

• Se incrementa la densidad máxima • Disminuye la humedad óptima • Además puede observarse que la línea de óptimos (línea que uno los puntos máximos de las curvas), no es en general paralela a la curva de cero vacíos, ya que a medida que se incrementa la energía de compactación, el porcentaje de vacíos para la densidad máxima es cada vez menor, y las partículas quedan más unidad debido a que se expulsa mayor cantidad de aire del suelo.

2. La energía de compactación por unidad de volumen aplicada al suelo.

Variación de la densidad máxima con la energía de compactación. Como es en general la variación de la densidad con la energía de compactación. Del análisis se pueden hacer las siguientes conclusiones:

• A medida que aumenta la energía disminuye la eficiencia de la compactación. • Los suelos cohesivos incrementan más rápidamente la (d máx. con el incremento de la energía de compactación, que los suelos granulares. Esto conlleva a que sea más difícil compactar un suelo cohesivo al 100% de la (d máx. modificada que un suelo granular, ya que el incremento de densidad resulta muy grande para la energía. En cambio para los suelos granulares se obtienen rápidamente elevadas densidades.

3. El Tipo de Suelo

Relación (d – Tipo de Suelo : Del gráfico de densidad seca y húmeda %, se puede apreciar cómo varían las curvas de compactación para diferentes tipos de suelo y para una misma energía de compactación, de aquí se puede concluir en lo siguiente:

• La (d varía con el tipo de suelo, y en general a medida que disminuye la plasticidad del suelo mayor (d se alcanza. • La humedad óptima varía con el tipo de suelo, a menor plasticidad del suelo, menor humedad óptima se necesita. • La forma de la curva depende del tipo del suelo, para los suelos más granulosos, más empinada es la curva.

4. Equipos de compactación: ra este suelo (Arenas) este tipo de suelo, la vibración tiene poco efecto en el proceso de compactación y se ha comprobado que el COMPACTADOR DE MEJOR RESULTADO ES EL NEUMÁTICO, aunque también se han obtenido resultados satisfactorios con los Compactadores de llantas metálicas lisas.

RODILLOS MÉTALICOS LISOS.- Según resultados de experiencias realizadas con los compactadores de rodillos lisos, se ha demostrado que son idóneos para compactar gravas, arena, piedra machacada y cualquier otro material donde se necesita una acción de trituración. El número de pases máximos económicos se encuentra entre 6 y 10 pases del equipo.

CAP III. MATERIALES ASFALTICOS (BETUNES)

3.1 MATERIALES ASFALTICOS (BETUNES).

Los materiales asfálticos son de gran uso en la construcción, sobre todo en la construcción de pavimentos aunque también son muy usados en impermeabilizaciones de cubiertas para edificaciones. El uso de materiales asfálticos data de miles de años y por ejemplo se han hallado vestigios de calzadas de la antigua Babilonia. Aunque los primeros de estos materiales que se usaron eran de origen natural, en la actualidad la casi totalidad es obtenida del proceso de las refinerías de petróleo. El asfalto es una mezcla de hidrocarburos, exteriormente se puede definir como un material de color negro, cementante, de características termoplásticas es decir que cambia su consistencia con la temperatura, a temperaturas normales, puede ser de sólido a semisólido, a mayores temperatura llega a convertirse en un líquido. Esta propiedad se utiliza para envolver los agregados a altas temperaturas y cohesionarlos cuando se enfría. En el proceso de refinado del petróleo se van separando los diferentes componentes, y prácticamente del residuo se obtiene el cemento o betún asfáltico que se anexa. A partir de las propiedades del crudo se refina y del propio proceso se obtendrán betunes con diferentes características, es decir no todo los betunes serán iguales. Adicionalmente a partir de los betunes asfálticos se pueden obtener otros materiales asfálticos mediante diferentes procesos tecnológicos. Ejemplos pueden ser los asfaltos diluidos y las emulsiones asfálticas.

3.2 PROPIEDADES QUIMICAS Y FISICAS. Aunque por su gran diversidad de componentes es difícil el estudio de las propiedades químicas de los betunes asfálticos y que a veces no se encuentra una relación directa entre la composición química y el comportamiento de los betunes, se puede hacer una aproximación a esta composición. El asfalto se compone de hidrocarburos, azufre, oxígeno, nitrógeno y algunas impurezas. Si se disuelve el heptano queda una parte insoluble llamada asfáltenos, a la parte soluble se le conoce como maltenos. Los asfáltenos son sólidos de color negro y dan al betún su dureza, a mayor contenido mayor será la rigidez del betún. Los maltenos son líquidos viscosos compuestos a su vez por resinas y aceites, las resinas son de color ámbar o de color pardo oscuro, son de gran viscosidad y proporcionan al betún las propiedades adhesivas, los aceites son de color mas claro y actúan como medio de transporte para los anteriores.

Es preciso señalar que en la realidad no existen fronteras claramente definidas entre estos componentes sino, más bien, una transición gradual de uno a otro. Esta característica permite que por diversos factores pueda haber una variación de las proporciones de los diferentes componentes con el correspondiente cambio de las propiedades en el tiempo, es decir, que los betunes cambiarán sus propiedades con el tiempo con la influencia de diversos factores.

Entre las propiedades físicas pueden mencionarse la adhesión y cohesión, la susceptibilidad térmica. Y las características de envejecimiento y endurecimiento, se debe señalar que todas ellas están íntimamente relacionadas. Finalmente es importante el conocimiento de los cambios de volumen con los cambios de la temperatura.

La adhesión indica la posibilidad del betún para adherirse a los agregados, depende mucho de la naturaleza y capacidad de absorción de estos, para lograr la adhesión es imprescindible que el betún tenga una baja viscosidad. La cohesión por su parte indica la posibilidad del betún de mantener a los agregados firmemente unidos para resistir la acción del transito. Para lograr una alta cohesión es preciso una alta viscosidad.

La susceptibilidad térmica trata sobre el cambio de la viscosidad con la temperatura, no todos los betunes tienen igual susceptibilidad térmica, sino que depende de su origen o mas bien de las proporciones entre los componentes químicos señalados. Aunque en todo los betunes con el aumento de la temperatura disminuyen la viscosidad la razón de variación no es la misma siempre. A mayor disminución de la viscosidad para un mismo incremento de temperatura se dice que el betún es más susceptible. Para poder trabajar con los betunes es necesaria conocer la susceptibilidad del mismo, lo que se hace a partir de una relación viscosidad - temperatura que en escalas logarítmicas queda como una línea recta. Con estas relaciones se determina la temperatura apropiada para el bombeo o el mezclado o la compactación etc. La susceptibilidad térmica influirá determinantemente en los fenómenos de adhesión y cohesión.

El endurecimiento o envejecimiento es el proceso en el que en presencia de oxígeno, calor y luz los aceites van convirtiéndose en resinas y éstas en asfáltenos, con el cambio de las proporciones cambian la susceptibilidad térmica y por lo tanto la viscosidad a determinadas temperaturas. Este proceso se conoce también como oxidación. Tanto durante el proceso de mezclado como durante su vida en obra el betún esta sometido a una constante oxidación, ésta es mayor cuando el betún ésta en forma de película delgada, tal es el caso de la envuelta de los agregados, se dice que el mayor envejecimiento u oxidación. Ocurre en el mezclado. De igual forma que en el caso de las otras propiedades físicas analizadas, la oxidación no ocurre de igual forma en todo los betunes, sino que puede variar de uno a otro, es decir que no todo los betunes envejecen a la misma velocidad.

15. El cambio de volumen con la temperatura trata sobre los expansiones del asfalto con el incremento de la temperatura, es necesario su conocimiento para el pago, con medidas de seguridad y otros, los pagos y registros son sobre la base del volumen a 15º C, en el caso que se entregue una determinada cantidad . A otra temperatura debe convertirse ésta a la correspondiente a 15º C. De igual forma no se podrá colocar una determinada cantidad en un tanque que posteriormente será sobre calentado si existe un peligro de que el incremento de volumen pueda provocar el desborde del tanque. se utiliza la siguiente expresión V15 Vt CF

V15 = Volumen de 15º C Vt = Volumen a la temperatura dada CF= Factor de corrección para llevar el volumen dado al correspondiente a 15º C este factor se encuentra en tablas.

3.3 ENSAYOS DE BETUNES

Como se ha visto las propiedades de los betunes son variables y cambiantes, por esta razón se hace necesario un grupo de ensayos para estudiar los mismos.

Entre los ensayos más importantes está el de la determinación de la viscosidad, que como se ha visto juega un papel muy importante en un grupo de procesos. La viscosidad es una medida de la resistencia al flujo o de la consistencia.

Existe dos formas físicas de medir la viscosidad, viscosidad absoluta o dinámica cuya unidad es el es el poise (g / cm * s) Y la viscosidad cinemática cuya unidad de medida es el cestistoke (Cm 2 *S). El estudio de la viscosidad más completo es de la construcción de la curva viscosidad - temperatura, pero a menudo se sustituye por la determinación de esa propiedad a las temperaturas de 60 y 135º C la primera es aproximadamente la mayor temperatura que se obtiene en la superficie de los pavimentos en climas calurosos y la segunda corresponde aproximadamente igual con la de mezclado y puesta en obra. Es necesario señalar que la determinación que da la curva viscosidad temperatura

El equipo más utilizado en la actualidad es un viscosímetro de tubo capilar en un baño de agua o de aceite para 60 y 135º C respectivamente. En el mismo se mide el tiempo que demora una muestra de betún en atravesar el capilar. Este tiempo se convierte en poises cuando el ensayo se realiza a 60 º C o en centistokes si el ensayo se realiza a 135 º C, en el primer caso se induce el movimiento de las muestras a través de vacío y a presión constante en el segundo se hace por gravedad, por lo que la naturaleza y la presión varían. Ver figura 2.10 que se anexa.

En muchos laboratorios se encuentra todavía viscosímetros industriales que miden el tiempo que demora en pasar por un orificio calibrado una determinada cantidad de material asfáltico a una determinada temperatura. Existe correlaciones para la conversión de las unidades de viscosidad medida en tiempo a las comunes de viscosidad.

Generalmente las clasificaciones actuales de los betunes se hace a partir de su viscosidad. Así un asfalto original de viscosidad 2000 poises a 60 º C se le denomina Ac-20, mientras que un AC - 10 indica una viscosidad de 1000 poises de 60º C.

Se anexan tablas donde se muestran la clasificación y los valores de otras propiedades de los betunes más utilizados.

3.4 CONSISTENCIA DEL BETUN, ENSAYOS DE PENETRACION O PEN.

Una forma de estudiar la consistencia del betún y por ende la viscosidad es a través del ensayo de penetración, en el que una aguja de 100 gramos se deja penetrar durante 5 segundos en una muestra de betún a 25º C, el resultado se expresa en décimas de milímetros y se conoce como penetración o pen. Ver figura 2.12 que se anexa.

Para el caso de la penetración existe también un sistema de clasificación, así un betún pen 60 - 70, indica que la penetración según el ensayo descrito oscila entre 60 y 70 décimas de milímetros, se anexa tabla con este sistema de clasificación.

3.5 CONSISTENCIA DEL BETUN, ENSAYO PUNTO ABLANDAMIENTO O PUNTO DE ANILLO Y BOLA

Otro ensayo utilizado para medir la consistencia es el añillo de bola o de punto de reblandecimiento, el mismo consiste en calentar en baño de agua un conjunto compuesto por un pequeño añillo de bronce que se ha rellenado con betún y sobre lo que descansa una bola de acero de 1/4 de pulgada de diámetro, en el momento que el asfalto se ablanda, al aumentar la temperatura del baño, se precisa la temperatura y a la misma se le llama punto de ablandamiento o punto de anillo y bola.

3.6 INDICE DE PENETRACION IP

Con los valores de la penetración y punto de ablandamiento se puede calcular el llamado índice de penetración IP.

A (log 800 - log p) / (Tab - 25 = (20 -IP)/50* (10 + IP)

A = Es la medida de la susceptibilidad térmica.

Tab = Es la temperatura del anillo de bola.

P = Es la penetración del betún.

Ejemplo:

Calcular el IP de un betún de penetración 65, que tiene una Tab de 54ºC.

A = (log 800 -log p) /(tab - 25) = (log 800 -log 65) / (54 - 25) =

0,0519

0,0376 = (20 - IP)/50* (10 +IP) 2595*(10 +IP) = 20 -IP 25,95 + 2,595 *IP = 20 - IP 3,595 *IP 0 -0,595 IP = + 0,4166 Los betunes para carreteras tienen IP normalmente entre + 1 y – 4

3.7 ENVEJECIMIENTO DE LOS BETUNES: TFO Y RTFO.

Para medir el comportamiento al envejecimiento de los betunes se ha estado utilizando el ensayo de pérdida en película delgada, del que existe dos variantes:

TFO (thin film oven), en el que se coloca una lámina de asfalto aproximadamente de 3 mm en una bandeja dentro de una estufa, la bandeja gira sobre un eje vertical durante 5 horas, mientras que se adiciona aire y la temperatura se mantiene en 163º C. Al final se compara

la masa del residuo contra la masa inicial, pudiéndose determinar las pérdidas de la masa producida por el calentamiento. Una mayor pérdida indica que el betún tiene mayor tendencia al envejecimiento.

1. . RTFO (rolling Thin film oven), similar al anterior pero el betun se coloca en unas especies de frascos que hacen girar dentro de la estufa en unos soportes sobre un eje horizontal, la ventaja de este procedimiento es que permite ensayar un mayor numero de muestras y se plantea que se desarrolla mejor el ensayo al no acumularse espuma de betun en la superficie, lo que ocurre en algunos betunes en el ensayo TFO. En estos ensayos se puede conocer la tendencia a la oxidación o envejecimiento, generalmente se imponen unos valores máximos de pérdida de masa. Se recomienda además realizar ensayos de viscosidad y penetración al residuo luego del ensayo. Existe una clasificación de los betunes por la viscosidad después del ensayo RTFO, la misma se anexa.

3.8 ENSAYOS DEL BETUN QUE MIDEN: DUCTILIDAD, PUNTO DE INFLAMACION, DOLUBLIDAD Y PESO ESPECIFICO.

DUCTIBILIDAD.- Para ,medir la flexibilidad, consiste en el alargamiento de una probeta de betún hasta su rotura, se exige un valor mínimo de alargamiento, antes que ocurra ésta.

PUNTO DE INFLAMACION.- de Inflamación.- Para conocer a que temperatura se inflama el material asfáltico como medida de seguridad, consiste en pasas una llama sobre vapores de una muestra de asfalto que se somete a calentamiento, y determinar la temperatura a la que dichos vapores se inflaman.

SOLUBILIDAD.- Para medir la cantidad de impurezas, se usa como disolvente el tricloroetileno

• PESO ESPECIFICO.- Mide el grado de pureza del asfalto, ya que las contaminaciones hacen cambiar esta propiedad, se utiliza además para hallar los factores de corrección CF. Para las relaciones volumen, temperatura y finalmente es usado en el calculo de los % de vacíos en las muestras de concreto asfáltico.

3.9 ASFALTOS DILUIDOS O FLUIDIFICADOS Se les llama así a la mezcla de un betún asfáltico con un disolvente para disminuir su viscosidad, y de esta manera que no se necesite calentamiento o éste sea mucho menor que el necesita el betún para el proceso del mezclado con los agregados. Estos materiales fueron utilizados para tratamientos y riegos. Cuando se utilizan en mezclas con agregados se debe esperar a que el disolvente se evapore para obtener el resultado esperado la evaporación del disolvente se conoce como curado. Se han utilizado tres tipos de disolventes gasolina, Kerosén y Diesel o aceites ligeros. Este orden se conocen como asfaltos diluidos de curado rápido (RC), medio (MC) o lento (SC), ya que la rapidez del curado dependerá de la velocidad de la evaporación del disolvente. Adicionalmente se le identifica por grado que dependerá de las proporciones de betún y disolventes. La notación moderna establece el grado en función de la viscosidad, asi RC - 250 indica que tiene una viscosidad cinemática de 250 centistokes a 60º C y que es de curado rápido es decir que el disolvente es gasolina. Los grados de viscosidad son 30, 70,250,800, y 3000 centistokes y realmente comprenden un rango de viscosidad cuyo

límite inferior coinciden con el grado y el límite superior es el doble del grado. Por ejemplo el mencionado RC 250 tendrá una viscosidad que puede variar entre 250 y 500 centistokes. Dos asfaltos diluidos con igual grado tendrán la misma viscosidad con independencia del tipo de disolvente utilizado; sin embargo el tiempo necesario para el endurecimiento y cohesión será diferente. Los asfaltos diluidos cada vez son menos utilizados debido a que la evaporación de los disolventes volátiles contamina el medio ambiente, además por la pérdida de los mismos, ya que su uso solo tiene como objetivo la reducción momentánea de la viscosidad se ha sustituido casi completamente por las emulsiones asfálticas.

3.10 EMULSIONES ASFALTICAS

Son emulsiones de betún, agua y un agente emulsionante o emulgente debido a que el asfalto y el agua son inmiscibles. Se logran en molinos coloidales en los que se aplica una energía separando el betún en partículas del orden de 2 a 5 micras que se unen al agua caliente con el emulgente para lograr la emulsión, así que da una fase dispersa (el asfalto), dentro de la fase continua (el agua). El emulgente impide que una vez que ha cesado la energía se separen las dos faces, este proceso inverso se conoce como rotura de la emulsión. Los emulgentes son sustancias tenso activas, que disminuyen la tensión superficial entre ambas faces y son usadas a bajas concentraciones, menores del 2%. Sus moléculas tienen una parte polar y otra apolar que de adhiera al betún, lo que hace que los glóbulos de asfalto se carguen superficialmente. Si los glóbulos de asfalto toman carga exterior negativa se conocen como emulsiones aniónicas y si se cargan positivamente se conocen como catiónicas, este dependerá del emulgente y del proceso utilizado. Las emulsiones catiónicas tienen la ventaja sobre las aniónicas de adherirse bien a todos los tipos de agregados aún en presencia de humedad , y son las más utilizadas en la actualidad. Al igual que en los casos de los asfaltos diluidos una vez que se haya logrado la aplicación es decir la mezcla con los agregados o con el suelo, se necesita el aumento de la viscosidad, lo que se logra con la rotura o separación del agua y el asfalto. Existen diferentes formas de lograr la rotura, pero las mas utilizadas son la separación por afinidad de los glóbulos de asfalto por una superficie de carga opuesta y por evaporación del agua. Un fenómeno que de origen a la rotura de las emulsiones almacenadas puede ser una baja temperatura, cercana a la congelación lo que puede originar la pérdida del material. Por cuestiones prácticas y para los diferentes usos se fabrican diversos tipos de emulsiones, de roturas rápidas medias y lentas y de diferentes grados de viscosidad se requiere de una determinada experiencia y de la evaluación de las emulsiones disponibles para lograr seleccionar la emulsión más adecuada al trabajo que se pretenda llevar a cabo.

Las emulsiones catiónicas de rotura rápida (CRR en Perú), de rotura media (CRM en Perú), y de rotura lenta (CRL en Perú) pueden fabricarse con dos tipos de viscosidad alta y baja en dependencia del uso a que se destinen, tienen entre 60 y 67% de asfalto residual dependiendo del tipo de rotura y de la viscosidad. Se fabrican además unas emulsiones para la construcción de un tipo de tratamiento llamado slurry seal o lechada asfáltica estas se conocen como LA (CSE en Per3) y son mas diluidas que las anteriores, tiene aproximadamente un 58 % de asfalto residual. Existe una amplia literatura sobre la fabricación, almacenaje, transporte, tipos, ensayos, propiedades y posibles aplicaciones de las emulsiones. Una de las posibles ventajas del

uso de las emulsiones sobre los betunes es que permite llevar a ejecución trabajos de pavimentación en regiones donde no existen plantas de asfalto, como también son muy usadas en diferentes tipos de tratamientos superficiales. Una desventaja por otra parte que es la mezcla final entre material asfáltico y los agregados es de menor calidad que si se utilizan betún. Se recomienda el libro “El asfalto y su aplicación en la ingeniería vial”, de Jorge Yamunaque para ampliar en lo relativo a emulsiones. escanear

CAP IV. EMULSIONES ASFÁLTICAS

4.1 GENERALIDADES.

Se llama emulsión a un sistema compuesto de dos líquidos inmiscibles de los que el uno se dispersa en el otro en forma de gotas diminutas. Se llama al primero fase dispersa y al segundo, fase contínua. En las emulsiones asfálticas, las dos fases en presencia son agua y asfalto. Si se agitan asfalto fundido y agua caliente, se obtiene una emulsión inestable que sólo dura lo que la agitación. Tan pronto como cesa ésta, las partículas de asfalto se unen unas a otras, formando una masa contínua separada del agua. Para lograr emulsiones estable, es necesario introducir en el sistema un tercer componente. El emulgente, que se concentra en la capa interfacial de ambos componentes, modificando las propiedades del conjunto y haciendo estable la emulsión.

Evidentemente, cada sistema de dos líquidos inmiscibles puede dar dos emulsiones de tipo completamente distinto, según sea una u otra la fase dispersa.

Casi todas las| emulsiones constan de una fase acuosa o polar y otra oleosa o no polar. Los dos tipos fundamentales de emulsión suelen denominarse aceite en agua (O/W) y agua en aceite (W/O).

Conviene aclarar el concepto de polaridad que acabamos de emplear. Es bastante difícil dar una definición exacta de lo que son cuerpos polares o apolares; pero se definen, en general, como cuerpos polares los que tienen mayor tendencia a disolverse en agua que en benceno, y como no polares o apolares los que presentan las características inversas.

4.2 EMULGENTES.

Los diversos emulgentes empleados en la fabricación de emulsiones pueden dividirse en 3 grupos:

a) Electrólitos b) Materiales coloidales c) Sólidos reducidos a polvo muy fino.

Los materiales empleados con mayor frecuencia en la manufactura de emulsiones asfálticas son los del segundo grupo. La emulsión asfáltica se compone de un cuerpo polar, el agua, y de otro no polar, el asfalto. Los emulgentes de tipo coloidal se caracterizan porque su molécula se compone de una parte polar que tiende a disolverse en el agua y de otra no polar que tiende a disolverse en el asfalto. De este modo, las

moléculas de emulgente se fijan en la superficie de los glóbulos de asfalto, impidiendo que entren en contacto entre sí y se unan.

4.3 EMULSIONES ANIÓNICAS Y EMULSIONES CATIÓNICAS

Emulsiones aniónicas

Se llaman emulsiones aniónicas aquellas en que las partículas de asfalto están cargadas negativamente, por lo que presentan afinidad por las superficies cargadas positivamente.

Los emulgentes empleados normalmente en la fabricación de emulsiones aniónicas de asfalto son oleatos o resinatos de sosa o de potasa u otros jabones de tipo similar. Estos jabones son sales metálicas de ácidos grasos de cadena larga. Los jabones más convenientes si se desea obtener emulsiones del tipo asfalto en agua (O/W) son los de metales monovalentes.

Estos jabones se componen de una cadena hidrocarbonada, que representamos por R, unida al grupo COOX, donde X representa un metal monovalente. O sea, empleando como ejemplo jabones de sodio:

R — COO-Na+

El radical R es apolar y tiende a disolverse en el asfalto, mientras que el grupo polar — COO-Na+ tiende a disolverse en el agua. De esta forma:

[pic] [pic]

Cada molécula de emulgente tiende a ocupar respecto a la superficie asfalto-agua una posición como la indicada en la figura 58. en la práctica, para lograr una protección eficaz del glóbulo de asfalto se emplea la cantidad de emulgente necesaria para lograr que sus moléculas tapicen totalmente su superficie y la situación del glóbulo de asfalto en la emulsión terminada es la indicada en la figura 59.

La representación que empleamos para la molécula de emulgente (una cabeza voluminosa seguida de una larga cola) no es caprichosa, sino que se aproxima mucho a la realidad. De hecho a ello se atribuye la tendencia de los jabones de metales monovalentes a formar emulsiones directas de asfalto en agua.

Los jabones de metales bivalentes suelen producir emulsiones de agua en asfalto, lo que puede explicarse por análogas consideraciones geométricas. En efecto, estos jabones son del tipo

R

C O O

Ca

O O C

R

y la situación que se produce en las emulsiones en que se emplean jabones de este tipo es la indicada en la figura 60. Sin embargo, la formación de emulsiones directas o inversas también intervienen otras circunstancias, como más adelante veremos.

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Volviendo al caso de los jabones de metales monovalentes, la parte hidrofílica de la molécula de emulgente, sumergida en agua, se disocia del modo que se indica en la figura 61, de forma que el glóbulo de asfalto queda rodeado de cargas negativas y actúa, por tanto, como cargado negativamente. Esto hace imposible el contacto entre los diversos glóbulos y asegura la estabilidad de la emulsión.

Cuando el asfalto empleado contiene una elevada proporción de ácidos nafténicos pueden fabricarse emulsiones aniónicas utilizando como emulgente los jabones formados por los ácidos nafténicos del asfalto con un álcali.

Emulsiones catiónicas

Se llaman emulsiones catiónicas aquéllas en que las partículas de asfalto están cargadas positivamente, por lo que presentan afinidad por los cuerpos cargados negativamente.

Los emulgentes más frecuentemente usados en la fabricación de emulsiones catiónicas son las sales cuaternarias de amonio del tipo

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En este caso, los radicales R1, R2, R3 y R4, que son oleofílicos, quedan sumergidos en el asfalto, mientras que el nitrógeno (N) queda sumergido en el agua, donde se disocia el bromo (Br), de forma que la posición definitiva de las moléculas de emulgente respecto a la partícula de asfalto es la representada en la figura 62, y la partícula de asfalto queda rodeada de cargas positivas, comportándose, por consiguiente, como cargada positivamente.

4.4 FABRICACIÓN DE LAS EMULSIONES.

Para fabricar emulsión asfáltica, basta con mezclar en circunstancias adecuadas asfalto, agua y emulgente. Es condición necesaria que la viscosidad del asfalto en el momento de la mezcla sea suficientemente baja para permitir su dispersión en gotas microscópicas. Para ello se le caliente previamente a unos 100ºC.

Las sustancias emulgentes, cuando son necesarias, o el álcali en caso contrario, se añaden normalmente al agua. A veces se añaden al asfalto, pero se presenta el inconveniente de que al calentar el asfalto se produce espuma, que dificulta el trabajo.

El agua con los emulgentes o el álcali se mezcla enérgicamente con el asfalto, para lo cual puede recurrirse simplemente a agitadores de paletas o emplear molinos coloidales. Estos molinos son dispositivos en los que se somete a enérgico esfuerzo de cortadura a la mezcla de asfalto, agua y emulgente obligada a pasar a través de ranuras o orificios muy estrechos. Normalmente, los molinos coloidales tienen paredes dobles por cuyo interior circula vapor u otro fluido caliente para mantener el conjunto de temperatura adecuada.

4.5 EMULGENTES MÚLTIPLES.

Para que la protección de la partícula de asfalto contra el contacto de las otras partículas sea eficaz, es necesaria la presencia en su superficie de una cantidad determinada de emulgente. Desde el momento en que se alcanza esta concentración hasta llegar a la saturación, la estabilidad de la emulsión, es decir su resistencia a la rotura, crece constantemente.

La sección transversal de las moléculas de emulgentes no permite, en general que éstas recubran por completo la superficie del glóbulo de asfalto y, por muy estrechamente que se acumulen en la superficie quedan siempre huecos imposibles de cubrir. A veces se pueden rellenar estos huecos empleando otro u otos emulgentes cuyas moléculas, de forma y dimensiones distintas, quepan en ellos. Se comprueba experimentalmente que las membranas interfaciales formadas de este modo son más resistentes a la ruptura que las formadas por un emulgente único, dando lugar a emulsiones mucho más estables.

4.6 ROTURA DE LAS EMULSIONES.

En la mayor parte de las ocasiones se emplea la emulsificación exclusivamente como medio para facilitar el transporte y aplicación del asfalto, por lo que tan interesante como estudiar la formación de las emulsiones es estudiar su rotura, el proceso por el que el asfalto se separa del agua y vuelve a actuar en estado de pureza.

La rotura de la emulsión puede producirse por diversos motivos, que son principalmente:

a) de los glóbulos de asfalto cargados eléctricamente por las superficies de carga opuesta Afinidad química.

Como hemos visto, las partículas de asfalto de la emulsión aniónica están cargadas negativamente y tienen afinidad por las superficies electropositivas. Por consiguiente, en presencia de áridos básicos, la emulsión tenderá a romper por adherencia del asfalto a la piedra. Sin embargo, esta acción carece en las emulsiones aniónicas de fuerza suficiente para producir la rotura.

En las emulsiones catiónicas, en cambio, el efecto de los áridos electronegativos es muy enérgico y conduce a la rotura inmediata de la emulsión. La rotura de las emulsiones catiónicas también se produce inmediatamente en presencia de áridos básicos por un proceso complejo en el que los ácidos de la fase acuosa de la emulsión atacan al carbonato de calcio, produciendo en la superficie de la piedra aniones CO3— que reaccionan con las moléculas del emulgente, dando carbonatos de amonio cuaternario sustituidos.

b) Rotura del equilibrio de la emulsión por evaporación de agua.

Ya sabemos que la estabilidad de la emulsión está asegurada por la protección que las moléculas del emulgente dan a las partículas de asfalto. Estas moléculas se fijan en la superficie de los glóbulos en equilibrio entre la atracción ejercida por el asfalto sobre la cadena no polar y la ejercida por el agua sobre la parte polar de la molécula. Esta última atracción varía en su intensidad con la concentración de álcali en la fase continua, de forma que al eliminarse agua por evaporación y aumentar esta concentración, las moléculas de emulgente dejan de ser atraídas por la fase acuosa y se hunden por completo en el glóbulo de asfalto, que pierde su protección, uniéndose con los vecinos y produciendo la rotura de la emulsión. A este fenómeno se debe normalmente la rotura de las emulsiones aniónicas después de su aplicación.

En las emulsiones catiónicas no suele producirse, en la práctica, este fenómeno, por ser mucho más rápida la rotura por efectos de carga eléctrica. Sin embargo, su influencia se nota en que es mucho más violenta la rotura en presencia de áridos secos, que absorben el agua, que de áridos húmedos, por lo que muchas veces es conveniente humedecer previamente las superficies a las que han de aplicarse emulsiones de este tipo.

c) Rotura por dilución.

Si se diluye una emulsión con agua pura, llega a producirse la rotura por un fenómeno inverso al que produce la rotura por evaporación del agua. A medida que la alcalinidad de la fase acuosa va disminuyendo por dilución, las moléculas del emulgente van desplazándose hacia ella hasta abandonar por completo el asfalto, cuyos glóbulos se unen, produciendo la rotura de la emulsión.

d) Rotura por adicción de electrólitos

La adición de determinadas sales, cloruro cálcico, por ejemplo, puede producir la rotura de la emulsión por neutralización de las cargas eléctricas que rodean a las partículas de asfalto, por los iones de la sal añadida disociada. En esto se basa el ensayo de estabilidad a la rotura para las emulsiones aniónicas que después describiremos. e) Rotura por congelación

Se puede producir por alteración de las propiedades del jabón empleado como emulgente. Este fenómeno puede producirse a temperaturas superiores a 0º, y se manifiesta con mayor intensidad en los jabones sódicos que en los potásicos.

Si el enfriamiento llega al extremo de producir congelación del agua, al producirse el deshielo la emulsión rompe completamente o presenta gran cantidad de partículas muy gruesas que la hacen inutilizable. Las emulsiones que muestran gran estabilidad a la rotura por mezcla con solución de cloruro cálcico son también muy resistentes a la rotura por congelación.

4.7 TIPOS DE EMULSIONES ANIÓNICAS.

Las emulsiones aniónicas se clasifican en distintos tipos, según su estabilidad, es decir, su resistencia a la rotura, que se determina en general por la cantidad de asfalto que coagula

al mezclar la emulsión con una solución de cloruro cálcico.

Se emplean normalmente en la construcción de carreteras tres tipos, llamados de rotura lenta, media y rápida. Se designan estos tres tipos por las letras SS, MS y RS, iniciales de las expresiones inglesas show setting, médium setting y rapad setting.

Aparte de estos tres tipos, se emplean a veces otros especiales en los que se obtiene una estabilidad adicional mediante el empleo de determinados electrólitos u otros cuerpos, obteniendo propiedades diversas en cuanto a rotura, impermeabilidad de las mezclas, etc.

Los tipos SS, MS y RS están generalmente sometidos a normas que más adelante indicaremos. No hay normas para los tipos especiales.

4.8 TIPOS DE EMULSIONES CATIÓNICAS.

La rapidez de rotura de las emulsiones catiónicas no es susceptible de regulación, pues la rotura se produce siempre inmediatamente al contacto con los áridos. Esto presenta el inconveniente de que es imposible emplear emulsiones catiónicas de asfalto puro para la elaboración de mezclas, pues al producirse la rotura en los primeros momentos de mezclado, quedando el asfalto en presencia de los restantes elementos de la mezcla, es imposible continuar el proceso, logrando una buena repartición del ligante en toda la masa de la mezcla.

Como, por otra parte, las excelentes propiedades de las emulsiones catiónicas hacían muy deseable su empleo en la elaboración de mezclas, se llegó a la solución, actualmente generalizada, de fabricar emulsiones catiónicas, no de betún asfáltico, sino de cutback. De este modo, una vez rota la emulsión, el producto resultante es suficientemente fluido para hacer posibles las operaciones de mezclado.

Estas emulsiones pueden fabricarse como cutbacks de los tipos normales, pero generalmente se emplean cutbacks especiales de viscosidades muy elevadas. Los empleados usualmente sólo contienen un 10% de disolvente de tipo kerosene o gas – oil.

4.9 ADHESIVIDAD DEL ASFALTO.

Según hemos visto, las partículas de asfalto de una emulsión aniónica están cargadas negativamente y presentan afinidad química por las superficie electropositivas. Por otra partes, la rotura se produce casi exclusivamente por efecto de la evaporación del agua de la fase continua; es decir, que la emulsión romperá de igual modo en presencia de superficies de cualquier tipo. No obstante, si al romper la emulsión lo hace en contacto con superficies electropositivas, por ejemplo, en presencia de áridos calizos, las partículas de asfalto en contacto con los áridos quedan ancladas a éstos al reaccionar con ellos los aniones de jabón emulgente que cubren la superficie. Si el emulgente empleado era R —COO-Na+, la partícula de asfalto está revestida de aniones R—COO-, que pueden reaccionar con la cal, dando el jabón cálcico (R—COO-)2Ca. Si este jabón es insoluble en agua, queda asegurada una adherencia duradera entre el asfalto y los áridos.

Naturalmente, este fenómeno sólo puede producirse al contacto con los áridos de la emulsión aún no rota, pues, como ya hemos dicho, al romper la emulsión por evaporación de agua, las moléculas de emulgente vuelven a completarse y desaparecen en el interior

del asfalto. La primera capa delgadísima de asfalto, así adherida a la superficie tratada actúa como eficaz imprimación que permite la perfecta adherencia de las sucesivas capas de asfalto que precipitarán al evaporarse el agua.

Conviene ahora describir un fenómeno que se presenta a veces en las aplicaciones de la emulsión a la construcción de carreteras y resulta muy enojoso. Cuando se aplica la emulsión aniónica en condiciones climatológicas que hacen difícil la evaporación del agua, al producirse la rotura no se forma una película coherente de asfalto, sino una estructura de consistencia caseosa que no fluye, pero que carece por completo de cohesión y de adherencia de los áridos, por lo que no puede cumplir sus normales fines como ligante.

No se ha llegado a explicar cómo se produce este fenómeno, aunque se puede imaginar debido a que, por una serie de circunstancias, entre las que ocupa el primer lugar la lentitud de la evaporación del agua, no se produce el fenómeno de hundimiento en el asfalto de los aniones de emulgente, por lo que las partículas de asfalto no llegan a unirse, sino que solamente se yuxtaponen, manteniéndose rodeadas de una película de agua absorbida que permite el mantenimiento del equilibrio de las moléculas de emulgente.

Cuando éste fenómeno se produce al ejecuta un riego superficial en una carretera, las piedras quedan unidas solamente por esta especie de queso negro que no es resistente, por lo que no puede soportar los esfuerzos impuestos por el tráfico. Basta con que se produzca un secado perfecto para que se elimine el agua absorbida y se produzca una película coherente de asfalto, por lo que el único remedio aplicable en estos casos es mantener cerrado al tráfico el camino hasta que se corrija naturalmente la deficiencia. Como medida preventiva, no se debe regar con emulsión aniónica en tiempo muy húmedo y con áridos y firme saturados de humedad. Se ha observado que éste fenómenos se produce más fácilmente cuando los emulgentes son jabones sódicos que cuando son potásicos.

Cuando la superficie a que se aplica la emulsión aniónica es electronegativa, como en el caso de los áridos silíceos, no existe afinidad química entre las partículas de asfalto y la superficie tratada, por lo que al romper la emulsión, la superficie queda simplemente recubierta de asfalto, sin que exista adherencia de tipo químico. La duración de la unión tendrá las mismas limitaciones que hemos citado al hablar de la adhesividad del betún asfáltico.

En este caso, naturalmente, también puede producirse la rotura caseosa a que antes hemos aludido. La emulsión catiónica produce siempre películas de asfalto perfectamente coherentes y adhesivas.

4.10 ACTIVACIÓN DE LAS EMULSIONES.

Como medio para mejorar la adhesividad de las películas de asfalto procedentes de la rotura de las emulsiones aniónicas a las superficies electronegativas, se recurre generalmente a la adición a ala fase continua de cuerpos químicos de diversos tipos, que pueden estar disueltos o emulsionados, con gran afinidad por lo materiales de la superficie a tratar y que permiten una buena adherencia del asfalto procedente de la rotura de la emulsión. De este modo actúan como puente entre el asfalto y los materiales electronegativos, permitiendo una buena adherencia.

11. CONTENIDO DE ASFALTO, TAMAÑO DE LAS PARTÍCULAS DE ASFALTO DE UNA EMULSIÓN.

Contenido de asfalto.

La emulsión asfáltica se compone de diminutas esferas de asfalto que flotan en agua. Si suponemos que todas las esferas son del mismo diámetro, deduciremos inmediatamente cuál es el máximo contenido de asfalto posible en una emulsión de tipo O/W.

Un conjunto de esferas de igual diámetro tangentes entre si admite dos posiciones de máxima densidad. El cualquiera de los dos casos, las esferas ocupan el 74,02% del volumen total, de forma que éste es un valor máximo teórico para el contenido de asfalto de una emulsión.

En la práctica, naturalmente, las esferas son de diámetros diversos, pero, sin embargo, los valores que se encuentran en la práctica no difieren mucho del citado.

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Esta valor máximo es aplicable a emulsiones de cualquier tipo, y no solamente a las de asfalto, y se han obtenido emulsiones con contenidos de fase dispersa hasta el 99% , pero estos son casos especiales de escaso valor práctico. En las figuras 63, 64 y 65 representamos una emulsión de tipo excepcional, con elevado contenido de fase dispersa. Las emulsiones a que aquí nos referimos pertenecen siempre al segundo tipo.

Si se aumenta en una emulsión el contenido de fase dispersa por encima del máximo posible, se produce la rotura o la inversión de la emulsión. Se produce la rotura cuando la película de emulgente que protege a los glóbulos se rompe bajo los efectos del contacto inmediato de otros glóbulos. Este es el fenómeno que se produce normalmente en las emulsiones asfálticas.

La inversión de la emulsión, es decir, el paso de la fase continua a discontinua y viceversa, puede producirse como se indica en la fig. 66.

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De la práctica el contenido de asfalto en las emulsiones está limitado mucho más estrechamente por consideraciones de viscosidad que por la posibilidad material de fabricarlas. El máximo contenido de asfalto que se emplea normalmente en emulsiones comerciales es el 69%.

Tamaño de las partículas de asfalto de una emulsión.

El tamaño de las partículas de asfalto de una emulsión depende de diversos factores, como:

a) Tipo de emulgente empleado b) Cantidad de emulgente empleado c) Características del asfalto. d) Procedimiento de elaboración.

Cuanto más pequeñas son las partículas de asfalto, más estable es la emulsión y mayor es su viscosidad a igualdad de las demás circunstancias.

Como ya hemos dicho, en las emulsiones no todas las partículas tienen el mismo diámetro, produciéndose una distribución de tamaños que puede representarse como indicamos en la figura 67.

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La presencia de gran número de partículas de gran diámetro resulta especialmente perjudicial cuando se emplean distribuidores a presión que pueden quedar obstruídos.

También se considera demostración de gran estabilidad de la emulsión la existencia de un máximo bien definido y poca extensión lateral en la curva de distribución de tamaños.

4.12 VISCOSIDAD DE LAS EMULSIONES.

La viscosidad de las emulsiones asfálticas es una de sus más importantes propiedades desde un punto de vista práctico.

Además, está estrechamente relacionada con sus demás características, por lo que es interesante estudiarla detenidamente.

La viscosidad de las emulsiones asfálticas puede depender de los siguientes factores:

1. Viscosidad de la fase continua. 2. viscosidad de la fase dispersa 3. contenido de asfalto 4. naturaleza del agente emulgente 5. distribución de los tamaños de las partículas.

1. En emulsiones con muy pequeño contenido de asfalto las partículas dispersas no se tocan unas a otras y la viscosidad de la emulsión se reduce prácticamente a la del agua con los agentes emulsificantes disueltos. 2. En emulsiones muy concentradas, el rozamiento entre las partículas puede llegar a alcanzar tal magnitud que sea más fácil la deformación del conjunto por deformación de las partículas que por su desplazamiento relativo. En este caso, la viscosidad de la emulsión depende esencialmente de la fase dispersa. Este caso no se da nunca en las emulsiones iónicas, que son las que hasta ahora hemos estudiado; pero es frecuente en las emulsiones no iónicas que describiremos más adelante. 3. la influencia del contenido de asfalto es de las más importantes. Al aumentar el número de particulas dispersas, el rozamiento entre ellas modifica el comportamiento de la emulsión, aumentando su viscosidad. Desde el punto de vista puramente teórico se podría afirmar que la viscosidad crece desde la de la fase continua, cuando el contenido de asfalto es nulo, hasta la del asfalto cuando éste llega a constituir la totalidad de la masa. En la práctica, la curva de variación de la viscosidad relativa de la emulsión es de la forma indicada en la figura 68 [pic]

en esta figura puede observarse cómo al acercarse el contenido de asfalto al máximo teórico que antes hemos citado, la viscosidad va creciendo gradualmente hasta que al llegar a este límite, se produce una brusca caída en la viscosidad. Esta caída brusca corresponde a la inversión de la emulsión.

La porción de la curva situada a la derecha del punto de inversión es el tramo correspondiente a baja concentración en emulsión invertida. En realidad, ésta es una curva de carácter general, pero al aplicarla al caso del asfalto ha de tenerse en cuenta que los tramos a izquierda y derecha de la caída brusca de viscosidad corresponden en realidad a escalas distintas, por ser muy distintas las viscosidades del asfalto y del agua.

4. La naturaleza del agente emulgente ejerce también una marcada influencia sobre la viscosidad de las emulsiones. Sin embargo, no entraremos en el estudio de esta influencia, ya que es bastante complicado, y en el caso de las emulsiones asfálticas, casi todos los entes emulsificantes empleados tienen propiedades análogas.

5. Las diversas partículas de una emulsión no tienen, naturalmente, el mismo diámetro, sino que existe una distribución de diámetros que puede representarse por una curva del tipo de la indicada en la figura 67.

Experimentos realizados con una serie de emulsiones con el mismo contenido de asfalto, pero con distintas características en la curva de distribución de tamaños de las partículas, han demostrado que cuanto más homogénico es el tamaño de las partículas, más viscosas es la emulsión. En la figura 69 representamos una serie de curvas de viscosidades correspondientes a emulsiones de las que se representan al lado de las curvas de distribución de tamaños.

[pic] La conclusión a que se llegó en estos experimentos es que la viscosidad aparente de emulsiones con la misma concentración y la misma distribución de tamaño alrededor de un tamaño medio de partícula es inversamente proporcional a este tamaño medio.

4.13 EMULSIONES NO IÓNICAS.

En lugar de emplear para la estabilización de las emulsiones agentes iónicos como los que hasta ahora hemos descrito, pueden emplearse determinados sólidos reducidos al estado de polvo muy fino. Entre estos sólidos figuran sales básicas de ciertos metales, negro de homo, sólice pulverizada y diversos tipos de arcilla, principalmente bentonita.

No existe ninguna teoría muy clara que explique cómo funcionan los materiales insolubles reducidos a polvo estabilizando las emulsiones. La mayoría de las teorías existentes atribuyen el hecho a la mayor facilidad con que las partículas minerales en cuestión son mojadas por uno de los líquidos en presencia del otro, lo que da lugar a la acumulación de estas partículas en la interfase, produciendo la estabilización de la emulsión (fig.70).

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Las emulsiones obtenidas utilizando como agentes estabilizadores polvos de minerales son siempre extremadamente estables y, en general, es posible obtener, empleando, por ejemplo, bentonita como agente emulsificante, emulsiones de asfalto mucho más duro que

utilizando emulgentes iónicos.

Las partículas de las emulsiones obtenidas empleando estos agentes emulgentes no son esféricas, como las de las emulsiones obtenidas con emulgentes iónicos, sino de forma irregular, o bien, elipsoidales y, generalmente, mucho más grandes. Las partículas de estas emulsiones suelen tener un eje mayor de 10 a 0 micras y un diámetro mínimo que varía entre una y tres micras.

4.14 ESPECIFICACIONES DE LAS EMULISIONES ASFÁLTICAS.

El cuadro de la pag. 91 de las especificaciones ASTM para los diversos tipos de emulsiones aniónicas empleadas en la construcción de carreteras.

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Se observará que en este cuadro sólo se contienen las especificaciones concernientes a las emulsiones aniónicas. Hasta el momento actual no existen especificaciones para las emulsiones catiónicas a pesar de estar en uso materiales de este tipo desde hace ya varios años. Tampoco existe especificaciones para las emulsiones no iónicas, que se emplean especialmente en trabajos de impermeabilización.

4.15 ENSAYOS DE LAS EMULISIONES ASFÁLTICAS.

A continuación vamos a pasar revista brevemente a los diversos ensayos que se practican con las emulsiones asfálticas y al significado que tienen como índice de su comportamiento.

VISCOSIDAD.- Poco hemos de decir sobre el ensayo de viscosidad, que es esencialmente el mismo empleado para los demás materiales asfálticos. Su significado es también el mismo. Es sencillamente un índice de la consistencia del producto que puede indicar la facilidad en que puede regarse o extenderse y si será necesario o no calentarlo para su aplicación. La viscosidad de las emulsiones asfálticas es, lo mismo que en los asfaltos y cutbacks, función de la temperatura si nos encontramos ante emulsiones difieren grandemente, según sus demás características, especialmente según sea mayor o menor su contenido de asfalto y el tipo de agente emulgente empleado.

DESTILACIÓN.- La destilación de las emulsiones asfálticas permite determinar su contenido de asfalto. La única diferencia entre el ensayo realizado con las emulsiones y el realizado con los cutbacks, es que en el caso de las emulsiones conviene que el recipiente sea metálico.

CONTENIDO DE AGUA.- Este ensayo es equivalente en sus resultados al anterior. Se realiza igual que el de contenido de agua de los cutbacks, destilando una mezcla de la emulsión con un volumen igual de un solvente inmiscible con el agua.

La diferencia fundamental entre estos dos ensayo es que mientras el segundo sólo permite conocer el contenido de agua, el primero permite además saber si el producto emulsificado era un betún asfáltico o un cutback.

DEMULSIBILIDAD.- Este ensayo indica el grado de estabilidad de las emulsiones a la rotura por contacto con los áridos.

Se realiza con una muestra de 100 g. de emulsión a la que se añaden, con bureta, de 35 a 50 c.c. de solución de cloruro de calcio, empleándose soluciones de cloruro cálciclo de distinta concentración, según la supuesta rapidez de rotura de la emulsión. Después de terminada la mezcla se hace pasar la emulsión por un tamiz del número 14 y se determina el residuo que, expresado en porcentaje del contenido total de asfalto, se define como demulsibilidad de la emulsión.

SEDIMENTACIÓN.- Durante el almacenaje de las emulsiones asfálticas puede producirse un fenómeno de sedimentación en virtud del cual las partículas de asfalto tienden a desplazarse hacia el fondo, lo cual puede dar lugar, en ocasiones, a la rotura de la emulsión. En otros casos, el único resultado de este proceso es que el contenido de asfalto de la emulsión del fondo de un recipiente que ha estado en reposo durante algún tiempo sea mayor que el de la emulsión de las capas superficiales. El ensayo de sedimentación tiende a determinar la importancia de este fenómeno, determinando la estabilidad de las emulsiones asfálticas al almacenaje.

Se realiza calculando el contenido de asfalto de dos muestras tomadas de la superficie y del fondo de un recipiente en el que se han dejado en reposo durante cinco días 500 c.c. de emulsión. La diferencia entre ambos contenidos expresada en tanto por ciento, se define como sedimentación de la emulsión.

MEZCLADO CON CEMENTO.- Este ensayo tiene por objeto determinar la estabilidad de las emulsiones de rotura lenta en contacto con los áridos. Se realiza diluyendo con agua una muestra de emulsión para que el producto diluído contenga un 55% de asfalto. Se mezclan 100 c.c. de la emulsión diluída con 50 g. de cemento y se determina el porcentaje de material que no pasa por el tamiz número 14.

TAMIZADO.-Para que el comportamiento de las emulsiones sea satisfactorio es preciso que no exista principio de coagulación. Este principio de coagulación se manifiesta primeramente por un aumento excesivo del tamaño de las partículas. Para detectarlo se emplea el ensayo de tamizado, que consiste simplemente en determinar la proporción de la emulsión que no pasa por el tamiz número 20.

MISCIBILIDAD CON AGUA.- Este ensayo tiene por objeto determinar si las emulsiones son suficientemente estables para ser mezcladas con agua sin rotura. Este ensayo sólo se realiza a veces con las emulsiones de tipo MS y SS, que se emplean a veces en la práctica mezcladas con agua para obtener productos con contenidos de asfalto muy pequeños.

El ensayo se realiza mezclando 50 c.c. de emulsión con 150 c.c. de agua y determinando la coagulación producida en dos horas. Existe una variante de este ensayo, consistente en determinar la diferencia que existe en el contenido de asfalto de muestras tomadas de la superficie, de la mitad y del fondo de un recipiente en el que se ha colocado la mezcla antes citada de emulsión con agua.

ENSAYO DE CONGELACIÓN.- Este ensayo sólo se realiza con emulsiones que hayan de ser empleadas en circunstancias especiales que hagan preciso en ellas la resistencia a la

congelación. Hay que tener en cuenta que para hacer las emulsiones resistentes a la congelación es necesario aumentar excesivamente su estabilidad, por lo que su rotura se retarda notablemente.

El ensayo se realiza congelando una muestra de emulsión de 400 g. a 17,ºC bajo cero, durante 1 horas, por tres veces y observando visualmente la congelación.

Otros ensayos para emulsiones.

A parte de los ensayos citados contenidos en la norma ASTM D-244, se describen en la norma ASTM D-1.267 otra serie de ensayos aplicables especialmente a las emulsiones asfálticas que hayan de emplearse como capa de revestimiento en techados.

Pasaremos breve revista a estos métodos, que son especialmente interesantes por aplicarse para estos fines, generalmente, emulsiones de los tipos no iónicos que antes hemos citado, para las que no existen especificaciones.

Estos ensayos son:

UNIFORMIDAD.- Consiste esencialmente en la observación visual de si la emulsión, tal como se presenta al consumidor, presenta separación de sus componentes, o partes de consistencia apreciablemente diferente.

COMPORTAMIENTO DURANTE LA APLICACIÓN- Consiste en aplicar una capa de emulsión sobre una chapa de dimensiones adecuadas y en proporción también determinada, observando la mayor o menor facilidad de extensión y si se produce fluencia en los momentos subsiguientes a la aplicación.

Los otros ensayos son: peso específico, residuo por evaporación, contenido de agua, contenido de cenizas, inflamabilidad, fraguado – que se realiza sencillamente extendiendo una capa de emulsión y apreciando al tanto el momento en que se haya producido el fraguado completo - . comportamiento al calor – que se realiza cubriendo una chapa metálica con una capa de emulsión en la que se marcan unas señales y metiendo después la chapa en un horno a 100ºC durante 24 horas, determinándose si se ha producido fluencia o alguna deformación apreciable de la capa de emulsión - , flexibilidad, resistencia al agua y comportamiento bajo la acción del fuego.

CAP V. DISEÑO DE MEZCLAS ASFÁLTICAS

1. CONCRETO ASFÁLTICO, TIPOS DE CONCRETO , MEZCLAS EN CALIENTE Y EN FRIO.

El Concreto asfáltico es un material para la construcción de pavimentos, está compuesto por la combinación de un material asfáltico, agregados minerales y en ocasiones aditivos. El ligante puede ser un betún o cemento asfáltico que puede ser puro o modificado, también se usan emulsiones o asfaltos diluidos en el caso de las mezclas frías o mezclas en frío, este ligante aglutina y cohesiona el esqueleto mineral y además impermeabiliza en gran medida el conjunto de la mezcla. El agregado mineral aporta resistencia y rigidez a la mezcla y como es el mayor porcentaje del peso o el volumen de la misma tiene un papel muy importante en los resultados finales.

Existen dos grupos fundamentales de concretos, los llamados concretos en caliente, en los mismos tanto el ligante como el agregado se secan y calienta, estos son los materiales de mejor calidad, pero tienen como desventaja que se cuenta con un período de tiempo corto para el transporte la colocación y la compactación, una vez que la mezcla se enfría no se compacta adecuadamente y no se alcanzan los resultados esperados.

Están también los conocidos como concretos en frío, en estos materiales solo se secan y calientan los agregados, el ligante puede ser una emulsión o asfalto fluidificado, estas mezclas pueden inclusive almacenarse por determinados períodos de tiempo, pero una vez colocadas la superficie no se puede abrir al tránsito de inmediato, se requiere esperar hasta que el material asfáltico utilizado adquiera una determinada consistencia que permita lograr una resistencia tal que pueda soportar la acción y peso de los vehículos sin deformarse permanentemente.

Existen variedades de los concretos enf río como son algunas mezclas que pretenden estar en condiciones intermedias, mezclas frías elaboradas en caliente etc., pero su uso no es significativo.

5.2 TIPOS DE MEZCLAS POR LAS CARACTERISTICAS DE LA GRANULOMETRIA DE LOS AGREGADOS.

Por las características de la granulometría de los agregados los tipos de mezclas son:

• Macádam asfáltico, constituido por agregados de tamaño uniforme y al menos 38 mm de tamaño máximo. Tienen poca resistencia a los esfuerzos tangenciales por lo que son usados en bases asfálticas, son flexibles y permeable. • Concreto asfáltico, con una granulometría continua donde se obtiene una alta densidad, conforman mezclas de buenas propiedades en general, pero son muy sensibles a los cambios del % de asfalto. • Stone Mastic Asphalt, mezclas constituidas por agregados gruesos con granulometría discontinua, faltando los tamaños entre 2,5 y 8 mm, requiere el uso de aditivos como fibras de celulosa o Asfalto de Trinidad, son muy resistentes y menos sensibles a los cambios en el % de asfalto, la textura superficial es áspera. El costo es mayor que las mezclas corrientes. • Mastic asfáltico o asfalto fundido, constituidos por un conjunto de agregados sin contacto entre ellos, el mortero de agregados finos y betún requiere de una alta rigidez, se logra con betunes de alta viscosidad modificados con Asfalto de Trinidad, son usados en pavimentos para cargas estáticas, tienen muy alta impermeabilidad y son resistentes a la acción de los agentes químicos. • Mezclas porosas o drenantes, constituidas por un conjunto de agregados predominantemente grueso, con alto % de vacíos (más del 20%) que conforman especies de canales para que el agua pueda correr entre ellos, por esta característica deben ser colocadas sobre capas impermeables y así evitar que el agua penetre hacia las capas inferiores del pavimento. Tienen buena resistencia a la acción de las cargas, son recomendables en zonas urbanas porque absorben en gran medida el ruido de la rodadura de los vehículos, son sensibles al envejecimiento y por lo tanto menos durables.

Otra posible clasificación de las mezclas es por su contenido de vacios, así podemos encontrarnos mezclas densas, semidensas y abiertas, utilizadas generalmente como

capas de superficie intermedias o de base, la idea de esta clasificación está en el mayor o menor de impermeabilidad, las fronteras entre un tipo y otro varían en dependencia de los criterios de los países y de si se trata de mezclas en caliente o en frío.

En general los % de vacíos más utilizados están entre 3 y 5%, estos coinciden con las mezclas de granulometría continua, con mezclas densas prácticamente impermeables que normalmente se colocan en la capa de superficie.

Es necesario señalar que el cálculo del % de vacíos para esta clasificación puede variar ampliamente a partir de los ensayos para la determinación de los pesos específicos de los agregados.

5.3 PROPIEDADES DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS. Las mezclas asfálticas deben caracterizarse por las siguientes propiedades:

• Estabilidad para evitar las deformaciones permanentes que puedan ser producidas por el tránsito de vehículos pesados y altas temperaturas. Se logra aumentando la fricción interna con agregados triturados y duros, aumentando el % de filler y usando betunes de alta viscosidad. • Flexibilidad para poder resistir las deflexiones sin agrietarse sobre todo en pavimentos delgados sobre terraplenes y muy elásticos. Se logra utilizando asfaltos poco viscosos y baja relación entre el filler y el betún. Esta propiedad se contrapone con la estabilidad, ya que los factores que la benefician perjudican aquella. • Resistencia a la fatiga para evitar la aparición de fisuras que se producen por este fenómeno, aumenta con el aumento de la flexibilidad y viceversa. En capas delgadas se usan altos % de asfalto y betunes de baja viscosidad, mientras que en capas de mayor espesor es mejor aumentar la relación filler betún. • Impermeabilidad para proteger a las capas inferiores de los efectos del agua, aumenta con la disminución de la cantidad de vacíos. • Resistencia al deslizamiento para lograr una adecuada adherencia con los neumáticos, se logra utilizando agregados no pulimentables, se usarán texturas rugosas que permitan la salida del agua superficial, esqueletos de granulometría gruesa y disminuyendo el % de asfalto. • Laborabilidad para poder colocar y compactar adecuadamente la mezcla con la maquinaria de construcción, se mejora con el uso de agregados naturales y el aumento de la proporción de finos. • Durabilidad para mantener las anteriores propiedades durante el período de diseño frente a la acción de los agentes externos. Como el principal problema que se presenta es la oxidación o envejecimiento, se puede mejorar el comportamiento incrementando la película de asfalto que se logra con el aumento del % de asfalto, a mayor impermeabilidad generalmente aumenta la durabilidad.

Muchas de las propiedades anteriores se contraponen con las otras, esto hace que el diseño de las mezclas requiera de un análisis cuidadoso de la función de la misma, las condiciones y las características del lugar donde la misma vaya a ser usada. Se debe lograr un compromiso de estas propiedades con los materiales disponibles y la máxima economía.

5.4 LIGANTES Y AGREGADOS

Tal como se dijo, los materiales asfálticos deben dotar a la mezcla de cohesión a la vez que garantizar un cierto grado de impermeabilidad, debe escogerse un ligante que además garantice durante el período de diseño la flexibilidad necesaria para el funcionamiento elástico del pavimento. Las características climáticas determinan el tipo de betún, en climas cálidos se deben usar betunes duros mientras que en climas fríos se requieren betunes más blandos, por otra parte el conjunto de los agregados dota a la mezcla de la fricción interna necesaria para resistir la acción de los vehículos.

Los agregados de acuerdo a su origen se pueden clasificar en naturales, procesados y artificiales, la diferencia entre los agregados naturales y procesados es que estos han sido previamente triturados y/o tamizados antes de su uso en la mezcla. Las razones para la trituración son el cambio de la textura superficial, la forma de la partícula y el tamaño de éstas. El tamizado da como resultado una mejor distribución granulométrica con rangos adecuados del tamaño de las partículas. Los agregados artificiales son el producto o subproducto del procesamiento de otros materiales, tal como el caso de residuos de cerámicas, escorias y otros, son de reciente uso en la industria de la pavimentación y no existe una gran experiencia acumulada en su uso hasta el momento.

Por su tamaño los agregados se pueden clasificar en:

• Agregado grueso, material retenido en el tamiz de 2,36 mm. (Nº 8) • Agregado fino, material que pasa por el tamiz de 2,36 mm y se retiene el tamiz de 0,074 mm (Nº 200) • Filler o polvo mineral, material de naturaleza no arcillosa ni limosa que pasa por el tamiz de 0,074 mm. Este material conforma con el betún un mástic que es el responsable de muchos aspectos del comportamiento de la mezcla. Un mástic adecuado garantiza la densidad, la cohesión, la durabilidad y la impermeabilidad de la mezcla.

El conjunto de la granulometría de los agregados garantiza la resistencia de la mezcla para poder resistir la acción de los neumáticos de los vehículos, por esta razón debe garantizarse el cumplimiento de las especificaciones indicadas al respecto.

Las especificaciones granulométricas son el punto de partida para el diseño de las mezclas, las mismas pueden expresarse en gráficos logarítmicos o potencial como en el caso del sistema SUPERPAVE. Con los materiales disponibles se preparan diferentes mezclas granulométricas de prueba, mezclando los agregados en diferentes proporciones, posteriormente se procederá a la evaluación de las diferentes variantes para escoger la más adecuada. Se anexan gráfica y tabla de Husos granulométricos para mezclas de superficie, tomado del folleto MS22 de Instituto del Asfalto.

5.5 RELACIONES DE PESO Y VOLUMEN. En la combinación de los agregados entre si y de estos con el asfalto se producen relaciones de peso y volumen que deben ser determinadas para poder encontrar las mezclas que mejor se comportarán ante la acción del tránsito. El volumen de vacíos influye en la permeabilidad y en el envejecimiento, la cantidad de asfalto influye en la cohesión, la resistencia, flexibilidad y otros, el volumen que dejan los agregados al combinarse entre ellos, debe ser el necesario para permitir la cantidad necesaria de asfalto y de vacíos, etc.

Para poder determinar las relaciones de peso y volumen, deben determinarse los pesos específicos de los componentes, agregados y asfalto, las proporciones en que estarán

presentes en la mezcla y la densidad de la misma, que dependerá a su vez de los parámetros anteriores pero también de la compactación alcanzada.

Pesos Específicos

Para el asfalto se determina pesando una determinada cantidad de un volumen conocido a una temperatura determinada (gb)

Para los agregados ser realiza un ensayo en el que se pesan aquellos en el aire (A), sumergidos en agua (C) y saturados con la superficie seca (B). con los valores se calculan:

• Peso específico aparente, que solo considera como volumen el del sólido y no el de los poros de la superficie. PEA = A/(B-C)

• Peso específico corriente o bruto, que considera como volumen el del sólido más el de los poros de la superficie. PEB = A/(A-C)

• Peso específico saturado con superficie seca, este no se usa en mezclas asfálticas PES = B/(B-C)

• Absorción de agua, que tiene importancia ya que los agregados muy absorbentes lo serán también de material asfáltico. Abs.= A/(B-A)

En realidad el asfalto no ocupa todos los poros permeables al agua y se utiliza comúnmente un peso específico efectivo intermedio entre el PEA y el PEB. Algunos cálculos se pueden realizar con el PEB si no se tiene en cuenta el asfalto absorbido por los agregados.

PEE= ga (PEA + PEB)/2. Aunque algunos autores recomiendan otros valores intermedios en dependencia de que los agregados sean más o menos porosos.

Densidad y densidad teórica máxima La densidad de la mezcla (G) es la relación entre peso y volumen de la misma, como se dijo depende de varios factores entre ellos la compactación.

La densidad máxima teórica (Go) es la densidad de la mezcla si se considera que no tiene ningún vacío, solo agregados y asfalto.

Go = 100 / {[(100-pb) / g a] + [pb / g b]}

pb es el % de betún asfáltico en peso del total de la mezcla.

Como se observa Go depende solamente de los pesos específicos y del % de asfalto utilizado.

Vacíos en la mezcla, vacíos en los agregados y vacíos rellenos con asfalto.

Se denominan vacíos (VA) o huecos en la mezcla (H) a las bolsas de aire que quedan en la mezcla final compactada. Estos vacíos permitirán la compactación adicional causada

por el tránsito y el aumento de volumen del asfalto al dilatarse por aumento de la temperatura. Un % de vacíos excesivo hace que la mezcla sea permeable y que envejezca rápidamente, el caso contrario puede producir mezclas que exuden el asfalto al no tener posibilidades de recibir la compactación adicional.

Los vacíos se expresan en % del volumen de la mezcla.

VA = H = 100-(G/Go) * 100

En el laboratorio se exigen Va del 3 al 5% para el diseño de mezclas para superficie. En obra normalmente se alcanzan valores iniciales del 8% o menos, valor que irá disminuyendo con el tiempo producto del paso de los vehículos.

Se denominan vacíos en los agregados (VAM) o huevos en los agregados (HA) al conjunto de espacios que quedan entre el esqueleto mineral y que es ocupado por el asfalto y por los vacíos VA. Un valor insuficiente de VAM producirá películas delgadas de asfalto y mezclas poco durables y de apariencia seca. Los VAM se expresan en % del volumen de la mezcla.

VAM = HA = 100 - [(100- pb) / g a] * G

El volumen de vacíos rellenos con asfalto (VFA) o huecos rellenos con asfalto (HRA), es el porcentaje de los VAM que están ocupados por el asfalto, es un resultado de las relaciones anteriores y en los diferentes métodos se especifican rangos de valores.

VFA = HRA = (VAM – VA) * 100 / VAM

En el texto Diseño de Pavimentos para Carreteras y Aeropuertos están las deducciones de todas estas expresiones.

Contenido de asfalto y relación filler betún.

La cantidad de asfalto juega un papel primordial en la mezcla, y es la cantidad que debe añadirse sin excesos ni defectos para alcanzar los objetivos propuestos, debe formar una película sobre los agregados que sea suficiente para cohesionarlos, con espesor adecuado par no envejecer prematuramente, pero que no sea excesiva para que no se pierda el contacto entre las partículas.

En el contenido de asfalto total debe preverse el que es absorbido por los agregados, ya que el mismo no formará película sobre aquellos, se llama asfalto efectivo a la diferencia entre el asfalto total y el absorbido.

El contenido de asfalto puede expresarse en % del peso de la mezcla o en % del volumen de la mezcla.

pbv = pb * G / gb

pav = ( 1 – pb) * G / ga

pbv y pva son los volúmenes de betún y agregados expresados en % del volumen total de

la mezcla.

pbv + pav + VA = 100% del volumen.

pb es el peso de betún expresado en % del peso total de la mezcla.

gb y ga son los pesos específicos del betún y del agregado respectivamente.

G es la densidad de la mezcla.

Ejemplo

Determinar las relaciones de peso volumen de una mezcla que tenga:

G = 2,266 g/cm3 5% de asfalto en peso gb = 1,022 ga = 2,647 Go = 100 / {[(100-pb) / g a] + [pb / g b]}

Go =100 / {[(100- 5) / 2,647] + [5 / 1,022]} = 2,452/cm3

VA = H = 100 – ( G/Go) * 100

VA = 100 – ( 2,266 / 2,452) * 100 = 7,6%

pbv = pb * G/g b

pbv = 5 * 2,266 / 1,022 = 11.1%

pav = (1 – pb) * G/ g a

pav = ( 1 – 5 ) * 2,266/2,647 = 81.3%

7,6 + 11,1 + 81,3 = 100 ok.

VAM = HA = 100 - [(100-pb) / g a] * G

VAM = 100 - [(100- 5) / 2,647] * 2,266 = 18,7%

VFA = HRA = ( VAM – VA) * 100/VAM VFA = (18,7 – 7,6) * 100/18,7 = 59,3%

La mezcla tiene un contenido de vacíos relativamente alto, lo que incide en que el % de vacíos rellenos con asfalto sea bajo. En el caso de tratarse de una mezcla puesta en obra estos valores mejorarán con la compactación adicional del tránsito.

La cantidad de asfalto debe recubrir la superficie del agregado y cohesionarlo, por lo que una mayor o menor superficie de éstos influirá en la cantidad de asfalto que deberá usarse en la mezcla. El área superficial de los agregados se ve influenciada de manera notable

por el fino mineral o filler, ya que el mismo tiene una gran superficie específica.

A mayor cantidad de filler se requiere de mayor cantidad de asfalto, por esta razón se especifican relaciones entre el % de asfalto (pb) y el % de filler del total del peso del agregado. Una variación de la relación adecuada puede producir mezclas secas o muy ricas en asfalto, en ambos casos cae la resistencia de las mismas.

5.6 DISEÑO DE MEZCLAS: MÉTODO MARSHALL

El diseño de las mezclas asfálticas consiste en la determinación de las proporciones en que intervendrán los componentes en las mismas, las proporciones relativas de los materiales determinarán las propiedades físicas de las mezclas y su comportamiento en la carretera. El método más utilizado mundialmente es el método Marshall, aunque en la actualidad el sistema SUPERPAVE desalienta su uso aduciendo que no determina las propiedades ingenieriles de las mezclas y no puede usarse con los nuevos tipos de mezclas que se vienen desarrollando. No obstante por la diseminación mundial en cuanto a la experiencia y equipamiento del mismo no será definitivamente eliminado en mucho tiempo. El método Marshall puede ser usado para el diseño y para el control en obra. En casi todos los países que lo utilizan se le han hecho modificaciones sobre todo en cuanto a las interpretaciones de los resultados.

Propósito del método Marshall

El propósito del mismo es determinar el contenido óptimo de asfalto para una combinación previa de agregados. El método da información sobre la estabilidad o resistencia de las mezclas a la deformación y se establecen las relaciones peso volumen y las densidades que deben alcanzarse durante la construcción. El método se utiliza para mezclas con agregados de tamaño máximo de 25 mm y con betún asfáltico de penetración.

Procedimiento del método Marshall

En el procedimiento se confeccionan probetas de 102 mm de diámetro y 63,5 mm de altura con diferentes % de betún asfáltico. Las mismas son sometidas al análisis de las relaciones peso volumen una vez que se ha determinado la densidad de cada probeta, de igual forma se someten a un ensayo de compresión diametral en una prensa especialmente concebida para el procedimiento. De este ensayo se obtiene información sobre la estabilidad y el flujo o fluencia de las mezclas. El procedimiento completo puede ser estudiado en el tomo I del texto “Diseño de pavimentos para carreteras y aeropuertos” de J.A Torres Vila ó en el MS 22 del Instituto del Asfalto. Este manual está traducido al castellano.

Análisis de los resultados

Como las propiedades estudiadas varían con el % de asfalto es necesario una interpretación de los resultados, la misma se realiza a partir del comportamiento de dichas propiedades y de ciertas especificaciones previamente establecidas y que son de carácter empírico, por tener este carácter, generalmente especificaciones propias de cada país o región . se anexan las especificaciones del MS 22.

Existen diferentes procedimientos para la interpretación de los resultados del método

Marshall, en general se determina el contenido óptimo de asfalto, este es el % que mejor cumple las especificaciones adoptadas. A continuación se describen algunos de ellos.

Instituto del Asfalto (MS 22)

Se trazan los resultados de los análisis en gráficos de cada propiedad vs % de asfalto, las propiedades graficadas son el VA, VAM, VFA, densidad, estabilidad corregida y flujo.

Anteriormente se aconsejaba determinar el promedio de los contenidos de asfalto correspondientes a la máxima densidad, la máxima estabilidad y el valor medio de rango especificado de VA. Con este valor promedio se chequeaba el cumplimiento de las especificaciones en todos los gráficos.

Actualmente se determina el contenido de asfalto para el que VA = 4%, luego se evalúa este contenido de asfalto en todas las restantes gráficas, se obtiene el valor de cada propiedad para el mismo y se comparan con las especificaciones. Si se cumplen todas las especificaciones ese será el contenido óptimo de asfalto, en caso contrario se deben realizar ajustes para obtener un contenido que cumpla con todas las especificaciones.

No se recomienda optimizar una propiedad en particular, como por ejemplo aumentar la estabilidad sacrificando otras propiedades, las mezclas con estabilidades muy altas tienden a fallar por fatiga prematuramente.

Criterio Español

Se debe analizar la curva VA vs % de asfalto. Se consideran inadecuadas las curvas que tengan grandes pendientes, ya que las mezclas serán susceptibles a las variaciones del mencionado %, también se consideran inadecuadas las que siendo planas estén cerca de los límites especificados. En estos casos se recomienda estudiar una nueva granulometría.

Cuando la curva VA vs % de asfalto es aceptable se toma el valor de VA acorde a las condiciones de proyecto y se obtiene el valor de % de asfalto correspondiente.

Con el % de asfalto escogido se chequea el valor del flujo y si el valor de VAM está en la rama descendente de la curva, de esta forma se evitan problemas de estabilidad de la mezcla.

Se debe comprobar que con el % de asfalto escogido se cumpla la estabilidad y la relación filler betún.

Si todos los pasos anteriores se cumplen, se realizan los ensayos adicionales tales como el ensayo de pista y el de inmersión compresión. Se anexan las especificaciones españolas.

Otros Ensayos de Mezclas

El Método Marshall puede en ocasiones dar como resultado contenidos óptimos de asfalto que al ser utilizados den mezclas propensas a sufrir deformaciones plásticas, por esta razón se han desarrollado ensayos adicionales para evaluar esta propiedad, los más

utilizados son el ensayo de pista y el ensayo en la máquina de compactación giratoria.

El ensayo de pista consiste en una rueda de goma maciza que aplica una carga con movimiento de vaiven sobre una probeta en forma de losa que ha sido confeccionada por vibrocompactación superficial. El ensayo se realiza a la temperatura más alta esperada en el pavimento (España 60ºC) y en él se mide periódicamente la profundidad del surco que la rueda va dejando en la probeta.

Existen dos criterios de evaluación, el primero fija la profundidad máxima del surco en un número determinado de ciclos y el segundo limita la velocidad de deformación de los últimos 15 minutos.

El ensayo de compactación giratoria consiste en la confección de una probeta que en la medida que recibe una compresión axial para su compactación, la misma es sometida a una rotación sobre un eje inclinado. El equipo es una prensa llamada compactador giratorio y una versión del mismo se utiliza en el procedimiento SUPERPAVE. Este equipo continuamente va midiendo con el número de vueltas la altura de la probeta. La temperatura de compactación se controla a lo largo del ensayo al igual que la presión ejercida y la velocidad y al ángulo de giro.

En el caso de que se desee evaluar la resistencia a las deformaciones plásticas se debe monitorear la variación del ángulo de giro de la probeta y la resistencia al corte que opone la mezcla al giro, esta última conocida como estabilidad giratoria.

Se anexan gráficos ilustrativos de los resultados de mezclas ensayadas en el compactador giratorio.

Especificaciones españolas para mezclas asfálticas

Husos granulométricos

|Tamiz |DENSAS |SEMIDENSAS |GRUESAS | |UNE | | | | | |D 8 |D 12 | |Golpes por cara |75 | |Estabilidad kN |>10 |7,5 a 12,5 | |Deformación mm |2 a 3,5 | |VA rodadura % |4-6 |3-5 | |VA intermedia % |4-8 |3-8 | |VA base % |4-9 |3-9 | |VAM % | | |Mezclas 8 |>16 | |Mezclas 12 |>15 | |Mezclas 20 |>14 | |Mezclas 25 |>13 |

APLICACIÓN DEL MÉTODO MARSHALL

Realice el diseño de la mezcla de hormigón asfáltico caliente por el método Marshall.

Datos :

|% Asfalto |Densidad (gr/cm3) |Estabilidad (kg) |Fluencia (mm) | | |G1 |G2 |G3 |E1 |E2 |F1 |F2 | |5.0 |2.18 |2.10 |2.14 |450 |450 |2.6 |3.6 | |5.5 |2.22 |2.18 |2.17 |600 |512 |2.9 |3.8 | |6.0 |2.28 |2.26 |2.26 |664 |632 |3.1 |3.9 | |6.5 |2.27 |2.24 |2.28 |660 |560 |3.4 |4.0 | |7.0 |2.17 |2.19 |2.18 |540 |500 |3.7 |4.2 |

ga1 = 2.50 g / cm3 : Peso específico del árido 1

ga2 = 2.48 g / cm3 : Peso específico del árido 2

gb = 1.02 g / cm3 : Peso específico del asfalto.

SOLUCIÓN:

I. GRAFICOS DE LAS CURVAS DENSIDAD, ESTABILIDAD Y FLUENCIA

Se tiene los siguientes datos, tomados de 05 muestras de un lote de una obra. De acuerdo a lo indicado en la hoja de trabajo, tal como se indica a continuación.

|% Asfalto |Densidad (gr/cm3) |Estabilidad (kg) |Fluencia (mm) | |5.0 |2.18 |450 |2.6 | |5.5 |2.22 |512 |2.9 | |6.0 |2.28 |632 |3.1 | |6.5 |2.27 |560 |3.4 | |7.0 |2.17 |500 |3.7 |

Peso específico del árido ga = 2.48 gr/cm3

Peso específico del asfalto gb = 1.02 gr/cm3

( con los datos, de Densidad, Estabilidad y Fluencia planteamos los gráficos Vs % de Asfalto, como se muestra en los gráficos, con sus respectivas escalas indicadas.

II. DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO ÓPTIMO DE ASFALTO

Determínese el contenido óptimo de asfalto (COA), si la mezcla ensayada será utilizada en la CAPA DE SUPERFICIE DE UNA CARRETERA, la cual se espera soportará un tráfico medio. El tamaño máximo del árido empleado es 19.1 mm (3/4”) asumido.

DATOS DEL PROBLEMA (ASUMIDO):

— Propiedades que deben satisfacer la mezcla de hormigón asfáltico (Tabla Nº 6.6) Tráfico medio: Tabla Nº 6.6 Libro de Diseño de Pavimentos para Carreteras y Aeropuertos – Ingº Juan Antonio Torres Vila.

▪ Fluencia 2.5 – 4.5 mm ▪ Huecos rellenos con asfalto (HRA) 75 - 88% ▪ Huecos en la mezcla (H) 3 – 5 %

— Tamaño máximo del árido empleado es ¾”

PROCEDIMIENTO DE TRABAJO ES COMO SIGUE: (LOS CALCULOS SE MUESTRAN EN LA HOJA DE TABULACIÓN)

1. Con los valores de densidad promedio. Se plotea el gráfico de la figura curva densidad Vs % asfalto columna (3) de cuadro de tabulación. Luego con cada valor de % de asfalto se entre en la columna ajustada y se registra en la columna (4) del cuadro de tabulación. Estos valores de densidad son los que utilizarán en los cálculos siguientes:

2. Se calculan la densidad máxima teórica (Go) ejecutando el cálculo según se indica en las columnas 5, 6 y 7.

3. Se calcula el porcentaje de huecos en la mezcla (H%) para cada por ciento de asfalto, ejecutando el cálculo según se indica en las columnas (8) y (9). Con los valores de (H), registradas en la columna (9), se plotea el gráfico de la figura.

4. Se calcula el por ciento de huecos en el árido (HA), ejecutando el cálculo según se indica en la columna (10), con los valores de (HA) registrados en esta columna, se plotea el gráfico de la figura. El ploteo de este gráfico es opcional.

5. Se calcula el por ciento de huecos de árido rellenos del asfalto (HRA) ejecutando el cálculo según se indica en la columna (11). Con los datos de (HRA) registrados en esta columna se plotea el gráfico de la figura.

6. Con los valores de la estabilidad y fluencia se plotean los gráficos Vs % de asfalto como se muestra los gráficos respectivamente.

7. Rango de % de asfalto:

Datos:

— Tipo de mezcla ensayada : Capa de superficie de una carretera. — Clasificación del tráfico : medio — Propiedades que deben satisfacer la mezcla de hormigón asfáltico (tabla Nº 6.6)

▪ Estabilidad > 600 kg ▪ Fluencia 2.5 – 4.5 mm ▪ Huecos rellenos con asfalto (HRA) 75 - 88% ▪ Huecos en la mezcla (H) 3 – 5 %

El rango de contenidos de asfaltos en la mezcla que satisface cada parámetro se obtiene entrando en los gráficos. Con el rango de las especificaciones:

RANGO DE % DE ASFALTO

5.70 ……………….. 7.00 5.00 ……………….. 7.00 5.30 ……………….. 7.00 5.125 ……………….. 7.00

Esta mezcla cumplirá todas las exigencias dentro de un rango de contenidos de asfalto de 5.70 a 7.0%.

8. Determinación del contenido óptimo de asfalto

Se obtienen los por cientos de asfalto con los resultados ploteados en las curvas, obteniéndose el contenido óptimo de asfalto.

Se procede de la forma siguiente:

a) Contenido de asfalto para máxima densidad (Pa) b) Contenido de asfalto para máxima estabilidad (Pb) c) Contenido de asfalto para el valor medio de la exigencia de % de huecos en la mezcla (Pc) d) Contenido de asfalto para el valor medio de la exigencia de % de huecos rellenos con asfalto (Pd).

Se promedian los cuatro valores de por ciento de asfalto obtenidos anteriormente (Pa, Pb, Pc y Pd) y a este valor se le denomina “CONTENIDO ÓPTIMO DE ASFALTO” COA, de donde:

[pic]

Del gráfico Nº 01 y Nº 02 DISEÑO DEL MARSHALL OBTENEMOS:

Pa = 6.15% Pb = 6.00% Pc = 5.28% Pd = 5.47%

El contenido óptimo de asfalto será:

[pic] COA = 5.73%

Con el COA se entra al revés en las curvas y se verifica el cumplimiento de todas las especificaciones.

CUADRO : VERIFICACIÓN DEL CUMPLIMIENTO DE LAS ESPECIFICACIONES

|Propiedades que debe satisfacer la mezcla de hormigón |Especificaciones para el |Resultado de la curva|Verificación de las | |asfáltico |tránsito medio |leído con el COA |especificaciones |

|Estabilidad Marshall Kg |> 600 |604 |CUMPLE | |Fluencia, mm |2.5 - 4.5 |2.97 |CUMPLE | |% de huecos en la mezcla. Para mezclas de superficie H% | | | | |HA para mezclas de superficie % |3 - 5 |1.00 |NO CUMPLE | |HRA % de huecos rellenos con asfalto. Mezclas para | | | | |superficies. |20 - 25 |14.00 |NO CUMPLE | | | | | | | |75 - 88 |92.50 |NO CUMPLE |

• Cuando las mezclas no cumplen con las exigencias indicadas en el cuadro, se llevan a cabo modificaciones en las proporciones de las componentes y se comienza de nuevo el proceso. • Es preferible realizar primero ajustes en el por ciento de asfalto, el cual puede efectuarse a través de los ensayos de laboratorio.

9. Relación entre el volumen mínimo de huecos en el agregado pétreo (HA) y su tamaño nominal máximo para mezclas densas.

— El Valor de HA se verifica con la ayuda del gráfico de la figura 6.12. — Del gráfico Nº 02 obtenemos el valor mínimo de HA = 3.58%, y — Con el tamaño máximo del árido de ¾” (asumido).

( se va al gráfico de la figura Nº 6.12 con los valores de HA y ¾” se obtiene:

Que el esqueleto mineral de la probeta, la mezcla es deficiente en asfalto o en huecos de aire.

DISEÑO : DISEÑO DE UNA MEZCLA DE HORMIGÓN ASFÁLTICO

METODO : MARSHALL

DATOS : gb = 1.02 g/cm3 ; ga = 2.48 g/cm3

TABULACIÓN : Para determinar y ordenar los parámetros necesarios.

| % de Asfalto Peso Wb% |Peso árido | | |Wa % | |1 |100 | |2 |90 | |3 o más |75 |

Existen otros procedimientos alternativos como son la determinación del factor camión de cada silueta y la multiplicación del numero de vehículos De cada silueta durante el periodo de diseño por dicho factor camión. Este procedimiento aparece en el ejemplo de la pagina 23 del folleto “MSI. Diseño de espesores” del Instituto del Asfalto, la tabla con los Fc de cada silueta para el caso de vías rurales y urbanas en los EE.UU. aparece en la pag. 21ª del mismo folleto.

Ejemplo Se desea calcular el EAL para una vía de 2 carriles con:

(N = 8,96* 106 vehículos en 20 años. Pvp= 25% Y el siguiente aspectro de cargas. |Carga por ejes |Ejes en 1000 veh. |Coeficiente de equiv. |Ejes equivalentes | |Simples | | | | |Menores de 36 |1135 |0,0410 |46,54 | |36 a 55 |487 |0,1046 |50,95 | |55 a 74 |282 |0,4225 |119,16 | |74 a 82 |118 |0,9037 |106,64 | |82 a 91 |32 |1,3668 |43,74 | |91 a 100 |3 |2,0307 |6,09 | |100 a 110 |6 |2,9675 |17,81 | |Tandem | | | | |Menores de 64 |189 |0,0432 |8,17 | |64 a 90 |141 |0,0905 |12,77 | |90 a 120 |168 |0,3132 |52,62 | |120 a 135 |99 |0,6811 |67,42 | |135 a 150 |5 |1,0628 |5,31 | |Total |2665 | |537,22 | | | |Fc = 537,22/1000 |Fc = 0,537 |

Se ha utilizado (Ps/80)4 y Ps = 0,57 Pt. EAL = 8,96 * 106 * 0,537 * 0,25 * 0,50 = 6,01 * 105 ejes De 80 KN en los 20 años.

CAP. VII SISTEMA SUPERPAVE

7.1 RIEGOS DE IMPRIMACION Y ADHERENCIA. Se les llama asi a las aplicaciones de riegos de material asfáltico que se hace sobre las diferentes superficies antes de poder colocar una carpeta asfáltica o un tratamiento superficial, en general se persiguen diferentes objetivos. Se llama riego de imprimación al que se hace sobre una superficie no pavimentada, tal como es el caso de bases granulares. Con la imprimacion se pretende impermeabilizar la superficie existente creando un sellado temporal, facilitar la adherencia entre la base y la capa a colocar, al mismo tiempo se aglomera y endurece el material de la superficie. Para las imprimaciones se han utilizado tradicionalmente asfaltos diluidos de baja viscosidad, como los RC – 30 y los MC – 30, los de curado rápido se usan para la superficie mas Abierta donde además se deben usar dosificaciones mayores, en estas superficies si usa un asfalto fluidificado de curado medio el mismo puede penetrar mucho en la base dejando una superficie reseca y poco adherente, los asfaltos fluidificados de acuerdo de curado medio se usan en bases de granulares de texturas cerrada o densa, con una cantidad optima de finos. En la actualidad para las impresiones se usan emulsiones de rotura lenta (CRL) o de tipo de lechada asfáltica, las mismas se usan diluidas en agua, algunos autores no la recomiendan aduciendo que tienen poca capacidad de infiltración, debido a que la rotura puede comprometer ésta. Para que se logre los objetivos de la imprimacion debe dejarse pasar un tiempo para que ocurra la infiltración del material asfáltico en unos 15 mm, de la base granular, este tiempo deberá ser coincidente con el tiempo de curado para los asfaltos fluidificados y con el de

rotura para las emulsiones. En general este tiempo esta entre 24 y 72 horas. Si en el momento de la imprimación la superficie está reseca se debe humedecer ésta para ayudar al proceso de infiltración. Se llama riego de adherencia o de liga, al riego de material asfáltico que se hace sobre una superficie pavimentada sobre la que se va a colocar una nueva capa, puede ser los casos de pavimentos que se van a reforzar, superficie reparada donde se va colocar una capa de rodadura o entre 2 capas sucesivas de un mismo pavimento si en la ejecución entre ellas a habido un intervalo prolongado de tiempo. El objetivo es lograr la adherencia entre las capas, en caso de no ejecutarse este riego habrá corrimientos de la capa superior sobre la inferior, producida por los efectos de los esfuerzos tangenciales de los neumáticos de los vehículos. Se han utilizado asfaltos fluidificados de curado rápido RC – 30 y RC – 70 y emulsiones de rotura rápida (CRR) diluidas en agua a una dosificación de 0,45 a 1I / m2 de superficie. Aparte de los riesgos mencionados existen otros tipos para el uso en diferentes situaciones. Uno de ellos es el llamado “Riego en negro”, que consiste en la aplicación de emulsiones asfálticas de rotura rápida diluidas en agua sobre superficies que presentan síntomas iniciales de disgregación o envejecimiento por la oxidación del ligante asfáltico, o sobre superficies que se han puesto polvorientas por desgaste de los agregados. La emulsión sirve para rejuvenecer la superficie, aglomerando y sellando oquedades y grietas superficiales. El riesgo en negro se utiliza también para uniformar el color de las superficies que han sido objetos de trabajos de reparaciones. La aplicación puede variar entre 0,45 a 1i/m2 de emulsión diluida. Finalmente se usan emulsiones asfálticas de rotura lenta ( CRL) o de tipo lechada asfáltica (CSE) para los llamados tratamientos antipolvos, estos se usan en caminos que no tienen carpetas asfálticas de superficie, además de proteger del polvo impermeabiliza la superficie y mejora la cohesión entre suelo y agregado.

7.2 SISTEMA SUPERPAVE A mediados de los años 80, un estudio realizado por la Agencia Federal de Carreteras de los Estados Unidos dio como resultado la existencia de una serie de contradicciones entre los métodos de diseño, las especificaciones y resultados que se obtenían en los diferentes estados y que esta situación influían en el estado de la red de caminos y carreteras. Como la red de vías de ese país requiere la inversión de millones para su explotación y mantenimiento, se comprendió la necesidad de uniformar una serie de criterios para optimizar todo lo relativo a la construcción explotación y mantenimiento de carreteras, una parte importante de la asignación de recursos para el programa de investigación que se llevo a cabo estuvo en el campo de los pavimentos, especialmente en los tratamientos de los materiales componentes y en el diseño de mezclas. El programa investigativo derivado fue conocido como SHRP. El resultado del proyecto SHRP para el caso de pavimentos es una serie de cambios en los métodos de ensayo, equipamiento, las especificaciones y otros aspectos, el mismo es conocido por SUPERPAVE, entre los especialistas a diferencia de otros procedimientos empíricos para la selección de los materiales y el diseño de mezclas es el sistema relaciona las propiedades mecánicas de los materiales con las condiciones climáticas, el transito y otros factores del proyecto por el grado de aceptación que ha tenido en todo el mundo se ha decidido incorporar este tema en el curso. Es necesario señalar que a pesar que para llevarlo a vías de hecho en su totalidad, se requiere de cuantiosos recursos para la adquisición de los nuevos equipamientos de laboratorio, y que alguno de sus procedimientos está en vías de cambios, mejora o desarrollo es posible ir implementando y aplicando algunos de sus conceptos

nomenclaturas y especificaciones, quizás de forma paralela a las tradicionales. Estos permitirá crear la cultura necesaria entre los técnicos del ramo que permitirá decidir en el futuro sobre la conveniencia de su aplicación parcial o total. Para los diseños de mezclas existen 3 niveles en dependencia en la intensidad del transito, en la actualidad los niveles 2 y 3 están en la fase de revisión. Para la aplicación del nivel 1, conocido como el diseño volumétrico deberá contactarse con un compactador giratorio ya que la confección de probetas cambia apreciablemente con relación a los métodos tradicionales. La información acerca del tema SUPERPAVE en INTERNET es abundante y puede ser consultada para una profundización. El sistema cuenta con un Software para los cálculos y el procedimiento necesario, en SUPERPAVE se trabaja con el sistema internacional de unidades y no en las tradicionales inglesas utilizados por los estadounidenses.

7.3 EJERCITACION SOBRE ASFALTICOS Y SUPERPAVE

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CAP. VIII METODO DEL INSTITUTO DEL ASFALTO, PARA EL SIDEÑO DE ESPESORES DE PAVIMENTOS FLEXIBLES

8.1 METODO EL INSTITUTO DEL ASFALTO, PRINCIPIO DE DISEÑO. La versión actual de estos métodos considera el pavimento como un sistema elástico multiplica al igual que los métodos analíticos experimentales ya abordados, de igual forma considera críticas la deformación unitaria en tracción horizontal en la parte inferior de la superficie asfáltica y la deformación unitaria de comprensión vertical de la subrasante. Para el cálculos de estas deformaciones se utilizó el programa DAMA, el mismo trabaja con un máximo de 5 capas, que generalmente son de concreto asfáltico, bases estabilizadas con asfalto, capa granular y la subrasante. A diferencia del programa ALIZE tiene la posibilidad de incluir valores variables de los módulos de las capas a lo largo del año, cuando las condiciones climáticas asi lo aconsejen. Además el programa DAMA, tiene la posibilidad de revisar estas deformaciones críticas contra las leyes de fallo, la misma puede ser las implícitas en el programa o modificadas por el usuario. Finalmente el programa calcula el deterioro acumulado como la relación: D = Repeticiones esperadas / Repeticiones admisibles. En la capa donde esta relación llegue primeramente al valor 1, será en la que se considere el fallo. El procedimiento múltiple del programa DAMA fue la base para el desarrollo de los gráficos de diseño.

8.2 TIPOS DE ESTRUCTURA El método considera tres tipos de estructuras, concreto asfáltico en todo su espesor, estructuras de asfalto sobre bases emulsionadas con asfalto y concreto asfáltico sobre bases granuladas. Dentro de las estructuras sobre bases emulsionadas con asfalto existen a su vez tres variantes. 1. Tratamiento superficial doble sobre mezcla de emulsión asfálticas con agregados procesados y densamente granulados. 2. Concreto asfáltico sobre mezcla de emulsión asfáltica con agregados semiprocesados productos de bancos o de procesos de trituración. 3. Concreto asfáltico sobre mezcla de emulsión asfáltica con arenas limosas. El método preconiza y recomienda el uso de la mayor cantidad posible de capas tratadas

con asfalto por las ventajas de este tipo de material de construcción. En el caso del uso de materiales granulares limita su uso a 15 ó 30 cm. De espesor y advierte sobre el peligro de disminuir el espesor del asfalto e incrementar las capas granulares, en el programa de computo existe la posibilidad de aumentar de 15 cm. (de 300 a 450 mm.) solo se traduce en una reducción de unos 12 mm. De concreto asfáltico lo que pudiera no ser económico.

8.3 FACTORES DE DISEÑO Los factores de diseño son los mismos que en otros métodos. El transito y la resistencia de la subrasante son procesados análogamente a lo visto anteriormente, en el caso del transito cuando se espera que la presión de inflado de la carga sea superior a la utilizada por el Instituto del asfalto, para la corrección del EAL, incrementándose éste con el aumento de la presión de inflado. Ejemplo. Una vía tenia un EAL inicial de 3 * 10 5 , pero la presión de contactos de los vehículos pesados como promedio es de 690 kPa. En un primer análisis el espesor de concreto asfáltico es de 125 mm. En este caso se debe corregir el EAL inicial. Luego el EAL corregido será 3* 105 * 1,6 = 4,8 * 105 este valor será el que utilice en el diseño. Las condiciones climáticas se tienen en cuenta a través de la temperatura media anual del aire (MAAT) ya que la misma influye de una forma u otra en la resistencia de los materiales. El método establece tres condiciones ambientales diferentes a partir de la MAAT, en este caso se debe escoger para el diseño la que más se asemeja a la del sitio del proyecto.

8.4 PROCEDIMIENTOS DE DISEÑO El procedimiento de diseño por pasos en el siguiente: ➢ Estimación del EAL en el carril de diseño en el periodo de diseño. ➢ Determinación de la resistencia de diseño de la subrasante. ➢ Selección de las condiciones climáticas del sitio de proyecto. ➢ Selección de la estructura que sé utilizará en el pavimento a partir de los materiales existentes, opcionalmente se puede seleccionar diferentes alternativas para compararlas económicamente.

8.5 GRAFICOS DE DISEÑO En unidades métricas existen un total de 18 gráficos o carta de diseño, 6 por cada una de las condiciones climáticas establecidas. Las cartas de diseño de cada condición climática son las siguientes:

• Concreto asfáltico en todo su espesor. • Mezcla con asfalto emulsificado tipo 1 • Mezcla con asfalto emulsificado tipo 2 • Mezcla con asfalto emulsificado tipo 3 • Base de agregados no tratados de 150 mm de espesor. • Base de agregados no tratados de 300 mm de espesor.

Espesor que se obtiene en estos casos en las cartas es el combinado de concreto y base. En los casos de concreto asfáltico en todo su espesor y bases de agregados no tratados de 150 mm y 300 mm de espesor, en las cartas se obtiene el espesor de concreto asfáltico.

8.6 EJEMPLOS DE APLICACIÓN. Calcular el espesor de un pavimento para un EAL de 3,106 repeticiones de 80 KN, sobre un subrasante de Mr = 100 Mpa. La MAAT del sitio es de 15,5ºC . Concreto asfáltico en todo su espesor. Sé utilizará la carta de diseño A – 7 Espesor de concreto asfáltico de 240 mm.

Mezcla con asfalto emulsificado tipo 1 Se utilizará la carta de diseño A – 8 Espesor de base asfáltica de 255 mm, sobre ella colocar un DTS (Doble tratamiento superficial)

Mezcla con asfalto emulsificado tipo 2 Se utilizará la carta de diseño A – 9 Espesor total asfáltico de 310 mm, de ellos un espesor mínimo de 100 mm de concreto. Asfalto y 210 mm de base asfáltica de tipo 2

Mezcla con asfalto emulsificado tipo 3 Se utilizará la carta de diseño A – 10 Espesor total asfáltico de 375 mm, de ellos un espesor mínimo de 100 mm de concreto. Asfalto y 275 mm de base asfáltica de tipo 3.

Base de agregados no tratados de 150 mm de espesor. Se utilizará la carta de diseño A-11 Espesor de concreto asfáltico de 210 mm sobre 150 de espesor de base de agregados no tratados.

Base de agregados no tratados de 300 mm de espesor. Se utilizará la carta de diseño A-12 Espesor de concreto asfáltico de 190 mm sobre 300 de espesor de base de agregados no tratados.

8.7 PROGRAMA SOFTWARE HWY El mencionado software resume el diseño que se realiza por las cartas de diseño y puede utilizarse como una alternativa, además el programa puede ser utilizado para el diseño de parqueos y calles residenciales si puede determinar un EAL apropiado, o más bien los factores camión que le corresponden a esos tipos de instalaciones. El mencionado tiene la ventaja de poder ser utilizado en el diseño en dos etapas y en el esfuerzo de pavimento de existencia. El programa no completa todas las secciones estructurales de bases emulsionadas, solo la de tipo 2 El ejemplo anterior resuelto por el HWY de los siguientes resultados. Concreto asfáltico en todo su espesor. Espesor de concreto asfáltico de 243 mm (240 por la carta). Mezcla con asfalto emulsificado tipo 2 Espesor de 102 mm de concreto asfáltico y 199 mm de base asfáltica de tipo 2 (100 y 210 mm por la carta).

Base de agregados no tratados de 150 mm de espesor.

Espesor de concreto asfáltico de 206 mm sobre 152 mm de espesor de base de agregados no tratados (210 y 150 por la carta).

Base de agregados no tratados de 300 mm de espesor. Espesor de concreto asfáltico de 189 mm sobre 305 mm de espesor de base de agregados no tratados (190 y 300 por la carta).

8.8 GUIA DEL PROGRAMA HWY PARA ÉL CALCULO DE PAVIMENTO FLEXIBLE.

Aspectos Generales. El programa HWY puede ser utilizado lo mismo para el diseño de pavimentos de nueva construcción que para el refuerzo de los ya existentes. El mismo está basado en el método del Instituto del Asfalto USA y específicamente en los manuales MS-1, MS-17 e IS-91. La forma de trabajo del programa es a partir de un menú principal con 7 opciones, 5 de estas opciones están relacionadas con diferentes aspectos de diseño final. Cada opción tiene un menú secundario que permite acceder a las diferentes pantallas de trabajo para realizar cambios ó analizar posibles variantes. En las pantallas de trabajo se puede cambiar dos datos del sistema métrico al ingles o viceversa pulsando la tecla M. Algunas de estas pantallas son comunes a diferentes opciones y en esta guía se denominan PTC, otras son específicas de una opción determinada y se denominan PTE. Cada pantalla tiene diferentes líneas numeradas y un renglón final que permite acceder a una línea determinada marcando el número de la misma. En todo los casos O cambia la pantalla una vez que todos los datos son correctos.

Opciones de Menú Principal. 1. Diseño de una sección de pavimento flexible en dos fases. 2. Calculo del esfuerzo a partir de las deflexiones medidas en el pavimento. 3. Calculo del esfuerzo a partir del criterio de espesores efectivos. 4. Construcción por etapas de un pavimento completo de concreto asfáltico. 5. Diseño de una sección para zonas especiales, como parqueo, calles, estaciones y otras.

6. Impresión. 7. Salvado de los datos y salidas.

Pantalla de trabajo comunes ( PTC), son las pantallas más importantes y se repiten en dos o más opciones del menú principal. ❖ PTC – 1 Información de transito, tiene 13 líneas de datos: 1. L-1 Periodo de análisis, que influye en el periodo de diseño y el tiempo hasta el primer refuerzo. Se recomienda no mayor de 40 años. 2. L-2 periodo de diseño inicial, para el cual se calcula el pavimento y que es menor a la suma igual al periodo de análisis. 3. L-3 factor del carril, del diseño indica el % del transito que circulará por el carril del diseño, toma valores de 0,5 en vías de dos carriles y menores o mayores en dependencia del tipo de vía y de cómo se haya realizado el conteo. 4. L-4 transito promedio diario inicial, para el primer año de vida y se obtiene de estimados o conteos en vías similares, se expresa en veh./día. 5. L-5 por ciento de vehículos pesados que se estima circulará por la vía. 6. L-6 incremento anual del transito en %. 7. L-7 uso de la vía urbana o rural, ya que en las últimas los camiones circulan con mas

peso y el factor camión es mayor. L-8 a la L13. Diferentes tipos de caminos considerados se expresa en % de cada tipo con respecto al total y el factor camión de cada uno ambos valores pueden ser modificados en dependencia de los datos propios del diseño. Se puede incluir un nuevo tipo cambiándolo por uno de los existentes. 8. L-8 camiones de dos ejes y 4 ruedas. 9. L-9 camiones de dos ejes y 6 ruedas. 10. L-10 camiones de 3 ejes o mas. 11. L-11 camiones articulados de 3 o 4 ejes. 12. L-12 camiones articulados de 5 ejes. 13. L-13 camiones articulados de 6 ejes o mas.

Automáticamente se calcula: EAL es el primer año de vida EAL en el periodo de diseño EAL en el intervalo entre el fin del periodo del diseño y el fin del periodo del análisis EAL total en el periodo de análisis.

❖ PTC – 2 información de la subrasante tiene 5 líneas de datos: 1. L-1 número de los ensayos de resistencia con que se cuenta (hasta 20) 2. L-2 tipo de ensayo utilizado, puede ser CBR, resistencia R ó módulo resilente. A continuación se muestra el EAL de diseño y el percentil recomendado para el análisis estadístico de los valores de resistencia de la subrasante. 3. L-3 percentíl que se utilizará y que va determinar estadísticamente el valor de la resistencia de diseño, los valores son: 50,60,75,87,5,90 y 95%. 4. L-4 la ecuación de la correlación, se utiliza para convertir los valores de resistencia que se obtengan a los valores de módulo resilente, que es utilizado en el procedimiento. Si el L-2 se declaró CBR, MR =10,3* CBR Si en L-2 se declaró R, MR = 8 + 3,8* R Si en L-3 se declaró MR, la línea 4 no se utiliza y desaparece en la pantalla. 5. L-5 ubicación de los valores de ensayos de resistencia, tanto como se declararon en L-1. ❖ PTC – 3 Pantalla de la sección transversal, en la parte superior aparece los valores de MR y EAL de diseño, tiene 2 líneas

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CAP. IX METODO DEL AASHTO PARA EL DISEÑO DE ESPESORES DE PAVIMENTOS FLEXIBLES

9.1 METODOS AASHTO PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES. Este procedimiento, se basa fundamentalmente en los resultados de la carretera experimental de la AASHTO, desarrollada en Ottawa Illinois a fines de los años 50 a partir de esa fecha se ha mantenido con ligeras variaciones la ecuación de comportamiento que relaciona el número de repeticiones de la carga de cálculo con una variable que evalúa el estado del pavimento esta variable se le conoce como PSI (índice presente de servicio), que toma valores cercanos a 5, para pavimentos nuevos a valores de entre 2 y 2,5 para pavimentos que requieren una acción de revestimiento, la disminución del PSI es producto de la acción del transito en combinación con los agentes climáticos. El periodo de diseño es el periodo de tiempo transcurrido hasta que la estructura del pavimento se deteriore

desde su PSI inicial hasta el final. En las diferentes revisiones se le han añadido al método un grupo de mejoras que lo hace de mayor uso en la actualidad. En la versión moderna del mismo se conjuga los aspectos de diseño en conjunto con la explotación y los futuros esfuerzos. Se espera que el 2002 una nueva guía de diseño.

9.2 FACTORES DE DISEÑO El procedimiento utiliza el mismo análisis para el transito que el método del Instituto del Asfalto, es decir las repeticiones del eje de 80 kN en el periodo de diseño. De igual forma utiliza el valor del módulo resilente para la resistencia de la subrasante, bien a partir del ensayo o de las mismas correlaciones ya vista con el CBR, a diferencia del Instituto del Asfalto, no hace un análisis de percentil, sino que toma el valor promedio de la resistencia del suelo. Es necesario señalar que en este método se debe obtener un valor que tenga en cuenta las variaciones de dicho módulo con los cambios climáticos de las estaciones a lo largo del año. El módulo MR obtenido para cada mes del año se multiplica por un coeficiente de daño relativo (µf) la expresión para el cálculo es: µf = 1,18 * 108 * Mr – 2,32

Posteriormente se suman todo los valores de µf . Finalmente con la misma expresión se obtiene el valor de Mr promedio. Para caracterizar los materiales componentes de las diferentes capas se utiliza su módulo, que en algunos textos se les llaman elásticos, dinámicos o resilentes, como ya se ha abordado. Existen gráficos de correlación entre estos módulos y ensayos de rutina en los mismos gráficos se pueden obtener los coeficientes estructurales o de capa (ai ) de los diferentes materiales. Los gráficos aparecen en anexos. La ecuación de espesores aparecerán también unos coeficientes (mi) para tener en cuenta las afectaciones de las condiciones de drenaje o ambientales a los materiales granulares del pavimento.

|Calidad del drenaje |% del tiempo que la estructura del pavimento está expuesta a niveles de humedad cercanos a la | | |saturación. | | |< 1% |1 - 5% |5 – 25% |> 25% | |Excelente |1,40-1,35 |1,35-1,30 |1,30-1,20 |1,20 | |Bueno |1,35-1,25 |1,25-1,15 |1,15-1,00 |1,00 | |Regular |1,25-1,15 |1,15-1,05 |1,05-0,80 |0,80 | |Pobre |1,15-1,05 |1,05-0,80 |0,80-0,60 |0,60 | |Muy pobre |1,05-0,95 |0,95-0,75 |0,75-0,40 |0,40 |

La calidad del drenaje se define a partir del tiempo que demora el agua en salir de las capas del pavimento.

|Calidad del drenaje |Tiempo para la remoción del agua | |Excelente |2 horas | |Buena |1 día | |Aceptable |1 semana | |Pobre |1 mes | |Muy pobre |No drena. |

9.3 CONFIANZA Se define como confianza la probabilidad de que el pavimento cumplirá la función que se le ha previsto durante su vida de diseño y bajo las condiciones de transita y ambientales encontradas durante la operación. Otra definición puede ser la probabilidad de que los caños permanecerán debajo o dentro de los niveles permisibles durante la vida de diseño. La confianza es un concepto estadístico, que requiere el uso de variables estadísticas, se tienen en cuenta las posibles variaciones del transito, de la resistencia o el comportamiento de la subrasante y de los materiales, las posibles desviaciones de las ecuaciones matemáticas utilizadas y otros. En el diseño con nivel de confianza se tienen en cuenta dos variables estadísticas, la variables Zr que depende del nivel de confianza y So que es el error estándar combinado de la predicción del transito y de la predicción del comportamiento de la estructura. En la medida que la vía es de mayor importancia es necesario mayor confianza, es decir que el riesgo de que no se cumpla lo que se ha previsto debe ser menor. Por esta razón se escogen diferentes niveles de confianza en dependencia de la importancia de la vía. Es necesario decir que un mayor nivel de confianza trae aparejado un mayor costo. A continuación se muestra una tabla donde se resumen los niveles de confianza recomendados por la AASHTO para diferentes tipos de vías urbanas y rurales, la misma ha sido tomada del texto “ingeniería de pavimentos para carreteras” de Alfonso Montejo Fonseca.

|Clasificación funcional |Niveles de confianza | | |Urbana |Rural | |Autopistas interestatales |85 - 99,9 |80 - 99,9 | |Arterias principales |80 - 99 |75 - 95 | |Colectoras |80 - 95 |75 - 95 | |Vías locales |50 - 80 |50 - 80 |

El valor de So usualmente varia entre 0,40 a 0,50 para pavimentos flexibles, el valor obtenido es la carretera experimental para el transito totalmente controlado fue de 0,35, se tomaran valores cercanos a 0,50 si la predicción del transito tiene un alto grado de incertidumbre, lo cual es usual en países donde no hay estudios estadísticos del transito.

9.4 NUMERO ESTRUCTURAL El conjunto de la estructura del pavimento se caracteriza por un valor conocido como Número estructural (SN), este valor es un número abstracto que expresa la resistencia estructural de un pavimento que se requiere para soportar las repeticiones de la carga de cálculo o EAL, con un determinado valor de Mr de la subrasante y llegar a su PSI final. Existe una relación entre el SN y el conjunto de los espesores de las capas del pavimento. SN = a1 * D1 + a2 * D2 * m2 + a3 * D3 * m3

Donde: Ai es el coeficiente estructural de capa i. Di es el espesor en pulgadas de la capa i. mi es el coeficiente de drenaje de la capa i. En general el valor de SN se puede obtener de una ecuación o de un gráfico y es función del EAL, Mr, PSI, Zr y So.

Existe una tabla de valores mínimos para los espesores que es función del transito.

|EAL |Concreto asfáltico |Base granular | |< 5 * 104 |1,0 |4,0 | |0,5 a 1,5 * 105 |2,0 |4,0 | |1,5 a 5 * 105 |2,5 |4,0 | |0,5 a 2 * 106 |3,0 |6,0 | |2 a 7 * 106 |3,5 |6,0 | |> 7 * 106 |4,0 |6,0 |

Los valores están en pulgadas. 9.5 GRAFICO DE DISEÑO El gráfico de diseño se muestra en la figura 3.1 al igual que la ecuación original, puede trabajarse con cualquiera de ellos, pero si se utiliza la ecuación deberá hacerse reiteraciones suponiendo un valor de SN y calculando el EAL hasta que éste coincida con el EAL de diseño. En la ecuación el EAL aparece nombrado como W18. En el diseño por capas cada espesor debe calcularse a partir del valor de SN correspondiente requerido, este se obtiene en el mismo gráfico con los diferentes valores de Mr donde se apoya la capa. Por ejemplo, con el valor de Mr de la base se entra en el gráfico de diseño y se obtiene SN1, con este valor se puede obtener el espesor de la capa de superficie. D1 = SN1 / a1 De la misma forma se obtienen los espesores de la s capas de base y subbase, pero deberá tenerse en cuenta en el cálculo los valores de los SN reales, que serán el producto del espesor real finalmente asumido (Dic) multiplicado por el valor del coeficiente de capa correspondiente. SNic = Dic * a1 D2 = (SN2 – SNic ) /a2 * m2

SN2 se obtienen con el Mr de la subbase. SN2c = D2c * a2 D3 = [SN3 - (SN2C +SN1C) ] /a3 * m3 SN3 = SN ya que se obtiene con el Mr de la subrasante. El procedimiento se resume en la figura 3.2. Finalmente se puede decir que: SN 3c = D3c * a3 * m3 y SN ( SN1c + SN 2c + SN3c

9.6 EJEMPLOS APLICACIÓN Calcular el pavimento flexible a partir de los siguientes datos EAL = 3* 106 Mr = 10000 psi PSI inicial después de la construcción = 4,5. PSI final deseado = 2,5. ( PSI = 4,5 – 2,5 = 2,0 Confianza del 90% y So = 0,49. Un 20 % del año se asume que las capas del pavimento estará con posibilidades de saturación y la calidad del drenaje es buena , con lo que se asume m2 = m3 = 1,10 Los módulos de loa materiales y los coeficientes de capa obtenidos de los gráficos correspondientes son: Carpeta asfáltica = Mr 300000 psi y a 2 = 0,36 Base granular Mr = 35000 psi y a 2 = 0,16 Subbase Mr = 15000 psi y a3 = 0,11.

Con los valores mencionados se obtiene el gráfico SN = SN3 = 3,75 SN 2 = 3,40 SN1 = 2,40 D1 = SN 1 / a1 = 2,4 / 0,36 = 6.66 in = 17 cm. 17 cm. = 6,6929 in y SN 1c 6,6929 * 0,36 = 2,41 D 2 =(SN 2 - SN 1c) a2 m 2 = () 3,40 – 2,41) / 0,16 1,10 = 5,625 in ( 15 cm. 15 cm = 6,6929 in. Y SN2c = 5,9055 * 0,16 * 1,10= 1, 039. D3 = [SN3 –(SN2c + SN1c)] / a3 * m3 = [3,75 – (1,039 +2,41)] /0,11 * 1,10 = 2,49 in ( 65 cm. 6,5 cm. = 2,5590 in y SN3c = 2,5590 * 0,11 * 1,10 = 0,309. Comprobando SN ( SN1c + SN2c +SN3c ( 3,75 ( 2,41 + 1,039 + 0,309 = 3,758 .

9.7 PROGRAMA: SOFTWARE AASHTO PARA EL CALCULO DEL PAVIMENTO FLEXIBLE ESCANEAR

9.8 EJERCITACION DE LOS METODOS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES DEL INSTITUTO DEL ASFALTO Y DE LA AASHTO. ESCANEAR

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Cu = D60 D10

Cc = (D30)2 D60 * D10