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Universidad Santa María Facultad de Ingeniería

Universidad Católica Andrés Bello Facultad de Ingeniería

APUNTES DE PAVIMENTOS Volumen 1

Ing. Gustavo Corredor M. Edición Octubre 2004 (Revisión Octubre 2006)

In memoriam

Luís Alberto Salamé Ruíz

Maestro y amigo

Presentación

Hace prácticamente tres lustros que la Primera Edición de estos “Apuntes de Pavimentos” fueron ofrecidos a los alumnos de Ingeniería Civil de la Universidad Santa María en Caracas, con la única pretensión de “ ser un aporte a la enseñanza de los pavimentos y un reconocimiento a los Profesores de esta materia en otras Universidades”.

En esta Segunda Edición se mantiene el mismo propósito y esta nueva versión contiene el mismo material y en el mismo orden que fue presentada en la primera edición, ya que la Ingeniería de Pavimentos se fundamenta en los mismos principios que se mantienen en el tiempo. El correr de los años mejora el grado de conocimiento en las materias que la conforman. Confiamos que la publicación que hoy presentamos pueda haber recogido el avance que se ha logrado en estos últimos años en los Pavimentos y que puedan reflejar también la experiencia que como Profesor aspiramos haber aprendido. Esta Edición, por otra parte, se realiza bajo la sombra de las Universidades Santa María y Católica Andrés Bello, en donde tenemos la fortuna de dictar la materia de “Pavimentos” a nivel de Pre-grado. Esperamos contribuir en la formación de los futuros Profesionales de la Ingeniería de Pavimentos en ambas Casas de Estudios, en una manera que podamos presentarnos con orgullo en el momento en que tengamos que hacer el balance de nuestro actuar Profesional.

Ing. Gustavo Corredor Muller

Caracas, octubre de 2004

Índice _______________________________________________________________________________

Apuntes de Pavimentos Volumen 1. Edición Octubre 2004. (Revisión Octubre 2006) In memorian Presentación Índice de Capítulos Capítulo 1 Introducción y conceptos básicos Definiciones y conceptos básicos Tipos de pavimentos Unidades de diseño Factores que influyen en el diseño de un pavimento Conceptos estructurales básicos en los pavimentos Flexibles Esfuerzos en los pavimentos flexibles Tipos de fallas en los pavimentos El proceso y las estrategias de diseño La red vial nacional

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Capítulo 2 Obtención y manejo de la información de tránsito para el diseño de pavimentos Características del tránsito (Definiciones y conceptos básicos) 2-1 Obtención de los valores de tránsito para el diseño de pavimentos 2-5 Lapso de medición de volúmenes de tránsito 2-15 Peso total y peso por eje de los vehículos de carga 2-16 Utilización de la información de tránsito para el diseño de pavimentos 2-19 Determinación del efecto de las cargas transmitidas por los diferentes tipos de ejes sobre un pavimento flexible 2-22 Metodología para el cálculo del número de cargas equivalentes (Ree o wt18) para el diseño de pavimentos 2-26 Estimación del Factor Camión para el caso en que no pueden pesarse los camiones 2-31 Número de días por año en que las variables de tránsito son aplicables 2-33 La variable tránsito en el Método AASHTO-2002 2-36 Capítulo 3 El material de sub-rasante y el ensayo CBR Sub-rasantes Ensayo de Soporte California (CBR) Importancia de la sobrecarga La necesidad de la saturación Ecuaciones de correlación cuando no pueden ejecutarse los ensayos de CBR de laboratorio en cada una de las

3-1 3-2 3-7 3-11

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Índice _______________________________________________________________________________

condiciones deseadas de humedad Selección del CBR en una Unidad de Diseño (criterio del percentil de diseño) Selección del CBR en una Unidad de Diseño (criterio de AASHTO-93) Módulo Resiliente (MR) Procedimiento resumido del ensayo triaxial dinámico Ecuaciones de corrlación CBR-MR Tipos de materiales a ser empleados como sub-rasantes o sub-rasante mejoradas Establecimiento de las Unidades de Diseño a lo largo de una carretera Planilla de ensayo CBR en muestra saturada Planilla de ensayo CBR en muestra húmeda Uso de geosintéticos para el mejoramiento de sub-rasantes Capítulo 4 Sub-bases y bases de materiales granulares no tratados Bases y sub-bases granulares Tipos de materiales para capas de sub-base Tipos de materiales para capas de base Especificaciones COVENIN para bases granulares Combinación de agregados Módulo de Elasticidad en las sub-bases granulares Módulos de Elasticidad en las bases granulares Ecuaciones de correlación entre el CBR y el MR en materiales granulares Especificaciones de uso de materiales granulares no estabilizados en función del CBR e hinchamiento Capítulo 5 Estabilización de suelos y mezclas de suelocemento Introducción Estabilización con cemento Diseño de mezclas de suelocemento Método general de dosificación (PCA) Método simplificado de dosificación (PCA) Método de dosificación por la AASHTO Diseño aproximado cuando no se puede ejecutar ningún tipo de ensayos Requisitos mínimos que deben satisfacer las mezclas de suelocemento de acuerdo a las normas venezolanas Construcción de mezclas de suelocemento Inspección y control de calidad en las obras de suelocemento Estabilización mediante empleo de aceites sulfonados Suelocal Índice

3-12 3-12 3-15 3-15 3-16 3-19 3-21 3-22 3-27 3-28 3-29

4-1 4-3 4-7 4-15 4-17 4-26 4-27 4-28 4-28

5-1 5-2 5-3 5-4 5-4 5-15 5-17 5-17 5-18 5-29 5-38 5-39 (i)

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Apuntes de Pavimentos Volumen 1

Capítulo 1 Introducción y conceptos básicos

Edición de octubre de 2004 (Revisión Octubre 2006)

Definiciones y conceptos básicos ___________________________________________________________________________

Diseño de Pavimentos Definiciones y conceptos básicos La Organización de los Estados Americanos, a través de su organismo técnico denominado Congresos Panamericanos de Carreteras, define a un pavimento como: "La superestructura de una vía, construida sobre la sub-rasante, y compuesta normalmente por la sub-base, la base y la capa de rodamiento, cuya función principal es soportar las cargas rodantes y transmitir los esfuerzos al terreno, distribuyéndolos en tal forma que no se produzcan deformaciones perjudiciales, así como proveer una superficie lisa y resistente para los efectos del tránsito" Dentro de esta definición se encuentran diversos términos, que irán siendo ampliados a medida que sean tratados como parte del pavimento. Esta definición es, por otra parte, orientada hacia el ingeniero o técnico que se relaciona con esta área de la ingeniería, y por tal razón se conoce como una "definición estructural", es decir aquélla que plantea los conceptos técnicos fundamentales de esta estructura. Esta definición fue la única utilizada durante muchos años, hasta que en la década de los años 60, se considera la razón para la que un pavimento se construya, y se genera la "definición funcional", mediante la cual se refiere a un pavimento como: "La parte superior de una carretera, pista de aterrizaje, o estacionamiento y cuyo objetivo es servir al tráfico de una manera segura, cómoda, eficiente, permanente y económica". El Diseño de pavimentos, será "el proceso de determinación de una combinación de tipos de materiales, y espesores de capas construidas con tales materiales, que garanticen tanto el comportamiento estructural de su conjunto, cuando es sometido a los efectos impuestos por las variables actuantes sobre esta estructura, como el cumplimiento de las funciones para las cuales ha sido diseñado". El Diseño de pavimentos presenta una serie de características importantes: • Es de desarrollo reciente: Se inicia básicamente a partir de 1945, fecha muy cercana a la actual. Otras técnicas de la ingeniería, edificaciones, canales, etc, han ido prácticamente paralelas al desarrollo de las concentraciones humanas • es dinámico: los métodos están cambiando continuamente al producirse nuevos datos, tanto de campo como de laboratorio. Como ejemplo de esta dinámica propia del diseño de pavimentos podemos citar al, quizás mejor de todos los métodos, que fue desarrollado por la AASHTO, que es introducido por primera vez en 1962 como una "Guía Provisional", se perfecciona en 1972 y en 1981, y nuevamente en el año 1986. Posteriormente, en el año 1993, se actualiza el procedimiento de diseño de rehabilitaciones, pero se mantiene igual al del año 1986 el procedimiento de diseño de nuevos

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Definiciones y conceptos básicos ___________________________________________________________________________

pavimentos. El Método del 86(93), ha sido validado para las condiciones particulares de Venezuela por el Dr. Augusto Jugo, en el año 1997. Para el año 2002 se esperaba una nueva versión de este método, la cual sin embargo, solo ha sido hecha del conocimiento de los Ingenieros en el mes de marzo de 2004. • Es atípico entre todos los diseños: es prácticamente la única estructura de uso definitivo que se diseña bajo la hipótesis de que fallará a un tiempo determinado. • Es un diseño a futuro: toma en consideración la variable "tiempo", y el diseño se realiza desde el momento presente y a lo largo de un número de años determinado. • No es uniforme, o único: se dispone de numerosos métodos; existen diferencias sobre la aplicabilidad de un mismo método en diversos sitios, lo que ha generado modificaciones sobre los métodos básicos, o al desarrollo de métodos particulares a un material o región. Así se dispone de métodos para pavimentos construidos con materiales asfálticos, con concreto, con mezclas de suelo y cemento, etc. • Es crítico: los pavimentos están sujetos a las condiciones ambientales, las cuales son no controlables, al abuso del tráfico y al mal mantenimiento, y los métodos no contemplan ningún "factor de seguridad" de aplicación directa. • Tiene una alta incidencia en la economía: pequeñas variaciones en valores de diseño (cms espesor) resultan en altos valores de inversión por los grandes volúmenes que significa su construcción. • Afecta la vida diaria del individuo: un alto porcentaje del tiempo de un ciudadano es pasado sobre un vehículo; si es inseguro puede causar accidentes con resultados económicos adversos y de salud o muerte. • Requiere del uso de mucho criterio: no existen dos pavimentos con condiciones idénticas, y en la optimización del proceso de diseño el ingeniero debe hacer participar, además de sus conocimientos técnicos en la materia, su experiencia e ingenio

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Definiciones y conceptos básicos ___________________________________________________________________________

Tipos de Pavimentos Históricamente los pavimentos han sido divididos en dos tipos: a. Pavimentos flexibles b. Pavimentos rígidos Es indudable que tal división proviene de una simplificación de todas las posibilidades de definiciones, pero representa verdaderamente la imagen que cualquier usuario recibe de los tipos de superficies sobre la que él rueda. Bajo este esquema se define como "Pavimento flexible" a aquél cuya superficie de rodamiento está constituida por una mezcla asfáltica, y sus principales características son: ° la capacidad estructural del pavimento es proporcionada por las capacidades de aceptación y distribución de cargas de cada una de las capas que conforman la estructura. ° son construidos en, al menos la capa superior, con material asfáltico ° variaciones pequeñas del suelo de fundación tienen gran incidencia en la capacidad estructural del pavimento ° las propiedades de las mezclas, afectan, aún cuando en menor grado, la resistencia del conjunto multicapa Por lo contrario, un "Pavimento rígido" es aquel que: ° distribuye la carga sobre un área relativamente grande del suelo por la rigidez y alto módulo de elasticidad de sus componentes; una gran parte de la capacidad estructural la proporciona la capa superior. ° construidos de concreto-cemento en su superficie de rodamiento ° en su comportamiento influye notablemente la resistencia del concreto ° variaciones pequeñas del suelo de fundación tienen poca incidencia en la capacidad estructural del pavimento Otras maneras, quizás menos frecuentes, de definir los tipos de pavimentos se basan en: • tipo de tráfico que soportarán: de autopistas, carreteras, aeropuertos, estacionamientos, etc. • intensidad de tráfico que circulará sobre ellos: para tráfico liviano, medio o pesado • manera como son construidos: mezclados sobre la vía, o en planta; o pavimentos en frío o en caliente En este Volumen, cuyo propósito fundamental es servir como libro de Texto para la enseñanza del Diseño de Pavimentos en las Universidades Santa María (USM) y Católica Andrés Bello (UCAB), se tratarán exclusivamente los pavimentos flexibles en caliente para carreteras, debido a varios factores, entre ellos: • son los más comunes en nuestro país • las limitaciones de tiempo en un curso de pre-grado no permiten cubrir otros tópicos

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Definiciones y conceptos básicos ___________________________________________________________________________

Tipos de pavimentos flexibles Las secciones de pavimento presentadas en la Figura 1, permiten comparar algunos de los tipos más comunes de "pavimentos asfálticos", o "pavimentos flexibles" Otras definiciones En la definición de un pavimento fueron incluidos varios términos para los cuales conviene aclarar su función, o participación, dentro de la estructura de un pavimento: • sub-rasante ancho total de la vía que constituye la fundación para el pavimento, hombrillos y zonas de estabilización. Este término realmente es compartido en los aspectos de diseño geométrico: en ellos se refiere al plano que separa la infraestructura y superestructura del pavimento; y en el diseño de pavimentos: en el cual se refiere a los últimos centímetros (generalmente 50,0 cm) del relleno o corte del movimiento de tierras, que sirven de soporte a la estructura capaz de recibir y reducir las cargas del pavimento. La sub-rasante no forma parte del pavimento, pero es una variable fundamental en su determinación.

Figura 1: Secciones transversales típicas de pavimentos flexibles

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Definiciones y conceptos básicos ___________________________________________________________________________

• Sub-base Parte de la estructura del pavimento construida directamente sobre la sub-rasante, y que sirve de soporte a la base. • Base Capa, o capas, de agregados, o de suelos o agregados tratados, destinadas a distribuir las cargas provenientes del paso de los vehículos sobre la sub-base o sub-rasante de la vía, y encima de la cual se construye la capa de rodamiento. • Capa de rodamiento Capa superior del pavimento que soporta directamente el tránsito, constituida por una o más capas. • Tránsito (Tráfico) Vehículos de todo tipo, con sus respectivas cargas, considerados aisladamente o en conjunto, que utilizan cualquier vía. El "Diseño" no es una actividad aislada dentro de todas aquellas relacionadas con los "Pavimentos", sino que forma parte de lo que hoy se conoce como "Sistema Gerencial de Pavimentos", y que en Venezuela ha sido definido como "Gerencia de Inversión en Pavimentos (GIP)1", y que es "una serie de actividades coordinadas, fáciles e integradas, cuyo fin inmediato es el de obtener un pavimento funcional". Este "Sistema Gerencial de Pavimentos", también puede ser considerado como un "enfoque sistemático que proporciona al administrador un resumen completo, preciso y significativo de la información necesaria para definir claramente los objetivos y las alternativas contempladas dentro de un programa global de pavimentos" La Figura 2 representa todo el conjunto de actividades que forman parte de un "Sistema Gerencial Idealizado de Pavimentos". En nuestro país no hemos alcanzado aún el grado de un "Sistema Idealizado de Gerencia de Pavimentos"; sin embargo se han venido adelanto acciones en el sentido de alcanzarlo: las universidades realizan investigaciones en el campo de pavimentos, especialmente como Trabajos Especiales de Grado, el Ministerio de Transporte y Comunicaciones desarrolló un método de diseño de pavimentos, y actualmente se trabaja en la implementación de un sistema gerencial de pavimentos. La Figura 3 representa la visión particular del autor de estos Apuntes, sobre el estado actual del "Sistema de Gerencia de Pavimentos en Venezuela", pero es necesario apuntar que, bajo un panorama generalmente pobre, existen ciertos casos en los cuales se ha destacado la acción de los profesionales en las etapas de investigación, evaluación y control de calidad, y que las empresas de más tradición disponen de suficientes equipos y personal técnico dispuesto a realizar los trabajos de pavimentación de acuerdo a las mejores técnicas.

1 Jugo, Augusto: Sistema de Gerencia de Inversión en Pavimentos, Caracas, 1988

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Definiciones y conceptos básicos ___________________________________________________________________________

Figura 2: Actividades dentro de un "Sistema Gerencial de Pavimentos"

Figura 3: "Sistema de Gerencia de Pavimentos en Venezuela".

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Definiciones y conceptos básicos ___________________________________________________________________________

• Unidades de diseño Una de las primeras decisiones que debe tomar un proyectista de pavimentos es la de como manejar una gran serie de variables, y transformarlas en "valores de diseño", que le permitan usarlas en el método seleccionado, como parte del proceso total. Efectivamente, el diseño de un pavimento es esencialmente distinto del de otra estructura de ingeniería: el pavimento, en su totalidad se apoya sobre el material de fundación y es, por lo tanto, altamente influenciado por las condiciones ambientales. Una carretera, por otra parte, atravesará en su desarrollo una multiplicidad de depósitos de suelos, cada uno con propiedades diferentes. Cada uno de esos suelos, que son la fundación del pavimento, y también los materiales y mezclas que formarán la estructura propiamente dicha del pavimento, se ven afectados por muchos factores, entre los que pueden citarse: densidad, humedad, textura y estructura de sus componentes, y grado de confinamiento. A todos estos hechos debe añadírsele la variabilidad propia del tráfico que actuará sobre el pavimento. Tales características hacen del diseño de pavimentos una tarea compleja, y para facilitar el manejo de tal volumen y tipo de información, el proyectista debe determinar unas "Unidades de Diseño", que pueden definirse como: "tramos de la vía que presentan condiciones similares de topografía, drenaje, clima, tráfico esperado, suelos existentes, y materiales de construcción." Por facilidades de construcción se establece que las "Unidades de Diseño" tengan, como regla general, una longitud mínima de dos (2) kilómetros. Del gran número de variables que participan en el diseño de un pavimento se deben destacar: • Tráfico ° Número y tipo de vehículos a lo largo del período de diseño ° Magnitud de la carga aplicada ° Configuración de la carga aplicada. ° Repeticiones de carga. ° Velocidad de desplazamiento. ° Presión de inflado/ área de contacto ° Error esperado en las estimaciones • Condiciones ambientales ° Precipitación pluvial ° Temperatura, o altura sobre el nivel del mar, de la unidad de diseño ° Drenaje del área en estudio ° Pendiente longitudinal promedio de la unidad de diseño • Suelo de fundación ° Resistencia o estabilidad ° Densidad ° Contenido de Humedad ° Textura y Estructura

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Definiciones y conceptos básicos ___________________________________________________________________________

° Grado de confinamiento • Materiales a ser empleados en la estructura del pavimento °° Tipo de subbase ° Resistencia o estabilidad ° Densidad ° Contenido de Humedad ° Textura y Estructura ° Grado de confinamiento ° Disponibilidad ° Costo ° Variabilidad en la construcción °° Tipo de base ° Resistencia o estabilidad ° Densidad ° Contenido de Humedad ° Textura y Estructura ° Grado de confinamiento ° Disponibilidad ° Costo ° Variabilidad en la construcción °° Tipo de rodamiento ° Resistencia o estabilidad ° Densidad ° Durabilidad ° Disponibilidad ° Costo ° Variabilidad en la construcción • Nivel de servicio ° Seguridad/Comodidad ° Capacidad de Servicio ° Durabilidad del Pavimento ° Mantenimiento durante el período de servicio ° Métodos constructivos • Costos ° Costos de Construcción ° Costo anual de mantenimiento

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Definiciones y conceptos básicos ___________________________________________________________________________

• Factores que influyen en el diseño de un Pavimento El diseño de pavimentos está conformado por dos grandes fases: a. cuantificación del tránsito, caracterización del material de fundación y de los materiales y mezclas que serán empleados en el pavimento b. determinación de los espesores de capas Ambas etapas deben ser desarrolladas simultáneamente: cada una depende de la otra; los espesores resultantes serán función de las características de los materiales y mezclas empleados en su construcción, y los espesores podrán condicionar las exigencias de calidad que se impongan sobre los materiales a ser empleados en el pavimento. • Método de diseño ° Para el Ingeniero que diseña pavimentos debe quedar claramente establecido que deben tomarse en consideración los siguientes elementos, relacionados con el procedimiento de diseño seleccionado: a. los conceptos teóricos empleados para predecir los parámetros de falla b. los métodos de evaluación de las propiedades de los materiales o mezclas que participarán en la estructura del pavimento c. la determinación de la relación entre los criterios de falla y de comportamiento esperado del pavimento La Figura 4 representa un resumen de los factores relacionados con el proceso de diseño de pavimentos. • Conceptos estructurales básicos en los pavimentos flexibles En el caso de los pavimentos flexibles, su capacidad de soporte se debe a la forma de como se distribuyen las cargas aplicadas sobre la superficie. Por definición, un pavimento flexible consiste de una serie de capas con el mejor material cercano a la superficie. Como consecuencia, la carga aplicada se reduce con la profundidad. La forma como ésta varíe dependerá de las propiedades de los diferentes materiales empleados en la construcción del pavimento. La sub-rasante es, finalmente la capa que debe soportar las cargas impuestas, al igual que las capas que sobre ella serán construidas. La Figura 5 muestra la carga de una rueda (W), que es transmitida a la superficie del pavimento a través del caucho del vehículo, y que resulta en una presión unitaria vertical aproximadamente uniforme, identificada como Po. Cada capa del pavimento absorbe parte de esta presión, y distribuye la presión restante sobre la capa inferior de tal manera que este esfuerzo se ve reducido a un valor menor al esfuerzo resistente de la capa subyacente.

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Definiciones y conceptos básicos ___________________________________________________________________________

Figura 4: Factores Relacionados con el Proceso de Diseño de Pavimentos

La selección adecuada de los materiales y/o mezclas, y de los correspondientes espesores, resultará en que el esfuerzo aplicado sobre la sub-rasante (P1), será suficientemente pequeño para ser soportado fácilmente por el material de fundación.

Figura 5: Distribución de las cargas de los neumáticos a través de la estructura de un pavimento flexible

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Definiciones y conceptos básicos ___________________________________________________________________________

Cada vez que un vehículo pasa sobre una sección de un pavimento, éste sufre una deformación, o deflexión, que es recuperable; es decir es una deformación elástica. La Figura 6 representa como la carga del vehículo (W) deforma levemente la estructura del pavimento, causando esfuerzos de tracción y compresión dentro del mismo. Las capas asfálticas tienen resistencia a la tracción y compresión para soportar los esfuerzos impuestos. Las capas granulares de sub-base y/o base sólo resisten esfuerzos de compresión.

Figura 6: Esfuerzos de tracción y compresión como resultado del paso de una carga sobre un pavimento flexible

• Esfuerzos en los pavimentos flexibles Estos Apuntes no pretenden discutir los conceptos teóricos sobre los esfuerzos actuantes en los pavimentos flexibles, pero deben al menos presentar las hipótesis válidas sobre las cuales se fundamentan todos los "Métodos Racionales" para el diseño de pavimentos. Estas hipótesis, representadas en la Figura 7, son: a. un pavimento está compuesto por un sistema de varias capas, es decir es un "Sistema Multicapa" b. los materiales en cada capa son homogéneos, es decir las propiedades del material Ai son las mismas del material Bi, ya que forman parte de la misma capa

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c. cada capa tiene un espesor finito, excepto la sub-rasante. Todas las capas, sin embargo son infinitas en la dirección lateral d. el material que forma cada capa es isotrópico, es decir las propiedades del material en el punto Ai son iguales en cualquier dirección e. se desarrolla una completa fricción entre las capas a nivel de las diversas interfases f. no ocurren esfuerzos cortantes en la capa de rodamiento g. los esfuerzos para cualquier material se definen mediante dos propiedades: la relación de Poisson (µ) y su módulo elástico (E )

Figura 7: Generalización de un sistema elástico multicapa Fuente: Principles of Pavement Design, Yoder & Witczack.

• Tipos de fallas en los pavimentos Tal como fue establecido inicialmente, un pavimento siempre tenderá a fallar. Estas fallas pueden ser, básicamente, de dos tipos: ° estructural: colapso, o rotura de uno o más de los componentes del pavimento, de una magnitud tal que lo hacen incapaz de soportar las cargas impuestas

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° funcional: condición del pavimento que causa incomodidad o inseguridad al conductor, o grandes esfuerzos sobre el vehículo al transitar sobre el pavimento. La falla funcional puede venir, o no, acompañada de una falla estructural. El grado de falla de un pavimento es progresivo; indudablemente, al poner una obra en servicio, no debe presentar falla alguna, pero al paso del tiempo, es decir la aplicación de las cargas y los efectos adversos de las condiciones climatológicas, van haciendo aparecer, y avanzar, las fallas. La calificación del grado de severidad de las fallas es, por otra parte, relativamente subjetiva, es decir dependiente de la persona que realice la evaluación. Es importante, sin embargo el conocer bajo que tipo puede calificarse una falla, estructural o funcional, ya que las medidas correctivas que el ingeniero vaya a tomar, dependerán de que tipo se trate. Las causas de las fallas, sin embargo, son comunes a ambos tipos, y pueden provenir de múltiples razones, entre ellas: ° sobrecargas, provenientes a su vez de vehículos con cargas totales muy altas, repeticiones del paso de los camiones muy por encima de las estimaciones iniciales, y elevadas presiones de contacto entre el caucho y el pavimento, causarán la falla prematura de la estructura ° efectos de las condiciones ambientales, que progresiva e irremediablemente irán deteriorando el pavimento. Muchas de las variables climáticas pueden ser estimadas, pero sigue siendo "pobre" la certeza en la predicción de su efecto sobre los pavimentos ° defectos en la construcción, harán que los materiales resulten con niveles de calidad menores a los supuestos en el diseño ° variabilidad propia de los materiales, que podrá conducir también a sectores del pavimento con niveles de calidad inferiores a los deseados ° mantenimiento inadecuado, conducirá a un desarrollo exponencial de una falla inicialmente de fácil corrección ° mal diseño, causado por errores en la información de entrada al método, o mala aplicación o interpretación de los resultados de ensayos Todas estas fallas pueden agruparse bajo un mismo término: subdiseño, sin que esto quiera decir que el Ingeniero realizó un trabajo profesional de bajo nivel, sino que todas las variables que actúan sobre un pavimento, que en la etapa de diseño son estimadas, pueden tener un comportamiento muy distinto, e impredecible, con el transcurrir del tiempo de trabajo del pavimento. Esta condición, muy real en nuestro país debido a la carencia de registros estadísticos permanentes y confiables, exigen del proyectista de pavimentos, un esfuerzo mayor en el análisis de toda la información disponible, con el fín de producir un diseño que se comporte la más parecido posible a como fue conceptuado.

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• El proceso y las estrategias de diseño Uno de los conceptos incorporados en los nuevos métodos de diseño es el relacionado con su "habilidad de prestar servicio", mejor conocida como "servicapacidad", en un momento determinado después de haber sido construido. La "servicapacidad" es una calificación, fundamentada en la evaluación subjetiva de los usuarios, del estado del pavimento y su relación con su funcionalidad, en ese momento determinado. La Figura 8 muestra la tendencia general de la servicapacidad a lo largo de los años de servicio de un pavimento. Es indudable que el nivel más alto lo logrará el pavimento en el momento de ser puesto en servicio, es decir el año "0" de su vida útil. A medida que el tráfico hace uso del pavimento, al transcurrir el tiempo, los valores de servicapacidad irán disminuyendo; la rata de disminución será función del nivel de mantenimiento que se le aplica a ese pavimento en particular.

Figura 8: Tendencia generalizada de la servicapacidad con el tiempo de servicio Fuente: Principles of Pavement Design, Yoder & Witczack.

Al llegar al año "y1", el pavimento exigirá una repavimentación mayor, y el nivel de servicapacidad se recuperará al valor inicial del año "0". A medida que el tráfico progresa, el proceso de disminución se repite, con la misma intensidad o no, y llegará el momento del año "y2", en el cual se requerirá nuevamente otra acción correctiva mayor.

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El diseño de pavimentos no es un proceso exacto, y tal como ha sido señalado anteriormente, depende de muchos factores. La Figura 9(a) muestra la relación entre el efecto de las cargas, definidas como "repeticiones acumuladas de un eje patrón de 18 kips", sobre dos pavimentos hipotéticos, uno sobre una fundación de alto valor de resistencia, medida mediante un ensayo empírico llamado CBR, y otro pavimento de bajo valor CBR, y los espesores requeridos en ambos casos. Si los mismos valores del Gráfico 9(a) se transforman en "años de aplicación del tráfico", las curvas toman las tendencias mostradas en la Figura 9(b).

Figuras 9(a) y 9(b): (a) espesores -vs- repeticiones de carga (b) espesores como función del tiempo de servicio Fuente: Principles of Pavement Design, Yoder & Witczack.

Durante el proceso de diseño, el proyectista tiene la posibilidad de seleccionar entre varias opciones, o "estrategias de diseño". La Figura 9(c) muestra varias de esas muchas opciones: refiriéndose a la curva superior de este gráfico, el proyectista puede decidirse por el espesor "t1" , lo cual significará que el pavimento durará hasta el año "y1", momento en el cual exigirá una repavimentación, que lo llevará hasta el año "y2", año en el que se aplicará una segunda repavimentación para extender la vida útil hasta el año "y3". Pero la estrategia del proyectista puede ser la de inicialmente seleccionar el espesor "t2" , lo que lo llevará directamente hasta el año "y2", momento en el cual requerirá la primera repavimentación. Como estas dos alternativas podrían plantearse otras, resultando en un número casi infinito de soluciones para el diseño inicial, dependiendo cada una de ellas del año de servicios que el proyectista espera lograr del pavimento antes de que éste requiera un mantenimiento mayor.

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Figuras 9(c) y 9(d): (c) varias estrategias de diseño para un mismo pavimento (d) costo inicial de construcción, de mantenimiento y total Fuente: Principles of Pavement Design, Yoder & Witczack.

Debe concluirse que, al final, la decisión referente al período que puede ser esperado como "vida útil" del pavimento, será el producto del proceso de estudio comparativo de las diversas alternativas; en este proceso el ingeniero deberá balancear los aspectos técnicos y los económicos: deberá decidir entre invertir más al momento de la construcción, y diferir el costo de mantenimiento, o por lo contrario, esperar un mayor costo de mantenimiento como consecuencia de una inversión limitada durante la etapa de construcción inicial. La Figura 9(d) pretende señalar los aspectos económicos relacionados con la decisión final: si la alternativa escogida resulta en una inversión inicial baja, por ejemplo como resultado de un pavimento con espesores totales muy reducidos, los costos de mantenimiento resultarán mayores debido al más rápido desgaste de la estructura. Por lo contrario, si el proyectista decide un pavimento de espesores mucho mayores, la inversión en mantenimiento se verá reducida, pero la inversión en la construcción inicial será mucho mayor que en la primera decisión. Se concluye, entonces, que el proceso de decisión deberá tomar en cuenta tanto los aspectos técnicos, como los económicos y las consecuencias de afectar, en mayor o menor grado al usuario de la vía. En teoría, el costo total de la estructura del pavimento debe incluir tanto los costos de construcción, como los de mantenimiento, como los causados a los usuarios en los casos de cierres temporales de la facilidad vial por los trabajos de reparación, y los que éstos sufren como consecuencia de desperfectos en sus vehículos por el mal estado del pavimento. Este proceso de cuantificación de costos totales no ha sido todavía considerado, en forma general, en nuestro país

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El proceso de toma de decisiones en el diseño de pavimentos es, en resumen, complejo y difícil, y depende de muchas variables, incluyendo el tipo de facilidad vial sobre la cual se construirá el pavimento. La aseveración anterior puede aclararse mediante un simple ejemplo: es fácil reparar frecuentemente una vía agrícola, sus usuarios son escasos y el tiempo de espera por reparaciones no tiene un gran significado; no sucede lo mismo en una autopista urbana como la del Este en Caracas, en la cual no puede pensarse en cerrarla durante el día debido al tremendo problema de circulación que se ocasionaría. Se debe recordar, además, que los valores de diseño son estocásticos por naturaleza, y que la variabilidad de cualquiera de ellos puede ser extremadamente alta, el proyectista debe seleccionar para cada una de las variables de diseño un sólo valor que la represente verdaderamente. El Ingeniero debe tratar de predecir el comportamiento futuro del pavimento, sin recurrir al largo proceso de esperar que el tráfico, las condiciones ambientales, las características de construcción y el mantenimiento sobre la vía, entre otros factores, hayan actuado realmente sobre el pavimento que será construido de acuerdo a su diseño. El diseño de pavimentos es un proceso complejo y es oportuno reproducir un pensamiento encontrado en el escritorio del Ingeniero Matt Witzack, quizás el mejor profesional de la ingeniería de pavimentos, quien actualmente es el líder de la investigación que está conduciendo al desarrollo del nuevo método de la AASHTO. Este pensamiento dice: “La Ingeniería de Pavimentos es el arte de utiizar unos materiales que no entendemos completamente, en formas que no podemos analizar con precisión, para que soporten cargas que no sabemos predecir con exactitud, en una forma tal que nadie sospeche nuestra ignorancia”.

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Definiciones y conceptos básicos ___________________________________________________________________________

La red vial nacional Con el fin de lograr un cabal entendimiento, y la correcta interpretación de la red vial existente en Venezuela, al ser asociada ésta con los pavimentos, es conveniente conocer la manera como ella se ha dividido, ya sea en función de la importancia de la vía, o del tipo de su superficie de rodamiento. • Definiciones por importancia de la vía De acuerdo a la importancia de la vía, la red de carreteras y autopistas de Venezuela se clasifica en 2: ° Carreteras Troncales Sistema de carreteras que contribuyen, o contribuirán en el caso de que no estén aún construidas, a la integración nacional y al desarrollo económico del país, a la vez que proveen la interconexión regional y la comunicación internacional. Las carreteras dentro de esta clasificación absorben altos volúmenes de tráfico entre los centros poblados de mayor importancia. Se codifican con las siglas "TO", seguidas de dos dígitos, que se corresponden a su vez con la vía en particular. Los dígitos impares significan que su trazado es "E-W" ó "W-E", y los pares se ha reservado para aquellas troncales con sentido "N-S" ó "S-N". Se identifican en los mapas de vialidad por estar encerradas dentro de una figura en forma de escudo. Como ejemplo de troncales se puede mencionar la TO-01, que saliendo de Caracas va, vía autopista, hasta Valencia y luego a Puerto Cabello y Morón. En esta población continúa hacia San Felipe-Barquisimeto-Carora-El Vigia y finaliza en la ciudad de San Cristóbal. El origen del sistema nacional de vialidad se encuentra en Caracas, en la Autopista del Valle en el sitio donde se inicia la rampa que va hacia los túneles del Valle y El Paraíso, muy cerca de una estación de servicio Deltaven. En este sitio nace, hacia el Oeste la TO-01, y hacia el Este la TO09, que termina en Guiria, después de pasar por Guarenas-GuatireCaucagua-El Guapo-Clarines-Píritu-Barcelona, continuando luego hacia Cumaná y Carúpano. ° Carreteras Locales Son carreteras de interés regional, pues permiten la comunicación desde centros poblados a vías de mayor importancia y reciben el tránsito proveniente de ramales y sub-ramales. Un buen ejemplo de local es la "LO-01" del Estado Miranda, que nace en el Distribuidor frente a las instalaciones militares de Conejo Blanco, en la Autopista del Valle, y se desarrolla hacia Los Teques, y continúa hacia Tejerias, donde, un poco antes de esta población, en el límite entre Miranda y Aragua, termina como LO-01 del Estado Miranda, y se inicia como LO-01 del

2Definiciones tomadas del "Nomenclador Vial" del MOP -hoy MINFRA-. Edición 1966

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Definiciones y conceptos básicos ___________________________________________________________________________

Estado Aragua. Se identifican en los mapas de vialidad por estar encerradas dentro de una figura en forma de círculo. ° Carreteras Ramales Conforman el sistema vial que complementan otros medios de comunicación tales como carreteras principales, ferrocarriles y aeropuertos. Intercomunican centros poblados de menor importancia y permiten su acceso a la red primaria. Su interés es estrictamente estadal. Se identifican en los mapas de vialidad por estar encerradas dentro de una figura en forma de rectángulo. ° Carreteras Sub-ramales Conforman, junto con las ramales, el sistema secundario, y su función básica es la de permitir el acceso a fundos y centros de muy baja densidad poblacional. Permiten también la incorporación de las regiones aisladas. Al igual que las ramales, se identifican en los mapas de vialidad por estar encerradas dentro de una figura en forma de rectángulo. En la Figura 10 se presenta la red planificada de carreteras troncales y autopistas • Definiciones de acuerdo al tipo de superficie de rodamiento De acuerdo al tipo de materiales que conforman la superficie de rodamiento, la red vial se divide en los tipos que se mencionan a continuación, y que se discriminan en la Tabla 1:: ° Carreteras de concreto Se agrupan dentro de este tipo aquellas vías cuya superficie de rodamiento está constituida por una mezcla de concreto-cemento. Actualmente, dentro del sistema regional -excluyendo las vías urbanas- sólo se cuentan dentro de este tipo a la autopista Valencia - Puerto Cabello, y un tramo de la pista "W-E" de la Autopista del Valle (TO-01) en Caracas. ° Carreteras de asfalto En este tipo de pavimento se agrupan aquellas vías cuya superficie de rodamiento está formada por una mezcla asfáltica, ya sea en frío o caliente, sea cual sea la base sobre la cual están construidas. Dentro de este grupo se incluyen también las vías de concreto-cemento que han sido repavimentadas con mezclas asfálticas. Prácticamente toda la red vial pavimentada en Venezuela es de superficie asfáltica, ya que de los 29.991,30 km pavimentados, un 99,80% de ellos corresponden a este tipo, tal como se observa en la Tabla 1. ° Carreteras engranzonadas Se clasifican dentro de este grupo a aquellas vías que tienen como carpeta de rodamiento un material granular grueso o fino. ° Carreteras de tierra tratada Dentro de este tipo de carreteras quedan incluidas todas aquellas vías que presentan como carpeta de rodamiento a una mezcla estabilizada de suelo y

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Definiciones y conceptos básicos ___________________________________________________________________________

agregado. El agregado puede estar constituido por arena, grava, piedra picada o escoria. Como cementante se emplea asfalto, cal o cemento, aceite sulfonado, o cualquier otro agente estabilizante. ° Carreteras de tierra Se incluyen en este renglón todas aquellas vías que presentan una superficie de rodamiento constituida simplemente por el suelo natural compactado. Tabla 1 Red Vial Venezolana registrada (km) por tipo de pavimento y nomenclatura, para el año 19973

Nomenclatur a Troncal Local Ramal Subramal Total

kms por tipo de superficie de rodamiento Concreto Asfalto Granzón Tierra 30,0 0,0 0,0 0,0 30,0

10.899,9 10.329,0 11.069,5 6.863,5 39.161,9

180,8 1.529,8 9.572,8 14.821,1 26.104,5

924,6 1.079,2 4.516,8 23.838,8 30.159,4

Total 12.035,3 12.938,0 25.159,1 45.523,4 95.655,8

La Tabla 2: "Red Vial Terrestre Nacional por Entidad y Tipo de Pavimento", presenta la distribución, por entidad federal, de la red venezolana para el año 1997. En esta Tabla las "carreteras de tierra" y las de "tierra tratada" se incluyen dentro de un mismo grupo. La red nacional, por otra parte, se encuentra referenciada a un origen común que se conoce como el “cero nacional” y está ubicado en la Autopista Valle-Coche, a la altura de la Estación de Servicio de Fuerte Tiuna. De este punto nace la TO-01, que termina en la población de San Antonio del Táchira, después de haberse dividido en el Distribuidor San Blas en Valencia, Estado Carabobo, sitio donde nace la TO-05, que finaliza en la ciudad de San Cristóbal. La TO-01, además, al llegar a la altura de Taborda, en las cercanías de la Refinería de Puerto Cabello, da origen a la TO-03, que llega hasta la ciudad de Maracaibo, en el Estado Zulia. En este cero nacional arranca también la TO-09 que termina en la población de Guiria, en el Estado Sucre, después de haber recorrido los Estados Miranda, Anzoátegui y Sucre. Existen algunos casos particulares de tramos de carreteras troncales que tienen una doble codificación, por ejemplo, el tramo entre El Palito y Morón es simultáneamente TO-01 y TO-03.

3 Fuente: MINFRA, Dirección de Vialidad, Oficina de Planificación y Presupuesto, 1997

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Definiciones y conceptos básicos ___________________________________________________________________________

Tabla 2 Red Vial Interurbana de Venezuela (km) registrada por Tipos de pavimento y por Entidad Federal4

Entidad Federal Dto. Federal Amazonas Anzoátegui Apure Aragua Barinas Bolívar Carabobo Cojedes Delta Amacuro Falcón Guárico Lara Mérida Miranda Monagas Nueva Esparta Portuguesa Sucre Táchira Trujillo Yaracuy Zulia Total Porcentaje

kms por Tipo de superficie de rodamiento Concreto Asfalto Granzón Tierra

30,0

30,0 0.03

574,0 186,7 3.748,9 1.135,8 1.096,0 807,9 2.797,8 1.049,6 669,3 200,9 2.600,9 2.281,2 1.595,3 1.087,0 1.555,8 2.055,2 460,0 911,7 1.165,6 1.715,6 1.207,6 660,5 5.396,6 34.959.9 36.55

273,3 64,6 2.083,1 823,0 733,3 1.547,4 2.136,7 784,7 1.210,0 37,1 1.125,3 2.715,3 1.530,3 659,7 1.020,6 1.262,8 75,9 3.311,2 770,5 1.256,7 782,5 1.209,1 1.526,2 26.939.3 28.16

155,4 336,9 4.443,7 2.308,9 573,7 2.471,0 2.643,2 252,0 459,9 335,3 3.856,1 2.604,2 2.792,5 695,2 426,4 2.444,9 230,9 987,8 429,9 470,0 839,7 497,8 3.453,2 33.726,6 35.26

Total 1.002,7 570,2 10.275,7 4.267,7 2.403,0 4.826,3 7.577,7 2.116,3 2.339,2 573,3 7.582,3 7.600,7 5.918,1 2.477,9 3.002,8 5.762,9 766,8 5.210,7 2.366,0 3.442,3 2.829,8 2.367,4 10.376,0 95.655,8 100,00

1 Fuente: MINFRA, Dirección de Vialidad, Oficina de Planificación y Presupuesto, 1997

4 Fuente: MTC, Dirección de Vialidad, Oficina de Planificación y Presupuesto, 1992

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Definiciones y conceptos básicos ___________________________________________________________________________

Figura 10: Sistema nacional de carreteras troncales y autopistas de Venezuela

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Apuntes de Pavimentos Volumen 1

Capítulo 2 Obtención y manejo de la información de tránsito para el diseño de pavimentos

Edición de octubre de 2004 (Revisión Octubre 2006)

Obtención y manejo de la información de tránsito

_____________________________________________________________________ Características del Tránsito • Introducción “El tránsito es la variable más importante en el diseño de pavimentos”. Así comienza el Profesor Yang H. Huang, de la Universidad de Kentucky, el Capítulo dedicado a este tema en su libro “Análisis y Diseño de Pavimentos” 1. En Venezuela deberíamos añadir que es también la menos estudiada y a la que se le otorga la menor importancia. Para el dimensionamiento de un pavimento es necesario determinar los efectos que las cargas de estos vehículos causarán sobre el pavimento, por lo cual se debe conocer el número y tipo de vehículos que circularán por una vía, así como la intensidad de la carga y la configuración del eje que la aplica. El objeto de este capítulo es presentar la metodología para la determinación de los parámetros de tránsito que se requieren para el diseño estructural de los pavimentos en carreteras y autopistas interurbanas. En el país los bienes de producción y consumo se transportan básicamente por carretera. La Norma COVENIN 614 actualizada en el año 19972, establece la siguiente reglamentación en cuanto a cargas máximas: ° 6.000 kg. en eje simple de 2 cauchos ° 13.000 kg. en eje simple de 4 cauchos ° 20.000 kg en dos ejes simples consecutivos de 4 cauchos cada uno ° 27.000 kg en tres ejes simples consecutivos de 4 cauchos cada uno No existe en Venezuela un control de cargas eficiente; lo dispuesto en la Ley y Reglamentos de Tránsito es "letra muerta", y por ello estas disposiciones son violadas constantemente, lo que ha traído como consecuencia el deterioro prematuro de centenares de kilómetros de vías pavimentadas, causando pérdidas apreciables al Patrimonio Nacional. • Definiciones y conceptos básicos A continuación se presentan una serie de definiciones de términos referentes a los vehículos y cargas que se sirven de una vía, y que serán empleados en los procesos de diseño de pavimentos. Estos términos han sido tomados de la publicación "NORVIAL: Vocabulario Vial", la cual fue editada por el Ministerio de Transporte y Comunicaciones en Mayo de 1977. ° Tránsito (Tráfico): Los vehículos de todo tipo, con sus respectivas cargas, considerados aisladamente o en conjunto, mientras utilizan cualquier vía. ° Volumen de Tránsito: Número de vehículos que pasan por una sección dada de un canal o vía, durante un período determinado 1

Huang, Yang: “Pavement Analysis and Systems”. University of Kentucky. Mac Graw International, 1995. 2 Comisión Venezolana de Normas Industriales (COVENIN): Norma 614-1997: Límite de peso para vehículos de carga (1ra. Revisión). __________________________________________________________________________ 2-1

Obtención y manejo de la información de tránsito

_____________________________________________________________________ ° Promedio Diario de Tránsito (PDT o PTDA): volumen promedio de tránsito en veinticuatro (24) horas, obtenido al dividir el volumen total durante un determinado tiempo, generalmente un (1) año, por el número de días del mismo período ° Volumen de tránsito Actual: es aquel que circulará por una vía si ella estuviera abierta al tránsito. En el caso de vías existentes, donde se cuenta con datos estadísticos, el tránsito actual se puede obtener proyectando para la fecha en consideración la tendencia de los registros históricos. En el caso de vías que van a ser mejoradas, el tránsito actual estará compuesto por el existente antes de la mejora, más el tránsito atraído de otras vías cercanas por las ventajas que ésta ofrece. En el caso de vías nuevas todo el tránsito será atraído. ° Tasa de Crecimiento (TC): Es el incremento anual del volumen de tránsito en una vía, expresado en porcentaje. Se determina en base a los datos de las estaciones de conteo, extrapolando la tendencia de los datos estadísticos. ° Proyección de Tránsito: El volumen de tránsito para un año cualquiera se determina empleando la siguiente ecuación:

PDTn =

PDTo * (1+ TC) n

(E-1)

en donde: • • • •

PDTn = Volumen diario de vehículos para el año "n" PDTo = Volumen diario de vehículos para el año inicial del período considerado. TC = Tasa de Crecimiento para el período de años en análisis, expresada en forma decimal n = Número de años del período considerado

° Composición del Tránsito: es la relación porcentual entre el volumen de tránsito correspondiente a cada diferente tipo de vehículos, expresado en función del volumen de tránsito total. ° Vehículos Livianos: son todos los vehículos de dos ejes y cuatro ruedas, tales como: automóviles, camionetas y camiones de dos ejes con ruedas traseras sencillas. ° Vehículos Pesados: son todos los autobuses y camiones, con no menos de seis ruedas y/o tres o mas ejes individuales (eje trasero con cuatro ruedas, en el caso de vehículos de dos ejes). Se clasifican de acuerdo a diferentes categorías señaladas en la Tabla 1, donde se indica tanto la nomenclatura que utiliza la Oficina de Planificación del Transporte Terrestre (O.P.T.T) del Ministerio de Infraestructura, como la establecida en la Norma "COVENIN 2402-86".

__________________________________________________________________________ 2-2

Obtención y manejo de la información de tránsito

_____________________________________________________________________

Tabla 1 Tipos y características de los vehículos pesados que circulan normalmente por la red vial venezolana, con indicación del número de ejes por camión y la carga máxima total de acuerdo a la Norma COVENIN 614-1997

__________________________________________________________________________ 2-3

Obtención y manejo de la información de tránsito

_____________________________________________________________________ Los tipos de camiones se dividen en los siguientes grupos, de acuerdo a la Norma COVENIN 2402-1986: (a) camiones unitarios: vehículos con sistema de tracción y de carga integrados en una sola unidad (2RD, y O3E) (b) Semitrailers: vehículo compuesto por una unidad de tracción que no lleva carga (chuto) que arrastra una plataforma o batea sobre la cual va la carga, y que tiene un solo grupo de ejes, ya sea simple o compuesto. Se identifican con un primer dígito que designa el número de ejes individuales del tractor, seguido por el carácter alfabético “S” (Semitrailer) y con un segundo dígito que designa el número de ejes individuadles de la plataforma remolcada (c) Remolques: vehículo compuesto por un camión unitario que arrastra un componente carente de motor con eje(s) delantero(s) y trasero(s) que descansa sobre sus propios ejes (remolque). Se identifican con un primer dígito que designa el número de ejes individuales del camiòn, seguido por el carácter alfabético “R” (Remolque) y con un segundo dígito que designa el número de ejes individuadles de la unidad remolcada. ° Período de Análisis: Se entiende como tal el número de años seleccionado para la comparación de las diversas alternativas de diseño; generalmente es de veinte (20) años para vías troncales y autopistas, aún cuando actualmente se está considerando un período de hasta treinta (30) años para autopistas urbanas. ° Período de Diseño: Es el número de años para el cual se diseña específicamente el pavimento; generalmente varía entre los ocho (8) y veinte (20) años, dependiendo del tipo de vía. En casos excepcionales pudiera reducirse el periodo de diseño hasta un mínimo de cinco (5) años. Al final del Período de Diseño puede esperarse que el pavimento requiera una carpeta asfáltica de refuerzo para restaurar su capacidad de servicio. La Tabla II resume los periodos de diseño recomendados por la Asociación Americana de Administradores de Carreteras y Transporte (AASHTO) y la correspondiente a la tipología de la red vial nacional Tabla 2 Periodos recomendados de diseño Tipo de vía según AASHTO Principal

Secundaria Terciaria

Según nomenclador vial venezolano Autopista urbana o rural de alto volumen y vía troncal

Periodo de diseño (años)

Vía local Vía ramal, sub-ramal o agrícola

12-15 8-12, con mínimo de 5 años

15-20

El "Período de Diseño" no debe ser confundido con la "Vida Útil" del pavimento, ni con el Período de Análisis; este último puede comprender varios Períodos de Diseño, como en el caso de la pavimentación por etapas. Por otra parte, la "Vida Útil" de un pavimento puede extenderse indefinidamente con la colocación de

__________________________________________________________________________ 2-4

Obtención y manejo de la información de tránsito

_____________________________________________________________________ carpetas de refuerzo y otras medidas de rehabilitación, o durar mucho menos que lo estimado en el diseño, debido a fallas prematuras, o "sub-diseño" del pavimento • Obtención de los valores de tránsito para el diseño de pavimentos Normalmente el Ingeniero Proyectista de pavimentos recibe la información de tránsito que ha sido obtenida y procesada por la OPTT, o por especialistas consultores en esta área de la ingeniería; sin embargo, su responsabilidad es la de procesar adecuadamente tal información, y muchas veces, realizar mediciones en el sitio, con el fin de ajustar o verificar la información recibida. Debido a la importancia de este tema, se considera que en cualquier diseño de pavimentos debe participar un especialista en tráfico, con el fin de que esta variable de diseño, tan importante, o quizás más que la información de suelos y materiales, sea la más ajustada a las expectativas futuras de la facilidad vial. Es la opinión del Autor que en Venezuela no se le ha dado la importancia que realmente tiene la recolección y procesamiento de la información de tránsito para el diseño de pavimentos, y que se debe profundizar en los estudios de esta variable para cada diseño particular. A continuación se describe muy brevemente el proceso empleado en Venezuela para la obtención de la información de tránsito para el diseño de pavimentos: 1. Volumen y tipo de vehículos (a) Sistema de Primera Generación La antigua Oficina de Planeamiento Vial, adscrita al desaparecido Ministerio de Obras Públicas, implementó, desde el año 1963 y hasta el año 1976, un Sistema de Conteos de Tránsito en 1.606 puntos de la red vial nacional de carreteras, mediante el empleo de sistemas mecánicos por detectores neumáticos tales como los que se muestran en las siguientes figuras:

Los sistemas mecánicos por bandas neumáticas presentan la ventaja de su economía, pero su mayor limitación es que no clasifican los tipos de vehículos que sobre ellas circulan, por lo cual sus mediciones siempre deben ser corregidas por observaciones visuales, de tal manera que el número de “ejes registrados” se haga coincidir con los “ejes reales”. Esta corrección se hace a lo largo de un __________________________________________________________________________ 2-5

Obtención y manejo de la información de tránsito

_____________________________________________________________________ tiempo determinado, y su “factor de corrección” se aplica a toda la medición, independientemente del tiempo que en que esta haya sido realizada. Esta actividad fue paralizada desde 1977 hasta 1979, cuando se inicia el Ministerio de Transporte y Comunicaciones. Entre los años 1979 y 1981 se reinicia esta actividad, pero prácticamente, desde 1982 se cubren cada vez un menor número de estaciones. Cada tipo de estación tiene la siguiente característica: ° Estaciones Permanentes (67 puntos de registro en la red vial): Son aquellas localizaciones de la carretera, señalizadas ó no, sobre las cuales se efectúan conteos del volumen de tránsito en forma continua, mediante dispositivos mecánicos (todas las horas del día y todos los días del año). Estas estaciones han sido hoy en día sustituidas por los puntos de peaje. ° Estaciones de Cobertura 1(395 puntos de registro en la red vial): Son aquellas localizaciones de la carretera, señalizadas ó no, sobre las cuales se efectúan conteos del volumen de tránsito mediante, dispositivos mecánicos en días laborales de 24 horas de duración, cada mes del año ° Estaciones de Cobertura 5 (1259 puntos de registro en la red vial): Son aquellas localizaciones de la carretera, señalizadas ó no, sobre las cuales se efectúan conteos del volumen de tránsito mediante, dispositivos mecánicos en días laborales de 24 horas de duración, tres veces al año (una vez cada cuatro meses) ° Estaciones Especiales: Son aquellas localizaciones en carreteras o vías urbanas, señalizadas ó no, sobre las cuales se efectúan conteos del volumen de tránsito mediante, dispositivos mecánicos en días laborales ó no, de 24 horas de duración, en cualquier momento La información recabada mediante este sistema de conteos no solamente ha permitido conocer las leyes que rigen la circulación del tránsito en la carreteras del país, sino que también ha servido para determinar los valores de los coeficientes de ajustes diarios y mensuales para los conteos realizados en "Estaciones de Cobertura 5", ubicadas sobre la red primaria. Es conveniente observar que las cifras presentadas en todas la estadísticas de tránsito publicadas hasta la fecha, incluyendo la última publicada en 1983, no han sido ajustadas mediante la aplicación de dichos coeficientes. También cabe observar que, aún cuando se sigue manteniendo la nomenclatura y los nombres de los tres tipos de estaciones creados en 1973, los conteos que se han venido realizando desde 1976 no se ajustan a las condiciones establecidas en la definición de cada tipo de estación. Mediante el análisis estadístico de los valores de tráfico correspondientes al período 1964-1968, se determinó que los máximos errores de estimación que podían contener las cifras presentadas en las estadísticas publicadas hasta 1976, y los cuales se consideran como válidos hasta la fecha actual, eran las indicadas en la Tabla 3, siempre que las mismas se refieran a carreteras de poco tránsito recreacional: __________________________________________________________________________ 2-6

Obtención y manejo de la información de tránsito

_____________________________________________________________________ Tabla 3 Niveles de precisión y confianza de los valores de tráfico según el tipo de Estación de Conteo Tipo de Estación Permanente Cobertura 1 Cobertura 5

Precisión Error Ninguno 14.4 35.0

Nivel de confianza 100 95 95

Todos los análisis se basaron en la suposición de muestras aleatorias simples, así como de que los datos seguían una distribución normal o de Gauss. La Figura que se muestra a en la siguiente página corresponde a la información que suministra el MINFRA como resultado de uno de sus conteos mecánicos: Es conveniente señalar nuevamente que la Oficina de Planificación de Transporte Terrestre (OPTT) del Ministerio de Infraestructura (MINFRA) puede suministrar la información básica de tránsito de la mayor parte de la red vial venezolana. La determinación del volumen de tránsito actual en las vías nuevas, o que vayan a sufrir mejoras de consideración, requiere de un cúmulo de información que normalmente no está al alcance del proyectista de pavimentos; en estos casos generalmente habrá que obtener los valores de tránsito de la OPTT; si ésta no los tuviere se tendrá que realizar un estudio especial, directamente a través de ella o a través de especialistas en esta rama de la ingeniería. En esta Tabla 4 se presenta, para cada Estación de Conteo, la siguiente información: ° Número de la estación ° Identificación (Descripción del tramo vial en el cual está ubicada la estación de conteo ° Identificación de la vía (Troncal, local, etc.) ° Entidad Federal a la que pertenece el tramo vial ° Tipo de pavimento (asfalto, concreto, granzón, tierra) ° Año y valor del PDT ° Porcentaje de vehículos pesados ° Año de la última determinación del porcentaje de vehículos pesados

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Obtención y manejo de la información de tránsito

_____________________________________________________________________

Figura 1: ejemplo de conteo vehicular por medios mecánicos

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Obtención y manejo de la información de tránsito

_____________________________________________________________________ La Tabla 4 muestra una de las hojas típicas de la publicación "Estadísticas de Tránsito, Período 1972-1981, Ministerio de Transporte y Comunicaciones, 1982". Tabla 4 "Estadísticas de Tránsito, Período 1972-1981 Ministerio de Transporte y Comunicaciones, 1982"

__________________________________________________________________________ 2-9

Obtención y manejo de la información de tránsito ________________________________________________________________________

La información de tránsito, tal como es suministrada por la OPTT, puede ser utilizada para proyectar el tráfico futuro de una vía, en vez de utilizar la Fórmula (E1), cuando los valores de Tasa de Crecimiento no son constantes a lo largo de los años, que es el caso común. El procedimiento consiste en graficar la información, y obtener una curva y su correspondiente ecuación, tal como la que se presenta en la Figura 2, a partir de la cual se puede estimar el valor de tráfico en un año futuro cualquiera. (b) Sistemas de segunda generación Los sistemas de conteo vehicular por medios mecánicos ha sido mejorado gracias al desarrollo de equipos que utilizan diversos sistemas: eléctricos, fotoeléctricos, piezo-eléctricos, de radar, magnéticos, ultrasónicos, infrarrojos, etc. Desde comienzos de la década de los años 90, cuando se implementa en Venezuela el sistema de las “Concesiones de Mantenimiento”, se han instalado cerca de 62 “Estaciones de Peaje”, en los corredores viales de las troncales y autopistas, que emplean fundamentalmente los medios piezo-eléctricos o magnéticos para la obtención de la información de tránsito.

Peaje “El Rastro”, Estado Guárico

Estas estaciones de peaje han venido a reemplazar las “estaciones de conteo permanente” y registran la información diaria, no solo de número de vehículos, sino también clasifican los diferentes tipos de vehículos que atraviesan un peaje determinado. Su gran ventaja es que permiten registrar todos y cada uno de los diferentes vehículos que transitan por el punto de medición; en su contra se esgrime el argumento de que presentan un mayor costo de ejecución. Para la fecha actual (octubre 2004) el costo de una medición de una semana continua se aproxima a los 3.150.000 Bs. (1.640 US$).

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Obtención y manejo de la información de tránsito ________________________________________________________________________

Tabla 4-a: Ejemplo de registro mensual en la estación de Peaje Simón Planas, ubicada en la carretera Acarigua-Barquisimeto

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Obtención y manejo de la información de tránsito ________________________________________________________________________

El modelo de registro anterior clasifica los vehículos no por “Tipo COVENIN”, sino en función del “tipo y Número de ejes”. La siguiente tabla describe, para este Peaje en particular, la tipología de cada clasificación: Clase 1 2 3 4 5 6 7 8

Descripción Vehículo liviano (pasajeros y pickup) Colectivos (2RD y O3E) Camión 2RD Carga liviana, Tipo 350 Camión 2RD Carga pesada, Tipo 750 Camión O3E y Semitrailers 2S1 Semitrailers y remolques de 4 ejes Semitrailers y remolques de 5 ejes Semitrailers y remolques de 6 o más ejes

Debe recordarse que, en el caso venezolano, cada estación de peaje puede tener su propia tabla de clasificación. La precisión de estos sistemas es del 100%, con la ventaja ya comentada que no solo permiten el registro del total de vehículos, sino aportan la información del conteo clasificado por tipo de vehículo. La información obtenida año tras año en los sitios de conteo, tal como se ilustra en la Tabla 4, permite estimar cómo será el volumen en una vía en un año futuro, por medio de proyecciones estadísticas, un ejemplo se presenta en la Figura 2. Figura 2 Ejemplo de proyección gráfica de valores futuros de tráfico en función de valores históricos

Registros históricos de volúmenes de tránsito. Límite Aragua-Distribuidor Santa Clara 20,000 18,000

PDT

16,000 14,000

y = 744.58x - 1E+06 R2 = 0.6243

12,000 10,000 8,000 6,000 4,000 1970

1972

1974

1976

1978

1980

1982

Año del conteo

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Obtención y manejo de la información de tránsito ________________________________________________________________________

A continuación se muestra la serie histórica del registro en una estación de peaje: Resultados de conteos en Carretera Acarigua-Barquisimeto Conteo en ambos sentidos Año 1998 1999 1999 1999 1999 1999 1999 1999 1999 1999 1999 1999

Mes

N° días Clase 1

Clase 2

Clase 3

Clase 4

Clase 5

Clase 6

Clase 7

Clase 8

Exonerados

Total

PDT

%Vp

10,688 18,316 18,878 21,132 17,119 18,495 17,799 17,989 17,698 18,584 18,260 19,265

7,078 13,143 13,447 15,260 12,092 12,859 12,094 12,053 12,095 13,354 12,608 13,157

1,095 2,276 2,435 2,701 2,293 2,315 2,074 2,043 2,120 2,343 2,194 2,355

1,152 2,181 1,946 2,269 1,982 1,962 1,684 1,513 1,614 1,527 1,722 1,660

5,103 8,928 8,107 10,715 9,707 9,931 8,811 8,098 9,034 7,825 8,014 7,826

3,734 7,212 6,826 8,010 7,052 7,218 6,438 5,960 6,357 6,372 6,827 6,477

1,359 1,727 1,312 1,372 1,276 1,514 1,606 1,435 1,356 1,228 1,373 1,213

127,036 208,640 195,912 220,239 195,834 208,074 199,167 206,187 217,595 211,691 213,333 212,181

7,058 6,730 6,997 7,104 6,528 6,712 6,639 6,651 7,019 7,056 6,882 7,073

26.46% 28.55% 30.11% 30.95% 29.35% 29.12% 28.33% 27.06% 26.60% 27.69% 27.47% 28.04%

1999 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000

Diciembre 18 92,057 4,770 Enero 31 147,339 7,518 Febrero 28 135,617 7,344 Marzo 31 150,700 8,080 Abril 30 137,073 7,240 Mayo 31 145,979 7,801 Junio 30 141,135 7,526 Julio 31 148,956 8,140 Agosto 31 158,348 8,973 Septiembre 30 151,845 8,613 Octubre 31 153,360 8,975 Noviembre 30 151,466 8,762 Inauguración Variante Los Cristales: Diciembre 99 Diciembre 31 166,937 9,265 Enero 31 161,029 9,154 Febrero 29 151,345 9,184 Marzo 31 167,646 10,412 Abril 30 170,846 10,338 Mayo 31 164,308 9,716 Junio 30 157,285 9,335 Julio 31 164,557 9,951 Agosto 31 178,448 10,725 Septiembre 30 171,303 10,109 Octubre 31 169,716 10,082

19,651 18,376 20,983 22,134 18,114 20,511 19,019 18,595 20,416 18,851 20,215

12,367 12,015 13,682 14,482 11,563 14,606 12,803 11,937 12,873 12,727 12,228

2,364 2,411 2,524 2,519 2,111 2,304 2,138 1,959 2,198 2,093 2,155

1,488 1,900 1,909 2,094 1,454 2,029 1,725 1,406 1,739 1,712 1,534

8,795 9,402 10,911 11,336 10,808 12,944 10,366 9,721 10,662 10,988 9,848

7,205 7,152 6,907 7,399 7,227 9,312 7,491 6,292 7,088 6,857 7,166

1,256 1,183 1,393 1,567 1,136 1,630 1,742 1,461 1,374 1,255 1,695

229,328 222,622 218,838 239,589 233,597 237,360 221,904 225,879 245,523 235,895 234,639

7,398 7,181 7,546 7,729 7,787 7,657 7,397 7,286 7,920 7,863 7,569

26.66% 27.14% 30.20% 29.37% 26.38% 30.09% 28.34% 26.50% 26.76% 26.85% 26.95%

2000 2000 2001 2001 2001 2001 2001 2001 2001

Noviembre Diciembre Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio

Total periodo Dic-99Julio-01

30 31 31 28 31 30 31 30 31

171,189 192,795 181,168 164,675 179,256 183,681 181,423 175,412 181,423

9,628 10,704 9,369 9,270 9,960 10,403 9,750 9,474 9,750

21,846 20,860 20,126 21,914 25,196 20,281 22,591 20,833 22,591

13,561 12,852 13,016 12,660 15,791 12,612 14,417 13,231 14,417

2,251 2,093 2,388 2,326 2,793 2,277 2,724 2,370 2,724

1,687 1,870 2,283 2,194 2,494 1,898 2,557 2,120 2,557

10,976 11,608 13,374 11,358 14,117 12,071 14,497 11,779 14,497

7,830 7,765 8,147 7,160 9,171 8,200 9,944 8,401 9,944

1,751 1,477 1,407 1,336 1,715 1,423 1,483 1,567 1,483

240,719 262,024 251,278 232,893 260,493 252,846 259,386 245,187 259,386

8,024 8,452 8,106 8,318 8,403 8,428 8,367 8,173 8,367

28.16% 25.86% 27.34% 28.72% 30.53% 26.79% 29.49% 27.82% 29.49%

609

3,434,442

196,579

413,103

263,840

46,722

38,650

230,058

156,658

29,334

4,809,386

7,897

27.98%

_____________________________________________________________________ 2-13

Obtención y manejo de la información de tránsito ________________________________________________________________________

(c) Conteos visuales Aún cuando lo ideal es que el conteo vehicular –clasificado o no– se realice mediante el empleo de equipos, en el caso de que esto no sea posible, por razones de tiempo o carencia de recursos, siempre se podrá recurrir al sistema de contar los vehículos mediante la simple observación visual del paso del flujo vehicular. El conteo visual permite no solo determinar el total de vehículos que circulan por el punto de medición, sino que se obtiene un “conteo clasificado” ya que se contabiliza el número de cada tipo de vehículo que pasa por esa sección durante el tiempo de la medición. La planilla que se muestra a continuación puede ser utilizada para un conteo visual clasificado.

En esta planilla se detallan los tipos de vehículos mas comunes que circulan por la red vial venezolana. _____________________________________________________________________ 2-14

Obtención y manejo de la información de tránsito ________________________________________________________________________

Lapso de medición de volúmenes de tránsito El lapso ideal para la realización de un conteo –ya que se elimina cualquier error por condiciones estacionales del flujo de vehículos– es de un (1) año. Cuando el conteo se realiza en estaciones de cobertura 1, o en peajes, automáticamente al correr del año se va registrando el volumen acumulado de vehículos. En otras ocasiones o puntos de medición, no es ni práctico ni económico, el que se disponga de este lapso de tiempo. Lo ideal entonces, es realizar una medición de un mes continuo. En caso de que esto tampoco sea posible, la medición debería ser de una (1) semana completa, en forma tal que se obtenga un registro de lunes a domingo. Si tampoco esto fuese posible, debería al menos disponerse de un registro de un día laboral y de un día de fin de semana (sábado o domingo). Si en alguno casos ni siquiera esto fueses posible, el conteo debe ser realizado en un día (24 horas) continuas, preferiblemente en un día laborable. Pudiera darse el caso de que ni aún pudiese contarse en un lapso de 24 horas; en este caso debe irse a un conteo de doce horas. Si ni aun pueden contarse en estas 12, debe irse a ocho (8) horas, y a veces solo podrá contarse durante una hora. En estos casos, el PDT debe ser obtenido dividiendo el número de vehículos contado durante el periodo entre el “factor de medición” que se indica en la siguiente tabla: Tabla 5 Estimaciones del PDT en función del conteo horario Total de conteo Horas continuas Factor de durante el lapso del conteo medición

PDT = (total conteo) / (factor de medición)

7:00 am—7:00 pm

12

0,754

8:00 am—4:00 pm

8

0,504

1 hora (hora pico)

1

0,083

Fuente: Corredor, G.: V Jornadas de Vialidad y Transporte, Valencia, 1998. En caso de no conocer la Hora pico de la carretera, puede estimarse de la Tabla 6 Tabla 6 Frecuencia de ocurrencia de las Horas-Pico Hora Pico 6:00 am-7:00 am 7:00 am-8:00 am 8:00 am-9:00 am 9:00 am-10:00 am 10:00 am- 11:00 am 11:00 am – 12:00 m 12:00 m – 1:00 pm 1:00 pm – 2:00 pm 2:00 pm – 3:00 pm

% de ocurrencia 6,45 10,75 5,37 6,45 2,15 3,23 1,08 2,15 5,38

Factor de medición horaria Promedio 0,091 0,087 0,073 0,082 0,081 0,082 0,086 0,089 0,083

Rango 0,062-0,131 0,065-0,112 0,065-0,082 0,069-0,096 0,080-0,081 0,075-0,094 0,086 0,082-0,095 0,070-0,108

_____________________________________________________________________ 2-15

Obtención y manejo de la información de tránsito ________________________________________________________________________ 3:00 pm- 4:00 pm 11,83 0,078 4:00 pm- 5:00 pm 12,90 0,081 5:00 pm- 6:00 pm 20,43 0,081 6:00 pm- 7:00 pm 9,68 0,082 7:00 pm- 8:00 pm 2,15 0,101 No se registraron horas pico fuera de las señaladas

0,061-0,096 0,068-0,105 0,065-0,153 0,070-0,109 0,075-0,127

Fuente: Corredor, G.: V Jornadas de Vialidad y Transporte, Valencia, 1998. Es evidente de la tabla anterior que, en caso de no conocer la Hora-pico, lo mas conveniente es realizar la medición entre las 5 y 6 de la tarde, ó entre las 4 y 5 de la tarde, ya que la mayoría de las carreteras presentaron horas-pico entre estas horas. 2. Peso total y peso por eje de los vehículos de carga Para el conteo de vehículos, tal como ha sido mencionado en párrafos anteriores, se podrá disponer desde de equipos electrónicos muy modernos, hasta una simple observación visual, pero siempre, aun en el caso de mayores dificultades, se podrá obtener o validar en campo la información de volúmenes de tránsito. Para el caso de determinación de las cargas en los vehículos, por el contrario, deberá contarse con sistemas de pesaje, los cuales serán realizados con balanzas con carga detenida, o a través de medios electrónicos. (a) Pesaje mediante el empleo de balanzas con carga detenida (a.1) Balanza de peso total Este sistema permite la medición de la carga de un vehículo por medio de una balanza, normalmente mecánica, sobre la cual el vehículo debe estar detenido. Las balanzas que se emplean son del “tipo romana”, sobre la cual se coloca todo el vehículo, y registran su peso total. Pueden ser empleadas para determinar el peso por eje, o grupo de ejes, desplazando el vehículo sobre la balanza, en forma tal que sobre la balanza solo esté cargando el eje, o grupo de ejes, que se desea pesar. Este tipo de balanza es el que se emplea en los sitios en que pesan los vehículos para el control de carga y sobre-carga. Son de tipo fijo, aun cuando se dispone de algunos modelos portátiles. (a.2) Balanzas de peso por rueda Mediante este tipo de balanzas portátiles se logra determinar el peso por cada rueda o conjunto de ruedas en un eje. Se ubican en sitios estratégicamente seleccionados y requieren de un número alto de operadores: uno por cada juego de balanzas, dos o tres señaleros y un jefe de grupo. Lo ideal, para que el sistema sea mas rápido, es que se disponga de siete (7) balanzas, de modo que pueda colocarse una bajo cada grupo de ejes. Su precio de adquisición es relativamente bajo pero tienen poco rendimiento. En un día de trabajo se pueden pesar entre 40 y 60 vehículos. Una de sus grandes limitaciones es que la muestra del pesaje debe ser muy bien diseñada, en forma tal que represente el universo de vehículos que circulan por la vía en estudio.

_____________________________________________________________________ 2-16

Obtención y manejo de la información de tránsito ________________________________________________________________________

La siguiente figura presenta una balanza de peso total:

Y las dos figuras que se incluyen a continuación corresponden al modelo de balanzas portátiles de carga por rueda:

(b) Pesaje mediante el empleo de balanzas con carga en movimiento (WIM) Gracias a la electrónica, hoy en día se dispone de medios mucho mas rápidos y seguros para el pesaje de vehículos. Estos dispositivos permiten pesar cualquier vehículo, eje a eje y peso total, sin obligarlo a detenerse; se conocen como sistemas “WIM” por sus siglas en inglés Weigh In Motion”.

_____________________________________________________________________ 2-17

Obtención y manejo de la información de tránsito ________________________________________________________________________

El costo de un pesaje total de vehículos alcanza a la fecha a un valor cercano a los 750.000 Bs por día (375 US$ al cambio actual de 2.000 Bs/US$). La característica mas importante de este sistema es su confiabilidad, ya que permite obtener y registrar el peso de cada vehículo, es decir el 100% de la muestra bajo medición, sin interrupción alguna de tránsito, ya que el sistema se compone de una serie de cables co-axiales empotrados o adheridos sobre el pavimento. Detalle de sensores piezo-eléctricos adheridos sobre el pavimento

El siguiente esquema muestra el procedimiento de recolección de la data de pesaje por medio de un sensor piezo-eléctrico:

_____________________________________________________________________ 2-18

Obtención y manejo de la información de tránsito ________________________________________________________________________

• Utilización de la información de tránsito para el diseño de pavimentos La información de tránsito que interesa al proyectista de pavimentos debe comprender: • el volumen de tránsito, es decir el número de vehículos que utilizará la facilidad vial • la composición del tránsito, es decir la identificación de los tipos de vehículos que circularán sobre el pavimento • la intensidad de la carga, lo cual significa el determinar el peso de los vehículos vacíos más el de la carga que transportan • la configuración de los ejes que transmiten las cargas al pavimento • el canal de circulación que servirá como patrón de diseño • Volumen de tránsito El número de vehículos que circulará sobre la vía será determinado, tal como ha sido ya señalado, en función de las estadísticas y estudios de tránsito, y/o mediciones reales de campo. Debe conocerse tanto el volumen para el año inicial de diseño, como la tasa de crecimiento interanual para el período de diseño. • Composición del tránsito El número de vehículos de pasajeros, el número y tipo de vehículos pesados es obtenido también de los conteos y proyecciones de tráfico. En la Tabla I se presentaron los tipos de vehículos de carga más comunes en Venezuela • Intensidad de carga El total del peso del vehículo, tanto vacío como cargado, según sea el caso, también se obtiene en las "Estaciones de pesaje", mediante el uso de un sistema de balanzas que permiten determinar tanto el peso bruto total, como el peso en cada uno de los ejes del vehículo. En la Tabla I se presentaron las cargas máximas para cada uno de los diversos tipos de vehículos pesados, y más adelante se tocará el tema referente a la carga que transmiten los cauchos sobre el pavimento • Configuración de los ejes que transmiten las cargas al pavimento Una de las piezas de información más importantes en cuanto al tráfico se refiere, es la manera como se aplicará la carga sobre el pavimento, es decir cuantos ejes, y de qué tipo son esos ejes (número de ruedas por eje, número de ejes, separación entre ejes, presión de inflado, etc.) A este respecto es conveniente definir los tipos de ejes que pueden ser encontrados en los vehículos que transitan sobre nuestros pavimentos, de acuerdo a lo establecido en la Norma COVENIN 2402-86 (Tipología de vehículos de carga):

_____________________________________________________________________ 2-19

Obtención y manejo de la información de tránsito ________________________________________________________________________

Ejes Simples: Son ejes sencillos de dos o cuatro ruedas

Ejes Tandem (dobles): Es el conjunto de dos ejes sencillos, separados entre 1,20 y 1,60 metros aproximadamente, que tienen una suspensión común

_____________________________________________________________________ 2-20

Obtención y manejo de la información de tránsito ________________________________________________________________________

Ejes Triples: es el conjunto de tres ejes sencillos, separados entre 1,20 y 1,40 metros aproximadamente, los cuales no tienen una suspensión común

• Canal de circulación que servirá como patrón de diseño Es necesario, además conocer como se distribuirá el flujo de vehículos en ambos sentidos de la vía. A tal efecto se aplican los siguientes conceptos: • Tránsito Balanceado: se denomina así cuando la composición, volumen e intensidad de carga en una vía es similar en ambas direcciones. • Tránsito Desbalanceado: cuando no se cumple la definición anterior en la circulación del tráfico en la vía • Canal de Diseño: es aquel canal de una vía que estará sometido a las condiciones más severas de carga y por lo tanto será el que controle el diseño del pavimento. En una carretera de dos vías con tránsito balanceado, es cualquiera de los dos canales de circulación. En una vía de varios canales, el Canal de Diseño corresponderá, normalmente, al canal de circulación lenta del sentido más cargado, a menos que exista una información de tránsito que permita conocer específicamente cual será ese canal más cargado. En vías de múltiples canales con isla central y tránsito desbalanceado, puede seleccionarse un canal de diseño para cada sentido.

_____________________________________________________________________ 2-21

Obtención y manejo de la información de tránsito ________________________________________________________________________

• Determinación del efecto de las cargas transmitidas por los diferentes ejes sobre un pavimento flexible Uno de los factores de diseño que presenta mayor variabilidad es el correspondiente al efecto de las cargas que transmiten los vehículos. Cualquier observador, por más inexperto que sea en el área de pavimentos, no puede dejar de notar que por una sección dada de pavimento circulan diariamente un sinnúmero de tipos de vehículos, y un mayor número de tipos de carga: observará para un mismo tipo de camión que algunos circularán vacíos, otros cargados con cemento, otros con cerveza, otros con materiales de construcción, etc.; además la condición de variabilidad descrita se repetirá para cada tipo de camión sobre la vía. Es necesario, en consecuencia, transformar toda esa gama de realidades de formas e intensidades de carga, en un valor que los represente y que sea simplemente obtenible y manejable. Por esta razón se definió un "Eje Patrón" que representa la carga estándar, o normalizada. En Venezuela, como en la gran mayoría de los países occidentales, este "eje patrón" contempla una carga por eje simple de cuatro ruedas de 8.200 kg (80 KN ó 18.000 libras) Adicionalmente fue necesario asignar a este eje patrón un valor del efecto que causaba al pasar sobre un pavimento, este efecto se conoce como "factor daño", y para una carga patrón de 18 kips, sobre un eje simple de cuatro ruedas (o ruedas morochas), se le asignó un valor unitario, es decir cada vez que un eje simple de 18.000 lbs pasa sobre una sección de un pavimento flexible, causa sobre ese pavimento un daño igual a uno (1). Como consecuencia de esta simplificación surge la definición de los "Factores de equivalencia de cargas", que "son valores numéricos que definen el daño que causa el paso de un vehículo, o eje determinado, sobre una sección de pavimento en una manera relativa al daño que el vehículo, o eje patrón, causa al pasar sobre la misma sección de pavimento", o dicho de otra manera, los "Factores de Equivalencia" transforman las repeticiones de un eje cualquiera, a un número de repeticiones del eje patrón que causan el mismo efecto daño sobre el pavimento que el daño causado por ese eje cualquiera. Los "Factores de Equivalencia" para los ejes simples y tandem (dobles y triples) son los derivados empíricamente en el Ensayo Vial AASHO en función no solo de la magnitud de la carga y la configuración del eje que la transmite al pavimento, sino también del tipo de pavimento (flexible o rígido), del espesor del pavimento y de la condición final de calidad de rodaje del pavimento para el momento final del periodo de diseño y obedecen, en una forma muy simplificada, a la relación exponencial siguiente:

_____________________________________________________________________ 2-22

Obtención y manejo de la información de tránsito ________________________________________________________________________

Factor de equivalencia 4 normalizada]^

=

[Carga

en

eje

/

Carga

Si se establece como carga normalizada los valores de 6.6 ton en eje simple de dos ruedas, de 8.2 ton en ejes simple de cuatro ruedas y ejes tandem dobles, y de 23 ton en eje tandem triple, los “factores de equivalencia” toman las expresiones aproximadas siguientes:

(Fei

simple de dos ruedas)

(Fei

simple de cuatro ruedas)

(Fei

doble)

4

= (Carga por eje (i) / 6.6)^

(E-

2) 4

= (Carga por eje (i) / 8.2)^

(E-

3) 4

= (0,57 * Carga por eje doble (i) /8.2)^

(E-

4) (FEitriple) = (Carga por eje triple (t)/23) 4,22

(E-

5) Ejemplos de estimación de los ejes equivalentes: Ejemplo 1 Camión semitrailer 3S3 con 48 toneladas de carga total

Eje individual Carga (Ton) Eje de carga Toneladas en eje de carga Factor de equivalencia Ejes equivalentes causados por el paso de este vehículo (Factor daño)

Eje 1 5,76 Simple dos ruedas 5,76 0,58

Eje 2 Eje 3 7,68 9,12 Tandem doble (Eje 2 + eje 3)

Eje 4 8,16

16,80 1,86

Eje 5 Eje 6 10,56 6,72 Tandem triple (eje 4 + eje 5 + eje 6) 25,44 1,53

(0,58 + 1,86 + 1,53 ) 3,97 Es decir que el paso de este camión causa el mismo daño sobre el pavimento que el causaría un “camión virtual de 3,97 ejes simples de cuatro ruedas, cada eje cargado con 8,2 toneladas

_____________________________________________________________________ 2-23

Obtención y manejo de la información de tránsito ________________________________________________________________________

Ejemplo 2 El mismo Camión semitrailer 3S3 pero con 96 toneladas de carga total

Eje individual Carga (Ton) Eje de carga Toneladas en eje de carga Factor de equivalencia Ejes equivalentes causados por el paso de este vehículo (Factor daño)

Eje 1 11,52 Simple dos ruedas

Eje 2 Eje 3 15,36 18,24 Tandem doble (Eje 2 + eje 3)

11,52 9,28

Eje 4 16,32

Eje 5 Eje 6 21,12 13,44 Tandem triple (eje 4 + eje 5 + eje 6)

33,60 29,76

50,88 28,52

(9,28 + 29,76 + 28,52) 67,56 Es decir que el paso de este camión causa el mismo daño sobre el pavimento que el causaría un “camión virtual de 62,99 ejes simples de cuatro ruedas, cada eje cargado con 8,2 toneladas. La carga, en este ejemplo se dobló, pero el efecto daño fue prácticamente 16 veces mayor.

El “Factor camión” de esta flota de dos camiones sería igual a: FC = (3,97 + 67,56) / 2 = 35,76 ejes equivalentes Ejemplo 3 Camión Semitrailer 3S2 con una carga de 55 toneladas

Eje individual Carga (Ton) Eje de carga Toneladas en eje de carga Factor de equivalencia Ejes equivalentes causados por el paso de este vehículo (Factor daño)

Eje 1

Eje 2

6,60 Simple dos ruedas 6,60 1,00

Eje 3 8,25

Eje 4 10,45

Eje 5 16,24

13,46

Tandem doble (Eje 2 + eje 3) 18,70

Tandem doble (Eje 4 + eje 5) 29,70

2,86

18,17

(1,00 + 2,86+ 18,17) 22,03 Es decir que el paso de este camión causa el mismo daño sobre el pavimento que el causaría un “camión virtual de 22,03 ejes simples de cuatro ruedas, cada eje cargado con 8,2 toneladas.

El “Factor camión” de esta flota de tres camiones sería igual a: FC = (3,97 + 67,56 +22,03 ) / 3 = 31,18 ejes equivalentes

_____________________________________________________________________ 2-24

Obtención y manejo de la información de tránsito ________________________________________________________________________

Ejemplo 4 Camión Remolque 3R3 cargado con 55 toneladas

Eje individual Carga (Ton) Eje de carga Toneladas en eje de carga Factor de equivalencia Ejes equivalentes causados por el paso de este vehículo (Factor daño)

Eje 1 4,95 Simple dos ruedas 4,95

Eje 2 Eje 3 8,25 8,25 Tandem doble (Eje 2 + eje 3) 16,50

Eje 4 12,65 Simple cuatro ruedas 12,65

Eje 5 Eje 6 10,45 10,45 Tandem doble (Eje 5 + eje 6) 20,90

0,32

1,73

5,66

4,46

(0,32 + 1,73 + 5,66 + 4,46) 12,17 Es decir que el paso de este camión causa el mismo daño sobre el pavimento que el causaría un “camión virtual de 12,17 ejes simples de cuatro ruedas, cada eje cargado con 8,2 toneladas.

El “Factor camión” de esta flota de cuatro camiones sería igual a: FC = (3,97 + 67,56 +22,03 + 12,17) / 4 = 26,43 ejes equivalentes Ejemplo 5 Un Camión Tipo O3E autobús cargado con 20 toneladas

Eje individual Carga (Ton) Eje de carga Toneladas en eje de carga Factor de equivalencia Ejes equivalentes causados por el paso de este vehículo (Factor daño)

Eje 1 4.80 Simple dos ruedas 4,80 0,28

Eje 2 7,60

Eje 3 7,60 Tandem doble (Eje 2 + eje 3) 15,20 1,25

(0,28 + 1,25 ) 1,53 Es decir que el paso de este camión causa el mismo daño sobre el pavimento que el causaría un “camión virtual de 1,53 ejes simples de cuatro ruedas, cada eje cargado con 8,2 toneladas.

El “Factor camión” de esta flota de cinco camiones sería igual a: FC = (3,97 + 67,56 +22,03 + 12,17 + 1,53) / 5 = 21,45 ejes equivalentes

_____________________________________________________________________ 2-25

Obtención y manejo de la información de tránsito ________________________________________________________________________

• Metodología para el cálculo del Número de Cargas Equivalentes (REE o Wt18) para el diseño de pavimentos La determinación de las cargas que actuarán sobre un pavimento, en su período de diseño, se basa en la aplicación de la Ecuación E-6

REE = Wt18 = EEo * {(1+TC)^n – 1)} / TC

(E-6)

en donde: REE = cargas equivalentes totales en el período de diseño EEo = cargas equivalentes acumuladas en el primer año de diseño Siendo EEo igual a:

EEo = PDTo * %Vp * FC * fds * fuc * A * D

(E-7)

en donde: PDTo = volumen diario del total de vehículos (livianos + pesados), para cualquier día el año inicial de diseño. %Vp = número de vehículos pesados, expresado en forma decimal, como porcentaje del PDT. El resultado de la expresión (PDTo * %Vp), se define como VTPi y es igual al volumen diario de tráfico pesado —o número de camiones— para el año inicial de diseño. Por otra parte, uno de los valores más importantes es el que corresponde al término "FC", el cual se define como "Factor camión", y es igual al número de cargas equivalentes promedio por camión, y se obtiene dividiendo el valor obtenido al sumar el total de cargas equivalentes de cada camión, de un número dado de camiones que circulan por una sección de carretera, entre el número total de camiones considerados en la sumatoria de los ejes equivalentes. (véanse ejemplos de estimación de ejes equivalentes por tipo de camión) El Factor Camión es una constante característica de la distribución de frecuencia de eje por rango de carga e independiente del número de vehículos; es decir no depende del número de camiones a partir de los cuales se determine, pero sí de la conformación, o distribución de los diversos camiones dentro del total del tráfico pesado diario de la vía en estudio. El Factor Camión permanece constante si la distribución de los tipos y cargas de los camiones permanece invariable. Por lo contrario, si se modifica en algo el porcentaje de vehículos cargados, o el tipo de carga, o los tipos de camiones dentro del total de vehículos diarios, el FC se variará con respecto al anterior. _____________________________________________________________________ 2-26

Obtención y manejo de la información de tránsito ________________________________________________________________________

Los otros términos considerados en la Ecuación (E-7) son: Factor de distribución por sentido (fds) El factor de distribución por sentido (fds) permite cuantificar la fracción del total del tránsito que circulará en el sentido de diseño, y sus valores son los que se indican en la Tabla 7. Tabla 7 Valores del Factor de distribución por sentido Modo de medición del PDT En ambos sentidos Por sentido de circulación

Valor del fds 0,50 1,00

Factor de utilización de canal (fuc) Este valor permite asignar al canal de diseño, la fracción del total de vehículos que circulará por este canal, y su valor se selecciona de acuerdo a lo indicado en la Tabla 9: En Venezuela tradicionalmente sus valores han sido los siguientes —para el tránsito ya asignado al sentido de circulación: (a) para un canal por sentido, el fuc=1,0 (b) para dos canales por sentido, el fuc=0,90; y (c) para tres o mas canales por sentido, el fuc = 0,80. La Tabla 8, presenta unos valores de “fuc” no sólo en función del número de canales por sentido, sino también del número de vehículos totales que circulan por el sentido de diseño: Tabla 8 Valores recomendados de factor de utilización de canal Fuente: NCHRP Project 1-32: Pavement Design Tools, Eres Consultants, Inc. 1998 PDT en un Vía de dos (2) canales solo sentido por sentido de circulación Canal Canal rápido lento 2.000 0,06 0,94 4.000 0,12 0,88 6.000 0.15 0,85 8.000 0,18 0,82 10.000 0,19 0,81 15.000 0,23 0,77 20.000 0,25 0,75 25.000 0,27 0,73 30.000 0,28 0,72 35.000 0,30 0,70 40.000 0,31 0,69 50.000 0,33 0,67 60.000 0,34 0,66 70.000 80.000 100.000 -

Vía de más de dos (2) canales por sentido de circulación Canal(es) rápido(s) 0,06 0,06 0,07 0,07 0,07 0,07 0,07 0,07 0,08 0,08 0,08 0,08 0,08 0,08 0,08 0,09

Canal central 0,12 0,18 0,21 0,23 0,28 0,28 0,30 0,32 0,33 0,34 0,35 0,37 0,39 0,40 0,41 0,42

Canal lento 0,82 0,76 0,72 0,70 0,68 0,65 0,63 0,61 0,59 0,58 0,57 0,55 0,53 0,52 0,51 0,49

_____________________________________________________________________ 2-27

Obtención y manejo de la información de tránsito ________________________________________________________________________

Factor de Ajuste por Tránsito Desbalanceado (A) Este factor reconoce que, cuándo la medición de los volúmenes de tránsito se hace por ambos sentidos, lo normal es que uno de los polos generadores de tránsito resulte con un mayor número de vehículos, y con mayor carga, que el otro polo. La Tabla 9 presenta los valores tradicionalmente empleados en Venezuela, así como los resultantes de las mediciones obtenidas en investigaciones de tránsito en Venezuela.. Tabla 9 Factores de Ajuste por Tránsito Desbalanceado (A) Tipo de tránsito, con conteo en ambos Factor de Ajuste (A) sentidos Tránsito desbalanceado en la mayoría de 1,05 – 1,35 las vías (1,20 valor más común) (Nota 1) Tránsito desbalanceado en vías mineras 1,90 (Nota 1) Tránsito desbalanceado en la mayoría de 1,03 – 1,53 las vías (1,23 valor promedio) (Nota 2) Vías con tránsito balanceado, o conteos 1,00 en un solo sentido Nota 1: fuente: Ing. Luis Salamé R. “Método Venezolano para el Diseño de Pavimentos Flexibles”. Nota 2: fuente: elaboración propia Número de días por año en que las variables anteriores son aplicables (D) En Venezuela se ha venido aplicando la fórmula para la estimación de las cargas totales acumuladas en el período de diseño, para un total de 365 días por año, lo cual es válido cuando se considera que (a) el valor de PDT ha sido determinado para el promedio de, al menos los siete días de la semana, es decir tanto los días laborables (Lunes a Viernes), como los Sábados y Domingos, y (b) que las condiciones restantes del tránsito (%Vp, FC, etc.) se aplican a lo largo de los 365 días. En la mayoría de los casos estas dos premisas no se cumplen a lo largo del año: es suficiente destacar las carreteras en zonas agrícolas, en las cuales hay meses de siembra y meses de cosecha y transporte; es evidente que en ambos lapsos no se aplican las mismas cargas, ni circulan los mismos números de camiones. Es conveniente, en consecuencia, comenzar a diferenciar en, al menos, días de trabajo (Lunes a Viernes) y días de descanso (Sábados y Domingos), y aplicar a cada grupo de días los correspondientes valores de las otras variables independientes que han sido citadas. La misma situación sucede en cualquier otra vía: un menor número de camiones transita los fines de semana y los días feriados, ya que los conductores de estos vehículos también toman su descanso de sábados y Domingos. Conviene, en consecuencia, comenzar a diferenciar cada una de las variables independientes de tránsito para estos dos grupos de días: PDT, %Vp, y Factor Camión.

_____________________________________________________________________ 2-28

Obtención y manejo de la información de tránsito ________________________________________________________________________

Factor de Crecimiento (F): Es un factor que toma en cuenta la variación del volumen de tránsito en el período de diseño considerado, y se utiliza para determinar las cargas equivalentes acumuladas. Los valores del Factor de Crecimiento (F) se presentan en la Tabla IX, y son función de la Tasa de Crecimiento (TC o “r”) y del período de diseño (n), en años. El Factor de crecimiento se calcula a partir de cualquiera de las expresiones siguientes, y ha ya sido comentado en la Ecuación 6::

FC = { (1 + TC) n — 1} / TC O también:

FC = { (1 + r) n — 1} / (ln (1+r) La tasa de crecimiento interanual (TC), permite integrar el crecimiento del tránsito a lo largo del período de diseño, y en el caso de que no pueda ser obtenido de los registros históricos de tránsito, pueden emplearse los resultados de mediciones en el año 1993 que arrojan los resultados que se presentan en la Tabla 10. Tabla 10 Valores de Tasa de Crecimiento Interanual Fuente: Corredor, G.: V Jornadas de Vialidad y Transporte, Valencia, 1998. Criterio estadístico Promedio Desviación estándar Valor mínimo Valor máximo

Valor 4,20 % 1,80% 0,24% 8,28%

_____________________________________________________________________ 2-29

Obtención y manejo de la información de tránsito ________________________________________________________________________

La tabla 11 presenta los valores de F, calculados a partir de la primera expresión: Tabla 11 Factores de Crecimiento

_____________________________________________________________________ 2-30

Obtención y manejo de la información de tránsito ________________________________________________________________________

Estimación del Factor Camión para el caso en que no pueden pesarse los camiones. •• En nuestro país, tal como ha sido señalado en varias oportunidades anteriores, puede ocurrir que la información de tránsito no está disponible, o no puede ser actualizada fácilmente. El Ingeniero siempre podrá realizar conteos clasificados, aun cuando sea por el método visual, pero si no dispone de balanzas evidentemente no podrá pesar los vehículos. Esta situación es muy común en nuestro paìs. Esta situación puede presentarse, por otra parte, cuando se requiere una estimación rápida del número de cargas equivalentes aproximadas, para realizar la determinación de los espesores de un pavimento a los fines de anteproyecto, o de decisiones administrativas de programación de inversiones anuales. Para lograr en estos casos la determinación de los valores del Factor Camión, el proyectista podrá utilizar una de varias tablas que proporcionan valores de FC en función de ciertos niveles de información, los cuales se señalan en cada tabla en particular. Estas tablas fueron inicialmente (1982) elaboradas por los Ings. Luis Salamé, Andrés Pinaud, William Stalhuth y Arturo Carvajal, durante el desarrollo del "Método Venezolano para el Diseño de Pavimentos Flexibles para Carreteras", y han facilitado enormemente el trabajo de los ingenieros de pavimentos. Hoy en día han sido actualizadas a través de Trabajos Especiales de Grado desarrollados en las Universidades Santa María y Metropolitana en Caracas. Es indudable que, mientras sea posible, deberá recurrirse al procedimiento de calcular el valor del FC en función de la información de la distribución de Frecuencia de Ejes por Rangos de Cargas, y en el caso de que tal hecho no pueda ser logrado, el proyectista deberá aplicar su criterio para hacer la mejor selección de aquella tabla que mejor representa el nivel de información de que pueda disponer. Se recomienda en estos casos, el tratar de realizar al menos conteos de número y tipos de vehículos, ya que los valores así obtenidos podrán ser comparados con los de las diversas tablas y tomar la decisión más conveniente, aplicando el buen juicio ingenieril y la experiencia personal.

_____________________________________________________________________ 2-31

Obtención y manejo de la información de tránsito ________________________________________________________________________

Tabla 12 Factor Camión por Tipo de Vehículo para vías de tránsito muy pesado Valores de Factor Camión para vías con condición de "tránsito muy pesado"

% en la Tipo de camión distribución % cargados 2RD autobús 9.35 82.45

2RD camión O3Eautobús O3Ecamión 2S1 2S2 2S3 3S1 3S2 3S3 2R2 2R3 3R2 3R3 3R4 Total

% vacíos 17.55

Factor Camión Vacío 0.13

Factor Factor Camión Camión Cargado Ponderado 1.68 2.01

0.64

96.33

3.67

0.26

12.89

4.65 0.96 8.45 4.84 9.73 10.55 5.17 14.21 10.03 9.79 17.09 10.04 14.18 12.43

100.00

84.34

15.66

0.244

7.795

6.613

51.67

83.82

16.18

0.14

5.52

0.28

87.32

12.68

0.15

1.08

13.57

80.17

19.83

0.33

10.46

0.66

33.75

66.25

0.68

13.02

4.64

79.46

20.54

0.23

12.18

0.23

91.58

8.42

0.04

11.51

0.75

37.53

62.47

1.62

11.08

9.48

94.71

5.29

0.19

15.00

6.98

95.33

4.67

0.16

10.51

0.44

72.65

27.35

0.29

13.37

0.28

89.41

10.59

0.52

19.05

0.19 0.84

83.43 98.06

16.57 1.94

0.09 0.46

12.01 14.45

Fuente: Pesajes en la red vial venezolana, 1983-1995 Gustavo Corredor M. 2003 Procesamiento de pesaje en 96.949 camiones a través de Trabajos Especiales de Grado en USM y UNIMET, incluyendo la data original del Ing. Luis Salamé R(+) del año 1983 y pesajes realizados por el Ing. Salvador Pulido (Pisigma c.a.), en un total de 19 vías troncales de la red vial venezolana con características de tránsito muy pesado, y las Autopistas Caracas-La Guaira, Centrooccidental y Caracas-Tejerías (TO-01).

Tabla 13 Factor Camión por número de ejes, para vías de tránsito muy pesado Valores de Factor Camión para vías con condición de "tránsito muy pesado"

Tipo de camión

2 ejes 3 ejes 4 ejes 5 ejes 6 ejes 7 ejes Total

% en la distribución % cargados 61.02 83.61

% vacíos 16.39

Factor Camión Vacío 0.14

Factor Factor Camión Camión Cargado Ponderado 4.99 4.20

14.51

78.19

21.81

0.38

10.30

5.83

73.54

26.46

0.66

12.20

10.18

94.28

5.72

0.20

14.98

7.82

95.62

4.38

0.17

10.94

0.64

96.33

3.67

0.26

12.89

8.14 9.14 14.13 10.47 12.43

100.00

84.34

15.66

0.244

7.795

6.613

Fuente: Pesajes en la red vial venezolana, 1983-1995

Gustavo Corredor M. 2003

Procesamiento de pesaje en 96.949 camiones a través de Trabajos Especiales de Grado en USM y UNIMET, incluyendo la data original del Ing. Luis Salamé R(+) del año 1983 y pesajes realizados por el Ing. Salvador Pulido (Pisigma c.a.), en un total de 19 vías troncales de la red vial venezolana con características de tránsito muy pesado, y las Autopistas Caracas-La Guaira, Centrooccidental y Caracas-Tejerías (TO-01).

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Obtención y manejo de la información de tránsito ________________________________________________________________________

La Tabla 13 es muy útil cuando se procesa la información proveniente de las Plazas de Peaje, ya que en ellas los vehículos se clasifican por “número de ejes” Tabla 14 Factor Camión por Tipo de Vehículo para vías de tránsito medio a liviano Fuente: 1er. Simveas, Valencia, Octubre de 2000. % en la % Tipo de camión distribución cargados % vacíos 13.30 100.00 0.00 2RD autobús

2RD camión O3E 2S1 2S2 2S3 3S1 3S2 3S3 2R2 2R3 3R2 3R3 3R4 Total

Factor Camión Vacío -

Factor Factor Camión Camión Cargado Ponderado 1.38 1.38

55.60

49.62

50.38

0.11

3.82

12.26

58.91

41.09

0.20

6.78

1.04

51.28

48.72

0.18

3.81

0.00

100.00

0.19

0.13

40.00

60.00

0.00

0.00

0.00

5.84

68.49

31.51

0.13

7.16

4.98

81.28

18.72

0.21

8.98

0.11

100.00

0.00

0.77

72.41

27.59

0

0

0

0.96

83.33

16.67

0.19

11.40

1.20

79.20

20.80

0.06

10.21

100.00

59.16

40.84

0.13

4.47

Fuente: Pesajes en la red vial venezolana, 1995

6.09 -

0.11 -

6.21

-

-

-

11.85 0.38

-

1.95 4.08 3.21 0.19 2.55

5.63 -

4.94 7.34 11.85 4.18 9.53 8.10 2.70

Gustavo Corredor M. 1999

Procesamiento de pesaje en 3.752 camiones a través de Trabajos Especiales de Grado en USM y UNIMET, a partir de pesajes realizados por el Ing. Salvador Pulido (Pisigma c.a.), en un total de 15 vías de la red vial venezolana con características de tránsito medio a bajo.

* Número de días por año en que las variables anteriores son aplicables (D) En Venezuela se ha venido aplicando la fórmula para la estimación de las cargas totales acumuladas en el período de diseño, para un total de 365 días por año, lo cual es válido cuando se considera que (a) el valor de PDT ha sido determinado para el promedio de, al menos los siete días de la semana, es decir tanto los días laborables (Lunes a Viernes), como los Sábados y Domingos, y (b) que las condiciones restantes del tránsito (%Vp, FC, etc.) se aplican a lo largo de los 365 días. En la mayoría de los casos estas dos premisas no se cumplen a lo largo del año: es suficiente destacar las carreteras en zonas agrícolas, en las cuales hay meses de siembra y meses de cosecha y transporte; es evidente que en ambos lapsos no se aplican las mismas cargas, ni circulan los mismos números de camiones. Es conveniente, en consecuencia, comenzar a diferenciar en, al menos, días de trabajo (Lunes a Viernes) y días de descanso (Sábados y Domingos), y aplicar a cada grupo de días los correspondientes valores de las otras variables independientes que han sido citadas. La misma situación sucede en cualquier otra vía: un menor número de camiones transita los fines de semana y los días feriados, ya que los conductores de estos vehículos también toman su descanso de Sábados y Domingos. Conviene, en consecuencia, comenzar a diferenciar cada una de las variables independientes de tránsito para estos dos grupos de días: PDT, %Vp, y Factor Camión. _____________________________________________________________________ 2-33

Obtención y manejo de la información de tránsito ________________________________________________________________________

Análisis estadísticos de estas variables, en un número de 9 vías, arrojan los siguientes resultados: Tabla 15 Variables de tránsito para sábados y domingos, expresados como porcentajes de los valores correspondientes para días laborables

Variable de tránsito Promedio diario de tránsito (PDT) % de vehículos pesados (%Vp) Factor Camión Ponderado Total Cargas Equivalentes diarias

% correspondiente para los días de fín de semana Rango (%) Promedio (%) 94,1 83,0 — 111,9 63,3 54,4 — 70,0 80,5 70,1 — 89,1 48,3 34,8 — 69,2

De igual manera, si se dispone de la distribución de camiones de los días laborables, se puede estimar la distribución en fines de semana, de acuerdo a los porcentajes indicados en la Tabla 16. De todos estos valores el más significativo es, sin duda, el correspondiente a las cargas equivalentes diarias, que permitiría expresar la Ecuación de EEo de la siguiente manera:

EEo = [PDT(l-v) * %Vp(l-v) * FC(l-v)] * [251 + 0,483 * 114] * [fds * fuc * A] En donde el subíndice (l-v) representa los valores de cada factor de tránsito para los días laborables, la cifra de 251 corresponde a los días laborables, resultantes de descontar a los 365 días del año 104 Sábados y Domingos más un estimado de 10 días festivos adicionales, y el valor de 0,483 es el promedio obtenido de las cargas equivalentes diarias de fines de semana, expresado como fracción del correspondiente valor de lunes a viernes. Actualmente se están adelantando dos Trabajos de Grado en la Universidad CentroOccidental Lisandro Alvarado (UCLA). En la primera en los que se persigue validar la ecuación anterior para un mayor universo de datos estadísticos, y en la segunda se espera determinar la relación entre las mediciones de tránsito (fundamentalmente conteos clasificados) realizados en un mes o semana determinado y el valor correspondiente obtenido en una medición continua a lo largo de un año.

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Obtención y manejo de la información de tránsito ________________________________________________________________________

Tabla 16 Distribución de camiones de fines de semana, expresada como % del número diario correspondiente de Lunes a Viernes. Tipo de vehículo Autobusete Autobús 2 ejes liviano (350) 2 ejes pesado (750) 3 ejes 4 ejes 5 ejes 6 + ejes

% correspondiente para los días de fín de semana Promedio (%) Rango (%) 190,8 136,6 — 260,1 184,1 142,6 — 225,1 125,7 98,2 — 248,1 80,6 65,5 — 102,1 72,7 47,1 — 93,1 63,8 23,7 — 86,7 66,5 41,2 — 81,2 66,0 43,2 — 81,9

Otra Tabla de interés A continuación se transcribe la Tabla 17, la cual permite estimar el Factor Camión Ponderado Total por Estado, y la cual es muy útil cuando se realizan estimaciones de inversión en planes regionales de pavimentación, o en cualquier otro trabajo de planificación. Tabla 17 Valores Promedio del Factor Camión para las diferentes Entidades del País Entidad

Amazonas Anzoátegui Apure Aragua Barinas Bolívar Carabobo Cojedes Delta Amacuro Dtto. Federal Falcón Lara Mérida Miranda Monagas Nueva Esparta Portuguesa Sucre Trujillo Zulia

Factor Camión Promedio Ponderado 1,29 2,05 1,42 3,77 1,42 6,69 3,93 1,42 1,29 3,61 3,03 1,42 1,29 3,61 2,05 1,25 1,42 2,05 1,47 3,45

Fuente: II Taller “Evaluación y Clasificación de la Red Vial Principal”, Caracas, 1993. Ministerio de Transporte y Comunicaciones, Dirección General Sectorial de Vialidad Terrestre, Dirección de Conservación Vial.

_____________________________________________________________________ 2-35

Obtención y manejo de la información de tránsito ________________________________________________________________________

La variable tránsito en el Método de Diseño AASHTO-2002 El nuevo método de diseño de pavimentos, que la AASHTO ha venido ofreciendo desde el año 2000, no manejará la información de tránsito bajo el procedimiento de los “ejes equivalentes”, sino —a partir de la misma data empleada en estos ejes equivalentes— introducirá en los módulos del programa de diseño la carga expresada en toneladas por tipo de eje, ya sea a nivel de cada tipo de vehículo de carga, o agrupándolos por tipo de eje: simple, doble y triple. En Venezuela, al igual que en otros países de nuestra América, se ha comenzado a manejar la data de pesaje para producir estos “espectros de carga”. A continuación se presentan las Figuras 1 a 4, las cuales muestran la frecuencia de ocurrencia de las cargas para los ejes simples de dos ruedas, ejes simples de cuatro ruedas, ejes tandem dobles (8 ruedas) y tandem triples (12 ruedas), los cuales han sido obtenidos del procesamiento del pesaje de un total de cerca de 85.000 vehículos de carga. En estas figuras resalta el hecho de la “sobrecarga”, un problema de gran magnitud no resuelto en Venezuela, como lo demuestran las siguientes cifras de ejes sobrecargados: 27.1%; 20.3%, 38.6% y 49.6% para los ejes simples de dos ruedas, de cuatro ruedas, ejes tandem dobles y tandem triples respectivamente.

Espectro de cargas en eje simple de 4 ruedas

Espectro de carga en ejes sim ples de 2 ruedas 90

60

80

50 % de frecuencia

% de frecuencia

70 60 50 40 30

40 30 20

20

10 10 0

0 0

5

10

15

20

25

30

35

0

5

10

15

Carga en eje simple (ton)

20

25

30

35

40

Carga en eje simple (ton)

Espectro de carga en eje triple (12 ruedas)

Espectro de cargas en eje doble (8 ruedas)

25

18 16 14 % de frecuencia

% de frecuencia

20

15

10

12 10 8 6 4

5

2 0

0 0

5

10

15

20

25

30

35

Carga en eje doble (ton)

40

45

50

55

60

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Carga en eje triple (ton)

_____________________________________________________________________ 2-36

60

65

70

Apuntes de Pavimentos Volumen 1

Capítulo 3 El material de sub-rasante Ensayo de CBR y ecuaciones de correlación para Módulo Resiliente

Edición de octubre de 2004 (Revisión Octubre 2006)

El material de fundación y el ensayo CBR ___________________________________________________________________________

Sub-rasantes La sub-rasante, tal como es definida en pavimentos, comprende los últimos centímetros del relleno o del corte del movimiento de tierras, que sirven de soporte a la estructura del pavimento. Tiene, en consecuencia volumen, a diferencia de la misma palabra en el diseño geométrico, donde solo interesa como superficie, e interesan, por lo tanto, sus propiedades mecánicas. La sub-rasante tiene dos funciones principales: a. proporcionar un valor soporte mínimo a la estructura del pavimento, en forma tal que limite las deflexiones a valores tolerables. Es importante destacar que del total de la deflexión de un pavimento, entre un 70% y un 90% de ella es causada por la sub-rasante. b. proporcionar un soporte continuo, sin asentamientos significativos ni diferenciales, evitando además que se produzcan flujos plásticos o desplazamientos laterales. En función de la magnitud de la carga es necesario prestarle especial cuidado a la compactación y humedecimiento de las últimas capas de la sub-rasante, con el fin de lograr en este espesor el desarrollo de las propiedades requeridas. Así interesan para: 1. tránsito bajo: los últimos 15 a 30 cm 2. tránsito medio: los últimos 30 a 45 cm 3. tránsito alto: los últimos 45 a 60 cm. Las cualidades deseables en la sub-rasante son: 1. alta resistencia 2. permanencia de la resistencia 3. uniformidad, reduciendo al mínimo los cambios bruscos 4. alta densidad, que generalmente incrementa su resistencia 5. poca susceptibilidad al agua 6. poca variación volumétrica 7. facilidad de compactación 8. permanencia de la compactación Debido a la variabilidad de los materiales para sub-rasante, es necesario realizar un estudio profundo de los suelos encontrados en las unidades de diseño, ya que de él se determinará el diseño del pavimento. Los suelos son materiales muy variables; la interrelación de textura, densidad, humedad y resistencia es muy compleja y, en particular, el comportamiento ante la repetición de cargas es muy difícil de evaluar. Debido a la complejidad del problema no es posible establecer reglas que satisfagan todas las posibilidades. Es posible, sin embargo, formular técnicas y procedimientos que proporcionen resultados adecuados, si los principios relacionados con el diseño de la sub-rasante son entendidos por el Ingeniero de pavimentos.

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El método más frecuente para caracterizar la "resistencia" de un material de subrasante es el ensayo de Valor Soporte California (CBR), aún cuando hoy en día ya se está introduciendo el "Módulo Resiliente", ya que los nuevos métodos de diseño de pavimentos están incorporando este valor más científico. Ensayo de Valor Soporte California (CBR) Fue propuesto en 1929 por los Ingenieros T. E. Stanton y O. J. Porter, del Departamento de Carreteras del Estado de California. Desde esa fecha, tanto en Europa como en América, el método CBR (por sus siglas en inglés: California Bearing Ratio, Relación de Soporte California) se ha generalizado y es, hoy en día, uno de los más empleados para la caracterización de la "resistencia" de los suelos, sub-bases y bases granulares, valor que posteriormente serán empleados en el cálculo de espesores de pavimentos flexibles. Este método, que ha sido adoptado por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos, así como por otros organismos técnicos y viales, ha experimentado varias modificaciones, pero en la actualidad se sigue, en líneas generales, el procedimiento sugerido por el U.S. Waterways Experiment Station, Vicksburg, Mississipi, y que es la versión que más adelante se describe. Se establece en él una relación entre la resistencia a la penetración de un suelo, y su capacidad de soporte como base de sustentación para pavimentos flexibles. Si bien este método es empírico, se basa en un sinnúmero de trabajos de investigación llevados a cabo tanto en los laboratorios de ensayo de materiales, como en el terreno, lo que permite considerarlo como uno de los mejores procedimientos prácticos sugeridos hasta hoy. El CBR es una medida comparativa de la resistencia al corte de un suelo, material granular o estabilizado, y se define como la relación porcentual entre la carga unitaria requerida para penetrar un pistón normalizado, una profundidad determinada dentro de una muestra del material bajo ensayo, y la carga unitaria requerida para penetrar el mismo pistón, y a la misma profundidad, en una mezcla patrón de piedra picada; es decir:

CBRi = 100

C arga unitaria del material bajo ensayo C arg a unitaria de la piedra picada

(Ec.-1)

(ambas cargas a la misma profundidad) Donde: CBRi = CBR del material bajo ensayo a la profundida d de penetració n " i"

El CBR de un material es función de su densidad, textura, humedad de compactación, humedad después de la saturación, su "grado de alteración", y su granulometría.

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La "Determinación del CBR de suelos perturbados y remoldeados" es el más común, y debido a que la muestra de laboratorio debe representar lo mas fielmente posible los resultados de la compactación de campo, debe realizarse un estricto control en laboratorio sobre la densidad (energía de compactación) y la humedad de la muestra en el momento de la compactación. El valor de CBR normalmente se determina a dos profundidades de penetración del pistón normalizado de 3 pulgadas cuadradas de área (a 0,1 pulgada y a 0,2 pulgadas), seleccionando el mayor de los dos valores. Las cargas unitarias que resiste la piedra picada a estas profundidades son de 1.000 (70 kg/cm2) y 1.500 psi (105 kg/cm2), respectivamente. El procedimiento del ensayo CBR, ha sido normalizado por la ASTM D-1883 y por la AASHTO T-93, y en forma resumida, comprende las siguientes etapas: 1.

Ejecución del Ensayo de compactación (Proctor), para determinar el Peso Unitario máximo seco, también identificado con el término densidad máxima seca), y la humedad óptima de compactación (%wopt) de las muestras. Los resultados de un ensayo típico de compactación, se presentan en la Figura 1. Ensayo de Humedad – Densidad. AASHTO T-180 Prueba

1

2

3

4

5

Humedad (%w)

7,07

8,95

11,06

13,05

15,36

Peso unitario húmedo (t/m3)

2.002

2.146

2.250

2.195

2.149

Peso unitario seco (t/m3)

1.870

1.970

2.026

1.942

1.863

P.u. máximo seco = 2.027 T/ m 3

Humedad óptima = 10.8 %

2.10

Peso unitario seco (T/ m 3 )

2.05

2.00

1.95

1.90

1.85

5

10

15

Peso unitario seco (T/ m 3 )

% de humedad Figura 1. Resultados tabulados y en gráfico de un ensayo de compactación para un material de sub-base.

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El tipo de ensayo de compactación depende del tipo de material: a. Para material de fundación (sub-rasante), es decir suelos finos: Realizar el ensayo de Densidad-Humedad correspondiente al Proctor Estándar (AASHTO T-99) b. Para materiales de sub-base y/o base, es decir suelos gruesos: Realizar el ensayo de Densidad-Humedad correspondiente al Proctor Modificado (AASHTO T-180) 2. Compactación de tres (3) briquetas (muestras), cada una a la humedad óptima determinada en el paso anterior, en un molde de dimensiones estándar de 15 cm de ancho y aproximadamente 11,5 cm de altura. Se emplea un martillo de 10 libras de peso y de 18 pulgadas de caída para compactar cada muestra en cinco (5) capas. Una briqueta se compacta con 56 golpes por capa, la otra con 25 golpes por capa, y la última con 12 golpes por capa. A cada una de estas muestras se le determina su peso unitario seco. 3. Las tres muestras se someten a un proceso de inmersión total durante cuatro (4) días, al final de los cuales se determina nuevamente su humedad (Figura 2). Previamente se ha determinado la variación en altura de las muestras. El incremento de altura multiplicado por cien y dividido entre la altura inicial, se define como el “hinchamiento”. Durante el periodo de inmersión se coloca sobre cada muestra una sobre-carga de 10 libras de peso. Los resultados se presentan de la forma siguiente: Golpes por muestra

Peso unitario seco t/m3

Humedad inicial (%wi)

Humedad final (%wf)

Absorción (%)

Hinchamiento (%)

56

1.988

10,79

11,45

0,66

0,16

25

1.830

10,91

13,86

2,95

0,16

12

1.755

10,34

15,91

5,57

0,16

4. Cada muestra es colocada bajo una prensa de carga (Figura 3), y se mide la carga necesaria para ir penetrando el pistón normalizado, a una velocidad de 1,27 mm por minuto, a las profundidades de 0,025; 0,050; 0,075; 0,100; 0,200; 0,300; 0,400 y 0,500 pulgadas. 5. Las cargas registradas en el paso anterior se dividen entre 3,0 (área del pistón normalizado en pulgadas cuadradas), para obtener el “esfuerzo unitario” para cada profundidad de penetración. Durante esta etapa del ensayo se mantienen sobre cada muestra, como mínimo las sobrecargas de 10 libras. Los resultados se presentan de la siguiente forma:

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Esfuerzo de penetración en psi, para profundidades de (pulgadas) Golpes por muestra

0,025

0,050

0,075

0,100

0,150

0,200

0,300

0,400

0,500

56

107

205

280

335

424

502

634

748

845

25

72

100

115

123

137

150

174

199

222

12

22

45

49

52

57

61

70

79

87

6. Para cada muestra se dibujan los resultados de “esfuerzos unitarios” contra “profundidad de penetración”, para definir los valores de esfuerzo unitario a las profundidades de penetración de 0,100 y 0,200 pulgadas. En algunos casos puede ser necesario corregir las lecturas en función de posibles deformaciones al momento del inicio de la penetración.

Figura 2. Ensayo CBR en su etapa de inmersión y medición de la expansión, y en su etapa de penetración. Fuente: Daniel Salcedo R.: Guía Geotécnica y Ambiental, República Dominicana, 2001.

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7. Hasta esta etapa se dispone, en resumen, de tres valores de CBR para 0,100 pulgadas y otros tres valores de CBR para 0,200 pulgadas de penetración, es decir dos resultados por cada muestra de diferentes energías de compactación (56, 25 y 12 golpes), así como de las tres densidades secas, una para cada muestra. 8. Se procede a dibujar, para cada profundidad de penetración, los resultados de densidad seca contra valor de CBR. En este gráfico se traza la línea correspondiente al 95% del Peso unitario máximo seco. De la intersección de esta línea con la curva de densidad —vs—CBR, se traza una vertical hasta cortar el eje de valores de CBR. Se obtienen así dos valores de CBR: uno para la profundidad de 0,100 pulgadas, y otro para la profundidad de 0,200 pulgadas (Véase Figura 3). 9. El CBR final de la muestra será el mayor de los dos valores anteriores. Si ambos valores son cercanos, también puede tomarse el promedio de ambos.

1000

2.00

Peso unitario seco (T/m 3)

2

Esfuerzo en (Lb/pulg )

875

750

525

500

375

250

1.95 95% γ dmax. γd= 1.926 T/m3

1.90

1.85

1.80 CBR = 23%

125 1.75 -1

-2

-3

-4

Penetración del pistón en pulgadas

8

10

12

14

16

Contenido de humedad ( %)

10

20

30

40

% CBR Corregido

Figura 3. Gráfico de penetración y de Peso Unitario – vs - Resistencia CBR, de un material de sub-base.

Ha de tenerse presente que cada muestra se debe utilizar una sola vez, es decir, que no podrá usarse el material que haya sido previamente compactado. La sobrecarga sobre la muestra cumple dos propósitos: a. La sobrecarga que se aplique mediante pesas de plomo, debe ser prácticamente igual a la correspondiente a las de las capas de pavimento a construirse sobre el material que se ensaya al CBR. La sobrecarga mínima a emplearse será de 4,54 kg (10 lbs), equivalente a la de un pavimento de

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concreto-cemento de aproximadamente 12,5 cm de espesor. Esta es la función primordial de las sobrecargas. b. Evitar, o al menos reducir, la deformación de la superficie de la muestra cuando se somete a la penetración del vástago. Esta norma del ensayo había prácticamente pasado desapercibida para los ingenieros de vialidad durante muchísimos años, y los ensayos CBR se habían venido ejecutando, sin importar el tipo de material y/o el espesor esperado, con sólo dos (2) pesas colocadas sobre el material, para representar el efecto del peso del pavimento sobre la muestra. La Tabla 1 que se presenta a continuación, por ejemplo, ha sido preparada en función de los resultados ejecutados sobre más de 1.600 muestras con sobrecargas de 10 lbs, y su utilidad radica en que permite estimar el valor del % de CBR para el caso en que no puedan realizarse los ensayos. Tipo de suelo A-1-a A-1-b A-2-4 A-2-6 A-4 A-6

A-7-5 A-7-6

Índice de Grupo 0 0 0 0—4 0—2 2—5 >5 11 < 20 < 10 > 10

CBR de diseño para una condición de carga de < 106 < 107 < 108 < 105 Percentil 75 Percentil 85 Percentil 90 Percentil 95 35 30 30 20 27 24 21 17 22 18 13 8 14 12 8 6 14 12 8 7 9 8 6 3 4 2.5 2 2 8 7 5 4 5 4 3 2.5 3 2.5 2 1.5 2 1.5 1.5 1 4 2 1.5 1 3 2.5 2 2 2 1.5 1 0.5

Tabla I: Valores de CBR típicos de suelos venezolanos, determinados para diferentes valores percentiles. (CBR saturados, con 4,5 kg de sobrecarga) Fuente: Salamé Luis, et al: Método Venezolano de Diseño de Pavimentos, 1982

• Importancia de las sobrecargas En el año 1986, el Ing. Andrés Pinaud R. dirige dos Trabajos Especiales de Grado, uno en la Universidad Católica Andrés Bello y otro en la Universidad Metropolitana, con unos resultados que demostraron y recordaron a todos los ingenieros de vialidad, la importancia de ejecutar los ensayos de CBR de acuerdo a los procedimientos establecidos, con el fin de que los resultados de ellos obtenidos sean de aplicación adecuada. El siguiente ejemplo permitirá aclarar el procedimiento idealizado para determinar el número de sobre pesas correcto. Tipo de suelo: A-4, IG = 8 Cargas de diseño = 6,4 * 10 E +6 ___________________________________________________________________ 3-7

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(a) Ejecución de ensayos de CBR Se realizaron los ensayos de CBR de tres (puntos) en condición de saturado, sobre muestras del mismo material, variando el número de sobrecargas, y se obtuvieron los valores de CBR que se indican en la última columna de la tabla. Número del ensayo 1 2 3 4 5 6

Número de sobrecargas (n) 2 4 6 8 10 12

Esfuerzo unitario (kg/cm2) sobre la muestra 0.026 0.052 0.078 0.104 0.130 0.156

Valor de CBR (%) 2.8 3.2 4.4 5.0 6.1 6.5

Esfuerzo unitario (EU = ·carga/área = # sobrecargas * peso sobrecarga Diámetro de la muestra = 15 cm Peso cada sobre carga = 5 lbs. = 2,27 kg

(b) Se realizó del diseño de pavimentos por el Método de la AASHTO-93 y se obtuvieron lo siguientes espesores, variando el CBR para cada caso y con un valor constante de las cargas de 6.4 * 106 en cada diseño. Número del ensayo 1 2 3 4 5 6

Valor de CBR (%) 2.8 3.2 4.4 5.0 6.1 6.5

Espesor de cada capa (cm) Rodamiento Base Sub-base 10 20 30 10 20 25 10 20 20 10 15 20 7.5 15 15 5.0 15 15

(c) Con la información de los espesores de cada capa, y asumiendo que se han ejecutado ensayos de densidad para el material de cada capa, se construye la siguiente tabla. Las densidades de cada capa son: • capa de rodamiento = 2.4 ton/m3 • capa base = 2.2 ton/m3 • capa sub-base = 2.0 ton/m3 Número del ensayo

Valor de CBR (%)

1 2 3 4 5 6

2.8 3.2 4.4 5 6.1 6.5

Esfuerzo unitario (EU) sobre el pavimento (kg/cm2) 0.024 0.024 0.024 0.024 0.018 0.012

0.044 0.044 0.044 0.033 0.033 0.033

0.060 0.050 0.040 0.040 0.030 0.030

EU total 0.128 0.118 0.108 0.097 0.081 0.075

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Esfuerzo unitario (kg/cm2)

0.180 0.160

Esfuerzo unitario sobre pavimento

0.140 0.120 0.100 0.080 0.060 0.040 Esfuerzo unitario sobre muestra en laboratorio

0.020 0.000 0

2 4.4 % CBR

4

6

8

Número de sobre-cargas

10

12

14

5.0 % CBR

Gráfico 1: Variación de los esfuerzos en laboratorio y pavimento en función del número de pesas colocadas sobre la muestra en el ensayo CBR

(d) con los valores de esfuerzos unitarios en laboratorio y sobre el pavimento, se construye el Gráfico 1, del cual se deduce que el número correcto de sobrepesas debe corresponder al entero menor mas cercano al punto de intersección de las dos curvas (rectas) de esfuerzo unitario, en este caso siete (7), por lo cual, el valor de CBR puede ser interpolado linealmente entre 4.4% (para 6 pesas) y 5.0% (para 8 pesas), en este ejemplo resultaría, por lo tanto en un CBR de 4.7%. Normalmente no es ni económico ni práctico, el realizar el conjunto de ensayos que se lograron durante estos Trabajos de Grado, y cuyo procedimiento es tedioso y costoso, ya que cada ensayo de CBR tiene un valor cercano a los 125 US$, por lo cual se recurre a resultados aproximados, tal como el que se muestra en la la Tabla "2" —y la cual es el producto de muchos ensayos detallados similares al descrito anteriormente— que permite determinar el número de pesas a colocar sobre la muestra en ensayo, en función de la clasificación del material.

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Es conveniente destacar, sin embargo, que los suelos granulares, por no ser afectados en forma importante por el hinchamiento durante el período de inmersión, el peso de las sobrecargas no afectan en forma notable el resultado de esta parte del ensayo, por lo cual los ensayos siempre se hacen con dos sobrecargas. Los suelos arcillosos, por el contrario, presentarán, tal como ha sido demostrado, diferentes valores de CBR en función del número de pesas que se coloquen sobre la muestra, y cuyo número debe ser estimado en función de lo indicado en la Tabla 2. Las pesas, no obstante, juegan un papel predominante en los suelos granulares, y no en los arcillosos, durante la etapa de la penetración de la muestra.

Clasificación HRB del material

A-1-a ó A1-b A-2-4 (granular) A-2-7 (granular)

Tabla 2 Carga tentativa a utilizar en ensayos de CBR, en base a la clasificación HRB de los materiales Rango estimado Carga total durante Valor estimado de espesores del el ensayo del CBR del pavimento (cm) kg lbs

Número de pesas a colocar sobre la muestra

> 15

? 20

4.54

10

2

< 15

20 - 25

4,54 / 6,81

10 / 15

2ó3

< 10

25 - 35

6,81 / 9,09

15 / 20

3ó4

10 E+7 ≤ 10 E+8 90 95 > 10 E+8 95 95 _________________________________________________ Los CBR de diseño para los materiales de bases y sub-bases, de acuerdo a lo establecido en estos métodos, serán seleccionados como el menor de los resultados del conjunto de ensayos que hayan sido ejecutados para cada tipo de material. Ejemplo de aplicación del procedimiento del “percentil de diseño” (a) Resultados de los CBRsaturados a lo largo de la Unidad de Diseño para un material de sub-rasante en una vía con tránsito de 5,5 millones de repeticiones. Ensayo # 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Progresiva 1+180 2+320 3+500 5+800 7+200 8+050 9+325 10+100 11+050 12+000

CBR (%) 3.8 7.3 5.5 6.0 3.8 3.8 2.8 7.0 6.6 6.0

(b) ordenamiento de los resultados de menor a mayor, y cálculo del porcentaje de muestras con CBR igual o mayor al valor considerado:

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Ensayo #

Progresiva

7 1 5 6 3 4 10 9 8 2

9+325 1+180 7+200 8+050 3+500 5+800 12+000 11+050 10+100 2+320

% de # de muestras muestras con CBR (%) con CBR igual o CBR igual o mayor mayor 2.8 10 100% 3.8 3.8 9 90% 3.8 5.5 6 60% 6.0 5 50% 6.0 6.6 3 30% 7.0 2 20% 7.3 1 10%

(c) Preparación del gráfico de valor de CBR —vs— % de muestras con CBR igual o mayor al considerado. La figura presentada en la siguiente página permite deducir que, para un 85% de percentil de diseño —según lo indicado en la Tabla 3 para un material de subrasante con 5.5 millones de repeticiones, el % de CBR de diseño es de un 3.9%.

100% 90% Percentil de diseño

80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

% de CBR

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Selección del CBR en una "Unidad de Diseño" (Criterio del AASHTO-93) Este método establece, para el material de sub-rasante, un procedimiento específico a partir de las condiciones de humedad a lo largo de un año, y de los CBR promedio en condiciones de saturado, húmedo y seco, con lo cual se calcula el “daño relativo”. Este procedimiento será comentado en el Volumen 3 de estos Apuntes, cuando se discuta el procedimiento de diseño AASHTO-93. Para los materiales de bases y sub-bases se selecciona directamente el CBR promedio de los diferentes resultados de los ensayos para un material determinado, como valor de diseño. Módulo resiliente (MR) Los métodos de diseño más actualizados, tal como el AASHTO (93), exigen el empleo del valor de los "Módulos de Elasticidad (E)", por ser el resultado de ensayos fundamentales -científicos-, en sustitución del ensayo CBR, para caracterizar los materiales de sub-rasante, ya que este último ensayo se basa en un método de laboratorio totalmente empírico. • Módulo de Elasticidad en los materiales de subrasante y/o sub-rasante mejorada ("Módulo Resiliente Mr") El módulo resiliente (MR) está definido como la magnitud del esfuerzo desviador repetido en compresión triaxial dividido entre la deformación axial recuperable, siendo éste equivalente al módulo deYoung (módulo de elasticidad) y se representa como sigue:

donde:

MR = (σ1 – σ3) / εaxial = σd / εaxial

MR = Módulo de resiliencia σ1 = Esfuerzo principal mayor σ3 = Esfuerzo principal menor σd = Esfuerzo desviador εaxial = Deformación recuperable Durante pruebas de carga repetida se observa que después de un cierto número de ciclos de carga, el módulo llega aproximadamente a ser constante y la respuesta del suelo puede asumirse como elástica. Al módulo que permanece constante se le llama módulo de resiliencia. Este concepto aplica tanto para suelos finos como para materiales granulares. Así entonces, el concepto de módulo de resiliencia está ligado invariablemente a un proceso de carga repetida. El parámetro Módulo de Resiliencia, a través de las investigaciones, se ha constituido como un elemento fundamental en el diseño de pavimentos y ha despertado gran interés en el desarrollo de procedimientos de diseño con bases mecanicistas; los cuales lo introducen como un elemento que caracteriza de manera racional el ___________________________________________________________________ 3-15

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comportamiento esfuerzo-deformación de los materiales que conforman la estructura. Otra gran ventaja es que, con el avance en la computación, se ha podido someter al análisis teorías que pueden aplicarse en forma práctica a las condiciones de diseño. Procedimiento resumido del ensayo de triaxial dinámico. 1. La Briqueta de ensayo tiene forma cilíndrica, normalmente 100 mm de diámetro por 200 mm de altura (Figura 1.a). 2. La muestra se compacta en el laboratorio hasta alcanzar el peso unitario y el grado de humedad que se espera tenga en el campo. 3. La muestra se encapsula verticalmente por medio de una membrana de caucho, de poco espesor, y en ambas caras —superior e inferior— se colocan discos metálicos (Figura 1.b). 4. La briqueta se coloca dentro de la cámara de presión y se aplica la presión de confinamiento (σ3) (Figura 1.c) 5. El esfuerzo desviador es igual al esfuerzo axial (σ1) aplicado por el equipo menos el esfuerzo de confinamiento (σ3). En otras palabras, el esfuerzo desviador es el esfuerzo repetido aplicado sobre la muestra (Figura 2.a). 6. Las deformaciones que sufre la briqueta se calculan mediante una celdas de deformación (LVD), designada como “L” (Figura 2.b). 7. La condición inicial de la muestra es sin carga (sin esfuerzos inducidos). Cuando se aplica el esfuerzo desviador la muestra se deforma, cambiando en altura, tal como se muestra en la Figura 2.c. El cambio en altura es directamente proporcional a la rigidez del material. El Ensayo de deformación permanente se ejecuta bajo las siguientes condiciones: con un esfuerzo desviador de 69 kPa y un esfuerzo de confinamiento de 13.8 kPa (20,000 ciclos de carga). Estos niveles de esfuerzo son el máximo esfuerzo desviador y el mínimo confinamiento propuesto por SHRP para prueba de módulo de resiliencia; además, se considera que estos niveles de esfuerzos son los que se presentan a nivel de sub-rasante. Las deformaciones verticales son medidas por 3 LVDT´s (Linear Variable Differential Transformers), elementos que se encargan de transmitir la magnitud de dichas deformaciones a la unidad de registro y control. Los LVDT´s se encuentran localizados en la parte externa de la cámara triaxial. Los diferentes intervalos en los que se mide la deformación simulan la velocidad de circulación de un vehículo sobre la estructura de un pavimento. La carga que se aplica a la muestra de suelo compactado es medida por una celda de carga. El sistema de carga es operado por un medio hidroneumático a través de una bomba con capacidad de hasta 3000 lb/plg2 de presión. La frecuencia de la carga es gobernada por un controlador de tiempo y es de 10 repeticiones por minuto con una duración de carga de 0.1 segundos.

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Detalle de muestra con medidores de deformación instalados

Celda de triaxial dinámico

Este ensayo tiene actualmente muy poca difusión en Venezuela, ya que aun no existe ningún laboratorio que lo pueda ejecutar, pero se han desarrollado ecuaciones de correlación entre el valor de MR y el de CBR.

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La Figura 4 muestra algunas de esas correlaciones, pero debe destacarse que tanto la "Ecuación WES" como la "Ecuación SHELL" son válidas hasta valores de CBR iguales o menores a 10,0. Para valores mayores a 10,0 se deberán emplear otras formas de correlación.

El valor del MR al aplicar cualquiera de estas correlaciones arroja directamente el resultado en unidades de lb/pulg2 -psi-.

Figura 4: Relación entre Módulo Resiliente (Mr) y CBR, para materiales de subrasante y/o subrasante mejorada, para diferentes curvas de correlación

Obsérvense los diferentes valores de MR para un mismo CBR, en función de la curva de correlación que hay sido escogida-

___________________________________________________________________ 3-18

El material de fundación y el ensayo CBR ___________________________________________________________________________

En nuestro país las ecuaciones de correlación mas comúnmente empleadas para estimar el Módulo Resiliente (MR) a partir de los resultados de ensayos de CBR en suelos finos, es decir los que se utilizan en las capas de sub-rasante y sub-rasante mejorada son las siguientes: (a)Para CBR iguales o menores a 7.2%

MR = 1.500 * CBR

(psi)

(b) Para CBR mayores a 7.2% e iguales o menores a 20% 0.65

MR = 3.000 * CBR^

(psi)

(c) Para CBR mayores a 20%

MR = 4.326 * ln CBR +241

(psi)

En el caso de que no sea posible determinar el valor de MR por ninguno de los métodos anteriores, pueden seleccionarse los valores de Módulo Resiliente (MR), a partir de la Tabla 4, la cual se basa en condiciones climatológicas de algunas regiones de los Estados Unidos. TABLA 4 ________________________________________________________ Clima

Valores aproximados de Módulo Resiliente (MR) Calidad Relativa del Material de Fundación

Muy pobre Pobre Regular Buena Muy buena ______________________________________________________________ _ cálido-húmedo 2.800 3.700 5.000 6.800 9.500 Arido-seco 3.200 4.100 5.600 7.900 11.700 ______________________________________________________________ _Valor de MR en libras por pulgada cuadrada (psi) Nota: valores aplicables preferiblemente en vias rurales de bajo tráfico.

La Tabla 4 se refiere, tal como ha sido en indicado, a regiones de los Estados Unidos que tienen condiciones climáticas similares a los de Venezuela, específicamente el estado de Florida (cálido-húmedo) y los estados del medio oeste (Texas, Arizona, etc.) con su clima árido-seco. El Ing. Luis Salamé(+) desarrolló un trabajo titulado: "Métodos de Diseño de Pavimentos Flexibles para Vías de Bajo Volumen de Tránsito", en el cual presentó un conjunto de información que facilita la determinación de los valores del Módulo Resiliente del material de sub-rasante.

___________________________________________________________________ 3-19

El material de fundación y el ensayo CBR ___________________________________________________________________________

En este sentido, la Figura 5 muestra un mapa de las regiones pluvio-climáticas de nuestro país.

Figura 5: Áreas pluvio-climáticas de Venezuela. Ing. Luis Salamé. “Método de Diseño de Pavimentos para Vàs de Bajo Volumen de Tránsito”, 1990.

Basándose en las características ambientales de estas regiones, el Ing. Salamé propuso la Tabla 5, la cual permite estimar el valor del MR de la sub-rasante.

Es necesario apuntar, sin embargo, que esta tabla es aplicable solo para el caso en que no sea posible la ejecución de ensayos de laboratorio.

___________________________________________________________________ 3-20

El material de fundación y el ensayo CBR ___________________________________________________________________________

TABLA 5 ______________________________________________________________ _ Valores aproximados de Módulo Resiliente (MR) ______________________________________________________________ _ Región Calidad Relativa del Material de Fundación Climática Muy pobre Pobre Regular Buena Muy buena ______________________________________________________________ _ 1 (muy lluviosa) 2.875 3.700 5.000 7.000 11.000 2 (lluviosa)

3.250

4.100

5.500

8.000

14.000

3 (semi lluviosa)

3.625

4.500

6.000

9.000

17.000

4 (semi seca)

3.940

4.830

6.420

9.830

19.500

5 (pluvio-nublosa) 3.250 4.100 5.500 8.000 14.000 ______________________________________________________________ _Valor de MR en libras por pulgada cuadrada (psi) Nota: valores aplicables preferiblemente en vias rurales de bajo tráfico. Fuente: Ing. Luis Salamé R.: "Método de Diseño de Pavimentos Flexibles para Vías de Bajo Volumen de Tráfico", 1990.

Tipos de materiales a ser empleados como sub-rasante o sub-rasante mejorada: Los suelos encontrados en el movimiento de tierras son empleados directamente en la construcción de los terraplenes y conformarán, por lo tanto, la capa de subrasante, sin otro tratamiento que la estabilización mecánica mediante la compactación con la humedad óptima. Sub-rasantes con CBR entre un 3 y un 6% son muy comunes en las condiciones de trabajo de Venezuela. Los suelos orgánicos evidentemente no pueden ser empleados y la recomendación general de las Especificaciones de la AASHTO es que suelos con hinchamientos —de acuerdo al procedimiento del ensayo CBR— de un máximo de un 6% pueden ser utilizados como fundación del pavimento, ya que no presentarán problemas de expansividad. En el caso de que el hinchamiento sea mayor al 6% los suelos deben ser evitados, de ser esto posible inclusive hasta con cambios en el trazado geométrico, y si no deben ser tratados como “suelos expansivos”. Estos tratamientos escapan el alcance de estos Apuntes, pues no son un problema de pavimentos sino de geotecnia. Otra recomendación constructiva es la de reservar, en el caso de que esto sea práctico y económico, los materiales del movimiento de tierra con mejores CBR para emplearlos en los últimos centímetros del terraplén y, si su CBR es mayor al 10% y menor al 20%, se consideran como “sub-rasantes mejoradas”.

___________________________________________________________________ 3-21

El material de fundación y el ensayo CBR ___________________________________________________________________________

Los costos de transporte del movimiento de tierras juegan un papel muy importante cuando se considera la potencialidad de un material para ser trabajado como subrasante mejorada. Establecimiento de las Unidades de Diseño a lo largo de una carretera Durante la discusión del tema del CBR, se han comentado los criterios de determinación de los valores de diseño en lo que se ha definido como un tramo con características de iguales materiales. En la práctica no es fácil definir los límites de las “unidades de diseño” debido a la normal variabilidad de los materiales a lo largo del desarrollo del trazado de una carretera. Uno de los pocos procedimientos para la definición de estos límites ha sido presentado en el Método AASHTO-93 1, —pero puede ser aplicado no solo para CBR sino para cualquier tipo de mediciones y/o método de diseño de pavimentos— y que permite definir tramos con características similares, denominadas “Secciones homogéneas” que se explica mediante el ejemplo que se presenta a continuación: Ejemplo: Durante el diseño de pavimentos, empleando el Método AASHTO-93, del nuevo tramo de la Autopista Antonio José de Sucre, entre las poblaciones de El Guapo y Cúpira, en el Estado Miranda, se han realizado sobre el eje del trazado, ensayos de CBRsaturado a cada 500 ml, en las progresivas indicadas en la Columna 1 2 de la Tabla 6, con los resultados que se presentan en la Columna 3 esta tabla, y cuyo promedio aritmético de todos los CBR resulta en 23.4% Proceso de establecimiento de las Secciones Homogéneas: (a) Se calculan las distancias parciales entre progresivas consecutivas (Columna 4). (b) Se calcula la distancia acumulada entre progresivas consecutivas, desde la primera hasta la última (Columna 5), y se registra la “Distancia total acumulada”, en este caso 31.500 ml. (c) Se calcula el valor de CBR medio entre progresivas consecutivas (Columna 6). (d) Se calcula —para cada progresiva— la Columna 7 (denominada Área), que es igual al resultado de multiplicar el valor de la Columna 4 por el valor de la Columna 6. (e) Se calcula la integral acumulada entre progresivas consecutivas, desde el primero hasta el último valor (Columna 7), y se registra el “Ärea total acumulada”, en este caso 732.250. (f) Se determina el “Factor de cálculo” al dividir el “Área total acumulada” entre la “distancia total acumulada”, en nuestra ejemplo FC = 732.250/31.500 = 23.246. (g) Se calcula cada una de las celdas de la Columna 9, denominada “Valor Zr”, de acuerdo a la siguiente ecuación: Zr = valor Columna 8 — Factor de cálculo * Valor Columna 5 1

AASHTO-93. Anexo JJ. La Columna 2 de esta tabla son las mismas progresivas que las de la Columna 1 pero expresadas en km, para facilitar posteriormente la graficación de los resultados. 2

___________________________________________________________________ 3-22

El material de fundación y el ensayo CBR ___________________________________________________________________________

(h) Se prepara el Gráfico “Progresivas –vs-Valor Zr, tal como se muestra en la Figura 6. Cuando en la Figura 6 se observa sector de una misma pendiente se define una “Sección Homogénea o Unidad de Diseño”; por otra parte, un cambio en la pendiente define una nueva unidad de diseño. A cada conjunto de valores en una misma unidad de diseño se le calcula el promedio aritmético, y este será el valor de CBR de esa Unidad. En este ejemplo, de la Figura 6 pueden determinarse cambios de pendiente en las progresivas 4+000, 11+000, 12+500; 16+000 y 28+500, con lo cual se definen seis (6) tramos o Unidades de diseño, tal como se ilustra en la Tabla 7.

___________________________________________________________________ 3-23

El material de fundación y el ensayo CBR ___________________________________________________________________________

Tabla 6 Determinación de las Secciones Homogéneas o Unidades de Diseño CALCULO DE SECCIONES HOMOGENEAS (1)

(2)

PROG. PROGRESIV MEDICION A (km) (m)

CALCULO DE SECCIONES HOMOGENEAS

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

CBR

DIST m

ACUM. m

CBR MEDIO

Áreas parciales (ai)

Áreas acumuladas

Zx

(1)

(2)

PROG. PROGRESIV MEDICION A (km) (m)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

CBR

DIST m

ACUM. m

CBR MEDIO

Áreas parciales (ai)

Áreas acumuladas

Zx

500

0.5

5

500

500

5

2,500.00

2,500

(9,123)

16,500

16.5

5

500

16,500

9

4,250.00

427,500

43,940

1,000

1.0

6

500

1,000

6

2,750.00

5,250

(17,996)

17,000

17.0

33

500

17,000

19

9,500.00

437,000

41,817

1,500

1.5

4

500

1,500

5

2,500.00

7,750

(27,119)

17,500

17.5

30

500

17,500

32

15,750.00

452,750

45,944

2,000

2.0

8

500

2,000

6

3,000.00

10,750

(35,742)

18,000

18.0

35

500

18,000

33

16,250.00

469,000

50,571

2,500

2.5

12

500

2,500

10

5,000.00

15,750

(42,365)

18,500

18.5

8

500

18,500

22

10,750.00

479,750

49,698

3,000

3.0

8

500

3,000

10

5,000.00

20,750

(48,988)

19,000

19.0

7

500

19,000

8

3,750.00

483,500

41,825

3,500

3.5

10

500

3,500

9

4,500.00

25,250

(56,111)

19,500

19.5

9

500

19,500

8

4,000.00

487,500

34,202

4,000

4.0

2

500

4,000

6

3,000.00

28,250

(64,734)

20,000

20.0

8

500

20,000

9

4,250.00

491,750

26,829

4,500

4.5

49

500

4,500

26

12,750.00

41,000

(63,607)

20,500

20.5

4

500

20,500

6

3,000.00

494,750

18,206

5,000

5.0

58

500

5,000

54

26,750.00

67,750

(48,480)

21,000

21.0

12

500

21,000

8

4,000.00

498,750

10,583

5,500

5.5

40

500

5,500

49

24,500.00

92,250

(35,603)

21,500

21.5

31

500

21,500

22

10,750.00

509,500

9,710

6,000

6.0

42

500

6,000

41

20,500.00

112,750

(26,726)

22,000

22.0

7

500

22,000

19

9,500.00

519,000

7,587

6,500

6.5

29

500

6,500

36

17,750.00

130,500

(20,599)

22,500

22.5

4

500

22,500

6

2,750.00

521,750

(1,286) (6,909)

7,000

7.0

40

500

7,000

35

17,250.00

147,750

(14,972)

23,000

23.0

20

500

23,000

12

6,000.00

527,750

7,500

7.5

33

500

7,500

37

18,250.00

166,000

(8,345)

23,500

23.5

24

500

23,500

22

11,000.00

538,750

(7,532)

8,000

8.0

11

500

8,000

22

11,000.00

177,000

(8,968)

24,000

24.0

11

500

24,000

18

8,750.00

547,500

(10,405)

8,500

8.5

38

500

8,500

25

12,250.00

189,250

(8,341)

24,500

24.5

11

500

24,500

11

5,500.00

553,000

(16,528)

9,000

9.0

27

500

9,000

33

16,250.00

205,500

(3,714)

25,000

25.0

37

500

25,000

24

12,000.00

565,000

(16,151)

9,500

9.5

21

500

9,500

24

12,000.00

217,500

(3,337)

25,500

25.5

5

500

25,500

21

10,500.00

575,500

(17,274)

10,000

10.0

27

500

10,000

24

12,000.00

229,500

(2,960)

26,000

26.0

19

500

26,000

12

6,000.00

581,500

(22,897)

10,500

10.5

40

500

10,500

34

16,750.00

246,250

2,167

26,500

26.5

17

500

26,500

18

9,000.00

590,500

(25,520)

11,000

11.0

27

500

11,000

34

16,750.00

263,000

7,294

27,000

27.0

30

500

27,000

24

11,750.00

602,250

(25,393)

11,500

11.5

8

500

11,500

18

8,750.00

271,750

4,421

27,500

27.5

20

500

27,500

25

12,500.00

614,750

(24,516)

12,000

12.0

10

500

12,000

9

4,500.00

276,250

(2,702)

28,000

28.0

8

500

28,000

14

7,000.00

621,750

(29,139)

12,500

12.5

8

500

12,500

9

4,500.00

280,750

(9,825)

28,500

28.5

12

500

28,500

10

5,000.00

626,750

(35,762)

13,000

13.0

45

500

13,000

27

13,250.00

294,000

(8,198)

29,000

29.0

71

500

29,000

42

20,750.00

647,500

(26,635)

13,500

13.5

45

500

13,500

45

22,500.00

316,500

2,679

29,500

29.5

8

500

29,500

40

19,750.00

667,250

(18,508)

14,000

14.0

54

500

14,000

50

24,750.00

341,250

15,806

30,000

30.0

14

500

30,000

11

5,500.00

672,750

(24,631)

14,500

14.5

64

500

14,500

59

29,500.00

370,750

33,683

30,500

30.5

54

500

30,500

34

17,000.00

689,750

(19,254)

15,000

15.0

43

500

15,000

54

26,750.00

397,500

48,810

31,000

31.0

48

500

31,000

51

25,500.00

715,250

(5,377)

15,500

15.5

24

500

15,500

34

16,750.00

414,250

53,937

31,500

31.5

20

500

31,500

34

17,000.00

732,250

-

16,000

16.0

12

500

16,000

18

9,000.00

423,250

51,313

Promedio total CBR

23.4

___________________________________________________________________ 3-24

El material de fundación y el ensayo CBR

60,000

40,000

20,000

31.5

30.5

29.5

28.5

27.5

26.5

25.5

24.5

23.5

22.5

21.5

20.5

19.5

18.5

17.5

16.5

15.5

14.5

13.5

12.5

11.5

9.5

10.5

8.5

7.5

6.5

5.5

4.5

3.5

2.5

1.5

0.5

Valor Zr

-

(20,000)

(40,000)

(60,000)

(80,000) Progresiva

Figura 6: gráfico para establecer las Unidades de Diseño o Secciones Homogéneas

Los promedios de los valores individuales de CBR en estas Unidades de Diseño serán, en consecuencia, los que se discriminan en la Tabla 7 : Tabla 7 Unidades de Diseño en la Autopista AJdeS, Tramo El Guapo-Cúpira Unidad Progresivas Valores de CBR en el tramo

CBR promedio y desviación

UD 1 0+000 a 4+000 5-6-4-812-8-10-2

6.9 3.27

UD 2 4+000 a+11+000 49-58-4042-29-4033-11-3827-21-2740-27

UD 3 11+000 a 12+500

UD 4 12+500 a 16+000

8-10-8

45-45-5464-43-2412

32.7 11.95

8.7 1.15

31.3 21.24

UD 5 16+000 a 28+500 5-33-3035-8-7-9-84-12-31-74-20-2411-11-375-19-1730-20-8-12 16.3 10.82

UD 6 28+500 a 31+500 71-8-1454-48-20

35.8 25.36

Esta “sectorización” se presenta gráficamente en la Figura 7. Es evidente que pudieran seleccionarse tramos mas cortos de igual pendiente, con lo cual se obtiene menor dispersión en los CBR de estos tramos, pero debe lograrse un balance entre precisión y número de Secciones Homogéneas que sean determinadas. La UD-3, por ejemplo, pudiera incluirse dentro de la UD-2. Normalmente se recomienda que una Unida de de Diseño no tenga menos de 2 km de longitud, por facilidades constructivas y de costo.

3 -25

El material de fundación y el ensayo CBR

80 70

Valores CBR (%)

60 50 40 30 20 10 0 -

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

Progresiva

Figura 7: Definición de secciones homogéneas

En este ejemplo se ha seleccionado para cada Unidad de Diseño el valor de CBR promedio, partiendo de la premisa es que el diseño de pavimentos será realizado por el Método AASHTO-93. Si el diseño se fuese a ejecutar por otro método, por ejemplo el del MTC, debería emplearse el procedimiento del “percentil de diseño”. Es conveniente señalar que este procedimiento es una herramienta de ayuda en el difícil proceso de definición de las “Unidades de Diseño” pero que nunca puede dejarse de lado el criterio del Ingeniero Proyectista.

3 -26

El material de fundación y el ensayo CBR

3 -27

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Uso de geosintéticos para el mejoramiento de sub-rasantes (Este tema ha sido tomado, con la autorización del Autor, de la publicación: “Guía Geotécnica y Ambiental”, preparada por el Ing. Daniel Salcedo R. para la República Dominicana en el año 2001). En los últimos años se ha incrementado el uso de geosintéticos en aquellos sitios donde el material de la sub-rasante del pavimento es de baja capacidad soporte. Cuando el material de baja resistencia de la sub-rasante es de poco espesor, puede ser retirado y reemplazado, pero en la medida que su espesor se hace significativo, la opción de remoción y sustitución se hace costosa y consume mucho tiempo. Es por esta razón que se debe evaluar como opción la utilización de geosintéticos como refuerzo. Las Figuras 6 y 7, muestran un ejemplo que permite visualizar las ventajas del uso de geosintéticos para evitar deformaciones, contaminación, aparición de fisuras, y para reducir el espesor de la capa de base granular que en algunos casos puede alcanzar hasta el 40%. El producto TRC-Grid es una marca registrada elaborada por Akzo Nobel Geosynthetics y distribuida por Maccaferri, formada por la unión de una geogrilla tejida biorientada, insertada entre otras dos capas de geotextil no tejido termoligado de filamentos continuos de poliéster, que combina funciones de refuerzo, separación y filtración (Véase Figura 8). La geogrilla desempeña la función de refuerzo y los geotextiles las funciones de filtración y separación, evitando la contaminación de la camada granular por los finos de la base. Este producto también ha sido utilizado en la base de terraplenes sobre suelos blandos. Las fotos de la Figura 9 muestra un ejemplo de un sector donde la base granular fue construida sobre una capa vegetal. Nótese como progresivamente se han ido incrustando los fragmentos de roca en la capa vegetal, con el consecuente asentamiento de la plataforma de la vía. En los casos de suelos in situ arcillosos también puede ocurrir el mismo efecto, el cual se puede evitar utilizando geosintéticos que cumplan la función de separador entre los dos tipos de suelos. Existen otros geosintéticos disponibles que también son utilizados como refuerzo, tales como los denominados sistema spectra de Tensar (mallas de refuerzo BX1200 y BX4200), o geomallas biorientadas Tenax LBO. La selección de la malla de refuerzo dependerá de las características del problema específico y de las propiedades de los diferentes productos disponibles en el mercado. Las Figuras 10 y 11, muestran ejemplos de mallas fabricadas por las empresas Tensar y Tenax, respectivamente. El procedimiento constructivo de colocación de geosintéticos como refuerzo se muestra tanto en los esquemas de la Figura 12, como en las Fotos de la Figura 13. Los métodos de diseño con geosintéticos no están dentro de los alcances de la presente Guía pero se pueden consultar en manuales y artículos técnicos publicados por diferentes empresas distribuidoras. Entre tales referencias se recomienda la lectura del Manual de Diseño de Pavco, Sistemas para Pavimentos de Tensar (1999), Tensar Technical Note TTN:BR5 (1994) y TTN:BR10 (1998), y Refuerzo para base de pavimentos de Maccaferri. En tales publicaciones se reportan ejemplos de diseños comparativos utilizando pavimentos no reforzados y reforzados, 3 -29

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concluyéndose que se pueden lograr disminuciones importantes en los espesores de base granular o de los materiales debajo de dicha base que se requerirían sobre subrasantes de baja capacidad soporte.

SUB-RASANTE

(a)

SUB-RASANTE

(b)

Figura 6: (a) Disminución de deformaciones y aparición de fisuras. (b) Reducción del espesor de base granular. (Fuente: Maccaferri)

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SUB-RASANTE

(a)

SUB-RASANTE

(b) Figura 7. (a) Refuerzo para evitar deformaciones en el pavimento. (b) El refuerzo sirve de separador y evita la pérdida de capacidad de soporte. El producto TRC-Grid es una marca registrada. (Maccaferri).

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Figura 8. El TRC-Grid es un geocompuesto formado por una geogrilla biorientada de muy bajo estiramiento y alta resistencia, colocada entre dos geotextiles no tejidos termosoldados. (Maccaferri).

Figura 9. Base granular incrustándose en una capa vegetal que no fue removida completamente antes de la colocación y compactación de la misma.

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Figura 10. Geomallas Tensar tipos BX 1100 y BX 1200, utilizadas para la estabilización de sub-rasantes. (Tensar Earth Technologies, Inc).

Figura 11. Geomalla mono-orientada TENAX, diseñada para refuerzo de suelos, proporcionando gran resistencia a la tensión en sentido longitudinal, y geomalla biorientada de la serie TENAX LBO con elementos y nudos rígidos, utilizada para el refuerzo de suelos granulares y pavimentos rígidos y flexibles.

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(a)

(c)

(b)

(d)

Figura 12. Secuencia constructiva para instalación de geosintético como refuerzo sobre la subrasante. (a) Extendido del rollo de geosintético. (b) Colocación de la base granular. (c) Extendido del material granular. (d) Compactación.

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Figura 13. Etapas de colocación de un geosintético como refuerzo, y construcción posterior de la base granular.

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Apuntes de Pavimentos Volumen 1

Capítulo 4 Sub-bases y bases de materiales granulares no tratados

Edición de octubre de 2004 (Revisión Octubre 2006)

Sub-bases y bases granulares

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Bases y sub-bases granulares En este Capítulo se describen las definiciones, características, propiedades y procedimientos constructivos referentes a los materiales y mezclas a ser empleados en las capas de bases y sub-bases de pavimentos flexibles. La terminología clásica utilizada en Ingeniería de pavimentos puede observarse en la Figura 1. El término pavimento se aplica a todo el espesor, construido sobre la subrasante, constituido generalmente por el material de sub-base, la base, y las capas asfálticas. Las dos capas superiores mostradas en la figura (rodamiento y base asfáltica), se refieren a una pavimentación con concreto asfáltico; alternativamente, el pavimento superior puede ser de concreto hidraúlico, o simplemente se coloca un tratamiento asfáltico superficial, cuyo uso ideal es en vías de bajo tránsito.

Capa de rodamiento Imprimación

Riego de adherencia

C L Base asfáltica

Sub-base Material de sub-rasante compactada

Base granular o estabilizada

Figura1. Terminología utilizada corrientemente en ingeniería de pavimentos.

Capas de Base: La capa base de un pavimento flexible se define como aquella capa de material que está colocada directamente por debajo de la capa de rodamiento. Debido a su ubicación —muy cercana a la superficie en donde se aplican las cargas de los vehículos— deben poseer una alta resistencia a la deformación, siendo capaces de soportar los esfuerzos aplicados sobre ellas. Normalmente se construyen con espesores relativamente altos (15-30 cm.), y con materiales de Módulos Elásticos altos, con lo cual se logra absorber parte de los esfuerzos y distribuirlos a las capas

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inferiores en una magnitud tal que puedan ser soportados por materiales de menor calidad, como son los que conforman las capas de sub-base o de sub-rasante. Una segunda función de la capa base está asociada con la facilidad de drenar las aguas provenientes de la superficie, o de evitar la ascensión capilar de aguas inferiores. Por último, persiguen un fin económico, ante la posibilidad de emplear materiales de menor costo que los utilizados en la capa de rodamiento Normalmente son construidas con mezclas de fragmentos de piedra o grava, y materiales finos de relleno, pudiendo también emplearse suelos locales estabilizados mediante la incorporación de cal hidratada o cemento Portland, en cantidades suficientes para incrementar en forma sustantiva su capacidad de resistencia. Sus propiedades fundamentales dependerán, por otra parte, del diseño final de la estructura de pavimento, en particular, si se contempla que la capa de base sea, o no, protegida mediante la colocación de un sello de tratamiento asfáltico superficial. Capas de Sub-base La capa de sub-base se define como aquella capa que se coloca directamente sobre la superficie de la sub-rasante. También puede ser definida, en una estructura de pavimento multicapa, como aquella capa que se coloca directamente por debajo de la capa de base. Aún cuando se emplean para absorber los esfuerzos generados por los vehículos, debido a que se encuentran algo alejadas de la superficie en donde se aplican las cargas, no se requieren materiales tan resistentes como los exigidos en las capas de base. Sus espesores son, en general, mayores a los de capa base, y están en el rango entre los 20 y 35. No se recomienda construir espesores de capas mayores a los 45 cm, aun cuando el dimensionamiento estructural así lo exiga; en este caso debe sustituirse el espesor por encima de los 45 cm por un espesor equivalente de otro material, tal como será comentado en el momento de diseñar la estructura de un pavimento. El Módulo Elástico de los materiales de sub-bases granulares son menores a los de la capa base. Otras funciones de las capas de sub-base son: economía de construcción, por ser de menor costo que los empleados en las capas de base, y facilitar el drenaje de las aguas, tanto las de percolación como las de ascensión capilar. Por otra parte, en caso de ser necesario reducir cambios volumétricos originados por suelos de carácter expansivo, se construyen también con grandes espesores, y sirven para impedir que las deformaciones de las capas de la sub-rasante sean reflejadas en la superficie del pavimento. Las capas de sub-base, por último, sirven como capa de transición, evitando que los finos de la sub-rasante contaminen los materiales de las capas de base, reduciendo su resistencia. Normalmente son construidas con materiales granulares sin procesar, con espesores relativamente mayores a los de la capa base (20-35 cm.), o en el caso de emplearse materiales locales de baja calidad, se estabilizan mediante la incorporación de cal hidratada o cemento Portland en cantidades reducidas para incrementar ligeramente su capacidad de resistencia. También los materiales locales finos pueden ser mejorados mediante el empleo de aceites sulfonados, que producen una

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estabilización de tipo electroquímica, pudiendo así alcanzar los niveles de calidad asociados con los exigidos para otros tipos de materiales empleados como capas de sub-base. Tipos de materiales para capas de sub-base Los materiales que van a ser empleados en las capas de sub-base son gravas y arenas obtenidas de los depósitos de ríos o minas y son empleados directamente como vienen del saque, sin ningún procesamiento adicional excepto el de la eliminación del “sobre-tamaño”, es decir el material que exceda el tamaño máximo establecido en las especificaciones, normalmente 2.5 pulgadas. En Venezuela se emplean “in extenso” los materiales de saques de mina, normalmente materiales que clasifican como A-2-4 según la AASHTO, con plasticidades bajas (LL < 25% e IP < 9%). El CBR de estos materiales normalmente se ubica entre un 20% y un 35% y se logra con ellos una sub-base de regular a mala. También se emplean con mucha frecuencia los materiales de los saques de las márgenes de los ríos, por su baja o nula plasticidad, estos materiales arrojan CBR entre un 35% y un 50%. Las sub-bases construidas con estos materiales son de buena calidad. La gran desventaja de estos materiales, por ser empleados sin procesamiento posterior, es el de su gran variabilidad: tan pronto un material de río tendrá un CBR de 40%, como podrá tenerlo de un 25%. Su ventaja radica en su bajo costo.

Figura 2-a. Proceso de descarga de las pilas de los camiones a distancias previamente determinadas, y formación del cordón o camellón con una motoniveladora. Fuente: Daniel Salcedo R:: “Guía Técnica y Ambiental, República Dominicana, 2000”

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La Norma COVENIN 11-2 (Granzón natural) establece los siguientes límites granulométricos para los materiales a ser empleados como sub-bases granulares: Subbase Tipo 1

2” 100

1” 100

% pasante el tamiz 3/8” #4 # 10 60-100 50-85 40-70

# 40 20-50

# 200 5-20

La Figura 1 muestra el proceso constructivo de estos materiales, el cual consiste en la descarga en pilones, o pilas del agregado, con un volumen igual al que puede recibir un camión volteo, y luego el acomodo de las pilas en un pilón continuo, o “camellón” que, posteriormente es distribuido a todo lo ancho de la calzada para lograr una camada con un espesor suelto que, al ser compactado, alcance el espesor de diseño. Lo mas importante es, por lo tanto, (a) garantizar en obra que se alcance el espesor de la capa una vez que el material haya sido compactado y (b) lograr la densidad de campo establecida en las especificaciones. El siguiente ejemplo permite describir el procedimiento para determinar el espaciamiento de camiones, en el caso de uso de un solo material. Ejemplo No 1. Determinación de espaciamiento de camiones con un material Determinar el espaciamiento de los camiones para lograr un espesor compactado de 25 cm, en una calzada de 7.81 m de ancho. Se dispone de camiones de 9 m3 y de 15 m3. Solución Es necesario conocer las densidades secas del material, en estado suelto, tal como se encuentra en el momento de su transporte sobre los camiones, y luego de ser compactado en obra. En este ejemplo, se conoce que la densidad seca del material, en estado suelto es de 1.600 kg/m3, y se ha realizado un ensayo de compactación Proctor, que arroja un valor de Peso Unitario seco máximo ( o densidad máxima seca) de 2.100 kg/m3 ,y una humedad óptima de 6,8%. En función de las densidades de construcción, se estima que la densidad seca después de compactada será del 95% de la densidad máxima seca, es decir igual a 2.100 x 0,95 = 1.995 kg/m3. Los cálculos serán realizados para 300 m3 de material compactado, que es la cantidad de material que se estima pueda ser extendido, humedecido y densificado en una jornada de trabajo. 1. Volumen requerido 1.1 Volumen de material compactado = ancho x largo x espesor Ancho medio = [7.81 + 2 x (½ x 0,25)] = 8,063 m Largo = 300 m

Espesor = 0,25 m

Volumen compactado = 8,063 x 300 x 0,25 = 604,69 m3 1.2 Volumen del material en estado suelto = volumen compactado (Densidad seca de campo (compactado) / densidad seca en estado suelto)

x

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Volumen del material suelto = 604,69 755,86 m3

x

1.995 / 1.600 = 604,69

x

1,25 =

Es decir, se requiere un 25% de material adicional por cada m3, para lograr un (1,0) m3 compactado. Esta relación entre la densidad seca de campo y la densidad seca suelta, se conoce como Factor de esponjamiento. 2. Espaciamiento de los camiones. Si se cumple el procedimiento correcto de espaciamiento de la descarga de los camiones, se logra colocar la cantidad requerida para el espesor deseado en el proyecto. Véase Figura 3. Ya que se dispone de camiones de 5 m3 y de 9 m3, cuya capacidad está relacionada con el estado en que se transporta el material, es decir en estado suelto, una alternativa de distanciamiento de un camión a otro sería la siguiente: •

Empleando solo camiones de 9 m3 Cantidad de camiones de 9 m3 en los 300 m de longitud = 755,86 / 9 = 83,98 camiones (se aproxima a 84 camiones)

•

Espaciamiento (distancia) entre camión y camión = 300 / 84 = 3,57 m Empleando solo camiones de 15 m3 Cantidad de camiones de 15 m3 en los 300 m de longitud = 755,86 / 15 = 50,39 camiones (se aproxima a 50 camiones) Espaciamiento (distancia) entre camión y camión = 300 / 50 = 6,00 m

•

Empleando el mismo número de camiones de 9 m3 y 15 m3 m3 a ser transportados por cada tipo de camión = 755,86/2 = 377,93 m3 - cantidad de camiones de 9 m3 = 377.93/9 = 41,99 o separación entre camión y camión = 300/42 = 7,14 m. Se aproxima a 7 m. - cantidad de camiones de 15 m3 = 377,93/15 = 21,20 o separación entre camión y camión = 300/21 = 14,3 m. Se aproxima a 14 m. (La Figura 2-a ilustra el procedimiento de descarga de los materiales en obra y la Figura 2-b el esquema de espaciamiento de pilas descargadas desde los camiones volteo)

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Otros requisitos de calidad para los materiales de sub-bases granulares Las Especificaciones incluyen otros requisitos para los materiales que sean propuestos para sub-bases granulares. La Norma COVENIN 11-5 (granzón mezclado), por ejemplo exige lo siguiente. • % partículas alargadas o planas: < 20% • % Desgaste L.A. < 50% • CBR > 20% (no establecido en la Norma pero práctica común entre los Ingenieros de Proyecto).

6m 6/2 m Inicio tramo 300 Figura VI-10. Esquema indicando el espaciamiento de camiones de 15 m3. 7m

7m

7m

14 m

Inicio tramo 300 m Figura 2-b. Esquema indicando el espaciamiento de camiones de 15 m3 y de 9 m3.

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Tipos de materiales para capas de base Los materiales obtenidos directamente en los cortes de las minas o en las riberas de los ríos son económicos y permiten obtener unas sub-bases de malas a buenas, en función de su resistencia o valor CBR. A medida que la capa se acerca a la superficie sobre la cual se aplicarán las cargas, sin embargo, se requieren materiales de mejor calidad, los cuales son normalmente obtenidos al procesar agregados extraídos de las márgenes de los ríos. El procesamiento permite modificar algunas de sus propiedades fundamentales, a saber: forma y tamaño, textura y distribución de tamaños. Este procesamiento significa un costo adicional, pero el aumento de sus propiedades mecánicas significa una disminución en sus espesores de diseño, por lo cual es una alternativa muy común en la ingeniería de pavimentos. Los materiales “naturales” que son sometidos a procesos de modificación de forma, tamaño y granulometría —y algunas veces a lavado para disminuir su plasticidad— son conocidos como “materiales procesados”. Estos materiales procesados derivan sus niveles de mayor resistencia (mayor CBR) —mayor resistencia al corte— fundamentalmente por la fricción interna que se logre entre los granos, y la cual, a su vez, es función de una serie de propiedades de ingeniería del agregado: • distribución granulométrica • forma y textura de las partículas • tamaño máximo • limpieza • densidad Distribución granulométrica La distribución de tamaños es la propiedad más importante de un material que sea empleado en una capa de base o de sub-base, ya que permitirá un contacto grano a grano, garantizando así el desarrollo de un adecuado nivel de resistencia. Un agregado que contenga pocos o ningunos finos logra su estabilidad por el contacto “grano a grano”. Normalmente son de baja densidad y muy permeables; sin embargo, debido a su naturaleza no cohesiva, son muy difíciles de trabajar en obra. La Figura 3(a) muestra este tipo de distribución granulométrica. Por otra parte, un agregado que contenga suficientes finos para llenar todos los vacíos entre las partículas o granos, tal como se observa en la Figura 3(b), también logrará su estabilidad por el contacto “partícula a partícula”, pero con una mayor resistencia al corte. Su densidad será alta y su permeabilidad relativamente baja. Este material es moderadamente fácil de compactar, pero es el ideal desde el punto de vista de la estabilidad, ya sea que se encuentre en una condición confinada o no-confinada. La Figura 3(c) muestra un material que contiene un excesivo porcentaje de finos, y ha perdido su contacto “grano a grano”, y el grueso simplemente “flota” en los finos. Su densidad será baja y es prácticamente impermeable. La estabilidad en este tipo de materiales se ve marcadamente afectada por las condiciones de humedad. Quizás una de sus pocas ventajas es su facilidad de ser trabajado y compactado en obra.

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(a)

(b)

(c)

Figura 3. Estados físicos de las mezclas granulares (Yoder & Witzack, 1981).

La Figura 4 muestra los resultados de densidad y CBR obtenidos en mezclas de gravas sin triturar y de textura lisa, con tamaño máximo de ¾ de pulgada en las cuales se ha variado el contenido de finos. Los pesos unitarios secos corresponden a los máximos de los ensayos de densidad-humedad para cada granulometría, y los valores de CBR fueron realizados en muestras saturadas. La densidad máxima para este agregado, con una granulometría “bien gradada” —es decir con adecuada proporción entre gruesos y finos— resulta cuando el porcentaje de P-200 se ubica entre un 8 y un 10%, sea cual sea la energía de compactación. Los máximos valores de CBR, sin embargo, se lograron cuando el % de P-200 se ubicó entre el 6 y el 8%. El pico de la curva de pesos unitarios secos contra % de P-200 representa la condición (b) de la Figura 3, mientras que las porciones de las curvas a derecha e izquierda de dicho máximo corresponden a las condiciones (a) y (c) respectivamente. La distribución granulométrica de los materiales que cumplen con el experimento anterior, desarrollado por el Ing. Fuller, toma la siguiente forma: ⎛ d (i ) ⎞ % p( i ) = 100 × ⎜ ⎟ ⎝ TM ⎠

0.45

En donde %p(i) = porcentaje de material pasante el tamiz de tamaño (i) d(i) = tamiz correspondiente al tamaño (i) TM = tamaño máximo de la distribución granulométrica (tamiz más pequeño por el que pasa el 100% del material).

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Figura 4: Variación de los valores de peso unitario y CBR en función del contenido de finos en una mezcla de grava sin triturar y con textura lisa. Fuente: Yoder & Witczac: Principles of Pavement Design

La densidad máxima, según Fuller, ocurre normalmente cuando el exponente “n” es igual a 0.50. Estudios mas recientes han demostrado que este valor es realmente 0.45. En consecuencia, para el material representado en la Figura 4, con un tamaño máximo de ¾” (19 mm), la solución para el P-200 (0.074 mm) resulta en un 6.2% —si el exponente es de 0.5— y de 8.2% si el exponente es 0.45, en ambos casos los valores son consistentes con los mostrados en la figura 4. En la misma Figura 4 se señalan tres diferentes energías de compactación, y se observa que la Ecuación de Fuller se cumple independientemente de la energía de compactación. Se observa, además, que los mayores valores de densidad y resistencia CBR se alcanzan cuando ha sido mayor la energía de compactación (AASHTO Estándar contra 15 y 5 golpes por capa). Efecto de la forma y textura de los granos Fuller realizó ensayos similares a los anteriores, manteniendo la misma distribución granulométrica, pero con agregados triturados, variando la forma y de la textura de los granos que conforman la mezcla de materiales, para demostrar su efecto en la densidad y en la resistencia CBR. (La figura 5 muestra partículas de agregados con diferentes formas y texturas). A tal efecto trituró la grava redondeada y sus resultados se muestran en la Figura 6. Se observa en esta figura que el efecto de la fracción fina sobre el CBR es menos marcado que en el caso de la mezcla con granos redondeados. Se observa también, en la Figura 5, que para los mismos valores de P-200 que en la Figura 4, los valores ___________________________________________________________________________________

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de CBR en la mezcla con agregados triturados son siempre mayores; esto se debe al efecto de la forma y de la textura superficial, ya que por la mayor trabazón de los agregados se alcanza un mayor valor en el ángulo de fricción interna (φ).

Figura 5: Partículas de agregados con diferentes formas y texturas superficiales

Figura 5: Variación de los valores de peso unitario y CBR en función del contenido de finos en una mezcla de grava triturada con textura semi-rugosa. Fuente: Yoder & Witczac: Principles of Pavement Design.

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Es oportuno recordar la expresión del esfuerzo resistente (τ), de Mohr-Coulomb,

τ = c + σ n tg φ donde: τ = resistencia al esfuerzo cortante c = cohesión de la fracción fina σn = esfuerzo normal al plano de corte φ = ángulo de fricción interna La ecuación explica el mecanismo de desarrollo de la resistencia total de un material granular. La fracción gruesa de la estructura o distribución granulométrica, la forma de estas partículas y su textura superficial generan la trabazón de los granos, aportando el componente de la resistencia por la fricción interna. Los elementos finos dentro de la distribución de tamaños , aun cuando solo representan un escaso porcentaje, deben ser mas rigurosamente controlados, pues son los que proporcionan la cohesión que mantiene unidos todo el material. Las normas internacionales (ASTM y AASHTO) incorporan en las especificaciones valores mínimos de “caras fracturadas”, reconociendo así su efecto en el desarrollo de la resistencia. La Norma COVENIN, reconoce de igual forma la necesidad de que los granos presenten forma cúbica o irregular, y que su textura sea gruesa, y establece un mínimo de 50% para este criterio en el caso de grava triturada y del 100% para la piedra picada. La norma venezolana también permite el empleo de materiales sin triturar en las capas de base granular, particularmente en la Norma 11-3 (granzón mezclado), pero señala valores mínimos de CBR del 60% si el tránsito es liviano y del 80% si es pesado. Las gravas naturales no alcanzan estos mínimos con facilidad, por lo cual para las mezclas de base granular normalmente se prefieren las gravas trituradas y la piedra picada. Efecto del tamaño del grano en la resistencia Se ha apuntado que en el desarrollo de la resistencia tienen efecto la distribución granulométrica, la forma y la textura de los granos. Las Figuras 4 y 5 corroboran esta afirmación. Se ha comentado que también el tamaño de los granos debe estar relacionado con el desarrollo de la resistencia. La Figura 6 demuestra esta afirmación. En esta figura se observa que tanto la densidad como la resistencia se incrementan con el aumento en el tamaño máximo de los granos de la mezcla de agregados. Se corrobora también la Ecuación de Fuller, ya que al aumentar el tamaño máximo disminuye, para un tamiz determinado, el porcentaje del material para alcanzar la máxima densidad y resistencia. Es conveniente apuntar que la Ecuación de Fuller tiene una solución aproximada, pues los agregados son tridimensionales y la ecuación ha sido simplificada a una sola dimensión. ___________________________________________________________________________________

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Figura 6: Variación de los valores de peso unitario y CBR en función del contenido de finos y del tamaño máximo de la mezcla de agregados. Fuente: Yoder & Witczac: Principles of Pavement Design.

Efecto de la granulometría y la densidad en la resistencia La mayoría de las normas de construcción solo establecen un requisito de porcentaje de compactación como requisito de aceptación o rechazo de una base granular, ya que asocian esta sola propiedad como medida de la resistencia. Este criterio es válido siempre y cuando la mezcla en obra siempre reproduzca la distribución granulométrica del material “como ensayado”, lo cual no siempre es posible alcanzar debido a la variabilidad propia de todo proceso de construcción. La Figura 7 compara valores de CBR para muestras que han alcanzado la misma densidad, y en ella se muestra que las mezclas con exceso de finos (condición (c) de la Figura 2) siempre tiene menor resistencia que una mezcla con menor contenido de finos (condición (a) de la Figura 2) y que ha sido compactada a la misma densidad. La mezcla con mayor resistencia ha desarrollado su estabilidad no solo en función de la densidad, sino del contacto grano a grano, y el efecto de los finos es menos marcado que en la mezcla “rica en finos”.

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Figura 7: Efecto del contenido de finos en la resistencia de un materia compactado. Fuente: Yoder & Witczac: Principles of Pavement Design.

Efecto de la limpieza Las propiedades físicas de la “fracción ligante” de un material juega un papel importante en el desarrollo de su resistencia mecánica, especialmente cuando se destruye el “contacto grano a grano”. La Figura 8 muestra el efecto de la plasticidad en la resistencia CBR de un suelo con tamaño máximo de 19 mm. Se observa que para el “Suelo A”, que tiene una baja plasticidad (IP = 4.1%), el CBR se mantiene prácticamente igual hasta valores del P-40 del orden del 25%, siendo el efecto de la plasticidad prácticamente despreciable, mientras que para los “Suelos b y C”, que tienen mayores valores de IP, el efecto de la plasticidad tiene un marcado efecto sobre la resistencia, para iguales contenido de P-40 que en el suelo A. Recordando la Ecuación de Fuller, para el tamaño # 40 y con tamaño máximo de 19 mm, el valor de máxima densidad se encuentra cuando el % pasante se encuentra en el 15%, lo cual coincide con los valores de la Figura 8.

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Figura 8: Efecto de la plasticidad en la resistencia. Fuente: Deklotz, Proceedings, HRB, 1940.

Estos resultados señalan que mientras el porcentaje de la fracción fina se mantenga por debajo del valor correspondiente al de máxima densidad, el efecto de la plasticidad sobre la resistencia es mínimo. Sin embargo, las normas internacionales (AASHTO y ASTM) y nacionales (COVENIN) han incorporado, como un elemento adicional en la calidad de los materiales para bases granulares, valores máximos de Límite Líquido (25%) y de Índice de Plasticidad (6%). Lo ideal, en consecuencia es que el material propuesto satisfaga estos valores, pero si la economía del proyecto lo exige, pudieran emplearse materiales con plasticidad mayor a la normada, siempre y cuando se obtenga la resistencia establecida y se puedan obtener mezclas pobres en finos, es decir que las granulometrías resulten en cifras iguales o menores al valor óptimo, de acuerdo a los lineamientos que se han presentado anteriormente en función de la Ecuación de Fuller.

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Especificaciones granulométricas COVENIN para bases granulares COVENIN recomienda dos tipos de bases granulares: gravas trituradas (Norma 11-4) y piedra picada (Norma 11-5), con iguales bandas granulométricas en cada una de ellas: Mezcla Tipo 1 Mezcla Tipo 2 Mezcla Tipo 3

2” 100

1” —

2” 100

1” 75-95

2” —

1” 100

% pasante el tamiz 3/8” #4 # 10 30-65 25-55 15-40 % pasante el tamiz 3/8” #4 # 10 40-75 30-60 20-45 % pasante el tamiz 3/8” #4 # 10 50-85 35-65 25-50

# 40 8-20

# 200 2-10

# 40 15-30

# 200 5-20

# 40 15-30

# 200 5-18

Resistencia a la disgregación A los efectos de las bases y sub-bases granulares, se define la “resistencia a la disgregación”, como la habilidad de estos materiales para soportar los efectos de la abrasión y/o trituración durante las etapas de mezclado, extendido y compactación, sin que se modifiquen su tamaño y granulometría. La Norma COVENIN establece el criterio de Desgaste Los Ángeles en cuanto a estas propiedades, y recomienda valores máximos de 50% tanto para la grava triturada como para la piedra picada. Resistencia mecánica Como envolvente de todas las propiedades a las que se ha hecho referencia, la Norma COVENIN exige el cumplimiento de valores mínimos de resistencia CBR de un 80% para la piedra picada (11-5), independientemente del tipo de tránsito, y de 60% y 80% para la grava triturada (11-4) para tránsitos livianos y pesados, respectivamente. Permeabilidad La facilidad con que un material granular permite la evacuación del agua se define como su “permeabilidad” y es función de su granulometría, tipo de agregado grueso, tipo de “fracción ligante” y de su densidad o grado de compactación. La Figura 9 muestra el coeficiente de permeabilidad como una función de la distribución de tamaños del material. Un material que satisfaga la ecuación de máxima densidad, tal como ha sido definida con anterioridad, es prácticamente impermeable. En los últimos años se ha reconocido la necesidad de la permeabilidad, a veces por encima de su densidad. El Ing. H. Cedergreen (Drainage of highways and airfield pavements, 1974) ha presentado una serie de estudios que demuestran las ventajas de emplear mezclas límpias, con granulometrías muy abiertas en las capas de bases granulares, tal como se observa en la Figura 9.

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Sub-bases y bases granulares

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Esta ventaja de la permeabilidad es también reconocida en el Método AASHTO-93 para el diseño de pavimentos, cuando incorpora unos “coeficientes de drenaje” que potencian el empleo de mezclas más drenantes en la construcción de pavimentos.

Figura 9: Granulometrías convencionales y sus valores de permeabilidad (Fuente: H. Cedergreen).

Es necesario, en consecuencia, balancear los criterios de máxima resistencia, normalmente asociados con máximas densidades, y la ventaja de disponer de materiales con suficiente permeabilidad. En el volumen 3 de estos Apuntes de Pavimentos se tratará con mas detalle la manera de medir la permeabilidad de los materiales granulares y de su efecto en el diseño de pavimentos. Un aspecto que debe ser tomado en cuenta, por otra parte, cuando se decide empleara materiales permeables, es el del fenómeno de la “intrusión”, es decir la posibilidad de la migración de los finos de la capa de sub-rasante hacia la sub-base o base, con la consecuente modificación de las granulometrías de estas capas, haciéndolas mas finas y por lo tanto menos resistentes, y aumentando su plasticidad, ambos efectos negativos en el comportamiento estructural de estos materiales. Si un material, ya sea de sub-base o de base granular, presenta un coeficiente Fuller igual o mayor a 1.20, aun cuando esté bien gradado, pueden presentar intrusión.

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Sub-bases y bases granulares

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La intrusión se controla con la colocación de un manto de arena, de un tamaño nominal máximo de 1/8”, en espesores entre 5 y 10 cm. Hoy en día se emplean, como alternativa sustitutiva, y con mucho éxito los geosintéticos, con el fin de minimizar el fenómeno de la intrusión. Limpieza Un requisito adicional es que los materiales granulares a ser empleados en bases y/o sub-bases deben estar libres de materiales deletéreos tales como: material vegetal u orgánico, lutitas, partículas blandas, terrones de arcilla, etc. Gravedad o peso específico Una última propiedad que es necesario conocer en los materiales granulares es su Gravedad o Peso Específico (Gs), ya que esta característica es requerida para la corrección de las proporciones de combinación para lograr una granulometría determinada. Combinación de agregados Muy raras veces se obtiene un material que, sin ser procesado o mezclado con otro(s), satisfaga directamente los requisitos granulométricos impuestos en las especificaciones de construcción de bases granulares. Esta afirmación es siempre valedera en las especificaciones de agregados para mezclas de grava triturada, piedra picada.. La insuficiencia granulométrica que presenta un agregado puede ser resuelta mediante la adición, o combinación, de uno o más agregados adicionales, en forma que la mezcla que de ellos resulte si cumpla con los límites que tales especificaciones establezcan. En otras oportunidades varios materiales deben mezclarse para reducir su plasticidad, o para incrementar el porcentaje de caras producidas por fractura, o para modificar su tamaño máximo, o para mejorar la textura superficial del agregado original. Determinar las cantidades relativas de los distintos agregados para obtener ese objetivo específico, es un problema de dosificación que puede ser resuelto por métodos gráficos o analíticos, o simplemente por “tanteos sucesivos”. Principios básicos La fórmula que expresa el procedimiento de combinación, independientemente del número de agregados a mezclar y del método de proporcionarlos, es la siguiente: P = Aa + Bb + Cc + …… + Nn

(1)

en donde, P = porcentaje de material que pasa un tamiz dado, resultante de la combinación de los agregados A, B, C … N (*) A, B, C, …, N = porcentaje de material que pasa un tamiz dado, para cada uno de los agregados empleados en la combinación (*) ___________________________________________________________________________________

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Sub-bases y bases granulares

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a, b, c, …, n = proporciones -expresadas en forma decimalresultantes de la combinación para cada uno de los materiales empleados, y cuya sumatoria es igual a 1,00 (*) Nota: el valor de P, y de A, B, C, …, N, puede corresponder también al porcentaje total que es retenido en un tamiz determinado, o al porcentaje que pasa ese tamiz y es retenido en otro tamiz Los porcentajes pasantes para cada tamiz (P), determinados según la fórmula (1), deben ser, normalmente, lo más cercanos posibles a la media de las especificaciones para cada uno de esos tamices. En otras ocasiones se deben satisfacer tanto los requisitos granulométricos como los económicos, y la combinación, aún cuando debe estar dentro de los límites granulométricos, puede no coincidir con la "media de las especificaciones". Estos factores de economía están relacionados, por ejemplo, con los volúmenes de producción, y es deseable que la combinación resultante sea semejante a la proporción en que los agregados se producen, es decir que la "oferta de producción" sea igual a la "demanda de combinación". Dosificación de agregados por el Método de los “Tanteos sucesivos” La utilización de las computadoras personales ha facilitado el procedimiento de combinación o dosificación de agregados, ya que en una Hoja de Excel se puede lograr, en un muy breve tiempo, el proporcionamiento de los agregados disponibles hasta lograr el cumplimiento de las especificaciones que hayan sido establecidas en el proyecto de obra. Las hojas de cálculo han hecho ya impráctico los procedimientos gráficos o los que se han conocido como “analíticos”, que aplicaban también los procedimientos de “tanteos sucesivos”. Como su nombre lo indica, el Método de “tanteos sucesivos” consiste en seleccionar unos porcentajes cualesquiera para cada uno de los agregados a ser combinados, y en función de los resultados obtenidos en este “primer tanteo” ir ajustando progresivamente los porcentajes, hasta alcanzar el que la combinación obtenida satisfaga los límites impuestos para la mezcla seleccionada. Un ejemplo permitirá aclarar este procedimiento: Límites granulométricos seleccionados El Proyectista ha seleccionado la granulometría Tipo 2 correspondiente a una base de grava triturada, por lo cual se establecen los siguientes límites en la banda de tamaños Mezcla Tipo 2

2” 100

1” 75-95

% pasante el tamiz 3/8” #4 # 10 40-75 30-60 20-45

# 40 15-30

# 200 5-20

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Sub-bases y bases granulares

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Nota: los límites de los porcentajes pasantes que no aparecen en la especificación y sí en las tablas que se presentan a continuación han sido seleccionados por interpolación directa al dibujar los valores establecidos en un gráfico granulométrico. Agregados disponibles En obra se dispone de los agregados que se indican a continuación:

Tipo de material

Arena cernida Arrocillo-polvillo Piedra picada

Granulometrías de los materiales en las pilas % Pasante el tamiz de 50,8 mm

25,4 mm

2"

1"

100.0

19,4 mm

12,5 mm

3/4 " 100.0

1/2 " 95.6 100.0 39.4

85.0

55.0

9,5 mm

4,74 mm

2,36 mm

#4 62.9 70.9 2.4

# 10 45.3 44.4 1.5

3/8" 83.8 100.0 15.7

0,60mm

# 40 22.5 25.1

0,15mm

0,074mm

# 100 8.4 13.5

# 200 6.8 10.5

Primer tanteo El Proyectista ha seleccionado un 40% para la arena cernida, un 15% para el arrocillo-polvillo y un 45% para la piedra picada, en función de que estas proporciones se ajustan a los niveles de producción en picadora.

Tipo de material Arena cernida Arrocillo-polvillo Piedra picada Combinación Límite superior Límite inferior

Granulometrías combinada resultante en el Primer Tanteo % en la % Pasante el tamiz de combinación 50,8 mm 25,4 mm 19,4 mm 12,5 mm 9,5 mm 4,74 mm 2,36 mm 0,60mm 0,15mm 0,074mm 1" 3/4 " 1/2 " 3/8" #4 # 10 # 40 # 100 # 200 2" 40.0% 100.0 100.0 100.0 95.6 83.8 62.9 45.3 22.5 8.4 6.8 15.0% 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 70.9 44.4 25.1 13.5 10.5 45.0% 100.0 85.0 55.0 39.4 15.7 2.4 1.5 100.0%

100.0 100 100

93.3 95 75

79.8 89 64

71.0 81 49

55.6 75 40

36.9 60 30

25.4 45 20

12.8 30 15

5.4 22 8

4.3 20 5

Como se observa en el resultado de la combinación (tabla y gráfico), la granulometría no satisface los límites del Tipo 2 (COVENIN 11-4) en los tamices de # 40 # 100 y # 200, ya que se sale por debajo del límite inferior.

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Sub-bases y bases granulares

___________________________________________________________________________ Combinación agregados (Arena 40% + Arrocillo-polvillo 15% + Piedra picada 45%) 100 90 80 % pasante

70 60 50 40 30 20 10 0 #200

#100

#40

#8

#4

3/8"

1/2"

3/4"

1"

2"

Tamaño del tamiz

La combinación resultante es muy gruesa en los tamices finos. Para corregir esta desviación se debe aumentar un agregado que tenga mayor porcentaje pasante en los tamices finos. Indudablemente al aumentar un agregado deberá disminuirse otro, pues la suma de las proporciones debe ser igual al 100%. Segundo tanteo Para el segundo tanteo se incrementa el arrocillo-polvillo a un 55%, por ser este el material con mayor contenido de finos, se disminuyen el porcentaje de arena cernida y el de piedra picada. Con estas modificaciones la granulometría satisface los límites exigidos y puede ser llevada a obra.

Tipo de material

Arena cernida Arrocillo-polvillo Piedra picada Combinación Límite superior Límite inferior

Granulometrías combinada resultante en el Segundo Tanteo % en la % Pasante el tamiz de combinación 50,8 mm 25,4 mm 19,4 mm 12,5 mm 9,5 mm 4,74 mm 2,36 mm 0,60mm 0,15mm 0,074mm 2" 1" 3/4 " 1/2 " 3/8" #4 # 10 # 40 # 100 # 200 100.0 100.0 100.0 95.6 83.8 62.9 45.3 22.5 8.4 6.8 10.0% 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 70.9 44.4 25.1 13.5 10.5 55.0% 100.0 85.0 55.0 39.4 15.7 2.4 1.5 35.0% 100.0%

100.0 100 100

94.8 95 75

84.3 89 64

78.3 81 49

68.9 75 40

46.1 60 30

29.5 45 20

16.1

8.3 22 8

30 15

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4 -20

6.5 20 5

Sub-bases y bases granulares

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Combinación agregados (Arena 10% + Arrocillo-polvillo 55% + Piedra picada 35%) 100 90 80 % pasante

70 60 50 40 30 20 10 0 #200

#100

#40

#8

#4

3/8"

1/2"

3/4"

1"

2"

Tamaño del tamiz

En este ejemplo, aun cuando se satisfacen los límites de las especificaciones, se hace evidente que se ha producido un marcado desbalance entre la producción en picadora y la demanda en obra, por lo cual deberá estudiarse la posibilidad de introducir cambios en el sistema de la trituradora, importar algún otro material, o aún proponer un cambio en el Tipo de la especificación, con el fin de alcanzar un proceso mas económico en obra. Empleo de dos o más materiales Cuando los materiales disponibles no resultan con granulometrías, CBR o Plasticidad de acuerdo con lo que establezcan las especificaciones que rijan el proyecto, es necesario recurrir a la mezcla de dos o más materiales, cada uno de granulometría diferente, y mediante un proceso de proporcionamiento adecuado, lograr que la mezcla que se obtiene satisfaga los requisitos granulométricos establecidos, tal como fue requerido en el ejemplo anterior en la combinación de tres agregados. A continuación se presenta un ejemplo que permite describir el procedimiento de proporcionamiento en campo, en el caso de dos materiales. Un procedimiento similar debe ser aplicado cuando se combinen tres o mas materiales.

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4 -21

Sub-bases y bases granulares

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Ejemplo No. 2. Determinación de espaciamiento de camiones con dos materiales Determinar el espaciamiento de los camiones para lograr un espesor compactado de 25 cm, en una calzada de 7.81 m de ancho. Se dispone de camiones de 9 m3 y de 15 m3. Es necesario emplear dos materiales, cada uno con las siguientes características: Material

Proporción en peso

Peso unitario suelto (kg/m3 )

Grueso

70%

1.420

Fino

30%

1.680

Solución El ejemplo será resuelto para un tramo de las mismas dimensiones que el Ejemplo No. 1, es decir: 1. Volumen de material compactado = ancho x largo x espesor Ancho medio = [7.818 + 2 x (½ x 0,25)] = 8,063 m Largo = 300 m Espesor = 0,25 m Volumen compactado = 8,063 x 300 x 0,25 = 604,69 m3 2. Volumen del material suelto total Con la combinación en peso de ambos materiales (70% + 30%), se ejecuta un ensayo Proctor Modificado, para el cual se obtiene un peso unitario seco máximo de 2.100 kg/m3 y una humedad óptima del 5,5%. Si se asume una especificación de densidad del 95% de la Densidad máxima seca, el peso unitario seco del material ya extendido y compactado en la carretera será = 2.100 x 0,95 = 1.995 kg/m3. La cantidad requerida de cada material se obtiene de acuerdo al procedimiento que se detalla en la siguiente tabla: Material

% en peso

Peso para un m3 compactado (kg)

Grueso

70 %

1.397

1.420

0,98

Fino

30 %

598

1.680

0,36

Total

100 %

1.995

Peso unitario seco Volumen suelto para (kg/m3) 1 m3 compactado

1,34

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4 -22

Sub-bases y bases granulares

___________________________________________________________________________

El valor de 1,34 m3 de material suelto, requerido para lograr 1,0 m3 de material compactado en obra, permite obtener el porcentaje de esponjamiento, en este caso 34%. El volumen suelto será, en consecuencia igual a: Volumen suelto = volumen compactado x % esponjamiento Vsuelto = 604,69 x 1,34 = 810.14 m3 3. Volumen requerido para cada material La proporción en volumen de cada material será igual a: • % volumen material grueso = 100 x 0,98 / 1,34 = 73% • * % volumen material fino

= 100 x 0,36 / 1,34 = 27%

Del volumen suelto total requerido (810,14 m3), será necesario emplear, por lo tanto, las siguientes cantidades de cada material: • de material grueso = 810,14 x 0,73 = 591,40 m3 • de material fino

= 810.14 x 0,27 = 218,74 m3

4. Número de camiones de requeridos para cada tipo de material En el tramo de 300 m de longitud, asumiendo que se emplearán solo camiones de 15 m3 de capacidad, se requerirá el siguiente número de camiones por tipo de material: • camiones para el material grueso = 591,40 / 15 = 39,4 camiones. Se aproxima a 39 camiones. • camiones para el material fino = 218,74 / 15 = 14,5 camiones. Se aproxima a 15 camiones. 5. Espaciamiento entre camión a camión por tipo de material El espaciamiento de camión a camión, por tipo de material, será el siguiente: • Espaciamiento entre carga de camión a camión de material grueso = 300 m / 39 camiones = 7,7 m. Se aproxima a 7.5 m. • Espaciamiento entre carga de camión a camión de material fino = 300 m / 15 camiones = 20,0 m

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4 -23

Sub-bases y bases granulares

___________________________________________________________________________

La Figura 10 muestra el espaciamiento de los camiones en este ejemplo.

7.5/2 m

7.5 m

7.5 m

10 m

7.5m

7.5/2 m

20 m

Inicio tramo 300 m Figura 10. Esquema de espaciamiento entre carga de camiones para el caso de dos materiales diferentes.

Otra manera de proceder al mezclado de dos o más materiales, la cual es considerada por muchos Ingenieros de Campo como el mejor procedimiento, es extender el material por capas sucesivas, es decir, se apila el material, y se extiende sobre media sección. Sobre este material ya extendido se apila el siguiente material y se extiende sobre el primero, y así sucesivamente en el caso de que haya más de dos materiales. De esta manera se obtiene un “sandwich” formado por una sucesión de capas de diferentes materiales, tal como se muestra en la secuencia fotográfica de la Figura 11. Extendido del (los) material(es) requerido(s). Normalmente la distribución de las pilas de material se hace solo sobre la mitad de la plataforma, con el fin de que la otra mitad esté disponible para las operaciones de extendido y mezclado, en caso de que se utilice más de un tipo de material. Una vez que la distribución de la cantidad de material requerido ha sido concluida, se procede al paso de la cuchilla de la motoniveladora por el borde de las pilas del material que ha sido depositado sobre la plataforma, con el fin de formar un “camellón (cordón)”, es decir una pila de menor altura y continua (Véase Figura 11). Este camellón se forma cuando la cuchilla corta la pila del material y la empuja hacia un lado. Puede ser necesario que la motoniveladora pase más de una vez, hasta que alcance a formar un camellón continuo y de sección transversal uniforme.

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4 -24

Sub-bases y bases granulares

___________________________________________________________________________

(a)

(b)

(c)

(d)

(e) Figura 11. Secuencia constructiva del sistema tipo sandwich. (a) Descarga de camiones en pilas. (b) Extendido del primer material. (c) Descarga del segundo material. (d) Extendido y mezclado del segundo material. (e) Detalle de extendido de los diferentes materiales. El procedimiento se repite tantas veces como el número de materiales a utilizar.

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4 -25

Sub-bases y bases granulares

___________________________________________________________________________

• Módulo de Elasticidad en las sub-bases granulares: "Módulo de Elasticidad Dinámico (Esb)" Si ha sido definido a "Ø" como el "esfuerzo masivo", es decir la sumatoria de los esfuerzos principales, tal como se indica en la Figura 12, el módulo de elasticidad de los materiales que se emplean como capa de "sub-base" -que se denomina "Módulo de Elasticidad Dinámico (Esb)", puede ser determinado por la siguiente ecuación

Figura 12: Esquema de esfuerzos aplicados en un material granula

Esb = K1 ØK2

...........(Ecuación 1)

El valor del coeficiente K1, que es función del estado del material, varía entre 7.000 para el caso de que el material esté seco, de 5.400 para cuando está húmedo, hasta 4.600 en el caso de que esté saturado. El valor de K2 se toma como 0,60. En la Tabla 1 se presentan los valores de Ø, que son función del espesor esperado de mezclas asfálticas en la estructura de pavimento. Tabla 1 Determinación del valor de Ø para sub-bases ___________________________________ Espesor de asfalto (cm) Ø ___________________________________ < 5,0 10,0 ≥ 5,0 ≤ 10,0 7,5 > 10,0 5,0 ___________________________________ Nota: valores válidos para espesores de sub-base entre 15,0 y 30,0 cm.

___________________________________________________________________________________

4 -26

Sub-bases y bases granulares ___________________________________________________________________________

• Módulo de Elasticidad en las bases granulares: "Módulo de Elasticidad Dinámico (E)" En el caso de bases granulares, el Módulo de Elasticidad Dinámico (Eb), tiene la misma expresión que para las sub-bases, es decir: Eb = K1 ØK2

...........(fórmula 2)

El coeficiente K1, función de la humedad del material de base, varía entre un valor de 8.000 cuando está seco, a 9.000 cuando está húmedo, hasta 3.200 cuando se encuentra saturado. El coeficiente K2, por su parte varía entre 0,50 y 0,70, adoptándose 0,60 como valor más frecuente. La Tabla 2 permite seleccionar los valores de Ø, una vez estimados los valores de espesor total de mezclas asfálticas en la estructura del pavimento. Tabla 2 Valores de Ø en materiales de base granular ______________________________________________ espesor de asfalto Mr de la subrasante (cm) 3.000 7.500 15.000 _______________________________________________ < 5,0 20 25 30 ≥ 5,0 < 10,0 10 15 20 ≥ 10,0 < 15,0 5 10 15 > 15,0 5 5 5 ________________________________________________ Los valores de Esb y Eb que son empleados en las ecuaciones de diseño de espesores, tal como se verá más adelante, se expresan en unidades de "psi". Los valores del módulo de elasticidad en los materiales granulares -bases y subbases- aumentan a medida que se incrementa su densidad y aumenta la angularidad de las partículas que lo conforman. Por otra parte, se aumenta el valor de "E" al disminuir el grado de saturación de estos materiales.

___________________________________________________________________________ 4-27

Sub-bases y bases granulares ___________________________________________________________________________

Ecuaciones de correlación entre el CBR y el Módulo Elástico en materiales granulares. Al igual que en los materiales de fundación, existen varias ecuaciones de correlación para poder estimar el valor del Módulo Elástico a partir de ensayos empíricos tal como el CBR. Las siguientes ecuaciones han sido tomadas de la versión de la Portland Cement Association (PCA), denominada Pavement Analysis System (PAS) la Guía de Diseño AASHTO-93: •

•

Para sub-bases y bases granulares con CBR hasta 80%

• MR = 385,08* CBR + 8.660 (psi) Para sub-bases y bases granulares con CBR >= 80%

• MR = 321,05* CBR + 13.327 (psi)

El tema de los Módulos Elásticos será nuevamente tratado en el Volumen 3, en el momento de la discusión de la aplicación del Método AASHTO-93. • Especificaciones de uso de materiales granulares no estabilizados, en función de los valores de CBR e hinchamiento. A continuación se presentan las especificaciones más comunes utilizadas por organizaciones relacionadas con pavimentos, y que se fundamentan en los valores CBR para los materiales a ser empleados como sub-bases y bases granulares. • Especificaciones de la AASHTO Valor CBR ≥ 30,0 ≥ 80,0

% hinchamiento

Uso establecido

≤ 2,0 ≤ 1,0

Sub-bases granulares Bases granulares

• Especificaciones COVENIN (MTC, 1977) Valor CBR

% hinchamiento

> 20,0 ≤ 60,0 > 60,0 ≤ 80,0

— —

> 80,0

—

Uso establecido

Sub-base granular Base granular para pavimentos con tráfico liviano a mediano Base granular para pavimentos con tráfico pesado

Es conveniente combinar ambas especificaciones para exigir no solamente valores CBR para los materiales a emplear en las diferentes capas, sino también los límites de % de hinchamiento, con el fin de lograr los mejores pavimentos.

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Apuntes de Pavimentos Volumen 1

Capítulo 5 Estabilización de suelos. Diseño y construcción de capas de suelo-cemento

Edición de octubre de 2004 (Revisión Octubre 2006)

Estabilización de suelos y mezclas de suelocemento ___________________________________________________________________________

Introducción En muchos casos, los suelos que se encuentran en el lugar de una obra vial o en sus alrededores, no poseen las características físico-mecánicas que son necesarias para que ellos puedan soportar las cargas procedentes del tráfico a que han de estar sometidos. Es por ello por lo que se recurre a las "estabilizaciones", que no son más que el conjunto de procesos para aumentar la calidad de los materiales para evitar las deformaciones plásticas, o disminuirlas a un valor mínimo de acuerdo a las solicitaciones de carga y clima que soportarán, mediante la adición de un modificador o corrector. Para corregir las características originales del suelo, cuando éstas no son aceptables y proporcionales a la estabilidad deseada, se utilizan diferentes técnicas de estabilización, cuya clasificación responde, a veces a los métodos de trabajo, y otras a los productos de adición empleados como correctores. Es así como se obtienen dos grandes grupos de "estabilizaciones": 1. "Estabilización Química", que se refiere al cambio de las propiedades del suelo por efectos químicos motivado a la combinación de ciertos aditivos tales como los cementos, cal y aceites sulfonados. En el caso particular de Venezuela se emplean fundamentalmente las estabilizaciones con cemento y, en un menor grado, con aceites sulfonados. 2. "Estabilización por tratamiento" que no precisan la adición de productos, sino que simplemente se hacen por medio de aplicaciones, generalmente localizadas, por medio de sistemas térmicos, eléctricos, de impacto, etc. Este tipo de estabilizaciones prácticamente no se emplean en obras de vialidad. Estabilización mecánica Debe recordarse, antes de tratar el tema de "estabilizaciones", que los agregados y/o materiales que presentan una distribución ordenada de las partículas o granos, pueden mejorarse mediante su densificación con humedad adecuada, y en caso de ser requerido, se complementa con la incorporación de un material adicional. Este proceso se conoce como "Estabilización Mecánica". Los conceptos relacionados con esta estabilización son: granulometría, plasticidad, trabazón de las partículas y cohesión y fueron tratados en el Capítulo 4 de estos Apuntes. La manera como estos factores entran en juego depende en cada caso de los fines que se persiguen. Así, por ejemplo, si se trata de lograr una superficie resistente en una grava limpia, ésta deberá mezclarse con un suelo fino y plástico que proporcione cohesión ("pega"), es decir, se debe aumentar la plasticidad. Un suelo de granos redondeados y de poca trabazón puede hacerse más estable y resistente si se mezcla con otro suelo de granos angulares y gradados que proporcione buena trabazón. La Plasticidad de un material puede reducirse con la adición de un suelo de baja plasticidad.

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Estabilización de suelos y mezclas de suelocemento ___________________________________________________________________________

Estabilización con Cemento a. mezclas de suelocemento El "suelocemento" es una simple mezcla íntima de suelo pulverizado con cantidades medidas de cemento Portland Tipo I y agua, compactada a alta densidad. La cantidad de cemento empleada, según el procedimiento de diseño, debe ser igual o mayor al 5% en peso del material, aún cuando en Venezuela se han construido bases de gravacemento con un 4% de cemento. Al hidratarse el cemento, la mezcla se convierte en un material resistente y durable, diferente de cada uno de sus componentes y que ha probado su excelencia al ser empleado en la construcción de carreteras. En Venezuela se empleó el suelo-cemento muy profusamente durante los años 65-75, y aún cuando se ha continuado su utilización a partir de esos años, ya no lo es en los mismos volúmenes. Existen en Venezuela excelentes ejemplos de unas muy buenas bases de suelo-cemento: Autopista Valencia-Campo de Carabobo (1971), carretera Achaguas-El Samán-Mantecal (1967), carretera Bruzual-Elorza (1981), estas dos últimas en el Estado Apure, cerca de la frontera con Colombia. Se empleó también el cemento para la estabilización del suelo para la construcción de la base del pavimento en el Aeropuerto de la Chinita en Maracaibo (1969), y el de la grava utilizada como capa subbase en las áreas de estacionamiento del aeropuerto Simón Bolívar en Maiquetía (1972), así como la del suelo utilizado en la pista principal de este aeropuerto. En los últimos años (91 al 98) se ha empleado en la construcción de la base en la Autopista Circunvalación Norte de Barquisimeto (6 km) y en la de la Autopista Centro Occidental, en un tramo de otros 12 km, en la cual se empleó grava estabilizada con cemento. Actualmente se está empleando con mucho éxito en una serie de obras de vialidad en el Estado Yaracuy, entre las que destaca la Avenida de acceso al aeropuerto de San Felipe. b. Suelos mejorados con cemento Existe otra mezcla de suelo con cemento, que no llega a ser un "suelocemento", debido a que no alcanza a tener cantidades del aditivo iguales o mayores al 4%, y es aquel tratamiento que se hace generalmente a los suelos A-1 ó A-2 (granulares) con el fin de mejorar su capacidad de soporte y reducir su índice de plasticidad, pues aunque en su forma original cumplen con algunas de las especificaciones exigidas, requieren la adición de bajos porcentajes de cemento que lo transforman en suelos estables y resistentes que llenarán las condiciones contempladas en el proyecto. Este material, en Venezuela, se ha llamado "suelo mejorado con cemento", para diferenciarlo del suelocemento propiamente dicho. Los suelos mejorados con cemento se construyen de la misma manera que una sub-base granular, es decir siguiendo el procedimiento de “estabilización mecánica. Sólo es necesario, adicionalmente, tomar en cuenta los tiempos de mezclado, y compactación que serán comentados mas adelante para el suelocemento. En Venezuela no se ha aplicado el cemento para mejorar los suelos o gravas. C. Rehabilitación de pavimentos asfálticos con el empleo de cemento En los últimos años, ante la aparición en el mercado de máquinas de gran potencia, se ha desarrollado la técnica de estabilización en sitio, de pavimentos asfálticos deteriorados, con la adición de cemento y/o emulsión asfáltica. Esta técnica ha sido __________________________________________________________________________ 5-2

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empleada solo en la rehabilitación de un tramo de 2 km de la Avenida Costanera en Barcelona, Estado Anzoátegui, pero ya se han licitado cerca de 250 km en los Estados Apure y Barinas, destacándose la carretera TO-02, en el tramo Bruzual-Mantecal, en el Estado Apure, con cerca de 65 km de longitud. Diseño de mezclas de suelo mejorado con cemento Este tipo de estabilización se diseña mediante la aplicación del ensayo de CBR a la mezcla elaborada, ya que el efecto del cemento es solo la reducción de la plasticidad y el incremento relativo de la resistencia. Diseño de mezclas de suelocemento Partiendo de la definición de "suelocemento", tres serán los requisitos indispensables a ser estudiados: a. La cantidad de cemento a ser agregado al suelo b. La cantidad de agua a ser incorporada a la mezcla c. La densidad a ser alcanzada en la compactación Requisitos de los materiales Cemento: El cemento Portland Tipo I, que es el que se comercializa en Venezuela en forma convencional en sacos de 42,50 kg, es el adecuado para el empleo en mezclas de suelo cemento. Agua: El agua debe ser preferiblemente potable, aún cuando cualquier agua limpia y libre de cantidades excesivas de álcalis, ácidos o materia orgánica. Se ha empleado agua de mar con resultados satisfactorios (caso de aeropuerto de Maiquetía). Suelo: De los tres materiales involucrados el que es más cuestionado es el suelo. Normalmente se pregunta, ¿cuál material es adecuado? La respuesta es que prácticamente todos los suelos (cualquier tipo de tierra) pueden ser mezclados satisfactoriamente con cemento. Las excepciones son los suelos orgánicos, arcillas muy plásticas (expansivas) y arenas inertes. En caso de duda sobre un suelo debe realizarse el ensayo ASTM D 4318 que permite identificar estos suelos inconvenientes. Generalmente los suelos gravo-arenosos A-1 y A-2 con un 10 a 35% de limo y arcilla y 55% o más pasante el tamiz # 4 son los mas adecuados y requieren menos cantidad ce cemento para una adecuada estabilización. Los suelos arenosos A-3, de grano uniforme y poco contenido de finos, como son las arenas de médano o playa, dan también excelentes resultados al ser mezclados con cemento, pero requieren un mayor tenor de cemento. Las cantidades correctas de cemento y agua, así como la densidad y resistencia requerida, se establecen a través de los métodos de diseño de mezclas, y que siguen los criterios de la PCA o de la AASHTO. Cada método de diseño de mezclas está asociado con el correspondiente método de diseño de pavimentos, es decir, si se diseña la mezcla por la PCA el diseño de pavimentos debe hacerse siguiendo el método __________________________________________________________________________ 5-3

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de la PCA, y si la mezcla se diseña según el criterio de la AASHTO, el pavimento debe dimensionarse siguiendo las pautas establecidas en este método. Método General de Dosificación según la PCA Este método fue desarrollado por la Portland Cement Association (PCA) y contempla las siguientes etapas: I. Identificación y clasificación del suelo. II. Selección del porcentaje de cemento para el ensayo de compactación. III. Ejecución del ensayo de compactación del suelo-cemento. IV. Selección d los porcentajes de cemento para los ensayos de durabilidad y de resistencia a la compresión. V. Moldeado de las briquetas para los ensayos de durabilidad y resistencia a la compresión. VI. Ejecución del ensayo de durabilidad por mojado y secado. VII. Ejecución del ensayo de durabilidad por congelación y deshielo. VIII. Ejecución del ensayo a compresión. IX. Selección del porcentaje de cemento adecuado, en función de los resultados en los ensayos. Método Simplificado de Dosificación según la PCA La dosificación del suelo-cemento, de acuerdo con la marcha de los ensayos del "Método General de Dosificación" presenta una desventaja práctica: el tiempo de duración de los ensayos, principalmente los de durabilidad, lo cual toma mas de 48 días. Esto dio lugar a que se correlacionasen los resultados de estos ensayos con otro de más rápida ejecución, facilitando así la determinación del porcentaje de cemento. En 1952 la PCA, basada en la correlación obtenida en los resultados de los ensayos de 2.438 suelos arenosos, presentó un método simplificado para la dosificación del suelocemento. El fundamento de este método, comprobado por los ensayos realizados, puede ser resumido en el siguiente principio: "Un suelo arenoso con determinada granulometría y densidad aparente máxima, requerirá, de acuerdo con el criterio de pérdida de peso en los ensayos de durabilidad, el mismo porcentaje de cemento que otro suelo que, teniendo la misma granulometría y la misma densidad aparente máxima, presente una resistencia a la compresión a los siete días superior a un valor pre-establecido".

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I. Descripción del método El análisis granulométrico del suelo determinará si es aplicable el Método Simplificado. Es condición necesaria que: (a) el suelo posea menos del 50% de material con diámetro inferior de 0,05 mm (limo más arcilla) (b) El suelo posea meno del 20% con diámetro inferior de 0,005 mm (arcilla) (c) La fracción retenida en el tamiz # 4, por otra parte, debe arrojar un valor de Gravedad Específica Aparente (Gsa) mayor de 2.45. Verificado ésto, el suelo será ensayado por el Método "A" dado el caso que el 100% del material pase el tamíz Nº4, o por el Método "B" si posee retenido en el tamíz Nº4. En resumen el Método Simplificado consta de: I. Ensayos preliminares del suelo II. Ensayo de compactación del suelo-cemento III. Determinación del porcentaje de cemento por medio de ábacos. IV. Verificación del porcentaje de cemento por el ensayo de resistencia a compresión. I. Ensayos Preliminares 1. Análisis granulométrico y selección del Método A o B en función de los resultados. 2. Determinación de la absorción y de la gravedad específica aparente de los granos retenidos en el tamíz Nº4. Si este valor es menor de 2,45 en suelos granulares, no puede utilizarse el método. Descripción Método A (Empleado en materiales con 100% pasa Nº4) Ejemplo 1: Se realizan los ensayos granulométricos al suelo, con los resultados siguientes: Tamiz Nº 4 Nº 60 0,05 mm 0,005

% que pasa 100 72 39 16

% retenido 0 28 61 84

1. Se estima la densidad máxima (llamada por esto “densidad aparente máxima) de la mezcla por medio de la Figura 1, en función de los porcentajes de limo más arcilla, (partículas con diámetro inferior a 0,05 mm) y de grava más arena gruesa (material entre el tamíz Nº 4 y el Nº 60).

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Figura 1: Densidad aparente máxima estimada (Método A)

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En el ejemplo: partículas con diámetro inferior a 0,05 mm = 39% grava más arena gruesa (material entre el tamíz Nº 4 y el Nº 60) = 28% De la Figura 1 se estima una densidad aparente máxima de 1.880 kg/m3 2. Se estima el porcentaje de cemento por medio de la Figura 2, en función del porcentaje de limo más arcilla (39% en el ejemplo) y de la densidad máxima obtenida por la Figura 1 (1.880 kg/m3 en el ejemplo) De la Figura 2 se estima una cantidad de cemento del 8% en peso de suelo

Figura 2: Porcentaje estimado de cemento, en peso. Método A

3. Con el porcentaje de cemento seleccionado (8% en el ejemplo) añadido al suelo, se ejecuta el ensayo de compactación (AASHTO Estándar). De este ensayo se obtendrá la densidad máxima seca de la mezcla de suelo con el cemento, y su correspondiente humedad óptima.

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Figura 3: Resultado del ensayo de compactación de la muestra con el 8% de cemento

En el Ejemplo 1 la densidad máxima seca real de compactación del suelo mezclado con el 8% de cemento es de 1920 kg/m3 (Figura 3 en el ejemplo) y su humedad óptima es del 6.1% (en el ejemplo) 4. Con el valor de densidad máxima —obtenido del ensayo de compactación— se verifica, mediante la Figura 2, si el porcentaje de cemento correspondiente en función de esa nueva densidad y el porcentaje de limo más arcilla se mantiene igual al estimado en el Paso 2, o ha variado. Si se mantiene igual, lo cual es el caso común en base a la extensa base de ensayos sobre el cual se desarrolló el método, se continúa con el Paso 5. En caso contrario debe ejecutarse un nuevo ensayo de densidad-humedad con el nuevo porcentaje de cemento y verificar este nuevo porcentaje con el determinado nuevamente mediante la Figura 2. En el Ejemplo 1 se mantiene el mismo 8% de contenido de cemento 5. Se Preparan 3 briquetas de ensayo, cada una con el porcentaje de cemento obtenido en el Punto 4 y con el porcentaje de humedad óptima obtenido en el Punto 3. Se determina la resistencia a la compresión simple de las briquetas de ensayo después de 7 días de curado en la cámara húmeda a 21°C y luego de sumergirlas en agua, a temperatura ambiente, durante un lapso de cuatro (4) horas. (En caso de no disponerse de cámara húmeda, las briquetas se envuelven en una bolsa plástica cerrada herméticamente, y se sumergen en agua) o se colocan en una trampa de arena que se mantiene humedecida durante los 7 días.

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En el Ejemplo 1, se supone que las resistencias obtenidas son: Briqueta Resistencia (kg/cm2) 1 27 2 30 3 28 Promedio 28,3 6. Se verifica, mediante la Figura 4, en función del porcentaje de limo más arcilla del suelo (39% en el ejemplo), la mínima resistencia a compresión que debe presentar la mezcla. En el Ejemplo 1 la resistencia mínima del promedio de las 3 briquetas debe ser igual o mayor a 20 kg/cm2. Cómo el resultado de laboratorio fue de 28.3 kg(cm2, se da por concluido el ensayo y se adopta el % de cemento que ha arrojado el método.

Figura 4: Resistencia mínima a la compresión, a los 7 días. Método A.

7. Si por el contrario, la resistencia obtenida es inferior a la indicada por la Figura 4, el porcentaje de cemento es muy bajo. Son entonces necesarios nuevos ensayos: se moldean dos nuevas briquetas de ensayo, una con el porcentaje indicado en el Punto 4 y la otro con un aumento de 2 puntos de cemento. Estas briquetas de ensayo son sometidas al ensayo de "Durabilidad por Congelación y Deshielo", y las pérdidas de peso por ellas sufridas permitirán determinar el porcentaje de cemento adecuado, todo de acuerdo al procedimiento anteriormente para el Método General de Dosificación.

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Descripción del Método "B" (Cuando el Material presenta Retenido en el tamiz Nº 4) El procedimento es exactamente igual al método A, pero utilizando sucesivamente las Figuras 5, 6 y 8, teniendo en cuenta que en este caso se entiende por "piedra más grava" a todo material retenido en el tamiz Nº10 y "piedra" al material retenido en el tamíz Nº 4. Ejemplo 2: Se realizan los ensayos granulométricos al suelo, con los resultados siguientes: Tamiz 3/4" Nº 4 Nº 10 0,05 mm 0,005

% que pasa 100 82 79 32 13

%retenido 0 18 21 68 87

1. Se estima la densidad máxima de la mezcla por medio de la Figura 5, en función de los porcentajes de limo más arcilla, (partículas con diámetro inferior a 0,05 mm) y de piedra más grava (material retenido en el tamíz Nº 10). En el Ejemplo 2: limo más arcilla, (partículas con diámetro inferior a 0,05 mm = 32% piedra más grava (material retenido en el tamíz Nº 10 = 21% En el Ejemplo 2, de acuerdo a lo indicado en la Figura 5, este valor de densidad máxima aparente es de 1.950 kg/m3.

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Figura 5: Densidad aparente máxima estimada (Método B)

2. Se estima el porcentaje de cemento por medio de la Figura 6, en función del porcentaje de limo más arcilla, del % de material retenido en el tamiz Nº 4 (piedra), y de la densidad máxima obtenida por la Figura 5.

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En el Ejemplo 2, a partir de la información anterior resulta un contenido de cemento estimado en un 6% (% en peso).

Figura 6: Porcentaje estimado de cemento, en peso. Método B

3. Con el porcentaje de cemento seleccionado en el paso anterior (6% en el ejemplo) se efectúa el ensayo de compactación (AASHTO Estándar)de la mezcla de suelo-cemento. De este ensayo se obtendrá la densidad máxima seca de la mezcla, y su correspondiente humedad óptima. (Figura 7)

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Figura 7: Ensayo de densidad-humedad con el 6% de cemento

En el Ejemplo 2 la densidad máxima seca real de compactación del suelo mezclado con el 6% de cemento es de 1.980 kg/m3 y su humedad óptima es de 4.9% (en el ejemplo) 4. Con el valor de densidad máxima —obtenido del ensayo de compactación— se verifica, mediante la Figura 6, si el porcentaje de cemento correspondiente en función de esa nueva densidad y el porcentaje de limo más arcilla se mantiene igual al estimado en el Paso 2, o ha variado. Si se mantiene igual, lo cual es el caso común en base a la extensa base de ensayos sobre el cual se desarrolló el método, se continúa con el Paso 5. En caso contrario debe ejecutarse un nuevo ensayo de densidad-humedad con el nuevo porcentaje de cemento y verificar este nuevo porcentaje con el determinado nuevamente mediante la Figura 6. En el Ejemplo 2 se mantiene el mismo 6% de contenido de cemento 5. Se preparan 3 briquetas de ensayo, cada una con el porcentaje de cemento obtenido en el Punto 4 y con el porcentaje de humedad óptima obtenido en el Punto 3. Se determina la resistencia a compresión simple sin confinar de las briquetas de ensayo después de 7 días de curado en la cámara húmeda a 21°C. Al terminar los 7 días las briquetas se sumergen en agua a temperatura ambiente durante cuatro (4) horas antes de romperlas. (En caso de no disponerse de cámara húmeda, las briquetas se envuelven en una bolsa plástica cerrada herméticamente, y se sumergen en agua) o se colocan en una trampa de arena que se mantiene humedecida durante los 7 días.

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En el Ejemplo 2 se supone que las resistencias obtenidas son: Briqueta Resistencia (kg/cm2) 1 46 2 45 3 45 Promedio 45,3 6. Se verifica, mediante la Figura 8, en función del porcentaje de limo más arcilla y del porcentaje de piedra del suelo, la mínima resistencia a compresión que debe presentar la mezcla. En el Ejemplo 2 la resistencia mínima del promedio de las 3 briquetas debe ser igual o mayor a 19,4 kg/cm2. 7. Si la media de la resistencia obtenida en el Punto 5 fuese superior a esta mínima, el porcentaje de cemento obtenido en el Punto 4, será adoptado como el que se empleará en obra.

Figura 8: Resistencia mínima a la compresión, a los 7 días. Método B.

En el Ejemplo 2 la media de la resistencia obtenida en las 3 briquetas (45,3 kg/cm2) es mayor a 19,4 Kg/cm2 (obtenido de la Figura.8), por lo tanto el contenido de cemento del 6% es correcto 8. Si por el contrario, la resistencia obtenida es inferior a la indicada por la Figura 4.8, el __________________________________________________________________________ 5-14

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porcentaje de cemento es muy bajo, siendo entonces necesarios nuevos ensayos: se moldean dos nuevas briquetas de ensayo, una con el porcentaje indicado en el Punto 4 y la otro con un aumento de 2 puntos de cemento. Estas briquetas de ensayo son sometidas al ensayo de "Durabilidad por Congelación y Deshielo", y las pérdidas de peso por ellas sufridas permitirán determinar el porcentaje de cemento adecuado.

Nota: Es importante destacar que las resistencias obtenidas mediante este procedimiento simplificado (Métodos A & B) muy rara vez resultan en resistencias menores a las exigidas en las Figuras 4 y 8, según sea el caso, debido a la extensiva correlación empleada en el desarrollo de este método. Por esta razón, y en caso de no disponer de equipos para realizar ensayos de comprensión simple, los valores de contenido de cemento obtenidos directamente de los gráficos son suficientemente confiables para la preparación de las mezclas en campo.

Método de dosificación por la AASHTO Si la mezcla de suelocemento va a ser utilizada en un diseño estructural siguiendo el criterio de la AASHTO, se recomienda entonces que el diseño de la mezcla en laboratorio, a fin de determinar su resistencia a la compresión simple, se haga de acuerdo al criterio de la AASHTO, el cual difiere del criterio de la PCA. La mezcla diseñada por AASHTO se ejecuta normalmente aplicando la energía de compactación modificada, y simplemente el diseño se ejecuta sobre mezclas con diferentes contenidos de cemento, sometidas a la compresión simple después de 7 días y cuatro horas de curado, y se selecciona el contenido de cemento que arroje una resistencia acorde con la que el proyectista exigirá en su diseño estructural. Es frecuente, en nuestro país, seleccionar resistencias de suelo-cemento entre 25 y 40 kg/cm2, con el fin de reducir los espesores de mezcla asfáltica a ser construida sobre esta capa de suelo estabilizado. Este es el método que más se emplea en Venezuela para diseñar mezclas de suelocemento y, a partir del año 2005, momento en que se inicia la rehabilitación de pavimentos asfálticos deteriorados con el procedimiento de pulverización del espesor existente de la mezcla asfáltica, conjuntamente con el material virgen por debajo de esta capa, en un espesor aproximado de dos (2) veces el espesor de asfalto —conocido como mezclas REPACE—. Estas mezclas se diseñan con espesores mínimos de 20 cm y espesores máximos de 35 cm, y las resistencias de diseño han variado desde un mínimo de 25 kg/cm2 hasta un máximo de 45 kg/cm2, aun cuando existe una tendencia a que la resistencia máxima no supere los 35 kg/cm2, con el fin de minimizar la aparición de las grietas de reflexión.

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La siguiente figura ilustra un diseño REPACE con tres diferentes contenidos de cemento. Sí la resistencia mínima fuese de 30 kg/cm2, el contenido de cemento debería ser de un 6.2%.

Diseño inicial de la m ezcla REPACE

Resistencia a la compresión simple, 7 días (kg/cm2)

50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 4

5

6

7

8

% de cem ento en peso de m ezcla

Diseño aproximado cuando no se pueden ejecutar ningún tipo de ensayos Método basado en la clasificación de los materiales El método de diseño más sencillo que puede utilizarse es aquél que se fundamenta en los ensayos más elementales: granulometría por tamizado y límites de Atterberg. Ambos tipos de ensayo permiten clasificar el material en un grupo determinado y, en función del grupo se estima un porcentaje de cemento, tal como se indica en la Tabla 1.

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Tabla 1 Valores aproximados de contenido de cemento, para diseños de suelo-cemento (No para mezclas REPACE), en función del tipo de suelo, según la Clasificación de la AASHTO Clasificación AASHTO (HRB)

Clasificación ASTM

A-1-a

GW, GP, GM, SW, SP, SM GM, GP, SM, SP GM, GC, SM, SC SP CL, ML ML, MH, CH CL, CH MH, CH

A-1-b A-2 A-3 A-4 A-5 A-6 A-7

Contenido de cemento (% en peso) 3-5 5-8 5-9 7 - 11 7 - 12 8 - 13 9 - 15 10 - 16

Nota: la tabla anterior está tomada del Método General de Dosificación de la PCA y sus valores corresponden a los sugeridos para la ejecución de los ensayos de durabilidad.

• Requisitos mínimos que deben satisfacer las mezclas de suelo-cemento, de acuerdo a las normas venezolanas. La norma COVENIN 2000-80, en su Capítulo 11-8, establecen los requisitos de calidad que deben satisfacer las mezclas de suelo-cemento, y las cuales se han resumido en la Tabla VII. Tabla 1 Normas venezolanas (COVENIN 2000-86) para mezclas de suelo-cemento Norma 11-8 Resistencia a la compresión Resistencia a la compresión a los 7 días de Mínimo 15 kg/cm2 para tráfico liviano o curado de las briquetas mediano Mínimo 28 kg/cm2 para tráfico pesado Resistencia a la compresión de las briquetas después de 7 días de curado y 7 Mayor o igual al 80% de la resistencia de días de inmersión las briquetas después de 14 días de (Resistencia retenida) curado Ensayos de durabilidad Tipo de material Pérdida de peso después de 12 ciclos A-1; 1-2-4; A-2-5; A3 Menor o igual a 14% A-2-6; A-2-7; A-4; A-5 Menor o igual a 10% A-6; A-7 Menor o igual a 7% Variación del volumen Menor o igual a 2% Contenido de cemento Mayor o igual al 5% en peso

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Construcción de mezclas de Suelo-Cemento La ejecución de mezclas de suelocemento puede dividirse en dos etapas fundamentales que son: la preparación previa de la superficie de la vía y la construcción en sí del suelocemento, independientemente del método de preparación de la mezcla del suelo, el cemento y el agua. Preparación previa La preparación de la vía varía si el suelocemento se va a mezclar con el material existente en la calzada (mezcla sobre la vía), o con la mezcla transportada (mezcla en planta). En el primer caso habrá que controlar el perfil de la vía tanto longitudinal como transversalmente, completando la rasante donde sea necesario. En el segundo caso, es decir, cuando se usa y transporta mezcla ya preparada, la sub-rasante deberá estar compactada y nivelada de acuerdo con las especificaciones de la obra. Pulverización Los suelos que van a ser estabilizados con cemento deben ser pulverizados previamente para lograr un buen mezclado con el cemento. Los suelos arenosos son fácilmente pulverizables mientras que los suelos arcillosos son más difíciles, especialmente cuando están muy secos o muy húmedos. La humedad del suelo es un factor muy importante en esta operación. Algunos suelos que en estado seco son difíciles de pulverizar, en estado húmedo se pulverizan fácilmente y por el contrario algunos suelos lo hacen más fácilmente cuando están secos. Las especificaciones exigen que el suelo sea pulverizado de tal forma que, en el momento de iniciar la compactación, el 100% de la mezcla de suelocemento pase por el tamíz de 1 pulgada (25 mm) y al menos un 80% pase por el tamíz Nº 4 (4.74 mm). En estos cálculos no se tomará en cuenta el agregado pétreo, o sea, que lo requerido es que no haya más de un 20% de terrones de suelo mayores que el tamíz Nº 4 y que además estos terrones no tengan un tamaño mayor de una pulgada. LOS SUELOS ARCILLOSOS NO DEBEN SER MEZCLADOS EN PLANTA, YA QUE ES PRÁCTICAMENTE IMPOSIBLE ALCANZAR LA PULVERIZACIÓN EXIGIDA. Suministro del Cemento El cemento puede ser suministrado en dos formas: a granel o en sacos. MEZCLAS SOBRE LA VÍA • Suministro a granel para mezcla sobre la vía: el camión transportador puede descargarse en un silo de almacenamiento en la obra, pero lo común es que los camiones se descargen directamente en el sitio de trabajo. A estos camiones se les acopla un distribuidor mecánico que regula el flujo del cemento uniformemente a lo ancho de la franja de mezclado.

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Verificación de la cantidad de cemento aplicada a granel

Los distribuidores de cemento pueden ser de dos tipos: uno de ellos es el que esparce el cemento en un ancho uniforme que puede variar de 1.8 m, a 3 m, y el otro tipo deposita el cemento en la parte superior de un camellón. • Suministro en sacos para mezcla sobre la vía Cuando el cemento es suministrado en sacos debe ser colocado en el sitio en forma manual. En este caso los sacos deben colocarse sobre la vía a una distancia exacta de tal forma que la proporción a emplear sea la requerida por el diseño. El cemento es posteriormente distribuido uniformemente sobre la superficie, a lo ancho y largo de la sección transversal, mediante el empleo de haraganes o de rastrillos.

Extendido del cemento distribuido en sacos

Humedad de mezclado En los suelos arenosos el contenido de humedad para mezclarlo es generalmente igual, o ligeramente inferior al óptimo para compactación, mientras en los suelos arcillosos la humedad deberá ser ligeramente superior al óptimo. Si el suelo está muy húmedo generalmente será necesario airearlo para secarlo antes de distribuir el cemento. __________________________________________________________________________ 5-19

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Construcción del suelocemento Las operaciones en la construcción del suelocemento dependen del equipo o sistema de mezclado utilizado: sobre la vía o en planta. • Construcción con mezcladoras sobre la vía Este procedimiento es el mas generalizado en Venezuela, ya que los equipos empleados son los que dispone cualquier contratista de carreteras. Adicionalmente es conveniente, y generalmente es la opción preferida, la utilización de máquinas pulverizadoras o “estabilizadoras de suelos”. •• Con mezcladoras de una sola pasada. Esta modalidad fue empleada en los años 60-70, mediante el empleo de una máquina con 4 rotores. La nueva generación de estos equipos, que son los que se emplean hoy en día, de mucha mayor potencia que los anteriores, permiten la operación de mezclado en una sola, o no más de dos pasadas del equipo. Generalmente, al menos en Venezuela, el suelo a ser estabilizado se obtiene de un préstamo cercano y es transportado y extendido sobre la sub-rasante con el empleo de camiones o máquinas para el movimiento de tierras (mototraíllas).

Pulverizadora de una sola pasada (modelo de primera generación)

Pulverizadora de una sola pasada (modelo de nueva generación)

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A. Preparación de la superficie A.1 Conformar la superficie de la subrasante sobre la que será extendida el suelo a ser estabilizado. A.2 Transportar el material de préstamo y extenderlo a lo largo y ancho de la sección de trabajo. A.3 Es muy importante recordar la relación de esponjamiento entre suelo suelto y compactado, de modo de que la cantidad de material extendido logre el espesor de proyecto una vez compactado. A.4 Precompactar el material de préstamo para permitir el paso de los equipos de distribución del cemento y de mezclado y pulverización del suelo. B. Construcción del Suelocemento 1. Distribución del cemento La distribución del cemento será a granel, o en sacos, dependiendo de la disponibilidad de equipos. Es preferible, con el fin de alcanzar rendimientos adecuados al equipo de mezclado, el empleo de distribuidores de cemento. 2. Adición del agua, pulverización y mezclado El agua de compactación y de hidratación del cemento puede ser añadida por medio de camiones cisterna. Los nuevos equipos de mezclado disponen de bombas de agua acopladas al sistema de propulsión de las máquinas, permitiendo así una dosificación sencilla, práctica y muy segura. En los suelos muy granulares el humedecimiento previo facilita la adhesión del cemento a las partículas de grava y arena y evita que el material tienda a acumularse en la parte inferior de la mezcladora. La Mezcla del suelo con el cementoen suelos arenosos es más fácil cuando el contenido de humedad está uno ó dos puntos por debajo del óptimo, aunque suelos muy arenosos o limosos y arcillosos pueden mezclarse con uno ó dos puntos por encima. La mayoría de mezcladoras poseen un rotor pulverizador de alta velocidad que por lo general hace innecesaria la pulverización previa del suelo, requiriéndose únicamente la conformación del sitio. Sin embargo puede darse el caso en suelos duros que se requiera escarificar y humedecer el suelo previamente para lograr su pulverización.

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Dos modelos diferentes de puntas del tambor pulverizador

El material mezclado queda extendido sobre la vía, listo para su compactación, con la cantidad de cemento y agua que son requeridos para lograr una buena mezcla de suelocemento.

Apariencia de la mezcla después del paso del equipo pulverizador

3. Compactación Las mezclas de suelo cemento, de acuerdo a la práctica en Venezuela, deben ser compactadas al 95% de la densidad del Proctor Modificado (AASHTO T180). La densidad de comparación debe ser realizada en muestras representativas de la mezcla tomadas en la vía cuando se vaya a iniciar la compactación. En caso de que el material tenga agregados granulares superiores a ¾” de pulgada deberá reemplazarse su peso por uno equivalente del mismo material comprendido los tamices ¾” y # 4. La humedad de la mezcla al iniciar la compactación debe ser generalmente superior a la óptima para prevenir la pérdida de humedad por evaporación. En caso de que haya pérdidas deberá reponerse la humedad con riegos ligeros de agua. El equipo de distribución de agua deberá estar en perfecto estado y ser capaz de distribuir el agua uniformemente sobre la superficie. __________________________________________________________________________ 5-22

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El equipo de compactación depende del material empleado. El tipo más común es la "pata de cabra” si el material es arcilloso; sin embargo, pueden utilizarse aplanadoras de rodillos metálicos, compactadoras de neumáticos o vibratorias; estos equipos dan muy buenos resultados en suelos granulares no plásticos. Hoy en día se emplean muy comúnmente las vibrocompactadoras.

Compactadora vibratoria autopropulsada

El espesor máximo que se puede compactar en una sola capa depende del equipo empleado, pero generalmente se limita a un máximo de 30 cm. Cuando se emplean patas de cabra el suelo cemento deberá estar suelto para que éstas penetren en todo el espesor de la capa; cuando no haya una buena penetración el suelo deberá ser aflojado con un arado, escarificador, pulverizadora rotativa o rastra. La compactación final de los suelos por lo general se termina empleando aplanadoras livianas de neumáticos. Las mejores compactaciones se logran cuando el suelocemento se compacta inmediatamente después de terminado el mezclado. Al procederse en esta forma las densidades se obtienen más rápidamente, hay menor evaporación de agua y el rendimiento aumenta. 4. Terminación El método de terminación depende del equipo, condiciones de la obra y características del suelo. En todo caso el propósito es el de obtener una base bien compactada, con su superficie de acuerdo con la sección transversal y pendiente longitudinal exigida en el proyecto y donde no existan "planos superficiales de compactación". Los "planos superficiales de compactación" son fajas lisas superficiales marcadas por las ruedas del equipo de compactación, cuchilla de la motoniveladora o por el equipo de compactación. Estos planos deben ser removidos porque ellos no se adhieren adecuadamente al resto de la capa, pudiendo desprenderse, aflojarse o fracturarse posteriormente. Las fajas deben __________________________________________________________________________ 5-23

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ser escarificadas y humedecidas para remover el plano superficial y obtener una buena adherencia. Los planos de compactación se eliminan con una rastra de dientes o clavos, o mediante el paso de la cuchilla de la motoniveladora.

Rastra de clavos para eliminación de los planos (escamas) de compactación

5. Curado El suelo-cemento compactado y terminado debe ser protegido para evitar la pérdida por evaporación de la humedad requerida para la hidratación del cemento. El procedimiento usualmente recomendado es cubrirlo con un riego de asfalto líquido ya sea RC-250, ó una emulsión asfáltica, aún cuando también puede emplearse cualquier otro material que cumpla la misma función, tales como paja o tierra húmeda, o puede recurrirse al procedimiento de riego periódico con un camión cisterna. El empleo de un riego asfáltico ha mostrado la desventaja, al menos en Venezuela, de que se levanta posteriormente cuando los camiones con mezcla asfáltica circulan sobre su superficie. Lo común en Venezuela, sin embargo, es regar dos o tres veces al día la superficie terminada, y luego realizar el riego asfáltico. Otros ingenieros prefieren el procedimiento de aplicar el riego asfáltico inmediatamente después de terminar el proceso de compactación y acabado, precedido de un riego de agua para facilitar la penetración inicial del riego asfáltico. Cuando se vaya a emplear el riego asfáltico, debe limpiarse previamente la superficie del suelocemento, lo cual se hace por medio de una escoba mecánica, muchas veces complementado por un compresor de aire. Luego se humedece bien el suelocemento, pero de tal forma que no queden charcos o pozos de agua libre sobre la superficie. En aquellos casos en que debe mantenerse el tránsito por la vía, debe cubrirse el riego asfáltico con arena, para evitar que éste se desprenda por el paso de los vehículos. En Venezuela el procedimiento preferido, en la práctica, es el de colocar obstáculos sobre la calzada para evitar el paso de los vehículos. __________________________________________________________________________ 5-24

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Se recomienda que se evite el tráfico durante los primeros siete (7) días, después de terminado el suelo-cemento, pero con un mínimo de tiempo que permita obtener al menos un 70-80% de la resistencia de diseño.

Curado con agua y posterior aplicación del riego asfáltico

Tiempos de ejecución: A continuación se presenta un resumen de los tiempos de ejecución que deben ser controlados durante la construcción de una mezcla de suelocemento: 1. Una vez agregado el cemento, la mezcla no debe permanecer imperturbada por un tiempo mayor de 30 min. 2. La adición de agua se puede realizar en cualquier momento después de agregado el cemento, pero hasta un tiempo máximo de 3 horas. 3. La compactación debe iniciarse antes de que hayan transcurrido dos (2) horas desde el momento en que se agregó el cemento al suelo. 4. Las operaciones de mezclado, incorporación de agua adicional, compactación y acabado, deben ser ejecutadas dentro de un lapso máximo de seis (6) horas después de añadido el cemento.

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•• con mezcladoras de múltiples pasadas. Estos equipos fueron empleados a inicios de los años 60, y su diseño corresponde a la “primera generación” de la construcción de suelocemento. El proceso es similar al caso de mezcladoras de una sola pasada, pero generalmente se requiere la escarificación previa del suelo, y en algunos casos pulverizado previo porque el equipo por lo general no está diseñado para escarificar. Comúnmente el suelo se humedece durante la escarificación y pulverización para facilitar las operaciones subsiguientes. Una vez escarificado, pulverizado y humedecido uniformemente el suelo se conforma transversal y longitudinalmente y se procede a extender el cemento. En caso de que el equipo distribuidor de cemento produzca compactación del suelo que dificulte el trabajo de la mezcladora, deberá escarificarse el material con los dientes de una motoniveladora, teniendo cuidado que no se produzca desplazamiento del cemento. De inmediato se procede al primer mezclado del suelo con el cemento, luego se añade más agua y se continúa mezclando hasta lograr una mezcla uniforme a la humedad deseada. Terminado éste, el material está listo para la compactación, terminado y curado, y se emplean las mismas técnicas y equipos descritos anteriormente para el caso de máquinas de una sola pasada.

Pulverizadora de primera generación (múltiples pasadas)

MEZCLAS EN PLANTA CENTRAL Las plantas mezcladoras están constituidas por una unidad de almacenamiento del cemento (silo) y un sistema que permita el proporcionamiento de los agregados y el cemento. La mezcladora en sí es del tipo de paletas. La dosificación del suelo, del cemento y del agua puede hacerse en volumen o en peso. Las plantas centrales se emplean en obras donde se utilicen materiales procedentes de sitios definidos y que no tengan una gran distancia de transporte. Cuando se emplean suelos plásticos no se recomienda el empleo de plantas centrales, __________________________________________________________________________ 5-26

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a menos de que el material sea previamente pulverizado.

Planta fija de mezclado

A continuación se describen brevemente las etapas constructivas de las mezclas en planta central: • Suministro a granel para mezcla en planta El camión transportador descarga directamente en el silo de almacenamiento en la planta. El número de silos será función de la capacidad de la planta, distancia al sitio de la planta de cemento, número de camiones de transporte disponibles, etc. A. Preparación 1. Conformación de la subrasante 2. Compactación de la subrasante B. Elaboración del suelo cemento 1. mezcla del suelo cemento y agua en la planta 2. Transporte al sitio y distribución de la mezcla 3. Compactación 4. Terminación 5. Curado. Recomendaciones sobre el proceso de mezclado y compactación: ° El tiempo normal de mezclado es de 30 segundos contados a partir del momento en que todos los materiales están en la mezcladora. El tiempo puede aumentarse en caso de que se requiera para obtener una buena mezcla. ° El tiempo de transporte de la planta al sitio no debe ser mayor de 30 minutos. ° Los camiones empleados deben estar cubiertos con una lona para evitar pérdidas del agua de mezclado por evaporación. ° La descarga del material debe hacerse con distribuidoras mecánicas y es recomendable que se haga a todo lo ancho de la calzada empleando dos distribuidores desfasados. __________________________________________________________________________ 5-27

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° No deberá transcurrir más de 25 minutos entre el extendido de una capa y la adyacente. Terminado la distribución del material mezclado proveniente de la planta, se continúa con las operaciones de compactación, terminado y curado; para lo cual se emplean las mismas técnicas y equipos descritos anteriormente para el caso de construcción de mezclas sobre la vía. La Junta de Construcción. Finalizado el tramo construido en el día, debe formarse una junta vertical de construcción, cortando el extremo libre del suelocemento terminado. Esta es la última operación que se realiza el día de la construcción, o la primera del día siguiente. El material que queda a continuación de la junta se prepara para ser utilizado en el próximo día de trabajo. Una vez mezclado este material, se limpia la junta si es necesario. El material mezclado y humedecido se lleva con la motoniveladora a la zona de la junta. El material allí colocado se compacta totalmente. En esta etapa de la construcción la junta se deja ligeramente alta; durante la compactación final se enrasa la junta con la motoniveladora y se vuelve a compactar. Cuando el curado se efectúa empleando un material asfáltico, éste se aplica exactamente hata la junta y se distribuye arena en sus cercanías para evitar que se levante por efecto del tránsito. Las juntas longitudinales entre franjas adyacentes deben ser perfectamente perpendiculares; generalmente su ejecución se elimina construyendo todo el ancho de sección simultáneamente, sin embargo en algunos casos, o cuando se trata de superficies muy grandes como en aeropuertos, puede transcurrir un tiempo más o menos largo entre la ejecución de una franja y la adyacente. Cuando las juntas longitudinales se hacen en suelocemento parcialmente endurecido, el material próximo a la junta es pulverizado con el equipo mezclador. Cuando las juntas se hacen en un suelocemento ya endurecido la junta se corta con las motoniveladoras para lograr una superficie vertical, pero en caso de que esto perturbe o deteriore el suelocemento construido, deberá suspenderse el procedimiento y removerse por otros medios, tales como sierra mecánica o cortadas a mano con picos. El material extraído deberá ser desechado. En todo caso deberá cuidarse que el alineamiento de la junta sea lo más perfecto posible. Con las máquinas pulverizadoras de la nueva generación, la construcción de la junta se simplifica ya que solo es necesario que la máquina solape un ancho de aproximadamente 5 cm sobre la franja anterior. Al paso de la máquina sobre el sobre ancho y sobre la nueva franja, se genera automáticamente una junta longitudinal perfecta.

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Construcción en varias capas. Cuando el espesor fijado para la base excede del que puede ser perfectamente mezclado, humedecido y compactado en una sola operación con el equipo disponible (generalmente hasta un máximo de 30/35 cms) el suelocemento debe construirse en varias capas. Se recomienda, por otra parte, que por razones constructivas, el espesor mínimo de una capa no sea menor de 15 cm. Inspección y Control de Calidad en las obras con suelo-cemento El control de calidad es una etapa fundamental como parte del proceso total del suelocemento, con el fin de garantizar que el producto final sea adecuado para el uso para el cual ha sido propuesto. El control de calidad de campo comprende la verificación de los siguientes factores: 1. Verificación de la nivelación de la vía y remoción de las zonas blandas que existan en la subrasante. 2. Clasificación de los suelos empleados para verificar que ellos coinciden con los de proyecto y para determinar la cantidad de cemento necesario. 3. Pulverización adecuada y granulometría del material en el momento de su uso final. 4. Cantidad del cemento aplicado. 5. Humedad correcta de la mezcla. 6. Control de la uniformidad de la mezcla 7. Determinación del grado de compactación 8. Espesor de la mezcla compactada y tolerancias de acabado de superficie 9. Curado. Los dos primeros puntos ya son suficientemente conocidos; en cuanto al grado de pulverización, en el caso de mezclado sobre la vía, es conveniente señalar los siguientes comentarios: • La mayoría de los suelos requiere solo un mínimo de pulverización antes de iniciar el proceso del mezclado del suelo con el cemento. Las arcillas muy plásticas, por el contrario, requieren un trabajo bien considerable de pulverización. El secreto de la pulverización de suelos arcillosos son: contenido correcto de agua y equipo adecuado. Estos suelos deben ser procesados sobre la vía ya que no logran ser bien pulverizados cuando se trabajan en planta central. • Las especificaciones convencionalmente establecen que, al terminar el mezclado húmedo, el 80% de la mezcla de suelo-cemento pase el tamiz Nº 4 y que el 100% pase el tamiz de una pulgada, exclusive de los fragmentos de grava o piedra que sean retenidos en estos tamices. • El ensayo de pulverización consiste en tamizar una muestra representativa de la mezcla sobre un tamiz Nº 4. Cualquier fragmento de grava o piedra deben haber sido previamente separados de la muestra. Los terrones o grumos de arcilla y la mezcla __________________________________________________________________________ 5-29

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pulverizada se pesan separadamente y se les determina su peso seco. El grado de pulverización (Gp) se define por la siguiente relación:

Gp =

Peso seco de la mezcla pasante el tamiz Nº –––––––––––––––––––––––––––––––––––––– * 100 Peso seco de la muestra total exclusive de los fragmentos de grava y/o piedra

• En muchos casos, por razones de rapidez en la obtención del valor de Gp se emplean los pesos húmedos en vez de los pesos secos. Este resultado es de suficiente precisión como para que se tomen, en caso de ser necesarias, las medidas correctivas que sean procedentes.

Ejecución en campo de un ensayo de grado de pulverización

• Entre las posibles medidas para mejorar el grado de pulverización se tienen: a. Disminuir la velocidad de desplazamiento del equipo de mezclado b. Aumentar el número de pases del equipo de mezclado c. Reemplazar los dientes desgastados de la cámarade mezclado d. Prehumedecer y/o premezclar el suelo antes de la incorporación del cemento e. Incorporar un porcentaje bajo de cal (1 a 2%) para reducir la plasticidad de arcillas muy pesadas, con el fin de mejorar su trabajabilidad • Debe tomarse en cuenta que suelos muy húmedos son difíciles de mezclar con cemento. El contenido de humedad en el momento de aplicación del cemento debe ser igual, o muy cercano, a la humedad óptima. Cualquier exceso de agua debe ser eliminada mediante pulverización previa y secado al aire, y en casos muy extremos, por la adición de cal. Cantidad de cemento aplicado a. Mezcla sobre la vía El cemento se aplica, en las mayoría de los casos, directamente a granel desde el mismo camión cisterna que lo transporta desde la fábrica de cemento. Es necesario verificar que la cantidad aplicada sea la correcta, lo cual se logra mediante el proceso combinado siguiente: a.1 Control puntual __________________________________________________________________________ 5-30

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Colocar una lona de superficie conocida—generalmente de un metro cuadrado— delante del distribuidor del cemento. Después de esparcido el cemento se levanta la lona cuidadosamente para evitar pérdida del material y se pesa el material retenido en la lona. Este valor se compara con el calculado para el momento de la aplicación. La siguiente figura ilustra este procedimiento.

Paso del camión cisterna sobre sitio donde se ha colocado una lona para tomar la muestra

Recuperación de la lona con el cemento descargada sobre ella, para su posterior pesado y comparación del peso recuperado con la cantidad de diseño por m2.

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a.2 Control global Se mide la distancia o área total sobre la cual se aplica la carga del camión cisterna. Como se conoce el peso total de cemento que transporta la cisterna, se compara el peso realmente colocado por unidad de área con el teórico correspondiente a la carga del camión b. Mezcla en planta central Cuando se emplea planta central es necesario que la dosificación del cemento se verifique antes de que éste entre en la cámara de mezclado. b.1 Plantas por peso Las cantidades correctas de suelo, cemento y agua para cada bache se determinan en el momento de ser pesadas en la balanza, antes de ser descargadas al mezclador. La garantía de que la cantidad pesada sea la correcta se logra a través de procesos de calibración de las balanzas y por la supervisión de que el pesador hace su trabajo correctamente. En las plantas mas modernas el proceso de pesado esta controlado automáticamente. b.2 Plantas continuas Estas plantas de dosificación por volumen pueden ser controladas por uno de los siguientes procedimientos • La planta se pone en operación alimentando solo el suelo hacia la correa transportadora. La planta se detiene y se determina el peso seco del suelo en una longitud cualquiera de la correa. Luego se pone en operación la planta pero alimentando solo cemento sobre la correa y se determina igualmente el peso del cemento por unidad de longitud. El alimentador del cemento se ajusta hasta que la cantidad alimentada coincida con la de diseño. Puede ser necesario el calibrar la planta a varias velocidades de operación. Normalmente la calibración se hace diariamente, durante varios días seguidos, al comenzar un trabajo, y luego se hace solo periódicamente con el fin de verificar que no se ha desajustado la calibración. • El otro procedimiento, quizá un poco más trabajoso, consiste en alimentar el suelo través de la planta durante un lapso determinado; el suelo se descarga directamente sobre un camión y se determina el peso por unidad de tiempo. Simultáneamente el cemento se descarga directamente del alimentador hacia otro camión, o hacia cualquier recipiente adecuado, y se pesa. La comparación de ambos pesos indicará si la proporción de cemento es la adecuada. En caso de no serlo, se varía la velocidad de alimentación del cemento hasta que se logre alcanzar la dosificación deseada. Humedad de la mezcla La cantidad correcta de agua es fundamental para lograr la adecuada compactación de la mezcla y para alcanzar el grado de hidratación requerida para desarrollar su resistencia. La cantidad de agua que se incorpora a la mezcla es normalmente igual al contenido óptimo, determinado por el ensayo Proctor, más un dos (2) por ciento, con el fin de compensar las pérdidas por evaporación y por la hidratación del cemento seco. La Humedad de las mezclas en campo puede determinarse con métodos rápidos de __________________________________________________________________________ 5-32

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secado como con una cocinilla o quemando la mezcla con alcohol. Se puede tener una idea del grado de humedad tomando un puñado de la mezcla y aprisionándolo con la mano para formar un terrón. Si la humedad está por encima de la óptima al comprimir el material este deja agua en exceso en las manos. Cuando está muy seca se desmenuzan no pudiendo moldearse. Cuando la humedad es cercana a la óptima se moldea el terrón y al partirlo en dos partes con muy poco, o ningun grado de desmenuzado.

Cocinilla de campo para determinación del contenido de humedad

A lo largo de los procesos de compactación y terminación de la superficie puede ocurrir que la mezcla se vuelva seca, tal como lo evidencia por que la superficie se torna de un color grisáceo. Si esto llega a ocurrir, se debe aplicar un riego muy ligero de agua mediante un camión cisterna equipado con flauta. La mejor evidencia de que el suelo cemento compactado ha logrado su humedad correcta es la de que su superficie está libre de polvo libre, no presenta grietas, y su apariencia es suave, húmeda y densa. Control de la uniformidad de la mezcla Previo a la compactación deberá verificarse que se logrado una mezcla uniforme de suelo pulverizado, cemento y agua. Este un requisito indispensable para conseguir un suelo-cemento de alta calidad. a. Mezclas sobre la vía La uniformidad se verifica visualmente, excavando zanjas o una serie de huecos a intervalos regulares. La profundidad de la zanja o huecos debe alcanzar el espesor total de la mezcla extendida. Se observa entonces el color de la mezcla. Cuando ésta es de un mismo color y textura desde el tope al fondo, la mezcla es uniforme. Una mezcla con vetas indica que no se ha logrado el mezclado deseado. El control del espesor de la mezcla suelta se hace simultáneamente con la determinación de su uniformidad. Al terminar el proceso de compactación se puede hacer una determinación final, tanto de espesor como de uniformidad, mediante el riego de una solución al 2% de fenoltaleína a lo largo de la cara de un hueco excavado en la capa. La mezcla de suelo-cemento se tornará de un color rosado-rojizo mientras que el suelo no tratado o la subrasante mantendrá su coloración original —a menos que sea un suelo rico en calcio—. __________________________________________________________________________ 5-33

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Corte con pala dentro de la mezcla detrás del equipo pulverizador, para verificación del espesor de corte. Con los equipos de nueva generación se logra un control de espesores muy preciso, gracias a los sistemas electrónicos de control con que están dotados

b. Mezclas en planta El grado de uniformidad de mezclado se realiza visualmente en el momento de la descarga de la mezcla hacia los camiones, aún cuando puede también hacerse sobre la mezcla extendida en la misma manera que fue explicada para mezclas en sitio. El tiempo de mezclado requerido para alcanzar un mezcla íntima de todos los materiales del suelo-cemento dependerá de la granulometría de los materiales empleados y del tipo de planta empleado, normalmente se establece un tiempo entre 20 y 30 segundos. Compactación La humedad óptima y densidad máxima de la mezcla de suelo-cemento empleada para su control se hace en la obra sobre muestras representativas de la mezcla cuando se va a iniciar la compactación. La densidad de campo varía desde un 95% a un 100% de la densidad máxima seca determinada por el AASHO Estandar (ASTM D-558) o Modificado (ASTM D-1557). La Verificación de densidades de campo se hace por algunos de los sistemas conocidos (cono y arena; balón de goma; densímetro nuclear). La frecuencia de ensayo dependerá de la producción. Normalmente se establece un mínimo de una muestra por cada 250 m3 de material colocado. La densidad de campo debe determinarse inmediatamente después de que haya concluido el proceso de compactación. La comparación de la densidad de campo y la densidad de laboratorio indicará las modificaciones en el patrón de compactación, o la necesidad de cambiar de equipo de compactación, con el fin de que la mezcla compactada pueda satisfacer los requisitos de calidad impuestos en la vía en construcción. __________________________________________________________________________ 5-34

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Verificación de la densidad de campo (método de cono y arena) y con equipos nucleares

Espesor de la mezcla compactada y tolerancias de acabado de superficie a. Espesor El espesor de la mezcla compactada se verifica al momento de ejecutar los ensayos de densidad de campo, si éstos son ejecutados por el Método del Cono y Arena o por el Método del Balón de Goma. En el caso de que las densidades se verifiquen por equipos nucleares será necesario la toma de núcleos para medir el espesor de la capa compactada, o abrir huecos en la mezcla sin compactar, tal como se indicó para verificar el grado de uniformidad de la mezcla. La frecuencia en la toma de núcleos depende de la agencia que inspecciona: el Cuerpo de Ingenieros recomienda una muestra cada 425 m2 de pavimento; el Departamento de Carreteras de California establece que la distancia entre muestras no debe exceder los 300 ml.

Verificación del espesor de capa en el momento de ejecución de un ensayo de cono y arena para determinación del porcentaje de compactación.

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b. Calidad del acabado Con el fin de lograr una superficie sobre la cual se puedan colocar las mezclas asfálticas, o las losas de concreto, sin afectar los espesores de diseño, es necesario que la calidad del acabado de la capa de suelo-cemento sea tal que no presente deformaciones mayores a 10 mm cuando se mida con una regla de canto recto de 3 m de longitud. Esta medición se realiza colocando la regla en un plano perpendicular al eje de la vía, a intervalos de 15 m. Esta limitación se complementa, por otra parte, con el requisito de que no se permiten desviaciones mayores a 15 mm de la rasante de proyecto para la capa de suelocemento.

Acabado final de la superficie para eliminar los planos de compactación Curado El último elemento a controlar es la calidad en el curado de la capa de suelo-cemento. Este control es muy importante ya que garantiza que el agua de compactación no se pierde por evaporación, afectando así el proceso de la hidratación del cemento y, en consecuencia, el desarrollo de resistencia. El curado puede lograrse mediante mediante varios medios: (a) la colocación de pasto o paja; (b) empleo una capa de tierra. Ambas procedimientos exigen que el material que se emplea se mantenga húmedo durante los 3 a 7 días que debe durar el curado; (c) Un tercer método es mantener un riego permanente de agua mediante camiones cisternas; (d) también pueden colocarse láminas de plástico; y (e) quizás la manera más común de lograr el curado, tal como se ha indicado en el Capítulo referente a los procesos constructivos, es mediante la aplicación de un riego asfáltico. Este método, sin embargo, no debe emplearse sobre una capa que vaya a ser cubierta por otra capa de suelo-cemento. Lo importante es que el riego de curado se aplique inmediatamente después de haber terminado el rasanteo de la capa, y en una cantidad tal que logre cubrir satisfactoriamente toda la superficie. No debe emplearse asfalto líquido ligado con __________________________________________________________________________ 5-36

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kerosene, sino sólo el RC-250 previamente calentado a las temperaturas recomendadas para este material (45°C a 60°C). La cantidad empleada debe variar entre 1.0 l/m2 y 2,0 l/m2. Pueden emplearse riegos de emulsión asfáltica en cantidades de aplicación entre 1.5 l/m2 y 2.5 l/m2.

Curado con agua y posterior aplicación del riego asfáltico

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Estabilización mediante empleo de aceites sulfonados El aceite sulfonado es un producto derivado de la fracción nafténica del petróleo. Es un líquido espeso de color negro con una gravedad específica cercana a 1,15; su PH es aproximadamente 1,25 y su viscosidad es ligeramente menor a la del agua. El aceite sulfonado es soluble en agua, a la cual ioniza con extrema rapidez. Cuando se emplea en solución acuosa, es un líquido de alta conductividad. Acción del aceite sulfonado sobre las partículas del suelo Las partículas finas de los limos y arcillas, debido a su composición mineralógica, tienen un exceso de iones cargados negativamente, o aniones, por lo cual atraen aquellos iones cargados con signo contrario, como los del agua. Esta atracción de los iones positivos del agua hacen que ésta se adhiera a las partículas minerales, formando un agua pelicular, la cual drena con mayor facilidad, tanto por gravedad como por evaporación, mejorando en consecuencia, las características del suelo original. Este proceso se conoce como “estabilización electroquímica”, la cual se logra no de una manera inmediata, sino a través del tiempo, requiriéndose que transcurran hasta un mínimo de 60 días para poder registrar cambios en las propiedades del suelo por medio de ensayos de laboratorio. Por la eliminación electroquímica del agua, que es un proceso irreversible, las partículas sedimentan y se orientan de tal manera que se atraen entre sí. De esta manera se logra una mayor densificación de la masa, que prácticamente elimina la estructura porosocapilar y la succión de agua por tensión superficial. Los suelos tratados con aceites sulfonados disminuyen su humedad entre un 30% y un 90%, con respecto a la óptima, y se han registrado incrementos en la densidad hasta en un 15%. Se han reportado también aumentos en la resistencia al corte del suelo, medida por el ensayo de CBR, lo que permite una reducción en los espesores de las capas de material granular a ser colocado sobre el terraplén estabilizado electroquímicamente. Proceso constructivo de la estabilización con aceites sulfonados Cuando se desea mejorar las características de resistencia en la capa superficial de un terraplén en construcción, o de un material de sub-base, el aceite sulfonado (A-S) simplemente se añade al agua de compactación, de tal manera que resulte en una dosificación aproximada de 0,03 litros por cada 0,3 m3 de suelo. Luego de mezclado el agua, el suelo y el A-S, el material se compacta empleando el mismo equipo y procedimiento que se hubiese empleado en el material original. Una de las ventajas de la estabilización electroquímica, es que puede emplearse para mejorar las características de un terraplén ya construido, sin tener que recurrir a su remoción. Para esto se emplea la técnica de la inyección, la cual es, en forma resumida, la siguiente: (a) se perfora el terraplén mediante taladro rotativo, a una profundidad de 80 cm, (b) mediante un equipo inyector y a una presión de 2000 a 3000 psi (140 a 210 kg/cm2), se introduce en el hueco el agua ionizada, a una dosis de 0,1 litro por inyección. Detalles sobre el diseño de pavimentos y experiencias en el uso de aceite sulfonado en vías agrícolas, han sido publicados por Parejo y Escobar(1983) y Escobar (1984).

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Suelo-cal (Este tema ha sido tomado, con la autorización del Autor, de la publicación: “Guía Geotécnica y Ambiental”, preparada por el Ing. Daniel Salcedo R. para la República Dominicana en el año 2001). Objetivos de la estabilización con cal El uso de la cal en la estabilización de suelos sigue, al igual que el cemento, el propósito general de esta clase de trabajos, es decir, mejorar las características naturales del suelo de modo que aumente su capacidad para resistir los efectos inducidos por el tránsito (esfuerzo de corte) y los cambios volumétricos en condiciones diferentes de clima. Existen muchas publicaciones que tratan la estabilización de suelos con cal. Entre ellas se pueden citar, por ejemplo, Dal-Ré (2001) y Montejo (1998), las cuales sirvieron de referencia para la elaboración de esta sección. La cal se adapta perfectamente en la mayoría de los casos para lograr resultados positivos, y su empleo suele ser conveniente por tratarse de un producto de costo moderado, de fácil manejo, así como, en general, de producción fácil y abundante. La incorporación de cal reduce las características plásticas de los suelos, haciéndolos más friables y aumentando relativamente su valor soporte, acción que se ha demostrado continúa en función del tiempo. Asimismo, la cal reduce la susceptibilidad al agua de los suelos cohesivos, disminuyendo la tendencia al hinchamiento de los mismos. Uno de los campos donde la cal promete considerables beneficios es en la provisión de “superficies de trabajo” y sub-bases para caminos construidos sobre suelos arcillosos muy plásticos. La lluvia y la acción del tránsito de obra, actuando simultáneamente, pueden convertir un lugar en intransitable, retardando considerablemente el trabajo. Un tratamiento con cal inmediatamente después de remover el suelo superficial puede resolver esta situación. La resistencia adicional conferida al suelo por la cal, también puede aprovecharse para reducir el espesor de las capas superiores. La cal puede usarse en combinación con otros materiales estabilizantes, dando lugar a sistemas mixtos de estabilización. Por ejemplo, en la estabilización con asfaltos, la cal influye en corregir las características plásticas de los suelos cohesivos, con lo cual se mejora la acción posterior del asfalto. La incorporación previa de cal puede ser ventajosa en el tratamiento de suelos plásticos con cemento. La cal reduce la plasticidad, facilita la posterior pulverización del suelo y por consiguiente el mezclado con el cemento Portland, así como reduce las cantidades de este material. El costo de la incorporación de cal, se compensa por las ventajas señaladas. Materiales usados en la estabilización de suelo-cal Suelos En general casi todos los tipos de suelos son susceptibles de estabilizar con cal. Tanto los suelos de granulometría fina (100% pasante el tamiz No. 10) como aquellos más gruesos con algún contenido de fino, pueden mejorar sus características con la incorporación de cal. Suelos altamente granulares, con arcilla activa, cuyas variaciones

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volumétricas con el agua reducen la capacidad portante del mismo, han sido considerablemente mejorados mediante el tratamiento con cal. Cal La cal es un producto obtenido de la descomposición de rocas calizas por el calor. Si éstas son puras y se calientan a temperaturas superiores a 900°C, se obtiene la siguiente reacción: C03Ca + calor

Ca0 + C02

(Ec. 1)

Es decir, el carbonato de calcio se descompone en óxido de calcio y anhídrido carbónico, que se elimina con los productos gaseosos de la combustión. La cal más empleada es la llamada “cal hidráulica”, la cual procede de la calcinación industrial de rocas calizas con más del 5% de arcilla. Este producto es una cal hidratada sin magnesio, Ca(OH)2, con un porcentaje de óxido cálcico superior al 75%; también puede utilizarse la cal hidratada dolomítica. La cal hidráulica se envasa en sacos, lo cual facilita su manejo y transporte; este producto también puede obtenerse comercializado a granel. En menor escala se emplean la cal-grasa, la cal magra y la cal viva, el empleo de esta última está limitado en razón de los riesgos que presenta su manipuleo, aún cuando trabajen protegidos por caretas, guantes y petos apropiados. Influencia de la cal en las características de los suelos La cal generalmente produce: • Una disminución en la densidad de los suelos. • Reducción en la plasticidad. • Aumento en la capacidad soporte y resistencia al corte. • Reducción del hinchamiento. La acción de la cal suele explicarse como efectuada por tres reacciones básicas: • La primera es la alteración de la película de agua que rodea los minerales de arcilla. • El segundo proceso es el de coagulación o floculación de las partículas de suelo; dado que la cantidad de cal ordinariamente empleada en la construcción de carreteras es baja (4 al 10% en peso), resulta en una concentración del ión de calcio mayor que la realmente necesaria. • El tercer proceso a través del cual la cal afecta el suelo, es su reacción con los componentes del mismo para formar nuevos productos químicos. Los dos principales componentes que reaccionan con la cal son la alúmina y el sílice Esta reacción es prolongada en la acción del tiempo y se manifiesta en una mayor resistencia si las mezclas de suelo-cal son curadas durante determinados lapsos de tiempo. Este hecho es conocido como "acción puzolánica”.

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Estabilización de suelos y mezclas de suelocemento ___________________________________________________________________________

El grado al cual la cal reacciona con el suelo, depende de ciertas variables tales como cantidad de cal, clase de suelo y período de tiempo de curado de mezcla suelo-cal. Influencia de la cal sobre las constantes físicas del suelo • Límites de plasticidad Una de las funciones más importantes de la cal es que modifica la plasticidad del suelo en forma bastante apreciable. Para suelos con Indices Plásticos (IP) inferiores a 15, la cal incrementa el Límite Líquido de forma que el IP experimenta un ligero incremento. Para suelos más plásticos (IP >15) la cal generalmente reduce el Límite Líquido y aumenta el Límite Plástico, traduciéndose en una disminución apreciable del Indice Plástico. • Límite de contracción Se ha comentado anteriormente que la adición de cal flocula las partículas arcillosas del suelo transformando su textura elemental; en consecuencia, se observa una marcada reducción de la contracción lineal y de la relación de contracción. Estos valores se determinan de acuerdo al ensayo ASTM D-427. • Influencia sobre la textura elemental Como es natural, al flocular las partículas de arcilla por la adición de la cal, se produce una modificación de la textura elemental del suelo. Tal hecho es puesto en evidencia en el análisis mecánico por sedimentación, donde se observa una disminución de la fracción arcilla, aumentando la proporción de partículas de limo y arena fina, esta última en menor medida. • Influencia sobre la densidad seca Si se compacta una mezcla de suelo-cal, se obtiene por lo general una densidad seca menor que la correspondiente al suelo solo, para las mismas condiciones de compactación. Esta disminución puede alcanzar hasta un 5%. La reducción en la densidad puede explicarse por el efecto de la cal sobre la textura del suelo: en efecto, el hecho que la adición de cal incrementa la resistencia de un suelo mientras reduce su densidad no debe extrañar. En la mayoría de los suelos, la resistencia generalmente aumenta con la densidad. Sin embargo, cuando algún agente químico, tal como la cal, es agregado a un suelo se forma un nuevo material, el cual puede tener propiedades físicas y químicas enteramente diferentes que el original y por lo tanto, a su propia densidad máxima puede tener mayor resistencia que el suelo no tratado, aunque éste se encuentre más densificado. • Influencia sobre la resistencia de los suelos Si bien la cal disminuye la densidad de compactación del suelo, no ocurre lo contrario con su capacidad resistente. Debe tenerse en cuenta que el inmediato aumento de resistencia del suelo es causado por los cambios en las películas que rodean las partículas de arcilla así como por su modificación de tamaño, por la granulación de estas partículas. El curado de las probetas durante cierto período de tiempo produce un aumento de resistencia. También puede observarse un efecto parecido si se aumenta la energía de compactación de las probetas y ensayándolas después de un período de curado. __________________________________________________________________________ 5-41

Estabilización de suelos y mezclas de suelocemento ___________________________________________________________________________

El efecto debido a la acción cementante de la cal, no se muestra inmediatamente después de compactadas, sino al cabo de haber transcurrido un tiempo desde el momento en que se ha tenido lugar la iniciación del fraguado. Los ensayos de Valor Soporte de California (CBR) sobre suelos tratados con cal, muestran un pronunciado aumento de la resistencia con respecto al CBR de la muestra sin estabilizar. El ensayo CBR se hace de acuerdo a la norma usual aplicada (ASTM D-1883), pudiendo introducirse las siguientes variantes. -

VARIANTE A: Mezclar el suelo y la cal húmeda hasta el contenido óptimo y moldear la probeta enseguida.

-

VARIANTE B: Después del mezclado y humedecido del suelo con la cal, dejar la mezcla en reposo durante dos a cuatro horas, en cámara húmeda, después de lo cual se procede al moldeo de las probetas

-

VARIANTE C: Extender el periodo de reposo previo a 24 horas, procediendo después a moldear las probetas.

-

VARIANTE D: Dejar la mezcla suelo-cal humedecida al óptimo, durante 7 días al aire. Pulverizar la masa, restablecer el contenido de agua y compactarlas.

-

VARIANTE E: Dejar la mezcla suelo-cal en cámara húmeda durante 7 días, agregar la cantidad de agua requerida para alcanzar nuevamente el óptimo, compactar y ensayar según la norma.

En todos estos casos el período de inmersión es el común de 4 días y luego se hace la penetración del pistón. Las variantes resumidas en los puntos anteriores tratan de reproducir distintas situaciones que pueden ocurrir en la mezcla suelo-cal durante los trabajos en obra, desde el mezclado hasta la compactación. Determinación del porcentaje óptimo de cal Es indudable que, desde el punto de vista técnico-económico, la cantidad óptima de cal para estabilizar un suelo es el menor porcentaje capaz de modificar las propiedades del suelo, hasta el extremo requerido por el destino que habrá de dársele en el proyecto. La estabilización con cal tiene por lo general dos objetivos: -

Aumentar la resistencia a los esfuerzos normales y tangenciales. Reducir el hinchamiento.

La comparación de los resultados debe hacerse entre los valores correspondientes al suelo solo mezclado con diferentes porcentajes de cal. La elección de la cantidad óptima recaerá en el menor porcentaje incorporado al suelo, capaz de conferirle las propiedades buscadas. Los criterios de diseño de mezclas de suelo-cal se pueden clasificar en dos grandes categorías. La primera categoría incluye como objetivo la estabilización mediante una reducción del índice de plasticidad, mejoramiento de la trabajabilidad, incremento inmediato de la resistencia y disminución del potencial expansivo. Los criterios dentro de esta categoría incluyen, entre otros, la no disminución adicional en el índice de plasticidad con un incremento en el porcentaje de cal, una reducción aceptable en el __________________________________________________________________________ 5-42

Estabilización de suelos y mezclas de suelocemento ___________________________________________________________________________

índice de plasticidad para los objetivos de la estabilización, y una reducción aceptable en el potencial de expansión. La segunda categoría de criterios de diseño de mezclas de suelo-cal, tiene como objetivo el mejoramiento de la resistencia asociada a las reacciones pozolánicas que ocurren entre la cal y el suelo. Los diseños en esta categoría típicamente especifican que la mezcla curada de suelo-cal, debe cumplir con un requerimiento mínimo de resistencia especificado, y que el contenido de cal de diseño es el porcentaje que produce la máxima resistencia para las condiciones de curado establecidas. La mayoría de los criterios de resistencia se expresan en términos de la resistencia a la compresión sin confinar (ASTM D-1633 y ASTM D-2166). Otros criterios de diseño desarrollados, consideran el pH como un excelente indicador el contenido de cal óptimo. Los criterios de diseño de mezclas deben ser validados con base en la experiencia de campo y generalmente se desarrollan en función de la localización geográfica y geológica en particular. La experiencia internacional recomienda que la resistencia media a la compresión de seis briquetas de 15x30 cm, después de 7 días de curado, alcance un valor mínimo de 8 kg/cm2 (Dal-Ré, 2001). Conviene destacar que la cantidad de cal no debe ser menor al 3% en peso, ni mayor al 8%. Un exceso de cal en la mezcla con el suelo, no sólo no lo mejora, sino que lo hace perder calidad, dando lugar a un conjunto excesivamente “graso”. Aún cuando cualquier tipo de suelo arcilloso puede ser estabilizado con cal, los mejores resultados se obtienen cuando éste tiene un Índice Plástico entre 17% y 40%, y su granulometría se encuentra dentro de los siguientes límites: Tamiz

% pasante, en peso

# 40

< 75

# 200

< 35

Una vez seleccionado dicho porcentaje es aconsejable, por razones prácticas, adicionarle un 0.5% al 1% para tener en cuenta los desperdicios, inevitables durante las operaciones constructivas. Ejecución de la estabilización con cal Se realiza siempre “in situ”, es decir, con mezclado sobre la vía, con estabilizadoras de múltiples pasadas, con una secuencia de operación similar a la ya descrita para la estabilización con suelo-cemento. Sin embargo, debido a que se emplean generalmente suelos arcillosos, el desmenuzado o pulverización del suelo, debe realizarse con una humedad tal que permita que los terrones se deshagan fácilmente, lo que normalmente se logra cuando el contenido de agua se aproxima al punto medio del contenido de humedad entre el Límite Plástico y el Límite de Contracción (punto medio del “estado blando” de un suelo). La foto de la Figura VI-37, muestra el proceso de distribución de cal en una obra donde se utilizaron "marcos" para garantizar la correcta distribución de __________________________________________________________________________ 5-43

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la cantidad de cal por metro cuadrado. Generalmente el procedimiento más utilizado contempla el extendido de la cal con rastrillos. Cuando se trata de estabilizar suelos arcillosos, la compactación debe ser preferiblemente ejecutada con rodillos “pata de cabra”, terminándose con rodillos de cauchos lisos pesados. El uso de compactadores vibratorios en ciertos suelos es permitido, previa comprobación de su efectividad con pruebas de campo. El control de la densidad y la humedad en campo, se realiza igualmente que para las bases y subbase granulares, o bases estabilizadas con cemento, mediante el cono de arena o con densímetro nuclear.

Figura 9. Proceso de distribución de cal, utilizando marcos para la correcta distribución de la misma.

Las fotos (1) al (12) de la Figura 10, muestran la secuencia constructiva de una estabilización con cal de una base en un camino vecinal de República Dominicana. En la ejecución de la estabilización con cal, a diferencia con la de suelo y cemento, no existe un límite de tiempo tan reducido (dos horas) para finalizar los trabajos de compactación desde el inicio del fraguado, pues tales tareas pueden finalizarse dentro de las 24 horas siguientes a la mezcla de suelo, cal y agua, lo que facilita su ejecución.

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Estabilización de suelos y mezclas de suelocemento ___________________________________________________________________________

(1)

(3)

(2)

(4)

Figura 10. Secuencia constructiva de estabilización con cal. (1) Colocación de las fundas de cal con el espaciamiento calculado, sobre la superficie de la franja a estabilizar. (2) y (3) Proceso de apertura y vaciado de la cal. (4) Brigada en proceso de distribución de la cal, utilizando escobillones. (Fotos cortesía del Dr. M. Gómez-Achécar.

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Estabilización de suelos y mezclas de suelocemento ___________________________________________________________________________

(5)

(7)

(6)

(8)

Figura 10 (continuación). (5) Inicio de escarificación de 10 cm en el ancho de franja, en este caso 3.5 m. (6) Riego de agua sobre la franja escarificada. (7) Mezclado de los primeros 10 cm de espesor. (8) Retiro hacia el otro lado de la franja del material mezclado (10 cm), y escarificación de los 10 cm restantes para completar una capa de 20 cm de espesor. (Fotos cortesía del Dr. M. Gómez-Achécar).

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(9)

(10)

(11)

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Figura 10 (continuación). (9) Regado de agua sobre los 10 cm siguientes. (10) Mezclado de los primeros 10 cm y los restantes, proceso que va incorporando el material colocado encima de la otra franja. (11) Conformación y reperfilamiento de la franja estabilizada. (12) Compactación de la franja. (Fotos cortesía del Dr. M. Gómez-Achécar).

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Universidad Santa María Facultad de Ingeniería y A it t Arquitectura

Universidad Católica Andrés Bello Facultad de Ingeniería

APUNTES DE PAVIMENTOS Volumen 2 Mezclas asfálticas materiales y diseño

Ing. Gustavo Corredor M. Incluye Capítulos sobre “Ramcodes en mezclas asfálticas” por el Ing. Freddy Sánchez Leal de la Universidad Nacional Experimental Francisco de Miranda, de Coro y “Asfaltos Modificados” por los Ingenieros R. Adrián Nosetti y Hugo Bianchetto De la Universidad de la Plata en Argentina.

Edición Edi ió Enero E 2005 (Revisión Abril 2008)

Agradecimientos: A los Ingenieros R. Adrián Nosetti y Hugo Bianchetto, del Laboratorio de Pavimentos e Ingeniería Vial (LaPIV) de la Universidad de la Plata, Argentina, por su desinteresada y detallada revisión de la versión original de este Volumen 2 de los “Apuntes de Pavimentos”, que permitió realizar correcciones de edición y la inclusión de una serie de comentarios complementarios a los temas tratados, que indudablemente enriquecieron su contenido Al Ing. Freddy Sánchez Leal por su generosidad al aceptar la invitación para que se incluyese el Capítulo de “Ramcodes en Mezclas Asfálticas”, en el cual presenta su nueva metodología para el diseño y control de calidad de las mezclas asfálticas. A los Ingenieros R. Adrián Nosetti y Hugo Bianchetto, del Laboratorio de Pavimentos e Ingeniería Vial (LaPIV) de la Universidad de la Plata, Argentina, por habernos permitido incluir el Capítulo referente a “Asfaltos Modificados”, en el cual se discute el tema, por mas novedoso en Venezuela, de la nueva generación de ligantes y mezclas asfálticas especiales. Es un verdadero honor haber podido contar con la colaboración de los Ingenieros Sánchez, Nosetti y Bianchetto en la preparación de esta nueva versión del “Volumen 2 de los Apuntes de Pavimentos”. A las Compañías Constructoras Arpigra C.A. y Eica C.A. por habernos permitido tomar parte de su tiempo en la preparación de estos Apuntes de Pavimentos.

Gustavo Corredor M. Caracas, enero 2005

Apuntes de Pavimentos  Índice  _______________________________________________________________________________ 

• Agradecimientos • Capítulo 1 Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos Breve historia del asfalto en Venezuela Las ventajas del asfalto Definiciones Procesos de refinación de los crudos de petróleo Tipos de asfaltos de pavimentación Especificaciones de calidad para los cementos asfálticos Asfaltos diluidos Asfaltos emulsificados Ensayos normalizados de calidad de los cementos asfálticos Valores típicos de las propiedades físicas de los asfaltos de Penetración producidos por la industria petrolera nacional Los nuevos ensayos y criterios SUPERPAVE® Los ensayos SUPERPAVE® La especificación SUPERPAVE® Aplicación en Venezuela de los criterios SUPERPAVE® Los grados PG de los asfaltos venezolanos Información complementaria

1-1 1-2 1-5 1-6 1-9 1-10 1-13 1-14 1-18 1-29 1-30 1-31 1-41 1-43 1-44 1-46

• Capítulo 2 Propiedades químicas y físicas de los asfaltos La química de los asfaltos Modelo clásico (estructura micelar) de la composición química de los asfaltos Modelo SUPERPAVE® de la composición de los asfaltos Las especificaciones de los asfaltos y su composición química Las propiedades físicas de los asfaltos Relaciones volumen-temperatura en los materiales asfálticos Factores de corrección volumen-temperatura

2-1 2-2 2-5 2-6 2-7 2-17 2-21

• Capítulo 3 Propiedades de ingeniería de los agregados para mezclas asfálticas Origen de los materiales granulares Tipos de agregados para mezclas asfálticas Características físicas deseables en agregados para mezclas asfálticas en caliente

3-1 3-2 3-3

________________________________________________________________________________  i‐1   

Apuntes de Pavimentos  Índice  _______________________________________________________________________________ 

La estructura granulométrica Límites granulométricos COVENIN para mezclas en caliente Límites granulométricos tipo INVEAS para mezclas en caliente Otros tipos de mezclas en caliente Resistencia y durabilidad de agregados Durabilidad de agregados Forma de las partículas de agregados Textura superficial Porosidad Adherencia Limpieza Gravedad específica El criterio de economía como propiedad de los agregados Selección de agregados locales para mezclas en caliente Proporcionamiento de agregados de diferentes distribuciones granulométricas

3-6 3-9 3-10 3-12 3-12 3-13 3-14 3-17 3-17 3-18 3-19 3-21 3-23 3-23 3-26

• Capítulo 4 Propiedades de ingeniería de las mezclas asfálticas Estabilidad Durabilidad Resistencia a la fatiga Resistencia al deslizamiento Impermeabilidad Trabajabilidad Flexibilidad Economía La Norma INVEAS y la Norma COVENIN para mezclas asfálticas densamente gradadas

4-1 4-14 4-21 4-24 4-31 4-34 4-36 4-37 4-38

• Capítulo 5 El Método Marshall para el diseño de mezclas asfálticas en caliente Diferentes métodos de diseño para mezclas asfálticas El Método Marshall Desarrollo Aplicabilidad del método Resumen del método de laboratorio Objetivo del método de ensayo Estimación del contenido de asfalto promedio inicial Proceso de laboratorio

5-1 5-2 5-2 5-2 5-2 5-4 5-4 5-5

________________________________________________________________________________  i‐2   

Apuntes de Pavimentos  Índice  _______________________________________________________________________________ 

Pesaje de agregados, calentamiento del asfalto Expresión del contenido de asfalto Mezclado de las briquetas Compactación de las briquetas Pesado de las briquetas Ensayo de RICE Determinación de la estabilidad y el flujo Factores de corrección de estabilidades Ejemplo de análisis de densidad y vacíos Representación gráfica de los resultados del ensayo Proceso de selección del contenido óptimo de asfalto Verificación de criterios de las especificaciones Evaluación y ajuste del diseño de mezclas Sensibilidad de las mezclas asfálticas al efecto del agua Alcance Ensayos de durabilidad Sobre los agregados Sobre las mezclas Determinación del módulo elástico en las mezclas asfálticas Ensayo de módulo complejo Ensayo de módulo resiliente Ecuaciones de correlación para estimación del módulo Métodos de ensayo para medición de fatiga en mezclas Métodos de ensayo para medición de ahuellamiento en mezclas

5-5 5-5 5-6 5-7 5-8 5-8 5-9 5-14 5-15 5-25 5-31 5-34 5-37 5-40 5-40 5-40 5-40 5-40 5-45 5-46 5-46 5-48 5-50 5-53

• Capítulo 6 La metodología RAMCODES® en el diseño de mezclas asfálticas Introducción La carta de gradación Aritmética generalizada (ARIZADA) Experimentos factoriales Diseño

6-1 6-3 6-6 6-10 6-12

• Capítulo 7 Asfaltos modificados y mezclas de última generación Asfalto convencional y asfalto modificado Modificadores de ligantes Incorporación del polímero al ligante Ensayos de caracterización Normativa argentina de asfaltos modificados Otros ligantes de características especiales

7-1 7-2 7-5 7-9 7-13 7-14

________________________________________________________________________________  i‐3   

Apuntes de Pavimentos  Índice  _______________________________________________________________________________ 

• Anexo A Figuras Curva viscosidad-temperatura Gráfico granulométrico a potencia 0.45

A-1 A-2

• Anexo B Gravedad específica de los agregados Definición y tipos de gravedad específica Ensayo de Gravedad específica en la fracción gruesa (R8) Ensayo de Gravedad específica en la fracción fina (P8-R200) Ensayo de Gravedad específica en la fracción llenante (P200) Gravedad específica efectiva

B-1 B-2 B-3 B-3 B-4

• Anexo C Combinación de agregados Objetivos de la combinación de agregados Principios básicos Métodos gráficos Método analítico Combinación de dos agregados Combinación de tres agregados Ajuste de la combinación en el caso de agregados con Pesos específicos diferentes Consideración de la plasticidad en la combinación de Agregados

C-1 C-1 C-2 C-2 C-2 C-4 C-7 C-11

• Índice

  ________________________________________________________________________________  i‐4   

         

Apuntes de Pavimentos  Volumen 2          Capítulo 1  Aspectos generales, especificaciones y  ensayos en asfaltos                Edición de abril de 2008 

Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

I. Breve historia del asfalto en Venezuela El petróleo ha estado ligado a toda nuestra historia escrita: ya durante la Conquista y la Colonia muchos historiadores y cronistas hicieron referencia al líquido que brotaba en distintas partes del territorio y que los indígenas llamaban “mene”. Abundaba al norte del Orinoco, en los alrededores de Maracaibo y en algunas regiones orientales. Alejandro de Humboldt y Aimé Bonpland, en su viaje de 1800, hicieron por primera vez una lista de los depósitos naturales de asfalto en la costa que va desde Maracaibo hasta la isla de Trinidad. En 1839 el Dr. José María Vargas hizo un análisis de una muestra de petróleo que le fue enviada desde Trujillo, y presentó un informe al Gobierno sobre sus investigaciones. En 1865 el Gobernador del Zulia, General Jorge Sutherland, otorga la primera Concesión a un americano llamado Camilo Ferrand, pero éste la perdió porque después de un año no había podido explotarla. Pero no es el Zulia en donde realmente comienza la explotación del petróleo, sino en el Táchira, y quizás por causa del destino. En el año 1875 un terremoto sacude a este Estado, y en una hacienda cercana a la población de Rubio, propiedad de Manuel Antonio Pulido, llamada “La Alquitrana”, brota petróleo. Ya en el Estado conocían unos cerros en los cuales encontraban una mezcla de la tierra mezclada con un material pegajoso, que llamaban alquitrán. Todavía hoy en día se explota esta mezcla de suelo y asfalto, casualmente en el “Préstamo La Alquitrana”, cerca de San Cristóbal. El señor Pulido, ante el descubrimiento del petróleo en su hacienda, comienza las gestiones para obtener la Concesión de parte del Gobierno Regional. Tres años mas tarde, específicamente el 3 de Septiembre de 1878, el Gobierno del Gran Estado de Los Andes, le otorga la Concesión que llaman “Cien minas de asfalto”. Con la Concesión ya en su poder, el señor Pulido el 12 de octubre de ese mismo año, celebra con José Antonio Baldó, Carlos González Bona, Ramón María Maldonado, José Gregorio Villafañe y Pedro Rafael Rincones, un contrato de sociedad privado que resulta en la “Compañía Minera Petrolia del Táchira”. Pedro R. Rincones viaja en 1879 a Estados Unidos a buscar los equipos necesarios para la explotación. En el año 1883 llega al Táchira el taladro de perforación que bautizan con el nombre de “La Alquitrana”, y el 12 de abril de ese año se descubre el primer pozo de petróleo crudo en Venezuela, pozo al que llaman “Eureka”, y que alcanza una profundidad de 60 metros. El Geólogo Aníbal Martínez, en un artículo sobre este tema escribe lo siguiente: “Petrolia no fue una aventura romántica ni es un recuerdo emocionado. Antes bien, fue una acción firme y decidida, de innegable originalidad y visión magnífica, emprendida cuando aun no se habían cumplido dos décadas de que arrancara en Titusville, Pennsylvania, la industria petrolera americana. Esta empresa fue íntegramente venezolana: el capital de 11.200 venezolanos los aportaron de la siguiente manera: 4.800 en terrenos por Pulido, 1.600 en efectivo por Baldó, Maldonado, González y Villafañe; Rincones fue solo socio industrial”. 1-1

Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

La Petrolia realizó todas las operaciones de una petrolera de hoy en día: exploró, refinó, mercadeó, y llegó a desarrollar sus recursos humanos. Sus actividades de exploración comenzaron con simples excavaciones de hasta 15 metros de profundidad, en las que se recogía el petróleo que manaba lentamente, luego llegó a perforar pozos mas profundos, que hoy en día pudieran ser llamados “de avanzada”. Refinó petróleo crudo del tipo liviano, en una primitiva unidad de destilación por cargas, de 2.000 litros diarios de capacidad. El mercadeo fue tanto local —en toda la región tachirense— como internacional, al exportar sus productos a la vecina Colombia. Los recursos humanos los había desarrollado cuando en 1879, en el viaje de Rincones a los Estados Unidos, fue aprovechado para estudiar la industria. Durante 50 años —1878 a 1928— estuvo operando activamente como una industria petrolera. La nueva gente de Petrolia intentó, desde 1928 hasta 1934, revivir las operaciones, pero no tuvieron éxito. Los derechos de explotación de Petrolia expiraron el 8 de abril de 1934, y el Presidente de Venezuela en aquel momento, Juan Vicente Gómez, no los renovó. Después de Petrolia las Concesiones fueron dándose a un ritmo acelerado: la compañía Caribbean Petroleum Co., que pertenecía a la holandesa-británica Shell, encontró petróleo en el pozo Zumaque 1, en el campo de Mene Grande, y comenzó su producción en julio del año 1914. Esta fecha marca el inicio de la explotación a grandes volúmenes en la cuenca petrolífera del Lago de Maracaibo. El 14 de diciembre de 1922, cerca de Cabimas, la Venezuelan Oil Concessions, también de la Shell, perforó el pozo “Barrosos 2”, que estuvo arrojando cerca de 100.000 barrilles diarios, durante nueve días. Este hecho llamó la atención mundial sobre el enorme potencial petrolero venezolano. De allí en adelante es historia conocida, que cambió el curso de nuestro destino como país. II. Las ventajas del asfalto Los materiales asfálticos son de especial interés para los ingenieros de vialidad, debido a que son cementantes, se adhieren fácilmente, son impermeables y muy durables. Son substancias que imparten flexibilidad a la mezcla que forman con los agregados minerales con los que son usualmente combinados. Son altamente resistentes a la acción de la mayoría de los ácidos, álcalis y sales. Son sólidos o semisólidos a temperatura ambiente, pero alcanzan altos grados de fluidez a las temperaturas de aplicación en el rango de los 135ºC a los 170ºC”. El cambio de consistencia con la variación de la temperatura es una de las propiedades fundamentales de los asfaltos y se denomina “termoplasticidad. Otra manera de hacer variar la consistencia de los asfaltos es a través de la mezcla con algunos solventes derivados del petróleo, o por procesos de emulsificación en agua. Los materiales de pavimentación son los alquitranes (derivados del carbón mineral) y los asfaltos —derivados del petróleo—. Los primeros no tienen

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Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

aplicación actualmente, pero los asfaltos, por el contrario, cada día se emplean con mayor profusión en la construcción de carreteras. Los asfaltos son componentes naturales de la mayoría de los petróleos en los cuales existen en solución, y pueden ser refinados o naturales. En el caso de los refinados, los crudos del petróleo se procesan industrialmente para separar las diversas fracciones (cortes) y recuperar los asfaltos. La Figura 1 muestra un esquema de una planta de refinación, por eso llamada “refinería”, y los varios productos que en ella se obtienen.

Figura1: Esquema de operación de una refinería por destilación y la cadena de productos refinados

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Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

En algunos casos la naturaleza ha logrado este proceso de "refinación" y se han formado depósitos naturales de asfalto, tal como el del "Lago Guanoco" en el estado Sucre y el Pitch Lake en la isla de Trinidad. Algunos de estos depósitos naturales están prácticamente libres de materias extrañas y pueden ser usados en pavimentación casi sin tratamiento adicional alguno. El asfalto del Lago Guanoco fue explotado entre los años 1888 y 1934 y es considerado el depósito de asfalto natural más grande del mundo. Tiene una extensión de 3 km de Norte a Sur y 1.5 km de Este a Oeste, con una profundidad variable entre los 1.2 y 3 m. Durante su explotación, existía una refinería en las cercanías del lago, cuya función era solo la de eliminar el contenido de agua del asfalto extraído en el lago, debido a la gran pureza del material natural, y se construyo un ferrocarril de 13 km de longitud, para llevar el asfalto al río Guanoco, en donde era cargado a los barcos para su transporte al exterior. Con este asfalto se pavimentaron algunas calles de las ciudades de Detroit y Washington en los Estados Unidos.

Figura 2: Explotación manual en el lago de Guanoco, 1890.

En el caso del “Lago de Guanoco”, aun cuando se dispone de unas reservas cuantiosas de este asfalto natural, no se procesa por razones de que habría que hacer grandes inversiones para lograr introducirlo en el mercado nacional y mundial, que no se justifican ante la capacidad de producción de las refinerías ya en operación en Venezuela. Del Pitch Lake, por el contrario, si se obtienen productos que van al mercado local en Trinidad, y mundial, especialmente en Inglaterra. Este asfalto natural de Trinidad se emplea hoy en día, con mucho éxito, como un “modificador” de otros asfaltos de pavimentación, ya que mejora las propiedades de los asfaltos directamente obtenidos del proceso de refinación.

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Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

IV. Definiciones Las definiciones principales que es necesario conocer son las siguientes: • Petróleo Material natural de consistencia viscosa, formado por una mezcla de compuestos de hidrógeno y carbono, con contenidos variables de azufre, nitrógeno y oxígeno • Bitumen Mezcla de hidrocarburos, de origen natural o volcánico, o una combinación de ambos procesos, frecuentemente acompañados de derivados no-metálicos que pueden ser gaseosos, líquidos, semisólidos o sólidos, y que son totalmente solubles en bisulfuro de carbono. • Asfaltos Materiales cementantes, de color marrón oscuro a negro, de consistencia sólida, semisólida o líquida, en los cuales los principales componentes son los bitúmenes, y que son obtenidos como residuo en la refinación del petróleo, o en forma natural. La cantidad de asfalto que puede ser obtenida de un crudo es muy variable, y es función del "Grado API (American Petroleum Institute) del crudo. Mientras menor sea el Grado API, mas pesado será el crudo y mayor será el contenido de asfalto de pavimentación. El Grado API es una medida arbitraria de la densidad de un crudo a 60ºF, o de un derivado del crudo a esta misma temperatura, y se obtiene de la siguiente expresión:

Grado API = (141.5 /Gb) — 131.5 siendo Gb la Gravedad Específica del material a 60ºF (15.5ºC). Como referencia el Grado API del agua es 10. Los asfaltos tienen un Grado API entre 5 y 10, mientras que las gasolinas tienen un Grado API cercano a 55. La Figura 3 muestra las proporciones de las diferentes fracciones de los crudos venezolanos.

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Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

Figura3: Composición de los diferentes crudos venezolanos y la Gravedad API

V. Procesos de refinación del petróleo Existen tres procesos industriales para separar los diferentes componentes del petróleo crudo: • Refinación por Destilación (Vapor y vacío) Este es el método de refinación más común en todo el mundo, y el único empleado en Venezuela. Este método se utiliza principalmente en los crudos de base asfáltica. Consiste en someter el crudo a ciertas condiciones de temperatura, tanto a la presión barométrica normal, como en vacío; el cambio que se opera en el petróleo procesado es físico, razón por la cual puede producirse una recombinación de las diferentes fracciones (cortes) en las cuales el crudo fue inicialmente separado. La Figura 4 muestra el esquema de fabricación de los productos asfálticos en el Complejo de Refinación de Paraguaná (CRP) propiedad de Petróleos de Venezuela (Pdvsa), ubicada en la costa Noroeste del Estado Falcón, en las cercanías de la ciudad de Punto Fijo, la cual es la refinería mas grande del mundo, por ser la integración de dos grandes refinerías: Amuay y Cardón. En esta figura se señalan los “asfaltos” como uno de los productos derivados del petróleo.

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Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

Figura 4: Diagrama de fabricación de los productos asfálticos en el CRP

En Venezuela existe otra refinería, en la ciudad de Maracaibo, Estado Zulia, llamada refinería Bajo Grande, que procesa y comercializa uno de los crudos mas reconocidos por la calidad de sus asfaltos. En el oriente del país, en Puerto La Cruz, Estado Anzoátegui, en la Refinería de “El Chaure”, se almacena y comercializan los productos asfálticos que son transportados desde el CRP. En las restantes refinerías de Venezuela (El Palito, San Tomé, Anaco, El Toreño) ni se refinan ni comercializan asfaltos de pavimentación. Los tipos de asfalto obtenidos del material residual dependen de las siguientes variables: • variables del proceso ° temperatura ° cantidad de vapor ° presión ° cantidad de reflujo ° tiempo y velocidad del flujo • variable del material ° gravedad API del crudo

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Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

En la Figura 5 se presentan las temperaturas a las cuales se separan los diferentes componentes de un crudo, llamadas “fracciones” o “cortes”, esta última manera de llamarlas es la traducción de su nombre en inglés (cut).

Figura 5: Temperaturas aproximadas se separación de las fracciones de un crudo

• Refinación por Extracción por Solvente (De-asfaltado por Propano) Este método es empleado principalmente en crudos de base parafínica, o base mixta, a los cuales sería muy difícil fraccionarlos en sus diferentes componentes por el método de Destilación, a menos que fuese a altas temperaturas, lo cual produciría asfaltos con propiedades no deseables en la pavimentación. La separación se logra por modificaciones del peso molecular del crudo, unido a un grado relativamente bajo de reacciones químicas, pero sin aplicar temperaturas excesivas, debido al efecto de la solubilidad del crudo en proceso en solventes del tipo del propano. El proceso se realiza en una "torre de extracción", a la cual se inyecta propano, en una proporción de 6 partes, por una del asfalto previamente reducido en la "torre atmosférica", o de vacío, según sea el tipo de crudo. Se precipitan al fondo de la torre de extracción las fracciones no-solubles en el propano (residuo), y se separan las fracciones solubles (aceites). El residuo es

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destilado posteriormente para eliminar el propano, obteniéndose finalmente el asfalto. Este método produce asfaltos más duros que los obtenidos por la destilación simple, razón por la cual debe recurrirse al mezclado con un asfalto más blando para obtener la penetración deseada. • Refinación por Craking Los cambios en el crudo se operan por efecto de las altas temperaturas y presiones a las que se somete el crudo, siendo estos cambios de tipo químico. Los productos de refinación obtenidos por este método no son utilizables para pavimentación, ya que se obtienen asfaltos excesivamente duros. • Tipos de asfaltos de pavimentación Los asfaltos de pavimentación que pueden obtenerse comercialmente en el mercado nacional son los productos directos de la refinación, que pueden clasificarse como: cementos asfálticos y asfaltos líquidos; pero también pueden ser comercializados como “asfaltos emulsionados”, o simplemente emulsiones, las cuales, en el caso venezolano, son procesadas por industrias privadas, al mezclar un cemento asfáltico con un “agente emulsificante” y con agua. • Cementos asfálticos (CA) Son el producto directo de la refinación, y tal como son producidos son empleados en la pavimentación de carreteras. Se clasifican tradicionalmente en varios tipos, o grados, en función de su "penetración o viscosidad", de acuerdo a lo indicado en la tabla siguiente: Tabla 1 Clasificación de los cementos asfálticos en función de su

Penetración Viscosidad 40 - 50 (más duro) AC-40 60 - 70 AC-20 85 - 100 AC-10 120 - 150 AC- 5 200 - 300 (más blando) AC-2,5 En Venezuela hasta el año 1995 se identificaban los CA en función de su penetración, pero desde esa fecha se modificó la Norma COVENIN 1670, y se cambió su denominación a la clasificación por viscosidad. Solo se comercializan los tipos A-20 y A-30, y en ciertas ocasiones, por pedidos especiales también un asfalto Tipo A-40, con las propiedades físicas que se indican en la Tabla 1. 1-9

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Los cementos asfálticos deben ser calentados a temperaturas relativamente altas (alrededor de los 150 ºC) con el fin de lograr un grado de fluidez que permita su adecuado manejo en planta (bombeo y mezclado), y en obra (extendido y compactación). Como también en obra se calientan los agregados a esta misma temperatura en plantas especialmente diseñadas para este fin, las mezclas asfálticas que se obtienen a partir de los CA se denominan “mezclas en caliente” o “mezclas en planta en caliente”. La Figura 6 presenta los niveles de consumo de cementos asfálticos para pavimentación a nivel nacional. Si se considera que el CA es aproximadamente el 5% del total del peso de una mezcla en caliente, se deriva que el promedio de toneladas que se colocan sobre nuestras carreteras, autopistas, calles, avenidas y aeropuertos alcanza aproximadamente a los 6 millones de toneladas por año.

Figura 6: Niveles de consumo de cemento asfáltico en Venezuela Fuente: Instituto Venezolano del Asfalto (INVEAS)

• Especificaciones de calidad para los cementos asfálticos Las "Normas venezolanas para construcción de carreteras", conocidas como COVENIN 2000-87, han sido establecidas por la Comisión Venezolana de Normas Industriales (COVENIN), organismo adscrito a SENCAMER —servicio a su vez dependiente del Ministerio de Producción y Comercio— que tiene bajo su responsabilidad todo lo referente a la normalización a nivel nacional. En el la Tabla 1 se transcribe la Norma COVENIN 1670-95, en la cual se indican las especificaciones de calidad vigentes para los cementos asfálticos a ser comercializados en Venezuela, la cual define los tipos de asfalto en función de 1-10

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su viscosidad absoluta entre 100; así un asfalto A-20 significa un CA de viscosidad 2000 poise. Las Tablas 2 y 3 corresponden a la últimas especificaciones del Instituto del Asfalto Americano (IDA), ya sea en función de la viscosidad original de la muestra (Tabla 2), o de la viscosidad después del ensayo en estufa de película delgada para los asfaltos envejecidos en laboratorio (Tabla 3), y que refleja un criterio más técnico para el establecimiento de las propiedades de los cementos asfálticos, ya que ella representa las condiciones del material para el momento en que comenzará a prestar su servicio sobre la vía, es decir después de haber sido trabajado en planta y mezclado con los agregados. Tabla 1 Especificación COVENIN 1670-95 para cementos asfálticos de pavimentación

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Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________ Tabla 2 Especificaciones ASTM (D3381-83) para cementos asfálticos clasificados en función a la viscosidad de la muestra original a 60 °

(Fuente: "Principles of Construction of Hot-Mix Asphalt Pavements", Instituto del Asfallto. Publicación MS-22, 1983)

Tabla 3 Especificaciones ASTM (D3381-83) para cementos asfálticos clasificados en función a la viscosidad de la muestra envejecida mediante el ensayo en Estufa Película Delgada Rodante (TFROT)

(Fuente: "Principles of Construction of Hot-Mix Asphalt Pavements", Instituto del Asfallto. Publicación MS-22, 1983)

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• Asfaltos diluidos (cut-backs) Si un C.A. es mezclado con uno de los solventes que han sido previamente extraídos de un crudo en la torre de destilación durante el proceso de refinación (llamado por eso un corte o “cut”), se obtiene un asfalto diluido, precisamente por esto llamado “cut-back”, pero también denominados “asfaltos líquidos”, o “asfaltos rebajados”. En función del tipo de cemento asfáltico que sirva de base para la mezcla, y del tipo de solvente que se empleé, se obtienen: (1) Asfaltos diluidos de “curado rápido (RC)”, cuando el C.A. es de penetración 80/120 y el solvente es nafta o gasolina (2) Asfaltos diluidos de “curado medio (MC)” , cuando el C.A. es de penetración 120/250 y el solvente es kerosene (3) Asfaltos diluidos de “curado lento (SC)”, cuando el C.A. es de penetración 200/300 y el solvente es un gasóleo, ya sea el gasoil o el diesel. El término “curado”, que identifica a estos asfaltos se refiere al proceso de ganancia en viscosidad del material que ha sido aplicado, como consecuencia de la evaporación del solvente. La facilidad o rapidez de esta evaporación hace, en consecuencia, que sean identificados como de curado rápido, medio o lento (por slow en inglés). La rata de curado, por otra parte, también es función de la temperatura ambiente, cantidad de asfalto diluido aplicado y velocidad del viento. Los asfaltos diluidos pueden ser de consistencia 30, 70, 250, 800 ó 3.000, correspondiendo este número al resultado del ensayo de “viscosidad SayboltFurol” (ASTM D244), cuya unidad de medida es el “segundo”. Un asfalto de viscosidad “70” es, en consecuencia, mucho más fluido que un asfalto “3.000”. La viscosidad resultante es función del tipo y porcentaje de C.A. que sea empleado. Y de la cantidad y tipo del solvente con el que sea mezclado el C.A. El RC-250, por ejemplo, contiene aproximadamente un 75% de C.A de penetración 85/100. y un 25% de solvente, y un RC-3000 contiene un 85% del mismo tipo de C.A. pero un 15% de nafta. En Venezuela, por razones de comercialización y desde que comenzó la utilización de asfaltos diluidos (1942), solo se produce un tipo de RC, específicamente el RC-250 —que anteriormente era llamado RC-2 y aun se le conoce de esta manera por aquellos profesionales y prácticos de pavimentación con largos años de experiencia— y no se produce ningún MC ni SC. Como algunas aplicaciones en

carreteras —particularmente los “riegos de imprimación 1”— requieren asfaltos de 1

El riego de imprimación es la aplicación de una película de solo asfalto diluido sobre una superficie no tratada ni con asfalto ni cemento, ya sea una base o sub-base granular o sobre la misma sub-rasante. El equipo mediante el cual se aplica se denomina “camión distribuidor de asfalto”. La cantidad de aplicación varía entre 0.90 y 2.2 l/m2, en función del tipo de superficie sobre la cual se aplique el riego. 1-13

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estos tipos por su mayor tiempo de curado, en Venezuela se ha resuelto este problema recurriendo a “ligar” el RC-250 con kerosene, o mas comúnmente con gasoil, ya que este último solvente siempre se encuentra disponible en una planta de asfalto por ser el combustible empleado para la propia planta y para los otros equipos de pavimentación y/o los camiones en los cuales se transporta la mezcla en caliente. El RC-250 puro, sin ligar, se aplica como un riego en cantidades entre 0.15 y 0.35 l/m2, dejando una película muy ligera sobre la superficie de una mezcla asfáltica, sobre un suelocemento o sobre un pavimento de concreto hidráulico, el cual se denomina “riego de adherencia “, y su temperatura de aplicación —ya sea como riego o en mezclas— se encuentra entre los 45 y 60ºC, por lo cual, cuando se emplean para ser mezclados con agregados —normalmente arenas y gravas de río— se obtienen las llamadas “mezclas en frío”. • Asfaltos emulsificados Un material de pavimentación que ha tomado casi universalmente 2 el lugar de los asfaltos diluidos es conocido como “asfalto emulsificado”, “emulsión asfáltica” o simplemente “emulsión”. Este material es una mezcla de C.A. y agua. Como estos dos componentes no son miscibles, se recurre a la incorporación de un tercer elemento, llamado “agente emulsificante” que permite que la mezcla asfalto— agua—emulsificante sea posible y estable. Los emulsificantes son agentes tensoactivos o surfactantes provenientes de los jabones, arcillas o resinas, y son productos patentados. Si se representa esquemáticamente una emulsión se puede decir que existen dos fases, una discontinua o dispersa y la otra continua o dispersante. En función de estas fases se producen emulsiones directas o inversas. En las emulsiones directas, también llamadas “aceite en agua”, la fase dispersa es el betún y la continua el agua; en las inversas (agua en aceite), la fase discontinua es el agua y la continua el betún. (Ver Figura 7). Las emulsiones habitualmente utilizadas en el ámbito vial son del tipo directa.

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Venezuela es uno de los pocos países en los que las emulsiones no han tenido una aplicación masiva, debido fundamentalmente a que no se ha vencido la “cultura del asfalto RC-250” y que por no haber una demanda suficiente, tampoco hay una oferta adecuada. Otra razón radica en que, por no ser producidos por Pdvsa sino por empresas manufactureras privadas, su precio es mayor al del RC-250 y las mezclas con ellas producidas mas costosas. Por estas razones, los contratistas del asfalto no están muy convencidos de las ventajas de las emulsiones y no estimulan su empleo. 1-14

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Agua fase continua Betún fase dispersa EMULSION DIRECTA

Betún fase continua Agua fase dispersa

EMULSION INVERSA

Figura 7: Esquema de Emulsión directas y emulsión Inversa

Por el tamaño de partícula de la fase dispersa las emulsiones asfálticas son sistemas coloidales. Siendo el betún un material hidrófobo, para que este sistema se encuentre en equilibrio requiere de un emulgente; el mismo posee una cadena hidrocarbonada que tiene dos extremos, uno de ellos posee afinidad con el glóbulo de asfalto y constituye la parte lipofílica y el otro extremo está asociada a un grupo que tiene afinidad con el agua (hidrofílico). En la superficie interfacial del glóbulo de asfalto y el agua, las fuerzas de enlace no están compensadas y poseen cargas libres en la superficie, por el tamaño de partícula las fuerzas superficiales predominan sobre las gravitatorias. Estas cargas libres las compensa el emulgente. A todo el conjunto de glóbulo de asfalto y emulgente se lo denomina micela. Para lograr la mezcla se introduce el C.A. a un molino coloidal donde literalmente este material es molido en glóbulos muy pequeños (de diámetro cercano a 0,0001 cm), y que al salir del molino son cubiertos por el emulsificante de tal manera que flotan en el agua sin agruparse nuevamente. Cuando los glóbulos se unen pasan a formar una masa mas viscosa, y este proceso de agrupamiento de glóbulos (o coagulación) conduce a un incremento de viscosidad del líquido, se denomina “rotura de la emulsión”.

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La velocidad con que se logra la “rotura” (setting en inglés) depende fundamentalmente del tipo de emulsión. Se fabrican emulsiones de “rotura rápida (RS)”, de “rotura media (MS)” y de “rotura lenta (SS)”. Las emulsiones RS alcanzan su rotura por el simple contacto entre el material asfáltico y la superficie sobre la cual se aplican, ya sea un pavimento como en el caso de los riegos, o sobre los granos gruesos de un agregado en el caso de una mezcla en preparación. Las sales y el PH del agregado producen alteraciones dieléctricas que desbalancean el equilibrio de la emulsión. Normalmente los emulsificantes de las RS son jabones formados por soda cáustica del agua emulsificada y los ácidos naturales del asfalto. Este tipo de emulsión se emplea principalmente como riego de adherencia. Las emulsiones MS “rompen” por el contacto entre el agregado fino y la emulsión y se completa por la fricción generada durante el proceso de mezcla agregadoemulsión. Los emulsificantes son jabones preformados de algunas resinas y ácidos grasos. Las emulsiones “SS”, por último, inician su proceso de coagulación (rotura) principalmente por la evaporación del agua que forma la emulsión, la cual se completa por el proceso de mezclado con el agregado. Los emulsificantes comunes son sub-productos resinosos de la madera o proteínas animales. Una característica importante de las emulsiones es que se preparan con una carga dieléctrica de signo contrario al del agregado con que serán mezclados; asì se encuentran las llamadas ácidas o catiónicas (+), y las denominadas alcalinas o aniónicas (-). Las emulsiones aniónicas (-) (Figura 8) tienen como emulgente los jabones, oleatos o resinas de sodio o potasio, etc., que producen sobre la superficie del glóbulo de asfalto una carga eléctrica negativa, por lo cual la adherencia con los agregados pétreos no es tan efectiva dado que la mayoría de ellos (granitos, etc.) de origen silíceo están también cargados electronegativamente. Estas emulsiones no comienzan a romper hasta que una porción sustancial del agua se haya evaporado, y las partículas del betún tengan la posibilidad de unirse y depositarse sobre el agregado pétreo.

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COO

-

-

-

R

COO R

R Glóbulo de Betún

-

R

R COO

COO

-

R COO R

-

CH3 – (CH2)16 –COOcadena hidrocarbonada que se orienta dentro del betún

Figura 8: Micela de emulsión aniónica

Las catiónicas (+) (Figura 9), tienen como emulsionante compuestos de amonio cuaternario o aminas, que confieren al glóbulo de asfalto una carga positiva. Estas emulsiones rompen principalmente por adsorción del agente emulsionante sobre la superficie del agregado pétreo. (generalmente cargada negativamente).

NH3

+

R NH3

+ +NH

R

R

R

R

+ +

NH3

3

R NH3

+

Figura 9 :Micela de emulsión catiónica

Así, una emulsión “aniónica” será fabricada con un emulgente que carga negativamente al glóbulo o miscela de asfalto, y se mezclará mas fácilmente con un agregado de carga positiva, tales como la caliza y la dolomita. Por el contrario, una emulsión “catiónica” está cargada positivamente, y con ellas se logra buena adhesividad con cualquier tipo de árido, aun con agregados de carga negativa, como son las gravas de río, que contienen altos porcentajes de sílice y cuarzo. Se fabrican también emulsiones “no-iónicas”, sin carga eléctrica, pero no tienen aplicaciones en pavimentación.

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La crisis petrolera del año 1973 hizo que el mercado se orientase hacia las emulsiones por razones netamente económicas, pues los asfaltos diluidos requieren para su fabricación de productos altamente necesarios y escasos en el mercado como las gasolinas, kerosenes y gas oil. En la década del noventa se fortalece la industria de las emulsiones debido a una mayor toma de conciencia ambiental puesto que los asfaltos diluidos producen un impacto ambiental negativo al evaporar solventes orgánicos al medio ambiente. El principal campo de aplicación de las emulsiones en Venezuela, para la fecha actual (2004) es como riego de adherencia, en reciclaje en sitio en frío y como sello de lechada asfáltica (slurry seal). VI. Ensayos normalizados de calidad de los cementos asfálticos A continuación se describen brevemente los ensayos exigidos en la Norma COVENIN 1670-95: • Ensayo de penetración Permite determinar la dureza o consistencia relativa de los cementos asfálticos, midiendo la distancia que una aguja normalizada penetra verticalmente en una muestra de asfalto, en unas condiciones especificadas de temperatura, carga y tiempo. El ensayo ha sido normalizado por la Asociación Americana de Ensayos y Materiales (ASTM) bajo el código ASTM D5, y consiste básicamente en colocar una muestra del ligante en un recipiente de volumen normalizado hasta alcanzar la temperatura de referencia, apoyar sobre la muestra la aguja y dejarla penetrar durante un tiempo determinado. La profundidad de penetración se mide en décimas de milímetro. El ensayo convencional se ejecuta a una temperatura de 25 °C, la carga aplicada —aguja + pesa + vástago— es de 100 gramos, y el tiempo de aplicación de la carga es de 5 segundos (Figura 10). Ya que puede ejecutarse este ensayo bajo otras condiciones, al reportar los resultados, siempre deben indicarse en cuales condiciones de temperatura, carga y tiempo se ejecutó el ensayo. Es evidente que mientras más blando es el tipo de ligante, mayor será la penetración de la aguja. Este ensayo ha acompañado la tecnología del asfalto desde que fue desarrollado en el año 1888 y perfeccionado en el año 1910. Los cementos asfálticos que sean identificados en base a este ensayo, se clasifican dentro de uno de los grupos siguientes: 40/50, 60/70, 85/100, 120/150 y 200/300, en función del valor de penetración que resulte del ensayo.

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Figura 10 Ensayo de penetración a 25ºC, 100 g y 5 seg.

La clasificación de los CA por penetración tiene como ventaja el que este ensayo se ejecuta a aproximadamente la temperatura promedio anual que alcanza un CA a lo largo del año (25ºC), cuando está formando parte de una mezcla de pavimentación. Sin embargo ha sido sustituido por otros sistemas de clasificación, por ser el ensayo de penetración totalmente empírico ya que la rata de corte a la cual se somete la muestra durante el ensayo es muy diferente a la que sucede realmente en obra. • Ensayos de viscosidad Los ensayos de viscosidad permiten determinar el grado de fluidez de un material asfáltico a una temperatura determinada. Puede medirse por varios ensayos, siendo los más comunes los de: Viscosidad Cinemática o Viscosidad Absoluta. • Viscosidad Cinemática o Absoluta Las especificaciones de construcción actuales exigen una cierta fluidez de los asfaltos a temperaturas de 60°C, o de 135°C. En el caso de los cementos asfálticos se ha establecido la temperatura de 60°C, ya que ella representa la que será alcanzada por el pavimento durante su vida de servicio. La temperatura de 135°C permitirá aproximar la viscosidad de los cementos asfálticos en las etapas de mezclado y compactación. Al conocer la viscosidad de estos asfaltos, a estas temperaturas, se podrá determinar si el ligante propuesto es adecuado, o no, para el pavimento bajo el cual servirá. 1-19

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El ensayo de viscosidad ha sido normalizado por la ASTM bajo el número D445. En el caso de que se ejecute a 60°C se emplea un "viscosímetro de tubo capilar" (Figura 11), el cual consiste en un tubo de vidrio que permite medir la velocidad de flujo de la muestra de ligante. Los tipos más comunes de viscosímetro son los de vacío del Instituto del Asfalto, y de vacío de Cannon-Manning (Figura 12). Estos tubos capilares se calibran mediante el empleo de aceites especiales, y se obtiene para cada uno de ellos una "constante de calibración", o "factor de calibración". Este factor es suministrado directamente por la casa que fabrica los viscosímetros.

Figura 11: Viscosímetro de tubo capilar en un baño de temperatura constante

(12.a) (12.b) Figura 12: Viscosímetros de vacío. (129.a): del Instituto del Asfalto (12.b): de Cannon-Manning

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El viscosímetro se monta en un baño de agua a y se calienta hasta alcanzar la temperatura constante de 60°C. Una muestra de asfalto, calentada hasta la misma temperatura, se vacía en el extremo ancho del tubo capilar, y se mantiene en el baño a 60°C durante cierto tiempo —el cual debe ser mayor de un minuto—- para garantizar que se alcanza exactamente la temperatura exigida en el ensayo. Debido a que los cementos asfálticos son muy viscosos a la temperatura de 60°C, es necesario aplicar un vacío parcial en el extremo delgado del tubo viscosímetro para que comience el flujo de la muestra de ligante. Una vez que el cemento asfáltico comienza a fluir, se mide, mediante un cronómetro, el tiempo que tarda en pasar por dos de las marcas del viscosímetro. Al multiplicar ese tiempo por el "factor de calibración", se obtiene la viscosidad en "poises", que es la unidad patrón de medición de la viscosidad absoluta, ya que se empleó un vacío parcial durante el ensayo. Como se observa de la Figura 12.a, el viscosímetro del Instituto del Asfalto ha sido diseñado con varias marcas para medir el tiempo de flujo; seleccionando el par apropiado se puede emplear el mismo viscosímetro para asfaltos con una amplia variación de consistencia. En el caso de viscosímetros Cannon-Manning es necesario disponer de varios tubos, cada uno será aplicable a un tipo de asfalto determinado. Cuando se ejecuta el ensayo a la temperatura de 135°C, y debido a que a esa temperatura los cementos asfálticos son mucho menos viscosos, ellos pueden fluir fácilmente sin que sea necesario aplicar el vacío parcial, es decir fluyen simplemente bajo la fuerza de gravedad. Se emplea, en consecuencia un tipo de viscosímetro diferente, siendo el de uso más común el "Zeitfuchs de brazos cruzados" (Figura 13), el cual es también calibrado por el fabricante mediante el empleo de aceites especiales. Por otra parte, ya que el ensayo se ejecuta a 135 °C, no puede emplearse agua para calentar la muestra y el equipo; se emplean aceites de color muy claro que faciliten la observación del proceso. El procedimiento de ensayo es similar al descrito anteriormente, pero se aplica una pequeña presión en la parte gruesa del tubo para que la muestra comience a fluir. Cuando el asfalto pasa entre las dos marcas del tubo, se mide el tiempo que tarda en hacerlo. Este lapso, en segundos, se multiplica por el "factor de calibración" del viscosímetro que se haya empleado, y se obtendrá la viscosidad cinemática, que se mide en "centistokes —cSt—".

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Figura 13: Tubo capilar de brazos cruzados y viscosímetro de gravedad

Es necesario recordar que las medidas de viscosidad para 135°C y para 60°C, se expresan en centistokes (cSt) y poises (P) respectivamente. En el ensayo de viscosidad cinemática, la gravedad induce el flujo (resultados en centistokes), y la velocidad de flujo a través del tubo depende de la densidad del material. En el ensayo de viscosidad absoluta, los resultados se dan en poises, y el flujo a través del tubo se induce por medio de un vacío parcial, siendo despreciables los efectos de la fuerza de gravedad. Estas unidades —centistokes y poises—pueden ser convertidas una en otra aplicando, simplemente, un factor que es función de la densidad del líquido ensayado. • Ensayo de Punto de Inflamación El punto de inflamación de un material asfáltico se define como la temperatura más baja a la cual se separan, en suficiente concentración, los componentes volátiles del material, como para que se inflamen en presencia de una llama externa. Esta temperatura, en los cementos asfálticos, como en cualquier otro ligante asfáltico, permite determinar la temperatura a la cual pueden manejarse y almacenarse sin peligro de inflamación. Esta es una información importante, ya que los asfaltos deben ser calentados a temperaturas relativamente elevadas, con el fin de reducir su viscosidad y permitir que puedan ser bombeados de un sitio a otro. El ensayo más frecuente para determinar el punto de inflamación es el de la "Copa abierta Cleveland", el cual ha sido normalizado por la ASTM bajo el número D92. En algunas oportunidades se emplea el procedimiento PenskyMartens (ASTM D93) con el mismo propósito de determinar el punto de inflamación.

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El procedimiento básico en el ensayo Cleveland consiste en ir calentando gradualmente una muestra de asfalto en una copa de bronce (Figura 14). Al llegarse a una temperatura aproximada de 10°C por debajo de la temperatura de punto de inflamación esperada, se pasa periódicamente una pequeña llama sobre la superficie de la muestra; se registra la temperatura de la muestra en el momento que se presenta la inflamación de los vapores que libera la muestra ante el paso de la llama de ensayo, esta temperatura es el "punto de inflamación" de esa muestra. Los cementos asfálticos tienen un punto de inflamación superior a los 232ºC, mientras que un asfalto diluido este valor es tan bajo como 45ºC.

(14.a) (14.b) Figura 14. Equipos de determinación del punto de inflamación: (14.a): Copa abierta Cleveland. (COC) (14.b): Copa Pensky-Martens

• Ensayo en Estufa de Película Delgada (TFOT 3) Este ensayo, uno de los de mayor importancia en la actualidad, no persigue proporcionar algún resultado directo —excepto la pérdida por calentamiento—sino reproducir las condiciones de temperatura y tiempo de manejo a las cuales los cementos asfálticos serán sometidos realmente en una planta de asfalto. Estas condiciones producen un endurecimiento del cemento asfáltico, y sus efectos sobre el ligante se miden por la relación entre algunas propiedades "antes" y "después" del ensayo; estas relaciones son empleadas para medir el envejecimiento que el material sufrirá, a corto plazo, durante las etapas de preparación de la mezcla en planta (almacenamiento del ligante y mezclado del ligante con el agregado), y de transporte, extendido y compactación de la mezcla. 3

TFOT por sus siglas en inglés: Thin Film Oven Test. 1-23

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El ensayo TFOT consiste en colocar una muestra de un peso determinado (50 g) en un recipiente cilíndrico de 13,97 cm. de diámetro, con un fondo plano, en forma tal que el espesor del material sea de aproximadamente 3 mm (Figura 15). La muestra se coloca sobre un soporte giratorio dentro de un horno y se mantiene a una temperatura de 163°C -que representa la temperatura a la cual se calienta el asfalto en una planta de mezclado —durante un lapso de 5 horas— que corresponde al tiempo que se estima que un material asfáltico podrá recircular dentro de la planta antes de ser mezclado con los agregados. La muestra que ha sido artificialmente envejecida se somete a los ensayos convencionales de viscosidad y/o penetración. Este método ha sido normalizado por la ASTM bajo el número D-1754.

Figura 15: Ensayo en Estufa de Película Delgada (TFOT)

En algunos estados del oeste de los Estados Unidos se emplea el "Ensayo en Estufa de Película Delgada Rodante (TFROT 4)" (ASTM D-2872) que consiste en una modificación del equipo y procedimiento del TFOT aún cuando el propósito del ensayo es el mismo. Este método se ejecuta en un horno especialmente diseñado, dentro del cual se colocan unos frascos de vidrio semejante a "tubos de ensayo" que contienen las muestras de material a ensayar (Figura 16). Los tubos se colocan horizontalmente dentro del horno y se ponen a girar y rotar. La temperatura de ensayo se mantiene a 163°C. Mediante la rotación del tubo se logra exponer directamente todo el volumen del material a la temperatura de ensayo. Adicionalmente, una vez durante cada rotación, el tubo pasa frente a un chorro de aire caliente que permite remover cualquier vapor que se haya acumulado dentro de él. Las ventajas del procedimiento TFROT sobre el TFOT son que permite acomodar un mayor número de muestras dentro del horno, y que requiere un menor tiempo de ensayo (tan solo 75 minutos) para alcanzar el mismo grado de endurecimiento que en el TFOT. 4

TFROT por sus siglas en inglés Thin Film Rolling Oven Test. 1-24

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Figura 16: Ensayo en Estufa Rodante de Película Delgada (TFROT)

• Ensayo de Ductilidad La ductilidad es una medida de cuanto puede alargarse o estirarse una muestra de cemento asfáltico antes de que se rompa en dos partes. Esta propiedad se mide mediante un ensayo de "estiramiento" en el cual una briqueta del cemento asfáltico se alarga a una velocidad y temperatura determinada. El estiramiento se mantiene hasta que el hilo que se va formando se parta en dos (Figura 17). La longitud del hilo en el momento de rotura, en centímetros, se define como la ductilidad de la muestra ensayada. Este método ha sido normalizado por la ASTM bajo el número D-113. Es más importante la existencia de la ductilidad que el valor directamente obtenido en el ensayo. Los materiales asfálticos con ductilidad tienen mejores propiedades cementantes que aquellos sin esta propiedad.

Figura 17: Ensayo de Ductilidad

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• Ensayo de Solubilidad El ensayo de solubilidad determina la pureza del cemento asfáltico. La parte soluble en bisulfuro de carbono —o en tricloroetileno que es menos peligroso en su manejo en laboratorio— representa los constituyentes activos de cementación; sólo los materiales inertes como sales, carbón libre o contaminantes inorgánicos son insolubles. Este método ha sido normalizado por la ASTM bajo el número D-2042 y consiste en disolver aproximadamente 2 gr de muestra en 100 ml de solvente. Esta solución se filtra a través de una lámina de asbesto colocada dentro de un crisol de porcelana (crisol Gooch). Se pesa el material retenido por el filtro y se le expresa como un porcentaje de la muestra original, obteniéndose por diferencia el porcentaje soluble en bisulfuro (Figura 18).

Figura 18: Ensayo de Solubilidad en Bisulfuro de Carbono

• Ensayo de Punto de Ablandamiento Los asfaltos, tal como ha sido señalado en los ensayos de viscosidad, se reblandecen a temperaturas diferentes. El "punto de ablandamiento" se determina por el procedimiento de "anillo y bola" que consiste en llenar de asfalto un anillo de latón de dimensiones determinadas. La muestra así preparada se suspende en un baño de agua, y sobre el centro del anillo se coloca una bola de acero de dimensiones y peso especificados. A continuación se calienta el baño de agua a una rata de incremento determinada, y se anota la temperatura a la cual la bola de acero toca una barra de acero que está colocada a 2,54 cm por debajo de la posición inicial del anillo (Figura 19). Esta temperatura se define como el "Punto de Ablandamiento" de la muestra ensayada y es también una medida de la consistencia del ligante.

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Figura 19: Ensayo de Punto de Ablandamiento

Este ensayo ha sido normalizado por la ASTM bajo el número D-2398, y es empleado fundamentalmente para conocer el grado o índice de susceptibilidad que un material tiene ante las variaciones de temperatura. Posteriormente se hará referencia a esta propiedad de los materiales asfálticos. • Ensayo de Peso Específico (Gravedad Específica) El valor del peso específico del cemento asfáltico no forma parte de las especificaciones para estos materiales, pero debe ser determinado ya que se requiere para efectuar las correcciones de volumen cuando se manipula a temperaturas elevadas, y más importante aún para el cálculo de la densidad y vacíos de las mezclas asfálticas. El peso específico se define como la relación del peso de un volumen determinado de material y el peso de un volumen igual de agua, ambos volúmenes a una misma temperatura. Este ensayo ha sido normalizado por la ASTM bajo el número D-70, y se determina el peso que la muestra de cemento asfáltico alcanza dentro de un frasco de vidrio —llamado picnómetro— que tiene un volumen conocido (Figura 20). El peso específico se determina a temperaturas de 15,5°C para efectos de cálculos volumétricos en las transacciones comerciales, y a 25°C para cálculos de vacíos en las mezclas asfálticas; es el valor a esta última temperatura el que interesa al Ingeniero de Pavimentos.

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Figura 20: Ensayo de Gravedad Específica del Cemento Asfáltico

• Ensayo de Mancha El propósito de este ensayo es determinar si un C.A. ha sido dañado debido a sobrecalentamiento, durante su proceso de refinación. Como esta posibilidad es muy remota, por los controles que actualmente se emplean en las refinerías, normalmente no se incluye como parte de las especificaciones. Este ensayo es una forma simple de cromatografía por papel, ya que consiste en una inspección visual de la mancha dejada sobre un papel filtro, de una muestra de C.A. disuelto en un solvente estándar, corrientemente nafta. Si la mancha dejada sobre el papel es uniforme y de un calor marrón, el ensayo se reporta como “negativo” y el material es aceptable. Si en el centro de la mancha, por el contrario, aparece una zona circular de color negro, el resultado del ensayo se reporta como “positivo” y la muestra debe ser rechazada (Figura 21). La validez del resultado de este ensayo ha sido siempre discutida, y debe señalarse que no debe ejecutarse el ensayo sobre muestras recuperadas (extraídas) de una mezcla asfáltica.

Figura 21: Posibles resultados en el ensayo de la Mancha Olifensis (negativo (lado izquierdo) y positivo (lado derecho)

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• Valores típicos de las propiedades físicas de los asfaltos de penetración producidos por la industria petrolera nacional La Figura 22 muestra, como ejemplo, los valores de resultados de los ensayos ejecutados sobre una muestra de cemento asfáltico venezolano tipo A-20, tal como los reporta la industria petrolera nacional en los “Certificados de Calidad” que son entregados a un comprador cada vez que se despacha una gandola con estos productos, y son una garantía de la calidad del producto que Pdvsa suministra en sus refinerías del CRP y/o de Bajo Grande.

Figura 22: Modelo de “Certificado de calidad” que debe acompañar cada despacho de Cemento Asfáltico de acuerdo a la norma venezolana 1-29

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•VII. Los nuevos ensayos y criterios “Superpave®” Los ensayos físicos que se ejecutan sobre los C.A., y las especificaciones correspondientes, tienen una serie de limitaciones: (a). Algunos ensayos, como los de penetración, punto de ablandamiento y ductilidad, son empíricos y no tienen ninguna relación directa con el comportamiento de las mezclas en el pavimento. (b) Los ensayos son ejecutados a una temperatura fija, y no toman en consideración las diferencias climáticas en que un mismo material pueda ser utilizado en regiones distintas. (c) No cubren los rangos probables de variaciones de temperatura a los que puede estar sometido el material asfáltico a lo largo de su tiempo de servicio. (d) Consideran solo los efectos de envejecimiento a corto plazo, tal como lo hace el ensayo de TFROT, en el cual la muestra se somete a un condicionamiento de cinco horas, que asemeja el manejo en una planta de asfalto. Estos ensayos no reproducen, sin embargo, los efectos del clima a lo largo del periodo de servicio de un pavimento. (e) No se incluyen ensayos y especificaciones para asfaltos modificados, que son productos que han venido ganando aceptación en los últimos años. (f) Los cementos asfálticos pueden tener diferentes temperaturas y características de desempeño, dentro de un mismo sistema de clasificación, ya sea por penetración o viscosidad. Reconociendo las limitaciones anteriores en las normas y ensayos actuales, se inicio un programa de investigación en el ano 1987, con una duración de cinco años y una inversión de 50 MM de US$, como una parte del “Programa de Investigación Estratégica en Carreteras” (SHRP por sus siglas en ingles). En el campo de los materiales y mezclas asfálticas se perseguía el desarrollar ensayos con sustento científico y especificaciones relacionadas con el desempeño a lo largo del tiempo de servicio en obra. Como resultado de este esfuerzo investigativo, surge el llamado “Sistema Superpave®” –así denominado por su acronismo de las palabras inglesas SUperior PERforming Asphalt PAVEments y el cual ha sido registrado como nombre propio por la FHWA. Las características sobresalientes de Superpave® son: (a) Los ensayos y normas son aplicables tanto a los cementos asfálticos directamente producidos en las refinerías, llamados “asfaltos vírgenes”, como a los asfaltos a los que se les incorpore un modificador. El término que se aplica para cubrir ambos tipos de materiales es el de “ligante” y, 1-30

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dentro del Sistema Superpave®, se identifican con las siglas “PG” tomadas de las palabras inglesas “PERFOMANCE GRADE”. (b) El criterio, o propiedad, a ser normado permanece constante y varía la temperatura a la cual debe ser satisfecho este criterio. (c) Las propiedades físicas medidas en los ligantes Superpave están directamente relacionadas con comportamiento en campo a través de principios de ingeniería. (d) Se contempla el rango total de temperaturas a la cual estará sometido el ligante en función de las condiciones climáticas y periodo de servicio. (e) La especificación Superpave requiere que el ligante sea ensayado a tres condiciones o etapas de trabajo (e-1) condición del ligante al salir de la refinería y que debe ser transportado y almacenado, antes de ser mezclado con el agregado; (e-2) condición del ligante durante el proceso de manejo en planta y mezclado con el agregado (envejecimiento a corto plazo); y (e-3) condición del ligante durante su vida de servicio, es decir, a partir de su colocación y compactación en la carretera. (f) Los ensayos y especificaciones están dirigidos a controlar tres tipos de fallas específicas de las mezclas asfálticas: (f-1) deformación permanente a altas temperaturas; (f-2) agrietamiento por fatiga a temperaturas intermedias; y (f-3) agrietamiento térmico a bajas temperaturas. (g) Las unidades empleadas en los ensayos y especificaciones están de acuerdo a lo indicado en el Sistema Internacional de Unidades (SI). • Los ensayos “Superpave®” La Tabla 4 resume los diferentes ensayos Superpave sobre el ligante asfáltico, sus propósitos y los parámetros de comportamiento con los que están asociados. Tabla 4 Resumen de los ensayos Superpave® sobre los ligantes asfálticos Ensayo

Propósito

Seguridad industrial durante la operación de la Punto de Inflamación Copa Abierta Cleveland planta de asfalto

Parám etro de com portam iento Ninguno

Viscosímetro rotacional (RV)

Medición de las propiedades del ligante a altas temperaturas durante la etapa de construcción

Temperaturas de bombeo y mezclado

Película delgada rodante en estufa (TFROT)

Simulación del envejecimiento del ligante durante las etapas iniciales de mezclado, transporte y colocación

Resistencia al envejecimiento durante la construcción de la capa asfáltica

Cámara de envejecimiento a presión (PAV)

Simulación del envejecimiento del ligante a lo largo de la vida de servicio, una vez que la capa asfáltica ha sido puesta en servicio

Resistencia al envejecimiento durante la vida de servicio de la capa asfáltica

Reómetro de corte directo (DSR)

Medición de las propiedades del ligante a temperaturas medias y altas durante la vida de servicio

Resistencia a la deformación permanente (ahuellamiento) y agrietamiento por fatiga

Reómetro de viga a flexión (BBR)

Medición de las propiedades del ligante a temperaturas bajas durante la vida de servicio

Resistencia al agrietamiento por fatiga térmica

Ensayo de tensión directa (DTT)

Medición de las propiedades del ligante a temperaturas bajas durante la vida de servicio

Resistencia al agrietamiento por fatiga térmica

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Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

A continuación se describen los nuevos ensayos Superpave: Ensayo de Punto de Inflamación en Copa Abierta Cleveland (COC) Este ensayo ya fue anteriormente descrito y se mantiene en la especificación Superpave como medida de seguridad industrial ya que en toda planta de asfalto existen dos puntos de llama (caldera de aceite térmico y quemador o soplete del tambor secador), y permite conocer la temperatura mínima para la inflamación en presencia de una llama externa. La especificación Superpave establece un mínimo de 230°C para todos los tipos de ligantes. Ensayo de viscosímetro rotacional (RV) La especificación Superpave ha adoptado este ensayo con el fin de determinar la viscosidad de los ligantes a las temperaturas de trabajo –siempre mayores a los 100 °C –, con el fin de asegurarse de que el ligante este suficientemente fluido como para ser bombeado con facilidad y para permitir un adecuado mezclado y cubrimiento del agregado. Este ensayo se ha escogido ya que permite ensayar asfaltos vírgenes modificados, que por su alta viscosidad no pueden ser ensayados en viscosímetros capilares, como los que han sido anteriormente descritos. La especificación Superpave establece un máximo de viscosidad de 3 Pa-s a una temperatura de 135°C, siendo esta temperatura la mínima de mezclado en las normas de construcción de mezclas en planta en caliente. El ensayo ha sido normalizado por la ASTM bajo el código D 4402 (Viscosidad Brookfield); la Figura 23 presenta el principio de operación del viscosímetro rotacional.

Figura 23: Principio de funcionamiento del viscosímetro rotacional

El equipo aplica una torsión para mantener una velocidad rotacional constante de 20 rpm en un cilindro vertical mientras la muestra se mantiene a una temperatura de 135°C. Esta torsión esta directamente relacionada con la viscosidad de la muestra, la cual es leída directamente en la pantalla del viscosímetro, tal como se muestra en la Figura 24.

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Figura 24: Diagrama esquemático del Viscosímetro Brookfield

Ensayo de envejecimiento en TFROT El ensayo TFROT (ASTM D2872), que ya ha sido descrito anteriormente, se incluye como parte de la metodología Superpave con el fin de simular el envejecimiento a corto plazo que sufre un ligante durante el tiempo en que circula caliente por las tuberías y tanques de una planta de mezclado (unas cinco horas), y posteriormente durante el tiempo en que es mezclado con el agregado (cercano a un minuto). El ensayo de TFROT fue seleccionado ya que permite exponer continuamente el ligante al calor y a la corriente de aire caliente durante su movimiento de rotación dentro del equipo; por otra parte, permite, gracias a este movimiento rotacional de la muestra, el que, en caso de emplear modificadores de ligante, el que estos se mantengan dispersos en el asfalto, sin formar una capa o piel que evite el envejecimiento uniforme de la totalidad de la muestra bajo ensayo. Las muestras de asfalto condicionado por TFROT serán posteriormente sometidas al ensayo de DSR. En las especificaciones Superpave se indica adicionalmente, en cuanto al residuo del material sometido al TFROT, el que la perdida de masa no exceda el 1%. Ensayo de Envejecimiento en Cámara a Presión (PAV) Este ensayo fue incluido como parte de Superpave con el fin de simular el proceso de envejecimiento al que estará sometido un ligante asfáltico durante un lapso –estimado entre 5 y 10 años– de su vida de servicio como parte del pavimento. El ensayo se ejecuta sobre las muestras que ya han sido sometidas al ensayo de TFROT, ya que un ligante antes de ser colocado, como parte de la mezcla en el pavimento, ha sufrido un envejecimiento previo durante su calentamiento y mezclado en planta.

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El equipo de PAV consiste de un cilindro metalico que permite aplicar aire a presión hasta alcanzar los 2070 kPa, a un grupo de muestras que se colocan dentro de una rejilla (bastidor) a la temperatura de ensayo, la cual puede ser de 90°C, 100°C o 110°C, y la cual se debe mantener durante un periodo de 20 horas. Luego de este lapso las muestras se colocan dentro de un horno, a una temperatura de 163°C, durante 30 minutos, con el fin de eliminar cualquier aire que haya podido quedar atrapado dentro de la muestra. Las muestras que han sido condicionadas con el PAV son posteriormente sometidas a ensayos de DSR, BBR y DDT, tal como se comentara mas adelante. La Figura 25 muestra un corte esquemático de una cámara PAV.

Figura 25: Equipo de Cámara de Envejecimiento a Presión (PAV)

Ensayo de Reómetro de Viga a Flexión (BBR) Debido a la alta rigidez de un ligante a bajas temperaturas, puede sufrir agrietamiento por temperatura, aun cuando no estuviese sometido al paso de las cargas, especialmente cuando la caída de temperatura es muy brusca. A medida que el pavimento se contrae, comienzan a generarse esfuerzos dentro de la estructura del pavimento, que pueden exceder la capacidad de relajación de la mezcla asfáltica, y el pavimento se agrieta como el medio para aliviar los esfuerzos internos. El equipo de BBR es un aparato simple que mide cuanto puede deformarse un ligante –sometido a una carga constante– cuando se encuentra a bajas temperaturas y se comporta como un sólido elástico. El principio de operación se ilustra en la Figura 26, y consiste en someter a una muestra, con las dimensiones de una pequeña muestra prismática (viga), a una carga en su 1-34

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punto medio durante un tiempo de cuatro minutos. El sistema de medición registra la carga y la deflexión de la viga y se calcula su resistencia a la fluencia (creep) y la rata de deformación.

Figura 26: Equipo de Reómetro de Viga a Flexión (BBR)

Debido a las condiciones climáticas de Venezuela, bajo las cuales no suceden bajas temperaturas, no se considera necesario profundizar en el sentido de este ensayo. Ensayo de Tensión Directa (DTT) Diversos estudios relacionados con el comportamiento de los asfaltos a bajas temperaturas han demostrado una buena correlación entre su rigidez y el alargamiento que este soporta antes de romperse. Los asfaltos que soportan un considerable alargamiento son denominados “dúctiles”, mientras que los que se rompen con poco alargamiento son llamados “frágiles”. Es importante que un ligante soporte un mínimo de alargamiento. Generalmente los asfaltos mas viscosos son mas frágiles y los menos viscosos mas dúctiles. La Figura 27 ilustra en forma esquemática el ensayo DDT, que es ejecutado a las temperaturas en que el ligante tiene un comportamiento frágil, es decir en el rango entre 0°C y -36°C. El ensayo se ejecuta sobre muestras previamente condicionadas (envejecidas) por TFROT y PAV. Al igual que el ensayo BBR, debido a las condiciones climáticas de Venezuela, bajo las cuales no suceden bajas temperaturas, no se considera necesario profundizar en el sentido de este ensayo.

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Figura 27: Esquema del Ensayo de Tensión Directa (DDT)

Ensayo de reómetro de corte directo (DSR) En este ensayo, conocido también como reómetro dinámico de corte, se emplean equipos que han sido utilizados durante muchos años en la industria del plástico y sirve para evaluar el comportamiento del ligante en función del tiempo de carga y la temperatura de aplicación. El DSR es usado para evaluar las propiedades reológicas (comportamiento viscoso y elástico) a temperaturas intermedias y altas, en función de los siguientes parámetros: (a) Modulo complejo de corte (G*) y (b) ángulo de fase (δ-delta). El Modulo Complejo (G*) puede ser considerado como la resistencia total del ligante a ser deformado cuando este es sometido a un esfuerzo cortante repetitivo. El G* consiste de dos componentes: el Módulo de almacenamiento (G’) o su parte elástica (recuperable) y el Módulo de perdida (G’’) o su componente viscoso (no recuperable). El ángulo de fase (δ) es un indicador de la cantidad relativa de deformación recuperable y no recuperable. Tal como se muestra en la Figura 28, los ligantes se comportan como sólidos elásticos cuando están a muy bajas temperaturas (G’), pero a altas temperaturas (muy por arriba de las temperaturas que alcanzan en un pavimento en una carretera) se comportan como fluidos viscosos (G’’). A las temperaturas que puede alcanzar en un pavimento, en consecuencia, el ligante se comporta como un material visco-elástico que, cuando es cargado, parte de su deformación será recuperable y otra parte no lo será.

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Figura28:Componentes del Modulo Complejo (G*)

El principio de operación del DSR es muy simple: el ligante es colocado entre una placa fija y otra que oscila. Cuando se aplica un movimiento de giro (torsión) a la placa oscilante, esta se mueve del punto A al punto B (Figura 29). Del punto B regresa hasta el punto C, pasando nuevamente por A. Del punto C, finalmente regresa al punto A. El movimiento total comprende un ciclo de oscilación. Si ocurriesen dos ciclos en un segundo la frecuencia de oscilación seria de dos ciclos por segundo o dos hertz (Hz). Todos los ensayos Superpave® son ejecutados a una frecuencia de 1.59 Hz, lo que es equivalente a 10 radianes por segundo, y que a su vez representa un vehículo viajando a una velocidad aproximada de 90 kph.

Figura 29: Equipo DSR

La relación entre el esfuerzo aplicado (τ) y la deformación resultante (γ) se emplea para calcular el valor de G*: 1-37

Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

G* = τmax / γmax El tiempo transcurrido entre la carga aplicada y la deformación resultante corresponde al ángulo de fase (δ). Para un material perfectamente elástico, sucede una respuesta instantánea y, por lo tanto, el valor de δ es cero. Cuando se ensaya un líquido viscoso, tal como un cemento asfáltico muy caliente, no hay muy poca recuperación de la deformación y el tiempo de fase es muy largo; en este caso δ se aproxima a los 90 grados. Tal como ha sido mencionado, los ligantes asfálticos a las temperaturas de trabajo muestran un comportamiento esfuerzo-deformación comprendido entre estos dos extremos.

Figura 30: Respuesta esfuerzo-deformación de un material viscoelástico

El equipo DSR se emplea en la especificación Superpave® para medir las propiedades de los ligantes a temperaturas de servicio máximas e intermedias. El valor para la “temperatura máxima” de ensayo se determina promediando las mas altas temperaturas del pavimento durante lapsos de siete días continuos, y se toma el promedio máximo resultante. La “temperatura intermedia” se fija en un promedio aproximado entre la máxima “temperatura alta” y la temperatura mínima, siendo esta el menor valor de temperatura que alcanza el pavimento en el sitio en que será colocado. La medición de los valores de G* y δ se efectúan tres veces con el equipo DSR: en sus condiciones de (1) ligante original (no envejecido), (2) envejecido en TFROT y por ultimo (3) envejecido en el equipo PAV. Las muestras de ligante original y envejecido en TFROT se ensayan a la temperatura máxima para determinar su habilidad para resistir la deformación permanente o 1-38

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ahuellamiento. Las muestras condicionadas mediante el PAV se ensayan a la temperatura intermedia para determinar la capacidad del ligante para resistir el agrietamiento por fatiga. Tipos de ligantes según el Grado PG La Tabla 5 presenta los tipos de ligantes “PG” de acuerdo al Sistema Superpave® y en la Tabla 8 se detallan los requisitos físicos establecidos en la especificación AASHTO MP1-93 para cada Grado PG. Tabla 5 Grados de ligante PG

Tipo de ligante

PG-XX–YY PG-XX–YY PG-XX–YY PG-XX–YY PG-XX–YY PG-XX–YY PG-XX–YY

Temperatura máxima (°C ) 46 52 58 64 70 76 82

Temperaturas mínimas (°C ) –34, –40, –46 –10, –16, –22, –28, –34, –40, –46 –16, –22, –28, –34, –40 –10, –16, –22, –28, –34, –40 –10, –16, –22, –28, –34, –40 –10, –16, –22, –28, –34 –10, –16, –22, –28, –34

Nota: los caracteres XX y YY corresponden a la máxima y mínima temperatura de trabajo en el pavimento esperado en el sitio de trabajo.

Para determinar las temperaturas máximas y mínimas en el sitio de la obra, para así definir el tipo de “Grado PG”, y por lo tanto las temperaturas alta, intermedia y baja para la ejecución de los ensayos, Superpave propone disponer de una base de datos de temperatura del aire lo suficientemente amplia, con un mínimo de 20 años de registro, en el sitio de proyecto y definir para cada ano los siete (7) días continuos de mayor temperatura. El promedio que resulte más alto se toma como la máxima temperatura del aire. La temperatura mínima, por otra parte, se toma como la menor temperatura durante los años de registro. La temperatura intermedia se establece como el promedio aritmético de la máxima y mínima temperatura, y a este promedio se le suman 4°C. Las nuevas especificaciones Superpave®, sin embargo, están basadas en las temperaturas del pavimento y no en las del aire. La temperatura máxima de diseño esta definida a una profundidad de 20 mm por debajo de la superficie del pavimento, y la mínima se toma en su superficie. Utilizando distintas metodologías y modelos existentes, Superpave® desarrollo las siguientes ecuaciones para correlacionar las temperaturas del pavimento con las temperaturas del aire: 1-39

Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

(a) Temperatura máxima (T20mm) T20mm = (Taire − 0.00618 * Lat 2 + 0.2289 * Lat + 42.2) * (0.9545) − 17.78 Donde: T20mm = temperatura máxima a una profundidad de 20 mm del pavimento (°C) Taire = promedio de las máximas temperaturas del aire durante 7 días continuos (°C) Lat = Latitud geográfica del proyecto en grados

(b) Temperatura mínima (Tsuperf) Tsuperf = 0.859 * Taire + 1.7 Donde: Tsuperf = temperatura mínima de diseño en la superficie (°C) Taire = Temperatura mínima del aire (°C) Se incluye, además, un procedimiento para mejorar la confiabilidad en la selección del ligante, el cual consiste en afectar las temperaturas del aire, tanto la máxima como la mínima en el valor de dos veces la desviación estándar, con lo cual se introduce una confiabilidad estadística del 98%. Según algunos investigadores este nivel de confianza implica valores muy conservadores en el proceso de selección del tipo de ligante. Adicionalmente, las temperaturas máximas y mínimas de los Grados PG especificados por Superpave deben ser iguales o mayores a las calculadas para 50% de confiabilidad (valores promedios) o 98% de confianza, lo que significa que, según el criterio empleado, de no cumplirse con un determinado grado, será necesario seleccionar el Grado PG inmediatamente superior, lo que en la practica significa que se incrementara en 6 C las temperaturas, ya que los Grados PG mostrados en la Tabla 5 varían de seis en seis grados, tanto para temperaturas máximas como para las mínimas. Adicionalmente Superpave recomienda que en climas muy calidos, transito pesado a muy baja velocidad (como en los accesos a los peajes o alcabalas), o en vías con un muy alto numero de repeticiones de ejes equivalentes de diseño (mas de 30 millones), se incremente en uno o dos Grados PG la temperatura máxima del ligante.

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Es importante señalar que el Sistema Superpave® advierte que la selección del tipo de ligante, siguiendo los criterios anteriormente expuestos, no representa una garantía del buen comportamiento del pavimento, ya que la fatiga es muy dependiente de la carga vehicular y de la estructura del pavimento. La deformación permanente de una mezcla, por otra parte, esta directamente relacionada con su capacidad para absorber los esfuerzos, lo que depende en gran parte de la interrelación asfalto-agregado, y de las propiedades mismas del agregado que sea empleado en la mezcla asfáltica. Puede concluirse, finalmente, que la selección de un tipo de Grado PG comprende una serie de factores que el Ingeniero de Pavimentos debe considerar para la predicción del posible comportamiento del pavimento. La Especificación Superpave® La especificación Superpave® para los ligantes asfálticos parte del principio de que las propiedades establecidas para un ensayo permanecen constantes independientemente del tipo de ligante “PG” propuesto o seleccionado, pero que la temperatura a la cual debe ser obtenida cambia de grado a grado de ligante, dependiendo del rango de temperaturas que caracterizan el clima en el lugar en que el ligante “PG” vaya a ser empleado. Los ligantes, en consecuencia, son denominados no solo como “PG”, sino que su identificación se complementa con dos pares de dígitos: el primer par corresponde a la temperatura máxima a la cual ha de trabajar el pavimento, y el segundo par, precedido de un signo negativo (–), significa la temperatura mínima que se espera que alcance el pavimento en este sitio de trabajo. Así, un ligante “PG-64–28” debe ser empleado en un sitio en el cual las temperaturas máximas y mínimas esperadas por el pavimento varíen entre los +64 C y los (–)28 C. Tal como ha sido señalado, la Especificación Superpave® (AASHTO MP1-93) esta relacionada con el comportamiento del pavimento, por lo cual esta dirigida a atender los tres parámetros principales que caracterizan su desempeño: (a) deformación permanente o ahuellamiento; (b) agrietamiento por fatiga y (c) agrietamiento por baja temperatura o fatiga térmica. Adicionalmente incluye aspectos relacionados con seguridad, bombeo y manejo, y evalúa el aspecto del envejecimiento a corto y largo plazo. El parámetro de deformación permanente (ahuellamiento) Para que un ligante presente una adecuada resistencia al ahuellamiento, se requiere que posea tanto un alto valor de Modulo Complejo (G*) como un bajo Angulo de fase (δ). A un mayor G* corresponde una mayor rigidez del ligante, y en consecuencia mayor será su resistencia al ahuellamiento. Por otra parte, un menor δ significa que el ligante tendrá mayor elasticidad, es decir podrá recuperar la deformación que le sea generada por una carga aplicada.

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Las determinaciones de G* y δ se realizan a altas temperaturas, tanto a las muestras de ligante original como a las envejecidas por TFROT. Las muestras bajo esta ultima condición representan al ligante en sus momentos iniciales del periodo de comportamiento, es decir inmediatamente después de haber sido ya colocada y compactada la mezcla en la carretera y en el momento exactamente antes de que comience su posible envejecimiento “por estar en servicio”. Ya que por el envejecimiento sobre la vía se incrementa la rigidez del asfalto (aspecto que será comentado al tratar sobre la química de los asfaltos), se mejora su capacidad de resistir el ahuellamiento. El ensayar los ligantes en el momento inmediatamente anterior al inicio de su vida de servicio es, por lo tanto, critico en cuanto a su resistencia a la deformación permanente. La especificación ha establecido el ensayo de DSR sobre el ligante original (antes del TFROT) como una medida de seguridad para aquellos ligantes cuyos residuos del TFROT no indiquen la realidad de su envejecimiento durante las etapas de manejo y mezclado en planta y su transporte, extendido y compactación en obra. La Especificación Superpave® incorpora el criterio de resistencia a la deformación permanente por medio de la expresión “G*/senδ”, y los valores indicados son de al menos 1.00 kPa para el ligante original y un mínimo de 2.20 kPa después que haya sido envejecido en el TFROT. Ambas determinaciones deben ser ejecutadas a la máxima temperatura de trabajo. El primer limite fue establecido por los investigadores SHRP en base al buen desempeño que estaban presentando los C.A. del tipo A-10 a temperaturas moderadas (de hasta 60C) y que, ensayados al DSR en su condición original, resultaron con valores mínimos de G*/senδ de 1.0 kPa. El criterio de un mínimo valor de 2.20 kPa para G*/senδ fue establecido, por otra parte, en función de que estos mismos AC-10 presentaban un Índice de Envejecimiento (viscosidad después de TFROT / viscosidad original) entre 2 y 2.5, es decir que se volvían entre 2 y 2,5 veces mas rígidos cuando fueron envejecidos en el TFROT. Para fijar este valor de 2.20 kPa se tomo el valor promedio del rango observado. El parámetro de resistencia al agrietamiento por fatiga La Especificación Superpave® incorpora un “factor de fatiga” por medio de la expresión “G* x senδ”, y establece un máximo de 5000 kPa para las muestras que han sido condicionadas tanto en el TFROT como en el PAV. El ensayo se ejecuta a una temperatura que representa la “temperatura intermedia” de servicio del pavimento. La especificación original había fijado un máximo de 3000 kPa para el criterio de “G* x senδ”, sin embargo, ante el hecho de que mas de la mitad de los 42 ligantes analizados durante la investigación Superpave no pudo satisfacer esta exigencia, el Grupo de Investigadores decidió incrementar este valor a 5000 kPa hasta tanto se dispusiese de mayor numero de resultados. El valor de 5000 kPa

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pareció, por otra parte razonable, ya que el 85% de las 42 muestras de ligante si cumplieron con este nuevo limite. Aplicación en Venezuela de las Especificaciones Superpave® En el año 1996 los Ingenieros Jugo y Urbáez adelantaron una investigación referente a la implementación de la Especificación Superpave para el caso venezolano 5. En esta investigación seleccionaron cuatro zonas del país que comprendiesen diferentes elevaciones sobre el nivel del mar, y con latitudes extremas dentro de nuestra geografía. Las zonas seleccionadas fueron: • La Colonia Tovar, Estado Aragua • Coro, Estado Falcón • Maracaibo, Estado Zulia, y • Puerto Ayacucho, Estado Amazonas La Tabla 6 resume las características geográficas de estas zonas: Tabla 6 Características geográficas de las zonas analizadas

Zona

Colonia Tovar Coro Maracaibo Pto. Ayacucho

Latitud (grados)

Altitud (msnm)

10 11 10 5

1.790 20 66 100

Temperatura máxima absoluta (C) Desviación Promedio estándar

24.1 38.2 37.0 37.0

1.03 1.36 1.15 1.62

Temperatura mínima absoluta (C) Desviación Promedio estándar

7.1 19.9 20.0 19.7

1.60 1.19 0.93 0.95

Los resultados de la investigación, siguiendo la metodología Superpave, indican que los Grados PG son iguales para niveles de confianza de 50 y 98%, -debido a la baja variabilidad de las temperaturas que se registran en Venezuela- y que la temperatura máxima de nuestros pavimentos podrá alcanzar aproximadamente los 63C, y las mínimas estarán en el orden de los 5C, por lo cual un ligante PG 64 corresponde a la especificación por temperatura máxima y es un valor adecuado para la escogencia del tipo de asfalto a ser empleado comúnmente en Venezuela. Con respecto al Grado PG bajo por temperaturas mínimas, estas no son criticas, por no alcanzar en ningún caso el valor menor de (-) 10 C que indica Superpave. Como era de esperar, por otra parte, las temperaturas del aire, tanto máximas como mínimas, se ven mas afectadas por la altura sobre el nivel del mar que por la latitud.

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Jugo y Urbaez: “Las nuevas especificaciones Superpave para ligantes asfalticos y su posible uso en Venezuela”, Boletín Tecnico del INVEAS, Año 2, Publicación N. 9, Septiembre de 1996. 1-43

Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

La investigación recomienda que para las zonas altas del país, con temperaturas máximas moderadas, sean recomendables los Grados PG-58 y PG-64. Para las zonas bajas de mayor temperatura son recomendables los Grados PG-64 y PG70. Estos mismos grados (PG-64 y PG-70) son los recomendables para carreteras en que se esperen grandes cargas y/o alto numero de repeticiones de ejes equivalentes. Como se observa, el Grado PG-64 es común para todas las zonas geográficas de Venezuela y debe ser, en consecuencia, el que debiera ser empleado para la generalidad de nuestras carreteras. Los Grados PG de los asfaltos venezolanos La Tabla 7 resume las características de viscosidad y penetración de los asfaltos venezolanos, así como su correspondiente Grado PG. Como se observa de esta tabla, la gran mayoría de nuestros asfaltos cumplen con los requisitos Superpave para las zonas geográficas de Venezuela y que fueron discutidos en la investigación de Jugo&Urbaez. Esta tabla permite afirmar, por otra parte, la excelente calidad de nuestros asfaltos ya que en algunos crudos pueden obtenerse asfaltos de Grado PG-70 directamente de la refinería, sin tener que acudir al recurso de la adición de modificadores de ligante, del tipo polímero o similar, lo que se traduce en un buen comportamiento en servicio tanto a altas como a bajas temperaturas. Tabla 7 Grados PG de los asfaltos venezolanos

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Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________ Tabla 8 Especificaciones Superpave® para ligantes según su Grado PG

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Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

• VIII. Información complementaria ° Evolución de los Costos de los materiales asfálticos en Venezuela En Venezuela, quizás por ser un país productor de petróleo, se había venido subsidiando el precio interno de los productos derivados del crudo, entre ellos el de los asfaltos de pavimentación. Durante más de 20 años el precio de los cementos asfálticos estuvo en la cifra de 60,00 Bs/ton (14 US$/ton), y el de los asfaltos líquidos diluidos en los 75,00 Bs/ton (17 US$/ton). Para esa época la tonelada de asfalto de pavimentación en USA se ubicaba en los 185 US$/ton. Para la industria petrolera nacional, por otra parte, el “negocio del asfalto” para consumo nacional no significaba un ingreso importante, por los bajos volúmenes demandados por los empresarios de pavimentación. Mientras el Bolívar se mantuvo a 4,30 por US$, no era tan atractiva la exportación de productos terminados en los cuales los asfaltos fueran insumos importantes —-pinturas impermeabilizantes, mantos asfálticos, tejas asfálticas, etc—. El cambio de paridad entre el bolívar y el US$ que ocurre en el año 1983, hace cambiar esa orientación, y la industria petrolera nacional, con el fin de evitar una exportación masiva, según la Resolución Nº 610, de fecha 17/10/83, dictada por el Ministerio de Minas, fija dos tipos de precios: uno para consumo nacional y otro para exportación. Tales precios eran: °° Para consumo nacional: ° Cementos asfálticos en 175,00 Bs/ton (13.83 US$/ton) ° Asfaltos diluidos en 180,00 Bs/ton (14.22 US$/ton) °° Para exportación de productos terminados en los cuales se utilicen los materiales asfálticos como insumos ° Cualquier producto con un precio de 695,00 Bs/ton (54.94 US $/ton) (Este valor es semejante al costo de producción para esa fecha) Con motivo de las medidas de ajuste tomadas por el ejecutivo nacional en el mes de febrero de 1989, el precio de los productos de pavimentación se dobla y se coloca en los 350,00 Bs/ton para los cementos asfálticos y en los 360,00 Bs/ton para los asfaltos diluidos, sin embargo los precios en US$ seguían siendo excesivamente bajos en función de la paridad cambiaria para ese momento (38.68 Bs/US$), por lo cual los precios en US$ eran de 9.05 y 9.31 dólares por tonelada para los C.A. y los diluidos, respectivamente. A partir de ese momento los precios unitarios de los productos asfálticos de pavimentación cambian en función de las variaciones de la paridad cambiaria entre el bolívar y el dólar.

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Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

Así, entre los años 1989 y 1999, cuando el bolívar pasa del orden de los 40 a los 680 por US$, la tonelada de cemento asfáltico se ubica en un promedio de 80 US$, y su precio en bolívares va variando paralelo al cambio entre el bolívar y el dólar. Entre los años 2000 y 2002 el bolívar se cotiza desde los 670 a los 1.400 unidades por dólar, y la tonelada de cemento asfáltico varia entre los 85 y 125 dólares por tonelada, alcanzando su máximo valor en el mes de julio de 2000 cuando el bolívar se cotizaba a 687 por dólar. En el mes de octubre del 2002 el precio se ubica en 213M bolívares por tonelada (150 US$) y este precio se mantiene en bolívares hasta junio de 2004 cuando cambia a 325M Bs/ton (169 US$/ton). En este ultimo año se produjo un nuevo incremento, aun cuando el bolívar se ha mantenido, al menos oficialmente en una paridad de 1.920 por US$, cuando en el mes de octubre alcanza los 352 MBs/ton (183 (US$/ton). El asfalto diluido, por su parte, se ubicaba en los 178 US$/ton para octubre de 2002, y dos años mas tarde alcanza la cifra de 225 US$/ton. La Tabla 9 resume la variación promedio de los precios unitarios promedios de las mezclas asfálticas en caliente en el mercado venezolano de la pavimentación. Tabla 9 Evolución de los precios de mezcla asfáltica en caliente

Periodo 1960-1983 1983-1989 1989-1999 1999-2003 2003-2004 2004-2006 2004-2008

Precio en US$/ton 10.50 54.25 62.17 45.00 38.50 69.76 88.73

A partir del año 2006 se observa un incremento importante en los precios de las mezclas asfálticas, como consecuencia del aumento en los precios de los agregados. El precio del material asfáltico se mantiene regulado desde el 2006 en 176 Bs/kg para obras de gobierno y en mas de 675 Bs/kg para obras privadas. La Figura 31 muestra la variación de los precios unitarios del cemento asfáltico venezolano, tanto para consumo nacional como para exportación, durante el lapso enero 2000 a julio 2002.

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Aspectos generales, especificaciones y ensayos en asfaltos _______________________________________________________________________________

Figura 31 Variación del precio del C.A. para consumo nacional y exportación

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Apuntes de Pavimentos  Volumen 2          Capítulo 2  Propiedades químicas y  físicas de los asfaltos                Edición de abril de 2008 

Propiedades químicas y físicas de los materiales asfálticos _______________________________________________________________________________

La química de los asfaltos La importancia de la composición química de los asfaltos, aun no siendo bien entendida, no puede ser ignorada. El comportamiento de un ligante asfáltico en una mezcla asfáltica es función de sus propiedades físicas, las cuales han sido consideradas en el capitulo anterior, y que están directamente relacionadas con su composición química. Por esta razón, el entender como las características químicas de un asfalto afectan sus propiedades físicas es elemental para tratar de explicar los factores que afectan su desempeño. Composición básica y estructura molecular Los principales elementos que están presentes en las moléculas del asfalto son el carbón y el hidrógeno. Le sigue en proporción de ocurrencia el azufre. El oxigeno y el nitrógeno normalmente están presentes en cantidades muy pequeñas. Algunos metales pesados como níquel y vanadio pueden presentarse como trazas (partes por millón, ppm). El asfalto Boscán presenta la siguiente composición elemental en peso: 82.90% carbón, 10.45% hidrógeno, 0.78% nitrógeno, 5.43% azufre, 0.29% oxigeno, 1.380 ppm de vanadio y 109 ppm de níquel. El tipo de estructura molecular es, sin embargo, más importante que las proporciones de cada elemento. Ya que el petróleo se origina por la transformación de materiales orgánicos en un proceso de millones de años, bajo condiciones diferentes de presión y temperatura para cada crudo, los asfaltos tienen estructuras moleculares muy diversas, dependiendo del origen del crudo. Grupos funcionales o polares Las moléculas de azufre, nitrógeno y oxigeno que están presentes en menor proporción en un asfalto, son llamadas heteroátomos, y están adheridas –en diferentes configuraciones y en forma de diferentes compuestos– a las moléculas de carbón e hidrogeno. Estas diferentes moléculas son llamadas “polares” debido a que existe un desbalance de diferentes fuerzas electro-químicas dentro de una misma molécula lo cual genera un dipolo. Por lo tanto, cada molécula polar tiene características electro-positivas y electro-negativas, similar a un imán que tiene polo positivo y negativo. Ya que cargas del mismo signo se repelen, y las de signo diferentes se atraen, se generan interacciones moleculares en un cemento asfáltico que tendrán una gran influencia en propiedades físicas o “de ingeniería” y en su comportamiento. Estas configuraciones de los heteroátomos imparten funcionalidad y polaridad a las moléculas del asfalto y son denominadas, en consecuencia, grupos funcionales o polares. La funcionalidad (presencia de grupos funcionales) esta relacionada con la forma en que las moléculas de asfalto interactúan entre si, o con superficies o moléculas de otros materiales. La absorción selectiva, por ejemplo, de grupos polares o funcionales en la superficie de un agregado, es importante para explicar el fenómeno de denudación o pérdida

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de adherencia entre el asfalto y el agregado. Aun cuando estos grupos polares están presentes en cantidades pequeñas, sus características varían entre un asfalto y otro, y tiene un marcado efecto en el comportamiento de asfaltos provenientes de diferentes crudos. Por otra parte, los componentes no-polares de los asfaltos, que actúan como solventes o agentes de dispersión de los grupos polares, juegan un papel muy importante en la determinación de cómo los grupos polares afectaran las propiedades físicas y características de envejecimiento de los asfaltos. Modelo clásico (estructura celular) de composición química del asfalto El concepto más simple y generalmente aceptado de la composición química de los asfaltos señala que un cemento asfáltico es un sistema coloidal, también llamado micelar -constituido por un conjunto de células- cada una formada por un núcleo (asfalteno) y un citoplasma (malteno-resina). El medio intercelular es un líquido viscoso (malteno-aceite). Dada la complejidad química de los asfaltos, se recurre a una simplificación que es la separación en fracciones con solventes selectivos Estas fracciones tienen propiedades bien definidas. Se define como betún al material soluble en sulfuro de carbono; los carbenos son insolubles en tetracloruro de carbono (C.Cl4) y corresponden a una fraccion minoritaria. Los asfaltenos son componentes insolubles en solventes del tipo pentano, hexano o éter. Los componentes solubles en pentano, hexano o eter son denominados maltenos. Los maltenos, a su vez se subdividen en resinas y aceites, en función de que sean absorbidos en “tierra fuller” (resinas) o no lo sean (aceites). Los asfaltenos (fase dispersa) son sólidos, similares al polvo de grafito, de alto peso molecular (900-100.000), de color marrón oscuro a negro. En un asfalto refinado los alfaltenos constituyen entre el 5 y el 25% del total del bitumen. Se caracterizan por no presentar ductilidad ni adherencia. Reaccionan fácilmente, especialmente a altas temperaturas, con el oxigeno convirtiéndose en carbones. El contenido de asfaltenos tiene un marcado efecto en las características reológicas del asfalto. Al incrementarse la proporción de asfaltenos se obtiene un asfalto mas duro, de menor Penetración, mayor Punto de Ablandamiento y mayor viscosidad. En un asfalto que sea sobrecalentado su proporción puede aumentar hasta alcanzar entre un 45 y 52% del total del bitumen. La Figura 1 ilustra, en forma esquemática, la composición química de los asfaltos de acuerdo a la teoría micelar. Las resinas son líquidos muy viscosos de color ámbar o pardo oscuro, su peso molecular varia en un rango entre 500 y 50.000. Se caracterizan por tener una naturaleza muy polar, lo cual les imparte propiedades de adhesividad y ductilidad, por lo cual pueden definirse como la parte “activa” de los bitúmenes. Reaccionan

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con el oxigeno con menor facilidad que los asfaltenos, pero al oxidarse se convierten en asfaltenos perdiéndose, en consecuencia, parte de la adhesividad y flexibilidad del ligante. En un asfalto refinado su proporción alcanza entre un 20 y un 40% del total. En un asfalto sobrecalentado su cantidad disminuye hasta constituir solo un 5 al 10% del bitumen.

Figura 1 Composición química de los asfaltos de acuerdo a la teoría micelar

Los aceites (aromáticos y saturados) son líquidos de viscosidad media, con peso molecular en el rango de 300 a 2.000. Su color es marrón claro y no tienen ninguna adhesividad. Son bastante estables en presencia de oxigeno, pero la fracción que se oxida se transforma en resinas y asfaltenos. En un asfalto refinado constituyen entre un 75% y35% del total del bitumen. Al sobrecalentarse el asfalto, su proporción cambia a un rango entre 38 y 50%. De acuerdo con la teoría coloidal los asfaltos se pueden clasificar en: Tipo sol: Las micelas de asfaltenos se encuentran compensadas eléctricamente por las resinas y con capas de transición con las moléculas más aromáticas y de mayor peso molecular de los aceites. Las fuerzas de atracción están bien compensadas y los asfaltenos son estables, no tienden a unirse entre si Tipo gel: Hay una gran cantidad de micelas de asfaltenos y no existen suficientes resinas y aceites capaces de compensar las cargas libres de los asfaltenos; estos comienzan a unirse entre si formado estructura (gelificación). Esta estructura es del tipo micelar continua. Entre estos dos tipos extremos de estructura coloidal gel y sol existen toda la gama de estructuras intermedias . Además es necesario considerar que el sistema coloidal depende de la temperatura.

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En todos los casos, el pasaje de estado de sol a gel implica un aumento de consistencia. La Figura 2 ilustra, en forma esquemática, la composición química de los asfaltos de acuerdo a la teoría micelar tipo sol y tipo gel.

Figura 2(a). Representación esquemática de un ligante tipo “sol”

Figura 2(b). Representación esquemática de un ligante tipo “gel”

Fuente Figura 2: The Shell bitumen Handbook, 1990

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La Tabla 1 ilustra la composición química de los asfaltos venezolanos. Tabla 1 Composición química de los asfaltos venezolanos

Modelo Superpave de la composición de los asfaltos De acuerdo a los investigadores del Programa SHRP, el asfalto es considerado como una matriz tri-dimensional de moléculas, unas altamente polares y otras no polares que forman asociaciones sueltas y redes que se hallan dispersas en el asfalto. Esta estructura se mantiene unida a través de fuerzas intermoleculares débiles, que se forman o se rompen, o se interrumpen como respuesta al desarrollo de esfuerzos, ya sean mecánicos o térmicos. La matriz de moléculas le imparte al asfalto ciertas propiedades de elasticidad, pero como consecuencia de los esfuerzos se produce un reacomodo de las cadenas mas débiles y el asfalto sufre deformación permanente. Por medio de una serie de mediciones reológicas de las distintas fracciones que componen al asfalto, se ha determinado que las propiedades elásticas provienen de las moléculas polares y las no polares contribuyen al desarrollo del comportamiento viscoso. La Figura 3 ilustra esquemáticamente la teoría de la composición química microestructural de los asfaltos.

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Figura 3 Composición química de los asfaltos según Superpave

Las especificaciones de los asfaltos y su composición química Al analizar las especificaciones de los asfaltos, ya sean las tradicionales por penetración—viscosidad, o las mas modernas como Superpave, se observa que ninguna de ellas hace referencia a las propiedades químicas de los asfaltos; todos los ensayos y requisitos de calidad están relacionados exclusivamente con las propiedades físicas de los ligantes. Esto puede parecer sorprendente, debido a que la composición química es ciertamente el medio mas preciso para explicar las propiedades de cualquier material, mas particularmente las de un asfalto. Existen sobradas razones que permiten aclarar porque la química no “ha entrado” en el campo de la aplicación de los pavimentos: (a) No se dispone de un método de ensayo por composición química que sea

aceptado por todos los profesionales que están relacionados con los asfaltos, desde su proceso de refinación hasta su aplicación en campo. (b) Los ensayos existentes para determinar la composición química de los asfaltos requieren de equipos muy sofisticados y costosos, lo que ha limitado su empleo en el campo de la ingeniería de pavimentos. (c) Estos equipos tan sofisticados hacen necesario su operación por especialistas en su manejo, que no se encuentran con facilidad en los laboratorios en los cuales se evalúa el desempeño de los asfaltos en los pavimentos. (d) La relación entre la composición química de los asfaltos y su comportamiento en los pavimentos es todavía incierta. Es importante señalar que durante el desarrollo de la investigación SHRP se inicio la caracterización de los asfaltos solo por medios químicos, pero se concluyo que se hacían presentes las primeras tres limitantes, por lo cual la investigación fue reorientada hacia las propiedades físicas que han sido descritas anteriormente bajo el tema de Superpave.

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Las propiedades físicas de los asfaltos Las propiedades físicas de los materiales asfálticos que son de interés para los Ingenieros de Pavimentos son: A. Consistencia B. Durabilidad C. Adherencia D. Cohesión E. Pureza F. Gravedad Especifica Consistencia La consistencia se define como el grado de fluidez (plasticidad), o resistencia a la deformación, de un material asfáltico a una temperatura determinada. Debemos recordar que esta es una característica fundamental de cualquier asfalto, y que los permite definir como “termoplásticos”, es decir que su consistencia cambia con la temperatura: mientras más caliente este un asfalto menor será su viscosidad, es decir será más fluido. Esta característica se conoce como “susceptibilidad a la temperatura” y es una de sus propiedades más valiosas. Para conocer la susceptibilidad a la temperatura de un ligante es necesario determinar en el laboratorio su grado de fluidez, o consistencia, a dos temperaturas diferentes. La susceptibilidad a la temperatura varía entre asfaltos provenientes de crudos diferentes, aun cuando tengan un mismo grado de consistencia a una misma temperatura. Así, por ejemplo, los asfaltos A y B de la Figura 4 tienen la misma penetración a 25 C, pero a cualquier otra temperatura su consistencia (medida como “penetración”) es diferente. Esto se debe a que los asfaltos A y B tienen diferentes susceptibilidades a la temperatura. Mientras mayor sea la pendiente de la recta “viscosidad-temperatura” de un asfalto mayor será su susceptibilidad a la temperatura. El “asfalto A” es mas susceptible a la temperatura que el “asfalto B”.

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Figura 4 Variación de la penetración de dos asfaltos a diferentes temperaturas

Lo mismo puede suceder con dos asfaltos que tengan la misma viscosidad a una cierta temperatura, pero que provienen de crudos distintos. En la Figura 5 los asfaltos C y D tienen la misma viscosidad absoluta a 60 C, pero a cualquier otra temperatura su consistencia (medida como “viscosidad”) es diferente. Igual que en caso anterior, los asfaltos C y D tienen diferentes susceptibilidades a la temperatura. El “asfalto C” es mas susceptible a la temperatura que el “asfalto D”.

Figura 5: Variación de la viscosidad de dos asfaltos a diferentes temperaturas

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La conclusión es que, independiente del método empleado para la medición de la consistencia (penetración o viscosidad), los asfaltos que provienen de crudos diferentes tendrán distintas susceptibilidades a la temperatura. Es muy importante conocer la variación de la consistencia con los cambios en la temperatura de los asfaltos, ya que de ella se determina la temperatura a la cual se debe calentar el asfalto para ser mezclado con los agregados en la planta, y también la temperatura a la cual la mezcla debe ser compactada en el sitio de colocación. Experimentalmente ha sido determinado que el rango de viscosidades que debe alcanzar un cemento asfáltico en el momento de ser mezclado con el agregado debe estar entre los 0.15 y 0.19 Pa-s. Con estas viscosidades el asfalto será suficientemente fluido como para ser bombeado y mezclado con el agregado para lograr un adecuado cubrimiento de las partículas del agregado, pero al mismo tiempo ser suficientemente viscoso como para no drenar libremente durante el tiempo en que este siendo mezclado. Este rango de viscosidades debe alcanzarse independientemente del tipo o grado del cemento asfáltico que este siendo empleado, por lo cual ha sido definida como “equi-viscosidad”; lo que variara, en función de la susceptibilidad a la temperatura del asfalto, será la temperatura a la cual cada asfalto específico deba ser calentado para que pueda alcanzar la viscosidad indicada. La Figura 6 ilustra la “curva viscosidad-temperatura” que es empleada para determinar las temperaturas para alcanzar el rango de equiviscosidades de mezclado (0.15 a 0.19 Pa-s). Para su empleo debe conocerse la viscosidad del asfalto propuesto a dos temperaturas diferentes; llevarlas al grafico y trazar la línea recta que las una. Ya que la escala de viscosidades en este grafico esta en unidades de Pa-s, deben llevarse a esta unidad los resultados de los ensayos de Viscosidad Absoluta a 60 C que son reportados en poises (P) y los de Viscosidad Cinemática a 135 C que son reportados en centistokes (cSt). Para ello se emplean los siguientes factores de conversión: G. 1 P = 0.1 Pa-s H. 1 cSt = 0.001 Pa-s

En esta figura se presenta el ejemplo de un C.A. con una viscosidad absoluta de 3.019 P (301,9 Pa-s) a 60 C y de 502.1 cSt (0,502 Pa-s) a 135 C. Para el punto medio del rango de las viscosidades de 0.15 y 0.19 Pa-s se obtiene una temperatura de 157 C, la cual será, en consecuencia la temperatura promedio a la cual deberá calentarse el C.A. para ser mezclado en laboratorio. Es oportuno señalar que la temperatura para mezclado en obra no es la obtenida mediante este grafico, sino que normalmente estará entre los 10 y 30 ºC menos que los obtenidos para el laboratorio. Según los resultados de Superpave, por otra parte,

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esta temperatura debe estar entre los 132 y 160 ºC para los asfaltos venezolanos del Tipo A-20 y entre los 138 y los 166 ºC para los A-30.

Figura 6 Grafico de viscosidad temperatura para cementos asfálticos

De la misma figura 6 se obtiene la temperatura a la que la mezcla deba ser compactada en laboratorio, la cual debe corresponder a aquella a la que el C.A. presente una viscosidad entre los 0.25 y 0.31 Pa-s. Cuando el asfalto este a estas viscosidades podrá actuar como un fluido viscoso que permita lubricar las partículas de agregados ya cubiertas con el asfalto en forma tal que estas logren su mejor acomodo y así la mayor densidad posible, pero una vez compactada la mezcla el asfalto debe volverse lo suficientemente viscoso como para mantener los agregados adecuadamente unidos a lo largo del tiempo de servicio. En el ejemplo de la Figura 6 la temperatura promedio para compactación será de 146 C. Al igual que en el caso de mezclado, la temperatura de compactación en campo no será exactamente la leída de la Figura 6, sino que, aun cuando será cercana a ésta, debe ser fijada en obra en base a la respuesta de la mezcla a las condiciones de compactación: espesor de capa, temperatura ambiente, capacidad de los equipos de compactación, etc. En el Anexo A se incluye el grafico de viscosidad-temperatura en un tamaño adecuado para ser empleado en la aplicación del procedimiento anteriormente

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descrito para seleccionar las temperaturas de mezclado y compactación en laboratorio. Durabilidad La durabilidad se define como la capacidad de un ligante asfáltico para mantener sus propiedades originales cuando es sometido a los procesos normales de trabajo en obra. Estos procesos son los de almacenamiento y mezclado en planta, transporte, extendido y compactación en el pavimento, y luego durante la etapa de servicio a lo largo del periodo de servicio en obra. Es una propiedad que es evaluada, en consecuencia, a través del desempeño o comportamiento de la mezcla en el pavimento, y que depende no solo del material asfáltico sino del diseño de la mezcla, características de los agregados, procesos de producción y compactación en obra, así como de las condiciones climatológicas del sitio en el cual se construye el pavimento, siendo por consiguiente difícil de definir solamente en término de los resultados de los ensayos directos sobre los ligantes asfálticos, aun cuando los ensayos de TFOT, TFROT y PAV facilitan la interpretación probable de un C.A., siempre y cuando se controlen los procesos de trabajo en obra. La Figura 7 ilustra el aumento de viscosidad entre un material asfáltico “original”, es decir “como salido de la refinería” y este mismo material después de haber sido sometido al ensayo de TFROT, el cual simula el efecto de envejecimiento a corto plazo durante las operaciones de almacenamiento y mezclado en planta. La viscosidad del asfalto envejecido es siempre mucho mayor que la del asfalto original, y la especificación regula la relación entre ambas viscosidades, es decir la magnitud del envejecimiento a corto plazo. Tal como ha sido comentado en el capitulo sobre Superpave, el ensayo de PAV condiciona la muestra a lo que le sucederá en los primeros 10 años de servicio, y permite evaluar los probables efectos del envejecimiento a largo plazo.

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Figura 7: Viscosidades de un asfalto original y envejecido

La perdida de durabilidad a lo largo de estos procesos, que no pueden evitarse sino solo controlarse, se denomina “envejecimiento” y su importancia es tal que merece una serie de consideraciones que se presentan a continuación. Procesos de envejecimiento El envejecimiento puede ser causado por uno, o varios, procesos diferentes: oxidación, volatilización, polimerización, tixotropía, separación y sinéresis; sin embargo el efecto será siempre el mismo: reducción de vida útil ya que el asfalto se vuelve quebradizo, pierde sus propiedades de adhesión y cohesión, e inclusive puede ocurrir una perdida del contenido original de asfalto en la mezcla ya que algunos de los productos provenientes del envejecimiento son solubles en agua. Oxidación Es el proceso mediante el cual algunos de los componentes del asfalto reaccionan con el oxigeno presente en el aire y en el agua. Los componentes que mas se oxidan son los asfaltenos que se convierten en carbón, luego las resinas que pasan a ser asfaltenos, y en menor grado los aceites que pasan a ser resinas y asfaltenos. Como consecuencia de este cambio en las proporciones de los componentes del asfalto, se van perdiendo las propiedades de flexibilidad y adherencia. La rata de la oxidación se hace exponencial con el aumento de temperatura y con el

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espesor de la película de asfalto que se oxida, y con la concentración de oxígeno en el ambiente. Depende indudablemente del origen y tipo del crudo. Este proceso es responsable por cerca del 90% del envejecimiento de los asfaltos. Volatilización Es la evaporación de los constituyentes de menor peso molecular, normalmente los aceites con peso menor de 400, lo que conduce a que el líquido se transforma en un fluido mas viscoso. Este fenómeno depende del tipo de asfalto, del proceso de refinación y de la temperatura a la cual el asfalto se maneja en obra. Normalmente no es un factor importante en el envejecimiento de un asfalto en obra. Polimerización Consiste en la combinación de moléculas similares para formar otras más grandes; el incremento en el peso molecular significa que las resinas y los aceites han pasado a ser asfaltenos. Tixotropía Este fenómeno consiste en un incremento de la viscosidad con el tiempo, en una condición de “cero carga”. Se desarrolla una estructura que no es otra cosa que la modificación de los enlaces de los hidrocarburos. Esta estructura puede ser rota por el calentamiento o por elevadas deformaciones por corte, como las que suceden durante el mezclado del asfalto y el agregado en una planta por terceos. Normalmente se presenta en pavimentos con poco o ningún transito y su magnitud es función de la composición del ligante. Separación Se conoce con este nombre a la perdida de aceites, resinas o inclusive asfaltenos, debido a una absorción selectiva dentro del agregado sobre el cual ha sido aplicado. Puede ocasionar endurecimiento del asfalto si la absorción es de resinas o aceites, o también ablandamiento si la absorción es de asfaltenos. Sinéresis Es la reacción de exudación o migración de líquidos hacia la superficie de una mezcla debido a la formación de una estructura que permite la generación de un aceite muy ligero, con cuerpos intermedios y pesados. Este aceite, una vez en la superficie, puede ser lavado por la presencia de agua sobre la mezcla. La Figura 8 permite ilustrar la variación en la penetración de diversas mezclas, elaboradas con distintos ligantes, en función del tiempo de servicio. Como se observa, todas y cada una de las mezclas sufrió una disminución en la penetración con el paso del tiempo y que, cuando la penetración alcanzo cifras por debajo de

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las 30 dmm, comenzaron a presentarse las primeras señales de agrietamiento en las mezclas.

Figura 8 Penetración –vs- meses en servicio. (Fuente: Kandhal, NCAT)

La Figura 9 muestra que el proceso de envejecimiento no es solo función del tiempo sino que, de una manera muy marcada, este proceso se acelera cuando una mezcla en campo tiene un contenido de aire muy alto. En esta figura todas las muestras fueron analizadas después de cinco (5) años de servicio. Las mezclas fueron elaboradas con un mismo ligante, de 100 dmm de penetración original, la cual se redujo inicialmente a 70 dmm al concluirse el proceso de mezclado en planta.

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Figura 9 Efecto del contenido de aire en el envejecimiento. Fuente: The Shell Bitumen Handbook.

Transcurridos los cinco años los pavimentos con vacíos totales menores al 5% presentan penetraciones en el orden de 60 dmm –todavía alejada de la penetración de 30 mm, valor para el que, según la Figura 8 se comienza a presentar el agrietamiento–. Los pavimentos con vacíos totales mayores del 5%, por el contrario, ya habrán alcanzado o estarán con penetraciones aun menores a 30 dmm, con la consecuente probabilidad de agrietamiento prematuro. Este gráfico señala la importancia de controlar adecuadamente los vacíos de la mezcla, tanto por un buen diseño como por una adecuada compactación en obra. En resumen, existen muy pocas acciones que puedan ser tomadas después de que el proceso de envejecimiento se ha iniciado; lo que debe hacerse es minimizar su velocidad de avance mediante acciones como: A. diseño adecuado de las mezclas para obtener vacíos bajos B. diseño adecuado de mezclas seleccionando mezclas con granulometría densa y evitando mezclas con granulometría abierta C. control en las temperaturas de almacenamiento y mezclado del ligante, evitando superar las máximas recomendadas según el tipo de asfalto D. control de la temperatura de calentamiento de los agregados en la planta de mezclado, tratando de que sean calentados a la misma temperatura que el asfalto y en todo caso evitando que excedan los 170 ºC E. reducción al mínimo del tiempo de mezclado del asfalto y los agregados F. verificación de los procesos de compactación en campo con el fin de que pueda ser obtenida la densidad establecida en el proyecto

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Adherencia La adherencia es la capacidad de un ligante asfáltico para pegarse mientras está caliente, y mantenerse unido a un agregado después de enfriarse, aun en presencia de agua y paso de los vehículos. La adherencia es una propiedad inherente al asfalto, pero depende también del agregado: existen agregados con afinidad por el asfalto (hidrofóbicos), los cuales la separación de la unión asfaltoagregado es mas difícil que aquéllos que son afines al agua (hidrofílicos). La adherencia se mide en la combinación asfalto-agregado, ya sea por ensayos de inmersión estática o dinámica, y mejor aun por la medición de la pérdida de estabilidad mecánica de la mezcla, comparando la resistencia de mezclas condicionadas y la de mezclas normalizadas. En el capítulo referente al diseño de mezclas se tratará el tema de la sensibilidad de las mezclas al efecto del agua. Cohesión La cohesión es la habilidad de un material asfáltico para mantener firmemente unidas las partículas de agregados, después de que la mezcla ha sido compactada y se ha enfriado a la temperatura ambiente. Es el aporte fundamental del líquido asfáltico al unirse a la fracción fina de la combinación de agregados, especialmente entre los tamaños desde el tamiz # 16 al # 100, formándose un “mastique asfáltico” cuando cada partícula de esta fracción es cubierta por el ligante. Esta propiedad, al igual que la adherencia, se mide en el sistema “asfaltoagregado” y será nuevamente tratada en el capítulo sobre mezclas asfálticas. Algunos investigadores relacionan el ensayo de Ductilidad con las propiedades de adherencia y cohesión, pero por ser un ensayo totalmente empírico esta relación está hoy siendo muy cuestionada y para otros ingenieros el resultado de este ensayo solo indica si es lo suficientemente dúctil como para cumplir los requisitos que se establecen en las especificaciones para este ensayo. En general, sin embargo, se ha demostrado que lo asfaltos que tienen muy baja ductilidad son mas propensos a presentar agrietamiento longitudinal por efecto de las cargas. Pureza La pureza de un asfalto está relacionada con el grado de carencia de materiales insolubles en bisulfuro de carbono. Los asfaltos provenientes de procesos de refinación son, en forma general, mas del 99% solubles y por lo tanto son prácticamente bitúmenes puros. Normalmente, por otra parte, la pureza también se relaciona con que los asfaltos no contengan agua. Un asfalto de refinería está totalmente libre de agua, pero durante su transporte o manejo en planta puede haber agua libre que es atrapada por el asfalto —por ejemplo cuando por descuido se dejan abiertas las ventanas de inspección de un tanque de almacenamiento y

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sucede una lluvia— formándose burbujas que pueden hacer explosión cuando el asfalto se calienta a las temperaturas de trabajo. Este no es un problema del asfalto sino de control de proceso a lo largo de las diferentes operaciones a las que se somete el asfalto en una planta de mezclado y se evita con adecuados sistemas de seguridad industrial. Gravedad específica La gravedad específica de un asfalto es la relación de su masa a una temperatura determinada y la masa de un volumen igual de agua a la misma temperatura. La gravedad específica del asfalto cambia cuando el asfalto se expande al ser calentado. El valor de ensayo para esta propiedad normalmente no se determina en obra sino que es tomada directamente de la planilla de “Certificado de Calidad” que expide la refinería cuando suministra un despacho de material a un contratista. En el caso venezolano, en algunas oportunidades este resultado es reportado a 25 ºC y en otros a 15.5 ºC, por lo cual debe estarse atento a que temperatura de ensayo se hace el reporte de calidad para que los cálculos asociados con la gravedad específica sean hechos correctamente. Relaciones Volumen-Temperatura en los Materiales Asfálticos Las relaciones comerciales de las empresas petroleras se basan en los volúmenes de los materiales a 15,5 ºC. Sin embargo, el asfalto no se manipula a esa temperatura, ya que a ella es sólido o semisólido, según el material que se maneje, y no puede ser bombeado para su trasvase de un sitio a otro. Es necesario, por lo tanto, determinar las relaciones –o equivalencias– entre los volúmenes a las temperaturas reales de trabajo y los correspondientes volúmenes a la temperatura de referencia comercial. Esta relación se obtiene mediante el empleo de la Tabla 3, o de la Tabla 4, denominadas "Correcciones Temperatura-Volumen para Materiales Asfálticos, en Grados C", y la selección de una u otra tabla depende de la densidad (gravedad específica, Gb), a 15,5 ºC, del material asfáltico que se esta manipulando. Este valor es obtenido, a su vez, de los ensayos de laboratorio que elabora la empresa comercializadora, y que son denominados: "Ensayo de Muestra Completa" o “Certificado de Calidad”, y que recibe el transportista cuando carga el material en la refinería. La fórmula empleada es: V15,5 = Vt * Mt

(1)

en donde: V15,5 = volumen del material a 15,5 ºC (valor a determinar)

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Vt = volumen conocido del material, a la temperatura a la cual se está realmente trabajando en el sitio Mt = factor multiplicador obtenido de la Tabla 3, o Tabla 4, según sea el caso, y correspondiente a la temperatura Vt El siguiente ejemplo permite aclarar el empleo de la fórmula: Se está cargando una gandola de asfalto líquido a una temperatura de 82ºC. La gandola será cargada a su capacidad máxima de 35.000 l, y el material tiene un valor de Densidad a 15,5 ºC igual a 0,985. Se pregunta ¿Cuál es el volumen a la temperatura de comercialización? • Solución: Siendo el valor de densidad del material a 15,5 ºC igual a 0,985, debe emplearse la Tabla 3. En ella, y para una temperatura de 82ºC, el factor multiplicador Mt es igual a 0,9585. El volumen a 15,5 ºC será: V 15,5ºC = V82ºC * Mt = 35.000 * 0,9585 = 33.548 l La Tabla 3 que se presenta a continuación permite conocer los valores de densidades a 15,5 ºC de los diferentes materiales asfálticos, en forma al menos aproximada, en caso de que no se disponga de los resultados de los ensayos de laboratorio. Para el Ingeniero de Pavimentos es muy importante conocer el valor del peso específico (Gb) del material asfáltico pero a la temperatura de 25ºC, ya que a esa temperatura es como participa el valor de Gb en los diseños de mezclas asfálticas. La densidad, o peso específico, o gravedad específica, debe ser determinada en laboratorio a ambas temperaturas, para poder, por una parte realizar los cálculos de volúmenes para motivos comerciales, y por otra para disponer de la información necesaria para los cálculos requeridos en un diseño de mezclas. En muchas plantas de mezclado en el tambor se requiere introducir a la computadora el valor de Gb a 15.5ºC.

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Tabla 2: Pesos y volúmenes aproximados, a 15,5ºC, de los materiales asfálticos (Valores aproximados) Tipo y grado

RC-30, MC-30, SC-30 RC-70, MC-70,SC-70 RC250-MC-250,SC-250 RC-800, SC-800,SC-800 RC-3000,MC-3000, SC-3000 Cemento asfáltico 40/50 Cemento asfáltico 60/70 Cemento asfáltico 85/100 Cemento asfáltico 120/150 Cemento asfáltico 200/300 Emulsión asfáltica

Densidad (kg/l)

Litros por kg

0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 1.03 1.02 1.02 1.02 1.01 1.00

1.05 1.04 1.03 1.02 1.01 0.97 0.97 0.98 0.98 0.98 1.00

Con mucha frecuencia, sin embargo, las planillas de reporte de los ensayos sobre los materiales asfálticos, sólo incluyen el valor de Gb a 15,5ºC, valor éste que el ingeniero de pavimentos no es el que requiere para desarrollar sus cálculos. Si recordamos la ecuación de la gravedad específica: Gb(t) = (W /Vt) * (1 / Gwt)

(2)

en donde: Gb(t) = gravedad específica de un material a la temperatura "t" W

= peso del material

Vt

= volumen del material a la temperatura "t"

Gwt

= gravedad específica del agua a la Temperatura "t"

Sustituyendo la ecuación (2) en la ecuación (1), para un mismo peso del una muestra de asfalto (W), y a ambas temperaturas (15,5ºC y 25ºC), se obtiene la ecuación (3), mediante la cual se puede obtener el peso específico del material a 25ºC, conocido su peso específico a 15,5ºC.

Gb25ºC = Gb15,5ºC * Mt * (Gw15,5ºC / Gw25ºC) (3)

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Propiedades químicas y físicas de los materiales asfálticos _______________________________________________________________________________

en donde: Gb 25ºC = peso específico del asfalto a 25ºC Gb 15,5ºC = peso específico del asfalto a 15,5ºC Mt = multiplicador para t= 25ºC, de la Tabla 3 para los materiales del Grupo 0, que corresponden a aquellos materiales con Gravedad Específica mayor a 0.9654 a 15.5 ºC, o de la Tabla 4 para los materiales con Gravedad Específica comprendida entre el rango de 0.8495 y 0.9653. (la tabla se selecciona en función de la gravedad específica del asfalto a 15,5ºC Por otra parte la Gravedad Específica del agua es: Gw 15,5ºC = 0,9988 g/cm3 (valor constante) Gw 25ºC = 0,9970 g/cm3 (valor constante)

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Propiedades químicas y físicas de los materiales asfálticos _______________________________________________________________________________ Tabla 3 Factores de corrección volumen-temperatura para materiales asfálticos del Grupo “0”, con Gravedad Específica a 15.5 ºC mayor o igual a 0.9654

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Propiedades químicas y físicas de los materiales asfálticos _______________________________________________________________________________ Tabla 4 Factores de corrección volumen-temperatura para materiales asfálticos del Grupo “1”, con Gravedad Específica a 15.5 ºC entre 0.8495 y 0.9653

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Apuntes de Pavimentos  Volumen 2          Capítulo 3  Propiedades de ingeniería en los  agregados para mezclas asfálticas                Edición de abril de 2008 

Los agregados para mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

El agregado mineral como componente de las mezclas asfálticas El agregado es cualquier material mineral, en forma de partículas, granos o fragmentos que, adecuadamente proporcionados en diferentes tamaños, conforman una mezcla asfáltica. Los agregados convencionales son las arenas –simplemente cernidas o lavadas–, las gravas de río, naturales por tener sus granos redondeados al ser producto del tamizado del material del banco, o angulares por ser trituradas; y los provenientes de canteras, como las calizas y los granitos, cuyos granos son siempre producto de la trituración y cernido del material obtenido de la voladura de los bancos; y las escorias de acería. Los agregados conforman aproximadamente entre el 90 y 95% del total en peso de la mezcla y sus características físicas y mecánicas son muy importantes ya que la resistencia total de la mezcla depende fundamentalmente del aporte de los granos. Origen de los materiales granulares Los agregados minerales provienen de las rocas, ya sean sedimentarias, metamórficas o ígneas. Rocas sedimentarias Las rocas sedimentarias se forman por la acumulación de sedimentos a medida que el agua se deposita. Los sedimentos pueden ser de origen mineral, como las gravas, las areniscas y las arcillas; de residuos de productos orgánicos, como las calizas y carbones; ser el producto de una reacción química o evaporación, como la sal y el yeso; o de la combinación de cualquiera de estos diferentes tipos de materiales. Las rocas sedimentarias se forman normalmente en capas o estratos, como consecuencia del proceso de sedimentación de los materiales en el fondo de antiguos lagos o mares. Las rocas sedimentarias mas comunes son las areniscas y las gravas de río, que contienen un alto contenido de sílice, y son, por esta razón, llamados “agregados silicios”. Otras rocas sedimentarias muy frecuentes contienen altos contenidos de carbonato de calcio, son denominadas “calcáreas” y las mas común entre estas son las calizas. Rocas ígneas Las rocas ígneas provienen del material fundido (magma) formado en los volcanes y que se ha enfriado y endurecido. Las rocas ígneas pueden ser “extrusivas” si se han formado del magma arrojado fuera de un volcán sobre la superficie terrestre. Estas rocas tienen una apariencia y estructura vidriosa (de grano fino) debido a su enfriamiento violento al ser expuesto a la atmósfera; el basalto y la andesita son ejemplos de rocas extrusivas. El otro tipo de roca ígnea es llamado “intrusiva” ya que se forma del enfriamiento lento del magma que ha quedado atrapado en las profundidades de la corteza terrestre y que posteriormente, debido a movimientos de la corteza terrestre y a procesos de erosión son llevadas a la superficie; su apariencia y estructura es cristalina (de grano grueso). El granito y el gabro son ejemplos de rocas intrusivas. 3-1

Los agregados para mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

Rocas metamórficas Las rocas metamórficas son rocas sedimentarias o ígneas que han sido transformadas por procesos de intenso calor y presión, o por reacciones químicas. Muchos tipos de rocas metamórficas presentan como característica el que sus minerales están alineados en capas o planos paralelos, y son denominadas como “de estructura foliada”; las mas comunes son los gneiss, las pizarras y los esquistos. Las rocas metamórficas de estructura no paralela son “no foliadas”, siendo buenos ejemplos la cuarcita, el mármol y la serpentina. Tipos de agregados para mezclas asfálticas De acuerdo a los procesos de cómo son producidos, los agregados para mezclas asfálticas se clasifican como: naturales, procesados o sintéticos. Agregados naturales Son aquellos que se emplean tal como han sido obtenidos de los saques o préstamos, sin ningún otro procesamiento que la eliminación del “sobretamaño”. Los más comunes son de origen sedimentario, como las arenas y gravas de río; sus granos son redondeados y de textura lisa como consecuencia de la acción de roce entre los propios granos a medida que han sido transportados desde el sitio de deslave hasta el sitio de sedimentación. Su único procesamiento en obra es el cernido (tamizado) para la eliminación de los fragmentos de tamaño mayor a 1,5 pulgadas. Su ventaja radica en su bajo costo, pero pueden presentar un alto grado de variabilidad granulométrica. La resistencia mecánica de las mezclas elaboradas con agregados 100% naturales puede ser baja. Agregados procesados Los agregados procesados son aquellos que han sido triturados y cernidos con el fin de modificar su forma, tamaño y distribución granulométrica, y en un menor grado, su textura. También pueden ser lavados para mejorar su limpieza. Las fuentes más comunes de agregados procesados son las gravas de río y los materiales de cantera. Son mas costosos que los agregados naturales, pero las mezclas que se elaboran con estos agregados resultan con propiedades mecánicas y volumétricas superiores. Normalmente, como resultado de la trituración y cernido se obtienen agregados con diferentes estructuras granulométricas, que deben ser combinados para lograr una distribución de tamaños que satisfaga una especificación determinada. Agregados sintéticos o artificiales Son agregados que no existen en la naturaleza y se obtienen como producto del procesamiento físico o químico de otros materiales. Algunos son el subproducto de procesos industriales como el refinamiento de metales: la escoria de acería o agregado siderúrgico es un material secundario (de desecho) no metálico que se obtiene en la cadena de elaboración de acero. El 3-2

Los agregados para mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

material fundido de descarte (escoria) es vertido en unas grandes copas y transportado a un patio, en donde es descargado y enfriado violentamente mediante chorros de agua, en un proceso conocido como “trituración por agua”. El material al enfriarse produce granos de diferentes tamaños que requieren solamente su tamizado antes de ser llevados a una planta de asfalto. El agregado que se produce en las instalaciones de Sidor en Puerto Ordaz, es un excelente ejemplo de un material artificial, que ha sido empleado con notable éxito en diversas obras de pavimentación en Venezuela. Su limitación radica en que, debido a los costos de transporte, solo es empleado en la zona de influencia de Puerto Ordaz. El otro agregado sintético se obtiene al quemar arcilla o arcilla esquistosa y se obtiene un material totalmente diferente al de sus orígenes. Son típicamente livianos y tienen una alta resistencia al desgaste superficial. En Venezuela este material se conoce comercialmente como “Aliven” y la planta de procesamiento se encuentra en la población de Charallave en el Estado Miranda. No ha sido empleado en obras de pavimentación y presenta también el inconveniente del costo asociado a su transporte a sitios distantes. Características físicas deseables en los agregados para mezclas asfálticas. Independientemente del tipo de mezcla asfáltica, las siguientes propiedades físicas son deseables en los agregados que la constituyen: ° Tamaño y estructura Granulométrica ° Resistencia y durabilidad. ° Forma cúbica. ° Baja porosidad. ° Textura superficial adecuada. ° Buena adherencia. ° Limpieza. ° Gravedad Específica ° Economía Cada uno de ellas influye en las propiedades de la mezcla de una manera determinada, tal como se describe a continuación. Estructura Granulométrica La “estructura granulométrica” o simplemente “granulometría” se define como la distribución de tamaños del agregado que se empleará para “formar” una mezcla asfáltica. Es la característica más importante de los agregados ya que afecta la estabilidad y la trabajabilidad de las mezclas, y constituye, por lo tanto, uno de los requisitos básicos de las especificaciones. Es importante conocer no solo la estructura granulométrica como un sistema integral, sino algunos de sus componentes principales: tamaño máximo (TM) y tamaño

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Los agregados para mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

nominal máximo (TNM); el tamiz # 8, la fracción de “tamaño arena” y el tamiz # 200. Tamaño máximo El tamaño máximo (TM) se define como el tamiz más pequeño por el que pasa el 100% de las partículas. El tamaño máximo afecta la trabajabilidad de la mezcla y su apariencia (textura) superficial: las mezclas con agregados gruesos mayores de 25,4 mm (1 pulgada) son difíciles de trabajar y tienden a segregarse, originando vacíos superficiales desagradables a la vista y que pueden originar disgregación. Las mezclas con TM de 19 mm (3/4”) son de mayor facilidad de trabajo, pero frecuentemente causan segregaciones superficiales, al igual que las de 25 mm. El tamaño máximo afecta también la resistencia al deslizamiento; se ha encontrado que las mejores resistencias se logran con las superficies de textura arenosa, por ello, algunas especificaciones internacionales recomiendan, para capas de rodamiento, un tamaño nominal máximo de 12,5 mm. (1/2"). El tamaño máximo en las mezclas asfálticas influye poco en la estabilidad de la mezcla, a diferencia de las mezclas de agregados sin cementantes, tales como las bases granulares, las cuales alcanzan su resistencia exclusivamente por la fricción interna entre las partículas de agregados. En las mezclas asfálticas, debido a la incorporación del asfalto se logra el desarrollo de la cohesión, que es mayor en las mezclas con mayor contenido de finos, y compensa, y normalmente sobrepasa la disminución la estabilidad por causa de un menor TM. El tamaño nominal máximo El tamaño nominal máximo (TNM) corresponde al tamiz inmediatamente superior al primer tamiz que tiene más del 10% retenido; normalmente es igual al tamiz que sigue al del tamaño máximo. Es muy importante el conocer este tamaño ya que algunas propiedades volumétricas en una mezcla asfáltica están relacionadas con el TNM. Tamaño correspondiente al tamiz # 8 El tamiz # 8 separa, en las mezclas asfálticas, de acuerdo al criterio del Instituto del Asfalto Americano (IDA) 1 la “fracción gruesa” de la “fracción fina”: el retenido en el # 8 se denomina gruesos y el pasante finos. La cantidad del retenido # 8 afecta, por otra parte la textura superficial de la mezcla terminada: mezclas con suficiente pasa # 8 son de apariencia cerrada y uniforme, mientras que mezclas con poco pasa # 8 son de textura superficial gruesa y áspera.

1

La ASTM emplea el tamiz # 4 para separar la fracción gruesa de la fina. 3-4

Los agregados para mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

El Filler o Material Llenante: Se define el “material llenante” o “tamaño arena” como aquella fracción del material que esta comprendida entre el tamiz #16 y el tamiz #100, especialmente la fracción contenida en el tamiz # 30. El material llenante juega un papel muy importante en el comportamiento de las mezclas asfálticas. Aún cuando representa una fracción pequeña en el peso de la mezcla, debido a su tamaño tiene una gran área superficial que afecta sensiblemente las características de las mezclas. Al ser mezclado con el ligante asfáltico forma el “mastique asfáltico” que influye en la estabilidad, cohesión y rigidez de las mezclas, y en el contenido de vacíos, así como en la resistencia a la acción del agua y a las condiciones ambientales. La fracción “pasa el tamiz #200” o polvo mineral El tamaño #200 de la fracción fina es de suma importancia en el diseño y comportamiento de las mezclas asfálticas, ya que por su pequeño tamaño pueden comportarse como un “extendedor de asfalto” que al ser mezclado con el ligante se comporta más como un líquido que como un sólido. Por otra parte, variaciones pequeñas en la cantidad del Pasa #200 puede causar que la mezcla asfáltica resulte con exceso o muy pobre en asfalto, afectándose así las características de diseño de la mezcla. Tal como se ha indicado, sirve para llenar vacíos en la mezcla, pudiendo por ello reducir el contenido de asfalto requerido; sin embargo, debido a su gran área superficial, puede en algunos casos necesitarse la adición de mayores cantidades de asfalto para compensar aquél absorbido por el filler. Se ha encontrado que la relación en peso entre el Pasa #200 y el asfalto efectivo –llamada relación filler-bitumen–, es un índice importante en el comportamiento de las mezclas asfálticas. Algunas normas establecen criterios para esta relación: en general se requiere que sea de 0.6 a 1,8; dependiendo del tipo de mezcla y de su uso propuesto, es decir si es de rodamiento, intermedia o base. El material pasante el tamiz # 200 (0,074 mm) se encuentra formando parte de la distribución granulométrica de los agregados, pero en algunos, de acuerdo a su contenido original, al tipo de mezcla en estudio, y a las propiedades de la mezcla propuesta, se requiere la incorporación de uno importado. Este puede consistir de piedra caliza finamente molida, polvo de roca, cemento portland, cal hidratada, médanos limosos y materiales similares, los cuales deben ser limpios y No-plásticos. Los filler calcáreos pueden mejorar la adherencia de las mezclas asfálticas, mientras que la presencia de arcilla en el llenante mineral es generalmente perjudicial, debido a la tendencia de emulsificar el ligante asfáltico en la presencia de agua.

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Los agregados para mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

Tipos de granulometrías De acuerdo con sus características granulométricas los materiales pueden clasificarse en: densamente gradados, de granulometría abierta, de granulometría discontinua, y de tamaño uniforme. Densamente Gradados: Son agregados que contienen cantidades adecuadas de todos los tamaños, de grueso a fino, incluyendo filler, proporcionados de tal forma de obtener una mezcla densa con pocos vacíos. Las mezclas densamente gradadas tienen un gran número de puntos de contacto entre las partículas, que puede dar una alta resistencia friccional y reducir la posibilidad de trituración de las partículas en los puntos de contacto. Como el contenido de vacíos es bajo son poco permeables. Granulometrías Abiertas: Son materiales con una gradación incompleta, que contienen menos finos que las densas. El número de punto de contactos es menor que en éstas y por ello los esfuerzos entre partículas son superiores. Granulometrías Discontinuas (Skip-Graded): Son agregados que presentan discontinuidades o saltos en su gradación. Granulometrías Uniformes: Estos materiales están constituidos por agregados de prácticamente un tamaño único; y son generalmente utilizados en macadam, sellos y tratamientos superficiales, pero no en mezclas asfálticas. Granulometrías convenientes para las mezclas asfalticas En las mezclas asfálticas en caliente, como norma general, deben preferirse agregados con granulometría densa, pero no exactamente como de “máxima densidad” de acuerdo a la ecuación de Fuller, ya que es necesario que exista un pequeño, aunque suficiente, espacio dentro de la mezcla para que sea ocupado tanto por el ligante como por el aire. Debe recordarse que una mezcla de máxima densidad cumple la ecuación siguiente:

% Pasantetamiz (i ) = (tamanotamiz (i ) / tamano max imo) ^0.45 * 100 y es aquella en que, al menos teóricamente, no existirán espacios ocupados por el aire cuando sea compactada, ya que los espacios dejados por los granos de un tamaño son ocupados totalmente por los granos del tamaño inmediatamente inferior. La Figura I presenta las curvas granulométricas de máxima densidad para agregados con diferente tamaño máximo -desde 2,5" hasta # 30, dibujadas en la forma convencional sobre un gráfico semilogarítmico. Las curvas densas 3-6

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presentan una forma cóncava hacia arriba, con una curva continua suave que se desarrolla desde el tamaño mayor hasta el #200.

Figura I: Curvas granulométricas de máxima densidad en gráfico semilogarítmico

La dificultad en el empleo del gráfico semilogarítmico radica en que no es fácil interpretar de él si un material que siga la forma general de concavidad, es de máxima densidad, o no lo es. Hoy en día se emplea con mucho más frecuencia la "Curva TRB 2 o de Potencia 0.45", en la cual el eje de las abcisas corresponde al tamaño del tamiz elevado a la potencia (0,45), y referenciado a un valor arbitrario que se toma como 100. En estos gráficos, tal como se presenta en la Figura 2, la "curva de máxima densidad", es representada por una línea recta trazada desde el punto de tamaño máximo hasta el punto cero de la escala. Si sobre la misma gráfica se dibuja también la curva correspondiente a los porcentajes pasantes de cada tamiz, se observa directamente el grado de "densidad" de la mezcla, al compararla directamente con la línea de máxima densidad: mientras mas cerca se encuentre de la recta de máxima densidad, la estructura granulométrica será más densa.

2

TRB corresponde a las siglas del Transportation Research Borrad de los Estados Unidos, anteriormente conocido como BPR (Bureau of Public Roads). 3-7

Los agregados para mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

Figura 2: Curva granulométrica de máxima densidad en gráfico TRB

Los límites granulométricos establecidos en las especificaciones de construcción para las mezclas de concreto asfáltico, en nuestro caso en las Normas COVENIN, reflejan los conceptos teóricos relacionados con la distribución de tamaños de los agregados para lograr curvas densas (mezclas I a V en la Tabla 1), y siguen básicamente los límites establecidos por la ASTM y el Instituto del Asfalto de los Estados Unidos para el año 1967. En la Norma COVENIN se incluyeron otras cinco mezclas (identificadas como VI a X) con granulometrías mas abiertas, que no se recomiendan para ser empleadas como componentes del pavimento debido a que no han mostrado buen desempeño a lo largo del tiempo para las condiciones de clima y tránsito de nuestro país. Esta norma (Norma 12-10 del año 1987) refleja realmente el “estado del arte” para finales de la década de los sesenta y presenta las siguientes características en cuanto a las granulometrías que en ella se presentan: (a) las mezclas se identifican por su tamaño máximo (b) las mezclas tienen una posición definida en la estructura del pavimento (c) las mezclas son “finas”, es decir sus limites granulométricos se encuentran muy cerca o por arriba de la recta de máxima densidad correspondiente a su tamaño máximo

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Los agregados para mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

Posición de la capa en la estructura Tipo de mezcla Malla (tamiz) mm Tamaño 37,5

1,5 pulg

25,4

1 pulg

19,1

3/4 pulg

12,5

1/2 pulg

9,5

3/8 pulg

4,75 2,36

#4 #8

0,60

# 30

0,30

# 50

0,15 0,075

# 100 # 200

Rodamiento I 19 mm

Rodamiento o Rodamiento intermedia III IV Designación de la mezcla de acuerdo al Tamaño Máximo 12 mm 19 mm 25 mm Rodamiento II

Intermedia o base V 37 mm 100

100 85/100

65/80 50/65 25/40 18/30 10/20 3/10

100

100

80/100

80/100

70/90

100

80/100

80/100

70/90

60/80

55/75

50/75

50/70

48/65

45/62

35/50

35/50

35/50

35/50

18/29

18/29

19/30

19/30

13/23

13/23

13/23

13/23

8/16

8/16

7/15

7/15

4/10

4/10

2/8

2/8

Tabla 1: Límites granulométricos COVENIN para mezclas de concreto asfáltico densamente gradado (Norma 12-10-1987)

En Venezuela se han construido muchos kilómetros de pavimentos con las mezclas densas, mayoritariamente empleando las Tipo III y Tipo IV, que han arrojado, en general, un muy buen comportamiento. Mas recientemente, sin embargo, y como consecuencia de investigaciones adelantadas en los Estados Unidos sobre algunas de estas mezclas densas “tradicionales”, que habían comenzado a mostrar deformaciones permanentes ante el incremento de cargas por eje que fue autorizado en USA a partir de los años 80, se han propuesto unas nuevas mezclas, en una especificación provisional conocida como “Norma INVEAS-2002”, nombre adoptado en función de la organización (Instituto Venezolano del Asfalto) que ha propiciado esta nueva norma. Estas nuevas distribuciones granulométricas se presentan en la Tabla 2 y fundamentalmente presentan las siguientes diferencias con las de la Tabla 1: (a) las mezclas se identifican a partir de su tamaño nominal máximo (b) la posición dentro de la estructura no depende del tipo de mezcla, sino es definida por el Ingeniero de Pavimentos en función de su criterio. Cualquier mezcla puede ocupar cualquiera posición en la estructura (c) las mezclas son de mayor contenido de grano, o “mas gruesas” y los limites superiores se mantienen similares a los de las mezclas semejantes de la Tabla 1, pero los limites inferiores son menores (tienen mayor porcentaje de material retenido, es decir mayor cantidad de partículas y generan así mayor contacto grano a grano, minimizando la posibilidad de deformaciones permanentes).

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Los agregados para mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

Malla (tamiz) mm Tamaño

TIPO DE LA MEZCLA M25 M19 M12 M9 Designación de la mezcla de acuerdo al Tamaño Nominal Máximo 25.4 mm 19.1 mm 12.5 mm 9.5 mm

37,5

1,5 pulg

100

25,4

1 pulg

90/100

100

19,1

3/4 pulg

< 90

90/100

100

12,5

1/2 pulg

56/80

< 90

90/100

100

9,5

3/8 pulg

56/80

< 90

90/100

4,75

#4

29/59

35/65

44/74

55/85

2,36

#8

19/45

23/49

28/58

32/67

0,30

# 50

5/17

5/19

5/21

7/23

0,075

# 200

1/7

2/8

2/10

2/10

Tabla 2: Especificaciones para mezclas de concreto asfáltico del Instituto Venezolano del Asfalto (2002)

Tal como se ha indicado, las franjas granulométricas resultan de un balance entre la teoría y la práctica. La Figura 3, presenta los límites de las especificaciones para las mezclas asfálticas de rodamiento e intermedias, empleadas en el Experimento Vial de la AASHO, pero señalan, además, zonas de posibles problemas si una mezcla específica llegase a caer en las áreas indicadas. La gran mayoría de límites granulométricos adoptados por las diferentes organizaciones se basan en los criterios de Densidad Fuller y por la práctica de comportamiento resumida en la Figura 3. Debe recordarse que los límites son una muy buena guía en la selección de una especificación granulométrica, pero la experiencia en el uso de materiales locales, aún cuando no cumplan con tales límites, puede hacer recomendable que tales materiales si puedan ser empleados. En la Figura 4 se presentan, con un fin comparativo, una serie de curvas granulométricas de tamaño máximo de 1", empleadas en diversos estados de los Estados Unidos, con diferencias marcadas entre una y otra. Algunas de esas mezclas no satisfacen los criterios particulares de las Normas COVENIN o INVEAS, y sin embargo, en el Estado particular en el cual se emplean han arrojado excelentes comportamientos.

3-10

Los agregados para mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

Figura 3: Curvas granulométricas de las mezclas asfálticas empleadas en el Experimento Vial de la AASHO y las zonas de comportamiento crítico

Figura 4: Curvas granulométricas de “TM 1" empleadas en diversas regiones de los Estados Unidos

3-11

Los agregados para mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

Otros tipos de mezclas asfálticas En Venezuela, como resultado del estudio de materiales locales para mezclas asfálticas en caliente, se implantaron las "mezclas de bases asfálticas en caliente" y las de "arena asfalto en caliente", con los límites granulométricos indicados en las Tablas 3 y 4. Porcentaje pasante el tamiz (mm) (pulg)

Tipo de mezcla 37.5 (1.5”)

25.4 12.5 9.5 4.75 2.36 0.60 0.30 0.15 (1”) (1/2”) (3/8”) (#4) (#8) (#30) (#50) (#100) BAC-1 100 72/100 60/94 49/79 38/63 18/40 10/30 6/21 BAC-2 100 75/100 50/82 40/75 30/60 22/48 12/34 */27 5/20 Tabla 3 Especificaciones granulométricas COVENIN12-11, para mezclas de base asfálticas en caliente mediante el empleo de materiales locales sin triturar

0.074 (#200) 2/12 2/12

En la Tabla 4 se han incluido los límites granulométricos para las mezclas tipo “arena asfalto” y “sheet asphalt” que el Instituto del Asfalto Americano (IDA) recomienda para estas mezclas finas, ya que las correspondientes a la Norma COVENIN no se recomiendan ante la mala experiencia que se ha observado en los pavimentos que se han construido con estos límites de la Norma 12-18 Tipo de mezcla COVENIN 12-18 IDA(arena asfalto en caliente) IDA(sheet asphalt)

Porcentaje pasante el tamiz 1.18 0.60 0.30 #16 #30 #50 20/100

9.5 3/8” 70/100

4.75 #4

2.36 #8 35/100

100

80/100

65/100

40/80

25/65

100

95/100

85/100

70/95

0.15 #100

0.074 #200 0/20

7/40

3/20

2/10

45/75

20/40

9/20

Tabla 4 Especificaciones granulométricas COVENIN 12-18, para mezclas de arena asfalto en caliente mediante el empleo de materiales locales

Resistencia y durabilidad Los agregados deben ser lo suficientemente estables ante los efectos impuestos por el manipuleo durante su paso a través de la planta de asfalto – que producen choques entre granos y de granos con componentes metálicos de la planta–, y procesos de compactación en las etapas de construcción, y ante los esfuerzos impuestos por las cargas en el período de acción bajo el tráfico. Estos efectos y esfuerzos tienden a triturar y degradar las partículas, y la habilidad de un material para mantener su granulometría original ante ellos, se define como su resistencia. Los ensayos que se utilizan en Venezuela para medir la resistencia de los agregados a estos efectos y esfuerzos son el de Desgaste Los Ángeles (DLA) 3-12

Los agregados para mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

normalizado por la ASTM bajo el número C 131. Algunos Ingenieros prefieren el ensayo inglés de Impacto aún cuando no esta normalizado en nuestro país.. Este último ensayo refleja mucho mejor el verdadero comportamiento de los agregados bajo los procesos de vibrocompactación. El empleo exclusivo de los resultados de Los Ángeles, sin embargo, debido a lo extenso de su correlación, es, normalmente suficiente para los agregados convencionalmente empleados en Venezuela. Debe señalarse que el ensayo de DLA estará siendo sustituido por el ensayo de “Micro-Deval”, ya que ha mostrado mejor correlación entre sus resultados y comportamiento en obra. En el caso de un agregado que sea la primera vez que se emplea -caliches, escorias, agregados livianos, etc.- conviene emplear no solo el DLA sino el Micro-Deval o el de Impacto. La Norma INVEAS señala los siguientes valores para el DLA: Posición de la capa en la estructura del pavimento Rodamiento Distinta a rodamiento

DESGASTE LOS ANGELES (ASTM C-131) TIPO DE TRÁNSITO ALTO MEDIO < 40% < 45% < 45% < 50%

BAJO < 45% < 50%

La resistencia de un material depende no sólo del tipo de mezcla en la cual vaya a ser utilizado, sino de la posición de esa mezcla dentro de la estructura total del pavimento: una mezcla de rodamiento deberá exigir los mejores materiales, que la misma granulometría en una mezcla intermedia. Durabilidad: Los agregados deben ser resistentes a la disgregabilidad, es decir a la acción química que produce la rotura y degradación de las partículas, lo cual normalmente se produce, y acelera, en la eventual presencia de aguas básicas o sulfatadas. El efecto de la disgregación es menos severo en mezclas asfálticas que en agregados no tratados, ya que la película de ligante protege al agregado y minimiza el proceso. Por otra parte, se debe ser más estricto en las mezclas expuestas a la acción directa del agua (mezclas de rodamiento), que a las mezclas que no lo están (intermedias o de base). La durabilidad de los materiales se evalúa, de acuerdo a las normas venezolanas, por el ensayo de Disgregabilidad al Sulfato de Magnesio (ASTM C88). Con el método de ensayo de los sulfatos también se evalúa la resistencia de los agregados a los efectos del proceso de "congeladodescongelado", razón por la cual algunos proyectistas de pavimentos en Venezuela han expresado sus dudas, en cuanto a la aplicabilidad de los límites establecidos en este ensayo, ya que fueron fijados en base a la experiencia en los Estados Unidos, con un clima muy distinto a los nuestros.

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Los agregados para mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

La Norma INVEAS establece los siguientes valores para este ensayo: DESGASTE EN SULFATO DE MAGNESIO (ASTM C-88) Posición de la capa en la TIPO DE TRÁNSITO estructura del pavimento ALTO MEDIO Rodamiento < 15% < 15%

BAJO < 20%

Forma de las partículas La estabilidad de las mezclas depende, en un grado muy alto, de la trabazón de los agregados. Las mayores estabilidades se alcanzan cuando las partículas tienen forma cúbica u octaédrica, es decir "angular", debido a que oponen mayor resistencia a su desplazamiento ante el efecto de una carga. En las mezclas con granulometrías continuas, con agregados gruesos y finos, la angularidad de las partículas finas es más importante que la de los gruesos, debido al mayor número de "puntos de contacto" que logran la trabazón. Angularidad de la fracción gruesa Las partículas alargadas o planas son indeseables, ya que aún cuando resisten al manipuleo, tienden a romperse y a degradarse bajo los efectos de la compactación y del tráfico; por esta razón las normas venezolanas limitan su contenido a porcentajes bajos. Los agregados con partículas de forma redondeada son de más fácil compactación, con lo cual se logran, aparentemente, mayores zonas de contacto entre los granos del agregado y una buena estabilidad, pero debido a su redondez, y menor fricción entre las superficies por su escasa rugosidad, son muy susceptibles a "rodar" o desplazarse al ser sometidas al tráfico, es decir a largo plazo tienden a deformarse. Las mezclas elaboradas con agregados redondeados, por otra parte, sufren los efectos de compactación posterior bajo el tráfico, lo cual puede ocasionar exudación y reducción de la capacidad soporte de la mezcla. Las mezclas de gravas no trituradas (bases asfálticas en caliente), requieren de un control muy cuidadoso en cuanto a su granulometría y contenido de ligante asfáltico, debido a que sus propiedades (estabilidad, flujo) son muy sensibles a las variaciones de estos parámetros. La experiencia venezolana, plasmada en las Normas COVENIN, establece que el agregado grueso tenga al menos un 60% de caras producidas por fractura, para las mezclas de concreto asfáltico. Durante el desarrollo del Método Venezolano para el Diseño de Pavimentos Flexibles, se recomendó que, en zonas de pendiente fuerte y de tráfico muy pesado y lento, esta proporción debe ser incrementada al menos a un 75%. La Norma INVEAS ha sugerido para este ensayo los siguientes valores mínimos: PORCENTAJE DE CARAS PRODUCIDAS POR FRACTURA (COVENIN 1124) Posición de la capa en la TIPO DE TRÁNSITO estructura del pavimento ALTO MEDIO BAJO Rodamiento > 80% > 70% > 60% Distinta a rodamiento > 70% > 60% > 60%

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Los agregados para mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

La Figura 4 ilustra partículas de grava de río de forma redondeada (lado izquierdo) y el cambio que se produce al triturarlas (lado derecho). El ensayo consiste en tomar una muestra de material retenido en el tamiz #4 y agrupar las partículas con forma angular (proveniente de la trituración) y separadamente las de forma redondeada. El peso de la fracción que contiene las partículas “trituradas” entre el peso total de la muestra (redondeadas mas trituradas) se define como angularidad de los gruesos. Este ensayo ha sido normalizado por COVENIN bajo el número 1124.

Figura 4: partículas de agregados redondeadas y trituradas

Angularidad de la fracción fina En los últimos años se ha incorporado el criterio de medición de la angularidad de los finos, lo cual se realiza siguiendo el Método de Ensayo propuesto por la ASTM bajo el número C-1252, y el cual ha sido adoptado dentro de la “Norma Superpave”. El exigir que los finos sean de forma angular asegura un alto grado de fricción interna del agregado fino y permite una mejor resistencia al ahuellamiento. La angularidad de los finos se define como el porcentaje de vacíos de aire presente en las partículas menores a los 2.36 mm (tamiz #8) cuando están levemente compactados; mientras mayor sea el contenido de aire mayor será la angularidad de los finos, debido a que las partículas finas angulares no se deslizan sobre otras con facilidad, dejando, en consecuencia, mayor espacio libre entre ellas. El ensayo, ilustrado en la Figura 5, consiste en dejar caer, una cantidad del agregado Pasante el tamiz #8, con una granulometría especificada, desde un recipiente ubicado a una altura determinada hasta un cilindro de volumen conocido (V), generalmente 100 cc. Conocido el peso de material (W) que ha quedado dentro del cilindro, y su Gravedad Específica Bulk (Gsb) se determina la angularidad de los finos (a) a partir de la siguiente relación: 3-15

Los agregados para mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

a = {(V — W/Gsb) / V}} * 100

Figura 5. :Ensayo de angularidad de los finos

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Los agregados para mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

La Norma INVEAS establece los siguientes criterios en cuanto a la angularidad de los finos: Característica de la fracción fina y Método de Ensayo Angularidad (Método C) ASTM-C-1252(93)

ALTO

TIPO DE TRÁNSITO MEDIO

BAJO

> 40%

> 35%

> 30%

La norma INVEAS, por otra parte, y para garantizar el cumplimiento de la angularidad de los finos, ha incorporado el criterio adicional siguiente: Posición de la capa en la estructura del pavimento Rodamiento Distinta a rodamiento

PORCENTAJE DE ARENA NATURAL TIPO DE TRÁNSITO ALTO MEDIO < 20% < 25% < 25% < 25%

BAJO < 35% < 35%

Textura superficial Se considera que la textura superficial (rugosidad) de los agregados es el principal contribuyente en la resistencia de las mezclas asfálticas a su deformación, llamada estabilidad, debido a la fricción que se desarrolla entre las diversas partículas como consecuencia del grado de textura que presentan los granos. La textura es más importante que la angularidad del agregado en la estabilidad de una mezcla, lo cual se atribuye a que entre las partículas, más que "puntos de contacto" existen "zonas de contacto", y por ello, mientras más rugosa es su superficie más difícil es el desplazamiento de una sobre otra. Adicionalmente, una superficie pulida presenta poca habilidad para mantener la película de asfalto adherida al agregado. Cuando una grava se tritura, alcanza una mayor estabilidad, no sólo por la angularidad que se logra en las partículas, sino por la microrugosidad que tienen las caras fracturadas, ya que ellas no han sido sometidas al proceso de arrastre, que no produce otra cosa que la pulimentación de la superficie de las partículas. El IDA ha sugerido que, cuando se trituren gravas, no se empleen en las mezclas asfálticas hasta que haya transcurrido al menos una (1) semana desde el momento en que fueron trituradas, con el fin de que puedan "desarrollar" mejor la microtextura rugosa. Porosidad La porosidad, en mezclas asfálticas, se define como la propiedad de absorción de asfalto que tienen los agregados. Es conveniente que estos agregados sean algo porosos, para que el asfalto "penetre" dentro de él y se adhiera mecánicamente a cada partícula, lo cual ayuda a evitar el desplazamiento de la película de asfalto que se forma entre las diversas partículas de agregado ante el efecto de las cargas, y a la pérdida de élla ante la presencia y efecto del agua. Los agregados muy porosos, sin embargo, al absorber mucho 3-17

Los agregados para mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

asfalto, requieren contenidos muy elevados de ligante para mantener su contenido efectivo, lo cual puede resultar antieconómico. En ellos puede ocurrir, por otra parte, una "absorción selectiva", proceso a través del cual penetran en el agregado gran parte de los aceites constituyentes del asfalto y se deje en la superficie del agregado un residuo duro, de poca flexibilidad y adherencia, y se puede producir la disgregación prematura de la mezcla. No existen en las normas venezolanas para mezclas asfálticas ningunos requisitos sobre la porosidad de los agregados, pero se considera ideal un agregado que presente una absorción de agua entre un 0,5% y un 1,0%, cuando se realicen sobre él los ensayos de absorción normalizados como AASHTO T-84 y AASHTO T-85, tanto para los agregados gruesos como los finos. El "Método Rice", por otra parte, al cual se hace referencia en el Capítulo sobre las mezclas asfálticas, permite determinar las cantidades de asfalto absorbidas y efectivas, criterios muy importantes en la determinación del contenido óptimo de asfalto en una mezcla. Adherencia La adherencia es la propiedad de un agregado para mantener sobre él la película de asfalto añadida. Depende no sólo del agregado, de su textura y composición química, sino en parte muy importante, del asfalto en sí. Para que una mezcla sea durable, debe existir una buena adherencia entre el agregado y el asfalto, para que se evite la separación de la película de asfalto en presencia de agua. Los materiales hidrófobos, aquellos que repelen la humedad, son los que mejor adherencia tienen con el asfalto, y son de naturaleza básica, como las calizas. Los agregados hidrofílicos, o que presentan afinidad por el agua, son de naturaleza ácida, dentro de los cuales destacan los materiales silíceos (gravas de río), y presentan mayor facilidad para la separación del material y el asfalto. La adherencia puede mejorarse mediante el empleo de productos químicos, o con la adición de cal hidratada a la mezcla, en porcentajes entre 0,5% y 1,0% del peso total de la mezcla. Estas son soluciones técnicamente adecuadas pero normalmente muy costosas o imprácticas. Los ensayos de adherencia se realizan directamente sobre los agregados cubiertos por asfalto -Ensayo AASHTO T-182- o sobre las propiedades de las mezclas ya elaboradas; en el Capítulo sobre las mezclas asfálticas, y bajo el Título de "Sensibilidad de las mezclas asfálticas al efecto del agua", se trata este tema en mayor detalle.

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Los agregados para mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

Limpieza Los agregados gruesos (que en mezclas asfálticas se definen como los retenidos en el tamiz #8) deben estar limpios, sin partículas de polvo o arcillas que los recubran, ya que esto afecta negativamente la efectiva adherencia del asfalto. Aun cuando no está normalizado en Venezuela, debiera ser aplicado el ensayo que se emplea en Argentina y conocido “Ensayo de Polvo Adherido” y el cual ha sido normalizado bajo el número VN-E-68-75. Diseñado en principio para tratamientos superficiales, en la actualidad también se lo está empleando para mezclas en caliente en capas de rodamiento. Este ensayo consiste básicamente en tamizar una muestra entre los tamices 3/8" - Nº4 hasta obtener 500 gr de muestra retenida en el tamiz Nº4. Se seca hasta peso constante, se colocan 200 gr en un vaso precipitado y se agrega 100 ml de agua destilada. Esto se deja en reposo durante 2 horas. Luego se agita con una espátula a razón de 60 vueltas por minuto durante 5 minutos, manteniendo inclinado el vaso unos 30º aproximadamente. Inmediatamente después se vierte el contenido del vaso dentro del tubo de asentamiento graduado hasta alcanzar los 50 ml; ver Figura 6. Se le agrega 1 ml de una solución de sulfato de aluminio al 2%, se agita con un agitador de alambre en espiral para asegurar un mezclado perfecto con el floculante, y se deja reposar durante 24 horas. El volumen del sedimento leído a las 24 horas, indica directamente la cantidad de polvo adherido correspondiente a 100 gr del agregado. El volumen de sedimentado no debe exceder, de acuerdo a los pliegos argentinos donde se aplica esta norma, el valor de 1,0 ml para mezclas densas en caliente y de 1,5 a 2 ml (dependiendo si el material es natural o triturado) para los tratamiento bituminosos simples, dobles o triples.

Nivel de material sedimentado Figura 6: Ensayo del Polvo Adherido. (Ref. R. Adrián Nosetti)

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Los agregados para mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

El agregado fino (definido en las mezclas asfálticas como la fracción pasa el tamiz #8 y retenida en el tamiz #200), y la fracción pasa el tamiz #200, no deben contener cantidades perjudiciales de arcillas, o de tamaños excesivamente pequeños. Este requisito se controla mediante el ensayo de Equivalente de Arena, cuya ejecución es un requisito conveniente si se quiere obtener una mezcla asfáltica adecuada. La Figura 7 ilustra este ensayo, normalizado por la ASTM bajo el código D2419, y el cual consiste en lavar, dentro de un tubo de diámetro y altura normalizada, la fracción Pasa # 4 con un tubo irrigador, empleando agua a la cual se le ha añadido un material anti-floculante para facilitar el mantener en suspensión a la fracción mas fina del material bajo ensayo. La muestra lavada se agita y se deja en reposo durante 30 minutos, lapso después del cual se leen las alturas correspondientes al material sedimentado (lectura Arena) y la del material en suspensión (lectura Arcilla). La relación entre la Lectura Arena y la Lectura Arcilla, expresada como porcentaje, se define como el Equivalente de Arena.

Nivel arcilla

Nivel arena

Figura 7: Lectura del “nivel de arena” y “nivel arcilla” en el Ensayo ASTM D2419

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Los agregados para mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

La norma INVEAS establece los siguientes valores para el Arena Equivalente: Característica de la fracción fina y Método de Ensayo Equivalente de Arena ASTM D2419

ALTO

TIPO DE TRÁNSITO MEDIO

BAJO

> 45%

> 40%

> 35%

El ensayo de equivalente arena no diferencia si la fracción fina corresponde a un material arcilloso o a otro tipo de partículas de pequeña dimensión. Las arcillas, al ser un filosilicatos, en presencia de agua aumentan notablemente su volumen generando tensiones que producen efectos muy nocivos, fundamentalmente en la durabilidad de la mezcla asfáltica. Por el contrario, las partículas no arcillosas de pequeña dimensión pueden ser utilizadas como filler y, si se aportan a la mezcla en proporciones adecuadas, producen efectos beneficiosos. La determinación de la característica del material fino se puede realizar mediante la utilización del Ensayo de Azul de Metileno, Norma Argentina NLT171/90, que se basa en la propiedad de absorción preferencial que poseen las arcillas respecto del azul de metileno, siendo esta capacidad proporcional a la actividad superficial y las propiedades físico-químicas de las arcillas. Gravedad específica (Peso específico) La Gravedad Específica (Gs) se define como la relación entre el peso de un volumen de una cantidad determinada de agregados y el peso de un volumen igual de agua. Este valor se emplea en los cálculos volumétricos de una mezcla asfáltica y en la corrección de la combinación granulométrica de la mezcla de varios agregados, en el caso de que las diferencias de Gs y otro sea mayor de 0.20. En las mezclas asfálticas se emplean tres (3) tipos diferentes de Gravedades Específicas, tal como se ilustra en la Figura 7: (a) Gravedad Específica Bulk (o masiva) = Gsb (b) Gravedad Específica Aparente = Gsa (c) Gravedad Específica Efectiva = Gse De acuerdo a lo indicado en la Figura 8, el volumen empleado en el cálculo de Gsb incluye el volumen total de agregados, que es igual a la suma del volumen de sólidos mas el volumen de la porosidad permeable al agua. Por ser este el mayor volumen que puede ser considerado, es llamado “volumen bulk” y el valor de Gsb es el menor de las tres gravedades específicas que se emplean en el diseño de mezclas.

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Los agregados para mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

Volumen de sólidos (P. Específico Aparente)

Figura 8: Tipos de gravedades específicas de un agregado

La Gravedad Específica Absoluta (Gsa) se calcula empleando solo el volumen de sólidos, llamado “volumen aparente” por lo cual resulta mayor a Gsb. La Gravedad Específica Efectiva (Gse) se calcula empleando el volumen de sólidos mas el volumen de la porosidad permeable al agua que no contiene asfalto absorbido. El valor de Gse es, por lo tanto, mayor que Gsb pero menor a Gsa, ya que considera un volumen que esta comprendido entre el volumen bulk y el volumen aparente, y es llamado “volumen efectivo”. En los cálculos volumétricos asociados con los agregados se emplea también la “Gravedad Específica Saturada Superficie Seca (Gsss), pero este valor no se emplea en las mezclas asfálticas en caliente ya que los agregados son secados y calentados tanto en laboratorio como en planta en caliente, por lo cual pierden toda la humedad. En el Anexo B se describen brevemente los métodos de ensayo y las fórmulas empleadas en el procedimiento de laboratorio para calcular los valores de Gravedad Específica de las fracciones gruesa (Retenida en el tamiz # 8), de la fracción fina (Pasante el tamiz # 8 y retenida en el tamiz # 200) y la fracción llenante (Pasante el tamiz # 200).

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Los agregados para mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

Economía Un último aspecto que no debe ser dejado de lado se refiere a la economía de los agregados, en el sentido de que, aun cuando supeditado a los requisitos de calidad, debe considerarse el empleo de los materiales mas económicos. Así, por ejemplo, si varios materiales satisfacen los requisitos de calidad, deben emplearse aquéllos de menor costo. Selección de agregados locales para mezclas asfálticas en caliente Ante el agotamiento de las fuentes de agregados de alta calidad, debido a su explotación durante varias décadas, y ante la dificultad cada día mayor de abrir nuevos sitios de producción —por las leyes de protección del ambiente— se ha hecho necesario el recurrir a materiales de inferior calidad a aquéllos ya aceptados para concreto asfáltico, llamados "materiales locales". Esta experiencia comenzó en Venezuela a finales de la década de los sesenta, básicamente ante los elevados costos de transporte de materiales adecuados: de allí nacieron las especificaciones de "Bases Asfálticas en Caliente" y las de "Arenas Asfaltos en Caliente". En 1979 el IDA publica en uno de sus manuales de su "Serie Educacional", el ES-7, los siguientes comentarios que, sin duda alguna, tienen el mismo carácter de vigencia en nuestro país: • "Materiales locales que habían sido considerados anteriormente como "marginales", deben ser reevaluados como posibles fuentes de agregados para las mezclas asfálticas" • "Usualmente, cualquier agregado o mezclas de agregados, que sea aceptable como sub-base no-tratada, puede ser considerado como un agregado adecuado para mezcla en caliente, teniéndose cuidado en cumplir con adicionalmente con los requisitos siguientes: el Desgaste Los Angeles para los materiales a emplear en mezclas de rodamiento no debe exceder el 40%, y si va a ser empleado en mezclas intermedias o base, no debe exceder el 55%. Un agregado determinado, sin embargo, que no cumpla estas normas, pero que presente un registro adecuado de uso, puede ser también considerado para su uso en mezclas asfálticas en caliente." Bajo este concepto de "economía y calidad de un proyecto", pueden estudiarse agregados tales como: mezclas integrales de piedra picada, gravas no cernidas, granzones ligeramente arcillosos, arenas naturales, etc. La publicación citada recomienda, sin embargo, el analizar las propiedades siguientes:

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Los agregados para mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

• Tamaño y granulometría El tamaño máximo no debe exceder de 1,5", ya que con ese tamaño no deben causarse problemas de segregación durante las etapas de mezclado, colocación y compactación. Tamaños hasta 2,5" pueden considerarse si las capas se colocarán en espesores de 10 cm ó más, aún cuando se prevén problemas en su manejo y podrán requerirse ajustes en la planta de asfalto. El tamaño máximo, por otra parte no debe ser menor a 2,36 mm (tamiz #8). Se han elaborado mezclas de arena asfalto en caliente con materiales 100% pasante el tamiz #16, pero han sido difíciles de secar y calentar adecuadamente en la planta. El porcentaje de material pasante el tamiz #200 es una característica muy importante ya que afecta notablemente la estabilidad de las mezclas. En la mayoría de las veces no debe exceder el 10%, y no debe ser mayor de 2/3 del pasante el tamiz #40. Este requisito es muy importante. Es conveniente comentar, por otra parte, que la granulometría típica de un agregado natural difiere de uno de granulometría densa: los agregados naturales, dibujados sobre una curva semilogarítmica, tiene una forma de "S" (Figura 9) mientras que los de granulometría densa son "cóncavos hacia arriba" (Figura 10) Las experiencias venezolanas en el empleo de estos materiales sub-estándar comprende carreteras como: Carretera Morón-Coro, Estados Carabobo y Falcón (1967-1969); Carretera La Ceiba-El Tejero-Punta de Mata, Estados Monagas y Anzoátegui (1972), Carretera Santa Rosa-Aragua de Barcelona, Estado Anzoátegui (1972), Valle de la Pascua-Pariaguán, Estados Guárico y Monagas (1986) y Carretera El Burro-Puerto Ayacucho, Estado Amazonas (1986). El trabajo mas reciente, ejecutado entre los meses de febrero y junio del año 2002, es en la Carretera El Baúl-Límite Barinas, Estado Cojedes, en la cual se colocaron cerca de 33.000 ton de mezcla elaborado con materiales de un préstamo local con Índice Plástico cercano al 6%. Sobre la curva granulométrica de los agregados naturales valen las observaciones siguientes: la pendiente es mayor en la sección media que en las otras porciones de la curva. Se conoce que esta pendiente afecta la adecuación de un agregado potencialmente utilizable en mezclas asfálticas: una curva excesivamente pendiente indica un predominio de un tamaño uniforme en el agregado, tal como es el caso en las arenas de río y de médano. Las mezclas asfálticas elaboradas con estos materiales tendrán vacíos muy altos y estabilidades bajas; la mezcla colocada y compactada tendrá características de una "mezcla blanda", es decir que toma algún tiempo para "asentarse".

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Los agregados para mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

Figura 9: Curva granulométrica típica (en forma de “s”) de un agregado de granulometría natural sin procesar

Figura 10: Curva granulométrica típica (cóncava hacia arriba) de un agregado de granulometría densa

Tal como se ha mencionado, la pendiente de la sección media de la curva granulométrica no debe ser excesivamente pendiente. Para determinar si dicha pendiente está dentro de límites aceptables, puede procederse de la siguiente manera: 1. Se dibujan unas líneas horizontales en los puntos de 25% y 75% pasantes, hasta cortar la curva granulométrica en dos puntos. Se unen ambos puntos por una línea recta y se prolonga hasta cortar los extremos del gráfico, tal como se indica por la recta A-A en la Figura 11. 2. En el punto de 0% pasa el tamiz #200, se dibuja otra recta paralela a la A-A y se extiende esta recta hasta cortar la parte superior del gráfico, tal como se muestra en la recta B-B de la Figura 11. 3. Si el punto de intersección de la recta B-B corta al porcentaje de 100% entre los tamices de tamaño #4 y #16, la pendiente de la curva granulométrica cae dentro de límites aceptables. Cualquier agregado natural que cumpla con estos límites puede emplearse con éxito en la elaboración de mezclas asfálticas en caliente. Algunas arenas no cumplen este requisito, pero pueden emplearse en mezclas para capas base. • Limpieza Para garantizar un adecuado grado de limpieza de un agregado natural, como de cualquier otro agregado, debe realizarse una comparación de los porcentajes pasantes en el tamiz #200, tanto por la "vía seca", como por la "vía húmeda". Una diferencia apreciable en ambos porcentajes, normalmente mayor al 50%, indica la presencia de cantidades apreciables de partículas de arcilla. En Argentina emplean el criterio de que la Plasticidad de la fracción Pasa #200 debe ser menor al 6% y de la fracción Pasa #40 menor del 9%. También es conveniente ejecutar el ensayo de Arena Equivalente, y su valor no debe ser menor al 30%. 3-25

Los agregados para mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

• Adherencia La mayoría de los agregados naturales tienen tendencia a la denudación del asfalto en presencia de agua, pero este efecto puede ser minimizado a través de ajustes granulométricos y del contenido de asfalto, para lograr una adecuada relación de vacíos totales en la mezcla. • Otras propiedades En este tipo de agregados deben aplicarse los requisitos señalados en este mismo capítulo para las otras propiedades de los agregados para mezclas asfálticas, y que no han sido específicamente tratadas en el caso de los "agregados naturales".

Figura 11: Determinación de la adecuación de un agregado natural para su empleo en mezclas asfálticas en caliente

Proporcionamiento de diferentes materiales En la preparación de mezclas asfálticas lo normal es que se empleen materiales con diferentes granulometrías que individualmente no satisfacen las especificaciones granulométricas indicadas en las Tablas 1 y 2, por lo que deben ser combinados para obtener una nueva estructura granulométrica que si cumpla con los límites establecidos en estas tablas. El método de proporcionamiento, o de “combinación de agregados” y se detalla en el Anexo C de este Volumen 2 de Apuntes de Pavimentos.

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Apuntes de Pavimentos  Volumen 2          Capítulo 4  Propiedades de ingeniería   de las mezclas asfálticas                Edición de abril de 2008 

Propiedades de Ingeniería de las mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

Consideraciones en el diseño de mezclas asfálticas Propiedades deseadas de Ingeniería: El diseño adecuado de una mezcla asfáltica de pavimentación debe perseguir el que en ella se obtengan algunas de las propiedades siguientes, aún cuando es muy difícil que en una mezcla se puedan alcanzar todas ellas: • Estabilidad • Durabilidad • Resistencia a la fatiga • Resistencia al deslizamiento • Impermeabilidad • Trabajabilidad • Flexibilidad • Economía Estabilidad La estabilidad de una mezcla asfáltica se define como su capacidad para resistir la deformación ante el efecto de las cargas impuestas por los vehículos. Los pavimentos con baja estabilidad sufren ahuellamientos, corrimientos y ondulaciones. La estabilidad de una mezcla depende de: la fricción interna, de la cohesión y de la viscosidad de masa (inercia). Las mezclas asfálticas al ser un sistema granular—cohesivo resisten los esfuerzos de corte mediante tres parámetros fundamentales, que se detallan en la siguiente expresión:

τ = c + σ tg φ + η∗ dγ/dt Donde: τ = c = σ = φ = η∗ = γ = t =

Resistencia al corte Cohesión o resistencia al corte "inicial" Componente normal al plano de corte Ángulo de fricción interna. Viscosidad de masa Deformación por corte Tiempo en que actúa el esfuerzo

La cohesión (c) es la fuerza aglutinante propia de una mezcla asfáltica para pavimentación, y se corresponde básicamente con el aporte del ligante asfáltico; es independiente del esfuerzo normal y de la velocidad de deformación. El asfalto sirve para mantener las presiones de contacto 4-1

Propiedades de Ingeniería de las mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

desarrolladas entre las partículas del agregado. La cohesión varía directamente con la intensidad de carga, el área cargada y la viscosidad del ligante. Varía inversamente con la temperatura. La cohesión aumenta, hasta un máximo, con el incremento en el contenido de asfalto en la mezcla, y después de este valor comienza a decrecer. Nijboer la designa con el nombre de cohesión verdadera. Este realizó ensayos con mezclas de concreto asfáltico, determinando el valor de “C” para diferentes condiciones de borde: Mezcla de agregados en seco.................................. 0.55 kg/cm². Mezcla de agregados con la adición de agua......... 0.65 kg/cm². Con la adición de C.A. de penetración 50/60 a 20 ºC………………………………………………. 2.00 kg/cm². a 40 ºC……………………………………………….. 0.80 kg/cm². De los resultados anteriores se deduce que la cohesión posee valores bajos y que además con la adición de asfalto ésta depende de la temperatura. El contenido de ligante también es importante, la variación de la C crece hasta un máximo con el aumento de C.A. para luego decrecer. Esta resistencia inicial equivale a la cohesión verdadera de la mecánica de los suelos. Ella está relacionada con la deformación límite necesaria en la dirección del esfuerzo de corte para que la resistencia a la fluencia plástica en la misma dirección se desarrolle completamente; es necesario el aumento de volumen (dilatancia) en las estructuras granulares fuertemente compactadas, reduciéndose así la trabazón entre las partículas de los agregados de manera que pueda existir deslizamiento en los planos de corte. La fricción interna, que es básicamente el aporte de los granos a la estabilidad de una mezcla, depende de la textura superficial, de la forma de las partículas y granulometría del agregado, así como de la densidad de la mezcla compactada, y de la proporción de asfalto en la mezcla. Es una combinación de la resistencia friccional y de la trabazón del agregado dentro de la mezcla. La resistencia friccional aumenta con la rugosidad superficial de las partículas del agregado, y también se incrementa a medida que el área de contacto entre las partículas se hace mayor. La resistencia por trabazón depende del tamaño y forma de las partículas. Para cualquier mezcla, la estabilidad aumenta a medida que aumenta su densidad, lo cual es a su vez función de la granulometría y grado de compactación en el campo o laboratorio. Una cantidad muy alta de asfalto en la mezcla tiende a lubricar excesivamente las partículas y a disminuir la fricción interna del esqueleto pétreo. La componente del esfuerzo aplicado normal al plano de corte, determina una presión de contacto entre las partículas y en consecuencia el desarrollo de la resistencia friccional proporcional al esfuerzo normal efectivo (esfuerzo normal menos la presión hidrostática que pueda existir debido a la fase fluida). La capacidad del material para desarrollar resistencia friccional se expresa por el 4-2

Propiedades de Ingeniería de las mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

ángulo de fricción interna (φ), cuya tangente es la razón entre la resistencia friccional y el esfuerzo normal efectivo, es decir, el coeficiente de fricción interna. Este ángulo de fricción interna se ve disminuido en algunos grados por el efecto lubricante del ligante. La viscosidad de masa: Cuando la magnitud del esfuerzo de corte supera las resistencias friccionales antes mencionadas, el material continúa deformándose a esfuerzo constante, con determinada velocidad (fluencia plástica), desarrollando una resistencia viscosa que es función de la temperatura y de la velocidad de deformación. La resistencia viscosa de la mezcla es muy superior a la del ligante bituminoso aislado, debido a la interacción de las partículas incorporadas al mismo. La viscosidad de la mezcla macroscópicamente considerada, ha sido denominada por Nijboer como "viscosidad de la masa" y su valor es una característica del material, igual a la razón entre la resistencia viscosa medida y la velocidad de deformación a temperatura constante. Puede observarse en el siguiente diagrama de Mohr cómo aumenta la resistencia al corte con velocidades de deformación crecientes para una temperatura de ensayo constante.

Resistencia al corte total Velocidades de deformación > 0 Resistencia al corte “viscosa” η x dγ dt Resistencia al corte “inicial” C

Velocidades de deformación = 0

φ σ3 σ1

Figura 1: Diagrama de Mohr para el ensayo Triaxial a distintas velocidades d deformación y temperatura constante (NIJBOER) Fuente: R. Adrián Nosetti. Apuntes Curso Postgrado, Universidad de la Plata, 2004.

Diferentes investigadores han realizado ensayos de laboratorio que demuestran las relaciones entre la estabilidad y la cohesión y fuerza friccional. La Figura 2 muestra las tendencias generales de la estabilidad en una mezcla de granulometría densa, que presentan tanto el componente de fricción interna, como en el de la cohesión, ante variaciones en el contenido de asfalto, siguiendo la metodología del ensayo Hveem: En este ensayo se han mantenido constante el tipo de ligante, la energía y temperatura de 4-3

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compactación; el tipo, textura superficial, tamaño y distribución granulométrica de los agregados. Sólo ha variado el contenido de ligante.

Figura 2: Influencia del porcentaje de ligante, en una mezcla de granulometría densa, sobre los componentes de fricción y de cohesión de la estabilidad. Fuente: A Short Course on Asphalt Mixes, C.L. Monismith

La Figura 3, ilustra el efecto sobre la estabilidad que tienen tanto el contenido de asfalto, como la textura superficial del agregado y la forma de las partículas. En este ensayo se ha empleado el mismo tipo de ligante asfáltico: la misma energía y temperatura de compactación y la misma distribución granulométrica en cada tipo de agregado, pero se ha variado tanto la forma (triturado o no triturado) y la textura superficial (lisa, microtextura gruesa y fina) Debe recordarse que en esta figura se ilustra fundamentalmente el “efecto friccional”, como aporte de los agregados en el desarrollo de la estabilidad de una mezcla, pero en cada una de las curvas está también presente el efecto del ligante como resultado de la “cohesión” que se genera al mezclarse el ligante con la fracción pasa el tamiz #30, formando el “mastique asfáltico”. En el desarrollo de la propiedad de la “estabilidad”, al igual que en cualquiera de las otras propiedades de una mezcla asfáltica, están participando tanto el aporte de los granos como el aporte del líquido asfáltico, ya que el nuevo material que proviene de la combinación de los granos y del ligante, o mezcla asfáltica, es una unión tan íntima que no puede divorciarse de una manera determinante el origen de ambos aportes 4-4

Propiedades de Ingeniería de las mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

Figura 3: Efecto del tipo y forma del agregado y del contenido de asfalto sobre la estabilidad de una mezcla asfáltica. Fuente: A Short Course on Asphalt Mixes, C.L. Monismith

La consistencia del ligante asfáltico también afecta la estabilidad de una mezcla. En algunas publicaciones, al referirse a los criterios de selección del tipo de material ligante a emplear en una mezcla asfáltica en caliente, se ha concluido que "… en forma general, es recomendable el empleo de asfaltos más viscosos (más duros) en una mezcla asfáltica, con el fin de obtener pavimentos más estables y duraderos." 1 Este principio queda demostrado en la Figura 4, ya que en ella se indican dos mezclas que para cualquier contenido de ligante resultan en estabilidades diferentes, aún cuando ambas están elaboradas con un mismo tipo de agregado, es decir: la misma granulometría, un mismo contenido de caras producidas por fractura y una misma textura. La única diferencia entre ambas mezclas es el tipo de ligante y siempre la estabilidad de la mezcla que contiene el asfalto más duro (40-50) es mayor que la de aquella otra que tiene el asfalto más fluido (85-100). El ligante mas viscoso produce mezclas con mayor estabilidad, sea cual sea el porcentaje de asfalto en la mezcla. En el caso de mezclas formadas por agregados con altos porcentajes de agregados triturados y con alta angularidad en los finos, la diferencia entre estabilidades obtenidas con diferentes ligantes puede no ser alta, ya que, tal como ha sido comentado, el aporte de la cohesión es un componente mas bien bajo en la estabilidad total, y casi toda ella proviene de la trabazón entre los agregados. Este no será el caso en que se empleen materiales exclusivamente arenosos, como los que se encuentran en el Estado Apure; en estas mezclas puede ser un factor determinante el seleccionar el asfalto mas duro que sea posible. 1

Corredor Gustavo: “Apuntes de Pavimentos, Volumen II, 1989, Universidad Santa María, Caracas. 4-5

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Figura 4: Efecto de la consistencia del ligante sobre la relación entre la estabilidad de una mezcla y su contenido de asfalto. Fuente: A Short Course on Asphalt Mixes, C.L. Monismith

La Figura 5 presenta resultados similares en una mezcla ensayada bajo el Método Marshall: para un mismo agregado, con una misma forma, textura superficial y distribución de tamaños, se obtienen mayores estabilidades a medida que se utilizan asfaltos de menor penetración, o “más duros”: a menor penetración mayor estabilidad. La Figura 6 ilustra el efecto de la viscosidad de un asfalto, en este caso medida como “punto de ablandamiento”, sobre la resistencia al ahuellamiento de una mezcla sometida al ensayo de “Wheel tracking”, o paso continuo de una rueda sobre la muestra: mientras mayor es el punto de ablandamiento, mas viscoso es el ligante y por lo tanto menor es su ahuellamiento.

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Propiedades de Ingeniería de las mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

Figura 5: Efecto de la penetración en la estabilidad Fuente: The Shell Bitumen Handbook, 1990

Figura 6: Efecto de la viscosidad (punto de ablandamiento) en la deformabilidad de una mezcla Fuente: The Shell Bitumen Handbook, 1990

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Al comentar sobre la fricción de una mezcla asfáltica se hizo referencia a su densidad: a mayor densidad mayor estabilidad. La Figura 7 ilustra, mediante resultados de ensayos de laboratorio tal afirmación: si se toma cualquiera de las dos curvas representadas -por ejemplo la correspondiente a "asfalto de alta viscosidad"- se observa que para una densidad lograda mediante la aplicación de "60 golpes" de un martillo de compactación, que se define en este gráfico como "densidad 100%", se obtiene una estabilidad de 1.750 unidades (en este caso "libras del ensayo Marshall", que será descrito más adelante).

Figura 7 Efecto de la densidad y de la viscosidad del ligante sobre mezclas asfálticas en caliente compactadas siguiendo el Método Marshall. Fuente: U. S. Department of Transportation: Hot Mix Bituminous Paving Manual, 1985.

Al compactar esta misma mezcla con 40, 20, 10, 5 y 2 golpes -lo que significa que se obtuvieron densidades de 98,9%, 97,2%, 95,3%, 93,8% y 91,7% respectivamente-, la estabilidad fue reduciéndose a medida que se disminuía la densidad, alcanzándose en cada caso estabilidades de 1.240 lbs, 770 lbs, 420 lbs, 250 lbs y 180 lbs. Este gráfico hace resaltar, de una manera dramática, la necesidad de que las mezclas se compacten a la densidad establecida en las especificaciones de construcción, con el fin de lograr un adecuado comportamiento de las mezclas asfálticas. La Figura 7 es, por otra parte, una ratificación de lo expuesto en cuanto a la influencia de la viscosidad del ligante sobre la estabilidad de las mezclas, ya que para la mezcla con

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Propiedades de Ingeniería de las mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

asfalto más viscoso se obtuvieron siempre mayores estabilidades que para aquella con asfalto más fluido. La figura 8 ilustra de otra manera el efecto de la densidad en la estabilidad de una mezcla asfáltica: en este caso se ha compactado el mismo agregado, empleando un mismo ligante y éste a una misma temperatura, pero se ha variado la energía de compactación: 100, 75 y 50 golpes por cara de la briqueta Marshall. Se observa que para contenidos de ligante entre un 4 y un 5.2% para la mezcla con mayor energía de compactación (mayor densidad) se obtiene mayor estabilidad. En contenidos de ligante mayores al 5.2% ya no se nota una diferencia apreciable, debido a que las partículas del agregado han perdido en contacto “grano a grano” y la estabilidad depende fundamentalmente de la cohesión, que es similar en cada mezcla. 4,500 4,000 3,500

Estabilidad (lbs)

3,000 2,500 2,000 1,500

100 golpes

1,000

75 golpes

500

50 golpes

4.0

4.5

5.0 % C.A.

5.5

6.0

Figura 8: Efecto de la energía de compactación (densidad) en la estabilidad Fuente: Corredor, G.& Sánchez L., F.: información básica en el desarrollo del Sistema Ramcodes, 2002

El Cuadro 1, tomado de la misma referencia de la Figura 8, permite presentar otro enfoque al efecto de la densidad sobre la estabilidad: para los tres diseños se ha seleccionado el porcentaje de ligante que resulta en el mismo 4% de contenido de aire: 5.0% de C.A. para el diseño con 100 golpes, 5.5% para el de 75 golpes y 6.2% para el de 50 golpes. Los correspondientes valores de densidad son: 2.360, 2.348 y 2.330 kg/m3; y las estabilidades son de 3.275, 2.700 y 2.600 lbs Marshall respectivamente. Así, para un mismo contenido de aire (4%) la estabilidad se incrementa con la densidad, debido al mayor empaquetamiento entre partículas del agregado logrado al aplicarse un mayor número de golpes por cara, y a mayor empaquetamiento se logra un 4-9

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mayor contacto “grano a grano”, por lo tanto una mayor fricción interna entre las partículas y el desarrollo de una mayor estabilidad.

Golpes por cara 100 75 50

% C.A. 5.0 5.5 6.2

Cuadro 1 Efecto de la densidad en la estabilidad % Vv Estabilidad Peso Flujo Marshall Unitario (0.01 pulg) 4.0 3.275 2.360 14.8 4.0 2.700 2.348 13.0 4.0 2.600 2.330 16.0

VAM (%) 13.1 13.8 15.4

Vll (%) 67 71 75

Fuente: Corredor, G.& Sánchez L., F.: información básica en el desarrollo del Sistema Ramcodes, 2002

La estabilidad se ve influenciada además, por la temperatura a la que se compacta la mezcla ya que, para una determinada energía de compactación —número de golpes del martillo en el laboratorio y veces que se pasa la compactadora en obra— se afecta la densidad en función de la temperatura a la que se compacte, y tal como se ha comentado en la figura 7, la densidad a su vez afecta la estabilidad. La Figura 9 demuestra el efecto de la temperatura en la densidad de una mezcla asfáltica en la que se mantienen constantes la forma, textura y granulometría del agregado, y el tipo y cantidad de ligante, así como la energía de compactación; lo único que se modifica en esta figura es la temperatura a la cual se compacta la mezcla.

Vacíos totales en mezcla compactada (% del valor a 275 ºF)

800 700 600 500 400 300 200 100 0 350

325

300

275

250

225

200

175

150

125

100

Tem peratura de com pactación (ºF)

Figura 9: Efecto de la temperatura en la densidad (contenido de aire) de una mezcla asfáltica. Fuente: U. S. Department of Transportation: Hot Mix Bituminous Paving Manual, 1985.

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Propiedades de Ingeniería de las mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

Cuando la mezcla se compacta a temperaturas altas, en estos casos mayores a los 275ºF (135ºC), las densidades que alcanza la muestra en el laboratorio son del 100%. Si la muestra tuviese, por ejemplo, un 4% de vacíos totales, el aire ocuparía cerca de 20 cm3 de un briqueta convencional de 4” de diámetro por 2.5” pulgadas de altura. Pero si la mezcla se deja enfriar entre los 250 y 225 ºF (121 y 107 ºC), la cantidad de aire que quedaría formando parte de la mezcla alcanzaría prácticamente el doble: cerca de los 40 cm3. Al incrementarse los vacíos disminuye la estabilidad. Si la mezcla se dejase enfriar aún mas, digamos a los 150ºF (80ºC), la cantidad de aire se triplica, ocupando entonces cerca de 60 cm3. La estabilidad en este caso continuaría disminuyendo en función de la pérdida de densidad, tal como fue comentado en la figura 7. Si recordamos que “vacíos altos” es lo mismo que decir “densidad baja”, no hace falta mas que referirse a la figura 7 para entender la importancia que tiene la temperatura al momento de la compactación, y en consecuencia sobre el futuro comportamiento de la mezcla una vez en el pavimento. Este análisis se ha vertido en la práctica de compactación en obra, y se recomienda que la mezcla se compacte lo mas caliente posible sin que ocurran desplazamientos de la capa, y que la compactación haya concluido antes de que la mezcla alcance menos de los 85ºC El Cuadro 2 puede considerarse, por último, como un resumen de la influencia de algunas de las propiedades de una mezcla asfáltica sobre su estabilidad. En este caso se toma en cuenta la forma de las partículas, el contenido de ligante, el porcentaje de vacíos -es decir la densidad- y se expresa su estabilidad por medio de un factor directamente relacionado con la estabilidad y llamado "coeficiente estructural". Este factor, al cual se hará referencia nuevamente en el Capítulo de los "Métodos de Diseño de Espesores", es a su vez inversamente proporcional a los espesores requeridos en una mezcla asfáltica: una mezcla con mayor estabilidad, vale decir mayor coeficiente estructural, requerirá, para unas mismas condiciones de carga y fundación, menor espesor que otra mezcla con menor estabilidad —es decir menor coeficiente estructural—. De este cuadro se concluye que para una mezcla con un tipo de ligante y de granulometría determinados, las mejores mezclas, en cuanto al criterio de estabilidad se refiere, son aquellas que tienen agregados triturados, textura superficial áspera, contenidos de ligante del "lado pobre de la mezcla", vacíos bajos —es decir altas densidades y altos porcentajes de compactación en campo y/o laboratorio—. Del Cuadro 2 se deduce, por ejemplo, que para una mezcla preparada con piedra picada, un buen diseño de mezcla puede resultar en que el espesor de la capa que se construya con dicha mezcla, sea de 12 cm —si el contenido de ligante es igual al óptimo + 1% y un 5% de vacíos—, o de tan solo 9 cm, si la mezcla fuese diseñada con una cantidad de ligante igual al óptimo menos 1% y un contenido de vacíos del 3%. Esto es posible ya que los “coeficientes estructurales” son de 0.39 para el primer caso y de 0.52 para el segundo.

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Propiedades de Ingeniería de las mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

CUADRO 2 _____________________________________________________________ Variación de los valores de coeficientes estructurales en función de algunas Características de diseño de una mezcla asfáltica de rodamiento (*) ______________________________________________________________ Contenido Porcentaje de vacíos totales (Vv) Tipo de mezcla de ligante 2% 3,5% 5% _____________________________________________________________________ • Concreto asfáltico densamente gradado ° con piedra picada Optimo - 1% Optimo Optimo + 1% ° con agregado de río sin triturar

0,52 0,48 0,45

0,49 0,45 0,42

0,46 0,43 0,39

Optimo - 1% Optimo Optimo + 1%

0,51 0,47 0,44

0,48 0,44 0,41

0,45 0,42 0,38

Optimo - 1% Optimo Optimo + 1%

0,49 0,46 0,42

0,46 0,43 0,39

0,44 0,40 0,36

Optimo - 1% Optimo Optimo + 1%

0,38 0,37 0,36

0,35 0,34 0,33

0,31 0,30 0,29

° con escoria de acería

__________________________________________________________ • Arena asfalto en caliente

__________________________________________________________ (*) Fuente: Rada, J. M. "Tesis de Doctorado en la Universidad de Maryland"., 1986

Queda por comentar el efecto de la limpieza de los agregados sobre la estabilidad de una mezcla; para esto se hace referencia a la Figura 10, la cual es el resultado de una investigación desarrollada en la Universidad Santa María de Caracas. Tal como se observa en esta figura, a medida que el agregado se hace más limpio (mayor % de Arena Equivalente) la relación entre la estabilidad Marshall de una muestra condicionada (8% de vacíos y saturada al 60% y ensayada después de 24 horas en agua a 60ºC + 1 hora en agua a 25ºC) y la estabilidad Marshall de una muestra no condicionada (8% de vacíos, sin saturar y ensayada después de 24 horas al aire + 1 hora en agua a 25ºC) también aumenta. Esta relación se conoce como “Estabilidad Retenida”. Es conveniente apuntar que este ensayo ha sido actualizado rompiendo las muestras en una mordaza Lottman, que permite someter las muestras a un esfuerzo de tensión indirecta, y la relación de cargas entre muestras condicionadas y no condicionadas se define como “Resistencia Retenida”. Actualmente se ejecutan algunas investigaciones en Universidades de Caracas (Central de Venezuela y Santa María), con el fin de definir la relación entre Resistencia Retenida y % de Arena Equivalente. Aun

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Propiedades de Ingeniería de las mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

% de Estabilidad Marshall Retenida

cuando los resultados no han sido publicados a esta fecha, se conoce que la tendencia de los resultados es similar a la obtenida en la Estabilidad Retenida. 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0

10

20

30

40

50

60

70

% de Equivalente de Arena

Figura 10: Efecto de la limpieza (Arena Equivalente) de los agregados en la Estabilidad Retenida. Fuente: Corredor et al, Universidad Santa María, Caracas, 2000.

La tendencia mostrada en la figura 10 ha permitido establecer en la Norma INVEAS el criterio de que sea aceptada una mezcla de agregados que arroje un valor de Arena Equivalente de 35%, siempre y cuando la Resistencia Retenida (RR) Lotmann supere el 60%, aun cuando en otros países se establece una relación mínima de 80% para esta RR Lotmann. El tema de la Resistencia Retenida, por otra parte, será tratada posteriormente en estos Apuntes y con mas detalle, cuando se haga referencia a la susceptibilidad de las mezclas asfálticas al efecto del agua. La estabilidad es, en resumen, una de las propiedades más importantes que debe buscarse en una mezcla asfáltica, ya que de ella dependerá en gran parte el que la mezcla que se diseñe y construya logre un comportamiento adecuado en obra, garantizando un mezcla que no se deforme o desplace ante las cargas pesadas, y que sea resistente ante el efecto de la repetición de cargas (REE o wt18) a la cual un pavimento se ve sometido durante su vida de servicio. Como comentario final correspondiente al tema de la Estabilidad de las mezclas asfálticas, se presenta la Tabla 1 la cual resume las posibles causas que generan una mezcla con bajas estabilidades, y los efectos que las producen. Cuando se diseñe una mezcla deben evitarse las condiciones que causan estas mezclas inestables.

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Propiedades de Ingeniería de las mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

Tabla 1 Causas y efectos de la Baja Estabilidad

Causas Exceso de asfalto en la mezcla Exceso de tamaño medio (arena) en la mezcla

Agregado de partículas redondeadas, pocas o ninguna cara producida por fractura

Efectos Exudación, sartenejal (ondulaciones) y ahuellamiento "Blandura" de la mezcla durante la compactación y por un tiempoposterior de servicio Dificultad durante la compactación Ahuellamiento y canalización

Durabilidad La durabilidad se define como la propiedad de una mezcla asfáltica que indica su capacidad de resistir la desintegración debido al tránsito y, fundamentalmente, al efecto del clima a lo largo del tiempo de servicio en obra. El deterioro debido al clima se origina en los cambios de las características del material susceptible, a saber, el asfalto, debido a los procesos de envejecimiento (oxidación, volatilización, etc.), que determinan una alteración de las cualidades de la mezcla hacia propiedades menos estables ante el tiempo. La durabilidad se incrementa, normalmente, mediante el aumento en el contenido de asfalto, granulometrías densas en la combinación de agregados, y mezclas bien compactadas e impermeables. Una de las razones para aumentar la cantidad de asfalto, es que la película que cubre a las partículas del agregado, resulta en un mayor espesor. Las películas más gruesas son más resistentes a endurecerse por envejecimiento. Esto implica que se requiere mayor tiempo para reducir, a igual grado de fragilidad, una película de asfalto más gruesa, que una película más fina. Otro argumento favorable es que el aumento en la cantidad de asfalto reduce el tamaño de los poros en los vacíos interconectados —o los sella— haciendo más difícil la entrada del agua o del aire al interior de la mezcla. La durabilidad de los asfaltos ha sido ya comentada en el Capítulo 2 de estos Apuntes, pero su importancia en el comportamiento de una mezcla amerita algunos comentarios adicionales.

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Propiedades de Ingeniería de las mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

La Figura 11 muestra el efecto en el envejecimiento de una mezcla o incremento en el “Índice de Envejecimiento”, es decir su pérdida de durabilidad, que en esta figura se define como la relación de viscosidades (viscosidad en un momento determinado entre la viscosidad inicial) a lo largo del tiempo. Se observa de esta figura como la viscosidad se incrementa rápidamente durante la etapa de producción en planta; luego a una rata un poco menor durante la etapa de transporte y colocación en obra, y posteriormente continúa el envejecimiento, a una rata todavía menor, durante el tiempo de servicio en obra. El envejecimiento, en consecuencia, acompaña al ligante desde que se mezcla en planta y a lo largo del paso del tiempo. Pero el envejecimiento no es sólo debido al paso de los años, también se debe, y de una manera muy importante, debido al contenido de aire dentro de la mezcla asfáltica. En la Figura 12 el “envejecimiento” —indicado en la figura como una reducción en la penetración de la muestra y expresada como un porcentaje de la penetración inicial— y demuestra como el ligante se ha vuelto más duro a medida que el porcentaje de vacíos de la mezcla se hace más grande. La razón es que a mayor espacio ocupado por el aire, habrá mayor cantidad de oxígeno en contacto con el ligante y se acelera el proceso de oxidación que, debemos recordar lo ya indicado en el tema de la durabilidad de los asfaltos, transforma las resinas en asfaltenos y los asfaltenos en carbones, es decir se pierden las propiedades de adherencia y de ductilidad del ligante contenido en una mezcla asfáltica.

Figura 11 Variación del Índice de Envejecimiento en las diferentes etapas de la vida de servicio de una mezcla asfáltica. Fuente: Shell Asphalt Handbokl, 1990. 4-15

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Figura 12 Efecto del contenido inicial de espacios ocupados por el aire (vacíos totales) sobre el cambio de la penetración de una mezcla asfáltica después de cuatro años de servicio. Fuente: U. S. Department of Transportation: Hot Mix Bituminous Paving Manual, 1985.

Para resistir la acción del agua se aplican los mismos requerimientos ya señalados para evitar la acción del oxígeno en los espacios ocupados por el aire, a saber: granulometría densa del agregado, altos contenidos de asfalto, y una adecuada compactación. El agua no sólo atacará al ligante, sino que actuará sobre el agregado, y si éste no es suficientemente resistente podrá sufrir el fenómeno de disgregación. Es conveniente, por otra parte, el usar agregados que retengan la cubierta de asfalto aún en presencia del agua. Si la mezcla es cerrada (densa), el desplazamiento del asfalto por el agua, proceso conocido con el nombre de "denudación", generalmente no ocurre. Se debe proveer suficiente asfalto a la mezcla para darle propiedades adecuadas de adhesividad y de cohesión, para así poder resistir las fuerzas de tracción y de abrasión impuestas por el tráfico. Un porcentaje de asfalto insuficiente puede provocar su desalojo de la superficie del agregado. La abrasión puede tener lugar, además, si el asfalto ha comenzado a ponerse frágil por efecto del proceso de envejecimiento. Un sobrecalentamento en el asfalto de una mezcla, ya sea por que él es directamente sobrecalentado, o por que es aplicado sobre un agregado excesivamente caliente, es causa de una posterior fragilidad, facilitándose la abrasión del pavimento ante el tráfico. El sobrecalentamiento es una de las causas más frecuentes del envejecimiento, y se genera en la falta de control 4-16

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de la temperatura de mezclado, ya sea en el asfalto, en los agregados, o en ambos. En caso de suceder el "sobrecalentamiento" de la mezcla durante el tiempo de mezclado en una planta de asfalto -el cual es normalmente de 30 segundos de duración- se produce un daño a la mezcla mayor que aquel que proviene de muchos años de servicio de ese pavimento ante el tráfico. La Figura 13, permite visualizar de una manera dramática el efecto negativo del sobrecalentamiento de una mezcla asfáltica, sobre el comportamiento total de esa mezcla a lo largo de su vida útil. De esta misma figura se observa que no es solo el sobrecalentamiento del asfalto o de los agregados lo que pueda afectar la durabilidad de una mezcla: también un buen diseño de mezcla (adecuado contenido de ligante) y un correcto proceso de compactación en obra —relacionado con el contenido de aire que se obtendrá en el campo— afectan notablemente el comportamiento de un pavimento ante el paso del tiempo, debido a que los procesos de oxidación se realizarán con menor o mayor intensidad y rapidez.

Figura 13: Efecto del sobrecalentamiento y del espesor de la película de asfalto en el comportamiento de un pavimento. Fuente: h. Oglesby: Highway Engineering, 1988.

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Una mezcla que contenga un elevado porcentaje de ligante, con los vacíos totalmente ocupados por ese asfalto, puede proporcionar a la mezcla una mayor durabilidad, sin embargo esto podría no ser conveniente desde el punto de vista de la estabilidad, ya que cuando esa mezcla se coloca sobre la vía tiende a ser compactada adicionalmente, con el efecto final de que la mezcla fluye, o se ahuella, bajo la constante acción de las cargas; también puede producirse el fenómeno de "exudación", es decir el afloramiento del asfalto hacia la superficie produciéndose un pavimento inseguro que puede ocasionar el deslizamiento de los vehículos.

Figura 14: Efecto del contenido de aire en el ahuellamiento de una mezcla asfáltica Fuente: NCAT, Hot mix asphalt materials, mixture desing and construction, 1996

La Figura 14 ilustra esta condición de que a muy pocos vacíos las mezclas tienden a ser deformables, y señala, por otra parte, que a contenidos de vacíos mayores al 8%, el ahuellamiento es prácticamente nulo, y se hace asintótico. Esta figura es de mucha importancia ya que señala que el 8% es un valor máximo práctico del contenido de aire. La estabilidad máxima en una masa de agregados no se alcanza hasta que la cantidad de asfalto sobre las partículas haya llegado a un valor crítico. Una cantidad adicional de asfalto actúa más como lubricante que como ligante, reduciéndose la estabilidad, aún cuando se hay aumentado su durabilidad. Por esta razón es necesario lograr un compromiso entre durabilidad y estabilidad, empleando la mayor cantidad posible de ligante, pero conservando una adecuada estabilidad en la mezcla. La Figura 15 resume estos principios y nuevamente señala el 8% de vacíos totales en una mezcla como el valor máximo recomendable.

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Figura 15: relación entre el contenido de vacíos y la durabilidad de un pavimento Fuente: Instituto Americano del Asfalto, Principios de construcción de pavimentos de mezcla asfáltica en caliente. Manual MS-22, Edición en Español, 1992.

El fenómeno de la durabilidad es mucho menos marcado sobre los agregados: muy poco le puede suceder a las temperaturas normales de trabajo de una mezcla (10ºC mínimo en la carretera en el caso venezolano y un máximo cercano a los 170 ºC durante el mezclado), la Figura 16, sin embargo, ilustra que el contenido de aire dentro de la mezcla si tiene un efecto sobre los agregados, fundamentalmente porque pueden desprenderse de la mezcla por el proceso de disgregación (raveling). De este figura se observa nuevamente la importancia de que una mezcla no presente mas de un 8% de vacíos en campo, ya que la disgregación por debajo de este valor es prácticamente ninguna, pero comienza a mostrarse ligeramente cuando se supera el 8%, pudiendo llegar a ser severa si se alcanzasen contenidos de vacíos superiores a un 14%. La Tabla 2 finalmente resume las causas que generan una mezcla con baja durabilidad, y los efectos que se producen sobre dicha mezcla. Cuando se diseñe una mezcla deben evitarse las condiciones que causan estas mezclas poco durables y que, en forma general, son un adecuado diseño de la mezcla para lograr un contenido de vacíos bajos. Este diseño adecuado significa a su vez una granulometría densa, una densidad alta y un contenido alto de asfalto. El diseño debe acompañarse luego por una apropiada compactación en obra para garantizar unos vacíos bajos en la mezcla sobre la vía.

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Figura 16: Efecto del contenido de aire en la disgregación de una mezcla asfáltica Fuente: : NCAT, Hot mix asphalt materials, mixture desing and construction, 1996 Tabla 2 Causas y efectos de la Baja Durabilidad

Causas

Efectos

Bajo contenido de asfalto

Resequedad o disgregación

Alto contenido de vacíos por mal diseño, o por falta de compactación

Endurecimiento prematuro del asfalto, seguido por disgregación, agrietamiento y/o desintegración La película de asfalto se separa del agregado dejando las partículas descubiertas, con tendencia a la disgregación

Agregados con alta susceptibilidad al agua (hidrofílicos)

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Resistencia a la fatiga Esta propiedad, junto con la estabilidad y la durabilidad, se considera como de gran importancia en una mezcla asfáltica, ya que ella se corresponde con su habilidad para soportar las deflexiones repetidas causadas por el paso de las cargas. Debe recordarse que el proceso de deformación del pavimento y su posterior recuperación, elástica inicialmente y viscoelástica mas adelante, es un mecanismo permanente durante el servicio de un pavimento; como consecuencia de este proceso la mezcla terminará mostrando el agrietamiento propio de la fatiga. Si todo sucede como el Ingeniero de Pavimentos lo había considerado en su diseño, la fatiga sucederá al final del periodo de comportamiento, pero si la fatiga, que se mostrará como un agretamiento del tipo de “piel de cocodrilo”, sucede antes de que este periodo haya transcurrido, se deberá muy probablemente a que las cargas realmente aplicadas exceden las consideradas en el momento del proyecto. El mecanismo de falla por fatiga es fácil de entender, no sucede lo mismo con el proceso que la causa. Debe indicarse que la fatiga no es sólo un problema de materiales y mezclas: su ocurrencia se debe a una serie de factores que deben estar presentes de una manera simultánea. Uno de estos factores es la aplicación de cargas de muy elevada intensidad. Otro factor tiene que ver con la facilidad, o no, con que la sub-rasante drena las aguas: en el caso de un mal drenaje, se presenta la condición de un pavimento débil y de grandes deflexiones ante el paso de las cargas. La calidad de construcción también debe ser considerada como uno de los factores que generan la fatiga: mezclas con altos vacíos son mas propensas al agrietamiento, así como capas de espesores muy pequeños conducirán a fallas prematuras por fatiga. La resistencia a la fatiga aumenta en las mezclas con altos contenidos de ligante, bajos contenidos de vacíos, mezclas de granulometría densa, y aquellas elaboradas con asfaltos de menor viscosidad durante las etapas finales de servicio del pavimento. La Figura 17 ilustra el efecto del contenido de asfalto sobre la resistencia a la fatiga en mezclas densas. Es indudable que en un buen diseño de mezcla debe lograrse un equilibrio entre estabilidad, que hace recomendable contenidos de ligante relativamente bajos, y de la resistencia a la fatiga que, por el contrario, y tal como se observa en la figura 17, hacen prudente el que la mezcla sea “rica” en el contenido de cemento asfáltico. Es oportuno recordar en este momento los criterios Superpave —en función de G*/senδ—.para que la mezcla sea suficientemente elástica para resistir las deformaciones repetitivas sin fracturarse.

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Figura17: Resultados de estabilómetro y ensayos de fatiga en muestras de concreto asfáltico. Fuente: Ygnacio Valley Proyect. C.L. Monismith.

En los últimos años se ha demostrado la importancia que sobre la resistencia a la fatiga tienen los espacios que el aire pueda ocupar dentro de una mezcla asfáltica. La Figura 18 es el resultado de una investigación realizada en el Laboratorio de Caminos de Dinamarca y muestra como aumenta la resistencia a la fatiga a medida que el porcentaje de vacíos totales -es decir el espacio ocupado por el aire- se hace menor.

Figura 18: Relación entre el contenido de vacíos totales y resistencia a la fatiga de una mezcla asfáltica

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La importancia de los vacíos totales, que es un parámetro controlable en una mezcla asfáltica a través del proceso de diseño de la mezcla y de la compactación en obra, quedó también demostrada en una investigación desarrollada en la Universidad de Maryland (USA). En dicha investigación se demostró que, para un pavimento formado por una capa de concreto asfáltico densamente gradado de 17,5 cm de espesor y por una base granular de piedra picada de 25,0 cm de espesor, construido sobre un material de fundación con un CBR de 4%, se obtenían los siguientes valores de repeticiones de carga (REE ó wt18) para el momento de la falla por fatiga de la estructura: • Mezcla en laboratorio: ° Contenido de cemento asfáltico: 5,5% ° Porcentaje de Pasa 200: 6% _______________________________________________ Mezcla % vacíos totales Ciclos para falla por fatiga A 3% 7,33 E(+)6 repeticiones B 5% 2,57 E(+)6 repeticiones _______________________________________________ • Mezcla en campo ________________________________________________ % vacíos % de % vacíos Ciclos falla Mezcla diseño compactación campo por fatiga _____________________________________________ A 3% 97% 5,9% 1,58 E(+6) B 5% 97% 7,9% 0,89 E(+6) _____________________________________________ De esta información, para el diseño analizado, la vida de servicio de la estructura del pavimento se puede reducir de 7,33 millones de repeticiones a tan sólo 0,89 millones de repeticiones —es decir una reducción de 88% en el número de ejes equivalentes que el pavimento puede soportar— debido a un diseño inadecuado de la mezcla asfáltica y a una densificación insuficiente durante la operación de compactación de la mezcla sobre la vía. Podemos concluir que la mejor manera de reducir la posibilidad de una fatiga temprana del material, se deben tener en cuenta las siguientes pautas: 1.- Estimar adecuadamente el número de repeticiones de carga. 2.- Evitar la saturación de la sub-rasante. 3.- Emplear materiales que no se debiliten por la presencia de agua o saturación. 4.- Emplear materiales que sean lo suficientemente deformables para que puedan soportar las deflexiones causadas por el paso de las cargas. 5.- Lograr un buen diseño de mezcla, cuidando especialmente que el porcentaje de vacíos totales en la mezcla esté entre 3 y 5%. 6.- Garantizar un correcto proceso de compactación en obre, de tal manera que se logren vacíos especificados, normalmente menores al 8%.

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La Tabla 3 que se presenta a continuación resume las causas que generan una mezcla con baja resistencia a la fatiga, y los efectos que se producen sobre dicha mezcla. Cuando se diseñe una mezcla deben evitarse las condiciones que causan estas mezclas poco resistentes. Tabla 3 Causas y efectos de baja resistencia a la fatiga

CAUSAS

EFECTOS

Bajo contenido de ligante

Agrietamiento por fatiga

Alto contenido de vacíos durante el diseño de laboratorio

Envejecimiento prematuro del ligante, seguido de agrietamiento por fatiga

Falta de compactación durante la etapa de construcción en campo

Envejecimiento prematuro del ligante, seguido de agrietamiento por fatiga

Resistencia al deslizamiento La resistencia al deslizamiento es la capacidad que tiene el pavimento de proporcionar una fricción adecuada en la interfaz neumático-calzada de rodamiento para obtener buenas condiciones de frenado aún en superficies húmedas. Las características a tener en cuenta en una mezcla asfáltica en relación a la resistencia la deslizamiento son: agregados pétreos con microtextura áspera y no pulimentables, vacíos de la mezcla asfáltica comprendidos entre ciertos límites para evitar la exudación y una macrotextura gruesa final que facilite el drenaje superficial del agua. La característica funcional más importante del pavimento, desde el punto de vista de la seguridad, es el mejoramiento de la adherencia con el neumático. El riesgo de deslizamiento en tiempo de lluvia es algo que se pretende evitar para reducir los accidentes. Los esfuerzos para reducir este riesgo se han desarrollado paralelamente por dos caminos complementarios: por un lado, mejorando sustancialmente los neumáticos y sistemas de frenado de los vehículos; y por otro, avanzando en el conocimiento del mecanismo de la adherencia entre el neumático y el pavimento, dotando a este último de superficies con adecuada fricción. El pavimento contribuye a la resistencia al deslizamiento con pequeñas irregularidades superficiales, mediante las denominadas microtextura (longitud de onda 0—0.5 mm y amplitud de onda 0.01—0.5 mm) y macrotextura (longitud de onda 0.5—50 mm y amplitud de onda 0.01—20 mm).

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La macrotextura puede ser gruesa o fina, la microtextura áspera o pulida; en la Figura 19 se observa esquemáticamente la combinación de estas características.

Figura 19: Características de macro y microtextura Fuente: R. Adrián Nosetti: Apuntes de Curso de Postgrado, Universidad de La Plata, 2002

Para asegurar una buena adherencia neumático-pavimento se necesita siempre una cierta microtextura o aspereza de la superficie del pavimento. Pero, además, a velocidades altas y con pavimento mojado, debe tener una macrotextura suficientemente gruesa, para que se pueda evacuar rápidamente el agua de lluvia. En la Figura 20 se representan esquemáticamente las condiciones de contacto existentes entre el neumático y el pavimento mojado. La interacción entre ambos puede dividirse en tres zonas, que se definen de la siguiente manera: Zona 1: película de agua continua Zona 2: película de agua discontinua Zona 3: contacto en seco En la primera zona, existe una película de agua continua que impide el contacto. En la segunda zona, se ha logrado evacuar la mayor parte del agua, quedando una película discontinua atravesada por algunas asperezas del pavimento, pero no por todas. En la tercera zona, se ha desplazado la película de agua y existe un contacto prácticamente en seco entre el neumático y el pavimento, aunque queda siempre un resto de agua imposible de suprimir hasta que deje de llover y se evapore. Para que esta última zona tenga una dimensión suficiente, hay que eliminar el agua en el acto, por lo que se necesita una capacidad de evacuación mayor de la que proporciona el 4-25

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dibujo del neumático, lo que se consigue con una macrotextura suficientemente gruesa. Al aumentar la velocidad del vehículo o espesor de la película de agua, se reduce la Zona 3 aumentando la Zona 1, de esta manera la adherencia se ve disminuida.

Figura 20: Condiciones de contacto entre neumático y pavimento húmedo Fuente: R. Adrián Nosetti: Apuntes de Curso de Postgrado, Universidad de La Plata, 2002

Los factores requeridos para alcanzar una adecuada condición antideslizante, en cuanto a la mezcla, son aquellos que, a su vez, están asociados con los establecidos para los agregados con el fin de alcanzar altas estabilidades, aún cuando se hace más importante la textura superficial de las partículas. Es una buena solución el emplear en la mezcla asfáltica de rodamiento agregado de diferentes orígenes, caliza y grava por ejemplo, ya que se irán desgastando en proporciones diferentes y siempre existirá un contacto entre grano y neumático. Como regla general, se desean mezclas de granulometría abierta, ya que permitirán el rápido escape del agua, y contenidos de asfalto relativamente bajos, para evitar la posibilidad de la exudación, ya que el asfalto libre en la superficie del pavimento puede provocar condiciones resbaladizas. Como puede observarse de los comentarios anteriores, la “resistencia al deslizamiento” se logra con propiedades en la mezcla que son opuestas a las requeridas para lograr una buena estabilidad, durabilidad y resistencia a la fatiga (mezclas densas). Normalmente en Venezuela se sacrifica la seguridad en aras del comportamiento estructural del pavimento; sin embargo, y aún cuando esta propiedad en las mezclas asfálticas no ha alcanzado en nuestro país la importancia que realmente tiene, ya que se asocian poco los accidentes con las condiciones del pavimento, deben hacerse todos los esfuerzos posibles para que esta propiedad vaya formando parte de "un buen diseño de pavimentos".

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La Figura 21 refleja el efecto del tipo de mezcla, textura de los agregados, y condición de la superficie del pavimento, sobre el coeficiente de fricción.

Figura 21 Medidas de resistencia al deslizamiento sobre varias superficies asfálticas Fuente: A Short Course on Asphalt Mixes. C.L. Monismith.

En los últimos años se han desarrollado mezclas muy especiales, con granulometría “muy abierta” conocidas como “mezclas porosas” o “mezclas drenantes”, que buscan desalojar rápidamente la lámina de agua dejada sobre el pavimento por la lluvia, y así poder desarrollar una mejor fricción entre el pavimento y el neumático. Estas mezclas tienen porcentajes de vacíos iguales o mayores al 20% y trabajan prácticamente como un “colador”, dejando escapar el agua de lluvia. Algunos Ingenieros le asignan a estas mezclas un “coeficiente estructural” igual al de una mezcla convencional, mientras que otros prefieren considerarla solo como un elemento de seguridad vial y no le computan resistencia estructural.

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La Figura 22 ilustra qué es, y como funciona, una mezcla drenante, o porosa.

Figura 22: Qué es y cómo funciona una mezcla porosa Fuente: elaboración propia

La figura 23 ilustra la diferencia granulométrica entre una mezcla porosa y una mezcla densa,

Resistencia al deslizamiento

Mezcla drenante (porosa)

Mezclas densas

Figura 23: diferencias granulométricas entre mezclas porosas y densas Fuente: elaboración propia

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y las figuras 24-a y 24-b tratan de ilustrar la manera en que se drena el agua de lluvia que cae sobre una mezcla densa convencional (Figura 23-a). Resisten cia al deslizamiento

Mezcla densa convencional

Figura 24-a: Poco efecto de drenaje en una mezcla densa convencional Fuente: elaboración propia.

En esta fotografía se aprecia como el vehículo que circula detrás del camión está recibiendo toda el agua que es levantada por los cauchos del camión. En la figura 24-b, por el contrario, se aprecia como el agua detrás del camión ha prácticamente desaparecido, mejorándose notablemente las condiciones de visibilidad del conductor del vehículo detrás del camión. Resistencia al deslizamiento

Mezcla drenante

Figura 24-b: Buen efecto de drenaje en una mezcla porosa 4-29

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También en fechas muy recientes ha surgido una alternativa distinta para lograr una buena seguridad al deslizamiento en los pavimentos, construyendo mezclas densas con agregados triturados que, tal como se observa en la figura 24-a, no son las mas adecuadas en caso de pavimentos húmedos. La alternativa consiste en modificar “artificialmente” la textura superficial de la mezcla densa, mediante el paso de una máquina fresadora equipada con un tambor especial, tal como se detalla en la Figura 22, que permite obtener una superficie rugosa con pequeños canales, que facilitan el escape del agua cuando pasa un neumático sobre la superficie del pavimento.

Figura 25: Tipos de tambores: estándar y fino, y tipo de textura que imparten sobre el pavimento

La Figura 26 ilustra un pavimento sobre el cual se ha aplicado este procedimiento:

Figura 26: Superficie de un pavimento fresado con “textura fina”

Esta nueva técnica tiene la gran ventaja que no es necesario recurrir a mezclas especiales que pueden resultar costosas, y algunas de las cuales exigen mantenimientos periódicos para garantizar su eficiencia (ej. Las mezclas porosas que deben ser limpiadas con camiones aspiradores especiales para evitar su colmatación).

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La Tabla 4 resume las causas que generan una mezcla con baja resistencia al deslizamiento, y los efectos que se producen sobre un pavimento construido con tales mezclas. Cuando se diseñe una mezcla deben evitarse las condiciones que causan estas mezclas que ofrecen coeficientes de fricción muy bajos. Tabla 4 Causas y efectos de una baja resistencia al deslizamiento

CAUSAS

EFECTOS

Exceso de ligante

Exudación, poca resistencia al deslizamiento

Agregado con mala granulometría o con poca rugosidad

Pavimento pulido, posibilidad de hidroplaneo

Agregado pulimentable

Poca resistencia al deslizamiento

Impermeabilidad La impermeabilidad es la resistencia que ofrece una mezcla asfáltica al pasaje del agua y del aire por dentro de ella. Aún cuando el contenido de vacíos puede ser un índice de este factor, es de mayor importancia el carácter de estos vacíos que el número de ellos. El tamaño de los vacíos, el hecho de que ellos estén o no interconectados, y el acceso de los vacíos hacia la superficie del pavimento, determinan el grado de impermeabilidad. Los factores asociados con mezclas durables, ricas en asfalto y con agregados de granulometría densa y bien compactada, están también relacionados con la impermeabilidad. La Figura 27 ilustra el efecto del contenido de vacíos de una mezcla en la permeabilidad, en una investigación realizada en el Estado de Georgia (USA). Se observa en esta figura que para contenidos de vacíos hasta un 8%, las mezclas son totalmente impermeables. Es importante acotar la magnitud del contenido de vacíos reportado (8%), que es el mismo valor al que se ha hecho referencia en cuanto a la durabilidad y resistencia a la fatiga de las mezclas. Investigaciones como la anterior son las que han permitido establecer el criterio en cuanto al valor máximo de un 8% de aire que puede ser permitido en una mezcla recién compactada en obra. Sin embargo en no todas las investigaciones se ha sido tan determinante en cuanto a la impermeabilidad de las mezclas con contenidos de aire por debajo del 8%. En efecto, la Figura 25 ilustra el resultado de otras investigaciones, esta vez en el Estado de California (USA); en ella se observa que mezclas con contenidos de vacíos cercanos al 8% ya presentan algo de permeabilidad. Aún cuando la impermeabilidad es importante, ya que incide en su durabilidad, prácticamente todas las mezclas en caliente empleadas en los pavimentos flexibles, son impermeables en cierto grado, y son aceptables siempre y 4-31

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cuando cumplan con los límites de las especificaciones en cuanto a granulometría y porcentaje de vacíos.

Figura 27: Relación entre contenido de aire y permeabilidad en pavimentos en el Estado de Georgia, USA Fuente : NCAT, Hot mix asphalt materials, mixture design and construction, 1996

Investigaciones mas recientes han demostrado que mezclas con granulometría Superpave por debajo de la zona restringida son bastante permeables, especialmente las de TNM superior a 12.5 mm, por lo cual se ha impuesto la tendencia a que las mezclas de rodamiento sean de TNM 12 o TNM 9. Otro aspecto que ha sido demostrado es el efecto del espesor de la capa compactada en la permeabilidad, y las conclusiones señalan que el espesor mínimo debe estar en el orden de 4 veces el TNM y no 2.5 veces, como es el criterio actual en la mayoría de las normas, entre ellas la Norma Venezolana INVEAS.

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Figura 28: Relación entre contenido de aire y permeabilidad en pavimentos en el Estado de California, USA Fuente : NCAT, Hot mix asphalt materials, mixture design and construction, 1996

La Tabla 5 resume las causas que generan una mezcla permeable, y los efectos que producen sobre ellas. Cuando se diseñe una mezcla deben evitarse las condiciones que causan estas mezclas muy abiertas. Tabla 5 Causas y efectos de una baja permeabilidad

CAUSAS Bajo contenido de ligante Alto contenido de vacíos durante el diseño de la mezcla Falta de compactación durante la etapa final de construcción en obra

EFECTOS Película muy delgada de asfalto sobre los agregados causará envejecimiento prematuro y disgregación El agua y el aire pueden entrar mas fácilmente a la mezcla y acelerar su oxidación y disgregación Pavimento con un alto contenido de aire, con lo cual se permite la infiltración del agua y disminuye la estabilidad de la mezcla y de las capas inferiores del pavimento por debajo de ella

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Trabajabilidad La trabajabilidad es la facilidad con que el asfalto y los agregados pueden llegar a ser mezclados, y una vez lograda la mezcla, puedan ser extendidos y compactados. Normalmente la trabajabilidad de una mezcla se hace más fácil si ésta contiene un alto porcentaje de agregados redondeados, un asfalto de baja viscosidad y que la mezcla tenga contenidos de asfalto relativamente altos; estas propiedades se oponen a aquéllas requeridas para que la mezcla desarrolle suficientes características que garanticen un buen desempeño estructural. Sin embargo, en la práctica no es necesario recurrir a que la mezcla tenga las propiedades que se han mencionado. Si se logra un diseño cumpliendo las propiedades asociadas para que la mezcla sea estable, y se coloca mediante una máquina extendedora, la trabajabilidad no será un problema. En el momento de la compactación debe tomarse en cuenta la temperatura de la mezcla, para que la mezcla no se desplace bajo las compactadoras. Aún cuando las dificultades de trabajabilidad se determinan en el momento del extendido y compactación, su corrección está en el diseño de la mezcla, por lo cual las medidas de ajuste en la mezcla deben ser realizadas rápidamente para permitir la continuación de los trabajos tan eficientemente como sea posible. La Figura 29 es una indicación del efecto de la viscosidad del asfalto y de la temperatura de compactación en la trabajabilidad de las mezclas asfálticas en caliente.

Figura 29: Influencia de la viscosidad del cemento asfáltico en la facilidad de compactación de mezclas en caliente Fuente: : U. S. Department of Transportation: Hot Mix Bituminous Paving Manual, 1985.

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No es fácil medir en laboratorio la “trabajabilidad” de una mezcla. Uno de los equipos propuestos se ilustra en la Figura 30. Este aparato aplica un esfuerzo de torsión (torque) mediante una paleta que gira dentro de la mezcla en ensayo. Mientras más torque se requiera, menor trabajabilidad tendrá la mezcla. Este ensayo no tiene, a la fecha, mucha difusión y aceptación entre los ingenieros de pavimentos.

Figura 30: Equipo para la medición de la trabajabilidad de una mezcla asfáltica

La Tabla 6 resume los efectos de una mezcla con poca trabajabilidad, así como las causas que los ocasionan. Tabla 6 Causas y efectos de trabajabilidad en mezclas asfálticas

CAUSAS Partículas de tamaño muy grande Exceso de agregado grueso

Baja temperatura de mezclado en planta

EFECTOS Superficie rugosa. Mezcla difícil de colocar Puede resultar una mezcla difícil de compactar. Problemas de segregación Falta cobertura asfáltica en el agregado. Poca durabilidad de la mezcla. Superficie rugosa, difícil de compactar.

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Baja temperatura en el momento Poca durabilidad de la mezcla del extendido y/o compactación de (altos vacíos). Mezcla difícil de la mezcla en campo compactar. Alto contenido de agregado con arena natural

Bajo contenido de filler

Alto contenido de filler

La mezcla permanece “blanda” con desplazamientos laterales (sin contención) al momento de compactarse. La mezcla permanece “blanda” después de haber sido compactada. Alta permeabilidad (baja durabilidad) La mezcla puede resultar “seca” y difícil de manejar. Baja durabilidad.

Flexibilidad La capacidad de una mezcla asfáltica para adaptarse a asentamientos graduales y a movimientos localizados en la base y/o en la subrasante, sin llegar a agrietarse, se define como su flexibilidad. Se pueden considerar tres aspectos de la flexibilidad las que detallamos a continuación: La flexibilidad inicial de la capa asfáltica es decir al terminar la etapa constructiva, sin sufrir los efectos del tránsito y de los factores climáticos. Ella queda definida por su capacidad para deformarse bajo cargas menores o iguales a la que ocasiona la rotura. A partir de la flexibilidad inicial, los esfuerzos cíclicos de carga y descarga producen la fatiga del material, estos esfuerzos deben ser menores que el de la carga de rotura. Como consecuencia de lo antes dicho se modifica la flexibilidad inicial pudiéndose alcanzar la rotura con menores esfuerzos, y/o deformaciones, que los que permite el estado inicial. El envejecimiento del ligante bituminoso produce variaciones en las características del mismo superponiéndose este efecto al de fatiga. Otro de los factores que influye es la densificación que produce la acción del tránsito, modificando de esta manera la estructura interna de la mezcla asfáltica. Los puntos anteriores son características intrínsecas de las mezclas asfálticas. Pero las capas asfálticas no actúan en forma aislada si no que forman parte de un paquete estructural. La flexibilidad dependerá del conjunto o sea de un sistema de capas superpuestas, interactuando en forma recíproca, determinando la magnitud de las cargas y deformaciones máximas a que se puede someter al pavimento. En resumen la flexibilidad de la capa asfáltica dependerá del diseño estructural que posea el pavimento

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Los asentamientos diferenciales en un terraplén ocurren frecuentemente, ya que es casi imposible desarrollar una densidad uniforme durante la construcción de la sub-rasante, por ello las secciones de un pavimento tienden a asentarse, o comprimirse diferentemente ante la acción del tráfico. Por esta razón un pavimento asfáltico debe tener la habilidad de adaptarse a estos asentamientos localizados, sin llegar a agrietarse. La flexibilidad de una mezcla asfáltica está generalmente asociada con altos contenidos de asfalto y agregados de granulometría relativamente abierta. Normalmente, sin embargo, cualquiera de las mezclas que se emplean en la construcción de pavimentos, y que alcanzarán valores adecuados de estabilidad, desarrollan “en forma natural” una adecuada flexibilidad, ya que esta característica proviene del comportamiento del ligante asfáltico, que es por su propio origen suficientemente deformable o flexible, por lo cual no es una propiedad que se persiga determinar en un diseño de mezcla, sino que “viene directamente con el diseño”. De todas las propiedades deseadas en una mezcla asfáltica esta es, quizás, la menos importante para la mayoría de las mezclas de pavimentación. Economía Por último, pero no de menos importancia, se encuentra el criterio de economía, que debe acompañar a toda decisión de ingeniería, incluyendo el diseño de mezclas asfálticas en caliente. Este requisito es de imprescindible aplicación en la ingeniería de pavimentos, ya que si su costo unitario es mucho menor a otras mezclas —por ejemplo las de concreto cemento— se emplea en grandes cantidades, lo cual resulta en altas exigencias de inversión. Toda mezcla en caliente, además de bien diseñada para que cumpla con todos los requisitos técnicos enunciados anteriormente, debe también ser del menor costo posible, para lo cual deben analizarse tanto los materiales locales como los importados de otras fuentes de suministro, en función del tipo de vía a pavimentar, distancias de transporte, tipo de mezcla, volumen de tráfico, posición de la mezcla dentro de la estructura del pavimento, especificaciones de calidad, etc. Conclusión En los párrafos anteriores se han señalado y comentado un conjunto de propiedades de ingeniería que, idealmente, deben ser buscadas cuando se diseñe una mezcla asfáltica. Algunas de ellas se alcanzan con características de los agregados y/o del ligante asfáltico que se oponen directamente a las que son necesarias para alcanzar otras de las propiedades. El buen diseño de mezcla persigue, en consecuencia, el que estos criterios opuestos sean balanceados y que se logre una “mezcla óptima”, que debe ser aquélla que sea colocada en el pavimento, con el fin de lograr una estructura que sirva al tránsito vehicular de una manera segura, cómoda y permanente. 4-37

Propiedades de Ingeniería de las mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

La Norma Venezolana para el diseño de mezclas en caliente Tabla 7 Propiedades Marshall exigidas para el diseño de mezclas en Laboratorio

TRÁNSITO Propiedades Marshall ALTO MEDIO BAJO Nº de golpes por cara 75 75 50 % vacíos totales (1) 3-5 3-5 3-5 % vacíos llenados 65-75 65-75 65-78 Estabilidad Marshall (mínima) lbs 2.200 1.800 1.600 Flujo (pulg/100) 8-14 8-14 8-16 Vacíos del agregado mineral valor según Tabla 8, en función del tamaño nominal (VAM) máximo del agregado y el % de vacíos (1) calculados en base a la densidad máxima teórica determinada según el ensayo de Rice (Método ASTM D-2041) Tabla 8: Valores Mínimos de Vacíos en el Agregado Mineral (VAM), en función del Tamaño Nominal Máximo del Agregado y del % de vacíos totales de la mezcla

Contenido de vacíos totales en la mezcla (%) Tamaño nominal máximo (mm) 25.4 19.1 12.5 9.5

3.0 11 12 13 14

4.0 12 13 14 15

5.0 13 14 15 16

Nota: interpolar linealmente en caso de que el porcentaje de vacíos totales se encuentre entre los valores enteros indicados.

Las Tablas 7 y 8 resumen los criterios de la Norma INVEAS 2002 en cuanto a las propiedades que debe cumplir una mezcla asfáltica densa, y están referidas al Ensayo Marshall, el cual será descrito en el siguiente Capítulo de estos Apuntes de Pavimentos. Esta norma se está aplicando en numerosos proyectos en Venezuela y es nuestra opinión que será adoptada en forma oficial por COVENIN y SENCAMER en fecha mediata. 4-38

Propiedades de Ingeniería de las mezclas asfálticas ___________________________________________________________________________

La Norma COVENIN 12-10 (1967) presenta otros criterios menos actualizados, que reflejan el “estado del arte” para la fecha de preparación de esta norma (1967) y que se resumen en la Tabla 9: Tabla 9 Criterios de diseño de mezclas densas en la Norma COVENIN 12-10 (1967)

Tipo de mezcla Estabilidad Marshall (lbs) Flujo Marshall (0.01 pulg) Vacíos totales (%) Vacíos llenados (%)

Rodamiento

Intermedia

Base

> 1.200

> 1.000

> 900

8—16

8—16

8—16

3—5

3—7

3—8

75—85

70—85

60—85

Comentario final: al momento de la revisión de estos “Apuntes de Pavimentos” (abril 2008) la Norma Inveas se encuentra en fase final de revisión en Fondonorma, oficina de la Comisión Venezolana de Normas Industriales (COVENIN), y se espera que entre en la fase de discusión pública para mediados de este mismo año, por lo cual es de esperar que se introduzcan algunos cambios el contenido final de la norma. Estos cambios serán incluidos en futuras revisiones de estos apuntes.

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Apuntes de Pavimentos  Volumen 2          Capítulo 5  El Método Marshall para el diseño  de las mezclas asfálticas                Edición de abril de 2008 

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente __________________________________________________________________________

Métodos de laboratorio para el diseño de las mezclas asfálticas en caliente Existen diversos métodos de laboratorio que permiten diseñar mezclas asfálticas en caliente. Los más conocidos son: • El Método Hubbard-Field • El Método Triaxial de Smith • El Método Hveem • El Método Marshall • El Método Superpave® • La Metodología Ramcodes® para la interpretación de los resultados de ensayos de laboratorio de otros métodos de ensayo de mezclas, tal como el Marshall o Superpave. Los dos primeros han entrado en desuso en los últimos años. El Método Hveem es de aplicación limitada a algunos estados de los Estados Unidos debido a la complejidad del proceso y lo costoso de los equipos. El Método Superpave®, es bastante reciente (1999), y aún cuando sus equipos son también de costo elevado (cercano a los US $ 120.000), es un método fundamentalmente científico, por lo cual será el método que se empleará en los años por venir. El Método Marshall el más utilizado a nivel mundial, por lo simple de sus procedimientos y lo relativamente económico de sus equipos; estas características han resultado en la obtención de una extensa correlación entre los valores de ensayo de laboratorio y el comportamiento de pavimentos flexibles. El costo de un equipo de laboratorio para la correcta ejecución del Ensayo Marshall se encuentra en el orden de los US$ 15.000, lo cual es otra razón que explica la difusión de este método de ensayo. Vale la pena destacar que este método fue el que se empleó en el Diseño Experimental de la AASHO, y que en nuestro país es el procedimiento de laboratorio utilizado en el diseño y control de las mezclas asfálticas en caliente en las más de 245 plantas de asfalto que existen en Venezuela. Es también el método de diseño utilizado en todos los países de Centro y Sur América. La Metodología Ramcodes® presenta un procedimiento racional para la determinación de las características técnicas de una mezcla asfáltica, y, aun cuando no es un método de ensayo propiamente dicho, la facilidad y calidad del manejo e interpretación de resultados de ensayos de otros métodos de ensayo hace que, en la práctica, pueda ser calificado, para muchos Ingenieros de Pavimentos, como un nuevo “método de ensayo” Ha sido desarrollado por el Ingeniero venezolano Freddy Sánchez Leal, y tal como se describe en el Capítulo 6, promete ser uno de los métodos que serán adoptados por los Ingenieros de Pavimentos para el diseño de mezclas en caliente.

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EL METODO MARSHALL 1. Desarrollo Los conceptos básicos del Método Marshall para el diseño de mezclas asfálticas fueron formulados a finales de la década de los años 40 por el Ingeniero Bruce Marshall, un experto en pavimentos asfálticos, junto con otros ingenieros del Departamento de Carreteras del Estado de Mississippi, en los Estados Unidos. El Cuerpo de Ingenieros de Carreteras de los Estados Unidos, a través de extensas investigaciones y estudios de correlación, lo mejoró e incorporó ciertas modificaciones al método, conduciéndolo al procedimiento actual, el cual también ha sido adoptado por la ASTM bajo la codificación ASTM D 1559: "Resistencia al Flujo de las Mezclas Asfálticas Mediante el Empleo del Equipo Marshall". 2. Aplicabilidad del Método El Método Marshall, tal como ha sido normalizado por la ASTM, es aplicable a mezclas asfálticas en caliente elaboradas con cemento asfáltico y agregados de granulometría densa o fina, con un tamaño nominal máximo de 25 mm. Se utiliza tanto para el diseño en laboratorio como para el control de mezclas elaboradas en planta. Su empleo en mezclas abiertas es de relativa conveniencia, y exige la aplicación del criterio del ingeniero para que conduzca a resultados confiables. En los últimos años el Instituto del Asfalto (IDA) ha modificado el método original para que pueda también ser empleado en el diseño y control de mezclas en frío, preparadas con mezclas densas y asfaltos del tipo RC, o asfalto emulsificado. 3. Resumen del método El procedimiento del Método Marshall comienza con la preparación de las briquetas de ensayo. Previamente se requiere que: ° Los materiales, tanto pétreos como el cemento asfáltico, cumplan con las especificaciones de calidad establecidas en la Norma que se esté aplicando: Desgaste Los Ángeles, forma (% de caras fracturadas), angularidad y limpieza de la fracción fina, etc.

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Figura 1: Determinación de las Gravedades Específicas de los agregados

° La combinación de los agregados resulte dentro de las especificaciones granulométricas establecidas para la mezcla seleccionada. Esta combinación se mantendrá constante para cada una de las diferentes briquetas —o testigos de ensayo— que serán preparadas a lo largo de la ejecución del Ensayo Marshall. ° Que se hayan determinado los pesos específicos bulk y aparente de los diversos agregados a emplear en el diseño. ° Que se conozca el peso específico aparente del cemento asfáltico (Gb), a 25ºC. Recordemos que este valor es tomado directamente del “Certificado de Calidad” que expide PDVSA cada vez que realiza un despacho de ligante asfáltico. El Método Marshall utiliza briquetas de 100 mm (4.0 pulg) de diámetro y 63,5 mm (2.5 pulg) de altura, las cuales son preparadas siguiendo un procedimiento normalizado de calentamiento, mezclado y compactación dinámica de la mezcla.

Moldes

Briquetas

Figura 2: Moldes y briqueta compactada

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El desarrollo del método de ensayo sigue dos etapas perfectamente definidas: 1. el análisis de densidad y vacíos, mediante el cual se determina la composición volumétrica de la mezcla. 2. el ensayo de estabilidad y flujo de las briquetas compactadas, que permite determinar las propiedades mecánicas de la mezcla. 4. Objetivo del método El método persigue la determinación de un contenido de asfalto óptimo, para la combinación de agregados establecida, tal que resulte en una mezcla con las características de estabilidad, durabilidad y trabajabilidad que han sido definidas y comentadas anteriormente. El método no mide la resistencia a la deformación ni la resistencia a la fatiga de la mezcla, pero estas características de la mezcla se miden de una manera indirecta por medio de una propiedad fundamental del ensayo Marshall, a saber, el contenido de aire dentro de la mezcla compactada. 5. Estimación del contenido de asfalto promedio inicial Para la determinación del contenido de asfalto promedio, éste debe ser primeramente estimado. Para este propósito, aún cuando sea en forma aproximada se recurre a la experiencia del Ingeniero y/o Laboratorista con mezclas similares. Una vez estimada esta cantidad se prepararán mezclas con el promedio inicial de ligante y otras cuatro (4) mezclas, dos de ellas con contenidos de ligante por encima del promedio inicial y otras dos con contenidos de ligante por debajo del promedio estimado. Cada uno de los diferentes contenidos de ligante se denominan “puntos de asfalto”; por lo cual un diseño completo incluye la preparación y análisis de muestras para “cinco puntos de asfalto”. En el caso de Venezuela, la práctica común es que las mezclas con TNM 19 ò 25 tienen su óptimo en el entorno del 5%, si están del lado fino de la granulometría y al 4.5% si lo están del lado grueso, mientras que las mezclas con TNM 12 ó 19 se acercarán mas al 6.0%, si están en el lado fino de la granulometría y al 5.5% si están del lado grueso. La diferencia entre un “punto de asfalto” y el siguiente es de un medio por ciento (0.5%) de la cantidad de asfalto considerada. Para cada contenido de asfalto se preparan tres (3) briquetas, y se preparan otras tres (3) mezclas para el contenido de asfalto correspondiente al “promedio inicial”, por lo cual se requiere de una cantidad de dieciocho (18) pesadas de agregado combinado. En el caso de que sea una mezcla con características especiales, o cuyos agregados se usen por primera vez en un diseño, habrá de ser necesario de ampliar el rango de muestras a ser ensayadas.

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6. Proceso de laboratorio En la literatura técnica disponible en español se describe detalladamente el método de ensayo Marshall. Una de las mejores referencias se encuentra en el “Manual Visualizado de Ensayos”, elaborado por la Fundación Laboratorio Nacional de Vialidad (Fundalanavial), el cual ha sido preparado tanto en versión impresa como en digital. A continuación se presentan, en forma resumida, las etapas fundamentales del Método Marshall, para lograr la adecuada explicación de las etapas de análisis de densidad y vacíos y de las propiedades mecánicas del método de ensayo. 6.1 Pesaje de agregados, calentamiento del asfalto y de los agregados Cada pesada de agregado, por otra parte, se prepara con 1.200 g de peso total. Con esta pesada del agregado total, mas la cantidad de asfalto que sea requerida se obtienen briquetas compactadas con un volumen de masa promedio que corresponde a las dimensiones de 100*63.5 mm. Para esta pesada individual de 1.200 g de cada briqueta, se requiere, en consecuencia, una cantidad mínima de agregado de aproximadamente 21.6 kg.

Figura 3: Preparación de las pesadas de agregado combinado

Los agregados y el cemento asfáltico se calientan a la temperatura de mezclado, determinada a partir del “Gráfico viscosidad-temperatura”, de acuerdo al procedimiento explicado en el Capítulo 2, Aparte “Consistencia”. 6.2 Expresión del contenido de asfalto y adición del asfalto Existen dos maneras de expresar la cantidad de asfalto que se incorpora a una mezcla: (a) como porcentaje del peso total de agregados, o (b) como porcentaje en peso total de mezcla. En este último caso, cuando se dice que una mezcla tiene el 5% de asfalto, quiere significarse que de cada 100 kg de 5-5

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mezcla, 5 kg serán de ligante y los restantes 95 kg corresponden a la totalidad de los agregados utilizados en la elaboración de la mezcla. Esta última forma de expresión del contenido de ligante (% en peso de mezcla total) es la que se ha adoptado en Venezuela para el Método Marshall, por lo cual debe tomarse en cuenta que las fórmulas que se presentan más adelante para el "Análisis de Densidad y Vacíos", siempre consideran que la cantidad de asfalto esté formulada "como porcentaje en peso de mezcla total". Si, por ejemplo, se desea formar una briqueta que contenga el 5% de ligante, expresado como % en peso de mezcla total, y se tienen pesados 1.200 g de agregado total combinado, la cantidad de ligante a ser añadido al peso de los 1.200 g de agregados es de 63.16 g {(1.200/0.95) * 0.05}. La cantidad requerida de cemento asfáltico (63.16 g en el ejemplo anterior), previamente calentado a la temperatura determinada según el Aparte 6.1, se le añade al peso de los agregados, que también se encuentran calentados a la misma temperatura, o hasta unos 5-10ºC por encima de esta temperatura, para compensar cualquier enfriamiento del agregado durante su manejo.

Figura 4: Adición del ligante a los agregados, ambos debidamente calentados a la temperatura determinada según el gráfico viscosidad-temperatura del cemento asfáltico.

6.3 Mezclado de las briquetas Una vez que la mezcla ha sido preparada, ésta se deja enfriar hasta la “temperatura de compactación”, la cual también se determina de acuerdo al Gráfico viscosidad-temperatura”.

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Figura 5-b Verificación de la temperatura de compactación de la mezcla

Figura 5-a Procediendo al mezclado de los Agregados y el ligante

6.4 Compactación de las briquetas. Número de golpes por cada cara. Una vez que la mezcla ha enfriado hasta alcanzar la temperatura deseada, se procede a compactarla mediante el empleo del “martillo Marshall”, el cual tiene un peso de 10 lbs y una altura de caída de 18 pulgadas. Las briquetas se moldean sobre un pedestal de madera de 20*20*45 cm, que debe tener un peso determinado (entre 12.8 y 14.5 kg); sobre el pedestal se coloca una plancha de acero de 25mm de espesor, con este pedestal “normalizado” se logra que a la energía de compactación estandarizada por el peso fijo del martillo, corresponda una reacción también estandarizada por la densidad del pedestal. El número de golpes que se aplican sobre cada cara de las briquetas dependen del tráfico esperado. La Norma venezolana recomienda lo siguiente: Tipo de tránsito Nº de golpes por cara

ALTO 75

MEDIO 75

BAJO 50

Las definiciones aplicables de tipo de tránsito son las siguientes: TIPO DE TRÁNSITO Características del tránsito ALTO MEDIO BAJO Ejes Equivalentes (EE) a 8,2 Ton. en el período de diseño > 20 millones 2 a 20 millones < 2 millones Camiones/Día por sentido PDT por sentido

> 800 > 3.000

100 - 800 500 – 3.000

< 100 < 500

Una vez que las briquetas han sido moldeadas, se dejan enfriar hasta una temperatura cercana, o menor a los 60ºC, y se extraen del molde para proceder a su pesado.

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6.5 Pesado de las briquetas y Análisis de densidad y vacíos Después de que las briquetas se extraen del molde, se procede a pesarlas al aire (peso al aire), sumergidas en agua (peso en agua), y nuevamente al aire después de secarla superficialmente al sacarla del agua de la balanza hidrostática (peso al aire después de sumergida con superficie seca).

Figura 6: peso de las briquetas al aire, en agua y nuevamente al aire después de sumergida

Con los pesos de la briqueta se procede a determinar tanto su volumen (peso al aire después de sumergido — peso sumergido) y su densidad o peso unitario (Gmb), que es el resultado de dividir el peso al aire entre el volumen de la briqueta. Los procedimientos analíticos que se describen mas adelante en el ejemplo de diseño, permitirán calcular los valores de Vacíos Totales (Vv), los Vacíos del Agregado Mineral (VAM), y los Vacíos Llenados con Asfalto (Vll), con los cuales se podrá proceder posteriormente a la graficación de estos valores y su interpretación para la selección del contenido de asfalto mas conveniente u “óptimo”. Los vacíos totales se definen como los pequeños espacios ocupados por el aire entre las partículas de agregado cubiertas por asfalto, mientras que los VAM corresponden al espacio no ocupado por las partículas de agregado en la mezcla compactada, es decir los espacios de aire mas los espacios que ocupa el asfalto. Los vacíos llenados, por su parte, corresponden a aquella fracción de los VAM que son realmente ocupados por el ligante asfáltico. Tanto los Vv como los VAM y los Vll se expresan como un porcentaje de su volumen en función del volumen total de la mezcla compactada. 6.6 Determinación de Gravedad específica (densidad) máxima de la mezcla sin vacíos (Gmm) Para la determinación de los volúmenes de los diferentes tipos de vacíos es necesario conocer previamente el valor de la Gravedad específica máxima de la mezcla sin vacíos (Gmm), el cual se obtiene a través de la ejecución del Ensayo de Rice (ASTM D2041), el que consiste en sumergir una mezcla sin compactar en un frasco de vidrio (picnómetro) y extraerle el aire mediante la aplicación de un vacío parcial. Sin el resultado de este ensayo los valores que se calculasen de los vacíos serían solo aproximados. El resultado del ensayo

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de Rice es, por lo tanto, fundamental para la correcta determinación de los valores de Vv, VAM y Vll.

Figura 7: bomba de vacío parcial y muestra sumergida en agua durante la ejecución del ensayo de Rice

6.7 Determinación de la estabilidad y flujo Una vez que las briquetas han sido pesadas en agua y sumergidas en agua, para determinar su valor de peso unitario, o de densidad real, se sumergen durante un lapso de 30 minutos, en un baño de agua a temperatura constante de 60ºC con el fin de proceder posteriormente a la determinación de su valor de estabilidad y flujo. La temperatura de 60ºC ha sido seleccionada para representar la máxima temperatura a la puede llegar que un pavimento asfáltico en épocas de veranos intensos, caso muy común en Venezuela, y el hecho de sumergirla representa la condición de ocurrencia de una lluvia intensa en un momento de alta temperatura, que hace que el agua corra sobre la superficie del pavimento.

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Figura 8: Prensa Marshall en laboratorio de campo y colocación de la briqueta dentro de la “mordaza Marshall” y posicionamiento del medidor de flujo.

La figura 9 muestra el mecanismo de rotura de una briqueta. En el momento inmediatamente anterior al que se produce la rotura de la briqueta, y en el anillo de carga, se lee la carga axial aplicada: esta carga máxima se registra como la “Estabilidad” de la briqueta, la estabilidad se registra en libras (lbs)fuerza, aun cuando en el Sistema Internacional (SI) la unidad de medida es el Newton-fuerza (N). (La equivalencia entre la (lbf) y el (N) es: una (1) lbf = 4,448222 N). Por otra parte, en el momento en que ocurre la carga máxima se registra la deformación diametral que ha sufrido la briqueta. Esta deformación se denomina “flujo” o deformación Marshall, y convencionalmente se expresa su unidad como “centésimas de pulgada (0.01 pulg)” Debe señalarse que la estabilidad medida (o también llamada “leída) en el ensayo debe ser corregida en función de la altura de la briqueta, o más sencillamente en función del volumen de cada briqueta, ya que para que la comparación entre estabilidades sea real todas las briquetas deben ser de la misma altura. Para esta corrección se emplea la Tabla I, que se presenta mas adelante.

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Figura 9: mecanismo de aplicación de la carga en el Ensayo Marshall

Es conveniente reproducir, con autorización del Autor, el Ing. R. Adrián Nosetti, de la Universidad de La Plata, en Argentina, algunas consideraciones sobre la Estabilidad y el Flujo en el Ensayo Marshall. En ese sentido el Ing. Nosetti comenta: Estabilidad El parámetro de Estabilidad se obtiene en el método Marshall mediante la rotura de las probetas en condiciones normalizadas (60ºC y una velocidad de avance de 2pulgadas/minuto); por lo expuesto, la viscosidad de masa en el ensayo Marshall es constante puesto que la temperatura y la velocidad de deformación son parámetros que no varían en dicho ensayo. Para ejecutar el ensayo se utiliza una mordaza de dimensiones y formas conocidas, detallada en la Norma ASTM D1559. La mordaza permite aplicar una carga diametralmente en condiciones de semiconfinamiento. La estabilidad Marshall ha sido considerada por algunos autores, como equivalente a la carga máxima en compresión incofinada. Para Goetz dicha carga supera la carga de compresión inconfinada y es la que corresponde a un ensayo triaxial, cuando se aplica presión lateral de confinamiento de aproximadamente 0.7 kg/cm²; también es válido decir que la estabilidad Marshall es comparable a la carga máxima en compresión inconfinada cuando se utilizan probetas de esbeltez cercanas a 1; y esto es debido al efecto de zunchado producido por los distintos módulos de deformación entre la cabeza de la máquina de ensayo y la probeta (similar situación se produce en la rotura de probetas de hormigón) que determinan condiciones equivalentes a las del ensayo Marshall.

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Por lo expresado anteriormente también la curva de carga–deformación en el ensayo Marshall es similar a la obtenida por compresión inconfinada y, antes de alcanzar la carga máxima, existen deformaciones plásticas con expansión lateral y la falla se produce por corte según planos definidos. La curva característica es la que se presenta en el siguiente gráfico. P [libras]

Estabilidad Marshall f i

E

rotura

e

0

Fluencia Marshall

Deformación

Se nota un periodo de comportamiento casi elástico ”e”, existiendo proporcionalidad entre las cargas y las deformaciones hasta el punto indicado como “E.” Puede considerarse que en el segmento “O-E” las deformaciones son recuperables por elasticidad instantánea y/o retardada. Luego a partir del punto E y hasta alcanzar la carga máxima indicada en el gráfico como Estabilidad Marshall, la curva toma la forma de una parábola presentando un periodo elasto–plástico “ i”; las deformaciones son mayores en este periodo en relación al periodo elástico para iguales incrementos de carga con una pérdida de la reacción elástica, dado por la diferencia entre la curva real y la prolongación del segmento O-E. El momento en que se llega al máximo es aquel en que se destruye la estructura granular; la mezcla aquí ya se ha dislocado por los efectos de los esfuerzos de corte, o sea se ha producido la falla de la misma llegando al máximo valor de corte que puede resistir. Por ultimo la curva presenta un periodo en que la mezcla fluye plásticamente “f”, con una deformación de mayor magnitud en la parte descendente de la curva antes de la falla total. Fluencia Las mezclas asfálticas convencionales poseen un esqueleto granular que se deforma bajo carga o por movimientos diferenciales de las capas inferiores, esta deformación está dada por el cambio de la posición relativa y orientación de las partículas, porque sólo el medio ligante puede fluir o romperse en las zonas más solicitadas. El desplazamiento en los planos de corte sólo es posible cuando el esfuerzo de corte es capaz de producir una expansión (dilatancia) que abre la estructura granular lo suficiente como para posibilitarlo. Paralelamente, actúan esfuerzos de compresión por confinamiento que tienden a reducir el volumen y enmascarar la expansión por dilatancia como sucede en los ensayos triaxiales. La relación entre esfuerzos y deformaciones es prácticamente lineal, hasta que se inicia, en las zonas más débiles, el desplazamiento de las partículas en los planos de corte, que luego se generaliza al conjunto.

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La fluencia Marshall es la disminución del diámetro de la probeta normalizada en el momento de alcanzar la carga máxima y medida en la dirección de la misma. En las mezclas convencionales la fluencia tiene una variación casi nula a diferentes temperaturas y velocidades de aplicación de las cargas, tampoco varía marcadamente al utilizar ligantes de distinta consistencia para una condición de iguales composiciones volumétricas y tipo de áridos. La variación de la fluencia se produce al incrementar el contenido de ligante en primera instancia en forma suave y luego se hace mas pronunciada. Las investigaciones de Gooetz, dan una explicación a lo dicho, al establecer la relación existente entre la fluencia Marshall y el ángulo de fricción interna medido en el ensayo triaxial. Con veintidós determinaciones que incluyen diferentes contenidos de asfalto, granulometría de los agregados pétreos, penetración del ligante y velocidad de deformación, encuentran que el ángulo de fricción interna decrece linealmente con el incremento de la fluencia según la ecuación:

δ = 59,7 - 0,942 . Fl δ = ángulo de fricción interna en grados

Fl = fluencia Marshall, en 0,01 pulgadas

El coeficiente de correlación es 0,96, lo que ilustra sobre el valor significativo de dicha relación y, por lo tanto, puede afirmarse que si bien la fluencia no es una medida de δ, las propiedades de la mezcla que determinan su valor son las mismas que para δ. En el siguiente gráfico se presenta el incremento de la fluencia y el correspondiente descenso del ángulo δ  calculado, en función del contenido de asfalto para un concreto asfáltico tipo A,, y otro B. Se observa que hasta el contenido óptimo de asfalto en ambos concretos (5,9 %), la relación es prácticamente lineal. Para mayor contenidos de ligante continúa la relación lineal para el A, en cambio, el B, cae parabólicamente en concordancia con su mayor contenido de pasa Nº 200 (10 % y la forma menos aplastada de su curva de compactación que como se ha dicho, es un índice de su mayor sensibilidad al efecto lubricante del asfalto). La flexibilidad no está directamente vinculada con un parámetro en particular del método Marshall, pero si existe una correspondencia con la relación estabilidad / fluencia pero no considera al conjuntos de la estructura sino un valor muy puntual de las mezcla asfáltica en el momento de su elaboración.

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Figura 10:Fluencia y ángulo de fricción interna calculado según Gooetz en función del porcentaje de asfalto.

Tabla I FACTORES DE CORRECCION DE LA ESTABILIDAD MEDIDA EN BRIQUETAS ELABORADAS SIGUIENDO EL METODO MARSHALL DE DISEÑO DE MEZCLAS

Volumen de la briqueta (cm3) 368 a 379 380 a 392 393 a 405 406 a 420 421 a 431 432 a 443 444 a 456 457 a 470 471 a 482 483 a 495 496 a 508 509 a 522 523 a 535 536 a 546 547 a 559 560 a 573 574 a 585 586 a 598 599 a 610 611 a 625

Altura aproximada de la briqueta mm pulgadas 46.0 47.6 49.2 50.8 52.4 54.0 55.6 57.2 58.7 60.3 61.9 63.5 64.0 65.1 66.7 68.3 71.4 73.0. 74.6 76.2

1 13/16 1 7/8 1 15/16 2 2 1/16 2 1/8 2 3/16 2¼ 2 5/16 2 3/8 2 7/16 2½ 2 9/16 2 5/8 2 11/16 2¾ 2 13/16 2 7/8 2 15/16 3

Factor multiplicador de la “estabilidad leída” 1.79 1.67 1.56 1.47 1.39 1.32 1.25 1.19 1.14 1.09 1.04 1.00 0.96 0.93 0.89 0.86 0.83 0.81 0.78 0.76 5-14

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6.8 Ejemplo de Análisis de Densidad y Vacíos A continuación se presenta un ejemplo detallado de los cálculos que son requeridos en un " Diseño de mezcla por el Método Marshall". (a) Tipo de mezcla a diseñar Se desea diseñar una mezcla de concreto asfáltico densamente gradada, de acuerdo a la granulometría establecida en la Norma INVEAS para la mezcla Tipo M19, para una condición de tránsito “pesado”. (b) Agregados disponibles Para el diseño se dispone de cuatro agregados: • polvillo triturado • arrocillo • arena cernida • piedra picada (c) Proporcionamiento de los agregados Los cuatro agregados deben ser combinados en una proporción de 43% polvillo; 14% arrocillo; 18% arena cernida y 25% piedra picada. Con estas proporciones la combinación satisface los límites granulométricos establecidos para la mezcla M19 de la Norma INVEAS. (d) Gravedad Específica de los agregados (d.1) Gravedad Específica del “polvillo” Uno de los materiales de que se dispone es el “polvillo”, cuya estructura granulométrica del polvillo es la siguiente: ¼”

#4

#8

100

72.9

61.8

Tamiz

#30 % pasante 41.3

#50

#100

#200

33.3

25.4

16.9

Siguiendo los procedimientos de ensayo resumidos en el Anexo B, se han obtenido los siguientes resultados de ensayos de laboratorio para las diferentes fracciones granulométricas en las que se descompone el “polvillo”:

Fracción

Peso Específico Aparente (Gsa) Bulk (Gsb)

% en el material

Retenido 8

2.557

2.709

38.2

Pasa 8 — Retenido 200

2.588

2.701

44.9

Pasa 200

2.685

2.685

16.9

Total

100.0

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Debemos calcular ahora la Gravedad Específica del “polvillo”, para lo cual se emplea la siguiente ecuación:

Gsb(polvillo) = Peso polvillo / Volumen bulk polvillo = = W / Vbulkpolvillo =

____(W Retenido 8 + W Pasa 8-Retenido 200 + W Pasa200)

_

= Vbulk Retenido 8 + Vbulk Pasa 8-Retenido200 + Vbulk Pasa200 = W / Vbulkpolvillo = Gsbpolvillo

(38.2 + 44.9 + 16.9) _ = 100.0 / 38.583 = 38.2/2.557 + 44.9/2.588 + 16.9/2.685

= 2.592

De igual manera, sustituyendo en la misma ecuación los resultados de la Gravedad Específica Aparente (Gsa) para cada fracción granulométrica se obtendría que Gsapolvillo

= 2.701

(d.2) Gravedad Específica del los otros tres agregados en este ejemplo Siguiendo el mismo procedimiento empleado para el “polvillo”, asumamos que, en base a la distribución granulométrica de cada uno, y a sus correspondientes resultados de laboratorio de las gravedades específicas por fracción de tamaño, se han obtenido los siguientes valores de Gsb y de Gsa para cada material: Pesos Específicos Material

Aparente

Masivo (Bulk)

Arrocillo

2.723

2.622

Arena

2.733

2.668

Piedra picada

2.715

2.605

(d.2) Gravedad Específica del agregado total combinado En el diseño Marshall se empleará un “agregado combinado”, el cual se obtiene al mezclar, en este ejemplo, un 43% de polvillo, 14% de arrocillo, 18% de arena y 25% de piedra picada. Debe, en consecuencia, calcularse tanto el valor de Gsb como del de Gsa para el “agregado total combinado”. Para este calculo se emplea la misma ecuación: Gs = Peso / volumen = W / V

5-16

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente __________________________________________________________________________

y según se emplee el volumen bulk (masivo) o el volumen aparente, se obtendrá respectivamente la Gravedad Específica Bulk (Gsb) o la Gravedad Específica Aparente (Gsa). En este ejemplo, el valor de Gsb del agregado combinado viene dado por la siguiente ecuación: Gsb(total) = (Peso polvillo + Peso arrocillo + Peso arena + Peso piedra picada) (Volumen

bulk polvillo+

Volumen

bulk arocillo+

Volumen

bulk arena+

Volumen bulk

piedra

picada

Gsb(total)

=

(43 + 14 + 18 + 25) (43/2.592 + 14/2.622 + 18/2.668 + 25/2.605)

Gsb(total) = 2.613 Empleando la misma ecuación, pero sustituyendo los valores de Gsa de cada material se obtiene:

Gsa(total) = 2.713 (e) Gravedad Específica del cemento asfáltico (Gb) El valor de la Gravedad Específica del ligante (Gb) se obtiene de la hoja de “Certificado de Calidad” que es expedida por la Industria Petrolera Nacional (Pdvsa), cada vez que se despacha una carga (gandola) de material asfáltico. En la Figura 22 (pg, 1-29) del Capítulo 1 se ilustra uno de estos certificados de calidad.

Asumamos que, en nuestro diseño, el valor de Gb es de 1.028. Recordemos, por otra parte, que el valor que se emplee en el diseño debe corresponder con el Gb a 25ºC, por lo tanto, si el valor reportado en el certificado de calidad viene dado a 25ºC, se emplea directamente este valor, pero si, como en algunos casos sucede, este ensayo es reportado a 15.5ºC, el valor debe ser corregido a 25ºC, empleando a tal fin la fórmula (3) indicada en la página 2-19 del Capítulo 2. (f) Mezclado, compactación y pesado de las briquetas Se procede a continuación con el mezclado y compactación de las briquetas. Haremos el análisis para el juego de las tres (3) briquetas preparadas con el 5% del cemento asfáltico (% expresado como parte de la mezcla total). Estas briquetas en el diseño que se esta ejecutando en este ejemplo se han identificado con los números 7, 8 y 9, del total de las quince (15) briquetas que conforman el total de las briquetas preparadas. (Cada una de las restantes 12 briquetas serán pesadas en la misma forma en que se muestra para las briquetas 7, 8 y 9). 5-17

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente __________________________________________________________________________

Los pesos de estas briquetas al aire, sumergida y al aire después de sumergida y superficialmente seca, son los siguientes: (Nota: se indica en la tabla la identificación que se dará a cada columna de datos en la planilla que será empleada mas adelante) a

b

Muestra Nº

c

d

e

Porcentaje de Peso en aire Peso en agua Peso en aire asfalto (g) (g) (g) SSS

7

5.00

1,207.8

717.0

1,218.3

8 9

5.00 5.00

1,207.8 1,207.0

719.0 717.0

1,218.6 1,218.4

Una vez que las briquetas han sido pesadas, se procede a determinar su volumen y su densidad, o peso unitario: El volumen de cada briqueta se calcula por la siguiente expresión: Volumen (cm3) = peso en aire(sss) (g) — peso sumergido (g) Y el peso unitario mediante la fórmula: Peso unitario = densidad = Gmb = (peso aire / volumen) Para las briquetas 7, 8 y 9 se obtendrán en consecuencia, los valores que se señalan a continuación, y se procede a obtener el promedio aritmético de los tres pesos unitarios individuales, tal como se muestra: a

b

Muestra Nº

Promedio

c

d

e

Porcentaje de Peso en aire Peso en agua Peso en aire asfalto (g) (g) (g) SSS

f

g

Volumen (cm3)

Peso unitario (g/cm3)

7

5.00

1,207.8

717.0

1,218.3

e-d 501.3

8 9

5.00 5.00

1,207.8 1,207.0

719.0 717.0

1,218.6 1,218.4

499.6 501.4

5.00

c/f 2.409 2.418 2.407 2.411

El “peso unitario promedio” de las briquetas se expresa como “Gmb” y será empleado mas adelante en la composición volumétrica de la mezcla; así, para la mezcla con 5% de ligante, este valor es de 2.411 g/cm3.

5-18

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente __________________________________________________________________________

(g) Determinación, mediante ensayo de laboratorio de la “Densidad máxima de la mezcla sin vacíos —Gmm—“. Tal como fue mencionado en la descripción del método Marshall, se requiere la ejecución de un ensayo adicional, llamado “Ensayo de Rice”, mediante el cual se puede determinar la Gravedad Máxima de la mezcla sin compactar y sin vacíos, y en las fórmulas se denomina “Gmm”. El Ensayo de Rice se hace por triplicado y lo recomendado es que se realice en una mezcla que contenga el porcentaje promedio estimado de ligante (en nuestro ejemplo 5%). El resultado de este ensayo se presenta en el siguiente cuadro:

5.00

Porcentaje de asfalto en la muestra: Muestra

1

2

3 2,889.0

Peso frasco

2,889.0

2,889.0

Peso frasco + agua

5,123.0

5,123.0

5,123.0

Peso frasco + muestra

4,089.0

4,123.1

4,200.9

Peso frasco + muestra + agua (despúes vacío parcial)

5,842.0

5,861.8

5,909.6

Peso muestra

1,200.0

1,234.1

1,311.9

Volumen de la muestra

481.0

495.3

525.3

Valor Rice Muestra

2.495

2.492

2.497

Promedio Rice (Gmm)

2.495

(h) Análisis de “Densidad y vacíos” Se procede a continuación al cálculo de los espacios que ocupan, dentro de la briqueta, el aire (Vv), el total del asfalto + el aire, denominado Vacíos en el Agregado Mineral (VAM) y el que ocupa el asfalto dentro del total (aire + asfalto) o Vacíos llenados (Vll). Estos espacios se expresan como porcentaje del volumen de la briqueta, y por facilidad de cálculo se empleará una “briqueta virtual” de 100 g de peso. Esta “briqueta virtual” tiene la ventaja adicional que su composición en peso se corresponde con los mismos valores numéricos en porcentajes. Así, la briqueta con 100 g de peso, tendrá 5 g de ligante asfáltico y 95 g de agregados, o lo que es lo mismo: 5% en peso de ligante y 95% en peso de agregados minerales. El peso total de esta briqueta, denominado “Pmm”, es en consecuencia igual a: Pmm = 100 = Pb + Ps En donde, Pb = peso (g), o porcentaje (%) del ligante en la mezcla total, y Ps = peso (g), o porcentaje (%) del agregado en la mezcla total

5-19

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente __________________________________________________________________________

El esquema que se presenta en la Figura 11 ilustra la composición volumétrica de una briqueta compactada:

Figura 11: Esquema de composición volumétrica de una briqueta compactada

(h.1) Cálculo de los vacíos totales Los “Vacíos totales —Vv—”, se calculan por medio de la siguiente expresión: Vv = 100 * (Gmm — Gmb) / Gmm Así, para la mezcla con 5% de ligante tendremos: Vv = 100 * (2.495 — 2.411) / 2.495 = 3.37% (h.2) Cálculo de los VAM Los Vacíos en el Agregado Mineral (VAM), se calculan por la siguiente fórmula: VAM = 100 — (Gmb * Ps) / Gsb Por lo tanto, para la mezcla con 5% de ligante se tendrá:

5-20

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente __________________________________________________________________________

VAM = 100 — (2.411 * 95) / 2.613 = 12.34% (h.3) Cálculo de los Vacíos llenados (Vll) Los Vacíos llenados con asfalto (Vll), se calculan por la siguiente expresión: Vll = 100 * ((VAM —Vv) / VAM) Por lo tanto, para la mezcla con 5% de ligante se tendrá: Vll = 100 * ((12.34 —3.37) / 12.34) = 72.69% La Planilla del “Ensayo Marshall” toma, hasta este momento, la siguiente forma: a

b

Muestra Nº

Promedio

c

d

e

Porcentaje de Peso en aire Peso en agua Peso en aire asfalto (g) (g) (g) SSS

f

g

Volumen (cm3)

7

5.00

1,207.8

717.0

1,218.3

e-d 501.3

8 9

5.00 5.00

1,207.8 1,207.0

719.0 717.0

1,218.6 1,218.4

499.6 501.4

5.00

h

Peso específico Peso unitario máximo de la mezcla (Rice) (g/cm3)

i

j

k

Vacíos totales (%)

VAM (%)

Vll (%)

c/f 2.409 2.418 2.407 2.411

2.495

3.37

12.34

72.69

El proceso de “Análisis de Densidad y Vacíos” que ha sido detallado para las briquetas 7, 8 y 9, se repite para cada una de las otras doce (12) briquetas. La “Planilla” de laboratorio toma la forma que se muestra en el cuadro de la siguiente página. Es necesario comentar lo siguiente, en cuanto al valor de Gmm para cada uno de los “puntos de asfalto”: •

Los valores de Gmm pueden ser obtenidos de ensayos de laboratorio, tal como fue realizado para el “punto de asfalto” del 5%, ya que los valores de Gmm son requeridos para el cálculo de los valores de Vv, VAM y Vll. Este ensayo consume bastante tiempo y su realización para cada “punto de asfalto” haría que el Ensayo Marshall fuese largo.

5-21

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente __________________________________________________________________________

a

b

Muestra Nº

c

Porcentaje de asfalto

Peso en aire (g)

d

e

Peso en agua (g)

Peso en aire (g) SSS

f

g

Volumen (cm3) e-d

4.00

1,205.0

705.0

1,215.3

510.3

2.361

2 3

4.00 4.00

1,210.0 1,205.9

715.0 710.4

1,220.1 1,216.6

505.1 506.2

2.396 2.382

4.00 4.50 4.50

1,207.6 1,211.6

717.6 719.6

1,218.0 1,222.2

500.4 502.6

2.413 2.411

6

4.50

1,205.8

712.8

1,216.1

503.3

2.396

4.50 7 8 9

Promedio

5.00 5.00 5.00

2.407 1,207.8 1,207.8 1,207.0

717.0 719.0 717.0

1,218.3 1,218.6 1,218.4

501.3 499.6 501.4

5.00 10 11 12

Promedio

5.50 5.50 5.50

1,204.9 1,206.0 1,203.8

712.0 714.0 713.0

1,215.7 1,217.3 1,215.3

503.7 503.3 502.3

6.00 6.00 6.00 6.00

710.0 711.9 712.0

1,215.0 1,216.1 1,214.0

505.0 504.2 502.0

k

Vacíos totales (%)

VAM (%)

Vll (%)

2.533

6.04

12.55

51.9

2.513

4.22

12.02

64.90

2.495

3.37

12.34

72.69

2.476

3.27

13.38

75.60

2.458

2.77

14.02

80.20

2.392 2.396 2.397 2.395

1,204.1 1,204.3 1,203.8

j

2.409 2.418 2.407 2.411

5.50 13 14 15

•

2.380

4 5

Promedio

i

c/f

1

Promedio

Promedio

h

Peso específico Peso unitario máximo de la (g/cm3) mezcla (Rice)

2.384 2.389 2.398 2.390

Los valores de Gmm se pueden calcular, para los otros “puntos de asfalto”, distintos al del “promedio estimado”, tomando como premisa el hecho de que se puede calcular el valor de la “Gravedad Específica Efectiva —Gse—“, por medio de la fórmula que se indica mas adelante, y partir de la realidad que esta gravedad específica es constante —como también lo son Gsb y Gsa—. La fórmula para determinar Gse es:

Gse = ( Pmm − Pb) /{( Pmm / Gmm) − ( Pb / Gb)} Debe acotarse que para poder calcular Gse debe haberse ejecutado, por lo menos, un “Ensayo de Rice”, que, en nuestro ejemplo lo fue para el “punto de asfalto” del 5%. En nuestro ejemplo el valor de Gse será, en consecuencia, el siguiente:

Gse = (100 − 5) /{(100 / 2.495) − (5 / 1.028)} = 2.697

5-22

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente __________________________________________________________________________

Nota importante: como control durante el diseño, el valor de la Gravedad Específica Efectiva (Gse) debe estar entre los valores de Gravedad Específica Aparente (Gsa) y la Gravedad Específica Bulk (Gsb) del agregado combinado. En nuestro ejemplo se observa que se cumple esta condición, ya que: Gsa = 2.713 (pg. 5-17) Gse = 2.697 (pg, 5-22) Gsb = 2.613 (pg, 5-17) Conocido el valor de Gse, se puede calcular el valor de Gmm para cualquier otro “punto de asfalto”, a partir de la siguiente ecuación:

Gmm = Pmm /{( Ps / Gse) + ( Pb / Gb)} Aplicando esta ecuación, para el “punto de 4.5% de asfalto”, por ejemplo, el valor de Gmm sería:

Gmm = 100 /{(95.5 / 2.697) + (4.5 / 1.028)} = 2.513 debemos recordar que en esta fórmula, para el 4.5% de ligante se tiene que: Ps = 100—Pb = 100—4.5= 95.5 Una vez calculado Gmm para el 4.5% de asfalto, se pueden calcular los valores de Vv, VAM y Vll, empleando las mismas ecuaciones que fueron empleadas para el cálculo de estos vacíos para el “punto de asfalto” del 5%. Se procede después a calcular el Gmm para los otros “puntos de asfalto”, y aplicando estas ecuaciones se calculan los vacíos para todo el diseño de la mezcla, resultando en los valores que se han indicado en la “Planilla Marshall” que se ha presentado en la página anterior. (h.4) Otras fórmulas volumétricas Ocasionalmente se requiere determinar el porcentaje de asfalto absorbido (Pba), lo que se realiza aplicando la siguiente fórmula: Pba = 100 *{ (Gse — Gsb) / (Gsb * Gse) } Nota: Este valor de Pba se expresa como porcentaje en peso de agregados A partir de este valor se puede, adicionalmente, determinar el porcentaje de asfalto efectivo (Pbe), a partir de la siguiente ecuación:

5-23

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente __________________________________________________________________________

Pbe = Pb — {(Pba * Ps) /100} (i) Rotura de las briquetas y medición en laboratorio de la “Estabilidad y el Flujo Marshall” Tal como ha sido descrito anteriormente, una vez concluido el “Análisis de Densidad y Vacíos”, se colocan las briquetas en un “Baño de temperatura constante”, a 60ºC, por un periodo comprendido entre 30 y 40 minutos, al final del cual las briquetas se rompen en la “Mordaza Marshall”. Tomemos en nuestro ejemplo las briquetas 7, 8 y 9, y los valores obtenidos en el ensayo sean: a Muestra Nº

b Porcentaje de asfalto

l Estabilidad leída (lbs)

o Flujo (0,01 pulg)

7 8

5.00 5.00

3,200 2,970

11 11

9

5.00

3,080

12

Recordemos ahora que la “Estabilidad leída” debe ser corregida hasta hacerla igual a la que hubiese resultado de una briqueta de un volumen igual al normalizado en el Ensayo Marshall, para lo cual se emplean los “Factores de Corrección” de la Tabla I (Página 5-12), en función del volumen de cada briqueta. Al multiplicar la “Estabilidad leída” por el correspondiente “factor de corrección” se obtiene la “Estabilidad corregida”, y se promedian las estabilidades corregidas de las tres briquetas del mismo “punto de asfalto” para así obtener la “Estabilidad corregida promedio”. Para las briquetas 7, 8 y 9 los “factores de corrección”, de acuerdo a la Tabla I, serán de 1.04, en función del volumen de cada una de ellas, y el cual había sido ya calculado en la columna (f) en la “Planilla Marshall”. (Nota: los valores de los factores de corrección podrán ser, como en el caso de las briquetas 7, 8 y 9, todos iguales —en este caso 1.04—, o todos diferentes, o dos iguales y el tercero distinto).

Los valores de flujo se promedian directamente, sin aplicarles ningún factor de corrección, ya que, por ser la deformación aplicada en el sentido del diámetro de la briqueta, y haber sido todas las briquetas formadas dentro de un molde estandarizado (que corresponde al diámetro del molde metálico en el cual se formaron las briquetas), todas las briquetas tendrán el mismo diámetro. Para las briquetas 7, 8 y 9, los resultados promedio del ensayo dinámico serán para la “Estabilidad promedio” y el “Flujo promedio”, en consecuencia los siguientes:

5-24

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente __________________________________________________________________________

a

b

l

m

n

o

Muestra Nº

Porcentaje de asfalto

Estabilidad leída (lbs)

Factor de corrección

Estabilidad corregida (lbs) l*m

Flujo (0,01 pulg)

Promedio

7 8

5.00 5.00

3,200 2,970

1.04 1.04

9

5.00

3,080

1.04

5.00

3,328 3,089 3,203

3,207

11 11 12 11.3

Se repite el proceso descrito anteriormente para cada una de las restantes 12 briquetas, y se tiene ahora totalmente calculada la información que se vacía en la “Planilla Marshall”, y la cual se muestra en la siguiente página. 7. Representación gráfica de los resultados de los ensayos y del análisis de densidad y vacíos 7.1 Peso unitario (Gmb) –vs- % de ligante El primer gráfico que debe ser preparado, es el de "Peso Unitario de Briqueta", o "Densidad Real de Briqueta", o "Peso Específico de la Briqueta Compactada (Gmb)", contra los diversos contenidos de asfalto empleados en el proceso de diseño de laboratorio. Luego de graficados los puntos correspondientes a cada valor de Gmb, para cada % de C.A, deben unirse para obtener una curva con una rama ascendente hasta un valor máximo, a partir del cual comienza a descender. Esta curva podrá unir perfectamente a cada uno de los puntos, o ser la "curva de mejor ajuste", tal como se observa en el gráfico de peso unitario-vs-% ligante.

5-25

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente __________________________________________________________________________ Pesos Específicos

USM-UCAB Pavimentos Ejemplo Marshall

OBRA:

% en peso

Material

Aparente

Asfalto

1.028

Masivo (Bulk)

Enero-05

FECHA: Peso específico masivo (bulk)

2.613

Diseño de Mezclas Asfálticas en Caliente por el Método Marshall

43

Polvillo

2.701

2.592

Peso específico efectivo

2.697

Resultados del Ensayo Marshall

14

Arrocillo

2.723

2.622

Peso específico aparente

18

Arena

2.733

2.668

% absorción de asfalto

2.713 1.442

25

Piedra picada

2.715

2.605

Diseño Marshall para Mezcla Tipo

M-19

Peso específico parafina 100.00

Muestra Nº

Peso en aire (g)

Peso en agua (g)

Peso en aire (g) SSS

Volumen (cm3)

Vacíos totales (%)

2.613

VAM (%)

Vll (%)

Estabilidad leída (lbs)

Factor de corrección

Estabilidad corregida (lbs)

Flujo (0,01 pulg)

1

4.00

1,205.0

705.0

1,215.3

510.3

2.361

2,640

1.00

2,640

7

2

4.00

1,210.0

715.0

1,220.1

505.1

2.396

2,860

1.04

2,974

7

3

4.00

1,205.9

710.4

1,216.6

506.2

2.382

2,596

1.04

2,700

9

2,771

7.7

8

Promedio

4.00

2.380

2.533

6.04

12.55

51.9

4

4.50

1,207.6

717.6

1,218.0

500.4

2.413

3,255

1.04

3,385

5

4.50

1,211.6

719.6

1,222.2

502.6

2.411

3,060

1.04

3,182

9

6

4.50

1,205.8

712.8

1,216.1

503.3

2.396

3,280

1.04

3,411

10

3,326

9.0

Promedio

4.50

2.407

2.513

4.22

12.02

64.90

7

5.00

1,207.8

717.0

1,218.3

501.3

2.409

3,200

1.04

3,328

11

8

5.00

1,207.8

719.0

1,218.6

499.6

2.418

2,970

1.04

3,089

11

9

5.00

1,207.0

717.0

1,218.4

501.4

2.407

3,080

1.04

3,203

12

3,207

11.3

Promedio

5.00

2.411

2.495

3.37

12.34

72.69

10

5.50

1,204.9

712.0

1,215.7

503.7

2.392

2,310

1.04

2,402

14

11

5.50

1,206.0

714.0

1,217.3

503.3

2.396

2,580

1.04

2,683

14

12

5.50

1,203.8

713.0

1,215.3

502.3

2.397

2,540

1.04

2,642

12

2,576

13.3

Promedio

Promedio

Porcentaje de asfalto

2.713

específico Peso unitario máximo de la (g/cm3) mezcla (Rice)

—

5.50

2.395

2.476

3.27

13.38

75.60

13

6.00

1,204.1

710.0

1,215.0

505.0

2.384

2,030

1.04

2,111

13

14

6.00

1,204.3

711.9

1,216.1

504.2

2.389

1,800

1.04

1,872

15

15

6.00

1,203.8

712.0

1,214.0

502.0

2.398

2,030

1.04

2,111

15

2,031

14.3

6.00

2.390

2.458

2.77

14.02

80.20

5-26

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente __________________________________________________________________________

El uso de “Programas de Excel” en las computadoras personales, facilita el trazado de la curva de mejor ajuste, la cual es una curva polinómica de segundo grado.

Peso Unitario (kg/m3)

2.420 2.410 2.400 2.390 2.380 2.370 2.360 4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

% C.A.

La tendencia de esta curva se explica en función de que, para una misma energía de compactación, a medida que se incrementa el porcentaje de asfalto, las partículas de agregado son mejor lubricadas y consiguen un “mejor acomodo”, con la correspondiente consecuencia de que el peso unitario va aumentando. Esto continúa sucediendo hasta que la cantidad de ligante añadido (que tiene una menor gravedad específica que la de los agregados, comienza a ocupar mas espacio, a costa del espacio que antes ocupaban los agregados que son, en consecuencia desplazados por el asfalto, y la resultante del peso unitario comienza a disminuir. El punto máximo del peso unitario normalmente se encuentra un poco hacia el lado de mas asfalto que en la curva de estabilidad. 7.2 Estabilidad Marshall –vs- % de ligante El segundo gráfico corresponde a la propiedad de la “Estabilidad Marshall contra el porcentaje de asfalto. La curva presenta una rama ascendente, conocida como "rama seca", que crece a medida que se aumenta el % de C.A; se llega a un punto de máximo valor y luego comienza a descender la estabilidad con incrementos del C.A. por encima del correspondiente al de mayor estabilidad, esta rama se conoce como "rama rica en asfalto". Esta curva, que está íntimamente relacionada con la de densidad, tiene tal forma convexa hacia arriba, debido a que, a bajos contenidos de asfalto y ante un esfuerzo dado de compactación, para una granulometría establecida, el total de la resistencia proviene prácticamente exclusivamente del contacto grano a grano de las partículas de agregado, sin ningún aporte de la cohesión. A medida que se incrementa el porcentaje de ligante, el aporte de la cohesión se va haciendo mayor, y se va sumando al aporte de la fricción interna del agregado. Por otra parte, el ligante va lubricando mejor las partículas del agregado, que consiguen mejor acomodo 5-27

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente __________________________________________________________________________

(empaquetamiento) y su contacto grano a grano se hace mayor, y aumenta la fricción interna entre partículas. Esto sucede hasta un punto en el cual, ante un exceso de asfalto se comienza a perder el contacto grano a grano, y la estabilidad comienza a ser aportada especialmente por la cohesión del ligante y la fracción fina de los agregados. A medida que sigue aumentando el porcentaje de asfalto, se sigue perdiendo aporte de fricción, el de cohesión tiende a estabilizarse, y la estabilidad resultante continúa descendiendo.

Estabilidad (lbs)

3,500

3,000

2,500

2,000

1,500 4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

%C.A.

Normalmente, para este gráfico, el punto de máxima estabilidad se encuentra en un contenido de ligante algo menor que el de máximo peso unitario. 7.3 Flujo Marshall –vs- % de ligante El flujo aumenta con valores mayores de ligante, lo cual es una consecuencia lógica de que mezclas más ricas, al tener mayor cantidad de asfalto, son más flexibles y deformables que mezclas mas secas.

Flujo (0,01 pulg)

16 14 12 10 8 6 4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

%C.A.

5-28

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente __________________________________________________________________________

7.4 Vacíos totales (Vv) –vs- % de ligante A medida que aumenta el contenido de asfalto, para una misma granulometría y esfuerzo de compactación, se van llenando los espacios que ocupa el aire entre los agregados, y en consecuencia su porcentaje respecto al volumen de la briqueta, se va haciendo menor. 7.0 6.0

%Vv

5.0 4.0 3.0 2.0 4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

%C.A.

Es muy importante el que la curva de “mejor ajuste” en la curva de vacíos no presente una tendencia a incrementarse a medida que se aumenta el contenido de ligante. Esto puede suceder cuando se emplea una curva polinómica de segundo grado. En este caso debe cambiarse el tipo de la curva de mejor ajuste, ya sea a una línea recta o a una potencial. La hoja de “Excel” es una excelente herramienta para evaluar cuál será la mejor curva de tendencia, o de mejor ajuste, a ser finalmente seleccionada. 7.5 Vacíos en el agregado mineral (VAM)–vs- % de ligante Las mezclas de agregado sin ligante logran, al menos teóricamente, su mejor grado de densidad ante un esfuerzo de compactación determinado. A medida que se incrementa el % de C.A., éste cubre las partículas y hace que ellas comiencen a separarse, perdiéndose el contacto grano a grano, y por lo tanto los espacios no ocupados por los agregados, que es el VAM, comienza a crecer. A mayores valores de C.A., sin embargo, éste comienza a actuar como agente lubricante, las partículas vuelven a buscar un mejor grado de acomodo, y los espacios entre los granos, nuevamente el VAM, tienden a disminuir., ya que el espacio que ocupa el aire disminuye a una mayor rata que el incremento que aporta el ligante en la formación del VAM.

5-29

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente __________________________________________________________________________

15.0

%VAM

14.0

13.0

12.0

11.0 4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

%C.A.

Esta disminución del VAM continúa hasta que los vacíos se llenan a su grado máximo con el asfalto; pero a partir de este punto, cada vez que aumenta la cantidad de asfalto dentro de la briqueta, también aumentan los VAM, que no son otra cosa que la suma de los espacios ocupados por el aire + los espacios que ocupa el ligante, y como el espacio ocupado por el aire ha llegado a prácticamente su valor mínimo, cualquier incremento de la cantidad de ligante comienza a aumentar la resultante de la suma de espacio de aire + espacio de asfalto. 7.6 Vacíos llenados (Vll)–vs- % de ligante La ultima curva en dibujarse corresponde a la que muestra la relación entre contenido de ligante y aquélla parte del VAM que son llenados por el asfalto.

85

%Vll

75

65

55

45 4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

%C.A.

5-30

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente __________________________________________________________________________

Por definición de vacíos llenados, es fácil visualizar como a medida que se aumenta el contenido de ligante, se aumenta la proporción de los vacíos en el agregado mineral (VAM), que son llenados por asfalto. En la siguiente página se muestra el conjunto de las propiedades Marshall, y que conforman las características que deben ser evaluadas para la selección del contenido de asfalto que será definido como “porcentaje óptimo de asfalto”, de acuerdo al procedimiento que se describirá mas adelante. 8. Determinación del contenido óptimo de asfalto El Método Marshall establece para la determinación del mejor contenido posible de cemento asfáltico, o porcentaje óptimo, de acuerdo al procedimiento actualizado recomendado por el Instituto del Asfalto Americano (IDA), y el cual ha sido adoptado en la mayoría de los países, entre ellos Venezuela, el procedimiento siguiente: 8.1 Se entra en la curva de Vacíos totales –vs- contenido de ligante con el 4% de Vv y se traza una perpendicular al eje de las ordenadas, hasta cortar la curva de mejor ajuste de los Vv. En el punto de corte con esta curva se traza una perpendicular al eje de las abcisas; el punto de intersección en este eje corresponde al “óptimo probable de asfalto”. Se denomina “probable”, pues tienen que ser comparadas las otras propiedades contra la exigencia de la norma que se esté aplicando en el diseño. En el siguiente gráfico se muestra este procedimiento. En este ejemplo de diseño, para el 4% de Vv se obtiene un correspondiente % de asfalto del 4.7%. El 4% de vacíos totales se selecciona como criterio de entrada, por ser el punto medio de las especificaciones del contenido de aire (rango entre un 3% y un 5%); este rango, por otra parte ha sido fijado en función de los criterios siguientes: Cuando el porcentaje de vacíos totales es muy bajo —cercano al 1%—, el pavimento presenta una tendencia a la exudación. Ya que el error en la determinación del porcentaje de vacíos totales, debido a la precisión propia del método de ensayo se ha estimado como de un 1%, el valor mínimo de Vv debe ser del 3%, con el fín de proporcionar un margen de seguridad contra tal exudación. Sin embargo, cuando por razones económicas y/o prácticas no pueda cumplirse con el mínimo del 3%, puede aceptarse hasta un mínimo absoluto del 2%. El porcentaje máximo de Vv debe ser del 5%, ya que cuando se excede este valor el agua y el aire pueden acceder rápidamente hacia la mezcla, y se acelera el proceso de oxidación que, tal como fue visto ya anteriormente, produce el fenómeno de transformación de las resinas en asfaltenos, 5-31

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente __________________________________________________________________________

perdiéndose gran parte de la ductilidad y adherencia del ligante, es decir un envejecimiento prematuro de la mezcla asfáltica. Por otra parte, debe recordarse que, tal como fue comentado en el Capítulo referente a las propiedades de la mezcla asfáltica, se deberá proveer un porcentaje adicional de compactación en el campo, que la mayoría de las normas fijan en un 4%, por lo cual, al 45 de vacíos en el diseño se le sumará otro 4% de vacíos en campo, con lo cual se llega a un 8% de vacíos iníciales en el momento de finalizar la compactación en obra, y este 8% ha sido un valor limitante por comportamiento de la mezcla ante la fatiga, la durabilidad, la impermeabilidad, etc. 8.2 Verificación de otras propiedades Ahora, con este 4.7% de cemento asfáltico se entra en cada una de las otras propiedades, se levanta una vertical al eje de las abcisas en el 4.7% de asfalto y se corta la curva de la propiedad que se está evaluando, desde el punto de intersección con la curva de ajuste de la propiedad se traza una perpendicular al eje de las ordenadas y en el punto de intersección se lee el valor correspondiente a la propiedad que se está evaluando. En el ejemplo que nos ocupa, para el 4.7% de cemento asfáltico, se leen los siguientes valores en cada una de las otra cinco (5) propiedades: Propiedad Marshall

Unidad de medición Peso unitario g/cm3 Estabilidad Lbs Flujo 0.01 pulgada Vacíos en el agregado mineral % (VAM) Vacíos llenados con asfalto %

Valor obtenido en el diseño 2.408 3.200 10.2 12.2 67

5-32

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente __________________________________________________________________________

USM-UCAB CURVAS DE DISEÑO MARSHALL

7

2.420 2.410

6

2.400 5

2.390 2.380

4

2.370 3 2.360 4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

2 4.0

% C.A.

3,500

15

3,000

14

2,500

13

2,000

12

4.5

5.0 %C.A.

5.5

6.0

11

1,500 4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

5.5

6.0

%C.A.

%C.A.

85

16 14

75

12 65 10 55

8 6

45 4.0

4.5

5.0 %C.A.

5.5

6.0

4.0

4.5

5.0 %C.A.

5-33

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente __________________________________________________________________________

El procedimiento que anteriormente se había venido empleando para la determinación del contenido óptimo de ligante era el siguiente: a. En la curva de Estabilidad -vs- % C.A., se selecciona el porcentaje de cemento asfáltico correspondiente al máximo valor de estabilidad b. En la curva de Densidad -vs- % C.A., se selecciona el porcentaje de cemento asfáltico correspondiente al máximo valor de densidad c. En la curva de Vacíos totales -vs- % C.A., se selecciona el porcentaje de cemento asfáltico correspondiente al punto medio de las especificaciones aplicables en cuanto al contenido de vacíos totales que deberá tener la mezcla d. Se promedian aritméticamente los tres valores anteriores, y ese valor promedio se corresponde con el "porcentaje óptimo probable". e. Para este "porcentaje óptimo probable", se leen, al igual que en el procedimiento actualizado, los correspondientes valores para cada una de las seis propiedades evaluadas en el diseño Marshall. Como puede entenderse, el criterio de selección del porcentaje de asfalto no es ni único ni obligatorio, aún cuando la tendencia actual es a emplear el procedimiento descrito primeramente y el cual es recomendado por el Instituto Americano del Asfalto, por estar relacionado posteriormente con los criterios de compactación de la mezcla en obra. 9. Verificación de los criterios establecidos en las especificaciones para el porcentaje óptimo de cemento asfáltico 9.1 comparación con Norma aplicable Cada uno de los valores leídos de las curvas para el "porcentaje óptimo probable", tal como ha sido señalado, deberá ser comparado y verificado si cumple o no, cada uno de los criterios establecidos en las especificaciones que hayan sido seleccionadas para ser aplicadas en el diseño. Aplicaremos en nuestro ejemplo la Norma INVEAS, que, tal como fue descrito en el Capítulo 4, es la indicada en las Tablas 7 & 8, recordando que nuestro diseño es para una condición de “tránsito alto” y para una mezcla de “tamaño nominal 19 (M19”.

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Tabla 7 Propiedades Marshall exigidas para el diseño de mezclas en Laboratorio TRÁNSITO Propiedades Marshall ALTO MEDIO BAJO Nº de golpes por cara 75 75 50 % vacíos totales (1) 3-5 3-5 3-5 % vacíos llenados 65-75 65-75 65-78 Estabilidad Marshall (mínima) lbs 2.200 1.800 1.600 Flujo (pulg/100) 8-14 8-14 8-16 Vacíos del agregado valor según Tabla 8, en función del tamaño nominal mineral (VAM) máximo del agregado y el % de vacíos (1) calculados en base a la densidad máxima teórica determinada según el ensayo de Rice (Método ASTM D-2041) Tabla 8: Valores Mínimos de Vacíos en el Agregado Mineral (VAM), en función del Tamaño Nominal Máximo del Agregado y del % de vacíos totales de la mezcla Contenido de vacíos totales en la mezcla (%) Tamaño nominal máximo (mm) 3.0 4.0 5.0 25.4 11 12 13 19.1 12 13 14 12.5 13 14 15 9.5 14 15 16 Nota: interpolar linealmente en caso de que el porcentaje de vacíos totales se encuentre entre los valores enteros indicados

Para el 4.7% de “porcentaje óptimo probable”, se prepara la siguiente tabla, en la cual se registran los valores de cada propiedad y el criterio correspondiente: Propiedad Marshall Peso unitario Estabilidad Flujo Vacíos totales Vacíos en el agregado mineral (VAM) Vacíos llenados con asfalto

g/cm3

2.408

Criterio Norma INVEAS Ninguno

Lbs 0.01 pulgada %

3.200 10.2 4

>= 2200 8—14 3—5

OK OK OK

12.2

>= 13

NO CUMPLE

67

65—75

OK

Unidad de medición

% %

Valor obtenido en el diseño

Condición De diseño OK

5-35

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente __________________________________________________________________________

9.2 alternativa de selección Si el porcentaje de asfalto seleccionado para el 4% de Vv (4.7% en este ejemplo), hubiese satisfecho todos los requisitos de la norma, pasaría a ser calificado como “porcentaje óptimo de diseño”, y aceptado para la elaboración de la mezcla en obra. Cuando una o mas de las propiedades no satisface la norma aplicable, como en este ejemplo, la primera alternativa consiste en “moverse” dentro del rango de contenidos de ligante, hasta tratar de conseguir un valor que satisfaga todos y cada uno de los criterios de la norma. Si seleccionamos ahora, como alternativa, un porcentaje de asfalto del 5.2%, se preparara una tabla similar a la anterior, pero para las propiedades leídas para este 5.2%, con el siguiente resultado: Verificación del cumplimiento de la norma para el 5.2% de cemento asfáltico, valor considerado como nuevo “óptimo probable”: Propiedad Marshall Peso unitario Estabilidad Flujo Vacíos totales Vacíos en el agregado mineral (VAM) Vacíos llenados con asfalto

g/cm3

2.409

Criterio Norma INVEAS Ninguno

Lbs 0.01 pulgada %

3.000 12 3.0

>= 2200 8—14 3—5

OK OK OK

12.7

>= 12

OK

75

65—75

OK

Unidad de medición

% %

Valor obtenido en el diseño

Condición De diseño OK

Como se observa en la tabla anterior, con un 5.2% de cemento asfáltico se satisfacen todos y cada uno de los criterios establecidos en la Norma INVEAS, por lo cual el 5.2% pasa ser el “porcentaje óptimo de diseño”. Como se observa en el cuadro anterior, el criterio de “mínimo VMA” ha variado, como consecuencia de que el % de Vv se ha modificado de un 4% anterior a un 3% actual.

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Evaluación y ajuste del diseño de mezclas asfálticas en caliente Pudiera darse el caso de que no se encontrase un porcentaje de asfalto que cumpliese todas las exigencias de la norma, debe procederse a un “rediseño”, para lo cual debe evaluarse la(s) propiedad(es) que no se puedan cumplir y tomar las acciones correctivas convenientes, para lo cual puede servir de guía los comentarios siguientes: A menudo, en el proceso de diseño de una mezcla determinada, es necesario hacer varias pruebas hasta encontrar una que cumpla con todos los criterios del método de diseño utilizado. Cada prueba de diseño servirá, además, como guía para evaluar y ajustar las pruebas posteriores. Para un diseño de mezcla preliminar, o exploratorio, es aconsejable comenzar con una mezcla de agregados cuya granulometría se aproxime a la media de las especificaciones. Las pruebas de mezclas iniciales en el proceso de establecimiento de la "Fórmula de Trabajo", por el contrario, deben resultar en la granulometría producto de la mejor combinación con los materiales que se están produciendo en la picadora o procesadora de los agregados, aún cuando se exige que tal combinación también debe caer dentro de los límites de las especificaciones seleccionadas. En algunos casos, la combinación de los agregados que haya sido establecida puede conducir a una mezcla cuyos porcentajes de cemento asfáltico no cumple con las especificaciones de la mezcla en sí. Cuando tal cosa sucede, será necesario rediseñar la mezcla, partiendo desde el establecimiento de una nueva proporción de los agregados disponibles. Para muchos materiales de ingeniería, a menudo se considera la estabilidad como su calidad más sobresaliente; este no es necesariamente verdad en el caso de mezclas asfálticas en caliente. Frecuentemente se obtienen estabilidades extremadamente altas, a expensas de una reducción en la durabilidad de la mezcla. Debe recordarse que, en la evaluación y ajuste del diseño de mezclas, la granulometría del agregado y el contenido de asfalto deben ser el resultado de un balance favorable entre estabilidad y durabilidad, y con una mezcla que pueda ser trabajada en forma fácil y económica. A continuación se indican ciertas condiciones generalmente encontradas en el diseño de mezclas en caliente, así como las medidas correctivas que pueden, en la mayoría de los casos, conducir a una nueva mezcla que sí cumpla con todas las condiciones óptimas de diseño.

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• Mezcla con vacíos bajos y estabilidad baja Los vacíos pueden ser aumentados en varias formas, aún cuando la más convencional es mediante el incremento de la fracción fina, o de la fracción gruesa de la combinación de agregados. Para ello es muy útil el empleo de las curvas granulométricas. Cuando, en un gráfico semilogarítmico, se dibujan las curvas de máxima densidad, éstas resultan de forma cóncava hacia arriba. Las mezclas preparadas con agregados que tengan tales granulometrías son de trabajabilidad adecuada, es decir de mezclado, extendido y compactado fácil. Su contenido de vacíos es, por lo contrario, normalmente muy bajo, y se hará necesario una recombinación granulométrica que se aleje de la curva de máxima densidad. Para este ajuste es más práctico el empleo de la curva BPR, que tienen la ventaja de que las granulometrías de máxima densidad resultan en una linea recta, que se obtiene uniendo el punto de "cero por ciento pasante" (origen en el punto izquierdo del gráfico), con el tamaño nominal máximo, o tamiz con un retenido cercano al 5% para la mezcla en estudio. Para obtener una curva granulométrica que no sea de máxima densidad, debe simplemente observarse que la curva resultante de tal combinación se aleje de la recta de máxima densidad, recordando sin embargo que la granulometría en estudio debe caer dentro de los límites de las especificaciones. Las mezclas que, dibujadas en un papel semi-log, resultan convexas hacia arriba, tienen un buen valor de VAM, es decir también valores altos de vacíos totales; sin embargo tienen una capacidad reducida de trabajo, son difíciles de compactar, y su estabilidad es generalmente muy baja. Otra manera de aumentar el porcentaje de vacíos es mediante la reducción del contenido de asfalto en la mezcla. Esto es recomendable sólo en los casos en que el contenido original de asfalto sea mayor que lo normal, y que no sea requerido para reemplazar el asfalto absorbido por el agregado. Debe recordarse, sin embargo, que una disminución del contenido de asfalto reduce el espesor de la película de ligante sobre cada partícula de agregado, lo cual significa una reducción de la durabilidad de la mezcla. Si la disminución del porcentaje de asfalto es muy grande, puede obtenerse una mezcla con tendencia a la fragilidad. Generalmente, además, al aumentar el contenido de partículas de agregados que hayan sido producidos por trituración (incremento en el valor del porcentaje de caras cortadas), es posible aumentar la estabilidad e incrementar el valor de los vacíos. En ciertos casos, puede ser necesario el recurrir al cambio de uno, o más de los agregados, si no se obtienen los resultados esperados al tomar las acciones que se han indicado anteriormente. Puede ser necesario, como 5-38

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente __________________________________________________________________________

último recurso, el que se cambie la especificación de la combinación, o aún de la mezcla. Esta medida debe siempre realizarse bajo el análisis del tipo de tráfico y de las condiciones ambientales imperantes. • Mezcla con vacíos bajos y estabilidad satisfactoria Un bajo contenido de vacíos puede resultar en mezclas inestables, o que tiendan al fenómeno de exudación, después que el pavimento ha sido expuesto al tráfico por un tiempo determinado (normalmente un año y medio a dos años), a causa de la reorientación de las partículas por efecto de la compactación adicional bajo el paso de los vehículos. Las soluciones a esta condición de mezcla son iguales a las dadas en el caso anterior. • Mezcla con vacíos satisfactorios y estabilidad baja Esta condición de mezcla asfáltica es generalmente la consecuencia de un agregado de pobre calidad. La solución es generalmente la de incrementar el porcentaje de caras producidas por fractura, o de modificar el tipo de ligante hacia uno de mayor viscosidad. • Mezcla con vacíos altos y estabilidad satisfactoria Los altos contenidos de vacíos están siempre asociados con una disminución en la durabilidad de la mezcla. En este caso, el exceso de vacíos no ocupados por asfalto o los agregados, permiten la fácil circulación del agua y del aire dentro de la mezcla; se produce en mayor grado el fenómeno de la oxidación de las resinas hacia asfaltenos, y la mezcla tiende a envejecer prematuramente. De ser este el caso de la mezcla, las soluciones consistirán en incrementar el contenido de asfalto, aumentar el contenido de polvillo mineral, o una recombinación de los agregados para acercar la granulometría resultante a la curva de máxima densidad. • Mezcla con vacíos altos y estabilidad baja Este caso requiere de la aplicación de las medidas correctivas indicadas en el Aparte anterior para reducir el contenido de vacíos. Si esos ajustes no mejoran simultáneamente la estabilidad, debe recurrirse en segundo lugar a incrementar las caras fracturadas, a recombinar los agregados, o a su sustitución por otros de mejor calidad, tal como ha sido señalado anteriormente.

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El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente __________________________________________________________________________

Sensibilidad de las mezclas asfálticas al efecto del agua 1. Alcance En algunas oportunidades mezclas asfálticas que han sido adecuadamente diseñadas, y para las cuales se han obtenido resultados de laboratorio y campo adecuados, presentan un comportamiento inadecuado bajo las condiciones reales de trabajo. Las razones de tal hecho son todavía oscuras, pero el análisis de las mezclas asfálticas con respecto a su "sensibilidad al agua" permite reducir el riesgo de un comportamiento insatisfactorio. Estos análisis permiten la posibilidad de que los procedimientos para la determinación del contenido óptimo de asfalto tomen en consideración las mezclas en seco, y bajo la acción del agua. El contenido óptimo de una mezcla en seco, siguiendo el Método Marshall normalizado, por ejemplo, puede resultar en propiedades totalmente diferentes si se diseña bajo condiciones que simulen la acción del agua en la mezcla en campo. Esta última condición puede resultar en la conveniencia de variar el tipo de agregado, o en las modificaciones de las características propias de la mezcla en sí. Algunas mezclas sufrirán una disminución en su estabilidad y contenido de asfalto, y un incremento en el valor del flujo; otras mezclas pueden no ser afectadas por la presencia de agua. Los procedimientos que se señalan a continuación deben ser considerados más como "ensayos de durabilidad", que como métodos de diseño de mezclas. Sin embargo, la consideración de los resultados de estos ensayos de durabilidad puede hacer recomendable algunas modificaciones en el diseño y propiedades de la mezcla, al tomar en cuenta estos resultados y el tráfico esperado y las condiciones ambientales imperantes. 2. Ensayos de durabilidad Los ensayos de durabilidad pueden dividirse en dos tipos: (a) sobre los agregados Estos no serán tratados en este capítulo, pero normalmente incluyen Desgaste los Ángeles, desgaste en sulfatos, forma de las partículas y Arena Equivalente, y fueron, por otra parte, ya comentados en el Capítulo referente a las propiedades de los agregados pétreos. (b) sobre las mezclas Una vez que los agregados han sido aprobados, basándose en los resultados de los ensayos que las especificaciones establecen para los ensayos enumerados en el Aparte (a), se diseña la mezcla siguiendo los pasos normalizados en el Método Marshall. Los ensayos de durabilidad permiten medir como reaccionan las propiedades de la mezcla ya diseñada cuando la mezcla se somete a la acción del agua. 5-40

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente __________________________________________________________________________

Estos ensayos sobre las mezclas pueden, a su vez, dividirse en: 1. Ensayos cualitativos de denudación Permiten medir el grado de permanencia de la unión agregado-asfalto, en presencia de agua, en forma simplemente estimativa por observación visual de una mezcla sometida a un proceso de inmersión en agua. Entre los más comunes se encuentran: 1.1 Ensayos estáticos El agregado se cubre con el cemento asfáltico, y se sumerge en agua a una temperatura determinada. Luego de transcurridas 24 horas, se observa el grado de pérdida de cobertura del asfalto. Este ensayo ha sido normalizado bajo el Método ASTM D 3625, y simula el efecto del agua cuando cae sobre la superficie del pavimento en los meses de verano. 1.2 Ensayo en agua hirviendo Este ensayo es una variación del ASTM 3625, y consiste en colocar la mezcla asfáltica sin compactar en agua hirviendo, durante un tiempo de10 minutos, después del cual se observa el grado de denudación, o pérdida de cobertura que han tenido el área total de mezcla en observación, y se califica simplemente como mayor o menor del 95% de área cubierta por asfalto después del ensayo. Como se entiende, es muy difícil apreciar la denudación de la fracción fina de la mezcla. 1.3 Ensayos dinámico de denudación simple Este ensayo persigue simular el efecto del tráfico sobre la superficie del pavimento húmedo. Este ensayo ha sido normalizado por el Estado de California bajo el Número Cal-DOT-T-302, y es similar al ASTM 3625, pero la mezcla de agregado y asfalto se somete a un proceso de agitación, que acelera y hace más marcada la acción del agua sobre la muestra. 2. Ensayos cuantitativos de resistencia Permiten medir directamente el efecto del agua sobre las propiedades de resistencia de la mezcla. Los más comunes son:

5-41

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente __________________________________________________________________________

(2.1) Ensayo de Resistencia Retenida (RRR) Este ensayo, también conocido como de “Inmersión-Compresión” ha sido normalizado por la AASHTO bajo la numeración T-165 y consiste en la preparación de seis (6) briquetas de 102 mm (4 Pulg.) de diámetro por 102 mm (4 pulg.) de altura. Las briquetas se compactan por aplicación de una presión estática de 3.000 psi, durante 2 minutos, hasta alcanzar un contenido de vacíos cercano al 6%. Tres briquetas serán tratadas como “no condicionadas” (PNC) y las tres restantes como condicionadas (PCC). Las briquetas PCC se sumergen en agua a 49ºC durante 4 días ó a 60ºC por un (1) día. Todas las briquetas se rompen a la compresión simple a 25ºC con una velocidad de aplicación de la carga de 5.1 mm/min. El promedio de los tres valores de compresión no confinada de las briquetas PNC se divide entre el promedio de los valores de compresión no confinada de las briquetas PCC. Esta relación se define como “Resistencia retenida—RRR” y la mayoría de las especificaciones establece, para mezclas densas de concreto asfáltico, una relación mínima de 70%. Con este ensayo se presentan dos limitantes (1) carencia de precisión en el ensayo 1 y (2) el ser necesario un equipo de aplicación de carga estática que no está disponible en muchos laboratorios. (2.2) Ensayo de Relación de Tensión Diametral (RTD) El segundo ensayo, también conocido como “Lottman Modificado”, ha sido estandarizado por la AASHTO bajo el código T-283, y persigue igualmente medir la relación de resultados de condiciones de resistencia de briquetas condicionados y de briquetas sin condicionar. En este ensayo las briquetas se preparan con el equipo Marshall, con lo cual se elimina la dificultad (2) del ensayo RRR. Se preparan seis briquetas, todas compactadas con el martillo Marshall, hasta que alcancen un contenido de vacíos entre 6 y 8%. Tres de ellas serán rotas sin ningún condicionamiento adicional que el sumergirlas en agua a 25ºC durante una (1) hora antes de su rotura por tensión indirecta. Las otras tres briquetas se saturan entre un 55 y un 80%, y posteriormente se sumergen en agua a 60ºC por 24 horas y una (1) hora a 25ºC antes de su rotura a tensión indirecta en la Mordaza Lottman. La Figura 12 muestra tanto la “Mordaza Lottman”, como el tipo de fractura que se produce en una briqueta cuando se somete a este ensayo de carga por tensión indirecta. 1

National Center for Asphalt Technology (NCAT): “Hot Mix Asphalt Materials, Mix Design and Construction”, University of Auburn, Alabama, Second Edition, 1996. Página 308. 5-42

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente __________________________________________________________________________

Forma rotura

Figura 12: Briqueta en Mordaza Lottman y forma de rotura

La relación entre el promedio de la tensión indirecta de las tres briquetas sin condicionar y el promedio de la tensión indirecta de las tres condicionadas se define como la “Relación de Tensión Diametral –RTD”, y la mayoría de las especificaciones establece, para mezclas densas de concreto asfáltico, una valor mínimo de 70 a 80%. En Venezuela, por el contrario, para mezclas densas de concreto asfáltico se exige una relación mínima de 60% 2. El NCAT comenta, por otra parte, que: “…basándose en una encuesta realizada entre los diversos Departamentos de Carreteras, se considera que el Método AASHTO T-283 es el mas apropiado para determinar la susceptibilidad de las mezclas al efecto del agua. Se recomienda un valor mínimo de 70%. Este criterio debe aplicarse a mezclas producidas en campo mas que en mezclas de laboratorio. Este método ha sido incluido como criterio de diseño de mezclas por Superpave…” 3. (a) Estabilidad Retenida Marshall (ERM) En Puerto Rico y algunos otros Estados de los Estados Unidos se emplea el ensayo de Estabilidad Retenida Marshall (ERM) 4. Esta modalidad de ensayo fue quizás, el primer enfoque para evaluar en laboratorio el efecto del agua sobre las mezclas asfálticas. Comenzó midiendo directamente las estabilidades Marshall de mezclas compactadas en laboratorio a 4% de vacíos totales, pero sometidas a un proceso de inmersión en agua a 60ºC durante 24 horas, y se medía su proporción contra estabilidades Marshall en mezclas compactadas al 2

Norma Venezolana del Instituto Venezolano del Asfalto (INVEAS) para mezclas de concreto asfáltico, 2002. 3 National Center for Asphalt Technology (NCAT): “Hot Mix Asphalt Materials, Mix Design and Construction”, University of Auburn, Alabama, Second Edition, 1996. Página 309. 4 Idem. 5-43

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente __________________________________________________________________________

mismo contenido de aire, pero solo sumergidas en agua a 60ºC durante una hora. El método evolucionó a medir la relación entre briquetas compactadas hasta alcanzar un contenido de aire entre el 6 y el 8%, un grupo condicionadas y otro no condicionadas, pero midiendo en ambas la “Estabilidad” con la mordaza Marshall convencional. En un estudio sobre ensayos para medir el efecto del agua sobre las mezclas 5 no se menciona entre los más adecuados para ser aplicado como método de aceptación o rechazo de mezclas. En otras literaturas investigadas no se hace ya más referencia a este procedimiento. En el Segundo Simposio Venezolano del Asfalto (II SIMVEAS), celebrado en la ciudad de Mérida, Venezuela en octubre de 2002, se presentó un Trabajo de Investigación6, en el cual se incluyó una correlación entre la ERM y la RTD, con el fin de que fuese empleado el criterio de ERM mientras los laboratorios sean dotados de la Mordaza Lottman para poder evaluar la RTD. El resultado de esta correlación, se presenta en la figura de la siguiente página. Esta correlación, que debería ser validada en otras investigaciones en vista de el bajo coeficiente de regresión que fue obtenido, demuestra, sin embargo, que el ensayo de RTD es mucho mas severo que el de ERM, y que para un 80% de ERM, por ejemplo, sólo se alcanzaría un 62% de RTD.

Resistencia Retenida Lottman (%)

100 90

y = 0.5606x + 17.152 R20.2997 =

80 70 60 50 40 30 20 40

50

60

70

80

90

100

Estabilidad Retenida Marshall (%)

5

NCAT: Kiggundu y Roberts: “Stripping in HMA mixtures: State of the Art and Critical Review of Test Methods, 1988. 6 Corredor G.: “La Resistencia Retenida Lottman: ¿Cómo, cuánto y por qué?. II SIMVEAS, Mérida, 2002. 5-44

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente __________________________________________________________________________

Determinación del Módulo Elástico en mezclas asfálticas El módulo elástico se determina mediante el Método de Ensayo ASTM D4123 (Tensión Indirecta con Carga Repetida, MR), o mediante el ensayo ASTM D3497 (Módulo Dinámico Complejo, Eca) y sustituye, en las mezclas asfálticas, a los valores de estabilidad Marshall como criterio para la selección de los correspondientes "coeficientes estructurales" que luego participan en el establecimiento de los espesores de diseño. El valor del Módulo Elástico se ha seleccionado para sustituir a la estabilidad por las razones siguientes: a. Indica una propiedad básica de los materiales, la cual puede ser utilizada en los análisis mecanísticos de sistemas multicapas para predecir agrietamientos, deformaciones longitudinales, ahuellamientos, etc. b. Se ha aceptado mundialmente como un método para la caracterización de las propiedades de los materiales y mezclas, para su uso en el diseño y evaluación de pavimentos. Ensayo utilizado para la determinación del módulo dinámico complejo (ASTM D3497) en mezclas asfálticas. El Módulo Dinámico Complejo (Eca), normalmente denominado “Módulo Complejo”, se determina mediante la aplicación de cargas sinusoidales verticales a briquetas cilíndricas, mientras se mide la deformación. Este ensayo ha sido normalizado por la ASTM bajo el número D3497, y en él se requiere que la relación altura/diámetro de la muestra sea al menos 2 a 1, con el fin de minimizar el efecto de la fricción en las caras superior e inferior de la muestra. Las briquetas más comunes son 4*8 pulgadas o de 6*12 pulgadas. La figura 13 ilustra el equipo empleado en este ensayo. La carga aplicada normalmente es de 35 psi y se define como un porcentaje de la resistencia de la mezcla. El ensayo se ejecuta sobre mezclas a tres temperaturas diferentes (5, 25 y 40ºC), y a tres frecuencias de carga: 1, 4 y 16 hertz. El esfuerzo aplicado se determina al dividir la carga vertical aplicada entre la sección transversal de la briqueta y la deformación se mide como el promedio obtenido de dos celdas de deformación colocadas en lados opuestos de la muestra, o se calcula a partir de la deformación vertical medida mediante medidores de desplazamiento variable lineal (LVDT o transductores (transducers)). El Módulo complejo se obtiene finalmente al dividir el esfuerzo repetido entre la deformación repetida.

5-45

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente __________________________________________________________________________

Figura 13: equipo para la ejecución del ensayo de módulo complejo

Este ensayo tiene uso limitado debido a que se requiere mucho tiempo para su ejecución, así como por lo complejo y costoso del equipo requerido; por otra parte, no puede ser empleado sobre muestras del pavimento (núcleos). Ensayos utilizados para la determinación del modulo de resiliencia (MR) en mezclas de concreto asfáltico (ASTM D4123) La rigidez de las mezclas asfálticas es de primordial importancia al determinar qué tan bien se comporta un pavimento y es esencial para el análisis de la respuesta del pavimento a la carga vehicular. Aunque las pruebas de fatiga y muchas de las pruebas de deformación permanente pueden ser utilizadas para medir la rigidez bajo condiciones similares a aquellas experimentadas por las mezclas de pavimentos en servicio, no hay garantía de que el mejor sistema para prueba de fatiga, por ejemplo, sea también el mejor para pruebas de rigidez o módulo de resiliencia. Por lo tanto, los ensayos que se utilizan para conocer la rigidez o el módulo de resiliencia son: • Ensayo de rigidez axial resiliente • Ensayo de rigidez diametral resiliente • Ensayo de rigidez dinámica a flexión • Ensayo de rigidez dinámica cortante Los tipos de ensayos anteriores han demostrado ser sensibles a la modificación de la mezcla y sus variables de diseño tales como: tipo de 5-46

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asfalto, tipo de agregados, contenido de vacíos de la mezcla y temperatura, entre otros. La Figura 14 muestra el dispositivo de ensayo diametral (tensión indirecta) utilizado para la determinación del módulo de resiliencia en una mezcla asfáltica:

Figura 14: Ensayo de tensión indirecta para la medición del Módulo Resiliente en mezclas asfálticas

Este método es el más común para la determinación del módulo en mezclas asfálticas, por su simplicidad y aplicabilidad a núcleos de campo. El equipo es similar al de la medición de la tensión indirecta Lottman, pero el equipo debe ser capaz de aplicar cargas dinámicas repetidas. Las ecuaciones requeridas en el ensayo de tensión indirecta pueden ser empleadas para calcular el esfuerzo a la tensión y la deformación al momento de la falla en el ensayo de Módulo Resiliente (o de resiliencia). El esfuerzo aplicado se calcula de la misma manera que en el ensayo de tensión indirecta, pero para en ensayo de MR la muestra no se carga hasta el momento de la falla, sino a un nivel de esfuerzo entre el 5% y 20% del esfuerzo total en el ensayo de tensión indirecta, por lo que, para ejecutar el ensayo de Módulo resiliente, debe haberse ejecutado previamente el ensayo de tensión indirecta para conocer el valor total del esfuerzo de tensión. En el ensayo de MR la carga se aplica normalmente durante un lapso de 0.1 segundos, seguido por un lapso de 0.9 segundos sin carga, es decir que la muestra recibe un ciclo de carga por segundo. En Venezuela no se cuenta aún con los equipos requeridos para la determinación en laboratorio de los valores de módulo elástico (resiliente o complejo) de las mezclas asfálticas. Como los últimos métodos de diseño de 5-47

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente __________________________________________________________________________

pavimentos, y particularmente el AASHTO-1993, requiere del valor de [Eca] para la determinación de los coeficientes estructurales, es necesario apoyarse en algunas ecuaciones de correlación para el establecimiento de estos valores de [Eca]. 1. Ecuación de Correlación Nº 1 Una de las primeras ecuaciones de correlación fue desarrollada por los Ings. Kallas & Sook( 1971), y posteriormente modificada por M. Witczak durante la revisión del Método de Diseño para Pavimentos Flexibles del Instituto del Asfalto (IDA) del año 1981. Esta ecuación se desarrolla a partir de los análisis de regresión sobre 369 valores de [Eca] obtenidos directamente en laboratorio sobre mezclas asfálticas en caliente, y su expresión es la siguiente: log [Eca] = 0,553833 + 0,028829 (P200/ƒ0,17033) - 0,03476 Vv + + 0,070377µ(106, 70°F) + 0,000005 T (1,3 + 0,49825 logƒ) Pcam0,5 - 0,00189 T (1,3 + 0,49825 logƒ) (Pcam0,5/ƒ1,1) + (0,931757/ƒ0,02774) en donde: [Eca] = módulo elástico de la mezcla asfáltica (105 psi) P200 = porcentaje de material pasa el tamiz Nº 200 en la combinación de agregados que conforma la mezcla asfáltica Vv = porcentaje de vacíos totales en la mezcla asfáltica µ(106, 70°F) = viscosidad a 70 °F, en poises, del cemento asfáltico empleado en la mezcla asfáltica ƒ = frecuencia de carga, en Hz (este valor puede ser 2, 4 ó 6, pero normalmente se toma el valor medio de 4) T = temperatura promedio de trabajo de la mezcla asfáltica al ser colocada sobre el pavimento (este valor normalmente se toma como 68 °F, para poder utilizar los gráficos de "ar" del método de diseño de pavimentos de la AASHTO) Pcam = porcentaje de asfalto en la mezcla asfáltica, expresado como porcentaje en peso de mezcla total

5-48

El Método Marshall de diseño de mezclas en caliente __________________________________________________________________________

2. Ecuación de Correlación Nº 2 Durante el período 1976-1980, la Universidad de Maryland en los Estados Unidos, bajo la dirección del mismo Ing. M. Witczak, realizó un amplio trabajo de laboratorio para ajustar la ecuación de Correlación Nº 1, al hacerla extensiva a un mayor número y tipo de mezclas asfálticas en caliente. El estudio mencionado contempló el ensayo de laboratorio de 810 mezclas adicionales, y mediante análisis de regresión se obtuvo la ecuación siguiente: log [Eca] = 0,553833 + 0,028829 (P200/ƒ0,17033) - 0,03476 Vv + + 0,070377µ(106, 70°F) + (0,931757/ƒ0,02774) + + [0,000005 T (1,3 + 0,49825 logƒ) - 0,00189 T (1,3 + 0,49825 logƒ)/ƒ1,1] * * (Pcam - Popt/cam + 4,0) 0,5 en donde sus términos se corresponden exactamente con los definidos para la ecuación de correlación Nº 1, y el nuevo término Popt/cam se define como: Popt/cam = porcentaje óptimo de cemento asfáltico en la mezcla, obtenido de acuerdo al procedimiento Marshall. Es importante señalar que en ambas ecuaciones de correlación no se muestra una dependencia del Módulo Dinámico con referencia a la “Estabilidad Marshall”, que es empleada en el Método AASHTO-93 para la estimación del módulo de las mezclas asfálticas. 3. Ecuación de correlación Nº 3 El Ingeniero venezolano Freddy Sánchez Leal ha propuesto una nueva ecuación de correlación 7, basada en análisis de regresión de resultados de ensayos Marshall y mediciones de módulo secante mediante el equipo de tensión indirecta. Esta ecuación toma la siguiente forma:

[Eca] = 1.2 * (P/(δv*t) * (a+0.64∇),

7

Sánchez Leal, Freddy: “Obtención de módulos de elasticidad de mezclas asfálticas compactadas a través del ensayo Marshall. XV Simposio Colombiano de Pavimentos. Universidad Javeriana, Bogotá, Colombia, Febrero de 2005. 5-49

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En donde: [Eca] = Módulo elástico, en psi P = Carga Marshall, en lbs δv = Deformación (Flujo Marshall), en pulgadas t = altura de la briqueta, en pulgadas (de no disponerse de esta medición en el ensayo, puede emplearse un valor de 2.50)

a = constante experimental (adimensional) que varía entre 20 y 26, sugiriéndose un valor de 23 (promedio del rango) como más frecuente ∇ = relación de Poisson para mezclas asfálticas, el cual se asume en 0.35

Ensayo para la determinación de la resistencia a la fatiga de las mezclas asfálticas 8 Diversas metodologías de ensayo pueden ser aplicadas para medir el comportamiento por fatiga del concreto asfáltico. Una descripción breve junto con las ventajas, desventajas y limitaciones de metodologías de ensayo seleccionados pueden ser encontradas en “Summary Report on Fatigue Response of Asphalt Mixes” elaborado por Tangella et al. (SHRP, 1990). En base a los resultados de este reporte y de las experiencias anteriores de diversos investigadores, los métodos de ensayo que han sido identificados como los más promisorios para su uso en la medición de las propiedades de las mezclas que afectan significativamente el comportamiento del pavimento son: • Ensayos de fatiga por flexión (viga prismática, viga en voladizo trapezoidal) • Ensayos de fatiga por tensión (diametral, compresión uniaxial) • Métodos de mecanismos de fractura • Resistencia y rigidez a la tensión El criterio para la selección del ensayo incluye:

• • • • • •

Sensibilidad a variables de la mezcla, particularmente a las propiedades del asfalto Simulación razonable de las condiciones de campo Predicción de propiedades fundamentales que pueden ser utilizadas en un diseño apropiado o modelos de comportamiento Facilidad y simplicidad en su uso Requerimientos de tiempo Confiabilidad, exactitud y precisión

8

Este tema ha sido tomado de la Publicación Técnica Nº 197: “Mecánica de materiales para pavimentos”, Editada por el Instituto Mexicano del Transporte en el año 2002, y cuyos autores son los Ing. Paul Garnica Anguas, José Antonio Gómez López y Jesús Armando Sesma Martínez. 5-50

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Implícitamente, también se encuentra la relevancia del método de ensayo para el deterioro específico que se encuentra bajo investigación. Sin embargo, la consideración que prevalece es la habilidad del método de ensayo para relacionar el comportamiento del pavimento y ser sensitivo a las propiedades del material (asfalto y agregado). La Figura 15 muestra un ejemplo de prueba de fatiga por compresión:

Figura 15: Equipo para la determinación de fatiga por compresión

5-51

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También se ejecutan ensayos sobre vigas prismáticas de concreto asfáltico, con equipos como los que se muestran a continuación (Figura 16):

Figura 16: Equipo de fatiga por flexión en viga prismática

5-52

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Ensayos para la determinación de la resistencia de una mezcla asfáltica a la deformación permanente (ahuellamiento) 9. Uno de los procedimientos más empleados para la determinación de la resistencia de una mezcla a la deformación permanente consiste en efectuar “ensayos de simulación”. Los más conocidos y que parece que arrojan resultados razonables y correlacionables con el comportamiento son:

• • • •

El analizador de pavimentos asfálticos (APA) el dispositivo de ahuellamiento de Hamburgo (HWTD) el equipo francés de ensayo para ahuellamiento (FRT) y el equipo de ahuellamiento de la Universidad de Purdue

Aunque las pruebas de ahuellamiento no son mecanicistas parecen simular lo que pasa en el campo. Las pruebas mecanicistas están siendo estudiadas por otros (NCHRP 9-19) y podrían estar disponibles para adoptarse en un futuro cercano. También es interesante señalar que la mayoría de las pruebas que han sido evaluadas por su habilidad para predecir el comportamiento, actualmente han sido comparadas a uno de estos dispositivos de ahuellamiento ya que ellas simulan las deformaciones permanentes en el laboratorio. Basadas en toda la información disponible, se recomienda que el APA, HTWD y FRT sean considerados para su uso en diseño de mezclas y control de calidad. La información disponible es suficiente para fijar criterios y utilizarse después en el análisis del probable comportamiento de las mezclas asfálticas. Los ensayos de simulación (pruebas de ahuellamiento) parecen ser el único tipo de ensayos que están disponibles para una adopción inmediata. Estos ensayos no son la respuesta final pero ellos pueden ayudar a la ingeniería de pavimentos hasta que se disponga de una mejor respuesta. A continuación se presentan los equipos que han sido mencionados para la medida del grado de ahuellamiento de las mezclas asfálticas:

9

Ibidem 5-53

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Figura17: Analizador de Pavimentos (APA) El ensayo se realiza normalmente con 8.000 pasadas de una rueda de aluminio con una carga de 100 libras que se apoya sobre una manguera lineal neumática resultando un esfuerzo de presión de 100 psi (609 kPa)

Figura18: dispositivo de ahuellamiento de Hamburgo (HWTD) El ensayo se realiza normalmente con 20.000 pasadas (o 20 mm de deformación) de una rueda de acero con una carga de 158 libras

5-54

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Figura19: equipo francés de ensayo para ahuellamiento (FRT) El ensayo se realiza normalmente aplicando una fuerza de 1.124 libras (5.000 N), transmitida a través de una rueda neumática con una presión de 87 psi (600 kPa)

Figura 20: equipo de ahuellamiento de la Universidad de Purdue El ensayo se realiza normalmente con 20.000 pasadas (o 20 mm de deformación) con una carga de 375 libras sobre una rueda neumática que aplica una presión de 115 psi (793 kPa)

5-55

         

Apuntes de Pavimentos  Volumen 2          Capítulo 6  La Metodología RAMCODES®  en el diseño de las mezclas asfálticas                Edición de abril de 2008 

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RAMCODES EN MEZCLAS ASFÁLTICAS Capítulo preparado por el Ing. Freddy J. Sánchez Leal (Autor de la Metodología Ramcodes®)1 Introducción La práctica tradicional de diseño y control de compactación de geomateriales, es decir, suelos y mezclas asfálticas, está fundamentada en criterios estadísticos obsoletos que pueden conducir a sobre-diseños o bien a fallas. Como respuesta a esta situación el autor desarrolló la metodología RAMCODES, que en su aplicación a mezclas asfálticas es el tema de este capítulo. RAMCODES es un acrónimo de RAtional Methodology for COmpacted geomaterial’s DEnsity and Strength analysis, que significa: “Metodología Racional para el Análisis de Densificación y Resistencia de Geomateriales Compactados”. Es una metodología para diseñar y controlar geomateriales compactados, tales como suelos y mezclas asfálticas, desarrollada por el autor de esta metodología desde 1998 con la asistencia técnica y económica de la compañía venezolana SOLESTUDIOS C.A. RAMCODES se fundamenta en conocimientos de estadística para realizar y analizar experimentos relacionados con el diseño, y establecer un control de calidad donde se toman en cuanta los niveles de error asociados a la importancia de la obra. La metodología se basa también en conocimientos de Mecánica de Suelos No Saturados que explican las variables más influyentes en la obtención de las respuestas de densificación y resistencia del geomaterial. RAMCODES está compuesto por cinco módulos, a saber: o Un original sistema de CLASIFICACIÓN que describe a un geomaterial como una combinación de su proporción granulométrica y la superficie específica de su parte fina, asociándolo a un número que pertenece a una escala continua. o Un MARCO DE ANÁLISIS descrito matemáticamente para representar condiciones de diseño y regiones de control de compactación. o Un método de DISEÑO basado en experimentos factoriales con el que se obtiene una utilización optimizada o racional del geomaterial estudiado. o Un sencillo y eficiente método estadístico de CONTROL de calidad de compactación que protege contra la aceptación de lotes defectuosos o el rechazo de lotes satisfactorios. o Un potente SOFTWARE de graficación y análisis estadísticos (Origin®) para la implementación de los experimentos factoriales, la representación de las 1

El Ing. Freddy Sánchez Leal es Ingeniero Civil de la Universidad Nacional Experimental de las Fuerzas Armadas (UNEFA) (1992), con Maestría en Ingeniería (Mecánica de los Suelos en la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) en 1998 y Vicepresidente de FUNDASOLESTUDIOS; Profesor de Mecánica de los Suelos en la Universidad Nacional Experimental Francisco de Miranda (UNEFM), en Coro, Estado Falcón. 6-1

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regiones de control, ajustes de tendencias e inferencias estadísticas durante el control. También se incluye el uso de Excel® para los cálculos matemáticos asociados al marco de análisis. La principal razón para usar RAMCODES es económica. Tal como lo hicieron en la en la industria química norteamericana en los años 50s para convertirla en una de las más competitivas del mundo, o en la industria automotriz japonesa en los años 60s para asegurar un desarrollo que opacó al hemisferio occidental, los experimentos factoriales revolucionan los métodos de diseño para conseguir la optimización y el uso racional de los materiales, obteniendo productos más confiables y a menor costo. Los geomateriales usados en la construcción de rellenos y pavimentos no son una excepción. Es por esto que empresas e instituciones que han utilizado RAMCODES declaran que pudieron utilizar satisfactoriamente materiales que, analizados con la metodología tradicional, hubieran tenido que ser desechados. Por otra parte, los usuarios han reportado también un elevado rendimiento durante la construcción ya que las mayores resistencias para el material se consiguen las más de las veces con densidades considerablemente más bajas que las máximas de laboratorio, lo que supone una menor cantidad de pasadas del equipo de compactación. En mezclas asfálticas, usuarios han reportado una notable disminución del tiempo de diseño con el uso de ARIZADA, el marco matemático de análisis de RAMCODES. Finalmente, la clasificación cuantitativa de RAMCODES permite a las compañías y laboratorios coleccionar resultados de análisis sobre materiales por medio de correlaciones que se van enriqueciendo en el tiempo. Estas correlaciones son muy útiles en las etapas de prediseño y licitación de proyectos pues se puede decidir la utilización de un préstamo a partir de ensayos rutinarios de clasificación, lo que ahorra tiempo y recursos.

FIGURA 1. Ajuste de datos experimentales de una gradación con la ecuación de Fuller

6-2

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La carta de gradación La filosofía de la clasificación cuantitativa de RAMCODES es convertir la clasificación de un geomaterial en un número asociado a una escala continua de manera que éste sea útil en la descripción del comportamiento mecánico y en la asociación con resultados de distintos materiales. Típicamente, en la elaboración de mezclas asfálticas, la mezcla de agregados (piedra picada, arena, arrocillo, etc.) produce un material con poco o nada de finos, por lo que es la proporción granulométrica el factor que más influye en su comportamiento. Para cuantificar la distribución granulométrica se utiliza el ajuste de los datos por el modelo de Fuller, que resulta en dos parámetros, a saber: el tamaño máximo, Dmax, y un coeficiente de curvatura, n (ver Figura 1). El coeficiente de curvatura es una medida de la estructura de la mezcla, cerrada o densa para valores bajos, y abierta o gruesa para valores altos. El autor introduce en 2004 (Sánchez-Leal, 2004) la carta de gradación para mezclas asfálticas, basada en lo que llamó la representación punto-ámbito que es un gráfico con el coeficiente de curvatura en las abscisas y el tamaño máximo en las ordenadas (ver Figura 2).

FIGURA 2 Representación de una curva (punto) y una especificación (ámbito)

En la representación punto-ámbito un punto significa una curva granulométrica o gradación, y un ámbito representa una especificación granulométrica (dada por una curva superior y otra inferior). Se tiene una carta de gradación cuando se colocan en el marco punto-ámbito varias o todas las gradaciones que conforman una especificación o normativa, tal como sería el caso de las mezclas COVENIN (ver Tabla “A” al final del capitulo) o de las Superpave, por ejemplo. Véase en la Figura 3 la carta de gradación con todos los ámbitos para las mezclas COVENIN. Cada ámbito denso o fino tiene su contraparte abierto o grueso. Obsérvese que las mezclas Tipo I no tienen contraparte, y que la Tipo III tiene dos contrapartes gruesas (VII y VIII), que se superponen. En la Figura 3 se han representado también, a manera ilustrativa, un par de mezclas drenantes de uso corriente en 6-3

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Chile, lo que sugiere que la permeabilidad de las mezclas se incrementa con el valor del coeficiente de curvatura.

FIGURA 3. Carta de gradación para especificaciones COVENIN y mezclas drenantes

La carta de gradación es una herramienta muy conveniente y ha sido de gran utilidad en el estudio de la influencia de la distribución granulométrica en variados tópicos tales como la resistencia el ahuellamiento de la mezcla, la trabajabilidad en el estado fresco, la densificación, entre otros. La Figura 4, por ejemplo, muestra una carta de gradación para una familia de mezclas Superpave. Con resultados de medición de permeabilidad en sitio obtenida en varios proyectos viales en los Estados Unidos, se lograron trazar contornos de variación de este parámetro a un contenido de vacíos constante. Se observa que la permeabilidad aumenta tanto con el diámetro máximo como con el coeficiente de curvatura. Este tipo de gráficas sirve, entre otras cosas, para prevenir fallas de pavimento producidas por la infiltración de agua desde la superficie hacia la base granular, debilitándola. Regularmente los diseñadores de mezclas eluden el tema de la permeabilidad de la mezcla por que comporta ensayos adicionales a los comunes de resistencia. Aún más, muchas dependencias en los Estados Unidos escogen mezclas densas o abiertas (que pasan por encima o por debajo de la zona restringida, respectivamente) basados en el desempeño mecánico (resistencia al ahuellamiento) y no en la permeabilidad.

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FIGURA 4 Contorno de permeabilidad para vacíos totales de 4%

Por medio de la aplicación de la carta de gradación el autor comprobó (SánchezLeal, 2004) que mezclas Superpave con tamaños nominales iguales o superiores a 12.5 mm, compactadas con el criterio de aceptación de 8% de vacíos, se deben colocar sobre la base granular sin antes proteger a esta última con una carpeta impermeable pues los niveles de permeabilidad son iguales o superiores al valor crítico, definido como el límite a partir del cual la permeabilidad aumenta exponencialmente con los vacíos. Tal vez dos de los hallazgos más significativos alcanzados con la aplicación de la representación punto-ámbito sean, por un lado, el de la influencia del coeficiente de curvatura en la densificación de la mezcla, y por otro, en la resistencia al ahuellamiento. Utilizando resultados publicados de la construcción y desempeño de mezclas Superpave en la instalación experimental «Test Track», ubicada en Alabama (Estados Unidos) y administrada por el Centro Nacional de Tecnología del Asfalto (NCAT), el autor (Sánchez-Leal, 2005) encontró que la proporción de vacíos de aire disminuye con el aumento del valor del coeficiente de curvatura, tal como se muestra en la Figura 5 para un diámetro máximo promedio de 16 mm, en mezclas Superpave de tamaño nominal 12.5 mm.

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FIGURA 5 Tendencia para vacíos de aire, en Dmax = 16 mm. Varios agregados

Esta gráfica demuestra que, al menos para los materiales investigados, los menores vacíos (máxima densificación) durante la compactación no ocurre a n = 0.45, que es precisamente la definición la línea de máxima densidad, directriz de la temida y controversial «zona restringida». Con todo esto, esta región prohibida no tendría ningún sentido. De manera similar, aprovechando los resultados de resistencia al ahuellamiento (en laboratorio por medio del Asphalt Pavement Analyzer) para estas mismas mezclas, se encontró que a medida que aumenta el valor del coeficiente de curvatura, es decir, mientras la estructura de la mezcla se vuelve más abierta, la resistencia al ahuellamiento aumenta (el ahuellamiento disminuye) (Figura 6). Este hallazgo incorpora nuevas luces a la diatriba sobre el comportamiento mecánico de mezclas densas y abiertas.

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Ramcodes® en mezclas asfálticas ____________________________________________________________________________ FIGURA 6 Tendencia del ahuellamiento de laboratorio para granito y diversos ligantes

La limitante de la representación punto-ámbito es que el modelo Fuller no emula materiales excesivamente uniformes tales como los que resultan de gradaciones OGFC (del inglés carpetas de fricción de gradación abierta) o las SMA (por stone matrix asphalt), por lo que estas mezclas no se pueden estudiar con esta herramienta. Todavía queda mucho por investigar y desarrollar con esta herramienta, la carta de gradación, sin embargo, el objetivo que se plantea el autor es llegar a lo que Hveem (1941) llamó el diseño libre, es decir, sacar el máximo provecho de los materiales con los que se cuenta (agregados, ligante, modificante, etc.) para obtener tantas propiedades deseables en la mezcla como se a posible. Las especificaciones granulométricas nacieron como una guía para orientar a los diseñadores, hoy sin embargo son una costosa camisa de fuerza, y esto tiene que cambiar en beneficio de mejores pavimentos. Aritmética generalizada (ARIZADA) La representación punto-ámbito y la carta de gradación sirven para evaluar el efecto de la gradación en la respuesta, sin embargo, cuando ya se tiene seleccionada una gradación, se requiere evaluar la influencia de dos variables que intervienen en el proceso de compactación y desempeño mecánico e hidráulico de la mezcla asfáltica, notables porque se pueden medir con relativa facilidad tanto en campo como en laboratorio. Estas variables son el contenido de asfalto y la densidad. Cuando otras variables como la velocidad y tipo de carga, el método de compactación, la temperatura, el confinamiento, entre otras, permanecen constantes, el contenido de asfalto (Pb) y la densidad (Gmb) son las variables que controlan el comportamiento. Luego, el marco Pb-Gmb sirve para evaluar la influencia de estas variables en la respuesta mecánica (estabilidad, flujo, módulo de elasticidad, resistencia a la tracción indirecta, etc.), e hidráulica (permeabilidad), entre otras. El contenido de asfalto y la densidad, en conjunto con constantes tales como el peso específico de la combinación de agregados, en sus presentaciones bulk (Gsb), aparente (Gsa) y efectivo (Gse), el peso específico del asfalto (Gb) y el peso específico del agua (Gw), permiten la definición física y matemática de los conceptos de vacíos, a saber: vacíos en el agregado mineral (VAM o VMA, en inglés), también conocido como porosidad (n o Vv/Vmb), vacíos llenados con asfalto (VLL o VFA, en inglés), también conocido como grado de saturación (S), y los vacíos de aire (Va). ARIZADA o aritmética generalizada es, por un lado, el conjunto de formulaciones que permiten trazar los lugares geométricos de estos conceptos de vacíos dentro del marco Pb-Gmb, y por otro el área de exclusión que se genera cuando se representan todas las condiciones de vacíos que, según el método de diseño Marshall, garantizan un satisfactorio comportamiento de la mezcla.

6-7

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Los conceptos de vacíos quedan definidos por las siguientes expresiones: Va ) Vmb = Pb ( 1-Pb ) + Gb G se ( 1-

Gmb

(1)

Para el caso de Va/Vmb=0, entonces,

Gmb =

1 Pb ( 1-Pb ) + Gb G se

(2)

La ecuación (2) es la llamada «curva de saturación», en suelos, o también la «función Rice», en mezclas asfálticas, con la que se puede obtener el lugar geométrico donde se cumple que Va/Vmb=0, para toda combinación de Pb y Gmb. Otras definiciones relevantes son la proporción de vacíos, Vv/Vmb, y el grado de saturación, S. La proporción de vacíos, también llamada porosidad (n), se obtiene así: Vv = Vmb − Vsb

(3)

Luego, la familia de curvas de Vv/Vmb se puede calcular como:

Vv ) Vmb = G sb ( 1-Pb ) ( 1-

Gmb

(4)

que también se puede escribir como:

Gmb =

( 1-n) G sb ( 1-Pb )

(4a)

6-8

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Por su definición, el grado de saturación, S, se expresa así:

S = 1−

Va Vv

(5)

de lo que se deriva la siguiente expresión para la familia de curvas de S.

Gmb =

S Pb (1 − Pb ) (1 − Pb ) + − (1 − S ) Gb G se G sb

(6)

Las anteriores expresiones son equivalentes a las utilizadas tradicionalmente para los análisis de vacíos, sólo que tienen un carácter general que permite utilizarlas también con suelos y otros geomateriales compactados. Cualquier punto o estado dentro del marco Pb-Gmb tiene tres definiciones de vacíos, tal como se muestra en la Figura 7.

FIGURA 7 Representación del estado «A»

Por otro lado, es una práctica útil asociar las definiciones de vacíos al comportamiento de los geomateriales. En mezclas asfálticas, por ejemplo, cuando los vacíos de aire son muy altos las mezclas tienden a envejecer más rápido; cuando los vacíos llenados son muy altos, se produce exudación; mezclas con elevados valores de vacíos en el agregado mineral, son propensas a presentar acanalamiento (i.e. rutting). De hecho, hay especificaciones para el diseño de mezclas asfálticas basadas en los vacíos. Desde 2002 (Sánchez-Leal, 2002c) el autor está proponiendo representar gráficamente, en el marco de referencia de PbGmb, las especificaciones de vacíos para mezclas asfálticas. Como ejemplo, en la Figura 8 se muestra la representación simultánea de todas las especificaciones de vacíos en el espacio Pb-Gmb para una mezcla cuyos valores recomendados 6-9

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resultaron Va: 0.03-0.05, VFA: 0.65-0.75, y VMA: 0.13-0.15. Por su definición, el polígono de vacíos (Sánchez-Leal, F.J., 2002c) es el área máxima donde se cumplen simultáneamente todas las condiciones de vacíos impuestas por las especificaciones. En el caso de la mezcla analizada, el perímetro de esta área viene dado por los vértices 1, 2, 3, 4 y 5, mostrados en la Figura 8. Las intersecciones se obtienen igualando, según corresponda, las ecuaciones (1), (4), y (6), cuyas coordenadas se resumen en la Tabla 1. TABLA 1 Coordenadas para los vértices del polígono de vacíos de la mezcla estudiada

Vértice

Pb

Gmb

1

0.041

2.403

2

0.035

2.390

3

0.039

2.366

4

0.043

2.352

5

0.048

2.365

Estas coordenadas se pueden obtener de manera muy sencilla programando estas ecuaciones en una hoja de cálculo, lo que facilita la simulación.

FIGURA 8

Vértices del polígono de vacíos

La Figura 9 muestra finalmente el polígono de vacíos, cuyo centroide (Figura 10) es la propuesta de fórmula de trabajo de RAMCODES. Teóricamente el polígono de vacíos tiene hasta nueve casos según todas las intersecciones posibles, sin embargo, en mezclas COVENIN Tipo III y IV sólo se usan tres de ellos. Esta 6-10

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construcción gráfica tiene importantes aplicaciones tanto en el diseño, en el que aventaja grandemente el procedimiento de tanteos en seis gráficas utilizado por el método Marshall, como en el control de compactación de mezclas asfálticas. Aún más, ARIZADA facilita la automatización de estos procedimientos de diseño y control, lo que se transforma en importantes reducciones de tiempo, y lo que es más importante es que se entrelazan de una manera racional el diseño y el control de campo, así se podrá asegurar que se coloca lo que se ha diseñado.

FIGURA 9

Polígono de vacíos

FIGURA 10 Centroide del polígono de vacíos

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Experimentos factoriales Según Montgomery (1997, John Wiley & Sons), un experimento diseñado es «un ensayo o serie de ensayos en el cual se realizan deliberados cambios en las variables de entrada de un proceso de manera que se puedan observar e identificar los cambios correspondientes en la respuesta de salida». El proceso, tal como se muestra en la Figura 11, se puede visualizar como una combinación de equipos, métodos y personas que transforman un material de entrada en un producto de salida. Este producto de salida tiene una o más características de calidad o respuestas. Algunas de las variables o factores del proceso x1, x2, …, xp son controlables, mientras que otras z1, z2, …, zq son incontrolables (aunque estas podrían ser controlables para los propósitos del ensayo). Algunas veces estos factores incontrolables son llamados “factores de ruido”. Los objetivos del experimento podrían incluir:

FIGURA 11 Esquema de proceso de producción

o Determinar cuáles factores influyen más en la respuesta, y. o Determinar dónde fijar los factores influyentes x de manera que y esté cerca de los requerimientos nominales. o Determinar dónde establecer los factores influyentes x de manera que la variabilidad en y, sea pequeña. o Determinar dónde fijar los factores influyentes x de manera que los efectos de los factores incontrolables z, sean minimizados. El diseño experimental es una herramienta ingenieril crítica en el mejoramiento de un proceso de manufactura. Este también tiene extensiva aplicación en el desarrollo de nuevos procesos. La aplicación de estas técnicas en el temprano proceso de desarrollo puede resultar en:

6-12

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o Una respuesta mejorada. o Variabilidad reducida y una conformación más cercana a los valores nominales. o Un tiempo de desarrollo reducido. o Costos totales reducidos Los métodos de control estadístico de procesos y el diseño experimental son dos herramientas muy poderosas para el mejoramiento y optimización de procesos, y ambos forman parte de la metodología RAMCODES. El inconveniente de la metodología tradicional de diseño de geomateriales compactados es que está fundamentada en experimentos de variación de un solo factor, que suele traducirse en diseños o bien conservadores, o bien que conducen a la falla. Diseño Las mezclas asfálticas se diseñan con base en la respuesta mecánica del material compactado. Nada más que adicionalmente se utilizan especificaciones para el valor de las definiciones de vacíos fundamentadas en la experiencia de desempeños pobres o satisfactorios de la mezcla en servicio. Así que para el diseño de la mezcla RAMCODES contempla la utilización de experimentos factoriales para evaluar la respuesta, pero también una herramienta analítica original llamada polígono de vacíos que se define como la región máxima donde se cumplen simultáneamente todas las especificaciones de vacíos. El diseño de una mezcla asfáltica, una vez definida la gradación a utilizar, consistirá en reportar un contenido de asfalto óptimo con que mezclar el agregado y una densidad de referencia para que se cumplan las especificaciones. Se verificará además si las propiedades mecánicas de la mezcla compactada en las condiciones de diseño cumplen con los requerimientos previstos en el proyecto.

FIGURA 12

Esquema de producción para una mezcla asfáltica

En la Figura 12 se muestran las variables que influyen en la respuesta mecánica de una mezcla asfáltica compactada. La materia prima, que es el agregado pétreo 6-13

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proveniente de la planta picadora o de un préstamo y el ligante asfáltico suministrado por la industria petrolera, se mezclan en una planta de producción a una temperatura y durante un tiempo determinados, obteniendo como resultado una mezcla fresca o lista. La mezcla fresca se transporta al sitio de colocación y se extiende con un espesor de capa determinado con ayuda de una terminadora. Cuando la temperatura de mezcla extendida disminuye hasta un valor determinado se procede a compactar por medio de rodillos lisos y neumáticos hasta alcanzar los parámetros de referencia establecidos para el control. La densidad resultante de la mezcla compactada es en sí misma una respuesta del proceso e influye considerablemente en la respuesta objetivo que es la resistencia. Esta densidad y el contenido de asfalto se conjugan para expresar los valores resultantes de las definiciones de vacíos que vienen a ser también aspectos de la calidad de la mezcla compactada. El proceso de densificación de una mezcla asfáltica parece ser mejor explicado a través de las ideas originales de Proctor en cuanto al efecto de lubricación que produciría el ligante asfáltico en las partículas facilitando el reacomodo de estas para una orientación cada vez más densa. El incremento de la proporción de asfalto, sin embargo, deja de ser beneficiosa cuando se alcanzan elevados grados de saturación (o proporción de vacíos llenados con asfalto) y la presión de poros llenos con asfalto causada por la distorsión geométrica del arreglo por la acción del equipo de compactación hace mella en la densificación. Se ha observado que las gráficas de las densidades alcanzadas con respecto al contenido de asfalto tienen la misma forma que sus similares para contenido de agua y densidad en suelos compactados. La densidad alcanzada por la mezcla asfáltica se puede considerar también incontrolable, en el sentido que su variabilidad es considerable. A diferencia que en suelos, la temperatura juega un papel primordial en la respuesta de la mezcla asfáltica debido a las propiedades termoplásticas del ligante. La viscosidad del asfalto disminuye con el aumento de la temperatura, y viceversa. Un ligante más fluido (menos viscoso) consigue cubrir mejor los agregados y facilitar las labores de lubricación y por ende de densificación. Por otro lado, un ligante más viscoso (mezcla «fría») endurece el material. La temperatura entonces influye en el mezclado, en la densificación y en el desempeño de la mezcla. Finalmente, el confinamiento, la velocidad y tipo de carga son las restantes variables influyentes en la obtención de la resistencia. Mientras mayor es el confinamiento, mayor es la resistencia, y viceversa. La velocidad de carga afecta también de manera directa a la resistencia, así por ejemplo, el módulo de Elasticidad en carga cíclica es mayor que en carga monotónica. El tipo de carga también influye por cuanto generalmente se obtienen resultados diferentes en cargas tipo rampa, o triangulares, con respecto a cargas de recuperación, llamadas también con el anglicismo «resilientes». Para ilustrar el diseño de experimentos para mezclas asfálticas vamos a utilizar el conocido ensayo Marshall que está asociado incluso a un muy recurrido y homónimo método de diseño de mezclas. Este ensayo tiene muchas limitaciones entre ellas el hecho que no reporta propiedades mecánicas. Es sabido que la estabilidad y el flujo no son propiedades mecánicas, aunque este hecho se puede mejorar a través de una expresión que mostraremos más adelante. El ensayo 6-14

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Marshall, sin embargo, es muy sencillo y tiene en sí mismo casi todos los elementos presentados en la Figura 12, a excepción del confinamiento que en mezclas asfálticas es poco significativo debido a que éstas siempre se encuentran a nivel superficial en el pavimento. Todo lo expuesto califica a este ensayo como un prototipo. A lo largo de la experiencia de aplicación de RAMCODES en el diseño de mezclas asfálticas, el autor ha encontrado que la aplicación de un experimento factorial es plenamente justificable. Por el contrario, los experimentos de un solo factor podrían llevar a fallas o a diseños muy conservadores. Desde el inicio de la aplicación de RAMCODES en mezclas asfálticas se han analizado en conjunto las variables de contenido de asfalto y densidad. Las razones son las siguientes: o Porque estas son de relativamente fácil medición y modificación tanto en laboratorio como en campo, o Porque ambas pertenecen a un marco de análisis que se ha utilizado tradicionalmente, lo que asegura la familiarización para los eventuales usuarios. ARIZADA también permite asociar estas variables con las definiciones de vacíos. No obstante, el usuario podría idear con libertad otras combinaciones según los intereses específicos de su investigación. Con respecto a esto, uno de los campos interesantes de investigación que en estos momentos se está comenzando a explorar con RAMCODES es el de la influencia de la temperatura. En nuestro prototipo, la carga es monotónica con velocidad fija. El contenido de asfalto de mezclado y la temperatura son controlables. El espesor de las capas es controlable y está establecido por el método de compactación. En el ensayo de Marshall se fabrican los especimenes, llamados «briquetas», en el molde del ensayo. En este prototipo no es posible controlar la densidad, sólo la energía de compactación a través del número de golpes por capa y el peso y altura de caída del martillo. Una misma energía de compactación puede producir variados valores de densidad para varios contenidos de asfalto, incluso para un mismo contenido de asfalto. Se trabaja con la tendencia general que la densidad crecerá directamente con la energía de compactación. Definidas las variables que se dejarán libres para evaluar su influencia conjunta se precisa realizar un barrido en un rango de trabajo para cada variable. En el lenguaje estadístico estas variables se conocen como factores y los valores considerados en el rango de trabajo o estudio se llaman niveles. No es posible controlar la densidad, como hemos dicho, pero sí podemos controlar la energía de compactación. A lo largo del desarrollo de RAMCODES para mezclas asfálticas hemos utilizado energías de 35, 50, 75 y hasta 100 golpes/cara. Una combinación que ha dado los mejores resultados en cuanto a definición y cantidad de ensayos mínima es la de tres niveles con 35, 50 y 75 golpes/cara. En cuanto al contenido de asfalto ha dado muy buen resultado considerar un mínimo de cinco (5) niveles: 1, 2, 3, 4 y 5. En el estudio de mezclas estructurales 6-15

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para pavimento ha dado buen resultado experimentar con contenidos de asfalto entre 3 y 6%. Contenidos mayores no son económicamente factibles, y menores no tienen sentido. La combinación de tres niveles de energía de compactación y cinco niveles de contenido de asfalto resulta en la elaboración de quince (15) especimenes de suelo con el prototipo.

FIGURA 13

Representación gráfica de los estados para los 15 especimenes elaborados

En la Figura 13 se muestra la representación gráfica, en el marco Pb-Gmb, de los estados para especimenes en un experimento factorial aplicado a una mezcla tipo IV. Observe el lector que la densidad no es controlable aunque se obtuvo la tendencia de que la densidad crece en proporción directa a la energía de compactación. Debido a la variabilidad inherente al proceso, para niveles contiguos de energía de compactación, no obstante, es posible encontrar que se superponen los valores de densidad conseguidos.

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FIGURA 14 Mapa de contorno para módulo de elasticidad truncado en una mezcla asfáltica (Sánchez-Leal y Chirinos, 2005)

Cada espécimen así elaborado se ensaya y se obtiene finalmente los valores de estabilidad y flujo Marshall, que son la respuesta estudiada con el prototipo. Al igual que en el caso de suelos compactados se pueden obtener mapas de resistencia, en este caso para estabilidad y flujo, aunque también se puede obtener un mapa para módulo de elasticidad a través de una prueba de tracción indirecta (marco Lottmann), a través de un equipo de carga cíclica. Se puede estimar un módulo de elasticidad secante (Es), es decir, definido como la pendiente desde el origen hasta el punto de falla, a partir de los resultados del Marshall por medio de una fórmula aproximada (Sánchez-Leal y Chirinos, 2005) derivada de la solución de Frotch (1957). Un mapa de resistencia tendría la forma típica que se muestra en la Figura 14. Finalmente, se puede superponer el polígono de vacíos en un mapa de resistencia para evaluar la variación de la respuesta dentro del área de verificación de las especificaciones de vacíos, tal como se muestra en la Figura 15. RAMCODES contempla además un sistema estadístico de control de calidad de compactación que toma en cuenta el nivel de riesgo de la obra y protege contra los dos errores típicos de aceptación, es decir, aceptar un lote defectuoso o bien rechazar uno bueno. Por razones de espacio no se detalla aquí este método pero el lector interesado podría consultar los textos que aparecen en las referencias. Tal como adelantábamos al comienzo de este capítulo el desarrollo de RAMCODES apenas comienza, aunque los resultados hasta ahora obtenidos justifican ampliamente la utilización de la tecnología hasta ahora obtenida.

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FIGURA 15 Contorno para estabilidad

La aplicación de RAMCODES en empresas e instituciones dedicadas al diseño, construcción, inspección e investigación en el área de pavimentos requiere adiestramiento tanto en la metodología como en la utilización del software de análisis estadístico y graficación Origin®.

Este adiestramiento está a cargo de la empresa internacional Software Shop, Inc., y ya el INVEAS ha estado organizando en Venezuela cursos de RAMCODES® aplicado al diseño y control de mezclas asfálticas. El lector interesado puede acceder a la dirección:http://www.softwareshop.com/Productos/Origin/EE/Ramcodes/ramcodes.html, para obtener más información sobre cursos de entrenamiento en Latinoamérica, adquisición del manual de aplicación de RAMCODES, obtención de licencias del software, y soporte técnico.

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TABLA A Mezclas de granulometría DENSA (COVENIN 2000-80)

Cedazo 1 ½” 1” ¾” ½” 3/8” No. 4 No. 8 No. 30 No. 50 N0. 100 No. 200 Fina Gruesa

Tipo I Tipo II Tipo III Abertura Rodam. Rodam. Rodam. (mm) 37.5 25.0 19.0 12.5 9.5 4.75 2.057 0.500 0.297 0.149 0.075 Dmax n Dmax n

100 85-100 65-80 50-65 25-40 18-30 10-20 3-10 7.0 0.40 9.5 0.46

100 80-100 50-75 35-50 18-29 13-23 8-16 4-10 9.5 0.44 12.5 0.60

100 80-100 70-90 50-70 35-50 18-29 13-23 8-16 4-10 12.2 0.40 19.5 0.49

Tipo IV Rodam. o Interm. 100 80-100

Tipo V Interm. o Base 100 80-100 70-90

60-80 48-65 35-50 19-30 13-23 7-15 2-8 19.0 0.34 25.0 0.46

55-75 45-62 35-50 19-30 13-23 7-15 2-8 25.0 0.32 37.5 0.42

Nota: Los valores de la tabla es el % de material que pasa el cedazo. Los valores de Dmax están en mm. Referencias Sánchez-Leal (2004) «Manual de RAMCODES con Origin». Disponible en Software-Shop, Inc. Sánchez-Leal (2004) «A gradation chart for asphalt mixes». Artículo recibido para su revision por el Journal of Materials in Civil Engineering, ASCE, USA. Sánchez-Leal y Chirinos (2005) « Obtención de módulos de elasticidad de mezclas asfálticas compactadas a través del ensayo Marshall». Artículo aceptado para el XV Simposio Colombiano de Pavimentos. Melgar, Colombia, Marzo. Sánchez-Leal (2005) « Densification and performance evaluation of Superpave mixes in NCAT Test Track: 2000-2002 data». Artículo en elaboración. A ser presentado al Journal of Materials in Civil Engineering, ASCE, USA.

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Apuntes de Pavimentos  Volumen 2          Capítulo 7  Asfaltos modificados y mezclas  especiales de última generación                Edición de abril de 2008 

Asfaltos modificados _______________________________________________________________________________

ASFALTOS MODIFICADOS Capítulo preparado por los Ing. R. Adrián Nosetti y Hugo Bianchetto, Docentes e Investigadores del Laboratorio de Pavimentos e Ing. Vial (LaPIV) de la Universidad Nacional de La Plata, Argentina 1. Asfalto convencional y asfalto ideal Los asfaltos, a baja temperatura, pueden adquirir la consistencia de sólidos (quebradizos); a temperaturas de servicio su consistencia es visco-elástica y a altas temperaturas se comportan como líquidos viscosos.

VISCOSIDAD [poises]

La variación de la consistencia con la temperatura de los cementos asfálticos se puede representar en un grafico semilogarítmico, en el cual las temperaturas se dibujan en escala aritmética (Figura 1). Los asfaltos utilizados en pavimentación o asfaltos de destilación se presentan en este grafico como una recta.

ASFALTO IDEAL

ASFALTO CONVECIONAL

TEMPERATURA DE SERVICIO

0

25

60

[ºC] TEMPERATURA DE FABRICACIÓN

Figura 1 Susceptibilidad térmica de un asfalto ideal y uno convencional

La utilización práctica de los cementos asfálticos hace necesario que ante cortos tiempos de aplicación de cargas y bajas temperaturas de servicio se comporten con flexibilidad suficiente para evitar su fisuración. Para el caso de temperaturas de servicios altas (del orden de los 60 ºC o mas) se requiere una viscosidad adecuada para resistir a las deformaciones plásticas o deformaciones 1

Los Ingenieros R. Adrián Nosetti y Hugo Bianchetto son dos reconocidos investigadores en el área de asfaltos modificados y mezclas especiales, con numerosas publicaciones a nivel nacional e internacional sobre estos temas. 7-1

Asfaltos modificados _______________________________________________________________________________

permanentes (ahuellamiento). En esencia, el ligante asfáltico debería mantener en el rango de temperaturas de servicio una mínima variación de su viscosidad con la temperatura; pero para las temperaturas de fabricación debería tener viscosidades adecuadas para facilitar el recubrimiento de los áridos, la trabajabilidad, así como el extendido y compactación de las mezclas con la menor energía posible. La descripción precedente corresponde a un asfalto ideal, Figura 1; es decir, a temperaturas de servicio la consistencia es casi constante y a mayores temperaturas la viscosidad decrece abruptamente, lo cual permite un mezclado adecuado. Estas condiciones no se obtienen en los betunes asfálticos producidos por las técnicas convencionales de refinación, es por eso que se recurre a modificar los asfaltos para aproximarse a algunas de las características de un asfalto ideal, pues no se ha encontrado aun el modificador de un asfalto que permita obtener todas estas características al mismo tiempo. Lo expresado corresponde exclusivamente a los aspectos técnicos, pero debería incluirse también las consideraciones económicas; el costo o valor agregado deberá ser el menor posible o al menos que la relación costo-beneficio sea adecuada. En la Figura 1 se indican las susceptibilidades térmicas de un asfalto convencional y otro ideal. Modificadores de los asfaltos Para aproximarse a esta condición ideal se han intentado seguir diversos caminos, incorporando a los betunes distintos productos, como rellenos minerales; polímeros; hidrocarburos; etc., que actúan como modificadores y les brinden las propiedades reológicas perseguidas. Ver Tabla 1. Los rellenos más comunes en las mezclas son los fílleres. Son materiales finos, que por definición son pasantes del tamiz de 75 micrones y cuyo origen puede ser natural o comercial. Los fílleres naturales más usados son las fracciones más finas de los áridos; los comerciales incluyen algunos ligantes hidráulicos (cales, cemento Portland, polvo calcáreo) y las cenizas volantes, que son residuos de la combustión incompleta del mineral en las centrales termoeléctricas. Debido a que los áridos que intervienen en las mezclas ya ofrecen una fracción de material fino, en realidad el recubrimiento de los áridos se materializa no sólo con ligante, sino con el denominado mástic o sistema fíller-betún, más viscoso que el asfalto puro. Los fílleres adicionados o “de aportación” modifican el sistema filler-betún, incrementando aún más su viscosidad, pero no producen cambios en su composición química.

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Asfaltos modificados _______________________________________________________________________________

TIPO

Tabla 1 – Modificadores más empleados EJEMPLO

Filler mineral RELLENOS

Cal Calcáreo o calizo Cemento Polvo Mineral Cenizas Volantes

Negro de humo

Látex Natural Látex Sintético Copolímeros en Bloque

Celulosa Polipropileno Vidrio Caucho Natural Estireno-Butadieno (SBR) Estireno-Butadieno-Estireno (SBS)

Caucho regenerado

Peladura de Neumáticos

POLIMEROS

Fibras

ELASTÓMEROS

TERMOPLASTICOS

Polietileno Polipropileno Etil-Vinil-Acetato (EVA) Policloruro vinilo (PVC)

HIDROCARBUROS

Asfaltos Naturales

PROMOTORES DE ADHESIÓN

Aminas

Asfaltitas, Gilsonita

El negro de humo o negro de carbono son pequeñas partículas de carbono provenientes de combustionar aceites derivados del petróleo de características muy particulares El negro de humo sí actúa químicamente sobre el par fíller-betún, absorbiendo radicales libres que se generan durante el proceso de oxidación de los asfaltos durante el proceso de mezclado en la planta asfáltica y posteriormente durante su vida útil en servicio. Es decir, es un eficaz antioxidante y, por ende, un modificador que actúa muy positivamente en la resistencia al envejecimiento de las mezclas. La adición de rellenos, en todos los casos, produce un incremento de consistencia del sistema filler-betún. Esto ocasiona una mejor respuesta de las mezclas asfálticas hacia los principales mecanismos responsables de las deformaciones permanentes o ahuellamientos: cargas elevadas y altas temperaturas del camino. Respecto de las fibras, debe mencionarse que existen dos tipos disponibles en el mercado: las fibras naturales, usualmente de celulosa, y las artificiales. Las fibras

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Asfaltos modificados _______________________________________________________________________________

tampoco producen cambios morfológicos en los asfaltos, pero actúan en las actúan mezclas a partir de dos propiedades diferentes: mejoran la estabilidad y por consiguiente contribuyen a la reducción de las deformaciones; y permiten incorporar una mayor proporción de ligante sin riesgos de escurrimientos, es decir actúan como agente estabilizante del ligante, posibilitando el diseño de mezclas ricas en asfalto concebidas para una prolongada vida en servicio. De todos los aditivos que se incorporan a los ligantes bituminosos para mejorar sus características mecánicas y reológicas, los que mejor posibilidades ofrecen son los polímeros. Los polímeros son compuestos orgánicos de elevado peso molecular formados por la repetición sucesiva de grupos estructurales más sencillos que una vez dispersos en el asfalto llegan a formar verdaderas redes tridimensionales que le confieren al asfalto relevantes características de elasticidad. Dentro de las principales características se pueden destacar: 9 Aumento de la cohesión interna 9 Disminución de la susceptibilidad térmica en la temperaturas de servicio 9 Mejora de la elasticidad a bajas temperaturas 9 Mejora del comportamiento a fatiga 9 Aumento de la adhesividad árido ligante 9 Aumento de la resistencia al envejecimiento Entre los distintos polímeros se pueden citar los elastómeros, como caucho natural (NR), peladura de neumático; neopreno; estireno-butadieno-estireno (SBS); etc. El caucho vulcanizado no se mezcla con el asfalto, sino que se logra una dispersión gruesa del polímero parcialmente hinchado en el betún, que hace que sus cadenas se deformen cuando se aplica un esfuerzo, y vuelvan a su estado normal cuando cesa la solicitación. En el caso del estireno-butadieno-estireno (SBS) cuando se incorpora al asfalto puede disolverse parcial o completamente, produciendo una mezcla de comportamiento viscoso a altas temperaturas, y a bajas temperaturas brinda propiedades elásticas similares al caucho vulcanizado. Otro polímero elasto-termoplástico utilizado es el etil-vinil-acetato (EVA) que presenta una mayor facilidad de dispersión en el ligante bituminoso. Es térmicamente estable a las temperaturas normales de mezclado, pero durante el acopio en caliente puede presentar alguna separación. Sobre este tema se volverá con más detalle posteriormente

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Asfaltos modificados _______________________________________________________________________________

Los hidrocarburos como la asfaltitas o Gilsonitas, son originados por procesos de transformación del petróleo que ascienden a la corteza terrestre en condiciones de presión y temperatura, produciéndose oxidación y procesos químicos; se caracterizan por ser totalmente solubles en sulfuro de carbono, poseen una considerable cantidad de asfaltenos y un punto de fusión elevado. Estos modificadores están compuestos por hidrocarburos de alto peso molecular que, por poseer un mismo origen, tienen gran compatibilidad con los asfaltos. Las características que les confieren son las de mejorar su susceptibilidad térmica, aumentar su consistencia a alta temperatura y darle mayor adherencia con los áridos. Los promotores de adhesión son generalmente compuestos amínicos; se utilizan cuando no se tiene buena adhesividad árido-ligante, fundamentalmente con agregados silíceos que posen el mismo tipo de carga eléctrica que el ligante asfáltico; la función principal es disminuir la tensión superficial y cargar al ligante electropolarmente para crear la adhesividad química con el agregado. Incorporación de polímero al asfalto y propiedades que le confiere La incorporación de un polímero a un betún asfáltico es un proceso complejo y debe realizarse los estudios pertinentes pues pueden suceder los siguientes casos. MEZCLA HETEROGÉNEA : es el caso más probable; el asfalto y el polímero son incompatibles, se separan sin existir modificación alguna MEZCLA HOMOGÉNEA es un caso poco frecuente; la compatibilidad es perfecta, las modificaciones de las propiedades del ligante son muy débiles respecto del original y solo se produce un aumento de la viscosidad MEZCLA MICRO HETEROGÉNEA es la compatibilidad deseada, constituida por dos fases finamente divididas y superpuestas. En una primera instancia, el polímero se dispersa en la masa del betún pero sin ejercer efectos importantes sobre las propiedades del asfalto. Posteriormente sus partículas comienzan a absorber aceites de los maltenos, hinchándose y dispersándose en forma molecular, produciendo en ese período las modificaciones reológicas más importantes en el asfalto. El proceso se realiza a altas temperaturas con importantes esfuerzos de corte para producir la mezcla Los factores que influyen en la incorporación de un polímero al asfalto están asociados a: 9 La composición química y estructura coloidal del asfalto base. Tanto el contenido de asfaltenos como la aromaticidad de los maltenos del betún, juegan un papel importante en esta modificación de propiedades; cuanto menor sea la cantidad de

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Asfaltos modificados _______________________________________________________________________________

asfaltenos, tanto más compatible será dicho asfalto con el polímero. 9 Cantidades relativas de polímeros y asfalto 9 Proceso de incorporación. El modo de fabricación tendrá que ser con altas energías de cizallamiento, a temperaturas elevadas y con adecuados tiempos de digestión y mezclado para que el asfalto modificado sea estable. La fotografía de la Figura 2 muestra cómo se observa al microscopio un caso de compatibilidad de asfalto base y polímero.

Figura 2 – Compatibilidad entre asfalto y polímero EVA

La fabricación del asfalto modificado consiste en incorporar el polímero al asfalto a alta temperatura, en un tanque con agitación dejándolo un periodo de tiempo en digestión para luego hacerlo pasar por un equipo capacitado para desarrollar altos esfuerzos de corte o cizallamiento, durante un tiempo determinado. Este proceso se repite recirculando el asfalto polímero al tanque realizando nuevamente la operación descripta precedentemente sin la incorporación de polímeros. El proceso se repite hasta lograr una mezcla estable y homogénea. En la Figura 3 puede observarse un esquema de una planta de fabricación de asfalto modificado con polimeros Las propiedades logradas en este nuevo producto estarán en función del tipo polímero utilizado, de sus proporciones, del asfalto base y del proceso de fabricación. En la Figura 4 se observa el comportamiento reológico de un asfalto convencional empleado en pavimentación y el del mismo ligante modificado con polímeros SBS.

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Asfaltos modificados _______________________________________________________________________________

POLIMERO

ASFALTO

RECIRCULACIÓN DEL ASFALTO MODIFICADO ALTANQUE

EQUIPO QUE PRODUCE ESFUERZO CORTANTE Figura 3. Esquema de una planta de fabricación de asfalto modificado con polímeros

ASFALTO MODIFICADO CON S.B.S.

VISCOSIDAD [poises]

PENETRACION [0.1 mm]

El convencional presenta una variación lineal de su consistencia frente a la temperatura, en cambio el modificado tiene un comportamiento no lineal. En las zonas de bajas temperaturas el asfalto modificado presenta mejores características de flexibilidad que el asfalto convencional, debido a las propiedades elásticas que le confiere el polímero y a que posee valores de viscosidad más bajos, lo cual lo hace menos rígido.

ASFALTO CONVENCIONAL TEMPERATURA DE SERVICIO

TEMPERATURA [ºC]

Figura 4: Comportamiento reológico de los asfaltos modificados con S.B.S.

En el rango de temperaturas de servicio, el asfalto modificado presenta menor susceptibilidad térmica, con consistencias elevadas para las temperaturas superiores de servicio (60 –70 ºC), lo que asegura una buena resistencia de las mezclas a las deformaciones permanentes en el camino. Para las temperaturas de

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Asfaltos modificados _______________________________________________________________________________

servicio más bajas, del orden de 0ºC, su consistencia es menor que la de un asfalto convencional; esto garantiza una mayor flexibilidad, impidiendo la fisuración ante las solicitaciones a que se ve sometido el ligante en una carretera Por último en la zona de temperaturas de mezclado en planta, el asfalto modificado presenta una viscosidad un poco más elevada que el convencional, pero esto no incide significativamente en las operaciones de preparación de la mezcla. Estudios de laboratorio indicarían que si se utiliza el concepto de “viscosidad de corte cero” esta temperatura disminuye a valores similares a los de un ligante convencional. De todos los polímeros mencionados, el estireno-butadieno-estireno (SBS) es el que le confiere al asfalto propiedades más relevantes. Como puede observarse en la Figura 4, la grafica de este tipo de ligante se asimila en varios aspectos a un ligante ideal. La variaciones de los parámetros de penetración y punto de ablandamiento están relacionadas con el asfalto base y el tipo y porcentaje de polímero que se utilice. La penetración disminuye a medida que se incorporan porcentajes crecientes de polímeros. A partir del 3%, el gradiente de disminución es mucho menor. En la Figura 5 puede apreciarse la modificación del parámetro penetración a 25 ºC para distintos tipos de polímeros.

Figura 5 Variación de la penetración con el contenido de polímero

7-8

Asfaltos modificados _______________________________________________________________________________

La influencia del contenido de polímeros en el punto de ablandamiento (Anillo y Esfera) se manifiesta mediante un aumento de este parámetro pudiendo llegar a valores superiores a 70ºC cuando se parte de asfaltos bases de 50º C de punto de ablandamiento. Figura 6.

Figura 6 Variación del punto de ablandamiento con el contenido de polímero.

En el envejecimiento de los ligantes modificados con polímeros se presentan situaciones que parecieran contradictorias a simple vista. En un ligante convencional, el envejecimiento produce un endurecimiento disminuyendo su penetración y aumentando del punto de ablandamiento; en los betunes modificados, al ser un sistema bifásico, se produce un endurecimiento del ligante y una degradación del polímero con rotura de sus enlaces. Por lo tanto un envejecimiento importante del ligante asfáltico base con una leve degradación del polímero, producirá un endurecimiento del conjunto; por el contrario, un leve envejecimiento del ligante con una importante degradación de la fase polimérica tendrá como consecuencia un ablandamiento del betún debido a que la red tridimensional que formaba inicialmente ya no es continua, por lo tanto el punto de ablandamiento disminuirá y la penetración aumentará. Ensayos de Caracterización Los ensayos especificados en las normativas para ligantes convencionales son necesarios pero no suficientes para caracterizar a un ligante modificado con polímeros. Es decir, además de los ensayos de penetración, punto de ablandamiento, ductilidad, etc., hay que caracterizar su recuperación elástica, estabilidad al almacenamiento, etc.

7-9

Asfaltos modificados _______________________________________________________________________________

Recuperación elástica Un ligante asfáltico convencional presenta una recuperación elástica torsional del orden del 3 al 5 %; pero si este mismo ligante se lo modifica con compuestos poliméricos puede llegar a tener una recuperación elástica superior al 70%. Para poner en evidencia el comportamiento elastomérico se utilizan alguno de los siguientes ensayos: Ensayo de recuperación elástica por torsión (IRAM 6830 ó NLT-329-91) El ensayo de retorno elástico torsional consiste en un cilindro metálico que se sumerge parcialmente en un recipiente (con las mismas dimensiones que se utiliza para el ensayo de penetración) que contiene una muestra de asfalto modificado fluido, se deja enfriar hasta temperatura ambiente y luego se gira el cilindro 180 º con la ayuda de una varilla Luego de 30 minutos se determina el porcentaje de recuperación angular sobre un dial (Ver Figura 7). El ensayo se realiza a 25 ºC. Para mantener la temperatura la muestra esta sumergida en agua a la temperatura de ensayo, el quipo posee una tubería que circula porque circula agua para preservar la temperatura durante el tiempo de ensayo. La normativa argentina IRAM 6596, por ejemplo, exige un mínimo de 70% de recuperación para los asfaltos AM-3 (en general modificado con SBS), mientras que esa exigencia disminuye a un mínimo del 40% para los AM-2 (modificados habitualmente con EVA).

Dial

Cilindro Muestra de Asfalto

Figura 7: Ensayo de recuperación elástica por torsión

7-10

Asfaltos modificados _______________________________________________________________________________

Ensayo de recuperación elástica por ductilidad El ensayo de retorno elástico por ductilidad modificada ha sido adoptado en muchos países europeos y se basa en el ensayo convencional de ductilidad. La preparación de la muestra y el equipo utilizado es el mismo que para el ensayo convencional. Las condiciones introducidas son las siguientes: La probeta se estira con igual velocidad que el ensayo normalizado a razón de 50 mm/min pero hasta una distancia de 20 cm., donde se detiene el motor de avance El hilo formado se corta al medio, y al cabo de 30 minutos se mide la recuperación elástica, expresándola como porcentaje de la deformación aplicada. El ensayo puede realizarse a 7 ºC, 13 ºC y 25 ºC. En el caso de que la rotura del hilo se produjera a una distancia inferior a los 20 cm se tomará esta distancia como referencia para el cálculo de la recuperación elástica. En la Figura 8. puede observarse el final del ensayo de dos ligantes a los fines comparativos, el superior es modificado con polímero, mientras que en de la parte inferior corresponde a un ligante convencional. Se destaca no solo la recuperación elástica si no el espesor del hilo.

Figura 8 – Retorno elástico por ductilidad modificada

La especificación alemana establece para la recuperación valores superiores al 50 % a 25 ºC. Los betunes convencionales tienen recuperación elástica por ductilidad modificada que va de 0 % a 20 %, lo que indica que para lograr más del 50 % es necesario modificar el asfalto incorporándole una cantidad razonable de polímero.

7-11

Asfaltos modificados _______________________________________________________________________________

Los ensayos de recuperación elástica por torsión y por ductilidad modificada no son cotejables entre si, ni existen constantes que trasformen los valores, por lo tanto se tiene que especificar en las normativa uno de ellos. En la normativa Argentina de asfaltos modificados se optó por incorporar el ensayo de recuperación elástica por torsión. Ensayo de estabilidad al almacenamiento Otro ensayo importante es el referido a la estabilidad al almacenamiento. Cuando un asfalto modificado con polímeros queda almacenado a altas temperaturas durante tiempos prolongados, puede acontecer algunos de los dos fenómenos de inestabilidad que atentan contra las propiedades del ligante, sedimentación o cremado del polímero, producen un enriquecimiento desmesurado y perjudicial del asfalto con polímero en la parte inferior o superior del tanque, respectivamente. Las causas de esta alteración pueden atribuirse a problemas de incompatibilidad entre ambos componentes o bien por una indebida dispersión del polímero a partir de una metodología incorrecta de mezclado en la usina de fabricación. La valoración de este parámetro se realiza simulando en laboratorio las posibles condiciones en el tanque (NLT-328); para ello, se coloca una muestra en un recipiente cilíndrico vertical con dos válvulas (Figura 9), una en el tercio superior y otra en el tercio inferior de la columna. El conjunto se coloca en estufa a 165º C durante 120 horas y se extraen sendas muestras de cada una de las válvulas, las cuales se ensayan a penetración y punto de ablandamiento, evaluándose las diferencias entre ambas. Para los asfaltos modificados más utilizados en Argentina (AM-3 y AM-2) se exige que el punto de ablandamiento presente una variación inferior a 5 ºC y que en la penetración la variación sea menor a 10 décimas de mm. Como acotación importante debe resaltarse que los asfaltos convencionales prácticamente no muestran signos de inestabilidad por almacenamiento en condiciones similares de ensayo. El envejecimiento en película delgada es un ensayo que no es muy aceptado para ligantes asfálticos modificados con polímeros, dado que la película que se forma es demasiado gruesa y por otro lado los efectos contrapuestos de degradación del polímero y envejecimiento del ligante puede enmascarar los resultados, es decir podría tener la misma penetración luego del envejecimiento habiéndose producido deterioro en los dos materiales. La normativa argentina propone luego de ser envejecido en película delgada, que la variación de la penetración sea mayor al 65% respecto de la original y que el punto de ablandamiento tenga una variaciones entre –5 y +10 ºC.

7-12

Asfaltos modificados _______________________________________________________________________________

Figura 9 Recipiente cilíndrico para evaluar la estabilidad al almacenamiento

NORMATIVA ARGENTINA DE ASFALTOS MODIFICADOS La Tabla 2 ilustra sobre los requisitos especificados por el Instituto Argentino de Racionalización de Materiales (IRAM) para los asfaltos modificados con polímeros. En su Norma IRAM 6596, muestra las exigencias para los asfaltos modificados (AM). Se puede apreciar la inclusión de dos ensayos no habituales para los otros ligantes, estabilidad al almacenamiento y retorno elástico, lo cual denota un clara direccionalidad de la normativa hacia los ligantes polimerizados. Tabla 2 – Norma IRAM 6596 para asfaltos modificados Ensayo

Unidad

Método de ensayo

AM1

AM2

AM3

AM4

ASFALTO ORIGINAL Penetración (25ºC, 100 gr, 5 seg) Punto de ablandamiento (Anillo y Esfera)

0.1 mm

IRAM 6576

20-40

50-80

50-80

120-150

ºC

IRAM 115

> 60

> 60

> 65

> 60

ºC

IRAM 6831

< -5

< -10

< -12

< -15

ºC 0.1 mm

IRAM 115 IRAM 6576

70 > 230

> 60 > 230

Punto de fragilidad Fraass

Estabilidad al almacenamiento: Diferencia punto ablandam. Diferencia penetración (25 ºC) Recuperación elástica 25 ºC (Torsional) Punto de inflamación v/a

ENSAYOS SOBRE EL RESIDUO DE PELÍCULA DELGADA Variación de masa % IRAM 6582 Penetración % p.o. IRAM 6576 (25ºC, 100 gr, 5 seg) Variación punto ablandamiento ºC IRAM 115

60

-5 / +10

-5 / +10

-5 / +10

-5 / +10

7-13

Asfaltos modificados _______________________________________________________________________________

La norma Argentina al igual que la española esta tipificada por uso, detallamos a continuación los mas relevantes. El AM1 fue concebido para mezclas de alta resistencia a las deformaciones para capa de rodamiento. Es un asfalto “duro”, con moderadas características de elasticidad y pensado para climas templados a cálidos. El AM2 es el ligante más utilizado preferentemente para mezclas drenantes. Dado que por las características de la capa porosa no se requiere una elevada exigencia en sus cualidades elásticas, este ligante, usualmente modificado con EVA, cumple perfectamente con las características deseables y fundamentalmente es menos caro que los modificados con otros polímeros, por eso es mas utilizado para esta tipología de mezcla. También puede utilizarse para microaglomerados de granulometría discontinua La elevada capacidad de recuperación elástica requerida en el AM3, lo hace apto para emplear en mezclas para altas prestaciones, especialmente los microaglomerados discontinuos en caliente y las mezclas de alta resistencia a la fatiga; también son aptos para las mezclas drenantes, aunque por ser asfaltos muy caros sólo se los utiliza en este caso si no hay disponibilidad de un asfalto AM2. Finalmente, los AM4 se usan en las mezclas tipo arena-asfalto, como sistema antirreflexión de fisuras. Son asfaltos blandos desde el punto de vista de su penetración a 25ºC y que soportan muy bajas temperaturas sin fragilizar, pero además tienen un elevado punto de ablandamiento, mejorándose de tal forma la susceptibilidad térmica. Estos productos también pueden ser usados en mezclas densas de granulometría continua cuando se requieren prestaciones superiores del pavimento. Como ser mezclas asfálticas para autodromos, arterias urbanas de volúmenes relevantes de tránsito pesado, repavimentaciones sobre hormigón, etc. OTROS ASFALTOS DE CARACTERÍSTICAS ESPECIALES El desarrollo constante de nuevos productos a nivel mundial ha permitido la incorporación de nuevas tecnologías específicas en el área de la pavimentación; estos nuevos productos tienden a dar respuesta a problemáticas específicas logrando mejoras en los estándares de confort y seguridad asociados a una mayor durabilidad y menor mantenimiento.

7-14

Asfaltos modificados _______________________________________________________________________________

En muchos países estos productos no están incorporados en sus normativas a pesar de que se disponen en el mercado para su uso. Se detallan a continuación algunos de estos ligantes bituminosos de características especiales. Asfaltos multigrado En los últimos años se han producido asfaltos de buen comportamiento ante las deformaciones permanentes, conocidos como “asfaltos multigrado”. Para elaborar un asfalto multigrado, durante el proceso refinación del petróleo se modifica el asfalto químicamente, obteniéndose un ligante que se caracteriza por tener menor susceptibilidad térmica comparado con un ligante convencional; es decir, a bajas temperaturas presenta un comportamiento menos rígido (mejorando la respuesta a fatiga), y a altas temperaturas tiene una respuesta elástica de mayor magnitud (mejorando sus propiedades frente al ahuellamiento). Desde el punto de vista de su consistencia, comparado con un asfalto estándar de igual penetración, es más duro a altas temperaturas de servicio y más blando a bajas temperaturas. La susceptibilidad térmica puede expresarse con el índice de penetración, IP; los ligantes convencionales suelen tener IP

Volurnen3 Métodos de Diseño Indice

Capítulo Cuarto E1 Método. MTC-82 para el diseño de paVimentos 11exibles - !viezcl&.s ~Hs!ir!tas a !-3. de rodamiento (!v13rshall) - lv1ezci;3s distintas a la de ro1jamiento (Hybbard-Field) - lviezcl8.~ 2.;iálticas de rodamiento : .=;r::.:::e~~iíniento f1e selecciéin de los espesores - ··./~rific-2.::it:n .je 2spe~;c;re~: por cr:terio rnulticapa

78

78 79 80

88

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- Espesor cor 13.tiua. de !as mezclas asiá!ticas - Espesor de la c:apa de rodamienio - Espesor de !lti(:a' 11::.;LL-< ...._,¡ ·';;,

- Veriiic3.jbn 1:1e! vaior de !a potencia de las capas asiáltica:: - c:ieterr:-~inación ae.! espesor de la C3.pa de base - Deterrnino.ción dei e~.pesor de la c8pa de sub-base

8",. 89

Capítulo Quinto Métodos de diseño de pa\oimentos flexibles en vías de bajos volúmenes •le tránsiio 91 1.:e.:2,s!eri'stic:i.':~

cis 2. \,r;·c.i~Gc.d r~!ral er \l::.neruel::i. ·:· {:riterios convsn::::lona!es de disef~10 .:. \/::;r¡o.tiies de íJJ~;ef¡o .:)i:Jíención Qe ios dato:; de tráfico - r··.JÜr;-¡er::; ~/ tlpo d2 Jo~: \.'8f1i.cuio·~: ·:·

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94 94

95

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1.12

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Apuntes de Pavimentos ·Volumen 3 Métodos de Diseño Indice

Capítulo Quinto Métodos de diseño de pavimentos tlexibles en vías de bajos vulúmenes de tránsito

- Caracteri;:o:;ción dei rnaterial de fundación - t:>tirnación del va.lor de CBR - Eo>!imación del valor de Módulo Resiliente - ;:1~;-os Lrll2~iD;: ~e e?~ir;;ación de valores ~:BR - C:or::ic:en:ac:on rJe los materiales para sub-bases y bases 1 - :.2.rB.c!er::::..c:ón :..ie las rnezclas :3.s~áiticas C u

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Use SN como volar de dtseño

2. Detenninación de las cargas totales en el período de diseño (Wua) ·

Eñ el método AASHTO se sigue la metodología establecida en el Primer Volumen de estos "Apuntes de Pavimentos: para la determinación del valor . de número de repeticiones de cargas acumuladas en el período de diseño. v nu,:i en esa oportunidad fueron definidas con el término N'l Cuando se emplea el nie1u1.1v ::.:: :-r--: "' 0 h 0 n "'!" 1;~_-:::. !::: "!:oc".'fnres de equivalencia de cargas-"FEi-" desarrollados para este metodo en particular, y que se presentan como 'Tablas t a 9". Cada tabla se identifica en función del valor de servicapacidad final (pQ seleccionando -valores de 2,0; 2,s y 3,0 respectivamente-, de la configuración de los ejes (simples, dobles y triples), y del valor de SN asumido. En la mayoría de Jos casos se selecciona, como primera aproximación, un valor de SN = 3,0 para la escogencia de los valores de "FEi", y se aplica el "nrr>"':':'.::·,;.,"'u ruealizado" indicado en la Figura 1. Pu"~. : .. "'!iurros casos y por razones de simplificación del .,,.,.,,rru, no emplearse este proceso idealizado que optimiza los espesores finales, y no realizar las iteraciones en busca de la slmlitud entre el "SN asumido" y el "SN obtenido" -la diferencia entre ambos debe ser igual o Págin~

15 . : ¡

menor a 0,5 para que no sea requerida esta iteración-. En este caso, si se

ha partido de un valor inicial de SN~3, resultará, normall'l'l9nte, en una

sobreestimación del valor de Wtt8, pero generalrrente el error es nsignificante desde el punto de vista práctico. · · 3. Determinación del valor del Factor Regional (R)

Tal como se indicó anteriormente, el Factor Regional fue incorporado en el Método AASHTO con el fin de tomar en cuenta unas condiciones dimáticas diferentes a aquellas que imperaron en el sitio donde se desarrollo la prueba El valor de "R" constituye un factor iíllJortante en el diseño, pero, aún a esta fecha, sigue siendo rruy subjetiva la forma en la cual se cuantifica En los Estados Unidos han llegado a establecer un "mapa de valores R", el cual se presenta en la Figura 2 y que no es lndudablerrente aplicable en Venezuela

Figl.n. 2: Mapa de valores del Factor Regional sugueñdo para su uso en los Estados lklidos

En el año t 975, sin embargo, en una Tesis de Grado de la Universidad Católica Andrés Bello 111. se logra desarrollar una rretodología rruy SiíllJle, y que ha dado un rruy buen resultado en el establecirriento del valor de Factor Regional. De acuerdo a este trabajo, el valor de "R" resulta de la aplicación de la siguiente ecuación: R =O, 1O* ICA +O ,35 * (ICB + ICC) +O ,20 * ICD

'

(Eruación a)

( 1) "Cuantificación del Factor Regional en el Diseño de Pavimentos por el Método MSHTO", Pinaud A, et al. lJC.A.B, 1975.

PáCJina 16

2Q

en donde los términos 1CA. !CB, ICC e !CD" corresponden· a los valores obtenidos de los Cuadros A,

e, e y D respectivamente, y que serán obtenidos en

función de las caracterísücas de la Unidad de Diseño para la cual se realiza el diseño de pavimentos. . ,_ ,.. -·· Cada uno de los cuadros es sUflelentemenié expllcatÍVo en cuanto a la manera .de su uso, y ellos son los siguientes: ~

• Cuadros A: Valor paráal del Factor Regional, en función de la intensidad de tráfico -expresada en repeticiones diarias de cargas equivalentes-, tipo de t::.ririr1:c.r1 vi:c.f l'ln nroceso de diseño y pendiente longitudinal promedio en la unidad de diseño considerada · . cuadro A-t .: Cargas equivalentes diarias igfJaleS o menores a 50

0

PendlanC• ci. la vra Tloo d• vfa

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'" Cuadro C: Valor parcial del Factor Regional en función del tipo de material que

constituyo la fundación -subrasante- de la estructura del paYimonto y de la profundidad del nivel freático -medida desde el nivel de la subrasante-. '"'''·)

Profundl.Wd d•I nivel fr•-'rlco Tipo de suelQ

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(2J Scli. dtftwd by ~ corntuion. obUin" para materiale3 granulares empleados como capa de sub-base

En pñncipio, una vez determinado el valor de SN por medio de la "Ecuación N! 7~ cualquier combinación de mateñales y espesores que satistaga ese valor de SN, pueden ser erqileados como el diseño de la estructura. La manera inicial de resolver esta ecuación consistía en asumir dos de los espesores de capa y despejar el tercero. Algunos pavimentos diseñados de acuerdo a este procedimiento, sin embargo, fallaron prernaturdl'Ylente. Durante la realización del estudio cifarfn on '" Referencia (2) s~ propuso que, ya que un pavim:mfn flr-·::,;., "~ una estructura rrulticapa, cada capa indi~irl11"' cr- • · : : :::~.,.,, p)9 ,015 .024 .OJS .OSI .071

.osa

.131 ,173 .225 .288 .364 .454 .561 .686 .831 .999 1.19 1.•1 1.68 1.94 2.25 2.60 2.99 3.42 3.90 e ..e2 1.00 5.63 6.33 7.08 7.90 8.79

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1.11 1.38 1.69 1.oa 2.49 2.99 3.158 4.25 -6.03 6.93 8.95

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Caso con valor se servicepecidad final (pt) de 2,5

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10.7 11.1 13.7 115.4 17.2 19.2 21.3 23.B 28.1 28.8 31.7 34.8 38.1 \ 41.7 45.8 49.7

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2 4

.006 .013 .070 .110 .168 .242 .342 ,470 .633 .834 1.08 1.38 1.73 2.t4 2.61 3.111 3.79 4.49 15.28. 8.17 . '~ 7.15: a.z

P1vem1nt Suuc11u1l N"'mbu (SNI

l110%, cuando se acepta un valor de 0.15. Esta ecuación se aplica en el caso de que el módulo ha sido obtenido a través de la ejecución del Ensayo AASHTO T-274, o a por medio de la ecuación de correlación indicada en el Aparte B.3.2 (b), También puede emplearse el gráfico de la Figura 8, para determinar el valor del coeficiente estructural de la capa base _________________________________________________________________________ 32

Método AASHTO-93

de material granular no-tratado, cuando se disponga del valor de CBR, Hveem o Triaxial de Texas.

Figura 8: Valores del coeficiente estructural (ab) para bases granulares no-tratadas

c. Sub-bases granulares no-tratadas El coeficiente estructural para el caso de que la capa base esté constituida por agregados no-tratados (asb) (tal como es el caso de las sub-bases de grava cernida, granzón natural, granzón mezclado, etc.), se determina, a partir del Módulo de Elasticidad Dinámico (Esb), mediante la aplicación de la siguiente fórmula: asub-base = 0,227 (log Esb) — 0.839 Para esta ecuación debe tomarse en cuenta que el valor se acota en un máximo de 0.13.

_________________________________________________________________________ 33

Método AASHTO-93

Figura 9: Valores del coeficiente estructural (asb) para subbases granulares notratadas

También puede emplearse el gráfico de la Figura 9, para determinar el valor del coeficiente estructural de la capa subbase de material granular no-tratado, cuando se disponga del valor de CBR, Hveem o Triaxial de Texas. d. Bases estabilizadas con cemento (suelo-cemento) En el caso de que la capa base de la estructura del pavimento esté constituida por una mezcla de suelo-cemento, su coeficiente estructural (ab) debe ser determinado a partir de la Figura 10, lo cual puede ser logrado si se conoce el valor del Módulo de Elasticidad Dinámico de la mezcla, o su resistencia a la compresión inconfinada, después de un proceso de 7 días de curado en cámara húmeda.

_________________________________________________________________________ 34

Método AASHTO-93

10: Valores del coeficiente estructural (ab) para bases de suelo-cemento

e. Mezclas asfálticas en frío empleadas como capa de base (distinta a rodamiento) En el caso de un pavimento de profundidad plena, o cuando la capa base vaya a estar conformada por una mezcla asfáltica en frío (mezcla con emulsión o asfalto diluido), el valor del coeficiente estructural (ab), debe ser determinado a partir de la Figura 11, lo cual puede ser logrado ya sea a partir del Módulo de Elasticidad de la mezcla asfáltica, o de su estabilidad Marshall.

_________________________________________________________________________ 35

Método AASHTO-93

11: Valores del coeficiente estructural (ab) para bases constituidas por mezclas asfálticas, con estabilidad medida por el Método Marshall

B.4 Características estructurales del pavimento El Método AASHTO '93 para el diseño de pavimentos flexibles proporciona un sistema para ajustar los coeficientes estructurales en forma tal que tomen en consideración de los niveles de drenaje sobre el comportamiento del futuro pavimento. Los niveles de drenaje que han sido definidos en este método son: TABLA IX Características de drenaje del material de base y/o sub-base granular _____________________________________________ Nivel de Drenaje Agua eliminada dentro de _____________________________________________ Excelente Dos (2) horas Buena Un (1) día Regular Una (1) semana Pobre Un (1) mes Muy pobre El agua no drena _____________________________________________ _________________________________________________________________________ 36

Método AASHTO-93

El efecto de la calidad del drenaje sobre la estructura del pavimento se toma en cuenta a través de un "factor de ajuste (m)", -que se obtiene de la Tabla X, y por el cual se multiplican los coeficientes estructurales de la base (ab) o de la sub-base (asb), sólo en el caso de que los materiales/mezclas que constituyan estas capas sean del tipo notratados. El factor de ajuste (m) es función de las características de drenaje del suelo de fundación -calificado según la Tabla IX-, y del tiempo durante el cual la sub-rasante podrá estar en condiciones de saturación. TABLA X ________________________________________________________ Valores recomendados del Coeficiente de Ajuste (m) para los coeficientes estructurales de las capas de base y/o sub-bases notratadas ________________________________________________________ Porcentaje del tiempo durante el cual la estructura del pavimento está sometido a condiciones de humedad cercanas a saturación Calidad de Drenaje de la

Menos del 1 %

Entre el 1y5%

Entre el 5 y 25 %

Más del 25 %

Baseosub base_______________________________________________

Excelente 1,40 - 1,35 1,35 - 1,30 1,30 - 1,20 1,20 Buena 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 ________________________________________________________ En Venezuela se emplea cada día con más frecuencia la Tabla 2, la cual ha sido propuesta por el Ing. Augusto Jugo, y en la cual se toma en consideración la información de humedad regional, tal como se ha ya comentado en la Figura 3 (página 19) y la tabla 1.página 20. Es conveniente señalar que las condiciones de drenaje del material de fundación y los coeficientes de ajustes (m) para el sitio y condiciones en donde se ejecutó el Experimento Vial de la AASHO son "Condición de Drenaje Regular" y tanto a "mb" como a "msb" se le asignan valores de uno (1,00).

_________________________________________________________________________ 37

Método AASHTO-93

_________________________________________________________________________ 38

Método AASHTO-93

C. Procedimiento de diseño de pavimentos AASHTO '93 C.1 Variables de diseño Los factores de diseño que participan independientes) son los siguientes:

en

la

ecuación

(variables

1. Cargas equivalentes en el período de diseño (Wt18), estimadas según se indicó en el Aparte B.1.2 2. La confiabilidad en el diseño (R), estimado según se indicó en el Aparte B.1.3, la cual condiciona que cada una de las otras variables de diseño se correspondan con su valor promedio, es decir no deben ser ajustadas por el Proyectista hacia valores más conservadores, ya que el factor de ajuste se considera en forma global dentro de este concepto de confiabilidad 3. La desviación estándar del sistema (So), determinada según se establece en el Aparte B.1.3 4. El valor del Módulo Resiliente Efectivo (Ponderado) del material de sub-rasante (MR), determinado de acuerdo a lo indicado en el Aparte A.3.1. 5. El valor del Módulo Resiliente de los materiales granulares empleados como base y/o sub-base. 6. La pérdida de servicapacidad en el período de diseño (ΔPSI), la cual debe ser determinada de acuerdo a lo señalado en el Aparte B.2 C.2 Ecuación de diseño La ecuación de diseño que corresponde al Método de Diseño AASHTO '93, tal como ha sido ya señalado, es la siguiente: ⎡ ΔPSI ⎤ log10 ⎢ ⎥ ⎣ 4.2 − 1.5 ⎦ + 2.32 * log M − 8.07 log10 Wt18 = Z R * So + 9.36 * log10 ( SN + 1) − 0.20 + 10 R 1094 0.40 + (SN + 1)5.19

 

_________________________________________________________________________ 39

Método AASHTO-93

C.3 Determinación del Número Estructural (SN/i) Una vez que las variables de diseño mencionadas en el Aparte C.1 han sido introducidas en la ecuación AASHTO '93, se resuelve la ecuación para obtener el valor de SN. El proceso se simplifica mediante un proceso iterativo, en vez de despejar el valor de SN. Para esto se sustituyen todas las variables de diseño, excepto Wt18, y se van dando valores al término SN, hasta lograr que con un determinado valor de SN se logre obtener un valor para Wt18 igual al que se conoce como variable de diseño. Es muy importante señalar que esta ecuación RESUELVE LA POTENCIA ESTRUCTURAL SOBRE LA CAPA CUYO MÓDULO RESILIENTE HA SIDO SUSITITUIDO EN LA ECUACIÓN (SN/i), Y NO PUEDE RESOLVERSE PARA MATERIALES CON MÓDULOS MAYORES A 45.000 psi, lo que es lo mismo que decir que solo se resuelve para materiales a los cuales se les pueda realizar un ensayo del tipo CBR. C.4 Determinación de los espesores de cada capa Mediante la aplicación de la ecuación indicada anteriormente para SN/i, a saber:

SN/i = arod * erod

+

aint * eint + ab * eb * mb

+

asb * esb * msb

El Proyectista puede identificar un conjunto de espesores de capas, que en función de sus correspondientes coeficientes estructurales, se corresponda con el valor de SN/i deseado. en donde: arod = coeficiente estructural de la mezcla de concreto asfáltico empleada en la capa de rodamiento aint = coeficiente estructural de la mezcla de concreto asfáltico empleada en la capa intermedia abg = coeficiente estructural del material/mezcla empleado en la capa base asb = coeficiente estructural del material/mezcla empleado en la capa sub-base

_________________________________________________________________________ 40

Método AASHTO-93

erod = espesor, en pulgadas, de la mezcla de concreto asfáltico empleada en la capa de rodamiento eint = espesor, en pulgadas, de la mezcla de concreto asfáltico empleada en la capa asfáltica intermedia eb = espesor, en pulgadas, del material/mezcla empleado en la capa base esb = espesor, en pulgadas, del material/mezcla empleado en la capa sub-base mb = coeficiente de ajuste del coeficiente estructural en caso de que la capa base esté constituida por material no-tratado msb = coeficiente de ajuste del coeficiente estructural en caso de que la capa sub-base esté constituida por material no-tratado Esta ecuación no tiene, en consecuencia, una única solución: existirán muchas posibles combinaciones de espesores que satisfagan un determinado valor de SN. Existen, sin embargo, ciertas condiciones que limitan estas posibles soluciones y evitan la posibilidad de presentar un diseño que fuese impráctico e inconstruible. Estas limitaciones son referidas a: a. Análisis multicapa b. Estabilidad y posibilidad de construcción c. Consideraciones económicas a. Criterio de Análisis multicapa La estructura de un pavimento flexible es un sistema multicapa, y debe ser diseñada en forma que cualquier capa de agregado notratado reciba esfuerzos verticales que no resulten en deformaciones permanentes, lo cual es, a su vez, función de las imposiciones del tráfico. a.1 Mediante la aplicación de la ecuación de diseño, o de la Figura 12, se obtiene el valor de SNcalculado/base -tomando como dato de entrada para la calidad del material el Módulo Elástico de la base-. El espesor mínimo de la mezcla asfáltica de rodamiento resulta al dividir el SNcalculado/base, entre el coeficiente estructural de esta mezcla (arod), o sea: erod (mínimo) = (SNcalculado/base) / a rod

_________________________________________________________________________ 41

Método AASHTO-93

Debe entonces seleccionarse un valor de espesor de rodamiento que sea igual o mayor al así calculado y que sea posible de construir. Este valor se ha denominado "e©rod", resultando, en consecuencia, que:

e©rod ≥ (SN/base) / arod y por lo tanto se tendrá que el valor real (de diseño final o construcción) del Número Estructural sobre la base no tratada (SN©/base), será igual a: (SN©/base) =

arod * e©rod ≥ (SNcalculado/base)

a.2 El valor mínimo requerido para espesor de la capa base se determina de una manera similar, a saber: El valor de (SN©/base) se resta del valor del Número Estructural requerido para proteger la sub-base -el cual ha sido calculado por la misma ecuación de diseño pero con la variable del Módulo Elástico de la sub-base como valor de entrada en la ecuación-, y esta cantidad se divide entre el coeficiente estructural de la base notratada y el coeficiente de ajuste por drenaje (mi), resultando un número que será igual al espesor mínimo de capa de base, es decir:

ebase(mínimo) = [(SNcalculado/subbase) - (SN©/base)] / abase * mbase El valor seleccionado definitivamente para el espesor de la base debe ser igual o mayor a este mínimo-calculado, también en función de los espesores mínimos de construcción. A este valor se le ha identificado como (e©base), y se debe cumplir que

e©base ≥ [(SNcalculado/subbase) - (SN©/base)] / abase * mbase a.3 Se tiene, en consecuencia, que el Número Estructural Real (o de construcción) proporcionado por los espesores ya seleccionados de rodamiento y base, será igual a: SN©/subbase SNcalculado/subbase

=

arod * e©rod

+

e©base

*

abase

*

mBase ≥

a.4 El espesor de la sub-base se determina de una manera similar a las anteriores: _________________________________________________________________________ 42

Método AASHTO-93

a partir de la ecuación de diseño (o del nomograma de la Figura 12), se ha calculado el valor de número estructural sobre la subrasante (empleando para ello el valor de Módulo Resiliente Ponderado de la subrasante), siendo este valor SNcalculado/sr. De este valor se resta el de SN©/subbase, y el resultado se divide entre el coeficiente estructural de la sub-base y el coeficiente de ajuste por drenaje (mi), resultando un número que será igual al espesor mínimo de capa de sub-base, es decir :

esub-base(mínimo) = (SNcalculado/sr) - [(SN©/base) + (SN©base)] / asub-base *

msub-base

e©rod ≥ (SN/base) / arod (SN©/base) =

arod * e©rod ≥ (SNcalculado/base)

e©base ≥ [(SNcalculado/subbase) - (SN©/base)] / abase * mbase SN©base = e©base * abase * mbase (SN©/base) + (SN©base) ≥ (SNcalculado/subbase)

e©sub-base ≥ (SNcalculado/sr) - [(SN©/base) + (SN©base)] / asub-base

*

msubbase

Nota: un símbolo © en un valor de espesor o de SN significa el valor real, una vez seleccionado el valor del espesor que será empleado en la construcción del pavimento. Figura 13: Procedimiento en Método AASHTO-1993 para la determinación de los espesores de las capas de un pavimento flexible

El valor seleccionado definitivamente para el espesor de la subbase debe ser igual o mayor a este mínimo-calculado, también en función de los espesores mínimos de construcción. A este valor se le ha identificado como (e©sub-base), y se debe cumplir que _________________________________________________________________________ 43

Método AASHTO-93

e©sub-base ≥ (SNcalculado/sr) - [(SN©/base) + (SN©base)] / asub-base msub-base

*

Nota importante: El procedimento descrito anteriormente producirá diseños que satistacen los requisitos para la protección de todas y cada una de las capas del pavimento, sin embargo nunca debe ser aplicado para determinar los espesores sobre materiales/mezclas que tengan módulos de elasticidad mayores de 45.000 psi. En tales casos -cuando se encuentren materiales de "tan alto módulo", los espesores sobre ellos deben ser establecidos en función de criterios de costo y mínimos de construcción posibles y prácticos. b. Criterios de estabilidad y posibilidad de construcción Es normalmente impráctico y antieconómico el extender y compactar capas que tengan un espesor menor a determinados mínimos. El tráfico, por otra parte, puede dictaminar otros espesores mínimos recomendables para lograr que las mezclas tengan estabilidad y cohesión satisfactorias. La Tabla XI, que se presenta a continuación, sugiere algunos espesores mínimos para capas de rodamiento y bases, en función de los valores de cargas equivalentes en el período de diseño. TABLA XI Espesores mínimos para capas de concreto asfáltico y base, en función del tráfico esperado __________________________________________________ Cargas equivalentes Espesor mínimo (cm) (período diseño) Mezcla asfáltica Base y/o sub(todas las capas) Base granular __________________________________________________ < 50.000 2,5 (*) 10,0 50.000 - 150.000 5,0 10,0 150.000 - 500.000 6,25 10,0 500.000 - 2.000.000 7,5 15,0 2.000.000 - 7.000.000 8,75 15,0 > 7.000.000 10,0 15,0 __________________________________________________ (*) o tratamiento superficial, según tipo de vía La Tabla XII, por su parte, indica los espesores mínimos en función de la facilidad y posibilidad de construcción, que a su _________________________________________________________________________ 44

Método AASHTO-93

vez depende de los tipos de equipos que se emplean en campo. TABLA XII __________________________________________________ Espesores mínimos por razones constructivas __________________________________________________ Tipo de mezcla Espesor mínimo (cm) Por cada capa a construir ________________________________________________ Concreto asfáltico 2,5 veces tamaño nominal máximo del agregado en la mezcla Base granular 10,0 Sub-base granular 10,0 Suelo-cemento 15,0 _________________________________________________ c. Criterio de costos de cada alternativa Una vez que se ha establecido el espesor mínimo, de acuerdo a los criterios que han sido descritos, debe analizarse en función de los costos unitarios de las diversas alternativas y/o combinaciones de espesores. Para que este análisis sea más práctico y sencillo, normalmente se lleva el costo de cada solución a la unidad de Bs/m2, escogiéndose aquélla que, cumpliendo con todos los requisitos técnicos, sea la más económica.

_________________________________________________________________________ 45


ponerse •:le rnedios para obtenerlo_. qus será el caso frecuente en el diseño de pavimentos en ;a vialidad rur2!, ss pueden emplear iüs '-"'~.!eres tie la Tabla 4, obtenida de la Referenci8. (1 ).

Página 94

104

TABLA.4 .

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)

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... • Valores del Factor Camión en la Red Rural .. ; .· ..•.. -:· en.Venezuela -·~--·

.

. .......

-·---J~-

•.: .

---··-·- ..

, ¡i~ngo extremo

.

'-·-· ·-· ---- .

0,01.

a

Rango frecuente ·

5,73

1,94

a 3, 1o

4.1.6 Valores de cargas equivalentes

La aplicación de la Ecuación 1 permitirá establecer el valor de Nt para el período de diseño. Como una sirnole comparación, vale la pena mencionar que el· estudio señalado en la !':"'"''""""'¡" '" 11nrm·¡fin nhfonor uafnroc no"'~ riontrn 1~ T~bt~ r , .•_.,,_.: .•. ,, . . .,._._\'/ r-·i:: ............. ............................... ....... ............ .., tiol ...........rnnn P~t~hleridn ..... - Pn -··.o. .a. .i:::!.V:. ···~·

~

~

~

a:.~--_....,.--·

TABLA5

., .;

.:

· Valores de cargas equivalentes (Nt) más·-· · comunes en la red rural en. Venezuela · Rango extremo 1,0E(+3) a 1,IE(+)6

Rango frecuente 1,0E(+)4 a 2,2E(+)5

.;

¡ '

·;

4.2 Caracteñzación del material de fundación

La resistencia del material de fundación debe ser determinada mediante la aplicación de. alguno de los métodos de laboratorio. El más frecuente es, sin lugar a dudas, el ensayo del CBR, el cual tue discutido en el Volumen 1 de estos "Apuntes de Pavimentos", pero debe reconocerse que, en et saso de la vialidad rural, no será frecuente el caso en que este ensayo pueda ser eiecutado. Debe recurrirse, por lo tanto, al empleo de tablas que permita.n establecer la capacidad soporte del suelo de fundación.. al menos en una forma aproximada. 4.2.1 Estimación rnateriaies -locales o irnporta.dos según sea el caso- que estén siendo analizados corno

· .:ornponenie estructural del pavimento en una vía rural, deben ser caracterizados mediante la ei&cución de un ensayo de resistencia, normalmente el ensayo CBR. ¡:·ara una revision de los asoecios técnicos relacionados con estos materiales, se refiere al lector ' . ·a.I Volumen 1 de estos "P.puntes de Pavimentos: en e! cual se trata en forma detallada un coniur1to o:le conceptos relacionados con este tema. 4.4 Caracterización de las mezclas asfálticas La:; rr-u~zcl::is Rsfálticas que están siendo consideradas para ser empleadas como componentes

e>tructurales del pavimento, aeoen ser ensayadas en laboratorio para determinar sus propiedades (estabilidad, vacíos, deformación, etc.) P8ra una revisión de los aspectos técnicos relacionados con las mezdas en caliente, se refiere a.! iec:tor al Volumen!! de estos "/>,puntes de Pavimentos·, en ei cual se iraia en forma detallada "" conjunto de conceptos relacionados con este tema

Nota importante: =~ ..:~..;,,.,," yue e1 ingeniero de Pavimentos, en el caso de que no pue•:Ja re8Jizar ensayos sobre los materiales, deberá aplicar su e:~periencia y/o criterio, para poder escoger la Tabla más adecuada -a partir de la cual pueda seleccionar (es decir estimar) el valor de CBR que más se l!P.enle "¡ésfa1i1etterfüh llf~-Cf7:itfilllh,\és&d~"cl'fute~flli¡hs::'n'.~:~;;.:;~ ;;; u~~~~;; ;~ -~!~~~:~ ~~

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de !a.s ·~argas equivalentes en el período· de diseño.se debe proceder de -:-.cuerdo a !9.S indic8.cione:: señaladas er. el .'\p.,¡¡.r;t.~~1,t 1~~~~~.te..,r;;s.P.ftlJlQ_(eágina.s 92 a 94) -;

..

t. C. Confiabilidad Tai como ha sido señalado, el nivel de confiabilidad se fi_ja el valor de "R" en un 50%, siendo en com:ecuencia el valor de A? iguai a cero (O).

1.0. Duración de las estaciones climatológicas (Impacto del ambiente) . '.a dura.ción de ros ciclos verano-invierno se determina de acuerdo a lo establecido en la. Tabla. \t, págrna 48. 1.E. Criterio de comportamiento ;:·ara e:;te criterio norrnalmenie se establece un valor de Servicapacidad Inicial (po) de 4,6 y para :a Servicapac~dad Final (pt) se fija 1.5, es decir la pérdida total de servicapacidad (l:IPSI) es de •f .. P.

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