ingenieria de pavimentos

PRESENTACiN Primera edicin, 1997 Segunda edicin, 1998 Reimpresin segunda edicin, 2001 Segunda reimpresin de la segunda edicin, 2002 Universidad Catlica de Colombia Ediciones y Publicaciones 2002 Alfonso Montejo Fonseca Bogot, D.e.

Esta segunda edicin de INGENIERA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS expresa la voluntad, la disciplina y el rigor con que su autor ha asumido el estudio de su especialidad. Al hacer la presentacin de este libro, quiero en primer lugar exaltar estas virtudes, porque las obras humanas son el producto de las condiciones personales. Las problemticas de nuestro diario vivir, tienen desde luego, diferentes causas y por lo tanto, diferentes fuentes de solucin. Una de ellas es el conocimiento como principio para la accin. Por eso, para la Universidad Catlica de Colombia es realmente muy satisfactorio hacer entrega de esta obra, que es sin duda alguna un gran aporte para la comunidad acadmica especializada en el tema y para la sociedad misma, que en ltimas debe ser la beneficiaria directa de la aplicacin seria y juiciosa de los conocimientos que en materia de pavimentos, se consignan en esta nueva edicin. Felicitaciones para el Ingeniero Alfonso Montejo y nuestra voz de aliento en su tarea de estudioso de la materia y en su empeo -muy loable por ciertode querer transmitir y compartir todo su conocimiento a travs de obras como sta.

Coordinacin editorial: Stella Valbuena de Fierro ISBN: 958-96036-2-9 Todos los derechos reservados. Prohibida su reproduccin total o parcial por cualquier medio sin permiso del editor. Diagramacin y artes: Grficas mbar Telfono: 5486089 Diseo de cartula: Juanita Isaza Merchn Impreso: Agora Editores Telfono: 3104397 Printed in Colombia

EOGAR GMEZ BETANCOURT

Presidente

Impreso en Colombia

PREFACIO

Sio han transcurrido dos aos desde la publicacin de la primera edicin de este libro sobre ingeniera de pavimentos para carreteras. Su rpida y favorable acogida por parte de los profesionales de la ingeniera vial, investigadores, docentes y estudiantes universitarios, ha sido el mejor reconocimiento que ha recibido el autor quien, en buena hora, emprendi la tarea de elaborar una obra actualizada sobre la mecnica de las calzadas, ciencia en la cual el desarrollo tecnolgico y el conocimiento han evolucionado de manera espectacular durante las dos ltimas dcadas del presente siglo. La brillante trayectoria del ingeniero Alfonso Montejo Fonseca como funcionario de las entidades estatales rectoras en la ingeniera de carreteras, su amplia experiencia como docente en el rea de pavimentos en reconocidas instituciones de educacin superior y su incuestionable pericia como conferencista en un sinnmero de foros nacionales de la viabilidad, son los factores que le han permitido preparar un libro que, adems de alta riqueza conceptual y profundo contenido tcnico, posee la sencillez y claridad necesarias para que su consulta sea amena y brinde fcil y rpida respuesta a las inquietudes del lector. Aqu radica, sin duda, el notable xito de la obra. Quien escribe estas lneas conoce los sacrificios y desvelos que trae consigo la preparacin de un libro tcnico en el pas y ha sufrido los efectos de la desproteccin en que se encuentran los autores ante la publicacin de ediciones no autorizadas. Por ello, aplaude sin reservas la abnegacin con la cual el ingeniero Montejo se empea en seguir sirviendo con desinters a la comunidad vial colombiana al entregarle esta segunda edicin de su libro, en la cual incluye temas de gran actualidad no abordados en la edicin anterior, como los referentes a las ltimas tecnolo~as de los asfaltos, la estabilizacin

VIII _

ING. ALFONSO MaNTElO FONSECA

de suelos, el reciclado de pavimentos asflticos y el control estadstico de la calidad de las obras. La culminacin de una obra tan calificada como sta n~ es, sin ,en:bargo, e: resultado de un esfuerzo meramente individual. Detras esta~a siempre e apoyo y el amor de los seres queridos. Por eso, como ~ompanero, coleg~ y amigo, felicito al ingeniero Montejo en nombre ?e qUle~es hemos logr~, o mejorar y actualizar nuestros conocimientos graCias a s~. libro, ~ero tambl~n debo hacer un reconocimiento a su seora y a sus hiJOS, qUienes muc o debieron sacrificar para que su esposo y padre pudiera entregarnos un documento de tanta utilidad. FERNANDO SNCHEZ SABOGAL Ingeniero Civil Este libro constituye un texto bsico, dentro de la ingeniera civil, en los cursos de diseo de pavimentos. Tambin puede ser de utilidad como obra de consulta para profesionales y tcnicos dedicados a esta especialidad. . , En la actualidad la tecnologa de los pavimentos se ha desarrollado a tal grado de constituir un campo de nuevas especializaciones, por ello, y dado que en nuestro medio la informacin especializada en el campo de los pavimentos para carreteras se encuentra muy dispersa, el autor ha considerado necesario condensar parte de ella en el presente texto, a fin de contribuir a la difusin de los conocimientos que se han adquirido en nuestro medio sobre el tema. Esta obra est organizada en los siguientes captulos: El Captulo 1 contiene los elementos bsicos de la ingeniera de pavimentos que necesitar el lector que desee comprender corretamente las aplicaciones. El Captulo 2 presenta la metodologa para la evaluacin del trnsito vehicular existente y esperado para el perodo previsto de diseo.

INTRODUCCiN

(

El Captulo 3 establece un sistema de estudio de los suelos, que se presentan a lo largo del proyecto el cual se orienta a definir las propiedades geotcnicas de stos y la resistencia de la unidad tpica para diseo. En el Captulo 4 se presentan los mtodos de estabilizacin de suelos con los aditivos y procedimientos ms utilizados en el mundo y en especial en nuestro medio. Los Captulos S, 6 Y 7 contienen los ltimos mtodos de diseo de pavimentos (flexibles, rgidos y articulados) propuestos por diversas entidas forneas de investigacin.

x-

ING. ALFONSO MONTElO FONSECA INGENIERA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS _

XI

En el Captulo 8 se estudian las caractersticas geotcnicas de los materiales que se utilizan en la construccin y mantenimiento de los diversos tipos de pavimento y de forma suscinta se presentan las pruebas de control de campo y laboratorio, necesarias para lograr un correcto aseguramiento de calidad de la obra. En el Captulo 9 se estudia la compactacin de suelos y mezclas bituminosas, enfocndose sta al logro de la permanencia de un comportamiento mecnico adecuado de las capas de un pavimento, a travs de toda su vida til. En el Captulo lOse establece una metodologa para la evaluacin de los pavimentos en servicio y se presentan mtodos de diseo de las obras de mejoramiento. El Captulo 11 esta dedicado al estudio del reciclado de pavimentos flexibles, tema que en nuestro medio tiene una buena acogida, pero que an presenta algunas dificultades en el diseo y construccin. En el Captulo 12 se estudian las caractersticas de los asfaltos modificados y sus principales componentes. Este captulo ofrece especial inters en mostrar al lector las ventajas que presentan los asfaltos modificados en las diversas aplicaciones de obra. El Captulo 13 trata sobre una nueva tcnica de aplicacin del asfalto mediante un procedimiento de espumado. Esta forma de utilizacin del asfalto apenas se inicia y su aplicacin en obra an es incipiente y no muy desarrollada. En el Captulo 14 se estudian las mezclas asflticas drenantes, tcnica que brinda importantes mejoras en la seguridad de los usuarios al proporcionar texturas de pavimentos lo suficientemente rugosas, para un adecuado contacto entre la llanta y la superficie de la capa de rodadura. Este tipo de mezcla suministra un adecuado drenaje superficial a la estructura del pavimento en pocas de lluvia. En el Captulo 15 se presenta un resumen de los resultados de los estudios adelantados por los Estados Unidos en su programa SHRP, sobre los ligantes bituminosos y las mezclas asflticas. En el campo de los ligantes se han definido nuevos tipos y ensayos de identificacin de los mismos, totalmente novedosos. Algo similar ocurre con las mezclas asflticas donde se aplican nueV05 criterios de diseo. Finalmente se ha dedicado el Captulo 16 al estudio del control estadstico de calidad en el cual se plantea un modelo que establece un nivel de confiabilidad, un mnimo necesario de muestras a extraer en un programa de control,

una localizacin alea~oria. ?e puntos de muestreo y un adecuado anlisis de los resultados y la ap(cacron de reglas de decisin. A .tod~s I~s personas que han colaborado en este trabajo deseo expresarles mis mas ~m~ero.s ~gradecimientos, en especial al seor Decano de la Facultad d: Ingenlena Civil ?e la Universidad Catlica de Colombia, ingeniero Rafael Pere~ Carmona, qUien con su apoyo entusiasta permiti que esta obra pudiera culmmarse.

ALFONSO MONTElO FONSECA

Ing. de Vas y Transportes Especialista en Gerencia de Obra

\

CONTENIDOPRESENTACiN PREFACIO

V

VIIIX

INTRODUCCiN

CAPTULO 1 PAVIMENTOS, CONSTITUCiN Y CONCEPTOS GENERALES.

1

1. Descripcin y funciones de los pavimentos de carreteras . 1.1 Pavimento................... Caractersticas que debe reunir un pavimento Clasificacin de los pavimentos .

1.2 1.3

22

1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.42. Las bermas

Pavimentos flexibles . . . Pavimentos semi-rgidos Pavimentos rgidos ..

5 57

Pavimentos articulados

8 8 8

3. Factores a considerar en el diseo de pavimentos. 3.1 3.2 3.3 3.4El trnsito . . . La subrasante El clima. . .. Los materiales disponibles.

9 9 1010 10

4. Obras de drenaje y subdrenaje en carreteras 4.1 Obras de drenaje .......... .

INGENIERA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS

-

XV 37

XIV -

ING. ALFONSO MONTEjO FONSECA

4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.1.6 4.1.7 4.2

El bombeo. Los bordillos. Los lavaderos Las cunetas La vegetacin Zanjas de coronacin . Las alcantarillas

10 11 11 11 11 12 12 12

Referencias bibliogrficasCAPTULO 3 ESTUDIO DE lOS SUELOS PARA DISEO DE PAVIMENTOS . . . . . . . . . . . . . . .

39

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

Definicin de suelo y roca . . . Origen y formacin de los suelos Caractersticas de los suelos residuales Caractersticas de los suelos transportados Clasificacin de los suelos . . . . . . . . 3.5.1 3.5.2 Clasificacin de suelos AASHTO Clasificacin unificada de suelos . Investigacin y evaluacin de suelos para el diseo de un pavimento

39 3941 42 43 44

Obras de subdrenaje 4.2.1 4.2.2 Subdrenes longitudinales Capas drenan tes

13 1316

49

Referencias bibliogrficasCAPTULO 2 ESTUDIO DEL TRNSITO PARA DISEO DE PAVIMENTOS.

6073

1717 17

Referencias bibliogrficasCAPTULO 4 ESTABILIZACiN DE SUELOS.

2.1 2.2 2.3 2.4

Introduccin . . . . . . . . . Definiciones generales Clasificacin de los vehculos Clasificacin del tipo de vehculo de acuerdo con la disposicin de sus ejes Carga mxima legal . . . . . . . . . Carga mxima legal . . . . . . . . .

7575 76

18

4.1

Introduccin.......... 4.1 .1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 Estabilidad volumtrica Resistencia .. Permeabilidad. Compresibilidad. Durabilidad...

19 19 19 1925 31 31 32 4.2.

77

79 7980

2.5 2.6

Determinacin del trnsito existente Suputacin del trnsito durante el perodo de diseo Cargas equivalentes para el diseo de pavimentos. Determinacin del factor camin . . . . . . . . 2.8.1 2.8.2 Determinacin del factor camin por el mtodo de conteo y pesaje. . . . . . . Determinacin del factor camin por los mtodos Mopt-Ingeroute Y la Universidad del Cauca . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.72.8

Suelos problemticos comunes en colombia. Recomendaciones generales para su identificacin y manejo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 4.2.2 4.2.3 Suelos arcillosos blandos compresibles y suelos orgnicos Suelos volcnicos . Suelos expansivos . 4.2.3.1 4.2.3.2 4.2.3.3 Generalidades. Identificacin de suelos expansivos Muestreo en suelos expansivos. . .

8182 83

85 8587 87

34

2.9

Determinacin del nmero de ejes equivalentes de 8.2 toneladas en el carril de diseo y durante el perodo de diseo (N) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

XVI -

ING. ALFONSO MONTE)O FONSECA INGENIERA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS _

XVII

4.2.3.4 4.2.4.

Tcnicas de ensayo para identificacin de suelos expansivos . . . . . . . . .

88 94 94 94 4.4 4.5 4.6

4.3.7 4.3.8

Influencia sobre la resistencia de los suelos Determinacin del porcentaje ptimo de cal

.

106 107107 112 117 117 118 119 120 120 121 121 121 122 122 122 123 123 124 124

Mtodos para minimizar los cambios volumtricos de la subrasante . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.4.1 4.2.4.2 4.2.4.3 4.2.4.4 4.2.4.5 Reemplazo del material expansivo . Aplicacin de sobrecargas . . . . . Minimizar los cambios de humedad Prehumedecimiento del suelo expansivo . . . . . . . . . . . . . . Estabilizacin de suelos expansivos

Estabilizacin mecnica . . . . . . . . Estabilizacin de suelos con cemento Estabilizacin de suelos con asfalto . . 4.6.1 4.6.2 4.6.3 Propiedades que presentan los suelos estabilizados con asfalto Diseo de las mezclas Construccin " ..... . .

95 95

96/4.7 97 98 4.8 4.9 4.10 4.11

4.2.5 4.2.6 4.3

Precauciones para estudios y diseos de pavimentos sobre suelos expansivos . . . . . Tcnicas comnmente utilizadas en Colombia para tratar suelos expansivos . . . . . . . Generalidades sobre la estabilizacin de suelos . . . . . . . . . . . . . . . . . Objetivos de la estabilizacin con cal Materiales usados en la estabilizacin de suelo-cal . . . . 4.3.3.1 4.3.3.2 4.3.3.3 4.3.3.4 4.3.3.5 4.3.3.6 Suelos Cal . . . Cal viva Cal-Grasa Cal Magra Cales Hidrulicas

Estabilizacin con cido fosfrico. Estabilizacin con cloruro de sodio Estabilizacin con soda custica .

Estabilizacin de suelos con cal . . . . . . . . . . 4.3.1 4.3.2 4.3.3

99

Uso de polmeros y resinas . . . . El drenaje como sistema de estabilizacin . Estabilizacin electroqumica con aceite sulfonado Caractersticas fsico-qumicas . . . . . . . . . . Accin del aceite sulfonado sobre las partculas del suelo . . . . . . . . . . . Densificacin del suelo . Fundamento geotcnico .

99100 101

4.12

101101 102 102 103 103 104 104 104 105 105CAPTULO 5

4.13

Capas estabilizadas

Referencias bibliogrficas

4.3.4 4.3.5

Influencia de la cal en las caractersticas de los suelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Influencia de la cal sobre las constantes fsicas del suelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.5.1 4.3.5.2 4.3.5.3 Lmite lquido- Lmite plstico-ndice plstico . . . . . . . . . . '. . . . . Lmite de contraccin . . . . . . . . Influencia sobre la textura elemental

DISEO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES Y SEMIRCIDOS PARA CARRETERAS . . . . . . . . .

.......

129

5.1 5.2

Introduccin . . . . . . . . . . . . . . Dis:o de pavi~entos asflticos en vas con bajos vo(umenes de transito . . . .. ....... . 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 Introduccin. Trnsito . . . Estudio de la subrasante Ejemplo de aplicacin. .

129

130 130130

4.3.6

Influencia sobre la densidad seca . . . . . .

105

133 135

XVIII -



-

XIX

5.2.5 5.3

Seleccin de la estructura. . . ..

....

140 161 161

5.4

Mtodo de diseo de pavimentos asflticos. en vas con ... . medios y altos volmenes de trnsito. 5.3.1 5.3.2 Introduccin....... . ...... .

Mtodo del TRL para diseo de pavimentos flexibles en pases tropicales y subtropicales . 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.4.4 Evaluacin del trnsito La subrasante ..

229 230231

Proyeccin del trnsito y clculo del nmero de ejes equivalentes en el perodo de diseo .... para el nivel 1 . . . . . . .. Proyeccin del trnsito y el clculo del nmero de ejes equivalentes en el perodo de diseo para el nivel 2 . . . . . . . . . . . Factores ambientales y climticos ....

Materiales de construccin Figuras de diseo . . .

232236 247 247 249 263 263 263 265 265 271 274 282 309 309

166

5.5

5.3.3

Mtodo de diseo de espesores de pavimento flexible para carreteras segn el instituto del asfalto 5.5.1 Variables de diseo. Procedimiento de diseo .. ..

171 176 182

5.5.2

. . . ..

5.3.4 5.3.5 5.3.6

I

5.6

Seleccin de las condiciones de humedad ... prevalecientes en la obra . . .. Determinacin del tamao de la muestra o nmero de ensayos requeridos para la caracterizacin de la resistencia de la subrasante . . . . . . . . . . Seleccin del mdulo resiliente de diseo y clasificacin de la subrasante de la unidad . Listado general de materiales para pavimentos .... y convenciones . . .. Costos asociados a la operacin de un pavimento durante el perodo de anlisis econmico . . . . . . . . . . . .

Mtodo AASHTO para diseo de pavimentos flexibles (versin 1986) .. 5.6.1 5.6.2 5.6.3 Introduccin.. . . . Variables para el diseo. Criterios de comportamiento Propiedades de los materiales Caractersticas estructurales del pavimento Diseo estructural del pavimento

184 185 5.7 186 5.8 189 190

5.6.4 5.6.5 5.6.6

5.3.7 5.3.8 5.3.9

Mtodo Shell para el diseo de espesores de pavimentos flexibles . . . . .. ... ... . Pavimentos semirgidos 5.8.1 5.8.2 5.8.3 .. . .... .

Pavimentos con capas de suelo cemento Pavimentos con capas de suelo - cal Estabilizacin de suelos con asfalto

313315 317

5.3.10 Algunos comentarios relativos al anlisis econmico .. . . .. . .... 5.3.11 El costo global actualizado (CGA) como criterio de comparacin econmica de las alternativas estructurales . . . . .

Referencias bibliogrficas 192 193CAPTULO 6 DISEO DE ESPESORES DE PAVIMENTOS RGIDOS PARA CALLES Y CARRETERAS . . . . . . . . . .

5.3.12 Parmetros generales para la evaluacin ....... . de alternativas . 5.3.13 Ejemplo de clculo del costo global actualizado (CGA) de una alternativa estructural .. 5.3.14 Ejemplo No. 1 5.3.15 Ejemplo No. 2

319 319 320

6.1 195 195 199 6.2

Introduccin 6.2.1

. .

. ..

Mtodo de la Portland Cement Association (PCA) Procedimiento de diseo para el caso en que se disponga de datos sobre distribucin de carga por eje

327

xx -

ING. ALFONSO MONTElO FONSECA

INGENIERA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS -

XXI467 473

6.2.2

Procedimiento simplificado de diseo para el caso en que no se disponga de datos sobre distribucin de cargas por eje

8.5 344 354 354 356 359 362 363 363

Control de calidad de materiales y de construccin

Referencias bibliogrficas .CAPTULO 9 COMPACTACIN

6.3

Las juntas en los pavimentos rgidos 6.3.1 6.3.2 6.3.3 Finalidad de las juntas. Elementos de la junta Clases de juntas

475475 475 477 477 477 479 481 481 483 490 498 498 499 501 501 502

9.1

Compactacin de suelos 9.1.1 9.1.2 Antecedentes .. Efectos de los diferentes factores que intervienen en la compactacin . . . . . . . . . . 9.1.2.1 9.1.2.2 9.1.2.3 9.1.2.4 Efectos de contenido de agua Efectos de la energa de compactacin Efectos del mtodo de compactacin Efectos de la fraccin gruesa ...

Juntas de contraccin Juntas de dilatacin Referencias bibliogrficasCAPTULO 7 DISEO DE ESPESORES DE PAVIMENTOS DE ADOQUINES DE CONCRETO . . . . . . . . . . . . . . . .

365365 366 366 366 9.2

9.1.3

Requisito de compactacin. . . Ensayos de compactacin Compactacin y compactadores Influencia de las propiedades de los materiales en la compactacin . . . . . . . . . . . . Influencia del espesor de la capa asfltica Influencia de la temperatura de la mezcla Influencia de las condiciones climticas en la compactacin . . . . . . . . . . . . Equipos de compactacin ....... . Ventajas de la compactacin de pavimentos al 100 por ciento de la densidad de laboratorio durante la construccin . Tramos de prueba.

7.1 7.2 7.3

Introduccin... Casos especiales . Diseo de un pavimento nuevo. 7.3.1 Evaluacin de la subrasante .

9.149.1.5 9.2.1 9.2.2 9.2.3 9.2.4

Compactacin de mezclas asflticas . .

7.4

7.3.2 Seleccin del espesor del pavimento. Especificaciones para los materiales del pavimento

372378

Referencias bibliogrficasCAPTULO 8 MATERIALES PARA CONSTRUCCiN Y MEJORAMIENTO DE PAVIMENTOS

379379 379 380

9.2.5 9.2.6

8.1 8.2

Introduccin......... .. Tecnologa del hormign simple 8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4

503 503 504

El Cemento . . . . . ..Caractersticas de los agregados

9.2.7

393409 416 420 420 464

Referencias bibliogrficasCAPTULO 10 EVALUACiN DE PAVIMENTOS EN SERVICIO Y DISEO DE OBRAS DE MEJORAMIENTO . . . . . . . . . . . . .

El agua de mezclado . . . . .La mezcla de hormign . . . .

8.3

Tecnologa de las mezclas bituminosas 8.3.1 Materiales asflticos. . ..

505505

8.4

Capas granulares para pavimentos

10.1

Introduccin......... ..

XXII -



-

XXIII

10.2 10.3

Tipos de fallas en los pavimentos flexibles

. . . . ..

506 507 507 508 11.9 519 532 537 541 542 542 553 579 587

Paso 3 - Determinacin de la cantidad total de asfalto . Paso 4 - Porcentaje de asfalto nuevo por aadir Paso 5 - Pruebas de campo Diseo de espesores Diseo de mezclas asflticas recicladas en caliente (mtodo del Instituto del Asfalto) . . . . . . . . . . Paso 1 - Combinacin de agregados para la mezcla reciclada . . . . . . . . . . . . . . . . . Paso 2 - Demanda de asfalto para la combinacin de agregados . . . . . . . . . . . . . . . Paso 3 - Porcentaje de asfalto nuevo en la mezcla Paso 4 - Seleccin del grado del asfalto nuevo Paso 5 - Tanteo de diseo de la mezcla . . . Paso 6 - Seleccin de la frmula de trabajo. Diseo de espesores Referencias bibliogrficas .CAPTULO 12 ASFALTOS MODIFICADOS

602 603 603 603 607 612 612 612 612

Patologa de las estructuras de pavimento en servicio 10.3.1 Informacin existente . . . . . . . . .

10.3.2 Examen superficial del pavimento

10.3.3 Evaluacin estructural continua por deflectometra . . . . . . . . . . . . 10.3.4 Evaluacin de la regularidad superficial 10.3.5 Evaluacin de la textura superficial de un pavimento . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.6 Evaluacin geotcnica de los materiales de la estructura existente . . . . . . . . 10.4 Criterio del instituto del asfalto para el diseo de refuerzos de pavimentos flexibles . . . . . . 10.4.1 10.5 10.6 Diseo de sobrecapas asflticas enpavimentos flexibles ............. .

613615 615 615

Diseo racional de refuerzos de pavimentos flexibles criterio de Lilli - Lockhart . . . . . . . . . . . Refuerzos de concreto hidrulico sobre pavimentos rgidos de calles y carreteras

--

Referencias bibliogrficasCAPTULO 11 RECICLAJE DE PAVIMENTOS flEXIBLES

617617 617 619 619 623 625 629 630 630 632

12.1...

Introduccin......... Objetivo de la modificacin Beneficios que se buscan con la modificacin del asfalto . . . . . . . . . . . . . . Las asociaciones asfalto-polmero Compatibilidad . . . . . . . ..

589589 590 590 591 592 594 595 596 602 602

12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7

11.1 11 .2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11 .8

Introduccin... . . . . Campos de aplicacin del reciclaje Tipos de reciclaje ........ .

Ventajas de las tcnicas de reciclado Reciclaje superficial . . . . . . . Reciclaje en el lugar . . . . . . . Reciclaje en planta (en caliente) . Diseo de mezclas asflticas recicladas en fro (mtodo del instituto del asfalto) .. Paso 1 - Combinacin de agregados Paso 2 - Seleccin del asfalto nuevo

Caracterizacin de los asfaltos modificados con polmeros . . . . . . . . . . . . . . . . Aplicaciones de los ligantes modificados 12.7.1 Mezclas drenantes . . . . . . .

12.7.2 Mezclas en caliente en capas delgadas (Microaglomerados en caliente) . . . . 12.7.3 Mezclas bituminosas altamente resistentes para capa de rodadura . . . . . . . . . . . . . . . .

XXIV -



-

XXV

12.7.4 Tratamientos superficiales mediante riego con gravilla . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.7.5 Lechadas Bituminosas . . . . . . . . . 12.7.6 Membranas absorventes de tensiones 12.7.7 Mezclas de alto mdulo 12.8 12.9 ... . . . .

14.1 632 632 633 633 633 634 634 I 5.3 635 635 636 636 638 638 15.6639

Definicin Historia.

653 654 666

14.2

Referencias bibliogrficasCAPTULO 15 SUPERPAVE

Emulsiones con asfaltos previamente modificados (2,3,4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elaboracin de emulsiones con asfalto modificado.

.................. "

667

15.1 15.2

Introduccin

667 667 669

12.10 Caracterizacin de las emulsiones modificadas 12.11 Aplicaciones de las emulsiones modificadas con polmeros(2,3) . . . . . . 12.12 Tratamientos superficiales . 12.13 Mezclas abiertas en fro . . 12.14 Microaglomerados en fro . 12.15 Tratamientos antifisuras Referencias bibliogrficasCAPTULO 13 El ASFALTO ESPUMADO

Nuevos criterios Superpave para ligantes asflticos " . . . . . . . . Mtodos de ensayo Superpave para asfaltos Especificacin Superpave para asfaltos Especificaciones Superpave para mezclas asflticas . .. .. ...... . 15.5.1 Mtodos de ensayo Superpave para mezclas asflticas '" . 15.5.2 Diseo de mezclas asflticas, Nivel 1 15.5.3 Diseo de mezcla, Nivel 2 Diseo de mezclas nivel 3: propiedades fundamentales basadas en el comportamiento en servicio. " . . . . . . . .. Caractersticas de los agregados utilizados en la mezcla asfltica segn Superpave . 15.7.1 Propiedades de la fuente de origen 15.7.2 Granulometra.

15.4 15.5

677680 680 685 688

693 694 696 697 711

13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 13.6 13.7 13.8 13.9

Introduccin . . . . . . . . . . . Obtencin del asfalto espumado Caractersticas del asfalto espumado Materiales tratados con asfalto espumado El asfalto espumado en la construccin vial Procedimiento del diseo de mezcla Condiciones de curado . . . . . .. Construccin de vas con asfalto espumado Las economas del asfalto espumado

639 639 640 641 645 646 648 649 650 650 652

15.7

Referencias bibliogrficas .CAPTULO 16 CONTROL ESTADSTICO DE CALIDAD

715

16.1 16.2

Introduccin

..

715 716 716 716 718

13.10 Reciclaje con asfalto espumado. Referencias bibliogrficasCAPTULO 14 MEZClAS ASFlTICAS DRENANTES

Trminos estadsticos y de control de calidad 16.2.1 Conjuntos de datos . . . 16.2.2 Representaciones numricas

16.3653

Funcin de los mtodos estadsticos en la administracin de procesos de produccin.

XXVI -

ING. ALFONSO MONTEIO FONSECA

16.4

Diagramas de Pareto de Fenmenos y Diagramas de Pareto de Causas. . . . 16.4.1 Diagrama de Pareto de Fenmenos

719

719719

16.4.2 Diagrama de Pareto de Causas . . . 16.4.3 Diagramas de Causa-Efecto . . . . . 16.5 16.6 16.7 Procedimiento para elaborar los diagramas de Causa-Efecto para la identificacin de causas Los histogramas . . . . . . . . Grficos de control 16.7.1 ..... .

720 720 721 725 726 726731 734

CAPTULO

1

Causas debidas al azar

16.7.2 Causas asignables . 16.8 Ejemplos de aplicacin ....

Referencias bibliogrficas

PAVIMENTOS, CONSTITUCiN y CONCEPTOS (jENERAlES

1.1.1

DESCRIPCiN y FUNCIONES DE lOS PAVIMENTOS DE CARRETERASPAVIMENTO

n pavimento est constituido por un conjunto de capas superpuestas, relativamente horizontales, que se disean y construyen tcnicamente con materiales apropiados y adecuadamente compactados. Estas estructuras estratificadas se apoya sobre la subrasante de una va obtenida por el movimiento de tierras en el proceso de exploracin y que han de resistir adecuadamente los esfuerzos que las cargas repetidas del trnsito le transmite durante el perodo para el cual fu diseada la estructura del pavimento.

U

1.2

CARACTERSTICAS QUE DEBE REUNIR UN PAVIMENTO

Un pavimento para cumplir adecuadamente sus funciones debe reunir los siguientes requisitos:

2 -



-

3

Ser resistente a la accin de las cargas impuestas por el trnsito. Ser resistente ante los agentes de intemperismo. Presentar una textura superficial adaptada a las velocidades previstas de circulacin de los vehculos, por cuanto ella tiene una decisiva influencia en la seguridad vial. Adems, debe ser resistente al desgaste producido por el efecto abrasivo de las llantas de los vehculos. Debe presentar una regularidad superficial, tanto transversal como longitudinal, que permitan una adecuada comodidad a los usuarios en funcin de las longitudes de onda de las deformaciones y de la velocidad de circulacin. Debe ser durable. Presentar condiciones adecuadas respecto al drenaje. El ruido de rodadura, en el interior de los vehculos que afectan al usuario, as como en el exterior, que influye en el entorno, debe ser adecuadamente moderado. Debe ser econmico.Z

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1.3

CLASIFICACiN DE LOS PAVIMENTOS

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Especificaciones.

I

I

SBG-1

Agregado grueso

Base granular INV 330

12%-18%, la ~ 35%, CBR

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80

Tabla 5.21 Categoras de la subrasante Mdulo resiliente kgjcm 2300::; MR < 500 500::; MR < 700 700::; MR < 1000 1000 ::; MR < 1500MP~

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BG1

Triturado

TMAX 37,5 mm, % Pasa # 4 = 30 a 60%, Pasa # 200 = 5 a 15%, IP ~ 3, Compactacin 100% de Proctor Modificado. TMAX 25 mm, % Pasa # 4 = 35 a 65%, Pasa # 200 = 5 a 15%, IP ~ 3, Compactacin 100% de Proctor Modificado. Emulsin: CRL1 CRL1 h Agua: Ph 5.5 a 8.0, S04 ~ 1 gil Aditivos: INV 400 y 412 TMAX 37,5 mm, % Pasa # 4 = 30 a 60%, Pasa # 200 = 3 a 15%, IP < 7, D ~ 50%, Compactacin 95% de Proctor Modificado. TMAX 25 mm, % Pasa # 4 = 30 a 60%, Pasa # 200 = 3 a 1 S%, IP ~ 7, D ~ 50%, Compactacin 95% de Proctor Modificado. EA ~ 90% A-1-b Y 20 ~ E.A. ~ 40% A2-4 TMAX 4,75 mm, % Pasa # 200 = 5 a 25%, CBR sin Estabilizar 2' 15, IP ~ 7, Compactacin 95% de Proctor Modificado. Cemento Portland: NTC 121 y 321 Agua: Ph 5.5 a 8.0, S04 ~ 1 gil Suelo: S04 ~ 0.5%

Categora51 52 53 54

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BG2

Triturado Base estabilizada con emulsin asfltica INV 340

I

1500

SS

~Ji

IBEE-1 Suelo grueso

~~

BEE-2

Suelo grueso

5.3.8

Listado general de materiales para pavimentos y convenciones

BEE-3

I

A-1-b A-2-4

I

La seleccin de materiales para diseo de pavimentos est basada en una combinacin de factores como calidad, disponibiltdad, economa y experiencia previa de uso. Estos factores necesitan ser evaluados durante el diseo, en orden a seleccionar los materiales que mejor se adapten a las condiciones del proyecto.

Base estabilizada con cement INV 341

188 -

ING, ALFONSO MONTEjO FONSECA


-

189

Tabla 5.22 (Continuacin ... ) Convenciones para la identificacin de los materiales y especificaciones Smbolo Cdigo MaterialGranular grueso: A-1, A-2-4, A-2-5, A3 Granular fino: I A-2-6, A2-7, A-4, A-S, A-6, A-7 Tratamiento superficial doble

5.3.9

Costos asociados a la operacin de un pavimento durante el perodo de anlisis econmico

EspecificacionesTMAX ~ 75 mm y < '12 del espesor de la capa compactada Pasa # 4 ~ 50%, Pasa # 200 ~ 50% LI ~ 35, IP < 15, % en peso de 50 4 ~ 0,5. Emulsin: CRR-2 Agregado: Tr ~ 75%, D ~ 40%, P ~ 12%-18%, Ad, Ban ~ 80%, la ~ 35%, Coef. P ~ 0,45 TMAX 19 mm, % Pasa # 8 = O a 5 TMAX 12,5 mm, % Pasa # 4 = O a 15, % Pasa # 8 = O a 5 TMAX 25 mm, % Pasa # 4 = O a 5 TMAX 19 mm, % Pasa # 8 = O a 5 TMAX 12,5 mm, % Pasa # 8 = O a 5 TMAX 9,5 mm, % Pasa # 16 = O a 5 Emulsin: CRL-1 CRL-1 h Agua: Ph 5.5 a 8.0, 50 4 ~ 1 gJl Agregado: Tr ~ 75%, D ~ 40% Base, D ~ 30% Rodadura, P ~ 12%-18%, Re ~ 75%, la ~ 35% Coef. P ~ 0,45, EA ~ 50%, NP TMAX 37,5 mm, % Pasa # 4 - 45 a 60, % Pasa # I 200 = 3 a 8 I TMAX 25 mm, % Pasa # 4 200 = 3 a 8 47 a 62, % Pasa #

I~ti '~I-',-- ,r;;::1 '

Los costos asociados a la operacin de un pavimento se pueden agrupar en dos categoras:

BEC

1. Costos de la infraestructura CO: Costo de construccin. Se determina elaborando el presupuesto, quedebe incluir el costo del diseo, la construccin y la interventora. Se aplica en el "ao 01/ es decir en el ltimo ao de la construccin. MR(1): Costo del mantenimiento rutinario que se deber realizar al pavimento en cada uno de los aos del perodo de anlisis econmico. Incluye el costo de la rutina de limpieza del drenaje y zonas laterales y el costo del parcheo. Su valor puede determinarse mediante simulacin con el modelo HDM del Banco Mundial, u otro procedimiento apropiado. RH n +l: Costo de la rehabilitacin del pavimento. Se aplica en el ao (n+ 1), o sea en el ao inmediatamente siguiente al ao final del perodo de diseo estructural. Si a partir del trmino del perodo de diseo estructural, la poltica de mantenimiento adoptada indica subsiguientes intervenciones de rehabilitacin, stas se aplicarn en los aos pertinentes. La rehabilitacin del pavimento es el conjunto de acciones de nivelacin, refuerzo o reconstruccin, encaminadas a recuperar la serviciabilidad de la calzada. VRm: Valor residual de la estructura del pavimento. Ms que un costo, se debe entender como un beneficio. Es el valor estimado de la estructura en su condicin final. Se aplica en el ao m, o sea en el ltimo ao del perodo de anlisis econmico.

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1O 12 cm se podr dividir la capa de base y de concreto de rodadura poniendo 5 cm como mnimo de rodadura. 2. Cuando el espesor MDC sea importante el tamao mximo del agregado podr aumentarse utilizando MDC1.

1. Cuando el espesor MDC sea > 12 cm se podr dividir la capa de base y de concreto de rodadura poniendo 5 cm como mnimo de rodadura. 2. Cuando el espesor MDC sea importante el tamao mximo del agregado podr aumentarse utilizando MDC-1.

21 O -

INGENIERA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS ING. ALFONSO MONTEIO FONSECA

-

211

Carta No. 2 Regin 2 (R2) Templado seco y templado semihmedo TMAP 1 rc - 20C Precipitacin < 2000 mm/ao

Carta No. 2 Regin 2 (R2) Templado seco Ytemplado semihmedo TMAP 13C - 20C Precipitacin < 2000 mm/ao

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S4 1000 < Mr < 1500

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1. Cuando el espesor MOC sea > 12 cm se podr dividir la capa de base y de concreto de rodadura poniendo 5 cm como mnimo de rodadura. 2. Cuando el espesor MOC sea importante el tamao mximo del agregado podr aumentarse utilizando MOC-1.

1. Cuando el espesor MOC sea > 1 2 cm se podr dividir la capa de base y de concreto de rodadura poniendo 5 cm como mnimo de rodadura. 2. Cuando el espesor MOC sea importante el tamao mximo del agregado podr aumentarse utilizando MOC-l.

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213

21 2 -


Carta No. 2 Regin 2 (R2) Templado seco y templado semihmedo TMAP 1 rc - 20C Precipitacin < 2000 mm/ao

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Carta No. 3 Regin 3 (R3) Clido seco Y clido semihmedo TMAP 20C - 30C Precipitacin < 2000 mm/ao

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T610 12 cm se podr dividir la capa de base y de concreto de rodadura poniendo 5 cm como mnimo de rodadura. 2. Cuando el espesor MOC sea importante el tamao mximo del agregado podr aumentarse utilizando MOC-1 .

21 8 -



-

219

Carta No. 4 Regin 4 (R4) Templado hmedo TMAP 13C - 20C Precipitacin 2000 - 4000 mm/aoMr(kg/cm')N621106)

Carta No. 4 Regin 4 (R4) Templado hmedo TMAP 13C - 20C Precipitacin 2000 - 4000 mm/ao54100~

Mr < 1500

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12 cm se podr dividir la capa de base y de concreto de rodadura poniendo 5 cm como mnimo de rodadura. 2. Cuando el espesor MDC sea importante el tamao mximo del agregado podr aumentarse utilizando MDC-l.

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poniendo 5 cm como mnimo de rodadura. 2. Cuando el espesor MDC sea importante el tamao mximo del agregado podr aumentarse utilizando MDC-l.

224 -



-

225

Carta No. 5 Regin 5 (R5) Clido hmedo TMAP 20C -30C Precipitacin 2000 - 4000 mm/aoS4 1000 < Mr < 1 500SS

Carta No. 6 Regin 6 (R6) Clido muy hmeda TMAP 20C - 30C Precipitacin> 4000 mm/aoSl300'$ Mr < sao

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52 12 cm se podr dividir la capa de base y de concreto de rodadura poniendo 5 cm como mnimo de rodadura. 2. Cuando el espesor MDC sea importante el tamao mximo del agregado podr aumentarse utilizando MDC-l .

228 -


1I55Mr> 1500


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229

Carta No. 6 Regin 6 (R6) Clido muy hmeda TMAP 20C - 30C Precipitacin> 4000 mm/ao541000 ,;; Mr < 1 500

5.4

MTODO DEL TRL PARA DISEO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES EN PASES TROPICALES Y SUBTROPICALES

Colombia adopt en 1970 un mtodo de diseo de pavimentos flexibles para reas tropicales y subtropicales basado en el propuesto por el RRL en la ROAD Note 31 de 1966. Algunas fallas producidas en pavimentos construidos como resultado de la aplicacin del mtodo y la comprobacin de su insuficiencia estructural a travs de la aplicacin de la teora elstica para sistemas multicapa, oblig a restringir su uso a trnsitos no superiores a 0,5 x 106 ejes simples equivalentes de 8,2 toneladas, adoptndose el criterio SHELL para los diseos de estructuras sometidas a mayores solicitaciones. En 1993, el TRL public la cuarta edicin de la ROAD Note 31, la cual presenta algunas novedades: Adopta una estructura tipo catlogo para los diseos.

T6lO 12 cm se podr dividir la capa de base y d~~oncreto ~~'dadura poniendo 5 cm como mnimo de rodadura. 2. Cuando el espesor MDC sea importante el tamao mximo del agregado podr aumentarse utilizando MDC-l.

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230 -



-

231

2.

Las severas condiciones a que pueden estar expuestas las carpetas asflticas en dichos climas La interrelacin entre el diseo y el mantenimiento de la estructura. Las altas cargas por eje y presiones de inflado que son comunes en los pases tropicales. La influencia de los climas de estos pases sobre la naturaleza de los suelos y rocas usados en la construccin de pavimentos.

5.4.2

La subrasante

3. 4. 5.

El mtodo exige la valoracin de la resistencia de los suelos de subbrasante en trminos de su CBR, estimado para la densidad especificada (generalmente el 100% de la mxima del Proctor normal) y una condicin de humedad correspondiente a la mayor que sea de esperar ocurra en la subrasante luego de que la va sea puesta en servicio. EL TRL considera que la humedad de los suelos bajo una superficie impermeable se encuentra en alguna de tres categoras y describe los suelos y condiciones representativas de cada unas de ellas, as como la manera de determinar la humedad. Dichas categoras son: 1. Subrasantes donde la tabla del agua est lo suficientemente cerca de la superficie como para controlar la humedad de la subrasante. En tales casos el mtodo ms sencillo para determinar la humedad es midindola en subrasantes bajo pavimentos existentes en similar situacin, en la poca del ao en que la tabla de agua est a su ms alto nivel, permitindose las medidas en subrasantes diferentes, en virtud del hecho de que la relacin humedad/lmite plstico es la misma para diferentes suelos cuando el nivel fretico y las condiciones climticas son similares. Si no hay pavimentos construidos en el rea del proyecto, la humedad puede estimarse conociendo la profundidad de la tabla de agua y la relacin succin/humedad para el suelo de subrasante. Subrasantes con tablas de agua profundas y donde la lluvia es suficiente para producir cambios significativos en las condiciones de humedad bajo el pavimento. En este caso, la condicin de humedad con propsitos de diseo corresponde a la ptima del ensayo normal de compactacin Subrasantes en reas sin tabla de agua permanente cerca de la superficie y donde el clima es seco la mayor parte del ao y la lluvia anual sea inferior a 250 mm. La humedad de la subrasante con fines de diseo corresponde al 80% de la ptima definida en el ensayo normal de compactacin. Para evitar que la resistencia de la subrasante no resulte ni sobre ni subestimada, el mtodo recomienda usar el valor correspondiente a aquel que sea superado por el 90% de los resultados de los ensayos ejecutados. Determinado el valor de resistencia representativo de cada suelo, ste deber asignarse a una de las seis (6) clases que reflejan la sensibilidad del espesor de diseo a la resistencia de la subrasante conforme se define en la Tabla 5.32.

5.4.1

Evaluacin del trnsito

El trnsito de diseo se valora en trminos del nmero de ejes simples equivalentes de 8.2 toneladas en el carril de diseo y durante el perodo de diseo. El exponente recomendado para el clculo de los factores de equivalencia de carga es siempre de 4.5 a pesar de que el mtodo incluye estructura semi-rgidas sobre las cuales existen referencias de que la relacin de agresividad de las cargas es mayor. El mtodo reconoce la dificultad de hacer proyecciones precisas, sobre todo en pases en vas de desarrollo, pero recuerda que las espesores de diseo son poco sensibles al nmero acumulado de ejes equivalentes y presenta estructuras fijas para los rangos de trnsito que muestra la Tabla 5.31.

2.

Tabla 5.31 Clases de trnsitoCrases TlT2T3

l3.

Rango (lO ejes equivalentes de 8.2 toneladas) 40

Pasa N' 200

30

S~d'1;)

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Figura 5.29 - Variacin de coeficiente a2 con diferentes parmetros deresistencia de la base granular.

270 -


INGENIERA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS -

271

Subbases granulares: En la Figura 5.32 es posible determinar el coefiN

0.28

-~-

ciente (a3) para una subbase granular, en funcin de los mismos ensayos considerados para las bases granulares.10.0

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Drenaje: A pesar de la importancia que se concede al drenaje en el diseo de carreteras, los mtodos corrientes de dimensionamiento de pavimentos incluyen con frecuencia capas de base de baja permeabilidad y consecuentemente de difcil drenaje. El mtodo deja en libertad al Ingeniero de Diseo para identificar cual nivelo calidad de drenaje se logra bajo una serie especifica de condiciones de drenaje. Se dan a continuacin las definiciones generales correspondientes, para diferentes niveles de drenaje de la estructura del pavimento.

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Calidad del drenaje5.0_

Trmino para remocin del agua2 horas1 da 1 semana 1 mes (El agua no drena)

Excelente Buena Aceptable Pobre Muy pobre

,

El tratamiento para el nivel esperado de drenaje de un pavimento flexible se logra a travs del empleo de coeficientes de capas modificadas; esto es, se podra usar un coeficiente de capa efectivo ms alto para mejorar las condiciones de drenaje. El factor E

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2

Rigidez de la mezclo Smel' N/mI

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Figura 5.46 - Caractersticas de fatiga Fl,O.farmaclo'n por fatilQOI &

Figura 5.47 - Caractersticas de fatiga F2,

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a.n)

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9,5 m.m.~spesor

Agregando 7.5 cm para compensar defectos de colocacin de la varilla, la longitud total de sta puede calcularse por medio de la frmula siguiente:

Barras de q,12,7 m.m.

Barras de 4>15,9 m.m.

(3/8")Longitud (cm) Separacin entre barras segn carril (cm) 3,OSm 3,35 m 3,G5 m Longitud (cm)

(1/2")Separacin entre barras segn carril (cm) 3,OS m 3,35 m 3,GS m Longitud (cm)

(5/8")Separacin entre barras segn carril (cm) 3,OS m 3,3Sm 3,G5m

L

de losa (cm)

2.A.fs +7.5 a.p

(6.2)

En la cual: L longitud total de la barra de anclaje (cm) rea transversal de una barra de anclaje (cm 2 ) igual que en la ecuacin anterior. esfuerzo de trabajo por adherencia. Para acero corrugado, se permite usar el 10% del valor de la resistencia a compresin del concreto; sin embargo, no debe exceder de 24,6 kgjcm 2 permetro de una varilla (cm).

Acero de fy 15 17,5 20 22,5 25 Acero de fy 15 17,5 20 22,51 25

= 1.875 kgf/cm 2 (40.000 Psi)SO70 45 60 55 45 75 60 55 50 45 65 55 50 45 40 60 120 120 105 55 120 110 100 85 120 100 90 80 70 70 120 120 120 120 120 120 120 120 120 120 120 120 120 120 120,

A fs a

SS

SO

= 2.800 kgf/cm 2 (60.000 Psi).120 105 65 90 110 95 80 75 65 100 120 120 85 120 120 120 120 120 120 120 115 120 120 120 120 110 100 120 120 120 120 120 120 120 120 120 120 120 120 120 120 120

SS75 65 60

p

SO70

La aplicacin de las ecuaciones mencionadas (6.1 y 6.2) han permitido presentar la Tabla 6.22. Juntas transversales. El diseo de las juntas transversales se realiza con el fin de controlar la fisuracin del concreto por contraccin y alabeo; por lo tanto, el espaciamiento entre ellas debe ser menor que seis metros. Se ha demostrado que cuando la separacin se aproxima a 4.5 m, permiten controlar prcticamente todas las fisuras y el comportamiento del pavimento a lo largo de su vida de servicio es mejor. Sin embargo, la expresin de Albert Joisel permite encontrar una separacin entre juntas que controlen la fisuracin, ella es:

Nota: Cuando se empleen barras de acero liso, las longitudes dadas en la Tabla se multiplicarn por 1,5.

En la cual: As rea de acero por unidad de longitud de junta (cm 2 jm). Distancia entre la junta en consideracin y el borde libre del pavimento (m). Corresponde normalmente al ancho de un carril. coeficiente de friccin entre losa y suelo (se toma generalmente como 1.5)

b

L

3P

7

(6.3)

Donde:

wfs

peso de la losa por unidad de rea (kgjm 2 ).

Pesfuerzo de trabajo del acero (kgjcm 2 ); normalmente se toma igual a 0.67 fy, siendo fy el esfuerzo de cedencia del acero.

Carga mxima (esttica) que puede presentarse en una losa (en toneladas). Espesor mnimo de la losa (en cm). Longitud mxima de la losa (en m).

eAsimismo, la longitud de las barras de anclaje debe ser tal que el esfuerzo de adherencia a cada lado de la junta iguale el esfuerzo de trabajo del acero.

L

362 -


\

INGENIERA DE PAVIMENTOS PAR,~ CARRETERAS

-

363

Juntas de contraccinSon tambin juntas de alabeo, es decir, controlan las grietas causadas por la retraccin del fraguado del concreto y por el alabeo del pavimento. La separacin entre juntas vara de acuerdo a los siguientes principios: La forma del agregado. Si el agregado es redondeado se puede utilizar menor distancia entre juntas, lo contrario para agregados triturados. La composicin mineralgica de los agregados. Esta influye en el coeficiente trmico del concreto. En la Tabla 6.23 se presentan los espaciamientos recomendados de acuerdo al tipo de agregado.

Para trfico liviano (calles residenciales, vas secundarias, etc), la trabazn de agregados funciona eficazmente con juntas espaciadas a 4,50 m. En zonas no sometidas a heladas, la colocacin de una subbase de suelo-cemento permite construir juntas de contraccin sin pasadores, con excelente comportamiento.

Juntas de dilatacinSe recomiendan solamente contra construcciones fijas y en intersecciones asimtricas, siempre que el pavimento no se construya con materiales muy expansivos, la temperatura durante la construccin no sea muy baja y la longitud de las losas no sea muy grande. En la transferencia de cargas se usan varillas lisas lubricadas en una de sus mitades, mitad en cuyo extremo se provee de una capsula para facilitar el movimiento del pasador. Las dimensiones ms comunes de estas varillas son: dimetro de 1/8 del espesor de la losa, 45 cm de longitud y separacin entre varillas de 30 cm. Finalmente se presenta un ejemplo de la distribucin de las juntas en la Figura 6.8.

Tabla 6.23 Espaciamiento de juntas transversales, segn el tipo de agregado empleado en el concreto Tipo de agregado Separacin mxima entre juntas (m.) gruesoGranito triturado Caliza triturada Grava calcrea Grava silcea Grava menor de 19 mm (3/4") Escorias7.56.0 6.0

I

4.5 4.5 4.5

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS1. CANADIAN PORTLAND CEMENT ASSOCIATION. Thickness Design for Concrete Highway and Street Pavements. 2. MOPT - LA VIALIDAD LTDA. Criterios y normas para el diseo estructural de carreteras. Mtodos para el diseo de espesores para pavimentos rgidos. 3. INSTITUTO COLOMBIANO DE PRODUCTORES DE CEMENTO. Dosificacin de mezclas de suelo-cemento, notas Tcnicas No. 2. 4. INSTITUTO COLOMBIANO DE PRODUCTORES DE CEMENTO. Diseo estructural de pavimentos de suelo-cemento, Notas Tcnicas No. 3. 5. KRAEMER, Carlos. Los pavimentos de Hormign. Caractersticas, tipos y aplicaciones. 6. INSTITUTO COLOMBIANO DE PRODUCTORES DE CEMENTO. Pavimentos de Concreto, Manual de Diseo.

Nota: Esta tabla es solamente una gua para la seleccin de espaciamiento apropiado entre juntas de contraccin. La disminucin de la fuerza de friccin entre la losa y su apoyo (subbase o subrasante) disminuye tambin los esfuerzos de traccin ocasionados por la retraccin, permitiendo de esta manera aumentar la distancia entre juntas. En relacin con la eleccin del sistema de transmisin de carga a travs de la junta la peA recomienda: En climas severos y en vas con trfico pesado, recomienda el uso de pasadores de acero para complementar el funcionamiento de la "trabazn de agregados". En climas moderados, las vas con trfico muy pesado requieren tambin complementar la "trabazn de agregados" con pasadores de acero.

J364 ING. ALFONSO MaNTElO FONSECA

CAPTULO

7

DISEO DE ESPESORES DE PAVIMENTOS DE ADOQUINES DE CONCRETO

7.1

INTRODUCCIN

Los tipos de pavimento empleados tradicionalmente en Colombia han sido el asfltico (o flexible) y el de concreto (o rgido). El primero, aunque de costo inicial relativamente bajo, requiere un adecuado y costoso mantenimiento anual, el segundo requiere una inversin inicial alta, pero su larga vida til prcticamente exenta de mantenimiento representa un costo anual muy bajo. La ejecucin de estos dos tipos de pavimento exige el empleo de equipos especiales de construccin y requiere un control de calidad en la obra ms o menos sofisticado. Por lo anterior resulta explicable el porqu las soluciones convencionales son con frecuencia antieconmicas para cierta clase de obras en nuestro medio: vas de barrios residenciales, calles de pueblos, zonas de parqueaderos, patios de estacionamiento en fbricas, etc., en los cuales normalmente no se disponen de los medios para construir o sostener debidamente un pavimento tradicional. El adoqun de concreto ofrece entonces solucin interesante al problema, ya que por ser un elemento fabricado, su calidad se controla en la

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366 -



-

367

misma planta de donde procede; su colocacin no requiere de ningn equipo especial y su conservacin es muy econmica.

Tabla 7.1 Valores de CBR saturado y en equilibrio, en funcin del ndice plstico Nivel fretico alto Tipo de suelo Tipo de construccin IP PobreDArcilla

III I

GeneralidadesLas investigaciones desarrolladas en la Cement and Concrete Association (Reino Unido) han indicado que un pavimento de adoquines se comporta de manera similar a uno flexible. El diseo de pavimentos nuevos se basa en el mtodo presentado por el TRRL Laboratory Report 1132 "The Structural design of bituminous roads (Diseo estructural de pavimentos bituminosos para vas).

Nivel fretico bajo Tipo de construccin PobreD1,5 1,5 2,0 2,5 3,0 3,0 2,5 1,0

PromediaD2,0 2,0 2,0 2,5 3,0 4,0 3,0 1,0

BuenaDG

PromediaD2,0 2,0 2,0 3,0 4,0 5,0 4,5 2,0;

BuenaI

G

G2,0 2,0 2,5 3,0 4,0 5,0 6,0 1,0 20,0

G2,0 2,0 2,0 2,5 3,5 4,0 4,0 1,0

G2,0 2,0 2,5 3,0 4,0 6,0 7,0 2,0

D

G

7.2

CASOS ESPECIALESArcilla limosa Arcilla arenosa

En la prctica se presentan algunos casos especiales, tal es el caso de tipos de cargas diferentes cuyos efectos se deben tener en cuenta; en particular cuando existe trfico canalizado, es decir, si todos los vehculos tienen que circular siguiendo el mismo patrn. Tambin en el caso de pavimentos con cargas dinmicas altas como ocurre en los paraderos de buses. El mtodo sugiere para ambos casos, sin tomar en cuenta el nmero de ejes que se vayan a tener en realidad, se disee el pavimento para soportar un mnimo de 2 x 106 ejes equivalentes de 8.2 toneladas. De igual forma, se debe tener especial cuidado con aquellos pavimentos que vayan a tener un nivel de supervisin tcnica (ensayos, mediciones, interventora) inferior a la estipulada para construccin de vas. En estos casos se recomienda evitar la utilizacin de materiales cuyo desempeo depende de su grado de compactacin o humedades crticas.

70 60 50 40 30 20 10

I

2,0 2,0 2,0 2,5 3,5 2'51 2,5 4,0 1,5 3,5 1,0 20,0 1,0

1,5 1,5 1,5 2,0

2,0 2,0 2,5 2,0 2,0 ' 2,5 2,5 3,0 3,5 5,0 7,0 4,5 7,0 3,5 2,0 2,0

2,0 2,5 2,0 2,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 6,0 6,0 8,0 , 6,0 5%

i

Sello de arena: La arena que se utilice para sellar las juntas entre adoquinesestar tan libre de materia orgnica y contaminantes como se pueda, y tendr una granulometra continua tal que la totalidad de la arena pase por el tamiz No. 8 y no ms del 1% pase el tamiz No. 200. Se recomiendan los siguientes lmites dentro de los cuales deber estar la curva granulomtrica.

1.0 0.8 0.3 0.2 0.2 0.1

TamizNo.8 No. 16 No. 30 No. 50 90 60 30 5O

% que pasa (en peso)100

Material granular para subbase, Tipo 1, sobre subrasante con CBR,;;5% 100 90 60 30 15 * Resistencia a la compresin medida en probetas cbicas. F.C.M: Factor de conversin de materiales.

I,I I

I No. 200

No. 100

-

I Material granular para subbase, Tipo 2, sobre subrasante con CBR>5%Material granular para subbase, Tipo 2, sobre subrasante con CBR,;;5% Macadam hidrulico

-

En el momento de su utilizacin, la arena para el sellado de las juntas estar lo suficientemente seca y suelta como para que pueda penetrar, por barrido, dentro de las juntas.

Se desea que la base se construya en suelo-cemento. No se espera un trfico canalizado, ni condiciones tcnicas restringidas para la construccin.

Factores de conversin de materiales (F.C.M)En la Tabla 7.3 se presentan los factores que permiten hacer conversin de materiales.

Solucin:Con la ayuda de la Figura 7.2, los datos de entrada previstos y siguiendo el diagrama de flujo, de acuerdo a los requerimientos exigidos se obtiene: 1. 2. 3. La subrasante ser mejorada en un espesor de 350 mm. La subbase granular ser de 150 mm de espesor. La base puede ser: base suelo-cemento = 100 mm . Capa de arena

Ejemplo:Disear un pavimento de adoquines para los siguientes datos: CBR de la subrasante = 4%. Nmero acumulado de ejes equivalentes de 8,2 toneladas, durante el perodo de diseo = 1,5 x 106 . La subbase no se utilizar como va de acceso a la obra.

4. 5.

= 30

mm.

Espesor de adoqun = 60 u 80 mm.

378 -


REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS1. INSTITUTO COLOMBIANO DE PRODUCTORES DE CEMENTO. Adoquines de Hormign. Norma ICONTEC 2017. 2. INSTITUTO COLOMBIANO DE PRODUCTORES DE CEMENTO. Diseo de Espesores para Pavimentos de Adoquines de Concreto. 3. INSTITUTO COLOMBIANO DE PRODUCTORES DE CEMENTO. Construccin, Mantenimiento y Reparacin de Pavimentos de Adoquines de Concreto. 4. INSTITUTO COLOMBIANO DE PRODUCTORES DE CEMENTO. Seminario Internacional sobre Pavimentos de Adoquines de Concreto.

CAPTULO

8

MATERIALES PARA CONSTRUCCiN Y MEJORAMIENTO DE PAVIMENTOS8. 1INTRODUCCIN

evidente que la calidad de los materiales que conforman una obra vial, es determinante para la seleccin de la estructura del pavimento ms adecuada tcnica y econmicamente. Por una parte, se considerarn los agregados disponibles en depsitos aluviales y canteras del rea. Adems de la calidad requerida, en la que se incluye la deseada homogeneidad, hay que atender a las cantidades disponibles, al suministro y al precio, condicionado en gran medida por la distancia de transporte. Por otro lado, se considerarn los materiales bsicos de mayor costo como son los ligantes y conglomerantes, principalmente; finalmente se considera la calidad de las mezclas de materiales ptreos y cementantes. En este captulo se pretende proporcionar las normas y especificaciones bsicas de calidad que cubran la totalidad de los materiales que componen un pavimento.

Es

8.2

TECNOLOGA DEL HORMIGN SIMPLE

El hormign o concreto simple es una mezcla debidamente dosificada de agregados gruesos (grava), agregados finos (arena), cemento yagua.

Pasta: se llama pasta a la mezcla de cemento yagua.

J ,380 ING. ALFONSO MONTEIO FONSECA

Ii

~


-

381

Mortero: recibe este nombre la mezcla de cemento, agua y arena. Hormign: es la mezcla de cemento, agua, arena y grava. Hormign Ciclpeo o Concreto Ciclpeo: es la mezcla de hormign y piedras de gran tamao (rajn o cantos rodados) Hormign Armado: es el hormign que tiene varillas de hierro de refuerzo.

inverslon. La carga trmica por tonelada de cemento en el proceso "va hmeda" es de 1.300 a 1.600 kilocaloras por kilogramos de clinker, mientras en la va seca el consumo trmico por kilogramo de clinker es de 900 a 1.100 kilocaloras. La tecnologa bsica de fabricacin de cemento a nivel internacional es semejante a la utilizada en Colombia. No obstante existen diferencias que hacen ms eficiente la produccin en otros pases, aunque con mayores costos de capital. Tal es el caso, por ejemplo, de la utilizacin de equipos llamados precalentadores, o precalcinadores, los cuales, aunque representan una inversin inicial alta, pueden ser rentables a largo plazo, por la notable economa de combustible en los hornos.

8.2.1

El Cemento

De acuerdo con las normas del Instituto Colombiano de Normas Tcnicas Icontec, cemento es un material pulverizado que adems de cal contiene silice, almina y xido de hierro, y que forma, por adicin de una cantidad apropiada de agua, una pasta conglomerante capaz de endurecerse tanto en el agua como en el aire 1. Existe en el mercado una gran variedad de cementos, de acuerdo con los materiales utilizados para su fabricacin y con los usos especficos a que se destinen.

Proceso productivoEl proceso completo de produccin de cemento portland gris comprende las siguientes etapas:

Extraccin de las materias primas (caliza y arcilla) y transporte hasta la planta. Adecuacin de la materia prima al proceso (molienda). Alimentacin y calcinacin de la mezcla en el horno (clinkerizacin). El producto obtenido en esta parte del proceso se llama clinker. Molienda de clinkler y adiciones. Empaque y almacenamiento.A continuacin se describen los procesos bsicos de cemento Portland.

TecnologaLa Tecnologa bsica de produccin de cemento ha sido relativamente estable. En el proceso de produccin de clinker se utilizaron inicialmente, hasta principios del siglo, hornos verticales. La introduccin de hornos rotatorios horizontales, marc un paso trascendental en la tcnica de coccin de caliza. En el proceso general de produccin de cemento pueden distinguirse bsicamente dos modalidades diferentes, segn las caractersticas de la mezcla con que se alimentan los hornos: "va hmeda" las materias primas se introducen al horno formando una suspensin acuosa o lodo, y en el proceso de "va seca" la mezcla de caliza y arcilla se procesa sin adicin de agua. En Colombia casi todas las plantas utilizan el proceso "va hmeda", pero la tendencia mundial, especialmente despus de la crisis del petrleo, es hacia el proceso seco. Se anota sin embargo, que su aplicabilidad depende, entre otras razones, del contenido de humedad y composicin qumica de la materia prima disponible y, lo que es ms importante, de los costos de

Extraccin de las materias primas y transporte hasta la plantaEl proceso de produccin de cemento se inicia con la extraccin de la piedra caliza y la arcilla, principales materias primas. Esto se efecta en canteras o depsitos naturales, los cuales de acuerdo con la dureza o cohesin con que se presenten los materiales y con disposicin de los mismos, imponen diferentes sistemas de explotacin: desde sencillos taladros manuales hasta complicados sistemas de perforacin y voladura. El material extrado se carga y transporta, por medio de pesada maquinaria, desde la cantera hasta la planta. En ocasiones, especialmente en zonas de topografa quebrada, se utiliza transporte por medio de cables areos. T ambin se utiliza el transporte por tubera o pastoducto, que lleva la caliza molida mezclada con un 50% de agua aproximadamente.

,

Se excluyeron las cales hidrulicas, cales areas y los yesos.

Adecuacin de la materia prima al proceso

382 -



-

383

La materia prima que viene de las canteras en trozos con tamaos entre 0.5 y 1m., de dimetro, es reducida por trituracin, en dos o tres etapas, hasta trozos con tamao mximo entre 0.5 y 2 cm. Se inicia entonces la premezcla de las materias primas (calizas y arcillas). A manera de informacin general, puede decirse que los principales compuestos qumicos que se encuentran en el cemento Portland son los siguientes:

sadores), y el agua se retira por la parte superior, mientras que el lodo espeso sale por el fondo. En ocasiones, an este lodo contiene exceso de agua, por lo cual debe efectuarse un proceso adicional de filtracin. La mezcla de materias primas procedente de los silos de homogeneizacin o de balsas est lista para pasar a la etapa de calcinacin.

. Clinkerizacin o calcinacinEsta es la fase ms importante del proceso, pues es en ella donde ocurren las transformaciones fundamentales que dan orgen al cemento y sus propiedades de conglomerante hidrulico. La calcinacin se efecta en grandes hornos rotatorios inclinados, en los cuales entra la pasta por el extremo superior y desciende encontrando sucesivamente zonas de mayor temperatura, hasta llegar a la zona final, donde se encuentra la llama, y donde alcanza la mxima temperatura unos 1.450C. All se produce la fusin de varios de los componentes y se forman grnulos de entre 1 y 3 cm de dimetro, que constituyen lo que se conoce como clinker. Ya en los ltimos metros del horno, detrs de la llama, el clinker empieza a perder temperatura. Se inicia la etapa de enfriamiento, proceso que se acelera con equipos especiales.

Cal Snice Almina xido de Hierro xido de Magnesio Alcalis Anhdrido Sulfrico

CaO Si O 2 Ab0 Fe2 03 3

60-67% 17-25% 3-8% 0.5-6.0% 0.1-4.0% 1.2-1.3%

MgO

50 3

1-3%

. Molienda de c1inker y adicin del yesoLa mezcla efectuada de los depsitos de materia prima triturada se lleva generalmente por transportadores de banda a los molinos giratorios, en los cuales, por medio de bolas o barras metlicas, se contina la reduccin de tamao iniciada en las trituradoras, hasta dimetros inferiores a 0.5 mm. Esta es la etapa en la cual se establece la primera gran diferencia entre los dos principales sistemas de produccin de cemento: el proceso hmedo y el proceso seco. En el proceso hmedo (el ms utilizado en Colombia), la molienda de las materias primas ya dosificadas se efecta con adicin de agua al molino. Por esta razn, el material resultante de los molinos es un lodo que debe ser manejado por tuberas y homogeneizado (como etapa posterior del proceso) en grandes tanques llamados balsas. En la va seca la dosificacin va precedida del secado de los materiales, y la molienda se efecta sin adicin de agua. De esta manera el material que sale de los molinos es una harina que se deposita en silos especiales, en los cuales se homogeneiza por medio de agitacin con aire. En el caso del proceso hmedo, el agua que haba sido utilizada para facilitar las labores de molienda y transporte interno debe ser extrada, al menos parcialmente, antes de pasar la pasta a las balsas y la etapa de calcinacin. La pasta se deja entonces sedimentar en grandes tanques (espePara poder utilizar el cemento en todo su poder conglomerante es necesario que se encuentre en forma de polvo fino, pues slo as puede efectuarse de modo eficiente la hidratacin de sus partculas. Esta finura se obtiene moliendo el clinker en molinos especiales que naturalmente trabajan en seco. En esta etapa se efecta la adicin de pequeos porcentajes de yeso, con el fin de controlar el tiempo de fraguado del cemento.

. Empaque y almacenamientoEl cemento puede ser vendido al consumidor al granel o empacado. Para la venta al granel el cemento es almacenado en silos especiales. El cemento que va a ser empacado se pasa directamente a los equipos ensacadores, y se entregan en bolsas de 50 kilogramos generalmente.

Caractersticas del cementoHa~ varias clases de cemento dependiendo del tipo de materias primas utilizadas en su fabricacin. Una de las diferentes ciases de cemento es el cemento Portland, del cual existen cinco tipos (tipo 1, 2, 3,4 Y 5). Los varios tipos de cemento Portland, se diferencian unos de otros porque en su

1384 ING. ALFONSO MaNTElO FONSECA

-~

fabricacin se utilizan diferentes proporciones de sus componentes, lo que hace que cada tipo tenga caractersticas especiales y usos diferentes (por ejemplo hay cementos que desarrollan un fraguado ms rpido, otros que son resistentes a las aguas sulfatadas como las del mar, etc). . Para que el cemento pueda utilizarse en la elaboracin de mezclas de hormign, debe cumplir determinadas caractersticas o propiedades cuyos valores deben estar dentro de ciertos lmites (los que se denominan especificaciones de calidad). Las caractersticas se hallan por medio de ensayos de laboratorio, algunos de los cuales se vern posteriormente. Los ms importantes son:

I


-

385

La importancia de estas caractersticas, estriba en el control de calidad del tipo de cemento respectivo para que no contengan cantidades nocivas de ciertos compuestos qumicos; por ejemplo el anhdrido sulfrico debe ser menor del 5% y el xido de magnesio menor del 3%. En la Tabla 8.1 se presentan los requisitos qumicos del cemento Portland .Prdidas al fuego o ensayo de envejecimiento: Es un ensayo muy sencillo catalogado dentro de las propiedades qumicas del cemento y que determina si un cemento ha sido almacenado inadecuadamente o si es viejo o si ha sido adulterado.

El ensayo consiste en tomar una pequea muestra de cemento y colocarla en horno a 1.000C dentro de un crisol de platino. Se extrae la muestra, se pesa y se calculan las prdidas en porcentaje, con respecto al peso inicial de la muestra de la siguiente forma:

En el cemento puro:

Peso especfico, Finura. Consistencia normal, Tiempo de fraguado, Expansin al autoclave. Resistencia a la compresin, Resistencia a la tensin.

% prdidas al fuego = W;. w,W;

xl 00

(8.1)

En la Pasta:

W

peso inicial de la muestra. peso final de la muestra.

En el mortero:

W

Las prdidas al fuego deben ser menores del 4%. 2. La determinacin del peso especfico del cemento se requiere como dato para el clculo de las proporciones de una mezcla de hormign. Las otras caractersticas deben cumplir con los valores de las especificaciones.

Caractersticas fsicas

Se puede determinar en el cemento puro, en la pasta y en el mortero.

Caractersticas determinadas en el cemento puro: en el cemento puro sehacen principalmente dos ensayos:

Ensayos para determinar las caractersticas del cementoPor medio de ensayos de laboratorio se puede determinar en el cemento:

a) Peso especfico del cemento:Este ensayo se hace con el propsito de conocer una de las propiedades mas importantes de cualquier material como es el peso especfico que adems se utiliza en el clculo de proporciones de una mezcla de hormign. Los elementos de laboratorio que se utilizan en este ensayo son: una balanza analtica, un frasco de le Chatelier, embudo y otros. La muestra utilizada debe ser representativa del cemento que se va a utilizar en una obra determinada. Se deben pesar 64 gramos.

1. Caractersticas qumicas. 2. Caractersticas fsicas. 1. Caractersticas qumicasSe determinan en el cemento puro hallando los componentes qumicos (principalmente xido) mediante ensayos qumicos de laboratorio.

386 -



-

387

Tabla 8.1 Requisitos qumicos del cemento Portland Requisitos qumicosDixido de silicio (Si02) mnimo por ciento Oxido de aluminio (Ab03) mximo por ciento Oxido frrico (Fe203) mximo por ciento Oxido de magnesio (MgO) mximo por ciento Trixido de azufre (503) mximo por ciento Prdida al fuego, mximo por ciento,.----

1 1Tipo 4(a) Tipo

El procedimiento de ensayo es el siguiente: Se llena un frasco de Le Chatelier con kerosene o nafta hasta un nivel situado dentro de la escala inferior. Se coloca el frasco durante 10 minutos dentro de un recipiente con agua a la temperatura ambiente, luego se hace una lectura de nivel en cm 3 . (Li), se introduce la muestra de cemento y se coloca nuevamente el frasco dentro del recipiente con agua a temperatura ambiente durante 10 minutos y se hace la lectura del nivel final del lquido en cm 3 (lf). El peso especfico del cemento ser: 64 g(If -li) cm 3

Tipo 1

Tipo 1M

Tipo 221.0

Tipo 3

I

5(a)

6.0

'" I

6.0

6.51 ...P.E5.0 5.0 I 5.0

(8.2)

5.0

I

5.0

5.0

!

I 3.5

3.5

4.5

i I

El peso especfico del cemento se encuentra entre 3.0 y 3.15.

b) Finura del cemento2.5 3.01

4.0

3.0

3.0

Residuo insoluble, mximo por ciento Silicato triclcico (3CaOSi02)b mximo por ciento Silicato diclcico (2CaOSi02)b mnimo por ciento Aluminato triclcico (3CaOAl z03)b mximo por ciento3

... I

3.0

2.0

2.0

2.0

2.0

I

I

... I ...II .,.I ...1 ...

35.0

40.0

I

Es muy importante determinarla debido a que entre ms fino sea el cemento mayor y ms rpida ser su hidratacin, por lo tanto, se desarrollar mayor resistencia en menor tiempo. En cambio en cementos con granos muy gruesos no se desarrolla toda la resistencia debido a que el agua no alcanza a penetrar totalmente dentro de cada grano. La finura del cemento se puede determinar por medio de mtodos directos o indirectos. Dentro de los mtodos directos existe el ensayo de tamizado en la malla No. 200 (norma Icontec 226) en donde se pesa el retenido de dicha malla y se expresa en forma de porcentaje respecto al peso total de la muestra utilizada. Algunas normas establecen que el porcentaje retenido en el tamiz No. 200 debe ser menor del 15%. Los mtodos indirectos son los ms precisos y por consiguiente los ms utilizados. En ellos se determina la superficie especfica o el rea superficial expresada en cm 2/g. Consiste en medir el rea de los granos de cemento y dividirla por el peso de dichos gramos. Entre ms fino sea un cemento mayor ser su superficie especfica. Existen dos aparatos para realizar este ensayo: el turbidmetro de Wagner y el permemetro de Blaine. El mtodo de turbidmetro de Wagner se fundamenta en la variaciFl de la turbidez de una suspensin de cemento en un lquido en funcin del tiempo y la Ley de Stokes, la cual relaciona este tiempo con l sedimentacin de las partculas de la sustancia en suspensin.

...

8.0

15.0c

--4----+----r----r---T----~1

(3CaO.Si0 2) + (3CaOAIz0 ) mximo por ciento _______________t-._ _ _ _t--___!I '"

Ferrialuminato tetraclcico ms el doble de aluminio triclcico b(4CaO.AI 20 3.Fe 203) + 2(3CaO.AI 20 3) o solucin slida (4CaO Ab03. Fe 203 + 2CaOFe2 0 3)

l'

I II...

t-15_~-... I I I I I111

I

+1...

7.0 I 5.0

~ : .1

1

i1

Il'

I20.0 I

~~e~~~ sea aplicable,

mximo por

I .,.

I ...

'"

388 -



-

389

Como se trata de estudiar la sedimentacin de partculas muy finas, si los cambios de turbidez se miden a un solo nivel, el experimento durara mucho tiempo. Para evitar este inconveniente, el aparato permite recorrer con un haz de luz todo el tanque de sedimentacin desde la superficie libre hasta el fondo del tanque, en esta forma el ensayo solo toma unos pocos minutos. La calibracin del aparato se hace por medio de una muestra normal suministrada por el National Bureau of Standard, la cual trae indicada su superficie especfica. Las normas establecen que la frmula hallada por el turbidmetro debe ser mayor de 1.600 cm 2/g. El mtodo de Blaine se basa en la medida de la permeabilidad que ofrece una capa de cemento, colocada en determinadas condiciones de compactacin, al paso del aire. La muestra se coloca en forma standarizada en el aparato de Blaine y se determina el tiempo en que un lquido normalizado se demora en pasar por dos marcas intermedias. La superficie especfica se calcula mediante la expresin: (8.3)

Para determinar la consistencia normal se utiliza un aparato de Vicat, un cronmetro y otros elementos. La muestra representativa de cemento es de 500 g Y se mezcla con cantidades de agua cada vez mayores para cada prueba en el aparato de Vicat, empezando con un 15% de agua respecto al peso de cemento. La pasta se coloca dentro de un molde tronco-cnico de 70 mm de dimetro mayor, 60 mm de dimetro menor y 40 mm de altura. Se enrasa y se coloca en el aparato de Vicat con la aguja de 10 mm de dimetro, se coloca sta en contacto con la superficie de la pasta y se suelta para que penetre por su propio peso durante 30 segundos. Este ensayo se repite para porcentajes de agua en la pasta cada vez mayores, hasta conseguir la consistencia normal de la pasta. En el informe se debe calcular la cantidad de agua, expresada en porcentaje, necesaria para producir la consistencia normal. b) Tiempo de fraguado por Vicat: Con el porcentaje de agua definido en el ensayo anterior y con 500 g de cemento hacemos una pasta normal, la colocamos dentro del mismo frasco tronco-cnico, del ensayo anterior y se empieza a contabilizar el tiempo. Se coloca la muestra en un cuarto hmedo durante 30 minutos, luego se lleva al aparato de Vicat y se sita bajo una aguja de un mili metro de dimetro, que se deja penetrar libremente en la pasta durante 30 segundos, el ensayo se repite cada 10 o 15 minutos hasta el momento en que la aguja penetra 25 mm en 30 segundos tomndose entonces el tiempo transcurrido, el cual expresado en minutos, corresponde al tiempo de fraguado inicial. Segn especificaciones, el tiempo de fraguado inicial para un cemento normal debe ser superior a 45 minutos. Este ensayo es importante puesto que el cemento debe empezar a fraguar al cabo de un tiempo suficiente que permita una buena manejabilidad del hormign para poder mezclarlo, colocarlo en las formaletas y compactarlo sin dificultad. e)

S Sp T Tp K

Superficie especfica de la muestra en ensayo (cm 2/g). Superficie especfica de la muestra patrn (cm 2/g). Tiempo de terminado para la muestra en ensayo (Sg). Tiempo de terminado para la muestra patrn (Sg). Constante de calibracin del aparato de Blaine.

La superficie especfica medida con el permemetro de Blaine debe ser como mnimo de 2.800 cm 2/g de acuerdo con la norma \cantee 121. Caractersticas determinadas en la pasta: Se hacen principalmente tres ensayos: consistencia normal, tiempo de fraguado y expansin al autoclave. a) Consistencia normal de la pasta: Es un ensayo que se hace para preparar pasta normal para los otros dos ensayos. La consistencia normal de la pasta se define como el estado de dureza de la pasta que permite que una aguja de acero de 10 mm de dimetro y 300 g de peso penetre libremente dentro de la pasta en una profundidad entre 9 y 11 mm. En 30 segundos.

Expansin al autoclave: Es un ensayo que nos controla las cantidades excesivas de compuestos qumicos del cemento, de carcter expansivo como el xido de calcio y el xido de magnesio, los cuales al hidratarse pueden llevar a la desintegracin del concreto.El ensayo se hace compactando en moldes especiales unas pequeas vigas de pasta normal de 1" x 1" de seccin y 10" de longitud, se dejan fraguar durante 24 horas en un cuarto hmedo, luego que se les quita el molde y se colocan dentro de un autoclave, que consisten en una pequea caldera de vapor de agua, a una presin de 295 Ib/pulg2 , durante 3 horas, al cabo de las cuales se sacan de la autoclave y se calibra su longitud final que por lo general es mayor de la inicial, debido a los compuestos quimicos expansivos.

390 -

INGENIERA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS ING. ALFONSO MaNTElO FONSECA

-

391

La expansin al autoclave se calcula como el porcentaje del alargamiento sufrido por cada viga con respecto a su longitud inicial:

Expansin al autoclave (%)

=

\Ii x100

(8.4)

excntrica, se levanta la mesa y cae sobre su base. Para hallar la fluidez del mortero patrn se sita el molde tronco-cnico sobre la mesa de flujo, se coloca y compacta el mortero dentro de l, se quita el molde y se dan 25 golpes en 15 segundos, accionando la mesa de flujo. La condicin de fluidez para el mortero patrn, se obtiene cuando el mortero ha tenido un aumento de dimetro entre 100 Y 115% respecto al dimetro inicial de su base. % de fluidez= . (dimetro

siendo: li If longitud inicial en pulgadas. longitud final en pulgadas.

promedio despus del ensayo - 4") xl 00 4"

(8.5)

Por esta condicin se mide la cantidad (o porcentaje) de agua agregado y con ella se prepara el mortero patrn para el ensayo de resistencia a compresin. Una vez preparado el mortero patrn, se compacta dentro de los moldes cbicos de 2" de arista interior. Se deben preparar tres briquetas para cada edad del mortero (3, 7 Y 28 das). Luego se colocan dentro de un cuarto hmedo durante 24 horas, al cabo de las cuales se sacan, se les quita los moldes y las briquetas se colocan dentro de un recipiente con agua limpia hasta el: momento de efectuar la prueba de resistencia compresin, as por ejemplo, si se va obtener la resistencia y compresin del mortero, a 3 das, debern colocarse las briquetas 1 da en un cuarto hmedo y dos das dentro del agua. El ensayo de compresin de los cubos de mortero se hacen en una mquina Universal o en cualquier otra en que la velocidad de aplicacin de carga sea constante. Se anota la carga total en Lb observada al momento de fallar cada cubo, se promedia esta carga para las tres briquetas y se calcula la resistencia a compresin para la edad del mortero, dividiendo la carga promedio entre la seccin transversal de los cubos, o sea: carga promedio (Lb) 2 4pulg. (8.6)

La expansin al autoclave, es el promedio de varias vigas que deben ser menor del 0.8% para asegurar que el cemento no contenga cantidades perjudiciales de productos qumicos expansivos

. Caractersticas del cemento que se determinan en el mortero: en elmortero se realizan principalmente ensayos de resistencia a compresin y resistencia a tensin.

a) Ensayo de resistencia a compresin de mortero: para este ensayo se debepreparar un mortero patrn y con l compactar unas briquetas cbicas de 2" de arista dentro de moldes especiales y mediante un proceso de compactacin normalizado con un compactador de madera de seccin rectangular de 13 x 26 mm y una longitud aproximada de 140 mm. El mortero patrn se prepara con los siguientes materiales: Arena Patrn de Otawa o del Guama, utilizndose para este caso la fraccin que pasa por el tamiz No. 30 y retenida en el No. 100. Cemento del que se vaya a utilizar en la obra. Las proporciones en peso seco de estos dos materiales son: 1:2,75; es decir una parte en peso de cemento y 2,75 partes en peso seco de arena. El agua debe ser destilada o potable y su cantidad para la preparacin del mortero, se determina mediante un ensayo de fluidez del mortero en la tabla de flujo. Este ensayo consisten en preparar el mortero con los materiales indicados y agregando agua en cantidades cada vez mayores. Se compacta dentro de un molde tronco-cnico de 4" de dimetro mayor, 1 3/4" de dimetro menor y 2" de altura, para cada cantidad de agua agregada hasta obtener la condicin requerida. La tabla de flujo consiste en una plataforma o mesa circular, de acero, montada sobre un rbol perpendicular. Al ser accionado el rbol por una

Resistencia a compresin =

Para que el cemento se pueda utilizar con confianza, la resistencia del mortero debe cumplir con ciertos valores, as;Edad del mortero7 das11

Resistencia a compresin mnima (Lb/pulg. 2 )2.100 3.500

28 das

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ING. ALFONSO MaNTElO FONSECA INGENIERA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS -

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b) Ensayo de Resistencia a tensin del mortero: para este ensayo tambin debe prepararse un mortero patrn con los siguientes materiales: Arena patrn de Otawa o del Guama, fraccin que pasa por el tamiz No. 20 y es retenida por el No. 30. Cemento que se va a utilizar en la obra. Los materiales anteriores deben mezclarse en una proporcin en peso de

Resistencia a tensin

=

Carga promedio en Lb 1 pulg 2

(8.8)

Tambin existen valores mnimos especificados para que el cemento se pueda utilizar con confianza.

1 :3.Agua destilada o potable en un porcentaje en peso con respecto a peso combinado de cemento y arena secos, obtenido en funcin de porcentaje de agua necesario para pasta normal del mismo cemento; este valor se encuentra tabulado o se puede obtener por medio de la siguiente frmula:

ingenieria de pavimentos

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