laboratorio cbr

Laboratorio CBRCaracterización del Material

Jorge Ernesto Rojas CorreaLeonardo Santos Mateus Báez

Presentado aOctavio Coronado García

Abril de 2015

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Civil y Agrícola

Pavimentos

Tabla de contenido

RESUMEN......................................................................................................................................................5

INTRODUCCIÓN.............................................................................................................................................5

OBJETIVOS.....................................................................................................................................................6

CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL................................................................................................................7

1. Desgaste en la Máquina de los Ángeles................................................................................................7

a. Identificación del Agregado..............................................................................................................7

b. Gradación.........................................................................................................................................7

c. Desgaste...........................................................................................................................................8

2. Limite Líquido.......................................................................................................................................8

a. Curva de Fluidez...............................................................................................................................8

3. Índice de plasticidad...........................................................................................................................10

4. Equivalente de Arena..........................................................................................................................10

5. Valor de azul de metileno...................................................................................................................10

6. Partículas fracturadas mecánicamente...............................................................................................11

7. Índice de Aplanamiento y Alargamiento.............................................................................................12

8. Granulometría suelos gruesos............................................................................................................13

9. Granulometría por hidrómetro...............................................................................................................14

ENSAYO CBR (CALIFORNIA BEARING RATIO)...............................................................................................15

1. Materiales y metodología...................................................................................................................15

MUESTRA................................................................................................................................................15

EQUIPO:..................................................................................................................................................15

2. METODOLOGÍA...................................................................................................................................16

3. CÁLCULOS Y RESULTADOS..................................................................................................................17

4. ANÁLISIS DE RESULTADOS (CBR).........................................................................................................21

CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL (IDU ET 2011).......................................................................................22

Granulometría.............................................................................................................................................22

TABLA RESUMEN ESPECIFICACIONES (IDU ET 2011)....................................................................................27

ANÁLISIS DE RESULTADOS...........................................................................................................................28

CONCLUSIONES...........................................................................................................................................29

BIBLIOGRAFÍA..............................................................................................................................................30

ANEXOS.......................................................................................................................................................31

Tabla de Penetración vs Esfuerzo [MPa].....................................................................................................31

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Listado de TablasTabla 1. Masa de la muestra para el ensayo. Tomado de la norma I.N.V.E - 219 – 07.......................7Tabla 2. Masa de la muestra ensayada..............................................................................................7Tabla 3. Cálculo del desgaste en la muestra ensayada.......................................................................8Tabla 4. Resultados Límite líquido......................................................................................................8Tabla 5. Resultados Límite Plástico..................................................................................................10Tabla 6. Cálculo Equivalente de Arena.............................................................................................10Tabla 7. Datos porcentaje de caras fracturadas...............................................................................11Tabla 8. Datos iniciales Índice de Aplanamiento y Alargamiento.....................................................12Tabla 9. Cálculo Índice de aplanamiento y alargamiento.................................................................12Tabla 10. Granulometría de los agregados gruesos.........................................................................13Tabla 11. Datos Granulometría por hidrómetro...............................................................................14Tabla 12.Parámetros de ajuste y humedad óptima..........................................................................17Tabla 13. Relación CBR y Densidad seca...........................................................................................20Tabla 14. Expansiones de la muestras..............................................................................................21Tabla 15. Granulometría BG_Gr1 vs Muestra...................................................................................22Tabla 16. Granulometría BG_Gr2 vs Muestra...................................................................................23Tabla 17. Granulometría SB_Gr1 vs Muestra...................................................................................24Tabla 18. Granulometría SB_Gr2 vs Muestra...................................................................................25Tabla 19. Granulometría SBG_pea vs Muestra.................................................................................26Tabla 20. Resumen Análisis Muestra según IDU ET 2011.................................................................27

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Listado de IlustracionesIlustración 1. Curva de Fluidez inicial.................................................................................................9Ilustración 2. Curva de Fluidez Corregida...........................................................................................9Ilustración 3. Granulometría de Agregado Grueso...........................................................................13Ilustración 4. Granulometría por hidrómetro...................................................................................14Ilustración 5. Prensa CBR (Fotografía en el laboratório)...................................................................16Ilustración 6. Curva de densidad seca vs humedad..........................................................................17Ilustración 7. Curva Esfuerzo-Penetración 12 Golpes.......................................................................18Ilustración 8. Curva Esfuerzo-Penetración 25 Golpes.......................................................................18Ilustración 9. Curva Esfuerzo-Penetración 55 Golpes.......................................................................19Ilustración 10. Curva Penetración vs Esfuerzo en condición saturada.............................................19Ilustración 11. CBR de Diseño...........................................................................................................20Ilustración 12. Granulometría BG_Gr1 vs Muestra..........................................................................22Ilustración 13. Granulometría BG_Gr2 vs Muestra..........................................................................23Ilustración 14. Granulometría SB_Gr1 vs Muestra...........................................................................24Ilustración 15. Granulometría SB_Gr2 vs Muestra...........................................................................25Ilustración 16. Granulometría SBG_pea vs Muestra.........................................................................26

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RESUMEN El ensayo de CBR (California Bearing Ratio) es un método de prueba implementado y estandarizado por la división de carreteras del Estado de California (EE.UU.) y adoptado por el Instituto nacional de vías Invias. Este permite la medición del esfuerzo cortante aplicado a una masa o muestra de material que se encuentra en condiciones de humedad optima y densidad máxima, dichas características como humedad optima y densidad máxima se obtienen mediante el ensayo de Proctor, el cual se debe realizar previo al ensayo de CBR; las muestras analizadas en el ensayo se encuentran bajo niveles de compactación variables, según lo especificado por la norma.

Este ensayo consiste entonces en compactar el material con diferentes energías bajo condiciones de humedad controladas, la energía de compactación corresponde a valores de 12, 25 y 55 golpes con el martillo. Estas muestras se someten luego de la compactación a la aplicación de un esfuerzo cortante. El análisis establece que el porcentaje de CBR se describe como la relación porcentual entre el esfuerzo necesario para que el pistón del equipo penetre cierta profundidad en la muestra y el esfuerzo necesario para que ese mismo pistón penetre la misma distancia en una probeta estándar conformada por piedra caliza. Esto significa que el ensayo representa una medida indirecta de resistencia, además de tener unidades adimensionales.

INTRODUCCIÓN

En él diseño y construcción de una estructura de pavimento es importante tener en cuenta que este tiene un fin, el más importante es garantizar el eficiente transporte de comunidades y productos. Es por ello que no se debe olvidar que el desarrollo de un buen pavimento repercute de manera directa en el progreso de las comunidades en la búsqueda de adelantos en todos los sectores de la economía. Por lo tanto es importante resaltar que el pavimento debe brindar eficiencia, comodidad y viabilidad económica para su construcción.

Como la responsabilidad que asume la estructura de pavimento es importante, esta debe diseñarse de tal manera que presente una adecuada resistencia ante las cargas dinámicas del tránsito y esfuerzos que van a recibir durante su vida útil, además debe ser capaz de presentar resistencia y resiliencia ante fenómenos de interperismo y corrosión.

Para lograr estas exigencias es fundamental primero hacer una caracterización física y mecánica de los materiales que se emplearan en construcción. La caracterización física está orientada hacia una descripción de las propiedades visibles y tangibles de los materiales, dichas propiedades se estiman mediante ensayos como granulometría, azul de metileno, caras fracturadas, aplanamiento, equivalente de arena, además de medición de propiedades índice. Por otro lado la caracterización mecánica está orientada a establecer las condiciones de resistencia y prestaciones del material en términos de su comportamiento ante la aplicación de esfuerzos, es por ello que el ensayo de CBR representa inmensa importancia pues da un indicativo del comportamiento del material después de la aplicación de un esfuerzo cortante como el aplicado por el pistón del equipo necesario para el desarrollo del laboratorio, es importante destacar que los resultados y

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medidas son de carácter indirecto pues la calidad del material para este contexto se establece de acuerdo a una comparación con un material estándar como lo es la piedra caliza.

En este laboratorio se analizara una muestra de material por medio de los ensayos característicos de pavimentos de los cuales se destacan: granulometría, equivalente de arena, relaciones de fase, azul de metileno, proctor y CBR. Se caracterizará el material con los resultados obtenidos en los ensayos y se evaluara su comportamiento según los parámetros de la norma IDU ET 2011 definiendo de esta manera si cumple las condiciones de base o sub-base granular.

OBJETIVOS

Caracterizar el material definiendo si cumple los requerimientos de la norma IDU ET 2011 para una base o sub-base granular

Evaluar las propiedades del material en términos de resistencia, durabilidad y permeabilidad

Acercarse a los procedimientos y normativas que involucren el buen funcionamiento del laboratorio.

Determinar la capacidad de soporte del suelo y su resistencia al cortante aplicado por el pistón, respecto de la relación de soporte de California.

Determinar la capacidad de soporte del material bajo las condiciones más desfavorables sumergiendo la muestra hasta saturarla completamente.

Determinar cuál ha sido el hinchamiento o expansión de la muestra de material ante un cambio de humedad que lleva a la muestra hasta una saturación del 100%.

Hacer un análisis cualitativo y cuantitativo de los resultados obtenidos luego del ensayo en el laboratorio y así poder establecer las capacidades del material y la viabilidad de su utilización en obras que involucren estructuras de pavimentos como bases y sub-bases.

Interpretar los resultados de caracterización física del material y verificar su viabilidad en la implementación en estructuras de pavimentos de acuerdo a las normas INVIAS correspondientes.

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CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL

1. Desgaste en la Máquina de los Ángeles RESISTENCIA AL DESGASTE DE LOS AGREGADOS GRUESOS DE TAMAÑOS MAYORES DE 19 mm (3/4") POR MEDIO DE LA MAQUINA DE LOS ANGELESI.N.V. E – 219-07

Los resultados de este laboratorio, obtenidos para la muestra en cuestión se presentan a continuación:

a. Identificación del AgregadoMaterial habano claro de textura granular extraído de la cantera, cuyo tamaño máximo nominal es de 3”.

b. Gradación Observando la gradación de la fracción gruesa, se determina que la granulometría más apropiada para realizar el ensayo es la clase “F”, en la que gobiernan los tamaños entre 1 y 2 pulgadas.

Tabla 1. Masa de la muestra para el ensayo. Tomado de la norma I.N.V.E - 219 – 07

A continuación la cantidad de la muestra utilizada:

Tamaño de Agregado Masa (gr)

Recipiente 1-1/2" - 1" 405

Recipiente y material 1-1/2" - 1" 5412

Recipiente 2" - 1/2" 229

Recipiente y material 2" - 1/2" 5208

Material 1-1/2" - 1" 4979

Material 2" - 1/2" 5007

Total de la muestra 9986

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Tabla 2. Masa de la muestra ensayada.

c. DesgasteEl total del material grueso lavado y seco, obtenido después de la carga abrasiva en la máquina de los ángeles es de 4.597 gramos por lo que se procede al cálculo del desgaste:

Resultados del ensayo en la máquina de los ángeles

Referencia Peso (gr)

Total de la muestra 9986

Recipiente 188

Material lavado y seco 4597

Desgaste 46 %

Tabla 3. Cálculo del desgaste en la muestra ensayada.

2. Limite Líquido DETERMINACIÓN DEL LIMITE LÍQUIDO DE LOS SUELOS I.N.V.E. – 125 – 07

Teniendo en cuenta los métodos descritos en la norma I.N.V.E – 106 y I.N.V.E – 107 para toma de muestras se presentan los resultados del ensayo en la siguiente tabla.

No. Golpes 15 22 36Recipiente No. 180 138 123

P. Rec + P. Húmedo (g) (P1) 64,30 58,12 52,27P. Rec + P. Seco (g) (P2) 55,00 51,00 46,00P. Recipiente (g) (P3) 10,31 10,64 10,19Humedad (%) 20,81% 17,64% 17,51%

Tabla 4. Resultados Límite líquido

a. Curva de Fluidez

Para analizar la tabla se utiliza la curva de fluidez, el porcentaje de humedad para 25 golpes es el límite líquido.

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17.00% 17.50% 18.00% 18.50% 19.00% 19.50% 20.00% 20.50% 21.00% 21.50%10

100

f(x) = − 445.486366204349 x + 107.431879068667

% Humedad

No.

de

Golp

es

Ilustración 1. Curva de Fluidez inicial

Como se muestra en la curva el Limite Liquido es de 18.5%, sin embargo es de notar que la curva no presenta la forma usual debido al valor intermedio y a la precisión de la gramera en la medición de los pesos secos, para esto se realiza una aproximación entre los dos puntos extremos para hallar el valor medio dando como resultado la siguiente curva.

17.00% 17.50% 18.00% 18.50% 19.00% 19.50% 20.00% 20.50% 21.00% 21.50%10

100

f(x) = − 617.105107336767 x + 144.33831340085

% Humedad

No.

de

Golp

es

Ilustración 2. Curva de Fluidez Corregida

Tomando un valor de P2 para 22 golpes de 50.25 g se obtiene la curva más aproximada, para este caso el limite liquido es de 19.3%

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3. Índice de plasticidadLIMITE PLÁSTICO E ÍNDICE DE PLASTICIDAD DE SUELOS I.N.V.E – 126 – 07

A continuación se presenta la tabla resumen con los cálculos de humedades promedio para la muestra ensayada.

Recipiente No. 116,00 120,00P. Rec + P. Húmedo (g) (P1) 17,26 20,75P. Rec + P. Seco (g) (P2) 16,00 20,00P. Recipiente (g) (P3) 10,31 11,06Limite Plástico (%) 22,14% 8,39%

Tabla 5. Resultados Límite Plástico

Analizando los valores se puede observar una gran variabilidad para las dos muestras hechas, con lo cual es muy probable que el ensayo no este hecho correctamente. Sin embargo se procede calculando el valor promedio de limite plástico como 15.27%

El Índice de plasticidad es de 4.03%

4. Equivalente de ArenaEQUIVALENTE DE ARENA DE SUELOS Y AGREGADOS FINOS I.N.V.E – 133 – 07

Para el muestreo se utilizó un tamiz No. 4 como lo indica la norma, Los resultados del ensayo se presentan en la siguiente tabla.

Probeta No. 1 2 3Lectura de arcilla [pulg] 11,65 11,2 11,4Lectura de arena [pulg] 1,6 1,7 1,6Equivalente arena % 13,73 15,18 14,04Equivalente Arena Promedio % 14,32

Tabla 6. Cálculo Equivalente de Arena

El valor promedio de Equivalente de arena es de 14.32%

5. Valor de azul de metilenoVALOR DE AZUL DE METILENO EN AGREGADOS FINOS Y EN LLENANTES MINERALES I.N.V.E – 235 – 07

Se tomaron 46 mediciones del azul de metileno, y con la formula indicada en la norma INV-235-07 se calculó el valor de azul de metileno por gramo de material seco pasa T200.

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VA=5 V10

Ec. (1)

V=mlde soluciónde azul demetileno requerida en latitulación

Después del muestreo se llegó a que V=25 ml, de manera que el Valor de azul de Metileno es de 12.5

6. Partículas fracturadas mecánicamentePORCENTAJE DE CARAS FRACTURADAS EN LOS AGREGADOS I.N.V.E – 227 – 07

La muestra es dejada en alguno de los siguientes tres grupos o categorías, el primer grupo corresponde a las partículas que cumplen con el número de caras requerido, el segundo partículas que están el límite y el ultimo las que no cumplen con la especificación.En la siguiente tabla se muestra la distribución en peso de los agregados del ensayo.

Utilizando la ecuación que se muestra a continuación se calcula el porcentaje de caras fracturadas.

P=[(F+Q2 )/ ( F+Q+N )]∗100 Ec. (2)

P=Porcentaje de partíc ulas conel númeroespecificado de caras fracturadasF=Masa o númerode partículas fracturadasQ=Masa o número de partículas en lacategoría decustionable o fronteraN=Masa onúmero de partículas en lacategoria deno fracturadas

Teniendo en cuenta esto se obtiene el porcentaje de caras fracturadas como 51.07%

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Tabla 7. Datos porcentaje de caras fracturadas

FRACCION Peso (g)Fracturadas

(F)Limites

(Q)

No Fracturadas

(N)2´´ - 1 ½´´ 117,51 ½´´ - 1´´ 378,91´´ - ¾´´ 377,1 160.43 35.65 181.02¾´´ - ½´´ 407,4 186.98 21.86 198.56½´´ - 3/8´´ 183,83/8´´ - ¼´´ 85,9TOTAL 1550,6

7. Índice de Aplanamiento y AlargamientoINDICE DE APLANAMIENTO Y DE ALARGAMIENTO DE LOS AGREGADOS PARA CARRETERAS I.N.V.E – 230 – 07

Esta norma se aplica a los agregados de origen natural o artificial entre los tamaños menores a 63mm y mayores a 6.3mm.

A continuación se presenta una tabla que resume los pesos hallados en el ensayo.

Descripción Peso (g)Recipiente 4H 4084H+ muestra natural 70804H+ muestra seca 6510

Tabla 8. Datos iniciales Índice de Aplanamiento y Alargamiento

Tamiz Peso retenido (g) Alargamiento (g)

Aplanamiento (g)

2" 01 1/2" 335 0 541" 974 52 4103/4" 1683 300 3221/2" 1930 331 3753/8" 1116 244 171Fondo 64

∑ 6102 927 1332

Tabla 9. Cálculo Índice de aplanamiento y alargamiento

El índice de aplanamiento global es de 22.06%El índice de alargamiento global es de 15.35%

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8. Granulometría suelos gruesosANÁLISIS GRANULOMÉTRICO DE SUELOS POR TAMIZADO I.N.V.E – 123 – 07

A continuación se presenta la granulometría de suelos gruesos, la muestra tiene una humedad natural del 2% y un peso inicial de 2559.81 g

Tamiz Tamiz (mm) Masa Retenida (g) Pasa (g) %Pasa3 75 0,00 2259,81 100,0%2 50 0,00 2259,81 100,0%1 ½ 37,5 0,00 2259,81 100,0%1 25 0,00 2259,81 100,0%¾ 19 583,69 1676,12 74,2%½ 17 564,97 1111,15 49,2%3/8 9,5 258,08 853,07 37,7%N°4 4,75 393,07 460,00 20,4%N°10 2 359,00 101,00 4,5%N°20 0,85 32,17 68,83 3,0%N°40 0,425 16,21 52,62 2,3%N°60 0,25 7,71 44,91 2,0%N°100 0,15 11,45 33,46 1,5%N°200 0,075 31,72 1,74 0,1%

Fondo 1,74 0 0,0%Total 2259,81

Tabla 10. Granulometría de los agregados gruesos

Se presenta toda la información anterior en la siguiente gráfica

0.010.11101000.00%10.00%20.00%30.00%40.00%50.00%60.00%70.00%80.00%90.00%100.00%

Diámetro (mm)

% P

asa

Ilustración 3. Granulometría de Agregado Grueso

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9. Granulometría por hidrómetroANÁLISIS GRANULOMÉTRICO POR MEDIO DEL HIDRÓMETRO I.N.V.E – 124 – 07

Este método cubre las determinaciones cuantitativas de la distribución de tamaño de las partículas de las fracciones finas de los suelos. A continuación se presenta la tabla de datos y cálculos seguida por la gráfica que muestra el porcentaje pasa y el diámetro de las partículas.

Tiempo Temperatura LecturaLectura

corregidaLongitud efectiva Ct Cd R-Cd+Ct

P MUK

D

min °C (g/cm3) (g/cm3) cm % poise mm1 22 1,013 1,014 12,6 4,00E-04 1,01 0,009 2,43750% 0,0096 0,0136 3,550 0,0481042 22 1,012 1,013 12,9 4,00E-04 1,01 0,008 2,16667% 0,0096 0,0136 2,540 0,0344175 22 1,012 1,013 12,9 4,00E-04 1,01 0,008 2,16667% 0,0096 0,0136 1,606 0,021767

15 22 1,011 1,012 13,1 2,00E-04 1,00 0,007 1,89583% 0,0096 0,0136 0,935 0,01266430 22 1,010 1,011 13,4 2,00E-04 1,00 0,006 1,62500% 0,0096 0,0136 0,668 0,00905760 21 1,010 1,011 13,4 2,00E-04 1,00 0,006 1,62500% 0,0098 0,0137 0,473 0,006481

130 21 1,010 1,011 13,4 2,00E-04 1,00 0,006 1,62500% 0,0098 0,0137 0,321 0,004403250 21 1,008 1,009 13,9 2,00E-04 1,00 0,0040 1,08333% 0,0098 0,0137 0,236 0,003234

1440 19 1,008 1,009 13,9 -2,00E-04 1,00 0,0040 1,08333% 0,0103 0,0141 0,098 0,001381

Tabla 11. Datos Granulometría por hidrómetro

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Ilustración 4. Granulometría por hidrómetro

ENSAYO CBR (CALIFORNIA BEARING RATIO)RELACIÓN DE SOPORTE DEL SUELO EN EL LABORATORIO (CBR DE LABORATORIO) I.N.V.E – 148 – 07

1. Materiales y metodología

MUESTRA: Para este ensayo se usa un total de 18 Kg de material que pasa el tamiz ¾, 6Kg para cada una de los moldes.

EQUIPO:- Palas, platones.

-Tamices: 4.75mm (N° 4) y de 19.0 mm (3/4”)

-Balanza

-Moldes: Con todas las especificaciones dadas por la norma INVE 148-07.

Molde de diámetro 152.4 mm (6”) ± 0.66 mm de diámetro interior y de 177.8 ± 0,46 mm (7±0,018”) de altura, provisto de un collar suplementario de 51mm (2.0”) de altura y una placa de base perforada de 9,53 mm (3/8” de espesor).

-Falso fondo para molde de compactación:

Que cumpla con todos los requerimientos dados por la norma INVE 148-07

-Martillos de compactación: Que cumplan con todos los requerimientos dados por la norma para el ensayo proctor modificado. INVE 142-07

-Enrasador16

0.0010.010.10,00000%

0,00001%

0,00002%

0,00003%

Diametro de la partícula

% P

asa

-Horno

- Sobrecargas metálicas: Se usan para el ensayo sobrecargas anulares con las especificaciones dadas por la norma.

-Aparado para determinar expansión: De acuerdo al ítem 3.5 de la norma INVE 148-07

Placa de metal perforada: Provista de perforaciones y vástago como lo indica la norma.

Trípode: Este trípode cuenta en el centro con un deformímetro que permite medir la expansión de la muestra con aproximación de (0,001”).

-Prensa CBR: Provista de un pistón de penetración de 2” de diámetro, un anillo de carga y un deformímetro con precisión aproximada de (0,001”), como la que se muestra a continuación.

Ilustración 5. Prensa CBR (Fotografía en el laboratorio)

2. METODOLOGÍAAntes de iniciar con el procedimiento de CBR es necesario determinar la humedad óptima y densidad máxima, resultado del ensayo de compactación modificado “proctor modificado” INVE 142-07.

Se escoge una cantidad representativa del suelo y se pasa por el tamiz ¾”, el material retenido se descarta, en caso de ser necesario se hace el reemplazo, tal como lo describe la norma, por material retenido en el tamiz de 4.75 mm.Posteriormente se selecciona la muestra con la que se va a trabajar 18 Kg como se había indicado anteriormente, se separa en grupos de 6 kg para cada molde. En base a estos valores límite y a la humedad natural también allí determinada se preparan los 3 moldes para cada una de las energías

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de compactación como se indica a continuación:

Cada molde es previamente pesado y dimensionado; se le pone un falso fondo y un papel filtro sobre éste. Se mezcla la muestra con el contenido de agua determinado.

Se compactan las muestras en 5 capas, con diferentes energías de compactación a 10, 25 y 55 golpes con el martillo. Terminada la compactación se saca una parte de la muestra para determinar la humedad. Se quita el collar y se enrasa la muestra y se rellenan los vacios con material sobrante. Se desmonta el molde y se retira el falso fondo, se vuelve a montar el molde por el otro lado con un papel filtro entre el molde y la base, se registra el peso de molde + base.

Se hace una primera falla en la prensa CBR de la muestra seca, determinando una carga a partir de deformaciones controladas por el tiempo previamente establecidas por la norma INVE 148-07.Por otro lado se preparan las muestras como se mencionan anteriormente y se colocan la placa de vástago y sobre ésta las cargas anulares, con el deformímetro se determinan la primera medida de expansión y se deja sumergido el molde por 4 días. Este procedimiento se realiza para las 3 muestras. Pasado el tiempo de inmersión se saca el molde y se determina nuevamente una medida de expansión.

Se deja escurrir el molde por 10 minutos, se retiran las sobrecargas y la placa con vástago y se procede a instalarlo en la prensa.

Al instalarlo se ponen nuevamente las sobrecargas y se acomoda bien el pistón para que la penetración sea óptima. Se realiza la carga y posterior falla como se indicó anteriormente.

Finalmente se desocupan los moldes y se realiza limpieza.

3. CÁLCULOS Y RESULTADOSComo se mencionó en el ítem anterior es primordial una determinación previa de la humedad óptima por el método de proctor modificado, se encontró entonces que la humedad óptima para los datos de la figura 2 es de 8.2% que se encuentra resumido en la tabla 1.

Tabla 12.Parámetros de ajuste y humedad óptima

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Ilustración 6. Curva de densidad seca vs humedad

Con la humedad óptima determinada y con una humedad natural de 1.5% (resultado del correspondiente ensayo de humedad natural), con esto se puede determinar la cantidad de agua que se debe añadir para lograr la humedad óptima de compactación así:

W waañadir=( W h

1+W 0

100 )(W p−W 0

100 ) Ec. (3)

Reemplazando:

W waañadir=(6000 gr

1+1,5100 )( 8.2−1,5

100 )=396.1 ml

Una vez las tres muestras están compactadas según las energías de compactación de 12, 25 y 55 golpes se fallan 3 muestras por penetración en estado normal. Por otro lado las tres muestras restantes se someten a una inmersión en agua para saturarlas completamente y verificar su expansión y fallarlas, lo que arroja unas graficas de penetración versus carga como se ve a continuación. En las siguientes figuras se compara para cada nivel de energía los diferentes valores de esfuerzo.

Los valores de carga obtenidos en laboratorio gracias al anillo de carga deben multiplicarse por 9.916 para obtener los valores en libra fuerza posterior a ello se hace la conversión a Newton y se divide por 0.00193 m2 que corresponde al área del cilindro para obtener los valores en mega pascales. (Mpa).

0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 1.200 1.4000

0.20.40.60.8

11.21.41.61.8

Curva Esfuerzo-Penetración 12 Golpes

Muestra saturadaMuestra normal

Penetración [mm]

Esfu

erzo

[Mpa

]

Ilustración 7. Curva Esfuerzo-Penetración 12 Golpes

19

0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 1.200 1.4000.001.002.003.004.005.006.007.008.009.00

Curva Esfuerzo-penetración 25 golpes

Muestra SaturadaMuestra Normal

Penetración [mm]

Esfu

erzo

[Mpa

]


0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 1.200 1.4000123456789

10

Curva Esfuerzo-Penetración 55 golpes

Muestra SaturadaMuestra Normal

Penetración [mm]

Esfu

erzo

[Mpa

]


Se observa en las gráficas ques las muestras en estado seco necesitan un mayor valor de esfuerzo para lograr la misma cantidad de penetración que las muestras saturadas, tambien es importante resaltar que a medida que aumenta la energía de compactación las resistencias a la penetración tambien se incrementan. Esto se evidencia cuando se comparan las muestras saturadas para diferentes niveles de energía de compactacio como se muestra a continuación:

20

0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 1.200 1.4000.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

4.50

5.00

Curva Penetración vs Esfuerzo en condición saturada

55 golpes 25 Golpes 12 Golpes

Penetración (mm)

Esfu

erzo

(Mpa

)

Ilustración 10. Curva Penetración vs Esfuerzo en condición saturada

Es evidente que entre más compactado está el suelo su densidad y resistencia incrementan. En Anexos se puede observar una tabla resumen con los resultados de los 6 procesos de falla realizados.Para poder establecer el CBR de diseño se deben hallar los CBR de cada una de las curvas. Para esto se divide el valor de esfuerzo hallado en los dos puntos de control de cada muestra entre 6,9 MPa de esfuerzo estándar para 2,54 mm de penetración y 10,3 MPa para 5,08 mm y multiplicando por 100 para hallar el valor de CBR en porcentaje. Si el de penetración 5,08mm es mayo se debe repetir el ensayo y si el resultado persiste entonces el CBR a utilizar para esa energía de compactación debe ser esa (en general el mayor, pero para el caso de 5,08mm debe verificarse, para este ensayo es dicho caso, pero por cuestiones de tiempos y disponibilidad en el laboratorio no se efectuó un segundo ensayo). Se debe hallar también la densidad seca de la muestra a partir del peso del material y el volumen interno del molde, una vez se tienes estos datos se establece la curva de CBR, y para hallar el CBR de diseño se entra a la curva con el 95% de la densidad optima del ensayo proctor de 20 kN/m³ que es de 19 kN/m³ y se establece un valor de 20% como se puede apreciar a continuación.

No. De Golpes Densidad seca(kN/m3)

CBR (%)

12 17.72683 0.99252625 18.05798 13.5645255 19.21247 21.27666

Tabla 13. Relación CBR y Densidad seca

21

17.6 17.8 18 18.2 18.4 18.6 18.8 19 19.2 19.40

5

10

15

20

25

f(x) = 11.8373003896174 x − 205.061896138513R² = 0.813052989709729

CBR De diseño

Densidad Seca (kN/m3)

CBR

(%)

Ilustración 11. CBR de Diseño

Por último se debe evaluar también la expansión del material con mínimo 3 medidas durante 2 días enteros, desde el momento en que se falla la muestra en seco hasta su falla final en estado de saturación. Como se evidencia en la tabla a continuación los porcentajes de expansión son muy bajos, siempre menores al 1%, entonces para este material se establece que no es un material expansivo.

Golpes Lectura % Expansión

120.317 0.40%0.321

250.369 0.40%0.373

550.195 0.25%

0.1975

Tabla 14. Expansiones de la muestras

4. ANÁLISIS DE RESULTADOS (CBR)Las energías de compactación densificaron el material de la forma esperada, siendo el más denso el de 55 golpes (mayor energía) y el menos denso el de 12 golpes (menor energía).

La saturación afecta y ablanda el material, reduciendo sus curvas o relación de soporte, en cuanto a la expansión, no es significante y no se considera que el material sea peligroso para las estructuras que soporta en presencia de agua.

El CBR de diseño obtenido es de 20%, lo cual significa que es un suelo de regular resistencia, el cual puede ser utilizado en la sub-base. Es necesario también realizar una mejor gradación del material pues hay muy poco material tamaño arena que puede contribuir al bueno funcionamiento de la muestra.

22

CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL (IDU ET 2011)

GranulometríaEl material analizado debe cumplir con los valores establecidos en la tabla 400.4 de la norma IDU ET 2011 determinadas según la norma I.N.V.E – 213 – 07. A continuación se presentan las comparaciones entre los valores establecidos y el material ensayado.

Base Granular 1BG_Gr1

Máximo MínimoTamiz (mm)

%Pasa %Pasa Muestra

3" 76,2 #N/A #N/A 1002" 50 #N/A #N/A 1001 1/2 " 37,5 100 100 1001" 25 95 75 1003/4 " 19 90 60 74,21/2" 12,7 #N/A #N/A 49,23/8 " 9,5 70 40 37,7No. 4 4,75 50 28 20,4No. 10 2 35 15 4,5No. 20 0,85 #N/A #N/A 3No. 40 0,425 20 6 2,3No.60 0,25 #N/A #N/A 2No.100 0,15 #N/A #N/A 1,5No. 200 0,075 10 2 0,1

Tabla 15. Granulometría BG_Gr1 vs Muestra

24

Ilustración 12. Granulometría BG_Gr1 vs Muestra

Base Granular 2BG_Gr2


%Pasa %Pasa Muestra

3" 76,2 #N/A #N/A 1002" 50 #N/A #N/A 1001 1/2 " 37,5 #N/A #N/A 1001" 25 100 100 1003/4 " 19 95 75 74,21/2" 12,7 #N/A #N/A 49,23/8 " 9,5 80 50 37,7No. 4 4,75 60 35 20,4No. 10 2 40 20 4,5No. 20 0,85 #N/A #N/A 3No. 40 0,425 22 8 2,3No.60 0,25 #N/A #N/A 2No.100 0,15 #N/A #N/A 1,5No. 200 0,075 10 2 0,1

Tabla 16. Granulometría BG_Gr2 vs Muestra

0.010.11101000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100BG_Gr2 vs Muestra

MáximoMínimoMuestra

Ilustración 13. Granulometría BG_Gr2 vs Muestra

25

0.010.11101000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

BG_Gr1 vs Muestra


Sub Base Granular 1SB_Gr1


%Pasa %Pasa Muestra

3 1/2 " 88,9 #N/A #N/A 1003" 76,2 #N/A #N/A 1002 1/2 " 63,5 #N/A #N/A 1002" 50 100 100 1001 1/2 " 37,5 95 80 1001" 25 90 60 993/4 " 19 #N/A #N/A 931/2" 12,7 #N/A #N/A 823/8 " 9,5 68 36 75No. 4 4,75 50 25 55No. 10 2 35 15 35No. 40 0,425 20 6 20No. 200 0,075 10 0 9,1

Tabla 17. Granulometría SB_Gr1 vs Muestra

0.010.11101000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100SB_Gr1 vs Muestra


Ilustración 14. Granulometría SB_Gr1 vs Muestra

26

Sub Base Granular 2SB_Gr2


%Pasa %Pasa Muestra

3 1/2 " 88,9 #N/A #N/A 1003" 76,2 #N/A #N/A 1002 1/2 " 63,5 #N/A #N/A 1002" 50 #N/A #N/A 1001 1/2 " 37,5 100 100 1001" 25 95 75 993/4 " 19 88 62 931/2" 12,7 #N/A #N/A 823/8 " 9,5 78 42 75No. 4 4,75 55 28 55No. 10 2 40 16 35No. 40 0,425 22 6 20No. 200 0,075 12 0 9,1

Tabla 18. Granulometría SB_Gr2 vs Muestra

0.010.11101000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100SB_Gr2 vs Muestra


Ilustración 15. Granulometría SB_Gr2 vs Muestra

27

Sub Base Granular PeaSBG_pea


%Pasa %Pasa Muestra

3 1/2 " 88,9 #N/A #N/A 1003" 76,2 #N/A #N/A 1002 1/2 " 63,5 #N/A #N/A 1002" 50 100 100 1001 1/2 " 37,5 98 75 1001" 25 90 60 993/4 " 19 #N/A #N/A 931/2" 12,7 #N/A #N/A 823/8 " 9,5 66 36 75No. 4 4,75 52 25 55No. 10 2 40 15 35No. 40 0,425 25 6 20No. 200 0,075 14 0 9,1

Tabla 19. Granulometría SBG_pea vs Muestra

0.010.11101000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100SBG_pea vs Muestra


Ilustración 16. Granulometría SBG_pea vs Muestra

28

Como se puede observar en las gráficas anteriores el material analizado no cumple con ninguna de las especificaciones por granulometría, sin embargo evaluando los requisitos de SB_Gr1, SB_Gr2 y SBG_pea, se evidencia una ausencia de material arenoso fino de tal manera que al agregar dicho material posteriormente la muestra de suelo cumpla las especificaciones.

TABLA RESUMEN ESPECIFICACIONES (IDU ET 2011)A continuación se presenta una tabla de resumen siguiendo las especificaciones de la norma IDU ET 2011 para los ensayos realizados en este documento caracterizando de esta manera el material analizado para el diseño de carreteras.

Ensayo Norma de Ensayo

Clase de Sub-base granular Muestra Evaluada

SBG_pea SBG_CSBG_

B SBG_A Dureza

Desgaste Los Ángeles

-En seco, 500 revoluciones, % max

INV E-218-07 50 45 40 40 46

LimpiezaLimite Líquido, % max INV E-125-07 40 25 25 25 19,3

Índice de plasticidad. %max INV E-126-07 10 6 3 3 4,03

Equivalente de Arena, % min INV E-133-07 - 18 18 20 14,32

Valor de Azul de Metileno, max INV E-235-07 - 10 10 10 12,5

Geometría de las Partículas

Partículas fracturadas Mecánicamente, % min

-1 caraINV E-227-07

NA NA NA 50 51,07

-2 caras NA NA NA 30 -

Índice de Aplanamiento, % max INV E-230-07 NA NA NA NA 22,06

Índice de Alargamiento, % max INV E-230-07 NA NA NA NA 15,35

Capacidad de Soporte

CBR, % min Referido al 95% de la densidad seca máxima, según el ensayo INV E-142-07 (AASTHO T 180), método D, después de 4 días de inmersión.

INV E-148-07 20 30 40 60 20

NA= No aplica(1) En caso de que el equivalente de arena sea inferior pero cumpla plasticidad y azul de metileno, se aceptará el material con un concepto del desempeño por parte del especialista de geotecnia y /o pavimentos

Tabla 20. Resumen Análisis Muestra según IDU ET 2011 Esta tabla es una modificación de la presentada en la sección 400-11 de la especificación técnica

29

ANÁLISIS DE RESULTADOSObservando los resultados obtenidos para cada ensayo de caracterización de la muestra de suelo, se puede evidenciar que dicho material cumple:

Desgaste en Máquina de los Ángeles: Cumple el requerimiento para SBG_pea con poca diferencia, puede cumplir también con SBG_C debido a que los valores son muy cercanos

Limite líquido: Debido al bajo contenido de finos plásticos el requerimiento se cumple para las 4 clases de sub-base granular

Equivalente de Arena: No hay criterio para SBG_Pea, sin embargo analizando los ensayos y la granulometría se detecta un déficit en el contenido de arena fina en la muestra.

Valor de Azul de Metileno: No hay criterio para SBG_pea, no cumple con las otras clases de sub-base granular

Partículas fracturadas mecánicamente: No aplica el criterio para la mayoría de las clases de sub-base granular, sin embargo cumple la condición de SBG_A

Índice de aplanamiento y alargamiento: No hay criterio definido para este ensayo de caracterización

CBR: Cumple únicamente para SBG_pea, con valores lejanos para las otras clases de sub-base granular

Granulometría: Como lo indica el ensayo de Equivalente de Arena y las curvas granulométricas comparadas con la norma IDU ET 2011 es necesario agregar arena fina para que cumpla con la condición de SBG_pea junto con los otros ensayos.

Finalmente se determinó que el material no cumple con las especificaciones de la norma IDU ET 2011 para un material SBG_pea debido a la falta de criterios de plasticidad y contenido de finos, igualmente teniendo en cuenta lo observado en la granulometría y equivalente de arena es necesario involucrar partículas tamaño arena fina en la gradación del material para mejorar su condición en los ensayos.

30

CONCLUSIONES Es complicado el manejo de instrumentación de laboratorio, lo que perjudica el buen

funcionamiento de este si está en manos inexpertas. Se determine una relación de soporte CBR de diseño de 20% que alcanza a estar en sub-

base. Cuando la muestra está saturada se evidencia que está en su condición más desfavorable

pues con baja carga tiene deformaciones considerables respecto a las muestras equivalentes secas.

El porcentaje de hinchamiento es bajo, por lo que se infiere que el material no tiene problemas de expansión volumétrica cuando está en contacto con el agua.

El material caracterizado no cumple con todas las especificaciones de la norma IDU ET 2011, por lo tanto se descarta su utilización como material de construcción, sin embargo realizando una mejor gradación de las muestras es posible cumplir las condiciones de una sub-base granular de uso peatonal.

Debido a la falta de criterios en la sección 400-11 de la norma IDU ET 2011 no es posible clasificar adecuadamente el material en cuestión.

Se debe tener en cuenta los errores cometidos en los procedimientos de los ensayos como los límites de Atterberg, los cuales generan la disposición de criterios errados en la toma de decisiones y en la caracterización de los materiales.

31

BIBLIOGRAFÍA

I.N.V. E – 219 – 07 Resistencia al desgaste de los agregados gruesos de tamaños mayores de 19 mm (3/4") por medio de la máquina de los ángeles

I.N.V.E. – 125 – 07 Determinación del límite líquido de los suelos

I.N.V.E – 126 – 07 Limite plástico e índice de plasticidad de suelos

I.N.V.E – 133 – 07 EQUIVALENTE DE ARENA DE SUELOS Y AGREGADOS FINOS

I.N.V.E – 235 – 07 Valor de azul de metileno en agregados finos y en llenantes minerales

I.N.V.E – 227 – 07 Porcentaje de caras fracturadas en los agregados

I.N.V.E – 230 – 07 Índice de aplanamiento y de alargamiento de los agregados para carreteras

I.N.V.E – 123 – 07 Análisis granulométrico de suelos por tamizado

I.N.V.E – 124 – 07 Análisis granulométrico por medio del hidrómetro

I.N.V.E – 148 – 07 Relación de soporte del suelo en el laboratorio (CBR de Laboratorio)

IDU ET 2011 Especificaciones técnicas generales de materiales y construcción, para proyectos de infraestructura vial y espacio público, para Bogotá D.C

32

ANEXOS

Tabla de Penetración vs Esfuerzo [MPa]

Penetración(mm) Referencia Esfuerzo MPA

12 25 550.0127 0,50 0.034242132 0.011414 0.0913120.0635 2,30 0.045656176 0.342421 0.47939

0.127 4,15 0.045656176 0.570702 0.8218110.1905 5,66 0.057070221 0.798983 1.118576

0.254 6,89 0.068484265 0.935952 1.3468570.381 8,81 0.068484265 1.118576 1.8490750.508 10,29 0.091312353 1.346857 2.1914960.635 11,60 0.114140441 1.689279 2.6024020.762 12,82 0.136968529 1.917559 2.9676511.016 14,86 0.228280882 2.579574 3.766635

1.27 15,22 0.273937059 3.287245 4.588446Penetración(mm) Referencia Esfuerzo MPA

12 25 550.0127 0,50 0.054787412 0.011414 0.0913120.0635 2,30 0.055439643 0.393785 1.069408

0.127 4,15 0.081700526 0.713378 1.7805910.1905 5,66 0.147863753 1.079707 2.406634

0.254 6,89 0.225427371 1.418109 3.1177250.381 8,81 0.298395725 2.122005 3.698150.508 10,29 0.459507324 2.855986 4.2050850.635 11,60 0.691976424 3.829621 4.9181630.762 12,82 0.832916732 4.450849 5.6607951.016 14,86 1.355417738 6.136259 6.916774

1.27 15,22 1.561441234 7.899991 8.718047

33

laboratorio cbr

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