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ESPECIFICACIONES DE PAVIMENTOS
Tipo: Apuntes
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Facultad de Ingeniería Civil. Instituto de Investigaciones
DISEÑO MODERNO DE PAVIMENTOS
ASFÁLTICOS
Universidad Ricardo Palma, Universidad Alas Peruanas [email protected]
Universidad Nacional de Ingeniería [email protected]
SEGUNDA EDICIÓN LIMA, 2006
DISEÑO MODERNO
de Pavimentos Asfálticos
1.1 Introducción
En la ingeniería de pavimentos se han incorporado nuevos conceptos como esfuerzos, deformación, módulo elástico, comportamiento resiliente, etc. que deberá ser conocidos por el lector. En el presente capítulo se definirán algunos de estos conceptos y los otros serán explicados en capítulos especiales.
1.2 Estructura del Pavimento Asfáltico
La estructura que se apoya sobre el terreno de fundación o subrasante, y que esta conformado por capas de materiales de diferentes calidades y espesores, que obedecen a un diseño estructural, se denomina pavimento. La estructura del pavimento está destinada a soportar las cargas provenientes del tráfico.
Tradicionalmente, los métodos de diseño de pavimentos, han sido empíricos; es decir, que la experiencia representaba un papel importante. Se requería que el ingeniero tuviese muchos años en el área para, de alguna manera, poder interpretar los resultados de las investigaciones de campo y realizar el diseño.
Los pavimentos asfálticos están conformados por una carpeta asfáltica apoyada generalmente sobre dos capas no rígidas, la base y sub base. No obstante puede prescindirse de cualquiera de estas capas dependiendo de las necesidades particulares del proyecto. La distribución típica de las capas que conforman la estructura del pavimento se grafican en la figura 1.1.
Terreno de fundación
Sub bbaassee
Base
rasante
subrasante
Terreno de fundación sin compactar
Figura 1.1: Estructura Típica de Pavimentos Asfálticos
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Introducción
La carpeta asfáltica o capa de rodamiento proporciona una superficie uniforme y estable al tránsito, de textura y color adecuado, que debe resistir los efectos abrasivos provenientes del tránsito y del medio ambiente. La nueva Guía de Diseño empírico-mecanístico AASHTO 2002 recomienda que el módulo elástico de la carpeta se evalúe con el Módulo Complejo Dinámico, E* , que será detallado en los siguientes capítulos. Sin embargo, podemos mencionar que la carpeta es una capa muy rígida con valores altos de módulo. El método de diseño AASHTO 1993 considera como parámetro de diseño de la carpeta asfáltico el módulo resiliente, para mezclas asfálticas en caliente estos valores varían de 400,000 a 450,000 psi (28,000 a 32,000 kg/cm^2 ) a 20ºC.
La capa de base, generalmente granular, es una capa que se apoya sobre la sub base. La función de esta capa es transmitir los esfuerzos provenientes del tráfico, a la sub base y subrasante. Los requisitos de calidad de agregados de base son muy rigurosos. Esta capa está conformada por grava chancada, compactada al 100% de la máxima densidad seca del ensayo proctor modificado. El módulo elástico de la base se evalúa con el módulo resiliente , MR. Una base granular con CBR del 100% tiene aproximadamente un valor MR de 30,000 psi (2,100 kg/cm^2 ).
La sub base, es una capa que según el diseño puede o no colocarse. Se apoya sobre la subrasante y los requisitos de calidad de los materiales que la conforman son menos rigurosos, la razón de esto es que los esfuerzos verticales que se transmiten a través de las capas de pavimentos son mayores en la superficie y van disminuyendo a medida que se profundizan. La sub base es la capa de material seleccionado, más profunda de la estructura del pavimento, razón por la que los materiales que la conforman cumplen requisitos menos rigurosos. El módulo elástico de la sub base se evalúa con el módulo resiliente , MR. Una sub base granular con CBR del 40% (CBR mínimo para sub bases granulares, según las Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras EG-2000, Ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construcción, Oficina de Control de Calidad) tiene un MR de 17,000 psi (1,200 kg/cm^2 ).
El terreno de fundación puede estar conformado por un terraplén (caso de rellenos) o terreno natural en el caso de cortes, para ambos casos, la cota geométrica superior se denomina subrasante. El módulo elástico asociado al terreno de fundación es el módulo resiliente, este parámetro ha sido ampliamente investigado por las diferentes agencias de transportes de los Estados Unidos, correlacionándolo con el CBR.
En los siguientes capítulos se detallarán los métodos que permiten determinar adecuadamente este valor. Pero podemos mencionar, que el CBR de suelos compactados (como es el caso de terraplenes) y de suelos granulares densos (como el conglomerado de Lima) están asociados al 100% de la máxima densidad seca del proctor modificado; sin embargo, el CBR de subrasantes arenosas y limo arcillosas no puede asociarse a este valor, porque su densidad de campo está muy por debajo de la máxima densidad seca y su humedad natural es mayor que el óptimo contenido de humedad. En este último caso el CBR se obtiene de muestras inalteradas^1.
(^1) A. Ordóñez y S. Minaya, CBR de Subrasantes Arenosas y Limoarcillosas. 11º CILA 2001 Lima; XIII Congreso Nacional de Ingeniería Civil, Puno 2001; IV Congreso Ecuatoriano de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica, Guayaquil 2001.
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Introducción
donde:
ρ : Asentamiento ν : Relación de Poisson p : Presión aplicada r : Radio del área cargada E : Módulo elástico
Considerando un asentamiento característico de 0.1 pulgada; un valor de ν=0.40; radio equivalente a un área circular cargada de 3 pulg^2 y la presión aplicada en función del valor CBR, se obtienen las siguientes relaciones^2 :
E = 139.7CBR ; E en libra/pulg^2 E = 9.83CBR ; E en kg/cm^2
Entonces, es posible obtener valores de módulos elásticos, E a partir del valor CBR asumiendo un comportamiento del medio como elástico, uniforme e isotrópico.
1.4 Comportamiento Elasto-Plástico
En pavimentos la carga transmitida es móvil, es decir, el suelo experimenta ciclos de carga y descarga. Para un mejor entendimiento se analizará el caso de un ciclo (1 carga y 1 descarga). Cuando el vehículo se aproxima al punto de análisis A, el terreno de fundación se empieza a deformar, esta deformación se hace máxima cuando el vehículo se encuentra exactamente sobre el punto A, en ese momento conocemos la deformación total. Sin embargo, cuando el vehículo se aleja el suelo trata de recuperar su posición inicial pero no lo consigue. La deformación no recuperable se denomina deformación plástica y la deformación recuperable es la deformación elástica. El suelo ha experimentado plastificación.
(^2) A. Ordóñez y S. Minaya, CBR de Subrasantes Arenosas y Limoarcillosas, 2001.
A
Terreno de fundación
Pavimento
Veloc.
tiempo
Carga móvil, q
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Introducción
etotal ??
εv
ep ee
q
ep : deformación plástica, permanente, no recuperable ee : deformación elástica, temporal, recuperable
q
Figura 1.3: Comportamiento elasto-plástico, un ciclo carga-descarga
El terreno de fundación soporta muchos ciclos de carga-descarga, las deformaciones plásticas se van acumulando y las deformaciones elásticas se van haciendo constantes. Cuando el suelo no acumula más deformaciones plásticas ya se consolidó para ese nivel de cargas. La pendiente de la recta al final de esta etapa se denomina módulo resiliente , Mr. El módulo resiliente representa el comportamiento elástico final del suelo.
tiempo
Carga móvil, q
e ep ee
q
Mr
q
M (^) R : Módulo Resiliente representa el comportamiento elástico final, residual ep : Las deformaciones plásticas son acumulables e influyen en el comportamiento del pavimento
e e
Mr = q
Figura 1.4: Comportamiento elasto-plástico, varios ciclos carga-descarga
El módulo resiliente ha sido correlacionado con el valor de la capacidad de soporte del suelo CBR , y ha sido usado como parámetro de diseño pero no se ha percibido que éste representa una condición particular del suelo.
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Introducción
1.5 Ensayo del módulo resiliente para suelos
El ensayo del módulo resiliente es similar a un ensayo triaxial, se aplica un esfuerzo desviador cíclico a la muestra previamente confinada. El esfuerzo desviador está en función de la velocidad, carga y confinamiento.
La norma AASHTO T274 que estandariza el ensayo del módulo resiliente, en su última revisión de 1999, considera que el especimen puede alcanzar una deformación máxima de 5%. Si la muestra tiene valores mayores de deformación, el módulo resiliente ya no es representativo.
El esfuerzo desviador está en función de la velocidad directriz de la vía. Si el vehículo se desplaza lentamente, como en zonas agrestes de fuerte pendiente (carretera central, velocidad entre 10 a 20 km/h), el terreno de fundación podrá deformarse mucho más que en el caso el vehículo circulase rápidamente.
Figura 1.5: Celda triaxial cíclico ensayo de resiliencia.
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Introducción
Cuando la carga aplicada es lenta, el módulo resiliente, Mr, se acerca al módulo elástico, E. El ensayo de módulo resiliente se realiza para las condiciones a las que estará sometida la vía.
q
deformación
v <> 80 KPH (^) v = 0
Mr E
Mr <> 10 E
1.6 Proyectos de Investigación
En el año 1987 en los EE.UU. se destinó 150 millones de dólares para un proyecto de investigación que agrupó especialistas de diferentes áreas, denominado SUPERPAVE, Su perior Per formance Pave ment. Este proyecto pretendía reemplazar las metodologías empíricas, utilizadas hasta entonces, con metodologías mecanísticas; es decir, aquella que utiliza los conceptos de la mecánica estructural.
El proyecto abarcó la evaluación de los agregados y ligantes asfálticos. La fortaleza de este método radica en la apropiada evaluación mecánica del ligante asfáltico. Con este método el ligante asfáltico se evalúa a las temperaturas críticas o extremas de servicio y deja de evaluarse con pruebas empíricas, como el de penetración.
Por otro lado, una gran parte de la red nacional se ubica por encima de los 3,000 m.s.n.m. y los pavimentos ubicados en estas zonas al sufrir el efecto de las bajas temperaturas se agrietan de manera prematura. El S tone M astic A sphalt , SMA, de origen alemán de los años 60 ha permitido dar solución a los problemas de tránsitos pesados y climas fríos, de las carreteras en Europa y últimamente en los EE.UU. y Canadá.
El concepto de diseño SMA se basa en una estructura granular donde predomina el contacto piedra-piedra el mismo que le provee de alta resistencia cortante, baja deformación permanente o “rutting” y considera un buen porcentaje de ligante que le da una excelente durabilidad. Las características del comportamiento mecánico de la mezcla asfáltica se alcanzan utilizando una granulometría incompleta (”gap-graded aggregate”) combinada con fibra y/o polímeros modificados y un mayor contenido de ligante. El comportamiento del SMA es actualmente calificado en los EE.UU. y Canadá como de excelente bajo tráfico pesado e intenso y climas fríos, bajo costo de mantenimiento y una duración que alcanza los 30 años de vida de servicio.
Recientemente, las metodologías mecanísticas se han extendido en su aplicación, al diseño estructural del pavimento, incorporando los conceptos de la teoría elástica. El método de diseño AASHTO 2002 permite evaluar la estructura de pavimento en función de los esfuerzos
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Introducción
Carpeta
Base Estabilizada
Sub base
Fundación
(+)
Figura 1.7: Distribución de Esfuerzos en Pavimentos con Base y/o Sub Base Estabilizada.
Desde este punto de vista el ensayo de tracción indirecta y el respectivo parámetro como es el módulo de resiliencia no representa el comportamiento mecánico de la carpeta asfáltica, así, un ensayo de compresión confinada cíclica será representativo del comportamiento mecánico.
Witczak y otros, de la Universidad de Arizona, proponen evaluar el Módulo Dinámico Complejo, obtenido de ensayos de compresión triaxial cíclico. La Guía de Diseño de Pavimentos AASHTO 2002 recomienda el uso de este parámetro. El módulo dinámico, E* también ha surgido como el principal candidato para el Simple Performance Test – Superpave, que predice las deformaciones permanentes y agrietamientos fatiga en pavimentos asfálticos [ 64 ].
2.1 Método de Exploración de Campo del Terreno de Fundación
En la ejecución de cualquier proyecto u obra de ingeniería civil es necesario realizar la exploración del lugar, como parte de un programa de investigaciones geotécnicas, el mismo que involucra aspectos de geología y mecánica de suelos. Del tamaño y tipo del proyecto, dependerán las consideraciones del programa de exploración.
Las etapas de la exploración de campo son:
2.2 Alcance de la Exploración del Sitio
La información generada por la exploración del lugar está relacionada con los depósitos superficiales de rocas y suelos. El objetivo consiste en obtener un modelo tridimensional del lugar, que se extienda tanto lateral como verticalmente, para incluir todos los estratos que puedan llegar a afectarse por las cargas transmitidas al subsuelo, producidas por la construcción de la vía. Los esfuerzos significativos transmitidos por las cargas del tránsito alcanzan hasta 1.5 m de profundidad.
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Suelo de Fundación
Foto 2.1: Calicata
Foto 2.2: Posteadora manual Iwan Auger
El equipo de cono ligero consiste de un cono de punta cónica de 90° y 2,2 cm. de diámetro. El martillo pesa 10 kg. y la altura de caída es de 50 cm. El valor NDPL corresponde al número de golpes para conseguir 10 cm. de penetración. El ensayo es continuo y se registran valores cada 10 cm. de profundidad. Fundamentalmente, el ensayo de penetración ligera es un ensayo de resistencia.
Los problemas asociados a pavimentos son de deformabilidad, el suelo estará muy por debajo de los niveles de falla. Aunque el ensayo de penetración ligera es un ensayo de resistencia, se recomienda usarlo para exploraciones con fines de pavimentación, porque permite identificar, mediante la variación del valor NDPL, los espesores y densidad relativa de los estratos que conforman la subrasante.
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Suelo de Fundación
La principal limitación del ensayo es la presencia de gravas en el subsuelo que altera los resultados o en el peor de los casos impide el ensayo.
Foto 2.3: Ensayos de penetración ligera con cono
A continuación relaciones empíricas entre el ángulo de fricción φ, densidad relativa y peso unitario de suelos granulares normalmente consolidados
Relaciones Empíricas de φ, Dr, y Peso Unitario de los Suelos Granulares Normalmente Consolidados basados en Ensayos SPT para Profundidades menores de 6m.
Descripcion Suelto Medio Densidad Relativa, Dr 0 0.15 0.35 0. SPT N Fino 0.075-0.425 mm 3-6 7- Medio 0.425-2.000 mm 4-7 8- Grueso 2.000-4.750 mm 5-9 10- φ: Fino 28-30 30- Medio 30-32 32- Grueso 30-34 33- γd (gr/cm^3 ) 1.4-1.6 1.6-1.
26- 27- 28- 1.2-1.
Muy Suelto
1- 2- 3-
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Suelo de Fundación
Si el suelo está conformado por arenas y es difícil conseguir una muestra inalterada, se recomienda medir la densidad de campo y tomar una muestra para humedad, de manera que en el laboratorio se remolde los especimenes.
2.5.2 Muestras Alteradas
Las muestras alteradas se usan para la identificación del suelo y para pruebas de clasificación y calidad a medida que se recolectan, las muestras se introducen en recipientes de vidrio o plásticos y se sellan, también se pueden usar latas o bolsas de plásticos.
Se debe tomar una porción de 100 kg. aproximadamente para realizar los ensayos de proctor modificado y CBR en muestras remoldeadas al óptimo contenido de humedad, para determinar el CBR de diseño para subrasantes granulares, materiales de sub base y base granulares.
2.6 Identificación Visual y Manual de Muestras de Suelo ASTM D 2488 Pruebas de Campo para Clasificación
La identificación visual, es el reconocimiento preliminar del suelo sin necesidad de empleo de equipos o ensayos de laboratorio. Mas tarde, los ensayos de laboratorio confirmarán y permitirán precisar la información obtenida del terreno. En el anexo E se detalla los procedimiento visuales y manuales, en esta sección solo se presenta un breve resumen.
Esta identificación es una etapa inicial para el estudio de Mecánica de Suelos, que permite tomar decisiones y ajustar el programa de investigación. Los términos básicos para designar a los tipos de suelos son: grava, arena, limo y arcilla; sin embargo, en la naturaleza los suelos son una mezcla de dos o más de éstos y a veces contienen una cantidad de materia orgánica. Sin embargo, es posible identificar el componente predominante y asignarles el término básico. Por ejemplo, una arena limosa tiene las propiedades de una arena, con una cantidad importante de limo; un limo orgánico está compuesto prioritariamente por limo, pero contiene una cantidad significativa de materia orgánica.
Se conoce como suelos granulares a las arenas y a las gravas, y como suelos finos a las arcillas y limos. Esta distinción se basa en la visibilidad de las partículas individuales. En laboratorio, los suelos finos y gruesos se separan con la malla Nº200.
2.6.1 Identificación y Descripción de Suelos Finos
En comparación a los suelos finos, los suelos granulares son más fáciles de identificar. La angularidad, forma, color, olor, humedad, consistencia, cementación, estructura, tamaño máximo de partículas y dureza, son las principales características de este tipo de suelos. Los suelos finos para su identificación necesitan de algunos ensayos de campo, para poder diferenciar las arcillas de los limos o de las arenas finas.
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos Suelo de Fundación
A) Reacción a la Agitación o Dilatancia
Una muestra de suelo se amasa formando una bolita, la que debe contener una humedad tal que el agua casi aparezca en la superficie. La muestra preparada se coloca en la palma de la mano y se sacude horizontalmente golpeándola en forma reiterada y fuerte contra la otra mano.
Foto 2.5: Prueba de Dilatancia
El suelo tiene reacción rápida al sacudimiento cuando la pasta cambia de forma y evidencia una superficie brillante (debido a la expulsión de agua). Cuando el suelo tiene reacción rápida al sacudimiento con unos pocos golpes, se puede asegurar que se trata de un limo. Si la reacción del suelo es muy lenta o no hay reacción, se puede concluir que se trata de una arcilla. Para el caso de arenas limpias muy finas la reacción es muy rápida.
Reacciones intermedias dejan una interrogante para identificar el suelo y por ello es necesario recurrir a un ensayo de amasado para despejar la interrogante. Sin embargo, en el caso en que el tipo de suelo fino se pueda definir sólo con el ensayo de dilatancia, es siempre conveniente continuar con el ensayo de amasado que se enuncia a continuación.
B) Ensayo de amasado o de tenacidad
El ensayo de amasado complementa el ensayo de dilatancia. Una pasta de suelo se amasa hasta alcanzar la consistencia de la masilla, luego se forma un bastón de aprox. 3 mm. Este proceso se repite hasta que el contenido de humedad se reduce y la muestra adquiere una consistencia dura. El bastón se rompe en varias partes al ser amasado (foto 2.6).
Foto 2.6: Prueba de tenacidad
