MATERIAL DE PRÉSTAMO

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1 CAPITULO 3: MATERIAL DE PRÉSTAMO 3.1 Introducción Los agregados empleados en la construcción de carreteras, deben cumplir con requisitos de granulometría y especificaciones técnicas, que garanticen un buen comportamiento durante su periodo de vida. En este capítulo se cubrirá el tema de la granulometría y calidad de agregados que conformarán las capas de afirmado, sub base y base. Durante los últimos 10 años se han desarrollado nuevas tecnologías y criterios para el diseño de mezclas asfálticas, variando los criterios del diseño de mezclas, pero los métodos de evaluación de calidad de los agregados no se ha modificado. Las especificaciones granulométricas de las carpetas asfálticas, se verán con detalle en el capítulo correspondiente, donde se tratará de los tipos de mezclas asfálticas. Sin embargo, en este capítulo se consideran los ensayos de calidad de agregados para carpetas asfálticas. 3.2 Especificaciones Técnicas de : Afirmado, Sub Bases y Bases Granulares. Mezclas de Suelos y Agregados Especificaciones Granulométricas Los materiales granulares que conformaran las capas de afirmado, sub base y base, deben cumplir con rangos granulométricos especificados por el MTC. La gradación es una de las más importantes propiedades de los agregados. Este afecta casi todas las propiedades importantes de una mezcla asfáltica en caliente, incluyendo dureza, estabilidad, durabilidad, permeabilidad, trabajabilidad, resistencia a la fatiga, resistencia al rozamiento, y resistencia a la humedad. De esta manera, la gradación es la primera consideración en un diseño de mezclas asfálticas. Teóricamente, es razonable pensar que la mejor gradación sea la densa o bien gradada; sin embargo, recientes investigaciones han demostrado que las mezclas del tipo Stone Mastic Asphalt, SMA, tienen un mejor comportamiento cuando están sometidas a la acción de tráfico pesado, en zonas de altura. Las especificaciones granulométricas vigentes en el Perú son las Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras EG-2000, del Ministerio de S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

2 Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construcción, Oficina de Control de Calidad. En la tabla 3.1 se listan los rangos máximos y mínimos para materiales de afirmado. En la figura 3.1 se grafican los rangos especificados. Tabla 3.1: Huso Granulométrico para Afirmado Muestra Afirmado (% que pasa) Tamiz Abertura (mm) A-1 A-2 2" 50, ½ " 25, ,0 ¾ /8" 9, Nº4 4, Nº10 2, Nº40 0, Nº200 0, Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras EG- 2000, Ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construcción, Oficina de Control de Calidad 3" 2" 3/4" Huso Granulométrico para Afirmados Nº4 Nº A-2 A % acumulado que pasa Abertura (mm) Figura 3.1: Rangos Granulométricos para Materiales de Afirmado, Sub-base y Base Granulares (MTC) Las especificaciones técnicas para rangos granulométricos de materiales de sub base y base, son los mismos. Las normas ASTM D 1241 las especifican bajo el título Standard Specification for Materials for Soil-Aggregate Subbase, Base and Surface Courses, ésta S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 31

3 norma fue revisada por última vez en El Ministerio de Transportes y Comunicaciones la hizo suya y las consideró dentro de las especificaciones emitidas en el año La tabla 3.2 muestra las especificaciones granulométricas para materiales de sub base y base granular. En la figura 3.2 se muestran las especificaciones gráficamente. Tabla 3.2: Huso para Sub-Base y Base Granular Porcentaje que pasa en peso Tamiz Abertura (mm) Gradación A (1) Gradación B Gradación C Gradación D 2" 50, " 25, /8" 9, Nº4 4, Nº10 2, Nº40 0, Nº200 0, Standard Specification for Materials for Soil-Aggregate Subbase, Base and Surface Courses. ASTM D (Reapproved 1994); y Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras EG-2000, Ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construcción, Oficina de Control de Calidad: (1) la curva gradación A deberá emplearse en zonas con altitud mayor o igual a 3000 m.s.n.m Calidad de Agregados Para verificar la calidad de un determinado banco de materiales, estos deben ser sometidos a ensayos de suelos, debiendo cumplir con las especificaciones técnicas emitidas por el Ministerio de Transportes y Comunicaciones EG Los materiales que serán empleados como material de afirmado o sub base podrá ser agregado natural, triturado o una combinación de ambos. Los agregados para bases deberán ser chancados. Todos los agregados utilizados como afirmados, sub base y base serán resistentes, sin exceso de partículas chatas o alargadas, no podrán presentar terrones de arcilla ni materia orgánica. Los ensayos a los que están sometidos los suelos son: Abrasión Los Angeles, Equivalente de Arena, ensayo de proctor modificado, CBR asociados a la máxima densidad seca y al óptimo contenido de humedad del proctor, partículas chatas y alargadas, caras de fractura, sales solubles y contenido de impurezas orgánicas. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 32

4 Huso Granulométrico para Sub Bases y Bases Granulares 3" 2" 3/4" Nº4 Nº200 B A % acumulado que pasa Abertura (mm) Rango Granulométrico para Sub Bases y Bases Granulares 3" 2" 3/4" Nº4 Nº200 D C % acumulado que pasa Abertura (mm) Figura 3.2: Rangos granulométricos para materiales de sub base y base granulares (MTC) Las muestras al llegar al laboratorio se separan, porque serán ensayadas para que verifique diferentes requisitos de calidad. En la tabla 3.3 se muestra en resumen, los ensayos a los que están sometidas las muestras que conformarán las capas de afirmado, sub base, base o carpeta de rodadura. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 33

5 Tabla 3.3: Ensayos de Calidad de Agregados ENSAYOS Sub base Base Granular Afirmado Asfalto Piedra Arena Análisis Granulométrico por Tamizado Límites de Consistencia Equivalente de Arena Peso específico y Absorción Peso unitario suelto Peso unitario varillado Abrasión Proctor Modificado CBR Porcentaje de caras fracturadas % de partículas chatas y alargadas Contenido de impurezas orgánicas Contenido de sales solubles totales Adherencia (entre mallas Nº3/8" y ¼") Riedel Weber (según norma a emplear) Durabilidad En la tabla 3.4 se listan las especificaciones técnicas que deben cumplir los materiales que serán usados como afirmado, sub base y base Suelos Estabilizados Las normas del Ministerio de Transportes y Comunicaciones considera dentro de sus especificaciones a los suelos estabilizados con cemento y cal, se harán un breve resumen de ambas combinaciones. a) Estabilizados con Cemento El material a estabilizar con cemento podrá ser A-1, A-2, A-3, A-4, A-5, A-6 y A-7, con tamaño máximo de 2 y no mayor de 1/3 del espesor de la capa compactada. En la tabla 3.5 se muestran las especificaciones del agregado que será estabilizado con cemento. El cemento con que será estabilizado el suelo será portland, el cual deberá cumplir con la Norma Técnica Peruana NTP , Norma AASHTO M85 ó ASTM C 150. El cemento que podrá ser empleado es el denominado Tipo I o cemento portland normal. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 34

6 Tabla 3.4: Especificaciones Técnicas para Materiales empleados en Construcción de Carreteras Ensayo Norma Afirmado <3000 msnm Límite Líquido, % Indice Plástico, % Abrasión Los Angeles, % Equivalente de arena, % CBR al 100% de la M.D.S. y 0.1 de penetración Pérdida con Sulfato de Sodio, % Pérdida con Sulfato de Magnesio, % Indice de Durabilidad Caras de fractura, % 1 cara fracturada 2 caras fracturadas Partículas chatas y alargadas, % Relación 1/3 (espesor/longitud) Sales Solubles Totales, % ASTM D 4318 MTC E 110 ASTM D 4318 MTC E 111 ASTM C 131 MTC E 207 ASTM D 2419 MTC E 114 ASTM D 1883 MTC E 132 ASTM C 88 MTC E 209 ASTM C 88 MTC E 209 Sub base granular 3000 msnm 35% máx 25% máx 25% máx Base granular <3000 msnm 3000 msnm Agregado grueso Agregado fino Agregado grueso Agregado fino 4 a 9 6% máx 4% máx 4% máx 2% máx 50% máx 50% máx 50% máx 40% máx 40% máx 20% min 25% min 35% min 35% min 45% min 40% mín 40% mín 40% mín Tráfico ligero a medio: 80% mín Tráfico pesado: 100% mín 12% máx 18% máx MTC E % min 35% min ASTM D 5821 MTC E 210 ASTM D 4791 MTC E 211 ASTM D 1888 MTC E % mín 40% mín 80% mín 50% mín 20% máx 20% máx 15% máx 15% máx 1% máx 1% máx 0.5% máx 0.5% máx 0.5% máx 0.5% máx Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras EG-2000, MTC, OCC Tabla 3.5: Especificaciones de Agregado que será Estabilizado con Cemento Ensayo Norma Agregado Agregado grueso Fino Límite Líquido, % ASTM D-4318; MTC E % máx Indice Plástico, % ASTM D-4318; MTC E % máx Abrasión Los Angeles 1, % ASTM C-131; MTC E % máx Pérdida con Sulfato de Sodio 1, % ASTM C 88; MTC E % máx 10% máx Contenido de sulfatos, SO 4, en peso 1 en caso el suelo forme parte de una capa estructural. Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras EG-2000, MTC, OCC. 0.2% máx S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 35

7 La mezcla suelo-cemento se diseña mediante los ensayos de resistencia a compresión simple y humedecimiento-secado (normas MTC E 1103 y MTC E 1140). En ensayos de compresión simple, la resistencia no debe ser menor de 1.76 MPa (18 kg/cm 2 ) luego de 7 días de curado húmedo. Para el ensayo humedecimiento-secado, el contenido de cemento deberá ser tal, que la pérdida de peso de la mezcla compactada, no supere los siguientes límites de acuerdo con la clasificación que presente el suelo por estabilizar: Suelo por estabilizar Pérdida Máxima (%) A-1, A-2-4, A-2-5, A-3 14 A-2-6, A-2-7, A-4, A-5 10 A-6, A-7 7 b) Estabilizados con Cal El terreno de fundación se estabiliza con cal por diferentes razones: para agilizar la construcción, en el tratamiento de suelos expansivos y para proporcionar una cimentación fuerte a la estructura del pavimento. Un suelo estabilizado con cal puede ser rígido y durable, mejorando el comportamiento del pavimento. La incorporación de cal a suelos de gradación fina como las arcillas origina que los cationes de la superficie de arcilla sean sustituidos por los de óxido de calcio, incrementando el ph y alterando la mineralogía de la superficie de las moléculas de arcilla. Esta alteración reduce la capacidad de la arcilla para absorber agua y por lo tanto reduce su expansión y plasticidad, mejorando su estabilidad. Se debe incorporar cal al suelo y mezclar, agregar agua durante el mezclado. El suelo debe encontrarse dentro de ±2% del óptimo contenido de humedad previo a la compactación. La compactación debe realizarse dentro de los 30 minutos posteriores al mezclado final. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 36

8 Los suelos que serán estabilizados con cal deberán cumplir con las especificaciones de la tabla 3.6, los suelos no deben tener mas del 3% en peso de materia orgánica. El tamaño máximo del agregado grueso que contenga el suelo no debe ser mayor de 1/3 del espesor de la capa compactada de suelo-cal. Tabla 3.6: Especificaciones de Agregado que será Estabilizado con Cal Ensayo Norma Agregado grueso Agregado fino Indice Plástico, % ASTM D-4318 MTC E a 50% Abrasión Los Angeles 1, % ASTM C-131 MTC E % máx Pérdida con Sulfato de Sodio 1, % ASTM C 88 MTC E % máx 10% máx 1 en caso el suelo forme parte de una capa estructural Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras EG-2000, MTC, OCC La cal que se empleo para estabilizar bases de suelo-cal puede ser cal hidráulica y debe satisfacer los requisitos establecidos en la especificación AASHTO M 216 o ASTM C 977. La aplicación de la cal puede variar entre 2 y 8% en peso de los materiales. Cuando la mezcla de suelo-cal sea usada como parte de una capa estructural, el CBR de la mezcla deberá cumplir con las especificaciones citadas para materiales de sub base y base. c) Mezclas de Suelos y Agregados La combinación de agregados es un tema conocido por todo los estudiantes de ingeniería, los métodos son diversos, entre ellos se encuentran la dosificación de los agregados por peso y por métodos gráficos. Se dará a continuación un ejemplo del método gráfico del cuadrado, para combinación de dos agregados. Ejemplo: Combine los agregados A y B para que cumplan con las especificaciones: Porcentaje que pasa Tamiz Nº 3/4" 3/8" Nº4 Nº10 Nº40 Nº80 Nº200 Agregado A Agregado B Especificaciones S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 37

9 1. Se traza un cuadrado ABCD, sobre cuyos lados se marcan los porcentajes de 0 a 100 de izquierda a derecha en el lado AB y viceversa en el lado CD. Ver figura Sobre AD se marcan los porcentajes de uno de los agregados y sobre BC los porcentajes del otro. 3. Se unen con una línea continua los extremos correspondientes a un mismo tamiz, escribiendo sobre esta línea el tamiz al que corresponde. Sobre estas líneas se grafican pequeños cuadrados que representan los límites superior e inferior de las especificaciones 4. Se unen los cuadrados de los límites superiores (a, b, c,...) y luego los cuadrados de los límites inferiores (a, b, c,...). 5. El espacio que une los cuadrados más cercanos (a y b )representa el margen de porcentajes entre los cuales se puede hacer la combinación de los dos materiales. 6. Para el ejemplo puede variar (a) entre 70% del agregado B más 30% del agregado A; y (b ) de 35% del agregado B más 65% del agregado A. 3.3 Ensayos de calidad de agregados Todos los agregados que conformen alguna de las capas de la estructura del pavimento, deberán cumplir con las especificaciones de la tabla 3.4. Los ensayos considerados verifican cierta característica de los agregados, en este libro se describe las razones por las que se consideran en las especificaciones. Si el lector está interesado en conocer el procedimiento de ensayo, puede revisar el Manual de Laboratorio Ensayos para Pavimentos Volumen I, de S. Minaya y A. Ordoñez, primera edición, publicada por el Departamento de Mecánica de Suelos de la Universidad Nacional de Ingeniería, Ensayo de Abrasión por medio de la Máquina de Los Ángeles ASTM C-131, MTC E 207 Los agregados deben ser capaces de resistir el desgaste irreversible y degradación durante la producción, colocación y compactación de las obras de pavimentación, y sobre todo durante la vida de servicio del pavimento. Debido a las condiciones de esfuerzo-deformación, la carga de la rueda es transmitida a la superficie del pavimento a través de la llanta como una presión vertical aproximadamente uniforme y alta. La estructura del pavimento distribuye los esfuerzos de la carga, de una máxima intensidad en la superficie hasta una mínima en la subrasante. Por esta razón los agregados que están en, o cerca de la superficie, como son los materiales de base y carpeta asfáltica, deben ser más resistentes que los agregados usados en las capas inferiores, sub base, de la estructura del pavimento, la razón se debe S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 38

10 Combinación Gráfica de dos agregados 100% 90% 80% Granulometría Agregado B 70% 60% 50% 40% 30% c b a 3/8" Nº4 Nº10 b c a Granulometría Agregado A 20% Nº40 10% d Nº80 d Nº200 0% Porcentajes Figura 3.3: Combinación de dos agregados por el método del cuadrado S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

11 a que las capas superficiales reciben los mayores esfuerzos y el mayor desgaste por parte de cargas del tránsito. Por otro lado, los agregados transmiten los esfuerzos a través de los puntos de contacto donde actúan presiones altas. El Ensayo de Abrasión de Los Ángeles, ASTM C-131 ó MTC E 207, mide básicamente la resistencia de los puntos de contacto de un agregado al desgaste y/o a la abrasión. El porcentaje de desgaste se calcula como la diferencia del peso inicial menos el peso final de la muestra ensayada, entre el peso inicial. Pinicial Pfinal % desgaste = 100 Pinicial Ensayo de Durabilidad, Pérdida con Sulfato de Sodio o Magnesio ASTM C 88 ó MTC E 209 Es el porcentaje de pérdida de material en una mezcla de agregados durante el ensayo de durabilidad de los áridos sometidos al ataque con sulfato de sodio o sulfato de magnesio. Este ensayo estima la resistencia del agregado al deterioro por acción de los agentes climáticos durante la vida útil de la obra. Puede aplicarse tanto en agregado grueso como fino. El ensayo se realiza exponiendo una muestra de agregado a ciclos alternativos de baño de inmersión en una solución de sulfato de sodio o magnesio y secado en horno. Una inmersión y un secado se consideran un ciclo de durabilidad. Durante la fase de secado, las sales precipitan en los vacíos del agregado. En la reinmersión las sales se rehidratan y ejercen fuerzas de expansión internas que simulan las fuerzas de expansión del agua congelada. El resultado del ensayo es el porcentaje total de pérdida de peso sobre varios tamices para un número requerido de ciclos. Los valores máximo de pérdida son aproximadamente de 10 a 20% para cinco ciclos de inmersión-secado. Foto 3.1: Ensayo de durabilidad S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 40

12 3.3.3 Porcentaje de Partículas Chatas y Alargadas. ASTM D-4791; MTC E 211 Se ha demostrado en un sin número de investigaciones, que el exceso de partículas chatas y alargadas, pueden perjudicar el comportamiento de la estructura del pavimento. La carga proveniente del tráfico puede quebrar las partículas y modificar la estructura original. Se denomina partícula chata cuando la relación ancho/espesor es mayor de 1/3; y alargada cuando la relación largo/ancho es mayor de 1/ Porcentaje de Caras Fracturadas ASTM D-5821; MTC E 210 Algunas especificaciones técnicas contienen requisitos relacionados al porcentaje de agregado grueso con caras fracturadas con el propósito de maximizar la resistencia al esfuerzo cortante con el incremento de la fricción entre las partículas. Otro propósito es dar estabilidad a los agregados empleados para carpeta o afirmado; y dar fricción y textura a agregados empleados en pavimentación. La forma de la partícula de los agregados puede afectar la trabajabilidad durante su colocación; así como la cantidad de fuerza necesaria para compactarla a la densidad requerida y la resistencia de la estructura del pavimento durante su vida de servicio. Las partículas irregulares y angulares generalmente resisten el desplazamiento (movimiento) en el pavimento, debido a que se entrelazan al ser compactadas. El mejor entrelazamiento se da, generalmente, con partículas de bordes puntiagudos y de forma cúbica, producidas, casi siempre por trituración Ensayo de Equivalente en Arena ASTM D 2419; MTC E 114 Este método de ensayo asigna un valor empírico a la cantidad relativa, finura y características del material fino presente en una muestra de ensayo formado por suelo granular que pasa el tamiz Nº4 (4.75 mm). El término Equivalente de Arena transmite el concepto que la mayoría de los suelos granulares y agregados finos son mezcla de partículas gruesas, arenas y generalmente finos. Para determinar el porcentaje de finos en una muestra, se incorpora una medida de suelo y solución en una probeta plástica graduada que luego de ser agitada separa el recubrimiento de finos de las partículas de arena; después de un período de tiempo, se pueden leer las alturas de arcilla y arena en la probeta. El equivalente de arena es la relación de la altura de arena respecto a la altura de arcilla, expresada en porcentaje. Este método proporciona una manera rápida de campo para determinar cambios en la calidad de agregados durante la producción o colocación. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 41

13 Foto 3.2: Ensayo Equivalente de Arena Sales Solubles Totales ASTM D 1888; MTC E 219 El objetivo de este ensayo es cuantificar el contenido de cloruros y sulfatos, solubles en agua, de los agregados pétreos empleados en bases y mezclas bituminosas. Este método sirve para efectuar controles en obra, debido a la rapidez de visualización y cuantificación de la existencia de sales. Una muestra de agregado pétreo se somete a continuos lavados con agua destilada a ebullición. La presencia de sales, se detecta mediante reactivos químicos, los cuales, al menor indicio de sales forman precipitados fácilmente visibles. Del agua total de lavado, se toma una parte y se procede a cristalizar para determinar la cantidad de sales presentes. 3.4 Ensayos para Cuantificar el Comportamiento Mecánico de las Capas que conforman la Estructura del Pavimento Los materiales que conformaran las capas de afirmado, sub base y base deberán ser ensayados con el método de proctor modificado para determinar su máxima densidad seca y el optimo contenido de humedad. Con estos valores se prepararan especimenes remoldeados para el ensayo de CBR. El CBR asociado al 95% de la máxima densidad será el CBR de diseño para cada capa. Se debe recalcar que el CBR asociado a la máxima densidad seca, es un método que se recomienda usar sólo en el caso de material de cantera (afirmado, sub base y base) o en subrasantes granulares. No se recomienda emplear este método en subrasantes finas. S. MINAYA & A. ORDOÑEZ 42