PROYECTO: VIA DE ACCESO PACHO CUNDINAMARCA

Transcripción

1 DISEÑO BASE GRANULAR ESTABILIZADA CON EMULSION ASFÁLTICA Y CEMENTO SHELL COLOMBIA SA MV-INF PROYECTO: VIA DE ACCESO PACHO CUNDINAMARCA MACROVIAS SAS. BOGOTÁ, AGOSTO DE 2011 VERSION 0

2 Tabla de contenido INTRODUCCIÓN EQUIPO GENERAL MUESTRAS PARA EL DISEÑO DEL PROYECTO Características de los materiales Emulsión Asfáltica SPRAMUL CRL Agregados DESARROLLO DEL DISEÑO DE MATERIAL RECICLADO ESTABILIZADO Procedimiento del ensayo Dosificación de los Materiales Contenido Teórico de Emulsión Método Duriez Método Instituto del Asfalto Porcentaje de Emulsión Shell CRL-1 por añadir Determinación de la cantidad de agua óptima de envuelta RESULTADOS OBTENIDOS ANÁLISIS DE RESULTADOS CALCULO DE LA CANTIDAD DE EMULSIÓN POR METRO CUBICO DE MATERIAL RECICLADO REGISTRO FOTOGRÁFICO Y EQUIPOS UTILIZADOS EN LOS ENSAYOS ENSAYO DE MASA UNITARIA MÁXIMA Y HUMEDAD OPTIMA (PROCTOR MODIFICADO NORMA INV.- E ENSAYO DE RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN SIMPLE DE MEZCLAS BITUMINOSAS NORMA INV-E GRAVEDAD ESPECÍFICA BULK Y DENSIDAD DE MEZCLAS ASFÁLTICAS COMPACTADAS NO ABSORBENTES EN ESPECÍMENES SATURADOS Y SUPERFICIE SECA. NORMA INV-E INMERSIÓN DE ESPECÍMENES INV-E

3 7 CONCLUSIONES RECOMENDACIONES LISTADO DE TABLAS Y FIGURAS Tabla: 1 Características de la Emulsión... 4 Tabla : 2 Dosificación Material Reciclado... 5 Tabla : 3 Análisis del material existente... 6 Tabla: 4 Cálculo de Superficie Específica... 8 Tabla : 5 Cuantías por metro cúbico de material compacto Tabla: 6 Cuantías por metro cúbico de material suelto Figura: 1 Representación Grafica de la Gradación... 6 Figura: 2 Calculo Humedad de Preenvuelta... 9 Figura: 3 Resumen de Resultados ` 2

4 DISEÑO DE BASE ESTABILIZADA EMULSIÓN ASFÁLTICA Y CEMENTO PORTLAND A PARTIR DE MATERIALES RECICLADOS INTRODUCCIÓN El presente diseño de material granular estabilizado con emulsión asfáltica y cemento portland se realizó para la compañía SHELL DE COLOMBIA SA.y se utilizará en el proyecto Zipaquira Pacho por solicitud de la compañía UT VIAS DE CUNDINAMARCA. El material estabilizado con emulsión y cemento está constituida por el 100 % entre material granular existente y material de fresado existente en la vía de acceso en Pacho Cundinamarca, el cual es clasificado a 11/2. Para el diseño se siguió la metodología propuesta en el Manual de utilización de emulsiones Asfálticas en carreteras, y las especificaciones que para tal fin tiene el I.N.V. en el artículo de las normas de construcción vigentes. El efecto del agua sobre la resistencia a la compresión de las mezclas asfálticas compactadas (ensayo de inmersión-compresión), mide la pérdida de resistencia a la compresión que se produce por acción del agua sobre las mezclas asfálticas compactadas preparadas con cementos asfálticos. Este material proveniente de apiques efectuados en vía, se mezclara con emulsión asfáltica Tipo CRL -1 y cemento portland. Se le determinará la densidad bulk, humedad absorbida, vacíos totales, resistencia seca y resistencia conservada. Para la determinación del porcentaje de emulsión y cemento para la dosificación en obra, se realizarán briquetas en laboratorio, siguiendo el procedimiento de ensayo INV-E-748 anexo A (Efecto del agua sobre la cohesión de mezclas asfálticas elaboradas en frio con emulsión asfáltica). Mediante este procedimiento se obtiene un contenido ideal de emulsión, el cual mejorará las características del material existente que se utilizará en la obra, (en este caso, material de reciclado de las capas existentes en vía). 3

5 1 EQUIPO GENERAL Moldes tipo Inmersión compresión de 101.6mm, (4 ) de alto por 101.6mm, (4 ) de diámetro, pistón de compactación, bandejas, horno, baño maría, termómetro, balanza digital, prensa hidráulica de carga uniaxial, según norma INV MUESTRAS PARA EL DISEÑO DEL PROYECTO Para la realización del diseño en laboratorio se recibieron muestras de material proveniente de los diferentes apiques realizados a lo largo del tramo a intervenir y entregado en las instalaciones de MACROVIAS SAS, el cual se mezclará en las proporciones determinadas con emulsión asfáltica de rompimiento lento tipo SPRAMUL CRL-1y cemento portland, suministrado por el cliente. 2.1 Características de los materiales Emulsión Asfáltica SPRAMUL CRL-1 Dentro del diseño de la base estabilizada se utilizó Emulsión Asfáltica Shell CRL-1, con un contenido de asfalto residual del 60% y tiempos de curado medidos en laboratorio de 72 horas, presentando buena adherencia y altos valores de resistencia mecánica. Las características de esta Emulsión son: Emulsion Shell CRL-1 INV. Art ANÁLISIS RESULTADO ESPECIFICACIÓN MÉTODO % DE AGUA EN VOLUMEN % 43.0 %Max. ASTM D 244 % DE ASFALTO RESIDUAL 59.15% 57.0 %Min. ASTM D 244 VISCOSIDAD S.S.F(25 C) sg. 200 Max. ASTM D 244-D 88 RETENIDO TAMIZ No. 20 CUMPLE < 0.1 % ASTM D 244 SEDIMENTACIÓN A 5 DÍAS 1.67% 5.0 % Max. ASTM D 244 CARGA DE LA PARTÍCULA (+) POSITIVA ASTM D244 ph Max. D.G.N C 276 Ensayos sobre el residuo ANÁLISIS RESULTADO ESPECIFICACIÓN MÉTODO PENETRACIÓN 103 mm/10 Min 100 Max. 250 ASTM D 5 DUCTILIDAD >105 cm. 40 Min. ASTM D 113 PTO. DE ABLANDAMIENTO 52 C Min.42 máx. 54 ASTM D 36 Tabla: 1 Características de la Emulsión 4

6 2.1.2 Agregados Al Laboratorio de MACROVIAS SAS, fue remitida una muestra, de material reciclado seleccionado a 1 ½ y tomado en la vía de acceso del municipio de Pacho Cundinamarca, al cual se le realizaron los procedimientos normales de caracterización para materiales de carreteras. Presentando las siguientes características: 3 DESARROLLO DEL DISEÑO DE MATERIAL RECICLADO ESTABILIZADO 3.1 Procedimiento del ensayo 3.2 Dosificación de los Materiales Del material recibido, se toma una muestra para realizar ensayos de gradación norma INV-E-123, límites de consistencia norma INV-E-125 y INV-E-126, y porcentaje de humedad INV-E-122. Para el diseño del material existente estabilizado con Emulsión-Cemento se usó el 100% del material reciclado en la vía y seleccionado a 2 presentando las siguientes características: Granulometría: 100 % Material Granular existente en la vía Clasificado a 2 Tamiz 1 1/2 1 3/4 3/ Tamaño %pasa Norma Tabla: 2 Dosificación Material Reciclado 5

7 Figura: 1 Representación Grafica de la Gradación Humedad natural (%) 3.3 Limite líquido (%) NL Limite plástico (%) NP Índice de plasticidad (%) NP Índice de grupo 0 Clasificación A.A.S.H.T.O A-1-b Clasificación U.S.C.S GM % de gravas % de arenas 34.1 % de finos 14.5 Proctor modificado (gr/cm3) 2,050 Humedad óptima (%) 7.6 % de Asfalto residual 1.8 Peso unitario suelto seco (gr/cm3) Peso Unitario Apisona (gr/cm3) Tabla: 3 Análisis del material existente 6

8 3.3 Contenido Teórico de Emulsión Se determina a través de las fórmulas de Dr. Duriez y del Instituto del Asfalto Método Duriez Determina el porcentaje de emulsión con base en la superficie específica del material. Determinación de la superficie específica del material con base en la granulometría: Donde: FSE: Factor de superficie especifica. : Diámetro de tamiz superior en mm. : Diámetro de tamiz inferior en mm. Donde: SE: Superficie específica. K: Factor Riqueza (entre 3.0 a 3.5). Determinación del porcentaje de asfalto residual según formula del Dr. Duriez: E 1 = [(K*(SE) 0.2 ]/L 7

9 Tabla: 4 Cálculo de Superficie Específica E 1 =([(3*(23.59) ]/0.6) E 1 = 6.4% Método Instituto del Asfalto Para la determinación de la cantidad necesaria de emulsión se emplea la siguiente expresión: E 2 = (0.035*A+0.045*B + k*c+f)) Dónde: A= retenido No. 10 B= pasa No 10 Pasa.No200 C= pasa 200 E 2 = 6.37% E 2 = (0.035*( )+0.045*( )+(0.15*14.5)+1) 3.4 Porcentaje de Emulsión Shell CRL-1 por añadir 8

10 Expresada como porcentaje en relación con el peso de los agregados. Et = (((E 1 +E 2 )/2)*100)/ 100- ((E 1 +E 2 )/2))) - % de Asfalto en el fresado Et = ((( )/2)*100)/(100-( )/2))) Et = 6.82 % 3.5 Determinación de la cantidad de agua óptima de envuelta Se determina la cantidad óptima de agua y densidad máxima del material granular existente según norma INV-E-142 Proctor Modificado. Figura: 2 Calculo Humedad de Preenvuelta 9

11 Con el porcentaje óptimo teórico de la emulsión se procede a realizar el ensayo de recubrimiento, el cual consiste en el cálculo de la humedad de preenvuelta mediante la ecuación utilizada para el cálculo teórico de los fluidos de compactación CTF. % ω Proctor modificado = %ω nat+%ω preenvuelta+% ω emulsión % ω preenvuelta = %ω proctor modificado - %ω nat - %ω emulsión Con el valor del porcentaje óptimo de emulsión teórico se realiza una serie de seis (6) briquetas, variando 1% y 2% por abajo y por encima del % óptimo de emulsión teórico. (Et) Se obtiene un peso de aproximadamente 1700 gramos de la mezcla de material existente, a los cuales se le adiciona un 4.6% de emulsión la cual debe estar a una temperatura menor a 50 grados Celsius, se le agregó el porcentaje de agua de acuerdo al óptimo de recubrimiento realizado anteriormente el cual fue de 2.46% para un total de agua en la mezcla de 7.6%. Luego se procede a mezclar el material con 3% de cemento y se adiciona la emulsión, se compactan las briquetas siguiendo el procedimiento y equipo necesario según la norma INV-E-738 anexo A, numeral A.4.5, estas se dejan curar a temperatura ambiente en el molde durante 24 horas, esto se realiza hasta preparar 6 briquetas por cada porcentaje de emulsión. Lo anteriormente mencionado se realizó con los siguientes porcentajes de emulsión, 2.0%, 3.0%, 4.0%, 5.0%, y 6.0%. Después se dividen en dos grupos de 3 briquetas por cada % de emulsión El periodo de curado consiste en dejar el primer grupo por 14 días al aire a 25 C con una humedad relativa del 50 %, el segundo grupo se dejan curar por 7 días al aire y luego se someten a inmersión por 7 días a una temperatura ambiente. Se completa el diseño de la mezcla, se realizan los siguientes ensayos y análisis con los datos obtenidos de la muestras compactadas: Gravedad especifica Bulk, a los 7 días de curado, según norma INV-E

12 Resistencia a la compresión de las muestras secas a 25.0 C después del periodo de curado, según norma INV-E-738, anexo A numeral A.5.2. Resistencia a la compresión a 25.0 o C de las muestras después de 7 días de inmersión, según norma INV-E-738, anexo A numeral A.5.2. Análisis de densidad y vacíos y humedad de absorción durante el ensayo de inmersión. Luego de obtener los datos de laboratorio se procede a realizar las siguientes graficas: Densidad bulk vs contenido de asfalto residual. Índice de resistencia conservada vs porcentaje de asfalto residual. Resistencia a la compresión seca y húmeda vs contenido de asfalto residual. Porcentaje de humedad absorbida vs contenido de asfalto residual. Porcentaje de vacíos totales vs contenido de asfalto residual. Después de realizar los cálculos y graficas se determina el porcentaje óptimo de asfalto residual, teniendo en cuenta la densidad bulk y el índice de resistencia conservada. 4 RESULTADOS OBTENIDOS De acuerdo al diseño realizado en laboratorio se obtuvieron los siguientes resultados: 4.1 Superficie Específica m2/kg PORCENTAJE DE EMULSIÓN % Emulsión = 4.6% HUMEDAD DE PREENVUELTA %Preenvuelta= 7.6% - 3.3% - (4.6 * 0.40) % Figura No 1.Curvas de diseño Inmersión-Compresión %Preenvuelta= 2.46% 11

13 Vacios Totales % Indice de Resisitencia conservada Humedad Absorbida % Resistencia humeda Kg/cm2 Densidad Bulk seca lb/pie3 RESISITENCIA SECA Kg/cm2 NIT: ANÁLISIS DE RESULTADOS. Resultados del diseño inmersión compresión DENSIDAD GRUPO PROBETAS SECAS DENSIDAD GRUPO PROBETAS HUMEDAS Y SECAS 34,00 32,00 30, ,80% 2,80% 3,80% 4,80% 5,80% % DE EMULSION 28,00 26,00 24,00 22,00 20,00 18,00 16,00 14,00 1,50% 2,50% 3,50% 4,50% 5,50% 6,50% % EMULSION 017 5,90% 5,70% 5,50% 5,30% ,10% 4,90% 4,70% # DIV/0! ,50% 2,00% 2,50% 3,00% 3,50% 4,00% 4,50% 5,00% 5,50% 6,00% % DE EMULSION 003 1,00% 2,00% 3,00% 4,00% 5,00% 6,00% % DE EMULSION 10,00 9,60 9,20 8,80 8,40 8,00 7,60 7,20 6,80 6,40 6,00 5,60 5,20 4,80 4,40 4,00 3,60 3,20 2,80 2,40 2,00 1,50% 2,50% 3,50% 4,50% 5,50% 6,50% 56,0 54,0 52,0 50,0 48,0 46,0 44,0 42,0 40,0 38,0 36,0 34,0 32,0 1,50% 2,00% 2,50% 3,00% 3,50% 4,00% 4,50% 5,00% 5,50% 6,00% 6,50% % DE EMULSION % DE EMULSION Figura: 3 Resumen de Resultados 12

14 Parametros medidos en la mezcla. RESULTADOS DE DISEÑO. Tolerancia MIN (-0.5%) Optimo de emulsiòn. 4,5% Tolerancia Max (+0.5%) Densidad Bulk lbs/pie3 2,251 2,255 2,254 Esfuerzo en estado seco kg/cm2 20,0 20,0 20,0 Esfuerzo en estado humedo kg/cm2 15,0 16,5 17,0 Indice de resisitencia conservada, en % 75,0 82,5 85,0 Tabla No 1: Valores obtenidos con el % óptimo de emulsión En los resultados de la tabla No 3, se observa que con el 4.6% de emulsión (+/ - 0,50%) se obtiene un índice de resistencia conservada superior al 75% requerido en el artículo del INVIAS. 13

15 5.1 CALCULO DE LA CANTIDAD DE EMULSIÓN POR METRO CUBICO DE MATERIAL RECICLADO CUANTIAS POR METRO CUBICO DE MATERIAL COMPACTO Cantidad de emulsión en porcentaje 4,60 Cantidad de cemento en porcentaje 3,00 Humedad de Preenvuelta en porcentaje 2,46 Masa unitaria compacta del material 1,632 Cantidad de emulsion en Kg por m3 75,1 Cantidad de cemento en kg por m3 49,0 Cantidad de agua en litros por m3 40,1 Tabla : 5 Cuantías por metro cúbico de material compacto CUANTIAS POR METRO CUBICO DE MATERIAL SUELTO Cantidad de emulsión en porcentaje 4,60 Cantidad de cemento en porcentaje 3,00 Humedad de Preenvuelta en porcentaje 2,46 Masa unitaria compacta del material 1,507 Cantidad de emulsion en Kg por m3 69,3 Cantidad de cemento en kg por m3 45,2 Cantidad de agua en litros por m3 37,1 Tabla: 6 Cuantías por metro cúbico de material suelto 14

16 6 REGISTRO FOTOGRÁFICO Y EQUIPOS UTILIZADOS EN LOS ENSAYOS. 6.1 ENSAYO DE MASA UNITARIA MÁXIMA Y HUMEDAD OPTIMA (PROCTOR MODIFICADO NORMA INV.- E ENSAYO DE RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN SIMPLE DE MEZCLAS BITUMINOSAS NORMA INV-E

17 6.3 GRAVEDAD ESPECÍFICA BULK Y DENSIDAD DE MEZCLAS ASFÁLTICAS COMPACTADAS NO ABSORBENTES EN ESPECÍMENES SATURADOS Y SUPERFICIE SECA. NORMA INV-E INMERSIÓN DE ESPECÍMENES INV-E

18 7 CONCLUSIONES Porcentaje óptimo de emulsión SPRAMUL CRL-1 respecto al peso seco de los agregados: 4.6 % Humedad total de prehumectación 2.46% referido al peso seco de los agregados. La cantidad de cemento por metro cúbico suelto es: 45.2 kg/m 3. La cantidad de emulsión por metro cúbico suelto es: 69.3 l/m 3. Resistencia seca (Rs) 29 kg/cm 2 20 kg/cm 2. Resistencia Húmeda (Rh) 15.5 kg/cm 2 15kg/cm 2. Resistencia Conservada (Rc =15.5/20* 100)= 78.0% 75%. La dosificación de los materiales es 100 % material granular existente a 1½. Esta dosificación cumple con la norma I.N.V. (Instituto Nacional de Vías) artículo determinada para este tipo de trabajos. El diseño descrito se realizó con Emulsión SPRAMUL CRL-1 y cemento Pórtland tipo 1 que cumple las condiciones exigidas para estos trabajos. El proceso de estabilización consistirá en la mezcla del material al cual se le adiciona la emulsión y el cemento, para así construir una capa de base estabilizada. 8 RECOMENDACIONES Se sugiere mantener control sobre la Granulometría, de la mezcla ya que ésta proviene de materiales de heterogénea composición. Se recomienda asegurar el porcentaje óptimo de agua preenvuelta para una adecuada distribución de la emulsión. 17

19 Es aconsejable compactar la mezcla hasta el 98% de la densidad máxima de Laboratorio. Se sugiere imprimar la base estabilizada, con emulsión concentrada al 50% en rendimiento de 1 l/m 2. Se recomienda un período de curado para la base estabilizada mayor a dos días; luego imprimar la superficie y proceder a colocar las capas Asfálticas; esto con el fin de lograr evacuar el agua presente en el material y asegurar la mayor densificación. Con los anteriores datos se comenzarán los trabajos en el campo y se harán los ajustes que se requieran. Al material reciclado en vía, se le realizaron los ensayos de granulometría por lavado y tamizado, límites de consistencia y proctor modificado, siguiendo los parámetros establecidos en las normas INV-E-123, INV-E-125/126 e INV-E.142 del Instituto Nacional de Vías INVIAS. El diseño deberá ser controlado de acuerdo con lo solicitado en la especificación del artículo 461 del Instituto Nacional de Vías. Se hace necesario aclarar que las gráficas de humedad absorbida y los porcentajes de vacíos totales reportadas en el anexo no son parámetros de evaluación en este diseño, se relacionan como un dato para observar el comportamiento en la mezcla. El valor obtenido en los resultados de laboratorio es característico de los materiales que el contratista suministro al laboratorio. Se determinó un porcentaje de agua de pre envuelta del 3.20%, con el cual se logra el recubrimiento óptimo del material granular existente), previo a la adición de la emulsión a la mezcla con el fin de lograr un mejor recubrimiento de la emulsión con el material. Es importante realizar una verificación de la humedad natural del material antes de realizar la adición del agua de preenvuelta y la emulsión. Los resultados del presente informe fueron obtenidos en LABORATORIOS de MACROVIAS SAS, la información técnica y las recomendaciones dichas en el presente 18

20 informe son producto de la experiencias, investigaciones y practicas llevadas a cabo en el laboratorio y en los campos de aplicación técnica, sin embargo y debido a que el manejo y la aplicación se encuentran absolutamente fuera de nuestro control, MACROVIAS SAS no garantiza resultados que se obtengan ni asume responsabilidad alguna del uso indebido que se dé a los mismos. Quedamos atentos a cualquier aclaración o sugerencia al respecto. Cordialmente, JUAN CARLOS ESPINOSA R Gerente Técnico Anexos: Resultado de los ensayos y medio magnético Copia Archivo 19