DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

2012 DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO

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LINA MERCEDES MONSALVE ESCOBAR LAURA CRISTINA GIRALDO VASQUEZ JESSYCA MAYA GAVIRIA

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

DISEÑO DE PAVIMENTO FLLEXIBLE Y RIGIDO

LINA MERCEDES MONSALVE ESCOBAR LAURA CRISTINA GIRALDO VASQUEZ JESSYCA MAYA GAVIRIA

PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL

Armenia 2012

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DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO

LINA MERCEDES MONSALVE ESCOBAR – 1094914262 LAURA CRISTINA GIRALDO VASQUEZ – 1094922194 JESSYCA MAYA GAVIRIA – 41954362

REVISADO POR: ING. MARIA ROSA GUZMAN MELENDEZ TITULAR DE LA ASIGNATURA DE PAVIMENTOS

PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL

Armenia 2012

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TABLA DE CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN 2. OBJETIVOS 2.1. Objetivo General 2.2. Objetivos Específicos 3. JUSTIFICACIÓN 4. ALCANCE 5. METODOLOGÍA 5.1. Método AASHTO para el diseño de pavimentos flexibles 5.2. Método racional para el diseño de pavimentos flexibles 5.3. Método de la Portland Cement Association (PCA) 6. MARCO TEÓRICO 6.1. Estudios geotécnicos 6.1.1.Caracterización geotécnica 6.1.1.1. Tamaño de las partículas de suelo 6.1.1.2. Curva de distribución granulométrica 6.1.1.3. Consistencia del suelo 6.1.1.4. Clasificación del suelo 6.2. Pavimentos 6.2.1.Clasificación de los pavimentos 6.3. Diseño Marshall 6.4. Diseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 6.5. Tránsito 6.5.1.Cálculo del tránsito de acuerdo al manual de diseño de pavimentos asfálticos para vías con bajos volúmenes de tránsito (INVIAS) 6.5.1.1. Niveles de tránsito 6.5.1.2. Componentes de tránsito 6.5.1.3. Determinación del nivel de confianza en la proyección del tránsito 6.5.1.4. Conversión de vehículos a ejes equivalentes de 8.2 ton. Factores de daño por tipo de vehículo 6.5.1.5. Tránsito en el carril de diseño en función de ancho de la calzada. Factor direccional (Fd) 6.5.1.6. Tránsito acumulado en ejes equivalentes de 8.2 ton, en el carril de diseño durante el periodo de diseño 6.5.1.6.1. Pronóstico de la componente de tránsito normal 6.5.1.7. Pronóstico de la componente de tránsito atraído 6.5.1.8. Pronóstico de la componente de tránsito generado 6.5.2.Cálculo del tránsito de acuerdo al manual de diseño de pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de tránsito (INVIAS) 6.5.2.1. Factor camión (Fc) 6.5.2.2. Cuantificación del tránsito en una vía 6.5.2.2.1. Tránsito promedio diario (TPD)

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PAG. 10 11 11 11 12 13 14 14 14 15 16 16 16 16 17 18 18 21 22 26 27 28 28 29 30 30 30 31 31 31 34 34 35

38 38 38

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6.5.2.2.2. Periodo de diseño y vida útil 6.5.2.3. Clasificación de las vías 6.5.2.4. Asignación del tránsito según las características y el ancho de la vía 6.5.2.5. Porcentaje de vehículos para el carril de diseño 6.6. Ensayo California Bearing Ratio (CBR) 6.7. Modulo resiliente 6.8. Modulo de reacción de la subrasante 6.9. Modulo dinámico Witczak 6.10. Leyes de Fatiga 7. DESARROLLO PRÁCTICO 7.1. Descripción de la vía 7.2. Estudio de tránsito 7.2.1.Tránsito pavimento flexible 7.2.2.Tránsito pavimento rígido 7.3. Evaluación de suelos 7.3.1.Magnitud del estudio 7.3.1.1. Trabajo de campo 7.3.1.2. Características de los sondeos 7.3.1.3. Perfil estratigráfico 7.4. Caracterización estructura del pavimento 7.4.1.Subrasante 7.4.2.Subbase 7.4.3.Base 7.4.4.Carpeta asfáltica 7.5. Diseño del pavimento flexible 7.5.1.Método AASHTO 7.5.2.Método racional 7.6. Diseño de pavimento rígido 7.6.1.Diseño de pavimento rígido mediante el método PCA 8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 9. ANEXOS

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38 39 39 39 40 41 42 43 44 47 47 48 48 60 68 68 68 68 73 75 75 76 77 78 82 82 89 94 94 100

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LISTA DE TABLAS Tabla 1. Límites de tamaño de suelos separados Tabla 2. Sistema unificado de clasificación; símbolos de grupo para suelos arenosos Tabla 3. Sistema unificado de clasificación, símbolos de grupo para suelos limosos y arcillosos Tabla 4. Niveles de tránsito Tabla 5. Factor daño por tipo de vehículo Tabla 6. Tránsito por adoptar para el diseño según el ancho de la calzada. Factor direccional (Fd) Tabla 7. Valores del parámetro Zr (suponiendo una distribución normal) Tabla 8. Porcentaje de tránsito generado como función del tránsito normal Tabla 9. Máximo peso por eje para los vehículos de transporte de carga Tabla 10. Carga máxima admisible por vehículo Tabla 11. Cargas patrón y exponenciales para el cálculo del Factor de equivalencia Tabla 12. Clasificación de las vías Tabla 13. Porcentaje de vehículos para el carril de diseño Tabla 14. Valores de esfuerzo en la muestra patrón Tabla 15. Clasificación del suelo de acuerdo a los valores de CBR Tabla 16. Periodo de diseño (en años) recomendado Tabla 17. Serie histórica y composición del tránsito promedio diario semanal (TPDS) de la vía Santander de Quilichao – Te de Villa Rica, estación 284 Tabla 18. Camiones de conteo total semanal y distribución porcentual, año 2008 Tabla 19. Factor direccional Tabla 20. Factor carril para vías con diferentes números de carriles Tabla 21. Factor daño por tipo de vehículo Tabla 22. Valores de tránsito equivalente diario Tabla 23. Valores de tránsito equivalente diario calculado Tabla 24. Cálculo de la sumatoria de las diferencias al cuadrado de cada año de la serie histórica y el año medio de dicha serie histórica Tabla 25. Error pronóstico para cada uno de los años del periodo de diseño Tabla 26. Valores del parámetro Zr que asegura el nivel de confianza deseado Tabla 27. Valores de corrección para cada año del periodo de diseño Tabla 28. Ejes equivalentes para todos los años del periodo de diseño con confiabilidad del 90% Tabla 29. Datos históricos de tránsito (estación 284) Tabla 30. Corrección de datos históricos Tabla 31. Tránsito promedio diario semanal (TPDS) calculado Tabla 32. Cálculo de la sumatoria de las diferencias al cuadrado de cada año de la serie histórica y el año medio de dicha serie histórica Tabla 33. Error de pronóstico para cada uno de los años del periodo de diseño Tabla 34. Valores del parámetro Zr que asegura el nivel de confianza deseado

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PAG. 17 19 20 28 30 30 31 34 34 37 38 39 40 41 41 49 51 51 53 53 54 54 56 57 57 58 58 59 59 61 62 63 64 65

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Tabla 35. Valores de corrección para cada año del periodo de diseño Tabla 36. Ejes equivalentes para todos los años del periodo de diseño, con confiabilidad del 90% Tabla 37. Número de repeticiones de carga Tabla 38. Categorías de subrasante Tabla 39. Datos de entrada para el método de la AASHTO Tabla 40. Niveles de confiabilidad recomendada por AASHTO Tabla 41. Capacidad del drenaje para remover la humedad Tabla 42. Valores mi recomendados para modificar los coeficientes estructurales de capa bases y subbases sin tratamiento Tabla 43. Datos para calcular espesores por método AASHTO Tabla 44. Espesores mínimos admisibles para las capas asfálticas y la base granular Tabla 45. Espesores pavimento flexible AASHTO Tabla 46. Características de las capas de la estructura del pavimento asfáltico Tabla 47. Coeficientes de Calage Tabla 48. Características de las capas de la estructura del pavimento asfáltico Tabla 49. Comparación de las deformaciones calculadas con las admisibles Tabla 50. Influencia del espesor de la base en el valor de k Tabla 51. Resistencia que debe alcanzar el concreto

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65 66 67 75 83 83 84 84 87 87 89 89 91 92 94 96 96

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LISTA DE FIGURAS Figura 1. Curvas de distribución del tamaño de partículas (curvas granulométricas) Figura 2. Carta de plasticidad Figura 3. Estructura típica de un pavimento asfáltico (flexible) Figura 4. Estructura típica de un pavimento rígido Figura 5. Estructura típica de un pavimento articulado Figura 6. Esquema de clasificación de vehículos Figura 7. Representación esquemática de los vehículos de transporte de carga más comunes en el país Figura 8. Esquematización de los diferentes tipos de ejes y su carga máxima Figura 9. Porcentaje de camiones en el carril de diseño Figura 10. Esquema de clasificación de vehículos Figura 11. Localización estaciones de conteo. Estación 284 Figura 12. Perfil estratigráfico Figura 13. Nomograma para calcular el coeficiente estructural de la subbase granular Figura 14. Nomograma para calcular coeficiente estructural de la base granular Figura 15. Indice de penetración nomogramas Van Der Poel Figura 16. Temperatura de mezcla Figura 17. Nomograma para el cálculo del modulo de rigidez de la carpeta asfáltica Figura 18. Nomograma para el calculo del modulo de rigidez de la carpeta asfáltica Figura 19. Coeficiente estructural de la carpeta asfáltica Figura 20. Relación entre la clasificación del suelo y los valores de CBR y K Figura 21. Diseño de pavimento rígido espesor 263 (mm) Figura 22. Repeticiones esperadas de ejes simples Figura 23. Repeticiones esperadas de ejes tándem Figura 24. Repeticiones esperadas de ejes tridem

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PAG. 17 21 22 23 23 29 35 36 40 49 50 73 76 77 78 79 80 81 82 95 97 97 98 98

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LISTA DE IMÁGENES

Imagen 1. Ubicación vía de estudio Imagen 2. Vía Santander de Quilichao – Te de Villa Rica Imagen 3. Número estructural Imagen 4. Número estructural carpeta asfáltica (SN1) Imagen 5. Número estructural carpeta asfáltica y base (SN2) Imagen 6. Número estructural carpeta asfáltica, base y subbase (SN3) Imagen 7. Determinación de esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la estructura diseñada Imagen 8. Esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la estructura diseñada Imagen 9. Esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la estructura diseñada Imagen 10. Determinación de esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la estructura diseñada Imagen 11. Esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la estructura diseñada Imagen 12. Esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la estructura diseñada

PAG. 47 48 85 85 86 86 89 90 90 92 93 93

LISTA DE GRÁFICOS

Grafico 1. Variación histórica de autos Grafico 2. Variación histórica de buses Grafico 3. Variación histórica de camiones Grafico 4. Modelos de regresión Grafico 5. Tránsito equivalente diario del periodo de diseño con confiabilidad de 90% Grafico 6. Regresión lineal de la serie histórica del tránsito Grafico 7. Regresión lineal de la serie histórica cde tránsito corregida Grafico 8. Transito equivalente diario del periodo de diseño con confiabilidad de 90%

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PAG. 51 52 52 55 59 61 62 67

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1. INTRODUCCION El Municipio de Santander de Quilichao, está ubicado en Colombia, en el sector Norte del Departamento del Cauca, a 97 Km al norte de Popayán y a 45 Km al Sur de Santiago de Cali, Valle del Cauca Este sector de gran importancia para la comunicación ya que corresponde a una vía indepartamental y municipal, lo que la convierte en una red vial de gran importante para la economía y el desarrollo del país. Para garantizar que la vía ofrezca un nivel de serviciabilidad adecuado que genere bienestar, confort y seguridad tanto al comercio, al turismo y al transporte urbano, es necesaria una vía que se encuentre en buen estado y que se ajuste a las condiciones tanto del tránsito, nivel de importancia y tipo de terreno. Con el objetivo de conseguir una vía que se acomode a las condiciones a la cuales es sometida, se realiza un estudio para el diseño de una pavimento flexible con el método de la AASHTO y el método racional, junto con un estudio de pavimento rígido por el método de la PCA. El presente informe tiene como objetivo mostrar los diseños de los pavimentos rígidos para un periodo de diseño de y flexibles con un periodo de diseño de 20 años, para el municipio Santander de Quilichao con un periodo de diseño, que permitan sustituir el actual pavimento que no presenta condiciones adecuadas. Para esto l se hace necesario un análisis del tránsito proyectado a un periodo de diseño de 20 años con conversión del tránsito a ejes equivalentes , un estudio de geotécnico el cual se hace por medio de una caracterización de los apiques que permiten determinar las condiciones de las subrasante, incluyendo ensayos de consistencia, granulometría, CBR.

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2. OBJETIVOS

2.1. OBJETIVO GENERAL

Diseñar una estructura de pavimento rígido y flexible para 17 Km de la vía que conduce de Santander de Quilichao – Te de Villa Rica. 2.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS  Determinar las condiciones geotécnicas del terreno por medio de ensayos y análisis del suelo.  Por medio de apiques caracterizar la subrasante y las capas del terreno.  Determinar el tipo transito, volumen y las cargas a las que el pavimento será sometido durante el periodo de diseño.  Determinar los espesores de las capas del pavimento, por medio de los diferentes métodos de la AASHTO, método racional, Marshall Shell y PCA  Determinar los materiales del diseño de pavimentos.

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3. JUSTIFICACIÓN El proyecto de diseño de la vía Santander de Quilichao – Te de Villa Rica, se realizara con el fin de mejorar las condiciones de comunicación intermunicipal en el departamento del Cauca, e interdepartamental con el departamento del Valle del Cauca, debido a que es una ruta de gran importancia para el desarrollo económico del departamento.

Una evaluación funcional realizada al pavimento existente en el tramo de vía, hace notoria la necesidad de realizar una evaluación estructural del mismo. De la evaluación estructural se determinó, que la estructura existente presenta elevados índices de deterioro y no posee vida residual; por lo que se recomienda la reconstrucción total, y la realización de un nuevo diseño de pavimento, que proporcione seguridad y comodidad a los habitantes de la zona.

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4. ALCANCE

El proyecto comprende el diseño de la estructura de pavimento para El proyecto comprende el diseño de la estructura de pavimento para 17 Km de la vía que conduce de Santander de Quilichao – Te de Villa Rica.

El diseño consiste en un pavimento flexible por los métodos de la AASHTO y racional, y un pavimento rígido por el método PCA (Portland Cement Association). Los lineamientos que se consideran para el diseño corresponden a los consignados en los manuales de diseño de pavimentos del Instituto Nacional de Vías (INVIAS), para la realización de los estudios de suelos, tránsito y la caracterización de la subrasante.

Para el diseño de la nueva estructura de pavimento no se modifica el diseño geométrico de la vía, ni las características del tránsito de la misma.

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5. METODOLOGÍA

5.1.

MÉTODO AASHTO PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES

El método AASHTO-1993 para el diseño de pavimentos flexibles, se basa primordialmente en identificar un “número estructural (SN)” para el pavimento, que pueda soportar el nivel de carga solicitado. Para determinar el número estructural, el método se apoya en una ecuación que relaciona los coeficientes , con sus respectivos números estructurales, los cuales se calculan con ayuda de un software, (AASHTO 93) el cual requiere unos datos de entrada como son el número de ejes equivalentes, el rango de serviciabilidad, la confiabilidad y el modulo Resiliente de la capa a analizar; esta ecuación se relaciona a continuación:

Donde:

5.2. MÉTODO RACIONAL PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE El método racional consiste en asumir unos espesores para cada una de las capas de la estructura del pavimento. A partir del módulo resiliente y los espesores asumidos, se caracterizan dichas capas. El módulo resiliente se obtiene mediante la siguiente relación:

Donde:

El método racional, al igual que el método de la AASHTO, se apoyan en modelos computacionales, para determinar las deformaciones de la estructura del pavimento ante las cargas de diseño. Para el método racional se usará el DEPAV y se compararán los resultados obtenidos, con las leyes de fatiga.

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5.3. MÉTODO DE LA PORTLAND CEMENT ASSOCIATION (PCA) El propósito de este método al igual que el de los anteriores es determinar los espesores mínimos de pavimento que permiten optimizar costos en una obra. Este método consiste en una hoja de cálculo que reúne una serie de datos para el análisis de la estructura por fatiga y por erosión. El análisis de fatiga se basa en el cálculo de esfuerzos por caga en el borde de las losas y el análisis de erosión se basa en que la deflexión mas critica ocurre en la esquina de la losa.

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6.

MARCO TEÓRICO

6.1. ESTUDIOS GEOTECNICOS Al evaluar un pavimento existente la exploración del suelo y los ensayos de laboratorio realizados a los distintos materiales utilizados en las capas del pavimento juegan un papel muy importante, debido a que éstos proporcionan información de gran valor a la hora de tomar decisiones con respecto al estado en que se encuentran los materiales de la estructura de pavimento. Para la obtención de la información geotécnica básica de las propiedades del suelo, deben efectuarse ensayos de campo y laboratorio que determinen su distribución y propiedades físicas. Una investigación de suelos debe comprender:  Determinación del perfil del suelo: La cual consiste en ejecutar perforaciones en el terreno, con el objeto de determinar la cantidad y extensión de los diferentes tipos del suelo, la forma como estos están dispuestos en capas y la determinación de aguas freáticas. Lógicamente, la ubicación, profundidad y número de perforaciones deben ser tales que permitan determinar toda variación importante de la calidad de los suelos.  Toma de muestras de las diferentes capas de suelos: En cada perforación deberá tomarse muestras representativas de las diferentes capas encontradas. Las muestras pueden ser de dos tipos: Alteradas e inalteradas. En vías se recomienda hacer sondeos con espaciamientos entre 350 y 600 m, teniendo en cuenta las semejanzas del material a partir de uno de los cortes presentes. En general, las muestras obtenidas sirven para determinar las propiedades y clasificación del material extraído valiéndose de los siguientes ensayos:    

Humedad natural Granulometría Limites de consistencia. Humedad Natural

6.1.1. CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA 6.1.1.1.

Tamaño de las partículas de suelos

Los tamaños de las partículas que conforman un suelo, varían en un amplio rango. Los suelos, en general, son llamados grava, arena, limo o arcillas, dependiendo del tamaño predominante de las partículas. La tabla 1 muestra los límites de tamaño de suelo

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separado desarrollados por el Instituto tecnológico de Massachusetts y la Asociación de Funcionarios del Transporte y Carreteras Estatales (AASHTO). Tabla 1. Límites de tamaño de suelos separados

Nombre de la organización Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) Departamento de Agricultura de Estados Unidos (USDA) Asociación Americana de Funcionarios del Transporte y Carreteras Estatales (AASHTO) Sistema unificado de clasificación de suelos (U.S. Army Corps of Engineers; U.S. Bureau of Reclamation; American Society for Testing and Materials) 6.1.1.2.

Grava

Tamaño del grano (mm) Arena Limo

Arcilla

>2

2 a 0.06

0.06 a 0.002

2

2 a 0.05

0.05 a 0.002

3”, con espesor de 0.40m

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Apique 2: El sondeo se realizó a una profundidad comprendida entre los 0.0m y los 1.5m. La estratificación obtenida corresponde a:  Relleno limo arenoso contaminado, de espesor 0.10m  Grava limo arenosa de espesor 0.30m  Material de relleno limo de espesor 0.25m  Limo de espesor 0.85m Apique 3: Sondeo realizado a una profundidad comprendida entre 0.0m y 1.0m, la estratificación obtenida de este sondeo corresponde a:  Capa de relleno con descapote, espesor 0.10m  Base triturada, grava limo arenosa de espesor 0.20m  Grava areno limosa de espesor 0.70m Apique 4: Sondeo realizado a una profundidad entre 0.0m y 1.40m, la estratificación obtenida se describe a continuación:  Capa de descapote, espesor 0.10m  Grava triturada limo arenosa, espesor 0.15m  Grava limosa (material de río), espesor 0.35m  Grava limo arenosa, espesor 0.8m Apique 5: Este sondeo se realizó a una profundidad comprendida entre 0.0m y 1.0m, la estratificación obtenida se muestra a continuación:  Base granular triturada areno limosa, espesor 0.30m  Grava limo arenosa, espesor 0.70m Apique 6: Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.60m, a continuación se describe la estratificación obtenida:  Base granular triturada limo arenosa, espesor 0.30m  Grava areno limosa, espesor 0.30m  Limo, espesor 0.50m

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Apique 7: Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.20m, a continuación se describe la estratificación obtenida:  Carpeta asfáltica, espesor 0.10m  Grava triturada areno limosa, espesor 0.20m  Grava limo arenosa, espesor 0.90m Apique 8: Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.40m, a continuación se describe la estratificación obtenida:  Material orgánico con escombros, espesor 0.20m  Base granular triturada areno limosa, espesor 0.20m  Limo arenosa, espesor 1.0m Apique 9: Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.50m, a continuación se describe la estratificación obtenida:  Capa de relleno, espesor 0.10m  Grava areno limosa con sobre tamaño, espesor 0.70m  Grava limo arenosa, espesor 0.50m Apique 10: Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.50m, a continuación se describe la estratificación obtenida:  Capa de relleno, espesor 0.15m  Grava triturada areno limosa, espesor 0.25m  Grava areno limosa, espesor 0.80m  Limo, espesor 0.30m Apique 11: Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.40m, a continuación se describe la estratificación obtenida:  Descapote, espesor 0.15m  Grava triturada areno limosa, espesor 0.25m  Grava areno limosa, espesor 0.60m  Grava limo arenosa, espesor 0.20m

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

Grava areno limosa, espesor 0.20m

Apique 12: Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.50m, a continuación se describe la estratificación obtenida:  Limo orgánico contaminado, espesor 0.20m  Grava triturada areno limosa, espesor 0.40m  Grava areno limosa (de río), espesor 0.40m  Material meteorizado grava areno limosa, espesor 0.40m  Grava limo arenosa, espesor 0.10m Apique 13: Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 0.80m, a continuación se describe la estratificación obtenida:  Grava limo arenosa (triturada), espesor 0.30m  Grava limo arenosa, espesor 0.50m Apique 14: Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.20m, a continuación se describe la estratificación obtenida:  Grava areno limosa triturada, espesor 0.25m  Grava limo arenosa de río, espesor 0.35m  Material meteorizado grava limo arenosa, espesor 0.20m  Limo, espesor 0.40m Apique 15: Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.50m, a continuación se describe la estratificación obtenida:  Descapote orgánico, espesor 0.15m  Grava triturada areno limosa, espesor 0.25m  Grava areno limosa con sobre tamaño, espesor 0.20m  Grava areno limosa, espesor 0.30m  Arcilla, espesor 0.6m Apique 16: Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.50m, a continuación se describe la estratificación obtenida:

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    

Descapote orgánico, espesor 0.15m Grava areno limosa con sobre tamaño, espesor 0.20m Grava areno limosa, espesor 0.25m Grava areno limosa meteorizada, espesor 0.60m Arcilla, espesor 0.30m Apique 17:

Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.50m, a continuación se describe la estratificación obtenida:  Material orgánico, espesor 0.10m  Grava triturada areno limosa, espesor 0.15m  Grava areno limosa con sobre tamaño, espesor 0.55m  Arcilla, espesor 0.70m Apique 18: Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.25m, a continuación se describe la estratificación obtenida:  Material orgánico, espesor 0.15m  Grava triturada areno limosa, espesor 0.25m  Grava limo arenosa, espesor 0.85m Apique 19: Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.40m, a continuación se describe la estratificación obtenida:  Material orgánico, espesor 0.20m  Grava triturada areno limosa, espesor 0.30m  Grava de río areno limosa, espesor 0.90m Apique 20: Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.60m, a continuación se describe la estratificación obtenida:  Orgánico con gravilla, espesor 0.10m  Grava arcilla arenosa meteorizada, espesor 0.60m  Grava arcilla arenosa, espesor 0.30m  Grava areno limosa, espesor 0.40m  Arcilla, espesor 0.20m Apique 21:

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Profundidad de sondeo comprendida entre 0.0m y 1.20m, a continuación se describe la estratificación obtenida:  Orgánico, espesor 0.05m  Grava triturada areno limosa, espesor 0.45m  Grava areno limosa, espesor 0.70m 7.3.1.3.

PERFIL ESTRATIGRÁFICO

El perfil estratigráfico se hace con el fin de observar los cambios de estratos y suelos presentes a lo largo de toda la vía. El perfil se presenta a continuación: Figura 12. Perfil estratigráfico

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CONVENCIONES Carpeta asfáltica Base granular triturada grava limo arenosa, sin plasticidad, humedad baja, compacidad compacta Grava areno limosa de color café con sobre tamaño >3" humedad baja, compacidad compacta Capa de relleno limo arenoso contaminado de baja plasticidad Material de gravas limo arenoso, color café sin plasticidad. Humedad media a alta, compacidad media a compacta Material de relleno limo de alta plasticidad, con arenas y gravas color rojizo amarillo, humedad menor al límite plástico, Limo de mediana plasticidad con gravas y arenas de color rojizo con vetas negras, humedad natural menor al límite plástico, Capa de relleno con descapote Capa de base triturada grava limo arenosa, sin plasticidad, color gris, humedad baja, compacidad compacta Capa de descapote Grava limo arenosa de color meteorizado, color café con vetas amarillas, sin plasticidad, compacidad compacta Arcilla de alta plasticidad, color negro, humedad cercana al límite plástico, consistencia media Arena limosa con gravas trituradas, sin plasticidad color gris, compacidad compacta Material orgánico con escombros Limo de baja plasticidad con arenas y gravas color café amarilloso, con trazas negras y rojas, humedad mayor al límite Limo de alta plasticidad color café amarilloso con trazas negras, grises y rojas, humedad natural cercana al límite plástico, Material meteorizado arena limosa con gravas sin plasticidad, color con trazas rojas, negras, grises y amarillas, humedad baja, compacidad compacta Grava areno limoso sin plasticidad color negro, humedad baja, compacidad media a compacta Limo de alta plasticidad de color café con vetas negras, humedad natural menor al límite plástico, consistencia media Arcilla de mediana plasticidad, color negro, humedad cercana al límite plástico consistencia firme Grava areno limosa sin olasticidad meteorizado color rojo con vetas rojas, negras, amarillas y blancas, humedad mayor al límite plástico, compacidad compacta Arcilla de mediana plasticidad color café oscuro con vetas amarillas, negras y oxidación, humedad menor al límite plástico, consistencia media Orgánico con gravilla Grava arcilla arenosa de mediana plasticidad, meteorizada color rojizo con vetas rojas, blancas, negras y amarillas, humedad baja, compacidad compacta Arcilla de alta plasticidad color negro con vetas rojas, amarillas y grises, humedad menor al límite plástico, consistencia media

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7.4.

CARACTERIZACIÓN ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO

El buen diseño de la estructura debe garantiza el funcionamiento de la vía, para su diseño se consideran cargas dinámicas estimadas para un periodo de diseño, el cual está relacionado con el nivel de transito, para esto es necesario determinar las características mecánicas de los materiales que cumplan con los parámetros especificados en la parte estructural como funcional ya que debe garantizar al usuario parámetros físicos relacionados con el diseño geométrico y el índice de servicio necesario para su confort y seguridad.

7.4.1. SUBRASANTE De acuerdo al valor obtenido del CBR se tiene una estructura de soporte apta para la estructura de pavimento, para el cálculo del modulo resiliente de esta capa se calcula según el manual de bajos volúmenes de transito INVIAS, tabla 4.4 bajos se debe hacer una corrección del CBR, ya que se presenta un valor muy pequeño. Se toma un valor de acuerdo a la tabla 38 Tabla 38. Categorias de subrasante

Se toma un comportamiento de bueno para la subrasante, obteniendo una categoría de S3 y un valor de 7%

Donde

81

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7.4.2. SUB-BASE Para trabajar el material de la subbase es necesario tomar un CRB de acuerdo a las especificaciones del INVIAS el cual establece, un mínimo de 30%. En nomograma de la AASHTO se entra con el valor escogido del CBR para este caso un CBR: 50% y con este se determina el modulo resiliente del material Figura 13. Nomograma para calcular coeficiente estructurar de la sub-base granular

82

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Para un valor de CBR de 50% en el nomograma se obtiene el valor de modulo resiliente

y un

7.4.3. BASE Para la caracterización el material debe cumplir con las especificaciones de la norma INVIAS; que exige un CBR minimo de 80% el cual debe ser analizado en el nomograma de la ASSHTO y de esta manera obtener el coeficiente a2y modulo resiliente del material. Para este caso se toma un CBR: 80% Figura 14. Nomograma para calcular coeficiente estructurar de la base granular

Del nomograma se obtiene un a2: 0.134 y un modulo resiliente (MR):28400Psi

83

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7.4.4. CARPETA ASFÁLTICA De la caracterización dinámica se tomaron los siguientes datos: T800=53 grados Penetración a 25 grados= 64 0.1mm Figura 15. Índice de penetración nomogramas Van Der Poel



Temperatura de mezclado

Es necesario hallar la temperatura de la mezcla, la cual se obtiene del grafico entrando con los siguientes datos.

84

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Figura 16. Temperatura de mezcla

De la grafica se obtuvo la temperatura de la mezcla que es T: 38°C Módulo de rigidez del asfalto

85

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Figura 17. Nomograma para el cálculo del modulo de rigidez del asfalto

En el nomograma de Van Der Poel se determina un módulo de rigidez del asfalto

Módulo de rigidez de la mezcla asfáltica  % Vol. asfalto 13.8.  % Volumen de agregados (Vg): 95.10 

86

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Figura 18. Nomograma para el cálculo del modulo de rigidez de la carpeta asfáltica

Coeficiente estructural a1 para capas de concreto asfaltico: Se halla el coeficiente estructural a1 en función del Módulo Resiliente del concreto asfaltico

87

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Figura 19. Coeficiente estructural de la carpeta asfáltica

Con base en la grafica se obtiene un valor de variación del coeficiente a1= 0.45 7.5.

DISEÑO DEL PAVIMENTO FLEXIBLE

La estructura del pavimento flexible se conforma por las capas de carpeta asfáltica, base, subbase y subrasante o superficie de apoyo. Los esfuerzos que llegan a la subrasante no pueden ser mayores a los admisibles, de lo contrario se generarían grandes deformaciones que se reflejarían en la capa de rodadura. Los esfuerzos generados por las cargas del tránsito, las solicitaciones a la estructura del pavimento, son distribuidas por la estructura a la subrasante, por ello es importante hacer un diseño que cumpla las especificaciones. Para el diseño del pavimento asfáltico se adoptan las siguientes metodologías: Método racional Método de la AASHTO 93 Leyes de fatiga

7.5.1. MÉTODO AASHTO

88

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El diseño del pavimento flexible se hace usando en primera instancia el método de la AASHTO, como indicador del cálculo final de espesores, por ser este método conservador, lo que significa que los espesores arrojados por el programa son demasiado grandes. La tabla 39 muestra un resumen de los datos de entrada Tabla 39. Datos de entrada para el método de la AASHTO

PERIODO DE DISEÑO EJES EQUIVALENTES Mr BASE Mr SUBBASE Mr SUBRASANTE E MEZCLA ASFÁLTICA ∆PSI 

20 años 59316869.79 28368.728 (Psi) 17480.784 (Psi) 8876.74 (Psi) 5066158.291 4.5-2.0

Cálculo del número estructural (SN):

Para el cálculo de los números estructurales de las capas del pavimento se utilizó el programa de la AASHTO 93. Se debe tener en cuenta como datos de entrada, el nivel de confiabilidad y la desviación estándar. Tabla 40. Niveles de confiabilidad recomendada por AASHTO

De a cuerdo a la clasificación funcional de la vía, se escoge un porcentaje de confiabilidad del 90%, y una desviación de So = 0.49.

89

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Para obtener los valores de los coeficientes m2 y m3, correspondientes a las capas de base y subbase respectivamente, el método de la AASHTO se basa en la capacidad que tiene el drenaje de remover la humedad interna del pavimento. Para la vía Santander de Quilichao – Te de Villa Rica, asumiremos la calidad del drenaje de base y subbase como bueno, es decir, que el agua es removida en un día Tabla 41. Capacidad del drenaje para remover la humedad

En la tabla 41 se observan los valores recomendados para m2 y m3 (bases y subbases sin estabilixar), en función de la calidad del drenaje presentan valores recomendados de m2 y m3 (bases y sub-bases granulares sin estabilizar) en función de la calidad del drenaje y el porcentaje del tiempo a lo largo de un año, en el cual la estructura del pavimento pueda estar expuesta a niveles de humedad próximos a la saturación. Tabla 42. Valores mi recomendados para modificar los coeficientes estructurales de capa bases y sub-bases sin tratamiento.

De acuerdo a la tabla anterior, tenemos que os valore de los coeficientes m2 y m3 equivalen a 1.0, una calidad de drenaje buena y el tiempo al cual está expuesta la estructura del pavimento a niveles de humedad próxima a la saturación es moderada. Para determinar los espesores de las capas individuales se requiere encontrar el número estructural para proteger la capa inferior

90

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Imagen 3. Numero estructural.



Cálculo del número estructural de la carpeta asfaltica (SN1) Imagen 4. Numero estructural carpeta asfaltica (SN1)

91

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

Calculo del numero estructural de la base y la carpeta asfaltica (SN2) Imagen 5. Numero estructural carpeta asfaltica y base (SN2)



Calculo del numero estructural de la sub-base, base y carpeta asfaltica (SN3) Imagen 6. Numero estructural carpeta asfaltica, base y sub-base (SN3)

92

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Para calcular los espesores por el método de la AASHTO, se tienen los siguientes datos: Tabla 43. Datos para calcular espesores por método AASHTO

a1 a2 a3 SN1 SN2 SN3 m2 m3 N

0.45/pulgada 0.134/pulgada 0.125/pulgada 3.82 4.45 5.46 1.0 1.0 59.31x106

A continuación en la tabla 44 se muestran los espesores mínimos admisibles para las capas asfálticas y la base granular Tabla 44. Espesores mínimos admisibles para las capas asfálticas y la base granular

93

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

Espesor de la carpeta asfáltica:

Para calcular el espesor de la carpeta asfáltica se utiliza la siguiente expresión:

De lo anterior, podemos concluir que se cumple con los espesores mínimos establecidos, consignados en la tabla 45

Se corrige el número estructural de la carpeta asfáltica debido a la aproximación del espesor.



Cálculo del espesor de la base

El espesor de la base calculado por el método de la ASSHTO no cumple con el espesor mínimo permitido, por lo que se incrementa hasta 6 (in)

94

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Se corrige el número estructural:



Espesor de la Sub-base

Según el cálculo del espesor de la capa de sub-base se requiere dicha capa, ya que el número estructural SN3 es mayor que SN2 es decir que la resistencia requerida para soportar las cargas y esfuerzos transmitidos por los ejes equivalentes, no la soportan la carpeta asfáltica y la base granular solas necesitan de la sub-base. Según el método de la AASHTO los espesores de las capas de la estructura del pavimento flexible son:

95

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Tabla 45. Espesores pavimento flexible AASTHO

CAPA Carpeta asfáltica Base Sub-base

H (CM) 22 16 17

7.5.2. MÉTODO RACIONAL Partiendo de los datos de la caracterización de las capas de la estructura del pavimento, tales como CBR, módulos resilientes (Mr) y modulo dinámico de la mezcla, se calculan los esfuerzos y deformaciones de la carpeta asfáltica (esfuerzos por tracción) y en la subrasante (esfuerzos por compresión), mediante el uso del software DEPAV. Los resultados obtenidos se muestran a continuación: Tabla 46. Características de las capas de la estructura del pavimento asfaltico

CAPA

E (Kg/cm2)

μ

H (cm)

Carpeta asfáltica

356898.9

0,35

15

Base Subbase Subrasante

1998.51 1231.48 624.66

0.35 0,35 0.45

20 30

Imagen 7. Determinación de esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la estructura diseñada.

96

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Imagen 8. Esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la estructura diseñada

Imagen 9. Esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la estructura diseñada

Cálculo de los esfuerzos admisibles

97

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Para calcular las deformaciones admisibles para la estructura del pavimento obtenida se utilizan las leyes de fatiga: 

Deformación admisible en la carpeta asfáltica

Donde:

Numero acumulado de ejes de 8.2 toneladas en el carril de diseño, Durante el periodo de diseño.

Tabla 47. Coeficientes de Calage

Los valores obtenidos para los coeficientes de calage son:    Por lo tanto, reemplazando en la ecuación: ξrCA =(0.856x13.8+1.08)x(3.5x1010)-0.36x(50154532.88/8.25)-0.2

98

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ξrCA= 1.438x 10-4



Deformación admisible para la subrasante

En la tabla 48 se muestran los espesores finales de cada una de las capas del pavimento flexible, que cumplen con las deformaciones unitarias admisibles Tabla 48. Características de las capas de la estructura del pavimento asfaltico 2 CAPA E (Kg/cm ) μ H (cm) Carpeta asfáltica 356898.9 0.35 5 Base 1998.51 0.35 15 Sub-Base 1231.48 0.35 20 Sub-Rasante 624.66 0.45

Imagen 10. Determinación de esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la estructura diseñada

99

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Imagen 11. Esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la estructura diseñada

Imagen 12. Esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la estructura diseñada

100

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En la tabla 49 se comparan los resultados de esfuerzos y deformaciones obtenidos por el DEPAV y se comparan con las deformaciones admisibles arrojadas por las leyes de fatiga Tabla 49. Comparación de las deformaciones calculadas con las admisibles.

DEFORMACIONES CALCULADAS 1.35 x 10-4 2.48 x 10-4

DEFORMACIONES ADMISIBLES 1.44x 10-4 2.49 x10-4

ξCalculadas 300. Tabla 51. Resistencia que debe alcanzar el concreto

Se realiza el diseño de pavimentos rígidos por el método de la PCA, esto se hace con los valores obtenidos anteriormente. BS-PCA DISEÑO DE PAVIMENTOS RIGIDOS PCA 

El primer paso es ingresar los datos con los que se cuenta

103

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Figura 21. Diseño pavimento rígido espesor 263 (mm)

Se proceden a ingresar las cargas por eje y sus respetivas repeticiones, tanto para eje simple como para tándem y tridem Figura 22. Repeticiones esperadas de ejes simples

104

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Figura 23. Repeticiones esperadas de ejes tandem

Figura 24. Repeticiones esperadas de ejes tridem

105

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Se obtiene un consumo total de esfuerzo de 0%, y un consumo total de erosión de 98.14% De lo anterior se determina un diseño de pavimento rígido con una resistencia K del apoyo de 61 Mpa, un espesor de la losa de 263mm (26.3cm) y un modulo de rotura de la losa de 4.5 Mpa

106

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8. 

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

La estructura diseñada con el programa DEPAV dio como resultado

Estructura Capeta Base Sub-base Sub-rasante

Modulo resiliente (E) 356898.9 1998.1 1231.48 624.66

Relacion de Poisson 0.35 0.35 0.3 0.45

Espesores (cm) 5 15 20 ---

Comparando sus resultados con el AASHTO-93 el cual arrojo los siguientes resultados Estructura Espesores (cm) Carpeta Asfáltica 22 Base 16 Sub-base 17



Para el análisis del tránsito se tuvo en cuenta un periodo de diseño de 20 años para pavimento flexible y 30 años para pavimento rígido. En cuanto al diseño de pavimento flexible se determino que el numero de ejes equivalentes de 8.2 toneladas (Eje simple de rueda doble) que demandara la vía para su diseño es de 59316869.74, y para el pavimento rígido se analiza la repetición de cargas de los vehículos comerciales teniendo que la repetición de carga de un eje simple es de 144408578.7 y para un eje tándem las repeticiones es de 62054835.68 y repeticiones esperadas de ejes tridem es de 11216377.35.



De los 21 apiques y análisis de suelos se tiene que el suelo característico es grava areno limosa con presencia de arcillas cuyo valor de CBR sumergido fue de 1.5% y un CBR sin sumergir de 2.15%, por lo tanto se recomienda el retiro de este material por un material con un valor de CBR mayor que pueda soportar la estructura del pavimento y las cargas dinámicas del tránsito vehicular.

107

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

El diseño del pavimento rígido se realizo mediante la metodología del PCA, en el cual se conjugan las características físico-mecánicas de la capa de soporte y la relación de los vehículos comerciales para obtener el factor carga, como resultado se tiene un diseño de pavimento rígido conformado por una placa de concreto de 26.3 (cm) de espesor.

108

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9.

BIBLIOGRAFÍA



BRAJA M. Das. Fundamentos de Ingeniería Geotécnica. Editorial Thomson Learning. California State University of Sacrament. Copyright international S.A 2001.



Manual de diseño para transito de bajos volúmenes INVIAS.



Manual para la inspección de pavimentos flexibles. Bogotá D.C. Octubre de 2006 .



Pavement condition index (PCI), para pavimentos asfalticos y de concreto en carreteras, Manizales Abril de 2006.



Memorias de clase: Ing Hugo Leon Arenas Lozano.



Memorias de clase: Julia Eugenia Ruiz.



Memoria de clase: Ing. Fernando Sánchez Sabogal.

109

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10. ANEXOS

110

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10.3. ANEXO 1: CBR De los apiques se obtiene los CBR tanto sumergidos como no sumergidos. CBR SIN SUMERGIR

CBR SUMERGIDO

1.9 2.4 2.5 2.6 2.7 2.9 3.1 3.2 3.6

1.3 1.7 1.8 2.1 2 2 2.2 2.1 2.8

APIQUE 15 APIQUE 16 APIQUE 17 APIQUE 20 APIQUE 6 APIQUE 14 APIQUE 10 APIQUE 8 APIQUE 9

CBR SIN SUMERGIR

1 2 3 4 5 6 7 8 9

valor de CBR

# MUESTRAS CBR >=

% MUESTRAS CON VALORES

1.9 2.4 2.5 2.6 2.7 2.9 3.1 3.2 3.6

9 8 7 6 5 4 3 2 1

100% 89% 78% 67% 56% 44% 33% 22% 11%

De acuerdo al número de 8.2 Ton de carril de diseño normal en este caso

N 8.2 ton carril de diseño normal

59,316,869.74

Con este valor se va a la tabla y donde se calcula el valor de diseño con el cual se entra a la grafica y se obtiene el CBR.

111

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CLASE

NIVEL DE TRAFICO

VALOR DISEÑO

LIVIANO MEDIANO

N=10^6 Rep. 8.2 T

87.5%

120%

100%

Título del eje

80%

60% CBR 40%

20%

0% 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

Título del eje

De la grafica anterior se obtiene un CBR para condiciones sin sumergir de 2.15%.

valor de CBR 1 2 3 4 5 6 7

CBR SIN SUMERGIDO # MUESTRAS % MUESTRAS CBR >= CON VALORES

1.3 1.7 1.8 2 2.1 2.2 2.8

9 8 7 6 4 2 1

112

100% 89% 78% 67% 44% 22% 11%

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

120%

100%

Título del eje

80%

60% BCR SUMERGIDO 40%

20%

0% 0

0.5

1

1.5

2

Título del eje

113

2.5

3

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ANEXO 2: Marshall Introducción

El diseño de las mezclas bituminosas se realiza mediante procedimientos empíricos de laboratorio y requiere las experiencias en campo para determinar si el análisis es correcto. El método empírico más utilizado en el diseño de mezclas asfálticas es el diseño Marshall, esta técnica fue desarrollada por Bruce Marshall quien depuro y adiciono ciertos aspectos a las propuestas de Marshall a punto de que el método fue normalizado como ASTM 1559. En esta técnica se determina el porcentaje óptimo de betún y los ensayos se dirigen solo a determinar las propiedades mecánicas de los materiales y en un futuro las del pavimento, garantizando las proporciones volumétricas de los componentes para tener unos rangos adecuados para una mezcla durable. El pavimento asfaltico puede tener una vida útil de hasta 20 años siempre que se tenga un adecuado control tanto en la dosificación, construcción y mantenimiento de todos los elementos que componen la estructura del pavimento.

114

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OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Determinar el contenido óptimo de asfalto para una mezcla específica de agregados pétreos mediante el método Marshall de diseño de mezclas asfálticas (ASTM D 1559).

OBJETIVOS ESPECÍFICOS 

Determinación de la granulometría de los agregados pétreos finos, gruesos y llenante mineral (INV 213 – 215).



Determinación del índice de aplanamiento y alargamiento de los agregados para carreteras (INV 230).



Determinación del equivalente de arena de suelos y agregados finos (INV 133).



Determinar la gravedad específica y absorción de agregados gruesos (INV 223).



Determinación de la resistencia de la mezcla asfáltica en caliente empleando el aparato Marshall (Ensayos a las briquetas INV 748).

115

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GENERALIDADES Los pavimentos son estructuras construidas por capas de diversos materiales seleccionados, superpuestas colocadas y compactadas sobre la superficie del terreno. La estructura de un pavimento está construida especialmente para la circulación del tráfico automotor por lo que es una solución económica y eficaz. En Colombia la construcción de carreteras se inicio prácticamente hacia 1930 y la pavimentación de vías hacia 1945. Existen tres clases de pavimentos, dependiendo del material de construcción y la forma como recibe y controlan las cargas: 

Flexible: La superficie se apoya sobre una o mas capas que ayudan a soportar las cargas. Proporcionan una superficie de rodadura muy confortable para el usuario de la vía.



Articulado: construido con adoquines, que se colocan sobre una capa de arena. Esta se apoya sobre una capa granular o directamente sobre la subrasante.



Regido: se compone de una losa de concreto hidráulico colocadas sobre una o varias capas de material seleccionado. La capacidad estructural depende casi totalmente de la losa.

Los

asfaltos

están

compuestos

fundamentalmente

por

asfaltenos

que

proporcionan las características estructurales y de dureza el asfalto, por resinas que asumen las propiedades cementante y/o aglutinantes, y por aceites que aportan una adecuada consistencia y trabajabilidad. Los asfaltos están compuestos en gran parte por hidrocarburos de consistencia semisólida a temperatura ambiente, pero pueden ser más fluidos a medida que incrementa su temperatura.

116

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MARCO TEORICO

El marco conceptual referente para la realización de los respectivos ensayos y características de los diversos materiales empleados son las correspondiente normas del Instituto Nacional de Vias INV o sus equivalentes ASTM (Ver Anexos), por lo cual para efectos del presente documento se presentará a grandes rasgos los conceptos fundamentales a considerar para un diseño por el método Marshall.

El contenido óptimo de asfalto para un material de carpeta es la cantidad de asfalto que forma una membrana alrededor de las partículas, de espesor suficiente para resistir los elementos del intemperismo evitando que el asfalto se oxide con rapidez. Por otro lado, no debe ser tan gruesa como para que la mezcla pierda estabilidad, es decir, deformación excesiva por flujo plástico o resistencia y no soporte las cargas de los vehículos. El método consiste en ensayar una serie de probetas, cada una preparada con la misma granulometría y con diferentes contenidos de asfalto. El tamaño de las probetas es de 2.5 pulgadas de espesor y 4 pulgadas de diámetro. Dichas probetas se preparan siguiendo un procedimiento específico para calentar el asfalto y los agregados, mezclar y compactar. Las probetas preparadas con el método se rompen en la prensa Marshall, determinado su estabilidad (resistencia) y deformación. Si se desean conocer los porcentajes de vacíos de las mezclas así fabricadas, se determinarán previamente los pesos específicos de los materiales empleados y de las probetas compactadas, antes del ensayo de rotura.

117

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Definiciones

Vacíos en el Agregado Mineral (VMA): Es el volumen ocupado por el asfalto efectivo y los vacíos atrapados entre los agregados recubiertos, se expresa como un porcentaje del volumen total de la muestra. Asfalto efectivo (Pbe): Es el contenido de asfalto total de la mezcla menos la porción de asfalto que se pierde por absorción dentro de la partícula de agregado. Vacíos de aire (Va): Es el volumen de aire atrapado, entre las partículas de agregado recubierto por asfalto, luego de la compactación. Vacíos llenos con asfalto (VFA): Es el volumen ocupado por el asfalto efectivo ó el porcentaje de vacíos en el agregado mineral, VMA, ocupado por asfalto.

Donde: Vma = Volumen de vacios en el agregado mineral Vmb = Volumen bulk de la mezcla compactada Vmm = Volumen de la mezcla suelta

118

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Vfa = Volumen de vacíos llenos con asfalto Va = Volumen de vacíos de aire Vb = Volumen de asfalto Vba = Volumen de asfalto absorbido Vsb = Volumen de agregado mineral (para gravedad específica bulk) Vse = Volumen de agregado mineral (para gravedad específica efectiva).

PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS DE MEZCLAS ASFÁLTICAS

Se listan todas las mediciones y cálculos necesarios para el análisis de vacíos:

a) Medir la gravedad específica bulk del agregado grueso y del agregado fino. b) Medir la gravedad específica del cemento asfáltico. c) Calcular la gravedad específica bulk de la combinación de agregados en la mezcla. d) Medir la Gravedad Específica Teórica Máxima de la mezcla suelta. e) Medir la Gravedad Específica Bulk de la mezcla compactada. f) Calcular la Gravedad Específica Efectiva del Agregado. g) Calcular la Gravedad Específica Teórica Máxima de la mezcla para otros contenidos de asfalto h) Calcular el porcentaje de asfalto absorbido por el agregado, Pba. i) Calcular el contenido de asfalto efectivo de la mezcla, Pbe. j) Calcular el porcentaje de vacíos de la mezcla compactada, VMA. k) Calcular el porcentaje de vacíos de aire en la mezcla compactada, V a l) Calcular el porcentaje de vacíos llenos con asfalto.

119

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Ecuaciones A Emplear

Densidad

Determinación De Masa

Determinación De Volúmenes

120

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ENSAYOS DE LABORATORIO REALIZADO A LOS MATERIALES

Acorde con las normativas nacionales, a los materiales precursores de la mezcla asfáltica se les realizaran los siguientes ensayos:

ENSAYOS A LOS AGREGADOS Análisis Granulométrico (INV 213-07, INV 215-07)

121

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Índice de Alargamiento Y Aplanamiento (INV 227-07, INV 230-07)

122

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Gravedad específica y absorción de agregado grueso (INV 223-07)

123

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124

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Equivalente de arena de agregados finos (INV 133-07)

125

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126

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

Ensayo de equivalencia de arenas 33-07 del INVIAS

127

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

Ensayo de desgaste de en la máquina de los ángeles INV. E 218-07

128

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129

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

130

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DISEÑO MEZCLA ASFALTICA

DETERMINACION DE LAS TEMPERATURAS DE MEZCLA Y COMPACTACION

La temperatura de los agregados deberá superar en 20°C a la del cemento asfaltico durante la mezcla, la Planta de Ingeniería de Vías proporciona los valores de mezcla de los agregados con el cemento asfaltico siendo la temperatura para el cemento asfaltico de 148ºC y la temperatura de los agregados de 168ºC. DETERMINACION DE LAS PROPORCIONES DE MEZCLA

Según la Norma Invias se tiene unas gradaciones ideales de los materiales pétreos integrantes de una mezcla asfáltica MDC-2, los materiales que se tiene para el diseño de la mezcla no cumplen por si solos, estos deben ser mezclados en las proporciones ideales para que la curva granulométrica se encuentre entre el rango permitido. Realizando un ensayo por tanteo a continuación se muestran los porcentajes de cada agregado que cumplen dentro de los límites de las especificaciones:

131

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En la grafica se puede observar que la línea azul y roja son los límites de la especificación para una mezcla MDC-2, mientras que la línea verde es la gradación de los materiales combinado en el porcentaje indicado en tabla anterior que son de 28% para grava triturada, 55% de agregado intermedio, 14% de arena natural y 3% de llenante.

Estos porcentajes de material se deben convertir a peso para ser mezclados en laboratorio en las cantidades exactas para ello se debe descontar del 100% de la mezcla el porcentaje de asfalto que se desea incorporar y con el porcentaje restante se obtiene las nuevas proporciones de acuerdo al porcentaje de cada material, considerando que por investigaciones y experiencia de laboratoristas e ingenieros que el peso por cada briqueta es de 1200 g, los pesos de cada material por briqueta se presentan a continuación:

ENSAYOS SOBRE LAS PROBETAS COMPACTADAS

En el método de ensayo Marshall cada muestra compactada se somete a los siguientes ensayos en el orden indicado: a) Determinación del peso especifico “bulk” b) Ensayo de estabilidad y flujo c) Análisis de densidad y vacios

132

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DETERMINACION DEL PESO ESPECÍFICO BULK DE LAS PROBETAS COMPACTADAS

El peso especifico bulk de una probeta compactada es la relación entre su peso en el aire y su volumen incluyendo los vacios permeables. Si la probeta tiene una textura superficial densa e impermeable, su peso especifico bulk se determina sencillamente mediante la expresión:

Donde, Wa= Peso de la probeta seca en el aire Ww= Peso de la probeta e el agua Wss= Peso en el aire de la probeta saturada y superficialmente seca

Luego de realizar los ensayos a las briquetas elaborados se obtuvo la siguiente información: Con los datos obtenidos calculamos el peso específico BULK

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DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Vía Aeropuerto EL EDEN

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ENSAYO DE ESTABILIDAD Y FLUJO Los resultados de las briquetas ensayadas son:

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Calculo de volumétricos

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DISEÑO MEZCLA ASFALTICA METODO MARSHALL

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SELECCIÓN DEL PORCENTAJE ÓPTIMO DE ASFALTO

Para la selección del porcentaje óptimo de asfalto ingresamos a

la grafica

volúmenes de vacios Vs Porcentaje de asfalto, con un % de vacios del 4% y seleccionamos el contenido optimo de asfalto. Una vez determinado el porcentaje optimo de asfalto ingresamos al resto de las demás graficas que se relacionan a continuación y se obtiene la formula de trabajo.

Grafica Volumen de vacios Vs % Asfalto

De esta grafica tenemos un % de asfalto Pb=5.6%

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Grafica Densidad bulk Vs % Asfalto

Grafica Vacios en los agregados Vs % Asfalto

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Grafica Estabilidad Vs % Asfalto

Grafica Flujo Vs % Asfalto

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Grafica % Vacios Llenos de Asfalto Vs % Asfalto

ANÁLISIS DE RESULTADOS FORMULA DE TRABAJO

De las graficas anteriores determinamos la formula de trabajo, cuyos resultados son:

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Características

Cumplimiento para >5*106

Compactación, golpes/caras

si

Estabilidad minima KG

si

Flujo mm

si

Vacios con aire: Capa de rodadura% base asfáltica % Vacios minerales:

minimos

en

Gradacion

si

agregado MDC1%, no

Gradacion MDC2, Gradacion MDC3 Vacios llenos de asfalto

no

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Digrama de faces Gse

2.7830318

Mm

2.49

Mb

0.13944

Ms

2.35056

Vse

0.84460408

Vsb

0.95105016

Vb

0.13803207

Vba

0.10644609

Vbe

0.03158599

Va

0.01736385

Mbe

0.03190816

Mba

0.10753184

Cont. Aire

1.73638516

VAM

4.89498387

Vbe+va

0.04894984

VFA

64.5272546

Cont. Asf. Efect. 1.28145237 Cont. Asf. Absor.

4.57473265

Den. Esp. Téor. Máx.

2.534

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8.0 CONCLUSIONES



La combinación de agregados propuesta no cumple con la dosificación, ya que el rango de material llenante o filler es del 9% se considera que es un porcentaje muy alto para este material.



Uno de los posibles procedimientos que llevaron a que esta propuesta de dosificación no fuera adecuado es el instrumentos de laboratorio para realizar el baño maría de las briquetas ya que este se realiza de una manera muy artesanal sin garantizar la temperatura constante de las briqueta.



Otra justificación al comportamiento de este ensayo es que las variables son difícil de controlar ya que la manipulación del material por un gran numero de personas puede ocasionar diferencia en el protocolo y alterar resultados.

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

Se presenta la totalidad de los datos obtenidos en laboratorio ya que sin ellos no se puede hacer una correcta verificación de los valores obtenidos en la formulación de trabajo de la mezcla.



El laboratorio de solides no se anexa en este documento por factores de demora.



El volumen de asfalto a usar es de 13.8 cm3



El volumen de agregado es de 95.10cm3

El porcentaje de vacios optimo que dio por el método Marshall fue de %5.6

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