Propiedades Físicas y Mecánicas de los Elementos del Pavimento: Ingeniero. Johannes Briceño, MSc

Repaso clasificación de los suelos: Método sistema unificado de clasificación de los suelos (SUCS). Método AASHTO. Método F.A.A (Agencia Federal de Aviación). f( granulometría, limites Atterberg) .

SUCS  Edificaciones, Obras Hidráulicas y Carreteras. AASHTO  Carreteras. FAA  Aeropuertos 1)SUB-RASANTE Ó TERRENO DE FUNDACION (SR): Comprenden los últimos centímetros del material de corte o relleno del movimiento de tierra que sirve de soporte a la estructura del pavimento. FUNCION: • Proporcionar un valor de soporte mínimo a la estructura del pavimento, de forma tal, que limite las deflexiones a valores tolerables.

Tránsito bajo → últimos 15 – 30 cm. • Proporcionar un soporte continuo sin asentamientos significativos ni diferenciales. • Interesa estudiar: Tránsito bajo → últimos 15 – 30 cm. Tránsito medio → últimos 30 – 45cm. Tránsito alto → últimos 45 – 60cm. Sin embargo para autopistas ó vías importantes se estudia hasta 2m y en aeropuertos hasta 3m.

Propiedades: A) Debe ser resistente, ya que, cualquier deformación de la SR afecta las capas superiores. B) Debe ser uniforme, se deben evitar los cambios bruscos. C) Poca susceptibilidad al agua: se limita el hinchamiento (H< 3%) para evitar los cambios bruscos de volumen al entrar en contacto con el agua que se traduce en deformaciones en las capas superiores.

CBR ≤ 3% → Subrasante mala, por lo que, hay que sustituirla ó mejorarla. 𝐶𝐵𝑅 𝑆𝑅 = 10% → SR Buena. 𝐶𝐵𝑅 𝑆𝑅 = 5% → SR Regular. 𝐶𝐵𝑅 𝑆𝑅 ≤ 3% → SR Mala.

2)Material Seleccionado(MS): Es un material de préstamo cercano a la obra, es de mejor calidad que la sub-rasante, pero de menos ó igual calidad que una sub-base, debe cumplir con ciertos requisitos mínimos de %P200, limites de consistencia, índice de grupo y CBR, el MS sirve de filtro para que la SB no se mezcle con la SR.

Propiedades: CBR → (5-20)%. P200 → Máx 50%. LL →45% Máx. IP → 15% Máx. IG → 4% Máx. HINCH → H≤ 3%.

3) Base: Capa de material ubicada debajo de la capa de rodamiento, los materiales tienen que ser de alta calidad. Bases Naturales Bases Asfálticas Bases Estabilizadas → suelo-cal. suelo-asfalto. suelo-cemento. grava-cemento. grava-emulsión.

Propiedades: CBR: Tráfico liviano → ≥ 60%. Tráfico pesado → ≥ 80% Propiedades: CBR: Tráfico liviano → ≥ 60%. Tráfico pesado → ≥ 80%. 4) Sub-base: Sirve para impedir que las deformaciones de la SR se reflejen en la superficie del pavimento. Evita que los finos de la SR contaminen la base.

Propiedades: Material → gravas y arenas no tratadas con tamaño máximo de 2,5”. P200 →(5-20)%. LL →25% Máx. IP →6% Máx. IG → -- HINCH → ≤3%. Partículas planas y alargadas → < 20%. Desgaste los ángeles (dureza) → < 50%. CBR(Tráfico liviano) → > 40%. CBR(Tráfico pesado) → > 60%.

Construcción: El material se extiende a lo largo y ancho de la vía, se compacta en capas de 15 a 20 cm de espesor a ωopt y ﻻdmax. Materiales utilizados en la construcción de bases y sub-bases: Suelos no tratados (NT). Materiales Tratados : Suelo + aditivo, materiales granulares + aditivo. Aditivos: Cal, cemento, otro suelo, químicos (aceites sulfonados), asfalto.

Escorias : Altos hornos de hierro (desecho de la producción de hierro) Escorias : Altos hornos de hierro (desecho de la producción de hierro). Mezclas asfálticas : agregados + asfalto. Mejoramiento de la sub-base: Se puede lograr con el uso de un aditivo que modifique sus propiedades, como por ejemplo cemento, cal ó aceites sulfonados, ó mezclándolo con otro material que ayude a mejorar sus características.

Por ejemplo: Si se desea mejorar la resistencia de una grava limpia, se debe mezclar con un suelo fino y plástico que proporcione cohesión(cementante), es decir, aumentar su plasticidad. Un suelo de granos redondeados o con poca trabazón(baja resistencia) puede mezclarse con otro suelo de granos más angulares, para hacerlo más estable y resistente. Un suelo muy plástico puede mezclarse con otro de baja plasticidad.

Estabilización del Suelo con Cemento: Se utiliza en los casos en que se requiere mejorar la capacidad de soporte de un suelo y en algunos casos reducir su índice de plasticidad, esto en el caso de que el suelo cumpla con algunas especificaciones pero no tenga buena capacidad de soporte. Se realizan ensayos previos para determinar: La cantidad de cemento. La cantidad de agua. La densidad a ser alcanzado en la compactación.

Existen dos(2) métodos para diseñar la mezcla: Método de la PCA( portland cement association). Método de la AASHTO. De acuerdo al tipo de suelo se determina el % de cemento en peso.

  80 cm

Estabilidad con cal: Se utiliza la cal hidráulica para: Disminuir la densidad. Aumento de resistencia. Reducción de hinchamiento. Reducción de la plasticidad La cantidad de cal utilizada debe estar entre (3-8)% en peso.

Sub-rasante excepcional: sub-rasante de bajo poder de soporte. CBR<; k; valor R. Arcillas expansivas. Arcillas dispersivas. Suelos ácidos Suelos laterítico Suelos diatomáceos. 1. Bajo poder de soporte: A-6, A-7-5, A-7-6, A-4, A-5, CH, CL,MH, ML.

¿Qué hacer? Cambiar el material, depende de un análisis económico. Mezclar materiales, materiales sub-rasantes + otros suelos de mejor calidad(préstamo). Estabilizar el suelo: con otro suelo, con cal, con cemento, con químicos. Geotextiles: hay geotextiles permeables e impermeables, deja pasar agua y no finos.

2) Arcillas Expansivas: CH, CL, A-6(20), A-4, A-5, A-7-5, son expansivas cuando el hinchamiento en el ensayo de CBR es mayor al 3% (H>3) o Ip≥40, illitas, Kaolinitas, montmorillonitas. ¿Qué hacer? Control de Compactación: Densidades < ﻻdmax , Humedades > ωopt ,+2% o 2,5% por encima de la ωopt A diferencia de otros suelos no se compacta a densidad seca máxima y humedad optima para evitar hinchamiento

b) Controlar con cal: arcilla + cal (2%) b) Controlar con cal: arcilla + cal (2%). En el campo se mezcla en estado seco, luego se humedece y se compacta. Illitas y kaolinitas no reaccionan con cal. c) Geotextiles: arcillas encapsuladas con un geotextil impermeable. Arcilla Geotextil

3) Arcillas dispersivas: Son fácilmente erosionables. Determinación de arcillas dispersivas: A) ensayo del terrón. B)ensayo de aguja- hueco. Arrastre de Material CL

Ensayo del Terrón: Tomar un vaso de vidrio y llenarlo con agua destilada e introducir un terrón, si se ve movimiento de partículas entonces es una arcilla dispersiva. Ensayo de aguja-hueco: Se compacta el material en un tubo (2”), se atraviesa el suelo con una aguja #22 y se perfora la muestra, luego se hace pasar agua, si a los 5 min todavía se produce arrastre de material, entonces es una arcilla dispersiva. ¿Qué hacer? Mezclar con cal.

4) Suelos ácidos: Son suelos de PH acido, atacan las estructuras metálicas(alcantarillas). 5) Suelos lateríticos (lateritas): Ricos en óxidos e hidróxidos de hierro y aluminio, se forman en zonas tropicales de gran intensidad de lluvia, son de color rojizo. En estado natural son muy densos, y son difíciles de compactar. 6)suelos diatomáceos ó diatomeas: Se forman cerca de lagos y mareas diatomeas (algas). Son suelos muy elásticos A-5, A-7-5. Son suelos de baja resistencia. ¿Qué hacer? Cambiar de material.

Requisitos que deben llenar los materiales de bases y sub- bases ↔ tabla 2. 1) Granulometría: Se quiere que sea un poco grueso. %P200<35% %P200 < (2/3).%P#40 Si la grafica se pega a la banda superior o fina el material es un poco fino, y si se pega a la banda inferior o gruesa el material es un poco grueso

2) Limites de consistencia: base sub-base LL <25 <35 Ip<6 <9 Cuando caso base: 𝒍𝒍>𝟐𝟓 𝑰𝒑>𝟔 NOTA. Cuando caso sub-base: 𝑳𝒍>𝟑𝟓 𝑰𝒑>𝟗 NOTA. NOTA: se puede estabilizar con cal ó mezclando con otro suelo.

3)Capacidad de soporte(CBR): Base: 𝑪𝑩𝑹≥𝟔𝟎% 𝑪𝑩𝑹≥𝟖𝟎% 𝐃𝐞𝐩𝐞𝐧𝐝𝐞 𝐝𝐞 𝐥𝐚 𝐢𝐦𝐩𝐨𝐫𝐭𝐚𝐧𝐜𝐚 𝐝𝐞 𝐥𝐚 𝐯í𝐚. Sub-base: CBR ≥ 40%. 4) Desgaste de los ángeles (dureza): Se mide por el ensayo los ángeles. resistencia 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑡𝑟𝑖𝑡𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 Máximo desgaste los ángeles < 50%.

Otros ensayos utilizados son: Ensayo Deval (Francia), material sometido a variaciones de temperatura. Ensayo de los Sulfatos: proceso químico para simular la acción a la que van a estar sometidos los materiales. 5) partículas planas y alargadas: Depende del tipo de obra. < 20%. P

6)% de caras producidas por fracturas: Depende de las especificación para el material utilizado. Piedra Picada (Estable) Canto Rodado (Inestable) Los materiales con caras producidas por fractura son mas estables

7)Equivalente de arena: Determinarla cantidad de arcillas o material nocivo que hay en el material para base. Es un ensayo similar al de hidrometría. Depende del tipo de vía 𝐴𝐸 >35% 𝐴𝐸 >30% 8)Tamaño máximo: Tamaño 2 1/2 ” y en ningún caso mayor a 2 3 del espesor de la capa compactada. 9) Material orgánico: <5%. EA>35% EA>30%

Características de base y sub-base: Granzón natural. Mezcla suelo y agregado. Granzón mezclado. Grava estabilizada. Piedra picada. Material integral.

Asfalto líquido (CA + Solvente) CA + Gasolina → curado rápido (RC). Riego de imprimación: riego de material asfaltico sobre la superficie acabada de la base. Materiales: Asfalto líquido (CA + Solvente) CA + Gasolina → curado rápido (RC). CA + kerosene → curado medio (MC). CA + Gasoil → curado lento (SC). Número → viscosidad. 30 ( 60 40 ) → más fluido. 250 ( 80 20 ) → más viscoso. 𝐶𝐴 𝑆𝑇𝐶 . Ejemplo: RC-250 (70/30) RC=Curado Rápido 250 = Viscosidad 70% de cemento asfaltico (CA) 30% Solvente, gasolina Type equation here.

Temperatura de colocación: Dosificación: 0,9 → 2,3 𝑙𝑡𝑠 𝑚 2 + 10% tolerancia. Tiempo de curado → 24 hrs. Colocación: Se riega con un camión cisterna, rosco ó un obrero con un dispositivo dosificador.

Control de calidad: Que no hayan orificios tapados. Que no queden charcos en exceso, especialmente en los bordes de la vía. Dosificación( presión de riego + velocidad). Que no este contaminado con aceites. Riego de adherencia: Garantiza la unión de la CR con el resto de la estructura.

Carpeta de Rodamiento: 1) Pavimento Flexible: Materiales: a) Agregado + asfalto -Mezclas en caliente 130 – 135 °C Mezclas en Frio ≤ 60 °C b) Emulsiones 2) Pavimentos Rígidos: Materiales: Agregado + cemento + agua Control de Calidad: Temperatura de Colocación. Acabado, compactación, espesor, toma de núcleos o Core Drills

Capa sello: Modifica las propiedades superficiales de la CR, como la permeabilidad y rugosidad. Materiales. Slurry o lechada asfáltica → arena + agua+ emulsión + CA. Tipos: 1) Capa sello simple: Riego de Asfalto Arrocillo ½” a 3/8” 3/8” a #4

3 capas arcilla 𝒇𝒊𝒏𝒂 𝒎𝒆𝒅𝒊𝒐 𝒈𝒓𝒖𝒆𝒔𝒐 Capa sello doble: Capa sello triple: 3 capas arcilla 𝒇𝒊𝒏𝒂 𝒎𝒆𝒅𝒊𝒐 𝒈𝒓𝒖𝒆𝒔𝒐 Arrocillo Medio 3/4” a 1/2” 1/2” a 3/8” Arrocillo Fino 3 capas de arrocillo

Cuando se hace el estudio de un material para base 𝒚 ó sub- base: Objetivo: Determinar si el material de estudio cumple con las especificaciones. Ensayo a relacionar: Humedad natural. Granulometria. Limites ( 𝑤 𝑙 , 𝐼 𝑝 ). Compactación.

e) Peso especifico. f) CBR. g)% caras fracturadas. h) Partículas planas y alargadas. I) % de desgaste los ángeles. j) Equivalente de arena. - Resultados de ensayo. Comparar resultados de ensayo con las normas. Toma de decisiones. Recomendaciones.

El usar ó no una base y sub-base depende del tipo de pavimento: Pav rígidos: a.1) Para evitar bombeo (pumping). a.2) Drenajes. a.3) Para evitar congelación. a.4) Incrementar la capacidad estructural del pavimento. a.5) Factor de construcción.

Factores que producen falla por bombeo o Pumping: Sitio lluvioso >1600 mm al año. Perdida de Junta La sub-rasante debe ser de material arcilloso. Trafico pesado. Agua Carga Nota: El agua entra por la junta perdida y al salir por la presión ejercida por la carga arrastra los finos dejando sin fundación a la losa lo que produce la falla.

b) Pavimentos flexibles: b.1) Aportar capacidad estructural al pavimento. b.2) Drenaje. b.3) Evitar congelación. b.4) Razones económicas. b.5) Evitar contaminación de la base o sub-base por la sub-rasante.

GRACIAS POR SU ATENCION…!