Ingenieria de pavimentos - Alfonso Montejo Fonseca

PRESENTACiÓN © Primera edición, 1997 © Segunda edición, 1998 © Reimpresión segunda edición, 2001 © Segunda reimpresión de la segunda edición, 2002

Esta segunda edición de INGENIERíA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS expresa la voluntad, la disciplina y el rigor con que su autor ha asumido el estudio de su especialidad. Al hacer la presentación de este libro, quiero en primer lugar exaltar estas virtudes, porque las obras humanas son el producto de las condiciones personales.

©Universidad Católica de Colombia Ediciones y Publicaciones ©2002 Alfonso Montejo Fonseca Bogotá, D.e.

Las problemáticas de nuestro diario vivir, tienen desde luego, diferentes causas y por lo tanto, diferentes fuentes de solución. Una de ellas es el conocimiento como principio para la acción. Por eso, para la Universidad Católica de Colombia es realmente muy satisfactorio hacer entrega de esta obra, que es sin duda alguna un gran aporte para la comunidad académica especializada en el tema y para la sociedad misma, que en últimas debe ser la beneficiaria directa de la aplicación seria y juiciosa de los conocimientos que en materia de pavimentos, se consignan en esta nueva edición.

Coordinación editorial: Stella Valbuena de Fierro ISBN: 958-96036-2-9 Todos los derechos reservados. Prohibida su reproducción total o parcial por cualquier medio sin permiso del editor.

Felicitaciones para el Ingeniero Alfonso Montejo y nuestra voz de aliento en su tarea de estudioso de la materia y en su empeño -muy loable por ciertode querer transmitir y compartir todo su conocimiento a través de obras como ésta.

Diagramación y artes: Gráficas Ámbar Teléfono: 5486089 Diseño de carátula: Juanita Isaza Merchán

EOGAR GÓMEZ BETANCOURT

Presidente Impreso: Agora Editores Teléfono: 3104397

Impreso en Colombia

Printed in Colombia

PREFACIO

Sóio han transcurrido dos años desde la publicación de la primera edición de este libro sobre ingeniería de pavimentos para carreteras. Su rápida y favorable acogida por parte de los profesionales de la ingeniería vial, investigadores, docentes y estudiantes universitarios, ha sido el mejor reconocimiento que ha recibido el autor quien, en buena hora, emprendió la tarea de elaborar una obra actualizada sobre la mecánica de las calzadas, ciencia en la cual el desarrollo tecnológico y el conocimiento han evolucionado de manera espectacular durante las dos últimas décadas del presente siglo. La brillante trayectoria del ingeniero Alfonso Montejo Fonseca como funcionario de las entidades estatales rectoras en la ingeniería de carreteras, su amplia experiencia como docente en el área de pavimentos en reconocidas instituciones de educación superior y su incuestionable pericia como conferencista en un sinnúmero de foros nacionales de la viabilidad, son los factores que le han permitido preparar un libro que, además de alta riqueza conceptual y profundo contenido técnico, posee la sencillez y claridad necesarias para que su consulta sea amena y brinde fácil y rápida respuesta a las inquietudes del lector. Aquí radica, sin duda, el notable éxito de la obra. Quien escribe estas líneas conoce los sacrificios y desvelos que trae consigo la preparación de un libro técnico en el país y ha sufrido los efectos de la desprotección en que se encuentran los autores ante la publicación de ediciones no autorizadas. Por ello, aplaude sin reservas la abnegación con la cual el ingeniero Montejo se empeña en seguir sirviendo con desinterés a la comunidad vial colombiana al entregarle esta segunda edición de su libro, en la cual incluye temas de gran actualidad no abordados en la edición anterior, como los referentes a las últimas tecnolo~ías de los asfaltos, la estabilización

VIII _

ING. ALFONSO MaNTElO FONSECA

de suelos, el reciclado de pavimentos asfálticos y el control estadístico de la calidad de las obras. La culminación de una obra tan calificada como ésta n~ es, sin ,en:bargo, e: resultado de un esfuerzo meramente individual. Detras esta~a siempre e apoyo y el amor de los seres queridos. Por eso, como ~ompanero, coleg~ y amigo, felicito al ingeniero Montejo en nombre ?e qUle~es hemos logr~, o mejorar y actualizar nuestros conocimientos graCias a s~. libro, ~ero tambl~n debo hacer un reconocimiento a su señora y a sus hiJOS, qUienes muc o debieron sacrificar para que su esposo y padre pudiera entregarnos un

INTRODUCCiÓN

documento de tanta utilidad. FERNANDO SÁNCHEZ SABOGAL Ingeniero Civil Este libro constituye un texto básico, dentro de la ingeniería civil, en los cursos de diseño de pavimentos. También puede ser de utilidad como obra de consulta para profesionales . y técnicos dedicados a esta , especialidad. En la actualidad la tecnología de los pavimentos se ha desarrollado a tal grado de constituir un campo de nuevas especializaciones, por ello, y dado que en nuestro medio la información especializada en el campo de los pavimentos para carreteras se encuentra muy dispersa, el autor ha considerado necesario condensar parte de ella en el presente texto, a fin de contribuir a la difusión de los conocimientos que se han adquirido en nuestro medio sobre el tema. Esta obra está organizada en los siguientes capítulos: El Capítulo 1 contiene los elementos básicos de la ingeniería de pavimentos que necesitará el lector que desee comprender corretamente las aplicaciones. El Capítulo 2 presenta la metodología para la evaluación del tránsito vehicular existente y esperado para el período previsto de diseño.

(

El Capítulo 3 establece un sistema de estudio de los suelos, que se presentan a lo largo del proyecto el cual se orienta a definir las propiedades geotécnicas de éstos y la resistencia de la unidad típica para diseño. En el Capítulo 4 se presentan los métodos de estabilización de suelos con los aditivos y procedimientos más utilizados en el mundo y en especial en nuestro medio. Los Capítulos S, 6 Y 7 contienen los últimos métodos de diseño de pavimentos (flexibles, rígidos y articulados) propuestos por diversas entidas foráneas de investigación.

x-

ING. ALFONSO MONTElO FONSECA INGENIERíA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS _

En el Capítulo 8 se estudian las características geotécnicas de los materiales que se utilizan en la construcción y mantenimiento de los diversos tipos de pavimento y de forma suscinta se presentan las pruebas de control de campo y laboratorio, necesarias para lograr un correcto aseguramiento de calidad de la obra.

una localización alea~oria. ?e puntos de muestreo y un adecuado análisis de los resultados y la ap(¡cacron de reglas de decisión. A .tod~s I~s personas que han colaborado en este trabajo deseo expresarles mis mas ~m~ero.s ~gradecimientos, en especial al señor Decano de la Facultad d: Ingenlena Civil ?e la Universidad Católica de Colombia, ingeniero Rafael Pere~ Carmona, qUien con su apoyo entusiasta permitió que esta obra pudiera culmmarse.

En el Capítulo 9 se estudia la compactación de suelos y mezclas bituminosas, enfocándose ésta al logro de la permanencia de un comportamiento mecánico adecuado de las capas de un pavimento, a través de toda su vida útil. En el Capítulo lOse establece una metodología para la evaluación de los pavimentos en servicio y se presentan métodos de diseño de las obras de mejoramiento.

ALFONSO MONTElO FONSECA

Ing. de Vías y Transportes Especialista en Gerencia de Obra

El Capítulo 11 esta dedicado al estudio del reciclado de pavimentos flexibles, tema que en nuestro medio tiene una buena acogida, pero que aún presenta algunas dificultades en el diseño y construcción. En el Capítulo 12 se estudian las características de los asfaltos modificados y sus principales componentes. Este capítulo ofrece especial interés en mostrar al lector las ventajas que presentan los asfaltos modificados en las diversas aplicaciones de obra. El Capítulo 13 trata sobre una nueva técnica de aplicación del asfalto mediante un procedimiento de espumado. Esta forma de utilización del asfalto apenas se inicia y su aplicación en obra aún es incipiente y no muy desarrollada. En el Capítulo 14 se estudian las mezclas asfálticas drenantes, técnica que brinda importantes mejoras en la seguridad de los usuarios al proporcionar texturas de pavimentos lo suficientemente rugosas, para un adecuado contacto entre la llanta y la superficie de la capa de rodadura. Este tipo de mezcla suministra un adecuado drenaje superficial a la estructura del pavimento en épocas de lluvia. En el Capítulo 15 se presenta un resumen de los resultados de los estudios adelantados por los Estados Unidos en su programa SHRP, sobre los ligantes bituminosos y las mezclas asfálticas. En el campo de los ligantes se han definido nuevos tipos y ensayos de identificación de los mismos, totalmente novedosos. Algo similar ocurre con las mezclas asfálticas donde se aplican nueV05 criterios de diseño. Finalmente se ha dedicado el Capítulo 16 al estudio del control estadístico de calidad en el cual se plantea un modelo que establece un nivel de confiabilidad, un mínimo necesario de muestras a extraer en un programa de control,

XI

\

CONTENIDO V

PRESENTACiÓN •••

VII

INTRODUCCiÓN

IX

PREFACIO

CAPíTULO 1 PAVIMENTOS, CONSTITUCiÓN Y CONCEPTOS GENERALES.

1

1. Descripción y funciones de los pavimentos de carreteras . 1.1

Pavimento...................

1.2

Características que debe reunir un pavimento

1.3

Clasificación de los pavimentos .

2

1.3.1

Pavimentos flexibles . . .

2

1.3.2

Pavimentos semi-rígidos

5

1.3.3

Pavimentos rígidos

..

5

1.3.4

Pavimentos articulados

7

2. Las bermas

8

3. Factores a considerar en el diseño de pavimentos.

8

3.1

El tránsito . . .

8

3.2

La subrasante

9

3.3

El clima. . ..

9

3.4

Los materiales disponibles.

10

4. Obras de drenaje y subdrenaje en carreteras

10

4.1

Obras de drenaje

.......... .

10

INGENIERíA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS

XIV -

-

XV

ING. ALFONSO MONTEjO FONSECA

4.1.1

El bombeo.

4.1.2

Los bordillos.

4.1.3

Los lavaderos

4.1.4

Las cunetas

4.1.5

La vegetación

4.1.6 4.1.7 4.2

Zanjas de coronación . Las alcantarillas

Obras de subdrenaje 4.2.1

Subdrenes longitudinales

4.2.2

Capas drenan tes

Referencias bibliográficas CAPíTULO 2 ESTUDIO DEL TRÁNSITO PARA DISEÑO DE PAVIMENTOS.

2.1

Introducción . . . . . . . . .

2.2

Definiciones generales

2.3

Clasificación de los vehículos

2.4

Clasificación del tipo de vehículo de acuerdo con la disposición de sus ejes Carga máxima legal . . . . . . . . . Carga máxima legal . . . . . . . . .

2.5

Determinación del tránsito existente

2.6

Suputación del tránsito durante el período de diseño

2.7

Cargas equivalentes para el diseño de pavimentos.

2.8

Determinación del factor camión . . . . . . . .

2.9

2.8.1

Determinación del factor camión por el método de conteo y pesaje. . . . . . .

2.8.2

Determinación del factor camión por los métodos Mopt-Ingeroute Y la Universidad del Cauca . . . . . . . . . . . . . . . . .

Determinación del número de ejes equivalentes de 8.2 toneladas en el carril de diseño y durante el período de diseño (N) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

Referencias bibliográficas

10 11 11 11

CAPíTULO 3 ESTUDIO DE lOS SUELOS PARA DISEÑO DE PAVIMENTOS . . . . . . . . . . . . . . .

39

11

3.1

Definición de suelo y roca . . .

39

12

3.2

Origen y formación de los suelos

39

12

3.3

Características de los suelos residuales

41

12

3.4

Características de los suelos transportados

42

13

3.5

Clasificación de los suelos . . . . . . . .

43

13

3.5.1

Clasificación de suelos AASHTO

44

16

3.5.2

Clasificación unificada de suelos .

49

Investigación y evaluación de suelos para el diseño de un pavimento

60

17

Referencias bibliográficas

73

CAPíTULO 4 ESTABILIZACiÓN DE SUELOS.

75

17 17

18

4.1

19 19 19 19 25 31 31

4.2.

Introducción..........

75

4.1 .1

Estabilidad volumétrica

76

4.1.2

Resistencia

..

77

4.1.3

Permeabilidad.

4.1.4

Compresibilidad.

79 79

4.1.5

Durabilidad...

80

Suelos problemáticos comunes en colombia. Recomendaciones generales para su identificación y manejo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Suelos arcillosos blandos compresibles y suelos orgánicos

82

4.2.2

Suelos volcánicos .

83

4.2.3

Suelos expansivos .

85

4.2.3.1

Generalidades.

85

4.2.3.2

Identificación de suelos expansivos

87

4.2.3.3

Muestreo en suelos expansivos. . .

87

4.2.1 32

34

35

81

XVI -

ING. ALFONSO MONTE)O FONSECA INGENIERíA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS

4.2.3.4 4.2.4.

4.2.6 4.3

Determinación del porcentaje óptimo de cal

4.2.4.1

Reemplazo del material expansivo .

94

4.5

Estabilización de suelos con cemento

4.2.4.2

Aplicación de sobrecargas . . . . .

94

4.6

Estabilización de suelos con asfalto . .

4.2.4.3

Minimizar los cambios de humedad

95

4.6.1

4.2.4.4

Prehumedecimiento del suelo expansivo . . . . . . . . . . . . . .

Propiedades que presentan los suelos estabilizados con asfalto

95

4.6.2

Diseño de las mezclas

96/

4.6.3

Construcción

Estabilización de suelos expansivos

Precauciones para estudios y diseños de pavimentos sobre suelos expansivos . . . . . Técnicas comúnmente utilizadas en Colombia para tratar suelos expansivos . . . . . . . Generalidades sobre la estabilización de suelos . . . . . . . . . . . . . . . . .

97 98

99

99

"

119

Estabilización con ácido fosfórico.

4.8

Estabilización con cloruro de sodio

4.9

Estabilización con soda cáustica

4.10

Uso de polímeros y resinas . . . .

4.11

El drenaje como sistema de estabilización .

4.12

Estabilización electroquímica con aceite sulfonado

120 120

.

121 121

101

Acción del aceite sulfonado sobre las partículas del suelo . . . . . . . . . . .

4.3.3.1

Suelos

101

Densificación del suelo .

4.3.3.2

Cal . . .

101

Fundamento geotécnico .

4.3.3.3

Cal viva

102

4.3.3.4

Cal-Grasa

102

4.3.3.5

Cal Magra

103

4.3.3.6

Cales Hidráulicas

103

Influencia de la cal sobre las constantes físicas del suelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.5.1

104

Límite líquido- Límite plástico-índice plástico . . . . . . . . . . '. . . . .

104

4.3.5.2

Límite de contracción . . . . . . . .

105

4.3.5.3

Influencia sobre la textura elemental

105

Influencia sobre la densidad seca . . . . . .

105

117 118

..... . .

Materiales usados en la estabilización de suelo-cal . . . .

104

107

117

Características físico-químicas . . . . . . . . . .

Influencia de la cal en las características de los suelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

106

112

4.7

4.13

.

107

100

4.3.3

4.3.6

4.3.8

Estabilización mecánica . . . . . . . .

Objetivos de la estabilización con cal

4.3.5

Influencia sobre la resistencia de los suelos

4.4

4.3.2

4.3.4

4.3.7

94

Estabilización de suelos con cal . . . . . . . . . . 4.3.1

88

Métodos para minimizar los cambios volumétricos de la subrasante . . . . . . . . . . . . . . .

4.2.4.5 4.2.5

Técnicas de ensayo para identificación de suelos expansivos . . . . . . . . .

XVII

_

121 122 122 122 123 123

Capas estabilizadas

124

Referencias bibliográficas

124

CAPíTULO 5 DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES Y SEMIRíCIDOS PARA CARRETERAS . . . • . . . • . . .

.......

5.1

Introducción . . . . . . . . . . . . . .

5.2

Dis:ño de pavi~entos asfálticos en vías con bajos vo(umenes de transito . . . .. ....... . 5.2.1

Introducción.

5.2.2

Tránsito . . .

5.2.3

Estudio de la subrasante

5.2.4

Ejemplo de aplicación. .

129

129

130 130 130

133 135

XVIII -

INGENIERíA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS

ING. ALFONSO MONTEjO FONSECA

5.2.5 5.3

Selección de la estructura. . . ..

....

Método de diseño de pavimentos asfálticos. en vías con ... . medios y altos volúmenes de tránsito. 5.3.1

Introducción.......

5.3.2

Proyección del tránsito y cálculo del número de ejes equivalentes en el período de diseño .... para el nivel 1 . . . . . . ..

5.3.3

. ...... .

Evaluación del tránsito

230

161

5.4.2

La subrasante

231

5.4.3

Materiales de construcción

232

5.4.4

Figuras de diseño . . .

236

166

5.3.4

Factores ambientales y climáticos

176

5.3.5

Selección de las condiciones de humedad ... prevalecientes en la obra . . ..

5.3.7 5.3.8 5.3.9

Determinación del tamaño de la muestra o número de ensayos requeridos para la caracterización de la resistencia de la subrasante . . . . . . . . . .

5.3.11

Listado general de materiales para pavimentos .... y convenciones . . ..

186

El costo global actualizado (CGA) como criterio de comparación económica de las alternativas estructurales . . . . .

5.3.12 Parámetros generales para la evaluación ....... . de alternativas . 5.3.13 Ejemplo de cálculo del costo global actualizado (CGA) de una alternativa estructural .. 5.3.14 Ejemplo No. 1 5.3.15 Ejemplo No. 2

I

5.6

184 185

5.3.10 Algunos comentarios relativos al análisis económico .. . . .. . ....

5.5

182

Selección del módulo resiliente de diseño y clasificación de la subrasante de la unidad .

Costos asociados a la operación de un pavimento durante el período de análisis económico . . . . . . . . . . . .

229

5.4.1

171

5.3.6

Método del TRL para diseño de pavimentos flexibles en países tropicales y subtropicales .

XIX

161

Proyección del tránsito y el cálculo del número de ejes equivalentes en el período de diseño para el nivel 2 . . . . . . . . . . . ....

5.4

140

-

5.7 5.8 189 190

..

Método de diseño de espesores de pavimento flexible para carreteras según el instituto del asfalto

247

5.5.1

Variables de diseño.

..

247

5.5.2

Procedimiento de diseño

. . . ..

249

..

Método AASHTO para diseño de pavimentos flexibles (versión 1986) ..

263

5.6.1

Introducción.. . . .

263

5.6.2

Variables para el diseño.

263

5.6.3

Criterios de comportamiento

265

5.6.4

Propiedades de los materiales

265

5.6.5

Características estructurales del pavimento

271

5.6.6

Diseño estructural del pavimento

274

Método Shell para el diseño de espesores de pavimentos flexibles . . . . .. ... ... .

282

Pavimentos semirígidos

309

..

. .... .

5.8.1

Pavimentos con capas de suelo cemento

309

5.8.2

Pavimentos con capas de suelo - cal

313

5.8.3

Estabilización de suelos con asfalto

315 317

Referencias bibliográficas 192 193

195 195 199

CAPíTULO 6 DISEÑO DE ESPESORES DE PAVIMENTOS RíGIDOS PARA CALLES Y CARRETERAS . . . . . . . . . .

6.1

Introducción

6.2

Método de la Portland Cement Association (PCA) 6.2.1

. .

. ..

Procedimiento de diseño para el caso en que se disponga de datos sobre distribución de carga por eje

319 319 320

327

xx -

INGENIERíA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS -

ING. ALFONSO MONTElO FONSECA

6.2.2

6.3

Procedimiento simplificado de diseño para el caso en que no se disponga de datos sobre distribución de cargas por eje

Las juntas en los pavimentos rígidos

8.5 344 354

CAPíTULO 9 COMPACTACIÓN

354

6.3.2

Elementos de la junta

356

6.3.3

Clases de juntas

359

9.1.1

Antecedentes ..

475

Juntas de contracción

362

9.1.2

Juntas de dilatación

363

Efectos de los diferentes factores que intervienen en la compactación . . . . . . . . . .

477

363

9.1.2.1

Efectos de contenido de agua

477

9.1.2.2

Efectos de la energía de compactación

477

9.1.2.3

Efectos del método de compactación

479

9.1.2.4

Efectos de la fracción gruesa

481

7.1

Introducción...

7.2

Casos especiales .

366

7.3

Diseño de un pavimento nuevo.

366

7.3.1

366

Evaluación de la subrasante .

7.3.2 Selección del espesor del pavimento. Especificaciones para los materiales del pavimento

Referencias bibliográficas CAPíTULO 8 MATERIALES PARA CONSTRUCCiÓN Y MEJORAMIENTO DE PAVIMENTOS

475

Compactación de suelos

9.1.3

Requisito de compactación. . .

481

9.1·4

Ensayos de compactación

...

483

9.1.5

Compactación y compactadores

490

Compactación de mezclas asfálticas . .

498

9.2.1

Influencia de las propiedades de los materiales en la compactación . . . . . . . . . . . .

498

9.2.2

Influencia del espesor de la capa asfáltica

499

378

9.2.3

Influencia de la temperatura de la mezcla

501

9.2.4

Influencia de las condiciones climáticas en la compactación . . . . . . . . . . . .

501

....... .

502

379

9.2.5

Equipos de compactación

9.2.6

Ventajas de la compactación de pavimentos al 100 por ciento de la densidad de laboratorio durante la construcción .

503

Tramos de prueba.

503

Introducción......... ..

379

8.2

Tecnología del hormigón simple

379

El Cemento . . . . . ..

380

8.2.2

Características de los agregados

393

8.2.3

El agua de mezclado . . . . .

409

8.2.4

La mezcla de hormigón . . . .

416

Tecnología de las mezclas bituminosas

420

Materiales asfálticos. . ..

420

Capas granulares para pavimentos

464

8.3.1

9.2

475

372

8.1

8.2.1

9.1

365 365

8.4

473

Referencias bibliográficas .

Finalidad de las juntas.

CAPíTULO 7 DISEÑO DE ESPESORES DE PAVIMENTOS DE ADOQUINES DE CONCRETO . . . . . . . . . . . . . . . .

8.3

467

6.3.1

Referencias bibliográficas

7.4

Control de calidad de materiales y de construcción

XXI

9.2.7

Referencias bibliográficas CAPíTULO 10 EVALUACiÓN DE PAVIMENTOS EN SERVICIO Y DISEÑO DE OBRAS DE MEJORAMIENTO . . . . . . . . . . . . .

10.1

Introducción......... ..

504

505 505

XXII -

INGENIERíA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS

ING. ALFONSO MONTEjO FONSECA

-

XXIII

10.2

Tipos de fallas en los pavimentos flexibles

. . . . ..

506

Paso 3 - Determinación de la cantidad total de asfalto .

602

10.3

Patología de las estructuras de pavimento en servicio

507

Paso 4 - Porcentaje de asfalto nuevo por añadir

603

10.3.1

507

Paso 5 - Pruebas de campo

603

.

508

Diseño de espesores

603

10.3.3 Evaluación estructural continua por deflectometría . . . . . . . . . . . .

519

Diseño de mezclas asfálticas recicladas en caliente (método del Instituto del Asfalto) . . . . . . . . . .

607

10.3.4 Evaluación de la regularidad superficial

532

10.3.5 Evaluación de la textura superficial de un pavimento . . . . . . . . . . . . . . . .

Paso 1 - Combinación de agregados para la mezcla reciclada . . . . . . . . . . . . . . . . .

612

537

10.3.6 Evaluación geotécnica de los materiales de la estructura existente . . . . . . . .

Paso 2 - Demanda de asfalto para la combinación de agregados . . . . . . . . . . . . . . .

612

541

Paso 3 - Porcentaje de asfalto nuevo en la mezcla

612

Criterio del instituto del asfalto para el diseño de refuerzos de pavimentos flexibles . . . . . .

542

Paso 4 - Selección del grado del asfalto nuevo

612

Paso 5 - Tanteo de diseño de la mezcla . . .

613

Paso 6 - Selección de la fórmula de trabajo.

615

Información existente . . . . . . . .

10.3.2 Examen superficial del pavimento

10.4

10.4.1

Diseño de sobrecapas asfálticas en pavimentos flexibles

10.5 10.6

............. .

553

Refuerzos de concreto hidráulico sobre pavimentos rígidos de calles y carreteras

579 587

CAPíTULO 11 RECICLAJE DE PAVIMENTOS flEXIBLES

11 .2 11.3

542

Diseño racional de refuerzos de pavimentos flexibles criterio de Lilli - Lockhart . . . . . . . . . . .

Referencias bibliográficas

11.1

11.9

.•.•.

Introducción... . . . . · · · · ·

589 589

Campos de aplicación del reciclaje

590

Tipos de reciclaje

590

........ .

--

Diseño de espesores

615

Referencias bibliográficas .

615

CAPíTULO 12

617

ASFALTOS MODIFICADOS

12.1

Introducción.........

617

12.2

Objetivo de la modificación

617

12.3

Beneficios que se buscan con la modificación del asfalto . . . . . . . . . . . . . .

619

12.4

Las asociaciones asfalto-polímero

619

12.5

Compatibilidad

623

12.6

Caracterización de los asfaltos modificados con polímeros . . . . . . . . . . . . . . . .

625

Aplicaciones de los ligantes modificados

629 630

. . . . . . . ..

Ventajas de las técnicas de reciclado

591

11.5

Reciclaje superficial . . . . . . .

592

11.6

Reciclaje en el lugar . . . . . . .

594

11.7

Reciclaje en planta (en caliente) .

595

12.7.1 Mezclas drenantes

11 .8

Diseño de mezclas asfálticas recicladas en frío (método del instituto del asfalto) ..

596

12.7.2 Mezclas en caliente en capas delgadas (Microaglomerados en caliente) . . . .

630

Paso 1 - Combinación de agregados

602

Paso 2 - Selección del asfalto nuevo

602

12.7.3 Mezclas bituminosas altamente resistentes para capa de rodadura . . . . . . . . . . . . . . . .

632

11.4

12.7

. . . . . . .

XXIV -

INGENIERíA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS

ING. ALFONSO MONTEjO FONSECA

12.8 12.9

12.7.4 Tratamientos superficiales mediante riego con gravilla . . . . . . . . . . . . . . . . .

632

12.7.5 Lechadas Bituminosas . . . . . . . . .

632

12.7.6 Membranas absorventes de tensiones

633

12.7.7 Mezclas de alto módulo

633

... . . . .

Emulsiones con asfaltos previamente modificados (2,3,4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

633

Elaboración de emulsiones con asfalto modificado.

634

-

XXV

14.1

Definición

653

14.2

Historia.

654

Referencias bibliográficas CAPíTULO 15 SUPERPAVE

666

................ ..

"

667

15.1

Introducción

15.2

Nuevos criterios Superpave para ligantes asfálticos " . . . . . . . .

667

667

12.10 Caracterización de las emulsiones modificadas

634

12.11 Aplicaciones de las emulsiones modificadas con polímeros(2,3) . . . . . .

I 5.3

Métodos de ensayo Superpave para asfaltos

669

635

15.4

Especificación Superpave para asfaltos

677

12.12 Tratamientos superficiales .

635

15.5

12.13 Mezclas abiertas en frío . .

636

Especificaciones Superpave para mezclas asfálticas . .. .. ...... .

680

12.14 Microaglomerados en frío .

636

12.15 Tratamientos antifisuras

638

15.5.1 Métodos de ensayo Superpave para mezclas asfálticas '" .

680

15.5.2 Diseño de mezclas asfálticas, Nivel 1

685

15.5.3 Diseño de mezcla, Nivel 2

688

15.6

Diseño de mezclas nivel 3: propiedades fundamentales basadas en el comportamiento en servicio. " . . . . . . . ..

693

15.7

694

Referencias bibliográficas CAPíTULO 13 El ASFALTO ESPUMADO

638

639

13.1

Introducción . . . . . . . . . . .

639

13.2

Obtención del asfalto espumado

639

Características de los agregados utilizados en la mezcla asfáltica según Superpave .

13.3

Características del asfalto espumado

640

15.7.1

13.4

Materiales tratados con asfalto espumado

641

15.7.2 Granulometría.

13.5

El asfalto espumado en la construcción vial

645

13.6

Procedimiento del diseño de mezcla

646

13.7

Condiciones de curado . . . . . ..

648

13.8

Construcción de vías con asfalto espumado

649

13.9

Las economías del asfalto espumado

650

16.1

Introducción

650

16.2

Términos estadísticos y de control de calidad

716

16.2.1 Conjuntos de datos . . .

716

16.2.2 Representaciones numéricas

716

Función de los métodos estadísticos en la administración de procesos de producción.

718

13.10 Reciclaje con asfalto espumado. Referencias bibliográficas CAPíTULO 14 MEZClAS ASFÁlTICAS DRENANTES

Referencias bibliográficas . CAPíTULO 16 CONTROL ESTADíSTICO DE CALIDAD

652 16.3 653

Propiedades de la fuente de origen

..

696 697 711

715

715

XXVI -

ING. ALFONSO MONTEIO FONSECA

16.4

Diagramas de Pareto de Fenómenos y Diagramas de Pareto de Causas. . . . 16.4.1

16.5

Diagrama de Pareto de Fenómenos

719

16.4.2 Diagrama de Pareto de Causas . . .

719

16.4.3 Diagramas de Causa-Efecto . . . . .

720

Procedimiento para elaborar los diagramas de Causa-Efecto para la identificación de causas

16.7.2 Causas asignables .

720 721 725 726 726

Ejemplos de aplicación

731

16.6

Los histogramas . . . . . . . .

16.7

Gráficos de control 16.7.1

16.8

719

..... .

Causas debidas al azar

Referencias bibliográficas

....

734

CAPíTULO

1

PAVIMENTOS, CONSTITUCiÓN y CONCEPTOS (jENERAlES

1.

DESCRIPCiÓN y FUNCIONES DE lOS PAVIMENTOS DE CARRETERAS

1.1

PAVIMENTO

U

n pavimento está constituido por un conjunto de capas superpuestas, relativamente horizontales, que se diseñan y construyen técnicamente con materiales apropiados y adecuadamente compactados. Estas estructuras estratificadas se apoyañ sobre la subrasante de una vía obtenida por el movimiento de tierras en el proceso de exploración y que han de resistir adecuadamente los esfuerzos que las cargas repetidas del tránsito le transmite durante el período para el cual fué diseñada la estructura del pavimento.

1.2

CARACTERíSTICAS QUE DEBE REUNIR UN PAVIMENTO

Un pavimento para cumplir adecuadamente sus funciones debe reunir los siguientes requisitos:

2 -

INGENIERíA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS

ING. ALFONSO MONTEjO FONSECA

• Ser resistente a la acción de las cargas impuestas por el tránsito. • Ser resistente ante los agentes de intemperismo. • Presentar una textura superficial adaptada a las velocidades previstas de circulación de los vehículos, por cuanto ella tiene una decisiva influencia en la seguridad vial. Además, debe ser resistente al desgaste producido por el efecto abrasivo de las llantas de los vehículos.

~

a:

Q

Debe presentar una regularidad superficial, tanto transversal como longitudinal, que permitan una adecuada comodidad a los usuarios en función de las longitudes de onda de las deformaciones y de la velocidad de circulación.

N ..J

Z

a:

a: O

"o "'"O "S! O " .,a: a: o: o: "z z" '"z" '"'" o ...'" " ..J

¡::

N

;¡:

.

. .. .

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z ... "'z

a: '" ~~~ o ~

- ","ffi !5a: ~z ~ o~ o



ti z

oz

Este tipo de pavimentos están formados por una carpeta bituminosa apoyada generalmente sobre dos capas no rígidas, la base y la subbase. No obstante puede prescindirse de cualquiera de estas capas dependiendo de las necesidades particulares de cada obra. En la Figura No.l.l se muestra un corte típico de un pavimento flexible.

il! o ¡;¡

...'"o: o -

~

:;J

>

N

I

O :;J

01

el

Un pavimento debe ser diseñado para soportar el tránsito inicial y aquel que pase durante su vida de servicio. Sin embargo, es necesario reconocer que no es fácil calcular tales cargas, por cuanto en el tránsito futuro intervienen factores muy complejos, dado que es muy difícil predecir los cambios en la economía regional general, en la población y en el uso de la tierra a lo largo de la vía durante el período de diseño. Pero, el volumen de tránsito futuro de una vía nacional en servicio, que se encuentre en afirmado, puede ser estimado con razonable exactitud a partir de datos sobre el tránsito existente y mediante un análisis estadístico de su evolución histórica. El estimativo en mención requiere del conocimiento del valor de la tasa anual de crecimiento del tránsito, el cual es indispensable para efectuar proyecciones a mediano y largo plazo, necesarias para los estudios de pavimento, tanto en la etapa de diseño como de funcionamiento. Para el cálculo de dicho parámetro es necesario contar con una serie cronológica de datos como la que presenta anualmente la Oficina de Programación de Carreteras del INV en su publicación denominada Volúmenes de tránsito. A partir de dichos datos y mediante la aplicación de modelos de regresión es posible ajustar las series históricas del tránsito con el uso de los modelos lineal y exponencial, pues son los que más se ajustan a estas series históricas. Eligiendo para el análisis el modelo que presente la mejor correlación de los valores de tránsito. El tránsito inicial de vehículos comerciales utilizado para el diseño de un pavimento será la suma de: el normalmente existente, el atraído y el generado. Además, es conveniente tener en cuenta que para efectos del dimensionamiento de un pavimento interesa solamente el tránsito que pasa por un carril, al que se denomina carril de diseño, que es aquel por el cual se espera que circulen el mayor volumen de vehículos pesados, y para su determinación deben utilizarse los siguientes valores:

"'M"

..'" ~

el)

¡¡:

Número de Carriles

Porcentaje. de vehículos pesados en el carril de diseño

2

50

4

45

6+

40

26 -

INGENIERíA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS

ING. ALFONSO MONTEjO FONSECA

-

27

El tránsito así obtenido habrá de proyectarse hacia el futuro una vez establecido el período de diseño y determinada la tasa anual de crecimiento del tránsito.

e)

Calcular con la ecuaClon de ajuste elegida, el tránsito de vehículos comerciales para el primer año de servicio del pavimento, que se estima sea 1991.

Tradicionalmente en Colombia las proyecciones del tránsito se han efectuado utilizando el modelo exponencial expresado mediante la siguiente fórmula de interés:

f)

Calcular el tránsito acumulado de vehículos comerciales en el carril de diseño para un período de diseño de 10 años, contados a partir del primer año de servicio del pavimento. La vía es de dos (2) carriles de tránsito.

Tn

= Ti

(2.1 )

x (1 + r)n

a)

donde: Tránsito en cualquier año n. Tránsito en el año cero (inicial). Tasa de crecimiento anual del tránsito.

Tn Ti

Solución

La recta de ajuste de los datos tiene la ecuación:

y

A partir de la expresión 2.1 es posible por integración obtener el tránsito acumulado durante los n años del período de diseño, mediante la siguiente ecuación: T acumulado

= Ti

Determinación de la ecuación de aproximación que mejor ajuste los datos del tránsito.

(1+rf-1

(2.2)

x -'----'-Ln(1 + r)

a)

Hallar las ecuaciones de los modelos lineal y exponencial que se ajusten a los datos del tránsito.

b) Estimar el tránsito promedio con los valores reales de 3218 y 3497 vehículos comerciales, respectivamente. c)

Determinar la curva de aproximación que mejor se ajuste a los datos de tránsito.

d)

Hallar el valor de la tasa anual de crecimiento del tránsito.

Tabla 2.1 Años

1980

1981

1982

1983

1984

1985

TPD (V.c.)

2322

2327

2368

2472

2682

2789

(2.3)

donde las constantes a y b se determinan mediante las siguientes ecuaciones:

a =

Ejemplo El tránsito promedio diario de vehículos comerciales de la carretera La Uribe-La Paila durante los años 1980-1985 aparece en la Tabla 2.1

a + bx

=

b

eL. Y) (LX 2) NLX 2

- (LX) (LXY) - (LX)2

NLXY - (LX) (LXY) NIX 2 - (LX)2

El trabajo puede ordenarse como se presenta en la Tabla 2.2.

Tabla 2.2 Año

X

X2

y

y2

1980

O

O

2.322

5'391.684

O

1981

1

1

2.327

5'414.929

2.327

1982

2

4

2.368

5'607.424

4.736

1983

3

9

2.472

6'110.784

7.416

1984

4

16

2.682

7'193.124

10.728

1985

5

25

2.789

7'778.521

13.945

I

11

- -.

11

I I

Sumatorias

15

55

14.960

37'496.466

39.152

28 -

ING. ALFONSO MONTElO FONSECA

INGENIERíA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS

A partir de los datos obtenidos en la Tabla No. 2.2 se tiene:

=

a

(14960) (55) - (15) (39152)

(6) (39152) - (15) (14960)

b

b'

100

(6) (55) - (225)

29

Como: a' = Log a = 3.353, entonces, a = 2.254

2243

(6) (55) - (225)

-

(6) (51.231) - (15) (20.373) (6) (55) - (225)

de igual forma b'

0.017

= Log b = 0.017, por tanto, b = 1.04.

Entonces la ecuación exponencial será: Entonces Y

= 2243 +

100x Y = (2.254) (1.04)X

La ecuación exponencial tiene la fórmula: b)

y = ab x

(2.4)

Teniendo en cuenta que la ecuaClon (2.4) es no lineal es necesario reducirla a la forma lineal para facilitar su cálculo de la forma siguiente: Aplicando logaritmos a la expresión Y = ab', se tiene: Log Y = Log a + (Log b)x, esta ecuación se puede escribir Y' donde Y' = Log Y, a' = Log a, y, b' = Log b.

= a' + b'X,

Tabla 2.3

y'

y,2

X

X2

XLógY

3.366

O

O

O

11.330

2.327

3.367

1

1

3.367

11.337

1982

2.368

3.374

2

4

6.748

11.384

1983

2.472

3.393

3

9

10.179

11 .512

1984

2.682

3.428

4

16

13.712

11.751

1985

2.789

3.445

5

25

17.225

11.868

Sumatoria

14.960

20.373

15

55

51.231

69.182

Y

1980

2.322

1981

(Log y)

Ecuación Lineal: Ecuación Exponencial:

TPDv.c.( 1988) = 3043 TPDv.c.(1988) = 3085

Ecuación Lineal: Ecuación Exponencial:

TPDv.c.( 1989) = 3143 TPDv.c.(1989) = 3208

Los resultados anteriores permiten concluir que los pronósticos del tránsito promedio diario de vehículos comerciales, calculados con la ecuación exponencial para los años 1988 y 1989, son más próximos a los valores reales que los encontrados con la ecuación lineal, aunque para los efectos de diseño de pavimentos esta ligera variación entre modelos realmente no tiene un apreciable significado.

En la Tabla No. 2.3 se presenta los cálculos correspondientes:

Año

Mediante las ecuaciones de tendencia se obtienen los siguientes pronósticos del tránsito para 1988 y 1989.

c)

Para la determinación de la curva de aproximación que mejor ajuste los datos se debe proceder a calcular el coeficiente de correlación de las dos curvas de ajuste en estudio y escoger aquella que presente una mejor correlación, es decir, la que resulte con el coeficiente más próximo a la unidad. La ecuación que permite calcular el coeficiente de correlación es la siguiente:

r

=

N"LXY - ("LX) ("LY)

Ecuación Lineal: A partir de los datos de la tabla anterior se tiene:

a'

=

(20.373) (55) - (15) (51.231) (6) (55) - (255)

=

3.353

r

=

(6)(39152) - (15)(14.960)

~[(6)(55) - (225)].[(6)(37496466) - (223801600)]

30 -

INGENIERíA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS

2.7

r = 0.95

r

=

(6)(51.231) - (15)(20.3 73)

J[(6)(55) - (225)].[(6)(69.182) - (415.06)]

= 0.98

De acuerdo con los resultados obtenidos, se tiene que la ecuación exponencial es la que mejor ajusta los datos del tránsito. d) Teniendo en cuenta que la ecuación de ajuste y = (2254)(1.04)X es, en esencia, la misma expresión (2.4), se tiene que: (1 +r) = 1.04, entonces, r (tasa anual de crecimiento de tránsito) = 4%. e)

El tránsito para el primer año de servicio del pavimento será:

y f)

31

= (2254)(1.04)11 = 3469 vehículos comerciales

Para determinar el tránsito acumulado de vehículos comerciales en el carril de diseño, durante el período de diseño se debe proceder de la forma siguiente: Calcular el tránsito promedio diario de vehículos comerciales en el carril de diseño para el primer año de servicio del pavimento, así: 3609x 50/100 = 1805. • El tránsito de vehículos comerciales de todo el año inicial de servicio del pavimento será: 1805 x 365

= 658.625

• Finalmente, para el cálculo del tránsito acumulado de vehículos comerciales en el carril de diseño y durante los 10 años del período de diseño, es necesario integrar la ecuación básica:

y =

f

(658.825)(1.04)xdx

entre los límites x

= o a x = 10. Obteniéndose que:

y = 658825 [(1.04)10 - 1] = 10'703.984 Ln(1.04)

CARGAS EQUIVALENTES PARA EL DISEÑO DE PA VIMENTOS

Ecuación Exponencial:

r

-

ING. ALFONSO MONTElO FONSECA

Con el objeto de evaluar el efecto, en un pavimento flexible, de las cargas diferentes a la estándar de 8.2 toneladas, equivalente a una tándem de 14.5 toneladas, se han determinado factores de equivalencia de carga por eje, que se han obtenido a partir de los resultados del AASHTO ROAD TEST. Los resultados obtenidos en el camino de prueba de la AASHTO, han permitido determinar que la equivalencia entre cargas diferentes transmitidas al pavimento por el mismo sistema de ruedas y ejes, se expresa como:

Factor de equivalencia de carga

__ (RP01)4

(2.5)

donde Po = carga estándar P1 = carga cuya equivalencia con la estándar se desea calcular. Ejemplo: Calcular el factor de equivalencia de una carga por eje simple de 15 toneladas con relación a la estándar de 8.2 toneladas.

Solución Factor de Equivalencia de carga

2.8

=

(.lil)4 8.2 T

= 11

DETERMINACIÓN DEL FACTOR CAMIÓN

Se entiende por factor camión al número de aplicaciones de ejes sencillos con carga equivalente de 8.2 toneladas, correspondientes al paso de un vehículo comercial (bus o camión). En nuestro medio son utilizadas tres metodologías para la obtención del factor camión: por conteo y pesaje de los vehículos comerciales, por el método MOPT - INGEROUTE y por el propuesto por la Universidad del Cauca. Si bien el pesaje constituye el medio más preciso para determinar las características de equivalencia del tránsito real con respecto a ejes sencillos de 8.2 toneladas, lo costoso que resultan estos estudios impide efectuarlos para todos los diseños de pavimento que se deban acometer. Por tanto, cuando se deba efectuar un diseño para un tramo de vía en el cual no se tengan datos sobre el pesaje quedan dos alternativas:

32 -

33

INGENIERíA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS -

ING. ALFONSO MONTEjO FONSECA

1) Tomar el valor correspondiente a una vía cerrada del cual se posea dicha información, si se considera que las características del tránsito en los dos tramos es similar. 2)

Estimar el factor camión a través de algún otro procedimiento de tipo empírico.

2.8.1

Determinación del factor camión por el método de conteo y pesaje

Para la determinación del factor camión por este método resulta conveniente elaborar una tabla como la No. 2.4, la cual ha sido tomada de un estudio real del Ministerio de Obras Públicas y Transporte. El método consiste, básicamente, en pesar durante un período definido, todos los ejes de los vehículos comerciales que pasan por un determinado punto de una carretera, agrupándolos luego de acuerdo con su carga por eje en toneladas en la columna de la izquierda de la tabla en mención y al número y distribución de sus ejes indicado en las columnas (1) y (7).

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