1. Primera edicin, 1997 Segunda edicin, 1998 Reimpresin segunda edicin, 2001 Segunda reimpresin de la segunda edicin, 2002 Universidad Catlica de Colombia Ediciones y Publicaciones 2002 Alfonso Montejo Fonseca Bogot, D.e. Coordinacin editorial: Stella Valbuena de Fierro ISBN: 958-96036-2-9 Todos los derechos reservados. Prohibida su reproduccin total o parcial por cualquier medio sin permiso del editor. Diagramacin y artes: Grficas mbar Telfono: 5486089 Diseo de cartula: Juanita Isaza Merchn Impreso: Agora Editores Telfono: 3104397 Impreso en Colombia Printed in Colombia PRESENTACiN Esta segunda edicin de INGENIERA DE PAVIMENTOS PARA CARRETE- RAS expresa la voluntad, la disciplina y el rigor con que su autor ha asumido el estudio de su especialidad. Al hacer la presentacin de este libro, quiero en primer lugar exaltar estas virtudes, porque las obras humanas son el producto de las condiciones personales. Las problemticas de nuestro diario vivir, tienen desde luego, diferentes causas y por lo tanto, diferentes fuentes de solucin. Una de ellas es el conocimiento como principio para la accin. Por eso, para la Universidad Catlica de Colombia es realmente muy satisfactorio hacer entrega de esta obra, que es sin duda alguna un gran aporte para la comunidad acadmica especializada en el tema y para la sociedad misma, que en ltimas debe ser la beneficiaria directa de la aplicacin seria y juiciosa de los conocimientos que en materia de pavimentos, se consignan en esta nueva edicin. Felicitaciones para el Ingeniero Alfonso Montejo y nuestra voz de aliento en su tarea de estudioso de la materia y en su empeo -muy loable por cierto- de querer transmitir y compartir todo su conocimiento a travs de obras como sta. EOGAR GMEZ BETANCOURT Presidente

2. PREFACIO Sio han transcurrido dos aos desde la publicacin de la primera edicin de este libro sobre ingeniera de pavimentos para carreteras. Su rpida y favorable acogida por parte de los profesionales de la ingeniera vial, investi- gadores, docentes y estudiantes universitarios, ha sido el mejor reconocimien- to que ha recibido el autor quien, en buena hora, emprendi la tarea de elaborar una obra actualizada sobre la mecnica de las calzadas, ciencia en la cual el desarrollo tecnolgico y el conocimiento han evolucionado de manera espectacular durante las dos ltimas dcadas del presente siglo. La brillante trayectoria del ingeniero Alfonso Montejo Fonseca como funcio- nario de las entidades estatales rectoras en la ingeniera de carreteras, su amplia experiencia como docente en el rea de pavimentos en reconocidas instituciones de educacin superior y su incuestionable pericia como confe- rencista en un sinnmero de foros nacionales de la viabilidad, son los factores que le han permitido preparar un libro que, adems de alta riqueza conceptual y profundo contenido tcnico, posee la sencillez y claridad necesarias para que su consulta sea amena y brinde fcil y rpida respuesta a las inquietudes del lector. Aqu radica, sin duda, el notable xito de la obra. Quien escribe estas lneas conoce los sacrificios y desvelos que trae consigo la preparacin de un libro tcnico en el pas y ha sufrido los efectos de la desproteccin en que se encuentran los autores ante la publicacin de ediciones no autorizadas. Por ello, aplaude sin reservas la abnegacin con la cual el ingeniero Montejo se empea en seguir sirviendo con desinters a la comunidad vial colombiana al entregarle esta segunda edicin de su libro, en la cual incluye temas de gran actualidad no abordados en la edicin anterior, como los referentes a las ltimas tecnolo~as de los asfaltos, la estabilizacin 3. VIII _ ING. ALFONSO MaNTElO FONSECA de suelos, el reciclado de pavimentos asflticos y el control estadstico de la calidad de las obras. La culminacin de una obra tan calificada como sta 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 seora y a sus hiJOS, qUienes muc o debieron sacrificar para que su esposo y padre pudiera entregarnos un documento de tanta utilidad. FERNANDO SNCHEZ SABOGAL Ingeniero Civil ( INTRODUCCiN Este libro constituye un texto bsico, dentro de la ingeniera civil, en los cursos de diseo de pavimentos. Tambin puede ser de utilidad como obra de consulta para profesionales y tcnicos dedicados a esta especialidad.. , En la actualidad la tecnologa 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 informacin 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 difusin de los conocimientos que se han adquirido en nuestro medio sobre el tema. Esta obra est organizada en los siguientes captulos: El Captulo 1 contiene los elementos bsicos de la ingeniera de pavimentos que necesitar el lector que desee comprender corretamente las aplicaciones. El Captulo 2 presenta la metodologa para la evaluacin del trnsito vehicular existente y esperado para el perodo previsto de diseo. El Captulo 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 geotcnicas de stos y la resistencia de la unidad tpica para diseo. En el Captulo 4 se presentan los mtodos de estabilizacin de suelos con los aditivos y procedimientos ms utilizados en el mundo y en especial en nuestro medio. Los Captulos S, 6 Y 7 contienen los ltimos mtodos de diseo de pavimentos (flexibles, rgidos y articulados) propuestos por diversas entidas forneas de investigacin. 4. x - ING. ALFONSO MONTElO FONSECA En el Captulo 8 se estudian las caractersticas geotcnicas de los materiales que se utilizan en la construccin 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. En el Captulo 9 se estudia la compactacin de suelos y mezclas bituminosas, enfocndose sta al logro de la permanencia de un comportamiento mecni- co adecuado de las capas de un pavimento, a travs de toda su vida til. En el Captulo lOse establece una metodologa para la evaluacin de los pavimentos en servicio y se presentan mtodos de diseo de las obras de mejoramiento. El Captulo 11 esta dedicado al estudio del reciclado de pavimentos flexibles, tema que en nuestro medio tiene una buena acogida, pero que an presenta algunas dificultades en el diseo y construccin. En el Captulo 12 se estudian las caractersticas de los asfaltos modificados y sus principales componentes. Este captulo ofrece especial inters en mostrar al lector las ventajas que presentan los asfaltos modificados en las diversas aplicaciones de obra. El Captulo 13 trata sobre una nueva tcnica de aplicacin del asfalto mediante un procedimiento de espumado. Esta forma de utilizacin del asfalto apenas se inicia y su aplicacin en obra an es incipiente y no muy desarrollada. En el Captulo 14 se estudian las mezclas asflticas drenantes, tcnica que brinda importantes mejoras en la seguridad de los usuarios al proporcionar texturas de pavimentos lo suficientemente rugosas, para un adecuado con- tacto 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 pocas de lluvia. En el Captulo 15 se presenta un resumen de los resultados de los estudios adelantados por los Estados Unidos en su programa SHRP, sobre los ligantesbituminosos y las mezclas asflticas. En el campo de los ligantes se han definido nuevos tipos y ensayos de identificacin de los mismos, totalmente novedosos. Algo similar ocurre con las mezclas asflticas donde se aplican nueV05 criterios de diseo. Finalmente se ha dedicado el Captulo 16 al estudio del control estadstico de calidad en el cual se plantea un modelo que establece un nivel de confiabili- dad, un mnimo necesario de muestras a extraer en un programa de control, INGENIERA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS _ XI una localizacin alea~oria. ?e puntos de muestreo y un adecuado anlisis de los resultados y la ap(cacron de reglas de decisin. A .tod~s I~s personas que han colaborado en este trabajo deseo expresarles mis mas ~m~ero.s ~gradecimientos, en especial al seor Decano de la Facultad d: Ingenlena Civil ?e la Universidad Catlica de Colombia, ingeniero Rafael Pere~ Carmona, qUien con su apoyo entusiasta permiti que esta obra pudiera culmmarse. ALFONSO MONTElO FONSECA Ing. de Vas y Transportes Especialista en Gerencia de Obra 5. CONTENIDO PRESENTACiN PREFACIO INTRODUCCiN CAPTULO 1 PAVIMENTOS, CONSTITUCiN Y CONCEPTOS GENERALES. 1. Descripcin y funciones de los pavimentos de carreteras . 1.1 Pavimento................... 1.2 Caractersticas que debe reunir un pavimento 1.3 Clasificacin de los pavimentos . 1.3.1 Pavimentos flexibles ... 1.3.2 Pavimentos semi-rgidos 1.3.3 1.3.4 2. Las bermas Pavimentos rgidos .. Pavimentos articulados 3. Factores a considerar en el diseo de pavimentos. 3.1 El trnsito ... 3.2 La subrasante 3.3 El clima. . .. 3.4 Los materiales disponibles. 4. Obras de drenaje y subdrenaje en carreteras 4.1 Obras de drenaje .......... . V VII IX 1 2 2 5 5 7 8 8 8 9 9 10 10 10 6. XIV - 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 vegetacin 4.1.6 Zanjas de coronacin . 4.1.7 Las alcantarillas 4.2 Obras de subdrenaje 4.2.1 Subdrenes longitudinales 4.2.2 Capas drenantes Referencias bibliogrficas CAPTULO 2 ESTUDIO DEL TRNSITO PARA DISEO DE PAVIMENTOS. 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 Introduccin . . . . . . . . . Definiciones generales Clasificacin de los vehculos Clasificacin del tipo de vehculo de acuerdo con la disposicin de sus ejes Carga mxima legal . . . . . . . . . Carga mxima legal ........ . Determinacin del trnsito existente Suputacin del trnsito durante el perodo de diseo Cargas equivalentes para el diseo de pavimentos. Determinacin del factor camin . . . . . . . . 2.8.1 2.8.2 Determinacin del factor camin por el mtodo de conteo y pesaje. . . . . . . Determinacin del factor camin por los mtodos Mopt-Ingeroute Y la Universidad del Cauca ................ . Determinacin del nmero de ejes equivalentes de 8.2 toneladas en el carril de diseo y durante el perodo de diseo (N) ..................... . 10 11 11 11 11 12 12 12 13 13 16 17 17 17 18 19 19 19 19 25 31 31 32 34 35 INGENIERA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS - XV Referencias bibliogrficas CAPTULO 3 ESTUDIO DE lOS SUELOS PARA DISEO DE PAVIMENTOS . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Definicin de suelo y roca ... 3.2 Origen y formacin de los suelos 3.3 3.4 3.5 Caractersticas de los suelos residuales Caractersticas de los suelos transportados Clasificacin de los suelos . . . . . . . . 3.5.1 Clasificacin de suelos AASHTO 3.5.2 Clasificacin unificada de suelos . Investigacin y evaluacin de suelos para el diseo de un pavimento Referencias bibliogrficas CAPTULO 4 ESTABILIZACiN DE SUELOS. 4.1 Introduccin.......... 4.1 .1 Estabilidad volumtrica 4.1.2 Resistencia .. 4.1.3 Permeabilidad. 4.1.4 Compresibilidad. 4.1.5 Durabilidad... 4.2. Suelos problemticos comunes en colombia. Recomendaciones generales para su identificacin y manejo ..................... . 4.2.1 Suelos arcillosos blandos compresibles y suelos orgnicos 4.2.2 Suelos volcnicos . 4.2.3 Suelos expansivos . 4.2.3.1 Generalidades. 4.2.3.2 Identificacin de suelos expansivos 4.2.3.3 Muestreo en suelos expansivos. . . 37 39 39 39 41 42 43 44 49 60 73 75 75 76 77 79 79 80 81 82 83 85 85 87 87 7. XVI - ING. ALFONSO MONTE)O FONSECA 4.2.3.4 Tcnicas de ensayo para identificacin de suelos expansivos . . . . . . . . . 88 4.2.4. Mtodos para minimizar los cambios volumtricos de la subrasante . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.2.4.1 Reemplazo del material expansivo . 4.2.4.2 Aplicacin de sobrecargas . . . . . 4.2.4.3 Minimizar los cambios de humedad 4.2.4.4 Prehumedecimiento del suelo expansivo ............. . 4.2.4.5 Estabilizacin de suelos expansivos 4.2.5 Precauciones para estudios y diseos de pavimentos sobre suelos expansivos . . . . . 4.2.6 Tcnicas comnmente utilizadas en Colombia para tratar suelos expansivos . . . . . . . 4.3 Estabilizacin de suelos con cal . . . . . . . . . . 4.3.1 Generalidades sobre la estabilizacin de suelos ................ . 4.3.2 Objetivos de la estabilizacin con cal 4.3.3 Materiales usados en la estabilizacin de suelo-cal .... 4.3.3.1 Suelos 4.3.3.2 Cal ... 4.3.3.3 Cal viva 4.3.3.4 Cal-Grasa 4.3.3.5 Cal Magra 4.3.3.6 Cales Hidrulicas 4.3.4 Influencia de la cal en las caractersticas de los suelos ..................... . 4.3.5 Influencia de la cal sobre las constantes fsicas del suelo ................... . 4.3.5.1 Lmite lquido- Lmite plstico-ndice plstico .......... '.... . 4.3.5.2 Lmite de contraccin . . . . . . . . 4.3.5.3 Influencia sobre la textura elemental 4.3.6 Influencia sobre la densidad seca ..... . 94 94 95 95 96/ 97 98 99 99 100 101 101 101 102 102 103 103 104 104 104 105 105 105 INGENIERA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS _ XVII 4.3.7 Influencia sobre la resistencia de los suelos . 4.3.8 Determinacin del porcentaje ptimo de cal 4.4 Estabilizacin mecnica . . . . . . . . 4.5 Estabilizacin de suelos con cemento 4.6 Estabilizacin de suelos con asfalto . . 4.6.1 Propiedades que presentan los suelos estabilizados con asfalto 4.6.2 Diseo de las mezclas " 4.6.3 Construccin ..... . . 4.7 Estabilizacin con cido fosfrico. 4.8 Estabilizacin con cloruro de sodio 4.9 Estabilizacin con soda custica . 4.10 Uso de polmeros y resinas . . . . 4.11 El drenaje como sistema de estabilizacin . 4.12 Estabilizacin electroqumica con aceite sulfonado Caractersticas fsico-qumicas . . . . . . . . . . Accin del aceite sulfonado sobre las partculas del suelo .......... . Densificacin del suelo . Fundamento geotcnico . 4.13 Capas estabilizadas Referencias bibliogrficas CAPTULO 5 DISEO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES Y SEMIRCIDOS PARA CARRETERAS . ........ Introduccin . . . . . . . . . . . ... ....... 5.1 5.2 Dis:o de pavi~entos asflticos en vas con bajos vo(umenes de transito . . . .. ....... . 5.2.1 Introduccin. 5.2.2 Trnsito ... 5.2.3 Estudio de la subrasante 5.2.4 Ejemplo de aplicacin. . 106 107 107 112 117 117 118 119 120 120 121 121 121 122 122 122 123 123 124 124 129 129 130 130 130 133 135 8. XVIII - ING. ALFONSO MONTEjO FONSECA 5.3 5.2.5 Seleccin de la estructura. . . .. .... Mtodo de diseo de pavimentos asflticos. en vas con medios y altos volmenes de trnsito. ... . 5.3.1 Introduccin....... . ...... . 5.3.2 Proyeccin del trnsito y clculo del nmero de ejes equivalentes en el perodo de diseo para el nivel 1 . . . . . . .. .... 5.3.3 Proyeccin del trnsito y el clculo del nmero de ejes equivalentes en el perodo de diseo para el nivel 2 . . . . . . . . . . . 5.3.4 Factores ambientales y climticos .... 5.3.5 Seleccin de las condiciones de humedad prevalecientes en la obra . . .. ... 5.3.6 Determinacin del tamao de la muestra o nmero de ensayos requeridos para la caracterizacin de la resistencia de la subrasante . . . . . . . . . . 5.3.7 Seleccin del mdulo resiliente de diseo y clasificacin de la subrasante de la unidad . 5.3.8 Listado general de materiales para pavimentos y convenciones . . .. .... 5.3.9 Costos asociados a la operacin de un pavimento durante el perodo de anlisis econmico .......... . . 5.3.10 Algunos comentarios relativos al anlisis econmico .. . . .. . .... 5.3.11 El costo global actualizado (CGA) como criterio de comparacin econmica de las alternativas estructurales . . . . . 5.3.12 Parmetros generales para la evaluacin de alternativas . ....... . 5.3.13 Ejemplo de clculo del costo global actualizado (CGA) de una alternativa estructural .. 5.3.14 Ejemplo No. 1 5.3.15 Ejemplo No. 2 140 161 161 166 171 176 182 184 185 186 189 190 192 193 195 195 199 I INGENIERA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS - XIX 5.4 Mtodo del TRL para diseo de pavimentos flexibles en pases tropicales y subtropicales . 5.4.1 Evaluacin del trnsito 5.4.2 La subrasante .. 5.4.3 Materiales de construccin 5.4.4 Figuras de diseo ... 5.5 Mtodo de diseo de espesores de pavimento flexible para carreteras segn el instituto del asfalto 5.5.1 Variables de diseo. .. .. 5.5.2 Procedimiento de diseo ... .. 5.6 Mtodo AASHTO para diseo de pavimentos flexibles (versin 1986) .. 5.6.1 Introduccin.. ... 5.6.2 Variables para el diseo. 5.6.3 Criterios de comportamiento 5.6.4 Propiedades de los materiales 5.6.5 Caractersticas estructurales del pavimento 5.6.6 Diseo estructural del pavimento 5.7 Mtodo Shell para el diseo de espesores de pavimentos flexibles . . . . .. ... ... . 5.8 Pavimentos semirgidos .. . .... . 5.8.1 Pavimentos con capas de suelo cemento 5.8.2 Pavimentos con capas de suelo - cal 5.8.3 Estabilizacin de suelos con asfalto Referencias bibliogrficas CAPTULO 6 DISEO DE ESPESORES DE PAVIMENTOS RGIDOS PARA CALLES Y CARRETERAS . . . . . . . . . . 6.1 6.2 Introduccin . . . .. Mtodo de la Portland Cement Association (PCA) 6.2.1 Procedimiento de diseo para el caso en que se disponga de datos sobre distribucin de carga por eje 229 230 231 232 236 247 247 249 263 263 263 265 265 271 274 282 309 309 313 315 317 319 319 320 327 9. xx - ING. ALFONSO MONTElO FONSECA 6.2.2 Procedimiento simplificado de diseo para el caso en que no se disponga de datos sobre distribucin de cargas por eje 6.3 Las juntas en los pavimentos rgidos 6.3.1 Finalidad de las juntas. 6.3.2 Elementos de la junta 6.3.3 Clases de juntas Juntas de contraccin Juntas de dilatacin Referencias bibliogrficas CAPTULO 7 DISEO DE ESPESORES DE PAVIMENTOS DE ADOQUINES DE CONCRETO . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1 Introduccin... 7.2 Casos especiales . 7.3 Diseo de un pavimento nuevo. 7.3.1 Evaluacin de la subrasante . 7.3.2 Seleccin del espesor del pavimento. 7.4 Especificaciones para los materiales del pavimento Referencias bibliogrficas CAPTULO 8 MATERIALES PARA CONSTRUCCiN YMEJORAMIENTO DE PAVIMENTOS 8.1 Introduccin......... .. 8.2 Tecnologa del hormign simple 8.2.1 El Cemento . . . . . .. 8.2.2 8.2.3 8.2.4 Caractersticas de los agregados El agua de mezclado . . . . . La mezcla de hormign . . . . 8.3 Tecnologa de las mezclas bituminosas 8.3.1 Materiales asflticos. . .. 8.4 Capas granulares para pavimentos 344 354 354 356 359 362 363 363 365 365 366 366 366 372 378 379 379 379 380 393 409 416 420 420 464 INGENIERA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS - XXI 8.5 Control de calidad de materiales y de construccin Referencias bibliogrficas . CAPTULO 9 COMPACTACIN 9.1 Compactacin de suelos 9.1.1 Antecedentes .. 9.1.2 Efectos de los diferentes factores que intervienen 467 473 475 475 475 en la compactacin .......... 477 9.1.2.1 Efectos de contenido de agua 477 9.1.3 9.14 9.1.5 9.1.2.2 Efectos de la energa de compactacin 9.1.2.3 Efectos del mtodo de compactacin 9.1.2.4 Efectos de la fraccin gruesa Requisito de compactacin. . . Ensayos de compactacin ... Compactacin y compactadores 9.2 Compactacin de mezclas asflticas . . 9.2.1 Influencia de las propiedades de los materiales en la compactacin . . . . . . . ..... 9.2.2 Influencia del espesor de la capa asfltica 9.2.3 Influencia de la temperatura de la mezcla 9.2.4 Influencia de las condiciones climticas en la compactacin . . . . . . . . . . . . 9.2.5 Equipos de compactacin ....... . 9.2.6 Ventajas de la compactacin de pavimentos al 100 por ciento de la densidad de laboratorio durante la construccin . 9.2.7 Tramos de prueba. Referencias bibliogrficas CAPTULO 10 EVALUACiN DE PAVIMENTOS EN SERVICIO Y DISEO DE OBRAS DE MEJORAMIENTO . . . . . . . . . . . . . 10.1 Introduccin......... .. 477 479 481 481 483 490 498 498 499 501 501 502 503 503 504 505 505 10. XXII - ING. ALFONSO MONTEjO FONSECA 10.2 Tipos de fallas en los pavimentos flexibles . . . . .. 10.3 Patologa de las estructuras de pavimento en servicio 10.3.1 Informacin existente . . . . . ... 10.3.2 Examen superficial del pavimento . 10.3.3 Evaluacin estructural continua por deflectometra . . . . . . . . . . . . 10.3.4 Evaluacin de la regularidad superficial 10.3.5 Evaluacin de la textura superficial de un pavimento ............... . 10.3.6 Evaluacin geotcnica de los materiales de la estructura existente . . . . . . . . 10.4 Criterio del instituto del asfalto para el diseo de refuerzos de pavimentos flexibles . . . . . . 10.4.1 Diseo de sobrecapas asflticas en pavimentos flexibles ............. . 10.5 Diseo racional de refuerzos de pavimentos flexibles criterio de Lilli - Lockhart . . . . . . . . . . . 10.6 Refuerzos de concreto hidrulico sobre pavimentos rgidos de calles y carreteras Referencias bibliogrficas CAPTULO 11 RECICLAJE DE PAVIMENTOS flEXIBLES ... 11.1 Introduccin... .... 11 .2 Campos de aplicacin del reciclaje 11.3 Tipos de reciclaje ........ . 11.4 Ventajas de las tcnicas de reciclado 11.5 Reciclaje superficial . . . . . . . 11.6 Reciclaje en el lugar . . . . . . . 11.7 Reciclaje en planta (en caliente) . 11 .8 Diseo de mezclas asflticas recicladas en fro (mtodo del instituto del asfalto) .. Paso 1 - Combinacin de agregados Paso 2 - Seleccin del asfalto nuevo 506 507 507 508 519 532 537 541 542 542 553 579 587 589 589 590 590 591 592 594 595 596 602 602 INGENIERA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS - XXIII Paso 3 - Determinacin de la cantidad total de asfalto . Paso 4 - Porcentaje de asfalto nuevo por aadir Paso 5 - Pruebas de campo Diseo de espesores 11.9 Diseo de mezclas asflticas recicladas en caliente (mtodo del Instituto del Asfalto) ......... . Paso 1 - Combinacin de agregados para la mezcla reciclada ................ . Paso 2 - Demanda de asfalto para la combinacin de agregados . . . . . . . . . . . . . . . Paso 3 - Porcentaje de asfalto nuevo en la mezcla Paso 4 - Seleccin del grado del asfalto nuevo Paso 5 - Tanteo de diseo de la mezcla ... Paso 6 - Seleccin de la frmula de trabajo. Diseo de espesores --Referencias bibliogrficas . CAPTULO 12 ASFALTOS MODIFICADOS 12.1 Introduccin......... 12.2 Objetivo de la modificacin 12.3 Beneficios que se buscan con la modificacin del asfalto ............. . 12.4 Las asociaciones asfalto-polmero 12.5 Compatibilidad ....... .. 12.6 Caracterizacin de los asfaltos modificados con polmeros ............... . 12.7 Aplicaciones de los ligantes modificados 12.7.1 Mezclas drenantes . . . . . . . 12.7.2 Mezclas en caliente en capas delgadas (Microaglomerados en caliente) .... 12.7.3 Mezclas bituminosas altamente resistentes para capa de rodadura . . . . . . . . . . . . . . . . 602 603 603 603 607 612 612 612 612 613 615 615 615 617 617 617 619 619 623 625 629 630 630 632 11. XXIV - ING. ALFONSO MONTEjO FONSECA 12.7.4 Tratamientos superficiales mediante riego con gravilla ................ . 12.7.5 Lechadas Bituminosas ........ . 12.7.6 Membranas absorventes de tensiones 12.7.7 Mezclas de alto mdulo ... . . . . 12.8 Emulsiones con asfaltos previamente modificados (2,3,4) ...................... . 12.9 Elaboracin de emulsiones con asfalto modificado. 12.10 Caracterizacin de las emulsiones modificadas 12.11 Aplicaciones de las emulsiones modificadas con polmeros(2,3) . . . . . . 12.12 Tratamientos superficiales . 12.13 Mezclas abiertas en fro . . 12.14 Microaglomerados en fro . 12.15 Tratamientos antifisuras Referencias bibliogrficas CAPTULO 13 El ASFALTO ESPUMADO 13.1 Introduccin .......... . 13.2 Obtencin del asfalto espumado 13.3 Caractersticas del asfalto espumado 13.4 Materiales tratados con asfalto espumado 13.5 El asfalto espumado en la construccin vial 13.6 Procedimiento del diseo de mezcla 13.7 Condiciones de curado . . . . . .. 13.8 Construccin de vas con asfalto espumado 13.9 Las economas del asfalto espumado 13.10 Reciclaje con asfalto espumado. Referencias bibliogrficas CAPTULO 14 MEZClAS ASFlTICAS DRENANTES 632 632 633 633 633 634 634 635 635 636 636 638 638 639 639 639 640 641 645 646 648 649 650 650 652 653 INGENIERA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS - XXV 14.1 Definicin 14.2 Historia. Referencias bibliogrficas CAPTULO 15 SUPERPAVE ................ 15.1 Introduccin .. " 15.2 Nuevos criterios Superpave para ligantes asflticos " . . . . . . . . I 5.3 Mtodos de ensayo Superpave para asfaltos 15.4 Especificacin Superpave para asfaltos 15.5 Especificaciones Superpave para mezclas asflticas . .. .. ...... . 15.5.1 Mtodos de ensayo Superpave para mezclas asflticas '" . 15.5.2 Diseo de mezclas asflticas, Nivel 1 15.5.3 Diseo de mezcla, Nivel 2 15.6 Diseo de mezclas nivel 3: propiedades fundamentales basadas en el comportamiento en servicio. " . . . . . . . .. 15.7 Caractersticas de los agregados utilizados en la mezcla asfltica segn Superpave . 15.7.1 Propiedades de la fuente de origen 15.7.2 Granulometra. Referencias bibliogrficas . CAPTULO 16 CONTROL ESTADSTICO DE CALIDAD 16.1 Introduccin .. 16.2 Trminos estadsticos y de control de calidad 16.2.1 Conjuntos de datos . . . 16.3 16.2.2 Representaciones numricas Funcin de los mtodos estadsticos en la administracin de procesos de produccin. 653 654 666 667 667 667 669 677 680 680 685 688 693 694 696 697 711 715 715 716 716 716 718 12. XXVI - ING. ALFONSO MONTEIO FONSECA 16.4 Diagramas de Pareto de Fenmenos y Diagramas de Pareto de Causas. . . . 16.4.1 Diagrama de Pareto de Fenmenos 16.4.2 Diagrama de Pareto de Causas ... 16.4.3 Diagramas de Causa-Efecto . . . . . 16.5 Procedimiento para elaborar los diagramas de Causa-Efecto para la identificacin de causas 16.6 Los histogramas . . . . . . . . 16.7 Grficos de control ..... . 16.7.1 Causas debidas al azar 16.7.2 Causas asignables . 16.8 Ejemplos de aplicacin Referencias bibliogrficas .... 719 719 719 720 720 721 725 726 726 731 734 CAPTULO 1 PAVIMENTOS, CONSTITUCiN y CONCEPTOS (jENERAlES 1. DESCRIPCiN y FUNCIONES DE lOS PAVIMENTOS DE CARRETERAS 1.1 PAVIMENTO Un pavimento est constituido por un conjunto de capas superpuestas, relativamente horizontales, que se disean y construyen tcnicamente con materiales apropiados y adecuadamente compactados. Estas estructuras es- tratificadas se apoya sobre la subrasante de una va obtenida por el movi- miento de tierras en el proceso de exploracin y que han de resistir adecuadamente los esfuerzos que las cargas repetidas del trnsito le transmite durante el perodo para el cual fu diseada la estructura del pavimento. 1.2 CARACTERSTICAS QUE DEBE REUNIR UN PAVIMENTO Un pavimento para cumplir adecuadamente sus funciones debe reunir los siguientes requisitos: 13. 2 - ING. ALFONSO MONTEjO FONSECA Ser resistente a la accin de las cargas impuestas por el trnsito. Ser resistente ante los agentes de intemperismo. Presentar una textura superficial adaptada a las velocidades previstas de circulacin de los vehculos, por cuanto ella tiene una decisiva influencia en la seguridad vial. Adems, debe ser resistente al desgaste producido por el efecto abrasivo de las llantas de los vehculos. Debe presentar una regularidad superficial, tanto transversal como longitudi- nal, que permitan una adecuada comodidad a los usuarios en funcin de las longitudes de onda de las deformaciones y de la velocidad de circulacin. Debe ser durable. Presentar condiciones adecuadas respecto al drenaje. El ruido de rodadura, en el interior de los vehculos que afectan al usuario, as como en el exterior, que influye en el entorno, debe ser adecuadamente moderado. Debe ser econmico. Debe poseer el color adecuado para evitar reflejos y deslumbramientos, y ofrecer una adecuada seguridad al trnsito. 1.3 CLASIFICACiN DE LOS PAVIMENTOS En nuestro medio los pavimentos se clasifican en: pavimentos semi-rgidos o semi-flexibles, pavimentos articulados. 1.3.1 Pavimentos flexibles pavimentos flexibles, rgidos y pavimentos Este tipo de pavimentos estn formados por una carpeta bituminosa apoyada generalmente sobre dos capas no rgidas, la base y la subbase. No obstante puede prescindirse de cualquiera de estas capas dependiendo de las necesi- dades particulares de cada obra. En la Figura No.l.l se muestra un corte tpico de un pavimento flexible. INGENIERA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS - 3 z 'o '" ;... ..z z .. ~ .... .. ..J Q .. a: "-.. Z 5 .. x N a: '" z '" !!i-..J '" a: ::> o ".. ., O .. '" N ..O o " ;: N o~ o ffi " o O S! O " a: .. !5 ~ ~;: :; :; '" '" a: " " " " " o: ., o: a: z ~ ~ z z z '" o '" o ; ..J .. .. ... z .. "- .. I "'"M '"..~ el) : 2.6 INGENIERA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS - 25 SUPUTACIN DEL TRNSITO DURANTE EL PERODO DE DISEO Un pavimento debe ser diseado para soportar el trnsito inicial y aquel que pase durante su vida de servicio. Sin embargo, es necesario reconocer que no es fcil calcular tales cargas, por cuanto en el trnsito futuro intervienen factores muy complejos, dado que es muy difcil predecir los cambios en la economa regional general, en la poblacin y en el uso de la tierra a lo largo de la va durante el perodo de diseo. Pero, el volumen de trnsito futuro de una va nacional en servicio, que se encuentre en afirmado, puede ser estimado con razonable exactitud a partir de datos sobre el trnsito existente y mediante un anlisis estadstico de su evolucin histrica. El estimativo en mencin requiere del conocimiento del valor de la tasa anual de crecimiento del trnsito, el cual es indispensable para efectuar proyecciones a mediano y largo plazo, necesarias para los estudios de pavimento, tanto en la etapa de diseo como de funcionamiento. Para el clculo de dicho parmetro es necesario contar con una serie cronolgica de datos como la que presenta anualmente la Oficina de Programacin de Carreteras del INV en su publica- cin denominada Volmenes de trnsito. A partir de dichos datos y mediante la aplicacin de modelos de regresin es posible ajustar las series histricas del trnsito con el uso de los modelos lineal y exponencial, pues son los que ms se ajustan a estas series histricas. Eligiendo para el anlisis el modelo que presente la mejor correlacin de los valores de trnsito. El trnsito inicial de vehculos comerciales utilizado para el diseo de un pavimento ser la suma de: el normalmente existente, el atrado y el generado. Adems, es conveniente tener en cuenta que para efectos del dimensiona- miento de un pavimento interesa solamente el trnsito que pasa por un carril, al que se denomina carril de diseo, que es aquel por el cual se espera que circulen el mayor volumen de vehculos pesados, y para su determinacin deben utilizarse los siguientes valores: Nmero Porcentaje. de vehculos de pesados en el carril Carriles de diseo 2 50 4 45 6+ 40 25. 26 - ING. ALFONSO MONTEjO FONSECA El trnsito as obtenido habr de proyectarse hacia el futuro una vez estable- cido el perodo de diseo y determinada la tasa anual de crecimiento del trnsito. Tradicionalmente en Colombia las proyecciones del trnsito se han efectuado utilizando el modelo exponencial expresado mediante la siguiente frmula de inters: Tn =Ti x (1 + r)n donde: Tn Ti Trnsito en cualquier ao n. Trnsito en el ao cero (inicial). Tasa de crecimiento anual del trnsito. (2.1 ) A partir de la expresin 2.1 es posible por integracin obtener el trnsito acumulado durante los n aos del perodo de diseo, mediante la siguiente ecuacin: (1+rf-1 T acumulado = Ti x -'----'-- Ln(1 +r) Ejemplo (2.2) El trnsito promedio diario de vehculos comerciales de la carretera La Uribe-La Paila durante los aos 1980-1985 aparece en la Tabla 2.1 a) Hallar las ecuaciones de los modelos lineal y exponencial que se ajusten a los datos del trnsito. b) Estimar el trnsito promedio con los valores reales de 3218 y 3497 vehculos comerciales, respectivamente. c) Determinar la curva de aproximacin que mejor se ajuste a los datos de trnsito. d) Hallar el valor de la tasa anual de crecimiento del trnsito. Tabla 2.1 Aos 1980 1981 1982 1983 1984 1985 TPD (V.c.) 2322 2327 2368 2472 2682 2789 INGENIERA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS - 27 e) Calcular con la ecuaClon de ajuste elegida, el trnsito de vehculos comerciales para el primer ao de servicio del pavimento, que se estima sea 1991. f) Calcular el trnsito acumulado de vehculos comerciales en el carril de diseo para un perodo de diseo de 10 aos, contados a partir del primer ao de servicio del pavimento. La va es de dos (2) carriles de trnsito. Solucin a) Determinacin de la ecuacin de aproximacin que mejor ajuste los datos del trnsito. La recta de ajuste de los datos tiene la ecuacin: y = a + bx (2.3) donde las constantes a y b se determinan mediante las siguientes ecua- ciones: a = b eL.Y) (LX 2 ) - (LX) (LXY) NLX2 - (LX)2 NLXY - (LX) (LXY) NIX2 - (LX)2 El trabajo puede ordenarse como se presenta en la Tabla 2.2. Tabla 2.2 Ao X X2 y y2 11 - - . 11 1980 O O 2.322 5'391.684 O 1981 1 1 2.327 5'414.929 2.327 1982 2 4 I 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 I 1985 5 25 2.789 7'778.521 13.945 I Sumatorias 15 55 14.960 37'496.466 39.152 26. 28 - ING. ALFONSO MONTElO FONSECA A partir de los datos obtenidos en la Tabla No. 2.2 se tiene: a = b (14960) (55) - (15) (39152) (6) (55) - (225) (6) (39152) - (15) (14960) (6) (55) - (225) Entonces Y = 2243 + 100x 2243 100 La ecuacin exponencial tiene la frmula: y = abx (2.4) Teniendo en cuenta que la ecuaClon (2.4) es no lineal es necesario reducirla a la forma lineal para facilitar su clculo de la forma siguiente: Aplicando logaritmos a la expresin Y = ab', se tiene: Log Y = Log a + (Log b)x, esta ecuacin se puede escribir Y' = a' + b'X, donde Y' = Log Y, a' = Log a, y, b' = Log b. En la Tabla No. 2.3 se presenta los clculos correspondientes: Tabla 2.3 Ao Y y' X X2 (Log y) 1980 2.322 3.366 O O 1981 2.327 3.367 1 1 1982 2.368 3.374 2 4 1983 2.472 3.393 3 9 1984 2.682 3.428 4 16 1985 2.789 3.445 5 25 Sumatoria 14.960 20.373 15 55 A partir de los datos de la tabla anterior se tiene: a' = (20.373) (55) - (15) (51.231) = 3.353 (6) (55) - (255) XLgY O 3.367 6.748 10.179 13.712 17.225 51.231 y,2 11.330 11.337 11.384 11 .512 11.751 11.868 69.182 INGENIERA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS - 29 Como: a' = Log a = 3.353, entonces, a = 2.254 b' (6) (51.231) - (15) (20.373) (6) (55) - (225) 0.017 de igual forma b' = Log b = 0.017, por tanto, b = 1.04. Entonces la ecuacin exponencial ser: Y = (2.254) (1.04)X b) Mediante las ecuaciones de tendencia se obtienen los siguientes prons- ticos del trnsito para 1988 y 1989. Ecuacin Lineal: Ecuacin Exponencial: Ecuacin Lineal: Ecuacin Exponencial: TPDv.c.( 1988) = 3043 TPDv.c.(1988) = 3085 TPDv.c.( 1989) = 3143 TPDv.c.(1989) = 3208 Los resultados anteriores permiten concluir que los pronsticos del trn- sito promedio diario de vehculos comerciales, calculados con la ecuacin exponencial para los aos 1988 y 1989, son ms prximos a los valores reales que los encontrados con la ecuacin lineal, aunque para los efectos de diseo de pavimentos esta ligera variacin entre modelos realmente no tiene un apreciable significado. c) Para la determinacin de la curva de aproximacin que mejor ajuste los datos se debe proceder a calcular el coeficiente de correlacin de las dos curvas de ajuste en estudio y escoger aquella que presente una mejor correlacin, es decir, la que resulte con el coeficiente ms prximo a la unidad. La ecuacin que permite calcular el coeficiente de correlacin es la siguiente: r = N"LXY - ("LX) ("LY) Ecuacin Lineal: r = (6)(39152) - (15)(14.960) ~[(6)(55) - (225)].[(6)(37496466) - (223801600)] 27. 30 - ING. ALFONSO MONTElO FONSECA r = 0.95 Ecuacin Exponencial: r = (6)(51.231) - (15)(20.3 73) J[(6)(55) - (225)].[(6)(69.182) - (415.06)] r = 0.98 De acuerdo con los resultados obtenidos, se tiene que la ecuacin exponencial es la que mejor ajusta los datos del trnsito. d) Teniendo en cuenta que la ecuacin de ajuste y = (2254)(1.04)X es, en esencia, la misma expresin (2.4), se tiene que: (1 +r) = 1.04, entonces, r (tasa anual de crecimiento de trnsito) = 4%. e) El trnsito para el primer ao de servicio del pavimento ser: y = (2254)(1.04)11 = 3469 vehculos comerciales f) Para determinar el trnsito acumulado de vehculos comerciales en el carril de diseo, durante el perodo de diseo se debe proceder de la forma siguiente: Calcular el trnsito promedio diario de vehculos comerciales en el carril de diseo para el primer ao de servicio del pavimento, as: 3609x 50/100 = 1805. El trnsito de vehculos comerciales de todo el ao inicial de servicio del pavimento ser: 1805 x 365 = 658.625 Finalmente, para el clculo del trnsito acumulado de vehculos comer- ciales en el carril de diseo y durante los 10 aos del perodo de diseo, es necesario integrar la ecuacin bsica: y = f(658.825)(1.04)xdx entre los lmites x =o a x = 10. Obtenindose que: y = 658825 [(1.04)10 - 1] = 10'703.984 Ln(1.04) INGENIERA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS - 31 2.7 CARGAS EQUIVALENTES PARA EL DISEO DE PAVIMENTOS Con el objeto de evaluar el efecto, en un pavimento flexible, de las cargas diferentes a la estndar de 8.2 toneladas, equivalente a una tndem 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 pavi- mento por el mismo sistema de ruedas y ejes, se expresa como: Factor de equivalencia de carga __ (RP01)4 (2.5) donde Po = carga estndar P1 = carga cuya equivalencia con la estndar se desea calcular. Ejemplo: Calcular el factor de equivalencia de una carga por eje simple de 15 toneladas con relacin a la estndar de 8.2 toneladas. Solucin Factor de Equivalencia de carga = (.lil)4 = 11 8.2 T 2.8 DETERMINACIN DEL FACTOR CAMIN Se entiende por factor camin al nmero de aplicaciones de ejes sencillos con carga equivalente de 8.2 toneladas, correspondientes al paso de un vehculo comercial (bus o camin). En nuestro medio son utilizadas tres metodologas para la obtencin del factor camin: por conteo y pesaje de los vehculos comerciales, por el mtodo MOPT - INGEROUTE y por el propuesto por la Universidad del Cauca. Si bien el pesaje constituye el medio ms preciso para determinar las carac- tersticas de equivalencia del trnsito real con respecto a ejes sencillos de 8.2 toneladas, lo costoso que resultan estos estudios impide efectuarlos para todos los diseos de pavimento que se deban acometer. Por tanto, cuando se deba efectuar un diseo para un tramo de va en el cual no se tengan datos sobre el pesaje quedan dos alternativas: 28. 32 - ING. ALFONSO MONTEjO FONSECA 1) Tomar el valor correspondiente a una va cerrada del cual se posea dicha informacin, si se considera que las caractersticas del trnsito en los dos tramos es similar. 2) Estimar el factor camin a travs de algn otro procedimiento de tipo emprico. 2.8.1 Determinacin del factor camin por el mtodo de conteo y pesaje Para la determinacin del factor camin por este mtodo resulta conveniente elaborar una tabla como la No. 2.4, la cual ha sido tomada de un estudio real del Ministerio de Obras Pblicas y Transporte. El mtodo consiste, bsicamente, en pesar durante un perodo definido, todos los ejes de los vehculos comerciales que pasan por un determinado punto de una carretera, agrupndolos luego de acuerdo con su carga por eje en toneladas en la columna de la izquierda de la tabla en mencin y al nmero y distribucin de sus ejes indicado en las columnas (1) y (7). La sumatoria de los valores de la columna 1 es de 6750 ejes simples pesados, que corresponden a un total de 3375 camiones, de acuerdo con la configu- racin de sus ejes, as mismo, la 2 presenta un total de 1852 ejes simples pesados que corresponden a 926 buses. Los valores de la 3 resultan de sumar las columnas 1 y 2, igualmente la 8 y 9 representan las sumas en ellas indicadas. Con el objeto de evitar molestias a los usuarios, causadas por las demoras en el pesaje de los ejes de los buses, aquellos son nicamente contados y distribuidos posteriormente de acuerdo con los porcentajes que se presentan en la parte inferior izquierda de la tabla, estos valores han sido obtenidos con base en la experiencia del pas. El ltimo valor de la columna 8 corresponde al nmero total de camiones pesados durante el estudio y en el ltimo rengln de la 9 aparece el total de buses y camiones contados y pesados. La columna lOse obtiene dividiendo cada uno de los valores de la columna 8 por el total de camiones pesados (3581) Y multiplicando por 1000, de igual forma la columna 11 resulta de dividir cada uno de los valores de la 9 entre el ltimo valor de la misma columna (4507) y multiplicando por 1000. Los valores de la columna 12 corresponden a los factores de equivalencia de carga por eje determinados por el AASHTO ROAD TEST. ...: '".. -