Pavimentos: materiales, construcción y diseñoAutor: Hugo Alexander Rondón Quintana   Fredy Alberto Reyes Lizcano

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Primera edición: marzo de 2015Tiraje: 1000 ejemplares

ImpresiónTalleres gráfi cos de la Empresa Editora Macro EIRLJr. San Agus n N.° 612-624, Surquillo, Lima, Perú

ISBN N.° 978-612-304-263-9Hecho el depósito legal en la Biblioteca Nacional del Perú N.° 2015-04557

Prohibida la reproducción parcial o total, por cualquier medio o método, de este libro sin previa autorización de la Empresa Editora Macro EIRL.

Introducción ...................................................................................................................231. Materiales o ligantes asfál cos..................................................................................... 33

1.1 Cemento asfál co ................................................................................................... 341.1.1 Generalidades ............................................................................................... 341.1.2 Rigidez del cemento asfál co ....................................................................... 491.1.3 Estructura sico-química .............................................................................. 50

1.2 Cemento asfál co modifi cado................................................................................ 511.3 Emulsiones asfál cas .............................................................................................. 541.4 Asfaltos líquidos, rebajados o cut-back .................................................................. 631.5 Asfaltos espumados ................................................................................................ 641.6 Crudo de Cas lla......................................................................... ................................. 641.7 Asfaltos naturales.................................................................................................... 65

2. Mezclas asfál cas........................................................................................................... 692.1 Generalidades ......................................................................................................... 692.2 Agregados pétreos .................................................................................................. 702.3 Mezcla asfál ca abierta en frío .............................................................................. 762.4 Mezcla asfál ca abierta en caliente ....................................................................... 802.5 Mezcla asfál ca densa en frío....................................................... ............................. 832.6 Concreto asfál co ................................................................................................... 882.7 Mezclas de arena - asfalto .................................................................................... 1022.8 Tratamientos superfi ciales. ................................................................................... 1032.9 Lechadas asfál cas (slurry and seal) .................................................................... 1062.10 Mezcla asfál ca drenante ................................................................................... 1082.11 Mezclas discon nuas en caliente o microaglomerados .................................... 1112.12 Mezclas bias ...................................................................................................... 1142.13 Mezclas asfál cas modifi cadas ........................................................................... 1352.14 Mezclas asfál cas recicladas en frío ................................................................... 1382.15 Mezclas asfál cas recicladas en caliente ........................................................... 1402.16 Bases estabilizadas con emulsión ....................................................................... 1422.17 Base o granular estabilizado con asfalto en caliente ......................................... 1452.18 Granular estabilizado con crudo de Cas lla ....................................................... 1472.19 Rigidez de mezclas asfál cas .............................................................................. 150

3. Mecanismos de daño de mezclas asfál cas para el diseño....................................... 1553.1 Ahuellamiento en mezclas asfál cas .................................................................... 155

3.1.1 Generalidades ............................................................................................. 1553.1.2 Ensayos y equipos............................................................. .............................. 1593.1.3 Factores que afectan la resistencia a la deformación permanente ........... 1703.1.4 Ecuaciones para la predicción de la deformación permanente ................ 191

3.2 Fa ga en mezclas asfál cas .................................................................................. 197

Indice

4 PAVIMENTOS: MATERIALES, CONSTRUCCIÓN Y DISEÑO

3.2.1 Generalidades ............................................................................................. 1973.2.2 Ensayos ........................................................................................................ 2003.2.3 Factores que afectan la resistencia a fa ga ............................................... 2113.2.4 Ecuaciones empíricas .................................................................................. 244

3.3 Daño por humedad..................................................................... ............................... 254

4. SUPERPAVE................................................................................................................... 257 4.1 Generalidades ....................................................................................................... 2574.2 Niveles de diseño .................................................................................................. 2584.3 Diseño de mezcla .................................................................................................. 2624.4 Ensayos para evaluar el comportamiento de la mezcla diseñada ....................... 273

5. Envejecimiento de asfaltos y mezclas asfál cas: estado del conocimiento............. 2755.1 Generalidades ....................................................................................................... 2755.2 Algunos estudios reportados................................................................................ 281

6. Evaluación de pavimentos........................................................................................... 2976.1 Inventario de daños .............................................................................................. 297

6.1.1 Fisuras .......................................................................................................... 2976.1.2 Deformaciones ............................................................................................ 3066.1.3 Pérdida de las capas de la estructura.................................. ......................... 3096.1.4 Daños superfi ciales ..................................................................................... 3126.1.5 Otros..... ....................................................................................................... 316

6.2 Inspección de obras de drenaje............................................................................ 3186.3 Estado superfi cial a través del MDR ..................................................................... 3186.4 Determinación del PCI .......................................................................................... 3236.5 Determinación de la irregularidad superfi cial ...................................................... 3246.6 Determinación del PSI ........................................................................................... 3296.7 Determinación del OPI .......................................................................................... 3306.8 Determinación de la textura superfi cial ............................................................... 3306.9 Evaluación estructural .......................................................................................... 333

6.9.1 Medidas de defl exión – Ensayos no destruc vos ...................................... 3336.10 Ensayos destruc vos ........................................................................................... 3386.11 Determinación de la capacidad estructural.................................. ....................... 3396.12 Exploración geotécnica ....................................................................................... 3396.13 Medición de ruido ............................................................................................... 341

7. Asfaltos modifi cados con caucho: estudio de su aplicación en Colombia................ 3457.1 Introducción .......................................................................................................... 3457.2 Generalidades ....................................................................................................... 3477.3 Especifi caciones colombianas ............................................................................... 3497.4 Ventajas de la u lización del asfalto-GCR ............................................................ 3527.5 Desventajas de la u lización del asfalto-GCR ....................................................... 3577.6 Jus fi cación de utlilización en Colombia de mezclasasfál cas modifi cadas con GCR....... 358

5INDICE

Anexo A. Ficha técnica del crudo de Cas lla .............................................................. 365Anexo B. Especifi cación PG (AASHTO MP 1) .............................................................. 370

8. Capas granulares: generalidades................................................................................ 3718.1 Base granular ........................................................................................................ 3718.2 Subbase granular .................................................................................................. 3738.3 Controles construc vos de bases y subbases ...................................................... 3748.4 Afi rmados .............................................................................................................. 3758.5 Subrasante mejorada.................................................................... ............................ 3778.6 Subrasante............................................................................................................. 380

8.6.1 CBR (Californian Bearing Ra o) .................................................................. 3808.6.2 Penetrómetro dinámico de cono (PDC) ..................................................... 3848.6.3 Prueba de placa .......................................................................................... 3858.6.4 Módulo resiliente ........................................................................................ 3878.6.5 Estudios adicionales .................................................................................... 393

9. Aspectos para tener en cuenta de los granulares en los métodos de diseño de pavimentos  fl exibles ........................................................................................................................ 397

9.1 Metodologías de diseño de pavimentos fl exibles y especifi caciones de materiales   ................................................................................................................................ 398

9.1.1 Métodos de diseño empíricos .................................................................... 3989.1.2 Métodos de diseño analí cos, mecanicistas o racionales..... .................... 405

9.2 Nuevos métodos de análisis de pavimentos ........................................................ 4089.2.1 Programas de elementos fi nitos (FEM)....................................................... 4089.2.2 Programas de elementos discretos (DEM) ................................................. 411

10. Comportamiento resiliente de materiales granulares............................................ 41510.1 Módulo resiliente. ............................................................................................... 41610.2 Factores que infl uyen en el comportamiento resiliente de materiales granulares gruesos ................................................................................................................ 422

10.2.1 Infl uencia del esfuerzo .............................................................................. 42310.2.2 Infl uencia del contenido de agua ............................................................. 42910.2.3 Infl uencia de la densidad................................................. ............................ 43210.2.4 Infl uencia de la granulometría, tamaño máximo, can dad de fi nos y forma de la par cula............................................................................................ 43310.2.5 Infl uencia del número, frecuencia de carga e historia de esfuerzo.......... 43910.2.6 Infl uencia del po de ensayo ....................................................................44010.2.7 Anisotropía..................................................................... ................................ 442

10.3 Ecuaciones resilientes (elás cas no lineales) para materiales granulares gruesos ...44610.4 Factores que influyen en el comportamiento resiliente de materiales fino- granulares ................................................................................................................... 455

10.4.1 Infl uencia del esfuerzo .............................................................................. 45510.4.2 Infl uencia del contenido de agua.................................................................. 458

6 PAVIMENTOS: MATERIALES, CONSTRUCCIÓN Y DISEÑO

10.4.3 Infl uencia de la densidad.............................................................................. 46210.5 Ecuaciones resilientes (elás cas no lineales) para materiales fi no-granulares..........46410.6 Síntesis ................................................................................................................. 472

11. Deformación permanente en materiales granulares no tratados.......................... 47511.1 Deformación permanente .................................................................................. 47511.2 Factores que infl uyen en la resistencia a la deformación permanente de materiales granulares gruesos .............................................................................................. 476

11.2.1 Infl uencia del esfuerzo .............................................................................. 47611.2.2 Infl uencia de la historia de esfuerzo ........................................................ 48311.2.3 Infl uencia del contenido de agua .............................................................48411.2.4 Infl uencia de la densidad .......................................................................... 48811.2.5 Infl uencia del número y frecuencia de carga ........................................... 49011.2.6 Infl uencia de la granulometría, tamaño máximo, can dad de fi nos y forma de la par cula............................................................................................ 49211.2.7 Infl uencia del po de ensayo .................................................................... 496

11.3 Ecuaciones de deformación permanente para materiales granulares gruesos...50011.4 Factores que infl uyen en la resistencia a la deformación permanente de materiales fi no-granulares .................................................................................................... 507

11.4.1 Infl uencia del esfuerzo .............................................................................. 50711.4.2 Infl uencia del contenido de agua ............................................................. 50911.4.3 Infl uencia de la frecuencia de carga ......................................................... 511

11.5 Ecuaciones de deformación permanente en materiales fi no-granulares.......... 51211.6 Síntesis ................................................................................................................. 516

12. Materiales ligados con cementantes hidraúlicos..................................................... 51712.1 Losa de concreto hidráulico para pavimento rígido .......................................... 517

12.1.1 Generalidades ........................................................................................... 51712.1.2 Elementos que conforman la losa ............................................................ 52412.1.3 Mecanismos de daño en el diseño de pavimentos rígidos ...................... 53212.1.4 Aspectos construc vos y especifi caciones de materiales ....................... 534

12.2 Base de concreto hidráulico .............................................................................. 54212.3 Bases estabilizadas con cemento hidráulico ......................................................54412.4 Suelo-cemento .................................................................................................... 54612.5 Adoquines de concreto............................................................... ............................ 549

13. Diseño de pavimentos................................................................................................ 55313.1 Variables de diseño ............................................................................................. 553

13.1.1 Subrasante ................................................................................................. 55313.1.2 Tránsito ...................................................................................................... 554

13.2 Método AASHTO (1993) - Pavimentos fl exibles y semirrígidos ......................... 57313.3 Método AASHTO (1993) – Pavimento rígido ...................................................... 58113.4 Diseño racional para pavimento fl exible, rígido y semirrígido (IDU & Universidad de los Andes, 2002) ............................................................................................ 585

CA

PÍT

ULO1

Materiales o ligantes asfálticos

Los productos asfál cos u lizados en pavimentos provienen de la des lación del petróleo crudo, ya sea en forma natural o industrial. Estos materiales ligan el agregado pétreo para conformar mezclas asfál cas y son los responsables de brindar, a la capa asfál ca, resistencia mecánica bajo carga monotónica, está ca y/o cíclica, impermeabilidad y durabilidad. En Colombia el manejo ambiental de este po de materiales se puede consultar en Ins tuto Nacional de Vías - Invías (2013, INV. 400.4.7). Algunos pos de asfaltos u lizados para la fabricación de mezclas asfál cas son:

Cemento asfál co. Emulsiones asfál cas. Asfaltos rebajados. Asfaltos modifi cados y mul grados. Asfaltos espumados. Crudos pesados. Asfal tas o asfaltos naturales.

A con nuación se hará una descripción resumida de los asfaltos más u lizados en el medio colombiano y en el mundo.

34 PAVIMENTOS: MATERIALES, CONSTRUCCIÓN Y DISEÑO

1.1 Cemento asfáltico1.1.1 Generalidades

El cemento asfál co se designa por las letras CA o AC (Asphalt Cement en un país anglosajón) y se clasifi can por lo general de acuerdo con su consistencia evaluada a través de dos ensayos: penetración y viscosidad. Otra forma de clasifi cación, u lizada principalmente en países desarrollados, se realiza a tra-vés del grado de funcionamiento (PG por sus siglas en inglés).

En Colombia, a la fecha de publicación del presente documento, los CA se clasifi can por lo general de acuerdo con su penetración (INV. E-706-13, ASTM D-5). Físicamente, los resultados de este ensayo pueden ser entendidos como la resistencia que experimenta el cemento asfál co cuando se permite pene-trar en él una aguja normalizada de 100 g de masa durante cinco segundos a una temperatura estándar (25 °C). Es decir, de manera directa mide la con-sistencia del CA y de manera indirecta evalúa su rigidez, entendiéndose que, bajo las mismas condiciones de ensayo, el CA más rígido será aquel en el cual la aguja penetre menos. Esta penetración se evalúa en 1/10 de mm, se mide en un «penetrómetro» (ver fi gura 1.1), y el procedimiento de ensayo puede ser consultado en la especifi cación INV. E-706-13 (ASTM D-5) del Ins tuto Nacional de Vías - Invías (2013a).

Figura 1.1 Penetrómetro