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REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA
FACULTAD DE INGENIERIA
DIRECCION DE POSTGRADO
TRABAJO DE CONCRETO ARMADO I
DISEÑO DE PAVIMENTO ASFÁLTICO
ING. JUAN ROMERO
V-13219039
CONTENIDO
1. CONCEPTOS BASICOS: PAVIMENTO ASFÁLTICO.
2- CONSIDERACIONES PREVIAS PARA EL DISEÑO DEL PAVIMENTO ASFÁLTICO.
3- PATOLOGÍA DEL PAVIMENTO EN VIAS Y CARRETERAS.
4- CEMENTOS ASFÁLTICOS PRODUCIDOS POR PDVSA: SUS APLICACIONES.
5- APLICACIÓN DEL CEMENTO ASFÁLTICO.
6- USO DEL CEMENTO ASFÁLTICO.
7. OBTENCIÓN DEL CEMENTO ASFÁLTICO POR REFINACIÓN EN VENEZUELA.
8- PROPIEDADES O CARACTERÍSTICAS DESEABLES DEL CEMENTO ASFÁLTICO.
9- ESPECIFICACIONES Y ENSAYOS PARA CEMENTOS ASFÁLTICOS.
10- CARACTERIZACIÓN DEL MERCADO LOCAL DE CEMENTO ASFALTICO.
11- DISEÑO DE PAVIMENTO ASFÁLTICO PARA VIAS DE BAJO VOLUMEN DE TRÁFICO.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
PAVIMENTOS
1. CONCEPTOS BASICOS
La idea básica para la construcción de una ruta ó un área de estacionamiento en
todas las condiciones utilizadas por vehículos es preparar una adecuada sub-base
ó fundación, proveer un necesario drenaje y construir un pavimento que:
Tendrá un espesor total suficiente y resistencia interna para soportar de
tráfico esperadas. Como muestra la Figura 1.
Tendrá una adecuada compactación para prevenir la penetración ó la
acumulación interna de humedad.
Tendrá una superficie final suave, resistente al deslizamiento, resistente al
rozamiento, distorsión y resistente al deterioro por la acción de químicos
anticongelantes
Figura 1
La sub rasante finalmente soportará todas las cargas del tránsito. En
consecuencia la función estructural de un pavimento es soportar la carga de los
ejes sobre la superficie y transferir y distribuir la carga a la sub-rasante sin exceder
ya sea, la resistencia de la sub-rasante, ó la resistencia interna del pavimento en
sí mismo.
1.1- Pavimento Asfáltico: es un término general aplicado a cualquier pavimento
cuya superficie esté construida con asfalto. Normalmente este consiste en una
carpeta de rodamiento de agregados minerales recubiertos y sementados con
asfaltos y una ó más bases o sub-bases (Figura 2 y 3) las cuales pueden ser
clasificadas como:
Carpeta Asfalto Base, consistente de mezcla de agregados y asfalto,
Piedra partida, escoria de alto horno ó grava.
Concreto de cemento portland.
Figura 2 Figura 3
La estructura de un pavimento asfáltico consiste de todas las capas ó carpetas
que se colocan arriba de la sub-base preparada ó fundación. La carpeta superior
es la de rodamiento, esta puede tener un espesor desde menos de 25 mm a más
de 75 mm dependiendo de una variedad de factores y circunstancias, construcción
y mantenimiento. Mientras una gran variedad de bases y sub-bases pueden ser
utilizados, en las estructuras de pavimentos asfálticos, a menudo éstas consisten
de material granular compactado ó suelo estabilizado.
Una de las principales ventajas de los pavimentos asfálticos es la economía
asegurada por la utilización de materiales disponibles localmente. Generalmente,
es preferible tratar los materiales granulares utilizados en la bases. El tratamiento
más comúnmente utilizado es mezclar el asfalto con el material granular,
produciendo lo que se denomina un asfalto base. Se ha encontrado que un
espesor de 25 mm de asfalto base tiene la misma performance en cargas que al
menos 50 mm ó más de una base granular no tratada con asfalto. Bases y sub-
bases no tratadas con asfalto han sido largamente utilizadas en el pasado.
En consecuencia debido a que el tráfico moderno se incrementa en peso y
volumen, estas bases demuestran limitadas actuaciones. Consecuentemente ha
comenzado a ser más común limitar el uso de bases no tratadas para pavimentos
diseñados para bajos volúmenes de tránsito liviano.
Cuando la totalidad de la estructura del pavimento que está por encima de la sub-
rasante consiste de mezclas asfálticas, este se denomina “Pavimento Asfáltico”,
éste es generalmente considerado el de mejor costo efectivo dependiendo los
tipos de pavimentos del tipo de tráfico; otros materiales a menudo utilizados para
tratar ó estabilizar bases y sub-bases granulares, materiales ó suelos
seleccionados son: Cemento Portland, Alquitrán de Hulla, Cloruro de Calcio, ó Sal
(Cloruro de Sodio).
2- Consideraciones previas para el Diseño de pavimento asfáltico:
Los asfaltos y el clima. (Figura 4)
Figura 4: Uso de Cementos asfálticos en función al clima.
Rendimiento aproximado de los asfaltos de pavimentación:
El siguiente cuadro (Figura 5) nos muestra el rendimiento aproximado de los
asfaltos de acuerdo a su aplicación; al respecto es importante indicar que se trata
de una guía aproximada. Para el efecto de cálculos de mayor exactitud es
importante considerar los siguientes aspectos: diseño en función, tipo de mezcla, y
otros factores como: clase de suelo, clima, terreno, intensidad del tránsito y
material disponible para la mezcla.
Figura 5: Clases de Asfalto: Uso y Rendimiento.
Propiedades mecánicas de la mezcla asfáltica: Lograr las características
mecánicas que garantice una mejor pavimentación asfáltica requerirá en su
medida de acuerdo al interés en el diseño del pavimento asfaltico la
proporción adecuada de contenido de asfalto en la mezcla. (Figura 6).
Figura 6: Propiedades de la mezcla asfáltica.
3- PATOLOGIA DEL PAVIMENTO EN VIAS Y CARRETERAS.
3.1-. Daño inducido por la humedad: El daño inducido por la humedad de los
pavimentos ocurre cuando la fuerza de enlace físico entre el betún y los áridos se
debilitan por la infiltración de la humedad. Esto da lugar a gran variedad de
síntomas de deterioro del pavimento tales como raspados, deshilachados, baches,
etc., como se muestra en la Figura 7.
Figura 7: Daño inducido por la humedad.
3.2-. Rodera: Se define como la deformación permanente del asfalto, causada
cuando las tensiones en el pavimento exceden la elasticidad o la capacidad de
recuperación del material. Las situaciones de carga del pavimento de alta energía,
tales como el tráfico de camiones y las intersecciones concurridas, pueden
exacerbar el daño producido por las roderas, como se muestra en la Figura 8.
Figura 8: Rodera.
3.3-. Oxidación y Envejecimiento: La oxidación y el envejecimiento del asfalto
ocurre en un cierto plazo, generando menos elasticidad e incluso pavimentos
frágiles. En concreto, las moléculas polares del betún reaccionan con el ambiente,
haciendo que la mezcla se ponga rígida y que sea menos capaz de recuperarse
de la energía de carga. El agrietamiento y el endurecimiento de los pavimentos de
rodadura son solo dos síntomas que se muestran en los pavimentos envejecidos.
Como es de imaginar, la carga de los pavimentos de alta energía, que vienen de
altos niveles del tráfico de camiones, aumenta la amenaza del daño del pavimento
en estos pavimentos débiles e inelásticos.
Figura 9: Oxidación y envejecimiento
3.4-. Grietas: Como se describe anteriormente, las grietas pueden resultar de la
fatiga inducida por el tráfico mientras que el pavimento se debilita y se convierte
en menos elástico en un cierto plazo. Sin embargo, las grietas también pueden
ocurrir por condicionamientos ambientales, tales como, las bajas temperaturas, o
en localizaciones donde hay grandes oscilaciones de la temperatura diurna.
Figura 10: Grietas
4- CEMENTOS ASFÁLTICOS PRODUCIDOS POR PDVSA:
En este contenido, en base a datos suministrados por la empresa nacional
Petróleos de Venezuela, se expone un resumen sobre la caracterización de los
distintos cementos asfálticos producidos por PDVSA, control de la calidad en
laboratorio, y comportamiento del mismo en distintas obras de pavimentación en
nuestro País.
Asfaltos.
La norma Venezolana COVENIN 1670:2007 define al Cemento Asfáltico como un
material aglomerante sólido o semisólido de color negro o pardo oscuro, que se
ablanda gradualmente al calentarse y cuyos constituyentes predominantes son
hidrocarburos pesados, que se obtienen de la refinación del petróleo, cuyo
comportamiento viscoelástico se muestra en la siguiente figura a continuación
(Figura 11):
Figura 11: Comportamiento Visco-elástico del Cemento Asfáltico.
La mayoría de los petróleos crudos contienen algo de asfalto, y a veces pueden
ser casi enteramente asfaltos. De acuerdo a su composición química el petróleo
se clasifica comúnmente en: Crudos de base asfáltica, parafínica y mixta. Los
principales constituyentes del cemento asfáltico son:
Asfáltenos: Son compuestos de alto peso molecular, principalmente de
naturaleza aromática con pocas ramificaciones. Se encuentran en sus
cadenas, en cantidad apreciable, elementos como oxígeno, azufre y
nitrógeno. Los asfáltenos le dan las características de dureza al asfalto.
Maltenos: Están constituidos por resinas y aceites. Las resinas son
moléculas de bajo peso molecular, que tienen un mayor número de
ramificaciones en sus cadenas, observándose con menos presencia de
azufre y nitrógeno. Los aceites son moléculas de peso mucho menor, con
cadenas menos ramificadas y con pocos anillos (parafinas). Los maltenos
están ligados a las propiedades elásticas del asfalto. En general, la
presencia de parafina influye negativamente en las propiedades reo lógicas
del asfalto, pues su estructura cristalina sólida, a bajas temperaturas,
ocasiona un endurecimiento mayor en el asfalto; a temperaturas más
elevadas, la parafina se licua, lo que ocasiona una variación sensible en la
viscosidad del asfalto. La parafina disminuye la adhesividad de los asfaltos
con los agregados y, una elevada cantidad de ella, puede provocar un
envejecimiento prematuro influyendo sobre la duración y el tiempo de vida
útil del pavimento.
Ambos constituyentes se diferencian por su grado de solubilidad en n-heptano.
Existen dos teorías para explicar el comportamiento de estos constituyentes en el
cemento asfáltico (Figura 12):
Modelo Clásico (1943): el asfalto es un líquido micelar compuesto por dos
fases, las moléculas más pesadas se agrupan formando micelas o fase
dispersa mientras las más pequeñas constituyen el líquido intermicelar o
fase continua.
Modelo desarrollado por SHRP (1993): el modelo microestructural
establece que el cemento asfáltico está constituido por una sola fase,
mezcla de un gran grupo de moléculas polares y no polares que forman
asociaciones sueltas y redes que se hayan dispersas y se mantienen
unidas por fuerzas intermoleculares débiles, que se modifican como
respuesta a los cambios de temperatura y aplicación de esfuerzos.
Figura 12: Modelo Microestructural del Cemento Asfáltico.
5- Aplicación del Cemento Asfaltico.
El cemento asfáltico ha sido utilizado con éxito en la pavimentación de vías debido
principalmente a que es un material altamente Cementante, Termoplástico,
repelente del agua y es resistente al ataque de la mayoría de los ácidos, álcalis y
sales, que posee alta elasticidad a altas temperaturas, suficiente ductilidad a bajas
temperaturas, baja susceptibilidad al cambio de la temperatura, buena adhesión y
cohesión y bajo contenido de parafinas (alta resistencia al envejecimiento), por lo
que:
Proporciona una buena unión y cohesión entre agregados, incrementando
por ello la resistencia con la adición de espesores relativamente pequeños.
Resiste la acción mecánica de disgregación producidas por las cargas
aplicadas, gracias a la flexibilidad dada a la estructura.
Impermeabiliza la estructura del pavimento, haciéndolo poco sensible a la
humedad y eficaz contra penetración del agua proveniente de las
precipitaciones.
El cemento asfáltico venezolano es reconocido por su calidad y excelencia en la
pavimentación en virtud de sus propiedades y características. Su obtención a
partir del crudo se logra mediante:
DESTILIZACIÓN
Residuos puros atmosféricos o de vacío.
Mezcla de residuos con destilados.
Asfaltos blandos tratados térmicamente.
Emulsiones con agua.
DESASFALTACIÓN CON SOLVENTES
Mezcla con residuos con destilados.
Emulsiones con agua.
6- Uso del Cemento Asfáltico:
El cemento asfáltico es comúnmente usado en la construcción de pavimentos para
carreteras, autopistas, calles, aeropuertos, áreas de estacionamientos, etc.; para
ello se mezcla con agregados (mezcla en caliente), obteniéndose los
denominados concretos asfálticos para pavimentación. Es utilizado también en la
industria impermeabilizante y pinturas asfálticas, revestimiento de diques y
canales y materia prima para las emulsiones asfálticas. El cemento asfáltico a
temperatura ambiente es semisólido y altamente viscoso, por lo que se requiere
licuarlo temporalmente por calentamiento, para su manejo durante las
operaciones de construcción, tales como bombeo por tubería, transporte de
cisternas, mezcla con agregados, etc.
El cemento asfáltico puede ser llevado temporalmente a condición fluida (líquido)
durante las operaciones de construcción, de tres maneras:
Derritiéndolo: Después de las operaciones de construcción, el cemento
asfáltico líquido y caliente se enfría y retorna de su condición fluida, a su
condición normal semisólida.
Diluyéndolo en solventes de petróleo seleccionados: Este proceso se
llama recomposición (cutting back). El asfalto obtenido se denomina asfalto
diluido (cuttback asphalt). Después de la reconstrucción, el solvente se
evapora dejando en el lugar el cemento asfáltico. El uso del asfalto diluido
ha declinado debido a la escasez de petróleo y las regulaciones
gubernamentales del ambiente.
Emulsificándolo con agua: Como el asfalto y el agua ordinariamente no
se mezclan, puede hacerse que lleguen a esta condición mediante la
agitación del asfalto con el agua en un molino coloidal y la adición de una
pequeña cantidad de agente emulsificante o emulsivo. El producto
resultante, denominado Emulsión Asfáltica, es fluido y está listo para las
operaciones de construcción. Durante la construcción, el agua y el asfalto
se separan. Las partículas de asfalto se unen por coalescencia y
coagulación en una película continua, que cementa las partículas del
agregado cuando el agua se evapora. Cuando el agua y el asfalto se
separan se dice que la emulsión rompe o se ha curado.
7-Obtención de Cemento Asfáltico por Refinación en Venezuela:
El petróleo crudo, extraído de los pozos, es separado en sus constituyentes o
fracciones en una refinería. Principalmente esta separación es llevada a cabo por
destilación. Después de la separación, los constituyentes son refinados más
cuidadosamente o procesados en productos que cumplan requerimientos
específicos. De esta manera es como el asfalto, parafina, nafta, aceites lubricantes
y otros productos útiles de alta calidad son el resultado de la refinación del
petróleo, dependiendo de la naturaleza del crudo que está siendo procesado.
Debido a que el asfalto es la base o el constituyente pesado del petróleo crudo, no
se evapora o hierve cuando es destilado. En consecuencia, el asfalto es obtenido
como residuo o producto residual. Entre los factores que afectan la composición
de los cementos asfálticos, podemos mencionar al crudo del cual proviene y al
proceso de refinación empleados en las refinerías de petróleo, ya sea por
destilación del crudo a presión atmosférica, destilación por vacío con o sin vapor y
la refinación por solventes, caso de deasfaltizado por propano, o por soplado.
El Sistema de Refinación Nacional está constituido por 7 Refinerías, entre las
cuales Amuay, Bajo Grande e Isla (Curazao) producen Cementos Asfálticos a
partir de Crudos los Tía Juana Mediano, CPG y Boscan, que proveen rendimientos
favorables de estos productos, en términos económicos y de calidad. Los
productos asfálticos obtenidos se suministran al mercado local a través de las
Plantas de Distribución localizadas en Amuay, Bajo Grande y El Chaure, esta
última recibe el producto por cabotaje.
Figura 13: Sistema de Refinación Nacional en Venezuela.
La producción de asfalto de penetración en la Refinería Amuay del Complejo
Refinador Paraguaná (Figura 14), se lleva a cabo por un proceso de destilación al
vacío. El fondo obtenido de las plantas de destilación atmosférica, llamado residuo
largo o crudo reducido, es sometido a un proceso de destilación a presión
reducida, ya que a condiciones atmosféricas las temperaturas requeridas por su
separación conllevarían inevitablemente a la descomposición de las fracciones
pesadas con la consiguiente formación de coque y por lo tanto arrastrando
problemas operacionales de distinta naturaleza. Al reducir la presión se reduce la
temperatura de ebullición de los distintos componentes de la mezcla, se produce
la separación preferente del gasóleo de vacío y el fondo obtenido (residuo corto)
cumple con las principales características reológicas que aseguran su empleo.
En la refinería AMUAY el proceso involucra la adición de diluente al fondo de
vacío, en una proporción de 95 % de residuo hasta 5% de diluente, realizándose
los ajustes necesarios para alcanzar la especificación requerida dependiendo de la
operación de vacío desarrollada. Las Refinerías de Bajo Grande e Isla utilizan
procesos similares para la obtención de Cemento Asfáltico.
Las plantas PSAY/PVAY-2/3/4/5, poseen la versatilidad de producir asfaltos de
penetración, a partir de brea proveniente de los crudos TJM y CPG. En la
siguiente Figura se presenta el diagrama general de producción de cemento
asfáltico en Refinería Amuay.
Figura 14: Proceso esquemático de producción de Cemento Asfáltico en Amuay.
8- PROPIEDADES O CARACTERÍSTICAS DESEABLES DEL CEMENTO
ASFÁLTICO.
Para los estudios técnicos y la construcción hay tres propiedades o características
del asfalto importantes:
Consistencia: Debido a que los cementos asfálticos son materiales
termoplásticos, es necesario determinar su grado de fluidez a una
temperatura dada. Para poder comparar la consistencia de un cemento
asfáltico con la de otro, es necesario fijar una temperatura de referencia. La
clasificación de los cementos asfálticos se realiza de acuerdo al valor de la
consistencia a una temperatura de referencia. Si se expone al aire al
cemento asfáltico en películas delgadas y se lo somete a un calentamiento
prolongado, como por ejemplo durante el mezclado con el agregado, el
asfalto tiende a endurecerse, a aumentar su consistencia. Por lo tanto, un
control no adecuado de la temperatura y del mezclado puede provocar
mayor daño al cemento asfáltico, por endurecimiento, que muchos años de
servicio en el camino terminado. Comúnmente, para especificar y medir la
consistencia de un asfalto para pavimento, se usan ensayos de viscosidad
y de penetración (para asfaltos soplados el ensayo de punto de
ablandamiento).
Pureza: El cemento asfáltico se compone, casi enteramente de betunes, los
cuales, por definición, son solubles en bisulfuro de carbono. Los asfaltos
refinados son, generalmente, más de 99.5% solubles en bisulfuro de
carbono y por lo tanto casi betunes puros. Las impurezas, si las hay, son
inertes.
Seguridad: La espuma puede constituir un riesgo para la seguridad, por lo
tanto las normas requieren que el asfalto no forme espuma hasta
temperaturas de 175°C (347°F). El cemento asfáltico, si se lo somete a
temperaturas suficientemente elevadas, despide vapores que arden en
presencia de una chispa o llama. La temperatura a la que esto ocurre es
más elevada que a temperatura normalmente usada en las operaciones de
pavimentación. Sin embargo, para tener a certeza de que existe un margen
de seguridad, se debe conocer el punto de inflamación del asfalto.
9- ESPECIFICACIONES Y ENSAYOS PARA CEMENTOS ASFÁLTICOS.
Comercialmente se dispone de cementos asfálticos en varios rangos de
consistencia (grados). Hasta hace poco, estos rangos se basaban solamente en
mediciones hechas con el ensayo de penetración; se disponía de cementos
asfálticos de cinco grados: 40-50, 60-70, 85-100, 120-150 y 200-300, que
indicaban los rangos permitidos de penetración para cada uno. El más blando
(200-300) es moderadamente firme a temperatura ambiente; a esta temperatura,
una presión suave con el dedo marca la superficie de la muestra. El más duro (40-
50) es de una consistencia que permite sólo una ligera impresión del pulgar, hecha
bajo firme presión, a temperatura ambiente. Actualmente la Norma Venezolana
COVENIN 1670:2007 establece la clasificación por viscosidad en los grados CA-5,
CA-10, CA-20, CA-30 y CA-40. En la tabla 1 que se muestra a continuación se
muestra las especificaciones de los cementos asfálticos usados en pavimentación
para el mercado local.
Tabla 1: Requisitos para cementos asfálticos (Norma Venezolana 1670:2007).
1. Ensayos para cemento asfálticos (COVENIN 1670:2007).
Viscosidad absoluta: Es la medida de la resistencia a fluir de un líquido.
Se coloca un volumen fijo de muestra en el viscosímetro calibrado, se
espera que equilibre a la temperatura requerida y luego aplicando vacío, se
mide el tiempo que tarda en subir por el tubo una distancia definida. Se
anota el tiempo y se multiplica por el factor de calibración del viscosímetro y
se reporta el resultado en Pa*s (P).
Viscosidad Cinemática: Se usa un viscosímetro de tubo capilar, tipo
Zeitfuchs de brazo cruzado. Como en el ensayo de viscosidad absoluta, se
determina el tiempo necesario para que fluya un volumen constante de
cemento asfáltico, entre dos marcas de medición, bajo condiciones de
temperatura normalizadas. El tiempo medido se multiplica por el factor de
calibración del viscosímetro, determinándose la viscosidad cinemática,
expresada en centistokes (cSt).
Penetración: Es la consistencia de un material bituminoso expresada como
la distancia, medida en décimas de milímetro, que una aguja estándar
penetra verticalmente una muestra bajo condiciones conocidas de carga
(100 g), tiempo (5 seg) y temperatura (25º C). La muestra se funde y se
coloca en una cápsula de dimensiones estándar y se introduce en un baño
de agua. La penetración es medida en un Penetrómetro.
Punto de ablandamiento: Temperatura a la cual un asfalto tiene un grado
particular de consistencia a las condiciones especificadas en la prueba. El
punto de ablandamiento de un cemento asfáltico se determina por el
método de ensayo de anillo y bola e indica la temperatura a que el asfalto
se hace fluido. Consiste en llenar de cemento asfáltico fundido un anillo de
latón de agua y sobre el centro de la muestra se coloca una bola de acero
de dimensiones y peso especificados. Dentro de un baño de agua se coloca
en el soporte una bola de acero sobre un anillo que contiene la muestra. Se
comienza a calentar hasta que la bola deforme la superficie y caiga junto
con el asfalto una distancia de 25mm y se mide la temperatura.
Punto de inflamación: Indica la temperatura a la cual el cemento asfáltico
puede ser calentado, sin peligro de inflamación. El método usado es la
Copa Abierta de Cleveland (COC), el cual consiste en llenar un recipiente
de cobre son un volumen específico de cemento asfáltico y calentarlo a una
velocidad establecida. Se hace pasar, periódicamente, una pequeña llama
sobre la superficie de la muestra, hasta que se produzca una llamarada
repentina como consecuencia de la acumulación de volátiles y se reporta la
temperatura,
Ductilidad: La ductilidad de un asfalto es expresada como la distancia en
cm en la cual una briqueta puede ser estirada antes de que se rompa. El
asfalto se calienta y se vierte en un molde para formar la briqueta, se enfría
y se coloca en un Ductilómetro y se somete a una temperatura de 25,0 +
0,5°C y a una velocidad de extensión de 5,00 + 0,25 cm/min.
Película delgada: Este ensayo trata de prever el endurecimiento que
puede producirse en un cemento asfáltico, durante la operación de mezcla
en una planta de asfalto. Se toma una muestra de 50ml de cemento
asfáltico y se vierten en un recipiente normalizado. Se coloca el recipiente
un horno bien ventilado y se mantiene a una temperatura de 163°C (325°F)
por 5 horas. El efecto del envejecimiento se mide por ensayos viscosidad y
ductilidad. Otra forma de realizar este ensayo es utilizando un horno
giratorio. Este permite reducir el tiempo de ensayo.
10- CARACTERIZACIÓN DEL MERCADO LOCAL DE CEMENTO ASFALTICO
Actualmente se producen tres tipos de asfaltos para el mercado nacional, CA 20,
CA 30 y asfalto líquido RC-250. Según la ubicación geográfica de las plantas de
mezcla, este mercado está divido en cuatro regiones: Metropolitana, Central,
Occidental y Oriental. Las solicitudes de los clientes son despachadas desde tres
puntos de distribución ubicados en las Refinerías de Amuay, Bajo Grande y la
Planta de El Chaure, a la cual llega el asfalto mediante transporte marítimo
proveniente de las refinerías. En la figura 15 se muestra la cadena de valor del
cemento asfáltico.
Figura 15. Cadena de Valor del Cemento
Propiedades típicas del cemento asfáltico suministrado al mercado local.
En la Figura 16 se muestra la proporción de despacho por cada una de las Plantas
de Distribución de Cemento Asfáltico en el Territorio Nacional. En la Tabla 8.1 se
muestran las especificaciones reportadas y sus valores típicos para los cementos
asfálticos producidos en las Refinerías de Amuay y Bajo Grande.
Figura 16: Proporción de despacho por cada una de las Plantas de Distribución de Cemento
Asfáltico en el Territorio Nacional.
Tabla 2: Especificaciones reportadas y sus valores típicos para los cementos
asfálticos producidos en las Refinerías de Amuay y Bajo Grande.
En las figuras 16 y 17 se muestra la relación Viscosidad Cinemática vs
Penetración de los productos asfálticos producidos en las Refinerías Bajo Grande
y Amuay, respectivamente, durante un período bimestral. De esta relación se
desprende que el CA-30 producido actualmente en posee una penetración
semejante a la de un CA- 20 con la viscosidad especificada para su grado, lo cual
no debe constituir una dificultad en el diseño de mezcla, debido a que
tradicionalmente la fuente de suministro de los materiales asfálticos está
determinada por la distancia a la planta de mezclado (costo del flete).
Figura 16: Relación Viscosidad Cinemática vs Penetración del CA-30 despachado en Bajo
Grande.
Figura 17: Relación Viscosidad Cinemática vs Penetración del CA-30 despachado en Amuay.
De acuerdo con estos resultados el Cemento Asfáltico producido en Amuay debe
ser catalogado como un CA-30, de acuerdo a la clasificación por grado establecida
en la Norma Venezolana 1670:2007.
11-. DISEÑO DE PAVIMENTO ASFÁLTICO PARA VIAS DE BAJO
VOLUMEN DE TRÁFICO.
El presente trabajo contiene la metodología desarrollada para el diseño estructural
de pavimentos asfálticos para vías de bajo volumen de tráfico y/o aplicación
limitada de cargas en el periodo de diseño. El procedimiento ha sido desarrollado
para vías en las que se esperen menos de 2 millones de repeticiones de ejes
equivalentes (EE). Esta demanda depende de varios factores como: número de
camiones, tipo de cargas, periodo de diseño, etc. Este aspecto será tratado mas
adelante. En todo caso como valores referenciales, para las características
actuales de tráfico en Venezuela, clasificarían como vías extraurbanas de bajo
volumen, aquellas con menos de 800 vpd y/o 200 camiones por día por sentido.
En el caso de las calles y avenidas urbanas, debido a la baja incidencia de
vehículos de carga, pudieran clasificar como de bajo volumen vías hasta con
12.000 vpd.
El procedimiento fue desarrollado bajo el concepto del método AASHTO-93
tomando en cuenta características particulares de Venezuela. En este sentido se
consideran las características de tráfico y cargas, condiciones climáticas,
materiales y otros aspectos de diseño aplicables en el país. La metodología
simplifica considerablemente el proceso de diseño, sin disminuir la confiabilidad
del método, por lo que es de utilidad para el diseño en vías de bajo tráfico,
problema que usualmente deben enfrentar los profesionales y constructores de
pavimentos.
DISEÑO AASHTO-93
A continuación se presenta una breve discusión del procedimiento o Guía de
Diseño AASHTO-93 y de las variables que ésta considera. Este procedimiento es
posiblemente el modelo de diseño más empleado, a nivel mundial, para diseño y
rehabilitación de pavimentos. Está basado en los resultados del ensayo vial
AASHTO desarrollado en Illinois a fines de los 50´s, siendo la versión más reciente
la publicada en 1993 que contiene las últimas modificaciones incorporadas.
El método considera las siguientes variables de diseño:
• Características de la subrasante o fundación.
• Repeticiones de cargas.
• Nivel de falla o comportamiento del pavimento.
• Confiabilidad estadística.
• Estructura de pavimento y materiales disponibles.
La figura 1 muestra la ecuación de diseño AASHTO-93 para pavimentos flexibles.
Esta versión del método contiene modificaciones para incorporar algunas variables
en forma más racional así como para su uso en Sistemas de Gerencia de
Pavimentos.
Las distintas variables de diseño se presentan a continuación, seguidamente se
presenta una discusión de cómo estas variables son consideradas -en forma
simplificada- en el procedimiento para vías de bajo volumen.
a) Características de la subrasante o fundación:
El valor soporte de la subrasante o fundación del pavimento debe caracterizarse
en términos de Módulo Resilente (Mr) –ponderado- en función de las condiciones
de humedad a que estaría sometido el suelo a lo largo del año, ya que esta
condición afecta su valor soporte, en especial en suelos finos arcillosos.
b) Repeticiones de cargas.
La demanda o cargas sobre el sistema se estiman en función del número de
repeticiones de Ejes Equivalentes (EE) a 18.000 lbs, esperadas durante el periodo
de diseño.
c) Nivel de falla o comportamiento del pavimento.
Esta variable considera el nivel de calidad de rodaje (serviceabilidad) considerado
como nivel de falla funcional del pavimento. Este concepto se ilustra en la figura 2.
d) Confiabilidad Estadística:
El método usa un procedimiento estadístico que permite incluir un factor de
seguridad que corrige el diseño en función del nivel de confiabilidad deseado.
Es importante destacar que la determinación del valor soporte de la subrasante y
la estimación del tráfico o repeticiones de carga esperados son las variables mas
importantes y significativas en el proceso de diseño.
d) Estructura de Pavimento y materiales disponibles.
La estructura requerida del pavimento, o Numero Estructural (SN), debe
conformarse en función de los materiales disponibles en la zona para su
construcción, estos deben caracterizarse en términos de su coeficiente estructural
(ai), el cual es un indicador de su resistencia o propiedades mecánicas.
PROCEDIMIENTO PROPUESTO
Se presentan a continuación los criterios considerados en el desarrollo de esta
propuesta, lo que incluye una breve discusión de los razonamientos empleados
para caracterizar –en forma sencilla- las diferentes variables requeridas por el
método AASHTO-93.
Características de la subrasante o fundación.
El valor soporte del suelo es fundamental para el correcto diseño del pavimento.
En Venezuela los suelos de subrasante son en su mayoría suelos finos de bajo
valor soporte, generalmente caracterizados por su valor CBR, el cual varía en
función del contenido de humedad del suelo y nivel de compactación.
Para caracterizar esta variable se clasifica el valor soporte en 5 categorías: Muy
pobre (MP), Pobre (P), Regular (R), Bueno (B) y Muy Bueno (MB) que se
corresponden con los valores de CBRsat (saturado) indicados en la Tabla 3.
Adicionalmente se consideran 5 condiciones climáticas, en función del número de
meses que la subrasante estaría sometida a niveles cercanos a saturación, como
se indica a continuación, en la Tabla 4:
Para el empleo del procedimiento de diseño, el proyectista sólo debe determinar o
estimar el valor de CBRsat del suelo de subrasante y el número de meses en que
probablemente se encuentre en niveles de humedad cercanos a saturación. En
algunas vías menores el valor CBR puede estimarse conociendo la clasificación
HRB o unificada del suelo o mediante otras correlaciones existentes. La Tabla 5
muestra correlaciones de clasificación de suelos y algunos parámetros con CBR.
Tabla 3: Clasificación de subrasante
Muy Buena
2
3
4
5
8
CBRsat(%)Calidad de subrasante
Muy pobre
Pobre
Regular
Buena
Semi-húmeda
Húmeda
Muy húmeda
2
4
6
8
10
Zona climática o condición de subrasante Número de meses de subrasante saturada
Tabla 4: Condición de saturación de la subrasante
Seca
Semi-seca
Repeticiones de cargas.
Como se ha indicado la demanda sobre la estructura corresponde a las cargas
esperadas actuantes sobre el pavimento. Este parámetro se cuantifica como Ejes
Equivalentes (EE) de 18.000 lbs (8.2 ton) en el periodo de diseño. Como se indicó
es una variable de gran importancia para el dimensionamiento de la estructura.
En nuestro caso se consideran vías de bajo volumen, aquellas en que se esperen
menos de 2 millones de EE en el periodo de diseño. Adicionalmente, con la
finalidad de mejorar la precisión del procedimiento, el tráfico ha sido sub-dividido
en 3 categorías, como se indica en la Tabla 6.
Estimación de cargas en el periodo diseño:
Para la estimación de las repeticiones de EE esperadas en el periodo de diseño
(REE) deben emplearse las siguientes variables:
• Ejes equivalentes esperados en el primer año (EEo).
• Periodo de diseño en años.
• Taza de crecimiento interanual de tráfico.
A continuación se presenta un procedimiento simplificado para estimar REE
tomando en cuenta conceptos aplicables a vías de bajo volumen y cifras
representativas de las distintas variables de tráfico para Venezuela.
El primer paso es la determinación de EEo, o sea el número de EE en el canal
crítico -o de diseño- durante el primer año en servicio del pavimento. Para ello se
emplea la siguiente ecuación:
CLASIFICACIÓN Repeticiones de EE en periodo de diseño (REE).
BAJO
MEDIO
ALTO
Menos de 400.000
400.000 a 1.400.000
1.400.000 a 2.000.000
Tabla 6: CLASIFICACIÓN DE TRÁFICO EN VÍAS DE BAJO VOLUMEN
El valor del PDT y %cam, puede obtenerse de estadísticas o proyecciones de data
existente, o mediante conteos de tráfico. Por su parte el FC Conocido el valor de
EEo, se puede estimar el número de repeticiones (REE), esperadas en el periodo
de diseño, mediante la ecuación:
Conocido el valor de EEo, se puede estimar el número de repeticiones (REE),
esperadas en el periodo de diseño, mediante la ecuación:
Donde:
REE: Repeticiones de carga esperadas en el periodo
EEo: Ejes equivalentes en el año incial
Fcr: Factor de crecimiento o de acumulación de tráfico en función de
Periodo de diseño (n) en años y tasa de crecimiento (r); este factor se obtiene de la Tabla 7 para valores considerados apropiados en vías de bajo volumen.
2 4 6 8
8.58 9.41 9.90 10.64
10.95 12.01 13.18 14.49
13.41 15.03 16.87 18.9812
Periodo de Diseño (Años)
Tasa de Crecimiento Anual (%)
Tabla 7: FACTOR DE CRECIMIENTO DE TRAFICO (Fcr)
8
10
Para vías de bajo volumen es normal usar periodos de diseño entre 8 y 12 años, el
cual es definido en función de la importancia de la vía y otros factores como,
recursos existentes, políticas de rehabilitación, crecimiento esperado de tráfico,
etc. Para vías muy menores un periodo de 8 años debe considerarse como
mínimo.
Nivel de falla o comportamiento del pavimento.
El nivel de falla, corresponde al mínimo valor de serviceabilidad o calidad de
rodaje para el que se diseña el pavimento. Este término, en la ecuación AASHTO,
se representa como DPSI, o sea la diferencia entre la calidad de rodaje inicial y
final del pavimento. En nuestro caso, para vías de bajo volumen, se ha
considerado un valor de DPSI de 2.2. La figura 2, muestra el valor de DPSI en la
curva de deterioro del pavimento.
Confiabilidad estadística.
La confiabilidad estadística se refiere a un factor de seguridad que se incorpora en
el diseño en función del error de predicción de tráfico y comportamiento. Este
factor o nivel de confiabilidad se incrementa a medida que la información de
diseño es menos precisa o que la vía sea de mayor importancia, lo se traduce en
una estructura más resistente y de mayor costo. Debe indicarse que la
incorporación de este factor en el proceso de diseño en relativamente compleja.
Para vías menores se emplean niveles de confiabilidad bajos. En nuestro caso se
presentan 3 alternativas: 50 % adecuado para vías de muy bajo tráfico; 60 % para
aquellas en las que se tenga buena información de diseño, especialmente de
suelo de subrasante y tráfico, y 70 % para vías más importantes y/o de
información poco confiable, o para las que se considere adecuado incorporar
mayor confiabilidad al diseño y/o aumentar la probabilidad de extender su vida útil.
Importante destacar: En todo caso es importante resaltar que la obtención y
manejo de información confiable es fundamental para mejorar la confianza en el
diseño, y en ningún caso es correcto usar información deficiente y pretender
corregirla mediante el uso de altos niveles de confiabilidad.
Una vez definidas las variables de diseño indicadas, se determina el Número
Estructural (SN) requerido para el pavimento, siguiendo el procedimiento que se
indica más adelante. El paso final –del diseño- consiste en definir los espesores de
las distintas capas de la estructura, para ello deben caracterizarse los materiales
disponibles y utilizables para el proyecto.
Se presenta a continuación una discusión de este aspecto.
Estructura de Pavimento y materiales disponibles.
El Número Estructural o SN es un indicador –adimensional- de la estructura
requerida por un pavimento para ofrecer la calidad de servicio prevista durante el
periodo de diseño establecido, según las características específicas del proyecto,
o sea: tipo de subrasante, tráfico, medio ambiente, etc.
Una vez determinado el SN, para la definición de los espesores -de las distintas
capas- debe determinarse el coeficiente estructural (ai) de los materiales que se
consideren disponibles en la obra. Este valor, ai, depende de la resistencia o
propiedades mecánicas de cada material. La Tabla 8 presenta valores típicos de
los materiales de uso común en Venezuela tal como son especificados en la
norma COVENIN. Por su parte la figura 18 ilustra, para un pavimento clásico,
conformado por capas asfálticas y granulares de base, el concepto de SN y la
nomenclatura empleada para espesores y coeficientes de las capas.
Figura 18: Concepto de Número Estructural (SN)
Coeficiente
Tabla 8: Valores referenciales de coeficiente estructural ai
CBR min. 50%
CBR min. 40%
CBR min. 30%
CBR min. 20%0.08
Estabilidad min. 1000 lbs.
Estabilidad min. 600 lbs.
CBR min. 80%
0.18-0.30
0.15-0.22
0.14
0.12
0.11
0.10
Capa 2 (Base)
Grava (GR)
Grava (GR)
Grava (GR)
Piedra Picada
Piedra Integral o grava (PI/GR)
Grava Asfalto en Frío (GAF)
Arena Asfalto en Frío (AAF)
Arena Asfalto en Caliente (AAC) 0.22-0.30 Estabilidad min. 1000 lbs.
Base asfáltica caliente (BAC) 0.22-0.32 Estabilidad min. 1000 lbs.
Concreto asfáltico (CA) 0.38-0.42 Estabilidad min. 1600 lbs.
Requisitos
0.38-0.42 Estabilidad min. 1600 lbs.Capa 1
(Rodamiento)
Material
Concreto asfáltico (CA)
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO
Para completar el diseño deben seguirse los siguientes pasos:
Definir las variables de diseño requeridas:
Tráfico: Nivel de repeticiones de EE en el periodo de diseño establecido,
REE, que permite definir un nivel de tráfico, Tabla 4.
Las soluciones de SN se presentan para cada categoría de tráfico en las
tablas 9; 10 y 11.
Seguidamente se determina –de la tabla correspondiente según el nivel de
tráfico- el Número Estructural (SN) requerido por el pavimento en función
de:
1. CBRsat del suelo, Tabla 1.
2. Condición de saturación probable en meses, Tabla 2.
3. Nivel de confiabilidad (R) seleccionado.
El paso final consiste en la determinación de los espesores de las distintas
capas que conformarán la estructura.
Debe observarse que el valor de SN determinado corresponde a la estructura
requerida sobre la subrasante, o sea el Número Estructural Total (SNT). En la
determinación de los espesores finales de base granular y capas asfálticas debe
tenerse en cuenta que la(s) capas asfálticas deben tener un espesor mínimo con
la finalidad de lograr un diseño balanceado, que no ponga en riesgo el
comportamiento del pavimento, induciendo una falla prematura en las capas
granulares. Este aspecto se discute más adelante.
Definición de Espesores de capas:
Tal como se muestra en la figura 18, los espesores de capa (ei en pulgadas según
el procedimiento AASHTO) multiplicados por sus correspondientes coeficientes
estructurales (ai) conforman el Número Estructural (SNT). La Tabla 8, muestra una
lista de materiales comúnmente empleados en el país y valores referenciales de
sus coeficientes estructurales.
La estructura del pavimento seleccionada debe cumplir con la siguiente ecuación:
SNT ≤ e1 x a1 + e2 x a2
Donde:
SNT= Número Estructural Total determinado de la tabla correspondiente.
ei = espesor de la capa “i” en pulgadas.
ai = coeficiente estructural del material de la capa “i”
Sin embargo, para el correcto dimensionamiento de la estructura debe emplearse
el concepto de diseño balanceado que permite establecer un espesor mínimo de
capa asfáltica, con la finalidad de proteger la capa granular subyacente. La Tabla
10 incluye espesores mínimos sugeridos de Concreto Asfáltico (CA en cm) sobre
distintos tipos de base granular, en función del tráfico de la vía y valor CBR de la
capa granular.
Para determinar el espesor de la base granular puede emplearse la siguiente
expresión:
e2 = 2.5 [(SNT – 0.16 eCAmin) / a2]
En donde:
e2 = espesor requerido de base granular (cm)
SNT = Número Estructural Total
eCAmin = espesor mínimo de CA, seleccionado de la Tabla 12
a2 = coeficiente estructural del material granular, Tabla 8
En este punto es importante destacar que existen otros materiales asfálticos,
distintos al Concreto Asfáltico (CA), que pueden emplearse satisfactoriamente
para sustituir el espesor de CA en forma parcial o total. En estos casos deben
hacerse los ajustes correspondientes de espesores, en función de los coeficientes
estructurales, con la finalidad de no debilitar la estructura. Para tal fin puede
emplearse la siguiente expresión:
ema = (eminCA – eCA ) x (0.40 / ama)
En donde:
ema = espesor requerido de la mezcla seleccionada para sustituir CA (cm)
eminCA = espesor mínimo de CA, seleccionado de la Tabla 12 en cm
eCA = espesor de CA a emplear en cm
ama = coeficiente estructural de la mezcla seleccionada.
CONCLUSIONES
Ahora más que nunca, las autoridades relacionadas con
el transporte tienen como reto:
• Obtener mejores respuestas de sus inversiones en
pavimentos,
• Minimizar las molestias públicas que resultan de la
reparación y mantenimiento de los pavimentos que fallan
prematuramente.
En conclusión para maximizar o ampliar la vida de sus
inversiones en los pavimentos, dichas autoridades están
buscando soluciones fiables y probadas.
RECOMENDACIONES
El Diseño AASHTO-93 es un método de fácil interacción
con todas las variables técnicas así como las
consideraciones técnico-económicas para elegir varias
propuestas en términos de calidad de los procedimientos
empleados y el análisis de los costos involucrados.
Su aplicación abarca también para proyectos de
recuperación y mantenimiento de vías existentes, no
solo es muy efectivo en el diseño de pavimentos
asfálticos de pequeñas o grandes obras que implique la
intervención de considerados recursos humanos,
materiales y equipos/maquinarias como lo demostrado
en el presente trabajo.
Considerar el empleo de la cal como modificador
multifuncional del asfalto para ampliar la vida útil del
pavimento. Su utilización da lugar a una mezcla asfáltica
que es más resistentes a la formación de roderas y al
agrietamiento por fatiga. A parte de reducir el índice de
envejecimiento del pavimento del asfalto retardando la
oxidación de muchos tipos de betún y de esta forma
evita las microfisuras que dañan el pavimento.