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ESTUDIO DE LAS DEFORMACIONES PERMANENTES EN CAPAS DE
PAVIMENTO
LILIANA ELVIRA RIOS CASTRO
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL Y AMBIENTAL
PROGRAMA MAGISTER EN INGENIERIA CIVIL
BOGOTA
2003
MCI-2003-II-24
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ESTUDIO DE LAS DEFORMACIONES PERMANENTES EN CAPAS DE
PAVIMENTO
LILIANA ELVIRA RIOS CASTRO
TESIS MAGISTER
ASESOR
BERNARDO CAICEDO
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL Y AMBIENTAL
PROGRAMA MAGISTER EN INGENIERIA CIVIL
BOGOTA
2003
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CONTENIDO
1 OBJETIVOS .................................................................................................................. 8
1.1 OBJETIVO GENERAL..........................................................................................8 1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS................................................................................8
2 JUSTIFICACION .......................................................................................................... 9
3 ALCANCE....................................................................................................................10
4 ANTECEDENTES......................................................................................................11
4.1 MARCO TEORICO..............................................................................................11 4.1.1 ENSAYO TRIAXIAL CICLICO.....................................................................14
4.2 MARCO CONCEPTUAL.....................................................................................17 4.2.1 DEFORMACIONES REVERSIBLES Y DEFORMACIONES PERMANENTES.........................................................................................................17 4.2.2 DEFORMACIONES REVERSIBLES..........................................................18 4.2.3 DEFORMACIONES IRREVERSIBLES......................................................18
5 METODOLOGIA.........................................................................................................21
5.1 SELECCIÓN DE LOS MATERIALES...............................................................21 5.2 PROCEDIMIENTO DE ESTUDIO......................................................................21 5.3 CARACTERIZACION DE LOS MATERIALES...............................................21
5.3.1 CANTERA PEÑALOSA................................................................................22 5.3.2 CANTERA EL CEDRO .................................................................................23 5.3.3 CANTERA VISTAHERMOSA......................................................................24
5.4 PREPARACION DEL MATERIAL.....................................................................25 5.5 ENSAYOS .............................................................................................................26
5.5.1 COMPACTACION EN LA PRENSA DE CORTE GIRATORIO..............26 5.5.1.1 EQUIPO ..................................................................................................26 5.5.1.2 PROCEDIMIENTO ................................................................................27
5.5.2 TRIAXIAL CICLICO.......................................................................................29 5.5.2.1 EQUIPO ..................................................................................................29 5.5.2.2 PROCEDIMIENTO ................................................................................30
6 ANALISIS DE RESULTADOS.................................................................................33
7 CONCLUSIONES.......................................................................................................35
BIBLIOGRAFIA
ANEXOS
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RESUMEN
El ahuellamiento producido por las deformaciones permanentes o irreversibles que
sufren las capas granulares de una estructura de pavimento en servicio, se
desarrolla gradualmente a través del tiempo dependiendo de las solicitaciones de
tráfico tanto en carga como en el número de repeticiones y en la calidad de los
materiales. El ensayo Triaxial bajo cargas cíclicas ha sido el medio más utilizado
para implementar modelos que llevan a calcular el ahuellamiento tanto en capas
de rodadura como en capas granulares. Este ensayo permite someter a los
materiales a trayectorias de esfuerzos similares a los que produce el paso de los
vehículos, obteniendo relaciones entre los esfuerzos colocados a la muestra y las
deformaciones que estos producen.
Los ensayos con triaxial cíclico reproducen el paso de los vehículos sobre la
probeta de material, mediante la aplicación de cargas verticales de compresión a
una frecuencia y duración determinadas.
Los materiales que se seleccionaron para efectuar los ensayos, provienen de
canteras localizadas en los alrededores de Bogotá, se eligieron tres fuentes de
material que actualmente son utilizados para construcción de estructuras de
pavimento en la ciudad de Bogotá, cada uno con diferente resistencia al desgaste
en la máquina de los ángeles, la distribución granulométrica es la requerida para
basa y sub-base granulares según el artículo 300 del ministerio de transporte.
Los materiales fueron compactados en la presa de corte giratorio PCG la cual
aplica a la muestra una carga rotativa, esta probeta pasa al ensayo triaxial cíclico
utilizando una MTS (Material Test System) que consiste en un sistema servo
controlado para ensayos dinámicos de hasta de 100 toneladas que por medio de
un pistón aplica un esfuerzo vertical a la muestra, se aplica además un esfuerzo
de confinamiento que es controlado por una válvula que posee la cámara triaxial,
la duración del ensayo es de 6 horas.
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Se determina la variación en la distribución granulométrica y se calcula las
deformaciones permanentes. Para el complementar se hizo un seguimiento
fotográfico del cambio de forma que sufrieron las partículas durante los ensayos.
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INTRODUCCION
El ahuellamiento en pavimentos es una forma de deterioro asociado con las
condiciones de carga y también a la climáticas, a las que esta sometido el
pavimento en servicio. Se desarrolla gradualmente y aparece como una depresión
continua en las bandas de circulación de las ruedas de los vehículos, dificultando
la maniobrabilidad del transito y ocasionando disminución en la seguridad de la
vía.
Muchos de los diseños tradicionales de pavimentos aplicados alrededor del mundo
son semi-empíricos, estos se basan en la experiencia con vías en servicio y con
resultados obtenidos en laboratorio, hechos especialmente para este propósito.
Los métodos semi-empíricos tienen limitación por que no tienen en cuenta los
cambios en las cargas de servicio, condiciones ambientales, materiales y técnicas
de construcción.
El crecimiento del transporte terrestre y el aumento en las cargas de tráfico han
tenido como resultado, el deterioro de las vías existentes lo que implica un alto
costo en el mantenimiento.
Durante el paso de una rueda de un vehículo la estructura del pavimento esta
sometida a un sistema de esfuerzos que varía dependiendo la distancia del eje de
la rueda al elemento de la estructura que se esta considerando. Los esfuerzos que
soporta dicho elemento son esfuerzos horizontales y verticales y sus respectivos
cortantes. Es importante tener en cuenta la respuesta que pueden tener los
materiales granulares con respecto a los esfuerzos y deformaciones bajo ciclos de
carga.
La deformación permanente como respuesta de un material a cargas repetidas de
tráfico demuestra la sensibilidad al tipo y régimen de cargas, hasta el momento las
investigaciones han llegado a proponer modelos matemáticos enfocados a
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predecir el ahuellamiento en función de la capacidad de recuperación del material.
Estas investigaciones se han utilizado para caracterizar la acumulación de
deformaciones permanentes en granulares, pero no se ha establecido que tanto
del ahuellamiento se debe a la rigidez del material o a la acomodación de las
partículas.
Desde el punto de vista de diseño es importante poder predecir el progreso del
ahuellamiento con base en ensayos de laboratorio.
El triaxial cíclico ha sido el procedimiento más utilizado para implementar modelos
en los cuales se pueda calcular el ahuellamiento.
La necesidad de acomodar los diseños con las condiciones reales (métodos
racionales), ha llevado a desarrollar procedimientos mecánicos y analíticos que
investigan la respuesta de la estructura del pavimento ante cargas específicas de
tráfico y condiciones ambientales, las cuales para el diseño de estructuras de
pavimento son esenciales debido a que casi siempre se adoptan una serie de
parámetros, generalmente tomados de tablas o ábacos o simplemente basados en
estudios hechos en otra parte del mundo y que se aplican a los materiales
utilizados en Colombia, en el caso especifico de Bogota no se tiene una completa
información ni caracterización de los materiales existentes, que se utilizan para la
construcción de estructuras de pavimento. Por tal motivo es necesario caracterizar
los materiales con los que se construyen las estructuras de pavimento, estudiando
que tan buenos son a la hora de someterlos a cargas de tráfico, para así tener una
información real de la calidad y características de los materiales.
El presente trabajo se estudiarán tres tipos de material utilizados en Bogotá para
la construcción de estructuras de pavimento sometiéndolos a trayectorias de
esfuerzos similares a las que produce el paso de los vehículos, para tener una
base de datos acerca de la calidad de los materiales con los que cuenta Bogotá
para la construcción de pavimentos.
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1 OBJETIVOS
1.1 OBJETIVO GENERAL
• Estudiar el comportamiento de los materiales granulares utilizados en la
construcción de estructuras de pavimento en la ciudad de Bogotá ante
aplicaciones de carga repetidas, mediante la simulación en la maquina
triaxial.
1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
• Estudiar las características intrínsecas de los materiales granulares tales
como: Distribución granulométrica, desgaste en la Maquina de los ángeles,
humedad y densidad óptima por medio del ensayo de proctor modificado.
• Analizar las deformaciones permanentes de los materiales granulares en
función de la humedad y variando el esfuerzo de confinamiento en la
maquina triaxial.
• Observar por medio de un seguimiento fotográfico el cambio en la forma y
distribución granulométrica de los materiales sometidos a la simulación en
triaxial cíclico.
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2 JUSTIFICACION
El comportamiento de la estructura de un pavimento depende del tipo de
estructura, la procedencia y calidad de los materiales y el proceso constructivo
entre otros. Con respecto al diseño, se requiere de la selección del método de
análisis, planteamiento de variables y el establecimiento de ensayos que permitan
la determinación de las características de estos.
Los materiales granulares no tratados generalmente constituyen las capas de sub-
base y en ocasiones en capas de base para vías de bajo tráfico. De cualquier
manera los materiales granulares juegan un papel importante desde el punto de
vista mecánico en la estructura del pavimento, es por esto que el estudio de las
deformaciones permanentes (irreversibles) es importante para aplicarlas a
métodos de diseño mas realistas (métodos racionales), para la predicción del
comportamiento y costos, en función del ciclo de vida útil de la estructura.
Es necesario establecer procedimientos de ensayo estandarizados para la
caracterización de los materiales con los que se construyen pavimentos en
Bogotá, evaluando la respuesta de la estructura ante solicitaciones de carga y
para mejorar los modelos de predicción del comportamiento de los materiales.
Las pruebas en triaxial cíclico muestran que el módulo de algunos materiales, para
el mismo nivel de cargas, varía con el contenido de humedad, tipo de grano,
contenido de finos y densidad.
Todo esto indica la necesidad de caracterizar los materiales en condiciones
naturales; con esto selecciones los más apropiados para que la estructura de
pavimento sea la más adecuada, desde el punto de vista de calidad, servicio, vida
útil y económica.
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3 ALCANCE
Analizar por medio de la simulación de carga en triaxial cíclico el comportamiento
de los materiales granulares en lo que respecta a las deformaciones permanentes
(irreversibles), estudiando tres tipos de material granular que se utilizan en sub-
bases y bases para pavimentos en la cuidad de Bogotá.
Se determinarán las características mecánicas de los materiales seleccionados:
Desgaste en la máquina de los ángeles, distribución granulométrica, humedad y
densidad óptima (proctor modificado).
Someter los tres tipos de material a la compactación en la Prensa de Corte
Giratorio (PCG), con la humedad óptima, observar el cambio granulométrico y por
medio de un seguimiento fotográfico verificar el cambio de forma de las diferentes
fracciones de material.
Los materiales seleccionados se compactan con la humedad óptima en la PCG y
pasan al triaxial cíclico allí son sometidas a esfuerzos aplicados por medio de la
Material Test System (MTS), se observa el cambio en la granulometría y en la
forma de las partículas.
Los datos obtenidos serán comparados con las leyes de comportamiento de
deformaciones permanentes existentes.
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4 ANTECEDENTES
4.1 MARCO TEORICO
Las deformaciones permanentes en capas granulares bajo ciclos de carga
repetidos están afectadas por varios factores tales como:
Efecto de esfuerzo: El nivel de esfuerzo es uno de los aspectos mas importantes
que afecta el desarrollo de las deformaciones permanentes en un material
granular, datos recientes de ensayos en triaxiales reportados por Morgan (1966),
muestran que la acumulación de de deformaciones axiales permanentes es
directamente proporcional al esfuerzo desviador e inversamente proporcionales a
la presión de confinamiento, desde entonces muchas investigaciones han
demostrado que las deformaciones permanentes en materiales granulares están
regidas por un rango de presión: uno es el esfuerzo desviador y la otra es la
presión de confinamiento. Como se ilustra en la figura 1 las deformaciones
permanente varían con respecto a los esfuerzos a los cuales esta sometido el
material, esto con respecto al número de ciclos de carga aplicada.
FIGURA 1
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Efecto del número de aplicaciones de carga: La deformación es gradual durante
la aplicación de las cargas y estas contribuyen al incremento de las deformaciones
en los materiales granulares. El número de ciclos de aplicaciones de carga es un
factor muy importante para considerar en el análisis del comportamiento del
material, algunas investigaciones (Morgan 1966; Barksdale 1972) han reportado
que estas aplicaciones de carga incrementan las deformaciones en los materiales
granulares.
Efecto del Contenido de Humedad: La excesiva presión de poros reduce el
esfuerzo efectivo, por lo tanto también reduce la resistencia que tiene el material a
soportar deformaciones.
Efecto de Historia de Esfuerzos: Las deformaciones permanentes son
directamente proporcionales a la historia de esfuerzos del material, Brown y Hyde
muestran que la deformación permanente resulta del incremento sucesivo en el
nivel de esfuerzo, cuando se aplican cargas repetidas el efecto de la historia de
esfuerzos aparece como resultado de un gradual incremento en la rigidez del
material, causando una reducción en la porción de deformación durante el
siguiente ciclo de cargas.
Efecto de la Densidad del material: Es descrito por el grado de compactación,
descrito por Holubec 1969; Barksdale 1972; Allen 1973; Marek 1977; TOM and
Brown 1988: cuanto mas denso sea el material mayor resistencia a la deformación
permanente tendrá.
Efecto de la gradación, contenido de finos y tipo de agregado: Dunlap (1966) notó
que la gradación está relacionada con el grado de compactación del material, un
material uniformemente gradado sin compactar conduce a una menor resistencia a
la deformación permanente.
El comportamiento mecánico de los materiales granulares es complejo porque no
es un cuerpo uniforme sino un conjunto de diferentes partículas individuales. Las
deformaciones experimentadas bajo carga por un elemento de estos materiales
son el resultado de deformaciones internas y movimientos (deslizamiento y
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rotaciones) relativos entre las partículas constitutivas de ese elemento debidas al
aplastamiento y agotamiento de estas. Cuando se induce carga, entre las
partículas se producen contactos en los que las deformaciones locales pueden ser
muy superiores a la deformación general.
Este comportamiento mecánico permite identificar los siguientes mecanismos que
combinados de una u otra manera, contribuyen con la deformación plática:
1. Fractura de partículas
2. Movimientos relativos entre partículas por deslizamientos, rotación y
choque.
3. Deformación elástica de las partículas
Bajo cargas cíclicas, estos materiales presentan deformaciones resilientes y
permanentes. Después de cada ciclo recuperan parte de su estado inicial, pero
van acumulando cierto grado de deformación a medida que se incrementa el
número de repeticiones.
Las deformaciones producidas por el deslizamiento entre partículas o por su
ruptura, son irrecuperables, entonces la recuperación que se produce entre cada
ciclo se puede atribuir a la energía elástica de las partículas, aunque puede haber
cierto desplazamiento (deslizamiento) inverso entre partículas al descargar.
El deslizamiento entre partículas no comienza hasta que el incremento de
presiones no supere un valor crítico, para valores de presión inferiores a éste, las
deformaciones se atribuyen a distorsiones elásticas de las partículas individuales.
Este deslizamiento se inicia con presiones iniciales crecientes y relaciones de
vacíos decrecientes
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El efecto del contenido de finos reduce la deformación permanente de los
materiales granulares cuando la cantidad de finos incrementa. (Barksdale
1972,1991) y (Thom and Brown 1988).
El efecto del tipo de agregado depende de su forma, pueden ser agregados con
origen en trituración o cantos rodados los cuales darán resistencia a las
deformaciones permanentes (Allen 1973).
Todos estos factores contribuyen a que las capas granulares de pavimento
tiendan a sufrir deformaciones permanentes (irreversibles) que llevan al
ahuellamiento: es la acumulación de pequeñas deformaciones no recuperables.
4.1.1 ENSAYO TRIAXIAL CICLICO
Durante el paso de un vehículo por un elemento considerado de la estructura del
pavimento, este está sometido a una serie de esfuerzos que varían dependiendo
de la distancia del eje de la rueda a dicho elemento.
Los esfuerzos que soporta el material son los esfuerzos vertical y horizontal y sus
respectivos esfuerzos de cortante.
Los esfuerzos de cortante son nulos cuando la rueda del vehículo se encuentra
verticalmente alineada con el eje neutro del elemento de material.
En el montaje el esfuerzo principal menor es generado mediante una presión de
neumática y el esfuerzo principal mayor es controlado por el pistón de la maquina
universal (MTS).
La cámara triaxial genera en una muestra una presión neumática (horizontal)
estática e isotrópica, que será el esfuerzo principal menor (σ3), el esfuerzo
principal mayor (σ1) es controlado por un gato neumático (esfuerzo vertical) de
compresión sinusoidal. (información tomada articulo Ing. Bernardo Caicedo).
El estado de esfuerzos que produce el aparato triaxial se puede representar en
función de las invariantes de esfuerzo p y q
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Esfuerzo isotrópico: p = 1/3 (σ1 + 2σ3)
Esfuerzo desviador: q = σ1 - σ3
La muestra sometida a dichos esfuerzos sufre una variación en su longitud y su
diámetro.
En el estudio de las capas de pavimento hay dos tipos de ensayos:
Ensayos con esfuerzo de confinamiento constante (ECC)
Ensayos con esfuerzo de confinamiento variable (ECV).
Estos producen dos tipos de trayectoria de carga tal como se representa en la
figura 2
FIGURA 2
En el ensayo de esfuerzo de confinamiento constante (ECC) la trayectoria de
carga es la siguiente: durante la aplicación del confinamiento (horizontal) el estado
de esfuerzos se desplaza de O h asta A siguiendo el eje de esfuerzos isotrópicos;
durante la aplicación del esfuerzo desviador el estado de esfuerzos pasa de A a B
siguiendo una recta con una pendiente de 1/3
p = σ3 + q
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Durante los ciclos de carga los esfuerzos se desplazan de A a B y regresan a A.
En los ensayos de esfuerzo de confinamiento variable (ECV) la trayectoria de
carga empiezan en el punto de esfuerzo isotrópico y desviador cero y llega hasta
el punto B; los ciclos seguirán la trayectoria O-B, B-O.
Para los ensayos con triaxial cíclico existen ábacos para obtener el valor del
esfuerzo desviador y de confinamiento, según el tipo de ensayo que se requiera,
estos ábacos están descritos en AASTHO T294-92 I en la cual muestra los
diferentas valores que puede tomar el esfuerzo desviador y de confinamiento,
dependiendo de las especificaciones del ensayo a ejecutar.
Para el caso de ensayos con esfuerzo de confinamiento constante (ECC) se tiene
un método B que muestra el siguiente ábaco:
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4.2 MARCO CONCEPTUAL
4.2.1 DEFORMACIONES REVERSIBLES Y DEFORMACIONES PERMANENTES
MATERIALES LIGADOS
Cuando se aplica a una probeta de material ligado (material tratado con gigante
hidráulico o asfáltico) la carga cíclica se observan variaciones en su altura y su
diámetro. La figura 3 muestra la evolución de la deformación axial.
FIGURA 3
El comportamiento de la muestra bajo cargas cíclicas se puede caracterizar por la
deformación total ∆ht y la deformación reversible ∆hr (deformación elástica). La
deformación plástica se puede obtener a partir de la diferencia entre la
deformación total y la deformación reversible.
Considerando las dimensiones iniciales de la muestra: altura inicial h0 y el radio
inicial r0, se obtienen las expresiones para la deformaciones reversibles e
irreversibles:
Deformación axial plástica: ε1p = ∆hp / h0
Deformación radial plástica: ε3p = ∆rp / r0
Deformación axial reversible: ε1r = ∆hr / h0-∆hp(N-1)
Deformación axial reversible: ε3r = ∆rr / r0-∆rp(N-1)
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MATERIALES NO LIGADOS
Los materiales granulares no ligados presentan un comportamiento que dista en
gran medida del a aproximación elástica, Esto se puede apreciar en la figura 2 en
donde están consignados los resultados obtenidos en el Laboratoire des Ponts et
Chaussées de Francia; donde se observa que el material se rigidiza a medida que
los esfuerzos aumentan; se aprecia la ausencia de elasticidad, debido a que la
rama de descarga está por delante de la rama de carga, el área del ciclo de carga-
descarga representa la energía disipada en cada ciclo; En cada ciclo se producen
deformaciones permanentes que se acumulan. Estas deformaciones son más
importantes en los primeros ciclos y disminuyen a medida que los ciclos aumentan
debido a que el LIGADOS material se va rigidizando.
4.2.2 DEFORMACIONES REVERSIBLES
Puesto que los materiales utilizados como capas de pavimento tienen una
apreciable permeabilidad, los ensayos realizados con drenaje abierto pueden
considerarse como ensayos en esfuerzos efectivos. La mayoría de estudios están
basados en ensayos con esfuerzo de confinamiento constante (ECC).
El comportamiento de la muestra puede caracterizarse por un módulo de
reversibilidad Mr y la relación de poisson υr
Mr = qr / ε1r
υr = - qr / ε1r
Donde: qr = σ1 - σ3
4.2.3 DEFORMACIONES IRREVERSIBLES
Las deformaciones irreversibles axial y radial ε1p(N) y ε3
p(N) medias durante los
primero ciclo de carga generalmente son altas, esto debido al reacomodamiento
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de las partículas de la probeta ensayada. Por lo tanto es conveniente despreciar la
deformación durante los primeros 100 ciclos:
ε1p(N) = ε1
p(N) - ε1p(100)
ε3p(N) = ε3
p(N) - ε3p(100)
Los ensayos se realizan a una humedad similar a la que se presenta en el terreno,
Las deformaciones irreversibles dependen de la magnitud del desviador y del
número de ciclos:
ε1p(N) = f1(p,q) * g1(N)
ε3p(N) = f3(p,q) * g3(N)
Las funciones f1 y f3 representan las deformaciones permanentes asimptóticas
para los esfuerzos aplicados p y q y para un número de ciclos infinito. Las
funciones g1 y g3 se denominan funciones de forma, elles dependen del número de
ciclos de carga N.
f1 (p,q) = a1*( q/p-)b1
f3 (p,q) = a3 – b3*( q/p- – c3)2
Donde:
a1, b1, a3, b3, y c3 son constantes que dependen del material y se determinan
experimentalmente.
p- = p + N/M
M y N son la pendiente y la constante de la recta de rotura del material granular en
el plano p,q.
Para las funciones de forma pueden utilizarse las siguientes relaciones.
g1(N) = N / D1 + N
g3(N) = N / D3 + N
D1 y D3 son constantes que dependen del material y N es el número de ciclos.
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Para describir la evolución de las deformaciones permanentes axiales en función
del número de ciclos de carga la norma francesa TCR (NFP 98-235-1) propone la
relación:
ε1p(N) = ε1
p(100) + A1( 1 – (N/100)-B )
Donde,
A1 y B son constantes y valores positivos
ε1p(100) + A1 representa el límite de deformación axial para infinitos ciclos de
carga.
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5 METODOLOGIA
5.1 SELECCIÓN DE LOS MATERIALES
Los materiales que serán analizados en el estudio son bases granulares utilizadas
en Bogotá como estructura para pavimentos, teniendo en cuenta el desgaste que
cada uno de estos tenga.
5.2 PROCEDIMIENTO DE ESTUDIO
A cada tipo de material se le hará una caracterización, luego se someterán a un
proceso de compactación en la prensa de corte giratorio (PCG) y por último se
someterá a cargas cíclicas en la maquina universal de la universidad de los andes
(MTS).
Las características iniciales de los materiales se harán con respecto a su
granulometría, teniendo en cuenta la forma de las partículas y haciendo un
seguimiento fotográfico.
Después de la compactación en la prensa de corte giratorio (PCG), se hará una
granulometría y de tomarán fotos para verificar los cambios ocurridos.
Los materiales se someten a la carga cíclica con una previa compactación en la
PCG, luego se procede a un tamizado y una verificación en el cambio en la forma
de las partículas por medio de un registro fotográfico.
5.3 CARACTERIZACION DE LOS MATERIALES
Los materiales de estudio se seleccionaron con base en dos de sus características
que revierten mayor importancia y que deben cumplir los materiales granulares
utilizados como estructura para un pavimento, las cuales son: la resistencia a la
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abrasión en la Máquina de los Ángeles y su distribución granulométrica, según el
artículo 300 del ministerio de transporte.
Se seleccionaron para el estudio tres (3) tipos de material con diferente resistencia
a la abrasión, estos materiales son los más utilizados en este momento como
bases granulares para la construcción de pavimentos, las fuentes de estos son
canteras ubicadas dentro del área metropolitana de Bogotá.
Estos son:
CANTERA UBICACIÓN DESGASTE GRANULOMETRIA
Peñalosa Soacha 70% No cumple
El Cedro Usaquén 55% No cumple
Vistahermosa Mondoñedo 35% No cumple
La granulometría no cumple en ninguna de las tres canteras, por consiguiente
para el estudio esta se ajustará según el artículo 300 del ministerio de transporte
donde dice que para la construcción de bases granulares se debe satisfacer este
y la franja granulométrica para dicho efecto.
Se tomo la franja granulométrica para una base con especificaciones BG-1. (Ver
referencia numero 1).
En la caracterización del material se elimina el retenido en el tamiz de 1” debido a
que en el ensayo proctor modificado la norma asi lo dice, la granulometria para la
compactacion en la prensa de corte giratorio de hará de la misma manera es decir
desechar el retenido en 1” para que sea resperesntativo y se pueda comparar la
densidad obtenida tanto en el ensayo de proctor modificado como con la PCG.
5.3.1 CANTERA PEÑALOSA
Fuente ubicada en el municipio de Soacha, al sur de la ciudad, de color amarillo,
es una arenisca de grano fino, es deleznable, las partículas no sufren ningún
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proceso de trituración, únicamente se selecciona y se tamiza en una gran malla,
se observa que las fracciones tienen algunas de sus aristas redondeadas, no
contienen partículas alargadas,
v Resistencia a la abrasión el la máquina de los ángeles de 70%.
v Humedad óptima obtenida en el ensayo de Proctor Modificado fue del 10% y
una Densidad máxima de 1.9 ton/m3
5.3.2 CANTERA EL CEDRO
Fuente ubicada en el sector Servita, localidad de Usaquen, al norte de la ciudad,
de color amarillo oscuro, con betas color marrón y naranja, como se puede
observar en la fotografía las partículas sufren un proceso de trituración, debido a
esto presentan formas alargadas, y todas sus aristas son angulosas.
v Resistencia a la abrasión el la máquina de los ángeles de 55%.
v Humedad óptima obtenida en el ensayo de Proctor Modificado fue del 8% y
una Densidad máxima de 2.0 ton/m3
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5.3.3 CANTERA VISTAHERMOSA
Fuente ubicada en el sector Mondoñedo, región ubicada al occidente de Bogotá
en vecindades de los municipios de Mosquera y Madrid (Cundinamarca), de color
amarillo oscuro, con betas color marrón, naranja y gris, las partículas sufren un
proceso de trituración, debido a esto presentan formas alargadas, y todas sus
aristas son angulosas.
v Resistencia a la abrasión el la máquina de los ángeles de 35%.
v Humedad óptima obtenida en el ensayo de Proctor Modificado fue del 8.5% y
una Densidad máxima de 2.1 ton/m3
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5.4 PREPARACION DEL MATERIAL
Se tamiza la totalidad del material para garantizar la uniformidad granulométrica y
las mismas condiciones de ensayo, cumpliendo con el artículo 300 y 330 de las
especificaciones del INVIAS: distribución granulométrica para base granular tipo
BG-1. (Ver tabla 1)
Los tres tipos de material se separan por fracciones y a estas se les hace un
seguimiento fotográfico antes de los ensayos para luego compararlos después de
estos. Se conforma la muestra para el ensayo y se procede a compactar en la
prensa de corte giratorio y luego a las cargas cíclicas.
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TAMIZ PORCENTAJE QUE PASA
Normal Alterno BG-1
37.5 mm
25.0 mm
19.0 mm
9.5 mm
4.75 mm
2.0 mm
425 µm
75 µm
1 1/2"
1
3/4"
3/8"
No.4
No.10
No.40
No.200
100
70-100
60-90
45-75
30-60
20-45
10-30
5-15
TABLA 1
5.5 ENSAYOS
5.5.1 COMPACTACION EN LA PRENSA DE CORTE GIRATORIO
5.5.1.1 EQUIPO
PRENSA DE CORTE GIRATORIO
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La prensa de corte giratorio (PCG) de la Universidad de los Andes es utilizada
generalmente para ensayar mezclas asfálticas con el objeto de lograr una
compactación dinámica, comparada con la obtenida con compactadores
neumáticos, compacta el material mediante la aplicación simultanea de una
compresión vertical y una rotación de esfuerzos, logrando altas compacidades con
baja energía de compactación.
La prensa permite efectuar pruebas variando alguna de las siguientes condiciones:
Caga axial: Hasta 680 kpa
Frecuencia: Hasta 30 giros/minuto
Angulo de giro: 1,2 ó 3 grados
Numero de giros: Hasta 500
Posee una interfase con un software especializado el cual a medida que se va
compactando el material, va graficando la disminución de la altura de la probeta, la
evolución en el proceso de compactación (densificación), estos dos parámetros
con respecto al número de giros que se le ingresen al programa, el peso de la
muestra, la altura y diámetro de la probeta, el ángulo de giro y el número de giros.
El programa de la prensa de corte giratorio (PCG), brinda la posibilidad de finalizar
el ensayo ye sea por alcanzar la densidad que se le indique, por alcanzar alguna
altura requerida o por un número determinado de giros.
5.5.1.2 PROCEDIMIENTO
Luego de tener la muestra tamizada, se hace un registro fotográfico de cada una
de las fracciones para verificar, después de la compactación, los posibles cambios
en la forma de las partículas.
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Se coloca el material suelto en un molde de 15 cm. de diámetro y 20 cm. de altura,
una cantidad aproximada de 5000 gr. (secos), adicionándole la cantidad de agua
que corresponde a su humedad óptima, determinada en el ensayo de proctor
modificado, el material se debe mezcla muy bien para evitar grumos y para que
quede uniforme, se pesa, se coloca en el molde, el material que se introduce en la
camisa esta completamente suelto, se introduce la información correspondiente al
software y se procede con el ensayo.
Después de este, se lleva al horno a una temperatura de 120 grados centígrados
por 24 horas, se pesa el material, se tamiza para hallar la distribución
granulométrica y se hace el registro fotográfico de cada fracción.
Este procedimiento se efectuó para los tres materiales en estudio.
La información que se introdujo al programa fue:
Numero de giros: 300
Carga Vertical: 500 kpa
Rotación de corte: 2°
Numero de giros: 30 giros/minuto
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5.5.2 TRIAXIAL CICLICO
5.5.2.1 EQUIPO
Para los ensayos triaxiales cíclicos, se utiliza una cámara triaxial que posee un
pedestal y un cabezal de 15 cm. de diámetro, un pistón de carga de 1.9 cm. de
diámetro y una válvula de paso que controla la entada de aire.
La maquina con la que se realizan los ensayos triaxiales cíclicos es una MTS
(Material Test System) que consiste en un sistema servo controlado para ensayos
dinámicos de hasta de 100 toneladas. La función de la maquina para estos
ensayos es reproducir el paso de los vehículos sobre la probeta de material
granular, mediante la aplicación de cargas verticales de compresión a una
frecuencia y duración determinadas.
La maquina cuenta con un sofisticado software el cual va graficando (según el
ensayo) los cambios ocurridos en el material.
Para el ensayo de triaxial cíclico el objeto es simular el paso de los vehículos
sobre una capa de material granular donde la MTS le imprime un esfuerzo vertical
(desviador) durante todo el ensayo con una frecuencia y duración dadas, además
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30
de el esfuerzo vertical, a la probeta se le aplica un esfuerzo de confinamiento
constante también dado.
Para el presente estudio se harán ensayos con esfuerzo de confinamiento
constante (ECC).
5.5.2.2 PROCEDIMIENTO
El material previamente tamizado y compactado en la prensa de corte giratorio
(PCG), se monta en una base rígida del mismo diámetro de la probeta (15 cm.), se
envuelve en una membrana para que no vaya a perder humedad y por último se
coloca en la cámara triaxial, luego esto se monta en la MTS, la cual imprime a la
probeta un esfuerzo vertical (desviador), el esfuerzo horizontal (confinamiento) lo
controla una válvula de entrada de aire a presión que posee la cámara triaxial.
Previamente se colocan los datos necesarios al software de la MTS tales como: la
frecuencia y la duración del ensayo.
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Una vez terminado el ensayo, se desmonta la probeta de la cámara, se pesa y se
lleva al horno a una temperatura de 120°C durante 24 horas, la probeta se
destruye para tamizarla nuevamente, se determina la distribución granulométrica y
se hace el registro fotográfico correspondiente.
Se hicieron dos series de ensayos variando el esfuerzo de desviador y el esfuerzo
de confinamiento a los tres tipos de material en estudio.
La información suministrada al programa fue:
Frecuencia: 1Hz
Numero de ciclos: 20.000 ciclos
Primera serie de esfuerzos:
Triaxial 1
p = 115 kpa
q = 60 kpa
Segunda serie de esfuerzos:
Triaxial 2
p = 225 kpa
q = 115 kpa
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Una vez terminado el ensayo se desmonta la muestra y se destruye para
nuevamente pasarla por la serie de tamices, se verifica las fracciones retenidas en
cada una de las mallas y se toma la respectiva fotografía.
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6 ANALISIS DE RESULTADOS
La distribución granulométrica de los materiales en estudio se vió afectada por
efecto del choque, abrasión, acomodamiento de sus partículas en los ensayos de
compactación en la prensa de corte giratorio (PCG) y con la aplicación de cargas
cíclicas por medio de la MTS.
En los resultados (ver anexos granulometría) se nota que las fracciones gruesas
son las que más sufren el efecto de la compactación los tres materiales tienden a
ser más finos, notándose que el material procedente de la cantera del municipio
de Soacha es el que más sufre el efecto, debido a su origen y características
mecánicas. Los tres materiales cambian en la forma de sus partículas debido a la abrasión y
fracturamiento a las que están sometidas en los procesos de compactación y de
carga cíclica, esto se verifica con el seguimiento fotográfico que se le hizo a cada
fracción (ver anexo fotografías), notándose granos más redondeados, perdiendo
así sus características iniciales; las partículas presentaban aristas angulosas.
La cantidad de material retenido en cada tamiz cambia ostensiblemente después
de los ensayos debido a los procesos de compactación y carga cíclica a los que
fueron sometidos.
Entre más ciclos de carga se le apliquen a la muestra (ver anexo deformaciones
permanentes), las deformaciones permanentes aumentan hasta un punto donde
se vuelve constante, teniendo un comportamiento asintótico, esto se presenta con
ciclos de carga mayores a 40.000.
En este estudio el material que más deformaciones presenta es el procedente de
la cantera del municipio de Soacha, debido a sus características mecánicas.
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El material que menos deformaciones presenta el proveniente de la cantera de
Vista Hermosa en el sector de Mondoñedo.
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7 CONCLUSIONES
1. Las deformaciones permanentes de los materiales granulares no tienen un
comportamiento lineal en función de la carga aplicada, sino que depende del
tipo de material, del contenido de humedad, de la densidad y de la
granulometría.
2. La resistencia a la abrasión del material proveniente de la cantera peñalosa en
el municipio de Soacha es el doble de la de el material proveniente de la
cantera vista hermosa, esto se refleja en los resultados obtenidos, significa que
el material proveniente de vista hermosa es el mejor de los tres materiales que
se estudiaron.
3. La calidad de los materiales (medida en función de la resistencia al desgaste)
y de la clase de carga aplicada producen cambios en la distribución
granulométrica, aspecto que incide directamente en una mayor densificación
del material. Se logra mayor peso unitario debido a la acomodación y abrasión
de las partículas, de ahí que la proporción de finos se incrementa y se reduce
la cantidad de material de mayor tamaño
4. El material proveniente de la cantera Vista hermosa es el que tiene el mejor
comportamiento con respecto a las deformaciones permanentes, ya que este,
presenta menores deformaciones en los dos ensayos con carga cíclica que se
ejecutaron, esto significa que es un material apto para la construcción de
estructuras de pavimento.
5. El material proveniente del municipio de Soacha presenta en la curva
granulométrica el cambio más relevante con respecto a los otros dos
materiales, también es el material que mas deformaciones permanentes
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presenta, esto significa que este material no es apto para la construcción de
vías.
6. El material del sector de Servitá es un material tiene un comportamiento
intermedio tanto en la distribución granulométrica como en las deformaciones
permanentes, es un material que con algunas adiciones de un material de
mejores características puede utilizarse para pavimentos.
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BIBLIOGRAFIA
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Simposio Colombiano sobre Ingeniería de Pavimentos 2001. Universidad de Los
Andes. Bogotá. Colombia.
CAICEDO H. Bernardo. Comportamiento de la capas de pavimento mediante un
aparato triaxial cíclico.
G. GIDEL, P. HORNYCH, J.J. CHAUVIN, D. BREYSSE & A. DENNIS. A new
approach for investigating the permanent deformation behavior of unbound
granular material using the repeat loading triaxial apparatus. Laboratories des
ponts et chausses. Francia
Instituto de Desarrollo Urbano & Universidad de Los Andes. Manual de diseño de
pavimentos para Bogotá D.C.
LEKARP F; ISACSSON U., DAWSON A., State of Art-II: Permanent strain
response of unbound granular materials. Journal of transportation Engineering,
American society of civil engineers, Vol. 126, No. 1, pp. 76-83
VANEGAS, Diego Fausto. Estudio de las deformaciones permanentes
(ahuellamiento) en capas granulares. Tesis de Magíster, Universidad de los
Andes, Bogotá.
LAMBE T., W. & WHITMAN R. 1995. Mecánica de Suelos. Editorial Limusa.
Noriega Editores. Mexico.
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HORNYCH, P., CORTE, J. & PAUTE, J. 1993. Etude des déformations
permanentes sous chargements répétés de trois graves non traitées. Laboratoire
Central des Ponts et Chausées. Boletín No 90. París. Francia.
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ANEXOS
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FOTOS SOACHA
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ANTES DE ENSAYOS Retenido3/4”
ANTES DE ENSAYOS Retenido 3/4 “
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ANTES DE ENSAYOS Retenido 3/8”
ANTES DE ENSAYOS Retenido 3/8”
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ANTES DE ENSAYOS Retenido No. 4
ANTES DE ENSAYOS Retenido No. 4
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DESPUES DE PCG Retenido 3/4 “
DESPUES DE PCG Retenido 3/4 “
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DESPUES DE PCG Retenido 3/4 “
DESPUES DE PCG Retenido 3/4 “
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DESPUES DE PCG Retenido 3/8“
DESPUES DE PCG Retenido 3/8“
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DESPUES DE PCG Retenido No. 4
DESPUES DE PCG Retenido No. 4
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DESPUES DE PCG Y TRIAXIAL 1 Retenido 3/4 “
DESPUES DE PCG Y TRIAXIAL 1 Retenido 3/4 “
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DESPUES DE PCG Y TRIAXIAL 1 Retenido 3/4 “
DESPUES DE PCG Y TRIAXIAL 1 Retenido 3/8“
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DESPUES DE PCG Y TRIAXIAL 1 Retenido 3/8“
DESPUES DE PCG Y TRIAXIAL 1 Retenido 3/8“
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DESPUES DE PCG Y TRIAXIAL 1 Retenido No. 4
DESPUES DE PCG Y TRIAXIAL 1 Retenido No. 4
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DESPUES DE PCG Y TRIAXIAL 1 Retenido No. 4
DESPUES DE PCG Y TRIAXIAL 2 Retenido 3/4 “
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DESPUES DE PCG Y TRIAXIAL 2 Retenido 3/4 “
DESPUES DE PCG Y TRAXIAL 2 Retenido 3/4 “
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DESPUES DE PCG Y TRAXIAL 2 Retenido 3/4 “
DESPUES DE PCG Y TRAXIAL 2 Retenido 3/8“
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DESPUES DE PCG Y TRAXIAL 2 Retenido 3/8“
DESPUES DE PCG Y TRAXIAL 2 Retenido 3/8“
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DESPUES DE PCG Y TRAXIAL 2 Retenido No. 4
DESPUES DE PCG Y TRAXIAL 2 Retenido No. 4
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FOTOS SERVITA
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ANTES DE ENSAYOS Retenido 3/4”
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ANTES DE ENSAYOS Retenido 3/8”
ANTES DE ENSAYOS Retenido 3/8”
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ANTES DE ENSAYOS Retenido No. 4
ANTES DE ENSAYOS Retenido No. 4
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DESPUES DE PCG Retenido 3/4 “
DESPUES DE PCG Retenido 3/4”
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DESPUES DE PCG Retenido 3/4”
DESPUES DE PCG Retenido 3/8”
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DESPUES DE PCG Retenido 3/8”
DESPUES DE PCG Retenido No. 4
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DESPUES DE PCG Retenido No. 4
DESPUES DE PCG y TRIAXIAL 1 Retenido 3/4”
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DESPUES DE PCG y TRIAXIAL 1 Retenido 3/4”
DESPUES DE PCG y TRIAXIAL 1 Retenido 3/4”
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DESPUES DE PCG y TRIAXIAL 1 Retenido 3/4”
DESPUES DE PCG y TRIAXIAL 1 Retenido 3/8”
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DESPUES DE PCG y TRIAXIAL 1 Retenido 3/8”
DESPUES DE PCG y TRIAXIAL 1 Retenido No. 4
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DESPUES DE PCG y TRIAXIAL 1 Retenido No. 4
DESPUES DE PCG y TRIAXIAL 2 Retenido 3/4 “
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DESPUES DE PCG y TRIAXIAL 2 Retenido 3/4"
DESPUES DE PCG y TRIAXIAL 2 Retenido 3/4 “
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DESPUES DE PCG y TRIAXIAL 2 Retenido3/4 “
DESPUES DE PCG y TRIAXIAL 2 Retenido 3/8”
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DESPUES DE PCG y TRIAXIAL 2 Retenido 3/8”
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DESPUES DE PCG y TRIAXIAL 2 Retenido 3/8”
DESPUES DE PCG y TRIAXIAL 2 Retenido No. 4
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DESPUES DE PCG y TRIAXIAL 2 Retenido No. 4
DESPUES DE PCG y TRIAXIAL 2 Retenido No. 4
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FOTOS VISTA HERMOSA
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ANTES DE ENSAYOS Retenido 3/4 “
ANTES DE ENSAYOS Retenido 3/4 “
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ANTES DE ENSAYOS Retenido 3/8“
ANTES DE ENSAYOS Retenido 3/8“
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ANTES DE ENSAYOS Retenido No. 4
ANTES DE ENSAYOS Retenido No. 4
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DESPUES DE PCG Retenido 3/4”
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DESPUES DE PCG Retenido 3/8”
DESPUES DE PCG Retenido 3/8”
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DESPUES DE PCG Retenido No. 4
DESPUES DE PCG Retenido No. 4
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DESPUES DE PCG Y TRIAXIAL 1 Retenido 3/4”
DESPUES DE PCG Y TRIAXIAL 1 Retenido 3/4”
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DESPUES DE PCG Y TRIAXIAL 1 Retenido 3/4”
DESPUES DE PCG Y TRIAXIAL 1 Retenido 3/4”
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DESPUES DE PCG Y TRIAXIAL 1 Retenido 3/8”
DESPUES DE PCG Y TRIAXIAL 1 Retenido 3/8”
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DESPUES DE PCG Y TRIAXIAL 1 Retenido No. 4
DESPUES DE PCG Y TRIAXIAL 1 Retenido No. 4
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DESPUES DE PCG Y TRIAXIAL 1 Retenido No. 4
DESPUES DE PCG Y TRIAXIAL 2 Retenido 3/4”
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DESPUES DE PCG Y TRIAXIAL 2 Retenido 3/4”
DESPUES DE PCG Y TRIAXIAL 2 Retenido 3/4”
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DESPUES DE PCG Y TRIAXIAL 2 Retenido 3/4”
DESPUES DE PCG Y TRIAXIAL 2 Retenido 3/8”
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DESPUES DE PCG Y TRIAXIAL 2 Retenido 3/8”
DESPUES DE PCG Y TRIAXIAL 2 Retenido 3/8”
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DESPUES DE PCG Y TRIAXIAL 2 Retenido No. 4
DESPUES DE PCG Y TRIAXIAL 2 Retenido No. 4
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FOTOS SECUENCIA DE ENSAYOS
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MAQUINA PRENSA DE CORTE GIRATORI0
(PCG)
PREPARACION DEL MATERIAL PARA EL ENSAYO EN PCG
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COMPACTACION DE MATERIAL EN LA PCG
MUESTRA DESPUES DE LA COMPACTACION EN PCG
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BASE DEL TRIAXIAL PARA LA MUESTRA DESPUES DEL PCG
PREPARACION DE LA MUESTRA PARA COLOCAION EN LA CAMARA TRIAXIAL
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MUESTRA LISTA PARA EL ENSAYO TRIAXIAL
MONTAJE DE LA CAMARA TRIAXIAL EN LA MTS
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MONTAJE DE LA CAMARA TRIAXIAL EN LA MTS
MONTAJE DE LA CAMARA TRIAXIAL EN LA MTS
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CAMARA TRIAXIAL EN LA MTS
MUESTRA DESPUES DEL ENSAYO TRIAXIAL CICLICO
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MUESTRA PARA LLEVAR A SECADO POR 24 HORAS
MUESTRA FRAGMENTADA DESPUES DEL SECADO
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GRANULOMETRIA DESPUES DE LOS ENSAYOS EN PCG Y TRIAXIAL CICLICO
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CURVAS GRANULOMÉTRICAS
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100
GRANULOMETRÍA DESPUÉS DE TRIAXIAL 1
0.010.020.030.040.050.060.070.080.090.0
100.0
0.0 0.1 1.0 10.0 100.0
SERVITA Limite Superior Limite Inferior SOACHA V. HERMOSA
0,075 0,425 2,0 4,75 9,5 19,05 25,4
No 200 No 40 No 10 No 4 3/8" 3/4" 1"
GRANULOMETRÍA DESPUÉS DE TRIAXIAL 2
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
90.0
100.0
0.0 0.1 1.0 10.0 100.0
SERVITA Limite Superior Limite Inferior SOACHA V. HERMOSA
0,075 0,425 2,0 4,75 9,5 19,05 25,4
No 200 No 40 No 10 No 4 3/8" 3/4" 1"
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GRANULOMETRÍA DESPUÉS DE PCG
0.010.020.030.040.050.060.070.080.090.0
100.0
0.01 0.10 1.00 10.00 100.00
SERVITA Limite Superior Limite Inferior SOACHA V. HERMOSA
0,075 0,425 2,0 4,75 9,5 19,05 25,4
No 200 No 40 No 10 No 4 3/8" 3/4" 1"
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102
DEFORMACIONES PERMANENTES DEFORMACION UNITARIA VS.NUMERO DE CICLOS
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000
NUMERO DE CICLOS
DE
FOR
MA
CIO
N U
NIT
AR
IA
SOACHA (s3=60 kPa y sd=115 kPa)SERVITA (s3=60 kPa y sd=115 kPa)VISTA HERMOSA (s3=60 kPa y sd=115 kPa)SOACHA (s3=115 kPa y sd=225 kPa)SERVITA (s3=115 kPa y sd=225 kPa)