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ESTUDIO DE SUELOS PARA DISEÑO DE PAVIMENTO Ing. Oscar Canchano Almanza

DEFINICIONES

Las siguientes definiciones hacen parte de la ingeniería de pavimentos:  Suelo: Agregado natural de granos minerales con o sin componentes orgánicos , que pueden separarse por medios mecánicos comunes, como la agitación del agua.  Roca: Agregado natural de granos minerales, que se encuentran unidos por fuertes y permanentes fuerzas de cohesión.  Meteorización: Proceso de alteración que sufre el suelo en las rocas por acción de fenómenos atmosféricos durante un largo tiempo.

ORIGEN Y FORMACIÓN DE LOS SUELOS

La meteorización se realiza por desintegración o descomposición de las rocas.  Desintegración: Es un proceso mecánico que divide las rocas en partículas pequeñas, conservando las propiedades físicas y químicas de la roca madre.  Descomposición: Proceso en el que la roca se transforma en un producto de diferentes propiedades físicas y químicas. Los principales agentes físicos de meteorización son: el agua, glaciares, viento y temperatura.

 El agua arrastra las rocas y las desintegra produciendo generalmente suelos gruesos como grava y arena.  Los glaciares son movimientos de grandes masas de hielo con bajas velocidades del orden de metros por años.  El viento por efecto de erosión desgasta la roca.  El calor genera en las rocas descascaramiento, producto del fenómeno de exfoliación que las torna mas redondeadas. Los principales agentes químicos de meteorización son: hidratación, carbonatación, oxidación y solución.  Estos agentes producen suelos finos y son el origen de casi todas las arcillas.

Los agentes biológicos mas importantes son: los vegetales y micro-organismos.  Los suelos orgánicos se forman a partir de los microrganismos, que componen la superficie de la corteza terrestre.  Cuando los vegetales se descomponen forman un suelo particular llamado turba, que se caracteriza por ser elástico.

 Los suelos residuales se forman en el mismo sitio donde se encuentran, es decir están junto a la roca madre que los originó.  Los suelos transportados se forman cuando agentes físicos trasladan sus partículas y las deposita en donde actualmente se encuentran. Existe un perfil de meteorización que se forma por desintegración y descomposición de la roca madre. Según el grado de alteración existen tres capas u horizontes sobre la roca sana.

CARACTERISTICAS DE LOS SUELOS RESIDUALES: HORIZONTES

Horizonte A o capa superior  Esta capa es la de mayor alteración y ha sufrido alguna remoción de sus productos. Horizonte B o capa intermedia  Es una zona de acumulación de los productos alterados en la capa superior. Horizonte C o capa de transición  Constituido puede ser por un manto rocoso parcialmente alterado o haber sido transportado y depositado en un nuevo lugar. Horizonte D  Cualquier capa situada por debajo del horizonte C, si es pequeño (0.90 a 1.8 mm) seguramente tiene influencia en los suelos superiores, pero si es muy profundo, no deberá tenerse en cuenta.

CARACTERÍSTICAS DE LOS SUELOS TRANSPORTADOS: -

Características

Tamaño

Características de los suelos transportados Agente Agua

Aire

Disminución por solución, poca Considerable abrasión en carga reducción. suspendida, alguna abrasión e impacto en carga arrastrada.

Forma

Redondeo de arenas y gravas.

Textura

Arena lisa pulida brillante.

Hielo Considerable molienda e impacto.

Angular Alto grado de pulimento de redondeo. caras. Superficies Superficies deslustradas estriadas. por impacto.

Gravedad

Considerable impacto.

Angular no esférico. Superficies estriadas.

CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS AASHTO

Suelos granulares Tienen 35% o menos del material que pasa por el tamiz No. 200. Estos suelos forman los grupos A-1, A-2 y A-3. Suelos finos limo arcillosos Contienen mas del 35% del material fino que pasa por el tamiz No. 200. Constituyen los grupos A-4, A-5, A-6 y A-7. Índice de grupo Se calcula con la siguiente expresión: =

− 35 0.2 + 0.005

− 40 + 0.01 ( − 15)(

− 10)

CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS USC

Los suelos gruesos tipo grava y arena son aquellos con menos del 50% pasando la malla No. 200. Los símbolos del grupo comienzan con G para grava y S para arena. Los suelos de grano fino son los que pasan 50% o mas en la malla No. 200. Los símbolos comienzan con M para limo y C para arcilla. Estos prefijos van acompañados por lo siguiente: W: bien graduado P: mal graduado L: baja plasticidad (LL < 50) H: alta plasticidad (LL > 50)

EVALACIÓN DE LA SUBRASANTE

CARACTERIZACIÓN DE LOS SUELOS DE SUBRASANTE  Exploración de la subrasante.

 Definición del perfil y delimitación de áreas homogéneas.  Ejecución de ensayos de resistencia sobre suelos predominantes.  Determinación del valor de resistencia o de respuesta de diseño para cada área homogénea.

EXPLORACIÓN DE LA SUBRASANTE

 Identificar la extensión y las condiciones de los depósitos de suelo existentes en el lugar.  Se hace una investigación a través de perforaciones en todo el terreno en intervalos que dependen de la longitud e importancia del proyecto, tanto los recursos técnicos como económicos que se dispongan.  Las perforaciones deberán tener una profundidad mínima por debajo de la cota proyectada de subrasante de 500 mm.


Intervalo de las perforaciones de acuerdo al Instituto Nacional de Vías.


 Las muestras recuperadas deben tener una cantidad suficiente para realizar los ensayos de: granulometría, limites de consistencia, humedad natural, compactación y resistencia o respuesta ante cargas transitorias.  Los suelos de prestamos que se emplean en los rellenos influyen en el comportamiento del pavimento, por tal razón deberán ensayarse de la misma manera.  El sistema AASHTO es el mas pertinente para clasificar los suelos para estudio de calles y carreteras.  Las muestras para los ensayos deben tomarse en base al perfil a lo largo de la vía y la secuencia en que se encuentren las diferentes capas de suelo.

EXPLORACIÓN DE LA SUBRASANTE Determinación de granulometría INV E- 123

Determinación de límites de consistencia INV E 125 -126


TABLA DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS AASHTO

DEFINICIÓN DEL PERFIL Y DELIMITACIÓN DE LAS ÁREAS HOMOGÉNEAS

Sectorización inicial por tránsito Primero se zonifica el tramo de estudio, en base a los niveles de tránsito esperados a lo largo de él.


Sectorización complementaria por tipos de roca o suelo Perfil estratigráfico de las clasificaciones de los suelos de subrasante, a partir de las perforaciones.

DEFINICIÓN DEL PERFIL Y DELIMITACIÓN DE LAS ÁREAS HOMOGÉNEAS Determinación de las áreas homogéneas de diseño

 Primero se estable la longitud en la que predomina cada suelo y luego se delimitan las áreas homogéneas para efectos de diseño, considerando el tránsito del proyecto.  Con el fin de conseguir un diseño práctico y económico, por medio de los diseños definitivos, las secciones deben ser escogidas con suficiente longitud.


Determinación de las áreas homogéneas de diseño solo a partir del CBR (capacidad de soporte de la subrasante).


 En caso de que exista un tramo con gran heterogeneidad en los suelos y no se pueda especificar el mas predominante, se basará el diseño en el mas frecuente de los suelos débiles.

EJECUCIÓN DE ENSAYOS DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA SOBRE LOS SUELOS PREDOMINANTES

 Este ensayo debe realizarse sobre muestras representativas de los suelos predominantes. El ensayo mas utilizado CBR, mide la resistencia del suelo al esfuerzo cortante en condiciones de humedad y densidad controlada.  El soporte de la subrasante se puede expresar en términos del módulo de reacción, alcanzado a través de pruebas de placa directa. Este módulo se emplea en el diseño de pavimentos rígidos.  En el diseño de pavimentos asfalticos, la respuesta de soporte se puede obtener por parámetros elásticos como el módulo resiliente.


ENSAYO CALIFORNIA BEARING RATIO (CBR)  El valor del CBR se obtiene como un porcentaje de la relación del esfuerzo requerido para hacer penetrar un pistón para alcanzar cierta profundidad dentro de una muestra de suelo compactada, con contenido de humedad y densidad dados, y el esfuerzo requerido para hacer penetrar el mismo pistón, a la misma profundidad, en una muestra estándar de piedra triturada. =

*100

Valores de la Muestra Patrón variando las profundidades de penetración. Penetración del pistón (plg) Esfuerzo (lb/plg2)

0.1 1000

0.2

0.3

0.4

0.5

1500 1900 2300 2600


 El ensayo CBR se ha generalizado y es una forma de clasificar un suelo para ser utilizado como subrasante o material de base en la construcción de carreteras.  El CBR generalmente se determina para 0.1” ó 0.2” de penetración; es decir, para un esfuerzo de 1000 y 1500 lbs/plg2 en el patrón respectivamente.  Este numero de relación de soporte no es constante para un suelo dado sino que se aplica únicamente al estado en que se encontraba el suelo durante el ensayo.  Para obtener una condición mas crítica que la que se presenta en el terreno, se sumergen las muestras para el ensayo del CBR en el laboratorio hasta obtener su saturación.


Materiales para la compactación:  Pistón de penetración  Disco espaciador metálico de diám. 5.93” y altura 2.5”  Trípode y extensómetro de 0.001”  Molde de 6” de diám. Altura entre 7” y 8” y un collarín de 2”  2 pesas de plomo angular de 5 lbs c/u Materiales para la penetración:  Pistón de sección circular diám. 2”  Equipo de penetración  Balanza, horno, tamices, tanques para inmersión, papel filtro, extensores, cronómetro, entre otros.


Preparación de la muestra  Se toma una muestra aproximadamente de 50.000 gramos y se destruyen los terrones con un martillo de goma o un rodillo. Se pasa el material por el tamiz ¾” y se desechan las partículas retenidas, éste material debe ser remplazado por un peso igual de suelo, pero con partículas retenidas en el tamiz ¼” y que pasen por el ¾”.  Se calcula la humedad óptima por medio de la Compactación de Próctor Modificado.

EJECUCIÓN DE ENSAYOS DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA SOBRE LOS SUELOS PREDOMINANTES Equipo para preparación de la muestra y compactación.

EJECUCIÓN DE ENSAYOS DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA SOBRE LOS SUELOS PREDOMINANTES Procedimiento para el calculo de densidad y humedad.

 Se ajusta el molde a la placa base uniéndolo con el collar de extensión, luego se coloca el papel filtro grueso.  Se humedece la muestra con la cantidad de agua calculada y se mezcla uniformemente.  Se divide la muestra en 5 partes. Se compactan las cinco capas con 10, 25 y 56 golpes por cada espécimen. Si el espécimen va a ser sumergido, se toma una muestra representativa del material y se halla la humedad antes de la compactación y con el material sobrante, después de la compactación.  Se retira el collarín y se enrasa la parte superior del molde, se desmonta el molde y se vuelve a montar invertido, quitando el disco espaciador (falso fondo), y dejando el pape filtro entre el molde y la base.  Se pesa el molde junto con la muestra y se calcula la densidad y humedad de la muestra.


La compactación se realiza sobre los moldes de CBR, los especímenes empleados para la curva de compactación para 10, 25 y 56 golpes por capa, serán penetrado.  Al realizar la inmersión sobre la superficie de la muestra invertida se coloca una placa perforada con vástago y por encima, los anillos que completan una sobrecarga que genere una presión equivalente a las capas que se encuentran por encima del suelo que se estudia.  Se coloca el trípode de medida sobre los bordes del molde, logrando que coincida el vástago del deformímetro con el de placa perforada y se sumerge el molde en el balde. El periodo de inmersión puede variar entre 1 y 4 días.


Manera de armar cilindro para someterlo a inmersión

Cilindro sumergido en agua

EJECUCIÓN DE ENSAYOS DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA SOBRE LOS SUELOS PREDOMINANTES Se seca el molde y se retira la sobrecarga junto con la placa perforada, se pesa y se procede al ensayo de penetración.

 Se coloca nuevamente las mismas sobrecargas utilizadas en inmersión y se coloca el pistón de penetración en el orificio central de la sobrecarga angular.  Se coloca el dial que medirá la penetración y se aplica una carga aproximada de 10 lbs para que se asiente el pistón.  Se colocan en cero los diales medidores y se procede a la penetración.


Manera de armar cilindro para la penetración (Ensayo CBR)


Se anotan las lecturas de la carga para las siguientes penetraciones

 Se desmonta el molde y se toma una muestra para determinar su humedad.  Se construye la curva de esfuerzo-penetración calculando la presión ejercida por el pistón para cada penetración de la tabla anterior. Se dibujará una curva por cada muestra ensayada.

EJECUCIÓN DE ENSAYOS DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA SOBRE LOS SUELOS PREDOMINANTES Gráfico de Esfuerzo Vs Penetración

16,00

PRESION (Mpa)

14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00

0

5

10 15 PENETRACION (mm)

20

25

EJECUCIÓN DE ENSAYOS DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA SOBRE LOS SUELOS PREDOMINANTES Cálculo para la humedad de compactación:

ñ

=

ℎ

1+

100

x

Ww = masa de agua a añadir, g Wo = % de humedad inicial Wp = % de humedad prefijada Wh = masa húmeda de la porción de suelo

− 100


 Para calcular el índice CBR, se toman los valores de presión que

corresponden a 0.1” y 0.2” (2.54 y 5.08 mm) de la penetración, y se dividen entre los esfuerzos de referencia 6.9 Mpa y 10.3 Mpa (1000 y 1500 Lbs/plg2) respectivamente y se multiplica por 100.

 El CBR normalmente para un suelo es la de 0.1” de penetración. Cuando la relación de 0.2” de penetración es mayor, se repite el ensayo. En caso de que se obtenga un resultado similar se usa la relación de soporte de 0.2” de penetración.  Para obtener el CBR de diseño para un contenido de humedad óptima, se usan los datos de los 3 especímenes, se grafica la densidad seca contra CBR. En este caso el CBR de diseño es obtenido por el porcentaje deseado de la densidad máxima seca, que generalmente corresponde al porcentaje mínimo especificado para la obra.

EJECUCIÓN DE ENSAYOS DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA SOBRE LOS SUELOS PREDOMINANTES Para CBR de diseño

Densidad Seca, gr/cm3

MUESTRA N° GOLPES/CAPAS CONDICION CBR 0,1" CBR 0,2"

1

2

56

26

SECO

HUMEDO

45,52

31,743

76,60

47,9

SECO 19,6 30,8

3 10 HUMEDO 16,2 23,80

SECO 15,8 19,5

HUMEDO 13,0 22,0

2,3 2,2 2,1 2 1,9 1,8

4

5

6

7

8 9 Humedad (%)

10

11

12

EJECUCIÓN DE ENSAYOS DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA SOBRE LOS SUELOS PREDOMINANTES Para CBR de diseño

gr/cm³

Densidad Seca, gr/cm3

DENSIDAD SECA MAXIMA DENSIDAD SECA MAXIMA 95 % DENSIDAD SECA MAXIMA 90 %

2,150

kg/m³ CBR % 2,112 2112,00 47,68 2,006 2006,40 31,43 1,901 1900,80 15,18

y = 0,0065x + 1,8021

2,100 2,050 2,000 1,950 1,900 1,850

15,0

25,0

35,0 CBR %

45,0

EJECUCIÓN DE ENSAYOS DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA SOBRE LOS SUELOS PREDOMINANTES Tabla de referencia de CBR, usos y suelos

No. CBR 0-3 3-7 7- 20 20 - 50 > 50

Clasificasión general Usos Muy pobre Muy pobre a regular Regular Bueno Excelente

Sub rasante Sub rasante Sub base Sub base y base Base

EJECUCIÓN DE ENSAYOS DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA SOBRE LOS SUELOS PREDOMINANTES ENSAYO DEL PENETRÓMETRO DINÁMICO DE CONO (PDC)

 Sirve para medir el CBR en campo. Es apropiado para conocer la resistencia de suelos mayormente finos.  En este ensayo se calcula la rata a la cual penetra una varilla con punta cónica en el suelo, a medida que se deja caer desde cierta altura, una masa de 8 kg.  Se grafica el número de golpes contra la penetración. La resistencia a la penetración es la pendiente de la recta, y se denomina numero dinámico (ND) expresada en mm/golpe.


EJECUCIÓN DE ENSAYOS DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA SOBRE LOS SUELOS PREDOMINANTES Resultados de la prueba:


ENSAYO DE PLACA DE CARGA AASHTO T 222  Este ensayo permite definir las características resistenciadeformación de un suelo.  A través de este ensayo se puede conseguir muchos parámetros como los siguientes:  Capacidad de carga del suelo para un asentamiento establecido.  Gráfico de carga-deformación.  Módulo de reacción (K) de la subrasante usado en el diseño de pavimentos rígidos.  Coeficiente de elasticidad (E).  Estudio para la estabilidad de pavimentos o soportes de caminos existentes.



Definiciones:  Módulo de reacción: Es la presión que se transfiere a la placa para provocar en el suelo una deformación específica.  Deflexión residual: Es la diferencia de nivel entre la superficie original y su posición final debido a la aplicación y retiro de una o varias cargas en la superficie.  Deflexión elástica: Es la longitud que el suelo logra recuperar cuando se le aplica una carga vertical en la superficie y se retira.


Equipo necesario:  Dispositivo de carga: un camión o remolque o la combinación de ambos (tractoremolque), un marco anclado u otra estructura cargada con un peso capaz de generar la reacción deseada.  Ensamble de gato hidráulico capaz de aplicar y soltar la carga en incrementos, además de un manómetro que indique la magnitud de la carga aplicada.  Placa de soporte: un juego de placas de apoyo circulares en acero con espesor mínimo de 1¨ cada una, de tal manera que puedan disponerse en forma piramidal para asegurar su rigidez, los diámetros deben estar entre 6¨ a 30¨. Los diámetros de playas adyacentes no deben ser mayores a 6¨.  Diales micrométricos: tres o mas graduados en unidades de 0.001¨, capaz de registrar una deflexión acumulada de al menos 1¨.  Viga porta dial: sobre ésta se colocan los diales micrométricos. Formada por un tubo o cañería de 60 mm de diámetro o un ángulo de 75*75*6 mm de un largo de 4,75 mts. El sistema completo de medición debe protegerse de los rayos directos del sol y de la lluvia.


 Otras herramientas: un nivel de burbuja, para la preparación de la superficie que se va a ensayar y para la operación del equipo.


Tabla de diámetros de placa según el tipo de suelo o ensayo (Espinace R . , 1979)

Para calcular el modulo de elasticidad (E): E = q⁄s ∗ D⁄4 ∗ 1 − μ

∗ π

Donde: s = asiento de la placa producto de una carga q. q = carga aplicada (kgs/cm2). D = diámetro de la placa (cm). μ = coeficiente de Poisson del suelo. q/s = tangente a la curva carga-deformación del ensayo.

EJECUCIÓN DE ENSAYOS DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA SOBRE LOS SUELOS PREDOMINANTES Pasos para obtener el módulo de reacción

1. Se ubica el equipo de placa directa sobre el suelo de estudio, y se le aplican diferentes presiones (AASHTO T 222) y se miden las deflexiones. 2. Se grafica la curva de deflexión-presión.


3. Se calcula el valor de K dividiendo la presión aplicada sobre la placa entre la deflexión generada. Existen dos criterios:  Hallar K para Δ = 0,05 pulgadas  Hallar K para p = 10 psi

EJECUCIÓN DE ENSAYOS DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA SOBRE LOS SUELOS PREDOMINANTES Correlaciones:

EJECUCIÓN DE ENSAYOS DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA SOBRE LOS SUELOS PREDOMINANTES MÓDULO RESILIENTE

 Es un parámetro elástico de la subrasante que consiste en medir el esfuerzo y deformación a partir de cargas rápidas repetidas, parecidas a la acción del transito.  La deformación elástica repetida es un problema de los materiales con resistencia a la flexión como el asfalto, en donde se puede presentar un agrietamiento por fatiga cuando se dan considerables repeticiones.  El módulo de resiliencia triaxial dinámico.

se obtiene a partir del ensayo



 En las pruebas de carga repetida después de varios ciclos carga, el módulo se vuelve casi constante y se asume la respuesta del suelo como elástica.  Del módulo resiliente se logran dos valores uno instantáneo y otro total, ya que en el ciclo de carga se toman dos lecturas, una cuando termina el pulso de carga aplicado (deformación instantánea), y otra cuando termina la etapa de relajación (deformación total). Estos dos parámetros se calculan mediante la siguiente expresión:

EJECUCIÓN DE ENSAYOS DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA SOBRE LOS SUELOS PREDOMINANTES =

(

.

)

=

(

.

)

módulo resiliente instantáneo módulo resiliente total v coeficiente de Poisson t espesor de la probeta deformación resiliente instantánea deformación resiliente total



El módulo resiliente se define como la dimensión del esfuerzo desviador repetido en comprensión triaxial entre la deformación axial recuperable: =

(

−

)

=

= Esfuerzo principal mayor = Esfuerzo principal menor = Esfuerzo desviador = Deformación recuperable


 El vigente procedimiento de diseño AASHTO, versión 1993, es muy empleado para el diseño de pavimentos, considerando el módulo resiliente como base.  Este diseño radica en obtener el número estructural SN para que el pavimento flexible resista las cargas requeridas. Este método provee la siguiente expresión:


EJECUCIÓN DE ENSAYOS DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA SOBRE LOS SUELOS PREDOMINANTES Procedimiento del ensayo

1.

Se coloca una muestra de suelo compactada dentro de una membrana en la cámara triaxial.

2.

Se lleva a una presión de confinamiento (σ3 )

3.

Se aplican pulsos periódicamente de un esfuerzo axial desviador (σd ).

4.

Se miden las deformaciones recuperables (ΔL) que se dan en cierta longitud de la probeta. Se calcula la deformación triaxial recuperable ( =ΔL/L)

5. 6. 7.

Se halla el módulo resiliente para tal esfuerzo desviador (

=

).

Se sigue el mismo procedimiento con diferentes esfuerzos axiales desviadores.

Procedimiento para hallar el módulo resiliente


CÁMARA TRIAXIAL PARA DETERMINAR EL MÓDULO RESILIENTE

EJECUCIÓN DE ENSAYOS DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA SOBRE LOS SUELOS PREDOMINANTES • Correlaciones:


Métodos mecanicistas  Se basan en considerar que un pavimento puede ser modelado como un sistema multicapa elástica o viscoelástica , cimentado de forma elástica o viscoelástica.  Ésta suposición permite calcular esfuerzos, deformaciones o deflexiones generadas por el tránsito en cualquier punto del pavimento. Sin embargo se requiere ajustar los modelos con análisis de campo.  Los suelos granulares y los materiales de subrasante son de comportamiento no lineal y que el módulo de elasticidad varía con el nivel de esfuerzos.


Relaciones constructivas para suelos finos  El módulo de resiliencia de suelos finos decrece con el incremento en el esfuerzo desviador . En laboratorio = . Por lo que: = − . Relación entre el módulo de resiliencia y el esfuerzo desviador para suelos finos a partir de pruebas de laboratorio en carga repetida.


A partir del gráfico anterior

M = K + K (K − σ ) Para σ < K M = K + K (σ − K ) Para σ > K

Donde K , K , K y K son constantes del material.

El módulo de resiliencia en el punto de quiebre de la curva (K ), es un buen comportamiento resiliente, ya que las constantes K , K y K muestran menos variabilidad que K .


Ellos clasificaron el suelo fino según su consistencia de la siguiente manera: Tabla de valores típicos de módulo de resiliencia


Relación de esfuerzos y módulo resiliente para los 4 tipos de suelo


Relaciones constructivas para suelos granulares La relación entre módulo de resiliencia y la suma de esfuerzos principales es de la siguiente manera: E=K θ

Donde K y K se obtienen experimentalmente y θ es la suma de los esfuerzos principales, puede ser la suma de los esfuerzos normales ( , ) o la suma de los esfuerzos principales ( , ). Incluyendo el sistema de capas: θ = σ + σ + σ + γz(1 + 2K )

Donde γ es el peso volumétrico promedio, z profundidad en la que se determina el módulo y K es el coeficiente de presión de tierra en reposo.


Con base a análisis estadísticos, Rada y Witczak en 1981, mostraron la desviación estándar promedio del módulo resiliente para varios materiales: K1 (Mpa)

Tipo de material

No. De datos

media

Arena limosa Grava arenosa Arena-grava Roca triturada

8 37 78 115

11.17 30.89 30.00 49.70

desviación estandar 0.74 29.65 18.13 51.64

K2 media 0.62 0.53 0.59 0.45

desviación estandar 0.13 0.17 0.13 0.23

SELECCIÓN DEL VALOR DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA DE DISEÑO

 Independientemente del método para estimar la resistencia del suelo, cada muestra o ensayo generalmente da un resultado diferente.  El número de ensayo por área homogénea varia según la extensión del proyecto:  En vías muy cortas (≤ 150 metros) se recomiendan 2 pruebas.  En tramos extensos (≥ 3000 metros) se sugieren entre 5 y 9 por suelo homogéneo.  En tramos de distancia intermedia se recurre al criterio del diseñador.


 Si se tienen menos de 5 resultados, se sugiere seleccionar el menor valor de resistencia determinado en condiciones de equilibrio.  Si se tienen 5 o mas resultados, el valor de diseño de esa área se seleccionará con base al método de diseño que se va a emplear:  Si se diseñará con AASHTO – 93 o INVIAS, se tomará el valor promedio.  Para otros métodos de diseño, es posible utilizar el criterio del Instituto del Asfalto.

SELECCIÓN DEL VALOR DE RESISTENCIA O DE RESPUESTA DE DISEÑO CRITERIO DEL INSTITUTO DEL ASFALTO


Los valores de diseño por cada área deben ser redondeados como se sigue a continuación:





EVALUACIÓN DE BASES Y SUBBASES

 Se denomina base a la capa de suelo que se encuentra por debajo de la rodadura de un pavimento. Por esta razón, dicha capa debe tener alta resistencia a la deformación que le permitan resistir las altas presiones que recibe. Se conforma por materiales granulares procesados o estabilizados, y algunas veces materiales marginales.  Subbase es la capa que se halla entra la base y la subrasante de un pavimento. Como está sometida a esfuerzos menores en comparación con la base, su calidad puede ser menor y normalmente se construye con materiales locales granulares o marginales.

CLASIFICACIÓN DE MATERIALES PARA BASES Y SUBBASES

BASES Y SUBBASES GRANULARES

CARACTERIZACIÓN DE LOS AGREGADOS  La caracterización de los agregados es necesaria para establecer su capacidad y obtener información que sirva para el diseño estructural del pavimento.  Cuando se selecciona una fuente de material, se debe conocer los minerales que componen la roca.  Para conocer el tamaño del grano, textura y estado de descomposición de la roca se realiza el examen petrográfico de las rocas en el microscopio, mediante secciones delgadas.


Caracterización para establecer su competencia de uso


RESUMEN DE PROPIEDADES INGENIERILES DE LAS ROCAS (SEGÚN CORDON Y BESTE)


 En pavimentos asfalticos, la química de los agregados determina la adherencia entre ellos y el asfalto.  En pavimentos rígidos, los agregados que contienen formas reactivas de sílice pueden generar reacciones expansivas con los álcalis que conforma la pasta de cemento.


Fuentes de materiales granulares para base y subbase

CANTERA

DEPÓSITO ALUVIAL


PROPIEDADES GENERALES Se debe seleccionar la granulometría de los materiales que permita definir un equilibrio entre la facilidad constructiva y la mayor estabilidad posible. Tipos de granulometrías Gradación uniforme *Pocos puntos de o *Pobre trabazón (dependencia de la forma) *Alta permeabilidad

Gradación buena *Buena trabazón *Baja permeabilidad

Gradación discontinua *Sólo tamaños limitados *Buena trabazón *Baja permeabilidad


Variación de la densidad y del CBR con la cantidad de finos de un material granular


ENSAYOS NECESARIOS PARA LOS AGREGADOS GRANULARES Partículas aplanadas y alargadas (INV E-230) Las partículas planas y alargadas tienden a romperse fácilmente durante la construcción y bajo tránsito, cambiando la granulometría original del agregado; por lo tanto, son indeseables. Se considera una partícula plana cuyo espesor sea menor a 3/5 de la dimensión media de la fracción. Una partícula larga es aquella cuyo largo máximo es mayor a 9/5 de la dimensión media de la fracción.


PROCEDIMIENTO: Se divide la muestra en fracciones

/

como se sigue:

Para partículas planas: • Cada fracción se criba a continuación empleando para ello tamices de barras paralelas y separadas 3/5[(di+Di)/2], las partículas que pasen, son consideradas planas. Si no se cuenta con tamices de barras paralelas, se puede usar calibrador tradicional de espesor para separar las partículas. se determina la masa (mi) de las partículas que pasaron el tamiz de barras, o sea las planas, con una aproximación del 0.1% de la masa de la muestra total de ensayo.


Para partículas largas: • Cada fracción se analiza utilizando el calibrador de alargamiento, para separar las partículas largas. Se determina la masa (mi) de las partículas de cada fracción retenidas en el calibrador de longitud, o sea las largas, con una aproximación de 0.1% de la masa de la muestra total de ensayo. Determinación de las partículas planas y alargadas


Cálculos: El índice de aplanamiento (I ) ó alargamiento global (I ), según se desee calcular: ó

=

× 100

Donde: = suma de las masas de las fracciones / , en g. = suma de las masas de partículas planas o alargadas, de las fracciones / , en g.


Ensayo equivalente de arena INV E – 133 Para este ensayo se emplean agregados que pasen el tamiz No. 4. Procedimiento: 1. Se mezcla el agregado con una solución de calcio-glicerinaformaldehído y se agita dentro de un cilindro graduado, haciendo que las partículas mas finas queden en la superficie. 2. Se deja en reposo y se miden las alturas de arena ( ) y finos ( ) y la diferencia entre ellas, en porcentaje, es el equivalente de arenas.

BASES Y SUBBASES GRANULARES EQUIPO PARA EQUIVALENTE DE ARENA



Ensayo de desgaste de los ángeles INV E – 218 y 219 Se toma una muestra del agregado grueso, secándolo y pesándolo previamente, se somete a atrición e impacto por 11 esferas de acero al tiempo que gira un cilindro metálico a 31-33 rpm por 15 minutos, luego se descarga el material y se separa empleando un tamiz de mayor abertura que el de 1.70 mm (#12). Luego la fracción fina que pasa se tamiza empleando el tamiz de 1.70 mm (#12). El material mas grueso que la abertura de 1.70 mm (#12), se lava y se seca en el horno hasta masa constante y se determina su masa.


Granulometrías de la muestra para el ensayo


BASES Y SUBBASES GRANULARES Cálculos

La diferencia entre la masa inicial de la muestra seca ( ) y la masa del material seco retenido en el tamiz de 1.70 mm (No. 12) luego del ensayo ( ), dada en porcentaje de la masa inicial, será el desgaste de la muestra.

%

=

−

× 100


Caras fracturadas: Procedimiento: Se toma masa una muestra de material según la siguiente tabla para realizar el ensayo.

 Se lava el material sobre el tamiz designado para la determinación de las partículas fracturadas, se seca a masa constante y se pesa.  Se debe esparcir la muestra seca en una superficie suficientemente grande, para inspeccionar cada partícula. Si la cara constituye al menos un cuarto de la mayor sección transversal de la partícula, se debe considerar como una cara fracturada.


 Con una espátula se separa la muestra en tres categorías así: (1) partículas fracturadas, basados en el hecho de que la partícula tiene el número de caras fracturadas requerido, (2) partículas que no cumplan el criterio especificado y (3) partículas dudosas o en la frontera.  Se determina la masa o se cuenta el número de partículas clasificadas en cada categoría.  No debe quedar más del 15% en la categoría de dudosa. Si es así, se repite nuevamente la determinación.

BASES Y SUBBASES GRANULARES Cálculos:

Se calcula el % de masa o el % obtenido por conteo, con el número especificado de caras fracturadas, según lo siguiente: =

+

2

+

+

× 10

Donde: P = porcentaje de partículas con el número especificado de caras fracturadas, F = masa o número de partículas fracturadas con al menos el número especificado de caras fracturadas, Q = masa o numero de partículas en la categoría de cuestionable o frontera, y N = masa o numero de partículas en la categoría de no fracturadas o que no cumplen con el criterio de partículas fracturadas.

BASES Y SUBBASES GRANULARES Granulometría INV E – 123-07 Curva granulometrica

%

120,00

80,00 60,00 40,00 20,00 0,01

0,10

1,00 Diametro (Tamiz )

10,00

0,00

% Que pasa

100,00

=(

.

) * 100


Límites de Atterberg o de consistencia. INV E – 125-07 (LL), E – 126-07 (LP). Está relacionado con la actividad de los finos.  Tiene restricción en suelos de reducida actividad.


Gravedad específica en agregados finos Preparación de la muestra:  Se toma una muestra de agregados fino (1Kg), se seca al horno y luego se deja enfriar.  Luego se satura la muestra entre 15 y 19 horas. Después se decanta el agua sin que se pierda material y se extiende la muestra sobre una superficie plana que no sea absorbente y se dirige sobre ella una corriente de aire caliente, se voltea la muestra periódicamente y se continua el secado hasta que las partículas fluyan libremente.

BASES Y SUBBASES GRANULARES Procedimiento:  Se llena parcialmente un picnómetro con agua. Luego se añaden 500 ± 10 gr del agregado fino saturado y superficialmente seco, y se agrega agua hasta el 90% de su capacidad.  Se apoya el picnómetro sobre una toalla en superficie plana y se rueda manualmente para expulsar el aire atrapado.  Se determina su masa total (picnómetro, muestra y agua).


Cálculos

A Gs = B+S−C

Donde: A = masa al aire de la muestra seca al horno, g B = masa del picnómetro aforado lleno de agua, g C = masa total del picnómetro aforado con la muestra mas agua, g S = masa de la muestra saturada y superficialmente seca, g


Gravedad específica en agregados gruesos Preparación de la muestra:  Se mezclan los agregados finos cuarteándolos. Luego se eliminan las partículas inferiores a 4.75 mm por tamizado seco y se lava el material. Cantidades mínimas para el ensayo:


Procedimiento:  Secar la muestra en horno a masa constante, enfriar a temperatura ambiente de 1 a 3 horas. Seguidamente se sumerge en agua durante 15 a 19 horas.  Se saca la muestra del agua y se seca cada partícula con una toalla hasta eliminar el agua superficialmente visible y se mide la masa de la muestra saturada con superficie seca (Sss).  Se coloca la muestra dentro de la canastilla metálica y se determina su masa sumergida en agua.  Se seca la muestra en el horno y se deja enfriar, y se determina su masa.


Cálculos Gravedad específica seca al horno

A Gsb = B−C Gravedad específica aparente A Gsb = A−C Donde: A = masa en el aire de la muestra seca, g B = masa en el aire de la muestra saturada con superficie seca, g C = masa sumergida enagua de la muestra saturada, g

PROPIEDADES DE LOS SUELOS GENERALIDADES

Se considera como terreno de cimentación a la parte de la superficie terrestre que soporta la estructura vial y que es afectada por la misma. Su función es sostener dicha obra vial en estados razonables de resistencia y deformación. Los suelos granulares presentan un satisfactorio para soportar las cargas características de compresibilidad.

comportamiento y con buenas

Las arenas sueltas y limos pueden producir problemas de erosión y de asentamientos repentinos a causa de movimientos de agua en el subsuelo.

MEJORAMIENTO DEL TERRENO DE CIMENTACIÓN

Generalmente el terreno de fundación es capaz de soportar las cargas trasmitidas por las carreteras. En algunos casos, es necesario hacer un mejoramiento de dicho suelo. Los principales métodos son:  Utilizar materiales ligeros para generar presiones mas bajas y también un cambio en el diseño de la sección transversal del terraplén , como taludes mas acostados, falta de bermas, lo que reduce su ancho y generará menor hundimiento en el suelo. Sobreexaltar la rasante para que al asentar el terraplén, llegue a los niveles requeridos, siempre que el suelo natural lo resista.


 Levantar los terraplenes con gran anticipación con el fin de que en medio de la construcción del resto de la vía se obtengan los asentamientos esperados.  Utilizar drenes de arena con la finalidad de incrementar el proceso de consolidación del suelo en el espesor tratado. Para esto es necesario realizar estudios de suelo que lo justifiquen, ya que normalmente es muy costoso y necesita equipos especiales


 Compensar total a parcialmente la capa del terraplén. Se coloca el terraplén de tal forma que vaya trasladando gradualmente el suelo blando hasta que la presión generada por la diferencia de peso entre el material colocado y el desplazado, sea la que resiste el terreno natural.  Retirar el suelo compresible y sustituirlo por un material de mejor calidad. Para esto es necesario conocer la profundidad en la que esta situación de materiales resulta económica.


 Colocación de geotextiles y geomembranas. Éstos contribuyen mecánicamente a los suelos de las siguientes manera:  Separante: Un geotextil mantiene separado dos materiales con propiedades mecánicas diferentes (material granular y arcilla húmeda) , impidiendo que se interpenetren por la acción de movimientos de la obra o de los vehículos, y de esta manera prevenir asentamientos y desniveles longitudinal y transversalmente.  Refuerzo: El geotextil puede crear un refuerzo esquemático en el suelo cercano de dos formas: como armadura o como membrana. El funcionamiento en cualquiera de las dos, que conduce una puesta en tensión de la napa (capa de agua subterránea), implica que halla una zona de bloqueo, en la que el suelo funciona como anclaje en o con la napa textil.



EL AGUA EN EL TERRENO DE FUNDACIÓN

El agua que cae sobre el suelo, una parte se infiltra, otra se evapora y la otra queda en la superficie. Ésta ultima varia según el tipo de suelo, su pendiente, etc. La parte que se infiltra en el terreno forma el nivel freático. Y entre mas cerca esté de la superficie, más pantanoso será el tipo de suelo. Si se encuentra a mayor profundidad, y el suelo es fino y con tendencia a capilaridad (limos), el agua asciende y genera daños en los pavimentos. Los cambios de humedad afectan la estabilidad de la estructura (terraplén, pavimento). Otro efecto es el bombeo en losas de concreto, el lavado de la película de asfalto en las mezclas asfálticas, erosión en los taludes, entre muchas mas.

EXPLORACIÓN DEL SUELO PARA CARRETERAS Estudios geológicos

El primer paso para construcción de una carretera es un estudio geológico que incluya un mapa geológico con altos niveles de detalles. De esta inversión dependen los ahorros en los costos, tiempo e inconvenientes futuros. Además, es necesario realizar trabajos de campo y de fotointerpretación que ayuda a seleccionar la ruta mas adecuada para el proyecto Estudios aerofotográficos A partir de la aerofotogrametría se puede obtener: Geografía de la zona: Poblaciones, industrias, minería, siembras, construcciones ingenieriles existentes. Topografía de la zona.

EXPLORACIÓN DEL SUELO PARA CARRETERAS Clima de la región.

Hidrología de la región: drenaje de la zona, corrientes de agua, obras existentes. Características geológicas: pantanos, formaciones lacustres, zonas de deslizamiento, fuentes de materiales. Uso de la tierra. Cuando se termina la fotointerpretación, se verifica en terreno lo encontrado en el estudio y se marcan puntos físicos de referencia en el terreno y de esta manera se complementa el trabajo de campo con las fotografías.

EXPLORACIÓN DIRECTA DEL SUELO

Las exploraciones de suelos para el proyecto y construcción de carreteras se debe enfocar a los siguientes problemas principales:  Estabilidad de los cortes y terraplenes.  Fuentes cercanas de extracción de material.  Fundaciones para estructuras como puentes.  Aseguramiento de la calidad durante la construcción.

ESTABILIDAD DE LOS TALUDES DE CORTES Y TERRAPLENES Lo recomendable en este tema es realizar una exploración a través de perforaciones o apiques en cortos trayectos y grandes profundidades. En la práctica existen casos donde no se justifica realizarlos, ya que existen taludes y terraplenes que no son de gran altura. Básicamente el criterio lo tiene el ingeniero de campo, que por medio de su experiencia tomará as decisiones en los métodos de exploración .

ESTABILIDAD DE LOS TALUDES DE CORTES Y TERRAPLENES Generalmente se realizan apiques o sondeos con los espaciamientos que establezca el ingeniero de campo, pero normalmente se acostumbra cada 500 m y la profundidad debe ser tal hasta que llegue al terreno de cimentación y atraviese de 1.00 a 1.50 m por debajo de él.

COMPACTACIÓN DE SUELOS GENERALIDADES

La compactación se realiza con el fin de lograr que el suelo conserve un comportamiento adecuado durante la vida útil del la obra. Una vez que se realizan los procesos de compactación es necesario verificar que se cumplió con el fin propuesto. Los ensayos de laboratorio son esenciales para el control calidad de los trabajos. Hoy en día, la compactación es uno de los métodos más empleados y mas eficientes para mejorar la condición de un suelo que se va a emplear en construcción.

EQUIPOS DE COMPACTACIÓN

En las comunidades antiguas, los romanos vieron necesario compactar los materiales que utilizaban para las vías. Primero usaron rodillos de piedra que desechaban los esclavos

Método de compactación: presión estática Se dieron cuenta que dejando caer mazos de piedra obtenían el mismo efecto

Método de compactación: carga dinámica-impacto

Vieron el efecto de amasado que el ganado le hacía a ciertos tipos de suelo, logrando una buena compactación

Sirvió como base para el rodillo pata de cabra


 Con el progreso de automóvil, consideraron que era mejor compactar usando un método de aplicación de presión parecida ad del trabajo futuro de las vías, por lo que recurrieron a formar compactadores con llantas. Recientemente se han desarrollado los compactadores vibratorios.  Los equipos de compactación utilizan cuatro métodos:  Presión estática.  Amasado.  Vibración.  Impacto, o combinaciones entre estos.


EQUIPOS MAS FRECUENTES EN LA COMPACTACIÓN DE MATERIALES Cilindradoras de ruedas metálicas: Fue muy usado anteriormente pero su limitación de velocidad (máx. 10 kph), hace que su transporte al lugar de la obra se realice por medio de remolques, por tal razón no puede competir con maquinas mucho mas ágiles. Aunque ha disminuido su uso, aun sigue vigente. Existen dos clases de cilindradoras de ruedas lisas: la de tres ruedas (triciclo) y la tándem.



Compactadora de llantas:

Maquina diseñada para compactar de dos formas: amasado y peso estática que se aplica de abajo hacia arriba, logrando una buena compactación en la superficie, por esta razón puede compactar capas de 10 a 20 cm, según el peso y la especificación de la máquina. Pueden ser autopropulsado (se mueven son energía interna propia), o del tipo de arrastre (carioca). Éstos últimos pueden ser de dos ejes o de un eje para los mas pesados (> 50 ton). Tienen un numero impar de llantas normalmente de 7-9, las cuales pueden moverse hacia arriba y hacia abajo individualmente.



Cilindros para de cabra: Consta de un cilindro metálico copado de puntas o patas de diferentes formas que realizan grandes presiones estáticas sobre el suelo. Ésta presión que ejercen los vástagos no es uniforme en el tiempo, cuando el vástago se encuentra vertical, se genera la presión máxima, a partir de ahí la presión disminuye hasta que el vástago sale de suelo. Este tipo de compactación se da de abajo hacia arriba , ya que en las primeras pasadas las patas y parte del tambor logra penetrar el suelo, ejerciendo una presión mayor en la parte inferior de la capa por compactar. A esta forma de compactación se le llama amasado. Los rodillos mas comunes tiene vástagos de 20 a 25 cm de longitud y compactan capas de suelo suelto alrededor de los 35 cm de espesor. Rinde mejor resultado en suelos finos.



Vibrocompactadores: Son maquinas autopropulsadas de uno o mas rodillos que es utilizado para la compactación de suelos con espesores generalmente de 20 a 30 cms. Si el suelo es granular con gran cantidad de finos, y su contenido de agua es alto, la compactación por vibración seria difícil; ya que no conviene que el material tenga más del 15% de arcilla o cualquier otro material cohesivo. La maquinaria vibrante puede ser apisonadoras autopropulsadas o rodillos vibrantes remolcados por tractor, pisones manuales, planchas o bandejas vibrantes, etc. Su peso varia de 5 a 15 toneladas y la velocidad de trabajo entre 2 y 10 kms por hora. Puede compactar adecuadamente suelos granulares (gravillas y arenas) y en general terrenos con poco o ningún aglomerante, en espesores de hasta 25 cms.



Compactadores de impacto (Canguro, sapo o saltarín)

 Su uso se limita a áreas pequeñas. Produce acción de impacto por medio de un resorte.  Se puede aplicar a todo tipo de suelo.

VARIABLES QUE INTERVIENEN EN LA COMPACTACCIÓN DE SUELOS

 Método de compactación: Los métodos son los siguientes: carga estática, amasado, vibración, impacto y mixto. Los métodos están ligados con el tipo de suelo: Suelos cohesivos (arcilla) – Pata de cabra (amasado). Suelos finos no cohesivos (limos) – Compactador de llantas y algunas veces pata de cabra. Suelos granulares limosos (gravas y arenas limosas) – Vibrocompactador y compactador de llantas. Suelos granulares arcillosos, gravas y arenas con mas del 15% de arcilla – Compactador de llantas, pata de cabra, pata de cabra vibratorio. Suelos granulares muy puros – Vibrocompactador con compactador de llantas para la compactación superficial; buen humedecimiento.


 Energía específica de compactación: Es la energía que la máquina entrega al suelo por unidad de volumen. Normalmente estos son los grados de compactación:  90% del Próctor Modificado para el cuerpo del terraplén.  95% del Próctor Modificado para la corona del terraplén (últimos 30 cm).  95% del Próctor Modificado para subbases granulares (CBR mín. 20%).  100% del Próctor Modificado para bases granulares (CBR mín. 80%).


 Contenido de agua del suelo:

 La humedad optima varia de acuerdo al método de compactación; entre mas alta energía, mas baja la humedad.  La humedad optima obtenida en el terreno, será diferente a la determinada en el laboratorio, pero esta última sirve para tener un rango de prueba de las humedades de campo.  Rara ves la humedad natural coincide con la humedad optima y es necesario humedecer o secar el material. Para esto, se debe tomar mayor precaución en los suelos finos.


VARIABLES QUE INTERVIENEN EN LA COMPACTACCIÓN DE SUELOS  Productividad del equipo de compactación: =

ℎ

a = ancho, h = espesor de la capa, v = velocidad y N = número de pasadas. Esta formula se puede escribir de la siguiente forma: =

ℎ

10

(

)

A partir de esta ecuación se obtiene el rendimiento para hora de 60 minutos. Habrá que corregir para 50 min (cilindros de ruedas metálicas) y 45 min (el resto de los equipos).


A continuación se sugieren unos valores para las variables de la formula anterior con las máquinas más utilizadas en Colombia. PATA DE CABRA

CILINDROS TICICLOS DE RUEDAS LISAS

Espesor de capa – 1.5 veces la longitud De 12 a 14 Ton. de las patas.

Vel – 3 a 4 Kph (orugas).

N° de pasadas – para el 90% del P.M.: 20 a 25, para el 95%: 30 a 40; el 100% no se especifica.

COMPACTADORES DE LLANTAS De 12 Ton y 100 Psi aprox. De presión de inflado.

Espesor de capa – 90% del P.M.: 15 a 20 cm; 95% del P.M.: 10 a 15 cm; 100% del P.M =10 cm.

VIBROCOMPACTADOR De 4 a 6 ton, estáticas de 12 a 18 Ton totales. Espesor de capa – 90% del P.M.: 40 a 50 cm; 95% del P.M.: 30 cm; 100% del P.M.: 30 cm.

N° de pasadas – 90% del N° de pasadas – 90% del P.M.: 10 a 12; 95% P.M.: 6 a 8; 95% del P.M.: del P.M.: 12 a 16; 100%: 16. 8 a 10; 100%: 10 a 12. Velocidad – 4 a 6 kph. Velocidad – 8 a 10 kph. El cilindro Tándem de ruedas metalicas lisas, se usa en pavimentos; no se recomienda para suelos.


 Control de la compactación en el terreno: Las principales pruebas que se realizan para medir el peso unitario seco del material compactado en la obra son: TIPO I - Muestra alterada: medida del volumen del suelo extraído, cubicando el hueco por medio: 1. Arena 2. Agua 3. Aceite TIPO II - Muestra inalterada: 1. Muestra cúbica 2. Penetrómetro TIPO III - No destructivas: 1. Densímetro nuclear 2. Prueba sísmica 3. Ultrasonido

PRODUCCIÓN DE AGREGADOS

 Agregados minerales Agregación de arena, grava, piedra partida, escoria, en combinación con un ligante para formar concreto bituminoso o hidráulico , macadam, mástique, mortero, argamasa, etc., o solo como el balasto para ferrocarriles.  Agregados naturales Materiales que se usan en estado natural, o que han sido triturados, lavados y separados. Se clasifican en mineral, roca, grava, grava partida, piedra partida y arena.

 Agregados artificiales Son resultado de modificaciones de materiales que envuelven cambios físicos y químicos. Pueden ser subproductos de otros procesos como escoria y cenizas, y agregados manufacturados.

Especificaciones

 Una especificación es una descripción concisa en términos medibles de las características mas importantes de un material.  El valor de la roca como material de construcción depende de su capacidad de resistir la acción destructiva del tráfico y el clima.  Las propiedades físicas mas significativas son la dureza, la tenacidad y la sanidad.  Dureza: resistencia que la roca madre ofrece al desplazamiento de sus partículas superficiales por abrasión.  Tenacidad: es su resistencia a la fractura por impacto.  Sanidad: es la resistencia a la acción del clima.

Especificaciones

Los requisitos deben exponerse en forma clara, minuciosamente y de manera mas cuantitativa que cualitativa. Hay 5 requisitos importantes que deben cumplir las especificaciones: 1. 2. 3. 4. 5.

Exactitud y precisión Viabilidad Conveniencia Flexibilidad Aceptabilidad

Las especificaciones son dinámicas y se las revisa y mejora constantemente en la medida que se hagan investigaciones y se adquiere experiencia.

Origen de los agregados

La piedra partida, grava y arena, y escoria de altos hornos, tienen orígenes diferentes, pero en algún momento todo se originó en los bancos de roca.  La escoria es un subproducto de la producción de acero en los altos hornos, y se consigue en zonas industrializadas.  Las gravas y arenas naturales principalmente son el resultado de la acción abrasiva del agua en los materiales rocosos, y de su transporte y posterior depósito. Roca ígnea

Roca sedimentaria Roca metamórfica

Explotación de las fuentes de material

 Canteras: Fuentes que producen principalmente piedra. Están conformado por roca en estado natural y para su explotación se suele utilizar explosivos.  Receberas y areneras: Fuentes que como su nombre lo dice producen recebo, un conglomerado conformado por piedra, arena gruesa, arena fina, limo y arcilla. Es ocasional el uso de explosivo. Si la cantidad de arena es considerable, se habla de una arenera, y esa arena se llama “arena de peña”.  Depósitos aluviales: Fuentes conformadas por grava y arenas de río.

Estudios preliminares

1. Reconocimiento del sitio. Se realiza un reconocimiento preliminar en base a mapas e informes y un reconocimiento de campo. Consiste en la recolección y estudio de toda la información inmediatamente disponible antes de hacer el estudio de campo. 2. Fuentes de información. 2.1 Mapas geológicos: ayudan a localizar las fuentes de material. Normalmente contienen información sobre la existencia de dichas fuentes y sobre las formaciones geológicas. En Colombia esto es limitado por la carencia de estos mapas, por lo que se recurre a mapas topográficos, o estudios de suelo. 2.2 Mapas topográficos: Señalan la ubicación de las fuentes de materias, además de los accidentes topográficos naturales y artificiales.


2.3 Mapas agrícolas: muestran la contextura de la superficie del suelo, también es de buena ayuda para las fuentes y junto con los mapas geológicos mejora la interpretación de las características del terreno. Su empleo en Colombia también es restringido. 2.4 Aerofotografías especiales: Se usan como alternativa para obtener información rápida de suelos y áreas donde no hay otras fotografías. Se limitan a áreas específicas de interés (accidentes naturales y artificiales, excavaciones, canteras, afloramientos, carreteras, aeropuertos, inundaciones, farallones). 2.5 Publicaciones foráneas: Contienen la misma información de los mapas, pero con información adicional en los mapas publicados del país.


2.6 Habitantes de la región: los obreros, ingenieros, mineros, contratistas y canteros de la región pueden suministrar información sobre la geología local y problemas de ingeniería de la zona. 2.7 Informes misceláneos: en los lugares donde se haya efectuado exploraciones y perforaciones petrolíferas o explotación de minas, se encuentran datos importantes para la ubicación y exploración. 3. Excavación y cargue Los procedimientos de excavación y cargue son los mismos de cualquier movimiento de tierras. Pero se debe tener en cuenta la fuente de material:


3.1 Cantera o recebera: en caso de ser cantera, se requiere de maquinas potentes y de explosivos para un deposito de roca dura.


3.2 Depósitos aluviales: Los materiales están depositados sin mayor compactación y el tamaño de las piedras no es muy grande. Las maquinas no necesitan ser tan potentes y es raro el uso de explosivos.


4. Transporte de la mina a la planta Se debe procurar localizar la planta cerca de la mina, con el fin de disminuir las distancias de acarreo. Como esto generalmente no es posible se suele emplear volquetas. Los caminos de deben construirse por las rutas mas fáciles, cortas y con pendientes poco empinadas. Distancias cortas (120 a 150 máx) (bandas transportadoras)

PROCESAMIENTO DE LOS AGREGADOS

INTRODUCCIÓN

 Consiste en tomar el material extraído de la fuente y hacerlo cumplir por medios artificiales, en base a los requisitos de las especificaciones.  Estos medios artificiales son esencialmente la trituración o reducción de tamaños, el cribado o clasificación por tamaños y lavado para quitar las impurezas cuando sea necesario.

Con el fin de procesar los agregados, se fabrican gran diversidad de equipos para las plantas de agregados como son: 1. Alimentadoras y tolvas para recibir la materia prima original, o en otras etapas de procesamiento. 2. Trituradoras para la reducción de tamaños 3. Bandas transportadoras y elevadores. 4. Cribas, zarandas o tamices para separar los agregados por tamaño. 5. Tolvas para almacenamiento temporal de los agregados.

Equipos en la planta de agregados

Banda transportadora y tolva

Trituradora

Tolvas

Zaranda cribas vibratorias

Trituradoras para la producción de agregados

 Reducción del tamaño de las partículas: Puede ser expresada como la relación entre el tamaño del material alimentado a la trituradora y el tamaño del producto. El tamaño de producto se define generalmente como el material que pasa el 80% de la distribución acumulativa de tamaños. Relaciones de reducción, F/s, para trituradoras (el numero mas pequeño corresponde al cierre mas abierto de la trituradora, y el mas grande al más cerrado)


 Principio de la trituración de las rocas: La trituración se logra mediante las siguientes acciones: desgaste, presión o compresión impacto y corte. 1. El desgaste es la división o reducción producida por fricción. Es muy útil cuando se desea material de finura máxima. 2. Presión o compresión es una acción de exprimido entre dos superficies. No es recomendable para materiales pegajosos. 3. Impacto es el golpe instantáneo y agudo producido por un martillo sobre el material que se rompe en trozos pequeños. Es recomendable cuando el material no es demasiado abrasivo y cuando se desean partículas en forma de cubos. 4. El corte o cizallamiento es una acción de corte o rebanado que forma parte del trabajo que hacen la mayoría de las trituradoras. Puede especificarse para materiales relativamente blandos fácilmente facturables y de desea obtener un mínimo de finos.

Características de diseño de las trituradoras Trituradora de mandíbula:

El movimiento se efectúa en forma de V, por lo que no ha tendencia volquearse, pueden operar con materiales pegajosos.

Características de diseño de las trituradoras Trituradoras giratorias y de cono

• Una desventaja de la trituradora de cono es que cuando el material es pegajoso, la trituradora se puede atascar. Sin embargo se emplean lubricantes. • Ambas producen partículas cubicas.

Trituradoras para la producción de agregados Trituradoras de rodillo:

Es adecuada para triturar material pegajoso. Produce partículas cúbicas sin un exceso de material fino. Pueden ser de dos y tres rodillos.

Trituradoras para la producción de agregados Quebradoras de impacto y molinos de mazos

Se emplean especialmente para material duro o abrasivo en exceso y sobre todo para triturar en una sola Pasada.


Capacidades y selección de trituradoras

 El tamaño de la trituradora y sus cierres, determinan su capacidad.  En el caso de las trituradoras de mandíbula y las giratorias, la potencia también determina su capacidad. Y en las de impacto, las determinan la velocidad de los martillos y el régimen de alimentación.  Generalmente la capacidad de las trituradoras de agregados depende de las características de diseño del equipo, del material y de la forma como se maneja, y de la manera en que se alimente el material a la trituradora.


 Los fabricantes de los equipos proporcionan unas tablas para las capacidades de sus trituradoras, pero estos valores pueden variar en un 25%, por lo que estas tablas solo se utilizan como guía estimar la producción.  La producción de una trituradora se designa en toneladas por hora (TPH). Esto es lo que se conoce como la capacidad de la máquina.  Es fundamental conocer, cuando se están procesando los agregados, la granulometría que se obtiene en cada una de las trituradoras.


Alimentadores y componentes de la planta.  Alimentadores: Se utilizan para manejar el material que entra a la planta. Hay dos tipos:  Alimentadores de mandil: se usan para rocas de canteras. Son de construcción extrafuerte para soportar los impactos de la roca, para amortiguar el golpe se utiliza una tolva grande para recibir el material.


 Alimentadores mecánicos o de placas reciprocantes: se usa para material procedente de bancos de grava. Muchas veces e producto que los alimenta tiene algo de material suficientemente pequeño que no debe triturarse.


Además del alimentador hay otros componentes en la planta como:  Separador: se usa en conjunto con el alimentador, puede ser una parrilla o rejilla estacionaria que se acciona con un movimiento vibratorio. Su función es separar una parte del material entre el alimentador y la trituradora primaria. Esto evita el paso de material muy grande que pudiera tapar la trituradora, y permiten desviar el material de menor tamaño que se ajuste a la trituradora mas pequeña. Es común el uso de enrejado de barras como unidad separadora, igualmente espaciadas, paralelas e inclinadas, guiadas en la dirección de alimentación a la trituradora.


Cribado y cribas En todas las plantas o proceso de producción de agregados, se emplea el cribado para separar, dirigir y controlar el flujo de material en el proceso. Existen dos propósitos principales: 1. Separar, quitar el material mas grande o mas pequeño en la planta de trituración. 2. Hacer una clasificación total, por tamaños, del material que se está produciendo.


 Características de diseño de las cribas: normalmente son en alambres entretejidos, formando una malla con aberturas regulares entre los alambres adyacentes. Hay tres tipos básicos de cribas para el procesamiento de agregados: 1. Cribas vibratorias inclinadas 2. Cribas horizontales mejoradas 3. Cribas giratorias


1. Criba vibratoria inclinada: Tienen un plano inclinado para recibir el material. Se de da vibración en dirección circular en torno a un eje perpendicular al plano de la criba.


2. Criba horizontal mejorada: Es una versión moderna de la antigua criba de sacudimiento mejorando su efectividad, la cual se consigue por el movimiento de mayor velocidad con carrera mas corta.


3. Criba giratoria: Consta de un tambor grande de paredes perforada que tiene forma de un cilindro. El tambor gira lentamente sobre su eje longitudinal inclinado. El material que se introduce por la parte superior del cilindro, se mueve por el interior de éste hasta que pasa por las aberturas de la pared o hacia afuera, en el extremo inferior del cilindro.

Trituradoras para la producción de agregados Diagrama de flujo de un proceso de producción de agregados


Transportadores Se utilizan para mover materiales horizontalmente, sobre planos inclinados, o verticalmente hacia arriba. Pueden ser transportadores de banda, de cangilones o de tornillo.  Transportadores de cangilones: consiste en una serie de cangilones de tamaño y separación uniformes, agarrado a una cadena o banda transportadora para servicio pesado. Es el único equipo que puede mover material verticalmente, o hacia arriba sobre una pendiente muy inclinada.


 Transportador de tornillo: mueve material de consistencia fluida o granular, a través de una parte física en movimiento, que trabaja con un impulsor. La forma de trabajo mas efectiva del transportador de tornillo es horizontal o hacia abajo en pendiente. Tiene dos inconvenientes importantes: puede atascarse cuando el material que mueven forma terrones y hacen un ruido notorio cuando trabajan con cojinetes que no son autolubricados.


 Transportadores de banda: su uso es más común para mover materiales de construcción. Trabajan en posición horizontal y también con cierta inclinación. Puede manejar material granular voluminosos y terrones solidos lo suficientemente pequeños para que quepan y mantengan sobre la banda.

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