Diseño pavimentos asfálticos

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

M.Sc. SILENE MINAYA GONZÁLEZ
Universidad Ricardo Palma, Universidad Alas Peruanas
silenemg yahoo.com

M.Sc. e ING. ABEL ORDÓÑEZ HUAMÁN
Universidad Nacional de Ingeniería
ohabel yahoo.com

SEGUNDA EDICIÓN
LIMA, 2006

Difundido por: ICG - Instituto de la Construcción y Gerencia
www.construccion.org.pe / Email: icg@icg.org.pe / Telefax: 421-7896

DISEÑO MODERNO
de Pavimentos Asfálticos


Dedicatoria
A nuestros hijos Fernando y Gabriela


CAPITULO 1:
INTRODUCCIÓN
1.1 Introducción
En la ingeniería de pavimentos se han incorporado nuevos conceptos como esfuerzos,
deformación, módulo elástico, comportamiento resiliente, etc. que deberá ser conocidos por el
lector. En el presente capítulo se definirán algunos de estos conceptos y los otros serán
explicados en capítulos especiales.
1.2 Estructura del Pavimento Asfáltico
La estructura que se apoya sobre el terreno de fundación o subrasante, y que esta conformado
por capas de materiales de diferentes calidades y espesores, que obedecen a un diseño
estructural, se denomina pavimento. La estructura del pavimento está destinada a soportar las
cargas provenientes del tráfico.
Tradicionalmente, los métodos de diseño de pavimentos, han sido empíricos; es decir, que la
experiencia representaba un papel importante. Se requería que el ingeniero tuviese muchos años
en el área para, de alguna manera, poder interpretar los resultados de las investigaciones de
campo y realizar el diseño.
Los pavimentos asfálticos están conformados por una carpeta asfáltica apoyada generalmente
sobre dos capas no rígidas, la base y sub base. No obstante puede prescindirse de cualquiera de
estas capas dependiendo de las necesidades particulares del proyecto. La distribución típica de
las capas que conforman la estructura del pavimento se grafican en la figura 1.1.
rasante
Base

subrasante

Sub base
Terreno de fundación

Terreno de fundación sin compactar

Figura 1.1: Estructura Típica de Pavimentos Asfálticos

S. MINAYA & A. ORDOÑEZ

Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos

Introducción

La carpeta asfáltica o capa de rodamiento proporciona una superficie uniforme y estable al
tránsito, de textura y color adecuado, que debe resistir los efectos abrasivos provenientes del
tránsito y del medio ambiente. La nueva Guía de Diseño empírico-mecanístico AASHTO 2002
recomienda que el módulo elástico de la carpeta se evalúe con el Módulo Complejo Dinámico,
E*, que será detallado en los siguientes capítulos. Sin embargo, podemos mencionar que la
carpeta es una capa muy rígida con valores altos de módulo. El método de diseño AASHTO 1993
considera como parámetro de diseño de la carpeta asfáltico el módulo resiliente, para mezclas
asfálticas en caliente estos valores varían de 400,000 a 450,000 psi (28,000 a 32,000 kg/cm2) a
20ºC.
La capa de base, generalmente granular, es una capa que se apoya sobre la sub base. La función
de esta capa es transmitir los esfuerzos provenientes del tráfico, a la sub base y subrasante. Los
requisitos de calidad de agregados de base son muy rigurosos. Esta capa está conformada por
grava chancada, compactada al 100% de la máxima densidad seca del ensayo proctor modificado.
El módulo elástico de la base se evalúa con el módulo resiliente, MR. Una base granular con
CBR del 100% tiene aproximadamente un valor MR de 30,000 psi (2,100 kg/cm2).
La sub base, es una capa que según el diseño puede o no colocarse. Se apoya sobre la
subrasante y los requisitos de calidad de los materiales que la conforman son menos rigurosos, la
razón de esto es que los esfuerzos verticales que se transmiten a través de las capas de
pavimentos son mayores en la superficie y van disminuyendo a medida que se profundizan. La
sub base es la capa de material seleccionado, más profunda de la estructura del pavimento, razón
por la que los materiales que la conforman cumplen requisitos menos rigurosos. El módulo elástico
de la sub base se evalúa con el módulo resiliente, MR. Una sub base granular con CBR del 40%
(CBR mínimo para sub bases granulares, según las Especificaciones Técnicas Generales para
Construcción de Carreteras EG-2000, Ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda y
Construcción, Oficina de Control de Calidad) tiene un MR de 17,000 psi (1,200 kg/cm2).
El terreno de fundación puede estar conformado por un terraplén (caso de rellenos) o terreno
natural en el caso de cortes, para ambos casos, la cota geométrica superior se denomina
subrasante. El módulo elástico asociado al terreno de fundación es el módulo resiliente, este
parámetro ha sido ampliamente investigado por las diferentes agencias de transportes de los
Estados Unidos, correlacionándolo con el CBR.
En los siguientes capítulos se detallarán los métodos que permiten determinar adecuadamente
este valor. Pero podemos mencionar, que el CBR de suelos compactados (como es el caso de
terraplenes) y de suelos granulares densos (como el conglomerado de Lima) están asociados al
100% de la máxima densidad seca del proctor modificado; sin embargo, el CBR de subrasantes
arenosas y limo arcillosas no puede asociarse a este valor, porque su densidad de campo está
muy por debajo de la máxima densidad seca y su humedad natural es mayor que el óptimo
contenido de humedad. En este último caso el CBR se obtiene de muestras inalteradas 1 .

A. Ordóñez y S. Minaya, CBR de Subrasantes Arenosas y Limoarcillosas. 11º CILA 2001 Lima; XIII Congreso
Nacional de Ingeniería Civil, Puno 2001; IV Congreso Ecuatoriano de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica,
Guayaquil 2001.

1


2


Introducción

1.3 Comportamiento Elástico
El parámetro que evalúa las deformaciones ante cargas estáticas es el Módulo Elástico E. El
módulo elástico relaciona los esfuerzos aplicados y las deformaciones resultantes. Un ejemplo es
la zapata, el nivel de esfuerzos aplicados al suelo a través de la zapata es mínimo lo que originará
que el suelo se deforme, pero esta deformación no lo llevará a su condición de falla.
La teoría elástica permite determinar el módulo elástico del suelo mediante ensayos de campo y
laboratorio, como en ensayos de compresión edométrica, triaxial, CBR, placa de carga entre otros.
En un ensayo triaxial, a una muestra de suelo se le aplica un confinamiento promedio inicial ( c)
para luego aplicarle el esfuerzo axial q.
La presión transmitida al suelo es permanente y baja, lo que llevará a que la deformación sea
elástica. Gráficamente existente una relación lineal entre la presión transmitida y la deformación, la
pendiente de la recta mostrada es el módulo elástico. Para el caso de cimentaciones el
asentamiento permisible es de 2.5 cm.
q

q

Carga estática
permanente

c

E

Terreno de fundación

Ensayo de
laboratorio

a
e

Donde:
c

q
e
a

Esfuerzo de confinamiento
Presión axial
Deformación elástica
Deformación axial
Figura 1.2: Comportamiento elástico

Es posible extender la teoría elástica a los ensayos de C.B.R. utilizando los resultados de la
prueba de carga asociados a asentamientos característico de 0.1 pulgada. Para ello, se deberá
utilizar la solución que ofrece la teoría elástica para el cálculo de asentamiento que ocurre cuando
se tiene una superficie circular rígida cargada sobre un medio semi-infinito (Poulos y Davis, 1974).
= /2 (1- 2) pr/E

3


Introducción

donde:
: Asentamiento
: Relación de Poisson
: Presión aplicada
: Radio del área cargada
: Módulo elástico

p
r
E

Considerando un asentamiento característico de 0.1 pulgada; un valor de =0.40; radio
equivalente a un área circular cargada de 3 pulg2 y la presión aplicada en función del valor CBR,
se obtienen las siguientes relaciones 2 :
E = 139.7CBR

; E en libra/pulg2

E = 9.83CBR

; E en kg/cm2

Entonces, es posible obtener valores de módulos elásticos, E a partir del valor CBR asumiendo
un comportamiento del medio como elástico, uniforme e isotrópico.
1.4 Comportamiento Elasto-Plástico
En pavimentos la carga transmitida es móvil, es decir, el suelo experimenta ciclos de carga y
descarga. Para un mejor entendimiento se analizará el caso de un ciclo (1 carga y 1 descarga).
Cuando el vehículo se aproxima al punto de análisis A, el terreno de fundación se empieza a
deformar, esta deformación se hace máxima cuando el vehículo se encuentra exactamente sobre
el punto A, en ese momento conocemos la deformación total. Sin embargo, cuando el vehículo se
aleja el suelo trata de recuperar su posición inicial pero no lo consigue. La deformación no
recuperable se denomina deformación plástica y la deformación recuperable es la deformación
elástica. El suelo ha experimentado plastificación.
Veloc.
Carga móvil, q
Pavimento

A

tiempo

Terreno de
fundación
2

A. Ordóñez y S. Minaya, CBR de Subrasantes Arenosas y Limoarcillosas, 2001.

4


Introducción

q
q

etotal ??

v

ep

ee

ep : deformación plástica, permanente,
no recuperable
ee : deformación elástica, temporal,
recuperable

Figura 1.3: Comportamiento elasto-plástico, un ciclo carga-descarga
El terreno de fundación soporta muchos ciclos de carga-descarga, las deformaciones plásticas se
van acumulando y las deformaciones elásticas se van haciendo constantes. Cuando el suelo no
acumula más deformaciones plásticas ya se consolidó para ese nivel de cargas. La pendiente de
la recta al final de esta etapa se denomina módulo resiliente, Mr. El módulo resiliente representa el
comportamiento elástico final del suelo.
q

Mr

q
Carga móvil, q

q
ee

Mr
tiempo

e

ep

ee

MR : Módulo Resiliente representa el comportamiento elástico final, residual

ep : Las deformaciones plásticas son acumulables e influyen en el
comportamiento del pavimento

Figura 1.4: Comportamiento elasto-plástico, varios ciclos carga-descarga
El módulo resiliente ha sido correlacionado con el valor de la capacidad de soporte del suelo CBR,
y ha sido usado como parámetro de diseño pero no se ha percibido que éste representa una
condición particular del suelo.

5


Introducción

El reciente método de diseño de pavimentos (AASHTO 2002) considera que ninguna de las capas
que componen la estructura del pavimento debe tener deformaciones plásticas, sobre todo en la
capa más débil. El terreno de fundación aporta en gran medida en las deformaciones de la
estructura que no deben exceder de 1mm. se recomienda que todos los suelos con CBR menor de
8 a 10% deben ser estabilizados.
La última versión del catálogo Francés, 1998, clasifica los suelos del terreno de fundación en 4
tipos denominados PF1 (cuya capacidad de soporte es baja) a PF4 (elevada capacidad de
soporte, generalmente tratada). El catálogo de 1998, no considera la construcción de estructuras
sobre suelos del tipo PF1, por considerarlos de calidad insuficiente para garantizar la durabilidad
de la estructura.
Los suelos clasificados como PF1 son aquellos con CBR menor que 7% y los suelos PF4 son los
que tienen CBR mayor que 30 a 40%. Suelos intermedios son el PF2 cuyo CBR está entre 7 y
20%; y los suelos PF3 con CBR entre 20 y 30 a 40%.
La construcción de las capas compactadas se controlan con la Viga Benkelman. Las deflexiones
máximas, recomendadas por el catálogo Francés de 1998 están en función del módulo del ensayo
de placa cíclico y tipo de terreno de fundación, como se muestra en la tabla 1.1. Para suelos
arcillosos tratados con cal las deflexiones máximas se muestran en la tabla 1.2.
Tabla 1.1: Requisito de deformabilidad en el momento de la construcción de la obra, para
capas de refuerzo o fundación no tratada (Catálogo Francés de 1998)
Clasificación del suelo Módulo de deformabilidad Deflexión máxima en mm,
en MPa (ensayo de placa)
viga Benkelman
PF2
50
2.0
PF3
120
0.9
PF4
200
0.5

Tabla 1.2: Requisito de deformabilidad en el momento de la construcción de la obra, para
suelos arcillosos tratados con cal (Catálogo Francés de 1998)

Clasificación del suelo
PF2
PF3
PF4

Deflexión máxima en mm,
viga Benkelman
Tratamiento sólo con
Tratamiento con cal y
cal
cemento
1.20
0.80
0.80
0.60
-.0.50


6


Introducción

1.5 Ensayo del módulo resiliente para suelos
El ensayo del módulo resiliente es similar a un ensayo triaxial, se aplica un esfuerzo desviador
cíclico a la muestra previamente confinada. El esfuerzo desviador está en función de la velocidad,
carga y confinamiento.
La norma AASHTO T274 que estandariza el ensayo del módulo resiliente, en su última revisión de
1999, considera que el especimen puede alcanzar una deformación máxima de 5%. Si la muestra
tiene valores mayores de deformación, el módulo resiliente ya no es representativo.
El esfuerzo desviador está en función de la velocidad directriz de la vía. Si el vehículo se desplaza
lentamente, como en zonas agrestes de fuerte pendiente (carretera central, velocidad entre 10 a
20 km/h), el terreno de fundación podrá deformarse mucho más que en el caso el vehículo
circulase rápidamente.

Figura 1.5: Celda triaxial cíclico ensayo de resiliencia.


7


Introducción

Cuando la carga aplicada es lenta, el módulo resiliente, Mr, se acerca al módulo elástico, E. El
ensayo de módulo resiliente se realiza para las condiciones a las que estará sometida la vía.
q
v <> 80 KPH

Mr

v=0

Mr <> 10 E

E

deformación

1.6 Proyectos de Investigación
En el año 1987 en los EE.UU. se destinó 150 millones de dólares para un proyecto de
investigación que agrupó especialistas de diferentes áreas, denominado SUPERPAVE, Superior
Performance Pavement. Este proyecto pretendía reemplazar las metodologías empíricas,
utilizadas hasta entonces, con metodologías mecanísticas; es decir, aquella que utiliza los
conceptos de la mecánica estructural.
El proyecto abarcó la evaluación de los agregados y ligantes asfálticos. La fortaleza de este
método radica en la apropiada evaluación mecánica del ligante asfáltico. Con este método el
ligante asfáltico se evalúa a las temperaturas críticas o extremas de servicio y deja de evaluarse
con pruebas empíricas, como el de penetración.
Por otro lado, una gran parte de la red nacional se ubica por encima de los 3,000 m.s.n.m. y los
pavimentos ubicados en estas zonas al sufrir el efecto de las bajas temperaturas se agrietan de
manera prematura. El Stone Mastic Asphalt, SMA, de origen alemán de los años 60 ha permitido
dar solución a los problemas de tránsitos pesados y climas fríos, de las carreteras en Europa y
últimamente en los EE.UU. y Canadá.
El concepto de diseño SMA se basa en una estructura granular donde predomina el contacto
piedra-piedra el mismo que le provee de alta resistencia cortante, baja deformación permanente o
“rutting” y considera un buen porcentaje de ligante que le da una excelente durabilidad. Las
características del comportamiento mecánico de la mezcla asfáltica se alcanzan utilizando una
granulometría incompleta (”gap-graded aggregate”) combinada con fibra y/o polímeros
modificados y un mayor contenido de ligante. El comportamiento del SMA es actualmente
calificado en los EE.UU. y Canadá como de excelente bajo tráfico pesado e intenso y climas fríos,
bajo costo de mantenimiento y una duración que alcanza los 30 años de vida de servicio.
Recientemente, las metodologías mecanísticas se han extendido en su aplicación, al diseño
estructural del pavimento, incorporando los conceptos de la teoría elástica. El método de diseño
AASHTO 2002 permite evaluar la estructura de pavimento en función de los esfuerzos


8


Introducción

transmitidos, las deflexiones generadas y el aporte estructural de cada capa que compone la
estructura.
1.7 Esfuerzos más Importantes producidos en la Estructura del Pavimento Asfáltico
La estructura típica del pavimento en nuestro medio está formada por carpeta asfáltica y capas de
material seleccionado colocadas sobre subrasante compactada y subrasante natural, el objetivo
es distribuir las cargas provenientes del tránsito, de manera que las presiones verticales a nivel
de fundación sean menores a las admisibles por la estructura del pavimento.
La llanta no sólo genera esfuerzos verticales sino también esfuerzos horizontales. En una
estructura típica de pavimento (carpeta asfáltica, base y sub base granular) los esfuerzos
horizontales se disipan a través de la carpeta asfáltica, pasando de un valor positivo en la
superficie a uno negativo en su fibra inferior. Los esfuerzos así generados producen fisuras que
luego se reflejarán en la superficie. La figura 1.6 muestra la distribución de esfuerzos horizontales
( H) y verticales ( V) de pavimentos típicos.
Dos de las principales fallas que se producen en el pavimento están asociadas a las
deformaciones excesivas a nivel de la sub-rasante, reflejando el comportamiento del terreno de
fundación y la deformación por tracción, asociado al agrietamiento.

(+)

Carpeta
Base
granular

-

( )

v
H

Sub base
granular

Suelo
compactado
Fundación

Figura 1.6: Esquema de la Distribución de Esfuerzos en Pavimentos Típicos
El esquema de distribución de esfuerzos en una estructura de pavimentos con base y/o sub base
estabilizada se muestra en la figura 1.7. La carpeta asfáltica está sometida solamente a esfuerzos
de compresión, mientras los esfuerzos de tracción son absorbidos por la base estabilizada.

9


Introducción

(+)

Carpeta
H

-

( )

Base
v Estabilizada

Sub
base

Figura 1.7: Distribución
de Esfuerzos en
Pavimentos
con Base y/o Sub Base
Estabilizada.

Fundación

Desde este punto de vista el ensayo de tracción indirecta y el respectivo parámetro como es el
módulo de resiliencia no representa el comportamiento mecánico de la carpeta asfáltica, así, un
ensayo de compresión confinada cíclica será representativo del comportamiento mecánico.
Witczak y otros, de la Universidad de Arizona, proponen evaluar el Módulo Dinámico Complejo,
obtenido de ensayos de compresión triaxial cíclico. La Guía de Diseño de Pavimentos AASHTO
2002 recomienda el uso de este parámetro. El módulo dinámico, E* también ha surgido como el
principal candidato para el Simple Performance Test – Superpave, que predice las deformaciones
permanentes y agrietamientos fatiga en pavimentos asfálticos 64 .


10

CAPITULO 2:
SUELO DE FUNDACIÓN
2.1 Método de Exploración de Campo del Terreno de Fundación
En la ejecución de cualquier proyecto u obra de ingeniería civil es necesario realizar la
exploración del lugar, como parte de un programa de investigaciones geotécnicas, el mismo
que involucra aspectos de geología y mecánica de suelos. Del tamaño y tipo del proyecto,
dependerán las consideraciones del programa de exploración.
Las etapas de la exploración de campo son:
1. Trabajo Preliminares de Gabinete: Es la recopilación de la información del lugar como
mapas, fotografías, estudios anteriores, etc.
2. Exploración detallada del sitio y muestreo: Levantamiento estratigráfico y mineralogía
de los estratos rocosos y condiciones del subsuelo, mediante la ejecución de pozos de
prueba denominados “calicatas” se identifican los estratos que conforman la subrasante
y se mide la densidad natural del estrato más desfavorable. Se debe identificar las
condiciones de agua subterránea y toma de muestra para exámenes más detallados y
ensayos de laboratorio.
3. Pruebas de laboratorio con las muestras: Ensayos con muestras alteradas y no
alteradas representativas de la estratigrafía. Ensayos estándar con fines de
caracterización física de suelos y clasificación, así como ensayos especiales para
determinar su capacidad de soporte.
4. Ensayos in situ: Ensayos llevados a cabo en el propio lugar, ya sea antes o durante el
proceso de construcción; controles de compactación de campo, ensayos de penetración
ligera con DPL, etc.
5. Reporte de resultados: Detalles de estudio geológico, perfiles estratigráfico y mapeado
de los resultados de penetración ligera, resultados de las pruebas de laboratorio,
incluyendo los registro de excavaciones, referencias de muestras e interpretaciones
estratigráficas.
2.2 Alcance de la Exploración del Sitio
La información generada por la exploración del lugar está relacionada con los depósitos
superficiales de rocas y suelos. El objetivo consiste en obtener un modelo tridimensional del
lugar, que se extienda tanto lateral como verticalmente, para incluir todos los estratos que
puedan llegar a afectarse por las cargas transmitidas al subsuelo, producidas por la
construcción de la vía. Los esfuerzos significativos transmitidos por las cargas del tránsito
alcanzan hasta 1.5 m de profundidad.



Suelo de Fundación

Los ensayos de penetración y calicatas deben efectuarse cada 500 m en caso de carreteras y
cada 100 m cuando la vía es urbana 1 . En condiciones uniformes y homogéneas, las calicatas
se pueden espaciar a varios kilómetros. En condiciones de variaciones laterales o verticales la
separación se reduce, con el objetivo de identificar la zona en la que cambian las condiciones
de sitio.
La profundidad de exploración está relacionada con la transmisión de los esfuerzos, el alcance
máximo de una calicata o ensayo de penetración ligera es hasta 1.50 m con respecto al nivel
de subrasante.
2.3 Excavaciones a Cielo Abierto (calicatas) y Uso de Posteadoras Manuales
Las calicatas (foto 2.1) son realizadas en la mayoría de los suelos, la presencia del nivel
freático puede ser una de las limitaciones de este tipo de exploración. Tienen la ventaja de que
se pueden realizar a mano o con una excavadora mecánica, y de exponer la sucesión de
estratos para facilitar su inspección visual. No existen desventajas para este tipo de
exploración.
La ejecución de las calicatas requiere un conocimiento de los suelos encontrados, la
identificación visual es muy importante durante esta etapa. Las muestras pueden tomarse
manualmente del fondo y de las paredes laterales de la calicata.
Las calicatas permiten extraer muestras inalteradas que serán remoldeadas en el laboratorio,
también permite obtener muestras inalteradas que serán protegidas para que no pierdan
humedad natural y se pueden realizar ensayos de densidad in situ.
El barrenador manual (foto 2.2), posteadoras del tipo Iwan Auger es una herramienta manual
muy simple que se usa para perforaciones o sondajes en suelos blandos hasta una profundidad
de 5 a 6 m. La forma usual es un barrenador para arcilla semicilíndrica de 10 cm. de diámetro,
unido por medio de una serie de varillas de extensión de 1m a un mango en forma de cruceta
que se hace girar manualmente desde la superficie. Las cucharas acopladas en el extremo
para extraer muestras tienen diseño especial cuando se trate de suelos puramente cohesivos
(arcillas) o friccionantes (arenas). Las posteadoras constituyen un método muy sencillo,
económico y rápido de realizar perforaciones en suelos que no contengan presencia de gravas.
2.4 Ensayo de Penetración Ligera con Cono, DPL
Se utiliza el Cono Ligero Alemán (foto 2.3) de acuerdo a la Norma DIN 4094 incorporado en la
Norma Técnica E0.50 de Suelos y Cimentaciones. Dado que el Cono Alemán transmite la
misma cantidad de energía específica que el Ensayo de Penetración Standard S.P.T. - ASTM D
1586, según la Norma DIN, no es necesario utilizar correlaciones para la interpretación de los
resultados, ya que el valor numérico de NSPT es similar al valor NDPL.
1

Especificaciones Técnicas del Ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construcción.

13


Suelo de Fundación

Foto 2.1: Calicata

Foto 2.2: Posteadora manual
Iwan Auger

El equipo de cono ligero consiste de un cono de punta cónica de 90 y 2,2 cm. de diámetro. El
martillo pesa 10 kg. y la altura de caída es de 50 cm. El valor NDPL corresponde al número de
golpes para conseguir 10 cm. de penetración. El ensayo es continuo y se registran valores
cada 10 cm. de profundidad. Fundamentalmente, el ensayo de penetración ligera es un ensayo
de resistencia.
Los problemas asociados a pavimentos son de deformabilidad, el suelo estará muy por debajo
de los niveles de falla. Aunque el ensayo de penetración ligera es un ensayo de resistencia, se
recomienda usarlo para exploraciones con fines de pavimentación, porque permite identificar,
mediante la variación del valor NDPL, los espesores y densidad relativa de los estratos que
conforman la subrasante.

14


Suelo de Fundación

La principal limitación del ensayo es la presencia de gravas en el subsuelo que altera los
resultados o en el peor de los casos impide el ensayo.

Foto 2.3: Ensayos de penetración
ligera con cono

A continuación relaciones empíricas entre el ángulo de fricción , densidad relativa y peso
unitario de suelos granulares normalmente consolidados

Relaciones Empíricas de , Dr, y Peso Unitario de los Suelos Granulares Normalmente
Consolidados basados en Ensayos SPT para Profundidades menores de 6m.
Descripcion
Densidad Relativa, Dr
SPT N70
Fino
0.075-0.425 mm
Medio 0.425-2.000 mm
Grueso 2.000-4.750 mm
:
Fino
Medio
Grueso
3
d (gr/cm )

0

Medio
Muy Suelto Suelto
0.15
0.35
0.65
1-2
2-3
3-6

3-6
4-7
5-9

7-15
8-20
10-25

26-28
27-28
28-30
1.2-1.4

28-30
30-32
30-34
1.4-1.6

30-34
32-36
33-40
1.6-1.8


15


Suelo de Fundación

La resistencia a la penetración del ensayo de DPL puede ser correlacionado con el módulo
elástico del suelo. Ordóñez y Jurado 2000.
Arenas Secas (*)

E = 75+2.5N (**)
E = 50+1.7N

Arenas Humedecidas

E = 55+1.7N
E = 25+0.85N

(*) Arenas de El Silencio, punta Hermosa.
(**)N es el número de golpes/10 cm de penetración, E en kg/cm2.
2.5 Muestreo de Suelos, obtención de Muestras Inalteradas y Alteradas
Existen dos categorías principales de muestras de suelos:
2.5.1 Muestras Inalteradas
Se preserva, en la medida de lo posible, la estructura y el contenido de humedad para que
representen las condiciones de campo, las muestras inalteradas son necesarios para ensayos
de CBR en suelos finos como por ejemplo las arcillas, arenas limosas o arcillosas.
Las muestras inalteradas se extraen con los moldes de CBR y un accesorio de este, que
permite cortar el suelo. Se protege y traslada al laboratorio para su inmediato ensayo, el CBR
así calculado, estará asociado a la densidad y humedad natural. Foto 2.4.

Foto 2.4: Molde de CBR y accesorio


16


Suelo de Fundación

Si el suelo está conformado por arenas y es difícil conseguir una muestra inalterada, se
recomienda medir la densidad de campo y tomar una muestra para humedad, de manera que
en el laboratorio se remolde los especimenes.
2.5.2 Muestras Alteradas
Las muestras alteradas se usan para la identificación del suelo y para pruebas de clasificación
y calidad a medida que se recolectan, las muestras se introducen en recipientes de vidrio o
plásticos y se sellan, también se pueden usar latas o bolsas de plásticos.
Se debe tomar una porción de 100 kg. aproximadamente para realizar los ensayos de proctor
modificado y CBR en muestras remoldeadas al óptimo contenido de humedad, para determinar
el CBR de diseño para subrasantes granulares, materiales de sub base y base granulares.
2.6 Identificación Visual y Manual de Muestras de Suelo ASTM D 2488
Pruebas de Campo para Clasificación
La identificación visual, es el reconocimiento preliminar del suelo sin necesidad de empleo de
equipos o ensayos de laboratorio. Mas tarde, los ensayos de laboratorio confirmarán y
permitirán precisar la información obtenida del terreno. En el anexo E se detalla los
procedimiento visuales y manuales, en esta sección solo se presenta un breve resumen.
Esta identificación es una etapa inicial para el estudio de Mecánica de Suelos, que permite
tomar decisiones y ajustar el programa de investigación. Los términos básicos para designar a
los tipos de suelos son: grava, arena, limo y arcilla; sin embargo, en la naturaleza los suelos
son una mezcla de dos o más de éstos y a veces contienen una cantidad de materia orgánica.
Sin embargo, es posible identificar el componente predominante y asignarles el término básico.
Por ejemplo, una arena limosa tiene las propiedades de una arena, con una cantidad
importante de limo; un limo orgánico está compuesto prioritariamente por limo, pero contiene
una cantidad significativa de materia orgánica.
Se conoce como suelos granulares a las arenas y a las gravas, y como suelos finos a las
arcillas y limos. Esta distinción se basa en la visibilidad de las partículas individuales. En
laboratorio, los suelos finos y gruesos se separan con la malla Nº200.
2.6.1 Identificación y Descripción de Suelos Finos
En comparación a los suelos finos, los suelos granulares son más fáciles de identificar. La
angularidad, forma, color, olor, humedad, consistencia, cementación, estructura, tamaño
máximo de partículas y dureza, son las principales características de este tipo de suelos. Los
suelos finos para su identificación necesitan de algunos ensayos de campo, para poder
diferenciar las arcillas de los limos o de las arenas finas.

17


Suelo de Fundación

A) Reacción a la Agitación o Dilatancia
Una muestra de suelo se amasa formando una bolita, la que debe contener una humedad tal
que el agua casi aparezca en la superficie. La muestra preparada se coloca en la palma de la
mano y se sacude horizontalmente golpeándola en forma reiterada y fuerte contra la otra mano.

Foto 2.5: Prueba
de Dilatancia

El suelo tiene reacción rápida al sacudimiento cuando la pasta cambia de forma y evidencia
una superficie brillante (debido a la expulsión de agua). Cuando el suelo tiene reacción rápida
al sacudimiento con unos pocos golpes, se puede asegurar que se trata de un limo. Si la
reacción del suelo es muy lenta o no hay reacción, se puede concluir que se trata de una
arcilla. Para el caso de arenas limpias muy finas la reacción es muy rápida.
Reacciones intermedias dejan una interrogante para identificar el suelo y por ello es necesario
recurrir a un ensayo de amasado para despejar la interrogante. Sin embargo, en el caso en
que el tipo de suelo fino se pueda definir sólo con el ensayo de dilatancia, es siempre
conveniente continuar con el ensayo de amasado que se enuncia a continuación.
B) Ensayo de amasado o de tenacidad
El ensayo de amasado complementa el ensayo de dilatancia. Una pasta de suelo se amasa
hasta alcanzar la consistencia de la masilla, luego se forma un bastón de aprox. 3 mm. Este
proceso se repite hasta que el contenido de humedad se reduce y la muestra adquiere una
consistencia dura. El bastón se rompe en varias partes al ser amasado (foto 2.6).

Foto 2.6: Prueba de tenacidad

18


Suelo de Fundación

Cuanto más tenaz es el rollito y cuanto mas duros son los trozos al desmoronarse, mas
importante es la fracción arcillosa del suelo.
Durante el ensayo se deben observar:
1. Resistencia del suelo al amasado, cuando está cerca de las condiciones de ruptura
descritas: una arcilla opone mucha resistencia y un limo opone una baja resistencia.
2. Plasticidad el suelo se comporta plásticamente durante el amasado, pero deja de
hacerlo una vez que alcanza la humedad que tiene el bastón al romperse.
3. Brillo cuando se alcanza la rotura del bastón de suelo, se puede unir sus partes al
oprimirlas entre sí fuertemente con los dedos, se frota con la uña y se observa si la
superficie frotada brilla. Las arcillas presentan una superficie brillante que va en
aumento según el crecimiento de la plasticidad, es decir, es más brillante si la arcilla es
más plástica.
C) Resistencia en Estado Seco (a la disgregación)
Una muestra de suelo se deja secar expuesta al sol y aire, se mide su resistencia rompiéndola
y desmoronándola entre los dedos. La resistencia (en estado seco) aumenta con la plasticidad
(presencia de arcilla). Un limo inorgánico posee una resistencia muy ligera. Las arenas finas
limosas y los limos tienen baja resistencia. Una arcilla será muy resistente en estado seco, a
mayor porcentaje de arcilla en la muestra, mayor será su resistencia.
En la tabla 2.1 se resumen los ensayos de campo, con resultados visuales y el tipo de suelo al
que está relacionado ese comportamiento.

Foto 2.7: Resistencia en estado seco


19


Suelo de Fundación

Tabla 2.1: Identificación de Suelos con Pruebas Manuales
Suelo Típico

Resistencia en
Estado Seco

Dilatancia

Tenacidad

Tiempo de sedimentación
en prueba de dispersión

Limo arenoso

ninguna a muy baja

Rápida

De débil a baja De 30 a 60 min

Limo

muy baja a baja

Rápida

De débil a baja De 15 a 60 min

Limo arcilloso

baja a media

De rápida a lenta

Media

De 15 min. a varias horas

Arcilla arenosa

baja a alta

De lenta a ninguna Media

De 30 seg. a varias horas

Arcilla limosa

Media a alta

De lenta a ninguna Media

De 15 min. a varias horas

Arcilla

Alta a muy alta

Ninguna

Alta

De varias horas a días

Limo orgánico

baja a media

Lenta

De débil a baja De 15 min. a varias horas

Ninguna

Alta

Arcilla orgánica Media a muy alta

De varias horas a días

2.6.2 Identificación y Descripción de Suelos Granulares
En campo se considera un tamaño de 5 mm. para separar gravas de arenas. Las gravas
pueden separarse en:
Gravas gruesas
Entre 75 mm. y 19 mm
Gravas finas
Entre 19 mm y 5 mm
En laboratorio las arenas pueden separarse en arenas gruesas, medias y finas, según su
tamaño.
Arenas gruesas.
Arenas medias.
Arenas finas.

Entre la malla Nº 4 (4,76 mm.) y la malla Nº 10 (2 mm.).
Entre la malla Nº 10 y la malla Nº 40 (0,425 mm.).
Entre la malla Nº 40 y la malla Nº 200 (0,075 mm.).

En la descripción de un suelo granular se deben incluir ciertas características particulares de
importancia, las cuales van a influir en su comportamiento.
1. Suelo predominante (grava arenosa, arena con grava, etc.).
2. Porcentaje estimado de bolones de preferencia en el pozo de reconocimiento y no en la
muestra obtenida.
3. Tamaño máximo de las gravas o bolones en pulgadas.
4. Tamaño de los granos dominantes (para los suelos pobremente graduados, es decir,
que no tienen una buena distribución de tamaños, se debe indicar si las arenas son
gruesas, medias o finas, al igual que las gravas si son gruesas o finas).
5. Porcentaje de finos.

20


Suelo de Fundación

6. Estado de las partículas (si el material constituyente de los granos no es sano y esta en
estado de alteración, las partículas pueden romperse entre las manos).
Además de estos datos se debe indicar:
A) Angularidad
Describir la angularidad de la arena (solamente de la fracción gruesa), grava, cantos rodados y
boleos como angular, subangular, subredondeada y redondeada.
B) Forma
Si las partículas tienen forma chata, alargada o chata y alargada. Esta característica es muy
importante porque el porcentaje de participación de estas partículas está limitado según
especificaciones. Las partículas chatas y alargadas pueden romperse durante la aplicación de
las cargas y modificar la granulometría del medio.
C) Otros
Otras características importantes son el color, cementación, dureza y rango de partículas.
2.7 Ensayos de Laboratorio
Las muestras representativas se remiten al laboratorio para su respectivo ensayo. Los ensayos
que generalmente se solicitan para caracterizar el suelo con fines de pavimentación son:
2.7.1 Ensayos para Clasificación de Suelos
A las muestras representativas de los estratos que conforman la subrasante (hasta una
profundidad de 1.50 m), se les realiza el análisis granulométrico por tamizado y límites de
consistencia. Estos resultados deben corroborar la identificación visual realizada en
campo.
Los resultados del análisis granulométrico y los límites de consistencia se reportan
gráficamente, como se muestra en la figura 2.1.


21


Suelo de Fundación

Figura 2.1: Análisis granulométrico por tamizado.

2.7.2 Contenido de Humedad
Para determinar el contenido de humedad de una muestra de suelo. Se obtiene
aproximadamente 200 gr. de muestra que se protegen en un recipiente o una bolsa
cerrada. Esta muestra se traslada al laboratorio y se pesa. Se lleva al horno por 24 horas,
y luego de este período se vuelve a pesar.
El contenido de humedad se reporta en porcentaje como:

(%)

Peso suelo humedo Peso suelo seco
Peso suelo seco

2.7.3 Ensayo de Densidad Natural
El ensayo de densidad natural, permite conocer la condición natural del terreno de fundación.
En suelos granulares será importante si el terreno está compacto o suelto. En terrenos de
fundación conformados por subrasantes arenosas y limo arcillosas, este valor permitirá
remoldear muestras en el laboratorio a la densidad de campo. Las muestras así remoldeadas,
serán ensayadas en la prensa de CBR para determinar el CBR de diseño.


22


Suelo de Fundación

Otra aplicación de este ensayo es en los controles de compactación de campo para el caso
de la conformación de terraplenes, capas de afirmado, base y sub base. Conociendo la
máxima densidad seca y el óptimo contenido de humedad del suelo a compactar, se puede
verificar el porcentaje de compactación con este ensayo.
En el mercado hay una diversidad de equipos que permiten medir la densidad natural del
suelo y contenido de humedad. Entre ellos se encuentra el método del Cono y la Arena,
densímetro nuclear, etc.

Ensayo de Densidad
Natural mediante el Cono
de Arena

Ensayo de Densidad Natural
con Densímetro Nuclear
ASTM D 2922


23


Suelo de Fundación

2.7.4 Contenido de Sales Solubles (Carbonatos, Cloruros y Sulfatos, etc)
En casos especiales, dependiendo de los condicionantes geológicos de sitio, es importante
determinar el contenido de sales solubles que pueden influir en el comportamiento
mecánico o impactar en las obras de concreto como son los cloruros y sulfatos. En zonas
áridas próximas a la línea de costa es probable encontrar presencia significativa de sales
solubles, ya que el mar es una fuente generadora de sales. Existe una regla en el sentido
que áreas ubicadas a menos de 5 km. del mar presenta contenido de sales.
2.7.5 Ensayo Proctor Modificado, ASTM D 1557
La compactación de suelos constituye un capítulo importantísimo y se halla íntimamente
relacionada con la pavimentación de carreteras, vías urbanas y pistas de aterrizaje. El ensayo
de compactación mediante el ensayo de proctor modificado, relaciona la humedad del suelo
versus su densidad seca, empleando un martillo de 4.54 kg (10 lb) soltado desde una altura
de 457 mm (18 pulg), trasmitiendo una energía de compactación de 56,000 lb-pie/pie3 ó 2,700
kN-m/m3.
El suelo extraído de campo es compactado en un molde de dimensiones conocidas, con
diferentes contenidos de humedad. Para contenidos bajos de humedad el suelo no se
compactará adecuadamente, porque no existe la lubricación que permita el acomodo de las
partículas. Para altos contenidos de humedad el suelo pierde densidad, porque el agua entre
las partículas impide que estas se junten. Solo se tendrá una máxima densidad seca, MDS.
La humedad a la que la muestra alcanza su máxima densidad seca, se denomina óptimo
contenido de humedad. Los resultados de este ensayo son graficados como se muestra en la
figura 2.2.
Los resultados de la figura 2.2 indican que el suelo ensayado alcanza su máxima densidad
seca, MDS, a 2.176 gr/cm3 y el contenido de agua asociado a esta densidad, OCH, es
7.88%.
En suelos granulares densos, la densidad de campo es muy cercana a la MDS del proctor
modificado; sin embargo, en suelos finos como las arenas y arcillas limosas, la densidad
de campo, generalmente, es mucho menor que la MDS.
La Humedad Natural de Suelos Arenosos y Limo-Arcillosos muchas veces alcanzan
valores muy por encima del O.C.H. y la Densidad Natural presenta valores mucho menores
al Ensayo Proctor Modificado. En Conclusión, el terreno de fundación no alcanzará y/o
estará lejos de la Densidad Equivalente al 95% ó 100% de la MDS, criterio que se asume
como regla general. Figura 2.3.


24


Suelo de Fundación

Curva de Compactación

Peso Específico Seco (gr/cc)

2.19
2.18
2.17
2.16
2.15
2.14
2.13
2.12
2.11
2.10
5

6

7

8

9

10

11

Contenido de Hum edad (%)

Figura 2.2: Curva de compactación del proctor modificado
Si el lector desea tener mayor información sobre el proyecto de investigación realizado por
los autores durante el año 2000, titulado “C.B.R. DE SUBRASANTES ARENOSAS Y
LIMO-ARCILLOSAS” podrá remitirse al Anexo A de este libro.
2.05
Proctor Modificado

3

Densidad Seca (gr/cm )

1.971

1.85
Condición Natural
(20.1,1.62)

1.65
11.7

1.45
4

8

12

Humedad (%)

16

20

24

Figura 2.3: Curva Densidad Seca –Humedad. Av. La Paz
Cdra. 10 San Miguel - Lima

25


Suelo de Fundación

2.7.6 California Bearing Ratio (C.B.R.)
Los métodos de diseño de pavimentos relacionan el valor de la capacidad de soporte del
suelo o CBR con el módulo resiliente del material. El módulo resiliente es el parámetro que
se utiliza en el diseño del pavimento.
El módulo resiliente se obtiene de ensayos triaxiales mediante ciclos de carga y descarga;
sin embargo, AASHTO 2002 presenta una ecuación que permite correlacionar el valor del
módulo resiliente con el del CBR. De aquí la importancia de evaluar adecuadamente el
CBR del material.
El ensayo de “California Bearing Ratio” o CBR, es un ensayo relativamente simple,
comúnmente usado para obtener un índice de la resistencia del suelo de subrasante,
material de base, sub base o afirmado.
Para materiales de base, sub base y afirmado, así como subrasantes granulares, el CBR
puede estar asociado a la máxima densidad seca del próctor modificado; sin embargo,
para subrasantes finas (subrasantes arenosas, arcillosas o limosas) el valor del CBR debe
estar asociado a su densidad de campo. Investigaciones han demostrado que el CBR de
suelos finos en muestras compactadas al OCH y MDS, arrojan valores de CBR muy por
encima de su valor real. Tranquilamente una arcilla compactada al OCH y MDS puede
tener un CBR de 15%, pero ensayada en su condición natural el CBR puede ser menor a 2
ó 3%.
El comportamiento de la subrasante es función de la humedad y densidad, asociado a las
condiciones ambientales del sitio. En suelos de baja capacidad de soporte donde los
valores de humedad alcanzan la condición saturada y los valores de densidad de campo
están muy por debajo de la densidad de compactación, los valores de los módulos
elásticos realmente son muy bajos. Se proponen tres métodos para determinar el valor de
CBR:
CBR in situ, mide directamente la deformación ante una carga aplicada,
CBR en muestras inalteradas, es un método recomendado para subrasantes de
suelos finos. Consiste en obtener una muestra inalterada de campo, que será protegida
para que no pierda su humedad natural (si no fuese posible obtener una muestra
inalterada de campo, se puede preparar especimenes en laboratorio a la humedad y
densidad natural). En el laboratorio se realiza el ensayo de penetración en su condición
natural y saturada, siguiendo el mismo procedimiento que en muestras remoldeadas.
CBR en muestras remoldeadas, método recomendado para subrasantes granulares,
materiales de base, sub base y afirmado.

26


Suelo de Fundación

Los especimenes pueden ensayarse en su condición natural o saturada, luego de un
período de inmersión en agua, la condición saturada es la más desfavorable.
El CBR es la relación (expresada en porcentaje) entre la resistencia a la penetración
requerida para que un pistón de 3 pulg2 de área penetre 0.1 pulg dentro de un suelo entre
1000 psi que es la resistencia a la penetración de una muestra patrón. La muestra patrón
es una piedra chancada. El CBR se expresa como:

CBR

Resistencia a la penetracion (psi) requerida para penetrar 0.1 pulg
1,000 lb / pu lg 2

100

En ocasiones, el CBR calculado para una penetración de 0.2 pulg. con su correspondiente
resistencia a la penetración estándar de 1500 psi, puede ser mayor que el obtenido para
una penetración de 0.1 pulg. Cuando esto ocurre, se debe realizar un nuevo ensayo, si los
resultados son similares, el valor del CBR para 0.2 pulg de penetración, se reporta como el
CBR representativo de la muestra.
2.8 Concepto de Capacidad de Soporte de la Subrasante
La capacidad de soporte de la subrasante, es la capacidad que tiene el suelo de soportar los
esfuerzos verticales transmitidos por las cargas de tránsito. La deformación del suelo la
deflexión resultante deberán ser menores a las admisibles.
Para que la estructura de pavimento se comporte adecuadamente y cumpla el período de
diseño, presentará una deflexión máxima de 0.20 mm. para cargas estáticas transmitidas por
un eje estándar de 8.2 ton. La deflexión máxima, bajo cargas estáticas, puede ser medida con
la Viga Benkelman, esto significa que al nivel de subrasante la deflexión máxima será de 0.5 a
1 mm.
Los reglamentos estatales en EE.UU. recomiendan que el valor CBR de la subrasante debe ser
como mínimo entre 8 y 10%. Caso contrario, se deberá primero estabilizar el terreno antes de
construir la estructura del pavimento.
2.9 Estratigrafía de los suelos nomenclatura y simbología
Se debe realizar la descripción de los diferentes estratos que conforman el terreno investigado.
Se detallaran las características físicas, clasificación visual, color, humedad, plasticidad de los
finos, consistencia o densidad relativa y algunas características particulares como cementación,
presencia de troncos, raíces o cualquier material extraño.


27


Suelo de Fundación

Se mencionará, además, la profundidad a la que se encuentre el nivel freático, si fuera el caso,
indicando la fecha de medición y comentarios sobre su variación en el tiempo.
Además, es importante indicar, el resultado de los ensayos de laboratorio obtenidos para los
estratos evaluados, de manera que la información sea mas clara.
2.10 Registros estratigráficos.
Todos los resultados de la evaluación de campo y ensayos de laboratorio se indican en los
registros estratigráficos.
Los registros estratigráficos se preparan para cada calicata o cada exploración con equipo de
penetración. Un ejemplo de registro de calicata con ensayo de penetración ligera se muestra en
la figura 2.4.
2.11 Perfil longitudinal del terreno
El perfil longitudinal del terreno en estudio es el resultado gráfico de la interpolación de las
calicatas. En este perfil se visualiza la disposición de los estratos en toda la subrasante.
Los perfiles se obtienen de los trabajos de campo, como calicatas y ensayos de penetración.
Todos los resultados de laboratorio deben indicarse en este perfil. De esta manera se puede
tomar la decisión de los trabajos que serán considerados en el diseño y ejecución del proyecto.


28

DESCRIPCION DEL MATERIAL

Arena limosa, humeda, con raicez, en estado suelto a semicompacto, cementado. Presencia de gravillas aisladas.
NDPL de 6 a 12.

0.10

0.50

1.00
1.10
1.20
1.30
1.40
1.50
1.60
1.70
1.80
1.90
2.00
2.10
2.20

Clasificacion SUCS
Humedad,
Limite liquido, LL
Indice Plastico, IP
% de finos<Nº200

: GP-GM
: 4.1%
: 21%
: N.P.
: 10.5%

6

10

12

9

11

1.00

12

1.10

25

1.20

32

1.30

28

1.40

>

50

1.50

>

50

1.60

>

50

1.70

>

50

1.80

>

50

1.90

>

50

2.00

>

50

2.10

>

50

2.20

GP-GM

50

7

0.90

30

11

0.80

20

6

0.70

GRAFICA DE N
10

4

0.60

Grava limosa, pobremente graduada, semi compacto, con
presencia de bolones subredondeados de TM=8".
Porcentaje de bolones de 25%. NDPL mayor de 50.

0.10

0.50

SM

CALICATA A CIELO ABIERTOPENETRACIÒN LIGERA

0.90

Golpe x
10cm. 0

0.40

0.40

0.80

LIGERA

0.30

0.30

0.70

ENSAYO DE PENETRACION

0.20

0.20

0.60

Suelo de Fundación

PROFUNDIDAD
(METROS)

Simbolo

Tipo de Sondeo

PROFUND.
(METROS)


>

50

Figura 2.4: Ejemplo de registro de calicata y sondaje


29

CAPITULO 3:
MATERIAL DE PRÉSTAMO
3.1 Introducción
Los agregados empleados en la construcción de carreteras, deben cumplir con requisitos de
granulometría y especificaciones técnicas, que garanticen un buen comportamiento durante su
periodo de vida.
En este capítulo se cubrirá el tema de la granulometría y calidad de agregados que
conformarán las capas de afirmado, sub base y base.
Durante los últimos 10 años se han desarrollado nuevas tecnologías y criterios para el diseño
de mezclas asfálticas, variando los criterios del diseño de mezclas, pero los métodos de
evaluación de calidad de los agregados no se ha modificado.
Las especificaciones granulométricas de las carpetas asfálticas, se verán con detalle en el
capítulo correspondiente, donde se tratará de los tipos de mezclas asfálticas. Sin embargo, en
este capítulo se consideran los ensayos de calidad de agregados para carpetas asfálticas.
3.2 Especificaciones Técnicas de Material de Préstamo: Afirmado,
Sub Bases y Bases Granulares. Mezclas de Suelos y Agregados
3.2.1 Especificaciones Granulométricas
Los materiales granulares que conformaran las capas de afirmado, sub base y base,
deben cumplir con rangos granulométricos especificados por el MTC.
La gradación es una de las más importantes propiedades de los agregados. Este afecta
casi todas las propiedades importantes de una mezcla asfáltica en caliente, incluyendo
dureza, estabilidad, durabilidad, permeabilidad, trabajabilidad, resistencia a la fatiga,
resistencia al rozamiento, y resistencia a la humedad. De esta manera, la gradación es la
primera consideración en un diseño de mezclas asfálticas.
Teóricamente, es razonable pensar que la mejor gradación sea la densa o bien gradada;
sin embargo, recientes investigaciones han demostrado que las mezclas del tipo Stone
Mastic Asphalt, SMA, tienen un mejor comportamiento cuando están sometidas a la acción
de tráfico pesado, en zonas de altura.
Las especificaciones granulométricas vigentes en el Perú son las Especificaciones
Técnicas Generales para Construcción de Carreteras EG-2000, del Ministerio de


Material de Préstamo

Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construcción, Oficina de Control de Calidad. En
la tabla 3.1 se listan los rangos máximos y mínimos para materiales de afirmado. En la
figura 3.1 se grafican los rangos especificados.
Tabla 3.1: Huso Granulométrico para Afirmado
Muestra
Abertura
Tamiz
(mm)
2"
50,000
1 ½”
37.500
1"
25,000
¾”
19.000
3/8"
9,500
Nº4
4,750
Nº10
2,000
Nº40
0,425
Nº200
0,075

Afirmado (% que pasa)
A-1

A-2

100
100
90-100
65-100
45-80
30-65
22-52
15-35
5-20

-.-.100,0
80-100
65-100
50-85
33-67
20-45
5-20

Nº4

3/4"

2"

3"

Huso Granulométrico para Afirmados

Nº200

Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras EG2000, Ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construcción,
Oficina de Control de Calidad

A-2
A-1

80
60
40
20

100

10

1

0.1

% acumulado que pasa

100

0
0.01

Abertura (mm)

Figura 3.1: Rangos Granulométricos para Materiales de Afirmado,
Sub-base y Base Granulares (MTC)
Las especificaciones técnicas para rangos granulométricos de materiales de sub base y
base, son los mismos. Las normas ASTM D 1241 las especifican bajo el título Standard
Specification for Materials for Soil-Aggregate Subbase, Base and Surface Courses, ésta

31



norma fue revisada por última vez en 1994. El Ministerio de Transportes y Comunicaciones
la hizo suya y las consideró dentro de las especificaciones emitidas en el año 2000. La
tabla 3.2 muestra las especificaciones granulométricas para materiales de sub base y base
granular. En la figura 3.2 se muestran las especificaciones gráficamente.
Tabla 3.2: Huso para Sub-Base y Base Granular
Porcentaje que pasa en peso
Tamiz
2"
1"
3/8"
Nº4
Nº10
Nº40
Nº200

Abertura
Gradación A(1) Gradación B Gradación C Gradación D
(mm)
50,000
100
100
-.-.25,000
-.75-95
100
100
9,500
30-65
40-75
50-85
60-100
4,750
25-55
30-60
35-65
50-85
2,000
15-40
20-45
25-50
40-70
0,425
8-20
15-30
15-30
25-45
0,075
2-8
5-15
5-15
8-15

Standard Specification for Materials for Soil-Aggregate Subbase, Base and Surface Courses.
ASTM D-1241-68 (Reapproved 1994); y
Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras EG-2000, Ministerio de
Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construcción, Oficina de Control de Calidad: (1) la
curva “gradación A” deberá emplearse en zonas con altitud mayor o igual a 3000 m.s.n.m.

3.2.2 Calidad de Agregados
Para verificar la calidad de un determinado banco de materiales, estos deben ser
sometidos a ensayos de suelos, debiendo cumplir con las especificaciones técnicas
emitidas por el Ministerio de Transportes y Comunicaciones EG-2000.
Los materiales que serán empleados como material de afirmado o sub base podrá ser
agregado natural, triturado o una combinación de ambos. Los agregados para bases
deberán ser chancados.
Todos los agregados utilizados como afirmados, sub base y base serán resistentes, sin
exceso de partículas chatas o alargadas, no podrán presentar terrones de arcilla ni materia
orgánica.
Los ensayos a los que están sometidos los suelos son: Abrasión “Los Angeles”,
Equivalente de Arena, ensayo de proctor modificado, CBR asociados a la máxima
densidad seca y al óptimo contenido de humedad del proctor, partículas chatas y
alargadas, caras de fractura, sales solubles y contenido de impurezas orgánicas.


32



Nº200

Nº4

3/4"

2"

3"

Huso Granulométrico para Sub Bases y Bases Granulares
100

B
A


80
60
40
20
0

100

10

1

0.1

0.01

Abertura (mm)

Nº200

Nº4

3/4"

2"

3"

Rango Granulométrico para Sub Bases y Bases Granulares

80
60
40
20


100

D
C

0
100

10

1

Abertura (mm)

0.1

0.01

Figura 3.2: Rangos granulométricos para materiales de
sub base y base granulares (MTC)

Las muestras al llegar al laboratorio se separan, porque serán ensayadas para que
verifique diferentes requisitos de calidad. En la tabla 3.3 se muestra en resumen, los
ensayos a los que están sometidas las muestras que conformarán las capas de afirmado,
sub base, base o carpeta de rodadura.


33



Tabla 3.3: Ensayos de Calidad de Agregados
ENSAYOS
Análisis Granulométrico por Tamizado
Límites de Consistencia
Equivalente de Arena
Peso específico y Absorción
Peso unitario suelto
Peso unitario varillado
Abrasión
Proctor Modificado
CBR
Porcentaje de caras fracturadas
% de partículas chatas y alargadas
Contenido de impurezas orgánicas
Contenido de sales solubles totales
Adherencia (entre mallas Nº3/8" y ¼")
Riedel Weber (según norma a emplear)
Durabilidad

Sub base
X
X
X

X
X
X
X
X
X
X

Base Afirmado
Asfalto
Granular
Piedra Arena
X
X
X

X
X
X
X
X
X
X

X
X
X

X
X
X

X

X
X
X
X

X
X
X
X
X

X
X
X

X
X
X

X
X
X
X

En la tabla 3.4 se listan las especificaciones técnicas que deben cumplir los materiales que
serán usados como afirmado, sub base y base.
3.2.3 Suelos Estabilizados
Las normas del Ministerio de Transportes y Comunicaciones considera dentro de sus
especificaciones a los suelos estabilizados con cemento y cal, se harán un breve resumen
de ambas combinaciones.
a) Estabilizados con Cemento
El material a estabilizar con cemento podrá ser A-1, A-2, A-3, A-4, A-5, A-6 y A-7, con
tamaño máximo de 2” y no mayor de 1/3 del espesor de la capa compactada.
En la tabla 3.5 se muestran las especificaciones del agregado que será estabilizado con
cemento.
El cemento con que será estabilizado el suelo será portland, el cual deberá cumplir con la
Norma Técnica Peruana NTP 334.009, Norma AASHTO M85 ó ASTM C 150. El cemento
que podrá ser empleado es el denominado Tipo I o cemento portland normal.

34



Tabla 3.4: Especificaciones Técnicas para Materiales empleados en
Construcción de Carreteras
Sub base granular
Ensayo

Norma

Afirmado

<3000
msnm

Base granular
<3000 msnm
3000 msnm
3000 msnm Agregado Agregado Agregado Agregado
grueso
fino
grueso
fino

Límite Líquido, %

ASTM D 4318
35% máx
MTC E 110

25% máx

25% máx

Indice Plástico, %

ASTM D 4318
MTC E 111

6% máx

4% máx

Abrasión Los
Angeles, %

ASTM C 131
50% máx
MTC E 207

50% máx

50% máx

4a9

4% máx
40% máx

2% máx
40% máx

Equivalente de
ASTM D 2419
20% mIn 25% mIn
35% mIn
35% mIn
45% mIn
MTC E 114
arena, %
CBR al 100% de
ASTM D 1883
Tráfico ligero a medio: 80% mín
40% mín 40% mín
40% mín
la M.D.S. y 0.1”
MTC E 132
Tráfico pesado: 100% mín
de penetración
-.Pérdida con
ASTM C 88
12% máx
Sulfato de Sodio,
MTC E 209
%
-.Pérdida con
ASTM C 88
18% máx
Sulfato de
MTC E 209
Magnesio, %
Indice de
MTC E 214
35% mIn
35% mIn
Durabilidad
Caras de fractura,
80% mín
%
ASTM D 5821
40% mín
80% mín
1 cara fracturada
MTC E 210
50% mín
2 caras
fracturadas
Partículas chatas
ASTM D 4791
y alargadas, %
20% máx 20% máx 15% máx
15% máx
Relación 1/3
MTC E 211
(espesor/longitud)
Sales Solubles
ASTM D 1888
1% máx
1% máx
0.5% máx 0.5% máx 0.5% máx 0.5% máx
MTC E 219
Totales, %
Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras EG-2000, MTC, OCC

Tabla 3.5: Especificaciones de Agregado que será Estabilizado con Cemento
Agregado Agregado
Ensayo
Norma
grueso
Fino
Límite Líquido, %
Indice Plástico, %
Abrasión Los Angeles1, %
Pérdida con Sulfato de Sodio1, %
Contenido de sulfatos, SO4, en peso

ASTM D-4318; MTC E 110
ASTM C-131; MTC E 207
ASTM C 88; MTC E 209

40% máx
18% máx
50% máx
12% máx
10% máx
0.2% máx

en caso el suelo forme parte de una capa estructural.
Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras EG-2000, MTC, OCC.
1


35



La mezcla suelo-cemento se diseña mediante los ensayos de resistencia a compresión
simple y humedecimiento-secado (normas MTC E 1103 y MTC E 1140).
En ensayos de compresión simple, la resistencia no debe ser menor de 1.76 MPa (18
kg/cm2) luego de 7 días de curado húmedo. Para el ensayo humedecimiento-secado, el
contenido de cemento deberá ser tal, que la pérdida de peso de la mezcla compactada, no
supere los siguientes límites de acuerdo con la clasificación que presente el suelo por
estabilizar:
Suelo por estabilizar

Pérdida Máxima (%)

A-1, A-2-4, A-2-5, A-3

14

A-2-6, A-2-7, A-4, A-5

10

A-6, A-7

7

b) Estabilizados con Cal
El terreno de fundación se estabiliza con cal por diferentes razones: para agilizar la
construcción, en el tratamiento de suelos expansivos y para proporcionar una cimentación
fuerte a la estructura del pavimento. Un suelo estabilizado con cal puede ser rígido y
durable, mejorando el comportamiento del pavimento.
La incorporación de cal a suelos de gradación fina como las arcillas origina que los
cationes de la superficie de arcilla sean sustituidos por los de óxido de calcio,
incrementando el pH y alterando la mineralogía de la superficie de las moléculas de arcilla.
Esta alteración reduce la capacidad de la arcilla para absorber agua y por lo tanto reduce
su expansión y plasticidad, mejorando su estabilidad.
Se debe incorporar cal al suelo y mezclar, agregar agua durante el mezclado. El suelo
debe encontrarse dentro de 2% del óptimo contenido de humedad previo a la
compactación. La compactación debe realizarse dentro de los 30 minutos posteriores al
mezclado final.


36



Los suelos que serán estabilizados con cal deberán cumplir con las especificaciones de la
tabla 3.6, los suelos no deben tener mas del 3% en peso de materia orgánica.
El tamaño máximo del agregado grueso que contenga el suelo no debe ser mayor de 1/3
del espesor de la capa compactada de suelo-cal.
Tabla 3.6: Especificaciones de Agregado que
será Estabilizado con Cal
Ensayo

Norma

Agregado
grueso

ASTM D-4318
MTC E 111
ASTM C-131
Abrasión Los Angeles1, %
50% máx
MTC E 207
ASTM C 88
Pérdida con Sulfato de Sodio1, %
12% máx
MTC E 209
Indice Plástico, %

1

Agregado
fino
10 a 50%

10% máx

en caso el suelo forme parte de una capa estructural

Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras EG-2000,
MTC, OCC

La cal que se empleo para estabilizar bases de suelo-cal puede ser cal hidráulica y debe
satisfacer los requisitos establecidos en la especificación AASHTO M 216 o ASTM C 977.
La aplicación de la cal puede variar entre 2 y 8% en peso de los materiales. Cuando la
mezcla de suelo-cal sea usada como parte de una capa estructural, el CBR de la mezcla
deberá cumplir con las especificaciones citadas para materiales de sub base y base.
c) Mezclas de Suelos y Agregados
La combinación de agregados es un tema conocido por todo los estudiantes de ingeniería,
los métodos son diversos, entre ellos se encuentran la dosificación de los agregados por
peso y por métodos gráficos.
Se dará a continuación un ejemplo del método gráfico del cuadrado, para combinación de
dos agregados.
Ejemplo: Combine los agregados A y B para que cumplan con las especificaciones:

Tamiz Nº
Agregado A
Agregado B
Especificaciones

3/4"
100
100
100

3/8"
48
75
52-67

Porcentaje que pasa
Nº4
Nº10 Nº40 Nº80
31
25
22
15
58
43
15
5
40-54 30-41 14-23 7-16

Nº200
8
1
2-8


37



1. Se traza un cuadrado ABCD, sobre cuyos lados se marcan los porcentajes de 0 a 100
de izquierda a derecha en el lado AB y viceversa en el lado CD. Ver figura 3.3.
2. Sobre AD se marcan los porcentajes de uno de los agregados y sobre BC los
porcentajes del otro.
3. Se unen con una línea continua los extremos correspondientes a un mismo tamiz,
escribiendo sobre esta línea el tamiz al que corresponde. Sobre estas líneas se grafican
pequeños cuadrados que representan los límites superior e inferior de las
especificaciones
4. Se unen los cuadrados de los límites superiores (a, b, c, ......) y luego los cuadrados de
los límites inferiores (a´, b´, c´, ...).
5. El espacio que une los cuadrados más cercanos (a y b´)representa el margen de
porcentajes entre los cuales se puede hacer la combinación de los dos materiales.
6. Para el ejemplo puede variar (a) entre 70% del agregado B más 30% del agregado A; y
(b´) de 35% del agregado B más 65% del agregado A.
3.3 Ensayos de calidad de agregados
Todos los agregados que conformen alguna de las capas de la estructura del pavimento,
deberán cumplir con las especificaciones de la tabla 3.4. Los ensayos considerados verifican
cierta característica de los agregados, en este libro se describe las razones por las que se
consideran en las especificaciones.
Si el lector está interesado en conocer el procedimiento de ensayo, puede revisar el Manual de
Laboratorio Ensayos para Pavimentos Volumen I, de S. Minaya y A. Ordoñez, primera edición,
publicada por el Departamento de Mecánica de Suelos de la Universidad Nacional de
Ingeniería, 2001.
3.3.1 Ensayo de Abrasión por medio de la Máquina de Los Ángeles
ASTM C-131, MTC E 207
Los agregados deben ser capaces de resistir el desgaste irreversible y degradación
durante la producción, colocación y compactación de las obras de pavimentación, y sobre
todo durante la vida de servicio del pavimento.
Debido a las condiciones de esfuerzo-deformación, la carga de la rueda es transmitida a la
superficie del pavimento a través de la llanta como una presión vertical aproximadamente
uniforme y alta. La estructura del pavimento distribuye los esfuerzos de la carga, de una
máxima intensidad en la superficie hasta una mínima en la subrasante.
Por esta razón los agregados que están en, o cerca de la superficie, como son los
materiales de base y carpeta asfáltica, deben ser más resistentes que los agregados
usados en las capas inferiores, sub base, de la estructura del pavimento, la razón se debe

38

Combinación Gráfica de dos agregados
100%
90%

Granulometría Agregado A

Granulometría Agregado B

80%
a

70%

3/8"
60%

b

a´

50%

Nº4

c

40%

b´

Nº10
c´

30%

Nº40

20%

d´

Nº80

10%

d

Nº200

0%
0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Porcentajes

Figura 3.3: Combinación de dos agregados por el método del cuadrado




a que las capas superficiales reciben los mayores esfuerzos y el mayor desgaste por parte
de cargas del tránsito.
Por otro lado, los agregados transmiten los esfuerzos a través de los puntos de contacto
donde actúan presiones altas. El Ensayo de Abrasión de Los Ángeles, ASTM C-131 ó MTC
E 207, mide básicamente la resistencia de los puntos de contacto de un agregado al
desgaste y/o a la abrasión.
El porcentaje de desgaste se calcula como la diferencia del peso inicial menos el peso final
de la muestra ensayada, entre el peso inicial.
% desgaste

Pinicial Pfinal
100
Pinicial

3.3.2 Ensayo de Durabilidad, Pérdida con Sulfato de Sodio o Magnesio
ASTM C 88 ó MTC E 209
Es el porcentaje de pérdida de material en una mezcla de agregados durante el ensayo de
durabilidad de los áridos sometidos al ataque con sulfato de sodio o sulfato de magnesio.
Este ensayo estima la resistencia del agregado al deterioro por acción de los agentes
climáticos durante la vida útil de la obra. Puede aplicarse tanto en agregado grueso como
fino.
El ensayo se realiza exponiendo una muestra de agregado a ciclos alternativos de baño de
inmersión en una solución de sulfato de sodio o magnesio y secado en horno. Una
inmersión y un secado se consideran un ciclo de durabilidad. Durante la fase de secado,
las sales precipitan en los vacíos del agregado. En la reinmersión las sales se rehidratan y
ejercen fuerzas de expansión internas que simulan las fuerzas de expansión del agua
congelada. El resultado del ensayo es el porcentaje total de pérdida de peso sobre varios
tamices para un número requerido de ciclos. Los valores máximo de pérdida son
aproximadamente de 10 a 20% para cinco ciclos de inmersión-secado.

Foto 3.1: Ensayo de
durabilidad


40



3.3.3 Porcentaje de Partículas Chatas y Alargadas.
Se ha demostrado en un sin número de investigaciones, que el exceso de partículas
chatas y alargadas, pueden perjudicar el comportamiento de la estructura del pavimento.
La carga proveniente del tráfico puede quebrar las partículas y modificar la estructura
original. Se denomina partícula chata cuando la relación ancho/espesor es mayor de 1/3; y
alargada cuando la relación largo/ancho es mayor de 1/3.
3.3.4 Porcentaje de Caras Fracturadas
Algunas especificaciones técnicas contienen requisitos relacionados al porcentaje de
agregado grueso con caras fracturadas con el propósito de maximizar la resistencia al
esfuerzo cortante con el incremento de la fricción entre las partículas. Otro propósito es dar
estabilidad a los agregados empleados para carpeta o afirmado; y dar fricción y textura a
agregados empleados en pavimentación.
La forma de la partícula de los agregados puede afectar la trabajabilidad durante su
colocación; así como la cantidad de fuerza necesaria para compactarla a la densidad
requerida y la resistencia de la estructura del pavimento durante su vida de servicio.
Las partículas irregulares y angulares generalmente resisten el desplazamiento
(movimiento) en el pavimento, debido a que se entrelazan al ser compactadas. El mejor
entrelazamiento se da, generalmente, con partículas de bordes puntiagudos y de forma
cúbica, producidas, casi siempre por trituración.
3.3.5 Ensayo de Equivalente en Arena
ASTM D 2419; MTC E 114
Este método de ensayo asigna un valor empírico a la cantidad relativa, finura y
características del material fino presente en una muestra de ensayo formado por suelo
granular que pasa el tamiz Nº4 (4.75 mm). El término “Equivalente de Arena” transmite el
concepto que la mayoría de los suelos granulares y agregados finos son mezcla de
partículas gruesas, arenas y generalmente finos.
Para determinar el porcentaje de finos en una muestra, se incorpora una medida de suelo
y solución en una probeta plástica graduada que luego de ser agitada separa el
recubrimiento de finos de las partículas de arena; después de un período de tiempo, se
pueden leer las alturas de arcilla y arena en la probeta. El equivalente de arena es la
relación de la altura de arena respecto a la altura de arcilla, expresada en porcentaje.
Este método proporciona una manera rápida de campo para determinar cambios en la
calidad de agregados durante la producción o colocación.

41



Foto 3.2: Ensayo
Equivalente de Arena

3.3.6 Sales Solubles Totales
ASTM D 1888; MTC E 219
El objetivo de este ensayo es cuantificar el contenido de cloruros y sulfatos, solubles en
agua, de los agregados pétreos empleados en bases y mezclas bituminosas. Este método
sirve para efectuar controles en obra, debido a la rapidez de visualización y cuantificación
de la existencia de sales.
Una muestra de agregado pétreo se somete a continuos lavados con agua destilada a
ebullición. La presencia de sales, se detecta mediante reactivos químicos, los cuales, al
menor indicio de sales forman precipitados fácilmente visibles. Del agua total de lavado, se
toma una parte y se procede a cristalizar para determinar la cantidad de sales presentes.
3.4 Ensayos para Cuantificar el Comportamiento Mecánico de las Capas
que conforman la Estructura del Pavimento
Los materiales que conformaran las capas de afirmado, sub base y base deberán ser
ensayados con el método de proctor modificado para determinar su máxima densidad seca y el
optimo contenido de humedad. Con estos valores se prepararan especimenes remoldeados
para el ensayo de CBR. El CBR asociado al 95% de la máxima densidad será el CBR de
diseño para cada capa.
Se debe recalcar que el CBR asociado a la máxima densidad seca, es un método que se
recomienda usar sólo en el caso de material de cantera (afirmado, sub base y base) o en
subrasantes granulares. No se recomienda emplear este método en subrasantes finas.

42

CAPITULO 4:
MATERIALES ASFÁLTICOS
4.1 Antecedentes
El asfalto es uno de los materiales más antiguos utilizados como aglutinante o
impermeabilizante. Las primeras carreteras pavimentadas en los EE.UU. fueron en la Av.
Pennsylvania, frente a la Casa Blanca. El asfalto usado fue natural proveniente de la Isla
Trinidad en las costas de Venezuela. La otra fuente de asfalto natural se encuentra en
Bermudez-Venezuela.
Los asfaltos naturales se encuentran en depresiones de la corteza terrestre formando los lagos
de asfalto o aparecen impregnados en calizas, formaciones de areniscas o similares, formando
las llamadas rocas asfálticas, también se encuentran mezclados por impurezas minerales.
Durante 1800 y 1900 la demanda de las carreteras pavimentadas se incremento tan rápido que
la extracción y transporte desde los lagos de asfalto hasta la obra, fue limitando la construcción
de estos pavimentos. Se tuvo que considerar otra fuente para producir asfalto, es así que la
mayoría de los asfaltos utilizados en la actualidad son provenientes del refine del petróleo.
4.2 Definiciones
Asfalto
ASTM lo define como un material cementante, de color oscuro y de consistencia variable, cuya
rigidez depende de la temperatura en que se encuentre. A temperatura ambiente el asfalto es
sólido a semisólido, y cuando su temperatura se eleva se vuelve líquido, esta condición permite
que los agregados sean cubiertos completamente, durante la mezcla.
El asfalto usado en pavimentación, generalmente llamado cemento asfáltico, a altas
temperaturas (135ºC) es poco rígido, condición que permite que se adhiere fácilmente a las
partículas del agregado y, por lo tanto, es un excelente cemento que une los agregados en
mezclas en caliente.
El cemento asfáltico también es usado como impermeabilizante y no es afectado por los
ácidos, los alcális (bases) o las sales. Esto significa que un pavimento de concreto asfáltico
construido adecuadamente es impermeable y resistente a muchos tipos de daño químico 1 .

1

Principios de la Construcción de Mezcla Asfáltica en Caliente. Serie de Manuales No.22 (MS-22), Asphalt Institute

Diseño Moderno de Pavimentos

Materiales Asfálticos

El asfalto al entrar en contacto con el oxígeno del medio ambiente reacciona, perdiendo sus
propiedades elásticas y volviéndose duro y frágil. Esta es una de las características del asfalto
que trata de retardarse, pero que se desarrolla con el tiempo.
En una mezcla convencional (asfalto + agregado de granulometría completa) el porcentaje de
asfalto es de 6.5% y del agregado de 93.5% en peso de la mezcla, aprox.; sin embargo, es
importante resaltar como un material cuya participación es mínima puede tener tanto efecto en
el comportamiento de la mezcla. Foto 4.1.

Foto 4.1: Cemento asfáltico a temperatura ambiente y de briqueta
preparada con una mezcla cemento asfáltico-agregado.
4.3 Refinamiento del petróleo
Si se tuviese en un depósito alcohol y agua y éste se llevase a calentar, a 72ºC aprox. el
alcohol comenzaría a evaporarse. Cuando la temperatura alcance los 100ºC el agua se
evaporaría. De manera similar se refina el petróleo.
Mediante el incremento paulatino de temperatura el crudo del petróleo se descompone
liberando los solventes más livianos, como la gasolina, el kerosene y el diesel. Para separar los
destilados mas pesados, no solo es necesario incrementar la temperatura sino someterlo a
vacío. Luego de un periodo de tiempo se obtendrá el cemento asfáltico.
En la figura 4.1 se muestra la temperatura a la cual los solventes se van separando del crudo
del petróleo. En la figura 4.2 hay un esquema del proceso de refine del petróleo.


44



Figura 4.1: Productos y Temperaturas
Típicas de Destilación

Principios de la Construcción de Mezcla Asfáltica en
Caliente. MS-22, Asphalt Institute

Si el cemento asfáltico se combina con algún solvente se obtienen los asfaltos diluidos o
cutbacks. Así, si el asfalto se combina con gasolina será asfalto de curado rápido (Rapid
Cured, RC), si se combina con kerosene será de curado medio (Medium Cured, MC) y con
diesel del curado lento (Slow Cured, SC).
Si el cemento asfáltico se combina con agua y un agente emulsificante se obtienen los asfaltos
emulsificados.
Tanto en el caso de asfaltos diluidos como de asfaltos emulsificados, el objetivo es darle
trabajabilidad al cemento asfáltico. Puesto que en esta condición los asfaltos pueden trabajarse
a temperaturas que van de 60º a 20ºC, respectivamente. Luego de la colocación de la mezcla
el solvente o el agua se evaporará y quedará el asfalto solo. Por lo tanto es importante conocer
el comportamiento mecánico del cemento asfáltico.


45

Pozo de petroleo


Almacenamiento de campo

Estacion de
Bombeo

Destilados Livianos procesamiento

Destilados medianos

Torre de
Destilacion

Rápido

o

Refinería

Unidad de
procesamiento

Cemento
asfaltico

GAS

ARENA Y AGUA

Medio
Lento

Residuo

PETROLEO

Aceite diesel

Asfaltos Diluidos de Curado:

Calentador de tubos

Almacenamiento

Kerosene

Destilados pesados

Condensadores y
enfriadores

Gasolina

Asfalto refinado
al aire

Asfaltos
oxidados

Aire

Asfaltos emulsificados

Agua
Planta de
emulsiones

Destiladora

Figura 4.2: Refinamiento del Petróleo


46



4.4 Comportamiento mecánico del Cemento Asfáltico
La naturaleza del asfalto es viscoelástica, esto quiere decir que su comportamiento depende de
la temperatura y el tiempo de aplicación de la carga. El asfalto a altas temperaturas tiene menor
rigidez, típico durante la temperatura de mezcla (135ºC). A medida que la temperatura
desciende el asfalto se vuelve más rígido. A temperaturas muy bajas es asfalto puede
agrietarse porque se vuelve frágil y quebradizo.
COMPORTAMIENTO REAL
Rigidez

Rigidez
Frágil

Frágil

Dúctil
Dúctil
-50

0

50

100

150

T [°C]

10

-s

Tiempo de carga [s]

10

10

Figura 4.3 Comportamiento del Asfalto
Un comportamiento análogo se observa cuando se grafica el tiempo de aplicación de la carga
(velocidad) y la rigidez. Cuando las cargas aplicadas son rápidas el asfalto tiene mayor rigidez
y cuando las cargas son lentas hay menor rigidez y mayor deformación.
4.4.1 Comportamiento a altas temperaturas
En climas cálidos (el oriente del Perú, épocas de verano) o sometido a cargas de tráfico
lentas (intersecciones, tramos en pendiente), el cemento asfáltico se comporta como un
líquido viscoso, dejando que el agregado soporte las cargas cíclicas. Con esta condición la
estructura granular de la mezcla asfáltica cumple un papel muy importante. El asfalto solo
es el aglutinante.
Por definición, la viscosidad es la característica física del material que describe la
resistencia de los líquidos a fluir. Si el flujo del cemento asfáltico en caliente es lento puede
ser observado microscópicamente como capas adyacentes de moléculas deslizándose
unas sobre otras. La resistencia o fricción entre capas se relaciona a la velocidad relativa
de deslizamiento.

48



La viscosidad es una característica que ayuda a diferenciar a los líquidos y se define como
el esfuerzo de corte entre la velocidad de deformación por corte. La figura 4.4 muestra un
juego de cartas que tienen una línea vertical marcada a un lado. Cuando se aplica el corte
en el punto superior, las cartas tratan de deslizarse una sobre la otra y los puntos
marcados en las cartas empiezan a separarse. La velocidad al corte es la velocidad a la
cual estos puntos se separan.

Capa No:

Esfuerzo de corte ,
entre capas

Dirección del flujo de
las capas

1

Capa No:
1

2

2
n

n

Figura 4.4: Características del Flujo de Líquidos
Los fluidos Newtonianos tienen una relación lineal entre el esfuerzo de corte y la velocidad
relativa. El aire, agua y asfalto caliente (a temperaturas mayores que 60ºC) son
comúnmente fluidos Newtonianos. A temperaturas moderadas, la viscosidad del asfalto
decrece cuando la velocidad relativa se incrementa.
Los líquidos viscosos como el asfalto caliente algunas veces son llamado plásticos porque
una vez que empiezan a fluir no retornan a su posición original. El rutting o ahuellamiento
es la acumulación de deformaciones plásticas no recuperables.

Foto 4.2: Ahuellamiento o deformación permanente o rutting


49



4.4.2 Comportamiento a bajas temperaturas
En climas fríos o bajo aplicaciones de carga rápida, el cemento asfáltico se comporta como
un sólido elástico. Los sólidos elásticos son como ligas porque cuando cesa la carga que
los deforma, regresan a su posición original.
Si el material se esfuerza más allá de su capacidad, el sólido elástico puede romperse. El
agrietamiento por bajas temperaturas algunas veces ocurre en los pavimentos cuando
están sometidos a climas fríos (Conococha, Ticcllo). En estos casos, las cargas aplicadas
producen esfuerzos internos que se acumulan en el pavimento asfáltico que tenderá a
contraerse mientras su movimiento es restringido por las capas inferiores.

Foto 4.3: Agrietamiento por bajas
temperaturas o low
temperatura cracking

4.4.3 Comportamiento a temperaturas intermedias
En estos climas el asfalto muestra características de líquido viscoso y sólido elástico. A
estas temperaturas, el asfalto es un excelente material adhesivo usado en pavimentación.
Cuando se calienta el asfalto actúa como un lubricante, permitiendo mezclarse con el
agregado, cubrirlo y compactarse formando una superficie lisa y densa. Tan pronto como
se enfría, el asfalto actúa manteniendo juntos los agregados en la matriz sólida. En esta
etapa el comportamiento del asfalto es viscoelástico, es decir, tiene características
elásticas y viscosas, dependiendo de la temperatura y velocidad de aplicación de carga.


50



4.4.4 Comportamiento del ligante envejecido
Como el cemento asfáltico está compuesto por hidrocarburos (combinación de hidrógeno y
carbono) y nitrógeno, oxígeno y otros elementos. El asfalto cuando se disuelve en heptano
se descompone en asfaltenos y maltenos.
Los asfaltenos le proporcionan al asfalto el color y rigidez. Los maltenos son líquidos
viscosos compuestos de resinas y aceites. Las resinas son, por lo general, líquidos
pesados de color ámbar y pardo oscuro, mientras que los aceites son de color mas claro.
Las resinas le otorgan las cualidades adhesivas al asfalto, mientras que los aceites son el
medio de transporte de asfaltenos y resinas.
Durante la reacción con el oxígeno del medio ambiente, esto ocurre principalmente cuando
el asfalto tiene elevadas temperaturas o cuando una película delgada de asfalto recubre la
partícula, Las resinas se convierten gradualmente en asfaltenos y los aceites en resinas,
ocasionando así un incremento en la rigidez del asfalto. Esta reacción se denomina
oxidación. La oxidación cambia la estructura y composición de las moléculas de asfalto
haciéndolo más frágil o quebradizo.
La inapropiada compactación puede generar oxidación o endurecimiento prematuro. En
estos casos, los inadecuados niveles de compactación tienen altos porcentajes de vacíos
de aire interconectados, que permiten que más aire o el agua penetre en la mezcla
acelerando la oxidación.
4.5 Esfuerzos y Deformaciones en ensayos dinámicos
Las cargas aplicadas al pavimento son móviles, cuando la carga se acerca al punto de análisis
ubicado en la carpeta asfáltica, ésta se deforma debido a que la presión se incrementa, existe
entonces incremento tanto de la carga como la deformación. Cuando la carga se aleja, la
presión en el punto de análisis disminuye y deformación en la carpeta cesa, esta condición no
se da de manera simultánea, existe un tiempo de retardo, , como se puede ver en la figura
4.5.
4.6 Especificaciones y ensayos para cementos asfálticos
Como la química del asfalto es muy compleja, la experiencia ha demostrado que las
especificaciones deben estar relacionadas con las propiedades físicas o de manera más
precisa, con su comportamiento mecánico. Las especificaciones actuales en el Perú utilizan
todavía los ensayos de penetración, viscosidad y ductilidad para evaluar el asfalto. Muchos de
los ensayos actuales son empíricos, significando que la experiencia es todavía necesaria para
que los resultados de los ensayos se puedan interpretar adecuadamente. Sin embargo, tal
práctica ha demostrado que tiene importantes limitaciones.

51



Veloc.

o

Carpeta asfáltica

o

Tiempo

Terreno de
fundación

Figura 4.5: comportamiento esfuerzo-deformación en mezclas asfálticas

Reconociendo las deficiencias de tal sistema, las agencias estatales de carreteras de los
Estados Unidos tuvieron que implementar un programa de investigación para adoptar un nuevo
sistema para especificar el pavimento asfáltico. En 1987, la SHRP inició estudios para
desarrollar nuevos ensayos que permitan medir las propiedades físicas del asfalto. La inversión
de $50 millones de dólares se plasmó en las especificaciones del Ligante Superpave, que
requiere de un nuevo paquete de equipos para ensayos y procedimientos. Se llamó
especificaciones del “ligante” porque se engloba a los asfaltos modificados y no modificados.
El avance más significativo fue probablemente cambiar ensayos empíricos por ensayos donde
el ligante puede ser caracterizado a variaciones de temperaturas controladas obtenidas de
campo.
Los ensayos de Reómetro de Corte Dinámico (DSR), Reómetro de Viga de Flexión (BBR) y
Ensayo de Tensión Directa (DTT) reemplazaron a los ensayos de viscosidad, penetración y
ductilidad, respectivamente. Junto con el envejecimiento en planta (RTFO) se adoptó el
envejecimiento durante la vida de servicio (PAV).
4.6.1 Ensayos de Penetración y Viscosidad
Ensayo de Penetración
Entre los años 40 y 50 el sistema de clasificación por penetración fue usado en los EE.UU.
y Canadá. El ensayo de penetración realizado a 25ºC (temperatura elegida como el
promedio de la temperatura de servicio del pavimento), indica la rigidez del asfalto, que
solo puede ser relacionado con su comportamiento en campo mediante la experiencia.

52



Como el valor de la penetración no es una medida fundamental dicho valor no puede ser
racionalmente incluida en modelos mecanísticos.
El ensayo consiste en aplicar una carga patrón en la superficie de una muestra de cemento
asfáltico a 25ºC. Se debe medir la penetración de la aguja en la muestra, luego de 5
segundos. Si el asfalto es duro la penetración será menor que cuando el asfalto es blando.
Se recomendó siempre la utilización de asfaltos duros para carreteras en la selva mientras
que los blandos eran recomendados para carreteras en la sierra o zonas con bajas
temperaturas.
100 g
Penetración de 0.1 mm

Cemento asfáltico a 25ºC

Cemento asfáltico a 25ºC
Luego de 5 s.

Inicial

Figura 4.6: Esquema del Ensayo de Penetración
La figura 4.7 muestra uno de los mayores problemas de clasificar el asfalto por
penetración, como se muestra se pueden tener tres tipos de asfalto de diferentes fuentes
con la misma clasificación por penetración (25ºC), pero con diferentes propiedades a
temperaturas diferentes.

Alto

Medio
Bajo

Temperatura, ºC

Figura 4.7: Comportamiento de asfaltos de diferentes fuentes,
clasificados con el mismo grado de penetración

53



Las normas EG-2000 del Ministerio de Transportes y Comunicaciones recomienda
cementos asfálticos clasificados por penetración según la temperatura media anual.
Temperatura Media Anual
24ºC ó (+)

24º-15ºC

15º-5ºC

PEN
40-50
60-70
modificado

PEN
60-70

PEN
85-100
120-150

(-) de 5ºC

Asfalto
Modificado

Ensayo de Viscosidad
El sistema de gradación por viscosidad se basó en los ensayos de viscosidad del ligante.
La viscosidad es una medida fundamental del flujo, que proporciona información acerca del
comportamiento viscoso a mayores temperaturas. Las temperaturas de ensayo son de
60ºC y 135ºC. Sin embargo, este ensayo no es adecuado para controlar el comportamiento
mecánico del ligante no newtonianos (y viscoelásticos), requiriendo de ensayos adicionales
al de la viscosidad.
Las especificaciones generalmente se refieren a la viscosidad del asfalto a dos
temperaturas diferentes, 60ºC (viscosidad absoluta) y 135ºC (viscosidad cinemática). La
primera es para clasificar el cemento asfalto y representa la viscosidad del cemento
asfáltico a la temperatura más alta de servicio; la segunda corresponde aproximadamente
a la viscosidad del asfalto durante el mezclado y colocación.
La viscosidad absoluta mide el tiempo que requiere el asfalto para fluir a través de un tubo
capilar calibrado a 60°C, como el asfalto a esa temperatura es muy rígido, se requiere
someter al vacío a la muestra para que el asfalto se mueva a través del tubo en un tiempo
razonable. Figura 4.8.

Figura 4.8:
Viscosidad
Absoluta
marca
Línea de
llenado


54



La viscosidad cinemática se ensaya a 135°C y mide el tiempo requerido para que un
volumen fijo de líquido fluya, por capilaridad, a través de un viscosímetro, a esa
temperatura solo se requiere de la gravedad para que el asfalto fluya. Figura 4.9.

Línea de
llenado

marcas

Figura 4.9: Viscosidad Cinemática
4.6.2 Ensayos del asfalto según metodología Superpave
Entre los años 80 y 90 la Pacific Coast User Producer Conference adoptó un nuevo
sistema de especificación propuesto por J. Goodrich y R. Reese 2 , llamado
Especificaciones de Asfalto basado en su Performance (PBA) que intentó incluir las
variaciones regionales de climas y el envejecimiento o deterioro del asfalto durante su vida
de servicio.
Las especificaciones del ligante Superpave consisten en someter a las muestras a
ensayos que representen las tres etapas críticas durante la vida del ligante.
Los ensayos realizados en el ligante original representan la primera etapa crítica de la
vida del ligante que corresponde al transporte, almacenamiento y manipuleo.
La segunda etapa representa el asfalto durante la producción de las mezclas y
construcción y es simulado por un proceso de envejecimiento en el Horno Rotatorio de
Película Delgada. Este procedimiento expone la película delgada del ligante a
calentamiento y aire aproximándolo al envejecimiento del asfalto durante la mezcla y
construcción.

2

The Future of Performance-Related Binder Specificcations. L. Zanzotto y otros. 2000.

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