Pavimentos

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


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

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.

55



La tercera etapa ocurre cuando el ligante se envejece durante la operación o vida de
servicio. Esta etapa se simula con el ensayo de Envejecimiento en la Cámara de Presión
Vessel. Este procedimiento expone la muestra de ligante a calentamiento y presión para
simular el envejecimiento durante la vida de servicio.
Las especificaciones del ligante Superpave y los métodos de ensayo usados para
caracterizar el asfalto están siendo actualmente evaluados por la AASHTO y ASTM. En
este texto se incorporan los últimos procedimientos y especificaciones, sin embargo, estos
pueden ser modificados.
Los ensayos Superpave miden las propiedades físicas que se pueden relacionar
directamente con el comportamiento en campo por principios ingenieriles. Los ensayos se
realizan a la temperatura de servicio del pavimento. La Figura 4.10 describe como cada
ensayo está relacionado al comportamiento del ligante en campo.
Grado de Performance
A diferencia de las especificaciones anteriores, la especificación del ligante Superpave se
basa directamente en las propiedades físicas básicas del ligante y su comportamiento
observado. El grado de comportamiento del ligante o performance graded (PG) se
selecciona basado en las temperaturas extremas de servicio del ligante.
La diferencia entre los diferentes tipos de PG o grados del ligante vienen a ser las
temperaturas mínima y máxima de servicio. Por ejemplo, un ligante clasificado como PG
58-34 se le evaluará físicamente a 58ºC y –34ºC.

PG 58-34

Grado de performance

Tºmínima anual del pavimento

Promedio de la temp. máx. del
pavimento durante 7 días

El Ministerio de Transportes y Comunicaciones dividió el Perú en regiones según
Especificaciones SHRP.


56



Ministerio de Transportes y Comunicaciones, Perú

57



Producción
Rutting

RV
Viscosímetro Rotacional

Agrietamiento por
Fatiga

DSR
Reómetro de Corte Dinámico

Agrietamiento Térmico

BBR
Reómetro de Viga de Flexión

Figura 4.10: Ensayos del Ligante Superpave relacionados con su comportamiento en Campo


58



Envejecimiento del Asfalto
Ensayo de Película Fina en Horno Rotatorio, RTFO
AASHTO T240 ó ASTM D 2872
El ensayo de Película Fina en Horno Rotatorio, RTFO simula el envejecimiento corto del
ligante, producido durante el transporte, manipuleo y producción. En la prueba, el ligante
en forma de película fina es sometido a calentamiento y un flujo de aire.
El procedimiento de ensayo requiere de un horno eléctrico con base circular giratoria (Foto
4.4). La base circular sujeta envases de muestra que rotan alrededor de su centro. Se
aplicará flujo de aire dentro de cada envase de muestra con una boquilla ubicada en la
parte inferior de la base rotatoria. El horno RTFO debe ser precalentado a la temperatura
de envejecimiento de 163ºC, por un período mínimo de 16 horas antes de ser usado.

Ventilador

Envase para
muestra

Surtidor de
aire

Foto 4.4 Ensayo de Película Fina en Horno Rotatorio
Presión de Envejecimiento Vessel, PAV. AASHTO PP1
El ensayo de Presión Vessel, PAV simula el envejecimiento largo del ligante, para un
período de servicio entre 7 a 10 años. Como el ligante es sometido a un envejecimiento
largo (durante vida de servicio) debe haber sufrido envejecimiento corto (durante la mezcla
y construcción), por lo que la muestra que se envejece en el PAV será aquella que fue
previamente envejecida en el RTFO.


60



Cámara de
presión Vessel

Portamuestras

Bases

Foto 4.5: Equipo para ensayo de Presión de Envejecimiento Vessel
El envejecimiento se realiza a diferentes temperaturas dependiendo del clima de diseño.
Cuando la temperatura del Vessel está dentro de 2ºC de la temperatura requerida, se
aplica la presión. Luego de 20 horas, la presión se disminuye paulatinamente y el
portamuestras se retira del PAV y guardan cuidadosamente.
Ensayos Reológicos
Viscosímetro Rotacional, RV. ASTM D4402
El ensayo en el viscosímetro rotacional o de Brookfield es usado para determinar las
características de flujo del ligante asfáltico asegurando que puede ser bombeado y
manipulado para la mezcla en caliente. Como se muestra en la Foto 4.6, el viscosímetro
rotacional está compuesto por un contenedor térmico, un controlador de temperatura, eje
de extensión, llaves de control y lector digital. El viscosímetro automáticamente calcula la
viscosidad a la temperatura de ensayo.
Reómetro de Corte Dinámico, DSR. AASHTO TP5
El Reómetro de Corte Dinámico, DSR determina el comportamiento elástico-viscoso del
ligante a través del Módulo de Corte Complejo, G* y el ángulo de fase, para
temperaturas altas e intermedias.
El ensayo consiste en colocar la muestra de asfalto entre dos platos paralelos, uno que es
fijo y el otro oscilante. Todos los ensayos en ligante Superpave se hacen a una frecuencia
de 10 rad/s que es aproximadamente igual a 1.59 Hz (ciclos por segundo).

61



Eje de
extensión
Contenedor
térmico
Controlador de
temperatura

Foto 4.6: Viscosímetro Rotacional

El Módulo de Corte Complejo, G* es la resistencia del material a deformarse cuando se
expone a pulsos repetidos de esfuerzos cortante, tiene 02 componentes: elástico
(recuperable) y viscoso (no recuperable). A temperaturas altas, el asfalto se comporta
como un líquido viscoso, sin capacidad de recuperación con = 90º (componente
solamente viscoso) en la Figura 4.11.
Comportamiento Viscoso
G1*

V1

Ambos comportamientos
visco-elástico
G2*

V2
1
2

E1

E2

Comportamiento
Elástico

Figura 4.11: Comportamiento Visco-elástico
A bajas temperaturas, el asfalto se comporta como un sólido elástico. Esta condición se
representa en el eje horizontal (solamente componente elástica) en la figura 4.11. En este
caso, = 0º.


62



Bajo temperaturas normales de pavimento y cargas de tráfico, el asfalto actúa con
características de sólido elástico y líquido viscoso. En la Figura 4.11 G1* y G2* representan
los módulos complejos de los asfaltos 1 y 2. El asfalto 2 es más elástico que el asfalto 1,
porque su es menor.
Reómetro de Viga de Flexión, BBR. AASHTO TP1
El Reómetro de Viga de Flexión, BBR determina la propiedad del ligante a bajas
temperaturas. El BBR se usa para medir cómo el ligante se deflecta o fluye bajo carga y
temperatura constante. Las temperaturas de ensayo en el BBR se relacionan a las
temperaturas de servicio mínimas del pavimento, cuando el asfalto actúa mas como un
sólido elástico. De esa manera, el ensayo se realiza sobre ligante doblemente envejecido
en RTFO y PAV.
Sobre una viga de asfalto se aplica manualmente una carga y se mide la deflexión con el
transductor de deformaciones, Figura 4.12. Durante el ensayo se grafica la carga y
deflexión versus el tiempo. Luego de 240 segundos, la carga de ensayo es
automáticamente retirada y el software del reómetro calcula la rigidez al flujo y razón de
flujo.
Transductor de
deformaciones
Posición
original de la
viga de asfalto

Posición
deflectada de la
viga de asfalto

Figura 4.12: Ensayo de Viga de Flexión, BBR
Superpave especifica que la rigidez del ligante sea menor a 300 MPa. En caso de que la
rigidez se ubique entre 300 y 600 MPa, comportamiento poco dúctil del ligante a baja
temperatura, deberá realizarse el ensayo de Tensión Directa, DTT a la temperatura mínima
incrementado en 10 C con el ligante envejecido, PAV.
Ensayo de Tensión Directa, DTT. AASHTO TP3
El equipo que mide la cantidad de deformación del ligante antes de la falla a temperaturas
muy bajas es el ensayo de tensión directa, DTT. El ensayo se realiza a un rango de


63



temperatura entre –0ºC a –36ºC. El ligante debe ser doblemente envejecido por RTFO y
PAV.
El ensayo DTT consiste en jalar un espécimen de asfalto hasta que falle. La elongación a
la que falla, se usa para calcular la deformación de falla, que es un índice que despeja la
duda de cómo se comportaría el ligante (frágil o dúctil) a bajas temperaturas de ensayo. La
Fig. 4.13 ilustra el procedimiento de ensayo.
Carga
L
deformació n de falla

Le

variación de longitud L
Longitud efectiva L e

Carga

Figura 4.13: Ensayo de Tensión Directa, DTT
4.7 Asfaltos diluidos y Emulsiones Asfálticas
El uso de emulsiones asfálticas se ha ido incrementando por una serie de razones, entre ellas
por salud, seguridad, medio ambiente, costos y técnicas. La emulsión asfáltica consiste de tres
ingredientes básicos: asfalto, agua y agente emulsivo.
Mezclar agua y asfalto es una tarea tan similar a la del mecánico que intenta lavar, solo con
agua, sus manos engrasadas. Sólo con detergente o con un agente jabonoso la grasa puede
ser exitosamente removida. Las partículas de jabón rodean los glóbulos de grasa, rompen la
tensión superficial que los mantiene unidos, y permiten que sean eliminados 3 .
Análogamente el agente emulsivo rompe la tensión superficial del asfalto separándolo en
diminutos glóbulos dispersos en un medio acuoso. Cuando el asfalto rompa, las moléculas de
asfalto dispersas se volverán a reunir. Al curar el agua se evapora y el residuo asfáltico
conserva toda la capacidad adhesiva, y resistencia al agua propia del cemento asfáltico con el
cual fue elaborado.
Las emulsiones asfálticas pueden clasificarse en aniónicas y catiónicas, que se refieren a las
cargas eléctricas que rodean las partículas de asfalto.

3

Emulsiones asfálticas, MS-19, Asphalt Institute.

64



La segunda clasificación de las emulsiones se basa en la velocidad con que las gotas de
asfalto coalescen, esto es, se juntan restaurando el volumen de cemento asfáltico.
4.8 Asfaltos Modificados
Como material viscoelástico, el asfalto tiene una gran importancia en la determinación de
muchos aspectos del comportamiento de la carretera. Por ejemplo, una mezcla bituminosa
necesita ser lo suficientemente flexible a temperaturas bajas de servicio, para prevenir los
agrietamientos térmicos, y lo suficientemente resistente para soportar las deformaciones
permanentes. Esas propiedades son necesarias para que el pavimento sea capaz de soportar
el crecimiento de tráfico con variaciones climáticas. Lamentablemente las mezclas bituminosas
con asfalto convencional, no siempre tienen el comportamiento deseado. Para tal sentido se
han desarrollado algunos modificadores.
Los polímeros se clasifican de innumerables maneras, de acuerdo con la necesidad; sin
embargo, la clasificación más usada es:
a) Termorígidos, son aquellos que por acción del calor se endurecen de forma irreversible
b) Termoplásticos, son aquellos que por acción del calor se ablanda de forma reversible,
endureciéndose cuando se enfrían. Ejemplo: EVA, polietileno, etc.
c) Elastómeros, son aquellos que cuando calentados se descomponen antes de
ablandarse y presentan propiedades elásticas que recuerdan al caucho.
d) Elastómero-termoplástico, son aquellos que al ser calentados se comportan como
termoplásticos, y a temperatura bajas presentan propiedades elásticas, como por ejemplo
el SBS.
Asfaltos Modificados con SBS
El principal propósito de utilizar modificadores de caucho en mezclas asfálticas en caliente es
incrementar la rigidez de la mezcla a altas temperaturas, volverlo más elástico y resistente al
agrietamiento por fatiga a temperaturas intermedias de servicio y no modificar su rigidez a
bajas temperaturas de servicio para resistir el agrietamiento térmico.
Los dominios poliestirénicos se funden encima de los 90ºC y el dominio polibutadiénico se
torna rígido próximo a –90ºC, por esa razón el SBS es usado como modificador del cemente
asfáltico tanto en zonas de muy alta temperatura como en zonas con muy bajas temperaturas.
En zonas donde las temperaturas son mucho más altas que el punto de ablandamiento del
cemento original, cuando se presenta un flujo prácticamente viscoso, el SBS forma una malla
que envuelve el ligante fluido, manteniendo alta consistencia en el sistema debido al estado
sólido del dominio del estireno.

65



En zonas donde las temperaturas son muy bajas el cemento asfáltico tiene un comportamiento
más rígido. El SBS disminuye bastante el punto de ruptura Fraass de la mezcla, confiriendo
confiriéndole elasticidad a bajas temperaturas.
Con la elevación del punto de ablandamiento y al mismo tiempo la disminución del punto de
ruptura Fraass del cemento asfáltico, la presencia del elastómero termoplástico SBS en el
cemento asfáltico incrementa considerablemente el rango de plasticidad, lo que significa una
considerable reducción de su susceptibilidad térmica, que es la cualidad mas buscada entre los
modificadores del cemento asfáltico.
4.9 VISCOSIDAD DEL ASFALTO ORIGINAL
La viscosidad del asfalto original (no envejecido) a 25ºC puede calcularse conociendo la
penetración del asfalto, el modelo desarrollado por Mirza y otros (AAPT 1995) de la Universidad
de Maryland 4 es:
log

10.5012 2.2601log( Pen ) 0.00389 log( Pen ) 2

(4.1)

El valor de la viscosidad se expresa en poises. Esta ecuación es aplicable a valores de
penetración en un rango de 3 a 300 dmm. Sin embargo, cuando no se tenga como dato exacto
la penetración del asfalto, su viscosidad puede calcularse con la ecuación propuesta por la
Guía de Diseño Empírica-Mecanística AASHTO 2002:
log log

A

VTS log TR

(4.2)

donde la viscosidad se expresa en centipoises (cP), TR es la temperatura en Rankine; y A y
VTS son parámetros de regresión que están en función de la gradación del ligante. Los
parámetros de regresión A y VTS son:
Tabla 4.1: Parámetros de Regresión A y VTS
PEN
40-50
60-70
85-100
120-150
200-300

A
10.5254
10.6508
11.8232
11.0897
11.8107

VTS
-3.5047
-3.5537
-3.6210
-3.7252
-4.0068

Appendix EE-1 de la Guide for Mechanistic-Empirical Design of New and Rehabilitated Pavement Structures. NCHRP
August 2003.

4


66



La Guía AASHTO 2002 indica que se debe tener especial cuidado cuando se usa la ecuación
4.2 a bajas temperaturas, pues la viscosidad del ligante asfáltico se aproxima a 2.7x1010 Poise,
por lo tanto, la viscosidad a bajas temperaturas es igual al menor valor entre el calculado por la
ecuación 2 y 2.7x1010 Poise. La Tabla 4.2 muestra la viscosidad del ligante no envejecido para
diferentes temperaturas de pavimentos y penetraciones. Otra alternativa es medir la viscosidad
del asfalto a la temperatura de interés, empleando el reómetro de corte dinámico de la
metodología Superpave, tal como lo propone AASHTO 2002.
Tabla 4.2: Viscosidad de Ligante No Envejecido, Mpoise
TºC
-10
0
10
20
40
60

Viscosidad del ligante no envejecido, Mpoise
PEN 40-50 PEN 60-70 PEN 85-100 PEN 120-150 PEN 200-300
1,115,628.43 731,029.32 417,758.92 173,811.03
19,295.57
21,249.81 13,933.23
7,967.08
3,339.57
381.226
739.15
487.84
281.40
120.22
14.533
42.136
28.105
16.444
7.214
0.941
0.435
0.298
0.181
0.085
0.013
0.014
0.010
0.006
0.003
0.001


67

CAPITULO 5:
ESFUERZOS Y DEFORMACIONES
EN EL PAVIMENTO
5.1 Introducción
Actualmente, la mayoría de los métodos de diseño de pavimentos no consideran la contribución
de cada capa en la resistencia a la fatiga, asentamientos permanentes y el de agrietamiento
por temperatura, mas aún, cuando cada capa del pavimento tiene una función propia. Los
métodos denominados empíricos-mecanísticos pueden considerar la contribución estructural
de las diferentes capas de un pavimento flexible, lo que no ocurre por ejemplo, con el método
AASHTO 1993. Recientemente la incorporación de los conceptos de la mecánica estructural
denominados “conceptos mecanísticos” es utilizada en el análisis, diseño y refuerzo de la
estructura de los pavimentos. Las Agencias de Transportes de los Estados de Illinois,
Kentucky, Minnesota y Washington están adoptando procedimientos de diseño mecanísticos.
El presente capítulo se difunde la consideración de los conceptos mecanísticos en la resiliencia
de los materiales y la evaluación de la sub-rasante.
5.2 Módulo Elástico
El parámetro que se utiliza en la estimación de deformaciones bajo cargas estáticas es el
módulo de elasticidad. El módulo elástico relaciona los esfuerzos aplicados y las deformaciones
resultantes. El nivel de esfuerzos aplicado al suelo a través de la estructura del pavimento es
mínimo comparado con la deformación en falla, por ello se asume que existe una relación lineal
entre los esfuerzos y las deformaciones.
La teoría de la elasticidad permite utilizar ensayos de laboratorio y campo para la determinación
del módulo elástico. La Figura 5.1 muestra los ensayos disponibles en nuestro medio.
El ensayo de compresión confinada utilizando el consolidómetro simula el comportamiento
deformacional que tendrá el suelo debajo de una cimentación superficial. El esfuerzo de
confinamiento lateral es variable durante la prueba, dada por la pared metálica del equipo que
no permite la deformación horizontal de la muestra. El ensayo permite obtener el módulo
elástico en la condición natural y humedecida. En suelos arenosos el humedecimiento bajo
carga ocurre de manera inmediata y es posible medir el asentamiento adicional por este efecto.
El ensayo triaxial estudia el comportamiento deformacional del suelo bajo confinamiento y
permite obtener módulos elásticos para cualquier nivel de presión de confinamiento y
deformación. Los parámetros se utilizan cuando las presiones verticales transmitidas alcanzan
profundidades importantes. El equipo no permite medir el efecto del humedecimiento.


Esfuerzos y Deformaciones en el Pavimento

El ensayo C.B.R. y el ensayo de placa de carga permiten obtener los parámetros elásticos en la
evaluación de la sub-rasante. Sin embargo, en nuestro medio no se utiliza la práctica ingenieril
recomendada por Valle Rodas, 1967 de ensayar muestras inalteradas. La ventaja del ensayo
C.B.R. es la evaluación de la influencia de la densidad natural y el humedecimiento.
COMPRESION
TRIAXIAL
ASTM D 4767

COMPRESION
EDOMETRICA
ASTM D 2435

C.B.R.
ASTM D 1883

p

d

PLACA DE CARGA
ASTM D 1194

p

p

c

c

ev= h/ho

E.edo = p/ev

Ecbr = 9.83CBR (kg/cm2)
d

E.t =

E = (1- )pr/2
d./ev

A. ORDOÑEZ, 2001
A ORDOÑEZ 2001

Fig. 5.1 Ensayos para la Obtención del Módulo Elástico
En la Figura 5.2 se estudia el efecto de las cargas en el pavimento. Cada ciclo de carga
produce en el suelo una componente de deformación plástica, no recuperable y una
componente de deformación elástica, recuperable. Con los ciclos siguientes de cargas los
incrementos de deformación plástica producidos tienden a desaparecer, en cambio las
deformaciones elásticas tienden a ser constantes.
El Módulo Resiliente, MR relaciona el esfuerzo aplicado y la deformación elástica en la
condición estable o residual cuando el suelo presente un comportamiento elástico. El módulo
resiliente no representa el comportamiento total, desde el inicio del ciclo de cargas hasta el
final.
Sin embargo, el módulo resiliente relaciona las cargas móviles o rápidas y las deformaciones
instantáneas resultantes. El valor del Mr puede ser 10 veces el valor del Módulo Elástico.
Los suelos granulares que conforman las capas del pavimento, presentan una adecuada
gradación y compactación. El comportamiento de estas capas granulares, bajo los ciclos de
carga, no presentará deformaciones plásticas significativas. Se asume que durante el
adecuado proceso constructivo, las deformaciones plásticas se anularán. En este caso es
apropiado modelar el comportamiento de las capas con el Módulo Resiliente, MR. Al respecto la
Guía AASHTO, 93 presenta valores establecidos en el laboratorio, basados en el valor CBR.


69


p


PLACA DE CARGA
ASTM D 1194

TRIAXIAL CICLICO
ASTM D 5311

carga, p
(kg/cm2)

carga, p
(kg/cm2)

c

c

p
D

k = p/s
(kg/cm3)
asentamiento, s
(cm)

Mr = p/

e

p

e
total

deformación
vertical, ev

k = 1.4E/D

A. ORDOÑEZ, 2001

Fig. 5.2 Ensayos para Modelar el efecto de las Cargas en el Pavimento
El caso crítico lo constituye cuando la sub-rasante contiene fracciones importantes de finos
limo-arcillosos. Es sabido que los suelos limo-arcillosos sometidos a cargas estáticas
permanentes presentan deformaciones diferidas (con el tiempo) asociado al fenómeno de
consolidación. Bajo cargas no permanentes, de corta duración y repetidas, como son las
cargas de tránsito, el tiempo que demorará en consolidarse será mayor, lo que traduce en el
mayor número de ciclos. Es decir, el adecuado proceso constructivo no será suficiente para
anular las deformaciones plásticas. El estado final resiliente solo se consigue con un número
grande de ciclos de carga y la deformación plástica acumulable será significativa. El módulo
resiliente, MR al representar solamente el comportamiento deformacional final, no será
representativo del comportamiento del suelo.
Las sub-rasante con componentes importantes limo-arcillosas sujetas a deformaciones
plásticas acumulables significativas (bajo valor de CBR), estarán sujetas a dos alternativas:
estabilizar primero el subsuelo para luego diseñar el pavimento o alejar el subsuelo de la
influencia de las cargas (considerando un espesor mayor de relleno granular) esto es, del bulbo
de presiones generadas por las cargas de tránsito.
5.3 Subrasante
La sub-rasante es “el nivel superior de la plataforma de una carretera”..”donde se coloca la
estructura del pavimento” (EG-2000, MTC). Sin embargo, el concepto de capacidad de soporte
a nivel de sub-rasante o simplemente “capacidad de soporte de la sub-rasante” implica la
evaluación estructural y por consiguiente la determinación de la respuesta mecánica del
subsuelo hasta la “profundidad donde pueden generarse deformaciones significativas”.


70



La rehabilitación de carreteras y pavimentos urbanos exige disponer anualmente de montos
importantes del Presupuesto de la Nación. En los EE.UU. también ocurrió esta misma situación
hace más de 10 años. La conclusión fue que los métodos de diseño de estructuras de
pavimentos eran básicamente empíricos y los conceptos de la mecánica estructural que se
habían incorporado en las últimas décadas a la ingeniería civil, aún no se habían incorporado
en la ingeniería de pavimentos. Actualmente la tendencia en los EE.UU. y países europeos es
considerar períodos de diseño de 40-50 años mediante estructuras denominadas “pavimentos
perpetuos”, que no requieren mantenimiento durante los primeros 20 años.
En la estructura de pavimento, las capas (elementos estructurales) que componen el pavimento
no presentan asentamientos significativos, siendo la sub-rasante o cimentación del pavimento
propenso a deformarse. Entonces, la primera conclusión es que las fallas estructurales que aún
se presentan en nuestro medio, se deben a una limitada, incorrecta y no actualizada
metodología de evaluación de la sub-rasante. La ingeniería geotécnica nos describe un país
donde se presentan suelos con respuesta mecánica variadas, utilizando términos como: suelos
colapsables, expansivos, densificables, licuables, compresibles, suelos inestables no
consolidados o de formación reciente (módulos elásticos menores a 100 kg/cm2), cuyo común
denominador es presentar deformaciones significativas que afectarán estructuras de concreto y
más aún a estructuras que admiten mucho menor valor de asentamiento admisible (menor a
1mm), como son las estructuras de pavimento. Definitivamente, un asentamiento mayor
ocasiona la fatiga prematura de la carpeta asfáltica, elemento que es muy rígido (módulo
elástico superior a 30,000kg/cm2).
En nuestro país, muchas generaciones de ingenieros utilizan el ensayo CBR, ASTM D 1883
para determinar la capacidad de soporte de la sub-rasante, sin embargo, no se considera la
humedad ni la densidad “in situ”. Se asume generalmente que la capacidad de soporte de la
sub-rasante es el resultado del ensayo asociado a la Máxima Densidad Seca del ensayo
Proctor Modificado. Si bien es cierto que el ensayo CBR de campo es costoso y no sería
recomendable realizarlo, existe otra alternativa propuesta basado en utilizar el mismo molde
CBR, llevarlo al campo y con ello extraer una muestra inalterada. En suelos finos, arenolimosos, los suelos más susceptibles a presentar alta deformabilidad se prestan para esta
práctica. En el laboratorio, se realiza la prueba de penetración sobre la muestra en condiciones
naturales obtenida con el molde CBR, obteniéndose un valor representativo del
comportamiento de la sub-rasante.
En depósitos de suelos granulares con presencia de boleos y bloques no consolidados de
formación reciente, generalmente como resultado de fenómenos geodinámicos presentarán
deformaciones permanentes acumulables debido a la densificación producida por el impacto de
las cargas dinámicas de tránsito. En este aspecto, es preciso indicar que la deformación de
estos suelos suelen ser de magnitudes similares a los suelos limo-arcillosos compresibles.
Ensayos para medir las deformaciones producidas en suelos granulares sueltos utilizando la
mesa vibradora arrojaron resultados ilustrativos.


71



5.4 Teoría elástica de medios semi-infinitos
El cálculo de los esfuerzos transmitidos al terreno debido a la aplicación de las cargas de
tránsito se basa en las siguientes consideraciones:
a) Se asume que el terreno se comporta elásticamente; es decir, que las deformaciones que
se generan serán proporcionales a las cargas aplicadas.

axial

axial

axial

E

axial

radial

r
a

Donde:
relación de poisson
deformación radial
deformación axial

r
a

b) La aplicación de una carga circular uniforme genera esfuerzos (normales y
tangenciales) en el terreno.
2a
q
z

z

zr
rz
r

t

Figura 5.3:
Componente de esfuerzos,
carga circular y coordenadas
cilíndricas

E,

r


72



Se utiliza un sistema de coordenadas cilíndricas donde z, r y t, son esfuerzos normales
y zr es el esfuerzo tangencial. Los cuatro componentes definen el estado de esfuerzos en
el punto inferior (r,z).
c) La aplicación de la Teoría Elástica, basado en la integración numérica de la solución de
Boussinesq (1885). Considerando un medio homogéneo, elástico, isotrópico y semi-infinito,
se tiene:

P (tn)
z

z

E,

3P
z3
........ (5.1)
2 2
2 5/ 2
r
z

z

r

Figura 5.4: Solución de Boussinesq
para el cálculo de esfuerzos verticales
z

5.5 Aplicación de la solución de Boussinesq y la Teoría Elástica
Considerando una carga circular uniformemente repartida de magnitud q, y un plano horizontal
cualquiera a una profundidad z1, se tendrán los máximos esfuerzos verticales transmitidos,
zmáx, cuando r=0 (punto ubicado en el eje vertical).
eje
a
q
E,

z1
zmáx

r=0
crítico

plano z1


73



Según Foster y Ahlvin (1954) tenemos los valores de
máximo en el centro del área circular para z=0= es:

zmáx,

z

y la deflexión (asentamiento

a) Esfuerzo máximo vertical (en el eje vertical)

z

z3

q1
a

note que el

z

2

z

......... (5.2)

2 1.5

es independiente de E y .

b) Deformación máxima vertical (en el eje vertical)
1
z

E

z3

2 z

q1 2
a

2

z

2 0.5

a

2

z

2 1.5

......... (5.3)

c) Deflexión vertical máxima en la superficie y en el centro de la carga circular.
2

21
0

E

qa

Para z=0 y r=0

......... (5.4)

Ejemplo 1:
Determinar los esfuerzos y deformaciones en una carretera que no será pavimentadas
(trochas). La subrasante está conformada por conglomerado (gravoso muy compacta) de alta
capacidad de soporte, CBR de 100%. El módulo elástico, E, de 1000 kg/cm2 y relación de
poisson, , 0.40. la carga aplicada es de 7 kg/cm2 y el radio de contacto entre la llanta y la
superficie de rodadura es 15 cm.
a=15 cm
q=7 kg/cm2
E=1000 kg/cm2
=0.40

Solución:
Aplicando la ecuación 5.2 se obtiene z y con la ecuación 5.3 se determina la
expresarla en porcentaje se multiplica por 100.

z,


para

74


Prof. (cm)
0
5
10
15
30
45
60
75
90


(kg/cm2)
7
6.8
5.8
4.5
2.0
1.0
0.6
0.4
0.3

z

z (%)
0.20
0.41
0.46
0.40
0.20
0.10
0.06
0.04
0.03

La deflexión vertical máxima en la superficie (asentamiento en la superficie) y en el centro del
área cargada se calcula con la ecuación 5.4.
2

21
0

qa

E

2 1 0.40 2
0
0

1000 kg/cm
1.8 mm

2

7kg/cm 2 15 cm

la distribución de esfuerzos y deformaciones en función de la profundidad es:
0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0

0.0
0

15

Deformaciones,

z,

2

3

4

5

6

7

8

15

30

1

0

30

Esfuerzos,

%
45

60

75

75

90

kg/cm2

45

60

z,

90


75



De las figuras se puede concluir que los primeros 30 cm de la subrasante asumen el 70% de
los esfuerzos transmitidos por el tránsito.
Ejemplo 2:
Determinar los esfuerzos y deformaciones en una carretera que no será pavimentadas
(trochas). La subrasante está conformada por arena fina uniforme, semi-compacta, de baja
capacidad de soporte, CBR de 10%. El módulo elástico, E, de 100 kg/cm2 y relación de
poisson, , 0.30. la carga aplicada es de 7 kg/cm2 y el radio de contacto entre la llanta y la
superficie de rodadura es 15 cm.
a=15 cm
q=7 kg/cm2
E=100 kg/cm2
=0.30

Solución:
Aplicando la ecuación 5.2 se obtiene z y con la ecuación 5.3 se determina la
expresarla en porcentaje se multiplica por 100.
Prof. (cm)
0
5
10
15
30
45
60
75
90

z

(kg/cm2)
7
6.8
5.8
4.5
2.0
1.0
0.6
0.4
0.3

z,

para

z (%)
3.64
5.08
5.12
4.28
2.01
1.05
0.63
0.41
0.29

La deflexión vertical máxima en la superficie (asentamiento en la superficie) y en el centro del
área cargada se calcula con la ecuación 5.4.
2

21
0

E

qa

2 1 0.30 2
0
0

100 kg/cm
19 mm

2

7kg/cm 2 15 cm


76



la distribución de esfuerzos y deformaciones en función de la profundidad es:
6

4

2

0

0
0

15

2

3

4

5

6

7

8

15

30

1

0

30

Deformaciones, z, %

Esfuerzos,
45

75

90

2

60

75

kg/cm

45

60

z,

90

Como se observa la distribución de esfuerzos en el problema 1 y 2 es el mismo, esto se debe a
que los esfuerzos transmitidos no dependen de los parámetros de suelo, sino de la carga
aplicada.
La distribución de las deformaciones varía en uno y otro problema porque depende de las
características de la subrasante.
Sistema de 2 capas
Para un sistema de dos capas como:
a
q
h1: espesor de lastrado

E1
subrasante

E2

z


77



a) Esfuerzos verticales
Los esfuerzos verticales en un sistema de dos capas dependen de la relación de los módulos
E1/E2 y la relación h1/a. La figura 5.5 muestra el efecto de la capa de pavimento en la
distribución de esfuerzos verticales bajo el centro del área circular cargada.

Figura 5.5: Esfuerzos Verticales en Medios de 02 Capas
Para la carta mostrada la =0.5 asumida para todas las capas. Se puede observar que los
esfuerzos verticales decrecen significativamente con el incremento de la relación de módulos.
En la interface pavimento-subrasante, el esfuerzos vertical es aproximadamente el 68% de la
presión aplicada si E1/E2=1, y se reduce alrededor del 8% de la presión aplicada si E1/E2=100.
Ejemplo 1:
Si la presión aplicada proveniente del tráfico es 80 psi (5.52 kg/cm2) y el radio del área de
contacto entre la llanta y la superficie de rodadura es 6” (152 mm). La subrasante tiene módulo
elástico E2=350 kg/cm2. La carpeta tiene E1=35000 kg/cm2 y h1=a=6”. Determinar el esfuerzo
vertical en la interface.
Solución:
E1
E2

35000
100
350

de la figura 5.1

z

q

0.08 ;

z

0.08 5.52

0.44 kg / cm 2 ; esto significa que la subrasante

debe distribuir 0.44 kg/cm2 y la carpeta absorbió 5.08 kg/cm2.


78



b) Deflexiones verticales (asentamientos)
La deflexión vertical superficial se usa como criterio en el diseño de pavimentos. La figura 5.6
se puede usar para definir las deflexiones verticales de sistemas de 2 capas.

Figura 5.6: Deflexiones Verticales en la Superficie para
Sistemas de 02 Capas (Burmister 1943)
La deflexión se expresa en función del factor de deflexión F2 por:
o

1.5qa
F2
E2

El factor de deflexión está en función de E1/E2 y h1/a.
Ejemplo 2:
Determine la deflexión vertical en los siguientes casos:
a)
q=7kg/cm2
o

E1=35000 kg/cm2

E2=1000 kg/cm2

h1=4”=10 cm
conglomerado


79



Solución:
E1
E2

35000
1000

h1
a

10 cm
15 cm

35
0.67

de la figura 5.6 se obtiene F2=0.46.
o

1.5qa
F2
E2

o

1.5 7 15
0.46
1000

0.72 mm

b)
q=7kg/cm2
o

h1=4”=10 cm

E1=35000 kg/cm2

Arena uniforme
semicompacta

E2=100 kg/cm2

Solución:
E1
E2

35000
100

h1
a

10 cm
15 cm

350
0.67

de la figura 5.6 se obtiene F2=0.26.
o

1.5qa
F2
E2

o

1.5 7 15
0.26
100

4.1 mm

Sistema Elástico de Múltiples Capas
El sistema elástico de múltiples capas está compuesto por el sistema de n-capas en
coordenadas cilíndricas, la capa n-ésima es de espesor infinito. Para cada capa se debe
conocer su módulo de elasticidad E y su relación de Poisson . Figura 5.7.
Para restablecer la condición entre las interfaces de este sistema de múltiples capas, se debe
evaluar la condición “ligada” o “no ligada”. El término "ligado" es un requerimiento necesario
para establecer la condición de frontera o interfase entre las capas de una estructura de

80



pavimentos, de tal manera que se facilite la solución numérica de la ecuación diferencial del
problema elástico, vía elementos finitos o diferencias finitas. Esto quiere decir que el término
tiene una connotación matemática y física, equivalente a un modelo de interfase entre capas.
En una interfase tenemos que modelar la "transición" que existe entre los desplazamientos,
deformaciones y esfuerzos de los materiales vecinos. Si asumimos que estas variables serán
iguales, estaremos en la condición "ligada", si alguna de estas variables fuera diferente la
condición sería "ligado intermedio" y si las variables del estado de esfuerzo tensional fueran
diferentes seria "no ligado".
En cualquier caso estaremos ante la necesidad de modelar la interfase. Este problema es
común en un problema geotécnico donde se involucran materiales diferentes, sobre todo si uno
de ellos está sometido a esfuerzos mayores o concentrados, por ejemplo un anclaje o una capa
de refuerzo, en el pavimento por ejemplo sería el modelar la presencia de una geomalla. Este
problema puede ser de difícil solución, salvo se implementen modelos de transferencia,
basados en investigaciones experimentales.
En un problema convencional de pavimentos, la cosa se simplifica, dado que los materiales
granulares con especificaciones rigurosas, friccionantes y compactados siempre obedecerán a
una interfase "ligada". Por ello los textos de pavimentos cuando se refieren a este aspecto
indican que el problema se debe considerar casi siempre como "ligado". Sin embargo, siempre
hay excepciones y se puede dar el caso de ligado intermedio.
Es muy difícil encontrar una interfase no ligada, salvo corresponda a un diseño particular
deficiente, y por lo tanto no tendría importancia en la práctica ingenieril. Se me ocurre por
ejemplo, de una carpeta asfáltica en caliente rígida sobre una subrasante arcillosa húmeda
(aunque sea de consistencia dura, pero con interfase de baja resistencia tangencial o cortante).
Las arcillas húmedas presentan un comportamiento del tipo no drenado (fricción nula) y en la
carpeta existiría una concentración de esfuerzos donde los esfuerzos tangenciales horizontales
generarían desplazamientos relativos en la interfase. En conclusión, se recomienda utilizar la
condición ligada, en los programas de análisis deformacional que existen en nuestro medio.
Darle solución a sistemas elásticos de múltiples capas es tarea difícil, para ello se usan
herramientas como los programas de cómputo. En el medio hay diferentes programas entre
ellos el Programa Kenlayer de la Universidad de Kentucky, este programa puede ser aplicado
sólo en problemas de pavimentos asfálticos.


81



a
q
E1 ,
E2 ,

r

z1

1

2

z2

z3

En ,

n

z

Figura 5.7: Sistema elástico de múltiples capas en coordenadas cilíndricas
El programa Kenlayer es de fácil uso, para correr el programa se deben seguir los siguientes
pasos:
1.- Copiar el archivo con extensión DAT. Ejemplo copiar el archivo Rioja.
2.- Cambiar de nombre al archivo cambiado. Ejemplo Rioja 1.
3.- Abrir el archivo Rioja 1 con el Bloc de notas.
4.- Modificar la información correspondiente al proyecto en estudio. Grabar y cerrar.
5.- Abrir el programa Kenlayer, aparecerá una pantalla negra, con la siguiente inscripción:
INPUT THE DATA FILE NAME :
6.- Escribir Rioja 1.DAT, hacer enter e inmediatamente la pantalla se cerrará.
7.- En la carpeta de destino aparecerá un documento de texto denominado LAYER.
8.- Sin abrir el documento cambiarle de nombre. Ejemplo Rioja 1.OUT
9.- Abrir el nuevo documento y ver los resultados.
En el paso 4 se debe modificar la información existente por la información del proyecto, para
esto el lector se puede guiar de la ayuda memoria presentada en las siguientes hojas.


82



1 (1)
CARRETERA RIOJA TARAPOTO: PAVIMENTO DE 5 CAPAS EJE STANDARD 8.2 TON LLANTA DUAL (2)
1 0 1 1 (3)
0.00100 (4)
5 5 80 9 (5)
2.00000 3.00000 8.00000 8.00000 (6)
0.40000 0.35000 0.35000 0.30000 0.30000 (7)
0.00000 2.00000 5.00000 13.00000 21.00000 (8)
1 (9)
4.500E+05 3.700E+05 3.200E+04 1.700E+04 4.500E+03 (11)
1 (13)
4.52000 70.00000 (14)
3 (19)
0.00000 13.50000 0.00000 0.00000 0.00000 3.37500 0.00000 6.75000 (20)

Carpeta asfáltica: E*=450,000 psi; =0.40

2”

Base estabilizada: E*=370,000 psi; =0.35

3”

Base granular: Mr=32,000 psi; =0.35
8”

Sub base granular: Mr=17,000 psi; =0.30
8”

Fundación: Mr=4,500 psi; =0.30

z


84



NUMBER OF PROBLEMS TO BE SOLVED = 1 (1)
********************************************************************************************
*
*
* CARRETERA RIOJA TARAPOTO: PAVIMENTO DE 5 CAPAS EJE STANDARD 8.2 TON LLANTA DUAL
*
*
********************************************************************************************

* (2)

MATL = 1 FOR LINEAR ELASTIC LAYERED SYSTEM
NDAMA = 0, SO DAMAGE ANALYSIS WILL NOT BE PERFORMED
(3)
NUMBER OF PERIODS PER YEAR (NPY) = 1
NUMBER OF LOAD GROUPS (NLG) =

1
(4)

TOLERANCE FOR INTEGRATION (DEL) -- = .00100
NUMBER OF LAYERS (NL)------------- =

5

NUMBER OF Z COORDINATES (NZ)------ =

5

LIMIT OF INTEGRATION CYCLES (ICL)- =

80

(5)
COMPUTING CODE (NSTD)------------- =
THICKNESSES OF LAYERS (TH) ARE
POISSON'S RATIOS OF LAYERS (PR) ARE

9
:

2.00000
:

.40000

VERTICAL COORDINATES OF POINTS (ZC) ARE:

3.00000

8.00000

8.00000

(6)

.35000

.35000

.30000

.30000

.00000

2.00000

(7)

5.00000 13.00000 21.00000

ALL INTERFACES ARE FULLY BONDED
(9)
FOR PERIOD NO. 1 ELASTIC MODULI OF LAYERS ARE: .450000E+06 .370000E+06 .320000E+05


(8)

.170000E+05 .450000E+04 (11)

85



(13)
LOAD GROUP NO. 1 HAS 2 CONTACT AREAS
CONTACT RADIUS (CR)--------------- = 4.52000
(14)
CONTACT PRESSURE (CP)------------- = 70.00000
NO. OF POINTS AT WHICH RESULTS ARE DESIRED (NPT)-- =
3
WHEEL SPACING ALONG X-AXIS (XW)------------------- = .00000
WHEEL SPACING ALONG Y-AXIS (YW)------------------- = 13.50000
POINT NO. AND X AND Y COORDINATES ARE :
1 .00000 .00000 2 .00000 3.37500 3 .00000 6.75000

(19)
(20)

PERIOD NO. 1 LOAD GROUP NO. 1
z
POINT
NO.

1
1
1
1
1
POINT
NO.

2
2
2
2
2
POINT
NO.

3
3
3
3
3

t

z

t

VERTICAL

VERTICAL VERTICAL MAJOR INTERM.
MINOR VERTICAL MAJOR
MINOR HORIZONTAL
PRINCIPAL PRINCIPAL PRINCIPAL
COORDINATE DISP.
STRESS
STRESS
STRESS STRESS
STRAIN
STRAIN
STRAIN
STRAIN

.00000
2.00000
5.00000
13.00000
21.00000

.2780E-01
.2768E-01
.2725E-01
.2436E-01
.2194E-01

.7478E+02
.5407E+02
.1690E+02
.5161E+01
.2319E+01

.1986E+03
.5578E+02
.1698E+02
.5373E+01
.2345E+01

.1895E+03
.4523E+02
-.8627E+02
-.5429E+01
-.3720E+01

.7478E+02
.4111E+02
-.1060E+03
-.6580E+01
-.4286E+01

-.1788E-03
.4189E-04
.2275E-03
.2903E-03
.2772E-03

.2064E-03
.4721E-04
.2278E-03
.2993E-03
.2792E-03

-.1788E-03
.1575E-05
-.2211E-03
-.2050E-03
-.2278E-03

.1782E-03
.6888E-05
-.2211E-03
-.2050E-03
-.2278E-03

VERTICAL

MINOR HORIZONTAL
COORDINATE DISP.
STRESS
STRESS
STRESS STRESS
STRAIN
STRAIN
STRAIN
STRAIN

.00000
2.00000
5.00000
13.00000
21.00000

.2809E-01
.2814E-01
.2779E-01
.2491E-01
.2234E-01

.4869E+02
.4432E+02
.1552E+02
.5485E+01
.2438E+01

.1721E+03
.6063E+02
.1553E+02
.5532E+01
.2445E+01

.1546E+03
.3981E+02
-.6301E+02
-.5650E+01
-.4035E+01

.4869E+02
.2360E+02
-.9931E+02
-.6936E+01
-.4498E+01

-.1822E-03
.2765E-04
.1955E-03
.3086E-03
.2939E-03

.2018E-03
.7837E-04
.1955E-03
.3105E-03
.2944E-03

-.1822E-03
-.3684E-04
-.2235E-03
-.2155E-03
-.2365E-03

.1472E-03
.1360E-04
-.2235E-03
-.2155E-03
-.2365E-03

VERTICAL

MINOR HORIZONTAL
COORDINATE DISP.
STRESS
STRESS
STRESS STRESS
STRAIN
STRAIN
STRAIN
STRAIN

.00000
2.00000
5.00000
13.00000
21.00000

.2798E-01
.2799E-01
.2781E-01
.2510E-01
.2248E-01

.3243E+02
.6060E+01
.1314E+02
.5551E+01
.2478E+01

.1474E+03
.4653E+02
.1314E+02
.5551E+01
.2478E+01

.1290E+03
.3228E+02
-.3299E+02
-.5659E+01
-.4139E+01

.3243E+02
.6060E+01
-.8611E+02
-.7035E+01
-.4569E+01

-.1736E-03
-.5659E-04
.1482E-03
.3123E-03
.2994E-03


.1841E-03
.6932E-04
.1482E-03
.3123E-03
.2994E-03

-.1736E-03
-.5659E-04
-.2140E-03
-.2187E-03
-.2394E-03

.1267E-03
.2499E-04
-.2140E-03
-.2187E-03
-.2394E-03

86

CAPITULO 6:
ESTUDIO DE TRÁNSITO PARA DISEÑO
DE PAVIMENTOS
6.1 Introducción
Este capítulo proporciona criterios y métodos para determinar el tráfico que soportará una vía
durante su período de vida y en el carril de diseño.
Es de primordial importancia conocer el tipo de vehículo, el número de veces que pasa y el
peso por eje de ese tipo de vehículo.
6.2 Definiciones
Se darán algunas definiciones y conceptos de ingeniería de tránsito:
Tipos de eje
Eje sencillo: Es un eje con una o dos ruedas sencillas en sus extremos.

o
Vista frontal
Eje tandem: Son dos ejes sencillos con ruedas dobles en los extremos.

Vista frontal
Eje tridem: Son tres ejes sencillos con ruedas dobles en los extremos.

Vista frontal



Estudio de Tránsito para Diseño de Pavimentos

Volumen de tránsito
Se define como el número de vehículos que pasan por un punto o un carril durante una unidad
de tiempo. Sus unidades son vehículos/día; vehículos/hora, etc.
Indice Medio Diario, IMD
Es el promedio del número de vehículos que pasan por un punto durante un período de tiempo.
Según el período de análisis para medir el volumen, podrá ser indice medio diario anual, IMDA,
indice medio diario mensual (IMDM) o indice medio diario semanal (IMDS).
Por ejemplo, de un aforo realizado durante una semana se obtuvieron los siguientes resultados:
Días
Lunes
Martes
Miércoles
Jueves
Viernes
Sábado
Domingo
IMDS

Nº vehículos
150
180
120
200
120
180
150
157

6.3 Reglamento Nacional de Vehículos
El D.S.Nº034-2001-MTC titulado “Reglamento Nacional de Vehículos”, reglamenta entre otras
cosas los pesos y dimensiones máximas de los vehículos para transporte terrestre.
Clasificación vehicular
Furgoneta
Vehículo automotor para el transporte de carga liviana, con 3 ó 4 ruedas, con motor de no mas
de 500 cm3 de cilindrada.
Automóvil
Vehículo automotor para el transporte de personas normalmente hasta de 6 asientos y
excepcionalmente hasta de 9 asientos.
Station Wagon
Vehículo automotor derivado del automóvil que al rebatir los asientos posteriores, permite ser
utilizado para el transporte de carga.
Camioneta pick-up
Vehículo automotor de cabina simple o doble, con caja posterior destinada para el transporte
de carga liviana y con un peso bruto vehicular que no exceda los 4,000 kg.

88



Camioneta panel
Vehículo automotor con carrocería cerrada para el transporte de carga liviana con un peso
bruto vehicular no exceda los 4,000 kg.
Camioneta rural
Vehículo automotor para el transporte de personas de hasta 17 asientos y cuyo peso bruto
vehicular no exceda los 4,000 kg.
Ómnibus
Vehículo autopropulsado, diseñado y construido exclusivamente para el transporte de
pasajeros y equipaje, debe tener un peso seco no menor de 4,000 kg.
Camión
Vehículo autopropulsado motorizado destinado al transporte de bienes con un peso bruto
vehicular igual o mayor a 4,000 kg. Puede incluir una carrocería o estructura portante.
Remolcador o Tracto camión
Vehículo motorizado diseñado para remolcar semirremolques y soportar la carga que le
transmite estos a través de la quinta rueda.
Remolque
Vehículo sin motor diseñado para ser jalado por un camón u otro vehículo motorizado, de tal
forma que ninguna parte de su peso descanse sobre el vehículo remolcador.
Semirremolque
Vehículo sin motor y sin eje delantero, que se apoya en el remolcador transmitiéndole parte de
su peso, mediante un sistema mecánico denominado tornamesa o quita rueda.
Definiciones
El capítulo 4 del D.S.Nº034-2001-MTC, considera los pesos y medidas vehiculares, a
continuación se darán algunas definiciones para un mejor entendimiento.
Capacidad de carga
carga máxima permitida para lo cual fue diseñado el vehículo. Es la diferencia entre el peso
bruto vehicular y la tara del vehículo.
Carrocería
Estructura que se adiciona al chasis de forma fija, para el transporte de carga y/o personas.
Chasis
Estructura básica del vehículo, compuesta por el bastidor. El tren motriz y otras partes
mecánicas relacionadas.

89



Eje motriz
Eje utilizado para transmitir la fuerza de tracción.
Eje no motriz
Eje que no transmitir fuerza de tracción.
Eje(s) delantero(s)
Eje(s) situado(s) en la parte anterior del chasis.
Eje(s) central(es)
Eje(s) situado(s) en la parte central del chasis.
Eje(s) posterior(es)
Eje(s) situado(s) en la parte posterior del chasis.
Eje simple (un solo eje)
Constituido por un solo eje no articulado a otro, que puede ser, motriz o no, direccional o no
anterior, central o posterior.
Eje doble (tándem)
Es el conjunto constituido por dos (2) ejes articulados al vehículo por dispositivo(s) común(es)
separados a una distancia determinada pudiendo ser motriz o no motriz.
Eje triple (trídem)
Es el conjunto de tres (3) ejes articulados al vehículo por dispositivo(s) común(es) separados a
una distancia determinada pudiendo ser motriz o no motriz.
Peso legal
Es la carga máxima por eje permitida en los diferentes tipos de carreteras de acuerdo a este
reglamento.
Peso bruto vehicular simple
Tara del vehículo más la capacidad de carga.
Peso bruto vehicular combinado
Peso bruto vehicular de la combinación camión mas remolque, y/o tracto-camón más
semirremolque o camión más remolque balanceado.
Peso máximo por eje
Es la carga permitida según el tipo de eje.
Tara de un vehículo (peso seco)
Peso del vehículo, en orden de marcha, excluyendo la carga (incluye el peso del combustible
con los tanques llenos, herramientas y neumáticos de repuesto).

90



Trailer
Vehículo no motorizado con dos o más ejes que es remolcado por un camión.
Volquete
Vehículo diseñado con un dispositivo mecánico para volcar la carga transportada.
Eje doble (no tándem)
Es el conjunto constituido por dos (2) ejes separados a una distancia determinada pudiendo ser
motriz o no motriz.
Peso Vehicular
El peso máximo por eje independiente o grupos de ejes permitido a los vehículos para su
circulación por las vías de nuestro país, es el siguiente:
Gráfico
Alternativa 2

Eje(s)

Neumático

Simple

2

7,000

Simple

4

11,000

Doble

6

16,000

Doble

8

18,000

Triple

10

23,000

Triple

12

25,000

Alternativa 1

Alternativa 3

Kilos

D.S.Nº034-2001-MTC: “Reglamento Nacional de Vehículos”


91



El peso bruto vehicular máximo es de 48,000 kg. El exceso de peso permitido por eje se
denominará tolerancia:
Eje(s)
Simple
Simple
Doble
Doble
Triple
Triple

Neumáticos
02
04
06
08
10
12

Tolerancia
350 kg
550 kg
800 kg
900 kg
1,150 kg
1,250 kg

6.4 Período de diseño
El pavimento puede ser diseñado para soportar el efecto acumulativo del tránsito durante
cualquier período de tiempo. El período seleccionado en años, para el cual se diseña el
pavimento, se denomina período de diseño. Al final de este período puede esperarse que el
pavimento requiera trabajos de rehabilitación, para devolverle a la vía un adecuado nivel de
transitabilidad.


92



Tablas de Dimensiones y Carga

Reglamento Nacional de Vehículos, Decreto Supremo Nº 034-2001-MTC, publicado en El Peruano, el 25
de julio del 2001, Pág. 207449


93



Tablas de Dimensiones y Carga (Cont….)


94






95




El peso bruto máximo permitido para unidad o combinación de vehículos es de
48,000kg.
Reglamento Nacional de Vehículos, Decreto Supremo Nº 034-2001-MTC, publicado en El Peruano, el
25 de julio del 2001, Pág. 207452

6.5 Carril de diseño
Para calles y carreteras de dos carriles, el carril de diseño puede ser cualquiera de los dos,
mientras que para calles y carreteras de carriles múltiples, generalmente es el carril externo.
Bajo ciertas condiciones, es probable que haya mayor tránsito de camiones en un sentido que
en otro. En muchos sitios los camiones circulan cargados en un sentido y vacíos en otro. Las
recomendaciones del Instituto del Asfalto y la American Association of State Highway and
Transportation Officials (AASHTO), son:


96



Instituto del Asfalto
Nº carriles
(2 direcciones)
2
4
6 ó más

%de camiones en el
carril de diseño
50
45 (35-48)
40 (25-48)

Gráficamente se puede representar como:

50%

50%

45% (35-48)

2 carriles en ambos
sentidos

4 carriles en ambos
sentidos

40% (25-48)
6 carriles en ambos
sentidos

AASHTO
Parte del conteo en ambas direcciones, el factor direccional recomendado es de 50%, aunque
este valor puede variar entre 30 a 70%. El tráfico en un sentido se separa para el carril de
diseño según la recomendación:

Nº carriles en
1 dirección
1
2
3
4
ESAL

%ESAL en el carril de
diseño
100
80-100
60-80
50-75

Equivalent Single Axle Load

6.6 Crecimiento del Tránsito
El pavimento debe ser diseñado para servir adecuadamente la demanda del tránsito durante un
período de años; por lo tanto, el crecimiento del tránsito se debe anticipar.
El crecimiento puede considerarse como el Factor de Crecimiento:


97



1 rn 1
r

Factor de Crecimiento

Donde:
r
tasa de crecimiento anual, %
n
período de diseño en años
6.7 Estimación del ESAL
El tránsito proveniente del conteo vehicular debe ser dividido para el carril de diseño. El
volumen de tránsito del carril de diseño, se convierte a un determinado número de ESAL, que
es equivalent single axle load, que es el parámetro usado en el diseño de la estructura del
pavimento. El ESAL es un eje estándar compuesto por un eje sencillo con dos ruedas en los
extremos.
El ESAL pesa 18,000 lb ó 8.2 tn ó 80 kN, y se considera que ejerce un efecto dañino sobre el
pavimento como 1.

Eje estándar

6.8 Factor de Equivalencia de Carga
Con el objeto de evaluar el efecto dañino, en un pavimento flexible, de las cargas diferentes a
un eje estándar, se han considerado factores de equivalencia de carga por eje, FEC. Estos
valores se obtuvieron a partir de los resultados experimentales de la AASHO Road Test. Los
resultados obtenidos han permitido determinar que la equivalencia entre cargas diferentes
transmitidas al pavimento por el mismo sistema de ruedas y ejes, se expresa como:
FEC

P1
P0

4

Donde: P0 es la carga estándar y P1 es la carga cuya equivalencia de daño se desea calcular
En la tabla 6.1 se muestran los factores de equivalencia de carga publicada en la Guía
AASHTO 1986.


98



Tabla 6.1: Factores de Equivalencia de Carga
Carga bruta por eje
KN
lb
4.45
8.9
17.8
26.7
35.6
44.5
53.4
62.3
71.2
80.0
89.0
97.9
106.8
115.6
124.5
133.4
142.3
151.2
160.1
169.0
178.0
187.0
195.7
204.5
213.5
222.4
231.3
240.2
249.0
258.0
267.0
275.8
284.5
293.5
302.5
311.5
320.0
329.0
338.0
347.0
356.0
364.7
373.6
382.5
391.4
400.3

1,000
2,000
4,000
6,000
8,000
10,000
12,000
14,000
16,000
18,000
20,000
22,000
24,000
26,000
28,000
30,000
32,000
34,000
36,000
38,000
40,000
42,000
44,000
46,000
48,000
50,000
52,000
54,000
56,000
58,000
60,000
62,000
64,000
66,000
68,000
70,000
72,000
74,000
76,000
78,000
80,000
82,000
84,000
86,000
88,000
90,000

Factores de equivalencia de Carga
Ejes
Ejes
Ejes
Simples
Tandem
Tridem
0.00002
0.00018
0.0003
0.00209
0.001
0.01043
0.0003
0.003
0.0343
0.001
0.007
0.0877
0.002
0.014
0.189
0.003
0.027
0.360
0.006
0.047
0.623
0.011
0.077
1.000
0.017
0.121
1.51
0.027
0.180
2.18
0.040
0.260
3.03
0.057
0.364
4.09
0.080
0.495
5.39
0.109
0.658
6.97
0.145
0.857
8.88
0.191
11.18
0.246
1.095
13.93
0.313
1.38
17.20
0.393
1.70
21.08
0.487
2.08
25.64
0.597
2.51
31.00
0.723
3.00
37.24
0.868
3.55
44.50
1.033
4.17
52.88
1.22
4.86
1.43
5.63
1.66
6.47
1.91
7.41
2.20
8.45
2.51
9.59
2.85
10.84
3.22
12.22
3.62
13.73
4.05
15.38
4.52
17.19
5.03
19.16
5.57
21.32
6.15
23.66
6.78
26.22
7.45
29.0
8.20
32.0
8.90
35.3
9.80
38.8
10.6
42.6
11.6
46.8


99



Ejemplo 1:
Calcular el factor de equivalencia de carga, FEC, de un eje simple de 124.5 kN.
Solución:
Según la tabla 6.1 el eje simple de 124.5 kN ejerce un efecto dañino de 5.39. Esto significa que
el paso de 1 eje de 124.5 kN provocan un daño igual al paso de 5.39 ejes estándar de 80 kN.
Ejemplo 2:
Calcular el factor de equivalencia de carga, FEC, de un eje simple de 4.45 kN.
Solución:
Según la tabla 6.1 el eje simple de 4.45 kN ejerce un efecto dañino de 0.00002. Esto significa
que 1 pasada de un eje estándar de 80 kN producen el mismo daño que el paso de 50,000 ejes
de 4.45 kN.
Ejemplo 3:
Calcular el factor de equivalencia de carga, FEC, de un eje tandem de 80 kN.
Solución:
Según la tabla 6.1 el eje tandem de 80 kN ejerce un efecto dañino de 0.077. Esto significa que 1
pasada de un eje estándar de 80 kN producen el mismo daño que el paso de 13 ejes tandem
de 80 kN. Esto se explica porque los esfuerzos transmitidos por el eje tandem son menores que
los esfuerzos transmitidos por el eje estándar, al tener una mayor área de contacto entre las
llantas y el pavimento.
6.9 Factor Camión, FC
Se entiende por factor camión al número de aplicaciones de ejes estándar de 80 kN,
correspondiente al paso de un vehículo. El factor camión se puede obtener por pesaje. El peso
es un método costoso para proyectos pequeños; por lo tanto, cuando se deba efectuar el
diseño para un tramo de vía en la cual no se tengan datos sobre el pesaje quedan dos
alternativas:
a) asumir el F.C. conocido de una vía cuyas características sean similares.
b) Estimar el F.C. por algún método empírico.
Se puede emplear el D.S. Nº034-2001-MTC del 25 de julio del 2001, página 207449 de El
Peruano. En el capítulo VIII de la mencionada norma se publican las dimensiones y pesos por
eje de vehículos pesados. Los autos no se incorporan en la presente norma, porque como se
vio en los ejemplos, el paso de un vehículo ejerce un daño no significativo en el pavimento.
Ejemplo 1:
Determinar el F.C. de un camión C2.

100



Solución:
El camión C2 tiene un eje delantero simple con rueda simple de 7 tn y un eje posterior simple
con ruedas dobles de 11 tn. Para calcular el daño producido por cada eje, debemos convertir el
peso en toneladas a kN ó lb. Aproximadamente 7 y 11 tn equivalen a 68 y 107 kN. Con estos
valores se ingresa a la tabla 6.1 y se calculan los factores equivalentes de carga para cada eje.
De la interpolación se obtuvo que los FEC son 0.53 y 3.03 respectivamente.
11 tn

3.03

7 tn

+

0.53 = 3.56

El factor equivalente de carga del camión C2 es 3.56
Ejemplo 2:
Determinar el FC de un T3S2
Solución:
De manera análoga al problema anterior se puede calcular que 18 tn equivalen
aproximadamente a 176 kN. De la tabla 6.1 se tiene que el efecto dañino de este eje tandem es
2.00 (valor obtenido por interpolación). Con estos datos se tiene:
18 tn

18 tn

7 tn

2.00 +

2.00 + 0.53 = 4.53

Ejemplo 3:
Calcular el FC de un T2S3
Solución:
Este trailer con semi remolque tiene 1 eje tridem en el eje posterior (en el semi remolque) y dos
ejes simples en la parte del motor, el eje central tiene ruedas dobles y el delantero ruedas
simples. Los pesos son los que se muestran en la figura.

101


25 tn

1.77

11 tn


7 tn

+ 3.03 + 0.53 = 5.33

25 tn equivalen aprox. a 244 kN, el FEC de este eje tridem es 1.77. El FEC del eje simple es
3.03 (problema 1). Con estos valores se obtiene FC=5.33.
6.10 Determinación del Número de Ejes Equivalentes
en el Carril de Diseño para el Período de Diseño.
Una vez determinado el número acumulado de vehículos que transitarán en el carril de diseño y
durante el período de diseño, es posible convertir ésta cantidad de vehículos a ejes simples
equivalentes de 8.2 tn. mediante el factor camión. El ESAL es el siguiente:
ESAL

Nº vehiculos FC vehiculo

Ejemplo 1:
Para el diseño de una calle se realizó el conteo vehicular, obteniéndose que el Indice Medio
Diario, IMD, es de 40 veh/día, de los cuales el 10% son volquetes de 2 ejes tipo C2. determinar
el ESAL de diseño para 20 años, si el diseño geométrico considera 2 carriles en cada sentido.
Tasa de crecimiento de 3.5%.
Solución:
Según el Instituto del Asfalto el carril de diseño transportará el 45% del promedio de vehículos
diarios. Esto es 45%(40 veh/día)=18 veh/día.
Según AASHTO consideraremos que en cada sentido circula el 50% del IMD, esto es 20
veh/día. En el carril de diseño se trasladará el 80% del total de vehículos que van en una
dirección, esto es 80%(20 veh/día)=16 veh/día.
Como se observa ambos resultados son similares. Para este ejemplo asumiremos 18 veh/día
como el tránsito en el carril de diseño. De los cuales el 10% son camiones C2; por lo tanto, 1.8
son C2 y 16.2 son vehículos ligeros. A continuación se muestra una tabla en la que se resumen
los cálculos para determinar el ESAL de diseño.


102


Tipo de
Nº
vehículo veh/día
1
Autos y
16.2
combies
C2
1.8
Total
18.0


Nº veh/año
2=1x365
5913
657
6570

F.C.

ESAL en el carril Factor de
de diseño
crecimiento*
3
4=2x3
5
0.0001
0.5913
28.28
3.56

2338.92
2339.51

* aplicando la ecuación: Factor de Crecimiento

28.28

ESALdiseño
6=4x5
16.72
66,144.66
66,161.38

1 rn 1
, para 20 años y tasa de
r

crecimiento del 3.5%, se tiene 28.28.
El ESAL de 66,161.38 corresponde al ESAL en el carril de diseño para el período de diseño de
20 años. La fórmula empleada para el cálculo del factor de crecimiento es la recomendada por
el Instituto del Asfalto; sin embargo, esta puede ser modificada por otra que represente mejor el
crecimiento vehicular.
Para fines prácticos se ha considerado que la tasa de crecimiento vehicular es de 3.5%, pero
como es sabido, las diferentes unidades que componen el parque automotor no tienen la
misma tasa de crecimiento. Este valor deberá ser estimado individualmente.
Ejemplo 2:
Del conteo vehicular el IMD en el año 1993 es 965 veh/día, de los cuales 799 son ligeros (autos
y combies); 6 omnibus tipo B2; 115 camiones de 2 ejes y 45 camiones de 3 ejes.
Se realizaron pesajes a los camiones de 2 y 3 ejes, los factores camión obtenidos fueron 1.11 y
8.48, respectivamente.
Determinar el ESAL en el carril de diseño para 10 años considerando una tasa de crecimiento
de 5%. La vía es de un carril en cada sentido.
Solución:
En la siguiente tabla se muestran los cálculos realizados:

Tipo de
vehículo
Autos y
combies
B2
C2
C3
Total
1

Nºveh/día
(2 sent.)
1
799
6
115
45
965

Nºveh/día Nº veh/año F.C. ESAL en carril Factor de ESALdiseño
de diseño
crecimiento4
(1 sent.)
3=2x365
2=50%(1)
4
5=3x4
6
7=5x6
399.5
145,817.5 0.00011
14.6
12.58
184
3
57.5
22.5
482.5

1,095.0
20,987.5
8,212.5
176,112.5

3.562
1.113
8.483

3,898.2
23,296.1
69,642.0
96,850.9

12.58
12.58
12.58

49,039
293,065
876,096
1’218,384

datos calculados con el D.S.Nº034-2001-MTC

103



2

El omnibus B2 tiene un eje delantero simple con ruedas simple de 7 tn y un eje
posterior simple con ruedas dobles de 11 tn, según el D.S.Nº034-2001-MTC
3 datos provenientes del pesaje
4

aplicando la ecuación: Factor de Crecimiento

1 rn 1
r

crecimiento del 5%, se tiene 12.58.
El ESAL en el carril de diseño para un período de 10 años es 1’218,384 ejes equivalentes de
18,000 lb ó 8.2 tn.
Ejemplo 3:
Determinar el ESAL de diseño para una vía de 2 carriles (1 en cada sentido) cuyo IMDS es
2500 veh/día, de los cuales el 50% son automóviles, el 30% son buses y el 20% son camiones.
La distribución de camiones es: C3 el 80% y C4 el 20%. Tasa de crecimiento de 3%, período
de diseño 10 años.
Solución:
Los datos que se deben calcular son los factores camión del camión C3 y C4:
Camión C3
18 tn

2.00

7 tn

+

0.53 = 2.53

Camión C4
25 tn

1.77

7 tn

+

0.53 = 2.3

En la siguiente tabla se muestran los cálculos realizados:


104


Tipo de
vehículo
Autos
B2
C3
C4
Total

Nºveh/día
(2 sent.)
1
1250
750
400
100
2,500


Nºveh/día Nº veh/año F.C. ESAL en carril Factor de ESALdiseño
de diseño
crecimiento2
(1 sent.)
3=2x365
2=50%(1)
4
5=3x4
6
7=5x6
1
625.0
228,125 0.0001
22.8
12.58
286.8
6’129,919.5
375.0
136,875 3.561
487,275.0
12.58
2’323,400.2
200.0
73,000 2.531
184,690.0
12.58
50.0
18,250 2.301
41,975.0
12.58
528,045.5
1,250.0
456,250
713,962.8
8’981,652

1

datos calculados con el D.S.Nº034-2001-MTC

2

aplicando la ecuación: Factor de Crecimiento

1 rn 1
r

crecimiento del 5%, se tiene 12.58.


105

CAPITULO 7:
DISEÑO EMPÍRICO-EXPERIMENTAL
AASHTO 1993
7.1. INTRODUCCIÓN
Esta guía orienta sobre los pasos del diseño de pavimentos flexibles de concreto asfáltico,
utilizando la “Guide for Design of Pavement Structures 1993” de la American Association of
State Highway and Transportation Officials (AASHTO).
Por lo general, todo pavimento flexible está conformado por: una capa de subrasante
preparada y compactada a una densidad específica, una capa de sub base que puede ser
omitida dependiendo de la calidad de la subrasante, una capa de base que se coloca sobre la
sub base, o sobre la subrasante. Sobre la base se conforma la carpeta asfáltica que consiste
de una mezcla de material bituminoso y agregados.
El método AASHTO es un método de regresión basado en resultados empíricos de la carretera
de prueba AASHO construida en los años 50. AASHTO publicó la guía para el diseño de
estructuras de pavimento en 1972, cuyas revisiones fueron publicadas en 1981, 1986 y la
actual versión de 1993.
El proceso de diseño AASHTO se amplió para el uso de geomallas para reforzamiento del
pavimento flexible. La metodología de incorporación de refuerzo tiene sustento en extensos
ensayos de laboratorio y verificación a escala real.
7.2. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO
El método AASHTO 1993 utiliza el número estructural SN para cuantificar la resistencia
estructural que el pavimento requiere para determinada capacidad de soporte del suelo, tráfico
esperado y pérdida de serviciabilidad. Con la ecuación de diseño empírica usada en AASHTO
93 se busca el número estructural requerido por el proyecto:
log10
log10 (W18 ) Z R S o

9.36 log10 (SN 1) 0.20
0.40

PSI
4.2 1.5
1094

2.32 log10 (M R ) 8.07

SN 1 5.19


(7.1)


Diseño EmpíricoExperimental de
Pavimentos Asfálticos

Donde:
SN
número estructural requerido por la sección de carretera
W18 número de ejes equivalentes de 80 kN (18,000 lb), en el período de diseño.
desviación estándar normal (depende de la confiabilidad, R, de diseño)
ZR
So
error estándar por efecto del tráfico y comportamiento
PSI variación del índice de serviciabilidad.
módulo resiliente de la subrasante medido en psi
MR
El número estructural requerido por el proyecto, SN, se convierte en espesores de carpeta
asfáltica, base y sub base, mediante coeficientes de capa que representan la resistencia
relativa de los materiales de cada capa. La ecuación de diseño es la siguiente:
SN a1 D1 a 2 D2 m2 a3 D3 m3

(7.2)

Donde:
coeficiente de la capa i (1/pulg.)
ai
espesor de la capa i (pulg.)
Di
coeficiente de drenaje de la capa i (adimensional)
mi
Los subíndices 1,2 y 3 se refieren a las capas de carpeta asfáltica, base y sub base (si se
aplica) respectivamente. Los coeficientes de capa dependen del módulo resiliente del suelo
(MR), se determinan empleando los conceptos esfuerzo-deformación de un sistema multicapa.
Los coeficientes de capa usados en la pista de prueba AASHO son:
Concreto asfáltico superficial, a1
Base de piedra chancada, a2
Sub base de grava arenosa, a3

0.40 - 0.44 pulg-1
0.10 - 0.14 pulg-1
0.06 - 0.10 pulg-1

7.3. CALCULO DEL NUMERO ESTRUCTURAL REQUERIDO
El diseño de la carretera depende del tráfico esperado durante la vida de servicio y la
confiabilidad en el comportamiento. Luego de caracterizar el suelo de la subrasante y
seleccionar los valores de confiabilidad (R), para el error estándar So y ESAL estimado, se
puede determinar el valor del número estructural, SN, usando el nomograma de la figura 7.2 ó
la ecuación (7.1).
A continuación se detallan los parámetros de diseño y recomendaciones de AASHTO.


107



a) Período de Diseño
El período de diseño se refiere al tiempo desde que la estructura de pavimento entra en
servicio hasta antes que necesite algún trabajo de rehabilitación.
Tabla 7.3: Períodos típicos de diseño
Condiciones de Carreteras
Vías urbanas con alto volumen
Vías rurales con alto volumen
Pavimentadas con bajo volumen
Superficie granular con bajo volumen

Período de Análisis
30-50
20-50
15-25
10-20

b) Tránsito
El diseño considera el número de ejes equivalentes (ESAL) para el período de análisis
( W18 ) en el carril de diseño. A partir de conteos vehiculares y conversión a ejes
equivalentes, el diseñador debe afectar el ESAL en ambas direcciones por factores
direccionales y de carril (si son más de dos), aplicando la siguiente ecuación:

W18

Donde:
DD
DL
w18
ˆ

DD DL w18
ˆ

(7.3)

factor de distribución direccional
factor de distribución por carril
tráfico total en ambas direcciones para el período de diseño

El factor de distribución direccional DD generalmente es 0.5 (50%) para la mayoría de las
carreteras; sin embargo, este puede variar de 0.3 a 0.7 dependiendo de la incidencia de
tráfico en una dirección. Los factores de distribución por carril, DL, recomendados por
AASHTO se muestran en la tabla 7.4.
Tabla 7.4.- Factor de distribución por carril DL
Nº carriles en una
dirección
1
2
3
4

%ESAL en carril
diseño
100
80-100
60-80
50-75


108



Figura 7.2: Carta de Diseño de Pavimentos Flexibles AASHTO 1993


110



c) Factor de confiabilidad, R
Es una medida que incorpora algún grado de certeza en el proceso de diseño para
asegurar que los diferentes parámetros alcancen el período de análisis. La tabla 7.5
presenta los niveles recomendados de confiabilidad para diferentes clasificaciones
funcionales.
Tabla 7.5.- Niveles sugeridos de confiabilidad, R
Clasificación
Funcional
Interestatal y otras vías
Arterias principales
Colectores
Local

Nivel recomendado de
confiabilidad
Urbano
Rural
85-99,9
80-99,9
80-99
75-95
80-95
75-95
50-80
50-80

d) Desviación Estandar Normal (ZR)
La desviación estándar normal está en función de la confiabilidad del proyecto, R. En la
tabla 7.6 se muestran los valores de desviación estándar correspondiente a diferentes
niveles de confiabilidad.
e) Efectos medioambientales
El medio ambiente puede afectar el comportamiento del pavimento de diferentes maneras.
Las variaciones térmicas y humedad, afectan la resistencia, durabilidad y capacidad de
transporte de carga. Otro impacto medioambiental importante es el efecto directo del
congelamiento, deshielo y desintegración en la subrasante.
f) Pérdida de serviciabilidad
La serviciabilidad se define como la calidad de servicio del pavimento. La primera medida
de la serviciabilidad es el Indice de Serviciabilidad Presente, PSI, que varía de 0 (carretera
imposibles de transitar) a 5 (carretera perfecta). El PSI se obtiene midiendo la rugosidad y
daño (agrietamiento, parchado y deformación permanente) en un tiempo en particular
durante la vida de servicio del pavimento. La rugosidad es el factor dominante para estimar
el PSI del pavimento.


111



Tabla 7.6: Desviación estándar, ZR
Confiabilidad
R, %
50
60
70
75
80
85
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
99.9
99.99

Desviación Estándar
Normal, ZR
-0.000
-0.253
-0.524
-0.674
-0.841
-1.037
-1.282
-1.340
-1.405
-1.476
-1.555
-1.645
-1.751
-1.881
-2.054
-2.327
-3.090
-3.750

La guía AASHTO 93 usa la variación total del índice de serviciabilidad ( PSI) como criterio
de diseño, que se define como:
PSI p0 pt

Donde:
p0
pt

(7.4)

índice de serviciabilidad inicial
índice de serviciabilidad final, que es el más bajo índice
tolerable antes de la rehabilitación.

g) Módulo resiliente efectivo del suelo
Las propiedades mecánicas del suelo de la subrasante se caracterizan en AASHTO 93 por
el módulo resiliente, MR. El módulo resiliente mide las propiedades elásticas reconociendo
sus características no lineales. El módulo resiliente se correlaciona con el CBR, mediante
la siguiente ecuación:
MR [psi] = 1500 x CBR
MR [kPa] = 10342 x CBR

........ (7.5 a)
........ (7.5 b)

Esta ecuación es razonable para suelos de gradación fina con CBR menores que 10%.

112



7.4. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO
El número estructural requerido se convierte a espesores de concreto asfáltico, base y sub
base, por medio de coeficientes de capa y utilizando la ecuación 7.2.
a) Coeficientes de capa ai
Se asigna un coeficiente de capa a cada material de la estructura de pavimento. El
coeficiente de capa expresa una relación empírica entre el número estructural, SN, y el
espesor.
Concreto asfáltico.- La figura 7.3 muestra la carta sugerida por AASHTO 93, para definir el
coeficiente estructural de concreto asfáltico de gradación densa basado en su módulo
elástico (EAC) a 68°F. Este módulo elástico es el Módulo Dinámico Complejo, E*, obtenido
de ensayos cíclicos.
Base.- Las figuras 7.4, 7.5 y 7.6 muestran las cartas utilizadas para definir el coeficiente
estructural, a2, de base granular, base tratada con asfalto y base tratada con cemento,
respectivamente. Toma en cuenta cuatro diferentes ensayos de laboratorio.
Sub base granular.- La figura 7.7 muestra la carta que puede ser usada para calcular el
coeficiente de capa, a3, para una sub base granular a partir cuatro diferentes ensayos de
laboratorio, incluyendo el módulo resiliente de la sub base ESB.
b) Coeficientes de drenaje
El método AASHTO asume que la resistencia de la subrasante y base permanecerá
constante durante la vida de servicio del pavimento. Para que esto sea cierto, la estructura
de pavimento debe tener drenaje apropiado. La calidad de drenaje se incorpora al diseño,
modificando los coeficientes de capa. El factor que modifica el coeficiente de capa se
representa por mi. El posible efecto del drenaje en el concreto asfáltico no se considera. La
tabla 7.6 presenta las definiciones generales correspondientes a los diferentes niveles de
drenaje.
Tabla 7.6.- Condiciones de drenaje
Calidad de drenaje
Excelente
Bueno
Regular
Pobre
Muy pobre

Retiro de agua
dentro de:
2 horas
1 día
1 semana
1 mes
el agua no drena


113



Figura 7.3.- Carta para calcular el coeficiente estructural de
Concreto asfáltico de gradación densa


114



Figura 7.4.- Variación de coeficiente de capa de base granular (a2)
con la variación de los parámetros de resistencia


115



(1) Escala derivada de correlaciones obtenidas en Illinois
(2) Escala derivada de proyectos de la NCHRP (3)
Figura 7.5.- Variación de coeficiente de capa de bases tratadas con asfalto (a2)


116



(1) Escala derivada de correlaciones obtenidas en Illinois, Louisiana y Texas
(2) Escala derivada de proyectos de la NCHRP (3)
Figura 7.6.- Variación de coeficiente de capa de bases tratadas con asfalto (a2)


117



Figura 7.7.- Variación de coeficiente de capa de sub base granular (a3)
con la variación de los parámetros de resistencia


118



La tabla 7.7 muestra los coeficientes recomendados dependiendo de la calidad de drenaje
y el porcentaje de tiempo anual en que la estructura del pavimento podría estar expuesta a
niveles de humedad cercanos a la saturación.
Tabla 7.7.- Coeficientes de drenaje recomendados, mi

Calidad de drenaje
Excelente
Bueno
Regular
Pobre
Muy pobre

% de tiempo en que la estructura del pavimento es
expuesta a niveles de humedad próximos a la saturación
Menos que
1-5%
5-25%
Mayor que
25%
1%
1.40-1.35
1.35-1.30
1.30-1.20
1.20
1.35-1.25
1.25-1.15
1.15-1.00
1.00
1.25-1.15
1.15-1.05
1.00-0.80
0.80
1.15-1.05
1.05-0.80
0.80-0.60
0.60
1.05-0.95
0.95-0.75
0.75-0.40
0.40

Ejemplo:
Efectúe el diseño de un pavimento flexible nuevo para un período de diseño de 10 años,
considerando un nivel de serviciabilidad inicial de 4 y final de 2. El módulo resiliente de la
subrasante es 15.5 ksi. Asuma que el tráfico acumulado proyectado es de 3.41x106 ESAL en el
carril de diseño. Considere que se trata de una vía de gran importancia. Adopte los parámetros
que crea conveniente para la solución del problema.
Solución:
Período de diseño, n
Mód. resiliente subrasante, MR
ESAL de diseño, W18
PSIo
PSIf

10 años
15,500 psi
3.41x106
4.0
2.0

PSI
Comportamiento de
la serviciabilidad

4
2

0

10

t (años)


119



Confiabilidad, R
Desv. Est. Normal, ZR
Error Estándar, So

95% (valor promedio de 80 a 99.9%, tabla 7.5)
-1.645 (tabla 7.6)
0.45 (AASHTO 1993 recomienda valores entre 0.40
y 0.50 para pavimentos flexibles)

Cálculo del Número Estructural
Según el nomograma de la figura 7.2 se tiene: SNaprox=3.2
Este valor debe ser ajustado aplicando la ecuación 7.1 de cuyo resultado se obtuvo que:
SNrequerido=3.4
Diseño de Espesores
Las condiciones de drenaje asumidas para el proyecto son buenas y el porcentaje de tiempo en
que la estructura del pavimento es expuesta a niveles de humedad próximos a la saturación
son 1-5% y 5-25% para las capas de base granular y sub base granular, respectivamente.
De las tablas 7.6 y 7.7 se tiene:
Drenaje de base granular
Drenaje de sub base granular

m2=1.1
m3=1.0

Coeficientes de Capas:
Carpeta asfáltica
Base granular

E=450,000 psi
CBR=100%

Sub base granular

CBR=25%

a1 = 0.44 pulg-1
a2 = 0.14 pulg-1
MR = 30,000 psi
a3 = 0.10 pulg-1
MR = 13,600 psi

(figura 7.3)
(figura 7.4)
(figura 7.7)

AASHTO 1993 propone dos metodologías para determinar los espesores de las capas que
compondrán la estructura del pavimento. El primer método es por espesores mínimos y la
segunda donde los espesores mínimos son referenciales.
Primer Método: por Espesores Mínimos
La guía recomienda los siguientes espesores en función del tránsito: Tabla 7.8.
Tabla 7.8: Espesores mínimos recomendados
ESAL

Concreto asfáltico

> 50,000
1.0 (o tratamiento superficial
50,001 – 150,000
2.0
150,001 – 500,000
2.5
500,001 – 2’000,000
3.0
2’000,001 – 7’000,000
3.5
> 7’000,000
4.0

Base granular
4
4
4
6
6
6


120



Según la tabla 7.8 los espesores mínimos recomendados, para el tránsito son:
D1=3.5 pulg.
D2=6.0 pulg.

Espesor de carpeta asfáltica
Espesor de base granular

Reemplazando estos valores en la ecuación 7.2:
SN a1 D1 a 2 D2 m2 a3 D3 m3
3.4

0.44 3.5 0.14 6.0 1.1 0.10 D 3 1.0
D 3 9.36 pu lg
D3

10 pu lg

El pavimento tendrá las siguientes dimensiones:

Carpeta

3.5”

Base granular

6”
10”

Sub base granular
Subrasante

Otras alternativas de éste primer método son:
2º tanteo:

3º tanteo:

D1 = 4 pulg
D2 = 6 pulg
D3 = 8 pulg

SN = 3.484

D1 = 3.5 pulg
D2 = 8 pulg
D3 = 8 pulg

SN = 3.512

Segundo Método: donde los espesores mínimos son referenciales
a) Se asume que la carpeta asfáltica se cimentará sobre la base granular con módulo resiliente
de 30,000 psi:
Carpeta
BG; MR=30,000 psi

Según el nomograma de la figura 7.2 y aplicando la ecuación 7.1 se obtuvo que:

121



SNrequerido 1 =2.86
Como se sabe:

SNrequerido 1 =a1D1
D1
D1

SN requerido 1
a1
2.86
0.44

6.5 pulg

b) Ahora se asume que la base granular se cimienta sobre la sub base granular con módulo
resiliente de 13,600 psi:
Carpeta
Base granular
SBG; MR=13,600 psi

SNrequerido 2 =3.4
Como se sabe:

SNrequerido 2 =a1D1+ a2m2D2
3.4 0.44 6.5 0.14 1.1 D2
D2 3.5 pulg

c) Ahora se asume que la sub base granular se cimienta sobre la subrasante con módulo
resiliente de 15,500 psi:
Carpeta
Base granular
Sub base granular
Subrasante; MR=15,500 psi

SNrequerido 3 =3.4
Como se sabe:

SNrequerido 3 =a1D1 + a2m2D2 + a3m3D3

122



3.4 0.44 6.5 0.14 1.1 3.5 0.10 1.0 D 3
D 3 0 pulg

El diseño final será:
6.5”

Carpeta

3.5”

Base granular
Subrasante

De los dos métodos recomendados por el Métodos AASHTO 1993, el segundo método siempre
da valores mas altos. Esto nos lleva a analizar la estructura por el primer método. Sin embargo,
esto no nos exime de realizar el segundo análisis.
De la práctica en nuestro país, general se recomienda en el diseño 2 pulg de carpeta asfáltica.
Con este valor se puede realizar el cálculo de los otros espesores, aplicando el primer método.


123

CAPITULO 8:
DISEÑO EMPIRICO-MECANISTICO DE
PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
8.1 Introducción
De acuerdo con Huang (1993), los métodos de diseño de pavimentos se clasifican en 05
categorías: métodos empíricos con o sin ensayos de resistencia de suelos, método de falla
cortante límite, método de deflexión límite, método de regresión basado en el comportamiento
de pavimentos o ensayos en pistas de prueba y métodos empíricos mecanísticos.
Un buen ejemplo del uso de ecuaciones de regresión para el diseño de pavimentos
corresponde a la Guía AASHTO para el Diseño de Estructuras de Pavimentos, principal
documento utilizado por las agencias de transportes en los EE.UU. para el diseño y
rehabilitación de pavimentos de carreteras. Las Administración Federal de Carreteras, FHWA
de los EE.UU. indica que el 80% de las agencias utilizaban la versión de 1972, 1986 ó 1993 de
la Guía de Diseño de Pavimentos de la AASHTO. Todas las versiones mencionadas fueron
basadas en la ecuación resultante del comportamiento de la pista de pruebas de la AASHO en
la década de 1950. Entre las limitaciones encontradas se han listado las siguientes:
a. La pista de pruebas no consideró tramos, ni procedimientos de rehabilitación de
pavimentos y fueron realizados en un solo lugar, existiendo problemas para predecir el
comportamiento bajo condiciones ambientales diferentes.
b. La pista de prueba consideró un solo tipo de subsuelo y utilizó bases granulares no
estabilizadas. Actualmente se ha demostrado la importancia de utilizar diferentes tipos de
bases tratadas o reforzadas en subsuelos de baja capacidad de soporte.
c. El peso y geometría de los vehículos, las presiones de las llantas y el volumen de tráfico se
han incrementado sustancialmente en las últimas cuatro décadas.
d. El diseño se evaluó en función del espesor del paquete que conformaban las distintas
capas del pavimento. Actualmente, la aplicación de la teoría elástica permite que el diseño
se evalúe y se determine la influencia de cada una de las distintas capas o elementos
estructurales que componen el pavimento.
Aunque las ecuaciones de regresión pueden ilustrar los efectos de varios factores que influyen
en el comportamiento del pavimento, el uso en el diseño de estructuras de pavimentos es
limitado debido a que envuelve muchas incertidumbres.
El método empírico mecanístico se basa en la aplicación de la mecánica estructural, que
permite determinar la respuesta de los elementos estructurales que compone el pavimento,



Diseño Empírico-Mecanístico de

tales como esfuerzos, deformaciones y deslocamientos, debido a las cargas aplicadas por las
ruedas, utilizando por cierto, los fundamentos y el modelamiento que permite la teoría elástica.
Los valores de la respuesta son utilizados para predecir el daño basado en ensayos de
laboratorio y datos del comportamiento en campo. La dependencia existente de la metodología,
respecto al comportamiento, es necesaria debido a que la teoría sola, no provee lo suficiente
para un diseño confiable. La metodología empírica mecanística AASHTO 2002, por lo tanto, ya
no utiliza una ecuación de regresión para el diseño, sino recomienda la aplicación de la teoría
elástica, modelando el medio mediante múltiples capas horizontales, homogéneas, con
comportamiento elástico en el caso de la sub-rasante y bases granulares y comportamiento
viscoelástico en el caso de los materiales asfálticos.
La aplicación del análisis deformacional en el diseño de pavimentos flexibles tiene el objetivo
de controlar las deformaciones en la estructura de pavimentos, incluyendo el terreno de
fundación. La magnitud de las deformaciones que se presenta en la estructura de pavimentos
debido a las cargas móviles está asociada a la duración del pavimento.
El análisis deformacional constituye en la actualidad una herramienta de análisis que permite
considerar:
a. El tipo de superficie de rodadura y/o carpeta asfáltica través del módulo dinámico. El
parámetro del modelo considera las variaciones horarias y estacionarias y la velocidad
del tránsito, en función de la categoría de la vía (pendiente, geometría, etc.).
b. El tipo de base y sub-base granular, bases y sub-bases estabilizadas asfálticas y/o
tratadas con cemento. Permite también determinar de manera directa el espesor del
material estabilizado necesario para el diseño.
c. La estratigrafía del terreno de fundación, la capa compactada y los estratos del terreno
natural, así como la presencia de basamento rocoso.
d. La distribución de los esfuerzos verticales de compresión en la sub-rasante y el terreno
de fundación.
e. La distribución de esfuerzos horizontales y esfuerzos de tracción en las capas
superficiales del pavimento. Esto permite evitar que la superficie de rodadura o carpeta
asfáltica sea sometida a esfuerzos de tracción que genere el agrietamiento prematuro.
El análisis deformacional se realiza a través de programas de cómputo que permiten la solución
del problema elástico como el Kenlayer del Dr. Huang, 1993 de la Universidad de Kentucky,
EE.UU. Programas del INPACO de Colombia, implementado en la década pasada, es también
conocido en nuestro medio.
Los programas utilizan la técnica numérica de las diferencias finitas o elementos finitos para la
solución de las ecuaciones diferenciales del problema elástico y del modelamiento elástico de
los materiales. Los esfuerzos, deformaciones y desplazamientos, resultante de la aplicación de
la carga de diseño permiten determinar el período de vida de la estructura mediante el uso de
los denominados modelos de daño.

125



Los modelos de daño son ecuaciones empíricas-experimentales que relacionan el número de
pasadas admisibles del pavimento en función de los esfuerzos y deformaciones calculadas. El
procedimiento de diseño es iterativo hasta conseguir optimizar el valor de los esfuerzos y
deformaciones a fin de evitar los diferentes tipos de falla que se pueden esperar en la
estructura del pavimento. El siguiente esquema permite ilustrar el procedimiento de diseño:

Condiciones Ambientales:
Clima y Drenaje Local

Determinación de Parámetros Elásticos:
Sub-rasante y Materiales Locales
Cálculo de Esfuerzos y
Deformaciones.
Programa Kenlayer, otros.

Cargas de Tránsito Local

Uso de Modelos de Daño y
Predicción del Período de Diseño.
Considera materiales y
condiciones locales.

Estructura Propuesta

Diseño
Iterativo

Fig. 8.1 Procedimiento de Diseño
8.2 Jerarquización del Proyecto
De acuerdo con las características de los proyectos viales que se va a tratar, le corresponde un
Nivel 2 de sofisticación en la obtención de los parámetros de diseño. En la Tabla 8.1 se
presentan los niveles de la guía de diseño y los parámetros de diseño:

Tabla 8.1: Categorización de Parámetros Elásticos de Materiales y Sub-rasante
Material
Mezclas
Asfálticas

Nivel 1
Nivel 2
Módulo Dinámico Módulo Dinámico
Medido
Estimado

Materiales
Estabilizados
Materiales
Granulares No
Estabilizados
Sub-rasante

Módulo Medido Módulo Estimado
Módulo
Resiliente
Medido
Módulo
Resiliente
Medido

Módulo
Resiliente
Estimado
Módulo
Resiliente
Estimado

Nivel 3
Módulo
Dinámico
Estimado
Módulo
Estimado
Módulo
Resiliente
Estimado
Módulo
Resiliente
Estimado


126



8.3 MODELAMIENTO ELÁSTICO DE LA CARPETA ASFÁLTICA
El método de diseño AASHTO 1993 considera como parámetro de diseño de la carpeta
asfáltica el módulo resiliente, Mr resultante del ensayo de tracción indirecta. Para mezclas
asfálticas densas en caliente, los valores de Mr varían de 400,000 a 450,000 psi (28,000 a
32,000 kg/cm2) considerando una temperatura de 20 C, no indicando, el tipo de asfalto y la
frecuencia de ensayo asociado a la velocidad.
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* determinado de los
ensayos de compresión triaxial cíclico. Sin embargo, se propone la ecuación de Witzack, el cual
considera:
a. El tipo de asfalto (penetración, viscocidad y/o gradación caso de Superpave, asfaltos
modificados y envejecidos)
b. La granulometría de la mezcla asfáltica (densa, abierta, incompleta, porosa, etc.)
c. Las variaciones de temperaturas horarias y estacionarias.
d. La velocidad vehicular asociada a la frecuencia de la carga.
MÓDULOS DINÁMICOS
El ensayo de tracción indirecta permite determinar el Módulo Resiliente de la carpeta asfáltica
cuando trabaja a tracción. Diseñar carpetas asfálticas considerando que la parte inferior trabaje
a tracción y la parte superior se encuentre a compresión, generan fisuras prematuras que se
reflejarán en la superficie.
El nuevo criterio para el diseño de pavimentos diseña la estructura de manera que la carpeta
asfáltica se encuentre trabajando toda a compresión. Esto se consigue incorporando capas
inferiores estabilizadas o tratadas. Desde este punto de vista el Módulo Resiliente no es
representativo del comportamiento de la carpeta, proponiéndose el Módulo Dinámico obtenido
de ensayos triaxiales cíclicos. El módulo dinámico varía con la temperatura y la frecuencia de
carga. Se debe tener en cuenta que el ensayo se debe realizar a la frecuencia que simule las
cargas de tráfico para el diseño. Una máquina de ensayo servo hidráulica para ensayos de
compresión cíclica se muestra en la foto 8.1.
El equipo de la Universidad de Arizona, EE.UU. aplica esfuerzos sinusoidales (ondas
continuas) que son medidos en la celda de carga, las deformaciones se miden usando un
traductor LVDT. El traductor se asegura usando brackets y tacones sobre el especimen. Se
acondicionan barras de acero para mantener el alineamiento.


127



(a) Muestra para ensayo triaxial cíclico

(b) Prensa cíclica, Universidad de Arizona, EE.UU.

Foto 8.1: Ensayo Triaxial Cíclico, Universidad de Arizona. Ref. 65
El comportamiento visco-elástico es la respuesta retardada del material, la deformación
máxima se alcanzará en un instante posterior, cuando la carga que se haya aplicado se
encuentre en el instante de la descarga. El módulo dinámico E* es la relación entre el esfuerzo
y la respuesta deformacional.
E

o

(8.1)

o

La caracterización de las mezclas asfálticas convencionales y Superpave (Minaya y Ordóñez,
2003) se realiza a través de la ecuación de predicción del módulo dinámico, E* (Minaya, 2004)
resultado de trabajos desarrollado en la Universidad de Maryland, EE.UU. durante 25 años y
publicado en 1999.
El modelo de predicción del comportamiento mecánico se realiza en función del módulo
complejo dinámico, E* para materiales viscoelásticos. El trabajo experimental y su verificación
se realizaron sobre una muestra original de 1430 puntos y 149 mezclas y su posterior ajuste y
validación se realizó con 1320 puntos y 56 mezclas adicionales:


128


log E*
0.802208

3.750063 0.029232 p 200
Vb eff
Vb eff Va


0.001767

3.871977 0.0021.p 4

p 200 2

0.003958.p 38

0.002841 p 4

0.058097 Va

0.000017. p 38 2

0.005470.p 34

1 e 0.603313 0.313351. log f 0.393532. log

Donde:
E*
f
Va
Vbefect
p3/4
p3/8
p4
p200

Módulo dinámico de la mezcla asfáltica, en psi
Viscosidad del ligante en 106 poise (a alguna temperatura y grado de envejecimiento)
Frecuencia de carga en Hz
% de vacíos de aire en la mezcla, por volumen
% de asfalto efectivo, por volumen
% retenido en el tamiz ¾”, por peso total de agregado (acumulado)
% retenido en el tamiz 3/8”, por peso total de agregado (acumulado)
% retenido en el tamiz Nº4, por peso total de agregado (acumulado)
% que pasa el tamiz Nº200, por peso total de agregado

La ecuación considera un rango de temperaturas de 0 a 130ºF (-18 a 54ºC). La frecuencia está
relacionada con la velocidad del vehículo. La Guía recomienda definir la frecuencia en función
de la categoría y velocidad vehicular:
Tabla 8.2: Recomendaciones de Velocidades y Frecuencias
Categoría

Velocidad Superficie de rodadura
KPH
(espesor= 1-3”)
1era
95
45-95
2da
70
35-70
Vías urbanas
25
10-25
Intersecciones viales
0.8
0.5-1
Ref: Flexible Design AASHTO 2002, Tabla 3.3.1, parte 3 capítulo 3

Aplicando la ecuación de Witczak para una mezcla asfáltica densa convencional que cumpla
con las especificaciones de la mezcla de tamaño máximo nominal 3/4” (19 mm), las frecuencias
consideradas en el análisis fueron 15, 50 y 70 Hz. correspondiente a 25, 70 y 95 kph y para
viscosidad del ligante no envejecido de diferentes penetraciones. Los porcentajes retenidos y
pasantes de las mallas son: (P34 : 0%, P38 : 30%, P4 : 50%, P200 : 5%, Vbeff : 15%, Va: 4%).
Las figuras 8.1 a 8.3 presentan los valores del Módulo Dinámico correspondiente a mezclas
asfálticas de diversas penetraciones utilizadas en el país, en función de la temperatura y la
velocidad vehicular. Los valores determinados son para asfaltos PEN 60-70, 85-100 y 120-150,
asfaltos usados en zonas de temperatura cálida, intermedia (caso Lima) y de bajas
temperaturas.

129



15
Módulo Dinámico E*(x105) psi

Asfalto PEN 60-70

10

5

0
20

40

60
Velocidad, Km/h

80
20ºC
40ºC

100
30ºc
50ºC

Figura 8.1: Módulo Dinámico según Velocidad y
Temperatura para Asfalto PEN 60-70

25

Asfalto PEN 85-100
20

15

10

5

0
20

40

60
Velocidad, Km/h

80
10ºC
30ºC

100
20ºc
40ºC



130



30


Asfalto PEN 120-150
25
20
15
10
5
0
20

40

60
Velocidad, Km /h

80

100

0ºC
20ºC

10ºc
30ºC

Por ejemplo si se desea calcular el Módulo Dinámico para carpeta asfáltica convencional de
TMN 19 mm, para las temperaturas de pavimento y frecuencias mostradas en la tabla se tienen
los siguientes módulos:
Tabla 8.3: Módulo Dinámico E* en psi
Asfalto PEN 120-150
Asfalto PEN 60-70
1 Sugerido en zonas frías2
Sugerido en zonas cálidas
velocidad de diseño
70 kph
70 kph
frecuencia
50 Hz
50 Hz
Temperatura de pavimento
40ºC
5ºC
E*, psi
410,000
2´200,000
Tipo de mezclas

A bajas temperaturas la mezcla asfáltica puede ser susceptible a deformaciones permanentes
mientras que los valores altos indican susceptibilidad a agrietarse por bajas temperaturas. En el
primer caso se debe poner especial cuidado en la elección del ligante y la granulometría de la
mezcla, el ligante debe mantener su rigidez a bajas temperaturas y la granulometría del
agregado deberá ser uniforme tipo Stone Mastic Asphalt, donde predomine el contacto piedrapiedra. Para el segundo caso la elección del ligante será lo más importante considerando
asfaltos que mantengan su rigidez a altas temperaturas.

Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras, EG-2000. Ministerio de Transportes y
Comunicaciones del Perú.
1


131



Para el caso de Lima donde el asfalto empleado puede ser asfalto PEN 85-100, a temperatura
de pavimento de 20ºC y velocidad de diseño de 70 kph, frecuencia 50 Hz., el E* será 1´180,000
psi. Una carpeta asfáltica sometida a las condiciones de Lima, correspondiente a un diseño de
pavimento convencional, tiene valores altos de rigidez, que lo puede llevar al agrietamiento al
concentrar esfuerzos de tracción.
8.4 Subrasante
El comportamiento de la sub-rasante es función de la humedad y densidad, asociado a las
condiciones ambientales de 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 (Ordóñez y Minaya, 2001). De ahí que en los EE.UU. no se recomienden considerar
subrasantes con baja capacidad de soporte sin antes realizar un proceso de estabilización, en
toda la profundidad correspondiente a la subrasante o incorporando un elemento de refuerzo.
Valores de CBR por debajo de 8-10% son considerados inestables para soportar una estructura
de pavimento. Con esta consideración el módulo resiliente, será el parámetro elástico
representativo del comportamiento de la subrasante porque siempre estará asociado a suelos
con comportamiento estable (sin deformación plástica significativa diferida).
También el modelamiento permite considerar la subrasante mediante 02 capas diferentes, la
capa superficial compactad y la profunda en estado natural. Al respecto, la influencia de la
saturación, S sobre muestras compactadas (con el Contenido Optimo de Humedad) en la
variación del valor del módulo resiliente, MR se puede ilustrar en el modelo de Li y Selig para
suelos finos:

Figura 8.4: Variación del Módulo Resiliente con
la Saturación en Suelos Finos

132



Como se observa, el módulo puede incrementar de valor hasta 4 veces por efecto del
incremento de la succión (asociado a la pérdida de humedad) o puede disminuir su valor en un
90% cuando alcance la saturación. Comportamiento similares se obtuvieron en el extenso
trabajo experimental que se realizó en la UNI sobre la influencia de la saturación en el módulo
elástico en suelos arenosos y limoarcillosos (Ordóñez y Minaya, 2001). El trabajo de Drumm y
otros, hace extensivo para diferentes tipos de suelos:

Figura 8.5:
Efectos de la Saturación PostCompactación sobre el Módulo
Resiliente

Santha propone un modelo de predicción del valor del módulo resiliente en función de la
humedad, densidad y otros parámetros para suelos granulares y finos a través de la siguiente
ecuación:
k2

MR

k1 p a

oct

pa

k3

pa

para suelos granulares:
log k1

3.479 0.07 MC 0.24

MC
MOIST

0.025 SW 0.039 DEN 0.004
k2

3.681 COMP 0.011 SLT 0.006 CLY
SW 2
CLY

0.003

DEN 2
S 40

6.044 0.053 MOIST 2.076 COMP 0.0053 SATU 0.0056 CLY 0.0088 SW
0.0069 SH 0.027 DEN 0.012 CBR 0.003

k3

SW 2
CLY

0.31

SW SH
CLY

3.752 0.068 MC 0.309 MCR 0.006 SLT 0.0053 CLY 0.026 SH
SW 2
0.033 DEN 0.0009
CLY

SATU 2
0.00004
SH

0.0026

CBR SH)

para suelos cohesivos:
log k1

19.813 0.045 MOIST 0.131 MC 9.171 COMP 0.037 SLT 0.015 LL

0.016 PI 0.021 SW 0.052 DEN 0.00001 S 40 SATU


133


k3


10.274 0.097 MOIST 1.06 MCR 3.471 COMP 0.0088 S40 0.0087 PI

0.014 SH 0.046 DEN

Donde:
MC
SATU
COMP
S40
CLY
SLT
SW
SH
DEN
CBR

contenido de humedad (%)
porcentaje de saturación (%)
porcentaje de compactación (%)
porcentaje que pasa malla Nº40 (%)
porcentaje de arcilla (%)
porcentaje de limo (%)
porcentaje de hinchamiento (%)
porcentaje de contracción (%)
máxima densidad seca (pcf)
California Bearing Ratio

La guía de diseño también presentan correlaciones entre propiedades índices de los suelos y el
valor de CBR y Módulos Resilientes, MR de materiales no tratados tales como capas de bases,
y sub-base granulares y subrasantes que conforman la estructura del pavimento. Las
correlaciones fueron desarrolladas considerando la ecuación MR=2555.CBR0.64. Para
materiales con IP=0 se utilizó la siguiente correlación: CBR=28.091(D60)0.3581 y para suelos con
IP>0 se utilizó la siguiente correlación:
CBR

75
1 0.728 w PI

donde w= % de finos y PI=Indice de Plasticidad

Figura 8.6:
Correlaciones entre el
Módulo Resiliente y
Propiedades de los Suelos


134



8.5 Modelos de Daño
En el análisis se considera que las cargas de tráfico genera un daño por fatiga de la carpeta
asfáltica que se inicia en la parte inferior de la carpeta asfáltica y que se propaga hacia la
superficie (reflejo de fisuras). Esto es, las fisuras se originan en la fibra inferior de la mezcla
asfáltica (zona donde se generan esfuerzos de tracción) y luego se propaga a la superficie del
pavimento.
Daño por fatiga significa que el estado de esfuerzos, que genera las cargas, se encuentra muy
alejada de los esfuerzos límites o de falla, sin embargo; la repetición de las solicitaciones llega
a producir el agotamiento o fatiga del material asfáltico que se traduce en la aparición de
fisuras.
Ensayos de laboratorio a escala reducida han permitido proponer ecuaciones o modelos de
daño que relacionan el número de pasadas de carga admisible en función de las propiedades
del material y el valor de los esfuerzos transmitidos. El modelo de daño de agrietamiento por
fatiga se expresa como:
Nf = f1.

-f2
t

. E-f3

Donde Nf, es el número aceptable de repeticiones de carga admisible por agrietamiento por
fatiga; t es la deformación por tracción en la fibra inferior de la capa asfáltica; E es el módulo
elástico de la carpeta asfáltica; y f1, f2 y f3 son constantes determinadas en pruebas
experimentales.
El Instituto del Asfalto propone 0.0796, 3.291, y 0.854 para f1, f2 y f3, respectivamente, en su
procedimiento de diseño basado analíticamente; los valores correspondientes usados por la
Shell son 0.0685, 5.671, y 2.363. Posteriormente se sugirió que f1 en el criterio del Instituto de
Asfalto se reduzca a 0.0636 para las capas de HMA menos de 4 pulg. de espesor.
Otro modelo o ecuación de daño complementario se refiere al exceso de deformación elástica
atribuido a un comportamiento inestable (muy compresible) de la subrasante:
Nd = f4.

-f5
z

En la que Nd es el número admisible de repeticiones de carga limitado por el valor de la
deformación vertical elástica; z es la deformación vertical elástica por compresión de la
subrasante, f4 y f5 son constantes determinadas de pruebas experimentales.
El valor de f4 y f5 se sugiere como 1.365 x 10-9 y 4.477 por el Instituto del Asfalto; 6.15 x 10-7 y
4.0 por la Shell y 1.13 x 10-6 y 3.571 por la Universidad de Nottingham. El número admisible de
pasadas resultante de las ecuaciones de daño y el volumen de tránsito esperado del proyecto
permiten determinar el período de vida de la estructura del pavimento.


135



8.6 ANÁLISIS DEFORMACIONAL
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 deflexión es un parámetro utilizado para verificar la capacidad estructural de un pavimento.
La deflexión admisible puede ser calculada con alguna de las siguientes ecuaciones
empíricas 2 :
Instituto del Asfalto:

Dadm

25.64 N

CONREVIAL:

Dadm

1.15 / N

Criterio de California, CA de 5”:

Dadm

6.237 N

0.2383

0.25

0.165

N es el número de ejes equivalentes usado en el diseño. Aplicando las ecuaciones a 0.8x106
ejes equivalentes se tiene: 101, 109 y 66 (1/100 mm) de deformación admisible,
respectivamente.
luego se reflejarán en la superficie. La figura 8.7 muestra la distribución de esfuerzos
horizontales ( H) y verticales ( V) de pavimentos típicos.
El parámetro elástico que modela el comportamiento de la carpeta asfáltica que trabajan a
tracción es el Módulo Resiliente obtenido del ensayo de tracción indirecta. Para los materiales
granulares y fundación natural, el Módulo Resiliente obtenido de ensayos triaxial cíclico es el
parámetro de diseño.
fundación y la deformación por tracción, asociado al agrietamiento. A continuación se evaluará
el comportamiento deformacional de la estructura del pavimento y el aporte de cada capa en la
reducción de estas deformaciones. Se empleará el programa elástico multicapas Kenlayer del
Dr. Huang de la Universidad de Kentucky.

Chang, C, Torres, R. “Aplicación de Ensayos no destructivos para el Control de Calidad de Pavimentos Flexibles”. Instituto
de la Construcción y Gerencia, 2005.

2


136


(+)

Carpeta
Base
granular


-

( )

v
H

Sub base
granular

Suelo
compactado
Fundación

Figura 8.7: Esquema de la Distribución de Esfuerzos en Pavimentos Típicos
PRIMER CASO: ESTRUCTURAS TÍPICAS
Se modelará una estructura típica conformada por carpeta asfáltica, base y sub base
granulares, suelo compactado y fundación. Las condiciones de análisis son las mismas, sólo se
variará el espesor de la carpeta asfáltica, ésta será de 2, 4 y 6 pulg. Las dimensiones y
parámetros de diseño se muestran en la figura 8.8.
La figura 8.9 muestra la variación de los esfuerzos verticales o de compresión en estructuras
típicas. El mayor porcentaje de los esfuerzos verticales son asumidos por la carpeta asfáltica y
base granular. Al nivel de fundación, para cualquier configuración, llega el mismo nivel de
esfuerzos, esto indica que incrementando el espesor de la carpeta asfáltica no se reducen las
deformaciones en la fundación.


137


Variable

Carpeta asfáltica

20 cm

Base granular
Sub base
granular

25 cm

Suelo
compactado

15 cm

Fundación


CAPA DE PAVIMENTO
CARPETA ASFALTICA

BASE GRANULAR, CBR=100%
SUB BASE GRANULAR
CBR=40%
SUELO COMPACTADO
CBR=20%
FUNDACION
CBR=4%
TIPO DE EJE
RADIO DE CONTACTO
PRESION DE CONTACTO

CARACTERÍSTICAS
2, 4 y 6”
Mr=450,000 psi
=0.35 (ref. 2)
Mr= 30,000 psi
=0.35 (ref. 2)
Mr= 17,500 psi
=0.35 (ref. 2)
Mr= 12,000 psi
=0.45 (ref. 2)
Mr=6,000 psi
=0.45 (ref. 2)
SIMPLE STANDARD
4.52 PULG
5 kg/cm2

Figura 8.8: Análisis Deformacional de Estructura Típica.

Carpeta
2”
v

4”

6”

Base granular

Sub base
granular

Suelo
compactado
Fundación

Figura 8.9: Esfuerzos Verticales o de Compresión
Estructura Típica
La deformación a nivel de fundación es del orden de 3.75% y deflexiones dinámicas de 0.83,
0.65 y 0.54 mm. para carpetas asfálticas de 2, 4 y 6 pulg, respectivamente. Las deflexiones
dinámicas y estáticas están en una relación de 1 a 10, esto quiere decir que la deflexión en la
superficie es de 8.3, 6.5 y 5.4 mm medidos con viga Benkelman, valores muy superiores a
los admisibles para 0.8x106 ejes equivalentes, que está en el orden de 1 mm..

138



La figura 8.10 demuestra que el tercio superior de la carpeta asfáltica está trabajando a
compresión mientras que los dos tercios restantes a tracción. En conclusión, incrementar el
espesor de la carpeta no reduce las deformaciones por tracción, la mejor alternativa es
minimizar las deformaciones plásticas a nivel de fundación mediante la estabilización.

Carpeta

2”
t

4”

6”

Base

Sub base
granular

Suelo
compactado

Fundación

Figura 8.10: Deformaciones por Tracción en Estructura Típica
Es contraproducente, además, convertir espesores de carpeta asfáltica a equivalentes de
espesores de base granular como 1:3. La carpeta asfáltica tiene un módulo por lo menos 15
veces mayor al de la base granular y solo se podrá modificar espesores luego de un análisis
deformacional.
SEGUNDO CASO: ESTRUCTURA SEMIRIGIDA
El esquema de distribución de esfuerzos en una estructura de pavimentos con base y/o sub
base estabilizada se muestra en la figura 8.11. La carpeta asfáltica está sometida solamente a
esfuerzos de compresión, mientras los esfuerzos de tracción son absorbidos por la base
estabilizada.


139



(+)

Carpeta
H

Base
v Estabilizada

-

( )

Sub
base

Figura 8.11:
Distribución de
Esfuerzos en
Pavimentos

Fundación

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.
Con la finalidad de demostrar la importancia de considerar bases y sub-bases tratadas y/o
estabilizadas en pavimentos sobre terrenos de baja capacidad de soporte, como es el caso del
diseño considerado en la Vía Inter-Oceánica Sur – Tramo Inambari-Iñapari, se presenta el
análisis deformacional, considerando la colocación de una carpeta asfáltica, figura 8.12.
Carpeta asfáltica

1“

Base:
Suelo+cemento

20 cm

CAPA DE PAVIMENTO
CARPETA ASFALTICA
BASE:SUELO+CEMENTO

Sub base :
suelo+cal

20 cm

SUB BASE:SUELO+CAL
ARCILLA+ARENA

arcilla+arena

65 cm

Fundación natural
de arcilla

FUNDACION
CBR=3%
TIPO DE EJE
RADIO DE CONTACTO
PRESION DE CONTACTO

CARACTERÍSTICAS
E*=300,000 psi
=0.35
Mr= 700,000 psi4
=0.15
Mr= 60,000 psi
=0.20
Mr= 24,000 psi5
=0.25
Mr=4,500 psi
=0.45 (ref. 2)
SIMPLE STANDARD
4.52 PULG
5 kg/cm2

Ref: Flexible Design AASHTO 2002, 4Tabla 2.2.43. 5Tabla 2.2.51

Figura 8.12: Análisis Deformacional de Estructuras Semi-Rígidas

140



Para los parámetros de diseño mostrado y haciendo uso del programa Kenlayer se ha obtenido
la siguiente distribución de esfuerzos, figura 8.13.

Carpeta
asfáltica

Base:

Suelo+cemento
Sub base : suelo+cal
v

H

Deflexión =3mm
arcilla+arena

v(sub-rasante) = 0.01%
H

(+)=0.006%
2

v(fundación)=0.04kg/cm
Fundación natural de arcilla

Figura 8.13:Distribución de Esfuerzos en Pavimentos Semi-Rígidos
Luego de algunos años la fundación natural habrá perdido la mayor parte de sus
deformaciones plásticas e incrementado su módulo, es en ese momento en que se podrá
volver a hacer una nueva evaluación y considerar un trabajo de recapeo que permita recuperar
la calidad de la superficie de rodadura. Definitivamente el diseño de carreteras sobre fundación
arcillosa o limosa es por etapas.


141

CAPITULO 9:
COMPORTAMIENTO DE MEZCLAS
ASFÁLTICAS
9.1 Conceptos Mecanísticos
Como se mencionó en el capítulo 1, el pavimento está sometido a la aplicación de cargas
cíclicas provenientes del tránsito.
Una estructura típica conformada por carpeta asfáltica, base y sub-base granular y terreno de
fundación soporta esfuerzos de tracción debajo de la carpeta asfáltica y de compresión a nivel
de las otras capas, incluido el terreno de fundación. Figura 9.1.

Figura 9.1: esfuerzos generados en las capas de una
estructura típica de pavimento
Los esfuerzos horizontales se disipan a través de la carpeta asfáltica, pasando de un valor
positivo a negativo, esta condición origina esfuerzos de tracción en la fibra inferior de la carpeta
asfáltica, t . Los esfuerzos verticales se disipan a través de las capas granulares hasta llegar a
la subrasante, v . En la figura 9.2 se ilustra la transmisión de esfuerzos a través de las capas.



Comportamiento de Mezclas Asfálticas

(+)

Carpeta
Base
granular

-

( )

v
H

Sub base
granular

Suelo
compactado
Fundación

Figura 9.2: esfuerzos en estructura típica de pavimento
El parámetro de diseño de mezclas asfálticas es el módulo resiliente, este parámetro se obtiene
de ensayos de tracción indirecta.
Los Franceses, teniendo como base su experiencia y conocimiento de conceptos mecanísticos
prepararon un Catálogo que se fue mejorando con los años. La versión más reciente del
Catálogo Franceses es de 1998, “Catalogue Des Structures Types de Chaussées Neuves”.
Referente al terreno de fundación, el catálogo sugiere que la estructura del pavimento debe
apoyarse sobre terreno estable, con CBR no menor a 7% (según el catálogo un suelo
clasificado como PF1 no se usa como cimentación de pavimentos).
El Catálogo Francés propone “pavimentos asfálticos de alto espesor”, considera carpeta
asfáltica colocada sobre base y/o sub base con asfalto. Los pavimentos conformados por este
tipo de estructura son la solución para cualquier tipo de vía. Además, se tienen otras
alternativas como los “pavimentos flexibles” que son estructuras compuestas por mas de una
capa de revestimiento asfáltico, que dependiendo del tráfico pueden ser de hasta 15 cm o ser
una capa fina de protección superficial, el resto de las capas son de material granular.
El concepto de colocar una capa asfáltica sobre capas de base granular con asfalto pretende
profundizar los esfuerzos de tracción, de tal manera que las fisuras no se reflejen en la
superficie. La carpeta asfáltica solo cumpliría el papel de revestimiento, criterio por el que fue
creado.

143



El esquema de distribución de esfuerzos en una estructura con carpeta asfáltica de
revestimiento sería el mostrado en la figura 9.3.

(+)

Carpeta
Base
granular

-

( )

v
H

Sub base
granular

Suelo
compactado
Fundación

Figura 9.3: esfuerzos en estructura conformada por
carpeta y base con asfalto

La carpeta asfáltica distribuye esfuerzos de compresión, mientras los esfuerzos de tracción son
absorbidos por la base con asfalto. Desde este punto de vista el ensayo de tracción indirecta no
representaría el comportamiento de la carpeta asfáltica, sino más bien un ensayo de
compresión confinada cíclica.
La National Asphalt Pavement Association NAPA y U.S. Department of Transportation Federal
Highway Administration FHWA, el año 2001 publicó “HMA Pavement Mix Type Selection
Guide”. Dicha guía considera estructuras conformadas por carpeta asfáltica superficial, carpeta
asfáltica intermedia y base granular, colocadas sobre subrasante preparada. Figura 9.4.
El concepto americano, similar al concepto Francés considera que la carpeta asfáltica trabajará
a compresión. La nueva Guía de Diseño de Pavimentos AASHTO 2002 considera que el
ensayo que simula el comportamiento de la mezcla asfáltica, es el ensayo de compresión
triaxial cíclico. Cuyo parámetro elástico de diseño es el módulo dinámico E*.


144



Figura 9.4: “HMA Pavement Mix Type Selection Guide”, NAPA, 2001
Recientes investigaciones se han realizado en la Universidad Nacional de Ingeniería
conducentes a determinar módulos elásticos mediante ensayos de compresión edométrica
cíclicos, en mezclas asfálticas. Dichos ensayos son una alternativa más económica y fácil para
determinar módulos de mezclas asfálticas. Para mayor de talle el lector podrá referirse a
“Comportamiento Mecánico de Mezclas Asfálticas Tipo Superpave y SMA”, Tesis de Maestría
UNI, S. Minaya.
En las siguientes líneas se detallan algunos de los ensayos realizados en mezclas asfálticas,
incluido el ensayo de tracción indirecta, ensayo de compresión cíclico en celda triaxial y ensayo
de compresión edométrica cíclico.
9.2 Ensayos de Laboratorio para caracterizar Mezclas Asfálticas
9.2.1 Introducción
En la literatura se pudo encontrar un gran número de ensayos de laboratorio que tratan de
evaluar el comportamiento de mezclas asfálticas. Los trabajos iniciales consideran los
ensayos de Estabilidad y Flujo Marshall, Resistencia a la Tracción Indirecta, Modulo
Resiliente, entre otros.
Los ensayos de laboratorio ensayarían mezclas con los materiales empleados en los
EE.UU. La NCAT el año 1993, realizó una investigación dirigida por E. Brown y H.
Manglorkar, cuyo objetivo era comparar mediante ensayos de laboratorio el
comportamiento mecánico de las mezclas densas y las SMA, caracterizar y entender mejor
su comportamiento.

145



Los ensayos realizados por la NCAT fueron: Índice de Corte Giratorio, Índice Giratorio
Elasto-Plástico, Resistencia al Corte Giratorio, Estabilidad y Flujo Marshall, Resistencia a
la Tracción Indirecta, Módulo Resiliente, Dynamic Creep, Ensayo de Fatiga y Wheel
Tracking Test.
Las conclusiones a las que llegaron fueron que la resistencia al corte de las mezclas SMA
arrojaban valores ligeramente mayor y menor que las mezclas densas; la estabilidad
Marshall fue siempre significativamente menor que para el caso de mezclas densas lo que
indicaría que este tipo de ensayo no representa el comportamiento de las SMA; el flujo en
las SMA es mayor que en mezclas densas lo que indicaría que las SMA son más flexibles.
Los ensayos de resistencia a la tracción indirecta y modulo resiliente fueron siempre
menores en SMA con respecto a las mezclas densas. Esto indicaría que las SMA no son
tan rígidas en tensión como las mezclas densas, los valores de módulo resiliente son altos.
La deformación permanente se evaluó con el ensayo de flujo estático en que ambas
mezclas obtuvieron valores semejantes. El ensayo de deformación permanente dinámica
mostró que las mezclas SMA tuvieron deformaciones permanentes ligeramente mayores
que las densas, sin embargo, estos resultados son contradictorios con el comportamiento
real de campo.
La conclusión más importante a la que llegaron fue que estos ensayos pueden dar un
indicativo del comportamiento de la mezcla, pero que son necesarios nuevos métodos de
laboratorio para poder evaluarlas. Los resultados del reporte de la NCAT no pudieron ser
usados para comparar el comportamiento mecánico de las mezclas SMA y densas, y que
la comparación sólo se podría dar en el campo, por lo menos por algún tiempo.
Recientes investigaciones realizadas por el Dr. Matthew W. Witczak y otros, de la
Universidad Estatal de Arizona en el año 2002, evalúan el Módulo Dinámico Complejo de
mezclas asfálticas. Este ensayo representa de una manera más adecuada el
comportamiento de materiales visco-elásticos. La Guía de Diseño de Pavimentos AASHTO
2002 propuso el uso de módulos complejos de mezclas asfálticas como parámetro de
diseño.
Durante años se aunaron esfuerzos para encontrar un ensayo de laboratorio que
acompañase al diseño de mezclas Superpave, denominado Simple Performance Test. El
módulo complejo también surgió como el principal candidato para el Simple Performance
Test que predice las deformaciones permanentes y agrietamientos fatiga en pavimentos
asfálticos 62 .
9.2.2 Revisión de Ensayos Realizados
A continuación se hace una breve descripción de algunos de los ensayos en mención.

146



Índice de Corte Giratorio (GSI)
Es una media de la estabilidad de mezclas asfálticas en caliente. El GSI se relaciona con
la deformación permanente en mezclas densas. Las mezclas con valores cercanos a 1.0
son más estables que aquellas que tengan valores mayores que 1.0.
Índice Giratorio Elasto-Plástico (GEPI)
Mide la deformación permanente potencial en mezclas de gradación densa, sin embargo,
no existe un criterio para mezclas SMA.
Resistencia al Corte Giratorio
La resistencia al corte giratorio para producir un ángulo de 1º es una propiedad importante
para evaluar la resistencia a la deformación permanente. En trabajos realizados por la
NCAT se indica la relación entre la deformación permanente y su resistencia al corte para
producir 1º en HMA. Mayores valores de resistencia cortante indican una mezcla más
estable.
Estabilidad Marshall
El ensayo Marshall (ASTM D1559) desarrollado por el Cuerpo de Ingenieros en los años
40 y basados en conceptos formulados por Bruce Marshall del Departamento de
Transportes del Estado de Mississipi. Consiste en aplicar carga vertical a un especimen
cilíndrico en posición horizontal. La temperatura de ensayo es de 60ºC seleccionada por
considerarse que es la temperatura promedio del pavimento en el verano. El valor de la
estabilidad Marshall es la máxima carga que produce la falla en el especimen.
La estabilidad se puede definir como la capacidad de la mezcla para resistir
desplazamientos y deformación. Un resultado típico del ensayo de estabilidad Marshall es
el mostrado en la figura 9.5.
La estabilidad de una mezcla depende de la fricción y cohesión interna. La fricción interna
entre las partículas de agregado se relaciona con sus características geométricas y
textura. La cohesión proviene de la capacidad del ligante para mantener unidas las
partículas. Como se puede apreciar, a medida que se incrementa el contenido de asfalto
en la mezcla, la estabilidad también se incrementa, pero cuando se sobrepasa el límite, el
asfalto puede impedir la fricción interna entre las partículas, resultando en menores valores
de estabilidad.


147



Foto 9.1: Proceso de preparación de especimenes Marshall y ensayo de
compresión diametral.

ESTABILIDAD VS. % DE ASFALTO

E
S
T
A
B
I
L
I
D
A
D
(L
b)

2900
2850
2800
2750
2700
2650
2600
2550
2500
2450
2400
4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

ASFALTO (%)

Figura 9.5: curva típica de estabilidad versus contenido de asfalto

148



El ensayo de estabilidad Marshall no tiene buena correlación con el comportamiento de las
mezclas SMA4. Sin embargo, ayuda a evaluar la resistencia y calidad de mezclas densas.
La estabilidad Marshall para mezclas SMA es significativamente inferior que para mezclas
de gradación densa. Esto no indica que las mezclas densas sean más estables que las
SMA sino que el ensayo de estabilidad Marshall no puede aplicarse a SMA.. Hasta ahora
la calidad de las mezclas SMA ha sido mejor controlada por sus propiedades volumétricas
que por sus resultados de estabilidad Marshall.
Flujo Marshall
El valor del flujo es la deformación vertical total del especimen sometido a la máxima
carga, punto en el cual la carga empieza a decrecer. Puede indicar el potencial de la
deformación permanente en mezclas de gradación densa. Un flujo mayor que 0.16
pulgadas puede indicar que la mezcla puede ser inestable bajo cargas de tráfico.
Un resultado típico de ensayos de flujo es el mostrado en la figura 9.6. Como se aprecia el
flujo se incrementa con el contenido de asfalto en la mezcla, por lo tanto es evidente que
mezclas SMA tengan mayores valores de flujo que las mezclas densas.
El contenido de asfalto en una mezcla le confiere mayor durabilidad. La durabilidad se
define la capacidad de resistir factores externos como desintegración del agregado,
cambios en las propiedades del asfalto y separación del asfalto del agregado. Las mezclas
SMA tienen mayor contenido de asfalto en su mezcla, por lo tanto son más durables que
las mezcla convencionales, esto es evidente en el campo.

FLUJO VS. % DE ASFALTO
17
16
15

F
L
U
J
O
(0.01")

14
13
12
11
10
4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

ASFALTO

Figura 9.6: curva típica de flujo versus contenido de asfalto

4

E. Brown y H. Manglorkar. “Evaluation of Laboratory Properties of SMA Mixtures”, october 1993.

149



Resistencia a la Tracción Indirecta
Inicialmente pensado para evaluar la resistencia a la tracción de especimenes de concretocemento bajo cargas estáticas, es un ensayo de rotura donde al especimen en posición
horizontal se le aplica una carga progresiva, con una velocidad de deformación de 0.8 0.1
mm/s.
El ensayo fue adaptado por el investigador Schmidt da Chevron, California, para mezclas
asfálticas con carga repetida. Se aplica carga diametral en especimenes Marshall,
induciendo un estado de compresión relativamente uniforme a lo largo del plano diametral
vertical (Fig.9.7 y Foto 9.2). Este tipo de carga origina esfuerzos de tensión
perpendiculares a la dirección de la carga aplicada (a lo largo del eje diametral vertical)
que al final causa la falla en el especimen (Fig. 9.8).

Figura 9.7: Ensayo de Tracción Indirecta
durante carga (Huang, 1996)

Foto 9.2: Especimen de prueba para ensayo de
compresión diametral.

Y
Tracción
P
x

y

2P
td

6P
td

X
Compresión

PP

P

Figura 9.8: Ensayo de Tracción Indirecta en falla (Huang, 1996)

150



Una carga de 0.5” (12.7 mm) de ancho se aplica en especimenes de 4” de diámetro (101.6
mm) para proporcionar una carga uniforme en todo el ancho, que produzca la distribución
de esfuerzos uniformes. Las ecuaciones propuestas para esfuerzos y deformaciones en
falla asumen que las mezclas asfálticas en caliente son homogéneas, isotrópicas y
elásticas. Según Huang, ninguna de estas suposiciones es cierta pero es un procedimiento
de ensayo común en HMA. Las ecuaciones de esfuerzos y deformación para tracción
indirecta son:
x

2P
y
td

y

6P
td

y

f

0.52x t

Donde:
x
y
f

P
d
t
xt

Esfuerzo de tracción horizontal en el centro del especimen, psi.
Esfuerzo de compresión vertical en el centro del especimen, psi.
Deformación por tracción en falla, pulg/pulg.
Carga aplicada, lbs.
Diámetro del especimen, pulg.
Espesor del especimen, pulg.
Deformación horizontal a lo largo del especimen, pulg.

Para el caso de especimenes de ensayo de 6” de diámetro la carga aplicada es de 0.75”
(19.0 mm) a todo lo ancho.
El ensayo de tracción indirecta proporciona dos propiedades de la mezcla. La primera es la
resistencia a la tracción que es un parámetro que evalúa la susceptibilidad al
humedecimiento de las mezclas. Para la susceptibilidad al humedecimiento, se mide la
resistencia a la tracción antes y después de saturar el especimen, se calcula la resistencia
a la tracción retenida como un porcentaje d la resistencia a la tracción original. En segundo
lugar, la deformación por tracción en falla se emplea para evaluar el potencial de
agrietamiento de la mezcla. Las mezclas que toleran altas deformaciones antes de
alcanzar a la falla resisten mejor los agrietamientos comparadas con las mezclas que no
toleran altas deformaciones.
El ensayo de tracción indirecta normalmente se realiza a una velocidad de aplicación de
carga de 2 pulg/min (50.8 mm/min) y a 77ºF (25ºC). Los ensayos de tracción también
pueden realizarse a otras temperaturas (especialmente las mas bajas) para predecir el
comportamiento de la mezcla sometida a agrietamientos por baja temperatura.
Modulo Resiliente
El módulo resiliente es el método mas común para medir la rigidez de mezclas asfálticas
en caliente. Un sistema similar al del ensayo de tracción indirecta se emplea en la
medición del módulo resiliente. La principal diferencia es que el equipo debe ser capaz de

151



aplicar cargas cíclicas. Este ensayo está estandarizado por la ASTM D4123. La figura 9.10
muestra el ploteo de la curva desplazamiento-tiempo.
Desplazamiento, mm

Tiempo, seg.

Figura 9.10: Deformación vertical versus tiempo. Huang, 1996.
Los ensayos de carga cíclica, tratan de reproducir las condiciones de campo. La amplitud y
el tiempo del pulso dependen de la velocidad del vehículo a la profundidad en que se
calculan los esfuerzos y deformaciones. La frecuencia depende del volumen de tráfico
46 . El ensayo de tracción indirecta con carga repetida, simula el comportamiento de
mezclas asfálticas en zonas específicas de tracción, responsables de la fatiga de la capa.
Las ecuaciones para calcular la resistencia a la tensión y deformación en falla para el
ensayo de tracción indirecta pueden usarse para calcular los esfuerzos y deformaciones
en el ensayo de módulo resiliente. Durante el ensayo de módulo resiliente, el esfuerzo
aplicado no lleva a la falla a la muestra, generalmente este valor esta entre 5 y 20% de la
resistencia a la tracción indirecta. La carga se aplica por 0.1 segundos con un periodo de
descanso de 0.9 segundos. De esa manera la muestra recibe una carga cíclica por
segundo.
Las ecuaciones que permiten calcular el módulo resiliente para especimenes de 4” y 6”
son:
Mr

0.2692

especimenes de 4”

Mr

Donde:
Mr
P
H
t

P
0.9976
Ht
P
0.9990
Ht

0.2712

especimenes de 6”

Módulo resiliente
Carga aplicada, pounds.
deformación horizontal, pulgadas.
altura del especimen
relación de Poisson.

152



No existe buena correlación entre el módulo resiliente y la deformación permanente, pero
un valor alto de MR a bajas temperaturas puede indicar posibles agrietamientos a bajas
temperaturas 44 . Los resultados del ensayo de MR realizados a 4º, 25º y 40ºC por la
NCAT (1993) no muestran una tendencia. En el reporte indican que la variabilidad del MR
en mezclas densas es alta y parece ser mayor para el caso de SMA este hecho puede
deberse al mayor contenido de piedra
De los trabajos experimentales realizados en Estados Unidos (1993) se concluyeron que el
incremento del contenido de asfalto da mayores valores de resistencia a tracción. La
resistencia a la tracción es mas una medida de la resistencia del cemento asfáltico 41 .
En Brasil el ensayo utilizado para determinar las propiedades resilientes de mezclas
bituminosas es el ensayo de tracción indirecta cíclica 42 . La experiencia Brasilera indica
que el contenido de fibras celulosas no incrementa la resistencia de la mezcla, y si hay una
reducción en la resistencia a la tracción. En los valores del módulo resiliente se noto una
pequeña disminución con el aumento de fibras celulosas 45 .
Flujo Estático
El ensayo de flujo estático se realiza en especimenes Marshall. El ensayo consiste en
aplicar un esfuerzo de 120 psi, y presión de confinamiento de 20 psi a 40ºC. La rigidez del
flujo se calcula dividiendo el esfuerzo normal con respecto a la deformación por flujo. El
tiempo total de carga es de una hora con 15 minutos de descarga. El flujo de mezclas SMA
y densas, según el reporte de la NCAT de 1993 fue aproximadamente igual.
Creep y Deformación Permanente
Los ensayos de creep (flujo) se realizan para evaluar el potencial de deformaciones
permanentes de la mezcla asfáltica. El ensayo se realiza aplicando una carga estática al
especimen HMA y midiendo la deformación permanente luego de un tiempo. El ploteo
típico de este ensayo es:
Los ensayos de flujo se pueden realizar de tres maneras:
1. Carga estática uniaxial no confinada
2. Carga estática uniaxial confinada, y
3. Tracción indirecta
El flujo de tracción indirecta evalúa el potencial de agrietamiento por bajas temperaturas,
mientras que el flujo uniaxial (confinado y no confinado) evalúa el potencial de
deformaciones permanentes. El ensayo de flujo Dinámico analiza las deformaciones viscoplásticas de mezclas asfálticas, comparando la resistencia mecánica y deformaciones

153



permanentes. Este ensayo fue realizado para evaluar el comportamiento mecánico de
mezclas SMA.
deformación
carga

descarga

Deformación
permanente
tiempo

Figura 9.11: Ploteo Típico del Ensayo de Creep y Deformación Permanente
Huang, 1996

El ensayo se realiza sobre especimenes Marshall. En el ensayo se aplica 120 psi de carga
normal y 20 psi de presión de confinamiento, se realiza a 40ºC. La carga se aplica a razón
de 1 ciclo por segundo, 0.1 segundos de aplicación de carga y 0.9 segundos de descanso
en cada ciclo. El módulo de la deformación permanente se calcula dividiendo el esfuerzo
normal entre la deformación permanente. El flujo en mezclas asfálticas SMA es
aproximadamente igual o ligeramente mayor que las mezclas de gradación densa 41 .
Existen tres modelos para predecir el comportamiento de mezclas asfálticas ante
deformaciones permanentes: modelos a partir de ensayos reológicos del tipo “creep”
dinámico, modelos desarrollados a partir de resultados obtenidos con equipos simuladores
de tráfico, y correlaciones entre el tráfico y la formación de huellas. Las dos primeras son
las mas utilizadas, una vez que las condiciones de campo se representen en el ensayo.
Ensayo de Fatiga y Wheel Tracking Test
El comportamiento estructural de los pavimentos sometidos a cargas dinámicas se puede
dividir en dos partes: (1) la flexión repetida que lleva a la fatiga a los materiales y
consecuentes agrietamientos, y (2) una compresión simple repetida que lleva a
deformaciones permanentes.
La fatiga es un proceso de deterioro estructural que sufre el material cuando está sometido
a tensión y deformación permanente, pueden ser muchos menores que la resiliencia del

154



material, y que resulta en agrietamientos luego de un número suficiente de repeticiones de
carga 48 .
9.3 Módulo Dinámico de Mezclas Bituminosas
El Modulo Resiliente es uno de los parámetros elásticos mas utilizado en el diseño de
pavimentos, pero no es el único. El módulo resiliente corresponde a un comportamiento
solamente elástico del material. Es sabido que las mezclas asfálticas tienen un comportamiento
visco-elástico, entonces es necesario también, considerar un parámetro visco-elástico, siendo
este el principal motivo para dejar de lado un parámetro eminentemente elástico, entre otras
limitaciones.
A continuación se dará una breve definición del Módulo Complejo Dinámico y su aplicabilidad.
9.3.1 Módulo Complejo
El módulo complejo es uno de los muchos métodos para describir la relación esfuerzodeformación de materiales viscoelástico. El valor numérico del módulo es un número
complejo E* (ASTM D3497), la parte real representa la rigidez elástica y la parte
imaginaria caracteriza el amortiguamiento viscoso interno de los materiales.
El valor absoluto del módulo complejo E* se denomina Módulo Dinámico. El módulo
dinámico varía con la frecuencia de carga. Se debe tener en cuenta que el ensayo se
debe realizar a la frecuencia que simule las cargas de tráfico para el diseño, el Módulo
Dinámico así determinado, será equivalente al Módulo Resiliente para fines de Diseño.
Una máquina de ensayo servo hidráulica para ensayos de compresión cíclica es la
mostrada en la foto 9.3. El equipo aplica esfuerzos sinusoidales (ondas continuas) que
son medidos en la celda de carga, las deformaciones se miden usando un traductor
LVDT. El traductor se aseguró usando brackets y tacones sobre el especimen. Se
acondicionó unas barras de acero para mantener el alineamiento.


155




Foto 9.3: Equipo para ensayo triaxial cíclico, Universidad de Arizona.
Referencia 63


156



La carga sinusoidal se puede representar por un número complejo.
o

cos

t

i o sen

t

o

ei t

Donde:
amplitud de los esfuerzos
velocidad angular

o

se relaciona con la frecuencia f según:
(9.1)

2 f

asumiendo que la inercia es insignificante, la ecuación diferencial se puede escribir:
1

E1

t

o

ei t

(9.2)

La solución de ésta ecuación se expresa como:
o e

i

t

(9.3)

en la ecuación (9.3) es la amplitud de la deformación y es el ángulo de desfase
entre la deformación y el esfuerzo, como se muestra en la figura:

esfuerzo

o sen t

o

tiempo

deformación

o

o sen

t-

tiempo

Reemplazando (9.3) en (9.2) se obtiene:

157



ei t

i 1 o

E1 o e i t

oe

i t

(9.4)

cancelando e i t a ambos lados e igualando los términos reales a o y los términos
imaginarios a cero, se obtienen dos ecuaciones siguientes, para resolver o y :
1

o sen

E1 o cos

1

o cos

E1 o sen

(9.5 a)

o

(9.5 b)

0

Las soluciones de las ecuaciones 9.5 son:
o

o

2
E1

1

(9.6 a)

2

1

tg

(9.6 b)

E1

en las ecuaciones (9.6) se puede ver que para materiales elásticos 1 0 y
0;
mientras que para materiales viscosos el rango va desde 0 a / 2 . El módulo complejo
E se define como:
ei t

o

E

o e

i

ó

t

o

E

cos

i o sen

o

(9.7)

o

Es interesante notar que la parte real de la ecuación 9.7 es actualmente igual a la rigidez
E1 y la parte imaginaria el amortiguamiento interno 1 .
El módulo complejo E* , indica la rigidez instantánea del material, es decir la relación
entre el esfuerzo y la respuesta deformacional en tiempo real. Sin embargo, se sabe que
la característica del comportamiento visco-elástico es la respuesta retardada, la
deformación máxima alcanzada se dará en un instante posterior, cuando la carga se haya
aplicado y más bien se encuentre en el instante de la descarga. Por ello, el siguiente
parámetro a definirse, |E*| representará un comportamiento más realista en el diseño.
El módulo dinámico, |E*| ó simplemente E* es el valor absoluto del módulo complejo:
2

E

o
o

cos

2
o
o

sen

o

(9.8)

o


158



|E*| es la rigidez efectiva que estará asociado al daño por deflexión que se producirá en la
mezcla asfáltica y representa la relación entre la carga aplicada y la deformación
(máxima) en el proceso de carga.
9.4 Módulo de Compresión Edométrica
El trabajo de investigación realizado propone los ensayos de compresión confinada y el ensayo
de compresión edométrica como ensayos que permitan medir el módulo dinámico de mezclas
asfálticas. Estos ensayos se realizan en mezclas asfálticas preparadas en especimenes
Marshall. Las muestras son condicionadas antes del ensayo. El ensayo de compresión se
realiza sobre el especimen en posición vertical.
Recientes investigaciones de la Arizona State University (Ref. 63) comparan módulos
dinámicos E* de ensayos de compresión triaxial cíclicos confinados y no confinados,
realizados sobre mezclas Asphalt Rubber Asphalt Concrete (ARAC) Gap Graged Mixture y
Asphalt Rubber Asphalt Concrete Friction Course (AR-ACFC) Open Graded Mixture. Sus
resultados indicaron que en ensayos no confinados las mezclas tendrían menores valores de
rigidez que los determinados de ensayos confinados, y que las mezclas AR-ACFC Open
Graded tuvieron la mas alta rigidez seguidas de las ARAC, cuando los ensayos fueron
confinados. Esta fue una importante conclusión, debido a que este comportamiento es el que
se observa en campo. De esta manera resaltaron la importancia de realzar ensayos de
compresión confinada para determinar el módulo dinámico E* sobre todo cuando se evalúa
mezclas de granulometría gap graded.
En la Universidad Mackenzie, en Sao Paulo-Brasil se están realizando ensayos de compresión
edométrica confinada, el equipamiento es el mostrado en la foto 9.4.
Los ensayo de compresión confinada y compresión edométrica realizados en la Universidad
Nacional de Ingeniería se ha utilizado el equipamiento del ensayo de CBR. En el caso de los
ensayos edométricos se empleó adicionalmente un disco metálico de diámetro similar al
diámetro de la muestra. Se prepararon especimenes de mezclas asfálticas densas
convencionales, tipo Superpave y SMA. Los ensayos realizados fueron cíclicos, la frecuencia
de ensayo fue de 0.2 Hz.
Para verificar los resultados obtenidos en investigaciones previas se realizaron ensayos de
estabilidad Marshall en mezclas convencionales, Superpave y SMA. Nuestros resultados son
compatibles con los obtenidos en por la National Center for Asphalt Technology, en lo referente
a que ensayos como el Marshall no permiten caracterizar adecuadamente el comportamiento
de mezclas asfálticas.


159



Foto No 9.4: Ensayo de Compresión Edométrico.
Universidad Mackenzie, Sao Paulo-Brasil
El ensayo de compresión edométrica, consiste en aplicar una carga sinusoidal sin periodo de
descanso a un especimen confinado. La carga se aplica con el pistón de carga del equipo CBR
a un disco metálico del diámetro del espécimen.
Los especimenes de mezclas asfálticas son preparados en laboratorio en moldes de 4”
compactadas con el martillo Marshall, el número de golpes con el martillo fue de 75 golpes/cara
para el caso de mezclas convencionales y superpave y de 50 golpes/cara para mezclas SMA.
Los ensayos se realizaron a 0ºC y 60ºC. Para cada muestra se aplicó una frecuencia de 0.2Hz.
Los ciclos de carga-descarga no tuvieron periodo de descanso (Minaya 2006)
Pistón con el que
aplicará la carga
Disco de metal
=4”

Especimen de
=4”
Posición vertical


160



Fotos No 9.5 a 9.7: Ensayo de Compresión Edométrica

161



Para este tipo de ensayo la deformación será calculada directamente con la siguiente ecuación:
(%)

h
100
h

Donde:
h
h

deformación del especimen
asentamiento debido a la carga
altura original del especimen

El módulo dinámico se calculará con la ecuación 9.8:
E

o
o

A bajas temperaturas el material mostraba un comportamiento más rígido comparado con el
material a altas temperaturas.
Durante los años 2003 y 2004 se desarrolló un proyecto de investigación conducente a
identificar el método adecuado para la evaluación del comportamiento de mezclas asfálticas.
Los resultados de los ensayos de compresión edométrica indicaron que las mezclas SMA tiene
mayor módulo que las otras mezclas. Mayor detalle se puede revisar Minaya, (referencia 62) y
el Anexo D de este libro.
El ensayo de compresión edométrica, consiste en aplicar una carga sinusoidal sin periodo de
descanso a un especimen confinado entre 5 y 10 kg/cm2. La carga cíclica, se aplica con el
pistón de carga a un disco metálico del diámetro del especimen. Los especimenes cilíndricos
fueron de 2.5 pulgadas de altura y 4 pulgadas de diámetro. En la siguiente figura se muestra el
ensayo cíclico.
12
Presion vs Asentamiento

Presion (kg/cm2)

8

4

0
0.0

0.4

0.8

1.2
Asentamiento (mm)

1.6

2.0

2.4


162

CAPITULO 10:
DISEÑO DE MEZCLAS ASFÁLTICAS
10.1 Tipos de Mezclas Asfálticas
Las mezclas asfálticas en caliente, HMA se divide en tres tipos: de gradación densa, opengraded o mezclas abiertas o porosas y gap-graded o mezclas de granulometría incompleta. La
Tabla 10.1 presenta los tipos de mezclas de acuerdo a las características granulométricas.
Las gradaciones densas se subdividen en gradación continua o HMA convencional, large-stone
mix, y mezcla arena-asfalto.
Las mezclas open-graded se dividen en open-graded friction course, OGFC y base permeable
tratada con asfalto.
El tipo gap-graded abarca mezclas de concreto asfáltico gap-graded y mezclas stone mastic
asphalt, SMA.
Algunas mezclas HMA deben ser diseñadas para casos particulares. Un ejemplo de este tipo
son las mezclas open-graded friction course OGFC, que se diseñan para mejorar la fricción,
evitar encharcamientos y emanaciones de vapor del pavimento, y disminuir los niveles de ruido.
La Federal Highway Administration, FHWA junto con la National Asphalt Pavement Association,
NAPA prepararon una guía para la apropiada selección del tipo de mezcla que considera
factores como el tráfico, medio ambiente, subrasante, condiciones del pavimento existente y su
preparación, y evaluación económica.
Tabla 10.1: Tipos de Mezclas Asfálticas en Caliente
Gradación densa
Convencional
Tamaño máximo nominal
usualmente de 12.5 a 19mm
(0.5 a 0.75 pulg.)
Large-stone
usualmente de 25 a 37.5mm
(1 a 1.5 pulg.)
Arena asfalto
menos que 9.5 mm
(0.375pulg.)

Open-garded
Porous friction course

Gap-graded
Gap-graded
convencional

Base permeable tratada Stone Mastic Asphalt
con asfalto
(SMA)



Diseño de Mezclas Asfálticas

Si las mezclas se clasificasen según el porcentaje de vacíos atrapada en la mezcla luego de
la compactación se clasificarían de la siguiente manera:
Mezclas Densas
Vacíos de aire, Va < 6%
Mezclas convencionales
Mezclas Superpave
Mezclas SMA
Mezclas semi-cerradas
6% < Va < 12%
Mezclas abiertas
Va > 12%
Mezclas porosas
Va > 20%
10.2 Definiciones
a) Mezclas de gradación densa HMA
HMA de gradación densa están compuestas por ligante de cemento asfáltico y agregado de
gradación continua.
Las mezclas convencionales de HMA consisten de agregados de tamaño máximo nominal en el
rango de 12.5 mm (0.5 pulg.) a 19 mm (0.75 pulg.). Foto 10.1
Large-stone mix contienen agregados gruesos con un tamaño máximo nominal mayor que 25
mm (1 pulg.). Como se ve en la figura 9.1a, estas mezclas tienen un mayor porcentaje de
agregados gruesos que las mezclas convencionales (mayores que el tamiz 4.75 mm o no. 4).
Por el mayor tamaño de los agregados, el esfuerzo de compactación aplicado a la mezcla debe
ser monitoreado para prevenir fracturas excesivas de los agregados mayores durante el
proceso de compactación.
Asfalto-arena está compuesto por agregado que pasa el tamiz 9.5 mm o 0.375 pulg. (figura
10.1a). El contenido de ligante en la mezcla es mayor que para mezclas HMA convencionales
porque se incrementan los vacíos en el agregado mineral de la mezcla. Las arenas usadas en
este tipo de mezcla son arenas chancadas o naturales de textura rugosa, la resistencia a las
deformaciones permanentes de este tipo de mezclas es típicamente muy bajo.
b) Mezclas open-graded
Las mezclas open-graded consisten de una gradación relativamente uniforme y ligante de
cemento asfáltico o ligante modificado (figura 10.1b). El principal propósito de este tipo de
mezclas es servir como una capa drenante, tanto en la superficie del pavimento o dentro de la
estructura del pavimento. Figura 10.2 y Foto 10.2.


164



a. Gradación
densa

b. Opengraded

c. Gap-graded

Figura 10.1: Gradaciones representativas de HMA

165



Como se indicó, hay dos tipos de mezclas open-graded. El primer tipo de mezcla son utilizadas
como una superficie gruesa para proporcionar drenaje libre en la superficie y prevenir los
encharcamientos, reduce las salpicaduras de las llantas, y reduce el ruido de las llantas. Este
tipo de mezcla es frecuentemente definido como open-graded friction course OGFC.
El segundo tipo de mezcla, denominado base permeable tratada con asfalto, comprende una
gradación uniforme de tamaño máximo nominal mayor que las usadas en OGFC –19 mm (0.75
pulg.) a 25 mm (1 pulg.) y se usa para drenar el agua que entra a la estructura del pavimento
desde la superficie o de la subrasante.
La producción de las mezclas open-graded es similar a las mezclas de gradación densa. Se
usan temperaturas de mezcla menores para prevenir el escurrimiento del asfalto caliente o
draindown durante el almacenamiento o traslado al lugar del proyecto. Recientemente se están
empleando polímeros y fibras en mezclas open-graded friction course para reducir el draindown
y mejorar la durabilidad de la mezcla. La colocación de este tipo de mezclas es convencional.
El esfuerzo de compactación por lo general es menor que las mezclas de gradación densa.
c) Mezclas gap-graded
La función de las mezclas gap-graded es similar a la mezclas de gradación densa porque estas
también proporcionan capas densas impermeables cuando la compactación es apropiada. Las
mezclas gap-graded convencionales se vienen usando por muchos años. El rango de los
agregados va desde gruesos hasta finos, con poca presencia de tamaños intermedios; un tipo
de mezcla gap-graded se muestra en la figura 10.1c.
El segundo tipo de mezclas gap-graded es el stone mastic aspahlt, SMA. Una representación
ilustrativa de este tipo de mezcla se muestra en la figura 9.1c. La producción de mezclas SMA
requiere la incorporación de significativas cantidades de filler mineral al agregado normal de tal
manera que alcance del 8 al 10% de material que pasa el tamiz 0.075 mm o no. 200.
Como en las mezclas open-graded la temperatura de descarga de la mezcla necesita ser
controlada para prevenir el escurrimiento o draindown del ligante durante el almacenamineto o
transporte. Las fibras y/o polímeros son normalmente usados con SMA para prevenir el
draindown.
10.3 Consideraciones del Diseño de Mezclas
La característica del diseño de mezclas comprende:
Densidad de la mezcla
Vacíos de aire
Vacíos en el agregado mineral
Contenido de asfalto.

166



Cada una de estas características tiene mucha importancia en el comportamiento de la mezcla.
La densidad de la mezcla es la relación entre el peso de la mezcla por unidad de volumen. Si
bien es cierto que esta característica no es utilizada en el diseño de la mezcla, se emplea para
los controles de compactación. A la mezcla asfáltica compactada en el laboratorio se le asigna
la densidad patrón y será ésta el punto de referencia en los controles.
Los Vacíos de aire o vacíos están conformados por el aire atrapado en la mezcla compactada.
A menor porcentaje de vacíos de aire la mezcla será menos permeable. En el diseño de
mezclas convencionales, los vacíos de aire están entre 3 a 5% en laboratorio, pero en campo
se permite tener vacíos de aire no mayores al 8% permitiendo que la carpeta se compacte bajo
tránsito.
La densidad de la mezcla está en función del contenido de vacíos, mezclas con menor
porcentaje de vacíos serán más densas, y visceversa. Un alto porcentaje de vacíos de aire
resulta en una mezcla porosa, que permite el paso del agua a través de su estructura, pero
además puede causar deterioro debido a que hay mayor porcentaje de aire (como se mencionó
en capítulos anteriores el aire oxida el asfalto). Bajos porcentajes de vacíos de aire son
perjudiciales en la mezcla, debido a que cuando soporta las carga de tránsito la carpeta se
comprime y el asfalto se acomoda en los vacíos atrapados, si el número de vacíos es pequeño,
el asfalto no podrá acomodarse en el interior y tendrá que salir a la superficie, esto se conoce
como exudación.
Los Vacíos en el agregado mineral (VMA) consideran los volúmenes ocupados por los vacíos
de aire atrapados y el asfalto efectivo 1 . El diseño considera un porcentaje mínimo de VMA
dependiendo del tamaño del agregado. Si el porcentaje del VMA son bajos la película de
asfalto será delgada y la mezcla será susceptible a oxidación. Con altos porcentajes de VMA la
película de asfalto será mas gruesa y la mezcla será más durable.
Una graduación densa puede reducir el porcentaje de VMA, reduciendo la película de asfalto y,
por consiguiente, reduciendo la durabilidad de la mezcla y dándole un aspecto seco.
El Contenido de asfalto es el porcentaje de asfalto que se incorpora en la mezcla. Parte del
asfalto será absorbido por el agregado y el resto de asfalto formará una película que rodean las
partículas. A los primeros se les denomina asfalto absorbido y al segundo asfalto efectivo.
El óptimo contenido de asfalto de la mezcla está en función de la granulometría y el porcentaje
de absorción del material. Mezclas con alto porcentaje de filler (mayor superficie específica)
requerirán mayor porcentaje asfalto, por ejemplo las mezclas SMA tienen mas porcentaje de
asfalto que una mezclas convencional y superpave. Mezclas porosas (% filler menor de 2%)
necesitan menor porcentaje de asfalto.

1

Asfalto efectivo es la película de asfalto que rodean los agregados

167



Foto 10.1:
Mezcla Convencional

Figura 10.2:
Mezcla Porosa

Foto 10.2:
Mezcla Porosa


168



Las Propiedades consideradas en el diseño son:
Estabilidad
Durabilidad
Impermeabilidad
Trabajabilidad
Flexibilidad
Resistencia a la fatiga
Resistencia al deslizamiento
La estabilidad está relacionada con la capacidad del asfalto para soportar deformaciones bajo
cargas de tránsito y resistir el desplazamiento horizontal, depende de la fricción y cohesión
interna. La fricción se relaciona con la geometría y textura de la partícula; la cohesión se
relaciona con las características del ligante.
Los agregados que forman parte de mezclas asfálticas deben ser de caras fracturadas y
superficie rugosa, generalmente provenientes de chancado. Los agregados con estas
características tienen una mejor trabazón y mayor resistencia cortante, caso contrario al de
agregados con partículas redondeadas que se deslizan una sobre otras.
La estabilidad de la mezcla se ha medido respecto del porcentaje de asfalto. A mayor
porcentaje de asfalto la mezcla se hace más estable hasta determinado límite, luego la
estabilidad de la mezcla disminuye. A medida que se incrementa el porcentaje de asfalto en la
mezcla, la película de asfalto que rodea los agregados permite que estos se acomoden. Si la
película de asfalto es muy gruesa impide la trabazón entre las partículas.
La durabilidad de la mezcla se relaciona a la capacidad del agregado a la desintegración, a la
capacidad del asfalto a reaccionar con el medio y a evitar que el asfalto se desprenda del
agregado.
Los agregados que forman parte de mezclas asfálticas, no sólo deben cumplir con
especificaciones granulométricas, sino también de calidad. Las presiones que soportarán los
agregados, sobre todo en sus aristas son altas, por lo tanto deben ser duros y muy resistentes.
Para que no exista riesgo de peladuras (desprendimiento de la película de asfalto) los
agregados deben ser hidrofóbicos.
La película de asfalto cumple un papel importante en la durabilidad de la mezcla. Si la película
es gruesa, se tendrá menor porcentaje de vacíos de aire, esta condición retarda la oxidación
que sufre el asfalto al encontrarse en contacto con el oxígeno, manteniendo por mayor tiempo
sus características originales. Los vacíos de aire no se deben reducir mucho porque el asfalto
necesita espacio para expandirse en climas cálidos. Si la película es delgada el asfalto se
oxidará rápidamente.


169



La impermeabilidad es la capacidad del medio para evitar el paso de aire y agua. Esta
definición se relaciona con el porcentaje de vacíos de aire en la mezcla compactada y el
acceso que estos vacíos tengan con la superficie.
Mezclas porosos son diseñadas con la finalidad de permitir que el agua proveniente de las
lluvias drene rápidamente a través de ellas. El alto porcentaje de vacíos de aire de este tipo de
mezclas facilitaría la oxidación del asfalto; sin embargo, esta condición se reduce usando
asfaltos modificados.
La trabajabilidad de la mezcla es la facilidad con que la mezcla se coloca y compacta.
Mezclas con alto porcentaje de fracción gruesa o alto porcentaje de filler son poco trabajables.
Las mezclas del tipo open graded (mezclas porosas) y gap-graded (como las Stone Mastic
Asphalt) tienden a segregarse y son difíciles de compactar. Mezclas con alto porcentaje de filler
puede hacer que la mezcla se vuelva muy rígida evitando su adecuada compactación.
Controlar la temperatura de compactación en la mezcla es muy importante, debido a que las
mezclas frías son semi-rígidas a rígidas y no permiten su compactación dejando alto porcentaje
de vacíos de aire.
Mezclas flexibles resisten las deformaciones sin agrietarse. El terreno de fundación se
asentará con los años debido al servicio, este asentamiento se reflejará en la superficie y la
carpeta deberá acomodarse sin agrietarse.
La carpeta asfáltica está soportando constantemente la acción de cargas cíclicas, este tipo de
cargas origina que la carpeta se flexione constantemente. La resistencia a la fatiga es la
resistencia a esta flexión, esta características está íntimamente relacionada al asfalto, asfaltos
oxidados no son resistentes a la fatiga.
Los agrietamientos por fatiga surgen en la fibra inferior de la carpeta asfáltica cuando ésta
trabaja a tracción, y se reflejan en la superficie denominándose piel de cocodrilo.
La superficie de rodadura debe reducir la posibilidad que la llanta se deslice sobre ella, sobre
todo en épocas de lluvia, esto se define como resistencia al deslizamiento. Mezclas porosas
fueron pensadas para evitar el hidroplaning (encharcamiento de agua en la superficie,
posiblemente por efecto de las lluvias) y deprimir el agua inmediatamente se encuentre en la
superficie.
Carpetas asfálticas con partículas redondeadas son menos resistentes al deslizamiento que las
carpetas formadas por partículas duras y de textura rugosa.
10.3 Propiedades volumétricas
10.3.1 Generalidades
Un factor importante que debe ser considerado en el comportamiento de mezclas asfálticas
son las relaciones volumétricas entre el ligante asfáltico y los agregados.

170



Las propiedades volumétricas más importantes de una mezcla compactada de pavimento
son: vacíos de aire (Va), vacíos en el agregado mineral (VMA), vacíos llenos con asfalto
(VFA), y contenido de asfalto efectivo (Pbe), proporcionan un índice del probable
comportamiento de la mezcla durante su vida de servicio.
10.3.2 Definiciones
El agregado mineral es poroso y puede absorber agua y asfalto en diferentes grados.
Además, la proporción de agua a asfalto absorbido varia con el tipo de agregado. Los tres
métodos para medir las gravedades especificas de los agregados consideran estas
variaciones.
Los métodos son: gravedad específica bulk, gravedad especifica aparente y gravedad
especifica efectiva. La diferencia entre las gravedades especificas viene de las diferentes
definiciones de volumen del agregado.
a) Gravedad Específica Bulk, Gsb
La relación del peso en el aire de un material permeable (incluyendo los vacíos permeables
e impermeables del material) a temperatura establecida al volumen del agregado incluyendo
los vacíos permeables. Figura 10.2.
G sb

Donde:
Gsb
Ws
Vs
Vpp
w

Ws
Vs Vpp w

gravedad especifica bulk del agregado
peso del agregado seco
volumen del agregado con los vacíos impermeables
volumen de vacíos permeables
peso específica del agua, 1 gr/cm3

b) Gravedad Específica Aparente, Gsa
Es la relación del peso en el aire de un material impermeable con respecto al volumen del
agregado incluyendo los vacíos impermeables. Figura 10.2.
G sa

Donde:
Gsa
Ws
Vs
w

Ws
Vs w

gravedad especifica aparente
peso específica del agua, 1 gr/cm3

171



c) Gravedad Específica Efectiva, Gse
Relación del peso en el aire de un material permeable (excluyendo los vacíos permeables al
asfalto) con respecto al volumen del agregado con los vacíos impermeables y vacíos
permeables que no absorbieron asfalto. Figura 10.2.
G se

Donde:
Gse
Ws
Vs
w

Ws
Vs

Vpp

Vap w

gravedad especifica efectiva
peso específico del agua, 1 gr/cm3

Figura 10.2: Propiedades Peso-Volumen en Mezclas
Asfálticas Compactadas
Las definiciones de vacíos en el agregado mineral (VMA), contenido de asfalto efectivo
(Pbe), vacíos de aire (Va), y vacíos llenos con asfalto (VFA) son:
d) Vacíos en el agregado mineral (VMA)
Volumen de vacíos entre los agregados de una mezcla compactada que incluye los vacíos
de aire y el contenido de asfalto efectivo, expresado en porcentaje del volumen total de la
mezcla. Ver figura 10.3.

172



e) Contenido de asfalto efectivo (Pbe)
El contenido de asfalto total de la mezcla menos la porción de asfalto absorbida por el
agregado. Ver figura 10.3.
f) Vacíos de aire (Va)
Volumen total de las pequeñas cavidades de aire entre las partículas de agregado cubiertas
en toda la mezcla, expresada como porcentaje del volumen bulk de la mezcla compactada.
Ver figura 10.3.
g) Vacíos llenos con asfalto (VFA)
Porción del volumen de vacíos entre las partículas de agregado (VMA) que es ocupado por
el asfalto efectivo. Figura 10.3.
aire

Va
Vfa

asfalto

Vma
Vb

Vba

Vmm
agregado
mineral

Vsb

Vma
Vmb
Vmm
Vfa
Va
Vb
Vba
Vsb
Vse

Vmb

Vse

volumen de vacíos en agregado mineral
volumen bulk de la mezcla compactada
volumen de vacíos de la mezcla de pavimentación
volumen de vacíos llenos con asfalto
volumen de vacíos de aire
volumen de asfalto
volumen de asfalto absorbido
volumen del agregado mineral (gravedad específica bulk)
volumen del agregado mineral (gravedad específica efectiva)

Figura 10.3: Esquema de una Muestra HMA Compactada


173



El diseño de mezclas Superpave requiere del cálculo de VMA para mezclas compactadas en
función de la gravedad específica bulk del agregado. La gravedad específica efectiva es la
base para el cálculo de los vacíos de aire en mezclas asfálticas compactadas.
Los vacíos en el agregado mineral (VMA) y los vacíos de aire (Va) se expresan como
porcentaje por volumen de mezcla. Los vacíos llenos con asfalto (VFA) es el porcentaje de
VMA lleno con asfalto efectivo. El contenido de asfalto puede expresarse como porcentaje
del peso total de la mezcla, o por peso, del agregado de la mezcla.
El Instituto del Asfalto recomienda que los valores de VMA para mezclas compactadas
deben calcularse en función de la gravedad específica bulk del agregado, Gsb. La gravedad
específica efectiva debe ser la base para calcular los vacíos de aire en la mezcla de asfalto
compactado.
10.3.3 Análisis de Mezclas Compactadas
La siguiente relación indica el procedimiento para analizar los vacíos de una mezcla
compactada:
1. Medida de la gravedad específica bulk del agregado grueso (AASHTO T85 o ASTM
C127) y de los agregados finos (AASHTO T84 o ASTM C128).
2. Medida de la gravedad especifica del cemento asfáltico (AASHTO T228 o ASTM D70) y
del filler mineral (AASHTO T100 o ASTM D854).
3. Cálculo de la gravedad específica bulk de la combinación de agregados en la mezcla.
4. Medida de la gravedad específica teórica máxima de la mezcla suelta (ASTM D2041 o
AASHTO T209).
5. Medida de la gravedad específica bulk de la mezcla compactada (ASTM D1188 o
ASTM D2726 o AASHTO T166).
6. Cálculo de la gravedad específica efectiva del agregado.
7. Cálculo de la gravedad específica máxima de la mezcla a otros contenidos de asfalto.
8. Cálculo del asfalto absorbido por el agregado.
9. Cálculo del contenido de asfalto efectivo de la mezcla.
10. Cálculo del porcentaje de vacíos en el agregado mineral en la mezcla compactada.
11. Cálculo del porcentaje de vacíos de aire en la mezcla compactada.
12. Cálculo del porcentaje de vacíos llenados con asfalto en la mezcla compactada.
10.3.4 Gravedad Específica Bulk del agregado
Cuando el agregado total consiste de fracciones separadas de agregados grueso, fino y
filler, todos tienen diferentes gravedades específicas, la gravedad específica bulk de la
combinación de agregados se calcula empleando la siguiente ecuación:


174


G sb


P1 P2 ...... Pn
Pn
P1 P2
......
Gn
G1 G 2

Donde:
gravedad específica bulk de la combinación de agregados
Gsb
P1, P2, Pn porcentajes individuales por peso del agregado
G1, G2, Gn gravedad específica bulk individual del agregado.
La gravedad específica bulk del filler mineral es difícil determinarlo actualmente. Sin
embargo, si se sustituye por la gravedad específica aparente del filler, el error es mínimo.
10.3.5 Gravedad Específica Efectiva del Agregado
La gravedad específica efectiva se calcula con la gravedad específica teórica máxima de
mezclas asfálticas (RICE) ASTM D-2041, con la siguiente expresión:
G se

Donde:
Gse
Pmm
Pb
Gmm
Gb

Pmm
Pmm
G mm

Pb
Pb
Gb

Gravedad específica efectiva del agregado
porcentaje en peso del total de la mezcla suelta, 100%
Porcentaje de asfalto para el peso total de la muestra
gravedad específica teórica máxima (ASTM D-2041)
de la mezcla (sin vacíos de aire)
Gravedad específica del asfalto

El volumen de asfalto absorbido por un agregado casi invariable menos que el volumen de
agua absorbida. En consecuencia, el valor de la gravedad especifica efectiva de un
agregado estaría siempre entre su gravedad específica bulk y aparente. Cuando la gravedad
específica efectiva está fuera de estos límites, se debe asumir que este valor es incorrecto.
La gravedad específica aparente, Gsa, de la combinación de agregados puede calcularse de
manera similar a la fórmula empleada para bulk pero usando las gravedades aparentes de
los agregados grueso, fino y filler.
10.3.6 Gravedad Específica Teórica Máxima de Mezclas
con Diferentes Contenidos de Asfalto
Cuando se diseña una mezcla con un agregado dado, se requiere la gravedad específica
teórica máxima, Gmm, con diferentes contenidos de asfalto para calcular el porcentaje de
vacíos de aire para cada contenido de asfalto.

175



Luego de calcular la gravedad específica efectiva de los agregados considerando cada
medición de las gravedades específicas teóricas máximas y promediando los resultados de
Gse, la gravedad específica teórica máxima para algún otro contenido de asfalto puede
obtenerse con la siguiente expresión:
G mm

Donde:
Gmm
Pmm
Ps
Pb
Gse
Gb

Pmm
Ps
G se

Pb
Gb

gravedad específica teórica máxima (ASTM D-2041)
de la mezcla (sin vacíos de aire)
contenido de agregado, porcentaje en peso del total de la mezcla
contenido de asfalto, porcentaje en peso del total de la mezcla
gravedad especifica efectiva del agregado
gravedad especifica del asfalto

10.3.7 Absorción de Asfalto
La absorción de asfalto se expresa como el porcentaje en peso del agregado mas que como
el porcentaje del peso total de la mezcla, el asfalto absorbido, Pba, se determina usando:
Pba

Donde:
Pba
Gse
Gb
Gsb

100

G se G sb
Gb
G sb G se

asfalto absorbido, porcentaje del peso de agregado.
gravedad especifica del asfalto

10.3.8 Contenido de Asfalto Efectivo de la Mezcla
El contenido de asfalto efectivo, Pbe, de una mezcla es el contenido de asfalto total menos la
cantidad de asfalto absorbido dentro de las partículas de agregado. Esta es la porción del
contenido de asfalto total cubre el exterior del agregado. Este es el contenido de asfalto que
gobierna la performance de una mezcla asfáltica. La fórmula es:
Pbe

Donde:
Pbe
Pb

Pb

Pba
Ps
100

contenido de asfalto efectivo, porcentaje del peso total de la mezcla.
contenido de asfalto, porcentaje del peso total de la mezcla.

176


Pba
Ps


asfalto absorbido, porcentaje del peso de agregado.
contenido de agregado, porcentaje del peso total de la mezcla.

10.3.9 Porcentaje de VMA en Mezcla Compactada
Los vacíos en el agregado mineral, VMA, se definieron como los vacíos entre las partículas
de agregado de la mezcla compactada, incluye los vacíos de aire y el contenido de asfalto
efectivo, se expresa como un porcentaje del volumen total. El VMA se calcula en base a la
gravedad específica bulk del agregado y se expresa como un porcentaje del volumen bulk
de la mezcla compactada. Por consiguiente, el VMA puede calcularse restando el volumen
del agregado determinado por su gravedad especifica bulk del volumen bulk de la mezcla
compactada.
Si la composición de la mezcla se determina como porcentaje por peso de la mezcla total:
VMA 100

Donde:
VMA
Gsb
Gmb
Ps

G mbPs
G sb

vacíos en el agregado mineral, porcentaje del volumen bulk
gravedad especifica bulk del agregado total
gravedad especifica bulk de la mezcla compactada
(AASHTO T166; ASTM D1188 o D2726)
contenido de agregado, porcentaje del peso total de la mezcla

10.3.10 Porcentaje de Vacíos de Aire en Mezcla Compactada
Los vacíos de aire, Va, en el total de la mezcla compactada consisten de los pequeños
espacios de aire entre las partículas de agregados recubiertos. El porcentaje de vacíos de
aire en la mezcla compactada puede determinarse usando:
Va 100

Donde:
Va
Gmm
Gmb

G mm G mb
G mm

vacíos de aire en la mezcla compactada, porcentaje del volumen total
gravedad especifica teórica máxima de la mezcla
gravedad especifica bulk de mezcla compactada

10.3.11 Porcentaje VFA en Mezclas Compactadas
Los vacíos llenos con asfalto, VFA, es el porcentaje de los vacíos entre partículas (VMA)
que se llenan con asfalto. VFA, no incluye el asfalto absorbido, y se determina usando:

177



VFA 100

Donde:
VFA
VMA
Va

( VMA Va )
VMA

vacíos llenados con asfalto, porcentaje de VMA
vacíos de aire en mezcla compactada, porcentaje del volumen total.

10.4 Diseño de Mezcla Convencional
Una mezcla para pavimentación se clasifica de acuerdo a su tamaño máximo o tamaño máximo
nominal. El libro Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design and Construction de la NAPA
Research and Education Foundation, especifica que para la mayoría de las mezclas asfálticas
en caliente se requieren gradaciones densas (mezclas convencionales) para agregados. En
las tablas 10.2 y 10.3 se muestran las especificaciones recomendados por ASTM D-3515.
Tabla 10.2: Composición Típica del Concreto Asfáltico
Tamiz

(1 1/2")

Tamaño máximo nominal del agregado
(1")
(3/4")
(1/2")

(3/8")

Porcentaje acumulado que pasa (por peso)
50 mm (2")
37,5 mm (1 ½")
25,0 mm (1")
19,0 mm (3/4")
12,5 mm (1/2")
9,5 mm (3/8")
4,75 mm (Nº 4)
2,36 mm (Nº 8)*
0,30 mm (Nº 50)
0,15 mm (Nº 100)
0,075 mm (Nº 200)**

100
90-100

100
90-100

56-80

100
90-100

56-80

100
90-100
44-74
28-58
5-21

100
90-100
55-85
32-67
7-23

23-53
15-41
4-16
0-5

1-7

2-8

2-10

2-10

3-8

3-9

4-10

4-11

5-12

4 y 67
o
4 y 68

Cemento asfáltico, % en peso de la
mezcla total***

29-59
19-45
5-17

56-80
35-65
23-49
5-19

5y7
o
57

67 o 68
o
6y8

7
o
78

8

* Las características de la gradación total de una mezcla de asfalto para pavimentos la cantidad que pasa el
tamiz 2,36 mm (Nº8) es un significativo y conveniente control de campo de agregado fino y grueso. La
cantidad máxima permitida que pase el tamiz 2,36 mm (Nº8) resultaría en superficies de pavimentos de
textura fina, mientras que las cantidades mínimas que pasan por el tamiz 2,36 mm (Nº8) resultaría en
superficies de textura gruesa.
** El material que pasa el tamiz 0,075 mm (Nº200) consiste de partículas finas de agregados o filler, o ambos.
Este debe estar libre de materia orgánica y partículas de arcilla y con índice de plasticidad no mayor de 4
ensayado según ASTM D 423 y D 424
*** La cantidad de cemento asfáltico se da en términos de porcentaje en peso del total de la mezcla. La
diferencia de gravedades específicas en diferentes agregados, así como una considerable diferencia en
absorción, resulta en un rango amplio de contenido de cemento asfáltico. La cantidad de asfalto que se
requiere para una mezcla se debe determinar por ensayos de laboratorio apropiados o en base a experiencias
con mezclas similares, o por combinación de ambos.


178



PESO ESPECIFICO VS. % DE ASFALTO
17

2900
2850

16

2800

2.280
2.270
2.260
2.250

2750

15

2750

FLUJO (0.01")

2.290

ESTABILIDAD (Lb)

PESO ESPECIFICO (gr/cm3)

2.300

2700
2650
2600
2550

13
12

2500
2.240

11

6,9

2450

2.230

6,9

2400
4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

10
4.5

5.0

5.5

ASFALTO (%)

VOLUMEN LLENO CON ASFALTO VFA
(%)

8.0
7.0
6.0
4,0

4.0
3.0
2.0
1.0

6,9

0.0
4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

ASFALTO (%)

7.0

7.5

8.0

6.5

7.0

7.5

8.0

ASFALTO (%)

% VACIOS LLENOS DE CON ASFALTO VS. % DE
ASFALTO

9.0

5.0

6.0

ASFALTO (%)

% VACIOS VS. % DE ASFALTO

VACIOS VTM (%)

14

14

% VOLUMEN DE AGREGADO GRUESO MINERAL
VS. % DE ASFALTO

100.0

21.0

90.0

20.0
79

80.0

18,6

19.0

70.0

18.0

60.0

17.0

50.0

16.0
6,9

6,9

40.0

15.0
4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

ASFALTO (%)

7.5

8.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

ASFALTO (%)

Figura 10.3: Resultados típicos de diseño de mezclas asfálticas ensayada en la prensa Marshall


179



Tabla 10.3: Especificaciones para Gradaciones Densas, ASTM D3515
Mezcla Densa
Tamiz

Tamaño máximo nominal de agregados
2”

1 ½”

1”

¾”

½”

3/8”

Nº4

Nº8

Nº16

Gradación de agregados (grava; fino y filler si se requiere)
Porcentaje en peso
2 ½” (63mm)

100

-

-

-

-

-

-

-

-

90-100

100

-

-

-

-

-

-

-

-

90-100

100

-

-

-

-

-

-

1” (25.0mm)

60-80

-

90-100

100

-

-

-

-

-

¾” (19.0mm)

-

56-80

-

90-100

100

-

-

-

-

1/2” (12.5mm)

35-65

-

56-80

-

90-100

100

-

-

-

3/8” (9.5mm)

-

-

-

56-80

-

90-100

100

-

-

Nº4 (4.75mm)

17-47

23-53

29-59

35-65

44-74

55-85

80-100

-

100

Nº8 (2.36mm)

10-36

15-41

19-45

23-49

28-58

32-67

65-100

-

95-100

Nº16 (1.18mm)

-

-

-

-

-

-

40-80

-

85-100

Nº30 (600 m)

-

-

-

-

-

-

25-65

-

70-95

Nº50 (300 m)

3-15

4-16

5-17

5-19

5-21

7-23

7-40

-

45-75

Nº100 (150 m)

-

-

-

-

-

-

3-20

-

20-40

Nº200 (75 m)

0-5

0-6

1-7

2-8

2-10

2-10

2-10

-

9-20

2” (50mm)
1 ½” (37.5mm)

Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design and Construction. NAPA, 1996.

10.5 Ejemplo
La siguiente tabla ilustra los datos básicos para una muestra de mezcla asfáltica.


180



Datos Básicos para Muestras de Mezclas Asfálticas
(a)Constituyentes:
Material

Gravedad Específica
Bulk

AASHTO

ASTM

Composición de Mezcla
% por peso % por peso
del total de del total de
mezcla
agregado
5.3 (Pb) 5.6 (Pb)
47.4 (P1) 50.0 (P1)
47.3 (P2) 50.0 (P2)
-.-.-

Cemento asfáltico 1.030 (Gb)
T 228
D 70
Agregado grueso
2.716 (G1)
T 85
C 127
Agregado fino
2.689 (G2)
T 84
C 128
Filler mineral
T 100
D 854
(b) Mezcla asfáltica
Gravedad especifica bulk de la mezcla compactada, Gmb
(ASTM D 2726)
Gravedad especifica teórica máxima de la mezcla, Gmm
(ASTM D 2041)

2.442
2.535

1. Gravedad específica bulk de la combinación de agregados.
Cuando la muestra se ensaya en fracciones separadas (por ejemplo, grueso y fino), el valor
de la gravedad específica promedio se calcula con la siguiente ecuación:
G

Donde:
G
G1, G2, ......, Gn
P1, P2, ......., Pn

P1 P2 ....... Pn
Pn
P1 P2
.....
Gn
G1 G 2

Gravedad específica promedio
Valores de gravedad específica por fracción 1, 2, ....., n
Porcentaje en pesos de la fracción 1, 2, ....., n

La gravedad específica bulk del filler mineral es difícil de determinar. Sin embargo, si se
sustituye por la gravedad específica aparente del filler, el error es despreciable. Esta
ecuación se puede aplicar para determinar la gravedad específica bulk y aparente de la
combinación de agregados.
Usando los datos del ejemplo:
G sb

50.0 50.0
50.0 50.0
2.716 2.689

100
18.41 18.59

2.703

2. Gravedad Específica Efectiva del Agregado, Gse
El procedimiento para determinar la gravedad específica efectiva no está normado por
AASHTO o ASTM. Los valores se obtienen a partir del cálculo de la gravedad específica

181



teórica máxima de mezclas asfálticas (Gmm) ASTM D-2041, éste ensayo se realiza sobre
mezclas sueltas, de esa manera se eliminan los vacíos de aire.
En general:

G sa

Por definición:

G se

G se G sb
Ws
Vefec

El volumen efectivo es el volumen del agregado mas los vacíos permeables al agua que no
se llenaron de asfalto. En el ensayo de gravedad específica teórica máxima (Gmm), se mide
el volumen de la mezcla suelta y el volumen del cemento asfáltico se calcula con su peso y
su gravedad específica. El volumen efectivo del agregado se determina sustrayendo el
volumen del cemento asfáltico del volumen total.
G se

WT Pb WT
VTV VAC

sustituyendo los volúmenes,
G se

WT Pb WT
WAC
WT
G mm
Gb

simplificando,
G se

ó
Donde:
Ws
VAC
Vefec
WT
VTV
Pmm
Pb
WAC
Gb
Gmm

G se

1 Pb
Pb
1
G mm G b
Pmm Pb
Pmm Pb
G mm G b

Peso del agregado
Volumen del cemento asfáltico total
Volumen efectivo
Peso total de la mezcla
Volumen total de la mezcla suelta
contenido de asfalto del ASTM D2041, porcentaje del peso total de la mezcla
Peso total del cemento asfáltico
Gravedad específica del cemento asfáltico
Gravedad especifica teórica máxima de la mezcla (ASTM D2041),
no incluye los vacíos de aire

Usando la ecuación en el ejemplo:


182


G se


1 0.053
1
0.053
2.535 1.030

0.947
0.3945 0.0515

2.761

3. Gravedad Específica Teórica Máxima de la mezcla para otros contenidos de asfalto
Por definición:
Ws

G mm

WAC

Vefectivo

VAC

Sustituyendo,
WT
Ws WAC
G se
Gb
WT
WT 1 Pb
WT Pb
G se
Gb

G mm

G mm

simplificando, y asumiendo que el peso total es el 100%
G mm

ó
Donde:
Ws
VAC
Vefec
WT
Pb
WAC
Gb
Gse

1
1 Pb
G se

G mm

Pb
Gb
Pmm

Ps
G se

Pb
Gb

Peso del agregado
Volumen del cemento asfáltico total
Volumen efectivo
Peso total de la mezcla
contenido de asfalto del ASTM D2041, porcentaje del peso total de la mezcla
Peso total del cemento asfáltico
Gravedad específica del cemento asfáltico
Gravedad especifica efectiva del agregado

Usando los datos de la tabla y la gravedad especifica efectiva, Gse, para 4% de contenido de
asfalto (Pb):
G mm

1
1 0.04 0.04
2.761 1.030

1
0.3477 0.0388

2.587


183



4. Porcentaje de Asfalto Absorbido, Pba
El porcentaje de asfalto absorbido del agregado mineral usualmente se expresa por peso del
agregado mas que por peso de la mezcla total. La ecuación para calcular el asfalto
absorbido puede obtenerse a partir de:
Wba
Ws

Pba

100

sustituyendo, peso = volumen x gravedad especifica
Vba G b
Ws

Pba

100

El volumen de asfalto absorbido es la diferencia entre el volumen bulk del agregado y su
volumen efectivo. Por lo tanto,
Pba

Vsb

Vse
Ws

Gb

100

sustituyendo, volumen = peso/ gravedad especifica
Pba

Ws
G sb

Ws
G se

Gb
100

Ws

simplificando,
Pba

Donde:
Pba
Wba
Ws
Vba
Vsb
Vse
Gb
Gse
Gsb

G se G sb
G sb G se

G b 100

porcentaje de asfalto absorbido por peso del agregado
peso de asfalto absorbido
peso del agregado
peso de asfalto absorbido
volumen bulk del agregado
volumen efectivo del agregado
gravedad especifica del cemento asfáltico

Reemplazando los datos del ejemplo:
Pba

2.761 2.703
1.030 100
2.703 2.761

0.058
7.463

1.030 100

0.8%


184



5. Porcentaje de Asfalto Efectivo, Pbe
El contenido de asfalto efectivo, Pbe, de la mezcla es el contenido total de asfalto menos la
cantidad de asfalto que absorbió el agregado. Esta es la capa de asfalto que recubre
exteriormente el agregado y es el contenido de asfalto que gobierna el comportamiento de la
mezcla asfáltica.
Pba Ps
Pbe Pb
100
Donde:
Pbe
Pb
Ps
Pba

contenido de asfalto efectivo, porcentaje por peso total de la mezcla
contenido de asfalto, porcentaje del peso total de la mezcla
contenido de agregado, porcentaje por peso total de la mezcla
asfalto absorbido, porcentaje por peso del agregado

De los datos del ejemplo:
El porcentaje en peso de la mezcla es 5.3% y el porcentaje en peso del agregado es 0.8%,
reemplazando:
0.8% 94.7%
5.3% 0.758% 4.5%
Pbe 5.3%
100
6. Porcentaje VMA en Mezcla Compactada
Como ya se indicó el volumen de vacíos en el agregado mineral VMA es un factor
importante para el diseño de mezclas.
La fórmula para VMA puede obtenerse considerando la relación peso-volumen de la figura
2. Se recomienda que el cálculo sea realizado con la gravedad específica bulk del agregado:
VMA

VT

Vsb
VT

100

simplificando,
Vsb
100
VT
sustituyendo volumen con el peso dividido entre la gravedad específica
VMA 100

VMA 100

Ws
G sb
WT
Gmb

100

sustituyendo,

185



Ws

WT

Pb WT

y simplificando

G mb 1 Pb
G sb

VMA 100 1
Donde:
Vsb
VT
Ws
WT
Gsb
Gmb
Pb

volumen total de mezcla compactada
peso del agregado
peso total de la mezcla
gravedad especifica bulk de la mezcla compactada
contenido de asfalto, porcentaje del peso total de la mezcla

Para el ejemplo:
VMA 100 1

2.442 1 0.053
2.703

100 1 0.855

14.4%

7. Porcentaje de Vacíos de Aire en la Mezcla Compactada, Va

La fórmula para calcular el porcentaje de vacíos de aire puede obtenerse a partir de:
Por definición,
Vv
Va
100
VT
sustituyendo,
Vv

VT

VT

Va

Va

1

Vfa
VT

1

Vs b

Vsb

Vfa

Vsb
VT

multiplicando el numerador y denominador por

Va

Vfa

WT

100

100

y simplificando,

WT
VT
WT
Vfa Vsb

100


186



sustituyendo,
Va

Donde:
Va
Vv
VT
Vfa
Vsb
WT
Gmb
Gmm

1

G mb
G mm

100

vacíos de aire en la mezcla compactada, porcentaje del volumen total
Volumen de vacíos de aire
Volumen total del especímen compactado
Volumen de vacíos llenos con cemento asfáltico
Peso total del especímen compactado
Gravedad específica bulk del especímen compactado
Gravedad específica teórica máxima de la mezcla

Nota.- En mucha bibliografía se identifica al porcentaje de vacíos de aire en la mezcla
compactada como VTM.
G mb
VTM 1
100
G mm
Para el ejemplo:
VTM

1

2.442
2.535

100 3.7%

8. Vacíos Llenos con Asfalto, VFA

VFA es simplemente el porcentaje de VMA llenado con cemento asfáltico. La siguiente
fórmula se usa para calcular el VFA:
VMA VTM
100
VFA
VMA
Donde:
VFA
vacíos llenos con asfalto, porcentaje de VMA
VMA
Va ó VTM vacíos de aire en la mezcla compactada, porcentaje del volumen total
Para el ejemplo:
VFA

14.4 3.7
100
14.4

74.3%

Los Métodos de Laboratorio ASTM D2041 de Gravedad Específica Teórica Máxima y ASTM
D1188 Gravedad Específica Bulk de la Mezcla Compactada se desarrollarán teóricamente a
continuación.
Una revisión de las gravedades especificas mencionadas indican lo siguiente:

187



1. La diferencia entre gravedad especifica seca bulk y la gravedad especifica seca
aparente es el volumen del agregado usado en los cálculos. La diferencia entre estos
volúmenes es igual al volumen del agua absorbida en los vacíos permeables (diferencia
entre los peso saturado superficialmente seco y seco al horno cuando son pesados en
gramos). Ambas gravedades especificas usan el peso seco al horno del agregado.
2. La diferencia en los cálculos entre la gravedad especifica seca bulk y la gravedad
especifica saturado superficialmente seco es el peso del agregado. El volumen del
agregado es idéntico para ambas gravedades especificas. La diferencia en los pesos es
igual al agua absorbida en los vacíos permeables (diferencia entre los pesos del os
agregados saturados superficialmente seco y secado en el horno).
3. Las diferencias en los cálculos entre la gravedad aparente, seca bulk y efectiva es el
volumen del agregado. Las tres gravedades especificas usan los pesos del agregado
secado al horno.
4. La diferencia entre la gravedad especifica bulk de la mezcla compactada y la gravedad
especifica teórica máxima es el volumen. La diferencia de volúmenes es porque están
asociados con el volumen del aire en la mezcla compactada.
5. Los valores medidos de a gravedad especifica compactada pueden ser verificados para
una primera aproximación usando lo siguiente: a) la gravedad especifica aparente
siempre era igual o mayor que la gravedad especifica efectiva el cual será siempre igual
o mayor que la gravedad especifica seca bulk, b) la gravedad específica saturada
superficialmente seco bulk siempre será igual o mayor que la gravedad específica seca
bulk, c) la gravedad específica teórica máxima será siempre igual o mayor que la
gravedad especifica compactada de la mezcla, d) la gravedad específica del agregado
(aparente, efectiva, seca bulk, saturado superficialmente seca bulk) será siempre mayor
que la gravedad específica teórica máxima de la mezcla.
10.6 Diseño de Mezcla Superpave
10.6.1 Diseño de la Estructura del Agregado

El diseño de la estructura granular se basa en la consideración que el ligante tendrá una
función estructural principal, es decir, soportará los esfuerzos transmitidos por las cargas.
Este enfoque conceptual del Superpave es diferente respecto al SMA donde el ligante, es un
miembro secundario y no soportará esfuerzo significativo.
La SHRP desarrolló un método para especificar la granulometría basado en el concepto de
puntos de control y zona restringida. Se darán algunas definiciones para enfocar
adecuadamente la propuesta.
Tamaño Máximo Nominal y Tamaño Máximo
El tamaño máximo nominal del agregado es el primer tamiz que retiene más del 10% del
material.

188



El tamaño máximo es el siguiente tamiz mayor que el tamaño máximo nominal.
Carta de Potencia 0.45
Superpave adoptó la carta de potencia 0.45 para graficar la granulometría de la mezcla de
agregados como estaba siendo utilizada por la FHWA. No existe información de la elección
de dicha carta. Algunos artículos señalan que la carta de potencia 0.45 no sería aplicable a
todo tipo de agregado. Específicamente, se menciona que cartas de potencias mayores
como 0.50 ó 0.60 representarían mejor agregados chancados.
La SHRP investigó la historia de la adopción de la carta 0.45. La carta tal como es utilizada
actualmente, se basa en el trabajo de Nijboer de los Países Bajos y de Goode y Lufsey de
Bureau of Public Roads. Nijboer evaluó el acomodo de los agregados tanto naturales como
artificiales y encontró que la configuración más densa ocurría para una gradación que
reflejaba una línea recta en la carta de 0.45 de potencia. Goode y Lufsey, 1962 validó el
trabajo de Nijboer para agregados en los EE.UU.
La línea de máxima densidad seca a la potencia 0.45 se grafica desde el origen hasta el
tamiz máximo en el que pasa el 100% del material.
A continuación se dará un ejemplo de elaboración de la carta potencia 0.45 para gradación
Superpave TMN 19 mm. Se detallará el procedimiento de elaboración de la carta:
1º) El tamaño de los tamices se grafican elevados a la potencia 0.45, por ejemplo, el tamiz
0.45

4.75 mm se grafica como 2.02, es decir, 4.75
. Las cartas de potencia 0.45 no
indican las abscisas en escala aritmética como se muestra en la fig. 10.4, sino como en la
fig. 10.5.
2º) La línea de máxima densidad seca se grafica desde el origen hasta el tamiz del tamaño
máximo. La línea de máxima densidad seca (figura 9.19) representa la gradación donde
las partículas del agregado alcanzan su máximo arreglo posible. En el ejemplo la línea va
desde el origen hasta el tamaño máximo nominal de 19 mm.


189



Carta potencia 0.45 para TM 19 mm

Porcentaje que pasa

100
80
60
40

Ejemplo:
Tamiz 4.75 mm se grafica como (4.75)0.45 = 2.02

20
0
0

1

2

3

4

Tamiz elevado a la potencia 0.45

Figura 10.4: Base de la Carta Potencia de 0.45


Porcentaje que pasa

100
80

Línea de máxima densidad seca
60
40
20

19

12.5

9.5

4.75

2.36

1.18

0.6

0.075
0.15
0.3

0


Figura 10.5: Línea de máxima densidad seca para
tamaño máximo de 19 mm

Puntos de Control
La gradación del agregado deberá estar dentro de los “puntos de control”, que aseguran la
buena gradación del agregado evitando problemas de segregación en la mezcla.
Los puntos de control se ubican en el tamaño máximo nominal, un tamiz intermedio (2.36
mm), y tamiz más pequeño (0.075 mm). Figura 9.20.
Zona Restringida
Para Superpave la zona restringida asegura que no se use mucha arena natural en la
mezcla, y asegura un mínimo porcentaje de vacíos en el agregado mineral, VMA, de la
mezcla.

190



La zona restringida se encuentra a lo largo de la línea de máxima densidad seca entre el
tamiz intermedio (4.75 mm ó 2.36 mm) y el tamiz 0.3 mm. La fig. 10.6.
Se especifica que las gradaciones no deben pasar por la zona restringida sino a uno y otro
lado de la línea de máxima densidad seca que generalmente comienza en el tamiz 2.36 mm
y se extiende hasta el tamiz 0.300 mm. El valor máximo y mínimo que se requiere para los
puntos de control depende del tamaño máximo nominal.


Porcentaje que pasa

100

línea máx.
densidad

80
60

zona
restringida

40

tamaño
máx
tamaño
nominal máx

puntos
control

20

19

12.5

9.5

4.75

2.36

1.18

0.6

0.075
0.15
0.3

0


Figura 10.6: Límites de gradación Superpave
para tamaño máximo de 19 mm

La Tabla 10.4 define los puntos de control y la zona restringida recomendada para diferentes
tamaños máximos nominales. Todas las combinaciones de agregados deben pasar entre los
puntos de control establecidos, además, deben estar fuera de la zona restringida.
10.6.2 Determinación del Contenido de Ligante Asfáltico

a) Compactador Giratorio Superpave
La principal herramienta del diseño de mezclas volumétricas es el compactador giratorio
Superpave (SGC). Un diseño de mezclas satisfactorio es aquel que cumpla los requisitos
volumétricos a niveles iniciales y del número de revoluciones de diseño; estos niveles
dependen del tráfico. Intuitivamente, las propiedades de la curva de densificación del SGC
se correlacionan de alguna manera con la performance del pavimento, en particular, la
deformación permanente, pero la relación propiedad-performance no está cuantificada.

191



Los investigadores de la SHRP tuvieron varios objetivos al desarrollar un método de
compactación de laboratorio. El Compactador Giratorio Superpave, SCG compacta las
muestras de manera similar a la que se obtendrá bajo tráfico y condiciones de clima
específicos.
Tabla 10.4: Especificaciones de Agregados Superpave

Tamaño
estándar
(mm)
50.0
37.5
25.0
19.0
12.5
9.50
2.36
0.075
Tamiz
4.75
2.36
1.18
0.60
0.30

9.5 mm

100
90-100
32-67
2.0-10.0

Puntos de Control
Tamaño máximo Nominal
12.5 mm
19 mm
25 mm

100
90-100

100
90-100

100
90-100

37.5 mm
100
90-100

28-58
23-49
19-45
15-41
2.0-10.0
2.0-8.0
1.0-7.0
0.0-6.0
Zona Restringida
39.5
34.7
47.2
39.1
34.6
26.8-30.8 23.3-27.3
31.6-37.6 25.6-31.6 22.3-28.3 18.1-24.1 15.5-21.5
23.5-27.5 19.1-23.1 16.7-20.7 13.6-17.6 11.7-15.7
18.7
15.5
13.7
11.4
10.0

El equipo de compactación tiende a orientar las partículas de agregado de manera similar a
las observadas en campo y es capaz de medir la compacidad
b) Equipo de Compactación
El origen del SGC fue el compactador giratorio modificado de Texas que usa los principios
del compactador giratorio Francés. El compactador giratorio modificado de Texas densifica
los especimenes de manera realista y es razonablemente portátil. El diámetro del espécimen
es de 6 pulg. (150 mm) pudiendo compactar mezcla con agregados de 50 mm de tamaño
máximo (37.5 mm de tamaño máximo nominal). Figura 10.7.


192



Figura 10.7: Esquema del Equipo de Compactación

El pisón aplica 600 kPa de presión de compactación sobre el espécimen. Un medidor
mantiene constante la presión en el pisón durante la compactación. El molde del SGC (fig.
10.8) tiene un diámetro interior de 150 mm y un plato en la base del molde proporcionando
confinamiento. La base del SGC rota a una velocidad de 30 rev/min durante la
compactación, con el molde ubicado a un ángulo de compactación de 1.25°.

Presión de pisón
600 kPa

Molde 150 mm
1.25º

30 rev/min

Figura 10.8: Configuración del Molde SGC

Durante la compactación se mide la altura del espécimen. La densidad del espécimen se
calcula durante la compactación, con la masa colocada en el molde, el diámetro interior del
molde y la altura. El número de revoluciones de diseño, Ndiseño, depende del nivel del tráfico
(tabla 10.5).


193



Tabla 10.5: Esfuerzo de Compactación del SGC

ESALs de
diseño
(millones)

Parámetros de
Compactación
Ninicial Ndiseño Nmáxim
o

< 0.3

6

50

75

0.3 a <3

7

75

115

3 a < 30

8

100

160

9

125

205

30

Aplicaciones típicas
Carreteras con tráfico muy ligero,
calles locales donde el tráfico de
camiones está prohibido o es muy
pequeño.
Colectores o accesos a ciudades.
Tráfico medio.
Carreteras con dos carriles ó más,
acceso controlado. Calles de ciudades
con tráfico medio a alto.
Sistema interestadual tanto rural como
urbana. Aplicaciones especiales como
estaciones de pesaje de camiones, o
faja donde los camiones pueden pasar
en vías de doble carril.

c) Preparación y Compactación de Especimenes
Se preparan especimenes que serán compactados a 6” de diámetro, mezcla suelta para el
ensayo de gravedad específica teórica máxima y especimenes compactados 95 mm de
altura para el ensayo de daño por humedecimiento.
Determinar las temperaturas de mezcla y compactación usando la carta de viscosidad del
asfalto, correspondiente a 0.17 0.02 Pa-s y 0.28 0.03 Pa-s, respectivamente.
Coloque en un recipiente los agregados y lleve al horno a una temperatura 15°C mayor que
la Tºmezcla. Mientras los agregados se calientan, calentar todos los implementos para la
mezcla y el ligante asfáltico a la temperatura de mezcla.
El procedimiento seguido para la preparación de la mezcla es común, en líneas generales
consiste en mezclar los agregados y asfalto hasta conseguir una mezcla uniforme. Verterla
en un recipiente plano y llevarlo al horno por 2 horas 5 minutos para su envejecimiento
corto y luego compactar al número de revoluciones de diseño, Ndiseño.
d) Selección del Optimo Contenido de Asfalto
El óptimo contenido de asfalto es el que produce el 4% de vacíos de aire a Ndiseño. Este valor
se determina comparando la gravedad específica bulk de cada especimen con la gravedad
específica teórica máxima o RICE.

194



10.6.3 Sensibilidad al Humedecimiento

El paso final en el diseño de mezclas Superpave es evaluar la sensibilidad al
humedecimiento. Este ensayo normado por la AASHTO T283, Resistance of Compacted
Bituminous Mixtures to Moisture Induced Damage se realiza para el contenido óptimo de
asfalto. Los especimenes para este ensayo son compactados a aproximadamente 7% de los
vacíos de aire. Se preparan seis especimenes, tres de los cuales son acondicionados, figura
10.9 los otros tres son de control, figura 10.10.
El acondicionamiento de especimenes consiste en la saturación por un ciclo opcional de
congelamiento, seguido por 24 horas de deshielo a 60 C. Los seis especimenes se ensayan
para determinar su resistencia a la tensión indirecta. La sensibilidad al humedecimiento se
determina como la relación de la resistencia a la tensión promedio de los especimenes
acondicionados entre la resistencia a la tensión promedio de los especimenes de control. La
pérdida de resistencia deberá ser no menor al 80%.

Figura 10.9:
Acondicionamiento de
especimenes Superpave

Figura 10.10:
Especimenes de control
Superpave

10.7 Diseño de Mezcla Stone Mastic Asphalt
10.7.1 Introducción

Las mezclas Stone Mastic Asphalt son el resultado de la combinación de una estructura
granular gruesa y un mastic de asfalto, filler y fibra. La mezcla es de textura abierta y
estructura interna densa con un volumen de vacíos de aire entre 2 y 4%.
Las mezclas Stone Mastic Asphalt también conocidas como Stone Matrix Asphalt tienen
origen Alemán. Bajo la denominación de “Splittmastixasphalt”, a finales de los años 60, se
construyen las primeras carreteras con este tipo de mezclas.
En Europa, las mezclas SMA vienen siendo usadas en las capas superiores por mas de 30
años, para reducir las deformaciones permanentes producidas por trafico pesado. Las
gradaciones de los agregados y el óptimo contenido de asfalto son considerablemente
diferentes que las mezclas densas.


195



En el Stone Mastic Asphalt prevalece el contacto piedra-piedra debido a su estructura
granular lo que no ocurre con las mezclas asfálticas densas que están formadas por
agregados dentro de una matriz arenosa. Las cargas de tráfico en SMA son soportadas por
las partículas de agregado grueso.
La experiencia Europea fue analizada y evaluada por un grupo de estudio de los Estados
Unidos. El viaje de investigación conformado por 21 miembros representantes de la
AASHTO, NAPA, FHWA, TRIS, INSTITUTO DEL ASFALTO y SHRP, fue realizado a
mediados de setiembre de 1990. Por dos semanas visitaron seis naciones europeas:
Alemania, Suecia, Francia, Italia, Dinamarca y Reino Unido.
El grupo de estudio revisó los procedimientos constructivos de pavimentos y los tipos de
mezclas asfálticas que prevalecen en estos países. En opinión de los miembros del grupo, la
mezcla adecuada para mejorar el comportamiento de los pavimentos en Estados Unidos,
fue Stone Mastic Asphalt.
En los Estados Unidos las mezclas asfálticas SMA están siendo evaluadas con diferentes
ensayos de laboratorio para cuantificar lo que es evidente, el mejor comportamiento de este
tipo de mezclas ante las deformaciones permanentes y agrietamientos por fatiga.
10.7.2 Revisión Bibliográfica
a) Referencia Histórica

Las mezclas Stone Mastic Asphalt son un diseño concebido para resistir el ahuellamiento y
abrasión producido por neumáticos que llevan elementos antideslizantes (cadenas, clavos,
etc.) usados en carreteras cubiertas por nieve. El desgaste de los agregados tiene relación
con el efecto abrasivo del tráfico y calidad de los agregados.
Luego de una etapa de investigación, por parte del Ministerio de Transporte de Alemania,
para solucionar el problema de tráfico pesado con recubrimiento de neumáticos, se
implementó la utilización de una mezcla con 75% de piedra de 5 a 8 mm, 15% de arena,
10% de filler y 7% de ligante bituminoso. El problema de este tipo de mezclas es el
escurrimiento durante la etapa de mezclado, para evitarlo se incorporaron fibras con aditivo
estabilizante. Nace SMA en julio de 1968.
SMA es de uso frecuente en Alemania, llevan mas de 200 millones de m2 pavimentados, en
autopistas, caminos y calles de la ciudad; y unos 5 millones de ton/año de SMA. Las SMA
están normalizadas desde 1984 en Alemania con la última actualización en 2001 (ZTV
Asphalt-StB 01). Austria, Bélgica, Holanda y los países Escandinavos también producen
SMA y existen especificaciones en todos los países europeos. En los últimos años también
en Asia el SMA es usado como el pavimento más apropiado. Países como China, Japón,
Corea del Sur, Hong Kong, Taiwan y Filipinas los han adoptado. Australia y Nueva Zelanda
se han sumado y utilizan la tecnología SMA.

196



En Estados Unidos desde 1991 se han construido autopistas con este tipo de mezcla, y
están verificando su excelente comportamiento ante deformaciones permanentes y
agrietamientos por fatiga. Han sacado un sin numero de publicaciones relacionadas a
evaluaciones a la que está siendo sometidas este tipo de mezclas, se encuentra
normalizada.
En la actualidad se esta fomentando e implementando el uso de este tipo de mezclas en
América del Sur. Argentina es uno de los países que comenzó a trabajar a gran escala en la
autopista Ricchieri que corresponde al acceso sur de la ciudad de Buenos Aires. Otra zona
en la que se aplicó fue el corredor bioceánico, Ruta Nacional 8, que atraviesa de Este a
Oeste la república y se nutre de tráfico pesado de Brasil y Chile. En menos de dos años se
aplicaron más de 180,000 toneladas de SMA.
En Brasil, en febrero del 2000 se utilizó SMA en el recapeo del autodromo de Interlagos en
Sao Paulo, de 3 cm de espesor, se empleó asfalto modificado con polímero SBS al 6%,
contenido de ligante de 6.7%, 0.5% de fibra celulosa y filler calcáreo. En agosto del 2001 se
revistió la pista experimental construida en la vía Anchieta, km 44+400 a 45+000 . En el
2002 se ejecutó un microrevestimiento en un tramo experimental de 1000 m preparado por
un concesionario paulista. Las especificaciones granulométricas adoptadas son las
recomendadas por las normas Alemanas. Los resultados son satisfactorios en todos los
casos.
b) Comportamiento de Mezclas SMA

La fortaleza de las mezclas SMA se basa en una estructura granular donde predomina el
contacto piedra-piedra el mismo que le provee de alta resistencia cortante y baja
deformación permanente La granulometría incompleta (”gap-graded aggregate”) del SMA es
rellenada con un mastic de finos, filler, asfalto y fibra. Por su constitución granulométrica se
considera un mayor porcentaje de ligante asfáltico en la mezcla, entre 6 a 7%, esto resulta
en una mezcla con mayor durabilidad. Las fotos 10.3 y 10.4 muestran la diferencia entre las
mezclas Superpave y SMA.

Foto 10.3: Stone Mastic Asphalt

Foto 10.4: Superpave

SMA contiene vacíos entre 2 a 4% por volumen, este bajo porcentaje de vacíos proporciona
una excelente macrotextura y baja permeabilidad. El aditivo estabilizador de la mezcla
puede ser fibra de origen orgánico o mineral o polímero. Ellos recubren el agregado y evitan
que el ligante se escurra, asegurando una mezcla homogénea.

197



SMA ha demostrado ser rentable a pesar de requerir un alto contenido en ligante, así como
la utilización de áridos de gran calidad. Un SMA estudiado adecuadamente requiere niveles
mínimos de conservación, siempre que se utilice en carreteras bien diseñadas. Las ventajas
adicionales de una rápida aplicación y la facilidad de uso en las operaciones de
conservación pueden contribuir a una reducción de costes durante la vida de un pavimento.
c) Diseño de Mezclas
Fibras (Aditivo Estabilizador)

Uno de los principales problemas observados en las mezclas SMA es el escurrimiento del
cemento asfáltico de la piedra, ocasionando los fat spot o manchas en la superficie del
pavimento.
SMA se caracteriza por su alto contenido de piedra que forma un esqueleto de
granulometría incompleta. Los vacíos de la matriz estructural se llenan con un mastic
bituminoso altamente viscoso. La rigidez requerida del mastic se consigue incorporando
aditivo estabilizante.
Los aditivos estabilizantes como fibras, caucho, polímero, carbón negro o combinación de
estos materiales son incorporadas para rigidizar el mastic a altas temperaturas.
Contacto piedra-piedra

De acuerdo con la literatura revisada para que una mezcla SMA trabaje adecuadamente,
debe desarrollarse el contacto piedra-piedra.Los procedimientos de ensayos para cuantificar
el contacto piedra-piedra fueron discutidos por Haddock y otros.
Teniendo como base sus investigaciones, Brown y Mallick sugieren usar el ensayo de peso
unitario seco rodillado (AASHTO T19) para determinar si existe el contacto piedra-piedra en
una mezcla SMA. Se asegura el contacto piedra-piedra del esqueleto granular de la mezcla,
cuando el VCA de la mezcla de SMA es igual o menor que el VCA del agregado grueso,
ensayado con el peso unitario seco rodillado (AASHTO T19).
Agregados

Cuando se habla de agregados se debe enfocar el problema en los siguientes puntos:
calidad del agregado, granulometría de la combinación de agregados y selección de la
gradación que garantice el contacto piedra-piedra.
Tan pronto como las mezclas hayan sido compactadas y enfriadas se extraen del molde. Se
determina la gravedad específica bulk, Gmb, según la norma AASHTO T166. Con muestras
en su condición suelta se calcula la gravedad específica teórica máxima o RICE, Gmm, según
la norma AASHTO T209. El porcentaje de vacíos de aire (Va), vacíos en el agregado

198



mineral (VMA) y vacíos de agregado grueso en mezcla (VCAmezcla) se calculan con las
siguientes ecuaciones:
Va

100 1

Donde:
Ps
PCA
Gmm
Gmb
Gsb
Gca

G mb
Gmm

;

VCA mezcla

100

G mb
PCA
G ca

y

VMA 100

G mb
Ps
G sb

porcentaje de agregado en mezcla
porcentaje en peso de agregado grueso en mezcla
gravedad especifica teórica máxima de la mezcla
gravedad especifica bulk de la mezcla
gravedad especifica bulk de la combinación de agregados
gravedad especifica bulk del agregado grueso

De la combinación agregado-asfalto realizada en el laboratorio se elige aquella mezcla que
tenga por lo menos 17% de VMA y VCAmezcla menor que VCADRC. Los vacíos de agregado
grueso DRC “Dry Rodder Unit Weight” se simplifican con VCADRC.
Para determinar los vacíos en el agregado grueso se propusieron diferentes métodos, pero
el más popular es el Unit Weight and Voids in Aggregate normalizado por AASHTO T19.
Cuando se calcula la densidad seco-rodillado de la fracción de agregado grueso, el VCADRC
de la fracción se determina usando la siguiente ecuación:
VCA DRC

G ca
G ca

s 100

Donde:
VCADRC

vacíos en el agregado grueso en la condición seco-rodillado
peso unitario de la fracción de agregado grueso en la
s
condición seco-rodillado (kg/m3)
peso unitario del agua (998 kg/m3)
w
Gca gravedad especifica bulk del agregado grueso
Material de Relleno (filler)

Filler se define como el material en el que por lo menos el 65% de material pasa la malla nº
200.
El filler cumple la función de relleno de los vacíos entre los agregados gruesos,
contribuyendo a la consistencia de la mezcla, modificando la trabajabilidad, resistencia al
agua y envejecimiento. Su incorporación incrementa la viscosidad del medio cohesivo
(resistencia a la deformación).
La mayor parte de los materiales de relleno que pasan la malla nº200 (75 m) son
relativamente gruesos (mayor que 40 m), la mayor parte de este material cumple la función
de rellenar los vacíos del esqueleto mineral, disminuyendo el índice de vacíos y modificando

199



el óptimo contenido de asfalto. El filler actuará con el ligante asfáltico formando una película
que recubrirá las partículas de agregados (Motta y Leite, 2000, Harris y Stuart, 1995).
El porcentaje de material que pasa la malla nº200 (75 mm), ahora se denomina dust para
acentuar la diferencia de su comportamiento con respecto al tradicional filler. Cuando el
porcentaje de material que pasa la malla nº200 aumenta, se reducen los vacíos del
esqueleto mineral, mejora la gradación y la trabajabilidad del mezclas bituminosas aumenta
hasta cierto punto. Por encima de este nivel, cuanto mayor sea el porcentaje que pasa la
malla nº200, los finos comenzarán a perjudicar la estabilidad del esqueleto mineral,
disminuyendo los contactos entre las partículas gruesas, alterando la capacidad de
compactación (Motta y Leite, 2000).
d) Análisis Volumétrico

El análisis volumétrico de mezclas SMA comparadas con las mezclas convencionales o
Superpave incorpora los conceptos de gravedad específica bulk del agregado grueso,
vacíos de agregado grueso en mezcla, VCAmezcla, y vacíos de agregado grueso DRC,
VCADRC.
Los vacíos en el agregado mineral o VMA, es el volumen de vacíos entre los agregados
(gruesos y finos) de una mezcla compactada que incluye los vacíos de aire y el contenido de
asfalto efectivo, expresado en porcentaje del volumen total de la mezcla.
aire
asfalto

efectivo

VMA

absorbido

agregado
mineral

Grueso y
fino

Figura 10.11: Vacíos en Agregado Mineral, VMA

Los vacíos de agregado grueso obtenido por el peso unitario seco rodillado, VCADRC, se
define como el porcentaje de vacíos de aire dentro de una muestra de agregado grueso
compactado. La figura 10.12 ilustra este concepto.


200



Aire
30-40% de volumen

VCADRC

agregado
grueso

Peso Unitario
Seco Rodillado

Figura 10.12: Vacíos en Agregado Grueso, VCADRC

Los vacíos de agregado grueso en mezcla, VCAmezcla, se definen como el porcentaje de
vacíos de aire mas el contenido de asfalto efectivo y el agregado fino. El asfalto absorbido
se considera como parte del volumen ocupado por el agregado grueso. La figura 10.13
ilustra este concepto.
Aire
Asfalto
efectivo

VCAmezcla

Agregado
fino

Agregado
grueso

Figura 10.13: Vacíos en Agregado Grueso, VCAmezcla

Para los cálculos de VCAmezcla y VMA, el asfalto absorbido por el agregado se considera
como parte del agregado.
e) Elección del Optimo Contenido de Asfalto

Una vez que la gradación de la mezcla se haya elegido, es probable que se deba ajustar el
contenido de cemento asfáltico para obtener el apropiado porcentaje de vacíos de aire en la

201



mezcla. Para este caso, se preparan especimenes con la misma granulometría, pero
variando el porcentaje de asfalto. El óptimo contenido de asfalto es el que produce el 4% de
los vacíos de aire en la mezcla. La NCAT luego de evaluaciones de pavimentos SMA
sugieren que se elija el contenido de asfalto que produce vacíos de aire cercanos a 4% para
proteger la mezcla de los fat spots luego de colocarse la mezcla y mejora la resistencia a las
deformaciones permanentes, particularmente en climas cálidos. Para climas fríos puede
usarse contenidos de vacíos de aire cerca de 3.5%.
10.7.3 Experiencias con SMA por el Mundo

La normalización europea se vino efectuando a través del grupo de trabajo CEN TC227/WG
1 “Mezclas Bituminosas” que estuvo desarrollando una norma para SMA. Se conoce de
referencia que estas especificaciones han sido recientemente terminadas y se espera que
pronto se cuente con ellos.
Todos los países que iniciaron trabajos con mezclas SMA tienen como punto de referencia
las especificaciones alemanas. Sin embargo, luego de los primeros trabajos fueron
adaptando las mismas a su propia condición de sitio. A continuación se hace referencia a las
Especificaciones Técnicas Alemanas y Norte Americana.
¡ Alemania (EAPA, 1998)

Existen cuatro tipos de mezclas para pavimentos con alto volumen de tráfico 0/8, 0/5 y
0/11S, 0/8S. Están normalizados por la “Empfehlungen fur die Zusammensetzung, die
Herstellung und den Einbau von Splittmastixasphalt”, FGSV 1996, e incorporado en la
National Standart ZTV Asphalt – StB, 1998. La tabla 10.6 muestra las características de
mezclas asfálticas SMA según las Especificaciones Técnicas Alemanas ZTV Asphalt-StB 01
(2001).
El contenido de aditivo estabilizante varía de 0.3 a 1.5% dependiendo de la fibra y tipo de
ligante.
¡ Estados Unidos de América

SMA es una mezcla relativamente nueva en los Estados Unidos. Su aplicación es el
resultado del European Asphalt Study Tour realizado en otoño de 1990. A principios de
1991, la Federal Highway Administration (FHWA) formó un Grupo Técnico de Trabajo
(TWG) para normar los materiales y procesos constructivos de mezclas SMA.
Las primeras mezclas SMA se colocaron en Wisconsin durante 1991 seguido por Michigan,
Georgia, y Missouri durante el mismo año.


202



Tabla 10.6: Características de Mezclas asfálticas tipo SMA usadas en Alemania
según las especificaciones técnicas Alemanas
ZTV Asphalt StB 01 (2001)
SMA
Stone Mastic Asphalt

Tipo de agregados
Agregados minerales:
Agregado en peso (%) < 0.09 mm
Agregado en peso (%) > 2.0 mm
Relación arena natural/arena chancada
Porcentaje que pasa el tamiz
0.09 mm
2.0 mm
5.0 mm
8.0 mm
11.2 mm
Ligante bituminoso
Tipo de ligante (penetración – dmm)
Contenido ligante en peso de mezcla (%)
Aditivos estabilizadores
Contenido de mezcla en peso (%)
Mezclas Asfálticas
Especimenes Marshall
Temperatura de compactación (ºC)
Vacíos de aire (%)
Capas
Capa de rodadura
Espesor recomendado (cm)
Taza de aplicación (kg/m2)
Capa de reperfilage**
Espesor recomendado (cm)
Taza de aplicación (kg/m2)
Grado de compactación de la capa (%)
Vacíos de aire en capa compactada (%)

0/11S

0/8S

0/8

Agregado chancado, Arena
chancada, filler comercial

0/5

Agregado chancado,
Arena chancada y
natural, filler comercial

9 – 13
73 – 80
60 – 70
40
10
1:0

10 - 13
73 – 80
55 – 70
10
1:0

8 – 13
70 – 80
45 – 70
10
1:1

8 – 13
60 – 70
10
1:1

9 – 13
20 – 27
30 – 40
50 – 60
90 - 100

10 – 13
20 – 27
30 – 45
90 – 100
-

8 – 13
20 – 30
30 – 55
90 – 100
-

8 – 13
30 – 40
90 – 100
-

50/70
(PmB 45)
6.5

50/70
(PmB 45)
7.0

70/100

70/100
(160/220)
7.2

7.0

0.3 – 1.5

*135 5
3.0 – 4.0

*135 5
3.0 – 4.0

*135 5
2.0 – 4.0

*135 5
2.0 – 4.0

3.5 – 4.0
85 – 100

3.0 – 4.0
70 – 100

2.0 – 4.0
45 – 100

2.0 – 4.0
45 – 75

2.5 – 5.0
60 - 125

2.0 – 4.0
45 – 100

–
-

–
-

97
6.0

* para asfalto modificado con polímero (PmB 45), la temperatura de compactación debe ser 145 5ºC
** capa de reperfilage son capas de rodadura sobre la capa intermedia o inferior con problemas geométricos.

Para el verano de 1997, por lo menos 28 estados construyeron mas de 100 proyectos,
totalizando mas de 3 millones de toneladas de SMA. La mayoría de los proyectos fueron
construidos entre 1992 y 1996 y la mayor parte fueron colocados para soportar tráfico
pesado.
El primer proyecto de SMA en los Estados Unidos diseñado siguiendo la “receta” de las
especificaciones Alemana. La NCAT ha desarrollado un detallado diseño de mezclas para

203



SMA. Las normas son AASHTO MP8 “Specification for Designing Stone Matrix Asphalt
(SMA)” y AASHTO PP41 “Practice for Designing Stone Matrix Asphalt (SMA)”. Las tablas
10.7 a 10.12 muestran las especificaciones de las mezclas SMA usadas en los EE.UU.
Tabla 10.7: Requisitos de Calidad para Agregado Grueso, AASHTO MP8
Ensayo
Abrasión L.A., % pérdida
Chatas y Alargadas, %
3a1
5a1
Absorción, %
Durabilidad (5 ciclos), %
Sulfato de sodio
Sulfato de magnesio
Contenido de caras fracturadas, %
Una cara
Dos caras

Método
AASHTO T96
ASTM D4791

AASHTO T85
AASHTO T104

Especificación
30* máx

20 máx
5 máx
2 máx
15 máx
20 máx

ASTM D5821
100 min
90 min

* Aunque los agregados con pérdidas mayores a 30% se usan satisfactoriamente, las piedras
se pueden quebrar durante el proceso de compactación en el laboratorio o durante la
compactación en campo con estos agregados.

Tabla 10.8: Requisitos de Calidad para Agregado Fino, AASHTO MP8
Ensayo
Sulfato de sodio
Sulfato de magnesio
Angularidad, %

Límite Líquido, %
Indice de plasticidad

Método
AASHTO T104

AASHTO TP33
(Método A)
AASHTO T89
AASHTO T90

Especificación

15 máx
20 máx
45 min
25 máx
N.P.


204



Tabla 10.9: Rango Granulométrico de SMA (% pasante por volumen)
AASHTO MP8
Tamiz,
mm
25.0
19.0
12.5
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.075

TMN 19 mm
Inferior Superior
100
100
90
100
50
74
25
60
20
28
16
24
13
21
12
18
12
15
8
10

TMN 12.5 mm
Inferior Superior

100
90
26
20
16
13
12
12
8

100
100
78
28
24
21
18
15
10

TMN 9.5 mm
Inferior Superior

100
90
26
20
13
12
12
8

100
100
60
28
21
18
15
10

El TMN se refiere al Tamaño Máximo Nominal que representa a un tamiz mayor que el primer tamiz
que retiene mas del 10%

Tabla 10.10: Especificaciones de Mezclas SMA para diseño Marshall
NAPA 2002
Propiedades
Cemento asfáltico, %
Vacíos de aire, %
VMA, %
VCA, %
Estabilidad, kg
TSR, %
Escurrimiento a Tºproducción, %

Especificación
6 mín*
4
17 mín**
Menor que VCADRC
632 mín***
70 mín
0.30 máx

* El mínimo porcentaje de cemento asfáltico puede reducirse ligeramente si
la gravedad específica bulk del agregado excede 2.75
** VMA mínimo durante la producción
*** Valor de estabilidad sugerido, basado en la experiencia

Tabla 10.11: Especificaciones de Mezclas SMA para diseño con Compactador
Giratorio Superpave AASHTO MP8 y NAPA 2002
Propiedades
Cemento asfáltico, %
Vacíos de aire, %
VMA, %
VCA, %
TSR, %
Escurrimiento a Tºproducción, %

Especificación
6 mín*
4
17 mín**
Menor que VCADRC
70 mín
0.30 máx

* El mínimo porcentaje de cemento asfáltico puede reducirse ligeramente si
la gravedad específica bulk del agregado excede 2.75
** VMA mínimo durante la producción


205



Tabla 10.12: Propiedades de Fibra Celulosa, AASHTO MP8
Propiedades
Análisis por tamizado
Método A: Análisis por tamiz Alpina
Longitud de fibra (máx)
Pasa tamiz nº100
Método B: Análisis por tamiz cuadrado
Longitud de fibra (máx)
Pasa tamiz nº20
Pasa tamiz nº40
Pasa tamiz nº140
Contenido de cenizas
Ph
Absorción de petróleo
Contenido de Humedad

Especificación
6 mm
70 10%
6 mm
85% ( 10%)
65% ( 10%)
30% ( 10%)
18% ( 5%) no volátiles
7.5% ( 1)
5 ( 10) (vez por peso de fibra)
< 5% (por peso)


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Harris, B.M., Stuart, K.D., “Analysis of Mineral Fillers and Mastics Used in Stone Matrix
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Minaya S., “Comportamiento Mecánico de Mezclas Asfálticas Tipo Superpave y SMA”,
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Reinaldo Celso, “Estudio para o Desenvolvimento de um Catálogo de Pavimentos Flexíveis
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FNF Construction, Inc, July 2002.


209

Trabajo publicado en los siguientes eventos:
Ü 11º Congreso Ibero-Latinoamericano del Asfalto, CILA 2001, Lima-Perú
Ü XIII Congreso Nacional de Ingeniería Civil, CONIC 2001, Puno-Perú
Ü IV Congreso Ecuatoriano de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica



Anexo A

“C.B.R. DE SUBRASANTES ARENOSAS Y LIMO-ARCILLOSAS”(*)

M.I. e Ing. ABEL ORDOÑEZ HUAMAN Jefe Laboratorio No. 2 Mecánica de Suelos y Pavimentos, UNI
Ing. SILENE MINAYA GONZÁLEZ Asistente Laboratorio No. 2 Mecánica de Suelos y Pavimentos, UNI

RESUMEN
Actualmente en el Perú, el diseño de estructuras de pavimentos considera generalmente
valores de capacidad de soporte de subrasantes arenosas y limo-arcillosas determinados a
partir de ensayos de laboratorio C.B.R. - ASTM D1883.
La metodología utilizada puede no ser adecuadamente aplicada cuando se asume el valor
C.B.R. de la subrasante relacionado a la densidad seca equivalente al 95% ó 100% de la
Máxima Densidad Seca - MDS del ensayo Proctor Modificado.
La humedad y la densidad seca natural de los suelos limo-arcillosos tienen una influencia
importante en la determinación del C.B.R. como se ha podido comprobar en las pruebas sobre
muestras inalteradas y compactadas.
Se realizaron comparaciones de valores C.B.R. obtenidos de muestras inalteradas y
compactadas considerando el 95% y 100% de la MDS del ensayo Proctor Modificado.
Asimismo se compararon valores de módulos elásticos, utilizando una extensión de la teoría
elástica.
Los resultados indican que los valores de C.B.R. y módulos elásticos obtenidos en muestras
inalteradas son significativamente inferiores a los determinados en muestras compactadas.
La práctica ingenieril para la determinación del C.B.R. de la subrasante basados en muestras
inalteradas es casi no utilizada en el Perú, debido a ello, se presentan fallas prematuras de
pavimentos por sub-dimensionamiento en el diseño.
ABSTRACT
At the present time in Peru the design of pavement structures generally considers values of
bearing capacity ratios of natural subgrade of sandy and silty clay soils, using the CBR
laboratory test – ASTM D 1883.
The methodology used may not be properly used when the CBR value of natural subgrade is
assumed to be related to the dry density equivalent to 95% or 100% of the Maximum Dry
Density - MDS of the Modify Proctor Compactation Test.
The moisture content and the natural dry density of silty clay soils have an important influence in
the CBR value determination as was verified in testing of undisturbed and compacted samples.
Comparisons were made from CBR values obtained from undisturbed and compacted samples
considering 95% and 100% of the MDS of the Proctor Modified Compactation Test. Also were
made comparisons of values of elastic modulus, using an extension of the elastic theory.
The results indicate that the CBR values and elastic modulus obtained on undisturbed samples
are significantly lower than compacted samples.
The engineering practice for CBR value determination of subgrade based on undisturbed
samples is not used in Peru, because of that premature failures and collapse in pavement
structures are produced.


212


Anexo A

1. INTRODUCCIÓN
El diseño de estructuras de pavimentos tanto flexibles como rígidos considera generalmente
valores de capacidad de soporte de subrasantes de suelos limo-arcillosos determinados a partir
de ensayos C.B.R. en laboratorio siguiendo la norma ASTM D-1883. Para ello, se asume el
valor C.B.R. de la subrasante como el valor C.B.R. relacionado a la densidad seca equivalente
al 95% ó 100% de la Máxima Densidad Seca del ensayo Proctor Modificado.
La metodología utilizada se basa en la hipótesis de la compactación de la subrasante durante
la etapa constructiva relacionado a la conformación de la superficie del terreno y control de
compactación de la misma. Sin embargo, la práctica ingenieril utilizada puede no ser
adecuadamente aplicada en subrasantes de suelos limo-arcillosos debido a que no es posible
compactar profundidades del orden de 1,5 m. de profundidad o más, mediante procedimientos
convencionales utilizados en obra. La humedad natural de los suelos limo-arcillosos
generalmente se ubica muy por encima del O.C.H.; además, en el Perú, muchas veces no se
reconoce como subrasante, la capa de suelo con un espesor hasta donde lleguen los esfuerzos
verticales significativos, esto es, hasta las profundidades donde las cargas aplicadas puedan
generar asentamientos.
Entonces, la subrasante no alcanzará y muchas veces estará lejos de tener una densidad
equivalente al 95 ó 100% de la MDS del ensayo Proctor Modificado. Por ello, no deberá
asumirse el correspondiente valor CBR asociado a un valor de densidad no alcanzada en el
campo.
2. DETERMINACIÓN DEL VALOR CBR DE SUBRASANTES
ARENOSAS Y LIMO-ARCILLOSAS
Un método directo de obtener el valor CBR es mediante el ensayo CBR in situ de acuerdo a la
Norma ASTM D 4429-93. Sin embargo, el ensayo puede ser costoso para el proyecto y su
aplicabilidad se reduciría sustancialmente cuando sea necesario obtener una muestra
representativa de valores en el proyecto.
Otro método, se basa en utilizar el ensayo de laboratorio CBR según la norma ASTM D-1883 y
de manera paralela medir la densidad de campo. El valor CBR de la subrasante será el
correspondiente a la densidad de campo medida. Esta metodología puede ser limitante cuando
la densidad de campo medida se encuentre muy por debajo del rango de densidades que
arroja el ensayo de CBR de laboratorio. Por otro lado, muy pocos especialistas se atreven a
indicar modificaciones en el ensayo CBR para que el mismo pueda abarcar rangos de valores
de densidades menores, como por ejemplo, optar por menores valores de energía de
compactación. Sin embargo, esta opción correcta, puede considerar el ensayo CBR asociado al
ensayo de compactación Proctor Standard y no al ensayo Proctor Modificado, como
generalmente ocurre.


213


Anexo A

Un tercer método, directo, más simple y sobre todo rápido y económico. Se basa en extraer la
muestra inalterada utilizando el molde CBR
directamente de los pozos de exploración (Valle Rodas, 1976). Luego se transporta al
laboratorio y se realiza la prueba de carga tanto en condiciones naturales como en condiciones
más desfavorables que es la saturación, obteniendo la curva carga-penetración y el valor CBR
de manera directa. Inclusive es posible medir la expansión que se produce durante la
saturación. El procedimiento permite medir la humedad natural y la densidad. El valor CBR
obtenido será un valor puntual de la muestra extraída en estado inalterado y representará de
manera real el comportamiento de la subrasante.
3. APLICACIÓN DE LA TEORÍA ELÁSTICA
Es posible extender la teoría elástica a los ensayos de C.B.R. utilizando los resultados de la
prueba de carga asociados a asentamientos característicos 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
Donde:
p
r
E

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

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:
E = 139.7CBR
E = 9.83CBR

; E en libra/pulg2
; E en kg/cm2

Entonces, es posible obtener valores de módulos elástico, E a partir del valor CBR asumiendo
un comportamiento del medio como elástico, uniforme e isotrópico.
4. PRUEBAS EXPERIMENTALES REALIZADAS
Durante las actividades de desarrollo de temas de tesis e investigaciones, en la ejecución de
proyecto de pavimentación en zonas pobres de Lima, así como en proyectos importantes de
losas de almacenes de embarques portuarios donde se presentaron fallas estructurales y

214


Anexo A

deficiencias durante su funcionamiento, el Laboratorio No. 2 de Mecánica de Suelos y
Pavimentos de la Universidad Nacional de Ingeniería ha obtenido la información experimental
necesaria para ilustrar la metodología expuesta.
En la Tabla No. 1 se presentan las características y parámetros físicos de los suelos de las
subrasantes, esto es, granulometría, límites de consistencia, plasticidad, humedad natural y
densidades naturales.
En la Tabla No. 2 se presentan los resultados de la MDS y el OCH utilizando el ensayo proctor
modificado. Es importante apreciar las diferencias significativas de los valores de densidad y
humedad naturales con los valores de la MDS y el OCH del ensayo proctor modificado. En la
misma tabla se presentan los valores CBR obtenidos de muestras compactadas de laboratorio
según la Norma ASTM D-1883 asociados al 95 y 100% de la MDS. Asimismo, los valores de
CBR medidos directamente en muestras inalteradas. También se presentan los niveles de
expansión medidos en ambos tipos de ensayos.
En la Tabla No. 3 se presentan los valores de los módulos elásticos obtenidos tanto para los
ensayos CBR en laboratorio sobre muestras compactadas asociadas al 95 y 100% de la MDS
del ensayo proctor modificado como los valores para muestras inalteradas sin y con saturación
previa. A continuación se discutirán algunos resultados específicos.
En la Fig. 1 se presentan las curvas de las pruebas de carga en muestras limo-arcillosas de
baja plasticidad de la Cdra. 10 de la Av. La Paz en San Miguel, Lima. Las pruebas se realizaron
en muestras compactadas y muestras inalteradas tanto en estado natural sin saturación y con
saturación previa.
Observando las curvas carga-penetración se comprueba que las muestras inalterada sin
saturación previa presentan mayor rigidez inicial en comparación a las muestras compactadas
y las muestras inalteradas con saturación debido a la cementación natural, comportamiento que
eleva el valor CBR. Los valores CBR varían entre 10 y 15% y con saturación previa
disminuyeron sustancialmente a valores entre 1.9 y 2.7%. La capacidad de soporte de las
muestras inalteradas con saturación previa, alcanzaron valores por debajo de la muestra
compactada con 10 golpes. La muestra compactada en el laboratorio arrojó un valor CBR de
5,2% para una densidad del 95% de la MDS.
En la Fig. 2 se presenta las curvas de las pruebas de carga en muestras areno-limo-arcillosas
de la Urb. Matellini, Lima. Las pruebas se realizaron en muestras compactadas y muestras
inalteradas tanto en estado natural sin saturación y con previa saturación. Aquí, también es
evidente que la muestra inalterada presenta mayor rigidez inicial en estado no saturado debido
a la cementación natural, el CBR alcanzado llegó a valores por encima de 25%. Sin embargo
con la saturación pierde sustancialmente la rigidez presentando una resistencia a la
penetración similar a la muestra compactada con 10 golpes (CBR=5.2). Esta muestra
compactada en el laboratorio arrojó un valor CBR de 21% para una densidad del 95% de la
MDS.

215


Anexo A

TABLA No. 1 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS - ENSAYOS DE CLASIFICACIÓN
Porcentaje acum ulado que pasa
Proyecto

Observaciones

Investigación S01-INV 03
Urb. Matellini - Chorrillos - Lim a

Clasificación

C1: 1.70-2.60

Nº100

LL

Nº200

LP

IP

d

m

88,9

58,2

43,3

22,6

16,7

5,9

ML

96,9

80,5

64,3

52,7

45,6

37,0

8,6

C1: 0.30-0.90

CL

99,2

93,7

80,4

74,1

24,7

14,5

10,2

C1: 0.90-1.40
C6:0.00-0.60

CL-ML
CL

99,2
88,8

89,1
73,7

79,4
65,3

65,5
56,1

23,3
25,6

17,3
16,2

6,0
9,4

C2:0,00-0,80

CL

93,1

74,7

58,5

53,3

24,0

16,6

7,4

C15:0.00-1.00

CL

100,0

96,9

93,6

89,8

38,2

24,9

13,3

Pavimento del Alm acén Nº3
CENTROMIN PERU
Cdra. 9 Av. Nestor Gam beta
Callao

C1

CL

100,0

92,7

78,5

64,8

29,8

21,9

7,9

Proyecto de Pavim entación
Zona A San Juan de Miraflores
Lim a

C1:
C2:
C3:
C4:

Asociación de Vivienda
Los Pinos
Santa Anita, Lima

SM-SC

Nº60

100,0

Av. La Paz Cdra. 10
San Miguel, Lim a

C1: 0.70-1.50

Nº4

nat

1,810
1,690
1,082
1,151
1,205
1,633
1,572
1,620

2,2
8,3
49,6
40,7
39,7
11,2
20,7
20,1

1,612
1,846
1,954
1,907
1,908
1,910
1,948
1,863
1,919
1,799

0,963
1,768
1,849
1,803
1,765
1,747
1,807
1,720
1,767
1,635

67,4
4,4
5,7
5,8
8,1
9,3
7,8
8,3
8,6
10,0

1,943

1,743

11,5

1,981

1,762

12,4

1,982
1,730
2,019
1,874
1,904

1,771
1,700
1,969
1,838
1,872

11,9
1,78
2,5
2,0
1,7

11,2

1,738

1,647

5,5

SP-SM
SP-SM
SP
SP

86,3
89,4
99,9
99,9

39,4
60,8
89,8
89,8

8,8
8,9
16,7
16,7

5,1
7,7
4,7
4,7

18,2
NP
NP
NP

NP
NP
NP
NP

CL

82,4

71,6

63,9

56,9

30,2

19

C1: 0.20-0,60

ML

97,2

84,4
m

74,1

59,2

38,3

30,2

8,1

1,739

1,362

27,7

C2: 0.70-1,20

MH

97,4

89,6

85,4

81,0

56,8

38,5

18,3

1,586

1,278

24,1

C3: 1,50-1,80

SM

99,5

76,5

55,0

32,8

41,6

41,0

0,6

1,661

1,298

28

C4: 0,20-0,60

CL

87,5

70,3

62,3

53,4

38,7

24,5

14,2

1,505

1,221

23,3

C5: 0,20-0,80

CH

100,0

94,3

91,0

87,1

54,1

24,0

30,1

1,634

1,327

23,1

C6: 0,30-0,70

SC

61,9

35,4

28,5

23,3

25,4

16,8

8,6

1,641

1,251

31,1

C7: 0,20-0,60

ML

93,8

82,1

78,9

75,5

42,5

30,4

12,1

1,789

1,404

27,4

C8: 0,30-0,80
C5:0,20-0,80

Cooperativa Pachacútec
Santa Anita - Lim a

0.40-1.10
0.35-0.60
0.25-0.55
0,40-1,10

1,850
1,830
1,618
1,619
1,683
1,816
1,897
1,945

MH
CL-1

97,4
87,7

89,6
83,0

85,4
72,8

81,0
65,3

56,8
37,0

38,5
22,0

18,3
15,0

1,586
1,640

1,278
1,050

24,1
56,9

C5:0,30-0,80

Alm acenera Peruana de
Comercio S.A.

Alm acenes RANSA Callao

TABLA No. 2
Proyecto

Muestra Inalterada
CBR
CBR Sin
Saturado
saturar

Expansión
ASTM
Muestra
D-1883
inalterada

d

SM-SC

1,810
1,690
1,082
1,151
1,205
1,633
1,572
1,620

2,2
8,3
49,6
40,7
39,7
11,2
20,7
20,1

1,899
1,899
1,615
1,615
1,615
1,971
1,971
1,971

12,6
12,6
23,2
23,2
23,2
11,7
11,7
11,7

34,2
34,2
22,9
22,9
22,9
11,2
11,2
11,2

21,0
21,0
18,0
18,0
18,0
5,2
5,2
5,2

5,2
5,2
2,8
1,1
1,9
2,1
1,9
2,7

25,0
27,0
2,2
2,7
3,1
10,0
15,0
12,0

15,160
15,160
20,600
20,600
20,600
1,650
1,650
1,650

0,35

0,963
1,768
1,849
1,803
1,765
1,747
1,807
1,720
1,767
1,635

67,4
4,4
5,7
5,8
8,1
9,3
7,8
8,3
8,6
10,0

2,020
2,078
2,078
2,078
2,078
2,078
2,078
1,933
1,933
1,933

10,9
11,1
11,1
11,1
11,1
11,1
11,1
10,8
10,8
10,8

46,0
17,3
17,3
17,3
17,3
17,3
17,3
15,0
15,0
15,0

24,4
10,5
10,5
10,5
10,5
10,5
10,5
11,3
11,3
11,3

0,9
1,3
3,7
5,3
2,7
4,5
5,1
5,3
2,8
2,0

4,7
27,4
43,4
34,5
35,4
10,6
22,1
25,7
19,5
14,2

0,630
0,740
0,740
0,740
0,740
0,740
0,740
0,870
0,870
0,870

0,01
0,83

1,743

11,5

1,799

17,0

15,4

11,3

2,2

17,7

0,630

N.P.

1,762

12,4

1,799

17,0

15,4

11,3

1,8

18,1

0,630

SP-SM
SP-SM
SP
SP

1,771
1,700
1,969
1,838
1,872

11,9
1,8
2,5
2,0
1,7

1,799
1,910
1,910
1,687
1,687

17,0
10,9
10,9
11,7
11,7

15,4
39,2
39,2
22,8
22,8

11,3
32,4
32,4
8,7
8,7

2,6
3,7
3,7
14,1
7,8

17,7
15,2
15,2
23,4
19,0

0,630
NP
NP
NP
NP

CL

1,647

5,5

1,917

12,8

2,8

2,3

2,6

11,5

2,910

0,18

NP

ML

Av. La Paz Cdra. 10
San Miguel, Lima

CL

CL-ML
CL

Proyecto de Pavimentación
Los Pinos
Santa Anita, Lima

CL

CL

Pavimento del Almacén Nº3
CENTROMIN PERU
Cdra. 9 Av. Nestor Gambeta
Callao
Lima

Almacenera Peruana de
Comercio S.A.

CBR ASTM D-1883 (con saturación)
CBR
CBR
OCH
100%
95%

Clasificación

Urb. Matellini - Chorrillos - Lima

Santa Anita - Lima

ENSAYOS DE CAPACIDAD DE SOPORTE

CL

nat

MDS

7,02

0,62

0,48

0,22

0,67

ML

1,362

27,7

1,545

22,3

2,0

1,7

2,1

4,7

0,004

MH

1,278

24,1

1,538

26,6

1,6

1,2

2,8

3,8

1,248

NP

SM

1,298

28,0

1,547

14,2

22,0

18,0

2,4

4,5

NP

NP

CL

1,221

23,3

1,589

23,8

4,9

3,1

1,8

8,5

1,182

NP

CH

1,327

23,1

1,538

26,6

1,6

1,2

1,8

4,4

1,248

NP

SC

Almacenes RANSA Callao

1,251

31,1

1,547

14,2

22,0

18,0

4,7

5,2

NP

NP

ML

1,404

27,4

1,545

22,3

2,0

1,7

2,6

6,8

0,004

NP

MH
CL-1

1,278
1,050

24,1
56,9

1,538
1,810

26,6
15,8

1,6
13,3

1,2
5,0

2,2
<1,0

13,2

1,248

NP


216


Anexo A

Las Fig. 3a y 3b presentan los resultados de comparar los valores CBR asociados a 95% del
ensayo proctor modificado y los resultados de valores CBR en muestras inalteradas sin y con
saturación previa respectivamente. Es importante observar que, las muestras inalteradas sin
saturar en su mayor parte arrojaron valores de CBR por encima del CBR asociado al 95% de la
MDS del ensayo proctor modificado; sin embargo, cuando se sometía las muestras inalteradas a
saturación previa representando la condición más desfavorable en la vida del proyecto el valor
CBR disminuye sustancialmente en prácticamente todos los casos, resaltando la importancia de
evaluar la capacidad de soporte de la subrasante de suelos limo-arcillosos en la condición
saturada.
5. DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS
En la Tabla No. 4 se presentan los parámetros de diseño de las estructuras de pavimentos
considerando los 02 tipos de suelos: CL y SC-SM analizados detalladamente. En la Fig. No. 4 se
presentan los espesores de las capas obtenidos. Se utilizó la metodología AASHTO, 1993.
Los resultados indican la importancia de evaluar la capacidad de soporte en las condiciones más
desfavorables y sobre todo determinar hasta qué punto es posible considerar la condición más
desfavorable debido a la diferencia sustancial en los resultados de espesores entre la condición
sin saturar y la condición saturada.


217


Anexo A

TABLA No. 3
Proyecto
Urb. Matellini - Chorrillos - Lima

Clasificación

Los Pinos
Santa Anita, Lima

Santa Anita - Lima
Almacenera Peruana de
Comercio S.A.

Almacenes RANSA Callao

Muestra inalterado
Sin saturar
Saturado

SP-SM
SP-SM
SP
SP
CL

206
206
177
177
177
51
51
51
240
103
103
103
103
103
103
111
111
111
111
111
111
318
318
86
86
23

51
51
28
11
19
21
19
27
9
13
36
52
27
44
50
52
28
20
22
18
26
36
36
139
77
26

246
265
22
27
30
98
147
118
46
269
427
339
348
104
217
253
192
140
174
178
174
149
149
230
187
113

ML
MH
SM
CL
CH
SC
ML
MH
CL-1

20
16
216
48
16
216
20
16
131

17
12
177
30
12
177
17
12
49

21
28
24
18
18
46
26
22
<10

46
37
44
84
43
51
67
130

CL

CL-ML
CL

CL

CL

Pavimento del Almacén Nº3
CENTROMIN PERU
Cdra. 9 Av. Nestor Gambeta
Callao
Lima

ASTM D-1883
100% M.D.S.
95% M.D.S.
336
336
225
225
225
110
110
110
452
170
170
170
170
170
170
147
147
147
151
151
151
385
385
224
224
28

SM-SC
ML

Av. La Paz Cdra. 10
San Miguel, Lima

MODULOS ELASTICOS (Kg/cm2)

CL


218


Anexo A

Fig.1 PRUEBA DE CARGA EN MUESTRA INALTERADA Y COMPACTADA

Fig.2 PRUEBA DE CARGA EN MUESTRA INALTERADA Y COMPACTADA
UBICACIÓN
: URB. MATELLINI-CHORRILLOS-LIMA
MUESTRA
: C1 0,70-1,50
CLASIFICACION : SM-SC

UBICACIÓN
: AV. LA PAZ Cdra. 10 SAN MIGUEL, LIMA
MUESTRA
: C1 0,30-0,90
CLASIFICACION : CL

1200

CBR = 5,2% (95% M.D.S.)
CBR = 10,0% (Sin saturar)
CBR = 2,1% (Saturado)
300

56 golpes

1000

CBR = 21,0% (95%
M.D.S.)
CBR = 25,0% (Sin
t
)

Presión (lbs/pulg2)


800

200
Inalterado
Sin Saturar

56 golpes

600

25 golpes

25 golpes

400

Inalterada
Sin Saturar

100
10 golpes

200
Inalterado
Saturado

0
0.00

10 golpes
Inalterada
Saturado

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

Penetracion (pulg.)

0
0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

Penetracion (pulg.)


219


Anexo A

Fig.3a CBR al 95% MDS y CBR Sin Saturar
Suelos Arenosos y Limo-arcillosos
60

50

CBR al 95% MDS

40

30

20

10

0
0

10

20

30
40
CBR Sin Saturar

50

60

50

60

Fig.3b CBR al 95% MDS y CBR Saturado
Suelos Arenosos y Limo-arcillosos
60

50

CBR al 95% MDS

40

30

20

10

0
0

10

20

30

40

CBR Saturado


220


Anexo A

Figura No. 4: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE
MÉTODO AASHTO 1993(*)

Tabla No 4: DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE
TIPO DE SUELO : CL

CÁLCULO DEL NÚMERO ESTRUCTURAL

log(W18) = Zr*So

+ 9,36*log(SN+1)

-0.2 + log(
0,4+

PSI/(4,2-1,5)) +2,32*log(Mr)-8,07
1094
(SN+1)5,19

5,0 cm

R
So
PSI
Período de Diseño, años
ESAL de Diseño (W18)

=
=
=
=
=

5,0 cm

85 %
0.49
2
20

SN

=2

CBR=11,
2
SN

500,000

Tipo de suelo
SM-SC

CL

Muestra
100%

CBR
Mr (psi)
SN
CBR
Mr (psi)
SN

34.2
51,300
1.50
11.2
16,800
2.85

5,0 cm

30 cm

37 cm

PARAMETROS DE DISEÑO

Muestra inalterada
Saturada

Muestra inalterada Sin
Saturar

Muestra remoldeada
al 100% M.D.S.

FÓRMULA

30 cm

68 cm

CBR=12,
0
SN

Muestra Inalterada
Sin saturar
Saturado
25.0
5.2
37,500
7,800
1.57
3.10
12.0
2.2
18,000
3,300
2.31
4.14

CBR=2,2
0
SN

TIPO DE SUELO : SM-SC

Muestra remoldeada
al 100% M.D.S.

Muestra inalterada
Saturada

Muestra inalterada Sin
Saturar

2,5 cm

Carpeta asfáltica
Capa de Base

Capa de Sub-Base

Coeficiente de capa
Módulo Resilente
Coeficiente de capa
CBR
Módulo Resilente
Coeficiente de capa
CBR
Módulo Resilente

0.160
360.000 psi
0.055
100%
30.000 psi
0.025
10%
10.000 psi

CBR=34,
2

2,5 cm

2,5 cm

20 cm

CARACTERÍSTICAS DE LOS COMPONENTES DEL PAVIMENTO

22 cm

20 cm

CBR=25,
0
65 cm

CBR=5,2
0

(*) Guide for Design of Pavement Structures, Publicado por la American


221


Anexo A

6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
La capacidad de soporte de subrasantes conformados por suelos limo-arcillosos puede ser
determinada directamente a partir de pruebas de carga realizados en el laboratorio sobre
muestras inalteradas extraídas de los pozos de exploración utilizando el molde CBR. El método
descrito referente a la obtención del valor CBR de muestras inalteradas utilizado en el diseño de
pavimentos se basa en un procedimiento directo, simple, rápido y económico.
Se ha demostrado que siguiendo la metodología descrita existe una diferencia significativa entre el
valor CBR de subrasantes de suelos limo-arcillosos en la condición sin saturar y la condición
saturada, mostrando el comportamiento real de los suelos limo-arcillosos.
Los suelos limo-arcillosos presentan una rigidez alta en estado natural y una sustancial pérdida de
la misma con la saturación lo que implica en menores valores de módulos elásticos y, por
consiguiente, en valores mayores de asentamientos durante la vida útil de la estructura del
pavimento, esto implica una reducción sustancial de la vida útil del pavimento, la falla y el colapso
en el caso extremo.
Por extensión, métodos indirectos no destructivos de evaluación de subrasantes deben tener
presente la condición de la subrasante respecto a la saturación y las limitaciones que dichos
resultados pueden tener en un proyecto de rehabilitación de pavimentos. El último fenómeno del
Niño ha demostrado tales limitaciones.
El asignar a la subrasante, sin sustento alguno, un valor CBR asociado al 95 ó 100% de la MDS
del ensayo proctor modificado es una práctica ingenieril que no debe ser utilizada. En todo caso,
se recomienda medir la densidad natural y asignar el correspondiente valor CBR y en el caso
extremo, realizar el ensayo CBR en el laboratorio considerando el ensayo proctor estándar.
7. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Valle Rodas, R.,1976. Carreteras, Calles y Aeropistas.
Poulos, H.G. Davis, E.H., 1974. Elastic Solutions for Soil and Rock Mechanics.
AASHTO, 1993. Guide for Design of Pavement Structures


222


Anexo B

B.1 ANTECEDENTES
Las mezclas asfálticas en caliente o hot-mix asphalt, HMA se utilizan para diferentes tipos de
tráfico y diferentes condiciones medioambientales, debiendo los materiales y diseño cumplir
con los requisitos del proyecto.
El término hot-mix asphalt, HMA o mezcla asfáltica en caliente, se usa generalmente para
incluir mezclas de agregado y cemento asfáltico que se producen en plantas de asfalto a altas
temperaturas. HMA se divide en tres tipos de mezclas: de gradación densa, open-graded o
mezclas abiertas o porosas y gap-graded o mezclas de granulometría incompletas. La Tabla
B.1 presenta los tipos de mezclas de acuerdo a las características granulométricas.
Las gradaciones densas se subdividen en gradación continua o HMA convencional, large-stone
mix, y mezcla arena-asfalto.
Las mezclas open-graded se dividen en open-graded friction course, OGFC y base permeable
tratada con asfalto.
El tipo gap-graded abarca mezclas de concreto asfáltico gap-graded y mezclas stone mastic
asphalt, SMA.
Algunas mezclas HMA deben ser diseñadas para casos particulares. Un ejemplo de este tipo
son las mezclas open-graded friction course OGFC, que se diseñan para mejorar la fricción,
evitar encharcamientos y emanaciones de vapor del pavimento, y disminuir los niveles de ruido.
La Federal Highway Administration, FHWA junto con la National Asphalt Pavement Association,
NAPA prepararon una guía para la apropiada selección del tipo de mezcla que considera
factores como el tráfico, medio ambiente, subrasante, condiciones del pavimento existente y su
preparación, y evaluación económica.
Tabla B.1 Tipos de Mezclas Asfálticas en Caliente
Gradación densa
Open-garded
Gap-graded
Convencional
Porous friction course Gap-graded
convencional
usualmente de 12.5 a
19mm (0.5 a 0.75 pulg.)
Large-stone
Base
permeable Stone Mastic Asphalt
(SMA)
Tamaño máximo nominal tratada con asfalto
usualmente de 25 a
37.5mm (1 a 1.5 pulg.)
Arena asfalto
menos que 9.5 mm
(0.375pulg.)


224


Anexo B

B.2. DEFINICIONES
Mezclas de gradación densa HMA
HMA de gradación densa están compuestas por ligante de cemento asfáltico y agregado de
gradación continua. Las mezclas convencionales de HMA consisten de agregados de tamaño
máximo nominal en el rango de 12.5 mm (0.5 pulg.) a 19 mm (0.75 pulg.).
Large-stone mix contienen agregados gruesos con un tamaño máximo nominal mayor que 25
mm (1 pulg.). Como se ve en la figura B.1a, estas mezclas tienen un mayor porcentaje de
agregados gruesos que las mezclas convencionales (más grandes que el tamiz 4.75 mm o no.
4). Por el mayor tamaño de los agregados, el esfuerzo de compactación aplicado a la mezcla
debe ser monitoreado para prevenir fracturas excesivas de los agregados mayores durante el
proceso de compactación.
Asfalto-arena está compuesto por agregado que pasa el tamiz 9.5 mm o 0.375 pulg. (figura
B.1a). El contenido de ligante en la mezcla es mayor que para mezclas HMA convencionales
porque se incrementan los vacíos en el agregado mineral de la mezcla. Las arenas usadas en
este tipo de mezcla son arenas chancadas o naturales de textura rugosa, la resistencia a las
deformaciones permanentes de este tipo de mezclas es típicamente muy bajo.
Mezclas open-graded
cemento asfáltico o ligante modificado (figura B.1b). El principal propósito de este tipo de
mezclas es servir como una capa drenante, tanto en la superficie del pavimento o dentro de la
estructura del pavimento.
Como se indicó, hay dos tipos de mezclas open-graded. El primer tipo de mezcla son utilizadas
como una superficie gruesa para proporcionar drenaje libre en la superficie y prevenir los
encharcamientos, reduce las salpicaduras de las llantas, y reduce el ruido de las llantas. Este
tipo de mezcla es frecuentemente definido como open-graded friction course OGFC.
El segundo tipo de mezcla, denominado base permeable tratada con asfalto, comprende una
gradación uniforme de tamaño máximo nominal mayor que las usadas en OGFC –19 mm (0.75
pulg.) a 25 mm (1 pulg.) y se usa para drenar el agua que entra a la estructura del pavimento
desde la superficie o de la subrasante.
La producción de las mezclas open-graded es similar a las mezclas de gradación densa. Se
usan temperaturas de mezcla menores para prevenir el escurrimiento del asfalto caliente o
draindown durante el almacenamiento o traslado al lugar del proyecto. Recientemente se están
empleando polímeros y fibras en mezclas open-graded friction course para reducir el draindown
y mejorar la durabilidad de la mezcla. La colocación de este tipo de mezclas es convencional.
El esfuerzo de compactación por lo general es menor que las mezclas de gradación densa.


225


Anexo B

a. Gradación densa

b. Open-graded

c. Gap-graded

Figura B.1: Gradaciones representativas de HMA


226


Anexo B

Mezclas gap-graded
La función de las mezclas gap-graded es similar a la mezclas de gradación densa porque estas
mezclas gap-graded convencionales se vienen usando por muchos años. El rango de los
agregados va desde gruesos hasta finos, con poca presencia de tamaños intermedios; un tipo
de mezcla gap-graded se muestra en la figura B.1c.
El segundo tipo de mezclas gap-graded es el stone mastic aspahlt, SMA. Una representación
ilustrativa de este tipo de mezcla se muestra en la figura B.1c. La producción de mezclas SMA
requiere la incorporación de significativas cantidades de filler mineral al agregado normal de tal
manera que alcance del 8 al 10% de material que pasa el tamiz 0.075 mm o no. 200.
Como en las mezclas open-graded la temperatura de descarga de la mezcla necesita ser
controlada para prevenir el escurrimiento o draindown del ligante durante el almacenamineto o
transporte. Las fibras y/o polímeros son normalmente usados con SMA para prevenir el
draindown.
B.3 TIPOS DE PAVIMENTO ASFÁLTICOS
Los pavimentos asfálticos son estructuras flexibles que distribuyen las cargas a la subrasante
preparada. Los pavimentos flexibles consisten de capas de HMA colocadas sobre la
subrasante preparada. La subrasante es la capa de fundación que consiste del suelo existente
o material de préstamo a una densidad específica.
Las capas de pavimento generalmente se dividen en: capa superficial, capa intermedia o
ligante y capa base. Estas capas son diferentes en composición y se colocan en operaciones
separadas. Las capas de pavimento de dos tipos comunes son: full-depth HMA y HMA sobre
bases granulares se muestra en la Figura B.2.

Figura B.2: Tipos de Pavimentos Asfálticos más comunes


227


Anexo B

Capa Superficial o Carpeta
La carpeta superficial normalmente está formada por materiales de alta calidad. Proporciona
características friccionantes, control de ruido, lisura, resistencia a las deformaciones y drenaje.
Además, previene el ingreso de excesivas cantidades de agua superficial a las capas
intermedias del pavimento.
Capa Intermedia
La capa intermedia consiste de una o más capas estructurales de HMA colocadas debajo de la
carpeta. Su finalidad es distribuir las cargas de tráfico a la fundación sin que ésta se deforme
permanentemente. Esta capa puede o no ser usada, dependiendo de la selección del tipo de
mezcla.
Capa Base
La capa base consiste de una o más capas de HMA ubicadas en la base de la capa estructural
de HMA. También, puede ser base granular o base estabilizada. Su principal función es
proporcionar el principal soporte a la estructura del pavimento.
Capa Nivelante
La capa nivelante, es una delgada capa de HMA usada en rehabilitaciones para corregir
pequeñas variaciones del perfil longitudinal y transversal del pavimento existente.
Tráfico
Las cargas de tráfico se calculan para definir los espesores y el tipo de mezcla HMA que será
usada en la estructura del pavimento. La American Association of State Highway and
Transportation Officials, AASHTO expresó el tráfico en número de ejes equivalentes de 18-kip
denominado ESAL. La FHWA considera los siguientes niveles de tráfico:
Tráfico
Bajo
Intermedio
Alto

ESAL
<300,000
300,000 a < 10’000,000
>10’000,000

B.4 APLICACIÓN DE MEZCLAS ASFÁLTICAS
Las conclusiones que llegaron un grupo de expertos de las instituciones más representativas
en los EE.UU. (NCAT, FHWA, NAPA, y DOTs de Florida, Georgia, Maryland, Arizona y New
York) sobre cuales son los tipos de mezclas asfálticas más apropiadas para las diferentes
capas que componen la estructura de pavimento en función del tráfico se presentan en la figura
B.3


228


Anexo B

Las recomendaciones se dan en 03 niveles: Altamente Recomendable, Medianamente
Recomendable y Poco Recomendable.
También se señalan 03 niveles de tráfico: Alto, Intermedio y Bajo nivel de Tráfico de acuerdo al
criterio de la FHWA.
Las mezclas asfálticas consideradas son: las mezclas de HMA densas tanto gruesas como
finas, las mezclas del tipo gradación abiertas o mezclas porosas denominadas open-grade, las
mezclas de gradación abierta de alto nivel de fricción superficial o open-graded friction course
OGFC, las mezclas tipo SMA y las bases tratadas con asfaltos, ATPB.

Figura B.3: Recomendación del Tipo de Mezclas Asfálticas


229


Anexo B

Las recomendaciones del grupo de expertos fueron aún más al detalle. La Figura B.4 considera
además del tipo de mezcla asfáltica, el espesor mínimo de capa relacionado al tamaño máximo
nominal del agregado.

Figura B.4: Espesor Mínimo de Capa
B.5 ELECCIÓN DEL TIPO DE MEZCLA ASFÁLTICA
Los siguientes pasos permiten elegir un tipo de mezcla apropiado para una aplicación
específica:
1. Determinar el espesor total del HMA requerido.
Construcción nueva
diseño estructural de acuerdo a los procedimientos establecidos
Rehabilitación
evaluación del comportamiento o performance y diseño
estructural del pavimento.


230


Anexo B

2. Determinar el tipo de mezcla apropiado para la carpeta basado en función del tráfico y
costo.
a) Identificar en la figura B.3 la categoría del tráfico del pavimento. Por ejemplo, para
trafico bajo, el grupo de expertos recomienda solamente mezclas densas. Sin embargo,
para tráfico alto, se puede considerar un SMA o OGFC. Para tráficos altos todos los
tipos de mezclas son apropiados
b) Determinar el tamaño del agregado que se usará en la mezcla. La principal
consideración para esto es el tráfico. A mayores cargas de tráfico, la mezcla de
agregado debe tener mayor tamaño máximo nominal.
c) Consideraciones de apariencia. Mezclas con tamaño de agregado mayores con
frecuencia tienen textura superficial gruesa y puede ser más susceptible a la
segregación. Por eso, para pavimentos en calles, se recomienda usar mezclas más
finas como mezclas de gradación densa de 9.5 a 12.5 mm, mientras que las mezclas
19.0 mm puede ser la más apropiada para áreas industriales. Sin embargo, nunca se
debe sustituir la performance por la apariencia.
d) Flujo de tráfico. Otra consideración es seleccionar el tamaño de agregado en una
mezcla minimizando el impacto del flujo de tráfico durante rehabilitación de la carretera
existente.
3. Descontar el espesor de la carpeta del espesor total de diseño. Determinar qué mezcla o
mezclas son apropiadas para capas intermedias y/o base.
4. Descontar la capa intermedia/base del espesor total, hasta que los espesores de capa de la
mezcla sean seleccionados para la sección de pavimento requerido.
Ejemplo de Aplicación
A continuación se muestra un ejemplo del proceso de selección para dos pavimentos que
requieren 150 mm(6”) de HMA cada uno. Uno de los pavimentos está ubicado en el centro de
la ciudad en una zona comercial con tráfico moderado. La otra está en un área industrial con
tráfico moderado pero mayor porcentaje de tráfico de camiones y traileres.
Paso 1: Determinación del Espesor Total
Proyecto A: Calle del centro de la
ciudad que será reconstruido. Tanto
performance como apariencia son
importantes.
Espesor total de HMA requerido
para este proyecto es 150 mm (6”).
Tráfico moderado

Proyecto B: Zona industrial, parte de
carretera rural existente. El
incremento de tráfico requiere 150
mm (6”) de recapado. Tráfico
moderado a alto.



231


Anexo B

Paso 2: Determinación del tipo de mezcla de la carpeta y espesor
9.5 mm DFG, espesor 37.5 mm
Proyecto A: Según las Fig.
B.3 y B.4, la gradación fina
densa (DFG) es la más
recomendada para este nivel
de tráfico. SMA también
puede ser usado para este
caso puede no justificar el
gasto. Un DFG 9.5 mm,
parcialmente por apariencia.
El espesor es de 37.5 mm.

12.5 mm DCG, espesor 37.5 mm
Proyecto B: Según las Fig. B.3 y B.4, todas las
mezclas son adecuados para este tráfico. Como
el tráfico es lento, OGFC no se considera. La
resistencia a las deformaciones permanentes es
el principal mecanismo de falla por el alto
porcentaje de camiones y traileres, de esa
manera una mezcla de piedra grande puede
usarse para la carpeta porque la apariencia no
es muy importante. Mezcla de gradación gruesa
densa 12.5 mm se selecciona para la carpeta. El
espesor de la mezcla es 37.5 mm.

Paso 3: Determinación del tipo de mezcla de la capa intermedia y espesor
19.0 mm DFG o DCG, espesor
57 mm
Proyecto A: Según las Fig.B.3 y luego
B.4, DFG o DCG de 19.0 mm o 25.0
mm son adecuados para este tráfico y
capa El espesor restante es (150 mm37.5 mm), 112.5 mm. Si se usa mezcla
25.0 mm, sería mejor colocarla en una
sola capa porque el espesor mínimo es
75 mm, que es más de la mitad del
espesor restante. Con mezcla 19.0 mm
de DFG o DCG se colocaría alrededor
de la mitad del espesor restante total.
Un 19.0 mm DFG o DCG se
selecciona para mejorar la
performance. El espesor seleccionado
es 57 mm para facilitar la
compactación.

12.5 mm DCG,
espesor 37.5 mm
19.0 mm DCG, espesor 57 mm
Proyecto B: Según las Fig.B.3 y luego
B.4, se puede usar 19.0 mm o 25.0 mm
de DFG o DCG para la carga de tráfico
y capa. El espesor restante es (150 mm37.5 mm), 112.5 mm.
Si se usa mezcla 25.0 mm, sería mejor
colocarla en un espesor de 75 mm que
es más que la mitad del espesor restante.
Tanto DFG y DCG de 19.0 mm
pueden colocarse en la mitad del
espesor restante. Un 19.0 mm DCG se
seleccionó para prevenir la deformación
permanente. La capa es de 57.0 mm.

Paso 4: Determinación del tipo de mezcla de la capa base y espesor
19.0 mm DFG o DCG, 2 capas
de 57 mm de espesor cada capa.
Proyecto A: Según la Fig. B.3 y luego
B.4, DFG o DCG de 19.0 mm o 25.0
mm son adecuadas para este tráfico y
capa. El espesor restante es (150 mm37.5 mm), 112.5 mm.
Mezcla 25.0 mm no se usa porque el
espesor restante es menor que el espesor
mínimo (75 mm). Mezcla DFG y DCG
de 19.0 mm pueden colocarse como
espesor restante, cualquiera de las dos
proporcionan adecuada performance. El
espesor de la capa es 57.0 mm para
facilitar la compactación de mezclas
DCG. El espesor total del pavimento
sería ligeramente mayor que el requerido
(151.5 mm vs. 150 mm) que es
aceptable.

12.5 mm DCG, espesor 37.5 mm
19.0 mm DCG, 2 capas de 57
mm cada capa.
Proyecto B: Según la Fig. B.3 y luego
B.4, mezcla densa DFG o DCG puede
usarse para este tráfico y capa. El
espesor restante es (150 mm-37.5mm57.0mm), 55.5 mm.
Una mezcla 25.0 mm no puede usarse
porque el espesor restante es menos que
el mínimo (75 mm). Tanto DFG y
DCG de 19.0 mm pueden emplearse
con el espesor restante. La mezcla DCG
de 19.0 mm se selecciona para evitar
deformaciones permanentes. El espesor
total del pavimento es ligeramente
mayor que el requerido (151.5 mm vs.
150 mm) que es aceptable.



232


Anexo B

B.6 MEZCLAS ASFÁLTICAS DENSAS
Una mezcla densa es una mezcla bien gradada (distribución uniforme de las partículas de
agregados grueso a fino) de agregado y ligante de cemento asfáltico. Las mezclas
apropiadamente diseñadas y construidas son relativamente impermeables.
Las mezclas convencionales de HMA consisten de agregados de tamaño máximo nominal en el
rango de 12.5 mm (0.5 pulg.) a 19 mm (0.75 pulg.).
̇ Tamaño Máximo Nominal (TMN)
Con la finalidad de definir adecuadamente los términos, todas las mezclas densas se identifican
por el tamaño máximo nominal del agregado en la mezcla. Este término se define por
Superpave como un tamiz mayor que el primer tamiz que retiene más del 10%.
̇ Mezclas densas de gradación fina y gruesa
Las mezclas densas pueden clasificarse como de gradación fina o gruesa. Las mezclas de
gradación fina tienen mas arena fina que las mezclas de gradación gruesa.
La Tabla B.2 puede ser usada para definir la granulometría que deben cumplir estas mezclas.
La Tabla B.3 presentan algunas ventajas de las un tipo de mezclas con respecto a la otra.
Tabla B.2 Definición de Mezclas Densas de Gradación Fina y Gruesa
Mezcla
Gradación Gruesa
Gradación Fina
TMN
37.5 mm (1 ½”)
< 35% pasa el tamiz 4.75
> 35% pasa el tamiz 4.75
25.0 mm (1”)
19.0 mm (3/4”)
12.5 mm (1/2”)
9.5 mm (3/8”)
4.75 mm (No. 4)
Gradación no estandarizada por Superpave
HMA Pavement Mix Type Selection Guide, NAPA-FHWA

Tabla B.3 Ventajas de la Mezclas Densas Gruesas y Finas
Gradación
Gradación
Fina
Gruesa
Baja permeabilidad
Permite espesores cerca de (TMN < 25mm)
Trabajabilidad (TMN < 25mm)
Textura macro incrementada (TMN < 25mm)
Espesor delgado (TMN < 25mm)
Buena durabilidad para bajos
volúmenes de tráfico (TMN < 25mm)
Textura lisa (TMN < 25mm)
HMA Pavement Mix Type Selection Guide, NAPA-FHWA



233


Anexo B

Características
Se considera que las mezclas densas HMA son usadas de manera efectiva en todas las capas
del pavimento y para todas las condiciones de tráfico.
Una mezcla densa puede ser usada para cumplir con alguna o todas de las siguientes
necesidades del proyectista:
Estructural
Este es el primer objetivo de las mezclas densas y es la principal función de los espesores de
capa.
Fricción
Esta es una consideración importante para superficies gruesas. La fricción es una función del
agregado y las propiedades de la mezcla.
Nivelación
Estas mezclas pueden ser usadas en capas delgadas o gruesas para llenar depresiones en la
carretera.
Materiales
La Tabla B.4 proporciona una guía de los materiales empleados en mezclas densas.
Las mezclas densas se diseñan en los EE.UU. usando el método Superpave. Las Fotos B.1 y
B.2 ilustran muestras densas. El método Marshall aún se utiliza en el Perú. Información sobre
el Marshall, puede remitirse al “Manual de Laboratorio Ensayos para Pavimentos Volumen I” de
S. Minaya y A. Ordóñez en la Biblioteca de la FIC-UNI.

Foto B.1 Núcleo de muestra de 25.0 mm de mezcla
densa



234


Anexo B

Tabla B.4 Materiales empleados en Mezclas Densas
Capa
Superficial

Intermedia/
ligante

Material
Tráfico bajo
Agregado ̇ Grava (limitada)
̇ Grava y piedra chancada
̇ Arena chancada y natural
Ligante
̇ Típicamente no modificada
asfáltico ̇ Se pueden hacer modificaciones
para tráfico pesado , intersecciones
para tráfico alto.
Otros
̇ RAP (Reclaimed Asphalt Pavement)
̇ Antistripping si los ensayos lo indican
Agregado ̇ Grava (limitada)
Ligante
̇ Típicamente no modificado
asfáltico

Tráfico medio

Tráfico alto


̇ Probablemente modificado
̇ Asfaltos no modificados basados en
experiencias locales

̇ No modificados excepto para tráfico
pesado o cuando el tráfico circulará
sobre las capas por largos períodos

̇ RAP (Pavimento de Asfalto Reciclado)
̇ Antistripping si los ensayos lo indican
Agregado No estandarizado
Ligante
No estandarizado
asfáltico

Otros
Base

Otros

No estandarizado

̇RAP
(Pavimento
Reciclado)


de

̇ No modificados excepto para tráfico
pesado o cuando el tráfico circulará
sobre las capas por largos períodos
Asfalto ̇ Antistripping si los ensayos lo indican

235


Anexo B

Foto B.2 Muestras de 12.5
mm (izquierda) y 9.5 mm
(derecha) de mezcla densas
diseñadas con Superpave
Espesores recomendados
La figura B.5 muestra el rango mínimo recomendado de espesores para diferentes mezclas
densas.

Figura B.5: Espesores mínimos recomendados para mezclas densas
B.7 STONE MASTIC ASPHALT (SMA)
Las mezclas tipo SMA introducido en los EE.UU. en los años noventa y últimamente en
Canadá. Las mezclas SMA cada vez tiene mayor aceptabilidad, sobre todo en lugares de
climas fríos y para niveles de tránsito pesado. El SMA es de origen alemán de los años sesenta
y su propagación en Europa ha sido vertiginosa. El tipo de mezcla par americano viene a ser el
gap-graded.
La función de las mezclas gap-graded es similar a la mezclas de gradación densa porque
mezclas gap-graded convencionales se vienen usando por muchos años en los EE.UU. El
rango de los agregados va desde gruesos hasta finos, con poca presencia de tamaños
intermedios; un tipo de mezcla gap-graded se muestra en la figura B.1c.


236


Anexo B

El segundo tipo de mezclas gap-graded es stone mastic aspahlt, SMA. Una representación
ilustrativa de este tipo de mezcla se muestra en la figura B.4.1c. La producción de mezclas
SMA requiere la incorporación de significativas cantidades de filler mineral de tal manera que
alcance del 8 al 10% de material que pasa el tamiz 0.075 mm (No. 200). Al igual que en las
mezclas open-graded, la temperatura de descarga de la mezcla debe ser controlada para
prevenir el draindown del ligante durante el almacenamiento o transporte. Las fibras y/o
polímeros son normalmente usados con mezclas SMA para prevenir el draindown.
SMA es una mezcla asfáltica en caliente tipo gap-graded que maximiza la resistencia a las
deformaciones permanentes y durabilidad con un estable esqueleto de piedra-piedra junto con
una mezcla rica en cemento asfáltico, filler y agentes estabilizadores como fibras y/o asfaltos
modificadores. SMA es un pavimento desarrollado en Europa, específicamente en Alemania,
para incrementar la resistencia a las deformaciones permanentes y evitar el desgaste de llantas
con cadenas en climas gélidos.
Las mezclas SMA tiene un alto costo inicial debido al mayor porcentaje de asfalto y el uso de
agregados más resistente. Sin embargo, este mayor costo inicial puede ser más que
compensado con el incremento de la resistencia a las deformaciones permanentes bajo cargas
de tráfico medio a alto. Además, se incrementa la durabilidad y se evita el agrietamiento por
fatiga. Algunos reportes incluyen disminución del ruido al paso de las llantas y mejor resistencia
friccionante por su textura superficial gruesa. El agrietamiento reflejado en las mezclas SMA
con frecuencia no es severo como en las mezclas densas porque el agrietamiento tiene menor
tendencia a esparcirse.
Función
Como se mencionó líneas arriba, el principal propósito de las mezclas SMA es mejorar su
comportamiento ante las deformaciones permanentes e incrementar su durabilidad. Además,
estas mezclas son exclusivamente usadas por su superficie gruesa bajo tráfico alto. En casos
especiales como tráfico lento de vehículos y carga pesada, las mezclas SMA pueden
emplearse en las capas intermedias. El estado de Georgia, usa frecuentemente mezclas de
SMA con open-graded friction courses, OGFC como superficie de desgaste.
Materiales
SMA es una mezcla de alta calidad de sus materiales. Agregados cúbicos, baja abrasión,
piedra chancada y arena preparada porque la mezcla se beneficia más del desarrollo de la
resistencia del esqueleto de agregado piedra-piedra. El 100% de los agregados deben tener
una o más caras fracturadas. No se permite el uso de arenas naturales. Los agregados deben
tener alto valor al pulimento para tener buena resistencia al patinaje.
La matriz de arena, asfalto, filler mineral, y aditivos también es importante en su
comportamiento. Las arenas chancadas, filler mineral, y aditivos (fibras y/o polímeros) rigidizan


237


Anexo B

la matriz que es una importante propiedad en este tipo de mezclas. El filler mineral y aditivos
también reducen la cantidad de asfalto que drena hacia abajo en la mezcla durante la
construcción, incrementando la cantidad de asfalto usado en la mezcla, mejorando así su
durabilidad.
En la Tabla B.5 se da una guía general de los materiales usados en las mezclas SMA.
Tabla B.5: Materiales para Mezclas SMA
Capa
Material
Tráfico medio
Tráfico alto
Superficial Agregado Grava chancada
e
Piedra chancada
intermedia/
Arena chancada
ligante
Filler mineral
Ligante
Asfalto modificado
Asfalto modificado
asfáltico El asfalto no modificado
Asfaltos no modificados
puede ser usado para tráfico dependiendo de la
bajo.
experiencia local.
Otros
Fibras
Antistrip en la cantidad definida en laboratorio

En la tabla B.6 se presenta un rango típico de granulometría SMA, presentado en el Hot Mix
Asphalt Materials, Mixture Design and Construction.
Tabla B.6 Granulometría Típica para Mezclas Tipo SMA
Tamiz de Diseño
19.0 mm
12.5 mm
9.5 mm
4.75 mm
2.36 mm
0.60 mm
0.30 mm
0.075 mm
0.020 mm

Porcentaje que Pasa
100
85-95
Máx. 75
20-28
16-24
12-16
12-15
8-10
Menos que 3

Diseño de Mezclas
El procedimiento de compactación Marshall y Superpave pueden ser usados para el diseño de
mezclas SMA.



238


Anexo B

Espesores Mínimos
La figura B.6 muestra el rango mínimo recomendado para las mezclas SMA de acuerdo al
tamaño máximo nominal de partículas.

Figura B.6: Espesores
mínimos recomendados
para mezclas SMA

La Tabla B.7 presenta que mezclas tipo SMA son apropiadas para diferentes capas y el
propósitos por el que se usan.
Tabla B.7 Aplicaciones de Mezclas Tipos SMA
Mezcla propuesta
Tamaño máximo
nominal del agregado
Capa superficial
Capa intermedia

9.5 mm
Desgaste superficial
Fricción
Estructura
Lisura
No

12.5 mm

19 mm

No

Estructura

La foto B.3 ilustra la diferencia en la estructura de agregados entre mezclas densas diseñado
con el Superpave y una mezcla SMA.



239


Anexo B

Foto B.3 Diferencia entre mezcla densa y SMA
B.8 MEZCLAS OPEN-GRADED
En los Estados Unidos, desde 1950, se emplean las mezclas OGFC para mejorar la resistencia
friccionante, minimizar los encharcamientos (acumulaciones superficiales de agua), reducir las
salpicaduras y emanaciones de vapor, mejorar la visibilidad nocturna y disminuir el ruido. En
1974 la FHWA desarrolló un procedimiento de diseño de mezclas OGFC usado por varios
estados. Muchos departamentos de transportes reportaron un comportamiento aceptable.
Con un buen diseño de mezclas y buena práctica constructiva, las mezclas OGFC no deben
tener problemas de raveling o delaminación y deben mantener su alta permeabilidad y macro
textura. La NCAT investigó una nueva metodología de diseño de mezclas para OGFC y evaluó
el tipo de fibra que se incorpora en estas mezclas para evitar el escurrimiento.
cemento asfáltico o ligante modificado (figura B.1b). Las mezclas open-graded se diseñan para
que sean permeables, mejorando las condiciones de manejo al permitir el drenaje del agua a
través de su estructura porosa. Además, minimiza el encharcamiento durante las lluvias.
Se tienen dos tipos de mezclas open-graded. La primera comprende mezclas con superficie
gruesa para proporcionar drenaje libre en la superficie y prevenir los encharcamientos, reducir
las salpicaduras de las llantas y los ruidos de las llantas; este tipo de mezcla frecuentemente se
define como open-graded friction course OGFC. El segundo tipo, denominado base permeable
tratada con asfalto, comprende una gradación uniforme de tamaño máximo nominal mayor que
las usadas en OGFC -19 mm (0.75 pulg.) a 25 mm (1 pulg.)- y se usa para drenar el agua que
entra a la estructura del pavimento desde la superficie o de la subrasante.
La producción de mezclas open-graded friction course, OCFG es similar a las mezclas HMA de
gradación densa. La primera diferencia entre estos dos tipos de mezcla es la gradación de los
agregados. Los asfaltos con caucho incorporados o rubberized se usan con frecuencia en la
producción de mezclas OGFC para mejorar la capacidad de adhesión del asfalto al agregado.
Aunque el contenido de vacíos es alto, el espesor de la película de asfalto es típicamente
mayor que para las mezclas HMA de gradación densa. El contenido de asfalto total para


240


Anexo B

mezclas OGFC es similar o ligeramente mayor que las mezclas densas con el mismo tamaño
máximo de agregados.
El procedimiento de diseño de mezclas OGFC consiste en seleccionar el contenido de asfalto
necesario para un espesor de película de asfalto seleccionado. Una de las propiedades que
generalmente se evalúan en el diseño de mezclas es su capacidad drenante a través de la
matriz del agregado. La FHWA recomendó las siguientes gradaciones OGFC:
Tamiz
½” (12.5 mm)
3/8” (9.5 mm)
no.4 (4.75 mm)
no.8 (2.36 mm)
no.200 (0.075 mm)

%pasa
100
95-100
30-50
5-15
2-5

El contenido de asfalto se calcula con la capacidad superficial (Kc) del agregado retenido en el
tamiz no.4 (4.75 mm). Kc se calcula con el porcentaje de aceite grado SAE no.10 retenido por el
agregado que representa el efecto total del área superficial, las propiedades de absorción del
agregado y rugosidad superficial.
La capacidad de vacíos del agregado grueso es determinada utilizando un equipo de
compactación vibratorio. La cantidad óptima de agregado fino es la que llena los vacíos entre
las partículas de agregado grueso. La mezcla de agregados debe proporcionar el suficiente
espacio para el contenido de asfalto requerido e interconectar los vacíos para el drenaje. El
procedimiento de la FHWA establece temperaturas de mezcla óptima sobre la base de
ensayos de drenaje realizados a diferentes temperaturas. .
El empleo de asfaltos con caucho incorporados o rubberized con ligante resulta en
temperaturas de mezcla generalmente mayores que las mezclas convencionales de asfalto. La
temperatura de mezcla muy alta permite que el ligante drene a través del agregado, resultando
en una alta variación del contenido de asfalto en la mezcla, formando manchas sobre el
pavimento. Si la temperatura de mezcla es muy baja, el agregado no será completamente
recubierto.
El problema del drenaje de asfalto depende del tiempo de almacenamiento del OGFC. Un largo
periodo de almacenamiento resulta en excesivo drenaje de asfalto a través de la mezcla.
Cuando la mezcla tipo OGFC es almacenada en un silo por corto periodo de tiempo, el drenaje
no ocurre.
El asfalto puede tender a drenar a través del agregado durante el transporte, desde la zona de
mezclado hasta la obra. Si esto ocurre, el asfalto puede salirse del camión que lo transporta o
puede formar un charco en la base del camión y causar una gran mancha debajo en el fondo
de la mezcla cuando se descarga. Así, el asfalto del fondo resulta en una mancha sobre la
superficie del pavimento.



241


Anexo B

Cuando el OGFC llega al lugar de colocación, tiende a verse abundante debido al mayor
espesor de película y la escasez de material fino. Esto es normal. Por lo general el espesor de
OGFC colocado en obra es de ¾” (19 mm) usando gradación de tamaño máximo ½” (12.5
mm).
Las mezclas OGFC no se usan sobre superficies de pavimentos desniveladas. El pavimento
deberá ser nivelado con una mezcla de gradación densa. Otro problema que ocurre cuando se
recapea pavimentos desnivelados es el daño sobre mezclas de espesor menor de ¾ pulg. ó
19mm.
El OGFC no se coloca en climas fríos. Severas fallas se atribuyen a la pérdida de vínculo entre
el OGFC y la superficie existente porque se colocó en climas fríos. Muchos estados especifican
temperatura mínima de aire entre 60 y 70ºF (16 a 21ºC) para la colocación de mezclas OGFC.
No se especifica densidades para mezclas OGFC. El procedimiento normal de compactación
es 2 a 3 pasadas sobre la superficie con rodillo con llanta de acero. No se deben utilizar rodillos
compactadores vibratorios o neumáticos. El rodillo vibratorio degrada el agregado y el rodillo
neumático tiende a levantar el asfalto, especialmente cuando se usa asfalto rubberized. Otro
problema con el rodillo neumático es que cierra excesivamente los vacíos debido a la acción de
las llantas. Los valores bajos de vacíos no permiten un buen drenaje del agua a través de la
superficie.
El control de calidad de mezclas OGFC es similar a las mezclas HMA de gradación densa. La
primera diferencia es que no requieren controles de compactación de campo o laboratorio. Los
ensayos generalmente realizados son: contenido de asfalto, granulometría, espesor y lisura.
Estos ensayos se realizan rutinariamente para asegurar una mezcla satisfactoria.
El proceso de control de calidad de campo debe ser realizada por un supervisor con
experiencia en este tipo de mezclas. Las fallas más frecuentes que pueden ocurrir son: drenaje
de asfalto, levantamiento de la mezcla detrás de la pavimentadora y el procedimiento
inapropiado de compactación.
La superficie del OGFC debe mostrar una adecuada resistencia al patinaje, sobre todo en
climas lluviosos. Existen muchos estudios que indican problemas de stripping en la capa donde
reposa el OGFC. Para salvar este problema, se usan agentes antistripping en las capas
inferiores.
Se usan temperaturas de mezcla menores para prevenir el escurrimiento. Recientemente se
están empleando polímeros y fibras en mezclas open-graded friction course, OGFC para
reducir el draindown y mejorar la durabilidad de la mezcla.
La diferencia de las mezclas open-graded con las mezclas densas y SMA, es que estas
mezclas usan solamente piedra chancada o, en algunos casos grava chancada con pequeño
porcentaje de arena chancada. Se recomienda el uso de asfaltos modificados y fibras. Esto



242


Anexo B

incrementa la cantidad de asfalto que puede ser usado con estas mezclas, mejorando su
durabilidad y comportamiento.
Materiales
La Tabla B.8 proporciona una guía general de los materiales usados en mezclas open-graded.
Tabla B.8 Materiales de Mezclas Open-graded
Capa
OGFC

Material
Tráfico medio
Tráfico alto
Agregado Piedra chancada, Grava chancada y Arena chancada
Ligante
Asfalto modificado
asfáltico
Otros
Fibras y agentes antistripping

Espesores Mínimos
La figura B.7 muestra el rango mínimo recomendado de espesores para diferentes mezclas
open-graded.

Figura B.7: Espesores Mínimos de mezclas open-graded

La Tabla B.8 presenta el tipo de mezcla apropiada para diferentes capas y el propósito para el
que se usan.


243


Anexo B

Tabla B.8 Aplicación de tipos de mezclas open-graded
Propósito
Tamaño máximo
nominal del agregado
Capa superficial
Capa base

9.5 mm

12.5 mm

̇ Desgaste superficial
̇ Fricción
̇ Reducción de ruidos
̇ Reducción de salpicaduras
No
No


19 mm

No
̇ Drenaje


244

Artículo Técnico Publicado por la Revista Científica TECNIA de la Universidad
Nacional de Ingeniería, 2002



Anexo C

“SUPERPAVE Y SMA: METODOS MECANISTICOS EN LA INGENIERIA DE LAS
MEZCLAS ASFALTICAS”
M.Sc. Abel Ordóñez Huamán - Ing. Silene Minaya González
Instituto de Investigación de la Facultad de Ingeniería Civil-UNI
RESUMEN
Las mezclas asfálticas en los EE.UU. han sido diseñados mediante procedimientos típicamente
empíricos basados en ensayos de laboratorio, esto significaba que la experiencia era necesaria para
correlacionar los análisis de laboratorio y el comportamiento del pavimento en el campo. Sin
embargo, aún con el seguimiento estricto de los procedimientos y criterios de diseño, el
comportamiento adecuado no estaba asegurado.
El Método Superpave es un producto de la Strategic Highway Research Program, SHRP creado por el
Congreso Americano en el año 1987, con un presupuesto inicial de 150 millones de dólares para
investigar el comportamiento de las mezclas asfálticas, la duración de las vías, así como el desarrollo
de métodos basados en especificaciones que relacionen los análisis de laboratorio con el
comportamiento en el campo.
El Superpave está siendo implementado por agencias americanas para reemplazar los métodos
Marshall y Hveem (actualmente usados en el Perú). El Superpave optimiza la resistencia de la mezcla
a las deformaciones permanentes, agrietamiento por fatiga y el agrietamiento producido por bajas
temperaturas.
En los inicios de 1960 la industria europea del asfalto reconoció la necesidad de pavimentos
resistentes a las deformaciones permanentes y daños en el pavimento sometido a tráfico pesado y
bajas temperaturas. En respuesta a ello, los contratistas desarrollaron el Stone Mastic Asphalt, SMA
mezcla de granulometria incompleta con un contenido mayor de agregado grueso, mineral de filler y
cemento asfáltico así como menor cantidad de agregado fino y arena. La mezcla tuvo un suceso en
Alemania y su uso se expandió a toda Europa y actualmente a EE.UU. y Canadá.
El artículo presenta los resultados de investigaciones en la Universidad Nacional de Ingeniería para
la aplicación del Superpave y el SMA en el Perú.
ABSTRACT
In U.S. Asphalt mixtures have typically been designed with empirical laboratory design procedures,
meaning that field experience is required to determine if the laboratory analysis correlates with
pavement performance. However, even with proper adherence to these procedures and the
development of mix design criteria, good performance could not be assured.
The Superpave is a product of the Strategic Highway Research Program, SHRP. The SHRP was
established by U.S. Congress in 1987, $150 million research program to improve the performance,
durability of road and the development of performance based asphalt specifications to directly relate
laboratory analysis with field performance.
The Superpave is being implemented by Americans agencies to replace the Marshall and Hveem
design methods (actually used in Peru). The Superpave system optimises mixture resistance to
permanent deformation, fatigue cracking and low temperature cracking.
In the early 1960´s the European asphalt industry recognized a critical need for pavements which
would be resistant to permanent deformation and the various pavement distresses associated with
heavy traffic and low temperature. In response to this need, contractors developed Stone Mastic
Asphalt, SMA a gap graded mix containing increased amounts of coarse aggregate, mineral filler and
asphalt cement as well as decreased amounts of fine aggregate and sand. This mixture proved so
successful in Germany that its use was continued throughout Europe and actually in USA and
Canada.
The article presents the results of investigations in the National University of Engineering for the
application of the Superpave and SMA in Peru.

246

INTRODUCCION
En 1987 la Strategic Highway Research
Program-SHRP de los EE.UU. inició el
desarrollo de un sistema de manejo y diseño de
pavimentos denominado Superpave, con una
inversión de 150 millones de dólares.
El sistema SUPERPAVE es denominado
“mecanístico” debido a que incorpora
conceptos y fundamentos básicos de la
mecánica de los materiales, conceptos que están
desplazando a las formulaciones empíricas.
A finales de 1995 se terminó de construir la
pista de pruebas denominada WESTRACK. Se
ensayaron 26 secciones con dos tipos de
mezclas asfálticas. En 1997 de manera
prematura se presentaron problemas de
asentamientos permanentes o “rutting” no
previstos, problemas que fueron materia de
investigación y cuyas conclusiones permitieron
ajustar y mejorar progresivamente el método.
Actualmente, las agencias estatales están
realizando investigaciones en pistas de pruebas
con la finalidad de implementar ensayos de
evaluación de menor duración.
En el año 2000 más del 60% del volumen de
mezclas asfáltica fue diseñado por el sistema
Superpave y los EE.UU. ha invertido hasta la
fecha más de 500 millones de dólares en la
implementación del Sistema Superpave.
Es importante mencionar que los métodos
“mecanísticos” se aplican actualmente en el
diseño de toda la estructura del pavimento,
inclusive en la evaluación de la fundación o
sub-rasante (Ordóñez y Minaya, 2001), es decir
ya no queda campo de aplicación para los
métodos de diseño “empíricos”, esto producirá,
como en los EE.UU. un reciclaje natural en la
ingeniería de pavimentos en el Perú.
ETAPAS DEL SISTEMA SUPERPAVE
El diseño de mezclas SUPERPAVE considera
cuatro etapas:
1. selección de materiales tanto del agregado
como ligante.
2. diseño de la estructura del agregado.
3. determinación del contenido de ligante
asfáltico.
4. evaluación de la sensibilidad de la mezcla
al humedecimiento.

Anexo C
1.- SELECCIÓN DE MATERIALES
Los agregados deben cumplir: (a) 04 ensayos
obligatorios
denominada
propiedades
consensuales y (b) ensayos especificados por
cada agencia descentralizada de transporte,
denominados
propiedades
de
fuente
(relacionado a condicionantes geológicos
ambientales y de tránsito de cada zona).
Las propiedades consensuales son: (1)
Angularidad del agregado grueso, ASTM D
5821; (2) Angularidad del agregado Fino,
AASHTO T 304-96; (3) Partículas Chatas y
Alargadas, ASTM D 4791; y (4) Equivalente de
Arena, AASHTO T 176.
La Angularidad del agregado Grueso es el
porcentaje de partículas de agregados gruesos
con caras fracturadas. La combinación de
agregados se tamiza por la malla 4.75 mm, el
material retenido se analiza visualmente para
determinar el porcentaje en peso que tienen una
o más caras fracturas. El valor mínimo
requerido depende del nivel de tráfico y la capa
en la que se ubicará el agregado. La cantidad de
partículas angulares determina el nivel de
resistencia al corte que se puede desarrollar en
la estructura del agregado. Superpave
recomendó el criterio de angularidad del
agregado grueso de la Tabla no. 1:
Tabla no.1 Criterios de Angularidad del Agregado
Grueso Superpave

Tráfico
ESALs (millones)
< 0.3
<1
<3
<10
< 30
< 100
100

Profundidad desde la
superficie
< 100 mm
> 100 mm
55/-/65/-/75/50/85/80
60/95/90
80/75
100/100
95/90
100/100
100/100

El primer número es el valor mínimo requerido para
uno o más caras fracturadas y el segundo número es
el valor mínimo requerido para dos o más caras
fracturadas.

La Angularidad del Agregado Fino o
Contenido de Vacíos No Compactados del
Agregado Fino asegurara un alto nivel de
fricción, valores menores de 45 indican formas
más redondeadas relacionadas con arenas
naturales. El agregado fino se vierte libremente

www.construccion.org.pe /ORDOÑEZ
S. MINAYA & A. Email: icg@icg.org.pe / Telefax: 421-7896

247


Anexo C

sobre un cilindro de 100 cm3, determinando el
porcentaje de vacíos entre los agregados, a
mayor angularidad del agregado mayor
porcentaje de vacíos. La cantidad de vacíos no
compactados en el cilindro se determina con la
expresión:

Vacíos no compactado

V - W/G sb
V

100 (1)

donde:
V
volumen del cilindro, milímetros
W
peso del agregado fino suelto que llenó
el cilindro, gr
Gsb
gravedad específica bulk del agreg. fino
Los requisitos mínimos recomendados para la
angularidad se presenta en la Tabla no.2:
Tabla no.2 Criterios de Angularidad del Agregado
Fino Superpave

Tráfico
ESALs(millones)
< 0.3
<1
<3
<10
< 30
< 100
100

Profundidad desde la
superficie
< 100 mm
> 100 mm
40
40
40
45
40
45
40
45
45
45
45

Cuando los materiales son más redondeados, la
resistencia al corte se reduce y es más probable
que el “rutting” ocurra en la mezcla.
Otro ensayo importante es el de Partículas
Chatas y Alargadas. Cuando los agregados son
chatos y alargados con frecuencia tienden a
quebrarse durante la compactación, resultando
una mezcla en sitio que puede ser
significativamente diferente de la mezcla
diseñada. En algunos casos las mezclas con
exceso de partículas chatas y alargadas pueden
ser difíciles de trabajar y compactar. La relación
máxima es 5:1 y la mínima es 3:1 y 2:1.
La propiedad final del agregado es el contenido
de arcilla. El problema más frecuente es la
arcilla adherida al agregado que impide una
buena unión entre éste y el asfalto, cuando esto
sucede el “stripping” o peladura es el resultado.
La especificación considera un límite en el

contenido de arcilla. El ensayo usado para
medir el contenido de arcilla es el Equivalente
de Arena.
Los requisitos sugeridos por
Superpave se presentan en la Tabla no. 3:
Tabla no. 3 Porcentajes Mínimos de Equivalente en
Arena Superpave

Tráfico
ESALs (millones)
< 0.3
<1
<3
<10
< 30
< 100
100

(porcentaje mínimo)
40
40
40
45
45
50
50

Las propiedades de fuente son opcionales del
Departamento de Transporte, y pueden ser el
ensayo de Abrasión por la Máquina de Los
Ángeles ASTM C 131, Ensayo de Durabilidad
AASHTO T 104 y Partículas Friables y
Terrones de Arcilla AASHTO T 112. Al no ser
rígidas estas propiedades de fuente, se está
optimizando el diseño, resultando mezclas más
económicas.
ELECCIÓN DEL LIGANTE (“Performance
Graded”)
Considera las siguientes especificaciones:
̇ Los criterios de temperatura se cambian
considerando el grado del ligante
seleccionado
para
las
condiciones
climáticas que prevalecen.
̇ Las propiedades físicas medidas por
ensayos de ligantes con SUPERPAVE son
directamente
relacionadas
con
su
performance en el campo.
̇ El ligantes asfáltico es ensayado para 03
condiciones: (1) al ser transportado,
almacenado, y manipulado antes de
mezclarlo con el agregado, (2) el
envejecimiento luego de la producción y
construcción (3) el envejecimiento durante
su vida de servicio.
̇ Se considera el rango completo de
temperaturas
que
experimentará
el
pavimento en el lugar del proyecto.
̇ Los ensayos controlan 03 tipos de fallas:
deformación
permanente
(“rutting”),
agrietamiento por fatiga y agrietamiento
térmico.


248


Anexo C

Superpave considera 04 ensayos (Fig. no.1)
para evaluar la performance del asfalto. El
viscosímetro rotacional evalúa la viscosidad del
asfalto a temperaturas similares a las
comúnmente usadas durante la construcción.
El segundo ensayo utiliza el Reómetro de Corte
Dinámico, DSR que evalúa la reología del
asfalto (módulo de corte complejo y el ángulo
de fase) para temperaturas intermedias a altas.
El ensayo DSR será usado para evaluar la
habilidad del asfalto para resistir deformaciones
permanentes.
La fatiga se evalúa luego del envejecimiento
RTFO (simulación de envejecimiento durante la

mezcla y construcción) y envejecimiento PAV
(simulación de envejecimiento luego de 7 a 10
años de servicio). Esto se debe a que el
agrietamiento por fatiga tarda varios años y
depende de las condiciones medio ambientales
y de tráfico.
Las propiedades del ligante a bajas
temperaturas se determina usando el Reómetro
de Viga de Flexión, BBR. En este ensayo se
aplica una carga estática a una viga de cemento
asfáltico en un baño maría.
El ensayo de Tensión Directa, DTT evalúa el
agrietamiento baja temperatura.

Fig. 1 Ensayos de Laboratorio para Especificaciones PG
Construcción
Ahuellamiento

RV
Viscosímetro
Rotacional

Fatiga

DSR
Reómetro de Corte
Dinámico

ESPECIFICACIONES SUPERPAVE DEL
LIGANTE ASFALTICO
El sistema clasifica el ligante en función de las
temperaturas extremas de calor y frío del
pavimento.
PG 64-22

Grado de performance

Temp. Mín. Pavimento

Promedio de la temperatura máxima
del pavimento durante 7 días
2.- SELECCIÓN DE LA COMBINACIÓN
DE AGREGADOS
Se debe indicar que el diseño de la mezcla de
agregados se basa no solamente en conseguir
una estructura agregado-ligante estable,
resistente, con deformaciones permisibles y
adecuado comportamiento hidráulico sino en la

Agrietamiento Térmico

BBR
Reómetro de Viga de
Flexión

DTT
Tensión Directa

consideración que el ligante tendrá una función
estructural principal, es decir, soportará los
esfuerzos transmitidos por las cargas. Este
enfoque conceptual de diseño del Superpave es
diferente respecto al SMA donde el ligante, es
un miembro secundario y no soportará esfuerzo
significativo.
La gradación del agregado es muy importante
porque asegura 1) el tamaño máximo del
agregado, 2) se calcula el porcentaje de vacíos
en el agregado mineral, VMA, y 3) se asegura
un esqueleto de agregado satisfactorio.
El tamaño máximo nominal del agregado es un
tamiz mayor que el primer tamiz que retiene el
10% de material. El tamaño máximo del
agregado es un tamiz mayor que el tamaño
máximo nominal. La gradación del agregado
deberá estar dentro de los límites de los “puntos
de control”. Los “puntos de control” aseguran la
buena gradación del agregado evitando


249


Anexo C

problemas de segregación y de mezcla, con el
ligante. Sin embargo, los “puntos de control”
limitan el diseño, tan es así que el SMA
considera una granulometría incompleta, lo que
le permite obtener una estructura granular más
estables, resistente y menos deformable; sin
embargo dicha granulometria cae fuera de los
“puntos de control”. Los problemas de
segregación y mezcla con el ligante en el SMA
es resuelto con la incorporación de fibras.
Para el Superpave la zona restringida asegura
que no se use mucha arena natural en la mezcla,
y asegura un mínimo porcentaje de vacíos en el
agregado mineral, VMA, en la mezcla. En la
Fig. no. 2 se muestra la especificación
Superpave para agregados con tamaño máximo
nominal de 12.5 mm.
Fig. 2 Gradación SUPERPAVE Tamaño
Máximo Nominal 12.5 mm
% Pasa

Línea máx densidad

100 zona restringida

Puntos de control
Estructura del Agregado
para el Diseño
0

.075
3
2.36
12.5
Tamaño de Tamiz (mm) Aumentado a 0.45
19.0

3.- CONTENIDO DE LIGANTE Y
COMPORTAMIENTO DE LA
MEZCLA
El Compactador Giratorio, CG fue diseñado
para compactar muestras a densidad similar a
la. que se obtendrá bajo tráfico. La
compactación tiende a orientar las partículas de
agregado de manera similar a las observadas en
campo.
Son 03 los parámetros que controlan el esfuerzo
de compactación. Estos parámetros son: la
presión vertical, ángulo de inclinación y
número de revoluciones. La presión vertical es
600 kPa y el ángulo de inclinación es 1.25º. La
velocidad de rotación es de 30 rev/min.

Fig. 3 Esquema de compactación de un molde
en el Compactador Giratorio Superpave
Presión de pisón
600 kPa

Molde 150 mm

1.25º
30 rev/min
El CG utiliza muestras de 4 ó 6 pulg. de
diámetro. Actualmente las especificaciones son
para muestras de 6 pulg. El número de
revoluciones se basa en el nivel del tráfico y el
promedio de las temperaturas de aire más altas
de diseño. Mezclas que son expuestas a
mayores temperaturas y altos niveles de tráfico
en el campo, densificarán más, de esa manera se
compactará en el laboratorio a mayor densidad.
Esta mayor densidad se obtiene con el
incremento del número de revoluciones. El
número de revoluciones para niveles de tráfico
se muestra en la Tabla no. 4:
Ndiseño es el número de revoluciones requerido
para producir una densidad en la mezcla
equivalente a la densidad esperada en el campo
luego de recibir el tráfico de diseño. Para el
diseño de mezclas, el óptimo contenido de
asfalto será aquel que proporcione 4% de vacíos
de aire cuando la mezcla es compactada a
Ndiseño.
Ninicial es una medida de compatibilidad de
mezcla. Una mezcla con 4% de vacíos de aire a
Ndiseño tendrá por lo menos 11% de vacíos a
Ninicial. Mezclas que no cumplen con estos
requisitos son con frecuencia mezclas finas y
por lo general tienden a tener una gran cantidad
de arena natural.
Nmáximo es el número de revoluciones requerido
para producir una densidad en el laboratorio
que absolutamente nunca sería evaluada en
campo. Nmáximo proporciona una densidad
compactada con un factor de seguridad que
asegure que la mezcla no densificará más,
resultando en bajos vacíos en el campo que


250


Anexo C

Tabla no. 4 Especificaciones de Revoluciones en el CG Superpave
ESALs de
diseño1
(millones)

Parámetros de Compactación
Ninicial Ndiseño Nmáx

< 0.3

6

50

75

0.3 a <3

7

75

115

3 a < 30

8

100

160

9

125

205

30

Aplicaciones típicas
En carreteras con tráfico muy ligero, vías locales
y calles de ciudades donde el tráfico de
camiones está prohibido o es muy pequeño.
Vías colectoras o accesos a ciudades. Tráfico
medio.
Carreteras con dos carriles, multicarriles
divididos y accesos parcial o completamente
controlados. Calles de ciudades con tráfico
medio a alto, rutas estaduales, rutas federales y
algunas intersecciones rurales.
Mayoría del vasto sistema interestadual tanto
rural como urbana. Aplicaciones especiales
como estaciones de pesaje de camiones, o faja
donde los camiones pueden pasar en vías de
doble carril.

(1) El ESAL de diseño es el tráfico esperado en el carril de diseño en un período de 20 años. Indiferente a la
vida de diseño actual de la carretera, determine el ESAL de diseño para 20 años, y elija el nivel
apropiado de Ndiseño.
(2) Las aplicaciones típicas se definen en Policy on Geometric of Highway and Streets, 1994, AASHTO.

pueden producir deformaciones permanentes.
Los vacíos de aire de Nmáximo deben tener por lo
menos 2%. Mezclas con valores menores al 2%
son susceptibles a las deformaciones
permanentes que aquellas mezclas con vacíos
de aire mayores al 2% 1 .
Las muestras de ensayo son compactados
usando el Ndiseño 2 . Una vez que se definió el
Ndiseño para cada nivel de tráfico y la
temperatura del aire, se determina el Ninicial y el
Nmáximo, según las siguientes ecuaciones:
Log Ninicial 0.45 Log N diseño
Log Nmáximo 1.10 Log N diseño

(2)

COMPACTACION DE MUESTRAS
La mezcla de agregado y asfalto se compacta
para preparar especimenes de 150 mm de
diámetro y 115 mm de alto. Las muestras
compactadas son evaluadas para determinar sus
características volumétricas y los porcentajes de
vacíos de Ninicial y Nmáximo .
1

Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design and
Construction, National Center for Asphalt
Technology, segunda edición, 1996
2
Superpave Mix Design, SP-2, Asphalt Institute,
tercera edición 2001

Todas las muestras para diseño y propiedades
volumétricas se envejecen a 135ºC en el horno
por 2 horas, luego de mezclarlas y antes de
compactarlas. La muestra se extiende en una
capa delgada para el procedimiento de
envejecimiento. Este envejecimiento es
necesario para permitir la absorción del
cemento asfáltico dentro de los poros
permeables del agregado antes de la
compactación y enfriamiento. La absorción
produce una mezcla que es más representativa
de la mezcla en campo.
Durante el proceso de compactación se mide la
altura del espécimen, conociendo la masa que
se encuentra en el molde y el diámetro de este,
se determina el volumen de mezcla. La
densidad bulk se puede determinar con este
resultado. Esta densidad calculada es
ligeramente incorrecta, debido a vacíos en la
superficie, base, y lados de cada espécimen, sin
embargo se está considerando como parte del
volumen del espécimen. Luego que cada
muestra es compactada a Ndiseño se extrae del
compactador y se determina su densidad bulk
real pesándolo en el aire y sumergido. La
densidad real de Ndiseño se compara con la
densidad calculada a Ndiseño para conseguir un
factor de corrección. Las densidades calculadas


251


Anexo C

a Ninicial y Nmáximo son corregidas en función al
factor de corrección.
Con muestras sueltas de mezcla se determina la
gravedad específica teórica máxima (DTM).
Conociendo la DTM y la densidad bulk, los
niveles de vacíos pueden calcularse para varios
niveles de compactación. Las muestras de DTM
serán envejecidas de manera similar que las
muestras para compactación.
SELECCIÓN DEL OPTIMO CONTENIDO
DE ASFALTO
El óptimo contenido de asfalto es definido por
el SUPERPAVE como el contenido de asfalto
que produce el 4% de vacíos de aire a Ndiseño.
De seguro, esta mezcla diseñada tiene que
cumplir los requisitos para Ninicial y Nmáximo y
algunos
otros
requisitos
que pueden
especificarse. El primer paso para la selección
del óptimo contenido de asfalto es determinar
un aproximado óptimo contenido de asfalto.

Luego se preparan tres especimenes cada uno a
0.5% debajo, en el óptimo, y 0.5% sobre el
óptimo contenido de asfalto y 1.0% sobre el
óptimo estimado. Mezclar cada muestra y
llevarlas a horno de 135ºC por el tiempo de
envejecimiento requerido. Compactar cada
muestra a Ndiseño revoluciones que es función
del tráfico y performance de la temperatura.
Luego que cada muestra sea compactada, sacar
la muestra del molde y medir la densidad bulk a
Ndiseño . Determinar el factor de corrección para
la densidad bulk real y la densidad bulk
calculada y corrija los vacíos calculados para
cada muestra a Ninicial y Nmáximo. Promedie los
resultados para el porcentaje corregido de DTM
para las tres muestras y plotee como se muestra
en el siguiente ejemplo. (Hot Mix Asphalt
Materials, Mixture Design and Construction,
NCAT).

Fig. no. 4 Resultados Superpave con el Compactador Giratorio
% DTM

<98%
96%
4% vacios

Opt. Cont. Asf.=5.2%

Incremento de contenido
de asfalto

4.5% CA
5.0% CA
5.5% CA
6.0% CA

<89%

Nini=9 Ndiseño=128
10

Nmax=208
100
1000
Nº de revoluciones

El procedimiento de cálculo de los parámetros
de diseño se basan en la relaciones volumétricas
y gravimétricas para mezclas asfálticas, detalle
del mismo puede verse en Ordóñez y Minaya,
2001.
El porcentaje de DMT se determinó dividiendo
la densidad bulk entre DMT y multiplicando

por 100. Recordar que el porcentaje de vacíos
de aire para cada muestra es igual a 100-DTM.
Luego que todos los datos se ploteen, el
contenido óptimo de cemento asfáltico será el
porcentaje ubicado en la intersección del 96%
de DTM y el Ndiseño. Se puede determinar por
interpolación pero no por extrapolación.


252


Anexo C

Graficar una línea vertical en Ninicial hasta el
óptimo contenido de asfalto y luego trazar una
línea horizontal para determinar el porcentaje
de DTM. El porcentaje deberá ser menor que
89%. Hacer lo mismo con Nmáximo. El número
seleccionado será menor que 98%. Recordar
que DTM es diferente para diferentes
contenidos de asfalto. Cuando la DTM es
conocido para un óptimo contenido de asfalto,
éste se calcula para otros contenidos de asfalto
determinado la gravedad específica de los
agregados y haciendo pocos cálculos.
Si los vacíos de aire son 4% a Ndiseño, mayor que
11% para Ninicial y mayor que 2% para Nmáximo,
entonces, éste es el óptimo contenido de asfalto.
Si la mezcla falla en Nmàximo o Ninicial entonces es
posible que la gradación del agregado o
posiblemente la cantera necesite ser cambiada.
Otros dos criterios deben satisfacer los vacíos
en el agregado mineral (VMA) y vacíos llenos
con asfalto (VFA):
Tabla no. 5: Requisitos de VMA
Tamaño máximo
nominal en mm
9.5
12.5
19.0
25.0
37.5

% mínimo de VMA
15.0
14.0
13.0
12.0
11.0

Tabla no. 6: Requisitos de los Vacíos Llenos
con Asfalto
ESALs (millones)
< 0.3
<1
<3
<10
< 30
< 100
100

% VFA
65-80
65-78
65-78
65-75
65-75
65-75
65-75

Si el diseño de mezclas cumple con todos los
requisitos excepto el VFA, el contenido de
asfalto puede ajustarse ligeramente para
mantener los vacíos de aire cerrados al 4% y
poner el VFA dentro de los límites. El VFA es
un término redundante desde que es función de
los vacíos de aire y VMA. Desde el punto de
vista práctico, la calidad volumétrica de HMA
puede controlarse por vacíos de aire y VMA.

En muestras individuales se tiene experiencia
que mezclas de diseño de 6” requieren mucho
más material que en 4”. Se calcula que para
diseñar con 6” se requiere aproximadamente 4
veces más de material que en Marshall o
Hveem. Desde que las muestras son envejecidas
en horno, uno se dará cuenta que se requiere un
espacio grande en el horno.
4.- SENSIBILIDAD AL
HUMEDECIMIENTO
Una discusión en el diseño de mezclas no es
completa si no se discute sobre la sensibilidad
al humedecimiento o el deterioro de HMA
debido a influencias diametrales de humedad,
llamada “stripping”. El “stripping”, peladuras o
desprendimiento, produce una pérdida de
resistencia a través del debilitamiento de la
relación entre el cemente asfáltico y agregado.
Esta pérdida de resistencia puede ser repentina
donde el asfalto se desprende del agregado, la
cohesión de la mezcla se pierde, y el “stripping”
se desarrolla rápidamente. La situación más
típica es la pérdida gradual de la resistencia
sobre un período de años que contribuye a
desarrollar la deformación permanente y
desplazando el asfalto en la trayectoria de la
llanta. Actualmente SUPERPAVE recomienda
la norma AASHTO T-283.

METODO SMA (“Stone Mastic
Asphalt”)
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 dá una excelente
durabilidad.
Las
características
del
comportamiento mecánico de la mezcla
asfáltica es alcanzada utilizando una
granulometría
incompleta
(”gap-graded
aggregate”) combinada con fibra y/o polímeros
modificados y un mayor contenido de ligante.
Las siguientes fotos muestra la diferencia entre
una mezcla asfáltica Superpave y el SMA.
Por su mayor contenido de asfalto y la necesaria
incorporación de fibras para evitar la
segregación con el ligante durante la mezcla el
costo es entre 20 a 25% mayor que las mezclas
asfálticas convencionales. Sin embargo, el
comportamiento del SMA es actualmente


253


Foto 1 SMA

Foto 2 SUPERPAVE

calificado en los EE.UU. como de excelente
comportamiento bajo tráfico pesado e intenso,
bajo costo de mantenimiento y una duración
que alcanza los 30 años de vida de servicio.
El uso del SMA en EE.UU. fue como resultado
del viaje de estudio de un grupo de trabajo
americano a Europa en 1990, el mismo que se
encontró con el suceso del SMA en Europa por
más de 20 años. Posteriormente la
incorporación del SMA en los EE.UU. se
produce en el año 1991, donde la Federal
Highway Administration (FHWA) estableció
un Grupo de Trabajo Técnico para el desarrollo
de recomendaciones para la construcción y
especificaciones de materiales.
La National Center for Asphalt Technology,
EE.UU. evaluó el comportamiento de 85
proyectos de SMA. A continuación se listan las
observaciones realizadas:
̇ Más del 90% de los proyectos presentaban
asentamientos permanentes menores de 4mm.

Anexo C
y 25% no presentaban asentamientos
significativos.
̇ Las mezclas de SMA presentaban mayor
resistencia al agrietamiento comparados con
las mezclas convencionales probablemente al
mayor contenido de ligante.
̇ No habían evidencia de erosión de las aguas
pluviales sobre la superficie de la mezcla
asfáltica (“raveling”) en los proyectos.
Experiencias en Georgia indican que el SMA
tiene entre 30 y 40% menos asentamientos
permanentes que las mezclas convencionales y
de 3 a 5 veces mayor resistencia al
agrietamiento por fatiga.
Experiencias en Alemania indican que una
duración entre 20 a 30 años no es considerado
excepcional.
Peladuras,
agrietamiento
superficial y erosión pluvial superficial son
fallamientos que generalmente no experimenta
una mezcla SMA.
1.- CONSIDERACIONES DE DISEÑO
El diseño del SMA considera 05 etapas:
̇ Selección de materiales de agregados.
̇ Determinación de la gradación del agregado.
̇ Asegurar que la gradación elegida consiga o
exceda los requerimientos mínimos de VMA
o permita el contenido mínimo de ligante a
ser usado.
̇ Elección del contenido de ligante que provea
el nivel deseado de vacío de aire.
̇ Evaluar la susceptibilidad al humedecimiento
y la sensibilidad al escurrimiento.
Existen dos aspectos importantes en el SMA: la
incorporación de fibra y/o polímeros para
conseguir un diseño de acuerdo a las
solicitaciones ambientales y de tráfico y las
dificultades durante la producción, almacenaje,
transporte y colocación debido a la
susceptibilidad del SMA al escurrimiento o
“draindown”. Los requerimientos para el
agregado grueso y fino se presentan en las
siguientes tablas:


254


Anexo C

Tabla no. 7 Requisitos de Calidad del Agregado Grueso SMA
Ensayo
Abrasión Los Angeles,
% pérdida
Chatas y Alargadas, %
3a1
5a1
Absorción, %
Sulfato de Sodio
Sulfato de Magnesio
Caras fracturadas, %
Una cara
Dos caras

Método
AASHTO T 96

Especificación
30* máx.

ASTM D 4791

20 máx.
5 máx.
2 máx.

AASHTO T 85
AASHTO T 104

ASTM D 5821

15 máx.
20 máx.
100 mín.
90 mín.

* Aunque pérdida mayor del 30% pueden ser usados con éxito, pueden
ocurrir quebraduras excesivas en el laboratorio durante la compactación
o durante la compactación en sitio.
Tabla no. 8 Requisitos de Calidad del Agregado Fino SMA
Ensayo
Durabilidad, pérdida %
Sulfato de Sodio
Sulfato de Magnesio
Angularidad, %
Límite Líquido, %
Indice de Plasticidad

Método

Especificación

AASHTO T 104

15 máx.
20 máx.
45 mín.

AASHTO TP33
(Mét. A)
AASHTO T 89
AASHTO T 90

25 máx.
N.P.

En la siguiente tabla se presenta la gradación para una mezcla con tamaño máximo nominal de 19 mm.

Tabla no. 9
Especificaciones de
Agregados SMA
para TMN de 19 mm

19 mm de TMN
Tamaño Tamiz,
mm
Inferior
Superior
37.5
25.0
100
100
19.0
90
100
12.5
50
74
9.5
25
60
4.75
20
28
2.36
16
24
1.18
13
21
0.6
12
18
0.3
12
15
0.075
8
10
TMN-TamañoMáximo Nominal de Agregados–tamiz mayor
que el primer tamiz que retiene más del 10%.

www.construccion.org.pe ORDOÑEZ
S. MINAYA & A. / Email: icg@icg.org.pe / Telefax: 421-7896

255


Anexo C

Nº200

Nº100

Nº60

Nº40

Nº30

Nº20

Nº10

Nº4

1/4"

1/2"

3/8"

3/4"

1"

2"
1 1/2"

3"

Comparación de Granulometrías SUPERPAVE y SMA

80

60

40

La evaluación de la sensibilidad al
escurrimiento durante el proceso de mezclado es
muy importante en el SMA. El ensayo simula
las condiciones durante la producción,
almacenaje, el transporte y la colocación. El
escurrimiento es la determinación de la porción
de la mezcla (finos y ligante) que se separa y
fluye escurriéndose de la mezcla.
El ensayo AASHTO T 305 o ASTM D 6390 es
utilizado para la evaluación. Se utiliza una cesta
de malla metálica en el cual se coloca la mezcla.
La cesta es coloca sobre una fuente metálica y el
conjunto es es colocado en el horno durante una
hora con la temperatura de producción de la
mezcla, determinándose luego el porcentaje de
mezcla escurrida. Un siguiente ensayo se realiza
con una temperatura superior en +15 C para
evaluar la sensibilidad a las fluctuaciones de
temperatura en la planta. Se repite otra serie de
pruebas para promediar los resultados
alcanzados. El requerimiento de diseño
considera un escurrimiento de 0.30% en peso,
de la mezcla inicial.

0.1

0.074

0.149

ABERTURA (mm)

0.25

0.59

0.426

1

1

0.84

2.00

4.76

10

6.35

12.7

25.4

19.05

100

50.3
38.1

76.2

20

PORCENTAJE ACUMULADO QUE PASA (%

100

0
0.01

aspecto deja libertad a las agencias
descentralizadas los requisitos mínimos de la
calidad del agregado.
El Superpave considera aspectos reológicos del
asfalto como la resistencia a la tracción, los
esfuerzos inducidos por la contracción térmica,
la sensibilidad a la temperatura y el
humedecimiento y como el componente débil de
la mezcla. En el SMA el ligante no juega papel
estructural alguno, lo que lo diferencia al
Superpave.
El Superpave considera una buena gradación de
los agregados; sin embargo, el SMA con una
gradación
incompleta
demuestra
un
comportamiento estructural más eficiente (más
resistente y menos deformable). Con la
metodología del Superpave no podrá
conseguirse un diseño SMA.

CONCLUSIONES Y
RECOMENDACIONES

El SMA basa su fortaleza estructural en los
agregados gruesos de buena gradación y el alto
contenido de vacíos es “rellenado” con el
ligante. Los problemas de segregación y mezcla
es resuelto con la incorporación de fibra y/o
polímeros.

El Superpave arroja un diseño optimizado
tomando en cuenta condicionantes ambientales
locales para la selección del agregado, en ese

El SMA se recomienda para climas fríos y para
tránsito pesado, el Superpave para climas
cálidos y templados y para tránsito mediano a


256

ligero. El SMA es 20 a 30% más costoso que el
Superpave sin embargo el mantenimiento es
mínimo y su duración es mayor.
Tanto el Superpave como el SMA, son métodos
que optimizan los recursos económicos y
tendrán campo de aplicación en el país en un
futuro inmediato. La implementación en los
EE.UU. no fue fácil y en el Perú deberá basarse
en un esfuerzo conjunto.
Referencias Bibliográficas
1. Ordóñez, A. y Minaya, S. (2001) “C.B.R. de
Subrasantes Arenosas y Limoarcillosas”.
Revista TECNIA. Vol. 11 No. 2. U.N.I.
2. Ordóñez, A. y Minaya, S. (2001) “Manual
de Laboratorio. Ensayos para Pavimentos”.
Volumen I. Universidad Nacional de
Ingeniería.
3. U.S. Department of Transportation. Federal
Highway Administration(2002). ”Superpave
Asphalt Mixture Design”. Version 8.0
4. National Asphalt Pavement Association
(2002). “Designing and Constructing SMA
Mixtures- State-of-the-Practice”. U.S. Dep.
of Transp. FHWA.
(2001). “Moisture Susceptibility of HMA
Mixes”. Identification of Problem and
Recommended Solutions.

Anexo C
Highway
Administration(1998).
“Perfomance of Course-Graded Mixes at
WesTrack-Premature Rutting”.
Highway Administration(2001). ”Superpave
Mixture-design guide”. WesTrack Forensic
Team Consensus Report.
8. Highway Enginering Research Group,
University of Ulster, UK. (2000).
”Predicting the Performance of Stone
Mastic Asphalt”. Stone Mastic Asphalt”.
(1992). “Experience with SMA in U.S.
(1997).
“Superpave
Construction
Guidelines”. Special Report 180. U.S. Dep.
of Transp. FHWA.
11. Asphalt Institute (1999). “Performance
Graded Asphalt. Binder Specification and
Testing” .
12. National Center for Asphalt Technology
(1996). “Hot Mix Asphalt Materials,
Mixture Design and Construction”. Second
Edition.
13. Asphalt Institute (1999). “Cause and
Prevention of Stripping in Asphalt
Pavements”.


257

Ing. Abel Ordoñez Huamán - ohabel@yahoo.com
Ing. Silene Minaya González - silenemg@yahoo.com
Instituto de Investigaciones de la Facultad de Ing. Civil



Anexo D

VIII CONGRESO NACIONAL DEL ASFALTO
MÓDULOS DINÁMICOS DE MEZCLAS ASFÁLTICAS SMA Y SUPERPAVE
Ing. Abel Ordoñez Huamán - ohabel@yahoo.com
Ing. Silene Minaya González - silenemg@yahoo.com
Instituto de Investigaciones de la Facultad de Ing. Civil
RESUMEN:
El nuevo método de diseño de pavimentos asfálticos AASHTO 2002 requiere que las mezclas
asfálticas sean modeladas como materiales visco-elásticos a través del parámetro denominado módulo
dinámico E*. El parámetro E* permitirá construir la curva maestra del comportamiento deformacional
de la mezcla asfáltica en función de la temperatura y del tiempo de carga (valor de la frecuencia de la
carga cíclica).
El presente trabajo presenta los resultados de los ensayos de compresión confinada cíclica y la
obtención del módulo dinámico, E* realizados en el Laboratorio de Mecánica de Suelos de la
Universidad Nacional de Ingeniería en muestras de mezclas asfálticas tipo SMA-“stone mastic
asphalt” y Superpave. Los resultados indican que el comportamiento deformacional de las mezclas
SMA utilizando fibras celulosas y asfaltos modificados es superior al comportamiento de las mezclas
Superpave.
1. INTRODUCCIÓN
Con el auspicio del Instituto de Investigaciones de la FIC-UNI se desarrolló el proyecto de
investigación “Aproximación al Conocimiento Superpave” trabajo que permitió realizar la publicación
“Superpave y el Diseño de Mezclas Asfálticas”, (Ref. 1) así como tomar conocimiento de las mezclas
tipo SMA (Ref. 2). Así, actualmente se tienen documentos técnicos que explican en detalle las
consideraciones de diseño de la metodología Superpave y SMA, así como la aplicación de los
conceptos mecanísticos en la ingeniería de pavimentos (Ref. 3). Recientemente se ha culminado el
proyecto “Comportamiento Mecánico de Mezclas Asfálticas Tipo Superpave y SMA”, (Ref. 4) basado
en pruebas experimentales realizadas en el laboratorio de Mecánica de Suelos y Pavimentos de la FICUNI.
La metodología Superpave considera un método de diseño volumétrico, basado en la aplicación de las
relaciones volumétricas y gravimétricas. El Superpave incorpora conceptos de la mecánica de los
materiales: rigidez, elasticidad y visco-elasticidad de los materiales involucrados en la estructura del
pavimento. (Ref. 5 y 6). Sin embargo, para integrarlo al método de diseño de pavimentos empíricomecanístico AASHTO 2002 (Ref. 7) se deberá implementar un ensayo de laboratorio para determinar
el parámetro deformacional elástico, de la mezcla asfáltica, esto es el Módulo Dinámico, E*.
El módulo dinámico, E* es una función de la temperatura, velocidad de carga, envejecimiento de la
mezcla y las características de la mezcla como la rigidez del asfalto, gradación del agregado, contenido
de asfalto y volumen de vacíos (Ref. 7). Para tomar en cuenta los efectos de la temperatura y la
velocidad de carga, el módulo de la mezcla asfáltica para cualquier nivel de análisis será determinada
de la denominada “curva maestra” construida tomando como referencia la temperatura de 70ºF. Las


259


Anexo D

“curvas maestras” son construidas utilizando el principio de la superposición tiempo-temperatura, la
Fig. 1 ilustra un ejemplo de la curva maestra.

Fig. 1 Variación de módulo dinámico en función de la frecuencia (tiempo)
de carga y la temperatura y la “curva maestra”
La curva maestra del módulo dinámico puede ser representada por la función “sigmoidal” dada por la
siguiente ecuación:

log E *

1 e

log t r

donde:
tr
y
y

: tiempo de carga a la temperatura de referencia (previa transformación).
: parámetros de ajuste, donde el es el mínimo valor de E* y + representa el
máximo valor de E*.
: parámetros que describen la forma de la función sigmoidal.

El 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 y considera un buen
porcentaje de ligante que le confiere 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 uso
de la fibra celulosa es esencial para evitar el escurrimiento del mastic en la mezcla asfáltica SMA,
evitando su segregación debido al gran porcentaje de grava (70-80%) alto porcentaje de finos (10%) y
menor porcentaje de arenas, (Ref. 8 y 9). 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.
Las investigaciones desarrolladas en la FIC-UNI, tuvieron por finalidad llenar un vacío respecto al
superior comportamiento mecánico de las mezclas SMA a las mezclas Superpave. Aplicaciones en
proyectos viales realizadas en EE.UU. y en países Latinoamericanos como Brasil y Argentina así lo
demuestran. Sin embargo, trabajos experimentales basados en ensayos de laboratorio en EE.UU y
Brasil no conseguían demostrar mediante ensayos de laboratorio la superioridad mecánica del SMA
sobre el Superpave, (Ref. 10 y 11).

260


Anexo D

La National Center for Asphalt Technology de Auburn University - NCAT de EE.UU. en el año 1993,
realizó una investigación cuyo objetivo era comparar mediante ensayos de laboratorio el
comportamiento mecánico de las mezclas densas convencional y las mezclas SMA, con la finalidad de
entender mejor su comportamiento. Las conclusiones a las que llegaron fueron que la resistencia al
corte de las mezclas SMA arrojaban valores ligeramente mayor y menor que las mezclas densas. La
estabilidad Marshall de las mezclas SMA fue siempre significativamente menor que para el caso de
mezclas densas lo que indicaría que este tipo de ensayo no representa el comportamiento de las SMA;
el flujo en las mezclas SMA es mayor que en mezclas densas lo que indicaría (erróneamente) que las
SMA son más flexibles. Los ensayos de resistencia a la tracción indirecta y modulo resiliente fueron
siempre menores en SMA con respecto a las mezclas densas. Esto indicaría que las SMA no son tan
rígidas en tensión como las mezclas densas y que los valores de módulo resiliente no serían
(erróneamente) altos. La deformación permanente se evaluó con el ensayo de flujo estático en que
ambas mezclas obtuvieron valores semejantes. El ensayo de deformación permanente dinámica mostró
que las mezclas SMA tuvieron deformaciones permanentes ligeramente mayores que las densas, sin
embargo, estos resultados de la NCAT son contradictorios con el comportamiento de campo.
La conclusión más importante a la que llegaron en el proyecto de investigación de la NCAT, fue que
estos ensayos pueden dar un indicativo del comportamiento de la mezcla, pero que son necesarios
nuevos métodos de laboratorio para poder evaluarlas. Los investigadores de la NCAT concluyeron que
los resultados del reporte de la NCAT no aconsejaban ser usados para comparar el comportamiento
mecánico de las mezclas SMA y densas convencional, y que la comparación sólo se podría dar en el
campo, por lo menos por algún tiempo, hasta tener un ensayo más realístico.
2. ASFALTOS MODIFICADOS CON POLÍMEROS
Aunque los modificadores de asfalto se vienen usando por más de 50 años, se ha renovado el interés
en los últimos años debido a que las especificaciones del asfalto como el Superpave exigen que este
cumpla los requisitos de rigidez a altas como a bajas temperaturas de servicio. Muchos de los
cementos asfálticos no cumplen con estas especificaciones en regiones con climas extremos,
necesitando ser modificados, (Ref. 12)
Los asfaltos modificados permiten presentan varias características como la menor rigidez o viscosidad
del asfalto a altas temperaturas de preparación facilitan el bombeo del ligante asfáltico líquido, así
como el mezclado y compactación. La mayor rigidez a altas temperaturas de servicio (verano) reducen
las deformaciones permanentes y corrugaciones producto del corte por flujo de la mezcla. La menor
rigidez y rapidez de relajación a bajas temperaturas de servicio (invierno) reduce el agrietamiento
térmico.
Los polímeros pueden fabricarse para cumplir una amplia gama de propiedades ingenieriles, sin
embargo, pueden dividirse en elastómeros (caucho) y plastómeros (plástico). Los elastómeros usados
como modificadores de asfalto incluyen a los cauchos naturales, caucho estireno-butadieno SBR,
estireno-butadieno-estireno SBS, entre otros. Los elastómeros resisten deformaciones de esfuerzos
aplicados extendiendo y recuperando su forma rápidamente cuando el esfuerzo deja de aplicarse. Estos
polímeros adicionan muy poca resistencia a los cementos asfálticos hasta que son estirados. Sin
embargo, su resistencia a la tensión se incrementa con la elongación. Los plastómeros o plásticos
usados como modificadores de asfalto incluye el polietileno, polipropileno, etil-vinil-acetato EVA,
polivinil cloruro PVC, etc. Los plastómeros tienen un resistente, rígido red tridimensional que es
resistente a las deformaciones. Estos polímeros exhiben fácil resistencia inicial bajo carga pero pueden
fracturarse bajo deformación.


261


Anexo D

3. POLÍMERO SBS (ESTIRENO-BUTADIENO-ESTIRENO)
El polímero SBS está formado por bloques de poliestireno y polibutadieno unidos químicamente,
presentan fuerte interacción en base bituminosa por ser compatibles tanto en los componentes
aromáticos como los no aromáticos. El poliestireno se funde arriba de los 90ºC y el rango en que el
polibutadieno se torna rígido está próximo a -90ºC, por esa razón el SBS es el modificador mas usado
del cemento asfáltico tanto en zonas donde las temperaturas son muy altas como en zonas donde las
temperaturas son muy bajas. Con la incorporación del polímero SBS, el asfalto modificado puede
tener para ciertos grados de temperatura, características de un ligante ideal, es decir, propiedades
constantes y susceptibilidad térmica pequeña en todas las variaciones climáticas a las que estaría
sometido.
El polímero producido, patentado y mas utilizado en Brasil es el SBS. En el presente trabajo de
investigación se utilizó asfaltos modificados con polímeros SBS denominados Betuflex 80/60 y 60/60
de Ipiranga Asfaltos. El principal propósito de utilizar modificadores SBS en mezclas asfálticas en
caliente es incrementar la rigidez de la mezcla a altas temperaturas, volverlo más elástico y resistente
al agrietamiento por fatiga a temperaturas intermedias de servicio y no modificar su rigidez a bajas
temperaturas de servicio para resistir el agrietamiento térmico.
Tabla 1 Datos referentes al Asfalto Modificado con SBS de Ipiranga Asfaltos
Propiedades
Punto de ablandamiento, ºC
Penetración (100g, 5s, 25ºC), dmm
Recuperación elástica a 25ºC, mín.
Índice de susceptibilidad térmica, mín.
Viscosidad a 175ºC, cps, máx.
Densidad a 20/4ºC
Compatibilidad a 163ºC, 5 días, máx.
Punto de fulgor, ºC, mín.

BETUFLEX 60/60
50 - 65
50 – 70
60
Cero
450
1.00 - 1.04
4
235

BETUFLEX 80/60
75 - 90
50 - 70
85
+2
450
1.00 - 1.04
4 235

En zonas de temperaturas muy altas, que pasan el punto de ablandamiento del cemento asfáltico puro
y cuando el flujo es prácticamente viscoso, el SBS forma una malla que envuelve el ligante fluido,
manteniendo una alta consistencia. A partir de la fusión completa del rango de los estirenos, la mezcla
de cemento asfáltico-SBS pasa a ser fluido viscoso. En zonas de temperaturas muy bajas, el cemento
asfáltico tiene un comportamiento rígido con correspondientes agrietamientos; el SBS disminuye
bastante el punto de ruptura Fraass de la mezcla, dándole elasticidad.
4. FIBRA CELULOSA Y ENSAYOS DE ESCURRIMIENTO
En esta investigación se emplearon fibras en su condición suelta y fibra celulosa VIATOP 66, cedida
por J.R. Rettenmaier & Soehne de Brasil representante de la matriz alemana, en forma de pellets,
compuesta por 66.6% en peso de fibra y 33.3% de asfalto. La cantidad requerida en la mezcla se
determinó conforme al valor máximo obtenido en el ensayo de escurrimiento, que fue 0.3% en peso de
la muestra.
El ensayo de escurrimiento se realiza en mezclas propensas al escurrimiento como las mezclas SMA,
debido al alto porcentaje de filler en su distribución granulométrica. Con este método es posible medir
la cantidad de material escurrido de una muestra de mezcla asfáltica no compactada a elevadas
temperaturas, comparables a aquellas usadas durante la producción, almacenamiento, transporte y

262


Anexo D

colocación. Según la norma AASHTO T 305 el escurrimiento de la mezcla es aquella porción del
material que se separa de la muestra y se deposita fuera de la cesta durante el ensayo. El ensayo
consiste en colocar cierta cantidad de mezcla asfáltica suelta (1200 200 gr) en una cesta puesta sobre
una bandeja. El conjunto se lleva al horno por una hora a diferentes temperaturas. Se realizaron
ensayos en mezclas asfálticas sin fibra y con 0.4% de fibra suelta. El asfalto usado fue PEN 60-70, el
filler utilizado es cemento portland. El contenido de ligante para todos los ensayos fue 7%.
5. COMPORTAMIENTO VISCO-ELASTICO DE MEZCLAS ASFÁLTICAS
El ensayo para determinar el módulo complejo consiste en aplicar una carga del tipo sinusoidal de
manera continua, sin período de descanso. El módulo complejo es uno de los muchos métodos para
describir la relación esfuerzo-deformación de materiales visco-elástico. El valor numérico del módulo
es un número complejo, la parte real representa la rigidez elástica y la parte imaginaria caracteriza la
humedad interna de los materiales.
De acuerdo a Huang, (Ref.13), el valor absoluto del módulo complejo se denomina Módulo Dinámico.
El módulo dinámico varía con la frecuencia de carga. Se debe tener en cuenta que el ensayo se debe
realizar a la frecuencia que simule las cargas de tráfico para el diseño. La Teoría del Módulo Complejo
se aplica con modelos matemáticos. La siguiente figura muestra el modelo de Kelvin sometido a una
carga sinusoidal.
ei

Fig. 2: Modelo
Visco-elástico
de Kelvin

t

E1

La carga sinusoidal se puede representar por un número complejo.
o cos

t

i o sen

t

o e

i t

Donde:
o

amplitud de los esfuerzos
velocidad angular y se relaciona con la frecuencia f según:

2 f

la ecuación diferencial se puede escribir:
1

t

E1

o

ei t

La solución de ésta ecuación se expresa como:

263


Anexo D

o e

i

t

es el ángulo de desfase entre la deformación y el esfuerzo.

es la amplitud de la deformación y
Reemplazando se obtiene:

i 1 o

ei t

E1 o e i t

oe

i t

cuya solución es:
o

o

2
E1

2

1

1

tg

y

E1

El módulo complejo E se define como:

ei t

o

E
o

e

i

ó

t

o

E

i o sen

cos

o

o

el módulo dinámico es el valor absoluto del módulo complejo:
2

E

o
o

cos

2
o
o

sen

o
o

Como se observa el módulo dinámico relaciona el esfuerzo aplica sobre la máxima deformación
retardada alcanzada, durante el ciclo de carga. Durante el trabajo experimental se aplicaron cargas
lentas, por limitaciones del equipamiento, cargas similares a las aplicadas en estacionamientos, tramos
en pendientes, intersecciones viales, etc.
6. PROGRAMA EXPERIMENTAL
El programa experimental se inicia con ensayos no confinados, tipo Marshall, repitiendo el programa
realizados en otros países. Los resultados obtenidos verifican que las mezclas SMA tienen menor valor
de estabilidad que las mezclas densas convencionales y Superpave, cuando se utilizan ensayos de
compresión no confinada. Estos ensayos no son compatibles con los esfuerzos confinantes que se
producen en el campo, por lo tanto no son representativos, sobre en la familia de las mezclas asfálticas
que utilizan granulometría incompleta (ausencia de arenas) como el SMA, Gap Grade, Open Grade
Friction Course.
Los resultados obtenidos del ensayo de estabilidad Marshall en muestras densas convencionales,
Superpave y SMA realizados a 60ºC y temperatura ambiente indicaron que la estabilidad de mezclas
convencionales es aproximadamente 50% mas que las mezclas SMA. Los valores de estabilidad de las
mezclas Superpave son similares al de las mezclas convencionales, este resultado era de esperar
porque la estructura granular de las mezclas densas convencionales y Superpave son en general muy
similares.
El programa experimental propuso primero el ensayo de compresión confinada utilizando el
equipamiento CBR, aunque los resultados fueron alentadores, se cuestionó el patrón de esfuerzos

264


Anexo D

verticales transmitidos del tipo no uniforme, sobre todo en el contacto del pistón de carga-mezcla. Por
ello, se propuso realizar ensayos de compresión edométrica mediante la colocación de un disco
metálico del tamaño del diámetro de la muestra uniformizando los esfuerzos verticales transmitidos a
la muestra y los esfuerzos de confinamiento.
El ensayo de compresión edométrica, consiste en aplicar una carga sinusoidal sin periodo de descanso
a un especimen confinado lateralmente. La carga de velocidad aplicada transmite una presión
uniforme entre 5 y 10 kg/cm2. La carga de velocidad lenta, equivalente a un tiempo por ciclo de 5
segundos, dado que no se cuenta con prensa de carga cíclica, se aplica con el pistón de carga a un
disco metálico del diámetro del especimen. Los especimenes cilíndricos fueron de 2.5 pulgadas de
altura y 4 pulgadas de diámetro.
La siguiente figura muestra resultados de un ensayo típico realizado sobre una mezcla SMA a 60ºC.

COMPRESION EDOMETRICA
SMA TMN 3/4", 6.5% BETUFLEX 80/60, VIATOP
1000


Modulo Elastico vs Nº ciclos

900

8
E (kg/cm2)

Presion (kg/cm2)

12

4

800

700
Presion 10 kg/cm2

0
0.0

0.4

0.8
1.2
1.6
Asentamiento (mm)

2.0

2.4

Presion 5 kg/cm2

600
0

1

2 Nº ciclos 3

5

4

MUESTRA 1A, Tºensayo = 60ºC

Fig. 3Resultados de Ensayo de Compresión Edométrica Cíclico


265


Anexo D

7. RESULTADOS EXPERIMENTALES
Fueron calculados los parámetros volumétricos de cada espécimen utilizando las relaciones
volumétricas de las mezclas asfálticas, (Ref.14). Los resultados se presentan de manera resumida,
detalles del trabajo puede verse en la Ref. 4.
Modulo Elastico vs % Asfalto
1600

SMA PEN 60 70
SMA BETUFLEX 60 60
SMA BETUFLEX 80 60
SUPERPAVE 60 60
SUPERPAVE 80 60

1400
1200

E (kg/cm2)

1000
800
600
400
200
0
5

6

% Asfalto

7

8

Fig. 4: Mezclas SMA y Superpave, Tº ensayo = 0ºC
Las mezclas SMA presentan mayores módulos que las muestras Superpave. Las mezclas con Betuflex
presentan mayores módulos que las muestras preparadas con asfalto PEN 60/70.
Modulo Elastico vs % Asfalto

1400
1200

E (kg/cm2)

1000
800
600
400
SMA PEN 60 70
SMA BETUFLEX 60 60
SMA BETUFLEX 80 60
SUPERPAVE 60 60
SUPERPAVE 80 60

200
0
5

6

% Asfalto

7

8

Fig. 5: Mezclas SMA y Superpave, Tº ensayo = 60ºC
A 60ºC los resultados tienen la misma tendencia respecto a la superioridad del SMA sobre el
Superpave. El módulo elástico promedio de las mezclas SMA preparadas con asfalto PEN 60/70 y


266


Anexo D

Betuflex 60/60 tienen un valor de 1000 kg/cm2; y para SMA preparado con Betuflex 80/60 el módulo
es 1100 kg/cm2.

Compresion Edometrica
Mezclas SMA Tºensayo= 0ºC

Modulo elastico, E (kg/cm2)

1600

1400

1200

1000

800

pen 60/70
betuflex 60/60
betuflex 80/60

600
6

6.5

7

% de asfalto

7.5

8

Fig. 6: Mezcla SMA con diferentes tipos de asfalto, Tº ensayo de 0ºC
Las mezclas SMA con 7% de asfalto Betuflex presentan mayores módulo respecto al asfalto PEN
60/70.
Compresion Edometrica
Mezclas SMA Tºensayo=60ºC

Modulo elastico, E (kg/cm2)

1400

pen 60/70
betuflex 60/60
betuflex 80/60

1200

1000

800

600
6

6.5

7

% de asfalto

7.5

8

Fig. 7: Mezcla SMA con diferentes tipos de asfalto, Tº ensayo de 60ºC
Para mezclas SMA con 7% de asfalto el Betuflex 80/60 presenta mayor módulo que el Betuflex 60/60
y el PEN 60/70. Los resultados experimentales pueden ser explicados en la siguiente Tabla:
Tabla 3: Resultados Experimentales

267


Tipo de Mezclas

Tipo de asfalto

Anexo D

Tº ensayo

Tipo de
fibra
Viatop

% asfalto

E (kg/cm2)
Prom.
1000

Para las
mezclas
PEN 60-70
SMA
0ºC
Viatop
7
1100
ensayada
60ºC
Viatop
7
1000
s a 60ºC
SMA 19 mm
BETUFLEX 60/60
los
0ºC
Viatop
7
1200
resultado
60ºC
Viatop
7
1100
s tienen
BETUFLEX 80/60
la misma
0ºC
Viatop
7
1200
tendenci
a,
indican que el módulo elástico promedio de las mezclas SMA preparadas con asfalto PEN 60/70 y
Betuflex 60/60 tienen un módulo elástico de 1000 kg/cm2; y para SMA preparado con Betuflex 80/60
el módulo es 1100 kg/cm2. Del proyecto de investigación se puede concluir que el asfalto modificado
en la mezcla es más benéfico para temperaturas muy bajas, debido a que mantienen o incrementan el
módulo elástico de la mezcla.
60ºC

7

Las conclusiones y recomendaciones que se pueden aprovechar de los trabajos realizados fueron:
Los ensayos de compresión confinada, sea del tipo edométrico o triaxial representan de
manera mas realista el comportamiento mecánico de las mezclas asfálticas, comparados con
ensayos no confinados como el Marshall, además de arrojar un parámetro deformacional
como el módulo dinámico, E*, parámetro recomendado para ser utilizado en el método
AASHTO 2002, cuyo valor debe ser obtenido a partir de ensayos de laboratorio de acuerdo
al nivel 1 de jerarquización de la metodología.
Los ensayos del tipo confinado son los únicos que permiten evaluar correctamente el
comportamiento de mezclas de granulometrías abiertas, donde prevalece el contacto piedrapiedra, como el SMA, de mayor módulo elástico, respecto a las mezclas convencionales.
Las mezclas tipo (con granulometría) Superpave presentan un comportamiento mecánico
similar a las mezclas convencionales densas, esto indica que la fortaleza del Superpave
radica básicamente en las especificaciones para la gradación del ligante asfáltico.
Los ensayos de compresión edométrica, son más simples y rápidos de ser ejecutados, por lo
que será utilizado a nivel ingenieril, respecto a los ensayos triaxiales; arrojando un
parámetro de diseño compatible con el modelo elástico multicapa que propone la Guía de
Diseño AASHTO 2002 para el análisis de esfuerzos y deformaciones.
El uso de modificadores de asfalto será necesario en proyecto de pavimentación ubicados en
lugares con temperaturas de servicio extremas, esto es, para climas cálidos y fríos, debido a
que amplían el comportamiento elástico de la mezcla a un mayor rango de temperaturas.
Se ha demostrado la factibilidad de preparar en el laboratorio las mezclas asfálticas basados
en agregados básicamente gruesos, con poco contenido de arena, como es el caso del SMA,
con el uso en muy pequeños porcentajes de fibras celulosas para evitar el problema del

268


Anexo D

escurrimiento durante la preparación, lo que permitirá recomendar su uso en las carreteras
de climas fríos, como ya ocurre, en otros países como EE.UU., Canadá y Europa.
Referencias Bibliográficas

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2. Ordóñez, A. y Minaya, S. y “Superpave y SMA: Conceptos Mecanísticos en la Ingeniería de las
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Mezclas Asfálticas”, V Congreso Nacional de Asfalto, Lima, noviembre 2002.
Minaya, S. y Ordóñez, A “Diseño Moderno de Pavimentos”. 365 pags. Texto de Enseñanza
Universitaria. (a ser publicado). 2005.
Minaya, S. “Comportamiento Mecánico de Mezclas Asfálticas Tipo Superpave y SMA”. Tesis de
Maestría FIC-UNI.167 pags. 2005.
Department of Transportation. Federal Highway Administration, “Superpave Asphalt Mixture
Design”. Version 8. 2002.
Asphalt Institute, “Superpave Mix Design”, 2001.
National Cooperative Highway Research Program, “Guide for Mechanistic-Empirical Design of
New and Rehabilitated Pavement Structures 1-37A”, marzo 2004.
National Asphalt Pavement Association, “Designing and Constructing SMA Mixtures-State-of
the Practice”, enero 1999.
National Asphalt Pavement Association, “Designing and Constructing SMA Mixtures- State-ofthe-Practice”. U.S. Dep. of Transp. FHWA. 2002.
Brown, E., Manglorkar, H., “Evaluation of Laboratory Properties of SMA Mixtures”, National
Center for Asphalt Technology, Auburn University, Octubre 1993.
Lago Mourao, F. “Misturas Asfálticas de Alto Desempenho Tipo SMA”, Tesis para Optar el
Grado de Master en Ingeniería Civil, Universidad Federal de Río de Janeiro, octubre 2003.
Da Costa Amaral S., “Estudos de Misturas Asfálticas Densas com agregados do Estado do Pará,
Utilizando Asfalto Convencional (CAP-40) e Asfalto Modificado com Polímero SBS (Betuflex
B65/60)”, Tesis para Optar el Grado de Master en Ingeniería Civil, Universidad de Sao Paulo –
USP, Brasil, 2000.
Huang, Y., “Pavement Analysis and Design”, primera edición, Prentice Hall 1993.
Ordóñez, A. y Minaya, S., “Manual de Laboratorio. Ensayos para Pavimentos”. Volumen I.
Universidad Nacional de Ingeniería. 200 pags. 2001.


269


Anexo E

E1.1 INTRODUCCIÓN
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.
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.
E1.2 DEFINICIONES
La American Society for Testing and Materials (ASTM) define los diferentes tipos de suelos
como:
Bloques: Partículas de roca mayores que 12” (300 mm).
Boleos: partículas de roca menores que 12” (300 mm), pero mayores que 3” (75 mm)
Grava- suelo que pasa la malla de 3" (75 mm) y es retenida en la malla No.4 (4.75 mm); tiene
las siguientes subdivisiones:
grava gruesa: pasa la malla de 3" (75 mm) y es retenida en la malla de 3/4" (19 mm).
grava fina: pasa la malla de 3/4" y es retenida en la malla No.4 (4.75 mm).
Arena: partículas de roca que pasan la malla No.4 (4.75mm) y son retenidas en la malla
No.200 (75 m), tiene las siguientes subdivisiones:
arena gruesa: pasa la malla No.4 (4.75mm) pero se retiene en la malla No.10 (2mm).
arena media: pasa la malla No.10 (2mm) pero es retenida en la malla No.40 (425 m).
arena fina: pasa la malla No.40 (425 m) pero es retenida por la malla No.200 (75 m).

271


Anexo E

Arcilla: suelo que pasa la malla No. 200 (75 m) que presenta plasticidad dentro de un rango
de contenidos de humedad y que es resistente en estado seco.
Arcilla orgánica: es una arcilla con suficiente contenido orgánico como para influenciar en las
propiedades de suelo. Para su clasificación, una arcilla orgánica es un suelo que podría ser
clasificado como arcilla, excepto cuando el valor de su límite líquido después del secado sea
menor del 75% del valor de su límite líquido antes de su exposición al secado.
Limo: suelo que pasa la malla No.200 (75 m); no tiene propiedades plásticas o tiene muy
poca plasticidad, y que en estado seco no tiene resistencia.
Limo orgánico: es un limo con suficiente contenido orgánico como para influenciar en las
propiedades de suelo. Para su clasificación, un limo orgánico es un suelo que podría ser clasificado como un limo excepto cuando su valor de límite líquido después de su exposición al
secado sea menor del 75% de su valor de límite líquido antes de su exposición al secado.
Turba: es un suelo compuesto en primer lugar por un tejido vegetal en diferentes etapas de
descomposición, usualmente con un olor orgánico, de color marrón oscuro a negro, de
consistencia y textura que varía de fibrosa a amorfa.
El procedimiento visual-manual describe e identifica los suelos con los siguientes simbolos:
G
S
M
C
O
Pt
W
P

grava (gravel)
arena (sand)
limo (silt)
arcilla (clay)
material orgánico (organic)
turba (peat)
bien gradada (well graded)
pobremente gradada (poorly graded)

E1.3 DESCRIPCIÓN E INFORMACIÓN DE SUELOS
En comparación a los suelos finos, los suelos granulares son más fáciles de identificar. En
terreno se considera un tamaño de 5 mm. para separar las gravas de las arenas.
Angularidad
Describe la angularidad de la arena (solamente de la arena gruesa), grava, bolones y cantos.
Los describe como angular, subangular, subredondeado o redondeado, de acuerdo con los
criterios de la tabla E1.1 y la foto E1.1.


272


Anexo E

Tabla E1.1 Criterios de angularidad
Descripción
Angular

Criterio
Partículas que tienen bordes afilados y son relativamente planas
en los lados con superficies ásperas.
Subangular
Partículas que son similares a la descripción angular pero que
también tienen bordes redondeados.
Subredondeada Partículas que son ligeramente planas en los lados pero que
tienen esquinas y bordes bien redondeados.
Redondeada
Partículas que tienen los lados ligeramente curvados y no tienen
bordes.

Foto E1.1:
Angularidad de las
partículas.

Forma
Describe la forma de la grava, cantos rodados y boleos como chatas, alargadas, o chatas y
alargadas si reúnen los criterios de la Tabla E1.2 y la Figura E1.2.
Tabla E1.2. Criterios para definir la forma de las partículas
Descripción
Chata
Alargada
Chata y alargada

Criterio
Partículas con relación ancho/espesor > 3
Partículas con relación largo/ancho > 3
Partículas que cumplen con ambos criterios
ancho

espesor

Figura E1.2: Criterio
para la forma de la
partícula

largo

273


Anexo E

Color
Describe el color. El color es una propiedad importante para la identificación de suelos
orgánicos, y dentro de determinada localidad, puede ser útil para la identificación de materiales
de origen geológico similar. Si la muestra contiene estratos o fragmentos de colores variados,
esto debe anotarse y se deben describir todos los colores representativos. El color debe
describirse para muestras húmedas. Si el color representa una condición seca, este hecho se
debe establecer en el reporte.
Olor
Describe si el olor es orgánico o inusual. Los suelos que contienen una cantidad considerable
de material orgánico, usualmente tienen un olor característico de vegetación descompuesta.
Esto aparece principalmente en muestras frescas, pero si las muestras están secas, el olor casi
siempre podría revivirse exponiendo a temperatura alta la muestra humedecida. Se debe
describir si el olor es inusual (producto derivado del petróleo, químicos y similares).
Condición de Humedad
Describe la condición de humedad como seca, húmeda o muy húmeda de acuerdo a los
criterios de la tabla E1.3.
Tabla E1.3. Criterios para describir la condición de humedad
Descripción
Seco
Húmedo
Muy húmedo

Criterio
Ausencia de humedad, polvorienta y seca al tacto.
Húmeda sin presencia visible de agua.
Visibilidad de agua, usualmente el suelo está
cubierto de una capa de agua.

Consistencia
Para un suelo intacto de grano fino, se describe la consistencia como muy suave, suave, firme,
dura y muy dura, de acuerdo a los criterios de la tabla E1.4. Esta observación es inapropiada
para suelos con cantidad considerable de grava.
Tabla E1.4. Criterios para describir la consistencia
Descripción
Muy suave
Suave
Firme
Duro
Muy duro

Criterio
El pulgar penetrará en el suelo más de 1” (25 mm).
El pulgar penetrará en el suelo alrededor de 1”(25 mm).
El pulgar se hundirá en el suelo alrededor de 1/4” (6 mm).
El pulgar no se hundirá en el suelo pero la uña del pulgar
se hundirá levemente.
La uña del pulgar no se hundirá en el suelo.


274


Anexo E

Cementación
Describe la cementación de suelos intactos de grano grueso como débil, moderada o fuerte, de
acuerdo a los criterios de la tabla E1.5.
Tabla E1.5. Criterios para describir la cementación
Descripción
Débil
Moderada
Fuerte

Criterio
Se desmorona o se rompe al manipularse o con una ligera
presión del dedo.
Se desmorona o se rompe con una presión fuerte del
dedo.
No se desmorona o se rompe a la presión con el dedo.

Estructura
Describe la estructura de suelos naturales de acuerdo a los criterios de la tabla E1.6.
Rango de las partículas
Para componentes de grava y arena, describe la escala del tamaño de las partículas dentro de
cada componente. Por ejemplo, alrededor del 20% de grava fina a gruesa, alrededor de 40%
de arena fina a gruesa.
Tabla E1.6. Criterios para describir la estructura
Descripción
Estratificada
Laminada
Fisurada
De superficie
fisurada
Macizo
Cristalizados

Homogénea

Criterio
Alterna estratos de materiales o colores variados con
estratos de al menos 6 mm de espesor.
Alterna estratos de material o color variados con las capas
menores de 6 mm de grosor.
Fisuras a lo largo de los planos de fractura definidos con una
pequeña resistencia a fracturarse.
Planos fisurados que aparecen pulidos o lisos, algunas
veces estratificados.
Suelo cohesivo que puede romperse en pequeños terrones
angulares y que resisten una desintegración adicional.
Inclusión de pequeñas bolsas de diferentes clases de suelo,
como por ejemplo, pequeños lentes de arena esparcidos por
una masa de arcilla; anote el grosor.
El mismo color y apariencia en toda la muestra.


275


Anexo E

Tamaño máximo de partícula
Describe el tamaño máximo de la partícula encontrada en la muestra, de acuerdo a la siguiente
información:
Tamaño de arena
Si el tamaño máximo de la partícula es arena se debe describir como fina, media o gruesa.
Por ejemplo, tamaño máximo de la partícula: arena media.

Arena gruesa

Arena media

Arena fina


276


Anexo E

Tamaño de grava
Si el tamaño máximo de la partícula es grava, se debe describir el tamaño máximo de
partícula, como la partícula que pasa la malla de abertura menor, Por ejemplo, tamaño
máximo de partícula de 1½”, significa que pasa el tamiz de 1½”pero no la de ¾”. Un
ejemplo de gravas se muestra en la siguiente foto.

Tamaño de canto rodado o boleo
Si el tamaño máximo de la partícula es del tamaño de un canto rodado o un boleo; describe
la dimensión máxima de la partícula más larga. Por ejemplo: dimensión máxima, 18' (450
mm).
Tamaño de bloques o boleo
Si el tamaño máximo de la partícula es un canto rodado o un boleo; se mide la dimensión
máxima de la partícula mayor. Por ejemplo: dimensión máxima, 18” (450 mm).
Dureza
Describe la dureza de la arena gruesa y partículas mayores, se les denomina dura. Duro
significa partículas que no se rajan, fracturan o desintegran bajo el golpe de un martillo.
Reacción con el HCl
Describe la reacción con el HCl como nula, débil y fuerte, de acuerdo a los criterios de la tabla
E1.7. Debido a que el carbonado de calcio es un agente cementante común, es importante un
reporte de su presencia sobre la base de la reacción con el ácido clorhídrico diluido.


277


Anexo E

Tabla E1.7. Criterios para describir la reacción con HCl
Descripción
Nula
Débil
Fuerte

Criterio
Sin reacción visible.
Alguna reacción, con burbujas que se forman lentamente.
Reacción violenta, con burbujas que se forman
inmediatamente.

Nota
Se puede anotar comentarios adicionales como la presencia de raíces o huecos de raíces,
dificultades al taladrar o al hacer perforaciones, al cavar una zanja o al hacer una perforación, o
la presencia de mica.
E1.4 PROCEDIMIENTO E IDENTIFICACIÓN DE SUELOS DE GRANO FINO
Para realizar este ensayo se debe eliminar el suelo retenido en la malla Nº40 (eliminar arenas
medias y gruesas). Para identificar la presencia de limos o arcillas, se recurre a los siguientes
ensayos:
Reacción a la Agitación o Dilatancia
Se selecciona una cierta cantidad de suelo, aproximadamente 5 cc., si es necesario debe
añadirse agua. Con ayuda de una espátula se amasa y forma una bolita de suelo, 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 E1.2: Prueba
de dilatancia

Se debe observar la velocidad con que el agua aparece en la superficie del suelo. Los criterios
de clasificación son ninguna, lenta y rápida, de acuerdo con la siguiente tabla:


278


Anexo E

Tabla E1.8: Criterios para describir la Dilatancia
Descripción
Criterio
Ninguna
No hay cambios visibles en la superficie de la muestra
Lenta
El agua aparece lentamente en la superficie de la muestra
durante la sacudida y no desaparece lentamente bajo
presión.
Rápida
El agua aparece rápidamente en la superficie de la
muestra durante la sacudida y desaparece rápidamente
bajo presión.

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, es
decir, no hay cambio de forma en la pasta de suelo y el tiempo necesario para que el agua
brille en la superficie del suelo es mucho mayor, se puede concluir que se trata de una arcilla.
Reacciones intermedias no permiten identificar inmediatamente 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.
Nota:- Para el caso de arenas limpias muy finas la reacción es muy rápida.
Ensayo de amasado o de tenacidad
El ensayo de amasado permite complementar el ensayo de dilatancia. Se toma la pasta y se
amasa hasta alcanzar la consistencia de la masilla. Se forma un bastón hasta aprox. 3 mm. Se
amasa nuevamente y se forma un bastón con las características dadas anteriormente. Con
estas operaciones el contenido de humedad se reduce y la muestra adquiere una consistencia
dura. Se repite hasta que el bastón se rompa en varias partes al ser amasado (foto E1.3).

Foto E1.3:
Prueba de
tenacidad

La tenacidad se describe como baja, media o alta, según el siguiente cuadro:

279


Anexo E

Tabla E1.9: Criterios para describir la tenacidad
Descripción
Criterio
Baja
Sólo se requiere una ligera presión para enrollar el bastón de tal manera
que llegue a su límite plástico. El bastón y el grumo son frágiles y suaves.
Media
Se requiere una presión media para enrollar el bastón de tal manera que
llegue a su límite plástico. El bastón y el grumo tienen una rigidez media.
Alta
Se requiere una considerable presión para enrollar el bastón de tal manera
que llegue a su límite plástico. El bastón y el grumo tienen una rigidez
bastante alta.
Cuanto mas 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 las características del suelo analizado.
1. Resistencia que opone el suelo al amasado cuando está cerca de las condiciones de
ruptura descritas: una arcilla opone mucha resistencia al amasado, en cambio un limo
opone una baja resistencia.
2. Plasticidad: durante el amasado el suelo está constantemente perdiendo humedad y
durante todo el proceso de amasado, el suelo se comporta plásticamente, 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 pueden unir sus partes al
oprimirlas entre sí fuertemente con los dedos, se frota la superficie contra la uña y se
observa si 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).
Resistencia en Estado Seco (a la disgregación)
Se prepara una muestra de suelo, a la que se debe añadir agua si es necesario. Se deja secar
la pastilla expuesta al sol y aire, probando después su resistencia rompiéndola y
desmoronándola entre los dedos. La resistencia (en esta seco) aumenta con la plasticidad
(presencia de arcilla).

Foto E1.4:
Resistencia en
estado seco


280


Anexo E

La resistencia del suelo en estado seco, se puede describir según la siguiente tabla:
Tabla E1.10: Criterios para describir la resistencia en estado seco
Descripción
Criterio
Nula
La muestra seca se desmorona con sólo la presión o la manipulación.
Baja
La muestra seca se desmorona con poca presión.
Media
La muestra seca se rompe en pedazos o se desmorona con la presión
considerable con el dedo.
Alta
La muestra seca no puede romperse con la presión del dedo. Sólo se
romperá en pedazos entre el dedo pulgar y una superficie dura.
Muy alta
La muestra seca no puede romperse entre el pulgar y una superficie dura.
Resistencia en estado seco muy alta es característica de las arcillas. Un limo inorgánico posee
una resistencia en estado seco nula. Las arenas finas limosas y los limos tienen resistencia
baja.
Plasticidad
Basándose en las observaciones hechas durante el ensayo de tenacidad, describa la
plasticidad del material de acuerdo a los criterios dados en la siguiente tabla.
Tabla E1.11: Criterios para describir la plasticidad
Descripción
Criterio
No plástica Un bastón de 3 mm no puede enrollarse con algún contenido de agua.
Baja
Un bastón puede apenas enrollarse y el grumo no se puede formar cuando
está más seco de lo que su límite plástico puede permitir.
Media
Un bastón es fácil de enrollar y no se requiere mucho tiempo para alcanzar
el LP. Un bastón no puede enrollarse después de alcanzado el LP. El grumo
se desmorona cuando está más seco que su LP.
Alta
Tiempo considerable en enrollar y amasar hasta alcanzar el LP. Un bastón
puede reenrollarse varias veces después de alcanzar su LP. Se puede
formar un grumo sin que se desmorone, aún más seco que su LP.

Identificación de Suelos Finos con Pruebas Manuales
En la tabla E1.12 se compilan los tipos de suelos y su comportamiento ante las pruebas de
campo. En la tabla E1.13 se muestran las expresiones cualitativas y cuantitativas de la arcilla.


281


Anexo E

Tabla E1.12: Identificación de Suelos con Pruebas Manuales
Suelo Típico

Resistencia en
Estado Seco

Dilatancia

Limo arenoso

ninguna a muy baja

Rápida

Limo

muy baja a baja

Rápida

Limo arcilloso

baja a media

Arcilla arenosa

baja a alta

Arcilla limosa

Media a alta

Arcilla
Limo orgánico

alta a muy alta
baja a media

De rápida
lenta
De lenta
ninguna
De lenta
ninguna
Ninguna
Lenta

Arcilla orgánica

Media a muy alta

Ninguna

Tenacidad

Tiempo de
sedimentación en
prueba de dispersión
De débil a De 30 a 60 min
baja
De débil a De 15 a 60 min
baja
a Media
De 15 min. a varias
horas
a Media
De 30 seg. a varias
horas
a Media
De 15 min. a varias
horas
Alta
De débil a De 15 min. a varias
baja
horas
Alta

Tabla E1.13: Expresiones Cualitativas y Cuantitativas de
la Consistencia de las Arcillas
Consistencia Características NSPT

Muy blanda

Arcillas
de 0 - 2
formación
reciente, arcillas 3 - 5
Blanda
normalmente
consolidadas
Media
6-9
Arcillas
preconsolidadas resecadas
10 - 16
Firme o rígida o cementadas

Muy rígida
Dura

Arcillas
sobreconsolidadas

Resistencia a la
Compresión
Simple qu
(kg/cm2)
< 0.25
0.25 – 0.50

0.50 – 1.00

1.00 – 2.00

17 - 30

2.00 – 4.00

> 30

> 4.00

Identificación de campo

El puño puede penetrar en ella
fácilmente varios centímetros
El pulgar puede penetrar en ella
fácilmente varios centímetros
El pulgar con esfuerzo moderado
puede penetrar en ella varios
centímetros
El pulgar se encaja fácilmente
pero solo penetra con gran
esfuerzo
La uña del pulgar se encaja
fácilmente
La uña del pulgar se encaja con
dificultad


282


Anexo E

E1.5 REPORTE DE CAMPO
El reporte de campo debe incluir el origen y los puntos indicados en la tabla E.14.
TABLA E1.14: LISTA DE CHEQUEO PARA DESCRIPCIÓN DE SUELOS
1.
2.
3.
4.
5.

Nombre de grupo.
Símbolo de grupo.
Porcentaje de cantos rodados o boleos, o ambos (por volumen).
Porcentaje de grava, arena o finos, o los tres (por peso seco).
Rango del tamaño de la partícula:
Grava - fina, gruesa.
Arena - fina, media, gruesa.
6. Angularidad de la Partícula: angular, subangular, subredondeada, redondeada.
7. Forma de la partícula: (si fuera apropiado) chata, alargada, chata y alargada.
8. Tamaño o dimensión máxima de la partícula.
9. Dureza de la arena gruesa y de las partículas mayores.
10. Plasticidad de finos: no plástica, baja, media, alta.
11. Resistencia en estado seco: nula, baja, media, alta, muy alta.
12. Dilatancia: nula, lenta, rápida.
13. Tenacidad: baja, media, alta.
14. Color: (en condición húmeda).
15. Olor: (mencionar sólo si fuera orgánico o inusual).
16. Humedad: seca, humedad baja, humedad alta.
17. Reacción con HCl: nula, débil, fuerte.
Para muestras inalteradas:
18. Consistencia (sólo suelos de grano fino): muy suave, suave, firme, dura, muy dura.
19. Estructura: Estratificada, laminada, fisurada, de plano de resbalamiento, lenticulada,
homogénea.
20. Cementación: débil, moderada, fuerte.
21. Nombre local.
22. Interpretación geológica.
23. Comentarios adicionales: presencia de raíces o agujeros de raíces; presencia de mica,
yeso, etc.; superficie revestida de partículas de grano grueso, corrimientos o
desprendimientos de agujeros de las paredes de las perforaciones, dificultad en la
perforación o excavación, etc.
Nota
Si se desea, los porcentajes de grava, arena y finos pueden establecerse en términos que
indiquen un rango de porcentajes tal y como sigue:
Trazos - Si presentan partículas en un estimado menor al 5%.
Poco - 5 a 10%.
Pequeño - 15 a 25%.
Mucho - 30 a 45%.
Bastante - 50 a 100%.

283


Anexo E

E1.6 EJEMPLOS
Grava arcillosa con arena y cantos rodados, GC, alrededor del 50% de grava fina a gruesa,
subredondeada a subangular; 30% de arena fina a gruesa subredondeada; 20% de finos con
plasticidad media, resistencia en estado seco alto, dilatancia nula, resistencia media; la muestra
original de campo tiene aproximadamente 5% (por volumen) de cantos rodados
subredondeados y una dimensión máxima de 150 mm.
Condiciones del lugar - Firme, homogéneo, seco, marrón.
Interpretación geológica - Lodo aluvial.
Grava bien graduada con arena (GW) - Alrededor del 75% de grava fina a gruesa, dura y
subangular; 25% de arena fina a gruesa, dura y subangular; una pizca de finos; tamaño
máximo, 75mm, marrón, seca; reacción nula al HCl.
Arena limosa con grava (SM) - Alrededor del 60% es predominantemente arena fina; 25% son
finos limosos con baja plasticidad, resistencia en estado seco lenta, dilatancia rápida y baja
tenacidad. Con 15% de grava fina, dura y subredondeada, pocas partículas de grava
fracturadas con un martillazo; tamaño máximo, 25mm; no reacciona al HCl (Nota - El tamaño
de la muestra de campo es más pequeño que el recomendado).
Condiciones in-situ - Firme, estratificada, contiene lentes de limo de 1 a 2 pulgadas (25 a
50mm) de espesor, húmedo, marrón a gris; densidad natural 1.4 tn/m3, humedad natural 9%.
Suelo Orgánico (OL/OH) - Alrededor del 100% de finos con plasticidad baja, dilatancia lenta,
esfuerzo seco bajo y resistencia baja; húmedo, marrón oscuro, olor orgánico, reacción débil con
el HCl.
Arena limosa con finos orgánicos (SM) - Alrededor del 75% de arena fina a gruesa, dura,
subangular y rojiza; 25% de finos orgánicos y limosos marrón oscuro, no plásticos, con
resistencia en estado seco nula y dilatancia lenta; húmeda, tamaño máximo, arena gruesa,
reacción débil al HCl.
Grava pobremente gradada con limo, arena, boleos y cantos rodados (GP-GM) - Alrededor del
75% de grava fina a gruesa, dura, subredondeada a subangular; 15% de arena fina, dura,
subredondeada a subangular; 10% de finos limosos no plásticos, húmedo, marrón, reacción
nula al HCl; la muestra de campo original tiene un aproximado de 5% (por volumen) de boleos
subredondeados y duros y una pizca de cantos rodados duros y subredondeados, con una
dimensión máxima de 18 pulgadas (450mm).


284


Anexo E

E2.1 ENSAYO DE PENETRACIÓN LIGERA CON DPL
Los sondeos de campo permiten complementar la información recabada por otros medios de
exploración, como las calicatas. Los sondajes permiten identificar límites entre estratos,
presencia de gravillas o cavidades. Los ensayos de penetración permiten correlacionar la
resistencia del suelo a la penetración con su densidad relativa.
Se utiliza el Cono Ligero Alemán de acuerdo a la norma DIN 4094 incorporado en la Norma
Técnica E0.50 de Suelos y Cimentaciones por el Ministerio de Transportes, Comunicaciones,
Vivienda y Construcción. Dado que el cono alemán transmite la misma energía específica que
el Ensayo de Penetración Estándar S.P.T. Norma ASTM D 1586; según la norma DIN, no es
necesario utilizar otras correlaciones para la interpretación de los resultados.
El equipo de cono ligero (foto E2.1) consiste de un cono de punta cónica de 90º 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. Por la cantidad de datos de la resistencia a la penetración
este ensayo es muy recomendado en cimentaciones. La foto E2.2 muestra la realización del
ensayo.
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. En la tabla E2.1 se muestra las
relaciones entre la densidad relativa del suelo y su número de golpes del SPT, estas
correlaciones también pueden ser usadas cuando el equipo de penetración es DPL.
E2.2 POSTEADORA MANUAL
El barrenador manual (posteadora o 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).


285


Anexo E

Foto E2.1.- Equipo de Penetración Ligera, DPL,
compuesto por cabezal, martillo y guía

Foto E2.2: Ensayos de penetración ligera con cono.

286


Anexo E

Tabla E2.1: Relaciones empíricas de , Dr, y peso unitario de
suelos granulares normalmente consolidados basados
en ensayos SPT para profundidades menores de 6 m
Descripción
Muy Suelto
Densidad Relativa, Dr
0
0.15
SPT N70
Fino, 0.075-0.425 mm
1-2
Medio, 0.425-2 mm
2-3
Grueso, 2-4.750 mm
3-6
:
Fino
26-28
Medio
27-28
Grueso
28-30
3
1.2-1.4
d (gr/cm )

Suelto

Medio
0.35

Denso
Muy Denso
0.65
0.85

3-6
4-7
5-9

7-15
8-20
10-25

16-30
21-40
26-45

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

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

33-38
36-42
40-50
1.8-2.0

?
> 40
> 45

< 50

Foto E2.2.- Posteadora
manual Iwan Auger,
compuesto por manivela,
varillas y cuchara


287


Anexo E

DESCRIPCION DEL MATERIAL

Arena limosa, humeda, con raicez, en estado suelto a semicompacto, cementado. Presencia de gravillas aisladas.
NDPL entre 4 a 12.

0.10

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

CALICATA A CIELO ABIERTO+PENETRACIÒN LIGERA

1.00

0.10

7

12

13

8

0.90

12

1.00

10

1.10

13

1.20

29

1.30

32

1.40

50

4

0.80

30

9

0.70

20

5

0.60

GRAFICA DE N
10

4

0.50

0.50

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

PROFUNDIDAD
(METROS)

Clasificación SUCS

Tipo de Sondeo

PROFUND.
(METROS)

MODELO DE REGISTRO DE EXPLORACIONES

30

SM

Gravas y pequeños cantos rodados en matriz limo arcillosa,
semi compacto, pobremente graduado, cementada, color
blnaco amarillento, con presencia de bolones
subredondeados de TM=8". Porcentaje de bolones de
10%. NDPL mayor de 50. Sin presencia significativa de sales
agresivas al concreto.
Cloruros

: 102.56 ppm

1.50

>

50

1.60

>

50

1.70

>

50

1.80

>

50

1.90

>

50

2.00

>

50

2.10

>

50

2.20

>

50

GM


288


Anexo E

E3.1 INTRODUCCIÓN
El ensayo mide la densidad del suelo in situ. Las normas de la referencia recomiendan la
utilización de este método en suelos con partículas no mayores de 2” de diámetro. La densidad
natural del terreno es de suma importancia para evaluar los resultados de capacidad de soporte
(C.B.R.) sobre todo en subrasantes arcillosas o limosas.
Otra aplicación de este ensayo es en los controles de compactación de campo (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.
El ensayo permite medir la densidad del suelo. Se excava un hoyo en la zona de estudio, cuyo
material retirado es pesado. El volumen del hoyo se obtiene de manera indirecta, con la densidad
de la arena calibrada y el peso de arena que entra en el hoyo.
E3.2 EQUIPO DE COMPACTACIÓN
Cono de Arena
Recipiente que tenga un volumen aproximadamente igual o mayor a 3785 lt (1 gal).
Un utensilio desarmable que consiste en una válvula cilíndrica con un orificio de 12.7 mm de
diámetro, que tiene un pequeño embudo de metal conectado a un recipiente de un galón en un
extremo y a un embudo de metal (cono) en el otro extremo. La válvula deberá tener tapones para
prevenir que rote de una posición completamente abierta a otra completamente cerrada. Ver
figura E3.1.
Una placa cuadrado o rectangular metálico con hueco en el centro para recibir el cono, deberá ser
plana en la base y deberá tener espesor, rigidez suficiente y orillas de aproximadamente 10 a 13
mm (3/8 a 1/2 pulg) de altura.
Arena
La arena deberá ser limpia, seca, uniforme, no cementada, durable y que discurra libremente.
Cualquier graduación puede ser usada, siempre que tenga un coeficiente de uniformidad
(Cu=D60/D10) menor que 2, tamaño máximo de partículas de 2.00 mm (malla N 10) y menos del
3% en peso que pase el tamiz 250 m (malla N 60).

289


Anexo E

Se recomienda el uso de arena consistente, de partículas naturales redondeadas o
subredondeadas. La arena triturada o que tenga partículas angulares pueden no tener un libre
escurrimiento, por lo que esta condición puede causar una acción puente y por lo tanto imprecisión
en la determinación de la densidad.

3785 cm3
(1 gal.)

Peso de arena para llenar el
cono y el surco de la placa
Placa base

Figura E3.1: Equipo para el ensayo de cono de arena
Las normas recomiendan verificar la densidad de la arena cada 14 días como máximo, la razón es
porque la mayoría de las arenas tienen la tendencia de absorber humedad de la atmósfera. Una
muy pequeña cantidad de humedad absorbida puede ocasionar una variación sustancial en la
densidad de la arena. En zonas de alta humedad o donde la humedad cambia continuamente, la
densidad de la arena debe ser determinada más frecuentemente que el máximo intervalo de 14
días indicado.
Balanzas
Una balanza de capacidad de 10 kg y sensibilidad de 2 gr y otra de capacidad de 200 gr y
sensibilidad de 0.1 gr.
Equipo de Secado
Horno para determinar el contenido de humedad.

290


Anexo E

Equipo Misceláneo
Cuchillo, pico pequeño, cinceles, espátula pequeña, cucharas para retirar el suelo del hoyo.
Recipientes con tapas o bolsas de plástico que retengan la humedad del material. Recipientes
para pesar el suelo extraído del hoyo.
E3.3 CALIBRACIÓN
Antes de realizar el ensayo se deberá conocer el peso de la arena en el recipiente contenedor,
así como la densidad de la arena, arena, que será empleada en el ensayo.
Con anticipación se deberá calcular el peso de arena que entra en el cono y el surco de la
placa base.
Determinar el peso de arena a ser utilizada
Pesar el recipiente contenedor vacío, luego llenarlo con arena, retirar el exceso. Determine el
peso del recipiente con arena. Por diferencia se conoce el peso de la arena que será empleada
durante el ensayo.
Determinar el peso de arena necesaria para llenar el cono
Llenar el contenedor con arena. Vierta el equipo sobre la placa base. Abrir la válvula y dejarla que
la arena fluya libremente. Tenga el cuidado de no golpear la mesa de ensayo, para no producir
vibraciones.
Cierre la válvula y retirar el equipo de densidad. Pese el equipo con la arena remanente y calcular
la arena perdida. Esta pérdida representa la masa de arena requerida para llenar el cono y el
surco de la placa base, W3.
Repita el ensayo por lo menos tres veces. El peso de arena usada es el promedio de las tres
mediciones.
E3.4 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO
-

Nivele la superficie de estudio con ayuda de la placa base.
Asiente la placa base sobre la superficie nivelada; estando seguro que existe un buen
contacto entre la superficie del terreno y el borde del hueco central. Marcar la placa base y
controlar que no haya movimiento durante el ensayo.
Hacer un hoyo dentro del hueco de la placa base, cuidar no alterar el suelo que rodea el
hueco. El volumen del hoyo será lo suficientemente grande como para minimizar errores.
Los lados del hoyo tratarán de ser perpendiculares. El hoyo deberá ser cuidado en lo
posible de cavidades, salientes y obstrucciones filudas ya que pueden afectar la precisión

291


-

-

Anexo E

del ensayo. Los suelos que son esencialmente granulares requieren un cuidado extremo y
pueden requerir excavaciones de forma cónica.
Pesar el suelo retirado del hoyo inmediatamente o protegerlo contra pérdida de humedad
hasta que se pese, Wsw. Tomar una muestra para determinar el contenido de humedad
natural.
Limpiar el borde del hueco central de la placa base e invierta el contenedor de arena acoplado
al cono (no olvidar que de antemano se debe conocer el peso del equipo con la arena que
será utilizada en el ensayo, W1). Abrir la válvula y dejar que la arena llene el hoyo, el cono y el
surco de la placa base. Tener cuidado de no golpear o vibrar el equipo o el terreno durante
este paso. Cuando la arena deje de fluir, cierre la válvula.
Pese el equipo con la arena sobrante, W2.

E3.5 CÁLCULOS
Calcule el volumen del hoyo del ensayo como sigue:

V=

W1 W2 W3
arena

donde:
V
W1
W2
W3
arena

Volumen del hoyo del ensayo, cm3.
Peso de arena con equipo antes del ensayo , gr.
Peso de arena con equipo al final del ensayo, gr.
Peso de arena para llenar el cono y placa base, gr.
Densidad de arena, gr/cm3.

Calcular la densidad húmeda y seca del material ensayado como sigue:
sw =

d=

Wsw
V
sw

1

donde:
V
Wsw
sw
d

Volumen del hoyo de prueba, cm3.
Peso del suelo natural retirado del hoyo, gr.
Densidad natural del material ensayado gr/cm3.
Densidad seca del material ensayado.


292


Anexo E

E4.1 OBJETO
Medir la densidad y humedad natural del terreno a ser evaluado. La evaluación se puede
realizar sobre suelos, suelo-agregado, bases tratadas con cemento o asfalto y carpetas de
rodadura. El procedimiento detallado en esta guía es aplicado al Densímetro Nuclear Troxler
“RoadReadders” modelo 3440.
Se coloca una fuente emisora y un detector de rayos gamma, sobre o dentro del material a ser
evaluado, las emisiones recibidas por los detectores se cuantifican. Estos métodos son no
destructivos y de relativa facilidad para la realización del ensayo.
La intensidad de la radiación detectada, depende en parte, del peso unitario del material. La
lectura de la misma se transforma en peso unitario húmedo mediante una curva de calibración.
Los resultados pueden variar debido a la composición química, heterogeneidad de la muestra,
etc.
E4.2 GENERALIDADES
El equipo consta de una fuente nuclear emisora de rayos gamma; un detector sensible a estos
rayos, modificados al pasar a través del material evaluado; y un medidor para el cronometraje
automático, necesario para determinar la velocidad a la cual los rayos gamma modificados
llegan al detector.
E4.3 MÉTODOS DE ENSAYO
La medición de la densidad puede realizarse por medio de dos modos de operación,
Retrodispersión o el Modo de Transmisión Directa, dependiendo del tipo de material y del
espesor de la capa correspondiente.
E4.4 MEDIDAS DE SEGURIDAD
Procedimientos detallados de seguridad se hallan fuera del objetivo de esta guía, pero es
necesario que las personas que lo empleen se familiaricen con los riesgos de los mismos.
E4.5 OPERACIÓN DEL DENSÍMETRO NUCLEAR
Retrodispersión
La fuente de emisiones gamma y los detectores permanecen dentro del densímetro, colocado
sobre la superficie del material a analizar. Las emisiones gamma penetran el material evaluado

293


Anexo E

y son recibidas y cuantificadas por los detectores. La retrodispersión se usa principalmente en
capas delgadas.
Transmisión Directa
La fuente gamma se introduce en la capa a través de un orificio de acceso. Las emisiones
gamma se transmiten a través del material, hacia los detectores. Se determina la densidad
promedio entre la fuente y los detectores. Este modo minimiza la incertidumbre ocasionada por
superficies rugosas y composición química del material. Modo recomendado en capas de
espesor medio a grueso.
Humedad
La fuente de neutrones y el detector permanecen dentro del densímetro en la superficie del
material a analizar. Los neutrones a alta velocidad se introducen en la capa evaluada, y son
parcialmente detenidos por sus colisiones contra los átomos de hidrógeno dentro del material.
El detector de helio en el densímetro, cuenta los neutrones con velocidad disminuida; que
correlaciona directamente con la humedad en el material.

Retrodispersión

Transmisión directa

Humedad

E4.6 MEDIDOR Y ACCESORIOS
Los controles, componentes, operaciones principales, seguridades y protecciones del Troxler
3440 se detallan a continuación. Figura E4.1.
Medidor. Equipo que mide densidad y humedad, contiene fuentes radiactivas, electrónica y
baterías recargables.
Bloque de referencia estándar. Usado para el conteo estándar.
Placa/guia para varilla de perforación. Usada para preparar el agujero en la medición tipo
transmisión directa.
Varilla de perforación.
Herramienta para extracción de varilla de perforación

294


Anexo E

Caja de transporte.

Figura E4.1: Partes del Equipo
E4.7 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO
MÉTODO A - RETRODISPERSION
1. Prepare un área horizontal, con ayuda de la placa de alisado. Levante la plancha para
rellenar cualquier depresión o hueco que pudiera existir, coloque la placa de alisado sobre
la superficie nuevamente y presione ligeramente hacia abajo para nivelar la superficie, de
tal manera que se obtenga el contacto máximo entre el medidor y el terreno a evaluar. La
zona debe estar fuera del alcance de otra fuente radiactiva.
2. Asiente el medidor y enciéndalo.
3. Obtenga y registre una o más lecturas de un minuto.
4. Determínese el peso unitario húmedo en el sitio, mediante el empleo de la curva de
calibración establecida previamente.
MÉTODO B - TRANSMISIÓN DIRECTA
1. Prepárese el sitio de ensayo siguiendo el paso 1 del método A.

295


Anexo E

2. Usando los lentes de seguridad, pararse sobre la plancha para sostenerla firmemente y
martillar la varilla de perforación por lo menos 2” más abajo de la profundidad de ensayo. La
varilla de perforación marca los incrementos incluyendo las 2” adicionales. Antes de
remover la varilla de perforación de la placa de alisado, marque el área de prueba según la
figura E4.3.

Figura E4.2: Posición de la Varilla de Perforación y
Extracción con el plato Guía

Figura E4.3: Marcando el área de prueba
3. Remover la varilla de perforación tirando hacia arriba y girando la herramienta de
extracción. Retire cuidadosamente la placa de alisado y póngala del lado.
4. Coloque el medidor sobre la superficie alineada cuidadosamente con marcas y bajar la
varilla de la fuente dentro del agujero usando el manubrio y el mecanismo disparador.
Desprender el gatillo a la profundidad deseada y escuche un Click. Presione el tope del
manubrio (suavemente) para confirmar la posición de la varilla porta fuente.

296


Anexo E

5. Asiéntese firmemente el medidor, rotándolo alrededor de la sonda, con un movimiento
hacia atrás y hacia adelante.
6. Empújese suavemente el medidor en la dirección que colocaría el lado de la sonda, contra
el lado del orificio más próximo a la localización del detector o la fuente en la caja del
medidor.
7. Encienda el equipo.
8. Obténganse y regístrense una o más lecturas de un minuto.
9. Determínese el peso unitario húmedo en el sitio, mediante el uso de la curva de calibración
establecida previamente.
E4.8 EMPLEO DEL EQUIPO
ENCENDIDO DEL MEDIDOR
Presione la tecla ON. Luego de aproximadamente 400 segundos la pantalla cambiara a:

UNIDADES DE MEDIDA
Las unidades disponibles son kg/m3 y lb/pie3. Para ejecutar la función presione SHIFT y
SPECIAL para que aparezca:

<YES>
3 veces

Presione 9 para que aparezca:
ó

Seleccione la unidad requerida.
SELECCIÓN DEL TIEMPO DE CONTEO
El medidor tiene tres tiempos de conteos, 4 minutos (más largo) y los periodos más cortos.
Presione TIME para el despliegue:

297


Anexo E

La pantalla regresara a READY.

SELECCIÓN DEL MODO
Permite seleccionar la función SUELOS o ASFALTO.
Presione SHIFT y MODE para el despliegue:

Elija el modo que desee usar.
Si se elige SUELO, la pantalla mostrará Soil Mode, y después de un momento la pantalla
regresará a READY.
Si seleccionó ASFALTO la pantalla mostrará:

(%MA) : calcula el % de compactación respecto de un Marshall designado. El porcentaje
Marshall será:
%Marshall

Marshall dado
100
Marshall

La pantalla mostrará la siguiente etiqueta:

Si desea habilitar el porcentaje de vacíos, presione YES.
Para calcular el porcentaje de vacíos se debe ingresar la Gravedad específica Teórica Máxima
o RICE de la mezcla asfáltica. El porcentaje de vacíos se calculará con la siguiente ecuación:
%vacíos

100

1

Marshall dado
Marshall

La pantalla mostrará la siguiente etiqueta; luego de un corto período de tiempo regresará al
modo READY.

298


Anexo E

INGRESO DE UN NUEVO PROYECTO
Presione SHIFT y PROYECTO

Presione YES,

Presione NO/CE, para desplegar:

Ingrese el nombre del proyecto, para caracteres numéricos presione directamente el número,
para caracteres alfabéticos, presione SHIFT y luego la letra, presione YES para aceptar el
carácter, al finalizar, presione ENTER para activar el número de proyecto y salir.
TOMA DE UN CONTEO ESTANDAR
Todos los medidores nucleares Troxler, utilizan fuentes radiactivas de bajo nivel para tomar
medidas. A medida que se realicen mediciones, la cantidad de radiactividad de la fuente
decaerá. Como consecuencia de este decaimiento se debe realizar conteos estándar para
reajustar el medidor en compensación a esa caída de radiación.
Es importante tomar el Conteo Estándar cuando un medidor es inicialmente recibido de fábrica
y antes de tomar medidas en el lugar de trabajo.


299


Anexo E

Figura E4.4: Mostrando posición de la varilla
El medidor debe ser encendido antes de partir al lugar de trabajo. Se irá corriendo la rutina de
autotest. Durante el conteo estándar, el medidor compara automáticamente el nuevo conteo
estándar con el promedio de los últimos cuatro conteos estándar. El nuevo Conteo Estándar
será aceptado PASS, si está en el rango de 1% de la densidad promedio ó 2% de la humedad
promedio de los cuatro últimos conteos. Después de tomar el conteo, asegurarse de ingresarlo
en la memoria.
Para iniciar el conteo estándar coloque el bloque de Referencia en una superficie plana, a por
lo menos 2 m de una estructura vertical y 10 m de cualquier otra fuente radiactiva. La superficie
debe ser compacta y uniforme con densidad no menor a 1.6 gr/cm3. No colocar el bloque de
referencia en superficies inestables como camiones, etc. Coloque el medidor sobre el bloque
de referencia, asegurarse de que las superficies en contacto estén limpias.

Figura E4.5:
medidor sobre
bloque de
referencia


300


Anexo E

Para iniciar el Conteo Estándar, presione STANDARD para el despliegue:
YES

Coloque la varilla de la fuente en la posición Segura SAFE POS y presione YES para iniciar el
conteo estándar de cuatro minutos (240 Segundos).

Al final del conteo:

La P indica que los nuevos conteos están dentro de los rangos establecidos. Si en lugar de la P
aparece una F significa que los porcentajes están fuera de los límites. Verificar si:
Â La varilla porta fuente está en la posición indicada.
Â Hay medidores cerca?
Â El medidor está correctamente colocado sobre el bloque de referencia estándar
Â La superficie de contacto está limpia
Â El bloque de referencia esta sobre una superficie recomendada
Si todas las otras condiciones están normales, no acepte el conteo estándar recién tomado
presione <NO/CE> y tome otro conteo estándar.
Si el segundo conteo estándar falla, borrar los antiguos conteos estándar y tomar cuatro series
nuevas de conteos estándar. Presione YES para aceptar e ingresarlo en la memoria.
MEDICIONES DE HUMEDAD - DENSIDAD
NOTA IMPORTANTE
Si no está tomando ninguna lectura, guarde la varilla porta fuente en la posición segura
(SAFE). La varilla se retrae automáticamente cuando el medidor se toma del manubrio.
No guarde o transporte el medidor a menos que el bloque corredizo de tungsteno esté
completamente cerrado. Los niveles de radiación incrementados pueden violar las
regulaciones de transporte, y puede causar la exposición excesiva de radiación de
personal.
MODO SUELO
En modo SUELO, posesionar el medidor en la ubicación apropiada y desprender la varilla porta
fuente, presionándola a la profundidad apropiada.

301


Anexo E

Verificar que todos los parámetros han sido puestos con los valores correctos. Presionar
START/ENTER para iniciar la medición.

Después que el medidor complete su tiempo de conteo, el despliegue será:

La lectura puede ser almacenada para usarla luego.
MODO ASFALTO
Habilitado el modo asfalto y verificado todos los parámetros iniciar la medición presionando
START/ENTER, para el despliegue:

Después que el medidor haya completado el tiempo de conteo, el despliegue será:

El despliegue mostrado permanecerá hasta que: una tecla de función sea presionada, una
nueva medida sea tomada, la tecla NO/CE es presionada o el medidor se apague debido a su
inactividad. La lectura puede ser almacenada.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Manual de Densímetros Nucleares Troxler “RoadReaders”, traducción del Laboratorio de
Mecánica de Suelos de la Universidad Ricardo Palma.


302


Anexo F



Anexo F

F1.1 FUNDAMENTO
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, como la sub base, de la estructura del pavimento, la razón se debe 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 Desgaste de Los Ángeles, ASTM C-131 (para agregados
menores de 1 ½”) y ASTM C-535 (para agregados mayores a ¾”), mide básicamente la
resistencia de los puntos de contacto de un agregado al desgaste y/o a la abrasión.
F1.2 OBJETIVO
Este método describe el procedimiento para determinar el porcentaje de desgaste de los
agregados de tamaños menores a 37.5 mm (1 ½”) y agregados gruesos de tamaños mayores
de 19 mm(3/4”), por medio de la máquina de los Ángeles.
F1.3 EQUIPOS DE LABORATORIO
Máquina de desgaste de Los Ángeles
Tamices : 3”, 2 ½”, 2”, 1 ½”, 1”, ¾”, ½”, 3/8”, ¼”, Nº4, Nº8. Un tamiz Nº12 para el cálculo del
desgaste
Esferas de acero: de 46.38 a 47.63 mm de diámetro y entre 390 a 445 gr.
Horno: para mantener una temperatura de 110 5 ºC
Balanza: aproximación de 1 gr.


304


Anexo F

F1.4 MATERIAL Y CARGA ABRASIVA A UTILIZAR
La cantidad de material a ensayar y el número de esferas a incluir dependen de la
granulometría del agregado grueso. En las Tablas Nº1 y Nº2, se muestra el método a emplear;
así como la cantidad de material, número de esferas, número de revoluciones y tiempo de
rotación, para cada uno de ellos. La gradación que se use deberá ser representativa de la
gradación original del material suministrado para la obra.
Tabla F1.1: Peso de agregado y Nº de esferas para agregados gruesos hasta
de 1 ½”, ASTM C 131
MÉTODO
DIÁMETRO
Pasa
Retenido
1 ½”
1”
1”
¾”
¾”
½”
½”
3/8”
3/8”
¼”
¼”
Nº4
Nº4
Nº8
PESO TOTAL
Nº de esferas
Nº de revoluciones
Tiempo de rotación, min.

A
B
C
D
CANTIDAD DE MATERIAL A EMPLEAR (gr)
1 250
1 250
1 250
1 250

25
25
10
10

2 500 10
2 500 10
2 500 10
2 500 10

5 000 10
12
500
15

5 000 10
11
500
15

5 000 10
8
500
15

5 000 10
5 000 10
6
500
15

Tabla F1.2: Peso de agregado y Nº de esferas para agregados gruesos de
tamaños mayores a 3/4”, ASTM C-535
MÉTODO
DIÁMETRO
Pasa
Retenido
3”
2½”
2½”
2”
2”
1 ½”
1 ½”
1”
1”
¾”
PESO TOTAL
Nº de esferas
Nº de revoluciones
Tiempo de rotación, min.

1
2
3
CANTIDAD DE MATERIAL A USAR (gr)
2 500 50
2 500 50
5 000 50

10 000 100
12
1 000
30

5 000 50
5 000 25
10 000 75
12
1 000
30

5 000 25
5 000 25
10 000 50
12
1 000
30


305


Anexo F

F1.5 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO
1. La muestra llegada al laboratorio deberá ser identificada. Para muestras cuyo tamaño
máximo sea menor a 1 ½” ó mayor de ¾” el procedimiento es el mismo.
2. El material deberá ser lavado y secado en horno a temperatura constante de 105-110ºC, y
tamizado según las mallas que se indican. Mezclar las cantidades que el método indique,
según la Tabla No. F1.1 ó F1.2.
3. Pesar la muestra con precisión de 1 gr. y 5 gr., para tamaños máximos de 1 ½” y 3/4”,
respectivamente.
4. Introducir la muestra de ensayo junto con la carga abrasiva en la máquina de Los Ángeles,
cerrar la tapa del cilindro.
5. Activar la máquina, regulándose el número de revoluciones indicado por el método.
6. Finalizado el tiempo de rotación, se retiran las cargas y el material. Se tamiza por la malla
Nº12.
7. El material retenido en el tamiz Nº12 se lava y seca en horno, a una temperatura constante
entre 105º a 110ºC. Pesar la muestra seca.
F1.6 CÁLCULOS
El porcentaje de desgaste es la relación entre el material que pasa el tamiz No. 12 y el peso
inicial.
P
Pfinal
100
% desgaste inicial
Pinicial
F1.7 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. Resistencia al Desgaste de los Agregados de Tamaños menores de 37.5 mm (1 ½") ASTM
C-131
2. Resistencia al Desgaste de los Agregados Gruesos de Tamaños mayores de 19 mm ( 3 /4”)
por medio de la Máquina de Los Ángeles ASTM C-535
3. Abrasión Los Ángeles (L.A.) al Desgaste de los Agregados de Tamaños Menores de 37.5
mm (1½”). Norma MTC E207-1999
4. Diseño de Espesores Pavimentos Asfálticos para Calles y Carreteras. Ingº Germán Vivar R.
5. Estructuración de Vías Terrestres. M. en I., I.C. Fernando Olivera Bustamante.


306


Anexo F

Foto NºF1.1: Cilindro metálico para realizar la prueba de
desgaste de “Los Angeles”


307


Anexo F

Foto Nº F1.2: Tamizar el material según las mallas que se indican


308


Anexo F

Foto Nº F1.3: Pesar los materiales retenidos en las cantidades del método al que
corresponden

Foto Nº F1.4: Introducir la muestra en la máquina de “Los Angeles”

309


Anexo F

Foto Nº F1.5: Introducir las cargas abrasivas según el método de ensayo


310


Anexo F

Foto Nº F1.6: Finalizado el tiempo de rotación, sacar el agregado y
tamizarlo por la malla Nº12


311


Anexo F

F2.1 FUNDAMENTO
Las especificaciones técnicas consideran el 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.
F2.2 OBJETIVO
Este método permite determinar el porcentaje, en peso, de una muestra de agregado grueso
con una, dos o más caras fracturadas.
F2.3 DEFINICIONES
Cara Fracturada

una cara angular, lisa o superficie fracturada de una partícula de
agregado formada por trituración, otros medios artificiales o por la
naturaleza.
Discusión para esta norma una cara será considerada “cara fracturada” solamente si su área
mínima proyectada es tan grande como un cuarto de la máxima área
proyectada (máxima área de la sección transversal) de la partícula
y la cara tiene aristas bien definidas; esto excluye las pequeñas
irregularidades.
Partícula fracturada
una partícula de agregado es fracturada si tiene el número mínimo
de caras fracturadas especificadas (usualmente uno o dos).


312


Anexo F

Área Proyectada de la
cara fracturada
(Af)

Partícula fracturada

Partícula máxima
Área de la sección
transversal
(Xmáx)
Una cara será considerada como
una cara de fractura solamente
si tiene : Af 0.25 Xmax

Esquema de una partícula fracturada con una cara fracturada
1.
2.
3.
4.

Balanza de 5 Kg. y sensibilidad al gramo
Tamices.
Partidor de muestras
Espátula

F2.5 PREPARACIÓN DE LA MUESTRA
1. Secar la muestra y cuartearla para obtener una masa representativa.
2. Los pesos mínimos para el ensayo se muestran en la siguiente tabla:
Tamaño Máximo
Nominal
3/8”
½”
¾”
1”
1 ½”
2”
2 ½”
3”
3 ½”

Peso mínimo para el ensayo
(gr)
200
500
1 500
3 000
7 500
15 000
30 000
60 000
90 000


313


Anexo F

3. Tamizar la muestra por la malla Nº4
4. Muestras con tamaño máximo nominal mayor o igual a ¾”, pueden ser reducidas al ser
tamizadas por la malla 3/8”. Se ensaya el material retenido en la malla 3/8” y la fracción que
pase puede reducirse de acuerdo con la norma ASTM C-702 hasta 200 gr. En este caso,
sobre cada porción se determina el porcentaje de partículas fracturadas; y se calcula el
promedio ponderado en función de la masa original.
F2.6 PROCEDIMIENTO
1. Lavar la muestra sobre la malla designada y remover cualquier fino. Secar
2. Determinar la masa de la muestra con una aproximación de 0.1%.
3. Extender la muestra seca sobre una superficie plana, limpia y lo suficientemente grande
como para permitir una inspección visual. Para verificar si la partícula alcanza o cumple el
criterio de fractura, sostener el agregado de tal manera que la cara sea vista directamente.
Si la cara constituye al menos ¼ de la máxima sección transversal, considerarla como cara
fracturada.
4. Usando la espátula separar en tres categorías. 1.- Partículas fracturadas dependiendo si la
partícula tiene el número requerido de caras fracturadas; 2.- Partículas que no reúnen el
criterio especificado; y 3.- Partículas cuestionables. Si el número requerido de caras
fracturadas no se consigue en las especificaciones, la determinación será hecha sobre la
base de un mínimo de una cara fracturada. Determinar el porcentaje en peso de cada una
de las categorías. Si sobre cualquiera de los porcentajes más del 15% del total es
cuestionable, repita la evaluación hasta que no más del 15% se repita en esta categoría.
F2.7 INFORME
Reporte el porcentaje en peso del número de partículas con el número especificado de caras
fracturadas, aproximado al uno por ciento de acuerdo a la siguiente fórmula:

P

F Q/2
F Q N

100

Donde:
P
Porcentaje de partículas con el número especificado de caras fracturadas
F
Peso o cantidad de partículas fracturadas con al menos el número especificado de
caras fracturadas
Q
Peso o cantidad de partículas cuestionables
N
Peso o cantidad de partículas en la categoría de no fracturadas que no cumplen el
criterio de fractura
Determining the Percentage of Fractured Particles in Coarse Agregate. ASTM D-5821

314


Anexo F

Foto NºF2.1: Partículas con una, dos o más caras fracturadas


315


Anexo F

F3.1 FUNDAMENTO

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.
1. Tubo irrigador. De acero inoxidable, cobre o bronce, de 6.35 mm de diámetro exterior,
508 mm de longitud, cuyo extremo inferior está cerrado en forma de cuña. Tiene dos
agujeros laterales de 1 mm de diámetro en los dos planos de la cuña cerca de la punta.
2. Sistema de Sifón. Se compone de un botellón de 1 galón (3.8 lt) de capacidad con un
tapón. El tapón tiene dos orificios que lo atraviesan, uno para el tubo del sifón y el otro
para entrada de aire. El conjunto deberá ubicarse a 90 cm por encima de la mesa.
3. Probeta graduada. Con diámetro interior de 31.75 0.381 mm y 431.8 mm de altura
graduada hasta una altura de 381 mm, provista de un tapón de caucho o goma que
ajuste en la boca del cilindro.
4. Tubo flexible. De caucho o goma con 4.7 mm de diámetro, tiene una pinza que permite
cortar el paso del líquido a través del mismo. Este tubo conecta el tubo irrigador con el
sifón.
5. Pisón de metal. Consistente en una barra metálica de 457 mm de longitud que tiene
enroscado en su extremo inferior un disco metálico de cara inferior plana perpendicular
al eje de la barra y cara superior de forma cónica. El disco lleva tres tornillos pequeños
que sirven para centrarlo dentro del cilindro. Lleva una sobrecarga en forma cilíndrica,
de tal manera que el conjunto pese 1 kg. (barra metálica, disco y sobrecarga).
274


Anexo F

6. Recipiente metálico. De estaño aproximadamente de 57 mm de diámetro con capacidad
de 85 5 ml, borde superior uniforme de modo que la muestra que se coloca en ella se
pueda enrasar para conseguir el volumen requerido.
7. Cronómetro o reloj. Lecturas en minutos y segundos
8. Embudo. De boca ancha para incorporar la muestra de ensayo en la probeta graduada.
9. Tamiz Nº4.
10. Recipiente para mezcla
11. Horno. Capaz de mantener temperaturas de 110 5ºC.
12. Papel filtro. Watman Nº2V o equivalente

Los materiales que forman parte del equipo de ensayo de equivalente de arena son:
Lista de Materiales

Ensamblaje

A

B

C

Parte
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15

Descripción
Ensamblaje de sifón
Tubo de sifón
Manguera de sifón
Manguera de purga
Tubo de purga
Tapón con dos agujeros Nº6
Tubo irrigador
Abrazadera
Probeta graduada
Tubo
Base
Ensamblaje para lectura de
arena
Indicador para lectura de
arena
Barra
Pesa
Pasador
Pie
Tapón sólido

Material
Cobre, puede ser niquelado
Caucho, goma pura o
equivalente
Caucho, goma pura o
equivalente
Cobre, puede ser niquelado
Caucho
Acrílico transparente
Acrílico transparente
Nylon 101 tipo 66 templado
Bronce, puede ser niquelado
Acero, puede ser niquelado
Metal resistente a la corrosión
Bronce
Caucho, puede ser niquelado

Fuente: Sand Equivalent Value of Soils and Fine Aggregate. ASTM D 2419-91


1. Reactivos, materiales y preparación de la Solución Madre
Reactivos y materiales
Cloruro de calcio anhidro, 454 gr.
Glicerina USP, 2050 gr (1640 ml)
275


Anexo F

Formaldehído, (40% en volumen) 47 gr (45 ml)
Preparación
Disolver 454 gr. cloruro de calcio anhidro en 0.5 gal (1.9 lt) de agua destilada. Se deja
enfriar a temperatura ambiente y se pasa por papel de filtro. A la solución filtrada se le
incorpora los 2050 gr de glicerina y 47 gr. de formaldehído mezclar bien.
2. Reactivos, materiales y preparación de la Solución de Trabajo
Reactivos y materiales
Solución madre
Agua destilada
Preparación
Diluir 85 5 ml al ras de la solución madre en 1 gal (3.8 lt) de agua destilada.
3. Preparación de la muestra
a. Separar aproximadamente 1500 gr de material que pase el tamiz Nº 4 (4.75 mm)
Tener el cuidado de desmenuzar todos los terrones de material fino y limpiar cualquier
cubierta de fino que se adhiere al agregado grueso, estos finos pueden ser removidos
por secado superficial del agregado grueso y frotación entre las manos sobre un
recipiente plano. Añádase este material a la porción fina de la muestra.
b. Para determinar la cantidad del material para el cuarteo
Si fuera necesario humedecer el material, para evitar segregación o pérdida de finos
durante el cuarteo. Tener cuidado al adicionar agua a la muestra, para mantener una
condición de flujo libre de material.
Usando el recipiente metálico de 85 5 ml de capacidad, saque cuatro medidas de
muestra. Cada vez que se llene una medida golpear ligeramente, la parte inferior del
recipiente sobre una superficie dura por lo menos cuatro veces.
Registre la cantidad de material contenido en las cuatro medidas, ya sea por peso o
volumen, de la probeta de plástico.
Regrese el material a la muestra y proceda a separarla por cuarteo. Obtener la cantidad
suficiente de muestra para llenar la medida.
Secar el especímen de ensayo a peso constante de 105 5ºC y dejarlo enfriar a
temperatura ambiente antes del ensayo.
c. Manteniendo la condición de flujo libre, humedecer lo suficiente el material para evitar
segregación o pérdida de finos durante el cuarteo.
d. Separar por cuarteo entre 1000 y 1500 gr de material. Colóquelo en un recipiente y
mezcle en forma circular hacia el centro, por un minuto, hasta obtener una mezcla
uniforme.
e. Verificar las condiciones de humedad del material apretando con la mano una porción de
material, si se forma una masilla que permite abrir la mano sin romperse, la mezcla tiene
el rango correcto de humedad.
Si la muestra está muy seca se desmoronará, debiendo adicionar agua; volver a mezclar
y probar si se formó la masilla plástica.
276


6.

7.
8.
9.

Anexo F

Si la muestra está muy húmeda deberá secarse al aire, mezclándola frecuentemente
para asegurar uniformidad y ensayándola nuevamente.
Si la humedad inicial se encuentra dentro de los límites arriba descritos, la muestra se
puede ensayar inmediatamente. Si la humedad es diferente a los límites indicados, la
muestra deberá ponerse en una vasija, cubriéndola con una toalla húmeda que no toque
el material, por espacio de 15 min. como mínimo.
Después de transcurrido el tiempo mínimo, remezclar por 1 min. sin agua, formando un
cono con el material, utilizando una paleta.
Tome el recipiente metálico en una mano y presiónese contra la base del cono mientras
se sostiene a éste con la mano libre.
A medida que el recipiente atraviesa el cono manténgase suficiente presión en la mano
para que el material lo llene por completo. Presiónese firmemente con la palma de la
mano compactando el material hasta que éste se consolide, el exceso debe ser retirado
y desechado, enrasando con la paleta a nivel del borde del recipiente.

4. Preparación de Aparatos
1. Ajustar el sifón a un botellón de 1.0 gal (3.8 lt) conteniendo la solución de trabajo de
cloruro de calcio. Colocarlo en un anaquel ubicado a 91 3 cm sobre la mesa de trabajo.
2. Soplar el sifón dentro del botellón con solución, por el tubo de purga y con la abrazadera
abierta.
5. Procedimiento
1. Por el sifón verter 102 3 mm. de solución de trabajo de cloruro de calcio, en la probeta.
2. Con ayuda del embudo verter en la probeta, 85 5 cm3 del suelo preparado.
3. Golpear la parte baja del cilindro varias veces con la palma de la mano para desalojar
las posibles burbujas de aire y para humedecer completamente la muestra. Dejar
reposar durante 10 1 min.
4. Transcurridos los 10 min., tapar la probeta con un tapón; suelte el material del fondo
invirtiendo parcialmente el cilindro y agitándolo a la vez. El material puede ser agitado
con cualquiera de los siguientes métodos:
4.1 Método mecánico
Colóquese la probeta tapada en el agitador mecánico, y permitir que lo sacuda por
45 1 s.
4.2 Método del agitador manual
Ajustar la probeta tapada con las tres pinzas de resorte, sobre el soporte del
agitador manual y ponga el contador en tiempo cero.
Párese frente al agitador y fuerce el puntero sobre la marca límite pintada en el
tablero, aplicando la fuerza horizontal sobre la biela resortada del lado derecho.
Luego retirar la mano de la biela y deje que la acción del resorte mueva el
soporte y la probeta en la dirección opuesta sin ayuda e impedimento alguno.
Aplique suficiente fuerza a la biela resortada, con la mano derecha, durante el
recorrido con empuje para llevar el índice hasta la marca límite del émbolo,
277


Anexo F

empujando la biela con la punta de los dedos para mantener un movimiento
oscilatorio suave. El centro del límite de carrera está colocado para prever la
longitud adecuada del movimiento y su ancho se ajusta al máximo de variación
permitida. La cantidad correcta de agitación se logra solamente cuando el
extremo del índice invierte su dirección dentro de los límites marcados. Una
correcta agitación puede mantenerse usando solamente el antebrazo y la
muñeca para mantener el agitador.
Continúe la agitación por 100 ciclos.
4.3 Método manual
Sujetar la probeta en posición horizontal y sacudirla vigorosamente de izquierda
a derecha.
Agitar el cilindro 90 ciclos en 30 segundos, usando un recorrido de 23 3 cm. Un
ciclo se define como el movimiento completo a la derecha seguido por otro a la
izquierda. El operador deberá mover solamente los antebrazos manteniendo el
cuerpo y hombros relajados.
Concluida con la operación de agitación, colocar la probeta verticalmente sobre
la mesa de trabajo y quitar el tapón.
5. Proceso de irrigación.
El cilindro no deberá moverse de su posición vertical y con la base en contacto con la
superficie de trabajo.
Introduzca el tubo irrigador en la parte superior de la probeta, suelte la abrazadera de la
manguera y limpie el material de las paredes de la probeta mientras el irrigador baja.
El irrigador debe llegar hasta el fondo, aplicando suavemente una presión y giro mientras
que la solución de trabajo fluye por la boca del irrigador, esto impulsa el material fino desde
el fondo hacia arriba poniéndolo sobre las partículas gruesas de arena.
Cuando el nivel del líquido alcance la señal de los 38 cm, levante el tubo irrigador
despacio sin que deje de fluir la solución, de tal manera que el nivel se mantenga cerca
de 38 cm mientras se saca el tubo. Regule el flujo justo antes que el tubo esté
completamente fuera y ajuste el nivel final a los 38 cm.
6. Lectura de arcilla.
Dejar reposar durante 20 min. ± 15 s. Comience a medir el tiempo luego de retirar el
tubo irrigador.
Al término de los 20 min., leer el nivel superior de la suspensión de arcilla. Este valor se
denomina lectura de arcilla. Si la línea de marca no es clara transcurridos los 20 min. del
período de sedimentación, permita que la muestra repose sin ser perturbada hasta que
una lectura de arcilla pueda ser claramente obtenida; inmediatamente, lea y anote el
nivel máximo de la suspensión arcillosa y el tiempo total de sedimentación. Si el período
total de sedimentación excede los 30 min., efectúe nuevamente el ensayo, usando tres
especimenes individuales de la misma muestra. Registre la lectura de la columna de
arcilla para la muestra que requiere el menor tiempo de sedimentación como lectura de
arcilla.
7. Lectura de arena.

278


Anexo F

Después de la lectura de arcilla, introduzca en la probeta el ensamblaje del pie (conjunto
del disco, varilla y sobrepeso) y baje lentamente hasta que llegue sobre la arena. No
permitir que el indicador golpee la boca de la probeta mientras se baja el conjunto.
Cuando el conjunto toque la arena con uno de los tornillos de ensamblaje hacia la línea
de graduación de la probeta, lea y anote. Restar 25.4 cm. del nivel indicado en el borde
superior del indicador y registrar este valor como la lectura de arena.
8. Después de tomar la lectura de arena, tenga cuidado de no presionar con el pie porque
podría dar lecturas erróneas.
9. Si las lecturas de arcilla y arena están entre 2.5 mm de graduación (0.1”), registrar el
nivel de graduación inmediatamente superior como lectura.
F3.4 CÁLCULO E INFORME

1. Calcule el equivalente de arena con aproximación a 0.1% como sigue:
SE

Donde:
SE

Lectura arena
100
Lectura arcilla

Equivalente de arena expresado en porcentaje

2. Si el equivalente de arena calculado no es un número entero redondéelo al entero
inmediato superior. Por ejemplo, si el nivel de arcilla fue 8.0 y el nivel de arena fue 3.3, el
equivalente de arena calculado será:
3.3
100
8.0
SE 41.2
SE

El valor de equivalente de arena reportado será el número entero inmediato superior,
que para el ejemplo es 42.
3. Si se desea el promedio de una serie de valores de equivalente de arena, promediar los
valores redondeados. Si el promedio de estos valores no es un número entero,
redondear al número entero inmediatamente superior como se muestra en el siguiente
ejemplo:
Calcular el valor de equivalente de arena promedio de: 41.2; 43.8 y 40.9
Redondeando se tiene: 42; 44 y 41
42 44 41
El promedio de estos valores es: SE
42.3
3
El equivalente de arena redondeado es 43.

279


Anexo F

F3.5 OBSERVACIONES

La temperatura de la solución de trabajo se debe mantener a 22 3ºC durante el ensayo, si
las condiciones de campo impiden tener este rango, las muestras deben ser ensayadas en
el laboratorio donde el control de la temperatura es posible. También es posible elaborar
curvas de corrección por temperatura para cada material a ser ensayado.
1. Realizar el ensayo en un lugar libre de vibraciones. El exceso de estas puede causar
que la relación entre el material suspendido y el sedimentado sea mayor.
2. No exponer las probetas de plástico a la luz del sol a no ser que sea necesario.
3. Será necesario limpiar el crecimiento de hongos dentro del tubo de jebe y del tubo
irrigador, con un solvente limpio de hipocloruro de sodio (blanqueador doméstico de
cloro) y agua en la misma cantidad.
4. En ocasiones los agujeros de la punta del tubo irrigador se obstruyen con partículas de
arena, estas deben liberarse con ayuda de una aguja u otro objeto similar que sea
posible introducir sin incrementar el tamaño de la abertura.
5. El recipiente de mezcla y almacenamiento para soluciones deberá estar limpio. No debe
incorporarse una solución nueva a una solución antigua.
6. Si las lecturas de arcilla y arena se encuentran entre líneas de graduación, se anotará la
lectura correspondiente a la graduación inmediata superior.
7. Si el valor de equivalente de arena en una muestra está por debajo de las
especificaciones para dicho material, hacer dos ensayos adicionales en la misma
muestra y tomar el promedio de los tres como el equivalente de arena.
8. Para obtener el promedio de una serie de valores de equivalente de arena, promédiese
el número de valores enteros determinados.
1.- Sand Equivalent Value of Soils and Fine Aggregate ASTM D 2419-91
2.- Equivalente de Arena, Suelos y Agregados Finos. Norma MTC E114-1999

280


Anexo F

Foto NºF3.1: Equipo de Equivalente de Arena.

Foto Nº F3.2: Cuartear el material.

281


Anexo F

Foto Nº F3.3: Tamizar la muestra representativa por la malla Nº4 (4.75 mm).

282


Anexo F

Foto Nº F3.4: Por el sistema de sifón verter 102 3 mm de solución de
trabajo en la probeta

283


Anexo F

Foto Nº F3.5: Verter en la probeta, 85 5 cm3 del suelo
preparado en el recipiente.

284


Anexo F

Foto Nº F3.6: Luego que la muestra repose 10 1 min. tapar
la probeta y agitar

285


Anexo F

Foto Nº F3.7: Dejar reposar por 20 min 15 s y definir la lectura de arcilla.

286


Anexo F

Foto Nº F3.8: Introduzca en la probeta el ensamblaje del pie y baje lentamente hasta
que llegue sobre la arena.

287


Anexo F

Foto Nº F3.9: Cuando el conjunto toque la arena, lea y anote.

288


Anexo F

F4.1 FUNDAMENTO

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.
F4.2 OBJETIVO

El método describe el procedimiento que debe seguirse para determinar la resistencia a la
desintegración de los agregados por la acción de soluciones de sulfato de sodio o de
magnesio.
Tamices
Para ensayar agregado grueso
3 /8”, ½”, ¾”, 1”, 1 ½”, 2” y 2½”
Para ensayar agregado fino
Nº 50, Nº 30, Nº 16, Nº 8 y Nº 4
Recipientes. mallas metálicas que permiten sumergir las muestras en la solución utilizada,
facilitando el flujo de la solución e impidiendo la salida de las partículas del agregado. El
volumen de la solución en la cual se sumergen las muestras será, por lo menos, cinco
veces el volumen de la muestra sumergida.
Balanzas. Capacidad de 500 gr. y sensibilidad de 0.1 gr. para el agregado fino y de
capacidad no menor a 5000 gr. y sensibilidad de 1 gr. para el agregado grueso.
Horno. Capaz de mantener una temperatura de 110 5ºC


Anexo F

Preparación de las Soluciones
1. Solución de Sulfato de Sodio

Si se va emplear sulfato de sodio de forma anhidra Na2SO 4 , disolver 215 gr.; en caso de
utilizar sulfato de sodio hidratado Na 2SO 4 .10H2O , disolver 700 gr. en un litro de agua a la
temperatura de 25 a 30ºC. Dejar reposar la preparación por 48 horas a 21 1ºC, antes de
su empleo. Al concluir el período de reposo deberá tener un peso específico entre 1.151 y
1.174 gr/cm3. La solución que presente impurezas debe filtrarse y debe volverse a
comprobar su peso específico.
Nota 1.
Para conseguir la saturación a 22°C de 1 dm3 de agua, son suficientes 215 gr. de la sal
anhidra ó 700 gr. de la hidratada. No obstante, como estas sales no son completamente
estables y puesto que es preferible que haya un exceso de cristales en la solución, se
recomienda como mínimo, el empleo de 350 g de la sal anhidra y 750 g de la sal hidratada.
2. Solución de Sulfato de Magnesio

Si se va emplear sulfato de magnesio de forma anhidra MgSO 4 , disolver 350 gr.; en caso
de utilizar sulfato de magnesio hidratado MgSO 4 .7H2O , disolver 1230 gr. en un litro de
agua a la temperatura de 25 a 30ºC. Dejar reposar la preparación por 48 horas a 21 1ºC,
antes de su empleo. Al concluir el período de reposo deberá tener un peso específico entre
1.295 y 1.302 gr/cm3. La solución que presente impurezas debe filtrarse y debe volverse a
comprobar su peso específico.
Nota 2
Para conseguir la saturación a 22 °C de 1 dm3 de agua, son suficientes 350 gr. de la sal
anhidra ó 1230 gr. de la hidratada. No obstante, como estas sales no son completamente
estables y puesto que es preferible que haya un exceso de cristales en la solución, se
recomienda como mínimo, el empleo de 400 gr. de la sal anhidra y 1400 gr. de la sal
hidratada.
F4.4 PREPARACIÓN DE LAS MUESTRAS
Agregado fino

La muestra deberá pasar el tamiz 3/8” y ser retenido en la malla Nº50. Cada fracción de la
muestra comprendida entre los tamices que se indican a continuación debe ser por lo menos
de 100 gramos. Se consideran solamente las fracciones que están contenidas en 5% ó más
de los tamices indicados:

290


Anexo F

Tabla NºF4.1: Agregado fino

Malla que pasa

Malla que retiene

3/8"
Nº4
Nº8
Nº16
Nº30

Nº4
Nº8
Nº16
Nº30
Nº50

Lavar la muestra sobre la malla Nº50, secarlas en el horno a una temperatura de 110 5ºC,
separarlos en los diferentes tamices especificados anteriormente. Tomar 120 gr. de cada
una de las fracciones, para poder obtener 100 gr. después del tamizado, colocarlas por
separado en los recipientes para ensayo.
Agregado grueso

Se ensayará el material retenido en el tamiz Nº4, cada fracción de la muestra comprendida
entre los tamices debe tener el peso indicado en la Tabla NºF4.2; y cada fracción de la
muestra debe ser por lo menos 5% del peso total de la misma. En el caso que alguna de las
fracciones contenga menos del 5%, no se ensayará ésta fracción, pero para el cálculo de los
resultados del ensayo se considerará que tienen la misma pérdida a la acción de los
sulfatos, de sodio o magnesio, que la media de las fracciones, inferior y superior más
próximas, o bien si una de estas fracciones falta, se considerará que tiene la misma pérdida
que la fracción inferior o superior que esté presente.
Tabla NºF4.2: Agregado grueso

Nº

Tamaño

%

Peso retenido
(gr.)
1
2 1/2" a 1 1/2"
5000 300
2 1/2" a 2"
60
3000 300
2" a 1 1/2"
40
2000 200
2
1 1/2" a 3/4"
1500 50
1 1/2" a 1"
67
1000 50
1" a 3/4"
33
500 30
3
3/4" a 3/8"
1000 10
3/4" a 1/2"
67
670 10
1/2" a 3/8"
33
330 5
4
3/8" a Nº4
300 5
Tamices mayores obtenidos en incrementos de 1” 7000 1000
291


Anexo F

Lavar la muestra y secarla a una temperatura de 110º 5ºC. Tamizarlo usando una de las
gradaciones indicadas. Tomar los pesos indicados en la Tabla NºF4.2 y colocarlos en
recipientes separados. En el caso de las fracciones con tamaño superior a ¾” se cuenta
también el número de partículas. Cuando son rocas deberán ser rotas en fragmentos
uniformes, se pesaran 100 gr. de cada una. La muestra de ensayo pesará 5000 gr. ± 2%. La
muestra será bien lavada y secada antes del ensayo.

Sumergir las muestras preparadas en la solución de sulfato de sodio o magnesio por un
período de 16 a 18 horas, de manera que el nivel de la solución quede por lo menos 13 mm
por encima de la muestra. Tapar el recipiente para evitar la evaporación y contaminación
con sustancias extrañas. Mantener la temperatura en 21 1ºC durante el período de
inmersión.
Retirar la muestra de la solución dejándola escurrir durante 15 5 min., secar en el horno a
110º 5ºC hasta obtener peso constante a la temperatura indicada. Para verificar el peso se
sacará la muestra a intervalos no menores de 4 horas ni mayores de 18 horas. Se
considerará que se alcanzó un peso constante cuando dos pesadas sucesivas de una
muestra, no difieren más de 0.1 gr. en el caso del agregado fino, o no difieren más de 1.0 gr.
en el caso del agregado grueso.
Obtenido el peso constante dejar enfriar a temperatura ambiente y volver a sumergir en la
solución para continuar con los ciclos que se especifiquen.
F4.6 EVALUACIÓN
EVALUACIÓN CUANTITATIVA

Al final de los ciclos se lava la muestra hasta eliminar los sulfatos de sodio o de magnesio,
los últimos lavados deben efectuarse con agua destilada y mediante la reacción de cloruro
bárico BaCl 2 .
Secar a peso constante a una temperatura de 110 5ºC y se pesa.
Tamizar el agregado fino sobre los tamices en que fue retenido antes del ensayo, y el
agregado grueso sobre los tamices indicados a continuación, según el tamaño de las
partículas.

292


Anexo F

Tamaño del
agregado
2 1/2" a 1 1/2"
1 1/2" a 3/4"
¾" a 3/8"
3/8" a Nº4

Tamiz empleado para
determinar el desgaste
1 ¼”
5/8”
5/16”
Nº5

EVALUACIÓN CUALITATIVA

En las partículas de diámetro mayor a ¾” se efectúa un exámen cualitativo después de cada
inmersión y cuantitativa al término del ensayo.
La evaluación cualitativa consistirá en inspeccionar partícula por partícula con el fin de
eliminar las partículas afectadas (fracturadas, fisuradas, astilladas, formación de lajas, etc.).
F4.7 RESULTADOS

Para obtener los porcentajes de pérdida, se efectuarán las siguientes anotaciones:
Agregado Fino

Porcentaje retenido en cada una de las mallas indicadas en la Tabla NºF4.1.
Peso de cada fracción antes del ensayo
Porcentaje de pérdidas de cada tamaño después del ensayo
Porcentaje de pérdidas corregidas: (“1”X “3”) / 100
El total de pérdidas corresponde a la suma de las partículas parciales corregidas.
Agregado Grueso

Porcentaje retenido en cada una de las mallas indicadas en la Tabla NºF4.2.
Peso de cada fracción antes del ensayo
Porcentaje de pérdidas de cada tamaño después del ensayo
Porcentaje de pérdidas corregidas: (“1”X“3”) / 100
El total de pérdidas corresponde a la suma de los porcentajes de pérdidas de las dos
fracciones de cada tamaño.
F4.8 OBSERVACIONES

Los resultados obtenidos varían según la sal que se emplee; se sugiere tener cuidado al fijar
los limites en las especificaciones en que se incluya este ensayo. Dado que su precisión es
limitada.
293


Anexo F

Para rechazar un agregado que no cumpla con las especificaciones pertinentes, debe
confirmarse los resultados con otros ensayos más, ligados a las características del material.
F4.9 EJEMPLOS

En la hoja de cálculo se muestran algunos ejemplos del presente ensayo.
1.- Soundness of Aggregates by use of Sodium Sulfate or Magnesium Sulfate ASTM C88
2.- Durabilidad al Sulfato de Sodio y Sulfato de Magnesio. MTC E209-1999

294


Anexo F
ENSAYO DE DURABILIDAD CON SULFATO DE SODIO ASTM C-88

SOLICITADO
PROYECTO

:
:

POZO
MUESTRA

AGREGADO GRUESO
Nº
1

2

3

4

Tamaño
2 1/2" a 1 1/2"
2 1/2" a 2"
2" a 1 1/2"
1 1/2" a 3/4"
1 1/2" a 1"
1" a 3/4"
3/4" a 3/8"
3/4" a 1/2"
1/2" a 3/8"
3/8" a Nº4

%

Peso retenido
(gr)

TARA
Nº

5000+300
3000+300
2000+200
1500+50
1000+50
500+30
1000+10
670+10
330+5
300+5

TR-10
TR-12

Tamaño

Peso retenido
(gr)

TARA
Nº

3/8" a Nº4
Nº4 a Nº8
Nº8 a Nº16
Nº16 a Nº30
Nº30 a Nº50

100
100
100
100
100

N-21
N-25
N-148
N-4
N-5

60
40
67
33
67
33

TR-9

N-8
N-10
N-12

PESO
PESO INICIAL
EMPLEADO1
FINAL2
(gr)
(gr)
1184,0
960,0
1184,0
1530,0
1013,0
517,0
1000,0
668,0
332,0
301,0

PERDIDAS
PESO
(gr) 3
(%) 4
224,0 18,9

960,0
1462,0
971,0
491,0
957,0
632,0
325,0
297,0

224,0 18,9
68,0 4,4
42,0 4,1
26,0 5,0
43,0 4,3
36,0 5,4
7,0 2,1
4,0 1,3

PESO INICIAL
PESO
1
EMPLEADO
FINAL2
(gr)
(gr)
100,0
91,0
100,0
99,0
100,0
98,5
100,0
95,0
100,0
93,5

PERDIDAS
PESO
(gr) 3
(%) 4
9,0 9,0
1,0 1,0
1,5 1,5
5,0 5,0
6,5 6,5

ESCALONADO
ORIGINAL5
29,5
29,5
38,1
25,2
12,9
24,9
16,6
8,3
7,5
PERDIDAS TOTALES

PERDIDAS
CORREGIDAS6
(%)
5,58

1,69

1,07

0,10
8,44

AGREGADO FINO

3 =(1-2)
4 =(3/1)*100

ESCALONADO
ORIGINAL5
25
18
17
21
19
PERDIDAS TOTALES

PERDIDAS
CORREGIDAS6
(%)
2,25
0,18
0,26
1,05
1,24
4,97

5 =% retenido del análisis granulométrico inicial
6 =(4*5)/100


295


Anexo F

Foto NºF4.1: Saturar la muestra en la solución de sulfato de sodio o magnesio por 16 a 18
hr., de manera que el la solución quede por lo menos 13 mm por encima de la muestra.

Foto NºF4.2: Retirar la muestra de la solución, déjela escurrir, secar en el horno, dejar enfriar
a temperatura ambiente y volver a saturar en la solución para continuar con los ciclos que se
especifiquen. Al final de los ciclos lavar la muestra, secar, y tamizar.
296


Anexo F

F5.1 INTRODUCCIÓN

La guía AASHTO 2002, próxima a salir, considera en el diseño directamente los módulos
resilientes del material. Este módulo puede obtenerse de ensayos triaxiales; 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.
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 es de 2 a 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 procedimiento que se describirá en esta guía.
CBR en muestras remoldeadas, método recomendado para subrasantes granulares,
materiales de base, sub base y afirmado. Este método se describe en esta guía.
297


Anexo F

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

1,000 lb / pu lg2

100

En ocasiones, el CBR calculado para una penetración de 0.2” 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
F5.2 EQUIPOS Y ACCESORIOS
CBR:- molde de CBR (6 pulg de diámetro y 7 pulg de altura) con sus respectivos biseles,
base perforada: Sobrecargas, para cada molde se requieren, una anular y las restantes
ranuradas con peso de 5 lb (2.27 kg) cada una.
Prensa de carga de por lo menos 10,000 lb de capacidad de carga y velocidad de
penetración de 0.05 pulg/min (1.27 mm/min).
Equipo para medir la expansión del suelo:- una placa de metal perforada, por cada molde,
de 5 7/8 pulg de diámetro, cuyas perforaciones no excedan de 1/16 pulg de diámetro. Estará
provista de un vástago en el centro con un sistema de tornillo que permita regular su altura.
Un trípode de cuyas patas puedan apoyarse en el borde del molde, que lleve montado y
bien sujeto en el centro del dial (deformímetro), cuyo vástago coincida con el de la placa, de
forma que permita controlar la posición de éste y medir la expansión, con aproximación de
0.001 pulg (0.025 mm).
02 diales, aproximación a 0.001 pulg. uno de ellos provisto de una pieza que permita su
acoplamiento en la prensa para medir la penetración del pistón en la muestra.
Equipo misceláneo:- recipiente, tanque para saturación, estufa, etc.
F5.3 MUESTRA

Para determinar la capacidad de soporte del suelo se deben obtener por lo menos dos
muestras del material a ensayar, lo ideal es tres.
298


Anexo F

La muestra puede ser obtenida de tres maneras.
1º) El molde de CBR con el bisel se puede introducir a presión en el suelo, este método es
recomendado para suelos finos con presencia de arcilla.
2º) Tomar un bloque se suelo y trasladarlo al laboratorio, para que sea tallado.
3º) Medir la densidad natural del suelo, y remoldear en el laboratorio, especimenes de CBR
a la densidad de campo. Este método se recomienda en suelos finos limpios, como las
arenas limpias, que son suelos que no se dejan tallar en campo.
Las muestras no deben tener toda la altura del molde CBR, debe tenerse cuidado de dejar
por lo menos 2 pulgadas de espesor. En todos los casos las muestras deben ser protegidas
de pérdida de humedad. Se pueden recubrir con bolsas oscuras, parafinar, etc.
Se debe ensayar la muestra en la prensa de CBR en su condición natural. Una vez realizado
el ensayo sumerja el molde con las sobrecargas en un tanque de agua, permitiendo el libre
acceso de agua en la base y superficie del molde. Tome las lecturas iniciales del
deformímetro y deje saturar el molde por 96 horas. Mantenga el nivel del agua constante
durante el periodo de inmersión. Luego de las 96 horas, tome la lectura final del
deformímetro y calcule el hinchamiento como un porcentaje de la altura inicial del
especimen.
Retire el molde del tanque y permita que el agua escurra por aproximadamente 15 min, en
su posición normal. Tenga cuidado de no disturbar la muestra en este proceso. Traslade la
muestra saturada a la prensa para ensayarla nuevamente.
F5.4 ENSAYO EN LA PRENSA

El ensayo de CBR está ideado para simular las condiciones que existirían en la superficie de
la subrasante. Se coloca una sobrecarga en la superficie de la muestra para representar el
peso del pavimento sobre la subrasante. Se determina la fuerza requerida para penetrar un
pistón estándar, dentro del suelo, una profundidad especificada.
El procedimiento paso a paso es:
1.- Colocar la sobrecarga sobre la muestra, de tal manera que se produzca una presión igual
a la presión que ejercerá la estructura del pavimento sobre la subrasante. Si no se
conoce el peso del pavimento, usar 4.24 kg de sobrecarga. Si el especimen fue
previamente saturado, la sobrecarga debe ser igual a la usada durante la saturación.
Para evitar el levantamiento de la muestra dentro del orifico de las sobrecargas, coloque
la pesa anular de 2.27 kg sobre el suelo. Llevar el conjunto a la prensa, coloque en el
orificio central de la sobrecarga anular, el pistón de penetración y añada el resto de la
sobrecarga.

299


Anexo F

2.- El pistón de penetración debe ser colocado en la superficie con la menor carga posible,
en ningún caso excederá las 10 lb. Se ajusta en cero el dial de carga y el dial de
penetración.
3.- Aplicar la carga sobre el pistón de penetración de tal manera que la velocidad de
penetración sea de 0.05 pulg/min (1.27 mm/min). Las prensas manuales no preparadas
para trabajar a esta velocidad de forma automática se controlarán mediante el
deformímetro de penetración y un cronómetro. Registre las lecturas de carga para
penetraciones de 0.025 pulg (0.64 mm), 0.050 pulg (1.27 mm), 0.075 pulg (1.91 mm),
0.100 pulg (2.54 mm), 0.125 pulg (3.18 mm), 0.150 pulg (3.81 mm), 0.175 pulg (4.45
mm), 0.200 pulg (5.08 mm), 0.300 pulg (7.62 mm), 0.400 pulg (10.16 mm) y 0.500 pulg
(12.70 mm). Anote la máxima carga y su penetración si la muestra falla antes de
alcanzar 0.500 pulg (12.70 mm) de penetración.
4.- Retirar la muestra del molde y determine el contenido de humedad de una muestra
obtenido cerca de la zona de penetración.
F5.5 DATOS

Se deben obtener los siguientes datos durante el ensayo:
1.- Contenido de Humedad
Tomar una muestra de campo para determinar su humedad natural.
Al final del ensayo de penetración, se deberá tomar una muestra cerca de la zona de
aplicación de la carga.
2.- Densidad de la muestra
La densidad natural se mide directamente de campo o mediante ensayos de laboratorio.
3.- Datos de la Inmersión
Peso de la sobrecarga (lb.)
Tiempo y fecha
Lecturas del dial
Nota.- Estos datos deben obtenerse al inicio y final de la saturación.
4.- Datos de la Capacidad de Soporte
Peso de la sobrecarga (lb.)
Area del pistón (pulg2)
CÁLCULOS
1.- Determinación del Contenido de Humedad
El contenido de humedad ( ) se calcula con:
300


Anexo F

(%)

Wagua
Wsuelo

100

sec o

2.- Determinación de la Densidad

La densidad del suelo húmedo (

sw)

se calcula con la siguiente ecuación:
Wsuelo humedo
sw
Vefectivo del molde
La densidad seca ( d) se obtiene con:
d

sw

1

3.- Porcentaje de expansión

La expansión se calcula por la diferencia entre las lecturas del deformímetro antes y
después de la inmersión. Este valor se expresa en porcentaje con respecto a la altura inicial
de la muestra en el molde.
4.- Capacidad de Soporte

Se calcula el esfuerzo aplicado por el pistón. Se dibuja en escala aritmética, la curva
esfuerzo (psi) versus penetración (pulg). El esfuerzo en la ordenada y la penetración en la
abscisa. En algunos casos, la curva esfuerzo versus penetración puede ser cóncava en el
tramo inicial de la curva, debido a irregularidades en la superficie u otras causas. Para estos
casos se debe corregir la curva, trazando una línea tangente. Figura F5.1.
La relación de capacidad para 0.10 pulg de penetración se determina dividiendo el esfuerzo
corregido (psi) para una penetración de 0.10 pulg, en la curva esfuerzo versus penetración,
entre el esfuerzo a la penetración de una muestra patrón de 1000 lb. Este valor se expresa en
porcentaje.
La relación de capacidad para 0.20 pulg de penetración se determina de manera similar,
usando el esfuerzo corregido (psi) para una penetración de 0.20 pulg entre el esfuerzo a la
penetración de una muestra patrón de 1500 psi. Si la capacidad de soporte calculada para
0.20 pulg de penetración es mayor, el ensayo debe realizarse nuevamente. Si el nuevo
ensayo da similares resultados, el CBR será el que corresponde a 0.20 pulg de penetración.
En caso contrario el CBR corresponderá a 0.10 pulg de penetración.
5.- CBR de diseño

Con las presiones obtenidas en los especimenes ensayados luego de 96 horas de saturación,
se calcula el CBR para cada muestra. El CBR de diseño corresponderá al promedio de estos
valores.
301


Anexo F

En la figura F5.1 muestra los resultados típicos del ensayo de tres especimenes inalterados en
la prensa de CBR.
600

500

Molde I Sin Saturar


400

Molde II Sin Saturar

300
257

Molde III Sin Saturar

200

195

142

Molde I Saturado

100

Molde II Saturado
53
28

0
0.00

Molde III Saturado

20

0.10

0.20
0.30
Penetracion (pulg.)

0.40

0.50

Figura F5.1:- Curva esfuerzo versus penetración en moldes inalterados
Saturados y sin saturar
EJEMPLO NUMÉRICO

Se desea calcular el CBR inalterado de tres especimenes tallados en campo, del mismo
estrato. Las tres muestras fueron corridas a su humedad natural, luego fueron sumergidas
en agua por cuatro días.
302


Anexo F

Se determinó la densidad natural del suelo con el equipo del cono y la arena. Los datos de
campo y laboratorio se muestran a continuación.
1.- Densidad y humedad natural del suelo

Muestra
MI 1
MI 2
MI 3

Densidad natural
3
sw (gr/cm )
1.863
1.919
1.799

Humedad natural
nat (%)
8.3
8.6
10

Densidad seca
3
d (gr/cm )
1.720
1.767
1.635

2.- Penetración

1 Factor de corrección del anillo, lb
2 Área del pistón de carga, pulg2.
3 Sobrecarga, gr:

4500

26.56
3
4500

4500

ENSAYO A HUMEDAD NATURAL

Muestra MI 1: humedad natural
Presión
Patrón
(lb/pulg2)

Penetración

Lectura
(L)

Presión
(*)

Presión
Corregida
(**)
(lb/pulg2)

CBR
(***)

(pulg) (mm)
(lb/pulg2)
(%)
0.000 0.000
0
0
0.025 0.635
12
106.2
0.050 1.270
20
177.1
0.075 1.905
25
221.3
1000
0.100 2.540
29
256.7
256.7
25.7
0.150 3.810
33
292.2
1500
0.200 5.080
38
336.4
0.250 6.350
41
363.0
0.300 7.620
44
389.5
0.400 10.160
51
451.5
0.500 12.700
59
522.3
* La presión es igual a la lectura del dial multiplicado por el factor de corrección del
anillo (1) y dividido entre el área del pistón de carga (2).
** La presión corregida se obtiene del gráfico, en este caso no existe corrección.
Presion corregida
100
*** CBR
Presion patron
303


Anexo F

Nota:- La presión depende de la prensa en la que se realice el ensayo, en este
problema las lecturas del dial de carga multiplicadas por el factor de corrección del anillo
da valores de presión; sin embargo, la corrección del anillo puede no ser un solo factor,
sino una ecuación, como se verá en el ejemplo correspondiente a CBR en muestras
remoldeadas al óptimo contenido de humedad.

Presión
Patrón
(lb/pulg2)

1000
1500

Penetración
(pulg)
0.000
0.025
0.050
0.075
0.100
0.150
0.200
0.250
0.300
0.400
0.500

(mm)
0.000
0.635
1.270
1.905
2.540
3.810
5.080
6.350
7.620
10.160
12.700

Lectura
(L)
0
6
13
17
22
25
29
31
33
37
40

Presión
(lb/pulg2)
0
53.1
115.1
150.5
194.8
232.3
256.7
274.5
292.2
327.6
354.1

Presión
Corregida
(lb/pulg2)

CBR

194.8

19.5

Presión
Corregida
(lb/pulg2)

CBR

141.7

14.2

(%)

Presión
Patrón
(lb/pulg2)

1000
1500

Penetración
(pulg)
0.000
0.025
0.050
0.075
0.100
0.150
0.200
0.250
0.300
0.400
0.500

(mm)
0.000
0.635
1.270
1.905
2.540
3.810
5.080
6.350
7.620
10.160
12.700

Lectura
(L)
0
7
12
14
16
18
22
24
26
29
31

Presión
(lb/pulg2)
0
62.0
106.2
123.9
141.7
159.4
194.8
212.5
230.2
256.7
274.5

(%)

304


Anexo F

ENSAYO EN ESPECIMENES SATURADOS

Muestra MI 1: saturado
Presión
Patrón
(lb/pulg2)

1000
1500

Penetración
(pulg)
0.000
0.025
0.050
0.075
0.100
0.150
0.200
0.250
0.300
0.400
0.500

(mm)
0.000
0.635
1.270
1.905
2.540
3.810
5.080
6.350
7.620
10.160
12.700

Lectura
(L)
0
3
4.5
5.5
6
6.9
7.8
8.6
9.7
10
11

Presión
(lb/pulg2)
0
27
40
49
53
61
69
76
86
89
97

Presión
Corregida
(lb/pulg2)

CBR

53

5.3

Presión
Corregida
(lb/pulg2)

CBR

28

2.8

(%)

Presión
Patrón
(lb/pulg2)

1000
1500

Penetración
(pulg)
0.000
0.025
0.050
0.075
0.100
0.150
0.200
0.250
0.300
0.400
0.500

(mm)
0.000
0.635
1.270
1.905
2.540
3.810
5.080
6.350
7.620
10.160
12.700

Lectura
(L)
0
1
2
3
3.2
4.1
4.9
5.0
5.0
5.5
5.9

Presión
(lb/pulg2)
0
8.9
18
27
28
36
43
44
44
49
52

(%)

305


Anexo F

Presión
Patrón
(lb/pulg2)

1000
1500

Penetración
(pulg)
0.000
0.025
0.050
0.075
0.100
0.150
0.200
0.250
0.300
0.400
0.500

(mm)
0.000
0.635
1.270
1.905
2.540
3.810
5.080
6.350
7.620
10.160
12.700

Presión

Lectura
(L)

(lb/pulg2)
0
8.9
14
16
20
22
25
25
27
28
31

0
1
1.6
1.8
2.3
2.5
2.8
2.8
3.1
3.2
3.5

Presión
Corregida
(lb/pulg2)

CBR

20

2.0

(%)

4.- Resumen del ensayo de CBR , figura F5.1

Los valores de CBR se determinaron a 0.1 pulg de penetración, en todos los
especimenes.
CBR
CBR humedad natural, %
CBR saturado, %

MI 1
25.7
5.3

MI 2
19.5
2.8

MI 3
14.2
2.0

El CBR de diseño corresponderá al promedio de los CBR obtenidos para muestras
saturadas. Para el ejemplo el CBR de diseño es 3.4%.

306


Anexo F

F6.1 INTRODUCCIÓN

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, permite determinar la
relación humedad versus densidad del suelo, 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 es compactado en un molde de dimensiones
conocidas.
La norma considera cuatro métodos a emplear. La elección del método depende de las
características de material a ensayar
F6.2 APARATOS
Moldes:- metálicos y de forma cilíndrica, diámetro interior de 4 pulg. ó 6 pulg. (de acuerdo al
método) y altura de 4.5 pulg. Cada molde debe tener un plato base y un collarín
ensamblados. El collar de extensión deberá tener una altura de por lo menos 50.8 m (2
pulg.) sobre el borde superior del molde.

Martillo:- El martillo puede ser operado manual o mecánicamente, de 10 lb de peso y altura
de caída de 18 pulg. La cara de contacto del espécimen deberá ser plana.
Extractor de Muestra (Opcional).- Una gata, un pórtico, o cualquier otro accesorio adoptado
para extraer los especímenes compactados del molde.
Balanzas:- Balanza de por lo menos 20 kg con una sensibilidad de ± 1 gr y una balanza de
por lo menos 1000 gr de capacidad de una sensibilidad de ± 0.01 gr.
Horno de Secado:- Controlado termostáticamente, preferido herméticamente reforzado, capaz
de mantener a una temperatura de 110 ± 5 C (230 ± 9 F) para determinar el contenido de
humedad del espécimen compactado.

Regla de metal:- Bordes rectos de cualquier longitud conveniente, pero por lo menos deberá
tener 25 mm (10 pulg).

307


Anexo F

Mallas:- 3 pulg (75 mm), 3/4 pulg (19 mm) y N 4 (4.75 mm)
Herramientas miscelánicas:- para mezclado tales como platillo mezclador, cuchara, espátula,
paleta, etc. o un aparato adecuado para realizar el mezclado integral de una muestra de suelo
con incrementos de agua.
F6.3 ELECCIÓN DEL MÉTODO DE ENSAYO

En el siguiente cuadro se puede apreciar las características del material y el método
correspondiente para su ensayo. Además, se presenta una guía de reemplazo de material
para el ensayo proctor modificado.
Tipo de ensayo
Método
Condiciones para
elección del método

Proctor modificado
A
B
C
la %ret. acum. Nº4 20% %ret. acum. 3/8” 20% %ret. acum. 3/4” 30%
y%ret.
acum. y %ret. acum. 3/8”>20%
Nº4>20%
Cantidad de suelo, kg
3
3
6
Número de capas, n
5
5
5
Número de golpes, N
25
25
56
Diámetro del molde, cm
10.16 0.04
10.16 0.04
15.24 0.07
Altura del molde, cm
11.64 0.05
11.64 0.05
11.64 0.05
Volumen del molde, cm3
944 14
944 14
2124 25
Peso del martillo W, kg
4.54 0.01
4.54 0.01
4.54 0.01
Altura de caída del
45.72 0.16
45.72 0.16
45.72 0.16
martillo h, cm
Diámetro del martillo, cm
5.080 0.025
5.080 0.025
5.080 0.025
Energía específica de
compactación,
27,485
27,485
27,363
kg.cm/cm3

EnergiaEspecificadeCompactacion

N n W h
V

Guía de reemplazo de material para el ensayo proctor modificado.
Método A: (% retenido acumulado en Nº4 20%)
Descartar el material retenido en el tamiz Nº4.
Método B: (% retenido acumulado en 3/8” 20% y % retenido acumulado en Nº4>20%)
Pasar el material a través del tamiz 3”. Descartar el material que sea retenido en el
tamiz 3”. El material que pasa el tamiz 3” y es retenido en el tamiz 3/8” debe ser
308


Anexo F

reemplazado por una cantidad igual en peso de material que pase por el tamiz 3/8”
y sea retenido por el tamiz Nº4. El material para reemplazo debe tomarse de una
porción no usada de la muestra.
Método C: (% retenido acumulado 3/4” 30% y % retenido acumulado 3/8”>20%
Pasar el material a través del tamiz 3”. Descartar el material que sea retenido en el
tamiz 3”. El material que pasa el tamiz 3” y es retenido en el tamiz 3/4” debe ser
reemplazado por una cantidad igual en peso de material que pase por el tamiz 3/4”
y sea retenido en el tamiz 3/8”. El material para reemplazo debe tomarse de una
porción no usada de la muestra.
F6.4 PROCEDIMIENTO

Si la muestra está húmeda se puede secar al aire hasta que los terrones se puedan
desmenuzar. Tamizar y elegir el método de ensayo.
Preparar por lo menos cuatro muestras incorporando agua a cada una de ellas, de tal forma
que el contenido de humedad de cada muestra varíe aproximadamente en 1.5%. Los
contenidos de humedad seleccionados deberán incluir el óptimo contenido de humedad,
para proporcionar especímenes que cuando sean compactados, vayan incrementando en
masa hasta llegar a la máxima densidad, y de allí empiecen a decrecer. Mezclar
completamente cada muestra para asegurar la buena distribución de la humedad.
Seleccionar el molde de compactación apropiado, de acuerdo con el método a ser usado y
colocar el collarín. Compactar cada espécimen en cinco capas de aproximadamente la
misma altura. Cada capa debe recibir el número de golpes indicado.
Durante el proceso de compactación se deberá evitar el rebote del martillo en la parte
superior del tubo guía. Los golpes deberán aplicarse a velocidad uniforme, no excediendo
1.4 s/golpe y de tal manera que se pueda cubrir completamente la superficie del espécimen.
Después de la compactación, quitar el collar de extensión, cuidadosamente se enrasa con la
regla el espécimen compactado con la parte superior del molde, y se determina la masa del
espécimen.
Calcular la densidad húmeda de la siguiente manera:
Densidad humeda

Wsuelo y molde

Wmolde

Vmolde

El material del molde se saca con el extractor de muestras y se determina el contenido de
humedad. El material que será ensayado para determinar la humedad se saca del centro del
molde compactado, aproximadamente de 100 a 500 gr.
309


Anexo F

Repetir el procedimiento indicado hasta obtener por lo menos cuatro puntos de la curva de
compactación.
F6.5 CÁLCULOS

Calcular el contenido de humedad y la densidad seca para cada espécimen compactado
como sigue:
A B
100
(%)
B C
d

m

1

donde:
A
B
C
d
m

contenido de humedad (%)
Peso de tara y suelo húmedo
Peso de tara y suelo seco al horno
Peso de tara
densidad seca, kg/m3
densidad húmeda, kg/m3

F6.6 RELACIÓN DENSIDAD-HUMEDAD

Graficar los valores de densidad seca, en el eje de las ordenadas, versus el contenido de
humedad, en el eje de las abscisas. Unir con un trazo suave los puntos. El Optimo
Contenido de Humedad, O.C.H., es el contenido de humedad al cual el suelo puede ser
compactado a la máxima densidad seca usando el esfuerzo de compactación modificada. La
Máxima Densidad Seca, M.D.S., es la densidad correspondiente al O.C.H., se expresa en
gr/cm3.
F6.7 EJEMPLO NUMÉRICO

Determinar el óptimo contenido de humedad y la máxima densidad seca, del ensayo
realizado sobre un suelo granular.
Los resultados se muestran a continuación:

310


Anexo F

Peso Específico de Sólidos (Ss)

2.69

ANÁLISIS GRANULAR PRELIMINAR
Tamiz
Peso Parcial
Retenido

¾”
3/8”
Nº4
Platillo
Total

(mm)
19
9.5
4.75

% Parcial
Retenido

% Acumulado
Retenido

(%)
20.30
44.65
26.57
8.49
100.0

(%)
20.30
64.94
91.51
100.00

(gr)
550.0
1210.0
720.0
230.0
2710.0

MÉTODO DE COMPACTACIÓN

C

CONTENIDO DE HUMEDAD ( )
1
Nº recipiente
2
W recipiente
3
W recipiente sw
4
W recipiente s
5
W w : 3-4
6
W s : 4-2
7
: 100*5/6
8
promedio

(gr)
(gr)
(gr)
(gr)
(gr)
(%)
(%)

O.C.H. PROBABLE

(%)

12
226.29
488.24
483.55
4.69
257.26
1.82
1.82
6.00

INCREMENTO DE AGUA ( Vw y Vw (1%))
9
W sw
(gr)
10
W s : 100*9/(100+8)
(gr)
11
(%)
12
(cm3)
Vw : (11-8)*10/100
13
(cm3)
Vw (1%): (1)*10/100
Nº DE ENSAYO

1

PESO ESPECIFICO ( )
14
Nº molde
15
V molde, cm3
16
W molde, gr
17
W molde sw, gr
18
W sw: 17-16, gr
19
: 18/15, gr/cm3

2

10704.0
4874.0
2.29

6000.00
5892.57
6.00
246.13
58.93
3

6
2129.0
5830.0
10785.0
4955.0
2.33

4

10897.0
5067.0
2.38

10790.0
4960.0
2.33

311


Anexo F

CONTENIDO DE HUMEDAD ( )
20
Nº recipiente
12
21
W recipiente, gr
20.75
22
W recipiente sw, gr
191.85
23
W recipiente s, gr
182.52
24
W w : 22-23, gr
9.33
25
W s : 23-21, gr
161.77
26
5.77
: 100*24/25, %
27
5.77
promedio, %

28
20.27
216.86
203.19
13.67
182.92
7.47
7.47

24
19.85
207.51
193.24
14.27
173.39
8.23
8.23

2.18

PESO ESPECIFICO SECO ( d)
28
d : 100*19/(100+27), 2.16
gr/cm3

44
18.60
189.85
178.82
11.03
160.22
6.88
6.88

2.21

2.15

Curva de Compactación
2.23

Peso Específico Seco (gr/cc)

2.21

2.19

2.17

2.15

2.13
4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

10.00

Contenido de Hum edad (%)
Compactación

312


Anexo F

F7.1 INTRODUCCIÓN

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.
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

1,000 lb / pu lg2

100

En ocasiones, el CBR calculado para una penetración de 0.2” 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
F7.2 EQUIPOS Y ACCESORIOS
CBR:- molde de compactación (6 pulg de diámetro y 7 pulg de altura), collarín de 2 pulg de
altura, disco espaciador (5 15/16 pulg de diámetro y 2.416 pulg de espesor), base perforada,
pisón de compactación. Sobrecargas, para cada molde se requieren, una anular y las
restantes ranuradas con peso de 5 lb (2.27 kg) cada una. Ver figura 1.
Prensa de carga de por lo menos 10,000 lb de capacidad de carga y velocidad de
penetración de 0.05 pulg/min (1.27 mm/min).
313


Anexo F

Equipo para medir la expansión del suelo:- una placa de metal perforada, por cada molde,
de 5 7/8 pulg de diámetro, cuyas perforaciones no excedan de 1/16 pulg de diámetro. Estará
provista de un vástago en el centro con un sistema de tornillo que permita regular su altura.
Un trípode de cuyas patas puedan apoyarse en el borde del molde, que lleve montado y
bien sujeto en el centro del dial (deformímetro), cuyo vástago coincida con el de la placa, de
forma que permita controlar la posición de éste y medir la expansión, con aproximación de
0.001 pulg (0.025 mm).
02 diales, aproximación a 0.001 pulg. uno de ellos provisto de una pieza que permita su
acoplamiento en la prensa para medir la penetración del pistón en la muestra.
Equipo misceláneo: recipiente, tanque para saturación, estufa, balanzas, tamices Nº4 (4.75
mm) y ¾” (19 mm), cuarteador, espátulas, discos filtros, etc.

Figura F7.1:- Equipo básico, MTC E132-1999
314


Anexo F

F7.3 MUESTRA

La muestra debe ser cuarteada y preparada de acuerdo con la norma ASTM D 1557 del
proctor modificado para compactación en molde de 6 pulg, tener en cuenta que:
Si mas de 75% del material pasa la malla ¾” (19 mm), se emplea este material en la
preparación de los especimenes.
Si mas del 25% del material se retiene en la malla ¾” (19 mm), debe ser retirado y
reemplazado por una cantidad igual de material que pasa la ¾” (19 mm) y se retiene
en la Nº4, obtenido por tamizado de otra porción de muestra.
F7.4 PREPARACIÓN DEL ESPECIMEN

Se compactan tres especimenes de suelo preparados dentro de 0.5% del OCH. Se debe
determinar la humedad del suelo para luego incorporar la cantidad de agua necesaria para
llegar al óptimo. La muestra que será compactada debe ser de 5 a 7 kg/molde.
Se pesa el molde con su placa base, se coloca el collarín y el disco espaciador y, sobre
éste, un disco de papel de filtro grueso del mismo diámetro. Los especimenes se compactan
a diferentes números de golpes por capa, generalmente los golpes por capa son 56, 25 y 10.
El procedimiento es similar al método proctor modificado.
Si el espécimen se va a sumergir, se toma una porción entre 100 y 500 g (según sea fino o
tenga grava) antes de la compactación y otra al final, el promedio representará la humedad
de compactación. Si la muestra no va a ser sumergida, la porción de material para
determinar la humedad se toma del centro de la probeta resultante de compactar el suelo en
el molde, después del ensayo de penetración. Para ello el espécimen se saca del molde y
se rompe por la mitad.
Concluida la compactación se retira el collarín y se enrasa. Cualquier depresión por
eliminación de partículas debe rellenarse con material sobrante sin gruesos. Desmonte el
molde y retire el disco espaciador, vuelva a montarlo invertido y sin disco espaciador, con un
papel filtro entre la placa base y el suelo compactado. Pese el molde con su placa base más
el suelo compactado.
Se coloca sobre la superficie de la muestra invertida la placa perforada con vástago, y,
sobre ésta, los anillos necesarios para completar una sobrecarga tal, que produzca una
presión equivalente a la originada por todas las capas de materiales que hayan de ir encima
del suelo que se ensaya, la aproximación quedará dentro de 5.5 lb. (2.27 kg)
correspondientes a una pesa. En ningún caso, la sobrecarga total será menor de 10 lb. (4.54
kg). Si no se especifica el peso de pavimento, considere 4.54 kg de sobrecarga.

315


Anexo F

Sumerja el molde con las sobrecargas en un tanque de agua, permitiendo el libre acceso de
agua en la base y superficie del molde. Tome las lecturas iniciales del deformímetro y deje
saturar el molde por 96 horas. Mantenga el nivel del agua constante durante el periodo de
inmersión. Luego de las 96 horas, tome la lectura final del deformímetro y calcule el
hinchamiento como un porcentaje de la altura inicial del especimen.
Retire el molde del tanque y permita que el agua escurra por aproximadamente 15 min, en
su posición normal. Tenga cuidado de no disturbar la muestra en este proceso. Retire las
sobrecargas y la placa perforada. Pesar inmediatamente.
F7.5 ENSAYO EN LA PRENSA

El ensayo de CBR está ideado para simular las condiciones que existirían en la superficie de
la subrasante. Se coloca una sobrecarga en la superficie del especimen compactado para
representar el peso del pavimento sobre la subrasante. Lo que es mas, el especimen es
saturado para representar las condiciones más desfavorables de campo. Luego de la
saturación, se determina la fuerza requerida para penetrar un pistón estándar, dentro del
suelo, una cantidad especificada.
El procedimiento paso a paso es:
1.- Colocar una sobrecarga sobre la muestra compactada, de tal manera que se produzca
una presión igual a la presión que ejercerá la estructura del pavimento sobre la
subrasante. Si no se conoce el peso del pavimento, usar 4.24 kg de sobrecarga. Si el
especimen fue previamente saturado, la sobrecarga debe ser igual a la usada durante la
saturación. Para evitar el levantamiento de la muestra dentro del orifico de las
sobrecargas, coloque la pesa anular de 2.27 kg sobre el suelo compactado. Llevar el
conjunto a la prensa y colóquese en el orificio central de la sobrecarga anular, el pistón
de penetración y añada el resto de la sobrecarga.
2.- El pistón de penetración debe ser colocado en la superficie con la menor carga posible,
en ningún caso excederá las 10 lb. Se ajusta en cero los diales, el del anillo para medir
la fuerza aplicada y el dial de penetración.
3.- Aplicar la carga sobre el pistón de penetración de tal manera que la relación que la
velocidad de penetración sea de 0.05 pulg/min (1.27 mm/min). Las prensas manuales no
preparadas para trabajar a esta velocidad de forma automática se controlarán mediante
el deformímetro de penetración y un cronómetro. Registre las lecturas de carga para
penetraciones de 0.025 pulg (0.64 mm), 0.050 pulg (1.27 mm), 0.075 pulg (1.91 mm),
0.100 pulg (2.54 mm), 0.125 pulg (3.18 mm), 0.150 pulg (3.81 mm), 0.175 pulg (4.45
mm), 0.200 pulg (5.08 mm), 0.300 pulg (7.62 mm), 0.400 pulg (10.16 mm) y 0.500 pulg
(12.70 mm). Anote la máxima carga y su penetración si la muestra falla antes de
alcanzar 0.500 pulg (12.70 mm) de penetración.
316


Anexo F

4.- Retirar la muestra del molde y determine el contenido de humedad de una muestra
obtenido cerca de la zona de penetración. La muestra es no menor de 100 gr para
suelos de grano fino y no menos de 500 gr para suelos granulares.
F7.6 DATOS

Se deben obtener los siguientes datos durante el ensayo:

Peso de suelo húmedo mas tara (gr)
Peso de suelo seco mas tara (gr)
Peso de tara (gr)
Nota.- Estos datos deben obtenerse cada vez que se requiera determinar el contenido de
humedad. Se debe hallar el contenido de humedad de la muestra antes de la compactación,
finalizada la compactación y luego del ensayo de penetración cerca de la zona de aplicación
de la carga.
2.- Densidad de la muestra

Peso del molde y placa base mas el suelo compactado (gr)
Peso del molde y placa base (gr)
Diámetro del molde (pulg)
Altura de la muestra de suelo (pulg)
Nota.- Estos datos deben obtenerse para cada uno de los siguientes especimenes: antes de
la saturación y luego de la saturación.
3.- Datos de la Inmersión

Peso de la sobrecarga (lb)
Tiempo y fecha
Lecturas del dial
Nota.- Estos datos deben obtenerse al inicio y final de la saturación.
4.- Datos de la Capacidad de Soporte

Peso de la sobrecarga (lb)
Area del pistón (pulg2)
CÁLCULOS

317


Anexo F

El contenido de humedad ( ) se calcula con:
Wagua
(%)
100
Wsuelo sec o
2.- Determinación de la Densidad

La densidad del suelo húmedo (

sw)

se calcula con la siguiente ecuación:
Wsuelo humedo
sw
Vefectivo del molde
La densidad seca ( d) se obtiene con:
d

sw

1

3.- Porcentaje de expansión

La expansión se calcula por la diferencia entre las lecturas del deformímetro antes y
después de la inmersión. Este valor se expresa en porcentaje con respecto a la altura de la
muestra en el molde.
4.- Capacidad de Soporte

Se calcula el esfuerzo aplicado por el pistón, dividiendo la carga aplicada entre el área del
pistón. Se dibuja en escala aritmética, la curva esfuerzo (psi) versus penetración (pulg). El
esfuerzo en la ordenada y la penetración en la abscisa. En algunos casos, la curva esfuerzo
versus penetración puede ser cóncava en el tramo inicial de la curva, debido a
irregularidades en la superficie u otras causas. Para estos casos se debe corregir la curva
modificando en punto cero de la curva. Figura F7.1.
La relación de capacidad para 0.10 pulg. de penetración se determina dividiendo el esfuerzo
corregido (psi) para una penetración de 0.10 pulg., en la curva esfuerzo versus penetración,
entre el esfuerzo a la penetración de una muestra patrón, que es 1000 lb para 0.10 pulg. de
penetración. Este valor se expresa en porcentaje. La relación de capacidad para 0.20 pulg. de
penetración se determina de manera similar, usando el esfuerzo corregido (psi) para una
penetración de 0.20 pulg. entre el esfuerzo a la penetración de una muestra patrón de 1500
psi. Si la capacidad de soporte calculada para 0.20 pulg. de penetración es mayor, el ensayo
debe correrse nuevamente. Si el nuevo ensayo da similares resultados, el CBR será el que
corresponde a 0.20 pulg. de penetración. En caso contrario el CBR corresponderá a 0.10 pulg.
de penetración.

318


Anexo F

Figura F7.1:- Corrección de la curva esfuerzo versus penetración
Soil Properties Testing, Measurement, and Evaluation
F7.7 CBR DE DISEÑO

Con los datos obtenidos en cada uno de los tres especimenes, grafique el CBR versus la
densidad seca de cada especimen, como se muestra en la figura F7.2. El CBR de diseño será
el correspondiente al 95% de la máxima densidad seca del próctor modificado.

319


Anexo F

2.020

1.970

Densidad Seca (gr/cm3)

1.920

CB R para la
densidad seca
especificada

1.870

1.820

1.770

1.720

1.670
2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

C.B.R.(%)

Figura F7.2:- Densidad seca versus CBR
F7.8 EJEMPLO NUMÉRICO

Determinar el CBR de diseño para una muestra remoldeada al óptimo contenido de
humedad. El CBR de diseño corresponderá al 95% de la máxima densidad seca del proctor
modificado. Se obtuvieron los siguientes datos:
1.- Del proctor modificado

MDS
OCH

2.150 gr/cm3
7.59%

d max

2.150 gr/cm 3

d max(98%)

2.107 gr/cm 3

d max(95%)

2.043 gr/cm 3

2.- Contenido de humedad de la muestra

1
2
3
4

Nº tara
W tara (gr)
W recipiente + suelo húmedo, gr
W recipiente + suelo seco, (gr)

13
20.39
167.52
166.21

1
20.52
194.32
192.49

320


5
6
7
8

Anexo F

W agua (gr) : 3 4
W suelo seco (gr) : 4
(%)
promedio (%)

1.31
145.82
0.90

2

1.83
171.97
1.06
0.98

3.- Incremento de agua a la muestra que será compactada

9 W suelo húmedo (gr)
9
10
W suelo seco (gr):
1

11
12

8

7000
6931.98

100

7.59
458.12

(%) : OCH
Incremento de volumen de agua, cm3:

11 8
100

10

4.- Cálculo de la Densidad del suelo húmedo, para cada especimen compactado

13
14
15
16
17
18
19
20

V disco espaciador
Nº molde
V molde, cm3
W molde, gr
W molde + suelo húmedo, gr
V molde efectivo , cm3: 15 13
Nº golpes/capa
W suelo húmedo, gr: 17 16

891
5
3239.59
5304.67
10700
2348.59
10
5395.33

21 Densidad del suelo húmedo, gr/cm3,

20
18

sw

891
891
2
1
3250.43 3248.88
5406.33 5421
10700
10550
2359.43 2357.88
25
56
5293.67 5129

2.30

2.24

2.18

5.- Contenido de humedad antes de saturar, se toma dos muestras, una antes de
compactar y otra al final de la compactación

22
23
24
25
26
27

Nº tara
W tara (gr)
W tara + suelo húmedo (gr)
W tara + suelo seco (gr)
W agua (gr) : 24 25
W suelo seco (gr) :
25

28
29

1
2
3
4
5
6
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
106.21 106.21 107.45 106.10 107.25 106.45
100
100
100
100
100
100
6.21
6.21
7.45
6.10 7.25 6.45
100
100
100
100
100
100

23

(%) :

26
27

100

promedio (%)

6.21

6.21

6.210

7.45

6.10

6.775

7.25

6.45

6.850

321


Anexo F

6.- Densidad seca de las muestras compactadas

30

21
d

100

29

100 , gr/cm3

2.16

2.10

2.04

7.- Grado de saturación antes de la inmersión (Gw)

31
32

Peso de suelo seco, Ws

20
100

29

Volumen del suelo seco, cm3: Vs

33 Volumen de vacíos, cm3: 18 32
34 Volumen de agua, cm3: 20 31
34
35
Grado de saturación, %: G w

33

5079.87

1816.04

1758.31

543.39
335.89
61.81

599.57
328.81
54.84

4500
17.8029
5.0970
12.71

100

4800.19

487.83
315.46
64.67

31
Ss

4957.78

1860.76

100

4500
17.8142
5.0970
12.72

4500
17.7378
5.0970
12.64

8.- Deformación vertical

36
37
38
39

Sobrecarga, gr
Altura del molde, cm
Altura del disco espaciador, cm
Altura efectiva del molde, cm: 37

38

9.- Expansión debido a saturación

Lectura
Tiempo
Deformación
(hr)
Fecha Hora
(cm)
(%)
01/03/96 13:10
0
0.1752
0.000
02/03/96 13:10 24
0.1758
0.005*
03/03/96 13:10 48
0.1765 0.010**
04/03/96 13:10 72
0.1772
0.016
05/03/96 13:10 96
0.1772
0.016
*

0.1758 0.1752
100
12.71

0.005

Deformación
(cm)
(%)
0.9618
0.000
0.9629
0.009
0.9632
0.011
0.9837
0.012
0.9638
0.016
**

Deformación
(cm)
(%)
0.2183
0.000
0.2541
0.283
0.2558
0.297
0.2568
0.305
0.2578
0.312

0.1765 0.1752
100
12.71

0.010

322


Anexo F

10.- Penetración

40

Ecuación del anillo

41

Sobrecarga, gr:

4.9076L6

43.263L5

148.11L4

245.92L3

4500

187.41L2

1770.1L

7 10 9

4500

0.7382019258

4500

36

Segunda muestra: 55 golpes
Presión
Penetración
Patrón
(lb/pulg2) (pulg) (mm)
0.000 0.000
0.025 0.635
0.050 1.270
0.075 1.905
1000
0.100 2.540
0.150 3.810
1500
0.200 5.080
0.250 6.350
0.300 7.620
0.400 10.160
0.500 12.700
Primera muestra: 26 golpes
Presión
Penetración
Patrón
(lb/pulg2) (pulg) (mm)
0.000 0.000
0.025 0.635
0.050 1.270
0.075 1.905
1000
0.100 2.540
0.150 3.810
1500
0.200 5.080
0.250 6.350
0.300 7.620
0.400 10.160
0.500 12.700
*

4.9076(0.200)6

43.263(0.200)5

Lectura
(L)
(mm)
0.000
0.200
0.456
0.562
0.725
0.884
1.080
1.230
1.360
1.500

Lectura
(L)
(mm)
0.000
0.200
0.325
0.452
0.572
0.729
0.921
1.108
1.214
1.323
1.343

148.11(0.200) 4

Presión
(lb/pulg2)
0.00
265.58
611.54
755.06
975.23
1189.07
1451.48
1651.60
1824.71
2010.88

Presión
(lb/pulg2)
0.00
265.58*
434.16
606.12
768.59
980.62
1238.71
1488.87
1630.28
1775.46
1802.08

245.92(0.200)3

Presión
Corregida
(lb/pulg2)

CBR

950

95

1450

96.7

Presión
Corregida
(lb/pulg2)

CBR**

740

74

1230

82

187.41(0.200)2

(%)

(%)

1770.1(0.200) 7 10 9

0.7382019258

265.58lb / pu lg2

** CBR

Presion corregida
100
Presion patron

323


Anexo F

Tercera muestra: 13 golpes
Presión
Penetración
Lectura
Patrón
(L)
2)
(lb/pulg
(pulg) (mm)
(mm)
0.000 0.000
0.000
0.025 0.635
0.069
0.050 1.270
0.150
0.075 1.905
0.274
1000
0.100 2.540
0.355
0.150 3.810
0.532
1500
0.200 5.080
0.716
0.250 6.350
0.835
0.300 7.620
0.932
0.400 10.160
1.020
0.500 12.700
* La presión corregida se obtiene del gráfico

Presión

Presión
Corregida
(lb/pulg2)

500.00*

50

990.00

(lb/pulg2)
0.00
90.76
198.56
365.25
474.75
714.46
963.09
1123.27
1253.45
1371.28

CBR

66

(%)

Presión Vs Penetración
2200
2000
1800

Presión (lb/pulg²)

1600
1400
1200

55golpes
26 golpes
13 golpes

1000
800
600
400
200
0
0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

Penetración (pulg)

324


Anexo F

11.- Contenido de humedad después de saturar

42
43
44
45
46

No recipiente
W recipiente, gr
W recipiente sw, gr
W recipiente s, gr
W , gr :
44

1
21.01
102.26
97.20
5.06

2
21.01
102.26
97.20
5.06

3
16.94
81.01
76.97
4.04

4
16.94
81.01
76.97
4.04

5
6
20.94 20.94
130.45 130.45
124.24 124.24
6.21
6.21

76.19

76.19

60.03

60.03

103.30 103.30

6.64

6.64

6.73

6.73

45

47 W s, gr :
45

48

43
46
, %:
47

49

promedio,

sw
s

100

6.64

%
suelo húmedo
suelo seco
agua

6.01

6.73

6.01
6.01

12.- Contenido de humedad absorbido

50

, %: 49

0.43

29

-0.05

-0.84

13.- Grado de saturación después de inmersión (Gw)

51
52
53
54
55
da
A

Ws, gr:

20

5079.87

100 29
51
Vs, cm3:
Ss
3: 18
Vv, cm
da A
51
V , cm3: 49
100
54
Gw, %:
100
53

52

4957.78

4800.19

1860.76

100

1816.04

1758.31

488.20

543.76

606.80

337.37

333.66

288.57

69.11

61.36

47.56

deformación acumulada debido a la expansión
area del molde

14.- CBR
CBR
d max(100%)
CBR (0.1” de penetración) (%)
90.7
CBR (0.2” de penetración) (%)
93.5
Para el ejemplo el CBR de diseño será 52.5%.

d

max(98%)

76.0
83.5

d

max(95%)

52.5
67.5

325


Anexo F

Densidad Seca Vs C.B.R.
2.20

Densidad Seca (gr/cc)

2.15

CBR 0.1” de penetración

2.10

CBR 0.2” de penetración

2.05

2.00
40

50

60

70

80

90

100

C.B.R. (%)

F7.9 REFERENCIAS BIBLIOGRAFIAS

1.- Cheng Lui, Jack Evett, Soil Properties Testing, Measurement, and Evaluation, Third
Edition, The University of North Carolina at Charlotte
2.- ASTM D 1883-99, CBR (California Bearing Ratio) of Laboratory-Compacted Soils.
3.- MTC E 132-1999, CBR de Suelos (Laboratorio)

326


Anexo F

F8.1 OBJETIVO

Las partículas planas y alargadas son aquellas cuya dimensión última es menor que 0.6
veces su dimensión promedio y aquellas que son mayores 1.8 veces la dimensión promedio.
Para este ensayo se considera que la dimensión promedio es el tamaño medio entre las dos
aberturas 1” a ¾”, ¾” a ½”, ½”a 3/8”, etc. entre las que los agregados son retenidos al ser
tamizados.
Después de haber sido tamizadas las partículas planas y alargadas se separan usando
como patrón los aparatos que se muestran en las figuras F8.1 y F8.2. Las partículas planas
pueden ser separadas rápidamente pasándolas por cribas con ranuras, pero en este caso,
se necesita un tipo de criba para cada tamaño. El porcentaje por peso de las partículas
planas y alargadas se le designa con el nombre de índice de aplanamiento e índice de
alargamiento.
F8.2 EQUIPOS

1.
2.
3.
4.
5.

Calibrador de aplanamiento y alargamiento.
Tamices. 2 ½”; 2”, 1 ½”, 1”, ¾”; ½”; 3 8 ”; ¼”.
Bandejas
Cuarteador
Balanza. Sensibilidad de 0.1% el peso de la muestra que se ensaya.

F8.3 PREPARACIÓN DE LA MUESTRA

1. Separar por cuarteo una muestra representativa
2. Tamizar por las mallas indicadas y determinar el peso retenido entre dos mallas
consecutivas. Wi
3. Separar el material retenido en cada malla para ser ensayado
Nota
Si el porcentaje retenido entre dos mallas consecutivas es menor al 5%, no se ensaya.
Si el porcentaje retenido entre dos mallas consecutivas está entre 5% y 15%, se separarán
un mínimo de 100 partículas. Determinar su peso con aproximación al 0.1%.
Si el porcentaje retenido entre dos mallas consecutivas es mayor al 15%, se separarán un
mínimo de 200 partículas. Determinar su peso con aproximación al 0.1%.
327


Anexo F

F8.1: Calibrador de Espesores


328


Anexo F

F8.2: Calibrador de Longitud


329


Anexo F


1. Cada una de las muestras separadas se hace pasar por el calibrador de espesores en la
ranura cuya abertura corresponda a la fracción que se ensaya.
2. Pesar la cantidad de partículas de cada fracción, que pasaron por la ranura
correspondiente, aproximación al 0.1% del peso total de la muestra de ensayo. Pi
3. Cada una de las muestras separadas se hace pasar por el calibrador de longitud por la
separación entre barras correspondiente a la fracción que se ensaya.
4. Pesar la cantidad de partículas de cada fracción, retenida entre las dos barras
correspondientes, aproximación al 0.1% del peso total de la muestra de ensayo. Ri
F8.5 CÁLCULOS
Índice de aplanamiento:

IAPfi %

Pi
Wi

100

Donde:
IAPfi Índice de aplanamiento de la fracción i, ensayada
Pi
Peso de las partículas que pasan por la ranura correspondiente
Wi
Peso inicial de ésa fracción
Índice de alargamiento:
IAL fi %

Ri
Wi

100

Donde:
IALfi Índice de alargamiento de la fracción i, ensayada
Ri
Peso de las partículas retenidas entre las correspondientes barras
Wi
Peso inicial de ésa fracción
Para ambos índices, los resultados se deberán redondear al entero superior más próximo.
F8.6 INFORME

Los índices se expresan en función del peso total de la muestra, se calcula el promedio
ponderado de los respectivos índices de todas las fracciones ensayadas, empleando como
factores de ponderación los porcentajes retenidos, Ri, e indicando la granulometría de la
muestra. Aplicar las siguientes expresiones:
IAPfi R i
IAL fi R i
Indice de Aplanamiento
Indice de Alargamiento
Ri
Ri
F8.9 REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA
Índice de Aplanamiento y Alargamiento de Agregados para Carreteras. MTC E221-1999

330


Anexo F

Foto NºF8.1: Partículas aplanadas y alargadas


331


Anexo F

F9.1 GRAVEDAD ESPECIFICA

La gravedad específica del agregado es necesaria para determinar el contenido de vacíos de la
mezclas asfálticas compactadas. Por definición, la gravedad específica de un agregado es la
relación del peso por unidad de volumen de un material respecto del mismo volumen de agua a
aproximadamente 23ºC (73.4ºF). La ecuación usada es:

Peso
Volumen peso especifico del agua

Cuando se trabaja en el SI, el peso especifico del agua es 1.0gr/cm3, convirtiendo la ecuación
de la gravedad específica en:
Peso
Volumen
Además, existen tres diferentes gravedades específicas relacionadas al diseño de mezclas
asfálticas en caliente que definen el volumen de las partículas de agregados:
Gravedad Específica Seca Aparente
Gravedad Específica Seca Bulk (Base Seca) y Saturada Superficialmente Seca Bulk 2
Gravedad Específica Efectiva
Para ilustrar los conceptos listados utilizaremos el esquema peso-volumen de la partícula de
agregado
Poros permeables
al agua

Poros impermeables
al agua

2

Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design and Construction. National Center for Asphalt Technology 1996

332


Anexo F

Esquemáticamente las relaciones peso-volumen se muestran a continuación:

Vpp

Vap
Vpp-Vap

Vs (Ws)

Esquema de Relaciones entre las Diferentes Gravedades Específicas
de una partícula de agregado

Donde:
Vs
Vpp
Vap
Vpp-Vap
Ws

Volumen del agregado seco incluyendo los vacíos impermeables
Volumen de poros permeables al agua
Volumen de poros que absorbieron asfalto
Volumen de poros permeables al agua menos los poros que absorbieron asfalto
Peso de agregado secado al horno

Nota
El agregado contiene poros impermeables que no se detallarán en las ecuaciones pero que es
implícito se están considerando.
Gravedad Específica Seca Aparente
Poros impermeables

Gravedad específica seca aparente

Peso del agregado seco
Volumen del agregado


333


Anexo F

Gravedad específica seca aparente

G sa

Ws
Vs

La gravedad específica seca aparente incluye solamente el volumen de las partículas de
agregado mas los poros impermeables.
Gravedad Específica Seca Bulk (Base Seca)
Poros impermeables

Poros permeables

Gravedad específica Seca Bulk

Peso del agregado seco
Volumen del agregado mas los poros permeables

Gravedad específica Seca Bulk

G sb

Ws
Vs Vpp

Incluye volumen total de las partículas de agregados mas el volumen de poros llenos con agua
luego de 24 horas de inmersión.
Gravedad Específica Saturada Superficialmente Seca Bulk
Vacíos impermeables

Vacíos permeables

Grav. Esp. Sat. Sup. Seca Bulk

Peso del agregado saturado superficialmente seco
Volumen del agregado mas los poros permeables

Grav. Esp. Sat. Sup. Seca Bulk

G SSS b

Wsss
Vs Vpp


334


Donde:
WSSS

Anexo F

Peso del Suelo Saturado Superficialmente Seco

La gravedad específica saturada superficialmente seca bulk define la relación entre el peso del
agregado en su condición saturada superficialmente seca, que se obtiene secando las
partículas con un paño luego de la inmersión, y el volumen del agregado más los vacíos
permeables.
La gravedad específica Saturada Superficialmente Seca Bulk es usada por la U.S. Corps of
Engineers para el diseño y control de Mezclas Asfálticas en Caliente cuando se usan
agregados con porcentajes de absorción mayores que 2.5%.
La gravedad específica Seca Bulk y Seca Aparente de agregados gruesos y finos se pueden
determinar con las normas ASTM C-127 y C-128, respectivamente.
F9.2 GRAVEDAD ESPECÍFICA EN AGREGADOS GRUESOS, ASTM C-127

La muestra a ser evaluada se satura y pesa en su condición saturada superficialmente seca,
ver fotos F9.1 y F9.2. El procedimiento es como sigue:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
A
B
C

Aproximadamente 5 kg. de material retenidos en la malla Nº4 (4.75 mm) se lava y seca
hasta que alcance peso constante.
La muestra seca se sumerge por 24 horas en agua.
Los agregados se sacan del agua y secan superficialmente con ayuda de una toalla.
Se obtiene el peso de la muestra en su condición superficialmente seca.
La muestra saturada superficialmente seca se coloca en una cesta de alambre y se
determina el peso de la muestra sumergido en agua.
La muestra se seca al horno hasta obtener peso constante.
La gravedad específica se calcula según:
peso en el aire del agregado seco al horno, gr.,
peso en el aire del agregado saturado superficialmente seco, gr.
peso del agregado saturado superficialmente seco sumergido en agua, gr.
A

Gravedad específica seca aparente, G sa

A

C
A

Gravedad específica seca Bulk, G sb

B

C

Gravedad específica saturada superficialmente seca Bulk, G sssb
Absorción(%)

B

B
B

C

A 100
A


335


Tanque
de agua

Anexo F

Cesta

Agregado

Toalla para
secado

Foto F9.1: Se muestra el agregado grueso sumergido en agua, la toalla para
secar la muestra, una cesta para pesar el suelo saturado superficialmente
seco bajo el agua y un tanque de agua


336


Anexo F

Foto F9.2: La muestra de agregado grueso se seca con ayuda de una toalla


337


Anexo F

F9.3 GRAVEDAD ESPECÍFICA EN AGREGADOS FINOS, ASTM C-128

El método es como sigue, ver fotos F9.3, F9.4 y F9.5:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
A
B
C
D

Aproximadamente 1000 gr. de agregado fino se seca a peso constante.
Se sumerge el material por 24 horas en agua.
La muestra se extiende en una superficie plana y se expone a una corriente de aire
caliente.
La condición saturada superficialmente seca se alcanza cuando el material cae al
invertirse el cono en el que la muestra del material fue suavemente compactada.
Aproximadamente 500 gr. del material en la condición saturada superficialmente seca se
colocan en un matraz que se llena con agua y se eliminan los aires atrapados.
El agregado se saca del matraz, se seca al horno a peso constante
La gravedad específica se calcula de la siguiente manera:
peso en el aire del agregado seco al horno, gr.,
peso del matraz (picnómetro) con agua, gr.
peso del matraz (picnómetro) con el agregado y agua hasta la marca, gr.
Peso del material saturado superficialmente seco (500+10 gr)

Gravedad específica seca aparente, G sa
Gravedad específica seca Bulk, G sb

A
B A C
A
B D C

Gravedad específica sat. sup. seca Bulk, G sssb
Absorción(%)

D
B D C

D A
100
A


338


Anexo F

Foto F9.3: La muestra de agregado fino saturada, se seca hasta que alcance su
condición saturada superficialmente seca, esta condición se
verifica con el método del cono.


339


Anexo F

Foto F9.4: Se considera que el agregado está en su condición saturado superficialmente
seco cuando la arena del cono no se derrumba al ser removido éste.


340


Anexo F

Foto F9.5: Una vez que la muestra alcanzó la condición saturada superficialmente seca,
se colocan aproximadamente 500 gr de muestra en una fiola para determinar su
volumen. La fiola se agita para eliminar los vacíos de aire atrapados. Se agrega agua si
es necesario. Se pesa la fiola con el agregado y el agua.


341


Anexo G

G1.1 INTRODUCCIÓN
El ensayo de penetración es un método empírico usado para medir la consistencia del cemento
asfáltico. Por lo general la penetración se mide a 25ºC que es el promedio de las temperaturas
de servicio del pavimento.
Esta norma considera los cementos asfálticos con penetraciones menores de 350 dmm.
Materiales con penetraciones entre 350 y 500 requieren de aparatos especiales.
G1.2 DEFINICIÓN
El ensayo de penetración consiste en colocar una muestra de asfalto en un recipiente estándar
a una temperatura de 25ºC, controlado por un baño de agua. La muestra es penetrada por una
aguja de 100 gr. por 5 segundos. La profundidad de penetración se mide en décimas de
milímetro (dmm) que son las unidades de penetración. Por ejemplo, si la aguja penetra 8 mm,
la penetración del asfalto es 80.
El ensayo de penetración se puede realizar a otras temperaturas como 0, 4 y 46ºC. Para estas
corridas la carga de la aguja y el tiempo de penetración varía. Por ejemplo, a 4ºC el cemento
asfáltico es rígido, la penetración con una aguja de 100 gr por 5 s es inferior que si el ensayo se
realizase a 25ºC. A esta temperatura se emplea una aguja de 200 gr de peso y 60 segundos de
penetración.
G1.3 EQUIPOS
Equipo de Penetración
Será un equipo que permita que el vástago de la aguja se mueva verticalmente sin fricción y
que sea capaz de medir la profundidad de penetración con una aproximación de 0.1 mm. El
peso del vástago será 47.5 0.05g. El peso total de la aguja con el fijador será de 50 0.05g.
Además se deberá contar con pesos adicionales de 50 0.05g y 100 0.05g, para cargas
totales de 100 g y 200 g, como se requieran en las condiciones del ensayo. El apoyo de la
muestra, en el equipo de penetración, deberá ser una superficie plana, la aguja deberá formar
aproximadamente 90º con esta superficie.
Aguja de Penetración


343


Anexo G

La aguja debe ser de acero inoxidable de aproximadamente 50 mm (2 pulg.) de longitud y de
1.00 a 1.02 mm (0.0394 a 0.0402 pulg.) de diámetro. La aguja deberá estar montada
rígidamente sobre un zuncho de bronce o de acero inoxidable, la longitud expuesta deberá
estar entre los límites de 40 a 45 mm (1.57 y 1.77 pulg.). El peso del ensamblado aguja y
zuncho deberá ser de 2.50 0.05g.
Contenedor de Muestras
El contenedor de muestra será de vidrio o metal, de forma cilíndrica y de fondo plano. Sus
dimensiones serán de 55 mm de diámetro y 35 mm de altura interna para penetraciones debajo
de 200 y 70 mm de diámetro y 45 mm de altura interna para penetraciones entre 200 y 350.
Baño de Agua
Para la inmersión de la muestra se deberá contar con un baño de agua de por lo menos 10 l.,
que permita mantener la temperatura de ensayo. El baño deberá contar con una placa soporte
perforada colocada a una distancia no menor de 50 mm desde el fondo y no mas de 100 mm
debajo del nivel superior del líquido en el baño.
Si el ensayo se va realizar en el mismo baño de agua, se deberá disponer de una plataforma
resistente para soportar el equipo de penetración.
Cápsula de Transferencia
Deberá tener una capacidad de 350 ml y altura suficiente de agua para cubrir todo el recipiente.
Deberá estar provisto con algunos medios para obtener un apoyo firme y prevenir el balanceo
del recipiente. Un soporte de tres pies de contacto para el recipiente de la muestra es un medio
conveniente para asegurarlo.
Medidor de tiempo
Para penetrómetros operados manualmente se puede emplear un reloj eléctrico, un cronómetro
u otro instrumento con aproximación a 0.1 s. en un intervalo de 60 s.
Si el ensayo se realizara con penetrómetros automáticos, el dispositivo deberá estar calibrado
para proporcionar el tiempo de ensayo con exactitud de 0.1 s.
La precisión de todos los instrumentos de medición deberán ser verificados antes del inicio del
ensayo.
Termómetros
Se deberá contar con termómetros que permitan controlar la temperatura en el baño. Estos
termómetros serán de mercurio con varilla de vidrio y con error máximo de 0.1ºC.
G1.4 PREPARACIÓN DE LA MUESTRA
1. Se deberá tomar una muestra de aproximadamente 400 a 500 gr. La muestra deberá ser
representativa del total y no deberá estar contaminada.

344


Anexo G

2. Calentar la muestra hasta que se haga lo suficientemente fluida para vaciarla, removerla
periódicamente de tal manera que no existan sobrecalentamientos. En ningún caso la
temperatura de calentamiento será mayor de 100ºC por encima del punto de
ablandamiento. El tiempo total de calentamiento no excederá los 30 min, evitándose la
formación de burbujas.
3. Vaciar el asfalto al contenedor de muestras, que también ha sido calentado a temperatura
semejante a la del asfalto. La profundidad será tal que cuando alcance la temperatura de
prueba, sea por lo menos 10 mm mayor que la profundidad a la cual se espera que la aguja
penetre. Se prepararán dos moldes para cada material a ser evaluado.
4. Las muestras se deben dejar enfriar a temperatura ambiente. Los contenedores deberán
ser cubiertos con vasos de vidrio invertidos para evitar que sean contaminados por polvo.
Se dejarán por un período de 1 a 1.5 horas para contenedores pequeños y de 1.5 a 2 horas
para los mas grandes. Luego de este tiempo se sumergen los moldes en el baño de agua a
la temperatura de ensayo. Permitir que el recipiente pequeño (3 oz.) permanezca de 1 a
1.5 h. y el más grande (6 oz.) de 1.5 a 2 h.
G1.5 CONDICIONES DE ENSAYO
Las condiciones de ensayo serán las indiciadas en la tabla siguiente:
Temperatura
ºC (ºF)
0 (32)
4 (39.2)
25 (77)
46.1 (115)

Carga
g
200
200
100
50

Tiempo
s
60
60
5
5

Las condiciones de ensayo deberán indicarse.
G1.6 ENSAYO
1. Limpiar la aguja de penetración con algún solvente adecuado. Insertar la aguja al
penetrómetro, colocar un peso de 50 g sobre la aguja, a menos que se indique lo contrario,
haciendo la carga total movible de 100
0.1 g. Si las pruebas son hechas con el
penetrómetro en el baño, colocar el recipiente de muestra directamente sobre el soporte
sumergido del penetrómetro. Mantener el recipiente de muestra completamente cubierto
con el agua en el baño. Si las pruebas son hechas con el penetrómetro fuera del baño,
colocar el contenedor en la cápsula de transferencia, cubrir el recipiente completamente con
agua del baño a temperatura constante y colocar la cápsula de transferencia sobre el
soporte del penetrómetro.
2. Bajar el agua hasta que haga contacto con la superficie de la muestra. Anotar la lectura en
el dial del penetrómetro o poner en cero el indicador.


345


Anexo G

3. Permita que la aguja baje por el período de tiempo especificado. Finalmente se lee y anota
la distancia que haya penetrado la aguja en la muestra, esta lectura se expresa en décimas
de milímetro.
4. Se realizan tres penetraciones en la muestra. Las penetraciones se realizan a distancias no
menores de 10 mm entre sí y de la pared del recipiente.
5. Si se emplea la cápsula de transferencia, retornar la muestra y la cápsula al baño de
temperatura constante entre determinaciones.
6. Usar una aguja limpia para cada determinación
7. Cuando las penetraciones mediadas sean más profundas de 200, se usarán al menos tres
agujas, dejándolas en la muestra hasta que las tres determinaciones se hayan completado.
G1.7 REPORTE
Reportar el promedio de las tres penetraciones redondeado a la unidad mas cercana. Las
lecturas de penetración no deben diferir en:
Penetración
Máxima diferencia entre
La mas alta y baja de las lecturas

0 a 49
2

50 a 149
4

150 a 249
6

>249
8

Si las diferencias son mayores a las indicadas en el cuadro, el ensayo deberá volver a
realizarse.


346


Anexo G

G2.1 FUNDAMENTO
Todos los agregados son porosos, y algunos lo son más que otros. La porosidad se determina
sumergiendo los agregados en un baño y determinando la cantidad de líquido que absorbe.
La capacidad de un agregado para absorber agua (o asfalto) es un factor importante que debe
ser cuantificado en el diseño de mezclas asfálticas. Si un agregado es altamente absorbente,
entonces continuará absorbiendo asfalto después del mezclado inicial, disminuyendo la
cantidad de asfalto para ligar las demás partículas de agregado. Por ello, un agregado más
poroso requiere cantidades mayores de asfalto de las que requiere un agregado con menos
porosidad.
Los agregados altamente porosos y absorbentes normalmente no son usados, a menos que
posean características que los hagan deseables. Algunos ejemplos de dichos materiales son la
escoria de alto horno y ciertos agregados sintéticos. Estos materiales son altamente porosos,
pero también son livianos en peso y poseen alta resistencia al desgaste.
El concepto de adherencia en el diseño de mezclas asfálticas está relacionado a la afinidad del
agregado por el asfalto, es la tendencia del agregado a aceptar y retener una capa de asfalto.
Las calizas y las dolomitas tienen alta afinidad con el asfalto; sin embargo, también son
hidrofóbicas (repelen el agua) porque resisten los esfuerzos del agua por separar el asfalto de
sus superficies.
Los agregados hidrofílicos (que atraen el agua) tienen, por otro lado, poca afinidad por el
asfalto. Por consiguiente, tienden a separarse de las películas de asfalto cuando son expuestas
al agua. Los agregados silíceos (cuarcita y algunos granitos) son ejemplos de agregados
susceptibles al desprendimiento y deben ser usados con precaución.
Como se ha explicado el concepto de adherencia no está necesariamente ligado al concepto
de porosidad.
Los agregados usados en construcción de carreteras se obtiene del abastecimiento de rocas
naturales locales. Las rocas naturales son clasificadas geológicamente en tres grupos
dependiendo de su origen: ígneas, sedimentarias y metamórficas. Otro tipo de agregados
usados en mezclas asfálticas en caliente son los agregados livianos, producto de arcillas
calentadas a temperaturas muy altas, y escorias de altos hornos. Estos dos agregados
proporcionan buena resistencia al patinaje cuando se usan en mezclas asfálticas en caliente.


347


Anexo G

En la siguiente tabla se resumen propiedades deseables de rocas para agregados utilizados en
Mezclas Asfálticas en Caliente.

Tipo de Roca

Dureza/Tenacidad

Resistencia al
desprendimiento*

Textura
superficial

Forma
fracturada

Ígnea:
Regular
Regular
Granito
Regular
Regular
Bueno
Sienita
Regular
Regular
Regular
Bueno
Diorita
Regular
Regular
Bueno
Bueno
Basalto
Bueno
Bueno
Bueno
Bueno
Diabasa
Bueno
Bueno
Bueno
Bueno
Bueno
Bueno
Gabro
Bueno
Sedimentaria:
Regular
Bueno
Bueno
Pobre
Caliza, dolomia
Bueno
Bueno
Bueno
Regular
Arenisca
Bueno
Pobre
Regular
Bueno
Chert
Lutita
Regular
Regular
Pobre
Pobre
Metamórfica:
Bueno
Bueno
Regular
Regular
Gneis
Regular
Bueno
Regular
Regular
Esquisto
Regular
Regular
Regular
Bueno
Pizarra
Bueno
Bueno
Regular
Bueno
Cuarcita
Regular
Regular
Bueno
Pobre
Mármol
Regular
Regular
Regular
Serpentina**
Bueno
*Agregados hidrofílicos tienden a separar más fácilmente las películas de asfalto.
** Es un mineral que se forma por alteración de las rocas ultrabásicas
Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design and Construction. National Center for Asphalt
Technology1996

G2.2 OBJETIVO
Este método describe los procedimientos de revestimiento e inmersión estática para determinar
la capacidad de retención de una película bituminosa sobre una superficie de agregado en
presencia del agua. Este método es aplicable para cementos asfálticos y RC. Donde se desee
evitar el desprendimiento, se puede agregar algún aditivo.
G2.3 EQUIPOS DE LABORATORIO
1.
2.
3.
4.
5.
6.

Tamices. De 3/8”, 1/4” y bandeja
Recipiente. De porcelana
Recipiente. De vidrio de 500 ml de capacidad
Horno. Capaz de mantener temperaturas de 60º-149º
Baño maría para asfalto. con controlador automático
Balanza. De 200 0.1 gr de precisión

1.1ºC


348


Anexo G

7. Espátula acerada. De 1” de ancho y 4” de longitud
8. Bitúmen. Que debe ser del mismo tipo de que se va usar en obra. Si se propone algún
aditivo químico, éste debe adicionarse al Bitúmen en la cantidad especificada, y antes de
mezclar enteramente el especímen.
9. Agua destilada. Con pH entre 6 y 7
G2.4 PREPARACIÓN DE LA MUESTRA
1. Tamizar el agregado grueso por las mallas 3/8” y 1/4”.
2. Se lava la muestra retenida en la malla ¼” con agua destilada para eliminar los finos y se
lleva a secar en horno a la temperatura 110ºC hasta que mantenga un peso constante.
G2.5 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO
1. Calentar el agregado y bitúmen a la temperatura de mezcla, Tabla No. G2.1
2. Pesar 100 1gr. del agregado y verterlo en un recipiente de porcelana. Para el Caso 3 (ver
Tabla No. G2.2) incorporar a los agregados 2 ml de agua destilada, mezclar hasta que las
partículas estén completamente humedecidas. Pesar el recipiente con el agregado.
3. Incorporar en el recipiente de porcelana, que aún se encuentra en la balanza, la cantidad
de material bituminoso, especificado en la Tabla No. G2.1 ó en la nota.
4. Con una espátula caliente se mezcla vigorosamente hasta que el agregado quede
totalmente revestido con el material bituminoso.
5. La mezcla se vierte en un recipiente de vidrio de 500 ml de capacidad y se lleva al horno
por espacio de 2 hr. a la temperatura indicada en la Tabla No. G2.1, para ser curado.
6. Transcurrido el tiempo se retira el recipiente del horno, se remezcla con la espátula
mientras la mezcla enfría a temperatura ambiente.
7. Incorporar aproximadamente 400 ml de agua destilada a 25ºC.
Tabla No. G2.1: Temperatura para Mezcla del Material Bituminoso
(Ensayo de Adherencia ASTM D-1664)
Material
Asfalto Líquido, grados 30 y 70
Asfalto Líquido 250 (RC-250)
Asfalto Líquido grado 800
Asfalto Líquido grado 3000
Alquitrán grados RT-1, RT-2, RT-3
Alquitrán grados RTCB-5, RTCB-6
Cementos Asfálticos PEN: 40-50, 60-70, 85-100

Temperatura (ºC)
T. ambiente
35 3
52 3
68 3
60 3
60 3
71 3
93 3
142 3

Si el material bituminoso no se encuentra en la tabla, la temperatura de mezclado es la
Temperatura Ambiente.

349


Anexo G

Tabla No. G2.2
Cantidad de Material Bituminoso a incorporar
(Ensayo de Adherencia ASTM D-1664)
Caso

Condición del
agregado

1
2

5.5 0.2 gr.
Agregado seco

3
4

Material
bituminoso

8.0 0.2 gr.
5.5 0.2 gr.

Agregado
húmedo

5.5 0.2 gr.

Tiempo de Tiempo de
curado inmersión en
agua
Asfaltos Líquidos
2.0 min.
60ºC
2 hr.
16-18 hr.
Emulsiones asfálticas
5.0 min.
135ºC
2 hr.
16-18 hr.
Cemento Asfáltico
No
2.0-3.0 min.
16-18 hr.
requiere
Asfaltos Líquidos
5.0 min.
60ºC
2 hr.
16-18 hr.
Tiempo de Tº de
mezcla
curado

8. El frasco se lleva al baño maría que contiene agua a 25º C, hasta una altura que alcance
las ¾ partes de la altura del vaso de vidrio. Es importante indicar que la temperatura debe
mantenerse constante.
9. El frasco se tendrá en el baño maría por un período de 16 a 18 horas.
10. Retirar la muestra y sin agitar o alterar el agregado revestido, quitar alguna película que
flota en la superficie del agua. Determinar por observación el porcentaje del área total
visible del agregado que queda revestido sobre o debajo del 95%, algunas áreas o aristas
traslúcidas o parduzcas se consideran como totalmente revestidas.
11. En el informe se mencionará si el porcentaje de área revestida es mayor o menor a 95%,
consignándose como (+ 95) ó (– 95), respectivamente.
G2.6 NOTA DEL PROCEDIMIENTO DE ENSAYO
Para el caso de agregados secos revestidos con cemento asfáltico PEN 40-50, 60-70 y 85-100
y alquitranes: RT-10, RT-11 y RT-12. El procedimiento es similar salvo en los siguientes ítems:
1. En el ítem 1:
Si la mezcla es agregado seco y asfalto:
Calentar por separado el agregado y asfalto en horno a temperatura constante de 135149ºC por espacio de una hora.
Si la mezcla es agregado seco y alquitrán:
Calentar por separado el agregado en horno a temperatura constante de 79-107ºC y el
alquitrán a temperatura constante de 93-121ºC.


350


Anexo G

2. En el ítem 3:
Colocar el recipiente de mezcla sobre una malla de asbesto o material aislante para
retardar el enfriamiento, incorporar al agregado 5.5 0.2 gr. de bitumen calentado. Mezclar
por 2.0 min. y dejar que la mezcla se enfríe a temperatura ambiente.
3. En el ítem 5:
No requiere de curado
4. Todos los demás pasos son similares.
G2.7 OBSERVACIONES AL ENSAYO
Los resultados del ensayos son subjetivos, esto limita el alcance que tiene a porcentajes
mayores al 95%. No se intentará conocer, por éste método, el porcentaje de asfalto retenido
por el agregado por debajo del 95%.
G2.8 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ASTM D 1664-80, Test Coating and Stripping of Bitúmen-Aggregate Mixtures.
MTC E517-1999, Cubrimiento de los Agregados con Materiales Asfálticos (incluye emulsiones)
en presencia del agua (Stripping) Mezclas Abiertas y/o T.S.


351


Anexo G

Foto No. G2.1: Calentar el bitúmen a la temperatura de mezcla

Foto No. G2.2: Incorpore en el recipiente con el agregado, la cantidad de material
bituminoso especificado

352


Anexo G

Foto No. G2.3: Con una espátula caliente se mezcla vigorosamente hasta que el
agregado quede totalmente revestido con el material bituminoso

Foto No. G2.4: Determinar por observación el porcentaje del área total visible del
agregado que queda revestido sobre o debajo del 95%

353


Anexo G

G3.1 FUNDAMENTO
La arena que forma parte de una mezcla asfáltica debe tener propiedades químicas adecuadas
que permitan la elaboración de una mezcla uniforme, que cumpla con todos los requisitos de
durabilidad; una de ellas es medir la adhesividad de los ligantes bituminosos respecto de una
arena, natural o de machaqueo, cuando la mezcla árido-ligante se somete a la acción de
soluciones de carbonato de sodio a concentraciones crecientes.
G3.2 OBJETIVO
El ensayo de Riedel Weber tiene por finalidad determinar el grado de adhesividad del agregado
fino con el asfalto. Se describirán los métodos de ensayo en el siguiente orden: Norma
Francesa D.E.E. MA8-1938, Norma Española NLT-355/74, Norma Chilena No. LNV10-86 y
Norma MTC 220-1999 en forma paralela y se hará hincapié en caso los procedimientos sean
diferente. El ensayo emplea material que pasa las siguientes mallas:
Norma

Pasa el tamiz

Retiene en el tamiz

Francesa D.E.E. MA8-1938

Nº30

Nº80

Española NLT-355/74

Nº30

Nº70

Chilena No. LNV10-86

Nº30

Nº100

MTC 220-1999

Nº30

Nº70

Este material se mezcla con asfalto y se ensaya con carbonato de sodio a diferentes
concentraciones molares. Todas las normas pueden aplicarse a todos los ligantes bituminosos,
betunes de penetración, betunes fluidificados, alquitranes y emulsiones bituminosas.
1. Tamices. De abertura cuadrada correspondiente a la norma de ensayo y bandeja. La norma
española emplea dos tamices de abertura cuadrada que estén de acuerdo con las normas
UNE 7.050 (ASTM D:E11-70) de los siguientes tamaños: Tamiz 0.63 UNE (ASTM Nº30) y
Tamiz 0.20 UNE (ASTM Nº70)
2. Estufa. Que alcance y mantenga temperaturas de 145 5ºC

354


Anexo G

3. Cápsula. De porcelana de 300 ml de capacidad
4. Balanza. De 1 kg de capacidad, sensibilidad de 0.1 gr.
5. Balanza. De 200 gr. de capacidad, sensibilidad de 0.01 gr.
6. Tubos de ensayo. De 1.3 cm de diámetro y 15 cm de altura 1 , resistentes al calor (pirex)
7. Soporte para tubos de ensayo
8. Fiola. de 500 ml de capacidad resistente al calor (pirex)
9. Vaso de pirex. De 400 ml de capacidad
10. Espátula
11. Mechero
12. Cronómetro. De 10 minutos
13. Chisguete de agua
G3.4 PREPARACIÓN DE LA SOLUCIÓN
El carbonato sódico puro (Na2CO3) anhidro y agua, H2O, destilada forman la solución de
carbonato de sodio. Para preparar la disolución a diferentes concentraciones, se debe disolver
el peso de Carbonato de Sodio indicado en la Tabla No. G3.1, según la concentración que se
desee obtener, hasta completar un litro de agua destilada.
Tabla No. G3.1
Peso de Na2CO3 por litro de disolución
CONCENTRACIÓN DE
DISOLUCIONES MOLARES
H2O destilada
M/256
M/128
m/64
m/32
m/16
m/8
m/4
m/2
m/1

CO3Na2
Gr/lt
0.414
0.828
1.656
3.313
6.625
13.250
26.500
53.000
106.000

GRADO
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9

Nota.- Preferentemente las disoluciones se prepararán de nuevo para
cada ensayo o tandas de ensayo a realizar, y no se utilizarán aquellas que
lleven elaboradas más de 4 días 2 .

G3.5 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO
1. Extraer una muestra representativa por cuarteo.
1
2

La norma española emplea tubos de ensayo de 2.0 cm de diámetro y 20.0 cm de altura
Adhesividad de los Agregados Bituminosos a los áridos Finos (Procedimiento Riedel-Weber) MTC E220-1999


355


Anexo G

2. En el caso de la Norma Española y del MTC, si la muestra de árido recibido en el
laboratorio proceda de piedra de cantera o de gravera, se procede a su cuarteo y posterior
machaqueo hasta obtener una arena; si la muestra de árido recibida es una arena natural o
arena de machaqueo se separa por sucesivos cuarteos el material necesario para el
ensayo.
3. Tamizar aproximadamente 200 gr de agregado fino por las requeridas según norma de
ensayo.
Norma Francesa, se tamiza el material por las mallas Nº30 y Nº80, usando la porción
retenida en el tamiz inferior.
Norma Española y MTC, la fracción del material obtenida por cuarteo se lava para eliminar
totalmente el polvo que pueda contener, seguidamente se seca en estufa a la temperatura
de 145 5ºC durante 1 hora.
Norma Chilena, la muestra se tamiza por vía húmeda por la malla Nº200, se seca a
110 5ºC y se deja enfriar a temperatura ambiente, luego se procede a tamizar por las
mallas Nº30 y Nº100.
4. Si el ligante a emplear es: cemento asfáltico de penetración, fluidificado o fluxado, o
alquitrán, la proporción de mezcla árido-ligante es de 71 volúmenes del árido seco con 29
volúmenes de ligante (la relación correspondiente de masas se calcula a partir de las
densidades respectivas). Además, las normas Española, MTC y Chilena incorporan como
ligante a la emulsión bituminosa de la siguiente manera:
Norma Española y MTC, la proporción de mezcla árido-ligante es de 71 volúmenes del
árido seco con 95 volúmenes de ligante al 50%.
Norma Chilena, la proporción de mezcla árido-ligante es de 71 volúmenes del árido seco
con 29 volúmenes de emulsión.
5. En la cápsula de porcelana precalentada a la temperatura de mezcla, se incorpora con una
espátula caliente el árido con el ligante, debiendo lograr una mezcla homogénea y
revestimiento total de las partículas. La temperatura de mezcla será de acuerdo a la Tabla
No. G3.2.
6. Dejar enfriar a temperatura ambiente aproximadamente por 1 hora. Para el caso de mezcla
con emulsión las normas consideran:
Norma Española y MTC, luego del período de enfriamiento, se decanta el líquido en
exceso que acompaña la muestra y se deja reposar durante 24 horas.
Norma Chilena, Una hora después de efectuada la mezcla se cura en horno durante 24
horas a la temperatura de 35 3ºC.
7. Preparar 10 esferas de 0.50 gr. de la mezcla, pesadas en una balanza con precisión de
0.01gr.
8. En 10 tubos de ensayo se introducen las esferas preparadas con la mezcla, enumerándolas
de 0 a 9. En el tubo marcado con “0”, se incorpora 2.0 ml de agua destilada para la norma
Francesa, y 6 ml en el caso de las normas Española y MTC, marcar en el tubo la superficie
libre que alcanza el agua. Colocarlo sobre el mechero con ayuda de una pinza.
9. En el momento en que entra en ebullición se controla 1 minuto con el cronómetro, retirar el
tubo de ensayo y añadir agua destilada con chisguete hasta el nivel inicial. Agitar
vigorosamente por 10 segundos y observar si existe desprendimiento del asfalto en el
agregado fino.

356


Anexo G

10. Si no se observa desprendimiento alguno, se repiten los pasos 9 y 10 con el tubo 1,
incorporando el volumen (según punto 9) de carbonato de sodio a la concentración m/256;
así sucesivamente hasta que se observe algún desprendimiento entre el ligante y la arena,
para el caso de la norma Francesa. En las normas Española, MTC y Chilena se continúa
con el ensayo hasta que se produzca el desplazamiento total, si el desprendimiento es
parcial continuar con mayores concentraciones molares.
11. Se asignará el índice de adhesividad correspondiente a la concentración empleada, según
la Tabla No.G3.1. Si no hay desprendimiento se asignará el grado 10.
Tabla No. G3.2
Temperatura de mezcla según norma de ensayo
Norma

Francesa D.E.E.
MA8-1938

Española
NLT-355/74

MTC220-1999
(orientativo)

Mezcla con:
Betún

Temperatura ºC
150ºC
140 – 175

Betún fluidificado Según el asfalto a
utilizar
Betún fluxado

70ºC

Alquitrán
Emulsión
bituminosa

70ºC

70 – 110

Ambiente

Ambiente

Chilena No.
LNV10-86
110 5ºC

25 – 110
50 – 110
20 3ºC

G3.6 EVALUACIÓN
1. Norma Francesa: Como Indice de Adhesividad se le asignará al número correspondiente a
la menor de las concentraciones ensayadas con la que se produce algún desprendimiento.
2. Norma Española y MTC definen los siguientes términos:
Desplazamiento total, cuando prácticamente todos los granos de la arena aparecen limpios,
pudiendo comprobarse porque los granos están sueltos o porque al hacer rodar entre los
dedos el tubo de ensayo, los granos de arena siguen libremente la rotación imprimida al
tubo ( para ello se puede utilizar como referencia a un tubo de ensayo sin ligante,
conteniendo de 5 a 6 ml de agua para comparar su aspecto o movimiento al rodar el tubo
de ensayo entre los dedos.
Desplazamiento parcial, cuando los granos de la arena aparecen semi-limpios manteniendo
una liga o cohesión entre ellos, en este caso los granos de arena envueltos por el ligante
permanecen aglomerados en el fondo del tubo de ensayo.
Para apreciar la adherencia entre el árido-ligante después del ensayo, no se considera el
ligante que aparezca en la superficie del tubo de ensayo, solo debe tenerse en cuenta el
aspecto que ofrezca la masa de mezcla que queda en el fondo del tubo.

357


Anexo G

G3.7 INFORME
Norma Francesa
En el informe se menciona el tipo de asfalto y como índice de adhesividad el número
correspondiente a la menor de las concentraciones ensayadas con la que se produce algún
desplazamiento del ligante bituminoso en la superficie del árido, de acuerdo con la Tabla No.
G3.1.
Normas Española, MTC y Chilena
En el informe se menciona el tipo de asfalto y como índice de adhesividad el número
correspondiente a la menor de las concentraciones ensayadas con la que se produce un
desplazamiento total del ligante bituminoso de la superficie del árido, de acuerdo con la
Tabla No. G3.1.
Si con alguna concentración inferior a la que produjo el desplazamiento total, se observó
desplazamiento parcial, se expresará la adhesividad con dos números: el correspondiente
a la concentración menor con la que se produce algún desplazamiento y el que produce el
desplazamiento total.
Si se produjese desplazamiento total del ligante con solamente agua destilada, se asignará
el Indice 0 de Adhesividad.
Si la solución molar de carbonato de sodio M/1 no produce desplazamiento del ligante
bituminoso, el indice de adhesividad de la mezcla es 10.
G3.8 Observaciones
1.- La evaluación se hará observando el desprendimiento que se produce por efecto de la
ebullición de la solución. El grado de adhesividad se determina en función de la
concentración de la solución para la cual se produce el desprendimiento.
2.- La arena que será usada como agregado para mezclas asfálticas deberá tener un Índice de
Adhesividad mayor de 4. Para el caso que tenga índice de adhesividad menor, se podrá
ensayar con aditivos mejoradores de adherencia.
Comission Technigur Rile M 17 BM “Bitumes et Materiaux Bitumineux” Norma Española NLT355/74
Adhesividad de los Agregados Bituminosos a los Áridos Finos (Procedimiento Riedel-Weber).
MTC E220-1999
Adhesividad a los Áridos Finos de los Ligantes Bituminosos (Procedimiento Riedel-Weber),
Norma NLT-355/74. Ing. Pablo Del Águila


358


Anexo G

Foto No. G3.1: Calentar el ligante que será mezclado con el árido

Foto No. G3.2: Preparar 10 esferas de 0.50 gr. de la mezcla. En 10 tubos de ensayo se
introducen las esferas preparadas con la mezcla, enumerándolas de 0 a 9. Colocarlo
sobre el mechero con ayuda de una pinza.

359


Anexo G

Foto No. G3.3: En el momento en que entra en ebullición se controla 1 minuto con el
cronómetro, retirar el tubo de ensayo y añadir agua destilada con chisguete hasta el
nivel inicial. Agitar vigorosamente por 10 segundos y observar si existe desprendimiento
del asfalto en el agregado fino.


360


Anexo G

G4.1 FINALIDAD
El ensayo de destilación se emplea para determinar las proporciones relativas de cemento
asfáltico y disolventes presentes en el asfalto líquido. Durante el proceso de ensayo se
podrá medir las cantidades de disolvente que destilan a diversas temperaturas, dando un
indicativo de las características de evaporación del mismo. Estas, a su vez, indican la
velocidad a que el material curará después de su aplicación.
G4.2 OBJETIVO
El proceso de ensayo consiste en la destilación de una muestra de 200 cm3 de asfalto
líquido en un matraz de 500 cm3, elevando la temperatura y midiendo los volúmenes de
disolvente que se recepcionan en una probeta, a temperaturas especificadas. El material
que quede en el matraz será el residuo de destilación.
1. Matraz. De 500 cm3 mostrado en la Fig. No. G4.1.
2. Condensador recto de vidrio. De 200 a 300 mm de largo
3. Alargadera. De 1 mm de espesor de pared y borde reforzado, con ángulo de 105º y 18
mm de diámetro en su extremo superior y 5 mm en el inferior
4. Pantalla metálica. De hierro galvanizado forrado interiormente con amianto de 3 mm de
grosor y provisto de ventanas rectangulares cubiertas de mica transparente.
5. Mechero de gas graduable
6. Chimenea de hierro
7. Probetas. De 100 cm3 de capacidad
8. Termómetro de destilación. ASTM E-1, de -2ºC a 400º C de 1ºC de error máximo
9. Balanza. De 5 kg. de capacidad y 1.0 gramo de aproximación
10. Sujetadores
En la Figura No.G4.2 se muestra el Equipo de Destilación.

362


Anexo G

25 + 1.2 mm

75 + 3°

102 + 2.0 mm

105 + 3 mm

135 + 5 mm

diámetro interno
10 + 0.5 mm

220

1.0 a 1.5 mm
de pared
+ 5 .0
mm

Figura G4.1: Matraz de 500 cm3 de capacidad


363


Anexo G

Termómetro

Tapón de corcho

600 a 700
75 5

Protector
Ventana de mica

475 2.5

Matraz
6.5
Chimenea

Dos mallas
metálicas
Tapón de
corcho

Mechero

Alargadera
Camisa

No menos
de 25.4

Papel secante

Soporte

Probeta

Cotas en mm

Figura No.G4.2 se muestra el Equipo de Destilación


364


Anexo G

G4.4 PROCEDIMIENTOS DE ENSAYO
1. Armar el equipo de destilación según la Figura No. G4.2, teniendo el cuidado de que
todas las conexiones del equipo de destilación queden herméticamente cerradas para
evitar fuga de vapores, que el termómetro quede fijado en posición vertical y alineado
con el eje del matraz.
2. Agitar la muestra que será ensayada para conseguir homogeneidad, calentarla si fuera
necesario. Si la muestra contiene más del 2% de agua, deshidrátese el material antes de
la destilación para que no produzca espuma 1 .
3. Pesar el matraz lavado, secado al horno y frío con el protector.
4. Incorporar al matraz el peso equivalente a 200 cm3 de la muestra, con aproximación a
0.5 gr., calculado según su peso específico.
5. Montar el matraz, colocar el termómetro y hacer circular el agua para que condense el
vapor.
6. Prender el mechero y regularlo de tal manera que, luego de iniciado el proceso de
ebullición, la primera gota caiga en la probeta entre los 5 y 15 minutos.
7. La velocidad de destilación debe ser controlada durante todo el ensayo, debiendo
cumplir las siguientes especificaciones 2 :
Temperatura
(ºC)
Desde
Hasta
0
225
226
260
261
315
316
360

Velocidad de
Destilación (gotas/min)
50 a 70
50 a 70
20 a 70
10 minutos

8. Si la muestra produce espuma se reduce la velocidad de destilación, normalizándola tan
pronto como sea posible. Si el exceso de espuma persiste, se puede controlar la
destilación aplicando la llama cerca del borde del matraz, en vez de hacerlo hacia el
centro.
9. Cuando la lectura en el termómetro sea de 360ºC se saca y apaga el mechero, al
terminar el goteo se hace la lectura.
10. Las lecturas de volumen en la probeta son a las siguientes temperaturas: 225ºC, 260ºC,
315ºC y 360ºC, con aproximación de 0.5 cm3. Anotar, si lo hubiera, el volumen de agua
destilada.
11. El residuo se deja enfriar en un lugar sin corrientes de aire, luego se agita y se vierte en
los moldes apropiados para los ensayos que requiera.

1

Destilación de Asfaltos líquidos MTC E313-1999
“Si la muestra produce espuma, se reduce la velocidad de destilación, normalizándola tan pronto como sea posible”.......”Si el
exceso de espuma persiste, aplicar la llama . MTC E313-1999

2

366


Anexo G

G4.5 CÁLCULOS
1. Residuo
El porcentaje de residuo con respecto a la muestra original es de:
Volumen que queda
100
Volumen inicial
200 VD
100
200

R%
R%

(1)

Donde:
R
VD

Residuo asfáltico (%)
Volumen destilado a 360ºC

2. Porcentaje total destilado
El porcentaje destilado a 360ºC es:
Volumen destilado
Volumen inicial
Volumen destilado
200

VD %
VD %

100
100

(2)

3. Porcentaje de las fracciones destiladas
El porcentaje de las fracciones destiladas es con respecto al 100% destilado:
VPD Tº C %

Volumen parcial destilado a Tº C
100
Volumen destilado a 360º C

(3)

Donde:
VPDTºC

Volumen destilado a la temperatura TºC

G4.6 OBSERVACIONES
1. Mediante éste proceso de destilación se obtiene el disolvente y asfalto que el refinador
empleó en la fabricación del cut back.

367


Anexo G

2. Los ensayos sobre el residuo asfáltico no son necesariamente característicos del asfalto
básico empleado originalmente para la obtención del producto, ni del residuo que pueda
quedar al cabo de un tiempo dado después de la aplicación 3
3. Se deben corregir las temperaturas de destilación si la altura del laboratorio se
encuentra a partir de 150 m.s.n.m., según la siguiente tabla:
Tabla No. G4.1: Corrección de temperatura por altitud
Destilación de Asfalto Líquido ASTM D-402

Altitud
m.s.n.m.
-305
-152
0
152
305
457
610
762
914
1067
1219
1372
1524
1676
1829
1981
2134
2286
2438

Temperaturas de lectura a diferentes altitudes
(ºC)
192
227
263
318
362
191
226
261
317
361
190
225
260
316
360
189
224
259
315
359
189
224
258
314
358
188
223
258
313
357
187
222
257
312
356
186
221
256
312
355
186
220
255
311
354
185
220
254
310
353
184
219
254
309
352
184
218
253
309
351
183
218
252
307
350
182
217
251
306
349
182
216
250
305
349
181
215
250
305
348
180
215
249
304
347
180
214
248
303
346
179
213
248
302
345

G4.7 EJEMPLOS
Ejemplo 1
Se ensayó una muestra de RC-250 con 0.958 gr/cm3 de peso específico.
1. Peso del matraz con protector (A) = 430 gr.
2. Cálculo del peso de la muestra:
Peso de muestra
Si Pe 0.958 gr/cm3 , entonces: Pe
Volumen inicial
3

Destilación de Asfaltos Líquidos MTC E313-1999

368


Anexo G

Se requiere de 200 cm3 para el ensayo, despejando:
Peso de muestra Pe Volumen

Peso de muestra 0.958 200
Peso de muestra 191.6 gr
3. Peso de (A)+Peso de muestra = 621.6 gr.
4. Durante el ensayo las lecturas fueron:
Temperatura
(ºC)
225
260
315
360

Volumen destilado
(ml)
20.2
29.8
36.6
41.0

5. Cálculo del porcentaje de residuo con respecto a la muestra original, aplicando la
ecuación(1)
200 41
100
R%
200
R % 79.5%
6. Cálculo del porcentaje total destilado a 360ºC aplicando la ecuación (2)

VD %
VD %

41
100
200
20.5%

7. Cálculo porcentual de las fracciones destiladas a diferentes temperaturas, aplicando la
ecuación (3)
Temperatura
(ºC)
225

Fracciones destiladas
(%)
20.2/41*100=49.3

260

29.8/41*100=72.7

315

36.6/41*100=89.3

Ejemplo 2
Se ensayó una muestra de MC con 0.923 gr/cm3 de Peso Específico
1. Peso del matraz con protector (A) = 430 gr.
369


Anexo G

2. Cálculo del peso de la muestra:
Si Pe 0.923 gr/cm3 , entonces:
Pe

Peso de muestra
Volumen inicial

Se requiere de 200 cm3 para el ensayo, despejando:
Peso de muestra Pe Volumen

Peso de muestra 0.923 200
Peso de muestra 184.6 gr
3. Peso de (A)+Peso de muestra = 614.6 gr.
4. Durante el ensayo las lecturas fueron:
Temperatura
(ºC)
225

Volumen destilado
(ml)
30.5

260

44.2

315

56.1

360

70.5

5. Cálculo del porcentaje de residuo con respecto a la muestra original, aplicando la
ecuación1
200 70.5
100
R%
200
R % 64.8%
6. Cálculo del porcentaje total destilado a 360ºC aplicando la ecuación 2

VD %
VD %

70.5
100
200
35.2%

7. Cálculo porcentual de las fracciones destiladas a diferentes temperaturas, aplicando la
ecuación (3)
Temperatura
(ºC)
225

Fracciones destiladas
(%)
30.5/70.5*100=43.3

370


Anexo G

260

44.2/70.5*100=62.7

315

56.1/70.5*100=79.6

Carreteras, Calles y Aeropistas. Ing. Raúl Valle Rodas
Destilación de Asfaltos Líquidos. ASTM D 402
Destilación de Asfaltos Líquidos. MTC E313-1999

371


Anexo G

G5.1 INTRODUCCIÓN
Las mezclas asfálticas pueden denominarse densas, open-graded o gap-graded. Estas
denominaciones dependen de la granulometría de la mezcla. Todo diseño de mezclas
asfálticas parte del diseño de los agregados.
Los agregados pueden proceder de diferentes canteras, la calidad de los materiales deberá
ser evaluado en el laboratorio para verificar si cumple con las especificaciones técnicas.
En esta guía se evaluará la granulometría de los agregados y su combinación para cumplir
con las especificaciones de la mezcla. Si el lector desea revisar información respecto de los
diferentes tipos de mezcla podrá remitirse al Capítulo 9 de este libro.
G5.2 COMBINACIÓN DE AGREGADOS
Son diferentes los métodos que se puedan emplear para la combinación de agregados,
entre ellos está la dosificación de los agregados por peso y por métodos gráficos. El método
gráfico no se describirá en esta parte del texto porque ya está descrito en el Capítulo 3,
cuando se combinan los agregados para materiales de préstamos como son las bases, sub
bases y afirmados.
1. Dosificación de los agregados por peso
La fórmula básica es:
P

Aa Bb Cc etc.

Donde:
P
A, B, C, etc
a, b, c, etc

Porcentaje promedio de las especificaciones en un tamiz
Porcentaje de material que pasa un tamiz para la granulometría A, B, C, etc
Proporción de agregados A, B, C, etc. usado en la combinación. La suma es
1

Combinación de dos agregados
P Aa Bb

Sabiendo que a+b=1, a=1-b; y reemplazando en la ecuación, se tiene:
372


b

Anexo G

P-A
B-A

y

a

P B
........(1)
A B

Ejemplo 1
Determinar la dosificación de los dos agregados mostrados en la siguiente tabla, para que
cumplan con la granulometría especificada.
Tamiz Nº
Agregado A
Agregado B
Especificaciones

3/4"
100
100
100

Porcentaje que pasa
1/2"
3/8"
Nº4 Nº8 Nº30 Nº50 Nº100
90
59
16
3,2
1,1
0
0
100
100
96
82
51
36
21
80-100 70-90 50-70 35-50 18-29 13-23 8-16

Nº200
0
9,2
4-10

Solución
Elija el tamiz que en cuyo porcentaje pasante sea mayor la diferencia de los agregados A y
B, para el problema es el tamiz Nº8.
Usando los porcentajes del tamiz Nº8 y reemplazando en la ecuación (1), se obtienen las
proporciones:
P-A
b
B- A
42.5 3.2
0.50
b
82 3.2
a b 1

a 0.50

Combinar los agregados en las proporciones encontradas para a y b.

Tamiz Nº
0,50*A
0,50*B
Total
Promedio deseado

3/4"
50
50
100
100

1/2"
45
50
95
90

Porcentaje que pasa
3/8" Nº4 Nº8
29,5
8
1,6
50
48
41
79,5
56
42,6
80
60
42,5

Nº30 Nº50 Nº100 Nº200
0,55
0
0
0
25,5
18
10,5
4,6
26,05 18
10,5
4,6
23,5
18
12
7

El porcentaje en el tamiz Nº200 está en el límite inferior, razón por la que debemos
incrementar la proporción del agregado B a 0.55 y volver a calcular los valores combinados.
Tamiz Nº

3/4"

Porcentaje que pasa
1/2" 3/8" Nº4 Nº8

Nº30

Nº50

Nº100 Nº200

373


Anexo G

0,45*A
45,0 40,5 26,6 7,2
1,4
0,5
0
0
0
0,55*B
55,0 55,0 55,0 52,8 45,1 28,1 19,8
11,6
5,1
Total
100 95,5 81,6 60,0 46,5 28,5 19,8
11,6
5,1
Especificaciones
100 80-100 70-90 50-70 35-50 18-29 13-23 8-16 4-10
Se observa que el tamiz Nº30 está cerca del límite superior, debiendo reducir la proporción
de B a 0.52 ó 0.53.
Combinación de tres agregados
Ejemplo 2
Asumiendo que se debe incorporar filler en la combinación, C, combinar los agregados
presentados en la tabla.

Tamiz Nº
Agregado A
Agregado B
Agregado C
Especificaciones

3/4"
100
100
100
100

Porcentaje que pasa
1/2" 3/8" Nº4 Nº8 Nº30 Nº50 Nº100 Nº200
90
59
16
3,2
1,1
0
0
0
100 100
96
82
51
36
21
9,2
100 100 100 100 100
98
93
82
80-100 70-90 50-70 35-50 18-29 13-23 8-16 4-10

Solución
De la observación, el tamiz en cuyo porcentaje pasante sea mayor la diferencia entre los
agregados A y B, es el Nº8. El agregado A tendrá que incrementarse en porcentaje en la
Nº8.
Calcular la proporción aproximada del agregado A, empleando la siguiente ecuación:

a
a
a

P B
A B
42.5 82
3.2 82
0.50

Se examina el porcentaje que pasa en el tamiz Nº200 cuyos valores se sustituyen en la
ecuación principal.
P Aa Bb Cc
7 0.50 9.2b 82c
y

b c

1 - 0.50

b c

0.50

374


Anexo G

reemplazando y despejando, se obtiene:
c 0.03

b 0.47

la dosificación resultante es: 50% del agregado A más 47% del agregado B y 3% del
agregado C.
G5.3 EJEMPLO DE DISEÑO GRANULOMÉTRICO DE MEZCLAS CONVENCIONALES
Se tienen los siguientes materiales de cantera:
Tamiz
Pulg.

mm

Grava

Arena

Filler

Espec. TMN ¾”

3”

75.0

2”

50.0

1 ½”

37.5

1”

25.0

100

¾”

19.0

97.54

100

90-100

3/8”

9.5

3.62

96.79

56-80

Nº4

4.75

0.81

60.12

35-65

Nº8

2.375

0.81

38.93

23-49

Nº20

0.85

0.81

23.32

Nº40

0.425

0.81

14.95

Nº50

0.300

0.81

10.89

Nº100

0.150

0.81

4.52

Nº200

0.075

0.81

1.75

Cu

1.45

20.32

Cc

0.93

1.37

SUCS

GP

SW

100

5-19
100

2-8

Cemento

La especificación corresponde a una mezcla de gradación densa de tamaño máximo
nominal de ¾”. En la tabla 9.3: Especificaciones para Gradaciones Densas, ASTM D3515,
del capítulo 9 de este libro podrá encontrar las especificaciones para diferentes tamaños
máximos nominales.

Determinar el porcentaje de participación de cada granulometría de tal manera que cumpla
con las especificaciones técnicas.

375


Anexo G

Dosificando por peso se obtiene que con 30% de grava, 65% de arena y 5% de filler se
cumple con las especificaciones para TMN ¾”. En la siguiente tabla se muestran los
porcentajes para cada uno de ellos:
Tamiz
Pulg.

Espec. TMN ¾”

mm

30% grava 65% arena 5% filler

3”

75.0

2”

50.0

1 ½”

37.5

1”

25.0

30

65

5

100

100

¾”

19.0

29.26

65

5

99.26

90-100

3/8”

9.5

1.06

62.91

5

68.97

56-80

Nº4

4.75

0.24

37.87

5

43.11

35-65

Nº8

2.375

0.24

25.30

5

30.55

23-49

Nº20

0.85

0.24

15.16

5

20.40

Nº40

0.425

0.24

9.71

5

14.95

Nº50

0.300

0.24

7.08

5

12.32

Nº100

0.150

0.24

2.94

5

8.18

Nº200

0.075

0.24

1.14

5

6.38

5-19
2-8

Gráficamente se tendrá:
Rango para Mezcla Convencional de TMN 3/4"
100
90
80
70

Rango superior
60

Rango inferior

50
40
30
20
10

100

10

1

ABERTURA (mm)

0.1

0
0.01

376


Anexo G

G6.1 APLICACIÓN
El siguiente procedimiento será aplicado solamente a mezclas asfálticas en caliente,
preparadas con cemento asfáltico y agregados no mayores de 2.54 cm (1 pulg.), el diámetro
del molde Marshall será de 101.6 mm (4 pulg.). Cuando el tamaño de la partícula excede los
2.5 cm (1 pulg.) se emplean moldes de 152.4 mm (6 pulg.), este procedimiento no es
aplicable a ese tipo de muestras.
1. Molde de Compactación. Consiste de una placa de base plana, molde y collar de
extensión cilíndricos. El molde tiene un diámetro interior de 101.6 mm (4”) y altura
aproximada de 76.2 mm (3”); la placa de base plana y el collar deben ser
intercambiables. Ver Figura No. G6.1
2. Martillo de compactación con base plana circular de apisonado de 98.4 mm (3 7/8”) de
diámetro, equipado con un pisón de 4.54 kg (10 lb.) de peso total, cuya altura de caída
es de 457.2 mm (18“). Ver Figura No. G6.2.
3. Pedestal de compactación. Base de madera cuadrada de 200.3 mm de lado y 457.2 mm
de altura (8”x8”x18”), en su cara superior tiene una platina cuadrada de acero de 304.8
mm de lado por 25.4 mm de espesor (12”x12”x1”), firmemente sujeta a la base. El
conjunto se deberá fijar firmemente a una superficie de concreto, de tal manera que la
platina de acero quede horizontal.
4. Extractor de Muestras de Asfaltos. Para extraer el especimen del molde, en forma de
disco con diámetro de 100 mm (3.95”) y 12.7 mm (1/2”) de espesor.
5. Soporte para molde o portamolde. Dispositivo con resorte de tensión diseñado para
sostener rígidamente el molde de compactación sobre el pedestal.
6. Mordaza. Consiste de dos semi-cilindros, con un radio de curvatura interior de 50.8 mm
(2”) de acero enchapado para facilitar su fácil limpieza. El segmento inferior termina en
una base plana con dos varillas perpendiculares que sirven de guía. Ver Figura No.G6.3
y G6.4.
7. Medidor de deformación. Consiste en un deformímetro dividido en centésimas de
milímetro. Estará sujeto al segmento superior y cuyo vástago se apoyará, cuando se
realiza el ensayo, en una palanca ajustable acoplada al segmento inferior. Las
deformaciones del anillo se medirán con un deformímetro graduado en 0.001 mm. Ver
Figura No.G6.4.
377


Anexo G

8. Prensa. Para llevar a la falla a la muestra, será mecánica con una velocidad uniforme de
50.8 mm/min.
9. Medidor de Estabilidad. La resistencia de la probeta en el ensayo se medirá con un
anillo dinamométrico acoplado a la prensa, de 20 kN (2039 kgf) de capacidad, con una
sensibilidad de 50 N (5 kgf) hasta 5 kN (510 kgf) y 100 N (10 kgf) hasta 20 kN (2 039
kgf). Las deformaciones del anillo se medirán con un deformímetro graduado en 0.001
mm.
10. Discos de Papel Filtrante de 4 pulg.
11. Horno. Horno capaz de mantener la temperatura requerida con un error menor de 3 ºC
(5 ºF) se emplea para calentar los agregados, material asfáltico, conjunto de
compactación y muestra.
12. Baño. El baño de agua con 150mm (6”) de profundidad mínima y controlado
termostáticamente para mantener la temperatura a 60º 1 ºC (140º 1.8 ºF), deberá
tener un falso fondo perforado o estar equipado con un estante para mantener las
probetas por lo menos a 50.8 mm (2”) sobre el fondo del tanque.
13. 2 Recipientes de dos litros de capacidad para calentar los agregados y para mezclar el
asfalto y agregado.
14. Tamices. De 50 mm (2”), 37.5 mm (1 1/2”), 25 mm (1”), 19.0 mm (3/4”), 12.5 mm (1/2”),
9.5 mm (3/8”), 4.75 mm (Nº 4), 2.36 mm (Nº 8), 300 m (Nº 50) y 75 m (Nº 200).
15. Termómetros blindados. De 10ºC a 232ºC (50ºF a 450ºF) para determinar las
temperaturas del asfalto, agregados y mezcla, con sensibilidad de 3ºC. Para la
temperatura del baño de agua se utilizará termómetro con escala de 20ºC a 70ºC y
sensibilidad de 0.2ºC (68ºF a 158ºF + 0.4ºF).
16. Balanza.
Para pesar agregados y asfalto de 5 kg. de capacidad, y sensibilidad de un 1 gr.
Para pesar probetas compactadas de 2 kg. de capacidad y sensibilidad de 0.1 gr.
17. Parafina
18. Pirex de 500 cm3
19. Guantes de cuero. Para poder manipular el equipo caliente
20. Crayolas para identificar las probetas
21. Bandejas taradas
22. Espátulas
Las fotos de la G6.1 a la G6.4 muestran el equipo básico que se necesita para el ensayo
Marshall.

378


Anexo G

Detalle A

Detalle A

Figura No. G6.1 Conjunto de molde, placa base y collar.

379


Anexo G

Figura No. G6.2: Martillo de compactación Marshall

380


Anexo G

Figura No. G6.3: Mordaza Marshall

381


Anexo G

Figura No. G6.4: Dispositivo de ensayo de la probeta y mordazas
G6.3 PROCEDIMIENTOS PREVIOS
Se deben realizar los siguientes pasos antes de preparar la mezcla:
Paso A: Evaluación de agregados
A.1 Realice los ensayos de abrasión en la Máquina de Los Ángeles, resistencia a los
sulfatos, equivalente de arena, presencia de sustancias deletéreas, caras de fractura y
chatas y alargadas.
382


Anexo G

A.2 Si el agregado pasó los controles de calidad del paso A.1, se debe realizar el diseño
granulométrico de los agregados, gravedad específica y absorción.
A.3 Gravedad específica bulk del agregado grueso (AASHTO T85 ó ASTM C127) y del
agregado fino (AASHTO T84 ó ASTM C128). Calcule la gravedad especifica de la
combinación de agregados.
Paso B: Evaluación del cemento asfáltico
B.1 Determine el grado apropiado de cemento asfáltico a emplear, según el tipo y ubicación
geográfica del proyecto, verificar que las propiedades especificadas sean aceptables.
B.2 Calcular la gravedad especifica del cemento asfáltico (AASHTO T228 ó ASTM D70) y
del filler (AASHTO T100 ó ASTM D854) y grafique la viscosidad versus temperatura (Carta
de Viscosidad).
B.3 Determinar la temperatura de mezcla y compactación según la carta de viscosidad.
1. La temperatura de mezcla del cemento asfáltico será el correspondiente al rango de
viscosidad de 170 20 centistokes (1 centistoke =1 mm2/s).
2. La temperatura de compactación se encuentra en el rango de viscosidad de 280 30
centistokes
Paso C: Preparación de los Especimenes Marshall
C.1 Secar los agregados hasta obtener peso constante entre 105ºC y 110ºC, separarlos por
tamizado en las mallas sugeridas:
1” a ¾”
¾” a 3/8”
3/8” a Nº4
Nº4 a Nº8
Pasa Nº8
Fijada la composición en tanto por ciento de cada árido para obtener la granulometría total
de la mezcla que se desea, se calcula el peso necesario de cada uno de ellos para realizar
el amasado de 18 especimenes, aproximadamente 1150 gr. en cada uno, un total de 22 kg y
un galón de cemento asfáltico.
C.2 Pese los agregados para cada especímen por separado y caliéntelos a la temperatura
de mezcla, según paso B.4. El peso total de agregado se determinará en el paso C.3.

383


Anexo G

Foto No. G6.1: Máquina de estabilidad Marshall con anillo de carga

384


Anexo G

Foto No.G6.2: Este conjunto muestra la placa de base plana, molde y collar
de extensión del molde de compactación, Martillo de compactación y
Pedestal de compactación.

385


Anexo G

Foto No.G6.3: Para extraer la probeta compactada del molde se requiere el
extractor de muestras de asfaltos.

Foto No.G6.4: Martillo de compactación

386


Anexo G

Foto No.G6.5: Mordaza para rotura de especimenes Marshall
C.3 Generalmente se prepara un especímen de prueba, mida la altura del mismo (h1) y
verifique la altura requerida del especímen Marshall: 63.5 5.1 mm (2.5 0.20 pulg.). Si el
especímen está fuera del rango, ajuste la cantidad de agregados con la siguiente fórmula:
Q

h
1150 gr
h1

Donde:
Q
h
h1

Peso del agregado para un especímen de 63.5 mm (2.5 pulg.) de altura, gr.
Altura requerida, que será 63.5 mm ó 2.5 pulg.
Altura del especímen de prueba, mm (pulg)

C.4 Calentar a la temperatura de mezcla la suficiente cantidad de asfalto para preparar 18
especimenes; tres especimenes compactados por cada porcentaje de contenido de asfalto,
los incrementos porcentuales de asfalto son de 0.5% con por lo menos dos contenidos antes
y después del Optimo Contenido de Asfalto. A tres mezclas cerca al óptimo contenido de
asfalto se les mide la gravedad específica Rice o Máxima Densidad Teórica (TMD).
Nota.- No mantener el ligante por más de una hora a la temperatura de mezcla ni emplear
ligante bituminoso recalentado. Durante el período de calentamiento del ligante se debe
agitar frecuentemente dentro del recipiente para evitar los sobrecalentamientos.
C.5 De acuerdo a las especificaciones se determina el número de golpes por cara para la
compactación Marshall.
387


Anexo G

C.6 El recipiente en el que se realizará la mezcla será manchado con una mezcla de prueba
para evitar la pérdida de ligante y finos adheridos al recipiente, se limpiará solamente
arrastrando con una espátula todo el material posible. Colocar la cantidad de agregado
requerido en esa vasija y añada la cantidad de asfalto caliente necesario por peso, para el
porcentaje de cemento asfáltico de la mezcla deseada.
% Cemento asfáltico

Peso cemento asfáltico
Peso árido Peso cemento asfáltico

C.7 Mezclar el cemento asfáltico y agregados hasta que éstos estén totalmente cubiertos.
La mezcla puede hacerse manual o mecánicamente. Cuando la mezcla requiera filler, éste
se agregará luego que los agregados estén cubiertos por el ligante.
C.8 Verificar la temperatura de los materiales recién mezclados, si está sobre la temperatura
de compactación, deje enfriar; si está por debajo, elimine el material y prepare una nueva
muestra.
C.9 Se coloca dentro del conjunto del molde y la base del martillo compactador limpios, un
disco de papel filtrante de 10 cm de diámetro. Se calientan en el horno o en un baño de
agua a una temperatura comprendida entre los 93º a 149ºC. Verter la mezcla y emparejarla
con una espátula caliente 15 veces alrededor del perímetro y 10 veces en el interior. Limpiar
el material del collar y montura dentro del molde de tal manera que el medio sea ligeramente
mas alto que los bordes. Fijar el molde y base en el pedestal. Coloque el martillo
precalentado dentro del molde, y aplique el número de golpes según las especificaciones, la
altura de caída del martillo es de 18” (457 mm). Mantener el eje del martillo de compactación
perpendicular a la base del molde durante la compactación.
C.10 Retire el molde de la base. Coloque un papel filtrante en la superficie e inviértalo de tal
manera que la cara superficial se encuentre abajo. Reemplace el collar del molde y fíjelo
junto con la base en el pedestal. Aplicar el número de golpes especificados.
C.11 Después de la compactación remover la base y colocar el molde y collar sobre el
extractor de muestras. Con el molde y el collar de extensión hacia arriba en la máquina de
ensayo, aplicar presión y forzar el espécimen dentro del collar de extensión, levantar el
collar del espécimen. Cuidadosamente transferir el espécimen a una superficie plana,
dejarlo de pie para que repose de 12 a 24 horas a temperatura ambiente, identificarlos con
códigos alfanuméricos usando Crayolas.
C.12 Determine la gravedad especifica bulk de cada especímen tan pronto como las
probetas compactadas se han enfriado a la temperatura ambiente, según AASHTO T166.
Se determina calculando la relación entre su peso al aire y su volumen.
Pesar el especímen al aire.
Sumerja la muestra en agua por unos minutos, pesar la muestra en su condición
saturada superficialmente seca (SSD) en el agua.
388


Anexo G

Sacar la muestra del agua, secar el exceso de agua y pesar en su condición SSD en el
aire.
Calcular el volumen restando el peso del especímen SSD en el aire y el peso del
especímen SSD sumergida. La fórmula empleada será:
G mb

WD
WSSD

W sub

Donde:
Gmb
WD
WSSD
Wsub

Gravedad Específica Bulk de la muestra compactada
Peso del especímen al aire
Peso del especímen en su condición SSD en el aire
Peso del especímen sumergido

Se determina el peso específico bulk promedio de todas las probetas hechas con el mismo
contenido asfáltico. Los valores dispares no se incluyen en el cálculo para lo cual se tendrá
en cuenta el siguiente rango de variación con respecto al valor medio
Peso Específico Bulk

1%

Los valores calculados del peso específico bulk, así ensayados, dan resultados mas reales,
pero existe otro procedimiento de laboratorio que cabe destacar, es el que podemos
encontrar en las nuevas normas emitidas por el ministerio de Transportes, Comunicaciones,
Vivienda y Construcción.
El primer método se emplea cuando la textura superficial de las probetas es cerrada e
impermeable. El volumen de la probeta se obtiene restando el peso de la probeta en el aire
y el peso de la probeta sumergida en agua sin haber recubierto su superficie parafinada. La
fórmula empleada será:
WD
G mb
WD W sub
Donde:
Gmb Gravedad Específica Bulk de la muestra compactada
WD
Wsub Peso del especímen sumergido
El segundo método se aplica a mezclas cuya superficie es abierta y permeable. El volumen
aparente se determina restando el peso de la probeta en el aire y el peso de la probeta en el
agua pero habiéndola recubierto previamente de una capa de parafina. El peso específico
bulk viene dado por la fórmula:
WD
G mb
WpD WD
WpD - Wppsub p
389


Anexo G

Donde:
Gmb
WD
WpD
Wppsub
p

Peso del especímen parafinado en al aire
Peso del especímen parafinado en el agua
Peso específico de la parafina

Los especimenes deben pesarse antes de ser parafinados, a continuación se sumergen en
un recipiente con parafina caliente. Si es necesario, se da pinceladas de parafina en los
puntos mal cubiertos. Dejar enfriar la parafina durante media hora y determinar el peso en el
aire a la temperatura ambiente e inmediatamente se pesa en agua 3 .
C.13 Calcule la gravedad especifica Rice en las mezclas asfálticas en caliente (Gmm) de
acuerdo a la norma AASHTO T209, su valor se emplea en el cálculo de los vacíos. Si la
mezcla contiene agregados absorbentes se recomienda colocarla en el horno
(manteniéndola a la temperatura de mezcla) por cuatro horas de tal manera que el cemento
asfáltico sea absorbido completamente por el agregado entes del ensayo. Mantener la
mezcla en un recipiente tapado mientras se encuentra en el horno. Si el ensayo se hace por
triplicado en la mezcla que contiene un porcentaje cerca al óptimo contenido de asfalto,
promediar los tres resultados; calcule la gravedad específica efectiva de los agregados.
Si se realiza el cálculo de la gravedad específica Rice en cada una de las muestras a
diferentes contenidos de asfalto, calcular la gravedad específica efectiva de agregados en
cada caso. Calcule el promedio de las gravedades específicas efectivas y el promedio de las
gravedades específicas Rice.
En ausencia de datos proporcionados por el Método Rice, la gravedad específica puede
calcularse con una relación matemática que considera las gravedades específicas bulk y
aparente de los componentes de la mezcla:
100
G mm
% asfalto % grueso % fino % filler
A
G sa asfalto
B
C
Siendo:
G sb G sa
A
, para el agregado grueso
2
G sb G sa
B
, para el agregado fino
2
G sb G sa
, para el filler
C
2

3 Gravedad Especifica Aparente y Peso Unitario de Mezclas Asfálticas Compactadas Empleando Especimenes Parafinados. MTC
E506-1999

390


Anexo G

Donde:
Gsb
Gsa

Gravedad específica bulk
Gravedad específica aparente

Paso D: Densidad y vacíos de los especimenes
Se refiere a las relaciones peso-volumen, completando los cálculos con los siguientes
pasos:
D.1 Para cada especímen, use la gravedad específica bulk (Gmb) del paso C.12 y gravedad
específica Rice de la mezcla (Gmm) para C.13. Calcular el porcentaje de vacíos en el total de
la mezcla, VTM.
G
VTM
1 - mb
100
G mm
D.2 Calcular la densidad de cada especímen Marshall como sigue:
Densidad (g/cm 3 )

G mb

w

D.3 Calcule el porcentaje de vacíos en el agregado mineral, VMA, para cada especímen
Marshall usando la gravedad específica bulk en los agregados (Gsb) para los pasos A.2, la
gravedad específica bulk de la mezcla compactada (Gmb) para el paso C.12, y el contenido
de asfalto por peso de mezcla total (Pb)

VMA

1-

G mb 1 Pb
G sb

100

D.4 Calcule el porcentaje de vacíos llenos de asfalto para cada especimen Marshall usando
el VTM y VMA como sigue:
VFA

VMA - VTM
VMA

100

Paso E: Estabilidad Marshall y Ensayo de Flujo
E.1 Calentar el agua del baño a 140ºF (60ºC) y colocar los especimenes a ser ensayados
por un período de 30 a 40 minutos. Los especimenes se ubicarán de manera escalonada
para que todos los especimenes sean calentados el tiempo especificado antes de ser
ensayados.
E.2 Se limpian perfectamente las superficies interiores de las mordazas de rotura y se
engrasan las barras guía con una película de aceite de manera que la mordaza superior se
391


Anexo G

deslice libremente. Luego de calentarlos el tiempo necesario, se irán sacando uno a la vez,
quitarles el exceso de agua con una toalla y colocarlo rápidamente en la mordaza Marshall.
E.3 Colocar el medidor de flujo sobre la barra guía marcada y compruebe la lectura inicial.
Aplicar la carga a una velocidad de deformación de 2 pulg/min (50.8 mm/minuto) hasta que
ocurra la falla, es decir, cuando se alcanza la máxima carga y luego disminuye según se lea
en el dial respectivo. El punto de rotura se define como la carga máxima obtenida y se
registra como el valor de estabilidad Marshall, expresado en Newtons (lbf). Mientras se está
determinando la estabilidad se mantiene firmemente el medidor de deformación en su
posición sobre la barra guía; libérese cuando comience a decrecer la carga y anote la
lectura. Este será el valor del “flujo” para la muestra expresado en centésimas de pulgada.
Por ejemplo si la muestra se deformó 3.8 mm(0.15”) el valor de flujo será de 15. Este valor
expresa la disminución de diámetro que sufre la probeta entre la carga cero y el instante de
la rotura.flujo en 0.01 pulgadas (0.25 mm). El ensayo se realiza en un minuto contados
desde que se saca el especímen del baño.
E.4 Repita los pasos E.2 y E.3 hasta que todos los especimenes sean ensayados.
1. El tiempo total transcurrido entre sacar el especímen del baño y aplicar la carga
es de 60 segundos como máximo.
2. El tiempo total en el agua de baño para cada juego de tres especimenes es entre
30 a 40 minutos.
Paso F: Tabulación y Gráfico de los Resultados de Ensayo
F.1 Tabule los resultados de ensayo, corrija los valores de estabilidad para cada especímen
(ASTM D1559), y calcule el promedio de cada tres juegos de especimenes.
F.2 Grafique:
1. Contenido de asfalto Vs. Densidad (por unidad de peso)
2. Contenido de asfalto Vs. Estabilidad Marshall
3. Contenido de asfalto Vs. Flujo
4. Contenido de asfalto Vs. Porcentaje de vacíos, VTM
5. Contenido de asfalto Vs. Porcentaje de vacíos del agregado mineral, VMA
6. Contenido de asfalto Vs. Porcentaje de vacíos llenos de asfalto, VFA
F.3 Revise la tendencia de cada gráfico:
1. La estabilidad versus el contenido de asfalto puede tener dos tendencias:
1.1 La estabilidad crece a medida que el contenido de asfalto aumenta,
alcanza un pico y luego decrecer.
1.2 La estabilidad decrece a medida que el contenido de asfalto aumenta y no
presenta un pico. Esta curva es común en mezclas asfálticas en caliente
recicladas.
2. El flujo crece con el incremento del contenido de asfalto.
392


Anexo G

3. La densidad crece con el incremento de asfalto, alcanzo un pico, y luego
decrece. La densidad pico usualmente ocurre a un contenido de asfalto mayor
que la estabilidad pico.
4. El porcentaje de vacíos de aire decrecerá con el crecimiento del contenido de
asfalto.
5. El porcentaje de vacíos del agregado mineral, VMA, decrece con el crecimiento
del contenido de cemento asfáltico, alcanza un mínimo, y luego crece.
6. El porcentaje de vacíos llenos de asfalto, VFA, crece con el incremento de
asfalto.
Paso G: Determinación del Optimo Contenido de Asfalto
G.1 Los siguientes dos métodos son comúnmente empleados para determinar el óptimo
contenido de asfalto de los gráficos:
Método 1.- El procedimiento NAPA, en TAS 14
1. El contenido de asfalto corresponderá al contenido de vacíos especificado (por lo
general 4%). Este es el óptimo contenido de asfalto.
2. Determine las siguientes propiedades en el óptimo contenido de asfalto de los
gráficos:
2.1 Estabilidad Marshall
2.2 Flujo
2.3 Porcentaje de vacíos del agregado mineral, VMA
2.4 Porcentaje de vacíos llenos de asfalto, VFA
3. Compare cada uno de estos valores con las especificaciones, si se verifican
todos los valores, el óptimo contenido de asfalto será el elegido. Si alguno de
estos valores estuviera fuera del rango la mezcla deberá ser rediseñada.
Método 2.- Método del Instituto del Asfalto en MS-2
1. Determine: (a) contenido de asfalto en la estabilidad máxima
(b) contenido de asfalto en la densidad máxima
(c) contenido de asfalto en el punto medio del rango de volúmenes de
aire especificado (4% típicamente)
2. Promediar los tres contenidos de asfaltos seleccionados
3. Para el promedio del contenido de asfalto, vea la curva ploteada y determine las
siguientes propiedades:
3.1. Estabilidad Marshall
3.2. Flujo
3.3. Porcentaje de vacíos del agregado mineral, VMA
3.4. Porcentaje de vacíos llenos de asfalto, VFA
4. Comparar los valores del paso 3 con los criterios de aceptación del siguiente
cuadro:

393


Anexo G

Criterio de Diseño Marshall para Superficies y Bases
Diseño de Mezclas
Método Marshall
Compactación
Nº golpes/cara
Estabilidad, lb(N)
Flujo
0.01 Pulg (0.25 mm)
Vacíos de aire, %
Vacíos en el
agregado mineral

Ligero
Mínimo Máximo

Tráfico
Medio
Mínimo Máximo

Pesado
Mínimo Máximo

35

50

75

750 (333)

1200 (5333)

1800 (8000)

8

18

8

16

8

14

3

5

3

5

3

5

Ver el gráfico siguiente

Mix Design Methods for Asphalt Concrete and Other Hot Mix Tipes. The Asphalt Institute, MS-2, May
1984

Relaciones entre Vacíos en el Agregado Mineral y Tamaño Máximo
con el criterio de carga sobrepuesta

1Standard Specifications for Wire Cloth Sieves for Testing Purposes, ASTM Designation EII (AASHTO
Designation M92).
2Para agregados chancados el tamaño máximo nominal es mayor que el tamaño del tamiz indicado
en las especificaciones sobre el cual el material está retenido.
3Para mezclas con 1% de tolerancia sólo serán permitidas cuando la experiencia indique que se
comportarán adecuadamente y cuando todos los demás criterios se hayan verificado.

Mix Design Methods for Asphalt Concrete and Other Hot Mix Types, The
Asphalt Institute, MS-2, May 1984

394


Anexo G

G.2 Encontrar el criterio de falla para alguna propiedad requerida es un trabajo especial para
determinar la mezcla que será empleada en la construcción. Si el criterio VMA no puede
hallarse, la gradación del agregado debe modificarse y volver a diseñar la mezcla.
G6.4 OBSERVACIONES
1. Este método está limitado al proyecto y control de mezclas asfálticas elaboradas en
planta estacionaria, en caliente, empleando cemento asfáltico.
2. Con el ensayo Marshall se determina la estabilidad y el flujo de mezclas asfálticas
cilíndricas, ensayadas a 60º C.
3. El valor de estabilidad se determina midiendo la carga necesaria para producir la falla del
espécimen, aplicada en sentido normal al eje.
4. La deformación vertical producida en el espécimen por dicha carga será el valor del flujo.
El valor de estabilidad expresa la resistencia estructural de la mezcla compactada, y está
afectado principalmente por el contenido de asfalto, la composición granulométrica y el tipo
de agregado.
5. El valor de flujo representa la deformación requerida para producir la fractura. Este valor
es una indicación de la tendencia de la mezcla para alcanzar una condición plástica, y
consecuentemente de la resistencia que ofrecerá la carpeta asfáltica a deformarse bajo la
acción de las cargas impuestas por los vehículos.
Los Asfaltos, Tecnología y Aplicaciones. Ingº Ricardo E. Bisso Fernández. Editado por
Petróleos del Perú – Petroperú S.A., Noviembre 1998
Standard Test Method for Resistance to Plastic Flow of Bituminous Mixtures Using
Marshall Apparatus. ASTM D1559-89
Resistencia de Mezclas Bituminosas empelando el Aparato Marshall. MTC E504-1999
Mix Design Methods for Asphalt Concrete and Other Hot Mix Tipes. The Asphalt Institute,
MS-2, May 1984
Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design and Construction. NAPA Research and
Education Foundation 1996

395


Anexo G

G6.6 EJEMPLOS
Ejemplo 1: Diseño de Mezclas
Agregados
Tamizar los agregados
X Combinar 4 tipos de agregados para que cumplan con las especificaciones:
Tamiz Nº
Agregado Número 1
Agregado Número 2
Agregado Número 3
Agregado Número 4
Especificaciones

1/2"
100
100
100
100
100

Porcentaje que pasa
3/8"
Nº4
Nº8 Nº16 Nº30 Nº50
89
3
1
1
1
1
100
58
10
8
5
4
100
99
81
71
46
26
100
100
99
94
86
68
95-100 47-77 52-70 46-63 37-57 24-39

Nº100
1
3
15
18
8-25

Nº200
0.1
2.2
10.0
2.5
2-8

X Determinar el porcentaje de cada agregado a ser usado para que cumpla con las
especificaciones. El cálculo se muestra en la siguiente tabla:
Porcentaje
Nº 1
(25%)
Nº 2
(25%)
Nº 3
(25%)
Nº 4
(25%)
Total
Especif.
Nº 1
(25%)
Nº 2
(15%)
Nº 3
(35%)
Nº 4
(25%)
Total
Especif.

Tamaño del tamiz
Nº8 Nº16
Nº30
Combinación 1

1/2"

3/8"

Nº4

Nº50

Nº100

Nº200

25

22

1

0

0

0

0

0

0,0

25

25

15

3

2

1

1

1

0,6

25

25

25

20

18

12

7

4

2,5

25

25

25

25

24

22

17

5

0,6

100
100

97
95-100

65
47-77

35
37-57

25
24-39

9
8-25

3,7
2-8

25

22

1

0

0

0

0

0

0,0

15

15

9

2

1

1

1

0

0,3

35

35

35

28

25

16

9

5

3,5

25

25

25

25

24

22

17

5

0,6

100
100

97
95-100

69
47-77

39
37-57

27
24-39

10
8-25

4,5
2-8

48
44
52-70 46-63
Combinación 2

55
50
52-70 46-63

396


Anexo G

X La combinación de agregados se determina por cualquiera de los métodos conocidos,
resultando 25% del agregado Nº1; 15% del agregado Nº2; 35% del agregado Nº3; y 25%
del agregado Nº4.
X La gravedad específica bulk de la combinación de agregados (Gsb) es 2.620
X La gravedad específica del cemento asfáltico se calculo y es 1.030
X Aproximadamente 20 especimenes de agregados fueron preparados usando las
proporciones calculadas
X La combinación de agregados fueron calculados a la temperatura especificada en ASTM
D1559 para el método Marshall. El peso total de cada especímen será suficiente para
preparar especimenes con 4” de diámetro y 2 ½” de altura.
Diseño de mezclas Marshall
X Las muestras calientes de agregados se mezclan con una cantidad de cemento asfáltico
por encima y debajo del óptimo contenido de asfalto
X Los especimenes se compactan con 75 golpes en cada lado con el martillo Marshall
X Se preparan tres muestras para cada porcentaje de cemento asfáltico. Se preparan un
total de 18 especimenes
X Luego de compactar las muestras se extraen los moldes y se dejan enfriar. Las
muestras se pesan secadas al aire (WD), dejar empapar por tres minutos en agua y
pesarlas sumergidas en agua (Wsub), retirarlas del agua, secarlas y pesar en el aire
(WSSD)
X La gravedad especifica bulks de la muestra Gmb se determina por:
G mb

WD
WSSD

W sub

El volumen de la muestra en ml es igual a WSSD-Wsub cuando el peso está en gramos. La
densidad bulk ( ) de la muestra en pcf es:
G mb

w

Los siguientes cálculos se hacen para la muestra 1 de 5.0% de contenido de asfalto
G mb

1167.8
1169.0 650.7

2.253

La densidad del especímen es:
2.253 1 2.253 gr/cm 3

Los vacíos totales de la mezcla (VTM) se determinaron para cada muestra comparando
el promedio de la densidad bulk para cada contenido de asfalto de la densidad teórica
máxima (TMD). El método más común para determinar el TMD es el método Rice
especificado en ASTM D2041. El VTM se determinó con la siguiente ecuación:
397


Anexo G

VTM

1-

G mb
G mm

100 , ó

densidad bulk del especimen
100
TMD
Para este problema, el promedio de tres muestras para el contenido de asfalto de 5.0%
tuvo una densidad bulk de 2.252 gr/cm3 y el TMD para esta muestra fue determinada en
2.454 gr/cm3. La VTM es entonces:
VTM

1-

VTM

1-

2.252
2.454

100

8. 2 %

Los vacíos del agregado mineral (VMA) se determinan por las siguientes ecuaciones
para el contenido de asfalto del 5%:

VMA

1-

G mb 1 Pb
G sb

100

1-

2.252 1 0.05
2.620

100 18.3%

Los vacíos llenos con asfalto (VFA) ser determinaron:
VFA

VMA - VTM
VMA

100

18.3 - 8.2
18.3

100

55.2%

Luego que las muestras fueron pesadas en el aire y agua y todos los cálculos hechos,
las muestras fueron ensayadas en la prensa. La carga de falla se expresa en libras y el
flujo se determina para 0.01 pulgadas (0.25 mm) para el primer pico de carga.
La medida de estabilidad es la actual carga medida, y la estabilidad corregida incluye
una corrección por volumen de especímen. Para este diseño todos los volúmenes
estuvieron en el rango requerido (ASTM D1559), sin necesitar corrección.
Luego de llenar todos los datos, graficar las relaciones para las diferentes relaciones de
propiedades y contenidos de asfalto. Las propiedades comúnmente graficadas son:
peso unitario, estabilidad Marshall, flujo, vacíos en la mezcla total, vacíos llenos con
cemento asfáltico, y vacíos en el agregado mineral.
Ahora se selecciona el óptimo contenido de asfalto para las especificaciones del
proyecto. Para este diseño de mezcla las especificaciones se muestran en el siguiente
cuadro:

398


Anexo G

Propiedades de ensayo
Estabilidad Marshall lbs (N)
Flujo 0.01” (0.25 mm)
Vacios totales en la mezcla (%)
Vacios llenos de asfalto (%)

Especificaciones del proyecto
1500 (6667) min
8 – 16
3–5
70 – 80

Evaluaremos el contenido de asfalto de acuerdo a los dos métodos planteados en el
paso G:
Método 1
Un procedimiento usado es el recomendado por la NAPA. De las gráficas que se mostrarán,
se considera el óptimo contenido de asfalto para la media del porcentaje de vacíos de la
mezcla total de las especificaciones (4%). Este contenido de asfalto se usa para determinar
los valores de estabilidad Marshall, VMA, flujo y porcentaje de vacíos llenos. Cada uno de
estos valores se compara con los valores especificados; si todos están en el rango se
acepta el contenido de asfalto como el óptimo al 4% de vacíos, en caso contrario. Si algunos
de estos valores están fuera del rango de especificaciones, la mezcla tiene que ser
rediseñada. En el ejemplo, para 4% de vacíos se tiene 6.9% de contenido de asfalto, con
este valor se comparan los datos obtenidos de cada gráfico.
Propiedades de ensayo
Flujo 0.01” (0.25 mm)
VMA (%)
Vacíos llenos de asfalto (%)

Especificaciones
del proyecto
1500 (6667) min
8 – 16
No se requiere
70 – 80

Resultado

Condición

2750 lbs (12222 N)
14
18.6
79

Aceptado
Aceptado
-----Aceptado

Método 2
El segundo método usado considera como óptimo contenido de asfalto al que proporciona la
máxima estabilidad Marshall, máximo peso unitario, y 4% de vacíos en el total de la mezcla
(media de las especificaciones). Por lo tanto, para los datos encontrados los siguientes
contenidos de asfalto son seleccionados:
Propiedades
Pico de la curva de estabilidad
Pico de la curva de peso unitario
4% Volumen total de mezcla
Promedio

Contenido de asfalto
seleccionado
6.5
6.8
6.9
6.7

399


Anexo G

Los tres contenidos de asfalto se promedian para determinar el óptimo contenido de asfalto.
Las propiedades de la mezcla deben ser evaluadas para asegurar que las especificaciones
requeridas se encuentran en 6.7% del contenido de asfalto.
Propiedades
Flujo 0.01” (0.25 mm)
VTM (%)

Especificaciones
del proyecto
1500 (6667) min
8 – 16
3-5

Resultado

Condición

2775 lbs (12333 N)
13.6
4.2

Aceptado
Aceptado
Aceptado

De acuerdo con los resultados anteriores el óptimo contenido de asfalto seleccionado es de
6.7%. Una dificultad con este segundo método para diferentes contenidos de asfalto es que
no todas las muestras tienen los gráficos como los del ejemplo. De hecho, algunas mezclas
que contienen 75-100% de partículas fracturadas no muestran picos en la curva de
densidad, haciendo imposible aplicar ésta metodología.

400


Anexo G

RESULTADOS DE ENSAYO PARA EL DISEÑO DE
MEZCLAS POR EL METODO MARSHALL
Ejemplo Nº1
BRIQUETA N°
1 % C.A. EN PESO DE LA MEZCLA

1A

1B

5.00

2 PESO ESPECIFICO BULK DE LA COMBINACION DE AGREGADOS

1C

5.00

2A

5.00

2B

5.50

2.620

2C

5.50

3A

5.50

3B

6.00

2.620

3C

6.00

4A

6.00

4B

6.50

2.620

4C

6.50

5A

6.50

5B

7.00

2.620

5C

7.00

6A

7.00

7.50

2.620

3 PESO DE LA BRIQUETA AL AIRE (gr) W D

1167.80

1164.90

1165.10

1166.40

1179.00

1169.40

1170.40

1181.10

1187.30

1174.20

1185.30

1182.30

1177.50

1183.40

1192.80

1181.90

PESO DE LA BRIQUETA EN EL AIRE (gr)
4 condición Saturada Superficialmente Seca W SSD

1169.00

1166.20

1167.00

1167.50

1180.60

1171.00

1171.00

1181.90

1189.00

1174.70

1186.00

1182.90

1177.90

1183.60

1193.30

1182.30

PESO DE LA BRIQUETA EN EL AGUA (gr)
5 condición Saturada Superficialmente Seca W sub

650.70

647.00

651.00

652.40

661.40

650.90

656.70

664.70

670.90

661.60

667.70

667.70

663.00

665.40

675.70

663.30

6 VOLUMEN DE LA BRIQUETA (gr)

518.30

519.20

516.00

515.10

519.20

520.10

514.30

517.20

518.10

513.10

518.30

515.20

514.90

518.20

517.60

519.00

7 PESO ESPECIFICO BULK DE LA BRIQUETA gr/cm3 Gmb

2.253

2.244

2.258

2.264

2.271

2.248

2.276

2.284

2.292

2.288

2.287

2.295

2.287

2.284

2.304

2.277

8 PESO ESPECIFICO TEORICA MAXIMA, RICE

2.454

2.454

2.454

2.444

2.444

2.444

2.425

2.425

2.425

2.402

2.402

2.402

2.380

2.380

2.380

2.357

9 % VACIOS TOTALES EN LA MEZCLA(VTM)
10 % VACIOS EN AGREGADO MINERAL (V.M.A.)

8.2

8.6

8.0

7.3

7.1

8.0

6.1

5.8

5.5

4.7

4.8

4.5

3.9

4.0

3.2

3.4

18.3

18.6

18.1

18.3

18.1

18.9

18.4

18.1

17.8

18.3

18.4

18.1

18.8

18.9

18.2

19.6

11 % ASFALTO ABSORBIDO POR EL AGREGADO TOTAL (VFA)

55.4

54.1

56.0

59.9

60.9

57.7

66.5

67.8

69.1

74.2

73.9

75.3

79.3

78.7

82.6

82.7

12 ESTABILIDAD SIN CORREGIR

2400

2630

2560

2520

2690

2650

2620

2710

2980

2800

2730

2900

2820

2730

2790

2650

13 ESTABILIDAD CORREGIDA

2530

2620

2770

2810

2780

14 Peso Unitario (gr/cm3)

2.252

2.261

2.284

2.290

2.292

15 Flujo (0.001 Pulg.)
16 Flujo (0.001 Pulg.) promedio

11.00

11.00
11

12.00

11

12.00

13

13.00

12

13
13

12.00

12

13
13

14

14

14

15

16

14

17 % VACIOS TOTALES DE LA MEZCLA (VTM)

8.2

7.5

5.8

4.7

3.7

18 % VACIOS EN AGREGADO MINERAL (V.M.A.)

18.4

18.4

18.1

18.3

18.7

19 % ASF. ABSORBIDO POR EL AGREGADO TOTAL (VFA) Prom

55.2

59.5

67.8

74.4

80.2


401


Anexo G

DISEÑO DE MEZCLA ASFÁLTICA
MÉTODO DE LA NAPA

17

2900
2850

16

2800

2.280
2.270
2.260
2.250

2750

15

2750

FLUJO (0.01")

2.290

ESTABILIDAD (Lb)


2.300

2700
2650
2600
2550

13
12

2500
2.240

11

6,9

2450

2.230

6,9

2400
4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

10
4.5

5.0

ASFALTO (%)

(%)

8.0
7.0
6.0
4,0

4.0
3.0
2.0
1.0

6,9

0.0
4.5

5.0

5.5

6.0

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

ASFALTO

9.0

5.0

5.5

4.5

5.0

5.5

6.0

ASFALTO (%)


VACIOS VTM (%)

14

14

6.5

ASFALTO (%)

7.0

7.5

8.0

100.0

7.0

7.5

8.0

VS. % DE ASFALTO
21.0

90.0
80.0

6.5

ASFALTO (%)

20.0
79

18,6

19.0

70.0

18.0

60.0

17.0

50.0

16.0

6,9
DISEÑO DE MEZCLA ASFÁLTICA
40.0
4.5
5.0
5.5
6.0
MÉTODO DE L INSTITUTO6.5 7.0 7.5 8.0
DEL ASFALTO
ASFALTO (%)


6,9
15.0
4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

ASFALTO (%)

402


Anexo G

2.300

2900

17

2850

2.290

2775

2800

2.270
2.260
2.250

16

2750

FLUJO (0.01")

2.280

ESTABILIDAD (Lb)




2700
2650
2600
2550
2500

2.240

6,7

2400
4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

13,6

14
13
12
11

2450

2.230

15

4.5

5.0

5.5

ASFALTO (%)

6.0

6.5

6,7

10
7.0

7.5

8.0

4.5

5.0

5.5

ASFALTO (%)


6.5

7.0

7.5

8.0

ASFALTO (%)

ASFALTO

VS. % DE ASFALTO

100.0

21.0

90.0

9.0

6.0

20.0

8.0

VACIOS VTM (%)

7.0
77

80.0

6.0

19.0

18,5

4,2

5.0

70.0

18.0

60.0

17.0

4.0
3.0
2.0

16.0

50.0

1.0

6,7

6,7

6,7

15.0

40.0

0.0
4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

ASFALTO (%)

7.0

7.5

8.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

ASFALTO (%)


7.5

8.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

ASFALTO (%)

403


Anexo G

Ejemplo 2 Diseño de Mezclas
Paso A: Evaluación de Agregados
A.1 Requisitos de calidad de agregados para Mezclas Asfálticas
Ensayo
Durabilidad
Abrasión
Partículas Chatas y Alargadas
Equivalente de arena
Adherencia (% retenido)
Riedel Weber

Datos
8.6%
18.6%
1.9%
68%
+95
Grado 4

A.2 Si cumple con el control de calidad realizar la combinación de agregados, que cumpla
con las especificaciones técnicas del proyecto. De la combinación se emplearán 45% de
agregado grueso y 55% de agregado fino, de una cantera que cumple con las
especificaciones.
A.3 Calcular la gravedad específica bulk del agregado grueso (ASTM C127); agregado fino
(ASTM C128). Calcular la gravedad específica de la combinación de agregados.
Datos: Gravedad específica bulk (Gsb): Agregado grueso
Agregado Fino
De la combinación de agregados:
0.45 0.55
G
0.45 0.55
2.692 2.712

2.692
2.712
2.703

A.4 Calcular la gravedad específica aparente del agregado grueso (ASTM C127); agregado
fino (ASTM C128). Calcular la gravedad específica aparente de la combinación de
agregados
Datos: Gravedad específica aparente (Gsa): Agregado grueso
2.765
Agregado Fino
2.752
De la combinación de agregados:
0.45 0.55
G
2.758
0.45 0.55
2.765 2.752
Paso B: Evaluación del Cemento Asfáltico
B.1 El cemento asfáltico a emplear tiene penetración 60-70, elegido por el tipo y ubicación
geográfica del proyecto. Verificar que sus propiedades serán aceptables.
404


Anexo G

B.2 La gravedad específica del cemento asfáltico (ASTM D70) es 1.000.
Paso C: Preparación de los Especimenes Marshall
C.1 Cálculo del peso de los agregados.
Agregado grueso: 45% x 1150 gr. = 517.5 gr. Nota.- Calcular el peso de cada tamiz de
acuerdo al porcentaje retenido del
análisis granulométrico. Todos esos
pesos deben sumar 517.5 gr.
Agregado fino : 55% x 1150 gr. = 632.5 gr. Nota.- El agregado fino se peso en
conjunto.
C.2 Cálculo del peso de asfalto
Los especimenes serán ensayados con los siguientes porcentajes de asfalto: 4.0; 4.5; 5.0;
5.5; 6.0 y 6.5. El peso de asfalto para cada uno de los porcentajes en especimenes de 1150
gr., es:
Para 4.0%


Para 4.5%


Para 5.0%


Para 5.5%


Para 6.0%


Para 6.5%


4.0 1150
96.0
4.5 1150
95.5
5.0 1150
95.0
5.5 1150
94.5
6.0 1150
94.0
6.5 1150
93.5

47.9 gr
54.2 gr
60.50 gr
66.90 gr
73.40 gr
79.9 gr

C.3 Realizar el ensayo de acuerdo a las especificaciones y método. Completar la
información solicitada de la Hoja 1: Información Básica
C.4 Determine la gravedad específica bulk de cada especimen, una vez enfriadas a la
temperatura ambiente, según AASHTO T 166. Los especimenes fueron de textura abierta y
permeable. Se empleará el segundo método para determinar Gmb (ver paso C.12 de la
Preparación de Especimenes Marshall)

405


Anexo G

WD

G mb

WpD - Wppsub -

WpD WD
p

Donde:
Gmb
WD
WpD
Wppsub
p

WpD- Wppsub
WpD- WD
WpD WD

Peso del especímen parafinado al aire
Peso del especímen parafinado en agua
Peso específico de la parafina, 0.85
Volumen del especímen parafinado
Peso de la parafina
Volumen de la parafina

p

Ejemplo, especímen Nº1

1207.30
1216.10 1207.30
1216.10 - 684.80 0.85
1207.30
1216.10 1207.30
531.30 0.85
1207.30
1207.30
1207.30
8.8 531.30 - 10.35 520.95
531.30 0.85
2.317

G mb

G mb

G mb
G mb

C.5 Calcular la gravedad específica Rice o Máxima Densidad Teórica, según la norma
AASHTO T209. Empleando la fórmula se obtendrá para el especímen Nº1, lo siguiente:
G mm

Agregado grueso

A

Agregado fino

B

%asfalto
G sa asfalto

G sb

G sa
2

G sb

G sa
2

100
%grueso
A

%fino
B

% filler
C

2.692 2.765
2.728
2
2.712 2.752
2.732
2

406


G mm

Anexo G

4.0
1.0

100
43.20 52.80
2.728 2.732

2.554

Verificaciones
Se deberán cumplir todas las consideraciones, ver hoja Nº3
1º Gravedad específica aparente > Gravedad específica efectiva > Gravedad específica bulk
Ps
G se
Pmix Pb
G mm G b
Para los especimenes 1; 2 y 3, con 4% de cemento asfáltico
100 4
G se
2.730
100
4
2.553 1.0
G sa 2.758
G sb 2.703
G sa G se G sb

2.758 2.730 2.703
2º Calcular la gravedad específica teórica máxima con la siguiente ecuación:
G mb
100
G mm
100 VTM
2.317
G mm
100
100 9.24
G mm 2.554
3º Calcular los vacíos en el agregado mineral, VMA
%agreg G mb
VMA 100
G sb
VMA

100

VMA

43.2 52.8 2.317
2.703

17.70

Paso D: Densidad y Vacío de los Especimenes
D.1 Calcular para cada especímen el porcentaje de vacíos del total de la mezcla, VMA

407


Anexo G

VTM

1-

G mb
G mm

100

2.317
2.553
9.25

VTM

1-

VTM

100

G mb

w

2.317 1
2.317

D.3 Calcular el porcentaje de vacíos en el agregado mineral, VMA
VMA
VMA
VMA

1-

Gmb 1 Pb
Gsb

100

2.317 1 0.04
2.703
17.7%
1-

100

D.4 Calcular el porcentaje de vacíos llenos con asfalto

VFA
VFA
VFA

VMA - VTM
VMA
17.7 - 9.24
17.7
47.8%

100
100

Paso E: Estabilidad Marshall y Ensayo de Flujo
Ejecutar el ensayo de acuerdo a lo especificado, ver Hoja Nº4. El factor de estabilidad es el
número que corrige la estabilidad en especimenes con alturas diferentes de 2.5”. Este factor
se obtiene del siguiente cuadro:

408


Volumen de la
muestra cm3
200-213
214-225
226-237
238-250
251-264
265-276
277-289
290-301
302-316
317-328
329-340
341-353
354-367
368-379
380-392
393-405
406-420
421-431
432-443
444-456
457-470
471-482
483-495
496-508
509-522
523-535
536-546
547-559
560-573
574-585
586-598
299-610
611-625

Anexo G

Altura aproximada de la Factor de
muestra cm
corrección
2.54
5.56
2.70
5.00
2.86
4.55
3.02
4.17
3.18
3.85
3.34
3.57
3.49
3.33
3.65
3.03
3.81
2.78
3.97
2.50
4.13
2.27
4.29
2.08
4.45
1.92
4.61
1.79
4.76
1.67
4.92
1.56
5.08
1.47
5.24
1.39
5.40
1.32
5.56
1.25
5.72
1.19
5.87
1.14
6.03
1.09
6.19
1.04
6.35
1.00
6.51
0.96
6.67
0.93
6.83
0.89
6.99
0.86
7.14
0.83
7.30
0.81
7.46
0.78
7.62
0.76

Paso F: Estabilidad Marshall y Ensayo de Flujo
Graficar las curvas:
1. Contenido de asfalto Vs. Densidad (por unidad de peso)
2. Contenido de asfalto Vs. Estabilidad Marshall
3. Contenido de asfalto Vs. Flujo
4. Contenido de asfalto Vs. Porcentaje de vacíos, VTM
5. Contenido de asfalto Vs. Porcentaje de vacíos del agregado mineral, VMA
6. Contenido de asfalto Vs. Porcentaje de vacíos llenos de asfalto, VFA

409


Anexo G

Paso G: Determinación del Optimo Contenido de Asfalto
G.1 Los siguientes dos métodos son comúnmente empleados para determinar el óptimo
contenido de asfalto de los gráficos:
Método 1.- El procedimiento NAPA, en TAS 14
1. Determine el contenido de asfalto correspondiente a la medida especificada del
contenido de vacíos (4% típicamente). Este es el óptimo contenido de asfalto.
2. Determine las siguientes propiedades en el óptimo contenido de asfalto de los
gráficos:
2.1 Estabilidad Marshall
2.2 Flujo
2.3 Porcentaje de vacíos del agregado mineral, VMA
2.4 Porcentaje de vacíos llenos de asfalto, VFA
3. Compare cada uno de estos valores de especimenes y si todos tiene el rango
especificado, entonces el óptimo contenido de asfalto determinado es
satisfactorio. Si algunas de estas propiedades están fuera del rango de
especificaciones, la mezcla debe ser rediseñada.
G6.7 Referencias Bibliográficas
1. Los Asfaltos, Tecnología y Aplicaciones. Ingº Ricardo E. Bisso Fernández. Editado por
Petróleos del Perú – Petroperú S.A., Noviembre 1998
2. Standard Test Method for Resistance to Plastic Flow of Bituminous Mixtures Using
Marshall Apparatus. ASTM D1559-89
3. Resistencia de Mezclas Bituminosas empelando el Aparato Marshall. MTC E504-1999
4. Mix Design Methods for Asphalt Concrete and Other Hot Mix Tipes. The Asphalt Institute,
MS-2, May 1984
5. Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design and Construction. NAPA Research and
Education Foundation 1996

410


Anexo G

Hoja1 : Información Básica
% asfalto en la mezcla
% agregado grueso
% agregado fino
% filler
Nº
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16

17

Nº de Especímen
% Cemento Asfáltico en peso de la mezcla (Pb)
% Agregado grueso en peso de la mezcla (Ps)
% Agregado fino en peso de la mezcla (Ps)
% filler en peso de la mezcla (Ps)
Gravedad Específica Aparente (Gsa) Cemento Asfáltico
Gravedad Específica Seca Bulk (Gsb) agregado grueso
Gravedad Específica Seca Bulk (Gsb) agregado fino
Gravedad Específica Seca Bulk (Gsb) filler
Gravedad Específica Seca Aparente (Gsa) agregado grueso
Gravedad Específica Seca Aparente (Gsa) agregado fino
Gravedad Específica Seca Aparente (Gsa) filler
Promedio A=(Gsa+Gsb)/2 del agregado grueso.
A=(6+9)/2
Promedio B=(Gsa+Gsb)/2 del agregado fino.
B=(7+10)/2
Promedio C=(Gsa+Gsb)/2 del filler. C=(8+11)/2
Altura promedio del especimen (cm)
Gravedad Específica Seca Bulk de la combinación de agregados
G=2+3+4
2+ 3+4
6 7 8
agregados
G=2 + 3 + 4
2+3+4
9 10 11

4.00
45% (100-4,0)
55% (100-4,0)
0% (100-4,0)
1
2
4.00
4.00
43.2
43.2
52.8
52.8
0.0
0.0
1.000
1.000
2.692
2.692
2.712
2.712
0.000
0.000
2.765
2.765
2.752
2.752
0.000
0.000

4.0
43.2
52.8
0.0
4.50
43.0
52.5
0.0
1.000
2.692
2.712
0.000
2.765
2.752
0.000

4.5
43.0
52.5
0.0
6
4.50
43.0
52.5
0.0
1.000
2.692
2.712
0.000
2.765
2.752
0.000

7
5.00
42.8
52.3
0.0
1.000
2.692
2.712
0.000
2.765
2.752
0.000

8
5.00
42.8
52.3
0.0
1.000
2.692
2.712
0.000
2.765
2.752
0.000

5.0
42.8
52.3
0.0
9
5.00
42.8
52.3
0.0
1.000
2.692
2.712
0.000
2.765
2.752
0.000

3

4

5

4.00
43.2
52.8
0.0
1.000
2.692
2.712
0.000
2.765
2.752
0.000

4.50
43.0
52.5
0.0
1.000
2.692
2.712
0.000
2.765
2.752
0.000

2.729

2.729

2.729

2.729

2.729

2.729

2.729

2.729

2.729

2.732
0.000
6.50

2.732
0.000
6.51

2.732
0.000
6.48

2.732
0.000
6.47

2.732
0.000
6.51

2.732
0.000
6.50

2.732
0.000
6.41

2.732
0.000
6.42

2.732
0.000
6.31

2.703

2.703

2.703

2.703

2.703

2.703

2.703

2.703

2.703

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758


412


Anexo G

Hoja1 : Información Básica

Nº
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16

17

Nº de Especímen
% Cemento Asfáltico en peso de la mezcla (Pb)
% Agregado grueso en peso de la mezcla (Ps)
% Agregado fino en peso de la mezcla (Ps)
% filler en peso de la mezcla (Ps)
Gravedad Específica Aparente (Gsa) Cemento Asfáltico
Gravedad Específica Seca Bulk (Gsb) agregado grueso
Gravedad Específica Seca Bulk (Gsb) agregado fino
Gravedad Específica Seca Bulk (Gsb) filler
Gravedad Específica Seca Aparente (Gsa) agregado grueso
Gravedad Específica Seca Aparente (Gsa) agregado fino
Gravedad Específica Seca Aparente (Gsa) filler
Promedio A=(Gsa+Gsb)/2 del agregado grueso.
A=(6+9)/2
Promedio B=(Gsa+Gsb)/2 del agregado fino.
B=(7+10)/2
Promedio C=(Gsa+Gsb)/2 del filler. C=(8+11)/2
Altura promedio del especimen (cm)
Gravedad Específica Seca Bulk de la combinación de agregados
G=2+3+4
2+ 3+4
6 7 8
agregados
G=2 + 3 + 4
2+3+4
9 10 11

10
5.50
42.5
52.0
0.0
1.000
2.692
2.712
0.000
2.765
2.752
0.000

11
5.50
42.5
52.0
0.0
1.000
2.692
2.712
0.000
2.765
2.752
0.000

5.5
42.5
52.0
0.0
12
5.50
42.5
52.0
0.0
1.000
2.692
2.712
0.000
2.765
2.752
0.000

2.729

2.729

2.729

2.729

2.729

2.729

2.729

2.729

2.729

2.732
0.000
6.32

2.732
0.000
6.32

2.732
0.000
6.31

2.732
0.000
6.29

2.732
0.000
6.25

2.732
0.000
6.29

2.732
0.000
6.37

2.732
0.000
6.31

2.732
0.000
6.32

2.703

2.703

2.703

2.703

2.703

2.703

2.703

2.703

2.703

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758


13
6.00
42.3
51.7
0.0
1.000
2.692
2.712
0.000
2.765
2.752
0.000

14
6.00
42.3
51.7
0.0
1.000
2.692
2.712
0.000
2.765
2.752
0.000

6.0
42.3
51.7
0.0
15
6.00
42.3
51.7
0.0
1.000
2.692
2.712
0.000
2.765
2.752
0.000

16
6.50
42.1
51.4
0.0
1.000
2.692
2.712
0.000
2.765
2.752
0.000

17
6.50
42.1
51.4
0.0
1.000
2.692
2.712
0.000
2.765
2.752
0.000

6.5
42.1
51.4
0.0
18
6.50
42.1
51.4
0.0
1.000
2.692
2.712
0.000
2.765
2.752
0.000

414


Anexo G

Hoja2 : Gravedades Específicas
p 0.85

Nº
18
19
20
21
22

Nº de Especímen
Peso del especímen al aire, gr. W D
Peso en el aire del especímen parafinado, gr. W pD
Peso en el agua del especímen parafinado, gr. W ppsub
Volumen del especímen parafinado, W pD-W ppsub. (19-20)
Peso de la parafina, WpD-W D. (19-18)
23 Volumen de la parafina (22/ p )
24 Volumen del especímen por deslizamiento (21-23)
25 Gravedad específica seca bulk del especímen
Gmb

1
1207.3
1216.1
684.8
531.3
8.8

3
1203.0
1213.2
681.5
531.7
10.2

4
1203.7
1211.6
688.2
523.4
7.9

5
1204.8
1213.9
685.4
528.5
9.1

6
1203.3
1211.2
685.1
526.1
7.9

7
1208.5
1218.6
700.5
518.1
10.1

8
1208.0
1211.2
693.1
518.1
3.2

9
1207.0
1214.8
699.1
515.7
7.8

10.35
520.95

9.76
519.44

12.00
519.70

9.29
514.11

10.71
517.79

9.29
516.81

11.88
506.22

3.76
514.34

9.18
506.52

2.318

2.328

2.315

2.341

2.327

2.328

2.387

2.349

2.383

2.554

2.554

2.554

2.533

2.533

2.533

2.513

2.513

2.513

9.25
2.318

8.83
2.328

9.35
2.315

7.57
2.341

8.15
2.327

8.09
2.328

5.00
2.387

6.54
2.349

5.18
2.383

17.7

17.3

17.8

17.3

17.8

17.7

16.1

17.5

16.2

47.7

18
24

2
1209.4
1217.7
688.5
529.2
8.3

49.0

47.4

56.2

54.2

54.4

68.9

62.5

68.1

26 Gravedad específica teórica máxima, Rice
G mm

1
5

2
12

100
3
13

4
14

27 Porcentaje de vacios del total de la mezcla
VTM

1-

25
26

100

28 Densidad de cada especimen Marshall
29 % de vacíos del agregado mineral, VMA
VMA

1-

25

1 1/100
16

29 - 27
29

w

25 1

100

30 % de vacios llenos con asfalto
VFA

Gmb

100


416


Anexo G

Hoja2 : Gravedades Específicas

Nº
18
19
20
21
22

Nº de Especímen
Peso del especímen al aire, gr. W D
Peso en el aire del especímen parafinado, gr. W pD
Peso en el agua del especímen parafinado, gr. W ppsub
Volumen del especímen parafinado, W pD-Wppsub. (19-20)
Peso de la parafina, W pD-W D. (19-18)
23 Volumen de la parafina (22/ p )
24 Volumen del especímen por deslizamiento (21-23)
25 Gravedad específica seca bulk del especímen
Gmb

10
1204.1
1211.3
699.9
511.4
7.2

12
1207.4
1214.0
702.3
511.7
6.6

13
1205.6
1211.8
704.8
507.0
6.2

14
1204.5
1210.3
704.1
506.2
5.8

15
1201.8
1208.1
702.0
506.1
6.3

16
1205.5
1211.4
703.1
508.3
5.9

17
1202.2
1206.0
700.4
505.6
3.8

18
1201.5
1207.5
700.6
506.9
6.0

8.47
502.93

7.06
504.04

7.76
503.94

7.29
499.71

6.82
499.38

7.41
498.69

6.94
501.36

4.47
501.13

7.06
499.84

2.394

2.395

2.396

2.413

2.412

2.410

2.404

2.399

2.404

2.493

2.493

2.493

2.474

2.474

2.474

2.454

2.454

2.454

3.97
2.394

3.94
2.395

3.90
2.396

2.47
2.413

2.49
2.412

2.57
2.410

2.03
2.404

2.26
2.399

2.06
2.404

16.3

16.3

16.2

16.1

16.1

16.2

16.8

17.0

16.8

75.6

18
24

11
1207.1
1213.1
702.0
511.1
6.0

75.8

76.0

84.7

84.6

84.1

87.9

86.7

87.8

G mm

1
5

2
12

100
3
13

4
14

27 Porcentaje de vacios del total de la mezcla
VTM

1-

25
26

100

28 Densidad de cada especimen Marshall
29 % de vacíos del agregado mineral, VMA
VMA

1-

25

1 1/100
16

29 - 27
29

w

25 1

100

30 % de vacios llenos con asfalto
VFA

Gmb

100


418


Anexo G

Hoja3 : Verificaciones

Nº
Nº de Especímen
31 Gravedad específica efectiva
G se

1

35 Gravedad específica teórica máxima, Rice, 26
Gmm

25
100 27

100 -

2 3

5

6

7

8

9

2.730

2.730

2.730

2.730

2.730

2.730

2.730

2.730

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

2.703
OK!

2.703
OK!

2.703
OK!

2.703
OK!

2.703
OK!

2.703
OK!

2.703
OK!

2.703
OK!

2.703
OK!

2.554

2.554

2.533

2.533

2.533

2.513

2.513

2.513

2.554
OK!
17.7

2.554
OK!
17.3

2.554
OK!
17.8

2.533
OK!
17.3

2.533
OK!
17.8

2.533
OK!
17.7

2.513
OK!
16.1

2.513
OK!
17.5

2.513
OK!
16.2

17.7
OK!

17.3
OK!

17.8
OK!

17.3
OK!

17.8
OK!

17.7
OK!

16.1
OK!

17.5
OK!

16.2
OK!

100

37 Si 35=36, continuar con la verificación
38 % de vacíos del agregado mineral, VMA, 29
39 % de vacíos del agregado mineral
VMA

4

2.554

32 Gravedad específica aparente de la combinación de agregados
(Gsa), 17
33 Gravedad específca bulk de la combinación de agregados
(Gsb),16
34 Si Gsa>Gse>Gsb, continuar con la verificación

3

2.730

100 - 1
100 1
26
5

2

4
16

25

40 Si 38=39, concluye la verificación


420


Anexo G

Hoja3 : Verificaciones

Nº
Nº de Especímen
31 Gravedad específica efectiva
G se

10

35 Gravedad específica teórica máxima, Rice, 26
Gmm

25
100 27

100 -

2

14

15

16

17

18

2.730

2.730

2.730

2.730

2.730

2.730

2.730

2.730

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

2.758

2.703
OK!

2.703
OK!

2.703
OK!

2.703
OK!

2.703
OK!

2.703
OK!

2.703
OK!

2.703
OK!

2.703
OK!

2.493

2.493

2.474

2.474

2.474

2.454

2.454

2.454

2.493
OK!
16.3

2.493
OK!
16.3

2.493
OK!
16.2

2.474
OK!
16.1

2.474
OK!
16.1

2.474
OK!
16.2

2.454
OK!
16.8

2.454
OK!
17.0

2.454
OK!
16.8

16.3
OK!

16.3
OK!

16.2
OK!

16.1
OK!

16.1
OK!

16.2
OK!

16.8
OK!

17.0
OK!

16.8
OK!

100

37 Si 35=36, continuar con la verificación
38 % de vacíos del agregado mineral, VMA, 29
39 % de vacíos del agregado mineral
VMA

13

2.493

32 Gravedad específica aparente de la combinación de agregados
(Gsa), 17
33 Gravedad específca bulk de la combinación de agregados
(Gsb),16
34 Si Gsa>Gse>Gsb, continuar con la verificación

12

2.730

100 - 1
100 1
26
5

11

3

4
16

25

40 Si 38=39, concluye la verificación


422


Anexo G

Hoja4 : Estabilidad marshall y Ensayo de Flujo

Nº

Nº de Especímen

41 Estabilidad sin corregir
42 Factor de Estabilidad
43 Estabilidad corregida (41x42)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1,745.00

1,844.00

1,690.00

1,745.00

1,755.00

1,775.00

1,895.00

1,895.00

1,906.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.04

1.04

1.04

1,745.00

1,844.00

1,690.00

1,745.00

1,755.00

1,775.00

1,970.80

1,970.80

1,982.24

1,759.67

44 Estabilidad corregida promedio
45 Flujo

7.00

6.50

1,758.33
6.50

8.50

8.00

1,974.61
8.00

11.50

12.00

46 Flujo promedio

6.67

8.17

11.67

47 Densidad de cada especimen Marshall, promedio

2.320

2.332

2.373

48 Porcentaje de vacios del total de la mezcla, VTM

9.14

7.94

5.57

49 Porcentaje de vacíos del agregado mineral, VMA

17.59

17.60

16.60

50 Porcentaje de vacios llenos con asfalto, VFA

48.05

54.93

11.50

66.53


424


Anexo G

Hoja4 : Estabilidad marshall y Ensayo de Flujo

Nº

Nº de Especímen

41 Estabilidad sin corregir
42 Factor de Estabilidad
43 Estabilidad corregida (41x42)

10

11

12

13

14

15

16

17

18

2,106.00

2,097.00

2,097.00

1,996.00

1,996.00

1,996.00

1,745.00

1,696.00

1,698.00

1.04

1.04

1.04

1.04

1.04

1.04

1.04

1.04

1.04

2,190.24

2,180.88

2,180.88

2,075.84

2,075.84

2,075.84

1,814.80

1,763.84

1,765.92

2,184.00

44 Estabilidad corregida promedio
45 Flujo

13.50

12.50

2,075.84
13.00

14.50

15.50

1,781.52
15.50

17.50

17.50

46 Flujo promedio

13.00

15.17

17.67

47 Densidad de cada especimen Marshall, promedio

2.395

2.412

2.402

48 Porcentaje de vacios del total de la mezcla, VTM

3.94

2.51

2.12

49 Porcentaje de vacíos del agregado mineral, VMA

16.27

16.14

16.90

50 Porcentaje de vacios llenos con asfalto, VFA

75.80

84.45

18.00

87.47


426


Anexo G

DISEÑO DE MEZCLA ASFALTICA
METODO DE LA NAPA



2.430

18.00
17.00

2,150.00

2151

2.390

2.350
2.330
2.310
2.290
2.270

16.00
15.00

2,050.00

FLUJO (0.01")

ESTABILIDAD (Lb)

2.370

1,950.00
1,850.00

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

4.0

4.5

(%)

8.00
7.00
6.00
4,0

4.00
3.00
5,6

1.00
4.5

5.0

5.5

ASFALTO (%)

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

5,6
3.5

4.0

4.5

6.0

6.5

7.0

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

ASFALTO (%)

ASFALTO

9.00

4.0

10.00

ASFALTO (%)

10.00

3.5

11.00

6.00
3.5


2.00

12.00

7.00

1,650.00

ASFALTO (%)

5.00

13.00

8.00
5,6

2.230

13,6

14.00

9.00
1,750.00

2.250

VACIOS VTM (%)


2.410

VS. % DE ASFALTO

100.00

18.00
17.80

90.00

17.60

78
80.00

17.40
17.20

70.00

17.00
16.80

60.00

16.60
50.00

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

ASFALTO (%)

5,6

16.20

40.00
3.5

16,38

16.40

5,6
6.5

7.0

16.00
3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

ASFALTO (%)


427


Anexo G

G7.1 INTRODUCCIÓN
El ensayo de compresión edométrica consiste en aplicar una carga sinusoidal sin periodo de
descanso a un especimen confinado. La carga se aplica con el pistón de carga del equipo CBR
a un disco metálico del diámetro del espécimen.
El proceso de preparación de la mezcla es similar al método Marshall ya descrito. El ensayo
Marshall y el de compresión edomética son diferentes, con el primero se puede determinar el
óptimo contenido de asfalto siguiendo un método aún empírico, el segundo método permite
determinar módulos dinámicos, que son parámetros de diseño de pavimentos.
G7.2 APLICACIÓN
El siguiente procedimiento será aplicado solamente a mezclas asfálticas en caliente,
preparadas con cemento asfáltico y agregados no mayores de 2.54 cm (1 pulg.), el molde
empleado es el Marshall de 101.6 mm (4 pulg.).
1. Molde de Compactación. Consiste de una placa de base plana, molde y collar de extensión
cilíndricos. El molde tiene un diámetro interior de 101.6 mm (4”) y altura aproximada de 76.2
mm (3”); la placa de base plana y el collar deben ser intercambiables.
2. Martillo de compactación con base plana circular de apisonado de 98.4 mm (3 7/8”) de
diámetro, equipado con un pisón de 4.54 kg (10 lb.) de peso total, cuya altura de caída es
de 457.2 mm (18“).
3. Pedestal de compactación. Base de madera cuadrada de 200.3 mm de lado y 457.2 mm de
altura (8”x8”x18”), en su cara superior tiene una platina cuadrada de acero de 304.8 mm de
lado por 25.4 mm de espesor (12”x12”x1”), firmemente sujeta a la base. El conjunto se
deberá fijar firmemente a una superficie de concreto, de tal manera que la platina de acero
quede horizontal.
4. Extractor de Muestras de Asfaltos. Para extraer el especimen del molde, en forma de disco
con diámetro de 100 mm (3.95”) y 12.7 mm (1/2”) de espesor.
5. Soporte para molde o portamolde. Dispositivo con resorte de tensión diseñado para
sostener rígidamente el molde de compactación sobre el pedestal.
6. Mordaza. Consiste de dos semi-cilindros, con un radio de curvatura interior de 50.8 mm (2”)
de acero enchapado para facilitar su fácil limpieza. El segmento inferior termina en una
base plana con dos varillas perpendiculares que sirven de guía.
7. Medidor de deformación. Consiste en un deformímetro dividido en centésimas de milímetro.
Estará sujeto al segmento superior y cuyo vástago se apoyará, cuando se realiza el


428


Anexo G

ensayo, en una palanca ajustable acoplada al segmento inferior. Las deformaciones del
anillo se medirán con un deformímetro graduado en 0.001 mm.
8. Prensa. Para realizar el ensayo cíclico se usará una prensa automática. La carga se aplica
de manera cíclica, un ciclo está formado por una carga y una descarga.
9. Dial de Carga. La fuerza aplicada se medirá con un anillo acoplado a la prensa, de 20 kN
(2039 kgf) de capacidad, con una sensibilidad de 50 N (5 kgf) hasta 5 kN (510 kgf) y 100 N
(10 kgf) hasta 20 kN (2 039 kgf).
10. Discos de Papel Filtrante de 4 pulg.
11. Horno. Horno capaz de mantener la temperatura requerida con un error menor de 3 ºC (5
ºF) se emplea para calentar los agregados, material asfáltico, conjunto de compactación y
muestra.
12. Baño. El baño de agua con 150mm (6”) de profundidad mínima y controlado
termostáticamente para mantener la temperatura a 60º 1 ºC (140º 1.8 ºF), deberá tener
un falso fondo perforado o estar equipado con un estante para mantener las probetas por lo
menos a 50.8 mm (2”) sobre el fondo del tanque.
13. 2 Recipientes de dos litros de capacidad para calentar los agregados y para mezclar el
asfalto y agregado.
14. Tamices. De 50 mm (2”), 37.5 mm (1 1/2”), 25 mm (1”), 19.0 mm (3/4”), 12.5 mm (1/2”), 9.5
mm (3/8”), 4.75 mm (Nº 4), 2.36 mm (Nº 8), 300 m (Nº 50) y 75 m (Nº 200).
15. Termómetros blindados. De 10ºC a 232ºC (50ºF a 450ºF) para determinar las temperaturas
del asfalto, agregados y mezcla, con sensibilidad de 3ºC. Para la temperatura del baño de
agua se utilizará termómetro con escala de 20ºC a 70ºC y sensibilidad de 0.2ºC (68ºF a
158ºF + 0.4ºF).
16. Balanza.
Para pesar agregados y asfalto de 5 kg. de capacidad, y sensibilidad de un 1 gr.
Para pesar probetas compactadas de 2 kg. de capacidad y sensibilidad de 0.1 gr.
17. Parafina
18. Pirex de 500 cm3
19. Guantes de cuero. Para poder manipular el equipo caliente
20. Crayolas para identificar las probetas
21. Bandejas taradas
22. Espátulas
G7.4 PROCEDIMIENTOS PREVIOS
Se deben realizar los siguientes pasos antes de preparar la mezcla:
Paso A: Evaluación de agregados
A.1 Realice los ensayos de abrasión en la Máquina de Los Ángeles, resistencia a los sulfatos,
equivalente de arena, presencia de sustancias deletéreas, caras de fractura y chatas y
alargadas.
A.2 Si el agregado pasó los controles de calidad del paso A.1, se debe realizar el diseño
granulométrico de los agregados, gravedad específica y absorción.


429


Anexo G

A.3 Gravedad específica bulk del agregado grueso (AASHTO T85 ó ASTM C127) y del
agregado fino (AASHTO T84 ó ASTM C128). Calcule la gravedad especifica de la combinación
de agregados.
Paso B: Evaluación del cemento asfáltico
B.1 Determine el grado apropiado de cemento asfáltico a emplear según las recomendaciones
Superpave.
B.2 Calcular la gravedad especifica del cemento asfáltico (AASHTO T228 ó ASTM D70) y del
filler (AASHTO T100 ó ASTM D854) y grafique la viscosidad versus temperatura (Carta de
Viscosidad).
1. La temperatura de mezcla del cemento asfáltico será el correspondiente al rango de
viscosidad de 170 20 centistokes (1 centistoke =1 mm2/s).
2. La temperatura de compactación se encuentra en el rango de viscosidad de 280 30
centistokes
Paso C: Preparación de los Especimenes
C.1 Secar los agregados hasta obtener peso constante entre 105ºC y 110ºC. Calcular el
porcentaje de participación de la fracción de gravas, arenas y filler (si lo requiere). Se calcula el
peso necesario de cada uno de ellos para realizar el amasado de la mezcla. El peso de la
mezcla será aproximadamente de 1150 gr. Se recomienda preparar tres especimenes para
cada porcentaje de asfalto a ser evaluado.
C.2 Pese los agregados para el especímen por separado y caliéntelos a la temperatura de
mezcla, según paso B.4. El peso total de agregado se determinará en el paso C.3.
C.3 Generalmente se prepara un especímen de prueba, mida la altura del mismo (h1) y
verifique la altura requerida del especímen de 63.5
5.1 mm (2.5
0.20 pulg.). Si el
especímen está fuera del rango, ajuste la cantidad de agregados con la siguiente fórmula:
Q

h
1150 gr
h1

Donde:
Q
h
h1

Peso del agregado para un especímen de 63.5 mm (2.5 pulg.) de altura, gr.
Altura requerida, que será 63.5 mm ó 2.5 pulg.
Altura del especímen de prueba, mm (pulg)

C.4 Calentar a la temperatura de mezcla la suficiente cantidad de asfalto para preparar tres
especimenes para un mismo porcentaje de asfalto. Determinar la gravedad específica Rice o
Máxima Densidad Teórica (TMD).

430


Anexo G

Nota.- No mantener el ligante por más de una hora a la temperatura de mezcla ni emplear
ligante bituminoso recalentado. Durante el período de calentamiento del ligante se debe agitar
frecuentemente dentro del recipiente para evitar los sobrecalentamientos.
C.5 De acuerdo al tipo de mezcla determinar el número de golpes por cara para la
compactación.
C.6 El recipiente en el que se realizará la mezcla será manchado con una mezcla de prueba
para evitar la pérdida de ligante y finos adheridos al recipiente, se limpiará solamente
arrastrando con una espátula todo el material posible. Colocar la cantidad de agregado
requerido en esa vasija y añada la cantidad de asfalto caliente necesario por peso, para el
porcentaje de cemento asfáltico de la mezcla deseada.


C.7 Mezclar el cemento asfáltico, agregados, filler y fibra (para el caso de mezclas SMA) hasta
que éstos estén totalmente cubiertos. La mezcla puede hacerse manual o mecánicamente.
C.8 Verificar la temperatura de los materiales recién mezclados, si está sobre la temperatura de
compactación, deje enfriar; si está por debajo, elimine el material y prepare una nueva muestra.
C.9 Se coloca dentro del conjunto del molde y la base del martillo compactador limpios, un
disco de papel filtrante de 10 cm de diámetro. Se calientan en el horno o en un baño de agua a
una temperatura comprendida entre los 93º a 149ºC. Verter la mezcla y emparejarla con una
espátula caliente 15 veces alrededor del perímetro y 10 veces en el interior. Limpiar el material
del collar y montura dentro del molde de tal manera que el medio sea ligeramente mas alto que
los bordes. Al verter la mezcla tener especial cuidado con las del tipo SMA porque tratan de
segregarse. Fijar el molde y base en el pedestal. Coloque el martillo precalentado dentro del
molde, y aplique el número de golpes según las especificaciones, la altura de caída del martillo
es de 18” (457 mm). Mantener el eje del martillo de compactación perpendicular a la base del
molde durante la compactación.
C.10 Retire el molde de la base. Coloque un papel filtrante en la superficie e inviértalo de tal
manera que la cara superficial se encuentre abajo. Reemplace el collar del molde y fíjelo junto
con la base en el pedestal. Aplicar el número de golpes especificados.
C.11 Después de la compactación remover la base y colocar el molde y collar sobre el extractor
de muestras. Con el molde y el collar de extensión hacia arriba en la máquina de ensayo,
aplicar presión y forzar el espécimen dentro del collar de extensión, levantar el collar del
espécimen. Cuidadosamente transferir el espécimen a una superficie plana, dejarlo de pie para
que repose de 12 a 24 horas a temperatura ambiente, identificarlos con códigos alfanuméricos
usando Crayolas.


431


Anexo G

C.12 Determine la gravedad especifica bulk de cada especímen tan pronto como las probetas
compactadas se han enfriado a la temperatura ambiente, según AASHTO T166. Se determina
calculando la relación entre su peso al aire y su volumen.
Pesar el especímen al aire.
Sumerja la muestra en agua por unos minutos, pesar la muestra en su condición saturada
superficialmente seca (SSD) en el agua.
Sacar la muestra del agua, secar el exceso de agua y pesar en su condición SSD en el
aire.
Calcular el volumen restando el peso del especímen SSD en el aire y el peso del
especímen SSD sumergida. La fórmula empleada será:
G mb

WD
WSSD

W sub

Donde:
Gmb
WD
WSSD
Wsub

Peso del especímen en su condición SSD en el aire
Peso del especímen sumergido

Se determina el peso específico bulk promedio de todas las probetas hechas con el mismo
contenido asfáltico. Los valores dispares no se incluyen en el cálculo para lo cual se tendrá en
cuenta el siguiente rango de variación con respecto al valor medio
Peso Específico Bulk

1%

Los valores calculados del peso específico bulk, así ensayados, dan resultados mas reales,
pero existe otro procedimiento de laboratorio que cabe destacar, es el que podemos encontrar
en las nuevas normas emitidas por el ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda y
Construcción.
El primer método se emplea cuando la textura superficial de las probetas es cerrada e
impermeable. El volumen de la probeta se obtiene restando el peso de la probeta en el aire y el
peso de la probeta sumergida en agua sin haber recubierto su superficie parafinada. La fórmula
empleada será:
WD
G mb
WD W sub
Donde:
Gmb Gravedad Específica Bulk de la muestra compactada
WD
Wsub Peso del especímen sumergido
El segundo método se aplica a mezclas cuya superficie es abierta y permeable. El volumen
aparente se determina restando el peso de la probeta en el aire y el peso de la probeta en el

432


Anexo G

agua pero habiéndola recubierto previamente de una capa de parafina. El peso específico bulk
viene dado por la fórmula:
WD
G mb
WpD WD
WpD - Wppsub p

Donde:
Gmb
WD
WpD
Wppsub
p

Peso del especímen parafinado en al aire
Peso del especímen parafinado en el agua
Peso específico de la parafina

Los especimenes deben pesarse antes de ser parafinados, a continuación se sumergen en un
recipiente con parafina caliente. Si es necesario, se da pinceladas de parafina en los puntos
mal cubiertos. Dejar enfriar la parafina durante media hora y determinar el peso en el aire a la
temperatura ambiente e inmediatamente se pesa en agua 3 .
C.13 Calcule la gravedad especifica Rice en las mezclas asfálticas en caliente (Gmm) de
acuerdo a la norma AASHTO T209, su valor se emplea en el cálculo de los vacíos. Si la mezcla
contiene agregados absorbentes se recomienda colocarla en el horno (manteniéndola a la
temperatura de mezcla) por cuatro horas de tal manera que el cemento asfáltico sea absorbido
completamente por el agregado entes del ensayo. Mantener la mezcla en un recipiente tapado
mientras se encuentra en el horno. Si el ensayo se hace por triplicado en la mezcla que
contiene un porcentaje cerca al óptimo contenido de asfalto, promediar los tres resultados;
calcule la gravedad específica efectiva de los agregados.
Si se realiza el cálculo de la gravedad específica Rice en cada una de las muestras a diferentes
contenidos de asfalto, calcular la gravedad específica efectiva de agregados en cada caso.
Calcule el promedio de las gravedades específicas efectivas y el promedio de las gravedades
específicas Rice.
En ausencia de datos proporcionados por el Método Rice, la gravedad específica puede
calcularse con una relación matemática que considera las gravedades específicas bulk y
aparente de los componentes de la mezcla:
100
G mm
% asfalto % grueso % fino % filler
A
G sa asfalto
B
C
Siendo:
G sb G sa
A
, para el agregado grueso
2

3 Gravedad Especifica Aparente y Peso Unitario de Mezclas Asfálticas Compactadas Empleando Especimenes Parafinados. MTC E5061999


433


B
C

G sb

G sa
2

G sb

G sa
2

Anexo G

, para el agregado fino
, para el filler

Donde:
Gsb
Gsa

Gravedad específica bulk
Gravedad específica aparente

Paso D: Densidad y vacíos de los especimenes
Se refiere a las relaciones peso-volumen, completando los cálculos con los siguientes pasos:
D.1 Para cada especímen, use la gravedad específica bulk (Gmb) del paso C.12 y gravedad
específica Rice de la mezcla (Gmm) para C.13. Calcular el porcentaje de vacíos en el total de la
mezcla, VTM.
G
VTM
1 - mb
100
G mm
Densidad (g/cm 3 )

G mb

w

D.3 Calcule el porcentaje de vacíos en el agregado mineral, VMA, para cada especímen
Marshall usando la gravedad específica bulk en los agregados (Gsb) para los pasos A.2, la
gravedad específica bulk de la mezcla compactada (Gmb) para el paso C.12, y el contenido de
asfalto por peso de mezcla total (Pb)

VMA

1-

G mb 1 Pb
G sb

100

D.4 Calcule el porcentaje de vacíos llenos de asfalto para cada especimen Marshall usando el
VTM y VMA como sigue:
VFA

VMA - VTM
VMA

100

Paso E: Ensayo de Compresión Edométrica
E.1 Introducir los especimenes compactados al molde. Se deberá tener cuidado de no quebrar
los bordes.


434


Anexo G

E.2 Calentar el agua del baño a 140ºF (60ºC) y colocar los especimenes a ser ensayados por
un período de 30 a 40 minutos. Los especimenes se ubicarán de manera escalonada para que
todos los especimenes sean calentados el tiempo especificado antes de ser ensayados.
E.3 Luego de calentarlos el tiempo necesario, se irán sacando uno a la vez, quitarles el exceso
de agua con una toalla y colocarlo rápidamente en la prensa de compresión.
E.4 Definir la lectura en el dial de carga que corresponda a una presión de 10 y 5 kg/cm2.
Colocar el deformímetro en la guía y en contacto con el borde del molde.
E.5 Carga:- Con los diales de carga y deformación en cero se procede a aplicar la carga hasta
que alcance 10 kg/cm2. Descarga:- disminuir la presión en el especimen hasta que la presión
aplicada sea 0 kg/cm2. Tomar la lectura del deformímetro.
E.6 En los siguientes ciclos de carga y descarga aplicar 5 kg/cm2 y tomar las deflexiones
correspondientes.
E.7 Repetir nuevamente los pasos E.5 y E.6 hasta que el especimen tenga un comportamiento
elástico.
Paso F: Tabulación y Gráfico de los Resultados de Ensayo
F.1 Tabule los resultados de ensayo. Se habrán tomado lecturas de presión versus deflexión.
Calcule la deformación en cada tramo y grafique presión versus deflexión. La pendiente de la
curva en el tramo final será el valor del módulo dinámico de la mezcla.
1º ciclo
carga-descarga

Presión
(kg/cm2)

E*
1
(%)

F.2 Evalúe las relaciones gravimétricas y volumétricas de la mezcla compactada.


435


Anexo G

Foto G7.1: Agregados y filler
que formarán parte de la
mezcla asfáltica.

Foto G7.2: Cemento asfáltico
que se empleará en la
mezcla asfáltica.

Foto G7.3: Las mezclas del
tipo SMA requiere de fibras
celulosas en su
composición. En la foto se
muestra su forma suelta.


436


Anexo G

Foto G7.4: Pesar los
agregados y filler entes de
llevar al horno.

Foto G7.5: Llevar los
recipientes pesados al horno
para que sean calentados.

Foto G7.6: Preparar papeles
engrasados.


437


Anexo G

Foto G7.7: Verter la cantidad
de asfalto caliente requerida
por la mezcla.

Foto G7.8: Mezclar
vigorosamente hasta que el
asfalto haya recubierto cada
una de las partículas de
agregado. La mezcla deberá
ser uniforme.

Foto G7.9: Colocar un papel
engrasado al fondo del
molde precalentado.


438


Anexo G

Foto G7.10: Verter la mezcla
evitando la segregación de
los agregados.

Foto G7.11: Martillo de
compactación Marshall,
empleado en la preparación
de los especimenes.

Foto G7.12: Compactar la
mezcla manteniendo la
verticalidad.


439


Anexo G

Foto G7.13: Extraer la
mezcla compactada del
molde.

Foto G7.14: Mezcla
compactada y enfriando a
temperatura ambiente.


440


Anexo G

G7.4 EJEMPLO
Luego del ensayo de compresión confinada para mezcla de granulometría superpave, se
obtuvieron los siguientes resultados:
Diámetro del área cargada, D
Corrección del dial de carga
Corrección del dial de deformación
Altura inicial del especimen, H
Lectura del Lectura de
Ciclo
deflexión
dial de
Cargadescarga carga (1)
(2)
1º
0
0
180
57.2
0
23.2
2º
90
36.1
0
22.6
3º
90
36.6
0
23.3
4º
90
37
0
23.8
5º
90
37.4
0
24.4

*

: 10 cm
: 10.304 lb
: 0.01 pulg.
: 64.3 mm

Fuerza
(kg)
(3)=(1)x10.304/2.2
0
843.1
0
421.5
0
421.5
0
421.5
0
421.5
0

Presión
(kg/cm2)
(4)=(3)/( xD2/4)
0
10
0
5
0
5
0
5
0
5
0

Deformación
Deflexión
(%)
(mm)
(5)=(2)x0.01x2.54
= H/H
1.4529
0.5893
0.9169
0.5740
0.9296
0.5918
0.9398
0.6045
0.9500
0.6198

0.01343*
0.00533
0.00525
0.00521
0.00514

1.4529 0.5893
x100
64 .3

Graficando se obtiene:
Curva Presión versus Asentamiento
12

Presion (kg/cm2)


8

4

0
0.0

0.4

0.8
Asentamiento (mm)

1.2

1.6


441


Anexo G

Comportamiento del módulo E* versus el Nº de ciclos
1000
M odulo Elastico vs Nº ciclos

900

800
Presion 10 kg/ cm2
Presion 5 kg/ cm2
700
0

1

2

N º cicl o s

3

4

5


442

METODOLOGÍA AASHTO 2002 Y EL ANÁLISIS DEFORMACIONAL EN
EL DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
Ing. Silene MINAYA G.; Ing. Abel ORDOÑEZ H.
silenemg@yahoo.com ohabel@yahoo.com

1. RESUMEN
La metodología de diseño de pavimentos empírico-mecanístico AASHTO 2002, a diferencia de
métodos anteriores de diseño, propone el análisis deformacional como instrumento de diseño de
la estructura de pavimentos. El objetivo principal del análisis es el control de las deflexiones y
los esfuerzos de tracción, asociados al agrietamiento prematuro de la carpeta asfáltica.
La ponencia resume la aplicación del análisis deformacional, las cuales concluyen en la
necesidad de: mejorar las condiciones del suelo de fundación de baja capacidad de soporte
(CBR menor a 8-10%), incorporar bases estabilizadas en tráfico pesado y/o cimentaciones de
baja capacidad de soporte modificando el tipo de diseño convencional que aún prevalece en el
país y re-establecer la función de la carpeta asfáltica solamente como superficie de rodadura.
El análisis deformacional demuestra la desventaja de utilizar métodos como el AASHTO 1993 y
el Método del Instituto del Asfalto, los cuales no consideran adecuadamente la influencia de la
estratigrafía del terreno de fundación y proponen la convertibilidad del espesor de la carpeta
asfáltica a espesores de bases granulares, sin considerar los módulos elásticos o rigidez de
ambos materiales y la variación de la distribución de esfuerzos y deformaciones en la estructura
del pavimento
2. INTRODUCCION
La aplicación del análisis deformacional en el diseño de pavimentos flexibles tiene el objetivo
de controlar las deformaciones en la estructura de pavimentos, incluyendo el terreno de
fundación. La magnitud de las deformaciones que se presenta en la estructura de pavimentos
debido a las cargas móviles está asociada a la duración del pavimento.
El análisis deformacional constituye en la actualidad una herramienta de análisis que permite
considerar:
a. El tipo de superficie de rodadura y/o carpeta asfáltica través del módulo dinámico. El
parámetro del modelo considera las variaciones horarias y estacionarias y la velocidad
del tránsito, en función de la categoría de la vía (pendiente, geometría, etc.).
b. El tipo de base y sub-base granular, bases y sub-bases estabilizadas asfálticas y/o
tratadas con cemento. Permite también determinar de manera directa el espesor del
material estabilizado necesario para el diseño.
c. La estratigrafía del terreno de fundación, la capa compactada y los estratos del terreno
natural, así como la presencia de basamento rocoso.
d. La distribución de los esfuerzos verticales de compresión en la sub-rasante y el terreno
de fundación.
e. La distribución de esfuerzos horizontales y esfuerzos de tracción en las capas
superficiales del pavimento. Esto permite evitar que la superficie de rodadura o carpeta
asfáltica sea sometida a esfuerzos de tracción que genere el agrietamiento prematuro.
444

El análisis deformacional se realiza a través de programas de cómputo que permiten la solución
del problema elástico como el Kenlayer del Dr. Huang, 1993 de la Universidad de Kentucky,
EE.UU. Programas del INPACO de Colombia, implementado en la década pasada, es también
conocido en nuestro medio.
Una de las preocupaciones existente en nuestro medio, para la aplicación ingenieril del análisis
deformacional corresponde a la determinación de los parámetros del modelamiento elástico del
pavimento.
3. MODELAMIENTO ELÁSTICO DE LA CARPETA ASFÁLTICA
El método de diseño AASHTO 1993 considera como parámetro de diseño de la carpeta asfáltica
el módulo resiliente, Mr resultante del ensayo de tracción indirecta. Para mezclas asfálticas
densas en caliente, los valores de Mr varían de 400,000 a 450,000 psi (28,000 a 32,000 kg/cm2)
considerando una temperatura de 20 C, no indicando, el tipo de asfalto y la frecuencia de
ensayo asociado a la velocidad.
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* determinado de los
ensayos de compresión triaxial cíclico. Sin embargo, se propone la ecuación de Witzack, el cual
considera:
a. El tipo de asfalto (penetración, viscocidad y/o gradación caso de Superpave, asfaltos
modificados y envejecidos)
b. La granulometría de la mezcla asfáltica (densa, abierta, incompleta, porosa, etc.)
c. Las variaciones de temperaturas horarias y estacionarias.
d. La velocidad vehicular asociada a la frecuencia de la carga.
VISCOSIDAD DEL ASFALTO ORIGINAL
La viscosidad del asfalto original (no envejecido) a 25ºC puede calcularse conociendo la
penetración del asfalto, el modelo desarrollado por Mirza y otros (AAPT 1995) de la
Universidad de Maryland 1 es:

log

10.5012 2.2601 log( Pen ) 0.00389 log( Pen ) 2

(1)

El valor de la viscosidad
se expresa en poises. Esta ecuación es aplicable a valores de
penetración en un rango de 3 a 300 dmm. Sin embargo, cuando no se tenga como dato exacto la
penetración del asfalto, su viscosidad puede calcularse con la ecuación propuesta por la Guía de
Diseño Empírica-Mecanística AASHTO 2002:

log log

A VTS log TR

(2)

se expresa en centipoises (cP), TR es la temperatura en Rankine; y A y
donde la viscosidad
VTS son parámetros de regresión que están en función de la gradación del ligante. Los
parámetros de regresión A y VTS son:

1

Appendix EE-1 de la Guide for Mechanistic-Empirical Design of New and Rehabilitated Pavement
Structures. NCHRP August 2003.

445

Tabla 1: Parámetros de Regresión A y VTS
PEN

A

VTS

40-50

10.5254

-3.5047

60-70

10.6508

-3.5537

85-100

11.8232

-3.6210

120-150

11.0897

-3.7252

200-300

11.8107

-4.0068

La Guía AASHTO 2002 indica que se debe tener especial cuidado cuando se usa la ecuación 2
a bajas temperaturas, pues la viscosidad del ligante asfáltico se aproxima a 2.7x1010 Poise, por
lo tanto, la viscosidad a bajas temperaturas es igual al menor valor entre el calculado por la
ecuación 2 y 2.7x1010 Poise. La Tabla 2 muestra la viscosidad del ligante no envejecido para
diferentes temperaturas de pavimentos y penetraciones. Otra alternativa es medir la viscosidad
del asfalto a la temperatura de interés, empleando el reómetro de corte dinámico de la
metodología Superpave, tal como lo propone AASHTO 2002.
Tabla 2: Viscosidad de Ligante No Envejecido, Mpoise
TºC
-10
0
10
20
40
60

Viscosidad del ligante no envejecido, Mpoise
PEN 40-50 PEN 60-70 PEN 85-100 PEN 120-150 PEN 200-300
1,115,628.43 731,029.32 417,758.92
173,811.03
19,295.57
21,249.81 13,933.23
7,967.08
3,339.57
381.226
739.15
487.84
281.40
120.22
14.533
42.136
28.105
16.444
7.214
0.941
0.435
0.298
0.181
0.085
0.013
0.014
0.010
0.006
0.003
0.001

MÓDULOS DINÁMICOS
El ensayo de tracción indirecta permite determinar el Módulo Resiliente de la carpeta asfáltica
cuando trabaja a tracción. Diseñar carpetas asfálticas considerando que la parte inferior trabaje a
tracción y la parte superior se encuentre a compresión, generan fisuras prematuras que se
reflejarán en la superficie.
El nuevo criterio para el diseño de pavimentos diseña la estructura de manera que la carpeta
asfáltica se encuentre trabajando toda a compresión. Esto se consigue incorporando capas
inferiores estabilizadas o tratadas. Desde este punto de vista el Módulo Resiliente no es
representativo del comportamiento de la carpeta, proponiéndose el Módulo Dinámico obtenido
de ensayos triaxiales cíclicos. El módulo dinámico varía con la temperatura y la frecuencia de
carga. Se debe tener en cuenta que el ensayo se debe realizar a la frecuencia que simule las
cargas de tráfico para el diseño. Una máquina de ensayo servo hidráulica para ensayos de
compresión cíclica se muestra en la foto 1. El equipo de la Universidad de Arizona, EE.UU.
aplica esfuerzos sinusoidales (ondas continuas) que son medidos en la celda de carga, las

446

deformaciones se miden usando un traductor LVDT. El traductor se asegura usando brackets y
tacones sobre el especimen. Se acondicionan barras de acero para mantener el alineamiento.



Foto 1: Ensayo Triaxial Cíclico, Universidad de Arizona. Ref. 1
El comportamiento visco-elástico es la respuesta retardada del material, la deformación máxima
se alcanzará en un instante posterior, cuando la carga que se haya aplicado se encuentre en el
instante de la descarga. El módulo dinámico E* es la relación entre el esfuerzo y la respuesta
deformacional.

E

o

(3)

o

La ecuación de Witczak incorpora las propiedades del ligante, agregados, y características
volumétricas de la mezcla. Esta ecuación está sustentada en 1430 muestras ensayadas sobre 149
tipos de mezclas asfálticas convencionales, realizados durante 30 años. La ecuación es:

log E*

3.750063 0.029232 p 200 0.001767 p 200 2 0.002841 p 4 0.058097 Va
Vb eff
3.871977 0.0021.p 4 0.003958.p 38 0.000017. p 38 2 0.005470.p 34
0.802208
Vb eff Va
1 e 0.603313 0.313351. log f 0.393532. log
Donde:
E*
Módulo dinámico de mezclas asfálticas, psi
Viscosidad del ligante en 106 poise (a cualquier temperatura y envejecimiento)
f
Frecuencia de carga en Hz.
Va
% de vacíos de aire en la mezcla, por volumen.
Vbeff contenido de asfalto efectivo, porcentaje por volumen
P34
% retenido acumulado en el tamiz ¾”, por peso total de agregado
P38
% retenido acumulado en el tamiz 3/8”, por peso total de agregado
P4
% retenido acumulado en el tamiz Nº4, por peso total de agregado
447

P200

% que pasa el tamiz Nº200, por peso total de agregado

La ecuación considera un rango de temperaturas de 0 a 130ºF (-18 a 54ºC). La frecuencia está
relacionada con la velocidad del vehículo. La Guía recomienda definir la frecuencia en función
de la categoría y velocidad vehicular:
Tabla 3: Recomendaciones de Velocidades y Frecuencias
Categoría

Velocidad Superficie de rodadura
KPH
(espesor= 1-3”)
95
45-95

1era
2da

70

35-70

Vías urbanas

25

10-25

Intersecciones viales

0.8

0.5-1

Ref: Flexible Design AASHTO 2002, Tabla 3.3.1, parte 3 capítulo 3

Se aplicó la ecuación de Witczak para una mezcla asfáltica densa convencional que cumpla con
las especificaciones de la mezcla de tamaño máximo nominal 3/4” (19 mm), las frecuencias
consideradas en el análisis fueron 15, 50 y 70 Hz. correspondiente a 25, 70 y 95 kph y para
viscosidad del ligante no envejecido de diferentes penetraciones. Los porcentajes retenidos y
pasantes de las mallas son: (P34 : 0%, P38 : 30%, P4 : 50%, P200 : 5%, Vbeff : 15%, Va: 4%).
Las figuras 1 a 3 presenta los valores del Módulo Dinámico correspondiente a mezclas asfálticas
de diversas penetraciones utilizadas en el país, en función de la temperatura y la velocidad
vehicular. Los valores determinados son para asfaltos PEN 60-70, 85-100 y 120-150, asfaltos
usados en zonas de temperatura cálida, intermedia (caso Lima) y de bajas temperaturas.
15

Asfalto PEN 60-70

10

5

0
20

40

60
Velocidad, Km/h

80
20ºC
40ºC

100
30ºc
50ºC

Figura 1: Módulo Dinámico según Velocidad y

448

25

Asfalto PEN 85-100
20

15

10

5

0
20

40

60
Velocidad, Km/h

80
10ºC
30ºC

100
20ºc
40ºC


30


Asfalto PEN 120-150
25
20
15
10
5
0
20

40

60
Velocidad, Km /h

80

100

0ºC
20ºC

10ºc
30ºC

Por ejemplo si se desea calcular el Módulo Dinámico para carpeta asfáltica convencional de
TMN 19 mm, para las temperaturas de pavimento y frecuencias mostradas en la tabla se tienen
los siguientes módulos:

449

Tabla 4: Módulo Dinámico E* en psi
Tipo de mezclas

Asfalto PEN 60-70
Asfalto PEN 120-150
Sugerido en zonas cálidas 2 Sugerido en zonas frías2
velocidad de diseño
70 kph
70 kph
frecuencia
50 Hz
50 Hz
Temperatura de pavimento
40ºC
5ºC
E*, psi
410,000
2´200,000
A altas temperaturas la mezcla asfáltica puede ser susceptible a deformaciones permanentes
mientras que los valores bajos indican susceptibilidad a agrietarse por bajas temperaturas. En el
primer caso se debe poner especial cuidado en la elección del ligante y la granulometría de la
mezcla, el ligante debe mantener su rigidez a altas temperaturas y la granulometría del agregado
deberá ser uniforme tipo Stone Mastic Asphalt, donde predomine el contacto piedra-piedra. Para
el segundo caso la elección del ligante será lo más importante considerando asfaltos que
mantengan su rigidez a bajas temperaturas.
Para el caso de Lima donde el asfalto empleado puede ser asfalto PEN 85-100, a temperatura de
pavimento de 20ºC y velocidad de diseño de 70 kph, frecuencia 50 Hz., el E* será 1´180,000
psi. Una carpeta asfáltica sometida a las condiciones de Lima, correspondiente a un diseño de
pavimento convencional, tiene valores altos de rigidez, que lo puede llevar al agrietamiento al
concentrar esfuerzos de tracción.
4. ANÁLISIS DEFORMACIONAL
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 deflexión es un parámetro utilizado para verificar la capacidad estructural de un pavimento.
La deflexión admisible puede ser calculada con alguna de las siguientes ecuaciones empíricas 3 :
Instituto del Asfalto:

Dadm

25.64 N

CONREVIAL:

Dadm

1.15 / N

Criterio de California, CA de 5”:

Dadm

6.237 N

0.2383

0.25

0.165

N es el número de ejes equivalentes usado en el diseño. Aplicando las ecuaciones a 0.8x106 ejes
equivalentes se tiene: 101, 109 y 66 (1/100 mm) de deformación admisible, respectivamente.
2

Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras, EG-2000. Ministerio de
Transportes y Comunicaciones del Perú.
3
Chang, C, Torres, R. “Aplicación de Ensayos no destructivos para el Control de Calidad de Pavimentos
Flexibles”. Instituto de la Construcción y Gerencia, 2005.

450

luego se reflejarán en la superficie. La figura 5 muestra la distribución de esfuerzos horizontales
( H) y verticales ( V) de pavimentos típicos.
El parámetro elástico que modela el comportamiento de la carpeta asfáltica que trabajan a
tracción es el Módulo Resiliente obtenido del ensayo de tracción indirecta. Para los materiales
granulares y fundación natural, el Módulo Resiliente obtenido de ensayos triaxial cíclico es el
parámetro de diseño.
fundación y la deformación por tracción, asociado al agrietamiento. A continuación se evaluará
el comportamiento deformacional de la estructura del pavimento y el aporte de cada capa en la
reducción de estas deformaciones. Se empleará el programa elástico multicapas Kenlayer del
Dr. Huang de la Universidad de Kentucky.

(+)

Carpeta
Base
granular

( -)

v
H

Sub base
granular

Suelo
compactado
Fundación

Figura 5: Esquema de la Distribución de Esfuerzos en Pavimentos Típicos
PRIMER CASO: ESTRUCTURAS TIPICAS
Se modelará una estructura típica conformada por carpeta asfáltica, base y sub base granulares,
suelo compactado y fundación. Las condiciones de análisis son las mismas, sólo se variará el
espesor de la carpeta asfáltica, ésta será de 2, 4 y 6 pulg. Las dimensiones y parámetros de
diseño se muestran en la figura 6.
La figura 7 muestra la variación de los esfuerzos verticales o de compresión en estructuras
típicas. El mayor porcentaje de los esfuerzos verticales son asumidos por la carpeta asfáltica y
base granular. Al nivel de fundación, para cualquier configuración, llega el mismo nivel de
esfuerzos, esto indica que incrementando el espesor de la carpeta asfáltica no se reducen las
deformaciones en la fundación.
451

Variable

Carpeta asfáltica

20 cm

Base granular
Sub base
granular

25 cm

Suelo
compactado

15 cm

Fundación

CAPA DE PAVIMENTO
CARPETA ASFALTICA
BASE GRANULAR,
CBR=100%
SUB BASE GRANULAR
CBR=40%
SUELO COMPACTADO
CBR=20%
FUNDACION
CBR=4%
TIPO DE EJE
RADIO DE CONTACTO
PRESION DE CONTACTO

CARACTERÍSTICAS
2, 4 y 6”
Mr=450,000 psi
=0.35 (ref. 2)
Mr= 30,000 psi
=0.35
(ref. 2)
Mr= 17,500 psi
=0.35
(ref. 2)
Mr= 12,000 psi
=0.45
(ref. 2)
Mr=6,000 psi
=0.45
(ref. 2)
SIMPLE STANDARD
4.52 PULG
5 kg/cm2

Figura 6: Análisis Deformacional de Estructura Típica.

Carpeta

2”
v

4”

Base granular

Sub base
granular

Suelo
compactado
Fundación

Figura 7: Esfuerzos Verticales o de Compresión
Estructura Típica
La deformación a nivel de fundación es del orden de 3.75% y deflexiones dinámicas de 0.83,
0.65 y 0.54 mm. para carpetas asfálticas de 2, 4 y 6 pulg, respectivamente. Las deflexiones
dinámicas y estáticas están en una relación de 1 a 10, esto quiere decir que la deflexión en la
superficie es de 8.3, 6.5 y 5.4 mm medidos con viga Benkelman, valores muy superiores a los
admisibles para 0.8x106 ejes equivalentes, que está en el orden de 1 mm..
La figura 8 demuestra que el tercio superior de la carpeta asfáltica está trabajando a compresión
mientras que los dos tercios restantes a tracción. En conclusión, incrementar el espesor de la
452

6”

carpeta no reduce las deformaciones por tracción, la mejor alternativa es minimizar las
deformaciones plásticas a nivel de fundación mediante la estabilización.

Carpeta

2”

4

6”

Base granular

t

Sub base
granular

Suelo
compactado
Fundación

Figura 8: Deformaciones por Tracción en Estructura Típica
Es contraproducente, además, convertir espesores de carpeta asfáltica a equivalentes de
espesores de base granular como 1:3. La carpeta asfáltica tiene un módulo por lo menos 15
veces mayor al de la base granular y solo se podrá modificar espesores luego de un análisis
deformacional.
SEGUNDO CASO: ESTRUCTURA SEMIRIGIDA
El esquema de distribución de esfuerzos en una estructura de pavimentos con base y/o sub base
estabilizada se muestra en la figura 9. La carpeta asfáltica está sometida solamente a esfuerzos
de compresión, mientras los esfuerzos de tracción son absorbidos por la base estabilizada.

(+)

Carpeta
H

( -)

Base
v Estabilizada

Sub
base

Figura 9: Distribución de
Esfuerzos en Pavimentos
con Base y/o Sub Base
Estabilizada.

Fundación

453

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 4 .
Con la finalidad de demostrar la importancia de considerar bases y sub-bases tratadas y/o
estabilizadas en pavimentos sobre terrenos de baja capacidad de soporte, como es el caso del
diseño considerado en la Vía Inter-Oceánica Sur – Tramo Inambari-Iñapari, se presenta el
análisis deformacional, considerando la colocación de una carpeta asfáltica, figura 10.

Carpeta asfáltica

1“

Base:
Suelo+cemento

20 cm

Sub base :
suelo+cal

CAPA DE PAVIMENTO
CARPETA ASFALTICA

CARACTERÍSTICAS
E*=300,000 psi
=0.35
Mr= 700,000 psi4
=0.15
Mr= 60,000 psi
=0.20
Mr= 24,000 psi5
=0.25
Mr=4,500 psi
=0.45
(ref. 2)
SIMPLE STANDARD
4.52 PULG
5 kg/cm2

BASE:SUELO+CEMENTO
20 cm

SUB BASE:SUELO+CAL
ARCILLA+ARENA

arcilla+arena

65 cm

Fundación natural
de arcilla

FUNDACION
CBR=3%
TIPO DE EJE
RADIO DE CONTACTO
PRESION DE CONTACTO

Ref: Flexible Design AASHTO 2002, 4Tabla 2.2.43. 5Tabla 2.2.51

Figura 10: Análisis Deformacional de Estructuras Semi-Rígidas
Para los parámetros de diseño mostrado y haciendo uso del programa Kenlayer se ha obtenido la
siguiente distribución de esfuerzos, figura 11.

Carpeta
asfáltica

Base:
Suelo+cemento
Sub base : suelo+cal

Figura 11:Distribución
de Esfuerzos en
Pavimentos SemiRígidos

v
H

Deflexión =3mm
arcilla+arena

v(sub-rasante) = 0.01%
H

(+)=0.006%
2

v(fundación)=0.04kg/cm
Fundación natural de arcilla

454

Luego de algunos años la fundación natural habrá perdido la mayor parte de sus deformaciones
plásticas e incrementado su módulo, es en ese momento en que se podrá volver a hacer una
nueva evaluación y considerar un trabajo de recapeo que permita recuperar la calidad de la
superficie de rodadura. Definitivamente el diseño de carreteras sobre fundación arcillosa o
limosa es por etapas.
El aporte del análisis deformacional en el diseño de pavimentos asfálticos, cualquiera sea su
categoría, es de suma importancia debido a que permite evaluar el criterio de diseño aplicado, el
tipo de diseño considerado y la influencia de las condiciones de cimentación.
La metodología permite considerar las variables que influyen en la vida del pavimento, como
temperatura, velocidad del tránsito, estratigrafía del terreno, la influencia de espesores de capas
estabilizadas y/o tratadas, que otros métodos, debido a su limitación no pueden considerar.
REFERENCIA
1) Kaloush, K., Witczak, M., Way, G., Zborowski, A., Abojaradeh, M., Sotil, A., “Performance
Evaluation of Arizona Asphalt Rubber Mixtures using advanced Dynamic Material Characterization
Tests”, Arizona State University, Arizona Department of Transportation, FNF Construction, Inc, July
2002.
2) Huang, Y. Pavement Analysis and Design, Second Edition, 2004.
3) Guide for Mechanistic-Empirical Design of New and Rehabilitated Pavement Structure. 2002.
4) Marasteanu, M., Clyne, T., « Dynamic Modulus Testing of Asphalt Mixtures”, University of
Minnesota, February 2002.
5) Minaya, S., “Comportamiento Mecánico de Mezclas Asfálticas Tipo Superpave y SMA”, Tesis de
Maestría, Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Nacional de Ingeniería, 2006.
6) Minaya, S., Ordóñez, A., “Diseño Moderno de Pavimentos”, Universidad Nacional de Ingeniería,
segunda edición, 2006.
7) Minaya, S., Ordóñez, A., “SUPERPAVE y el Diseño de Mezclas Asfálticas”, Universidad Nacional
de Ingeniería, 2003
8) Ordóñez, A., Minaya, S., “Consideraciones y Aplicaciones en Proyectos de Carreteras en el País de
la Guía de Diseño Empírico-Mecanístico de Pavimentos NCHRP 1-37A (AASHTO 2002), ICG 2004
9) Ordóñez, A., Minaya, S., “Módulos Dinámicos de Mezclas Asfálticas SMA y Superpave”, VIII
Congreso Nacional del Asfalto, 2005
10) Vasconcellos, R., “Nuevas Técnicas de Estabilización de Suelos y Reciclado de Pavimento con el
uso de Cemento Portland”, ASOCEM, agosto 2006.

455

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