DISEÑO MEZCLA ASFÁLTICA ASFALTO CAUCHO TECNOLOGÍA GAP GRADE

DISEÑO DE MEZCLA ASFÁLTICA CON ASFALTO CAUCHO TECNOLOGÍA GAP GRADED PARA LA CIUDAD DE BOGOTÁ

ARMANDO RAMÍREZ VILLAMIZAR INGRYD LORENA LADINO RUBIO JUAN PABLO ROSAS RAMÍREZ

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA ESPECIALIZACIÓN EN INGENIERÍA DE PAVIMENTOS BOGOTÁ D.C. 2014

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DISEÑO DE MEZCLA ASFÁLTICA CON ASFALTO CAUCHO TECNOLOGÍA GAP GRADED PARA LA CIUDAD DE BOGOTÁ

ARMANDO RAMÍREZ VILLAMIZAR INGRYD LORENA LADINO RUBIO JUAN PABLO ROSAS RAMÍREZ

Trabajo de grado para optar al título de Especialista en Ingeniería de Pavimentos

Director JUAN CARLOS RUGE CÁRDENAS Ingeniero Civil

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA ESPECIALIZACIÓN EN INGENIERÍA DE PAVIMENTOS BOGOTÁ D.C. 2014

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Nota de aceptación

______________________________________ ______________________________________ ______________________________________

______________________________________ Director de Investigación Ing. Juan Carlos Ruge Cárdenas ______________________________________ Asesor Métodológico Ing. Juan Carlos Ruge Cárdenas

______________________________________ Jurado

Bogotá D.C., diciembre de 2014

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CONTENIDO pág. 1. 2. 2.1 2.2 3.

INTRODUCCIÓN OBJETIVOS Objetivo General Objetivos Específicos MARCO TEÓRICO MEZCLAS ASFÁLTICAS CON ASFALTOCAUCHO 3.1 Métodos de utilización 3.2 Proceso por vía seca 3.3 Proceso por vía húmeda 4. INSTRUCTIVO PARA EL DISEÑO DE LA MEZCLA EN LABORATORIO Y PRODUCCIÓN DE PARA TRAMO DE PRUEBA EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ 4.1 Descripción 4.2 Agregados pétreos y llenante mineral 4.3 Material bituminoso 4.4 Equipo 4.4.1 Equipo para la elaboración del asfalto modificado con caucho de llanta amc 4.4.2 Planta mezcladora 4.4.2.1 Requisitos para todas las plantas 4.4.2.2 Equipo para la extensión de la mezcla 4.4.2.3 Equipo de compactación 4.5 EJECUCION DE LOS TRABAJOS 4.5.1 Diseño de la mezcla y obtención de la fórmula de trabajo 4.5.2 Fabricación de la mezcla asfáltica 4.5.3 Transporte de la mezcla 4.5.4 Compactación de la mezcla 5. DISEÑO DE MEZCLA ASFÁLTICA MEDIANTE DETERMINACION DE LA RESISTENCIA A LA DEFORMACION PLÁSTICA Y PARAMETROS MARSHALL PARA LA MEZCLA GAP-GRADED TIPO GG-1 PREPARADA CON ASFALTO MODIFICADO CON CAUCHO DE LLANTA AMC-TIPO III DE MPI LTDA Y MATERIALES PETREOS DE LA PLANTA CENTRASA 5.1 Objetivo 5.2 Método de diseño para formula de trabajo 5.3 Granulometría 5.4 Análisis granulométrico de agregados 5.5 Pesos específicos de los materiales granulares

12 14 14 14 15 16 16 16 18 18 18 19 20 21 21 21 21 22 23 23 25 26 26

28 28 28 30 31 32

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5.6 Caracterización del asfalto-caucho 5.7 Determinación de la fórmula de trabajo 5.7.1 Ensayos Marshall para la mezcla GAP GRADED GG-1 5.7.1.1 Determinación del valor máximo de porcentaje de asfalto 5.7.2 Resultados de deformación plástica 5.7.2.1 Pendiente media de ahuellamiento (WTS air) 5.7.2.2 Profundidad de ahuellamiento media proporcional (PRD air) 5.7.2.3 Profundidades de ahuellamiento (RDair) 5.7.2.4 Velocidad de Deformación Media 5.8 Recomendaciones 6. INFORME DE DISEÑO DE PAVIMENTOS – TRAMOS DE REHABILITACIÓN CALLE 17 ENTRE CARRERA 113 A Y CARRERA 115. 6.1 Alcance del proyecto y localización 6.2 Clima 6.3 Geología específica del proyecto 6.4 Descripción del proyecto 6.5 Información preliminar 6.5.1 Auscultación 6.5.2 Sondeos 6.5.3 Deflexiones 6.5.4 Resultados del diagnóstico 6.6 Clasificación definitiva del segmento 6.6.1 Preclasificación estructural 6.7 Caracterización geotécnica 6.7.1 CIV 9001454-2 6.7.2 CIV 9001402-2 6.7.3 CIV 9001358-2 6.8 Variable tránsito 6.8.1 Análisis de resultados TPD - Calle 17 entre av. centenaria y kr 115 6.9 Diseño de estructura de pavimento 6.9.1 Diseño método INVIAS con medios y altos volúmenes de tránsito 6.9.2 Método ASSHTO-93 6.9.3 Diseño pavimentos método de LA SHELL 6.9.4 Diseño pavimentos método del Instituto del asfalto 6.9.5 Resumen estructuras de diseño 6.9.6 Elección estructura de diseño 6.9.7 Diseño estructura de pavimento con mezcla asfalto-caucho (gapgrade) 6.9.7.1 Alternativa asfalto-caucho con mezcla densa en caliente y mezcla semidensa-método CALTRAN

6

33 34 34 35 35 36 38 39 39 41

43 43 44 44 45 46 46 46 46 47 48 48 49 49 51 52 53 54 56 56 58 61 64 66 66 67 68

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6.9.7.2 6.9.7.3

Alternativa mezcla asfáltica plena con asfalto-caucho Alternativa mezcla asfáltica con mezcla semidensa y mezcla asfalto-caucho, con módulo equivalente 7. CONCLUSIONES REFERENCIAS

7

69 71 73 76

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LISTA DE TABLAS pág. Tabla 1. Tabla 2. Tabla 3. Tabla 4. Tabla 5. Tabla 6. Tabla 7. Tabla 8. Tabla 9. Tabla 10. Tabla 11. Tabla 12. Tabla 13. Tabla 14. Tabla 15. Tabla 16. Tabla 17. Tabla 18. Tabla 19. Tabla 20. Tabla 21. Tabla 22. Tabla 23.

Franjas granulométricas para mezclas asfálticas en caliente tipo GAP GRADED Especificación ASTM D-6114-97 Parámetros Marshall de la mezcla asfáltica en caliente Tipo Gap Graded con asfalto A.M.C. Criterios de diseño de la mezcla asfáltica en caliente Tipo Gap Graded con asfalto A.M.C. Resumen de ensayos a los materiales pétreos Granulometría de los Agregados Individuales Reporte de Calidad Asfalto Modificado Con Caucho de Llanta Enero 12 - 2011. Reporte de Calidad Asfalto Modificado Con Caucho de Llanta Marzo 12 – 2011 Primera Aproximación a la fórmula de trabajo Características de Control de Diseño Marshall, Mezcla Asfáltica GG1 al 7,3% de Asfalto Condiciones de realización del diseño de resistencia a la deformación plástica (Ahuellamiento). Pendiente media de ahuellamiento Resultados del Ensayo de Deformación Plástica Fórmula de Trabajo Final Segmentos para rehabilitación - calle 17 entre carrera 113 a y carrera 115 Preclasificación por estado superficial – segmentos sobre calle 17 entre carrera 113 a y carrera 115 resultados sondeos – segmentos ubicados sobre la calle 17 entre carrera 113 a y carrera 115. Resultados de Retro cálculo – segmentos ubicados sobre la calle 17 entre carrera 113 a y carrera 115 Preclasificación por Índice estructural Condición del pavimento segmentos localizados sobre la calle 17 entre carrera 113 a y carrera 115. Número de apiques– calle 17 entre carrera 113 a y carrera 115. Propiedades material granular Propiedades Subrasante

19 20 24 25 30 31 33 34 35 35 36 37 40 41 43 46 46 47 48 49 49 50 50

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Tabla 24. Tabla 25. Tabla 26. Tabla 27. Tabla 28. Tabla 29. Tabla 30. Tabla 31. Tabla 32. Tabla 33. Tabla 34. Tabla 35. Tabla 36. Tabla 37. Tabla 38. Tabla 39. Tabla 40. Tabla 41. Tabla 42. Tabla 43. Tabla 44. Tabla 45. Tabla 46. Tabla 47. Tabla 48.

Propiedades material granular Propiedades Subrasante Propiedades Material Granular Propiedades Subrasante TPD Segmentos sobre La CL 17 entre Av.Centenario y KR 115 Tasas de crecimiento proyectadas Número de ejes equivalentes - Segmentos localizados sobre la Calle 17 entre Carrera 113 A y Carrera 115 Estructura final propuesta método INVIAS Estructura: partimos de estructura INVIAS Cálculo método ASSHTO-93 Estructura final método ASSHTO-93 Cálculo método SHELL Estructura final método SHELL Cálculo método instituto del asfalto Estructura final método instituto del asfalto Resumen estructuras de diseño Estructura de diseño final Alternativa diseño asfalto-caucho con mezcla densa en caliente y mezcla semidensa con equivalencia método CALTRAN Estructura asfalto-caucho con mezcla densa en caliente y mezcla semidensa con equivalencia método CALTRAN Cálculo alternativa mezcla asfáltica plena con asfalto-caucho Estructura alternativa mezcla asfaltica plena con asfalto-caucho Cálculo alternativa mezcla asfáltica con mezcla semidensa y mezcla asfalto-caucho, con módulo equivalente Estructura mezcla asfáltica con mezcla semidensa y mezcla asfaltocaucho, con módulo equivalente Estructura final propuesta Estructura recomendada con la alternativa con asfalto-caucho

9

51 51 52 53 54 55 55 58 58 59 61 62 63 64 66 66 67 68 69 70 70 71 72 74 74

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LISTA DE FIGURAS pág. Figura 1. Figura 2. Figura 3. Figura 4. Figura 5. Figura 6.

Figura 7. Figura 8.

Descripción del proceso por vía húmeda Análisis granulométrico de pétreo Curva Granulométrica del material pétreo Resultados de los ensayos realizados para el cálculo del peso específico de los materiales Variación de la pendiente media de ahuellamiento con respecto al porcentaje de asfalto-caucho utilizado (7,0%, 7.5%, 8,0%) Variación de la Velocidad de Deformación con respecto al porcentaje de asfaltocaucho utilizado (7,0%, 7.5%, 8,0%) Corte Transversal – Calle 17 entre Carrera 113 A y Carrera 115. Geología – calle 17 entre carrera 113 a y carrera 115.

17 31 32 32 38

40 44 45

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LISTA DE ANEXOS pág. Anexo A. Anexo B. Anexo C. Anexo D. Anexo E. Anexo F. Anexo G. Anexo H. Anexo I. Anexo J. Anexo K. Anexo L.

Diseño MARSHALL Rice para diseño MARSHALL Ensayo de Resistencia 31 de enero de 2011 Ensayo de Resistencia 19 de enero de 2011 Ensayo de Resistencia 19 de enero de 2011 Localización proyecto Cálculo del tránsito Cálculo módulo de resiliencia método SHELL Cálculo módulo de resiliencia instituto del asfalto Cálculo módulo resiliente materiales granulares Tabla Equivalencia asfalto caucho según Caltran (Dpto Transporte de California) Ensayo módulo dinámico

77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 89

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1. INTRODUCCIÓN En el mundo moderno un grave problema medioambiental es el desecho de los neumáticos. Las principales dificultades generadas por este residuo, tienen que ver con su disposición final, dado que la mayoría de los neumáticos fuera de uso, se encuentran dispuestos en sitios que no cumplen ningún tipo de reglamentación para su disposición, ocupando gran espacio y por ser considerados desechos sólidos deben ser enterrados, almacenados y en el peor de los casos destruidos por incineración. La acumulación de neumáticos incrementa la posibilidad de incendios y la posible emanación de gases tóxicos. La solución a este problema que se plantea con los neumáticos fuera de uso, pasa por la búsqueda de vías capaces de valorizar adecuadamente este residuo bajo condiciones económicas aceptables y en cantidades suficientes como para hacer frente al elevado incremento de cargas por transito que se generan anualmente sobre los pavimentos. El caucho granulado reciclado de neumáticos se obtiene a través de la trituración de éstos y la separación de los componentes que lo constituyen, principalmente el acero y las fibras. A través de dicho proceso, se obtiene migas de caucho con determinadas granulometrías para distintas aplicaciones. En la actualidad, las plantas recicladoras de neumáticos y procesadoras del caucho, se encuentra en etapas iniciales de desarrollo, son muy escasas,

lo cual

implica que desde un punto de vista económico los precios para obtener el caucho sean altos, pues son muy pocos los proveedores de este insumo que garanticen cantidades satisfactorias para la producción de mezcla con asfalto caucho. Las mezclas asfálticas utilizadas en pavimentos, pueden incorporar una parte importante del caucho contenido en los neumáticos desechados. La adición de caucho proveniente de neumáticos a las mezclas asfálticas es una forma de reciclar tales desechos y mejorar las propiedades del pavimento. Las mezclas asfálticas modificadas con caucho permiten obtener un pavimento con mejores respuestas a los cambios térmicos, así como también aumentan la resistencia a la fisuración por fatiga y al envejecimiento, incrementando la vida útil del pavimento y disminuyendo los costos de

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mantenimiento. Por otro lado ayuda a la preservación del medio ambiente al reciclar los neumáticos. El presente trabajo se enmarca dentro de una iniciativa de investigación y pretende realizar un diseño de pavimento mediante el efecto de la incorporación de caucho de neumáticos desechados dentro de mezclas asfálticas en caliente, realizando los correspondientes ensayos de laboratorio para comparar con un diseño de mezcla asfáltica tradicional o convencional, determinando su ventaja a nivel de disminución de espesores de capa asfáltica y por ende su correspondiente estructura de pavimento.

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2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo General Diseño de pavimento flexible  mediante el mejoramiento mecánico de la mezcla asfáltica incorporando  asfalto caucho como material granular fino, tecnología GAP GRADE. 2.2 Objetivos Específicos En este trabajo se valida el estado del arte de la modificación de mezclas asfálticas mediante la incorporación de asfalto caucho como una nueva tecnología y alternativa para la solución de problemas en las propiedades mecánicas del asfalto convencional, ya que con el trascurrir del tiempo, estas propiedades disminuyen su vida útil como consecuencia a la exposición de factores climáticos por altas temperaturas, humedad y elevados niveles de tránsito, presentando problemas de deformación, fatiga y otros. Conocer las propiedades mecánicas, que sirven para aumentar el tiempo de vida útil del pavimento y disminuir los costos por operaciones de mantenimiento, demostrando que el uso de cemento asfáltico modificado con caucho reciclado es una técnica de solución viable al problema de baja calidad en la infraestructura vial en la ciudad de Bogotá D.C.

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3. MARCO TEÓRICO MEZCLAS ASFÁLTICAS CON ASFALTO-CAUCHO Los cementos asfálticos para pavimentación poseen a temperatura ambiente una consistencia de sólido o semisólido, con propiedades termoplásticas, ya que su consistencia varía con la temperatura. Así, a bajas temperaturas actúan como un sólido frágil y quebradizo y a temperaturas elevadas como un líquido viscoso. Esta variación puede ser más o menos pronunciada en función del tipo de asfalto y de su proceso obtención (susceptibilidad térmica). El principal objetivo al modificar asfaltos es lograr propiedades geológicas no obtenidas en los asfaltos producidos con técnicas convencionales de refinación. Una forma de modificarlos es mediante la incorporación de polímeros, entre ellos los cauchos. Estos pueden ser especialmente fabricados o provenir de la recuperación de piezas en desuso, como es el caso de los neumáticos de vehículos. Estos poseen estructuras complejas y estables que se han venido utilizando desde hace años en países como Alemania, Portugal y Estados Unidos, con procesos de pretratamiento y molienda variados. Las formas de utilización dependen de la competitividad entre la técnica de reciclado y la prestación final. Algunos estudios iniciales en la década de los cincuenta involucraron la adición de caucho natural con el objeto de aprovechar su flexibilidad y lograr una superficie del pavimento eficiente y duradero, pero sólo hasta la década de los sesenta se encontró una formulación satisfactoria al realizar estudios con caucho sintético. Las principales materias primas utilizadas en la fabricación de llantas son cauchos naturales o látex, y sintéticos como el SBS y SBR, acero, textiles y aditivos, entre los que se destacan el negro de humo, aceites, óxido de zinc activado con cadmio, dióxido de titanio, sulfuro, sílica, resinas fenólicas y ácidos grasos. La quema directa de las llantas desechadas provoca graves problemas medioambientales, ya que produce emisiones de gases que contienen partículas nocivas para el entorno. El almacenamiento provoca problemas de estabilidad por la degradación química parcial que éstas sufren, ocupan un espacio considerable, e imposibilitan la compactación de los vertederos. Las montañas de llantas forman arrecifes donde la proliferación de roedores, insectos y otros animales dañinos

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constituye un problema añadido. Algunas formas de tratamiento de las llantas usadas son: termólisis, pirolisis, incineración, trituración criogénica, trituración mecánica, entre otras. 3.1 Métodos de utilización El caucho de llantas usadas puede ser incorporado en las mezclas asfálticas por medio de dos métodos diferentes denominados proceso húmedo y proceso seco. En el proceso húmedo, el caucho actúa modificando el ligante, mientras que en el proceso seco el caucho es usado como una porción de agregado fino. Una de las principales características que presenta el cemento asfáltico modificado con GCR es el aumento en la viscosidad de la mezcla resultante, haciéndola más flexible a bajas temperaturas y menos plástica a altas. Entre los principales beneficios en los pavimentos están las mejoras a la deformación permanente, a la fatiga, y la resistencia al fisuramiento a bajas temperaturas. 3.2 Proceso por vía seca En el proceso por vía seca la cantidad requerida de ligante tiende a aumentar, también se requiere un proceso especial para adicionar el GCR en planta, y un mayor tiempo de compactación en obra; el proceso por vía húmeda requiere un equipo adicional en planta para el mezclado y almacenamiento del asfalto-caucho, así como cambio de bombas y tuberías, adicionalmente requiere mayor energía para calentar la mezcla a mayores temperaturas con tiempos de reacción prolongados. El GCR se obtiene por trituración mecánica o molienda de llantas desechadas, y debe ser de contextura fina de tamaños menores a 6.3 mm (1/4”). Este posee valiosos componentes que pueden contribuir al buen desempeño del asfalto como lo son el negro de humo que es un antioxidante, las aminas, los aceites aromáticos, y los elastómeros SBS y SBR.

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3.3 Proceso por vía húmeda El caso que vamos a estudiar en el presente trabajo, es el proceso por vía húmeda, el cual se muestra esquemáticamente en la siguiente figura: Figura 1. Descripción del proceso por vía húmeda.

En este proceso el GCR es mezclado con el ligante para producir una mezcla asfalto-caucho, la cual es usada de la misma manera que un ligante modificado. La proporción del GCR normalmente se encuentra entre el 14% y el 20%, dependiendo del ligante, por peso del total de la mezcla asfalto-caucho. Cuando el cemento asfáltico y GCR son mezclados, el GCR reacciona con el ligante hinchándose y ablandándose por la absorción de aceites aromáticos, no siendo esta una reacción de tipo química. El grado de modificación del ligante depende de muchos factores, entre los cuales se encuentran el tamaño y textura del GCR, la proporción y tipo del cemento asfáltico, el tiempo y temperatura de mezclado, el grado de agitación mecánica durante la reacción El cemento asfáltico modificado con GCR mediante el proceso húmedo ha sido usado ampliamente como ligante en la reparación de grietas y sello de juntas, tratamientos superficiales, membranas retardantes de fisuras, y en la elaboración de mezclas asfálticas en caliente de la mezcla.

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4 INSTRUCTIVO PARA EL DISEÑO DE LA MEZCLA EN LABORATORIO Y PRODUCCIÓN DE PARA TRAMO DE PRUEBA EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ 4.1 Descripción Este Instructivo consiste en la elaboración, transporte, colocación y compactación, de una o más capas de mezcla asfáltica en caliente de tipo GAP GRADED, diferenciadas por su granulometría de aplicación, como se define más adelante. 4.2 Agregados pétreos y llenante mineral Los agregados pétreos y el llenante mineral para la elaboración de las mezclas en caliente cubiertas por este Instructivo deberán satisfacer los requisitos de calidad impuestos para ellos en el numeral 400.2.1 del Artículo 400 de las especificaciones INVIAS-07. Los agregados pétreos no serán susceptibles de ningún tipo de meteorización o alteración fisicoquímica apreciable bajo las condiciones más desfavorables que presumiblemente se puedan dar en la zona de empleo. Tampoco podrán dar origen, con el agua, a disoluciones que puedan causar daños a estructuras o a otras capas del pavimento, o contaminar corrientes de agua. Los agregados pétreos empleados para la mezcla asfáltica en caliente tipo GAP GRADED deberán poseer una naturaleza tal, que al aplicársele una película del material asfáltico por utilizar en el trabajo, ésta no se desprenda por la acción combinada del agua y del tránsito. El agregado fino deberá proceder en su totalidad de la trituración de piedra de cantera o de grava natural, o parcialmente de fuentes naturales de arena. La proporción de arena natural no podrá exceder del quince por ciento (15%) de la masa total del agregado combinado. La granulometría del agregado obtenido mediante la combinación de las distintas fracciones, incluido el llenante mineral, deberá estar comprendida dentro de alguna de las franjas fijadas en la Tabla 1.

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Tabla 1. Franjas granulométricas para mezclas asfálticas en caliente tipo GAP GRADED. TAMIZ (mm/U.S. Standard) TIPO DE MEZCLA

25.0

19.0

12.5

9.5

4.75

2.36

1”

3/4”

1/2”

3/8”

No. 4

No. 8

0,600 No. 30

0,300 No.50

0,07 5 No.2 00

% PASA GGGAP GRADE D (a)

1

100

GG2 GG3

90-

65-

100

85

100

90100 100

50-70

30-45 16-28

6-16

4-12

2-6

70-90

35-50 20-32

8-18

5-14

2-6

50-65 28-40

18-22

6-16

3-7

90100

(a) Este tipo de configuración granulométrica garantiza que el asfalto - caucho llene los espacios dejados por los pétreos permitiendo que los vacíos con aire de la mezcla asfáltica estén entre 3% y 5%, permitiendo tener un pavimento impermeable y con gran desempeño en campo.

El tipo de mezcla asfáltica en caliente por emplear en función del tipo y espesor compacto de la capa asfáltica, se definirá en los documentos del proyecto. Se pueden seguir los criterios dados de acuerdo al estudio realizado por CALTRANS para disminuir espesores al utilizar las mezclas asfálticas tipo GAP GRADED preparadas con asfalto AMC teniendo en cuenta las equivalencias estructurales, que se muestran en el capítulo de diseño de la mezcla asfáltica. 4.3 Material bituminoso El material bituminoso para elaborar la mezcla en caliente tipo GAP GRADED con asfalto modificado con caucho de llanta deberá cumplir con los requerimientos de la especificación internacional ASTM D 6114-97 que se presenta en la Tabla 2.

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Tabla 2. Especificación ASTM D-6114-97.

PROPIEDADES

Viscosidad. Cp. a 175ºC (347ºF) Pen. 25ºC (77ºF) 100g, 5s:1/10mm Pen. 4ºC (39.2ºF) 200g, 60s:1/10mm P. de Ablandamiento. ºC (ºF) Resiliencia %, 25ºC (77ºF)

TIPO I

TIPO II

TIPO III

Min.

Min.

Min.

Max

Max.

Max.

NORMA

Método A 1500

5000

1500

5000

1500

5000

D5

25

75

25

75

50

100

D5

10

---

15

---

25

---

(ver 5.4)

B.C.

D36

D5329

57.2 (135) 25 232.2

---

---

---

54.4 (130) 20 232.2

---

---

---

51.7 (125) 10 232.2

---

---

---

P. de Chispa: ºC (ºF)

D93

TFOT%

D1754

-----

-----

-----

-----

-----

-----

D5

75

---

75

------

75

-----

(450)

(450)

(450)

Penetración Ret. % (Después de envejecida), 4ºC (39.2ºF)

4.4 Equipo Al respecto, se aplica lo indicado en el numeral 400.3 del Artículo 400 de la especificación INVIAS-07. En relación con el detalle del equipo necesario para la ejecución de los trabajos, se tendrá en cuenta lo que se indica a continuación.

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4.4.1 Equipo para la elaboración del asfalto modificado con caucho de llanta AMC El asfalto modificado con grano de Caucho reciclado de llantas, se fabricara en una planta adecuada para tal fin que permita la incorporación precisa del grano de caucho al asfalto en contenidos comprendidos entre el 15% y 20%. La planta debe contar con equipos que incorporen el grano de cucho al asfalto virgen en el porcentaje elegido de forma automática de acuerdo con la fase de experimentación realizada a nivel de laboratorio. Este equipo debe contar con un tanque de reacción adecuado con calentamiento y agitación para mantener la mezcla asfalto caucho homogénea y a la temperatura requerida para que se produzca una reacción adecuada. La planta debe contar con un sistema de calentamiento independiente de las bombas, accesorios y tuberías. Además de un intercambiador de calor que lleve el asfalto virgen hasta la temperatura requerida para realizar la incorporación del caucho. Se deberá contar con bomba capaz de realizar la recirculación e inyección del asfalto desde la planta asfalto caucho a la planta de preparación de mezcla. 4.4.2 Planta mezcladora

4.4.2.1 Requisitos para todas las plantas La mezcla de concreto asfáltico tipo GAP GRADED se fabricará en plantas adecuadas de tipo discontinuo o de tambor secador-mezclador, capaces de manejar simultáneamente en frío el número de agregados que exija la fórmula de trabajo adoptada. La planta estará dotada de un tambor secador que permita el secado correcto de los agregados y su calentamiento a una temperatura de 175 ± 5ºC para la fabricación de la mezcla con AMC. El sistema de alimentación del ligante bituminoso deberá poder

permitir la

inyección a la temperatura de 175 ± 5ºC, en contenidos de asfalto AMC superiores al 7,0%, de forma que se garantice una correcta dosificación y que no se sobrepasan las

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temperaturas máximas admisibles de dicho producto. Todas las tuberías, bombas, tanques, etc., deberán estar provistos de calefactores o aislamientos. Se dispondrán termómetros, especialmente en la boca de salida al mezclador y en la entrada del tanque de almacenamiento. El sistema de circulación deberá estar provisto de dispositivos para tomar muestras y para comprobar la calibración del dosificador. El ligante asfáltico se distribuirá uniformemente en el mezclador, y las válvulas que controlan su entrada no permitirán fugas ni goteos. El sistema dosificador del ligante deberá disponer de dispositivos para su calibración a la temperatura y presión de trabajo. En el caso de las plantas de tambor secador –mezclador, el tambor deberá calentar,

cubrir

y

mezclar

uniformemente los materiales, evitando

cualquier

sobrecalentamiento que pueda afectar adversamente las características y el comportamiento de la mezcla. El dispositivo medidor del asfalto deberá controlar adecuadamente la rata de ligante que se incorpora a la mezcla y responder instantáneamente a cualquier variación en la rata de alimentación de los agregados. La difusión del asfalto deberá ser homogénea y de manera que no exista ningún riesgo de contacto con la llama ni de someter al ligante a temperaturas inadecuadas. Se deberá instalar un pirómetro en el extremo de descarga del mezclador, para verificar la temperatura de la mezcla. La producción de la planta se deberá limitar a la velocidad requerida para obtener una envuelta correcta de los agregados, cumpliendo con los requisitos de temperatura del ligante.

4.4.2.2 Equipo para la extensión de la mezcla La extensión y terminación de los concretos asfálticos producidos en planta se harán con pavimentadoras autopropulsadas, de las mismas características que las descritas en el numeral 440.3.5 del Artículo 440 de la especificación INVIAS-07. Adicionalmente, deberán estar dotadas de un elemento calefactor para la ejecución de la junta longitudinal.

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4.4.2.3 Equipo de compactación Se deberán utilizar compactadores autopropulsados de rodillos metálicos tipo Tándem, vibratorios. El equipo de compactación será aprobado por el Interventor, a la vista de los resultados obtenidos en la fase de experimentación. Como mínimo, se deberán poner a disposición de los trabajos dos (2) compactadores vibratorio de rodillos metálico tipo Tándem. Todos los compactadores deberán ser autopropulsados y estar dotados de inversores de marcha suaves; además, estarán dotados de dispositivos para la limpieza de los rodillos durante la compactación y para mantenerlos húmedos en caso necesario. Los compactadores de rodillos metálicos no deberán presentar surcos ni irregularidades. Los compactadores vibratorios dispondrán de dispositivos para eliminar la vibración al invertir la marcha, siendo aconsejable que el dispositivo sea automático. Las presiones lineales estáticas o dinámicas, y las presiones de contacto de los diversos compactadores, serán las necesarias para conseguir la compacidad adecuada y homogénea de la mezcla en todo su espesor, pero sin producir roturas del agregado ni arrollamiento de la mezcla a las temperaturas de compactación. Se permitirá el uso de otros equipos de tamaño y diseño adecuados para la labor por realizar, para efectuar la compactación en lugares inaccesibles a los equipos normales de compactación. 4.5 EJECUCIÓN DE LOS TRABAJOS 4.5.1 Diseño de la mezcla y obtención de la fórmula de trabajo La mezcla asfáltica Tipo Gap Graded objeto del presente Instructivo se diseñará, utilizando pruebas de desempeño como la prueba de resistencia al ahuellamiento. El método Marshall, efectuando el ensayo de estabilidad y flujo en acuerdo con la norma de ensayo INV E–748 y utilizando los procedimientos de cálculo establecidos en la norma de ensayo INV E-799, se utilizaran para obtener una primera aproximación del

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contenido de ligante sin que este sea el valor definitivo ni el adecuado para este tipo de mezcla. Para determinar los parámetros Marshall, se debe tener en cuenta las siguientes variables: • Temperaturas de Agregados y asfalto 175±5ºC. • Temperatura de compactación de las probetas 135±2ºC. Los parámetros Marshall a tener en cuenta son los siguientes: Tabla 3. Parámetros Marshall de la mezcla asfáltica en caliente Tipo Gap Graded con asfalto A.M.C.

ESTABILIDAD (Kg.-f)

Reportar

DENSIDA D (T/m3)

Reportar

VAM1 (%)

Min 14

VACIOS CON AIRE (%)

3 –5

FLUJO (mm)

Min 2

Determinado el porcentaje de asfalto siguiendo los criterios de la tabla 4 (mínimo 7% de asfalto) y que cumpla con el porcentaje mínimo de vacíos (3%), los parámetros de VAM y flujo, se realizan las pruebas de Deformación plástica para determinar la fórmula de trabajo, teniendo en cuenta que el valor hallado con el 3% de vacíos será el valor máximo de asfalto.

1

VAM: Vacíos en agregados minerales

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Tabla 4. Criterios de diseño de la mezcla asfáltica en caliente Tipo Gap Graded con asfalto A.M.C.

CARACTERÍSTICA

Contenido de Asfalto AMC (%) Velocidad de deformación entre 105 y 120 min

NORMA DE ENSAYO INV E-703 o INV E-729

MEZCLA TIPO GAP GRADED MÍNIMO

MÁXIMO

7,0% (a)

8,5%

EN–12697–22

15µm/min

Susceptibilidad al agua de Mezclas asfálticas

INV E-725

80%

Compactadas (T.S.R.) (a) De acuerdo con algunas investigaciones recientes con materiales de diferentes partes de Colombia, el mínimo de asfalto puede ser inferior al 7% pero cercano a este valor, cumpliendo con los parámetros Marshall descritos más adelante. Para el control de la producción de la mezcla asfáltica Tipo Gap Graded se debe realizar ensayos de granulometría, contenido de asfalto, estabilidad, flujo, vacíos con aire, VAM y densidad máxima medida (Gmm) de acuerdo con el método INV E-735. Además, se debe tomar mezcla asfáltica de planta para realizar el ensayo de deformación mediante la pista de ensayo de laboratorio INV E-756-07 o EN-12697-22. 4.5.2 Fabricación de la mezcla asfáltica Los agregados se calentarán a una temperatura de 175 ± 5ºC antes de su mezcla con el asfalto. El secador se regulará de forma que la combustión sea completa, indicada por la ausencia de humo negro en el escape de la chimenea. La temperatura del material bituminoso en el instante de la mezcla deberá tener 175 ± 5ºC, siendo una temperatura conveniente para que se tenga un buen cubrimiento de los agregados.

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Todos los tamaños del agregado deberán estar uniformemente distribuidos en la mezcla recién elaborada y sus partículas total y homogéneamente cubiertas de ligante. La temperatura de la mezcla recién elaborada no excederá de la fijada durante la definición de la fórmula de trabajo. Se rechazarán todas las mezclas heterogéneas, carbonizadas o sobrecalentadas, las mezclas con espuma, o las que presenten indicios de contaminación ó humedad. En este último caso, se retirarán los agregados de las correspondientes tolvas en caliente. También, se rechazarán aquellas mezclas en las que la envuelta no sea perfecta. 4.5.3 Transporte de la mezcla La mezcla se transportará a la obra en volquetas carpadas (Carpa de Lona), hasta una hora del día en que las operaciones de extensión y compactación se puedan realizar correctamente con luz solar. Durante el transporte de la mezcla se deberán tomar las precauciones necesarias para que al descargarla en la máquina pavimentadora, su temperatura no sea inferior a 150ºC. 4.5.4 Compactación de la mezcla La compactación se realizará como resultado de la fase de experimentación. Deberá comenzar, una vez extendida la mezcla, a la temperatura más alta posible con que ella pueda soportar la carga a que se somete, sin que se produzcan agrietamientos o desplazamientos indebidos. La temperatura mínima para realizar una adecuada compactación es de 135ºC. Se deben tener equipos adecuados para realizar un control de la densidad de la mezcla en la compactación de la mezcla asfáltica. La densidad de la mezcla compactada debe estar entre el 93% y 94% del valor medido en el ensayo de gravedad específica máxima teórica (Gmm). Los elementos de compactación deberán estar siempre limpios y, si fuera preciso, húmedos. No se permitirán, sin embargo, excesos de agua. La compactación se

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deberá realizar de manera continua durante la jornada de trabajo y se complementará con el trabajo manual mínimo necesario para la corrección de todas las irregularidades que se puedan presentar. La compactación se continuará mientras la mezcla se encuentre en condiciones de ser compactada hasta alcanzar los niveles de densidad requeridos. Se deberá verificar la temperatura de la mezcla al inicio y al final del proceso de compactación. El anterior documento es un instructivo general para la fabricación, transporte y colocación de mezclas asfálticas en caliente Tipo GAP GRADED con asfalto modificado con Caucho de llanta AMC.

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5

28

DISEÑO DE MEZCLA ASFÁLTICA MEDIANTE DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA A LA DEFORMACIÓN PLÁSTICA Y PARÁMETROS MARSHALL PARA LA MEZCLA GAP-GRADED TIPO GG-1 PREPARADA CON ASFALTO MODIFICADO CON CAUCHO DE LLANTA AMC-TIPO III DE MPI LTDA Y MATERIALES PÉTREOS DE LA PLANTA CENTRASA

5.1 Objetivos • Encontrar los Parámetros Marshall de la mezcla asfáltica GAP GRADED tipo GG-1, para así hallar la primera aproximación a la fórmula de Trabajo definitiva en mezclas asfálticas preparadas con asfalto modificado con grano reciclado de caucho de llanta. • Determinar el contenido de asfalto óptimo en una mezcla Gap Graded de gradación GG-1, mediante la realización del ensayo de resistencia a la deformación plástica, la cual se halla al someter las probetas al paso alternativo de una rueda a determinadas condiciones de carga y temperatura. • 1.2. Hallar la velocidad de deformación media, la pendiente media de ahuellamiento, la profundidad de ahuellamiento media proporcional, la profundidad de ahuellamiento y la velocidad de deformación media para mínimo dos (2) especímenes de ensayo. 5.2 Método de diseño para formula de trabajo El equipo de deformación plástica se ajusta a la norma Europea BS EN 1269722:2003, procedimiento B (al aire), el cual es aceptado por el artículo 450-07 de la norma INVIAS-07.Esta norma describe el procedimiento que se debe seguir para determinar la resistencia a la deformación plástica de una mezcla asfáltica a diferentes porcentajes de asfalto-caucho, trátese de mezclas preparadas en el laboratorio o de testigos procedentes de pavimentos. El diseño consiste en someter una probeta, independientemente del tipo de mezcla y el tipo de asfalto utilizado, al paso alternativo de una rueda en condiciones

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determinadas de presión y temperatura, midiéndose periódicamente la profundidad de la deformación producida. Este procedimiento es aplicable principalmente a las mezclas asfálticas producidas en caliente y destinadas a trabajar en condiciones severas de tránsito y clima. A continuación se mencionan las condiciones de realización del diseño de resistencia a la deformación de la mezcla asfáltica elaborada con Asfalto Modificado con Caucho de Llanta Tipo III de MPI Ltda. y una mezcla de 20% de Gravilla 11/16 de Proacol, 30% de Gravilla Triturada ¾ de C.S.S y 50% Arena Triturada Casa Motor. La prueba de deformación plástica se realiza con un equipo Británico que consta de una cabina con control de temperatura para mantener una temperatura constante de 60 + 1 ºC. Otras características del equipo son: Marca: Cooper Carga Ejercida sobre la Probeta: 700 Newton Frecuencia:

26,5 ciclos/minuto

Número de Pistas:

Dos (2)

Ancho de Llanta:

5 cm

Tamaño del Molde: 30 cm x 30 cm x 5 cm Distancia del Empotramiento a la Llanta 30,5 cm Distancia del Empotramiento a la Pesa Masa de la Pesa:

84,3 cm

16,664 Kg

A continuación se presenta un resumen de los ensayos realizados:

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Tabla 5. Resumen de ensayos a los materiales pétreos.

5.3 Granulometría En la figura 2 se muestra la gráfica de la granulometría de la mezcla de materiales pétreos recibidos y el comportamiento respecto a los requerimientos de la especificación particular de la gradación GAP-GRADED GG-1 dada para asfaltos modificados con caucho de llanta. Los porcentajes de cada material combinados para obtener el material mezclado que cumpla con la especificación son los siguientes: Arena Triturada Casa Motor:

50%

Gravilla Triturada ¾ de C.S.S: 30% Gravilla 11/16 de Proacol:

20 %

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Tabla 6. Granulometría de los Agregados Individuales.

5.4 Análisis granulométrico de agregados Figura 2. Análisis granulométrico de pétreo.

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Figura 3. Curva Granulométrica del material pétreo.

5.5 Pesos específicos de los materiales granulares A continuación se presentan los resultados de los ensayos realizados para el cálculo del peso específico de los materiales. Figura 4. Resultados de los ensayos realizados para el cálculo del peso específico de los materiales.

G. E. AGREGADOS: 2,505

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5.6 Caracterización del asfalto-caucho Los valores de las propiedades fisicoquímicas del asfalto modificado con caucho, AMC-Tipo III elaborado en el laboratorio de pavimentos de MPI Ltda., para las evaluaciones Marshall y deformación Plástica son los siguientes: Tabla 7. Reporte de Calidad Asfalto Modificado Con Caucho de Llanta Enero 12 2011.

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Tabla 8. Reporte de Calidad Asfalto Modificado Con Caucho de Llanta Marzo 12 – 2011.

5.7 Determinación de la fórmula de trabajo Para determinar la fórmula de trabajo se combinan dos técnicas, una consiste en determinar parámetros Marshall de la mezcla asfáltica para una primera aproximación al óptimo de asfalto y la otra determinar la deformación Plástica para definir la fórmula de trabajo definitiva. 5.7.1 Ensayos Marshall para la mezcla GAP GRADED GG-1 En el anexo A se presentan los resultados de la serie de briquetas elaboradas para obtener una aproximación al contenido óptimo de ligante utilizando asfalto Modificado con Caucho de Llanta AMC-Tipo III de MPI LTDA. En el Anexo B se

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presentan los resultados del ensayo de Peso Específico Máximo Medido determinado para cada uno de los contenidos de asfalto evaluados.

5.7.1.1 Determinación del valor máximo de porcentaje de asfalto Para determinar el contenido óptimo de ligante se realiza una aproximación con los parámetros  Marshall teniendo en cuenta el comportamiento de la mezcla en cuanto al porcentaje de Vacíos  con aire mínimo (3%). El valor hallado en el mínimo de vacíos corresponde al porcentaje de  asfalto máximo que puede tener la mezcla asfáltica. Determinado este valor se procede a realizar  ensayos de deformación Plástica para encontrar la fórmula de trabajo definitiva. Tabla 9. Primera Aproximación a la fórmula de trabajo.

La tabla 10 presenta las características de control de la mezcla asfáltica en el 7,3% de asfalto Tabla 10. Características de Control de Diseño Marshall, Mezcla Asfáltica GG-1 al 7,3% de Asfalto.

5.7.2 Resultados de deformación plástica La descripción de la realización del diseño de resistencia a la deformación plástica de la mezcla se muestra en la siguiente tabla:

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Tabla 11. Condiciones de realización del diseño de resistencia a la deformación plástica (ahuellamiento).

5.7.2.1 Pendiente media de ahuellamiento (WTS AIR) El comportamiento de la mezcla Gap-Graded GG-1 durante y al final del diseño de resistencia a la deformación plástica, se determina mediante el cálculo de la ’’Pendiente media de ahuellamiento’’ de la probeta, en el intervalo de 5000 a 10000 ciclos, según la siguiente expresión:

Donde: WTSair = Pendiente media de ahuellamiento, [mm/10^3 ciclos de carga]. d10000 = Profundidad de la huella alcanzados a los 10000 ciclos [mm]. d5000 = Profundidad de la huella alcanzados a los 5000 ciclos [mm].

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La máxima profundidad de huella permitida es de 20mm. Si la probeta alcanza esta deformación antes de los 10000 ciclos pero supera los 2000 ciclos, se debe calcular la pendiente media de ahuellamiento en la zona lineal de la curva de deformación en función de los ciclos. La pendiente media de ahuellamiento para la mezcla Gap-Graded GG-1 de Constructora LHS S.A. es el promedio de las pendientes de ahuellamiento de los 2 especímenes de igual porcentaje de asfalto. La tabla 12, muestra los resultados. Tabla 12. Pendiente media de ahuellamiento.

En la figura 5 se observa que la mezcla de materiales de 20% de Gravilla 11/16 de Proacol, 50% de Arena Triturada y 30% de Gravilla Triturada ¾ C.S.S, presenta una baja pendiente media de ahuellamiento cuando el porcentaje de asfalto-caucho utilizado esta entre el 7,3%-7,7%. De la figura 3 también se observa que con un porcentaje de asfalto-caucho del 7% la mezcla asfáltica presenta una pendiente media de ahuellamiento proporcional mayor, la cual disminuye drásticamente cuando el porcentaje de ligante aumenta.

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Figura 5. Variación de la pendiente media de ahuellamiento con respecto al porcentaje de asfalto-caucho utilizado (7,0%, 7.5%, 8,0%)

5.7.2.2 Profundidad de ahuellamiento media proporcional (PRDAIR) Es la profundidad de ahuellamiento media proporcional de la muestra de ensayo a N ciclos de carga respecto al espesor de dos (2) especímenes (o más), expresada en porcentaje +0,1%. Se calcula como:

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Los resultados obtenidos para cada probeta y el promedio, se pueden ver en la tabla 13.

5.7.2.3 Profundidades de ahuellamiento (RDAIR) Es el promedio de la profundidad de huella en mm de dos (2) especímenes (o más) +1 mm después de someter la probeta a 10000 ciclos de carga. Los resultados obtenidos para cada probeta y el promedio, se pueden ver en la tabla 13

5.7.2.4 Velocidad de Deformación Media Sirve para determinar la velocidad de deformación de la probeta durante y al final del ensayo de deformación plástica en el intervalo de 105-120 minutos. La velocidad de deformación, según el artículo INV-756-07, no deberá ser mayor de 20 µm/minuto para zonas donde la temperatura media anual sea inferior de 24 ºC (Caso de Bogotá). dt2 – dt1 Vt2/t1 = ____________ (µm/minuto) t2 – t1 Donde: Vt2/t1 = Velocidad de deformación media correspondiente al intervalo t2 – t1, µm/minuto dt1 y dt2 = Deformaciones correspondientes a t1 y t2, respectivamente, µm t2 y t1 = Tiempos en que las especificaciones recomiendan registrar la velocidad de deformación. Los resultados obtenidos para cada probeta y el promedio, se pueden ver en la siguiente tabla.

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Tabla 13. Resultados del Ensayo de Deformación Plástica.

En los anexos C, D y E se muestran los datos tabulados de la deformación sufrida por los especímenes al 7,0%, 7.5% y 8,0% de asfalto-caucho respectivamente, después de ser sometidos al ensayo de resistencia a la deformación plástica en el Wheel Tracker.

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Figura 6. Variación de la Velocidad de Deformación con respecto al porcentaje de asfalto- caucho utilizado (7,0%, 7.5%, 8,0%).

5.8 Recomendaciones • Los materiales pétreos mezclados en la proporción 50% de Arena Triturada, 30% de Gravilla Triturada ¾ de C.S.S y 20% de Gravilla 11/16 de Proacol cumplen con el huso granulométrico GG-1 para mezclas asfalto-caucho en caliente, tipo Gap-Graded. • Al aplicar el criterio de evaluación de la deformación plástica de acuerdo a los lineamientos de las especificaciones INVIAS-07, Artículo 450-07, ítem 450.4.2.2, se puede concluir que en el intervalo de deformación de 105 a 120 minutos, la deformación plástica de la mezcla Gap-Graded GG-1 en los porcentajes de asfalto evaluados cumple con lo señalado, ya que los valores son inferiores a los límites establecidos para climas con temperaturas medias anuales inferiores a 24°C (20 µm/minuto), caso de Bogotá. • Teniendo en cuenta los valores de la deformación Plástica y los valores de la evaluación Marshall se define la fórmula de trabajo para la mezcla GAP

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GRADED GG-1, preparada con Material Pétreo enviado por el Grupo LHS planta CENTRASA y Asfalto Modificado con Grano Reciclado de Caucho tipo III. Los rangos de trabajo para esta mezcla se presentan a continuación: Tabla 14. Fórmula de Trabajo Final.

• Variables de control de la mezcla asfáltica en obra son: porcentaje de asfalto, gradación del agregado, densidad Bulk de la mezcla, estabilidad, flujo, vacíos con aire, densidad máxima medida (GMM) y los vacíos en agregados Minerales (VAM). Lo anterior asegurará una adecuada compactación de la mezcla GapGraded en la vía. El anexo B muestra los cálculos de la densidad máxima medida (GMM). • Es importante anotar que en el momento de la compactación de las probetas se observó el fracturamiento de algunas partículas. En vista de lo anterior, se sugiere evaluar el desgaste Los Ángeles del material pétreo estudiado.

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6. INFORME DE DISEÑO DE PAVIMENTOS – TRAMOS DE REHABILITACIÓN CALLE 17 ENTRE CARRERA 113 A Y CARRERA 115 6.1 Alcance del proyecto y localización La finalidad del presente informe es definir las estrategias de intervención para los segmentos comprendidos sobre la Calle 17 entre Carrera 113 A y Carrera 115, ubicados en la localidad de Fontibón (Bogotá). Su localización se indica en el Anexo No.6 Tabla 15. Segmentos para rehabilitación - calle 17 entre carrera 113 a y carrera 115. CIV

DESDE

HASTA

LONGITUD

ORDEN

NOMENCLATURA

9001454

2

CL 17

KR 113

KR 113A

62.4

9001402

2

CL 17

KR 113A

KR 114

49.6

9001358

2

CL 17

KR 114

KR 115

53.0

(m)

La longitud de los tramos de Rehabilitación presentados en el presente documento es de 165 m. Con el fin de conceptualizar la codificación empleada en el desarrollo del presente informe, se indica en la Figura 7: un corte transversal típico, indicando los elementos que la conforman.

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Figura 7. Corte Transversal – Calle 17 entre Carrera 113 A y Carrera 115.

6.2 Clima Los parámetros de precipitación (917.8 mm) y temperatura media (14.80C), fueron consultados en los calendarios meteorológicos publicados por el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales (IDEAM). Temperatura promedio

=

14.8 °C

Precipitación media anual

=

917.8 mm/año

6.3 Geología específica del proyecto El proyecto correspondiente al corredor vial localizado sobre la Calle 17 entre Carrera 113 A y Carrera 115, se encuentra localizado en la parte Sur - Occidental de la ciudad de Bogotá. De acuerdo a la Microzonificación Sísmica de Santafé de Bogotá  (INGEOMINAS,1997), en la figura 8, extraída del Mapa Geológico, se observa que el sector en estudio se encuentra sobre la formación Qta: Terraza alta de depósitos aluviales, de arcillas, con intercalaciones importantes de bancos de arena y grava, ocasionalmente delgadas, capas de ceniza volcánica y turbas.

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Figura 8. Geología – calle 17 entre carrera 113 a y carrera 115.

Fuente. INGEOMINAS (1997). 6.4 Descripción del proyecto Para cada tramo en estudio, se ejecutaron apiques en donde se reconoció el perfil estratigráfico existente, hasta una profundidad de 1.50 m, en el cual se realizó la determinación de los espesores de cada una de las capas y se tomaron muestras para caracterizar las propiedades físico - mecánicas de los materiales presentes en la estructura actual del pavimento y la subrasante. De igual manera se estableció el número de ejes equivalentes de cada uno de los sectores, con base a la información de los conteos realizados en el corredor vial. Posteriormente se realizan los diseños de cada tipo de intervención para cada segmento en estudio.

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6.5 Información preliminar 6.5.1 Auscultación La primera actividad dentro de la etapa de diagnóstico de los segmentos fue la ejecución auscultación del estado superficial de las vías, para ello se utilizó la metodología sugerida en los pliegos de condiciones, que consiste en la determinación del índice de condición del pavimento (PCI), mediante el cual es determinada la preclasificación superficial del pavimento, tal como se indica en la Tabla 16. Tabla 16. Preclasificación por estado superficial – segmentos sobre calle 17 entre carrera 113 a y carrera 115. CIV 9001454 9001402 9001358

ORDEN

NOMENC.

2 2 2

CL 17 CL 17 CL 17

DESDE KR 113 KR 113A KR 114

HASTA KR 113A KR 114 KR 115

PCI

ESTADO

PRE -CLASIFICACIÓN

63 65 29

Bueno Bueno Regular

Amarillo Amarillo Naranja

6.5.2 Sondeos Se realizaron sondeos manuales de diámetro 6” y los resultados se muestran a continuación en la Tabla 17. Tabla 17. Resultados sondeos – segmentos ubicados sobre la calle 17 entre carrera 113 a y carrera 115. CIV

ORDEN

C.A.(cm)

GRAN 1 (cm)

TOTAL (cm)

9001454 9001402 9001358

2 2 2

15.0 15.0 15.0

35.0 35.0 25.0

50.0 50.0 40.0

6.5.3 Deflexiones Para la determinación de la capacidad estructural del pavimento se ejecutaron mediciones de deflexiones con el deflectómetro de impacto – FWD KUAB 150 modelo

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2002 de la firma Itineris Ltda. El FWD aplica una carga dinámica en el pavimento (simulando el paso de la rueda de un vehículo pesado) causada por la caída de dos masas sobre un plato circular (diámetro 0.30m). Las deflexiones producidas son medidas por medio de un grupo de sismómetros espaciados entre sí permitiendo la obtención de la curva completa de la cuenca de deflexiones. El análisis de deflexiones marca valores promedio de Do entre 286.33µm y 1104.8µm, indicando la baja capacidad estructural del pavimento existente. 6.5.4 Resultados del diagnóstico Mediante la evaluación deflectométrica y el empleo de retrocálculo, fue determinado el número estructural efectivo y el módulo resiliente de la subrasante. En la Tabla 18.se presentan los principales parámetros de retrocálculo correspondientes a Módulo resiliente de la subrasante, módulo efectivo del pavimento y número estructural efectivo, para los tramos de rehabilitación, definidos dentro del alcance del presente informe. Tabla 18. Resultados de Retro cálculo – segmentos ubicados sobre la calle 17 entre carrera 113 a y carrera 115 VARIABLES ESTRUCTURALES CIV

ORDEN

9001454-2

2

9001402-2

2

9001358-2

2

Mr AASHTO

Ep AASHTO

SN efectivo

Diseño (psi)

(PSI)

AASHTO

5615

42825.05

3.7

4775

120800.63

5.3

4645

105669.41

5.0

4820

118972.20

5.2

2086

21919.26

3.7

2094

19756.79

3.6

SN

MR psi

MR MPa

(prom)

(prom)

4.5

5195

36

5.1

4733

33

3.7

2090

15.0

(efectivo prom)

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Los valores calculados, reportan números estructurales efectivos entre 3.7 y 5.1, junto a módulos resilientes que oscilan entre 2090 psi y 5195 psi, lo cual indica la existencia de segmentos con baja y aceptable capacidad de soporte. 6.6 Clasificación definitiva del segmento 6.6.1 Preclasificación estructural La preclasificación estructural se encuentra en función del índice estructural (Ver Tabla 19), definido como la relación entre el número estructural efectivo (determinado a partir de retrocálculo – análisis de deflexiones) y el número estructural requerido (determinado mediante la metodología AASHTO/93 y la herramienta computacional PAS Versión 5), a continuación se presentan los resultados finales, obtenidos en la etapa de diagnóstico:

Ie =

SN efectivo SN requerido

Tabla 19. Preclasificación por Índice estructural. Índice Estructural

Código

>1

1

0.7 – 1.0

2

0.5 - 0.7

3

< 0.5

4

Fuente. Instituto de Desarrollo Urbano (2009). Considerando los resultados de la evaluación superficial y estructural de los segmentos de análisis, se define la condición del pavimento mostrada en la Tabla 20  

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Tabla 20. Condición del pavimento segmentos localizados sobre la calle 17 entre carrera 113 a y carrera 115.

CIV

9001454-2 9001402-2 9001358-2

Índice Código Estructural Número (Ie) Según Ie 0.82 0.91 0.41

2 2 4

Valor PCI (%)

Clasificación Condición del Pavimento

Clasificación Condición Del Pavimento Color

63 65 29

2B 2B 3C

NARANJA NARANJA NARANJA

Considerando que la condición final de los segmentos en estudio define colores de clase Naranja, se define como estrategia de intervención actividades de Rehabilitación. 6.7 Caracterización geotécnica Tal como fue planteado en la descripción del documento, la caracterización geotécnica se encuentra fundamentada en la exploración realizada. La caracterización de los tramos en estudio es realizada mediante el análisis de uno a tres apiques por CIV, dependiendo de la longitud del tramo evaluado, sobre la calzada tal como se presenta en la Tabla 21. Tabla 21. Número de apiques– calle 17 entre carrera 113 a y carrera 115. CIV ORDEN NOMENC DESDE HASTA LONGITUD (M) N° APIQUES 9001454 2 CL 17 KR 113 KR 113A 62.4 1 9001402 2 CL 17 KR 113A KR 114 49.6 1 9001358 2 CL 17 KR 114 KR 115 53.0 1

A continuación se precisa la caracterización geotécnica para pavimento.

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50

6.7.1 CIV 9001454-2 En este segmento se realizó un apique, mediante el cual es posible identificar que la estructura de pavimento está compuesta por una carpeta asfáltica de 0.19m de espesor, bajo la cual se localiza una capa de material granular descrito como grava limosa, mezclas grava-arena-limo, de color habano y consistencia media. A continuación se describen las propiedades físicas del material: Tabla 22. Propiedades material granular. PARÁMETRO VALOR Espesor 0.36 m Porcentaje de finos 6.23% Humedad natural 9.97% Límite líquido NL Índice de plasticidad NP Clasificación USCS GP-GM Clasificación AASHTO A-1-a CBR Método 1 (95%) 19% Bajo la capa granular descrita anteriormente, y a una profundidad de 0.55m, se localiza como subrasante un material de carácter areno limoso, mezclas arena-limo de color café y baja plasticidad (SM). Tabla 23. Propiedades Subrasante. PARÁMETRO Humedad natural Límite líquido Índice de plasticidad Clasificación USCS Clasificación AASHTO CBR inalterado CBR sumergido PDC Expansión al 4 día

VALOR 58.56% 92.08% 32.90% SM A-7-5 3.73% 1.67% 3.50% 0.14%

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51

El valor de expansión reportado es de 0.14%, lo cual no representa cambios de volumen significativos en las propiedades de los materiales ante el incremento o disminución en el contenido de humedad. 6.7.2 CIV 9001402-2 En este segmento fueron ejecutados tres apiques, mediante los cuales se identificó una estructura de pavimento compuesta por una carpeta asfáltica de espesor igual a 0.19 m, a la cual le subyace una capa de material granular. Como subrasante se logra identificar un material areno-limoso. El material granular es descrito como grava limosa, mal gradada de color amarillo y consistencia baja. A continuación se presenta un resumen de las propiedades físicas de los materiales encontrados: Tabla 24. Propiedades material granular. PARÁMETRO VALOR Espesor mínimo 0.71 m Porcentaje de finos 7.94% Humedad natural 8.66% Límite líquido 22.12% Índice de plasticidad 6.32% Clasificación USCS GP-GM-GC Clasificación AASHTO A-1-a CBR Método 1 (95%) 19% La subrasante está compuesta por una arena limosa, mezclas arena-limo de color café y consistencia baja. A continuación se presentan las propiedades físicas identificadas en el material. Tabla 25. Propiedades Subrasante. PARÁMETRO Humedad natural Límite líquido Índice de plasticidad

VALOR 61.41% 98.20% 37.65%

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52

PARÁMETRO VALOR Clasificación USCS SM Clasificación AASHTO A-7-5 CBR inalterado 2.25% CBR sumergido 1.25% Expansión al 4 día 0.10% PDC 3.40% El valor de expansión reportado es de 0.10%, lo cual no representa cambios de volumen significativos en las propiedades de los materiales ante el incremento o disminución en el contenido de humedad. 6.7.3 CIV 9001358-2 En este segmento fue ejecutado un apique, a una profundidad máxima de 1.50m, identificando un perfil estratigráfico compuesto por una carpeta asfáltica de espesor igual a 0.13 m, posterior a lo cual se encuentra una capa de material granular cuyo espesor corresponde a 0.32. Como subrasante se localiza un material de tipo arenolimoso. El material granular es descrito como grava limosa mal gradada de color amarillo y consistencia media. A continuación se presenta un resumen de las propiedades físicas de los materiales encontrados: Tabla 26. Propiedades Material Granular. PARÁMETRO Espesor mínimo

VALOR 0.32 m

Porcentaje de finos

11.87%

Humedad natural

11.55%

Límite líquido

NL

Índice de plasticidad

NP

Clasificación USCS

SM

Clasificación

A-1-a

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PARÁMETRO

53

VALOR

AASHTO CBR Método I (95%)

19%

Como subrasante, a un profundidad de 0.45 m, se identifica una arena limosa de color café y consistencia baja, cuyas propiedades se resumen en la siguiente tabla: Tabla 27. Propiedades Subrasante. PARÁMETRO

VALOR

Humedad natural

37.09%

Límite líquido

76.97%

Índice de plasticidad

37.98%

Clasificación USCS

SM

CBR inalterado

2.50%

CBR sumergido

1.35%

PDC

2.50%

Expansión al 4 día

0.12%

El valor de expansión reportado es de 0.12%, lo cual no representa cambios de volumen significativos en las propiedades de los materiales ante el incremento o disminución en el contenido de humedad. En función de la capacidad de soporte de la subrasante y las propiedades físicas descritas (tanto para el material granular como para el del suelo de fundación), se efectúa la definición de los tramos homogéneos, obteniendo un solo sector de diseño. La valoración de la subrasante, en términos de Módulo resiliente, corresponde a la obtenida mediante la evaluación deflectométrica en la etapa de diagnóstico, en cumplimiento al Anexo técnico de los pliegos de condiciones que rigen el contrato de la referencia.

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54

6.8 Variable tránsito Para la definición de las estrategias de intervención y la aplicación de la metodología de diseño AASHTO/93, es necesario contar con el estudio de la variable tránsito y en especial con el número de ejes equivalentes de 80kN que se estima circularán sobre el tramo en estudio durante el período de análisis, 6.8.1 Análisis de resultados TPD - Calle 17 entre av. centenaria y kr 115 Los resultados obtenidos en el estudio de tránsito se presentan en la Tabla 28, junto a las tasas de crecimiento definidas en la Tabla 29. Tabla 28. TPD Segmentos sobre La CL 17 entre Av. Centenario y KR 115. Sector

Calzada Autos

(CP) (CG)

B

Btas

Alim. C2P

C2G

C3

C4 C5

> C5

Calle 17 entre la Carrera 106

Sur

4181

103

386

573 3043

-

131

224

27

5

15

5

Norte

6631

161

359

876 2468

-

397

357

5

10

4

12

y la Carrera 115 Calle 17 entre la Carrera 106 y la Carrera 115

A = AUTOMÓVILES B = BUSES CP= COLECTIVOS PEQUEÑOS CG= COLECTIVOS GRANDES C2P = CAMIONES PEQUEÑOS DE DOS EJES C2G = CAMIONES GRANDES DE DOS EJES C3 = CAMIONES DE TRES EJES

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55

C4 = CAMIONES DE CUATRO EJES C5 = CAMIONES DE CINCO EJES >C5 = CAMIONES DE MÁS DE 5 EJES Tabla 29. Tasas de crecimiento proyectadas. AÑO TASA DE CRECIMIENTO 2010-2015 3.24 % 2016-2030

6.92 %

Fuente. Estudio de tránsito Consorcio Metrovías. El cálculo de la variable tránsito fue efectuada teniendo en cuenta la estimación realizada por el especialista en el área, la cual se basa en los conteos realizados dentro del desarrollo del estudio de tránsito, tal como fue presentado en la Tabla 28. Teniendo en cuenta un factor de distribución direccional de 1.00 (el estudio de tránsito fue efectuado por sentido de circulación); un factor de distribución por carril de 1.00, la tasa de crecimiento presentada en la Tabla 29. Las memorias de cálculo del tránsito son presentadas en el Anexo 7. Tabla 30. Número de ejes equivalentes - Segmentos localizados sobre la Calle 17 entre Carrera 113 A y Carrera 115. Número de ejes Sector

Calzada/Carril

CIV Relacionados

Equivalentes de 80kN

Calle 17 entre la Carrera 106 y la Carrera 115 Calle 17 entre la Carrera 106 y la Carrera 115

Sur Norte

9001454-2, 9001402, 9001358-2.

29.412.387 31.964.239

Se elige finalmente el tránsito que presenta el mayor número de ejes equivalentes o sea

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56

N diseño= 31.964.239 ejes equivalentes de 8.2 Ton 6.9 Diseño de estructura de pavimento Se harán las siguientes consideraciones para el diseño final de la estructura del pavimento: • Se considera debido al pobre aporte de resistencia de la subrasante existente (CBR menor de 2%), el mejoramiento de esta, lo cual se logra con el material de rajón (30 cm) y un sello de material granular (10 cm), encima del cual se coloca un geotextil de refuerzo T4000 o similar para lograr una plataforma de apoyo a la nueva estructura de pavimento, que garantice al menos que esta tenga un CBR equivalente al 3%, para lo cual se utiliza la Formula de Ivanov (Ver Anexo 8) • Se consideran otros métodos de diseño como el Método INVIAS, SHELL y el Método del INSTITUTO DEL ASFALTO, corroborados por el diseño racional de pavimentos. • Se incluye la corrida del programa con el módulo resiliente dinámico de la mezcla de asfalto-caucho o GAP-GRADE, obtenido de ensayo de laboratorio realizado. 6.9.1 Diseño método INVIAS con medios y altos volúmenes de tránsito •

ELECCION CBR DISEÑO

DATOS: CIV 9001454-2:

1.67%

CIV 9001402-2

1.25%

CIV 9001358-2

1.35%

Se trabajará con los valores de CBR sumergido relacionados, que es la condición más crítica del pavimento y teniendo en cuenta el poco o nulo mantenimiento del drenaje del sector.

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57

Los valores de CBR son muy similares y por tanto se trabajará con el valor promedio de los 3, obteniendo CBR diseño=

1.42%

De acuerdo al CBR de diseño la categoría se clasifica como S1 (considerando se va a realizar un mejoramiento subrasante). ENTONCES CON REGION:

R2

CAT SUBR: S1 TRANSITO: T9 TMAP:

14.8

°C

PRECIP:

917.8 mm/año

ESTRUCTURA SEGÚN CARTA N°2 MDC-2

:

BG-1:

40 cm

SBG:

40 cm

17 cm

N (EJES EQUIV)

31, 964,239.00

RANGO DE TRÁNSITO NIVEL DE TRÁNSITO= EJES EQUIV

T9

PARA TRÁNSITO ENTRE 30-40E06

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58

Tabla 31. Estructura final propuesta método INVIAS. ESTRUCTURA  PROPUESTA: ESPESOR ( cm)

ESTRUCTURA

OBSERVACIONES

CONCRETO ASFÁLTICO

17

BASE GRANULAR TIPO INVIAS 40 SUBBASE GRANULAR TIPO INVIAS 40

40

RAJON Y SELLO DE MAT GRANULAR CBR=3% SUBRASANTE

6.9.2 Método ASSHTO-93 Tabla 32. Estructura: partimos de estructura INVIAS. CAPA

ESPESOR

a

m

∆SN(cm)

∆SN(pulg)

cm

PULG

cm

CA

17

0.4

BG

40

0.14

SBG

40

0.12

6.8

2.68

1

5.6

2.2

1

4.8

1.89

17.2

6.77

TOTAL SERVICIALIDAD Índice de servicio inicial

po=

4.2

Índice de servicio final

pt=

2.5

Pérdida de Ind de Serv

∆PSI=

1.7

Nivel de confiabilidad

R

85%

Desviación estándar total

S0

0.49

Los cálculos se muestran en la siguiente tabla 31:

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59

Tabla 33. Cálculo método ASSHTO-93.

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES CBR  SR=                                1.42 % Se considera sin embargo, que como para el INVIAS, la subrasante debe tener un mínimo de CBR=3%, la colocación de un rajón de 30 cm,  acompañado de un sello de mat granular de 10 cm Entonces: CBR  SR=                                3.00 % Modulo resiliente de la subrasante Mr=1500*CBR        4,500.00 psi Para CBR2000 mm Para estos valores voy al Nomograma con: R= 85% So= 0.49 N=             31,964,239.00 ejes equiv Mr=                        4,500.00 psi ∆PSI= 1.7 SN estructura 6.5

mi=

1 Tabla 8.2‐ Manual de diseño Pav asfálticos INVIAS   

‐1.037

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60

Tabla 33 (Continuación). PRIMER CRITERIO ASSHTO:

PROTECCIÓN DE LA SUBRASANTE CUMPLE YA QUE

6.5

<

SEGUNDO CRITERIO PROTECCIÓN CAPA POR CAPA CORRECCIÓN CAPAS ESPESOR cm CA BG SBG SR

a

m

17 40 40

0.4 0.14 0.12

∆SN(cm) cm

∆SN(pulg) ∆SN(cm) ∆SN(pulg) PULG cm PULG 6.8 2.68 24 9.448818898 5.6 2.2 4.8 1.89 17.2 6.77

0 1 1 0

1. VOY AL NOMOGRAMA CON ME BASE (MÓDULO RESILIENTE DE LA BASE) PARA CBR BASE= y me da

100% 30000 psi 3.7 VS

ME BASE= SN =

ENTONCES ME DEVUELVO SN 1=a1*D1 ↔ D1=SN 1/a1 ↔

9.25 pulg 23.5 cm 24 cm

D1= ESP CARP ASF=

PARA PROTEGER LA CAPA SUBBASE ME SBG= y me da SN =

↔ ↔ SE APROX A

Lo correlaciono de tablas de la AASHTO 2.68 no cumple

17000 psi 3.85

SN 2=SN CA+SN BASE SN BASE+SN CA=  4.2 ‐ SN BASE=  0.5 D2=SN 2/(a2*am2) 3.57142857 pulg 9.07142857 cm D2= ESP BASE G= 15 cm

3.7

QUE NUMERO ESTRUCTURAL APORTA ESTE ESPESOR SN= 0.83

15 cm

QUE SN NECESITAMOS PARA PROTEGER LA SR ↔ ↔

SE APROX A

SN SBG= SN SBG= D3=SN 3/(a3*am3)

6.5 ‐ 1.97 16.4166667 pulg 41.6983333 cm

3.7

D3= ESP SUBBASE G= 45 cm QUE NUMERO ESTRUCTURAL APORTA ESTE ESPESOR SN= 2 SN TOTAL=

6.53 >

‐

0.83

45 cm

6.5 OK

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61

Entonces, la estructura final propuesta queda así: Tabla 34. Estructura final método ASSHTO-93.

ESPESOR ( cm)

ESTRUCTURA  PROPUESTA: MODULO RESILIENTE ESTRUCTURA E(psi))

24

CONCRETOASFÁLTICO

15

BASE GRANULAR TIPO INVIAS

OBSERVACIONES

30000

SUBBASE GRANULAR TIPO INVIAS 45

40

17000

RAJON Y SELLO DE MAT GRANULAR 4500

CBR=3%

SUBRASANTE

6.9.3. Diseño pavimentos método de LA SHELL En la siguiente tabla 35, se muestra el cálculo por Método de la SHELL.

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62

Tabla 35. Cálculo método SHELL. W MMAT= 14.8 °C PRECIPITACIÓN PROMEDIA ANUAL PPA= 917.8 mm N= NUMERO DE EJES EQUIVALENTES DE 8.2 TON=         31,964,239.00 EJES EQUIV CBR sr=                                  3 % MÓDULOS DE ELASTICIDAD 1. Modulo resiliente de la subrasante Mr=100*CBR 300 Kg/cm2 30 Mpa 2. Utilizamos fórmula de la SHELL, Para los materiales granulares E gran= K*E sr K= 0.206*Hgran^0.45 Constante, que debe estar entre 2 y 4 H gran= espesor material granular: subbase+base granular (cm) Donde H gran= 800 mm ↔ K= 4.171168312 Como el valor de K es mayor que 4, tomamos el valor de 4, que es el máximo previsto ↔ K= 4 ↔ E gran=  120 Mpa

Tipo de asfalto a utilizar:

Para CBRC ‐ 5 TOTAL

TPDS

AUTOMOV

TOTAL EN EL  *FACTOR  PERÍODO DE  DAÑO DISEÑO 99318 61206 3664 3295 138 37 111

0 1.15 1.14 3.5 5.23 4.4 4.72

EJES  EQUIVAL (2)*(3)

EJES EQUIV  **EJES EQUIV  EJES EQUIV  POR DIST  (FACTOR DIST  ANUALES DIRECCIONAL (4)*365 POR CARRIL) (1.0)

0 0 70386.9 25691218.5 4177.416 1524756.84 11533.55 4209745.75 723.832 264198.68 162.8 59422 522.976 190886.24

0 25691218.5 1524756.84 4209745.75 264198.68 59422 190886.24

0  25,691,219.00     1,524,757.00     4,209,746.00        264,199.00           59,422.00        190,886.00  31,964,239.00

*FACTORES DAÑO SEGÚN LIBRO INGENIERIA DE PAVIMENTOS DE ALFONSO MONTEJO

AÑO 1996

C ‐ 5 0.51% 4.3 4.6 4.9 5.2 5.6 6 6.4

>C ‐ 5 1.53% 12.8 13.7 14.7 15.7 16.8 17.9 19.2

37

111

DISEÑO MEZCLA ASFÁLTICA ASFALTO CAUCHO TECNOLOGÍA GAP GRADE

85

Anexo H. Cálculo módulo de resiliencia método SHELL. Formulaciones para estimar módulos de Shell Se utiliza el asfalto residual para los cálculos para el método SHELL

t=1/(2*pi*f)

donde:

f=frecuencia; pi=3,1416; t=tiempo de carga t=0,02 seg para V= 45 - 60 kph f=frecuencia; 8 Hz para velocidad 45-60 kph Tipo de Asfalto APIAY Original Residual Penetración a 25 oC 68 39 Pto Ablandamiento, oC. 49.6 58 Índice Penetración, form -0.55 0.04 El Indice de penetración es calculado a partir datos de penetración y temperatura, en este ejercicio, con el asfalto residual

Tmix, oC.

22.00

De la tabla 7-42 con Temperatura media anual ponderada y espesor carpeta, da este valor, que es la temperatura de la mezcla, no del ambiente

58 datos punto ablandamiento asfalto residual T800 °C T °C= 36 ∆ Ip= 0.04 El módulo del asfalto es calculado con la gráfica 7-41 de la SHELL, en el libro del Profesor Montejo con los siguientes datos: 0.02 seg t= T °C= 36 calculado anteriormente ∆ Ip= 0.04 del asfalto residual y obtengo 30,000,000 N/m2 Módulo del Asfalto,MN/m1 30.00 Mpa Módulo del Asfalto,Mpa Características de la Mezcla Vol vacíos, % Va Vol asfalto, % Vb Vol agregado, % Vg Total

5.5 12 82.5 100

B1 B2 B3 B4

10.57148148 9.921734375 0.670766673 0.492638256

S1,MN/m2 S2,MN/m2

3,724 para 5