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Identificación de fuentes de agregados para pavimentos
Santiago de Cali, 2019
Identificación de fuentes de agregados para pavimentos
María Fernanda García Aladín
Luis Mario Ordóñez Silva
José Luis Llano Muñoz
Erlo Gerardo Travi Penna
Facultad de Ingeniería y Ciencias
Departamento de Ingeniería Civil e Industrial
Identificación de fuentes de agregados para pavimentos / María Fernanda García Aladín [y otros 3]. -- Santiago de Cali : Pontificia Universidad Javeriana, Sello Editorial Javeriano, 2019.
Incluye referencias bibliográficas.
ISBN 978-958-5119-03-1
1. Agregados (Materiales de construcción) 2. Pavimentos flexibles 3. Pavimentos de asfalto 4. Pavimentos rígidos I. García Aladín, María Fernanda II. Ordóñez Silva, Luis Mario III. Llano Muñoz, José Luis IV. Travi Penna, Erlo Gerardo V. Pontificia Universidad Javeriana (Cali). Facultad de Ingeniería y Ciencias. Departamento de Ingeniería civil e industrial.
| SCDD 625.85 ed. 23 | CO-CaPUJlmc/2019 |
Pontificia Universidad Javeriana Cali
Facultad de Ingeniería y Ciencias
Departamento de Ingeniería Civil e Industrial
Identificación de fuentes de agregados para pavimentos
ISBN: 978-958-5119-03-1
ISBN (e): 978-958-5119-04-8
Autores:
© María Fernanda García Aladín
© Luis Mario Ordóñez Silva
© José Luis Llano Muñoz
© Erlo Gerardo Travi Penna
Formato: 21 cms x 28 cms
© Derechos reservados
© Sello Editorial Javeriano
Coordinación editorial: Claudia Lorena González
Asistente editorial: Manuela Triviño Monar
Portada: Luisa Fernanda Panteves Ospina
Corrección de estilo: Luisa Fernanda Panteves Ospina
Pontificia Universidad Javeriana
Calle 18 N°118-250, Av. Cañasgordas, Santiago de Cali, Valle del Cauca
Teléfonos (57-2) 3218200
Santiago de Cali, Colombia, 2019
El contenido de esta publicación es responsabilidad absoluta de su autor y no compromete el pensamiento de la Institución. Este libro no podrá ser reproducido por ningún medio impreso o de reproducción sin permiso escrito de los titutales del copyright.
CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN
2. AGREGADOS NATURALES
2.1 ESTRUCTURA CRISTALINA DE LOS SÓLIDOS
2.2 MINERALOGÍA DE LAS ROCAS
2.2.1 Silicatos
2.2.2 Óxidos
2.2.3 Sulfuro
2.2.4 Cloruro
2.2.5 Sulfatos
2.2.6 Fosfatos
2.2.7 Carbonatos
2.3 TIPOS DE ROCAS
2.3.1 Rocas ígneas
2.3.2 Rocas metamórficas
2.3.3 Rocas sedimentarias
2.4 TIPOS DE FALLAS EN PAVIMENTOS REFERIDAS A LAS PROPIEDADES DE LOS AGREGADOS
2.4.1 Forma de las partículas
2.4.2 Textura de la superficie
2.4.3 Absorción
2.4.4 Peso específico
2.4.5 Morfología
2.4.6 Granulometría
2.4.7 Composición
2.4.8 Solubilidad
2.4.9 Carga de superficie
2.4.10 Propiedades mecánicas
2.5 PROPIEDADES DE LOS AGREGADOS RELACIONADAS CON EL COMPORTAMIENTO DE LAS CAPAS GRANULARES
2.6 PROPIEDADES DE LOS AGREGADOS RELACIONADAS CON EL COMPORTAMIENTO DEL PAVIMENTO RÍGIDO
2.7 PROPIEDADES DE LOS AGREGADOS RELACIONADAS CON EL COMPORTAMIENTO DEL PAVIMENTO ASFÁLTICO
2.8 NECESIDAD DE LOS ENSAYOS DE LABORATORIO
2.8.1 En la durabilidad
2.8.2 En la dureza
2.8.3 En la forma de las partículas
2.8.4 En la colocación y compactación en campo
2.9 ESPECIFICACIONES DE LOS AGREGADOS PARA DIFERENTES USOS
3. METODOLOGÍA PARA LA IDENTIFICACIÓN Y APROVECHAMIENTO DE FUENTES DE SUELOS Y AGREGADOS EN PROYECTOS VIALES
3.1 POSIBLES FUENTES DE MATERIALES
3.2 SITUACIÓN PRELIMINAR
3.3 IDEAS Y ACCIONES PARA EL PROYECTO
3.4 PROPUESTA PARA EL PROYECTO VIAL
3.5 DESCRIPCIÓN DE LA METODOLOGÍA
3.5.1 Unidad tipo A – primer componente - fuentes existentes y nuevas (Figura 12)
3.5.2 Unidad tipo A – segundo componente - fuentes existentes y nuevas (Figura 40)
3.5.3 Unidad tipo A – tercer componente - fuentes existentes y nuevas (Figura 12)
3.5.4 Unidad tipo A – cuarto componente - fuentes existentes y nuevas (Figura 12)
3.5.5 Unidad tipo B – primer componente – reciclaje de materiales provenientes de la vía existente (Figura 12)
3.5.6 Unidad tipo B – segundo componente – cobertura del volumen generado (Figura 40)
4. EJEMPLO DE APLICACIÓN: ACEPTACIÓN O RECHAZO DE UNA BASE GRANULAR PARA TRÁNSITO NT1
4.1 ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO (INVIAS E-213, 2020) Y DETERMINACIÓN DE LA CANTIDAD DE MATERIAL QUE PASA EL TAMIZ NO 200 (INVIAS E-214, 2020)
4.1.1 Cantidad de material que pasa el tamiz No. 200
4.1.2 Análisis granulométrico
4.2 ÍNDICE DE APLANAMIENTO Y ALARGAMIENTO DE LOS AGREGADOS PARA CARRETERAS (INVIAS E-230, 2020)
4.3 PORCENTAJE DE PARTÍCULAS FRACTURADAS EN UN AGREGADO GRUESO (INVIAS E-227, 2020)
4.4 DETERMINACIÓN DEL LÍMITE LÍQUIDO DE LOS SUELOS (INVIAS E-125, 2020)
4.5 LÍMITE PLÁSTICO E ÍNDICE DE PLASTICIDAD (INVIAS E-126, 2020)
4.6 EQUIVALENTE DE ARENA DE SUELOS Y AGREGADOS FINOS (INVIAS E-133, 2020)
4.7 VALOR AZUL DE METILENO (INVIAS E-235, 2020)
4.8 DETERMINACIÓN DE TERRONES DE ARCILLA Y PARTÍCULAS DELEZNABLES EN LOS AGREGADOS (INVIAS E-211, 2020)
4.9 RESISTENCIA A LA DEGRADACIÓN DE LOS AGREGADOS DE TAMAÑOS MENORES DE 37.5 MM (1½”) POR MEDIO DE LA MÁQUINA DE LOS ÁNGELES (INVIAS E-218, 2020)
4.10 SOLIDEZ DE LOS AGREGADOS FRENTE A LA ACCIÓN DE SOLUCIONES DE SULFATO DE SODIO O DE MAGNESIO (INVIAS E-220, 2020)
4.11 RELACIONES DE HUMEDAD - MASA UNITARIA SECA DE LOS SUELOS (PROCTOR MODIFICADO) (INVIAS E-142, 2020)
4.12 RELACIÓN DE SOPORTE DEL SUELO EN EL LABORATORIO (CBR DE LABORATORIO) (INVIAS E-148, 2020)
4.13 RESUMEN DE LA CARACTERIZACIÓN PARA TOMA DE DECISIONES
5. FORMATOS DE ENSAYO
5.1 ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO (INVIAS E-213, 2020) Y DETERMINACIÓN DE LA CANTIDAD QUE PASA EL TAMIZ NO 200 (INVIAS E-214, 2020)
5.2 ÍNDICE DE APLANAMIENTO Y ALARGAMIENTO DE LOS AGREGADOS PARA CARRETERAS (INVIAS E-230, 2020)
5.3 PORCENTAJE DE PARTÍCULAS FRACTURADAS EN UN AGREGADO GRUESO (INVIAS E-227, 2020)
5.4 DETERMINACIÓN DEL LÍMITE LÍQUIDO DE LOS SUELOS (INVIAS E-125, 2020), LÍMITE PLÁSTICO E ÍNDICE DE PLASTICIDAD (INVIAS E-126, 2020)
5.5 EQUIVALENTE DE ARENA DE SUELOS Y AGREGADOS FINOS (INVIAS E-133, 2020)
5.6 DETERMINACIÓN DE TERRONES DE ARCILLA Y PARTÍCULAS DELEZNABLES EN LOS AGREGADOS (INVIAS E-211, 2020)
5.7a RESISTENCIA A LA DEGRADACIÓN DE LOS AGREGADOS DE TAMAÑOS MENORES DE 37.5 MM (1 ½”) POR MEDIO DE LA MÁQUINA DE LOS ÁNGELES (INVIAS E-218, 2020)
5.7b DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL AGREGADO GRUESO A LA DEGRADACIÓN POR ABRASIÓN UTILIZANDO EL APARATO MICRO DEVAL (INVIAS E-248, 2020)
5.8 SOLIDEZ DE LOS AGREGADOS FRENTE A LA ACCIÓN DE SOLUCIONES DE SULFATO DE SODIO O DE MAGNESIO (INVIAS E-220, 2020)
5.9 RELACIÓN DE HUMEDAD-MASA UNITARIA SECA DE LOS SUELOS (PROCTOR MODIFICADO) (INVIAS E-142, 2020)
5.10 RELACIÓN DE SOPORTE DEL SUELO EN EL LABORATORIO (CBR DE LABORATORIO) (INVIAS E-148, 2020)
6. BIBLIOGRAFÍA
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Clasificación de las rocas ígneas
Tabla 2. Clasificación de las rocas metamórficas
Tabla 3. Condiciones para la formación de diferentes arcillas versus los minerales constituyentes de las rocas magmáticas
Tabla 4. Producto de la meteorización versus los minerales constituyentes de las rocas magmáticas
Tabla 5. Minerales y sus procesos de meteorización
Tabla 6. Propiedades de los agregados relacionadas con el comportamiento del pavimento
Tabla 7. Ensayos de laboratorio que miden de forma indirecta las características intrínsecas o extrínsecas de los agregados
Tabla 8. Ensayos de laboratorio que miden de forma indirecta las características extrínsecas de los agregados
Tabla 9. Ensayos de laboratorio que miden de forma indirecta las características intrínsecas de los agregados
Tabla 10. Escala de dureza de Mohs
Tabla 11. Potencial de expansión por reacción álcali-sílice para concreto
Tabla 12. Especificaciones de los agregados para subbase (SBG), base (BG), mezcla densa en caliente (MDC) y concreto para pavimentos en Colombia
Tabla 13. Franjas granulométricas del material de subbase granular en Colombia
Tabla 14. Franjas granulométricas del material de base granular en Colombia
Tabla 15. Franjas granulométricas de mezcla densa en caliente en Colombia
Tabla 16. Franjas granulométricas de agregados para concreto en Colombia
Tabla 17. Verificación periódica de la calidad de los materiales granulares para diferentes usos en Colombia
Tabla 18. Requerimientos de materiales para carretera
Tabla 19. Forma 1 - primera base de datos para el SIG
Tabla 20. Forma 2A – registro de muestreo
Tabla 21. Forma 2B – tipo de análisis
Tabla 22. Granulometría del material de base granular en estudio
Tabla 23. Partículas planas del material de base granular en estudio
Tabla 24. Partículas largas del material de base granular en estudio
Tabla 25. Masa por fracción, requerida para determinar las caras fracturadas
Tabla 26. Masa por fracción requerida para determinar las caras fracturadas
Tabla 27. Datos para determinar el equivalente de arena
Tabla 28. Porcentaje retenido referido para agregado grueso
Tabla 29. Porcentaje de terrones de arcilla y partículas deleznables de base granular en estudio
Tabla 30. Tamaño de muestra y número de esferas
Tabla 31. Tamaño de muestra y número de esferas
Tabla 32. Porcentaje retenido referido para agregado grueso
Tabla 33. Porcentaje retenido referido para agregado fino
Tabla 34. Pérdidas por sanidad para la fracción gruesa
Tabla 35. Pérdidas por sanidad para la fracción fina
Tabla 36. Resultados del ensayo de Proctor modificado
Tabla 37. Datos del Proctor modificado, corregidos al incluir el retenido en la malla 3/4”
Tabla 38. Resultados del ensayo de Proctor modificado para 56, 25 y 10 golpes
Tabla 39. Resultados de esfuerzo–penetración
Tabla 40. Resultados de expansión
Tabla 41. Resultados de peso unitario seco versus CBR%
Tabla 42. Lista de chequeo para material de base para tránsito NT1
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Estructuras típicas de pavimentos flexible y rígido
Figura 2. Sistemas cristalinos
Figura 3. El ciclo de las rocas
Figura 4. Relación entre la composición química y las rocas ígneas
Figura 5. Grado de metamorfismo y facies metamórficas
Figura 6. Franjas granulométricas del material de subbase granular
Figura 7. Franjas granulométricas del material de base granular de gradación gruesa
Figura 8. Franjas granulométricas del material de base granular de gradación fina
Figura 9. Franjas granulométricas del material de mezcla densa en caliente
Figura 10. Franjas granulométricas de agregado para concreto
Figura 11. Diagrama general de utilización de fuentes de materiales en proyectos viales
Figura 12. Diagrama metodológico de búsqueda y aprovechamiento de fuentes de materiales
Figura 13. Información digital de títulos mineros
Figura 14. Material del río Sogamoso
Figura 15. SIG de FM y sus coberturas sobre el eje de la vía
Figura 16. SIG de FM y su registro fotográfico
Figura 17. SIG de FM y granulometría de uno de sus productos
Figura 18. SIG de FM y sus coberturas sobre el eje de la vía
Figura 19. SIG de FM y materiales para terraplén con CBR mayor a 20 %
Figura 20. Distribución por tamaños del material granular
Figura 21. Material de base respecto a la especificación BG-40
Figura 22. Material de base respecto a la especificación BG-38
Figura 23. Tamiz de barras
Figura 24. Calibrador de espesores
Figura 25. Calibrador de longitudes
Figura 26. Ensayo de partículas largas (izquierda) y planas (derecha)
Figura 27. Partículas de agregado para determinar las caras fracturadas
Figura 28. Cuchara de Casagrande y acanalador
Figura 29. Muestra de suelo para determinar límite líquido
Figura 30. Curva para determinar el límite líquido
Figura 31. Rollos de suelo para determinar el límite plástico
Figura 32. Agitación de la muestra de arena y la solución de trabajo
Figura 33. Solución de trabajo
Figura 34. Lavado de las paredes del tubo
Figura 35. Lectura del nivel de arcilla
Figura 36. Lectura del nivel de arena
Figura 37. Preparación de la muestra de ensayo con azul de metileno
Figura 38. Preparación de la muestra de ensayo con azul de metileno
Figura 39. Prueba de azul de metileno. Para 6 cm3 el: resultado negativo porque se reabsorbe después de 2 minutos. Para 7 cm3 el resultado es positivo
Figura 40. Máquina de Los Ángeles, esferas de acero y tamiz No. 12
Figura 41. Preparación de muestra de gradación A para máquina de Los Ángeles
Figura 42. Material resultante después de 500 revoluciones en máquina de Los Ángeles
Figura 43. Preparación de muestra para ensayo de sanidad de una base granular
Figura 44. Fracción de 19 mm (3/4”) a 37.5 mm (1 1/2”) sumergida en sulfato de magnesio
Figura 45. Fracción de 19 mm (3/4”) a 37.5 mm (1 1/2”) seca al horno
Figura 46. Partícula de agregado desintegrada por la acción de los ciclos de humedecimiento y secado
Figura 47. Curva de compactación
Figura 48. Curva esfuerzo–penetración
Figura 49. Curva peso unitario seco – CBR%
1. INTRODUCCIÓN
Los agregados son materiales que se usan en la construcción, derivados, en su mayor parte, de las rocas naturales; algunos pueden ser sintéticos, como las arcillas expandidas o las escorias de horno. Los agregados sirven para fabricar concretos, realizar mezclas asfálticas y ser utilizados solos. Los pavimentos, por su parte, son estructuras construidas en capas de distintos materiales, superpuestas, que se apoyan sobre la subrasante natural o sobre un terraplén. Los más comunes tienen una o dos capas granulares (subbase y base) y una capa de rodadura, que puede ser mezcla asfáltica, concreto (Figura 1) o adoquines. Estas capas se diseñan para soportar las deformaciones y esfuerzos impuestos por las cargas del tránsito y el clima. En ellas, los agregados tienen una importante función, dado que ocupan alrededor del 70 % del volumen de concreto, del 90 % de la mezcla asfáltica y el 100 % del volumen de las bases y subbases granulares.
En las estructuras de pavimento, las capas más superficiales soportan la mayor magnitud de esfuerzos y deformaciones y por lo tanto deben ser construidas con materiales de mejor calidad, mientras que las capas más profundas pueden ser construidas con materiales de menor especificación debido a que dichos esfuerzos y deformaciones se disipan con la profundidad.
Figura 1. Estructuras típicas de pavimentos flexible y rígido
Las especificaciones de calidad exigidas para cada material y capa estructural deben permanecer en el tiempo, pues se garantizan para periodos mucho más largos que la propia vida de diseño, debido a que las vías son parte del patrimonio de una nación, y por consiguiente son heredables a las futuras generaciones. Así, aunque con el paso de los años la economía y el desarrollo inducen al mejoramiento de las especificaciones geométricas de la red vial, es muy probable que los materiales de las capas de pavimentos antiguos permanezcan aún en los proyectos futuros de mantenimiento, mejoramiento y rehabilitación, salvo que la vía sea abandonada o se modifique su diseño geométrico en planta o perfil; de allí la importancia de la durabilidad de los materiales.
El presente documento se centra en la descripción de los ensayos que se deben hacer a los materiales granulares que conforman las capas de pavimento, para garantizar las características mecánicas y funcionales en el tiempo. Los tipos más habituales de pavimentos son:
• Pavimento flexible: en estos la capa de rodadura es de algún tipo de mezcla asfáltica, y lo más común es que bajo ella se encuentre una capa de base y otra de subbase. Toda la estructura está soportada por la subrasante, que puede ser natural o elaborada.
• Pavimento rígido: estos se caracterizan porque la capa de rodadura es de concreto y bajo ella típicamente solo hay una capa de subbase. Toda la estructura está soportada por la subrasante, que puede ser natural o elaborada.
• Pavimento semirrígido: en estos pavimentos la capa de rodadura es de algún tipo de mezcla asfáltica, pero bajo ella se encuentra una capa de base estabilizada de alta rigidez, y otra de subbase, que puede ser granular. Toda la estructura está soportada por la subrasante, que puede ser natural o elaborada.
• Pavimento articulado: en estos la capa de rodadura está conformada por bloques de adoquines pequeños; bajo ella se encuentra una capa de arena y eventualmente otra de subbase granular. Toda la estructura está soportada por la subrasante, que normalmente es natural.
Los materiales utilizados en las capas de pavimento son agregados, asfaltos, mezclas asfálticas, cal, cementos y concretos, y es importante caracterizarlos a partir de ensayos de laboratorio y valorarlos a partir de las especificaciones de obra, para definir si son aptos para la construcción de la vía. Si un material no cumple con una especificación se debe evaluar si esta no conformidad
depende de sus características intrínsecas o extrínsecas.
• Características intrínsecas: se refiere a las cualidades que son independientes de la forma y el tamaño del material (Gaskell, 1981). Se dividen en:
– Propiedades físicas: se definen por la percepción de los sentidos, por ejemplo, color, olor, sabor, sonido, textura.
– Propiedades químicas: determinadas por el grado de cohesión de las moléculas y el arreglo molecular, por ejemplo, los puntos de ebullición y fusión, solubilidad, densidad, dureza, plasticidad, ductilidad, maleabilidad, tenacidad, fragilidad, gravedad específica, calor específico.
• Características extrínsecas: aluden a las cualidades que dependen de la forma y el tamaño de la muestra (Gaskell, 1981), es decir, la forma y el tamaño de la probeta de ensayo. Estas propiedades son masa, volumen, peso, inercia, impermeabilidad, porosidad, carga de rotura, entre otras.
En términos generales, si un material no cumple con una característica intrínseca debe estudiarse sus propiedades físicas y químicas y determinar si es posible mejorarlo con algún procedimiento para llevarlo a la condición de calidad requerida por la obra, y definir su aceptación o rechazo. Si un material no cumple con una característica extrínseca debe verificarse el proceso de producción, transporte y almacenamiento, y solucionarlo. En resumen, si la no conformidad es de carácter intrínseco se debe revisar la fuente de explotación, mientras que si es extrínseca se debe revisar el proceso de producción.
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