Ram Codes

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ISSN 0188-7297

RAMCODES: METODOLOGIA RACIONAL PARAEL ANALISIS DE DENSIFICACION YRESISTENCIA DE GEOMATERIALES

COMPACTADOS

Freddy J. Snchez-Leal

Paul Garnica Anguas

Jos Antonio Gmez Lpez

Natalia Prez Garca

Publicacin Tcnica No. 200

Sanfandila, Qro, 2002
http://www.imt.mx/http://www.sct.gob.mx/

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SECRETARIA DE COMUNICACIONES Y TRANSPORTES

INSTITUTO MEXICANO DEL TRANSPORTE

Publicacin Tcnica No. 200Sanfandila, Qro. 2002

Ramcodes: Metodologa racionalpara el anlisis de densificaciny resistencia de geomateriales

compactados

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Este trabajo fue desarrollado en la Coordinacin de Infraestructura del InstitutoMexicano del Transporte por los investigadores M. en I. Freddy Snchez-Leal dela Fundacin Instituto de Investigaciones Cientficas SOLESTUDIOS de Coro,Venezuela; Dr. Paul Garnica Anguas, M. en I. Jos Antonio Gmez Lpez yM. en C. Natalia Prez Garca del Instituto Mexicano del Transporte.

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I

Indice

Resumen III

Abstract V

Resumen ejecutivo VII

Introduccin 1

1. Descripcin de la metodologa 3

1.1 Qu es RAMCODES? 31.2 RAMCODES en suelos compactados 3

1.2.1 Clasificacin cuantitativa 31.2.2 Potencial de densificacin 51.2.3 Relacin entre el contenido de agua, densidad y resistencia 91.2.4 Comportamiento no saturado 10

2. Campo de aplicaciones 17

2.1 Anticipacin de resistencia 172.2 Cuantificacin del efecto de la microestructura 182.3 Estudio de deformaciones permanentes 232.4 Patologa de estructuras de pavimento 262.5 RAMCODES en mezclas asflticas 29

3. Conclusiones 43

Referencias 47

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III

Resumen

Se presenta una metodologa racional, basada en experimentos factoriales, enconceptos de la Mecnica de Suelos No Saturados, y en la experiencia prctica dediseo y control, para anlisis de densificacin y resistencia de geomateriales, esto es,suelos, mezclas, y mezclas asflticas, compactados. Esta metodologa, que secomenz a desarrollar desde 1998 por F.J. Snchez-Leal, se fundamenta en tresaspectos esenciales, que son: la clasificacin cuantitativa, que resume lascaractersticas de un suelo en un valor numrico nico en una escala continua, elpotencial de densificacin, que estudia la probabilidad de que el geomaterial alcanceuna densidad en un rango de contenidos de agua, o de asfalto, bajo una energa decompactacin particular, y en la relacin entre el contenido de agua/asfalto, la densidad,y la respuesta del geomaterial, ya sea de resistencia, deformabilidad, mdulos, etc.,bajo las condiciones particulares de un experimento. Hasta ahora se han desarrollado

tres de las siete fases de la concepcin inicial del RAMCODES, por lo que suculminacin es un rico campo de investigacin, de la cual esta publicacin constituye unapoyo fundamental.

Tal como se demuestra en esta publicacin, RAMCODES ha demostrado teneraplicacin exitosa en el control de la variacin de la produccin de geomateriales (v.g.mezclas asflticas), en el diseo, en el control de colocacin, y en la revisin deestructuras de pavimentos. RAMCODES relaciona el diseo con el control de campo sindejar lugar a las tpicas incongruencias que tiene la metodologa tradicional. A travs decartas de control que resumen especificaciones y conceptos, RAMCODES relaciona lateora y la prctica de una manera sencilla sin menoscabar la formalidad, permitiendoque el ingeniero comn tenga acceso a los conceptos mecanicistas ms avanzados.

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Abstract

This publication introduces a rational methodology, based upon factorial experiments,Unsaturated Soil Mechanics concepts, and practical expertise of design and control, forcompacted geomaterials (i.e. soils, soil mixes, asphalt mixes) densification and strengthanalysis. This methodology, developed by F.J. Snchez-Leal since 1998, is founded onthree main aspects, namely: quantitative classification, which resumes soil features intoone single numerical value on a continuous scale, densification potential, which studiesgeomaterials probability for attaining a particular densification level within a range ofwater/asphalt content and under particular compaction method and effort, and therelation between water/asphalt content, density, and geomaterials response underexperimentation on strength, deformability, etc. To the date, three out of seven phasesthat compose initial conception of RAMCODES have been developed. Completion ofremaining phases is in consequence a rich field for research to which this publication

constitutes a fundamental basis.

As shown in this publication, RAMCODES has shown successful application on severaltopics those as geomaterials production variation (e.g. asphalt mixes), design, in placecollocation control, and pavement structure revision. RAMCODES relates design andfield control activities without typical incongruence permitted by traditional methodology.By means of control charts, RAMCODES links theory and practice on a simple way, butformality is maintained, allowing unspecialized engineers to reach the more advancedmechanistic concepts of material behavior.

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Resumen ejecutivo

En esta publicacin se presenta a RAMCODES, acrnimo de RAtional Methodology forCOmpacted geomaterials DEnsification and Strength analysis, o Metodologa Racionalpara el Anlisis de Densificacin y Resistencia de Geomateriales Compactados. Estametodologa ha sido desarrollada por F. J. Snchez-Leal desde 1998 en siete fases. Lafase uno est dedicada por una parte, a la clasificacin de geomateriales (i.e. suelos,mezclas asflticas, y por otra, a la determinacin de su potencial de densificacin(Snchez-Leal, F.J., 2000a, y 2002a). La fase dos trata sobre el estudio de la relacinhumedad, densidad, y resistencia (i.e. CBR) en suelos compactados (Snchez-Leal,2002b). Las fases tres, programada para el anlisis de resistencia con equiposofisticado, y cuatro, programada para el estudio de cambio volumtrico bajohidratacin, todava no han sido desarrolladas. La fase cinco est dedicada al anlisisde mezclas asflticas (Snchez-Leal, F.J., 2002c). Finalmente, se est trabajando

actualmente en las fases seis, dedicada al desarrollo de un software para facilitar laimplementacin de RAMCODES, y siete, dedicada al desarrollo de una metodologaestadstica de control de calidad.

RAMCODES se fundamenta en tres aspectos esenciales, que son: la clasificacincuantitativa, que resume las caractersticas de un suelo en un valor numrico nico enuna escala continua, el potencial de densificacin, que estudia la probabilidad de que elgeomaterial alcance una densidad en un rango de contenidos de agua, o de asfalto,bajo una energa de compactacin particular, y en la relacin entre el contenido deagua/asfalto, la densidad, y la respuesta del geomaterial, ya sea de resistencia,deformabilidad, mdulos, etc., bajo las condiciones particulares de un experimento.

Segn se demuestra en esta publicacin, RAMCODES tiene significativas aplicacionesen materia de geomateriales compactados. En el rea de suelos compactados, laclasificacin cuantitativa permite anticipar comportamientos de densificacin yresistencia, lo que facilita las labores de preseleccin de bancos de material. Tambin,la clasificacin cuantitativa, a travs de factor caracterstico, sirve como parmetro paraevaluar la variabilidad del material de suelo durante la explotacin de bancos. Debido aque estn fundamentados en un experimento diseado bajo una concepcin factorial,los mapas de resistencia son de gran utilidad en el estudio del comportamiento delsuelo, asociando los conceptos de Mecnica de Suelos No Saturados, tales como latrabazn entre partculas, y la succin, a variables que son comnmente manejadas ymedidas en campo y laboratorio, tales como el contenido de agua y el peso unitarioseco. Estos mapas se transforman tambin en cartas de control para garantizar que en

campo se compacte el material en las condiciones previstas durante el diseo.Adicionalmente, los mapas sirven para guiar al especialista en estudios de patologapara representar los estados del suelo luego de la fabricacin de la estructura, y luegode la falla. Una de las aportaciones ms significativas de RAMCODES al control decalidad de compactacin es demostrar que, con la metodologa tradicional basada en elalcance de un nivel mnimo de densificacin y en ensayos de CBR bajo hidratacin, secometen serios errores que bien podran acarrear fallas en las estructuras de

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RAMCODES: Metodologa racional para el anlisis de densificacin y resistencia de geomateriales compactados

VIII

pavimento, o bien podran cargar al constructor con innecesarios retrasos queredundaran en importantes implicaciones econmicas. En mezclas asflticas, a travsde la implementacin de mapas de resistencia y de una construccin grfica originalllamada polgono de vacos (Snchez-Leal, F.J., 2002c) que define un rea donde se

cumplen todas las especificaciones de vacos, la aplicacin ms significativa es que sedemuestra que la metodologa tradicional de control de calidad de compactacin estdivorciada de la metodologa de diseo por lo que se estaran aceptando lotes demezcla asfltica compactada que en realidad son deficientes y podran acarrear fallas.La completacin de las fases de desarrollo de RAMCODES constituye un significativocampo de investigacin en materia de geomateriales compactados, y lo que se llevadesarrollado representa un estupendo fundamento para futuras investigaciones.

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Introduccin

Control de calidad de la compactacin de suelos y mezclas asflticas implica larealizacin de acciones orientadas a verificar por una parte que tanto el materialcomo sus condiciones de colocacin garanticen el cumplimiento de los parmetrosde diseo, y por otra que la variabilidad de los mismos est por debajo del nivel deriesgo asociado a la obra. En la actualidad y tradicionalmente, los criterios en losque se fundamenta el control de calidad de compactacin de obras de tierra es elalcance de un determinado porcentaje mnimo (generalmente 95%) de la densidadmxima seca (id est DMS) de laboratorio segn un ensayo normalizado (PrctorModificado, ASTM D 1557). En los ms de los casos interesa que la humedad decampo est dentro de un rango recomendado para la humedad ptima (i.e. WOP)slo con el fin de aumentar la probabilidad de obtener altas densidades. En lneasgenerales el fundamento del criterio control de compactacin es la premisa: amayor densidad, mayor resistencia, y eso es precisamente el resultado de laaplicacin de la variante 7.1 del ensayo normalizado de valor relativo del soporte(i.e. CBR) que contempla la penetracin de tres especmenes elaborados condistintas energas de compactacin, y sometidos a hidratacin por un tiempoespecificado (v.g. cuatro das). No obstante, estudios tan remotos como Turburn yFoster (1956), Seed (1960), Mendoza (1982), entre otros, y tan recientes comoSnchez-Leal (2002b), coinciden en que la relacin entre la densidad, la humedady la resistencia es compleja y requiere un estudio detallado. La ausencia de unestudio detallado en los criterios actuales y tradicionales para el diseo y controlde compactacin puede acarrear fallas en los pavimentos.

Por otra parte, en lo que respecta a mezclas asflticas, metodologas comoSuperpave demuestran que se ha avanzado mucho sobre aspectos tales como laseleccin de ligante (relacionado a la temperatura y al trfico), la seleccin de lamezcla de agregados (zona restringida, requerimientos consensuales), y lacompactabilidad de la mezcla (estando la energa de compactacin ligada altrfico, y el efecto de arrodillado impuesto por el compactador giratorio ms enconsonancia con los equipos de compactacin de campo). Adicionalmente, losespecmenes compactados son sujetos a un proceso de envejecimiento de cortotrmino, lo que permite la absorcin del ligante por parte de los agregados. Apesar de avances como estos, la prctica de control de campo ha quedado sincambios, esto es, el control est basado en la densidad final de la carpeta. Laprctica actual de control est divorciada del diseo y esto podra llevar a laaceptacin de lotes defectuosos, y al rechazo de lotes buenos. Por qu sondiferentes las especificaciones de diseo para vacos con respecto a las

especificaciones de control?

El control de la variabilidad de un material de suelo durante la explotacin de unprstamo, as como la inferencia anticipada de su potencial de densificacin y suresistencia a partir de sus propiedades ndices (i.e. granulometra, lmites deAtterberg) han sido siempre materia de estudio. No obstante, los sistemas

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tradicionales de clasificacin de suelos (v.g. SUCS, HRB), basados en laspropiedades ndice, derivan en una tipificacin cualitativa, con lo que no se puedenrealizar correlaciones. As mismo, el estudio de la variabilidad de un material atravs de sus curvas granulomtricas resulta por dems imprctico, sobre todo

cuando se maneja un nmero grande de muestras.

El nuevo enfoque que presenta este trabajo permite varias tareas. En principio,estudiar de una manera racional la relacin entre la humedad, la densidad y laresistencia, y luego derivar en regiones de aceptacin para entrelazar el diseo yel control de compactacin de campo de una manera eficiente. Tambin, se puedecorrelacionar el potencial de densificacin y la resistencia a travs de laclasificacin cuantitativa obtenida segn el factor caracterstico (Snchez-Leal,2000a, 2002a). Finalmente, para mezclas asflticas, se puede ligar racionalmentelas especificaciones de diseo con los criterios de control, salvando cualquierincongruencia. Este enfoque corresponde a las fases 1, 2, y 5 de la metodologaRAMCODES (Metodologa Racional para el Anlisis de Densificacin y

Resistencia de Geomateriales Compactados), actualmente en desarrollo(Snchez-Leal, F.J., 1998-2002).

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1. Descripcin de la metodologa

1.1 Qu es RAMCODES?

RAMCODES (propiedad protegida por derechos de autor) es un acrnimo por elnombre en ingls RAtional Methodology for COmpacted geomaterials DEnsity andStrength analysis. Esta metodologa ha sido desarrollada por F.J. Snchez-Lealdesde 1998 en siete fases. La fase uno est dedicada por una parte, a laclasificacin de geomateriales (i.e. suelos, mezclas asflticas); se desarroll unnuevo sistema de clasificacin por medio de un factor caracterstico basado enuna escala cuantitativa, y por otra, a la determinacin del potencial dedensificacin, referido al factor caracterstico (Snchez-Leal, F.J., 2000a, y 2002a).La fase dos trata sobre el estudio de la relacin humedad, densidad, y resistencia(i.e. CBR) en suelos compactados (Snchez-Leal, 2002b). Las fases tres,

programada para el anlisis de resistencia con equipo sofisticado, y cuatro,programada para el estudio de cambio volumtrico bajo hidratacin, todava nohan sido desarrolladas. La fase cinco est dedicada al anlisis de mezclasasflticas y est ayudando ahora a enfrentar la significativa incongruencia entre eldiseo y los controles de compactacin establecidos por los mtodos tradicionalesde diseo y control (Snchez-Leal, F.J., 2002c). Finalmente, se est trabajandoactualmente en las fases seis, dedicada al desarrollo de un software para facilitarla implementacin de RAMCODES, y siete, dedicada al desarrollo de unametodologa estadstica de control de calidad.

El objetivo de RAMCODES es el de establecer un puente confiable entre la teoray la prctica en el proceso de diseo y control de colocacin de geomateriales

compactados.

1.2 RAMCODES en suelos compactados

1.2.1 Clasificacin cuantitativa

La clasificacin cuantitativa es uno de los pilares fundamentales de la metodologaRAMCODES. La misma consiste en resumir en un solo valor las caractersticasndices del suelo que ms significativamente afectan su comportamiento; estascaractersticas, segn Snchez-Leal, son la proporcin granulomtrica y lasuperficie especfica de la parte fina.

La clasificacin cuantitativa aventaja a la tradicional clasificacin descriptiva ocualitativa (i.e. SUCS, HRB) en que aquella permite asociar la tipificacin de losmateriales a una escala continua, donde, en teora, para una misma regin uorigen geolgico, cada valor en esa escala representa a un material con lasmismas propiedades y respuestas. Las consecuencias inmediatas de estaafirmacin es que por una parte se puede evaluar la variabilidad de las

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propiedades y respuestas del material a partir de sus caractersticas ndices, y porotra, se pueden tener varios estudios de propiedades y respuestas para distintasclases de material, con lo que se tendra un banco de datos utilsimo en laanticipacin de comportamientos y en la seleccin de materiales.

Para realizar la clasificacin cuantitativa, el autor propuso (Snchez-Leal, F.J.,2000a, 2002a) el factor caracterstico, Fp, definido como el producto lineal de laproporcin granulomtrica entre finos y gruesos, y el lmite lquido, este ltimocomo una medida de la superficie especfica de los finos. La expresin propuestaes la siguiente:

G

FwF Lp

11 (1.1)

donde:

wL: es el lmite lquido del material, en decimalF: es la fraccin que pasa el tamiz #200, en decimal, yG: es la fraccin retenida en el tamiz #4, en decimal.

El factor caracterstico Fp est asociado a la clasificacin descriptiva segn laTabla 1.1.

Tabla 1.1 Fp relacionado con la clasificacin descriptiva (Snchez-Leal,

F.J., 2002a)

Tipo Rango de Fp Clasificacin

RS1 0.0-0.2 Gravas limosas y arcillosas

RS2 0.2-0.5 Arenas limosas y arcillosas con gravaRS3 0.5-0.7 Arenas limosas y arcillosas

RS4 0.7-1.4 Arcillas ligeras limosas y arenosas

RS5 >1.4 Arcillas francas

RS1* 0.0-0.2 Arenas limpias

RS2* 0.0-0.2 Arenas sin grava

Nota: RS1* y RS2* son suelos sin grava. A pesar de que sus valores de F pcoinciden con los tipos RS1 y RS2, respectivamente, aquellos se comportan deuna manera diferente.

El factor caracterstico as definido es slo til para suelos llamados con finosplsticos, es decir, suelos con lmite lquido. El lmite lquido es una medida de lasuperficie especfica de los finos del material, y va en proporcin directa a su valor.El ensayo con la copa de Casagrande, sin embargo, se vuelve insensible a loscambios en la superficie especfica para masas con consistencia representativa de

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Captulo 1 Descripcin de la metodologa

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de lmites lquidos por debajo de 20%. Para estimar el lmite lquido en estosmateriales habra que recurrir a un mtodo indirecto, por ejemplo, al ensayo defall cone de la normativa britnica. No obstante, para este trabajo el autor utilizael ensayo de Azul de Metileno (COVENIN 3548: 1999).

La relacin entre el valor azul, VB, que es una medida de la capacidad deabsorcin de agua de las arcillas y en consecuencia de la naturaleza de losminerales arcillosos, y el lmite lquido, wL, ha sido evidenciada por autores talescomo Lautrin D. (1989). La Figura 1.1, realizada con suelos de varias regiones deVenezuela, sugiere que dicha relacin es lineal y que el ajuste podra estarasociado a la regin u origen geolgico del material. Con informacin previa de laregin geolgica del material en estudio se puede conocer el lmite lquidoequivalente a travs del valor azul, en el caso de materiales en que suconsistencia no pueda ser detectable por el mtodo de la Copa de Casagrande.

Figura 1.1 Relacin wL vs. VB. Datos SOLESTUDIOS C.A

1.2.2 Potencial de densificacin

El potencial de densificacin de un material de suelo se obtiene a partir de larelacin entre el contenido de agua y el valor de la densidad seca alcanzada bajouna misma energa y mtodo de compactacin desarrollada en un ensayo delaboratorio. Los parmetros de referencia del potencial de densificacin sontpicamente la densidad mxima seca (DMS), su contenido de agua asociado,llamado ptimo (CAO), as como la forma de la curva que describe dicha relacin(i.e. curva de compactacin).

Lmite lquido, %

Valorazul(Vb),g/100g

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Varios investigadores en la literatura, entre ellos Murphy (1950), Krebs y Walker(1971), Ingles (1974), Al-Khafaji (1970a, b, 1993), y Saha y Chattopardhyay(1988), usaron los lmites lquido y plstico para correlacionar DMS y CAO conmateriales en diversas localidades tales como USA, India e Irak. Estos autores

presentaron grficos elaborados para obtener los parmetros del ensayo Proctorpor medio de relaciones empricas asociadas a cada locacin. Sin embargo, no essino hasta recientemente cuando el autor (Snchez-Leal, F.J., 2000a, 2002a), atravs del uso del factor caracterstico Fp obtiene unas sencillas correlacioneslineales con los mencionados parmetros. Las Figuras 1.2 y 1.3 muestran talesrelaciones para 84 muestras de suelo de la regin geolgica Mesa de Guanipa, enel oriente venezolano. En las figuras, los intervalos para Fp coinciden con lasdescripciones de la Tabla 1.1.

Figura 1.2. Variacin de la DMS del Proctor Modificado vs. Fp. (Snchez-Leal, F.J., 2002a)

DMSPrctormodificada,

kN/m

3

Gravaslimosasyarcillosas

Arenaslimosasy

arcillascongrava

Arenaslimosas

yarcillosas

Arcillas ligerasarenosas y limosas

Arcillasfrancas

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Figura 1.3. Variacin del CAO del Proctor Modificado vs. Fp. (Snchez-Leal,F.J., 2002a)

La Ecuacin 1.2 describe la relacin entre DMS y Fp; la Tabla 1.2 resume losestadsticos obtenidos.

pFBADMS (1.2)

Tabla 1.2 Estadsticos de correlacin para Fp vs. DMS. (Snchez-Leal, F. J.,2002a)

Rango para Fp 0.0-1.1 >1.1

A 22.07 23.68

B -4.26 -4.35

n 79 5

r2 0.869 0.988

SD 0.43 0.16

Donde:n: es el nmero de datos considerados,r: es el factor de correlacin, ySD: es la desviacin estndar para DMS en kN/m3


Arenaslimosasy

arcillascongrava

Arenaslimosasyarcillosas

Arcillas ligerasarenosas y

limosas

Arcillasfrancas

CAO

Prctormodificaoa,

%

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La Ecuacin 1.3, por su parte, establece la relacin entre CAO y F p obtenida pormedio de un ajuste de mnimos cuadrados. Los estadsticos son los siguientes:C=5.57, D=7.99, r=0.908, y SD=1.03%.

pFDCCAO (1.3)

Los estadsticos para las expresiones 1.2 y 1.3 describen la variabilidad de losparmetros de densificacin de un mismo material. En el caso de la DMS, el rangoms probable es de 0.65 kN/m3 (=1.50.43) el valor estimado por la Ecuacin 1.2.Por otra parte, en el caso del CAO, el rango ms probable es de 1.5% (=1.5 x1.03) el valor estimado por la Ecuacin 1.3. Estos niveles de variabilidad tansignificativos son la causa de que, con la implementacin de las especificacionestpicas de compactacin referidas a un porcentaje de la DMS de laboratorio, sesusciten grandes controversias entre Inspectores y Ejecutores.

El potencial de densificacin obtenido en laboratorio correlaciona estrechamente

con la densificacin obtenida en campo por medio de la compactacin con equipopesado de compactacin; el siguiente ejemplo, tomado de Snchez-Leal (2002a)ilustra esta afirmacin ya comprobada por investigadores como Turnbull y Foster(1956).

Durante la construccin de las instalaciones del proyecto petrolero SincorUpstream, ubicado en San Diego de Cabrutica, Estado Anzotegui, Venezuela, seusaron materiales tpicos de la regin geolgica Mesa de Guanipa para laconstruccin de carreteras y rellenos. El material de suelo se compact en capascon espesor variable entre 0.20 y 0.30 m. por medio de equipo pesado decompactacin (i.e. vibrocompactadores y rodillos pata de cabra, ambos de 6 a 8toneladas de peso). Se dieron entre dos y tres ciclos de compactacin por cada

capa. Se tomaron datos de campo (i.e. densidad seca y contenido de agua) envarios lotes terminados usando densmetros nucleares calibrados localmente(Snchez-Leal, 1998). Adicionalmente, se tomaron muestras representativas desuelo de cada lote y se llevaron a laboratorio para la determinacin de suspropiedades ndices. El Fp de las muestras estudiadas vari en el rango 0.10-0.80.Los datos para contenido de agua y densidad seca se representaron en lasFiguras 1.4, respectivamente. Adicionalmente, se representaron los ajustesdescritos en las ecuaciones (1.2), para DMS, y (1.3), para CAO, como franjas devariacin con amplitud 1.5SD. SD es 0.43 kN/m3 para DMS, y 1.03% para CAO.Obsrvese en estas figuras cmo los datos de campo verifican con los intervalospredichos por las correlaciones a partir de la informacin de laboratorio.

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Figura 1.4. Datos de campo versus el rango de variacin predicho para a)

contenido de agua, y b) densidad seca (Snchez-Leal, 2002a)

1.2.3 Relacin entre el contenido de agua, la densidad y la resistencia

Para la evaluacin de la relacin entre el contenido de agua, la densidad seca y laresistencia (representada aqu por el CBR), de tanta preocupacin por autorescomo Turnbull y Foster (1956), y Seed (1960), el autor propuso (Snchez-Leal,F.J., 2002b) los mapas de resistencia, definidos como la representacin, engrficas de contorno, de la superficie de respuesta que describe la resistencia delsuelo cuando es compactado con un mismo mtodo de compactacin en un rangoamplio de contenidos de agua y densidades secas (i.e. experimento factorial). Lasuperficie es un ajuste estadstico de los datos de respuesta (i.e. CBR) obtenidospor medio de la aplicacin de la variante 7.2 de la normativa ASTM D 1883, querige el ensayo del CBR para el estudio de la resistencia del suelo en la condicintal como se compact. La Figura 1.5 muestra, con un ejemplo extrado de laliteratura (arcilla de Vicksburg, Turnbull y Foster, 1956) la informacin requeridapara el trazo de una superficie de respuesta de CBR. La Figura 1.6 muestra la

Contenidodeagua,%

Densidadseca,kN/m3

Rango predicho

Rango predicho

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superficie de respuesta resultante para la informacin de la Figura 1.5. Obsrveseen este caso que las respuestas (i.e. CBR) mayores se obtienen para lacombinacin de bajos contenidos de agua y altas densidades. La Figura 1.7, porsu parte, presenta el mapa de resistencias correspondiente a la Figura 1.6; esta

representacin es ms prctica y tiene ms ventajas tanto para la explicacin decomportamientos como para el control de compactacin. Lo primero que resalta esque el lugar de la mxima densificacin y su contenido de agua asociado nocoinciden con el lugar de la mxima resistencia; luego, est claro que densidad nosiempre significa resistencia. La aplicacin ms significativa de los mapas deresistencia es que se pueden constituir regiones de aceptacin para el control decompactacin de campo, tal como se muestra en la Figura 1.8.

Figura 1.5. Contenido de agua de elaboracin vs. densidad seca y CBR parala arcilla de Vicksburg (segn Turnbull y Foster, 1956)

1.2.4 Comportamiento no saturado

Un suelo compactado es por definicin un suelo no saturado. Su comportamientode resistencia est influenciado por su estructura y por las condiciones de carga(i.e. patrn, velocidad). La energa y mtodo de compactacin proveen al suelocon una estructura particular que es mantenida por el confinamiento ( i.e.sobrecarga, restriccin lateral), la succin (medida indirectamente a travs delcontenido de agua y del grado de saturacin), y por la trabazn ( i.e. ensamblajeentre partculas), ltima esta asociada directamente con la densidad del suelo. Enel ensayo de CBR el confinamiento, las condiciones de restriccin lateral, ascomo la velocidad y tipo de carga estn preestablecidas y permanecen constantesdurante la prueba. En consecuencia, la respuesta de resistencia de la estructura

CBRNohid

ratado,%

Densidadseca,

kN/m3

Contenido de agua, %

Golpes/capa

Golpes/capa

Golpes/capa

Golpes/capa

Lnea de saturacin

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conseguida viene dada por la succin y por la trabazn, que en forma prctica sonrespectivamente el contenido de agua y la densidad, por lo que el mapa deresistencias se convierte en una utilsima herramienta para explicar elcomportamiento no saturado. La succin para cada estado ( i.e. combinacin de

densidad y contenido de agua) de un suelo arcilloso compactado vara segn semuestra en la Figura 1.9. Esta grfica de contorno es una interpretacinestadstica de la superficie de respuesta de succin con base en la informacinpresentada por Marinho y Stuermer (2000), y Marinho (2002) para un sueloresidual de gneiss (F=55%, wL=48%, Fp=0.81). En la interpretacin se supuso que,en trminos prcticos, la succin es nula sobre la lnea de saturacin. Obsrveseen la grfica que, en este material, la succin crece mientras los estados se alejanen direccin perpendicular a la lnea de saturacin.

Figura 1.6. Superficie de respuesta para la arcilla de Vicksburg

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Figura 1.7. Mapa de resistencias para la arcilla de Vicksburg

(Snchez Leal, F.J., 2002b)

Figura 1.8. Regin de aceptacin para arena limosa de Bare-8, Anzotegui,Venezuela

Golpes/capa

Golpes/capaGolpes/capa

Golpes/capa

Densidadseca,

kN/m3


Lnea de saturacin

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Figura 1.9. Contorno para succin, en kPa (interpretado de la informacinsegn Marinho y Stuermer, 2000)

En general, la resistencia aumenta con la succin. No obstante, el potencial dedesarrollo de succin es diferente para cada tipo de suelo, de hecho ste varacon la superficie especfica de los finos. Por ejemplo, de datos interpretados de larama de secado varias curvas caractersticas presentadas en Escario et alli

(1989), se tiene que un contenido de agua de 7.5% representa una succinmtrica de 0.5 kPa, en una arena arcillosa, representa 6 kPa en una arcillaarenosa, y representa ms de 25 kPa en una arcilla franca. Esta evidencia pruebaque el potencial de desarrollo de succin crece con la superficie especfica de losfinos del suelo.

Debido a que el mapa de resistencias es el producto de un experimento diseado,se pueden visualizar sobre l las tendencias de crecimiento de la resistencia y lainfluencia de los cambios de la succin y de la trabazn. La Figura 1.10 presentael mapa para una arena limosa con grava de Palital, Anzotegui, Venezuela(G=14%, F=2.2%, wL=N.L., VB=1, Fp=0.02). Obsrvese que las lneas de contornoson casi paralelas entre s y con respecto al eje de las abscisas. La flecha indica

que la tendencia o trayectoria de crecimiento de la resistencia es directamenteproporcional al crecimiento de la densidad. Para este suelo en especial, elincremento de la densidad aumenta la resistencia, y los cambios de humedad ( i.e.succin) muy poco afectan su respuesta.


Pesounitarioseco,

kg/m3

Prctor modificada

Prctor estndar

Prctor No estndar

Lneas de contorno parasuccin, en kPa

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Figura 1.10. Mapa de resistencias para una arena limosa con grava de Palital,Venezuela

Figura 1.11. Mapa de resistencias para una arena limosa de Barem-3,

Venezuela

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En la Figura 1.11 se muestra el mapa de resistencias para una arena limosa(G=0.0%, F=18.9%, wL=N.L.;VB=1.6, Fp=0.23) de Barem-3, Anzotegui,Venezuela. Comparativamente con el material anterior, este suelo tiene una mayorcantidad de finos y una mayor superficie especfica, lo que se ve reflejado en su

mapa de resistencias con lneas inclinadas. Los cambios en el contenido de agua(i.e. succin) afectan considerablemente la resistencia. La resistencia, tal como semuestra en la composicin vectorial, es la resultante de la accin combinada de lasuccin y la trabazn.

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2. Campo de aplicaciones

A continuacin se presentan varias aplicaciones que el autor ha podido tener, ensu experiencia como consultor, en temas como la anticipacin de la resistencia apartir de la clasificacin del suelo, en la evaluacin de la relacin entre los ensayossobre especimenes sujetos a inmersin y ensayados en condicin tal como secompact, y en la evaluacin del efecto de la microestructura.

2.1 Anticipacin de resistencia

Combinando el valor nominal mximo de CBR para las regiones de aceptacin,alcanzables para una determinada energa de compactacin, con el factorcaracterstico, se pueden obtener curvas de anticipacin o prediccin de la

resistencia del suelo compactado, tal como se muestra en la Figura 2.1 parasuelos del Estado Falcn y de la Mesa de Guanipa, Venezuela, compactados conenerga de Proctor Modificado. La grfica permite tambin explicar la influencia delos dos factores que, segn el autor, ms influyen en el comportamiento del suelocompactado, a saber: la proporcin granulomtrica y la superficie especfica de losfinos. La grfica corrobora que el material de suelo ms competente para laestructura de pavimentos es una grava limpia ( i.e. CBR100%). A medida que seincrementa el valor de Fp, traducida como la ocurrencia individual o simultnea delos siguientes eventos: reduccin de la proporcin de grava, y aumento de laproporcin de finos, la competencia se va degradando hasta alcanzar el valor msbajo (CBR35%), para las regiones geolgicas consideradas, en Fp0.30. A partirde este punto, el aumento de Fp se produce por el incremento de la proporcin de

finos y tambin por el incremento de la superficie especfica de los mismos.Granulometra y superficie especfica se van combinando de una manera queresulta eficiente en trminos de estructura del suelo compactado, con lo que laresistencia comienza a incrementarse hasta alcanzar un mximo (CBR70%),para Fp0.75, aunque nunca tan alto como para el caso de gravas limpias. A partirde ese punto el incremento de la superficie especfica y de la proporcin de finosdesequilibra la combinacin entre los factores mencionados y las estructuras quese van consiguiendo son menos resistentes. De acuerdo al grfico se tiene que lacompactacin tiene poco efecto en aumentar la resistencia de suelos francamentearcillosos.

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Figura 2.1. Prediccin de la resistencia mxima para Proctor Modificado.Suelos del Estado Falcn y de la Mesa de Guanipa, Venezuela

2.2 Cuantificacin del efecto de la microestructura

La relacin entre las variantes 7.1 (resistencia de especmenes sujetos a

hidratacin) y 7.2 (resistencia de especimenes tal como fueron compactados) delensayo de CBR (ASTM 1883) permite evaluar el efecto de la microestructura delsuelo compactado. De hecho, no necesariamente un espcimen sujeto ainmersin presentar la misma resistencia en su estado final (i.e. combinacin dedensidad seca y humedad al final del periodo de hidratacin) que un hipotticoespcimen elaborado con esa misma combinacin de humedad y densidad,ensayado en condicin tal como se compact. En el siguiente ejemplo, publicadopor el autor (Snchez-Leal, 2000b), se ilustra la magnitud que puede tener esteefecto.

Durante la investigacin de una falla de pavimento de una plataforma terrestre deexplotacin petrolera en el proyecto venezolano Sincor Upstream se llev acabo elsiguiente experimento para evaluar la influencia del periodo de inmersin de losespecimenes de CBR (variante 7.1) en la resistencia. Se realizaron cuatro (4)ensayos de CBR en muestras representativas. El periodo de inmersin vari entre0 das (i.e. no inmersin) a 10 das. Las Tablas 2.1 y 2.2 muestran los datos decaracterizacin del material de suelo y los resultados de los ensayos de CBR,respectivamente. La fuente de hidratacin, y causante de la falla, fue el aguaproveniente de la recoleccin de aparatos de aire acondicionado de los trailers y

CBRmx

(%)paraPrctormodificada


Arenaslimosasy

ar

cillosascongrava

Are

naslimosasyarcillosas

Arcillas ligerasarenosas y

limosas

Arcillasfrancas

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Captulo 2 Campo de aplicaciones

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otras instalaciones mviles que se descarg directamente en la base durantetreinta das a travs de una improvisada alcantarilla. El material de suelo de labase fue diseado originalmente para tener un CBR=40% al 95% de la DMS delaboratorio, bajo una condicin de hidratacin de 4 das.

Tabla 2.1. Caracterizacin del material de suelo (Prstamo Axis 410, Mesade Guanipa)

Caractersticas del suelo Grava arcillosa con arenaColor Reddish brownLmite lquido 28%ndice de Plasticidad 10%Proporcin de grava 41.46%Proporcin de arena 30.38%Proporcin de finos 28.16%Fp=(1+LL)F/(1+G) 0.25Gravedad especfica 2.68DMS (P. Modificado) 21.37 kN/m3

CAO (P. Modificado) 6.5 %

Tabla 2.2. Resultados del ensayo de CBR

CondicinEnerga compactacin

(golpes)d

(kN/m3)*wo(%)

wf(%)

CBR(%)

56 21.25 7.0 7.2 128.025 20.97 7.0 7.0 88.3No inmersin10 19.92 7.0 7.2 54.256 21.27 7.1 7.7 62.025 20.96 7.1 9.0 18.02-das (A)10 19.94 7.1 9.5 15.056 21.14 7.1 6.2 128.225 20.53 7.1 9.3 25.72-das (B)10 19.23 7.0 11.1 15.456 21.22 7.1 8.7 54.825 20.94 7.1 8.3 49.84-das10 19.81 6.9 10.3 28.056 21.13 6.8 7.2 94.025 20.81 6.8 8.6 47.810-das

10 19.91 7.1 9.5 11.4* Los datos originales estaban en kg-f/m3

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Tabla 2.3. Valores de CBR para 95%DMS=20.27 kN/m3

CondicinCBR(%)

No inmersin 66.62-das (A) 15.92-das (B) 24.0

4-das 37.210-das 27.2

El valor de CBR para el periodo de 4 das verific prcticamente con el diseo. Aexcepcin de los resultados para 2 das, los valores de CBR observaron latendencia esperada para la resistencia de disminuir su valor con el crecimiento delperiodo de inmersin. Esta tendencia permite extrapolar que la resistencia para unperiodo de hidratacin de 30 das podra ser muy baja, lo cual explica la falla delpavimento.

Figura 2.2. Resultados del ensayo de CBR para el experimento con elmaterial del prstamo Axis 410

El experimento para dos das de inmersin se duplic para asegurar que el ensayoanterior (i.e. A) no fue por un error humano. El extrao comportamiento para losespecimenes de 2 das no puede ser explicado con las tcnicas tradicionales deanlisis. RAMCODES, sin embargo, lo puede explicar. La Figura 2.3 muestra elmapa de resistencias para el material del Axis 410.

ValordelCBR,

%

Densidad seca, kN/m3

95%D

MS=20.27kN/m2 das (A)

2 das (B)

4 das

10 das

No hidratado

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Tabla 2.4 Resultados de CBR para el material del Axis 410 ensayado encondicin tal como se compact.

Energa decompactacin

w

(%)d

(kN/m3)

CBR

(%)6.1 20.83 97.77.3 20.98 68.47.5 20.99 31.59.3 20.21 11.8

Modificado

9.7 20.31 15.06.0 18.81 47.77.0 19.36 40.7Estndar8.0 20.34 35.0

Los estados iniciales y finales para los ensayos de CBR bajo condicin deinmersin se representaron en la Figura 2.4. Al lado de los puntos representativosde los estados finales se coloc el valor de CBR entre parntesis. Obsrvese en lafigura que la cantidad de hidratacin en el suelo no puede ser controlada en elensayo de CBR, as que las conclusiones basadas en esta variante bien podranser incorrectas.

La Tabla 2.5 resume los valores de CBR para la condicin hidratada obtenidos dela Tabla 2.2, y los valores de CBR, para la condicin tal como fue compactado,ledos del mapa.

Figura 2.3. Mapa de resistencias para condicin tal como fu compactado.Material del prstamo Axis 410


Densidadseca,

kN/m3

Maremare P. Modificada

Maremare P. Estndar

Axis 410 No hidratado

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Figura 2.4. Resultados de CBR hidratado graficados en el mapa paracondicin tal como se compact

Tabla 2.5. Valores de CBR de la Figura 2.4

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Hidr 62 18 15 26 128 50 55 94 11 48No

Hidr70 35 10 21 105 40 45 90 10 35

Los valores de la Tabla 2.5 se contrastaron en la Figura 2.5 para evaluar el efectode la microestructura. El ajuste indica que los valores de CBR no hidratado son el88.5% de los valores de CBR s hidratado, para el mismo estado (i.e. combinacinde contenido de agua y densidad). El autor piensa que mientras aumenta el valorde Fp, mayor es la influencia de la microestructura del suelo compactado, de modoque se espera que para una arcilla la relacin entre CBR no hidratado y CBR

hidratado ser inferior a 88.5%, y para una arena limpia, por ejemplo, sersuperior, tal vez aproximadamente igual a la unidad; aunque esto deberacomprobarse con experimentacin.


2 das (A)2 das (B)4 das10 das

Densidadseca,

kN/m3

( ) valores CBR hidratadoLos smbolos vacos representanestados no hidratados

Funcin

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Figura 2.5. Efecto de la microestructura en la resistencia del suelo

compactado

2.3 Estudio de deformaciones permanentes

RAMCODES resulta de gran asistencia en la investigacin del comportamiento delsuelo, tal como se demuestra en la interpretacin de la informacin presentada enun estudio de la influencia de la plasticidad en las deformaciones permanentesproducidas en un suelo compactado, publicado por el Instituto Mexicano delTransporte (Garnica, P., y Prez, N., 2002). En el mencionado estudio serealizaron ensayos para la determinacin del mdulo de resiliencia en laboratoriosegn el Protocolo P46 de la AASHTO, utilizando una cmara triaxial para aplicarcarga en forma de onda semi-senoidal con una duracin de aplicacin de 0.1 s yun tiempo de retardo de 0.9 s. Se ensayaron un total de siete (7) suelos finos de laciudad de Quertaro, Mxico, mismos que se identifican en la Tabla 2.6.

Para cada suelo se elaboraron especmenes variando el contenido de agua, bajo

energa de compactacin de Prctor Estndar. Los ensayos triaxiales seejecutaron sobre los especmenes en la condicin tal como se compact. Alanalizar la variacin de la deformacin permanente en cada espcimen, luego dela aplicacin de las cargas, con respecto al grado de saturacin, se encontr quelos suelos R4 presentaron una mayor deformacin permanente que los suelos R5,para un mismo grado de saturacin (ver Figura 2.6), es decir, para estos suelos

CBR Hidratado, %

CBRNohidratado

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finos, mientras mayor es Fp, menor es la deformacin permanente que se espera.En la grfica de iso valores de deformacin permanente mostrada en la Figura 2.7se demuestra como en los suelos finos este parmetro est influenciadoprcticamente slo por el contenido de agua (i.e. succin), pues la densidad (i.e.

trabazn) tiene muy poca influencia. Mientras mayor es el Fp, mayor es lasuperficie especfica de los finos, y por tanto se espera que los niveles de succindesarrollados sean ms elevados, de all su menor deformabilidad. Obsrvese queesta interpretacin no se puede realizar tomando como base en la clasificacinSUCS.

Tabla 2.6. Propiedades de los suelos estudiados

Sitio wL F Gs SUCS Fp Tipo

Hacienda Valle Verde 44 95 2.54 CL 1.37 R5

Arboledas 74 95 2.53 CH 1.65 R5

Comercial Mexicana 33 57 2.57 CL 0.76 R4Central de Autobuses 44 82 2.62 ML 1.18 R4

Condumex 76 78 2.76 CH 1.37 R5

Los Olivos 63 95 2.67 MH 1.55 R5

Aeropuerto 54 93 2.60 MH 1.43 R5

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Figura 2.6. Evaluacin de la deformacin permanente en suelos finoscompactados (Garnica, P. y Prez, N., 2002)

Figura 2.7. Iso-valores de deformacin permanente, en %, para un suelofino compactado (de Garnica, P. y Prez, N., 2002)

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2.4 Patologa de estructuras de pavimento

RAMCODES es una poderosa herramienta en los estudios de patologa. Elsiguiente ejemplo est tomado de un proyecto petrolero en el oriente venezolanodonde se produjeron fallas (i.e. deformaciones excesivas) en la estructura depavimentos de una plataforma terrestre de explotacin durante las operaciones deprospeccin inicial. Las deformaciones se produjeron en el rea de operaciones(i.e. la ms cargada por vehculos), durante la temporada de lluvias, pese a que lainfraestructura estaba dotada de un eficiente sistema de drenajes, y el nivelfretico medido durante el periodo de lluvias tena una profundidad superior a los10 metros.

Debido a que se comprob que la estructura de pavimentos estabaadecuadamente diseada y construida, surgi la hiptesis del debilitamiento de losmateriales de base y subbase debido a la hidratacin. La Figura 2.8 muestra elmodelo de hidratacin ms aceptable para explicar el origen de las fallas. Los

cellars son unos cajones cbicos de concreto de 1.5 m de lado que tienen unaperforacin circular en el fondo a travs de la cual pasan las mechas y tuberas deexplotacin de yacimientos. Los cellars estn ubicados en el rea de operacionesdonde, por razones de estabilidad de los taladros (i.e. oil rigs), la pendiente de lasuperficie es nula. Durante las lluvias los cellars se convierten en considerablesreservorios de agua, desde donde esta se infiltra al suelo conformando temporalesniveles freticos colgantes (ver Figura 2.7). Los materiales de subbase y base dela estructura de pavimentos se hidratan por ascensin capilar desde el nivelfretico. Este hipottico modelo fue confirmado con una detallada prospeccingeotcnica.

El material de base es un R2 con Fp=0.25, y el de sub-base es un R3 con Fp=0.55;

en la prospeccin patolgica y en los registros de fabricacin de la plataforma, seidentific tambin un material R2 con Fp=0.38, en la estructura de pavimentos; suorigen probable es la mezclas de los materiales de base y subbase ocurridadurante el proceso constructivo. Las Figuras 2.9, 2.10 y 2.11 muestran los mapasde resistencia (i.e. CBR) para cada uno de estos materiales; en estos mapas serepresentaron los estados de fabricacin, y los estados correspondientes a lasprospecciones emprendidas por el fabricante, por el departamento de ingenieratanto con densmetros nucleares (i.e. DN) calibrados, como con cono y arena (i.e.CyA). Los estados de fabricacin demuestran que el CBR de fabricacin de labase estuvo en el rango de 80 a 100%, y el CBR de la sub-base entre 70 y 85%.Los estados medidos con las prospecciones patolgicas demuestran unadisminucin de la resistencia inicial hasta valores de CBR de 20 a 10% debida a la

hidratacin; en el material de base incluso se observ una disminucin de ladensidad seca, esto muy probablemente debido a la distorsin producida por lasfallas.

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Figura 2.9. Material de base (Fp=0.25)

Carpeta asfltica

Base y sub-base Base y sub-base Base y sub-baseCellarCellar

Perfil de infiltracin Nivel fretico colgante

Figura 2.8. Modelo de hidratacin de los materiales en el rea deoperaciones

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Figura 2.10 Mapa subbase (Fp=0.55)

Figura 2.11. Mapa para Fp=0.38

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2.5 RAMCODES en mezclas asflticas

Ciertamente, en la evolucin reciente de las mezclas asflticas (i.e. SHRP, yconsecuentemente Superpave), los tpicos de diseo relacionados con elligante, los agregados, y las propiedades de la mezcla han recibido la mximaatencin. Sin embargo, el control de la compactacin en campo ha permanecidoigual, sin cambios; el criterio de control es garantizar un mnimo nivel de densidadcomparada con una referencia de laboratorio.

En primer lugar, en el diseo de la mezcla asfltica, el anlisis de vacos, esto es,vacos de aire (Vv), vacos en el agregado mineral (VMA), y los vacos llenadoscon asfalto (VFA), ha sido relacionado con el comportamiento de la mezclacompactada. Por ejemplo, una mezcla compactada con alto Vv podra acelerar laoxidacin y el envejecimiento del ligante; una mezcla compactada con VMA porabajo o por encima de los lmites de especificacin hace al material ms propensoa las deformaciones por ahuellamientos o roderas; una mezcla compactada con

alto VFA podra producir exudacin del ligante, y si quedara con bajo VFA no segarantizara un adecuado recubrimiento de los agregados.

A parte de los requisitos de vacos, la mezcla asfltica es tambin exigida acumplir requisiciones de propiedades mecnicas tales como la estabilidad y el flujo(i.e. diseo Marshall) en especimenes elaborados con mtodos de compactacindinmica, o tales como estabilidad retenida (i.e. SHRP, Superpave) enespecimenes preparados bajo energa de compactacin por amasado giratorio, lacual se ha referido como la ms representativa de las condiciones reales decolocacin de campo. El procedimiento de diseo de mezclas resulta en elestablecimiento de un contenido de asfalto ptimo (CAop), tambin llamadofrmula de trabajo, con la que se proporciona en planta, y sirve como parmetro

de referencia de control. Los rangos tpicos de variacin aceptables para CAop hansido establecidos en 0.30% y 0.45%.

Los siguientes son los dos criterios ms comunes para el control de calidad decompactacin. Criterio A: el nivel de densidad mnimo permitido es 97% de ladensidad de laboratorio. Criterio B: el nivel mnimo de densidad permitido es del92% de la densidad mxima terica (i.e. RICE). Se ha establecido que estos doscriterios son equivalentes en garantizar un contenido mximo de vacos de aire de8% en la mezcla compactada.

Snchez-Leal, F.J. (2002c), sin embargo, ha afirmado que los criterios de diseo y

de control de campo explicados arriba estn divorciados entre s, y que estaincoherencia podra conducir a aceptar estados en la mezcla compactada encampo que no cumplen con el diseo de mezclas, lo cual podra disminuir la vidatil de la mezcla compactada, o lo que es ms, podra provocar su falla.

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RAMCODES no slo demuestra esta incoherencia y permite cuantificar elsignificado de la misma en trminos de anlisis de vacos y propiedadesmecnicas, sino que tambin previene contra esta situacin y sus consecuencias.En la experiencia prctica, RAMCODES ha demostrado ser una poderosa

herramienta para el diseo, control y anlisis de mezclas asflticas compactadasdado que permite entrelazar la teora y la prctica de una manera sencilla yeficiente.

Un experimento factorial

Un experimento factorial es una tcnica estadstica de anlisis que permiteestudiar la influencia de varios factores o variables en la respuesta medida en unexperimento. Los experimentos factoriales se usan con gran efectividad en laoptimizacin del diseo de producciones industriales combinando mtodosgrficos con el estudio de superficies de respuesta en la interpretacin de

resultados.

RAMCODES est basado en un experimento factorial de dos niveles o factores, asaber: el contenido de asfalto (CA) y el peso especfico bulk (Gmb). Comogeomaterial, el comportamiento de resistencia y deformabilidad de una mezclaasfltica puede ser estudiado bajo la concepcin de Coulomb de cohesin yfriccin. Gmb es una medida directa de la friccin o trabazn entre partculas; y CAes una medida de la cohesin. Esta concepcin permite una ventaja prctica dadoque CA y Gmb son variables comnmente utilizadas en el control de compactacinde campo.

El diseo de mezclas asflticas requiere experimentacin. Las metodologas de

Marshall, Hveem, o ms recientemente Superpave, contemplan experimentosbasados en una concepcin fsica del comportamiento de la mezcla compactada.Desafortunadamente, ninguna de estas metodologas contempla un experimentofactorial para el diseo de experimentos y el anlisis de resultados. RAMCODESpresenta un experimento factorial para la metodologa Marshall, que podra serextendido a otras metodologas como Superpave. Las respuestas medidas deestabilidad y flujo, son definidas respectivamente como la mxima resistencia deun espcimen bajo carga monotnica, y su deformacin vertical asociada. Paracubrir en rango de trabajo de la mezcla en campo, en el RAMCODES, los ensayosMarshall se realizan en especimenes elaborados con varias energas decompactacin que van de 35, 50, 75 y 100 golpes/cara, en un amplio rango de CA.

La representacin grfica de los valores de respuesta en el marco CA-Gmb generauna grfica de contorno que viene a ser una imagen de la superficie de respuestapara el parmetro mecnico seleccionado (v.g. estabilidad, flujo). Los vacos sonuna funcin del CA y del Gmb, y las especificaciones de vacos se representan enlos mapas como iso-lneas. La interseccin de estas lneas produce unaconstruccin grfica llamada polgono de vacos definida como la mxima regin

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en el espacio CA-Gmb donde se cumplen todas las especificaciones de vacos. Talcomo se explicar ms adelante, el polgono de vacos resulta una herramientamuy til, no slo en el diseo, sino tambin en el control de compactacin, y en larehabilitacin. En los siguientes incisos se elaborarn mapas para propiedades

mecnicas y se construir el polgono de vacos para una mezcla asfltica real.

Construccin de los mapas

Los siguientes mapas y el polgono de vacos sern elaborados con informacinde una mezcla asfltica cuya granulometra verifica la Superpave 19.00-mm,producida en la planta Yamaro, localizada en San Jos de Quibor, Estado Lara,Venezuela, durante la construccin de la va El Rosario-El Parchal. La Tabla 2.7resume los datos para CA, Gmb, estabilidad, y flujo, obtenidos en especimenescompactados bajo energas de 35, 50, 75 y 100 golpes/cara. Se incluyen tambinlos datos correspondientes a la densidad mxima terica del ensayo RICE (i.e.

Gmm). La representacin grfica de las parejas (CA, Gmm) se ajusta a un lnea rectacuyos parmetros resultaron con intercepto a=2.594, y pendiente b=-0.0342. LaFigura 2.12 presenta las curvas de compactacin para todas las energas decompactacin, y la funcin RICE, es decir, el ajuste lineal para los datos del RICE.Obsrvese en la figura que la informacin obtenida representa un rango de trabajode 2.230 a 2.350, para Gmb, y de 4.0-6.0%, para CA. Bajo las limitaciones de laconcepcin Marshall, estos rangos pueden representar el comportamiento decampo.

Figura 2.12. Curvas de compactacin para elaboracin de los mapas deresistencia

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Las Figuras 2.13 y 2.14 muestran las grficas de contorno o mapas paraestabilidad y flujo, respectivamente, realizados a partir de la informacin en laTabla 2.7. Los mapas permiten analizar la variacin de las propiedades mecnicasen el rango de estudio. Por ejemplo, para la mezcla estudiada, la estabilidad se

incrementa prcticamente slo con el incremento de Gmb. Por el otro lado, el flujoparece incrementarse con el CA, sin afectarse por algn cambio de Gmb.

Figura 2.13. Grfica de contorno o mapa para estabilidad Marshall, en lb

Tabla 2.7 Resumen de datos para CA, Gmb, estabilidad y flujo, paraespecimenes con diferentes energas

Gmb Gmm Estabilidad (lb) Flujo (0.01)CA

100 75 50 35 - 100 75 50 35 100 75 50 35

4.0 2.325 2.263 2.239 2.234 2.458 4,420 3,753 3,492 2,970 14 8.3 11 11

4.5 2.329 2.281 2.241 2.258 2.458 4,284 3,784 3,740 3,199 10 9.7 12 11

5.0 2.340 2.316 2.283 2.257 2.423 5,168 4,151 3,876 3,264 10 11.7 12 12

5.5 2.350 2.325 2.301 2.259 2.406 4,066 3,870 3,774 2,807 16 13 13 13

6.0 2.317 2.315 2.307 2.299 2.389 4,385 3,562 2,298 3,162 16.5 15.7 - -

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sb

mb

mb

G

GCA

CAba

GVFA

100100

1001

1100

(2.3)

La Figura 2.15 muestra las lneas para vacos de aire de 3 y 5%, obtenidas segnla expresin (2.1), y la funcin RICE, o lnea para vacos de aire 0%. La Figura2.16 muestra las lneas de VMA para 13 y 15%, obtenidas segn la expresin(2.2), y tambin las lneas de iso valores de VFA para 65 y 75%, segn laexpresin (2.3). Asimismo, se muestran los vrtices de interseccin queconstruyen el rea mxima donde se cumplen todas las especificaciones devacos, esto es, el polgono de vacos, definido segn la regin asurada de laFigura 2.17.

Figura 2.15. Iso-lneas de Vv

La superposicin de los mapas de respuesta devuelve una visin de la variacinde las propiedades mecnicas dentro del rea donde se cumplen las

especificaciones de vacos. Las Figuras 2.18 y 2.19 presentan esta superposicinpara el caso de la mezcla estudiada. Obsrvese que dentro del polgono devacos, la estabilidad vara entre 3900 y 4800 lb, y el flujo vara entre 10.5 y 13.0centsimos de pulgada. Estos valores cumplen con las especificaciones tpicaspara estas propiedades mecnicas. De esta manera, el polgono de vacos seconvierte en una regin de control de calidad para la aceptacin de lotes demezcla compactada.

Funcin RICE (Vv=0%)

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Figura 2.16. Iso-lneas de Vv, VMA, y VFA

Figura 2.17 Definicin del polgono de vacos

Funcin RICE (Vv=0%)

Polgonos de vaco

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Figura 2.18 Superposicin del polgono de vacos en el mapa de estabilidad

Figura 2.19 Superposicin del polgono de vacos en el mapa de flujo

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Variacin de la produccin

En el estudio de la variacin de la produccin de una mezcla asfltica, emergenlas siguientes interrogantes a los diseadores, inspectores y constructores.Cmo afecta al comportamiento de la mezcla compactada la variacin de lagradacin? Es la curva de compactacin de diseo un absoluto, o esta podratener una cierta variacin? Podra variar el RICE con respecto a los valores dediseo, durante la produccin? Hasta cuanto podra ser aceptable la variacin delCA con respecto al valor ptimo obtenido en el diseo? En los siguientes prrafos,RAMCODES presentar una concepcin para responder estas interrogantes. Todala informacin que se analizar proviene de los controles diarios de produccin dela mezcla Yamaro, y de los controles diarios de una mezcla asfltica en caliente de19.0-mm, elaborada por la planta EICA, para la carpeta de la autopista venezolanaJos Antonio Pez (Snchez-Leal, F.J., 2002c).

La graduacin es uno de los factores que ms afecta el producto industrial llamado

mezcla asfltica, esta es la razn por la que el control de su variacin es unaspecto de significativa importancia en el aseguramiento de la calidad de esteproducto. RAMCODES ofrece un recurso para evitar las engorrosas prcticas decontrol basadas en curvas granulomtricas. El factor caracterstico, Fp, describecuantitativamente un geomaterial basado en su proporcin granulomtrica y en lasuperficie especfica de sus finos. Dado que las mezclas asflticas en generaltienen un contenido de finos muy bajo (i.e. menos de 8% en peso), tal como elcaso de las mezclas analizadas, se us el siguiente factor caractersticomodificado para evaluar la variacin de la gradacin de la produccin diaria.

G

F.Fp

1

11 (2.4)

F es la proporcin de finos (i.e. pasa #200), G es la proporcin de grava (i.e.retenido en #4). En general, mientras mayor es el Fp, ms fino es el material.

Con esta expresin se calcul el valor de Fp para un conjunto de lotes demuestreo diario entre los meses de Mayo y Junio de 2002 (lotes 30 a 55), de lamezcla Yamaro. La Figura 2.20 muestra la variacin de Fp para cada lote. Entrelos lotes 30 a 40 se obtuvo un Fp promedio de 0.04, y en los lotes posteriores (41 a55) se obtuvo un promedio de 0.06. La granulometra de diseo tuvo un Fp=0.067.Las grficas que se muestran a continuacin (Figuras 2.21 y 2.22) se obtuvieronrepresentando los pares de Gmb y Gmm obtenidos en laboratorio sobre mezcla

fresca compactando briquetas a 75 golpes/cara y realizando el ensayo RICE,respectivamente. Estas grficas pretenden evaluar si esta variacin essignificativa.

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Figura 2.20 Evaluacin de la variacin de la produccin por medio del Fp

Figura 2.21 Evaluacin de la variacin de la produccin, lotes 30 a 40

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Figura 2.22 Evaluacin de la variacin de la produccin, lotes 41 a 55

Tras la observacin de las grficas se demuestra que la variacin de lagranulometra no es significativa pues los estados (i.e. combinacin CA, Gmb) deambos grupos de lotes se ajustaron tanto a la funcin RICE, como a la curva decompactacin para 75 golpes/cara. La funcin RICE y la curva de compactacinvienen a ser una funcin de probabilidad para estados obtenidos en los controles

diarios, de esta manera, ni la curva de compactacin, ni la funcin RICE sonabsolutos. Para ilustrar an ms esta aseveracin, en la Figura 2.23 se muestrauna grfica de variacin de estados de controles diarios para un universo de 209muestras de la mezcla EICA.

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Figura 2.23 Evaluacin de la variacin de la produccin. Mezcla EICA

Divorcio entre criterios de diseo y control

La Figura 2.24 contrasta los criterios de diseo y control explicados conanterioridad para el caso de la mezcla Yamaro. Se identifica en primer plano el

polgono de vacos. El rombo grande lo definen por la vertical los criterios dedensidad mnima (i.e. 97% de la densidad de laboratorio, o el 92% del RICE), y lafuncin RICE, y por la horizontal, el rango tolerable para CA, en este caso 0.45%de CAop=5.00%. Y luego, se identifica el polgono de vacos, definiendo la reginmxima donde se cumplen todas las especificaciones de diseo para la mezcla.Lo primero que resalta de este contraste es que la regin de control de campopermite, con amplio margen, estados que violan las especificaciones de diseo.Se evidencia el divorcio completo de los criterios tradicionales de diseo y controlde campo. En la misma figura se muestra una iso-lnea para VFA=55% que pasapor la regin de control tradicional; una mezcla as compactada, aunque cumplalos requisitos de control de compactacin tradicionales, estara expuesta a unarpida falla por denudacin (i.e. raveling).

Polgono de vacos

Funcin RICE

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Figura 2.24 Contraste entre el polgono de vacos y los criterios

tradicionales de control

Figura 2.25. Representacin de estados en un lote controlado

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En un tramo de la carretera El Rosario-El Parchal se extrajeron un total de 16ncleos (i.e. core-drills) de la carpeta compactada, a los que se les determin elGmb, y el CA. Estas parejas de datos, o estados, se representaron en la Figura2.25 junto con los criterios tradicionales de control de campo y el polgono de

vacos. El total de los estados (i.e. 16/16) quedaron dentro del rombo de criteriostradicionales de control, por lo que de seguro el lote inspeccionado fue aceptado.No obstante, slo un 25% (i.e. 4/16) de estos estados quedaron dentro delpolgono de vacos, por lo que, de ser correctas las especificaciones de diseo, seespera que la mezcla, en el lote inspeccionado, no tenga un comportamientosatisfactorio. Se observa tambin, en la grfica, que es posible, bajo la energa decompactacin de campo, conseguir que los estados entren en el polgono devacos.

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3. Conclusiones

Los criterios tradicionales para el establecimiento de las especificaciones deconstruccin de rellenos estn fundamentadas en la premisa: a mayor densidad,mayor resistencia. Esta premisa se muestra claramente en la interpretacinclsica del ensayo de CBR, el ms frecuentemente recurrido ensayo en las obrasde vialidad, con probetas sometidas a un periodo de inmersin. No obstante, se hademostrado tanto en el pasado como en trabajos recientes, que la relacin entre laresistencia, la densidad y la humedad es compleja y requiere un estudio msdetallado. La ausencia de este estudio bien podra ocasionar fallas en los rellenosafectando estructuras civiles tales como carreteras, plataformas de tierra, etc. Lametodologa RAMCODES, presentada aqu como un nuevo enfoque para eldiseo y control de compactacin, permite realizar de una manera prctica y a lavez consistente un estudio detallado de la mencionada relacin. La metodologa

permite incorporar criterios de la Mecnica de Suelos No Saturados que explicanel comportamiento del suelo compactado, con base en parmetros tradicionalesque pueden ser medidos sin dificultad tanto en el laboratorio como en el campo,como lo son la densidad seca y el contenido de agua del suelo. RAMCODES, ensus fases de aplicacin a suelos compactados, est dividido en tres partes, asaber: la clasificacin cuantitativa, el potencial de densificacin y los mapas deresistencia que explican la relacin contenido de agua-densidad-resistencia. Laclasificacin cuantitativa permite resumir en un solo valor los parmetros que,segn el autor, ms influencian el comportamiento del suelo, como lo son laproporcin granulomtrica y la superficie especfica de los finos. El potencial dedensificacin es definido aqu por los tradicionales parmetros de mximadensificacin, DMS, y su humedad asociada, CAO. Con el auxilio del factor

caracterstico, Fp, se pudo encontrar una relacin estrecha entre estos parmetrosy la clasificacin del material, as como la demostracin de que el potencial dedensificacin, as como sus niveles de variabilidad, son iguales tanto en campocomo en laboratorio. Los mapas de resistencia son el producto de un experimentodiseado con un fundamento estadstico (i.e. experimento factorial) para evaluar larespuesta, en este caso de resistencia, del suelo ante la variacin de la humedady la densidad. El resultado de un experimento as diseado es una superficie derespuesta cuya representacin en el plano es un grfico de contorno que permiterepresentar cualquier estado fsicamente posible del suelo. La afirmacin de quepara una misma regin geolgica suelos con el mismo valor de Fp tendrn elmismo mapa de resistencias, es soportada por experiencias como la presentadaen la Figura 12, y esto es de gran asistencia en la seleccin de prstamos. Los

mapas de resistencia derivan en regiones de aceptacin para asegurar que encampo el material tenga la resistencia de diseo. Se llaman mapas porque guanal diseador para relacionar eficientemente los parmetros que mide en el campocon las expectativas contempladas en el diseo. Estos mapas tambin asisten alingeniero que realiza la patologa de una falla para evaluar la resistencia de campoa partir de los valores densidad y humedad que se tomen durante la prospeccin.En la investigacin, los mapas pueden explicar y cuantificar el efecto de la

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microestructura el suelo compactado. Las diferencias entre la resistencia deespecimenes hidratados y no hidratados con el mismo estado final estriban en queambos pertenecen a superficies de respuesta distinta. Se demostr que los mapasde resistencia trazados con especimenes en condicin tal como se compact

permiten evaluar de manera conservadora la resistencia del suelo a travs de sustrayectorias de hidratacin. Entre las aplicaciones, RAMCODES demostr tambinser una herramienta para la interpretacin de la respuesta del suelo compactadoante cargas cclicas, discriminando entre tipos de material con el auxilio de laclasificacin cuantitativa.

A pesar de que las especificaciones para vacos (i.e. totales, llenados con asfalto,de agregado mineral) y para parmetros mecnicos estn fundamentadas enexhaustivas investigaciones sobre el comportamiento de las mezclas asflticascompactadas, la metodologa tradicional de control de compactacin de mezclasasflticas, basada en la obtencin de un determinado nivel de densificacin y deverificar que la mezcla tenga un contenido ptimo de asfalto, no permite controlar

todos los parmetros de especificacin, con lo que se pueden cometer errores deaceptacin de lotes defectuosos, o el rechazo de lotes buenos. La contravencinde las especificaciones de vacos puede acarrear problemas a la mezcla deahuellamientos, envejecimiento prematuro, fragilidad, exudacin. La trasgresin delas especificaciones de parmetros mecnicos puede conseguir deformacionesexcesivas en el pavimento y falta de resistencia.

El enfoque propuesto en este trabajo promueve la incorporacin de todas lasespecificaciones en los criterios de control de campo, mediante la representacinde los estados en el espacio CA-Gmb. En primer lugar se incorporan lasespecificaciones de vacos por medio de una construccin grfica denominadapolgono de vacos que se elabora intersectando las lneas de iso-valores de

vacos que son trazadas segn las ecuaciones de sus definiciones fsicas. Luegose incorporan los contornos para estabilidad y flujo, para los valores deespecificacin, trazados a partir del mapeo de resultados de ensayos acompresin realizados en familias de especimenes elaborados con energa decompactacin variable, en un amplio rango de contenidos de asfalto. Lacombinacin de todos estos trazos genera un rea de aceptacin definida como laregin ms grande de posibles combinaciones de CA y Gmb donde se cumplentodas las especificaciones.

El nuevo enfoque tiene aplicaciones en el diseo pues representando la(s)curva(s) de compactacin de laboratorio se verifica la factibilidad de alcanzarestados dentro de la regin de aceptacin definida para la muestra. As mismo se

pueden definir rangos de variacin para el contenido de asfalto a agregar a lamezcla. En el control de compactacin, por una parte, los lotes se aceptan slo silas mediciones de Gmb y CA de campo estn dentro de la regin de aceptacin. Ypor otra, el marco propuesto, en combinacin con el factor caracterstico, permitencuantificar la variabilidad de la produccin y evaluar sus implicaciones en laspropiedades de la mezcla. En la revisin de carpetas existentes, la informacintpica de los ncleos extrados, tal como Gmb, CA, gradacin, permite conocer el

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Captulo 3 Conclusiones

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valor de los parmetros mecnicos en sitio, cuando se cuenta con los contornospara dicho parmetro.

Las mezclas asflticas pueden considerarse como suelos, pero con un

cementante muy particular que es el ligante asfltico. A temperatura constante, lasfuerzas superficiales producidas por el ligante sobre y entre las partculas en elarreglo volumtrico de la mezcla, en conjuncin con la accin de la compactacin,gobiernan la densificacin. Tambin, la resistencia y las propiedades mecnicasrelacionadas son controladas por la trabazn y las fuerzas producidas por elligante. El enfoque propuesto, basado en el espacio CA-Gmb, constituye uneficiente marco referencial para estudiar la influencia de estas variablescontroladoras del comportamiento de la mezcla, constituyendo un puente entre lateora y la prctica.

Las especificaciones tradicionales de diseo y control de compactacin estnfundamentadas en la premisa: a mayor densidad, mayor resistencia. Esta

afirmacin puede conllevar a errores de interpretacin que derivan en fallas en lasestructuras de tierra. La metodologa RAMCODES, presentada en este trabajocomo un nuevo enfoque para el diseo y control de compactacin, permiteestudiar la respuesta de resistencia de un suelo compactado de una maneradetallada, incorporando de manera formal los parmetros y criterios de laMecnica de Suelos No Saturados, a travs de los tradicionales parmetros dedensidad y humedad que pueden ser medidos sin dificultad tanto en campo comoen laboratorio. Este nuevo enfoque tiene mltiples aplicaciones no slo para eldiseo y control de compactacin de los rellenos, sino tambin para el estudioseleccin y explotacin de prstamos, as como servir de marco de referencia parael estudio formal de la respuesta de resistencia de un suelo compactado.

La prctica tradicional de control de compactacin de campo, basada en laconsecucin de un nivel especfico de densificacin, est divorciada de loscriterios que fundamentan y constituyen el diseo. En consecuencia, no se tienecontrol sobre la aceptacin de un lote defectuoso o el rechazo de un lote bueno, nise tiene sensibilidad sobre la magnitud de la discordancia entre las propiedadesde la mezcla en sitio con respecto a las previstas en el diseo.

El enfoque presentado, basado en un marco referencial que incorpora en un sologrfico las especificaciones para vacos y para los parmetros mecnicos, derivaen la generacin de una regin de aceptacin que asegura el enlace del control decampo con los criterios del diseo. Sin menoscabar en la teora, el enfoque le daal ingeniero de campo, al diseador, al inspector, una herramienta valiosa y

prctica no slo para el diseo, sino tambin para el control y para la revisin deuna mezcla asfltica. Adicionalmente el enfoque representa un marco dereferencia eficiente para la interpretacin de resultados de investigacionescientficas concernientes al comportamiento de una mezcla asfltica.

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