capitulo 3: material de préstamo

CAPITULO 3:
MATERIAL DE PRÉSTAMO
3.1 Introducción
Los agregados empleados en la construcción de carreteras, deben cumplir con requisitos de
granulometría y especificaciones técnicas, que garanticen un buen comportamiento durante su
periodo de vida.
En este capítulo se cubrirá el tema de la granulometría y calidad de agregados que
conformarán las capas de afirmado, sub base y base.
Durante los últimos 10 años se han desarrollado nuevas tecnologías y criterios para el diseño
de mezclas asfálticas, variando los criterios del diseño de mezclas, pero los métodos de
evaluación de calidad de los agregados no se ha modificado.
Las especificaciones granulométricas de las carpetas asfálticas, se verán con detalle en el
capítulo correspondiente, donde se tratará de los tipos de mezclas asfálticas. Sin embargo, en
este capítulo se consideran los ensayos de calidad de agregados para carpetas asfálticas.
3.2 Especificaciones Técnicas de Material de Préstamo: Afirmado,
Sub Bases y Bases Granulares. Mezclas de Suelos y Agregados
3.2.1 Especificaciones Granulométricas
Los materiales granulares que conformaran las capas de afirmado, sub base y base,
deben cumplir con rangos granulométricos especificados por el MTC.
La gradación es una de las más importantes propiedades de los agregados. Este afecta
casi todas las propiedades importantes de una mezcla asfáltica en caliente, incluyendo
dureza, estabilidad, durabilidad, permeabilidad, trabajabilidad, resistencia a la fatiga,
resistencia al rozamiento, y resistencia a la humedad. De esta manera, la gradación es la
primera consideración en un diseño de mezclas asfálticas.
Teóricamente, es razonable pensar que la mejor gradación sea la densa o bien gradada;
sin embargo, recientes investigaciones han demostrado que las mezclas del tipo Stone
Mastic Asphalt, SMA, tienen un mejor comportamiento cuando están sometidas a la acción
de tráfico pesado, en zonas de altura.
Las especificaciones granulométricas vigentes en el Perú son las Especificaciones
Técnicas Generales para Construcción de Carreteras EG-2000, del Ministerio de
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Material de Préstamo
Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construcción, Oficina de Control de Calidad. En
la tabla 3.1 se listan los rangos máximos y mínimos para materiales de afirmado. En la
figura 3.1 se grafican los rangos especificados.
Tabla 3.1: Huso Granulométrico para Afirmado
Muestra
Abertura
Tamiz
(mm)
2"
50,000
1 ½”
37.500
1"
25,000
¾”
19.000
3/8"
9,500
Nº4
4,750
Nº10
2,000
Nº40
0,425
Nº200
0,075
Afirmado (% que pasa)
A-1
A-2
100
100
90-100
65-100
45-80
30-65
22-52
15-35
5-20
-.-.100,0
80-100
65-100
50-85
33-67
20-45
5-20
Nº4
3/4"
2"
3"
Huso Granulométrico para Afirmados
Nº200
Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras EG2000, Ministerio de Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construcción,
Oficina de Control de Calidad
A-2
A-1
80
60
40
20
100
10
1
0.1
% acumulado que pasa
100
0
0.01
Abertura (mm)
Figura 3.1: Rangos Granulométricos para Materiales de Afirmado,
Sub-base y Base Granulares (MTC)
Las especificaciones técnicas para rangos granulométricos de materiales de sub base y
base, son los mismos. Las normas ASTM D 1241 las especifican bajo el título Standard
Specification for Materials for Soil-Aggregate Subbase, Base and Surface Courses, ésta
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31
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norma fue revisada por última vez en 1994. El Ministerio de Transportes y Comunicaciones
la hizo suya y las consideró dentro de las especificaciones emitidas en el año 2000. La
tabla 3.2 muestra las especificaciones granulométricas para materiales de sub base y base
granular. En la figura 3.2 se muestran las especificaciones gráficamente.
Tabla 3.2: Huso para Sub-Base y Base Granular
Porcentaje que pasa en peso
Tamiz
2"
1"
3/8"
Nº4
Nº10
Nº40
Nº200
Abertura
Gradación A(1) Gradación B Gradación C Gradación D
(mm)
50,000
100
100
-.-.25,000
-.75-95
100
100
9,500
30-65
40-75
50-85
60-100
4,750
25-55
30-60
35-65
50-85
2,000
15-40
20-45
25-50
40-70
0,425
8-20
15-30
15-30
25-45
0,075
2-8
5-15
5-15
8-15
Standard Specification for Materials for Soil-Aggregate Subbase, Base and Surface Courses.
ASTM D-1241-68 (Reapproved 1994); y
Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras EG-2000, Ministerio de
Transportes, Comunicaciones, Vivienda y Construcción, Oficina de Control de Calidad: (1) la
curva “gradación A” deberá emplearse en zonas con altitud mayor o igual a 3000 m.s.n.m.
3.2.2 Calidad de Agregados
Para verificar la calidad de un determinado banco de materiales, estos deben ser
sometidos a ensayos de suelos, debiendo cumplir con las especificaciones técnicas
emitidas por el Ministerio de Transportes y Comunicaciones EG-2000.
Los materiales que serán empleados como material de afirmado o sub base podrá ser
agregado natural, triturado o una combinación de ambos. Los agregados para bases
deberán ser chancados.
Todos los agregados utilizados como afirmados, sub base y base serán resistentes, sin
exceso de partículas chatas o alargadas, no podrán presentar terrones de arcilla ni materia
orgánica.
Los ensayos a los que están sometidos los suelos son: Abrasión “Los Angeles”,
Equivalente de Arena, ensayo de proctor modificado, CBR asociados a la máxima
densidad seca y al óptimo contenido de humedad del proctor, partículas chatas y
alargadas, caras de fractura, sales solubles y contenido de impurezas orgánicas.
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Nº200
Nº4
3/4"
2"
3"
Huso Granulométrico para Sub Bases y Bases Granulares
100
B
A
% acumulado que pasa
80
60
40
20
0
100
10
1
0.1
0.01
Abertura (mm)
Nº200
Nº4
3/4"
2"
3"
Rango Granulométrico para Sub Bases y Bases Granulares
80
60
40
20
% acumulado que pasa
100
D
C
0
100
10
1
Abertura (mm)
0.1
0.01
Figura 3.2: Rangos granulométricos para materiales de
sub base y base granulares (MTC)
Las muestras al llegar al laboratorio se separan, porque serán ensayadas para que
verifique diferentes requisitos de calidad. En la tabla 3.3 se muestra en resumen, los
ensayos a los que están sometidas las muestras que conformarán las capas de afirmado,
sub base, base o carpeta de rodadura.
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33
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Tabla 3.3: Ensayos de Calidad de Agregados
Sub base
ENSAYOS
Análisis Granulométrico por Tamizado
Límites de Consistencia
Equivalente de Arena
Peso específico y Absorción
Peso unitario suelto
Peso unitario varillado
Abrasión
Proctor Modificado
CBR
Porcentaje de caras fracturadas
% de partículas chatas y alargadas
Contenido de impurezas orgánicas
Contenido de sales solubles totales
Adherencia (entre mallas Nº3/8" y ¼")
Riedel Weber (según norma a emplear)
Durabilidad
Base Afirmado
Asfalto
Granular
Piedra Arena
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
En la tabla 3.4 se listan las especificaciones técnicas que deben cumplir los materiales que
serán usados como afirmado, sub base y base.
3.2.3 Suelos Estabilizados
Las normas del Ministerio de Transportes y Comunicaciones considera dentro de sus
especificaciones a los suelos estabilizados con cemento y cal, se harán un breve resumen
de ambas combinaciones.
a) Estabilizados con Cemento
El material a estabilizar con cemento podrá ser A-1, A-2, A-3, A-4, A-5, A-6 y A-7, con
tamaño máximo de 2” y no mayor de 1/3 del espesor de la capa compactada.
En la tabla 3.5 se muestran las especificaciones del agregado que será estabilizado con
cemento.
El cemento con que será estabilizado el suelo será portland, el cual deberá cumplir con la
Norma Técnica Peruana NTP 334.009, Norma AASHTO M85 ó ASTM C 150. El cemento
que podrá ser empleado es el denominado Tipo I o cemento portland normal.
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34
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Tabla 3.4: Especificaciones Técnicas para Materiales empleados en
Construcción de Carreteras
Sub base granular
Ensayo
Norma
Afirmado
<3000
msnm
Base granular
<3000 msnm
≥3000 msnm
≥3000 msnm Agregado Agregado Agregado Agregado
grueso
fino
grueso
fino
Límite Líquido, %
ASTM D 4318
35% máx
MTC E 110
25% máx
25% máx
Indice Plástico, %
ASTM D 4318
MTC E 111
6% máx
4% máx
Abrasión Los
Angeles, %
ASTM C 131
50% máx
MTC E 207
50% máx
50% máx
4a9
4% máx
40% máx
2% máx
40% máx
Equivalente de
ASTM D 2419
20% mIn 25% mIn
35% mIn
35% mIn
45% mIn
arena, %
MTC E 114
CBR al 100% de
ASTM D 1883
Tráfico ligero a medio: 80% mín
40% mín 40% mín
40% mín
la M.D.S. y 0.1”
MTC E 132
Tráfico pesado: 100% mín
de penetración
Pérdida con
-.ASTM C 88
12% máx
Sulfato de Sodio,
MTC E 209
%
Pérdida con
-.ASTM C 88
Sulfato de
18% máx
MTC E 209
Magnesio, %
Indice de
MTC E 214
35% mIn
35% mIn
Durabilidad
Caras de fractura,
80% mín
%
ASTM D 5821
40% mín
80% mín
1 cara fracturada
MTC E 210
50% mín
2 caras
fracturadas
Partículas chatas
ASTM D 4791
y alargadas, %
20% máx 20% máx 15% máx
15% máx
Relación 1/3
MTC E 211
(espesor/longitud)
Sales Solubles
ASTM D 1888
1% máx
1% máx
0.5% máx 0.5% máx 0.5% máx 0.5% máx
Totales, %
MTC E 219
Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras EG-2000, MTC, OCC
Tabla 3.5: Especificaciones de Agregado que será Estabilizado con Cemento
Agregado Agregado
Ensayo
Norma
grueso
Fino
Límite Líquido, %
Indice Plástico, %
Abrasión Los Angeles1, %
Pérdida con Sulfato de Sodio1, %
Contenido de sulfatos, SO4, en peso
ASTM D-4318; MTC E 110
ASTM D-4318; MTC E 111
ASTM C-131; MTC E 207
ASTM C 88; MTC E 209
40% máx
18% máx
50% máx
12% máx
10% máx
0.2% máx
en caso el suelo forme parte de una capa estructural.
Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras EG-2000, MTC, OCC.
1
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35
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Material de Préstamo
La mezcla suelo-cemento se diseña mediante los ensayos de resistencia a compresión
simple y humedecimiento-secado (normas MTC E 1103 y MTC E 1140).
En ensayos de compresión simple, la resistencia no debe ser menor de 1.76 MPa (18
kg/cm2) luego de 7 días de curado húmedo. Para el ensayo humedecimiento-secado, el
contenido de cemento deberá ser tal, que la pérdida de peso de la mezcla compactada, no
supere los siguientes límites de acuerdo con la clasificación que presente el suelo por
estabilizar:
Suelo por estabilizar
Pérdida Máxima (%)
A-1, A-2-4, A-2-5, A-3
14
A-2-6, A-2-7, A-4, A-5
10
A-6, A-7
7
b) Estabilizados con Cal
El terreno de fundación se estabiliza con cal por diferentes razones: para agilizar la
construcción, en el tratamiento de suelos expansivos y para proporcionar una cimentación
fuerte a la estructura del pavimento. Un suelo estabilizado con cal puede ser rígido y
durable, mejorando el comportamiento del pavimento.
La incorporación de cal a suelos de gradación fina como las arcillas origina que los
cationes de la superficie de arcilla sean sustituidos por los de óxido de calcio,
incrementando el pH y alterando la mineralogía de la superficie de las moléculas de arcilla.
Esta alteración reduce la capacidad de la arcilla para absorber agua y por lo tanto reduce
su expansión y plasticidad, mejorando su estabilidad.
Se debe incorporar cal al suelo y mezclar, agregar agua durante el mezclado. El suelo
debe encontrarse dentro de ±2% del óptimo contenido de humedad previo a la
compactación. La compactación debe realizarse dentro de los 30 minutos posteriores al
mezclado final.
S. MINAYA & A. ORDOÑEZ
36
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Material de Préstamo
Los suelos que serán estabilizados con cal deberán cumplir con las especificaciones de la
tabla 3.6, los suelos no deben tener mas del 3% en peso de materia orgánica.
El tamaño máximo del agregado grueso que contenga el suelo no debe ser mayor de 1/3
del espesor de la capa compactada de suelo-cal.
Tabla 3.6: Especificaciones de Agregado que
será Estabilizado con Cal
Ensayo
Norma
Agregado
grueso
ASTM D-4318
MTC E 111
ASTM C-131
Abrasión Los Angeles1, %
50% máx
MTC E 207
ASTM C 88
Pérdida con Sulfato de Sodio1, %
12% máx
MTC E 209
Indice Plástico, %
1
Agregado
fino
10 a 50%
10% máx
en caso el suelo forme parte de una capa estructural
Especificaciones Técnicas Generales para Construcción de Carreteras EG-2000,
MTC, OCC
La cal que se empleo para estabilizar bases de suelo-cal puede ser cal hidráulica y debe
satisfacer los requisitos establecidos en la especificación AASHTO M 216 o ASTM C 977.
La aplicación de la cal puede variar entre 2 y 8% en peso de los materiales. Cuando la
mezcla de suelo-cal sea usada como parte de una capa estructural, el CBR de la mezcla
deberá cumplir con las especificaciones citadas para materiales de sub base y base.
c) Mezclas de Suelos y Agregados
La combinación de agregados es un tema conocido por todo los estudiantes de ingeniería,
los métodos son diversos, entre ellos se encuentran la dosificación de los agregados por
peso y por métodos gráficos.
Se dará a continuación un ejemplo del método gráfico del cuadrado, para combinación de
dos agregados.
Ejemplo: Combine los agregados A y B para que cumplan con las especificaciones:
Tamiz Nº
Agregado A
Agregado B
Especificaciones
3/4"
100
100
100
3/8"
48
75
52-67
Porcentaje que pasa
Nº4
Nº10 Nº40 Nº80
31
25
22
15
58
43
15
5
40-54 30-41 14-23 7-16
S. MINAYA & A. ORDOÑEZ
Nº200
8
1
2-8
37
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Material de Préstamo
1. Se traza un cuadrado ABCD, sobre cuyos lados se marcan los porcentajes de 0 a 100
de izquierda a derecha en el lado AB y viceversa en el lado CD. Ver figura 3.3.
2. Sobre AD se marcan los porcentajes de uno de los agregados y sobre BC los
porcentajes del otro.
3. Se unen con una línea continua los extremos correspondientes a un mismo tamiz,
escribiendo sobre esta línea el tamiz al que corresponde. Sobre estas líneas se grafican
pequeños cuadrados que representan los límites superior e inferior de las
especificaciones
4. Se unen los cuadrados de los límites superiores (a, b, c, ......) y luego los cuadrados de
los límites inferiores (a´, b´, c´, ...).
5. El espacio que une los cuadrados más cercanos (a y b´)representa el margen de
porcentajes entre los cuales se puede hacer la combinación de los dos materiales.
6. Para el ejemplo puede variar (a) entre 70% del agregado B más 30% del agregado A; y
(b´) de 35% del agregado B más 65% del agregado A.
3.3 Ensayos de calidad de agregados
Todos los agregados que conformen alguna de las capas de la estructura del pavimento,
deberán cumplir con las especificaciones de la tabla 3.4. Los ensayos considerados verifican
cierta característica de los agregados, en este libro se describe las razones por las que se
consideran en las especificaciones.
Si el lector está interesado en conocer el procedimiento de ensayo, puede revisar el Manual de
Laboratorio Ensayos para Pavimentos Volumen I, de S. Minaya y A. Ordoñez, primera edición,
publicada por el Departamento de Mecánica de Suelos de la Universidad Nacional de
Ingeniería, 2001.
3.3.1 Ensayo de Abrasión por medio de la Máquina de Los Ángeles
ASTM C-131, MTC E 207
Los agregados deben ser capaces de resistir el desgaste irreversible y degradación
durante la producción, colocación y compactación de las obras de pavimentación, y sobre
todo durante la vida de servicio del pavimento.
Debido a las condiciones de esfuerzo-deformación, la carga de la rueda es transmitida a la
superficie del pavimento a través de la llanta como una presión vertical aproximadamente
uniforme y alta. La estructura del pavimento distribuye los esfuerzos de la carga, de una
máxima intensidad en la superficie hasta una mínima en la subrasante.
Por esta razón los agregados que están en, o cerca de la superficie, como son los
materiales de base y carpeta asfáltica, deben ser más resistentes que los agregados
usados en las capas inferiores, sub base, de la estructura del pavimento, la razón se debe
S. MINAYA & A. ORDOÑEZ
38
Combinación Gráfica de dos agregados
100%
90%
Granulometría Agregado A
Granulometría Agregado B
80%
a
70%
3/8"
60%
b
a´
50%
Nº4
c
b´
40%
Nº10
c´
30%
Nº40
20%
d´
Nº80
10%
d
Nº200
0%
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Porcentajes
Figura 3.3: Combinación de dos agregados por el método del cuadrado
S. MINAYA & A. ORDOÑEZ
Diseño Moderno de Pavimentos Asfálticos
Material de Préstamo
a que las capas superficiales reciben los mayores esfuerzos y el mayor desgaste por parte
de cargas del tránsito.
Por otro lado, los agregados transmiten los esfuerzos a través de los puntos de contacto
donde actúan presiones altas. El Ensayo de Abrasión de Los Ángeles, ASTM C-131 ó MTC
E 207, mide básicamente la resistencia de los puntos de contacto de un agregado al
desgaste y/o a la abrasión.
El porcentaje de desgaste se calcula como la diferencia del peso inicial menos el peso final
de la muestra ensayada, entre el peso inicial.
−P
P
% desgaste = inicial final × 100
Pinicial
3.3.2 Ensayo de Durabilidad, Pérdida con Sulfato de Sodio o Magnesio
ASTM C 88 ó MTC E 209
Es el porcentaje de pérdida de material en una mezcla de agregados durante el ensayo de
durabilidad de los áridos sometidos al ataque con sulfato de sodio o sulfato de magnesio.
Este ensayo estima la resistencia del agregado al deterioro por acción de los agentes
climáticos durante la vida útil de la obra. Puede aplicarse tanto en agregado grueso como
fino.
El ensayo se realiza exponiendo una muestra de agregado a ciclos alternativos de baño de
inmersión en una solución de sulfato de sodio o magnesio y secado en horno. Una
inmersión y un secado se consideran un ciclo de durabilidad. Durante la fase de secado,
las sales precipitan en los vacíos del agregado. En la reinmersión las sales se rehidratan y
ejercen fuerzas de expansión internas que simulan las fuerzas de expansión del agua
congelada. El resultado del ensayo es el porcentaje total de pérdida de peso sobre varios
tamices para un número requerido de ciclos. Los valores máximo de pérdida son
aproximadamente de 10 a 20% para cinco ciclos de inmersión-secado.
Foto 3.1: Ensayo de
durabilidad
S. MINAYA & A. ORDOÑEZ
40
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3.3.3 Porcentaje de Partículas Chatas y Alargadas.
ASTM D-4791; MTC E 211
Se ha demostrado en un sin número de investigaciones, que el exceso de partículas
chatas y alargadas, pueden perjudicar el comportamiento de la estructura del pavimento.
La carga proveniente del tráfico puede quebrar las partículas y modificar la estructura
original. Se denomina partícula chata cuando la relación ancho/espesor es mayor de 1/3; y
alargada cuando la relación largo/ancho es mayor de 1/3.
3.3.4 Porcentaje de Caras Fracturadas
ASTM D-5821; MTC E 210
Algunas especificaciones técnicas contienen requisitos relacionados al porcentaje de
agregado grueso con caras fracturadas con el propósito de maximizar la resistencia al
esfuerzo cortante con el incremento de la fricción entre las partículas. Otro propósito es dar
estabilidad a los agregados empleados para carpeta o afirmado; y dar fricción y textura a
agregados empleados en pavimentación.
La forma de la partícula de los agregados puede afectar la trabajabilidad durante su
colocación; así como la cantidad de fuerza necesaria para compactarla a la densidad
requerida y la resistencia de la estructura del pavimento durante su vida de servicio.
Las partículas irregulares y angulares generalmente resisten el desplazamiento
(movimiento) en el pavimento, debido a que se entrelazan al ser compactadas. El mejor
entrelazamiento se da, generalmente, con partículas de bordes puntiagudos y de forma
cúbica, producidas, casi siempre por trituración.
3.3.5 Ensayo de Equivalente en Arena
ASTM D 2419; MTC E 114
Este método de ensayo asigna un valor empírico a la cantidad relativa, finura y
características del material fino presente en una muestra de ensayo formado por suelo
granular que pasa el tamiz Nº4 (4.75 mm). El término “Equivalente de Arena” transmite el
concepto que la mayoría de los suelos granulares y agregados finos son mezcla de
partículas gruesas, arenas y generalmente finos.
Para determinar el porcentaje de finos en una muestra, se incorpora una medida de suelo
y solución en una probeta plástica graduada que luego de ser agitada separa el
recubrimiento de finos de las partículas de arena; después de un período de tiempo, se
pueden leer las alturas de arcilla y arena en la probeta. El equivalente de arena es la
relación de la altura de arena respecto a la altura de arcilla, expresada en porcentaje.
Este método proporciona una manera rápida de campo para determinar cambios en la
calidad de agregados durante la producción o colocación.
S. MINAYA & A. ORDOÑEZ
41
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Material de Préstamo
Foto 3.2: Ensayo
Equivalente de Arena
3.3.6 Sales Solubles Totales
ASTM D 1888; MTC E 219
El objetivo de este ensayo es cuantificar el contenido de cloruros y sulfatos, solubles en
agua, de los agregados pétreos empleados en bases y mezclas bituminosas. Este método
sirve para efectuar controles en obra, debido a la rapidez de visualización y cuantificación
de la existencia de sales.
Una muestra de agregado pétreo se somete a continuos lavados con agua destilada a
ebullición. La presencia de sales, se detecta mediante reactivos químicos, los cuales, al
menor indicio de sales forman precipitados fácilmente visibles. Del agua total de lavado, se
toma una parte y se procede a cristalizar para determinar la cantidad de sales presentes.
3.4 Ensayos para Cuantificar el Comportamiento Mecánico de las Capas
que conforman la Estructura del Pavimento
Los materiales que conformaran las capas de afirmado, sub base y base deberán ser
ensayados con el método de proctor modificado para determinar su máxima densidad seca y el
optimo contenido de humedad. Con estos valores se prepararan especimenes remoldeados
para el ensayo de CBR. El CBR asociado al 95% de la máxima densidad será el CBR de
diseño para cada capa.
Se debe recalcar que el CBR asociado a la máxima densidad seca, es un método que se
recomienda usar sólo en el caso de material de cantera (afirmado, sub base y base) o en
subrasantes granulares. No se recomienda emplear este método en subrasantes finas.
S. MINAYA & A. ORDOÑEZ
42