TG_HÉCTOR JULIO VALBUENA MOJICA

CLASIFICACIÓN DE LA FRACCIÓN FINA DE MATERIALES
PROVENIENTES DE CANTERAS ALEDAÑAS A BOGOTÁ, A PARTIR DE SU VALOR
DE AZUL DE METILENO Y SU RELACIÓN CON LA CLASIFICACIÓN POR EL
SISTEMA UNIFICADO Y EL SISTEMA AASHTO.
Elaborado por:
JOSÉ WILLIAM TEJEDOR BAYONA
HÉCTOR MANUEL LOZADA MURCIA
HÉCTOR JULIO VALBUENA MOJICA
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE ESPECIALIZACIÓN EN PAVIMENTOS
BOGOTÁ D.C – 2015
CLASIFICACIÓN DE LA FRACCIÓN FINA DE MATERIALES PROVENIENTES DE
CANTERAS ALEDAÑAS A BOGOTÁ, A PARTIR DE SU VALOR DE AZUL DE
METILENO Y SU RELACIÓN CON LA CLASIFICACIÓN POR EL SISTEMA
UNIFICADO Y EL SISTEMA AASHTO
Elaborado por:
JOSÉ WILLIAM TEJEDOR BAYONA
HÉCTOR MANUEL LOZADA MURCIA
HÉCTOR JULIO VALBUENA MOJICA
Trabajo de grado para obtener el título de especialista en Pavimentos
ASESOR: JUAN MIGUEL SÁNCHEZ DURÁN
INGENIERO CIVIL, MSc.
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE ESPECIALIZACIÓN EN PAVIENTOS
BOGOTÁ D.C –2015
TABLA DE CONTENIDO
1
INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 10
2
GENERALIDADES DEL TRABAJO DE GRADO ....................................................................... 11
3
2.1
LÍNEA DE INVESTIGACIÓN.................................................................................................... 11
2.2
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ...................................................................................... 11
2.2.1
Problema a resolver ......................................................................................................... 11
2.2.2
Antecedentes del problema a resolver. .............................................................................. 12
2.2.3
Pregunta de investigación ................................................................................................ 12
2.3
JUSTIFICACIÓN ...................................................................................................................... 12
2.4
OBJETIVOS.............................................................................................................................. 13
2.4.1
Objetivo general .............................................................................................................. 13
2.4.2
Objetivos específicos ........................................................................................................ 13
MARCOS DE REFERENCIA ....................................................................................................... 14
3.1
CARACTERIZACIÓN GEOLÓGICA ......................................................................................... 15
3.1.1
Formación Cacho (Terciario, Paleoceno) (Tec)................................................................ 15
3.1.2
Formación Bogotá (Terciario, Paleoceno-Eoceno Inferior) (Teb) ..................................... 15
3.2
INFLUENCIA DE LA FRACCIÓN FINA EN EL COMPORTAMIENTO FÍSICO - MECÁNICO DE
LOS MATERIALES PARA BASES Y SUBBASE ................................................................................................ 16
3.3
4
METODOLOGÍA.......................................................................................................................... 18
4.1
5
NORMATIVIDAD ..................................................................................................................... 17
SELECCIÓN Y CARACTERIZACION DE LAS FUENTES DE MATERIALES ............................ 19
4.1.1
Fuente de material (1) ...................................................................................................... 19
4.1.2
Fuente de material 2 ........................................................................................................ 19
4.1.3
Fuente de material (3) ...................................................................................................... 20
ANÁLISIS DE RESULTADOS ..................................................................................................... 22
5.1
CURVAS DE GRADACIÓN DE MATERIALES ......................................................................... 23
5.2
CLASIFICACIÓN DE LA FRACCIÓN FINA MEDIANTE EL ENSAYO DE AZUL DE METILENO
24
5.3
25
(U.S.C.S)
6
CLASIFICACIÓN MEDIANTE LA CARTA DE PLASTICIDAD DEL SISTEMA UNIFICADO
5.4
CLASIFICACIÓN MEDIANTE EL SISTEMA AASHTO ............................................................. 26
5.5
VERIFICACION DEL CUMPLIMIENTO DE LA NORMATIVIDA ............................................. 28
5.6
CLASIFICACIÓN DE SUELOS EXPANSIVOS NSR-10 ............................................................. 29
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .............................................................................. 30
BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................................... 33
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 PANORÁMICA DE LA FUENTE DE MATERIAL N°1 FORMACIÓN BOGOTÁ ..................................................... 19
FIGURA 2 PANORÁMICA DE LA FUENTE DE MATERIAL N°2 FORMACIÓN BOGOTÁ ..................................................... 20
FIGURA 3 PANORÁMICA DE LA FUENTE DE MATERIAL N° 3 FORMACIÓN CACHO ...................................................... 20
FIGURA 4 GRADACIÓN DE SUBBASE TIPO C FUENTE DE MATERIAL N°1 .................................................................... 23
FIGURA 5 GRADACIÓN DE SUBBASE TIPO C FUENTE DE MATERIAL N°2 .................................................................... 23
FIGURA 6 GRADACIÓN DE SUBBASE TIPO C FUENTE DE MATERIAL N°3 .................................................................... 24
FIGURA 9 CLASIFICACIÓN DE LAS DIFERENTES FUENTES DE MATERIALES MEDIANTE EL SISTEMA EMPLEADO POR LA
AMERICAN ASSOCIATION OF STATE HIGHWAY AND TRANSPORTATION OFFICIALS (A.A.S.H.T.O) .................. 26
LISTA DE TABLAS
TABLA 5-1 RESULTADOS DE ENSAYOS DE LABORATORIO PARA LAS DIFERENTES FUENTES DE MATERIAL................. 22
TABLA 5-2 REQUISITOS DE LOS AGREGADOS PARA MATERIAL GRANULAR TIPO SUBBASE
(IDU ET-2011) ........ 28
TABLA 5-3- CLASIFICACIÓN DE SUELOS EXPANSIVOS (NSR-10) .............................................................................. 29
RESUMEN
La presencia de finos en los diferentes materiales granulares empleados para la
construcción de estructuras de pavimentos afectan directamente las propiedades físico químicas
del mismo. A medida que éstos aumentan la resistencia disminuye y aumenta la cohesión, todos
los efectos negativos de los materiales finos son más evidentes cuanto mayor sea su contenido y
su actividad coloidal. En esto radica la importancia de la caracterización de la fracción fina de
los materiales puesto que dependiendo de su reacción físico química tendrán una influencia más
marcada en el comportamiento del material.
El proyecto de investigación tuvo como objetivo principal realizar la comparación entre
los resultados obtenidos de la Clasificación de materiales granulares por el Sistema Unificado de
Clasificación de Suelos (S.U.C.S), el sistema (AASHTO) y lo establecido en la Norma de
Ensayo del Instituto Nacional de Vías (INVIAS) - INVE 182-13, en la caracterización de la
porción fina de los materiales granulares utilizados para la construcción de pavimentos en la
ciudad de Bogotá D.C.
Se evidenció la influencia directa que ejerce la geología en el comportamiento de los
materiales, observando como en los agregados procedentes de la Formación Bogotá se
encuentran limos o partículas finas activas en comparación con los materiales presentes dentro
de la Formación Cacho los cuales son poco activos.
Adicionalmente se observa que existe disparidad entre los sistemas de clasificación
mencionados anteriormente y la clasificación por el valor de azul de metileno a la hora de
catalogar y tipificar las características o propiedades de la fracción fina de un material.
Palabras clave: Azul de metileno, fracción fina, AASHTO, caracterización, reacción
química.
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ABSTRACT
The presence of fines in the different granular materials used for the construction of
pavement structures directly affect the physicochemical properties. As these increase the
resistance decreases and cohesion, all the negative effects of fine materials are evident the higher
your content and colloidal activity. Herein lies the importance of characterization of the fine
fraction of Materials since depending on its physicochemical reaction will influence more
marked in the material behavior
The research project 's main objective was to make the comparison between the results
obtained by classifying granular materials by the Unified Soil Classification System (USCS), the
(AASHTO) system and the provisions of the National Standard Testing Institute (Invías) - INVE
182-13, in the characterization of the thin portion of granular materials used for the construction
of pavements in the city of Bogotá DC
Further notes that there is disparity between the classification systems mentioned above
and the classification by the methylene blue value at the time of cataloging and typify the
characteristics or properties of the fine fraction of material
Keywords: Methylene blue, fine fraction, AASHTO, characterization, chemical reaction
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1
INTRODUCCIÓN
El desarrollo de investigaciones de materiales empleados en ingeniería de pavimentos, ha
estado encaminado a mejorar las propiedades de las capas que componen la estructura de un
pavimento, para dar al usuario estructuras que provean no sólo transitabilidad, sino que además
tengan niveles adecuados de seguridad, confort y durabilidad incrementando su vida útil.
Uno de los pasos más importantes a la hora de ejecutar o desarrollar la construcción de
obras de infraestructura vial, es el proceso de calificar, clasificar y caracterizar los áridos o
agregados con los cuales se van a trabajar, y que serán empleados para la conformación de la
estructura del pavimento.
Agregados a los cuales se les realizan comúnmente ensayos de durabilidad, dureza,
capacidad de soporte, geometría de las partículas, índices de aplanamiento y alargamiento, y por
supuesto limpieza (actividad de la fracción fina). Ensayos que son los más empleados en nuestro
medio para controlar o encontrar los materiales óptimos a ser utilizados.
La presencia de finos en los diferentes materiales granulares empleados para la
configuración de las estructuras de pavimentos afectan directamente las propiedades físico
químicas del mismo. A medida que éstos aumentan la resistencia disminuye y aumenta la
cohesión, todos los efectos negativos de los materiales finos son más evidentes cuanto mayor sea
su contenido y su actividad coloidal. En esto radica la importancia de la caracterización de la
fracción fina de los materiales puesto que dependiendo de su reacción físico química tendrán una
influencia más marcada en el comportamiento del material.
Sin embargo, no todos los finos son reactivos químicamente, razón por la cual se hace
necesaria la caracterización del porcentaje de material que pasa el tamiz #200 mediante ensayos
tales como: equivalente de arena, azul de metileno, gravedad específica y prueba del hidrómetro.
Con el fin de obtener la cantidad de material o fracción fina potencialmente dañino presente en
un agregado. En los siguientes capítulos se presenta en detalle algunos antecedentes e
investigaciones previas, la justificación, el alcance y la metodología del desarrollo de la
investigación.
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2
2.1
GENERALIDADES DEL TRABAJO DE GRADO
LÍNEA DE INVESTIGACIÓN
La alternativa seleccionada para conseguir el Título de Especialista en Ingeniería de
Pavimentos correspondió a un trabajo de investigación, la cual busca profundizar en el
conocimiento de las propiedades físico-mecánicas de materiales empleados en obras de
infraestructura vial, aspecto que se relaciona con el trabajo efectuado, debido a que en él se
contempla la caracterización y análisis de materiales granulares empleados en la construcción de
vías terrestres mediante prácticas de laboratorio que permiten el mejor entendimiento de sus
propiedades para su correcta utilización.
El eje central de la presente investigación es LA CARACTERIZACION DE LOS
AGREGADOS.
2.2
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
2.2.1 Problema a resolver
El Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (Unified Soil Clasification System –
U.S.C.S), y el sistema AASHTO usados en nuestro país para la clasificación de suelos para
pavimentos, caracterizan los suelos finos teniendo en cuenta su comportamiento en presencia de
agua, por medio de los límites de consistencia y su proporción en peso.
Sin embargo, teniendo en cuenta que los materiales con características arcillosas son
inestables químicamente, se requiere determinar con claridad si un suelo o material para
estructura de pavimento presenta un contenido significativo de materiales arcillosos que puedan
expandirse y reaccionar desfavorablemente.
Es por esto que en ocasiones cuando la porción fina de un material es clasificada por
medio del sistema unificado aquellos valores que quedan cerca de la Línea A (que define si es
limo o arcilla), no se tiene una certeza absoluta con respecto al material y su comportamiento,
debido a lo anterior se hace necesario verificar, caracterizar y tipificar la fracción fina del
material con el fin de validar mediante otros ensayos como el valor de azul de metileno si el
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material es potencialmente perjudicial para el conjunto (agregados), o si por el contrario no
representa incidencia alguna.
2.2.2 Antecedentes del problema a resolver.
Infortunadamente en la búsqueda de los mejores materiales de construcción de carreteras
se comenten algunas arbitrariedades mediante los sistemas y normas de clasificación empleados
en la actualidad, los cuales tipifican, caracterizan y dan el aval para ser aceptados o no para ser
empleados en los procesos constructivos, sin tener en cuenta factores tan importantes como la
disponibilidad de materiales, localización, transporte entre otros, que deben ser relevantes a la
hora de hacer cumplir o no las especificaciones.
2.2.3 Pregunta de investigación
¿Se puede clasificar la fracción fina de un material y su comportamiento químico, que
con los métodos tradicionales AASHTO y USCS?
2.3
JUSTIFICACIÓN
Debido a la diversidad de materiales y/o fuentes de materiales utilizadas en nuestro país y
teniendo en cuenta que para que dichas fuentes cumplan las normas de construcción vigentes
como la INVIAS-13, se deben realizar un sin número de procesos que garanticen el
cumplimiento de aspectos tales como granulometrías y caras fracturadas, entre otras, se hace
necesario demostrar o validar mediante otros métodos y/o ensayos (azul de metileno e
hidrometría), que aunque la granulometría especificada en nuestras normas vigentes, no se
cumplan (pasa tamiz #200) éstas pueden tener un comportamiento adecuado o aceptable para ser
empleados en la construcción de estructuras de pavimentos dependiendo.
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2.4
OBJETIVOS
2.4.1 Objetivo general
Comparar los resultados obtenidos de la Clasificación de materiales granulares por el
Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (S.U.C.S), el sistema (AASHTO) y lo establecido
en la Norma de Ensayo del Instituto Nacional de Vías (INVIAS) - INVE 182-13, en la
caracterización de la porción fina de los materiales granulares utilizados para la construcción de
pavimentos en la ciudad de Bogotá D.C.
2.4.2 Objetivos específicos
Caracterizar los materiales de las canteras aledañas, de acuerdo con los ensayos de
gradación, límites de Atterberg y azul de metileno.
Clasificar la fracción fina de materiales de cantera provenientes de la Sabana de Bogotá,
mediante el valor de azul de metileno, y porcentaje en masa de partículas menores a 2µm
respecto al peso de la fracción fina (PT Nº 200) .
Clasificar mediante el sistema USCS la fracción fina de diferentes materiales de cantera
de la Sabana de Bogotá.
Clasificar mediante el sistema AASHTO la fracción fina de diferentes materiales de la
Sabana de Bogotá.
Comparar los resultados de las clasificaciones obtenidas por los diferentes sistemas
utilizados.
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3
MARCOS DE REFERENCIA
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3.1
CARACTERIZACIÓN GEOLÓGICA
La geología de la zona, describe como en el periodo paleógeno y neógeno la
sedimentación fluvial dio origen a formaciones como Cacho, Bogotá, Regadera y parte de Tilatá.
3.1.1 Formación Cacho (Terciario, Paleoceno) (Tec)
La Formación Cacho o Arenisca del Cacho reposa concordantemente sobre el Guaduas en
la mayoría de los valles mencionados anteriormente. Está compuesta por areniscas blancas,
amarillas y rojizas, cuarzosas hasta grauvacas, de grano fino hasta conglomerático, pobremente
cementadas por óxidos de hierro, en bancos masivos, con intercalaciones delgadas de arcillolitas
grises, rojizas y abigarradas, finamente laminadas, en la parte media de la Formación. Su espesor
total oscila entre 50 m y unos 400 m. (Uscátegui, 1992)
3.1.2 Formación Bogotá (Terciario, Paleoceno-Eoceno Inferior) (Teb)
(Uscátegui, 1992)La Formación Bogotá se encuentra concordantemente encima de la
Arenisca del Cacho en los Sinclinales de Tunjuelo, Bogotá-Cajicá-Checua, Teusacá, Sesquilé, y
Siecha-Sisga. Está compuesta casi exclusivamente por arcillolitas abigarradas (grises, violáceas,
moradas y rojas), bien estratificadas, con algunos bancos de areniscas micáceas grises de grano
fino hacia la parte superior de la unidad. Tiene un espesor variable entre 800 m y 2000 m.
(Hicks, 1971)
Como se puede observar las características geológicas de la zona norte de la ciudad de
Bogotá está gobernada por la presencia de Areniscas, arcillolitas, donde su espesor varía entre
50-400m, lo cual da como resultado, fuentes de materiales en cuya explotación presentan
contenidos de arcilla ya sea durante el proceso de desintegración o meteorización de la roca, o en
su proceso de extracción y/o trituración para generación de materiales de construcción de
carreteras u otros proyectos ingenieriles.
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3.2
INFLUENCIA DE LA FRACCIÓN FINA EN EL COMPORTAMIENTO FÍSICO MECÁNICO DE LOS MATERIALES PARA BASES Y SUBBASE
Normalmente las especificaciones técnicas de construcción se han venido fijando o
normalizando según a la experiencia con la que se cuenta en el medio, delimitando los valores
límites de los resultados de estos ensayos, según la funcionalidad o el uso que se prevé para el
material.
Sin embargo la influencia que ejerce la presencia de material fino dentro de las capas de
la estructura de un pavimento básicamente radica en la estabilidad o inestabilidad que la fracción
fina genera, ya que básicamente una adecuada estabilidad de un material depende de la
distribución, en especial la relación de la cantidad de finos frente a la porción de material grueso,
la forma y cantidad, de la fricción interna y de la cohesión, donde una adecuada estabilidad
poseerá una alta fricción interna entre materiales que ayudara a soportar la cargas que se
imponen por el tráfico.
En cuanto al módulo Resiliente, la literatura reporta un incremento en el módulo
resiliente cuando las partículas son más angulares (Hicks, 1971), (BARKSDALE R. D., 1973),
(ALLEN, 1974), (Barskale, 1989), (Hicks, 1971), (Barskale, 1989), (Tutumluer, 2003),
concluyen que entre mayor es la presencia de finos en un material granular la rigidez tiende a
disminuir.
Similar observación es reportada por (MAGNUSDOTTIR, 2002), pero mencionan que el
conocimiento general en esta área es que materiales densos bien gradados usualmente tienen la
más alta resistencia mecánica con contenidos de finos por debajo de 9%. (CORONADO, 2005)
reportan un incremento notable en el módulo resiliente cuando el contenido de finos aumenta de
7% a 10%., realizando ensayos cíclicos sobre materiales triturados y parcialmente triturados,
reportan que el módulo disminuyó con el aumento de finos para el caso del material parcialmente
triturado, y aumentó para el caso del material totalmente triturado.
Basado en estudios realizados sobre 6 materiales granulares diferentes concluyen que no
existe una tendencia general de la evolución del valor del módulo con el contenido de finos y su
grado de influencia depende del tipo de material estudiado (RADA, 1981)
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3.3
NORMATIVIDAD
Dentro de la normativa aplicable para el desarrollo de la presente investigación se
encuentran las normas de ensayos INV E-182, INV E-128, INV E-123, las cuales se describen a
continuación:
INV E-182: Clasificación de la fracción fina de un suelo a partir de su valor de azul de
metileno, esta norma describe un método para identificar las características del material que pasa
el Tamiz N° 200, el cual fue planteado por Jean Pierre, con el fin de corregir inconsistencias en
la clasificación por el sistema unificado.
INV E-123: Determinación de los tamaños de las partículas de los suelos de manera
cuantitativa. En esta norma se describen los procedimientos de análisis granulométrico por
tamizado e hidrometría.
INV E-128 Determinación de la gravedad específica de las partículas sólidas de los
suelos y del llenante mineral empleando un picnómetro con agua. Este ensayo fue realizado para
poder hacer la granulometría por medio del hidrómetro.
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4
METODOLOGÍA
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Definición de objetivos de la investigación.

Definición de ensayos a realizar.

Cantidad de ensayos a realizar

Cantidad de materiales a evaluar
RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN

Estado de la normativa actual.

Caracterización geológica de la zona de estudio

Identificación de las fuentes de materiales a utilizar y selección del
material.
EJECUCIÓN DE ENSAYOS DE LABORATORIO

Granulometría por tamizado.

Ensayo de azul de metileno.

Ensayo de gravedad especifica

Prueba del hidrómetro

Ensayo de límites de ATTERBERG
ANÁLISIS DE RESULTADOS DE ENSAYOS DE LABORATORIO
 Comparación de resultados.
ELABORACIÓN DE DOCUMENTO DE INVESTIGACIÓN

Elaboración de documento.

Conclusiones y recomendaciones.
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4.1
SELECCIÓN Y CARACTERIZACION DE LAS FUENTES DE MATERIALES
Para la realización de los estudios se realizó una serie de toma de muestras en la zona
norte de la Sabana de Bogotá, con base en la información geológica anteriormente descrita se
seleccionaron las fuentes de materiales presentes o que se encuentran dentro de la Formación
Cacho y la Formación Bogotá, básicamente por las características de los materiales que se
pueden extraer en la explotación, los materiales extraídos de las canteras ubicadas en estas
formaciones, corresponden principalmente a areniscas, con presencia de arcillolitas, algunas
intercalaciones de lutitas clara y carbón, entre otros, materiales que potencialmente pueden tener
presencia de finos activos en su configuración mineralógica.
4.1.1
Fuente de material (1)
Ubicada en la Vereda Chuntame, Jurisdicción del Municipio de Cajicá Esta cantera
produce principalmente material granular tipo base granular, subbase granular y afirmado.
Figura 1 Panorámica de la fuente de material N°1 Formación Bogotá
4.1.2 Fuente de material 2
Ubicada en la Vereda Rio Frio, Jurisdicción del Municipio de Tabio, produce
principalmente material granular tipo la cual produce principalmente material granular tipo base
granular, subbase granular, afirmado y arena de rio.
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Figura 2 Panorámica de la fuente de material N°2 Formación Bogotá
4.1.3 Fuente de material (3)
ubicada en el Municipio de Mosquera – La Mesa (Sector de Mondoñedo) la cual produce
principalmente material granular tipo base granular, subbase granular y afirmado.
Figura 3 Panorámica de la fuente de material N° 3 Formación Cacho
Una vez selccionadas las fuentes de material se realizó la toma de 9 (Nueve) muestras de
material, 3 (Tres) por fuente a caracterizar, de tipo subbase granular (Tipo C), material
seleccionado a ser estudiado por ser el de mayor distribucion y produccion en la zona de estudio.
Una vez tomadas las muestras se procede a realizar la verificacion de la gradacion o
granulometria exigida por las normas vigentes, para este tipo de material, con el objetivo de
validar el cumplimiento de la franja especificada para una subbase granular (Tipo C- IDU).
Cumplidas las especificaciones, se determino realizar los siguientes ensayos de
laboratorio con el fin de caracterizar las fracción fina de los materiales de las diferentes fuentes,
realizadndo 3 (tres) ensayos de cada una de las normativas descritas a continuación:
 Análisis Granulométrico de los Agregados Grueso y Fino (INV E 213-13)
 Determinación de la Cantidad de Material que pasa el Tamiz de 75um (No. 200) en los
Agregados Pétreos Mediante Lavado (INV E 214-13)
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 Determinación de la Gravedad Especifica de las partículas sólidas de los suelos y del
llenante mineral, empleando un picnómetro con agua (INV E 128-13)
 Determinación de los Tamaños de las partículas de los suelos (INV E 123-13)
 Determinación del Límite Líquido de los suelos (INV E 125-13)
 Límite Plástico e Índice de Plasticidad de los suelos (INV E 126-13)
 Valor de Azul de Metileno en Agregados Finos (INV E 235-13)
Siguiendo lo establecido en la Norma INV E 180-13 (Clasificación de suelos y mezclas
de suelos y agregados con fines de construcción de carreteras – Sistema AASHTO), y la Norma
INV E 181-13 (Sistema Unificado de Clasificación de Suelos para propósitos de ingeniería), se
determinó la clasificación de las diferentes fuentes de materiales descritas anteriormente las
cuales evidencian resultados plasmados en el Capítulo 5 ANÁLISIS DE RESULTADOS.
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5
ANÁLISIS DE RESULTADOS
TABLA 5-1 Resultados de ensayos de laboratorio para las diferentes fuentes de material
Nombre
Cantera
Fuente de
Material N°1N°2-N°3
Ensayo
Muestra
Resultado
Fuente de
material N°2
Resultado
Fuente de
material N°3
U.S.C.S= CL
A.A.S.H.T.O= A-4
U.S.C.S= CL
A.A.S.H.T.O= A-4
U.S.C.S= CL
A.A.S.H.T.O= A-4
LL=27
LP=18
IP=9
LL=28
LP=19
IP=9
LL=26
LP=18
IP=9
U.S.C.S= ML
A.A.S.H.T.O= A-4
U.S.C.S= ML
A.A.S.H.T.O= A-4
U.S.C.S= ML
A.A.S.H.T.O= A-4
LL=18
LP=16
IP=2
LL=19
LP=16
IP=3
LL=20
LP=18
IP=2
U.S.C.S= ML
A.A.S.H.T.O= A-4
U.S.C.S= ML
A.A.S.H.T.O= A-4
U.S.C.S= ML
A.A.S.H.T.O= A-4
LL=NL
LP=NP
IP= LL= NL
LP= NP
IP= LL= NL
LP= NP
IP= -
1
C2=28.58 %
C2=22.46 %
C2=37.11 %
2
C2=25.04 %
C2=22.46 %
C2=37.73 %
3
C2=28.70 %
C2=24.26 %
C2=37.73 %
1
VA=21.7 mg/g
VA=13 mg/g
VA=5 mg/g
2
VA=21.7 mg/g
VA=13 mg/g
VA=5 mg/g
3
VA=23.3 mg/g
VA=13 mg/g
VA=6 mg/g
Granulometría (INV E 213-13)
1
Granulometría (INV E 213-13)
2
Granulometría (INV E 213-13)
3
Determinación de Limites e Indices (INV E
125-13 y 126-13)
1
Determinación de Limites e Indices (INV E
125-13 y 126-13)
2
Determinación de Limites e Indices (INV E
125-13 y 126-13)
3
Determinacion tamaño particulas
menores a 2 um ((INV E 123-13)
Determinacion tamaño particulas
menores a 2 um ((INV E 123-13)
Determinacion tamaño particulas
menores a 2 um ((INV E 123-13)
Valor de Azul de Metileno en Agregados
Finos (INV E 235-13)
Valor de Azul de Metileno en Agregados
Finos (INV E 235-13)
Valor de Azul de Metileno en Agregados
Finos (INV E 235-13)
Resultado
Fuente de
material N°1
Fuente: propia
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En la TABLA 5-1, se relacionan los resultados de los ensayos realizados a las diferentes
fuentes de material, y que servirán como base para validar o constatar el cumplimiento de la
norma técnica IDU-ET-2011
5.1
CURVAS DE GRADACIÓN DE MATERIALES
Como se mencionó anteriormente, el material seleccionado de las diferentes fuentes de
materiales, es el denominado subbase granular tipo C, porque siendo una parte de la estructura de
pavimento, será el que se encuentre en contacto directo con la subrasante, adicionalmente se tuvo
en cuenta que este material será el que se presenta menor exigencia en las especificaciones
técnicas IDU 2011, teniendo en cuenta que la zona de estudio es la ciudad de Bogotá.
A continuación se presenta las curvas de gradación de las diferentes fuentes de
materiales, a las cuales se les realizo el chequeo del cumplimiento de las especificaciones:
Figura 4 Gradación de subbase tipo C fuente de material N°1
Figura 5 Gradación de subbase tipo C fuente de material N°2
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Figura 6 Gradación de subbase tipo C fuente de material N°3
Se puede evidenciar que las tres diferentes fuentes de material cumplen con la Especificación
Técnica de la Norma IDU-ET-2011.
5.2
CLASIFICACIÓN DE LA FRACCIÓN FINA MEDIANTE EL ENSAYO DE AZUL
DE METILENO
Realizando las actividades establecidas en la Norma INV E 182-13 (Clasificación de la
fracción fina de un suelo a partir de su valor de Azul de Metileno), se procedió a ingresar los
valores obtenidos en los ensayos a la carta de clasificación de suelos finos (método Francés) así:
Figura 7 Clasificación de la fracción fina de las diferentes fuentes de
materiales mediante el ensayo de Azul de Metileno
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Se pudo determinar entonces que los materiales de la fuente de material N°1, presentan
valores de azul de metileno VA= 21.7-23.3mg/g y el porcentaje que el tamiz de 2µm C2=25.0428.70%, para la fuente de material N°2 los resultados de azul de metileno se encuentran
alrededor de VA= 13.3 mg/g y el porcentaje que pasa el tamiz de 2µm C2=22.46-24.26%, lo
cual indica que las fuentes de materiales anteriormente relacionadas clasifican su fracción fina
como un LIMO MEDIANAMENTE ACTIVO.
La fuente de material N°3 que presenta valores de azul de metileno entre VA= 5-6mg/g
y porcentaje que pasa el tamiz de 2µm C2=37.11-37.73%, lo cual indica que esta fuente de
material presenta en su fracción fina unos LIMOS POCO ACTIVOS.
Con base en los valores obtenidos de azul de metileno, el porcentaje de partículas que
pasan el tamiz de 2µm y la clasificación de su potencial de actividad, se puede decir que los
material de la fuente de material N° 2 y N°3 son los que menos actividad presentan, sin embargo
a pesar que la fuente de material N°1 clasifica como un limo medianamente activo éste se
encuentra muy cerca de la línea MT la cual separa los limos medianamente activos de los
altamente activos, lo cual lo constituye en un material con un potencial de incidencia en la
estructura de un pavimento de manera negativa.
5.3
CLASIFICACIÓN MEDIANTE LA CARTA DE PLASTICIDAD DEL SISTEMA
UNIFICADO (U.S.C.S)
Fuente de material N°1
Fuente de material N°2
Fuente de Material N°3
Figura 8 Clasificación de las diferentes fuentes de material mediante la
Carta de Plasticidad del Sistema Unificado (U.S.C.S)
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Mediante la metodología de clasificación del Sistema Unificado de Clasificación de
Suelos, el material proveniente de la fuente de material N°1, el cual presenta un límite liquido
LL= 26-28 y un índice de plasticidad IP= 8-9, el material se encuentra clasificado como una
Arcilla de Baja Plasticidad (CL), y los materiales provenientes de las fuentes de materiales N°2
y N°3 los cuales presentan límites de consistencia, límite liquido LL=18-20 y LL=NL, Índice de
plasticidad IP=2-3 y IP=NP , respectivamente, son clasificados como Limos de Baja
Plasticidad (ML). Con lo cual se puede deducir que las fuentes de materiales N°2 y N°3 según
el Sistema Unificado de Clasificación USCS, son las más aptas o competentes, para ser
utilizadas en una estructura de pavimentos.
5.4
CLASIFICACIÓN MEDIANTE EL SISTEMA AASHTO
Fuente de material N°1
Fuente de material N°2
Fuente de material N°3
Figura 9 Clasificación de las diferentes fuentes de materiales mediante el sistema
empleado por la American Association of State Highway and Transportation Officials
(A.A.S.H.T.O)
Mediante la metodología de la American Association of State Highway and
Transportation Officials – A.A.S.H.T.O, el material proveniente de la fuente de material N°1
que presenta límites límite liquido LL= 26-28, un índice de plasticidad IP= 8-9, así como los
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materiales provenientes de las fuentes de materiales N°2 y N°3 que presentan un valor de límite
liquido LL=18-20 y LL=NL, Índice de plasticidad IP=2-3 y IP=NP , respectivamente, son
clasificados mediante el sistema descrito anteriormente como un suelo de características A4 (El
suelo típico de este grupo es un suelo limoso no plástico o moderadamente plástico)
Con base en los resultados anteriormente expuestos, se puede concluir que los materiales
de las diferentes fuentes de materiales estudiadas no representan un potencial de incidencia
negativo, en el caso de ser utilizados dentro de la configuración de una estructura de pavimento,
sin embargo como se evidencia en la gráfica anterior, el material proveniente de la fuente de
material N°1 de acuerdo con sus características de LL e IP está muy cerca de convertirse o
formar parte del grupo A6 con lo cual se consideraría que el material podría tener una incidencia
potencialmente negativa, en estructuras del pavimento, básicamente porque los suelos
pertenecientes al grupo A6 son catalogados como un suelo típico arcillosos plástico y que
experimentan generalmente grandes cambios de volumen entre los estados seco y húmedo, los
cuales no serían recomendables para su utilización en una estructura de pavimento.
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5.5
VERIFICACION DEL CUMPLIMIENTO DE LA NORMATIVIDA
TABLA 5-2 Requisitos de los agregados para material granular tipo subbase
(IDU-ET-2011)
Fuente: Invias 2013
Tomando como referencia los valores máximos permitidos por la especificación técnica
de obligatorio cumplimiento para los materiales utilizados en Bogotá, se puede evidenciar lo
siguiente:
Con respecto al límite liquido LL máximo permitido el 25%, índice de plasticidad IP
máximo de 6% y valor de azul de metileno VA máximo de 10mg/g, se pude constatar que la
fuente de material N°1 no cumple ninguna de los valores máximos establecidos ya que el valor
de su límite liquido varia LL=26-28%, su índice de plasticidad IP=9 y el valor de Azul de
Metileno VA=21.7-23.3, por tal motivo no cumple la especificación citada anteriormente.
En cuanto a la fuente de material N°2 se puede argumentar que no se cumple la
especificación básicamente por su valor de Azul de metileno VA=13mg/g, lo cual supera a las
especificación, la cual recomienda un valor máximo de Azul de Metileno de VA=10mg/g.
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Con base en los resultados obtenidos de las diferentes fuentes de materiales se puede
deducir que la única fuente de material que cumple las especificaciones en cuanto LL (Límite
liquido), IP (índice de plasticidad) y VA (valor de Azul de Metileno), es la fuente de material
N°3.
5.6
CLASIFICACIÓN DE SUELOS EXPANSIVOS NSR-10
Realizando una comparación entre los materiales analizados y la clasificación de suelos
expansivo según la Norma Sismo Resistente NSR-10, se puede evidenciar que los materiales de
las diferentes fuentes clasifican en la categoría de bajo potencial de expansión, debido a que
ninguna de las muestras presentan limites líquidos LL>39 o índice de plasticidad IP>12.
Tabla 5-3 Clasificación de suelos expansivos (NSR-10)
Fuente: NSR - 10
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6
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Luego de realizar la gradación de las diferentes fuentes de materiales, ¡Error! No se
ncuentra el origen de la referencia., ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.,
¡Error! No se encuentra el origen de la referencia., se puede evidenciar que desde el punto de
ista granulométrico éstas cumplen a con la norma IDU-ET-2011, sin embargo luego de realizar
las verificaciones respectivas, tanto de valores de índice de plasticidad IP, límite líquido LL, y
valor de Azul de Metileno VA, las fuentes de materiales N°1 y N°2 no cumplen la
especificación, ya que sus límites LL y LP y el valor de azul de metileno VA están sobre los
límites máximos 25%, 6% y 10mg/g, respectivamente, valores máximos recomendados por las
normas vigentes. Para materiales tipo subbase tipo C. Por consiguiente la única fuente de
material que cumple la especificación dentro de la conformación de una estructura de pavimento
es la fuente de material N°3, ya que cumple con los requisitos mencionados anteriormente.
Una vez realizada la clasificación de la fracción fina de las diferentes fuentes de
materiales provenientes de la sabana de Bogotá, mediante el valor de azul de metileno, y
porcentaje en masa de C2, se observa en la ¡Error! No se encuentra el origen de la
eferencia.,que las fuentes de materiales N°1 y N°2 son clasificadas como limos medianamente
activos, mientras que la fuente de material N°3 se clasifica como un limo poco activo, por lo cual
se podría recomendar esta fuente como la más apropiada para para la conformación de una
subbase granular.
Mediante el sistema de clasificación unificado USCS (¡Error! No se encuentra el origen
e la referencia.), los materiales de las fuentes estudiadas se clasifican como ML limos de baja
plasticidad, para las fuentes de materiales N°2 y N°3, mientras que el material proveniente de la
fuente N°1, se clasifica como una arcilla de baja plasticidad CL, con lo cual se ratifica que la
fuente de material N°1, es la que puede llegar a presentar una influencia potencialmente negativa
a la hora de ser utilizada como material de subbase tipo C, para la estructura de un pavimento.
De acuerdo a los resultados obtenidos mediante la clasificación AASHTO, se puede
concluir que los materiales de las diferentes fuentes de materiales estudiadas clasifican como un
suelo A4 (El suelo típico de este grupo es un suelo limoso no plástico o moderadamente
plástico). Sin embargo como se evidencia en la ¡Error! No se encuentra el origen de la
eferencia. , el material proveniente de la fuente de material N°1 de acuerdo a sus características
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de LL e IP está muy cerca de convertirse o formar parte del grupo A6 con lo cual se consideraría
que el material podría tener una incidencia negativa, si se llegase a utilizar para la configuración
de alguna de las estructuras del pavimento, básicamente porque los suelos pertenecientes al
grupo A6 son catalogados como típicamente arcillosos plásticos y experimentan generalmente
grandes cambios de volumen entre los estados seco y húmedo, los cuales no serían
recomendables para su utilización en una estructura de pavimento.
Realizando la comparación entre los métodos de clasificación realizados en el presente
estudio, se observa que dichos métodos difieren de diferentes formas, en cuanto a la
caracterización de los materiales. El valor de azul de metileno los caracteriza como Lma, Lma,
Lpa, el sistema de clasificación USCS los categoriza como CL, ML, ML, el sistema AASHTO
los caracteriza como A4, A4, A4 y la NSR-10 tipifica su potencial de expansión como Bajo,
Bajo, Bajo, para las fuentes de materiales N°1, N°2 y N°3 respectivamente, lo que indica que
existen diferencias o discrepancias en su clasificación, ya que según el valor de azul de metileno
se clasifican como limos y según el USCS se clasifican como CL y ML.
De acuerdo a los estudios y ensayos realizados en el presente documento se puede
establecer como él VA es el método que mejor clasifica los diferentes materiales en su fracción
fina, ya que indica las características del material y su potencial de incidencia negativa que puede
llegar a presentar dentro de la estructura.
Los parámetros IP (índice de plasticidad) y LL (límite liquido), brindan una buena guía a
la hora de identificar materiales con comportamiento expansivo, sin embargo siempre se
requerirá de un ensayo adicional para validar el potencial de expansión de los materiales.
Se observa como la geología influye directamente en las propiedades físicas y químicas
de los materiales utilizados, evidenciando que formaciones geológicas donde predominan las
rocas con presencia de arcillas, estas influyen en el potencial de actividad (expansión) de los
materiales.
Se recomienda la elaboración de especificaciones y normas particulares para materiales a
utilizar en las estructuras de pavimentos, dependiendo del lugar, disponibilidad y calidad del
material, ya que en situaciones donde no se puede cumplir las especificaciones vigentes en
cuanto a porcentaje de finos, se pueda dar aval de la utilización de estos materiales previa
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verificación mediante un solo ensayo como el denominado Valor de Azul de Metileno, el cual
otorgara las características de comportamiento del material.
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