a) Drenaje; A pesar de Ja importancia que se concede al drenaje en el diseño de carreteras, los métodos corrientes de dimensionamiento de pavimentos incluyen con frecuencia capas de base de baja permeabilidad y consecuentemente de difícil drenaje. El método deja en libertad al Ingeniero de Diseño para identificar cual nivel o calidad de drenaje se logra bajo una serie específica de condiciones de drenaje.

Se dan a continuación las definiciones generales correspondientes, para diferentes niveles de drenaje de la estructura del pavimento.

El tratamiento para el nivel esperado de drenaje de un pavimento flexible se logra a través del empleo de coeficientes de capas modificadas: esto es, se podrá usar un coeficiente de capa efectivo más alto para mejorar las condiciones de drenaje. El factor de modificación del coeficiente de capa se denornina mi y ha sido integrado dentro de la ecuación del número estructural (SN) a partir del coeficiente de capa (ai) y el espesor (di).

La Tabla 5.45 muestra los valores que recomienda la AASHTO para mi de acuerdo con la calidad del drenaje y el tiempo en el año durante el cual se espera que el pavimento esté normalmente expuesto a niveles de humedad cercanos a la saturación. Los factores que muestra dicha tabla son aplicables solamente a capas granulares. 

a) Módulo resiliente de la subrasante: La base para la caracterización de los materiales de subrasante en este método, es el módulo resiliente o elástico. Este módulo se determina con un equipo especial que no es de fácil adquisición y por tal motivo se han establecido correlaciones para determinarlo a partir de otros ensayos. Heukelom y Klomp, han encontrado una relación entre el Mr medido en el campo y el CBR cte laboratorio para la misma densidad.

Mr(psi) = 1500 CBR

Expresión que se considera razonablemente aproximada para suelos finos con un CBR sumergido no mayor de 10.

Para la utilización del método en Venezuela, por ejemplo, se ha considerado la utilización de las siguientes ecuaciones de correlación:

Para suelos finos:

Mr = 1500 x CBR; para CBR < 7.2%
Mr = 3000 x CBR; 065 para CBR de 7.2 a 20%

La primera ecuación es la sugerida en la guía AASHTO, mientras que la segunda fue desarrollada en Sudáfrica.

Para suelos granulares, la siguiente ecuación desarrollada con base en la propia guía ofrece una buena correlación:

Mr — 4326 x In CBR + 241

Por otra parte, la guía establece un nuevo procedimiento para determinar el valor soporte efectivo de la subrasante, en función de las variaciones climáticas. De acuerdo con el valor Mr estacional se determina un valor de daño relativo (uf) que permite extrapolar y ponderar las características de los suelos a las condiciones climáticas particulares de cada proyecto.

Como se indicó, el método requiere determinar el valor Mr en las distintas condiciones en que el suelo se encuentre durante el año (saturado, húmedo y seco) trabajos realizados en Venezuela sugieren el siguiente procedimiento para suelos finos: determinar el CBR - húmedo y CBR - saturado con una misma probeta de ensayo, y estimar el CBR - seco mejorando en 1.6 veces el CBR - húmedo. Luego se completa el procedimiento con las ecuaciones de correlación indicadas.

b) Características de los materiales del pavimento: la caracterización de las diversas capas del pavimento se efectúa a través de sus módulos de elasticidad, obtenidos por ensayos normalizados de laboratorio.

El método no presenta requisitos específicos respecto de la calidad de los materiales de subbase, resultando aceptable cualquier material convencional. El uso de la subbase en este método requiere del empleo de un coeficiente de capa (a3) para convertir su espesor en un número estructural (SN), que es el indicativo del espesor total requerido de pavimento.

En relación con la base, esta podrá ser granular o estabilizada y los requisitos de calidad deben ser superiores a los de subbase. El material estará representado por un coeficiente (a2) que permite convertir su espesor real a su número estructural.

Respecto a la capa de rodadura, consistirá en una mezcla de agregados pétreos y un producto bituminoso.

La mezcla se deberá diseñar y construir de modo que no solo preste una función estructural, sino que además, resista la fuerza abrasiva del tránsito, proporcione una superficie antideslizante y uniforme y prevenga la penetración del agua superficial.

c) Coeficiente de capas: el método asigna a cada capa del pavimento un coeficiente (Di), los cuales son requeridos para el diseño estructural normal de los pavimentos flexibles. Estos coeficientes permiten convertir los espesores reales a números estructurales (SN), siendo cada coeficiente una medida de la capacidad relativa de cada material para funcionar como parte de la estructura del pavimento. El método presenta cinco categorías de estos coeficientes, de acuerdo con el tipo y función de la capa considerada: concreto asfáltico, base granular, subbase granular, base tratada con cemento y base asfáltica.

• concreto asfáltico: la Figura 5.28 proporciona un gráfico que puede emplearse para estimar el coeficiente (a1) de la capa estructural de una rodadura de concreto asfáltico de gradación densa, con base en su módulo elástico (resiliente) a 20°C (68°F).
• Bases granulares: La Figura 5.29 muestra un gráfico que puede emplearse para estimar el coeficiente estructural a2, a partir de uno de cuatro resultados de ensayos diferentes de laboratorio sobre un material granular de base, incluyendo el módulo resiliente de la base.
• Bases estabilizadas: La Figura 5.30 muestra el gráfico que puede ser empleado para hallar el coeficiente a2 de una base de suelo cemento, a partir de su módulo elástico o de su resistencia a compresión a 7 días y la Figura 5.31 presenta el ábaco para hallar el coeficiente correspondiente a las bases asfálticas, en (unción de su módulo o su estabilidad MarshalL

• Subbases granulares: En la Figura 5.32 es posible determinar el coeficiente (a3) para una subbase granular en función de los mismos ensayos considerados para las bases granulares. 

 Figura 5.28 Grafica para hallar a1 en función del modulo resilente del concreto asfáltico.

Figura 5.29 Variación de coeficiente a2 con diferentes parámetros de resistencia de la base granular.

Figura 5.30 Variación de a2 en bases tratadas con cemento para diferentes parámetros de resistencia.

Figura 5.31 Variación de a2 en bases tratadas con asfalto para diferentes parámetros de resistencia.

Figura 5.32 Variación del Coeficiente a3 con diferentes parámetros de resistencia de la subbase.

a) Serviciabilidad: La serviciabilidad de un pavimento se define como Ja idoneidad que tiene el mismo para servir a la clase de tránsito que lo va a utilizar, la mejor forma de evaluarla es a través del índice de servicio presente (PSI), el cual varía de O (carretera imposible) hasta 5 (carretera perfecta). La filosofía básica del diseño es el concepto del comportamiento y capacidad de servicio, el cual proporciona un medio para diseñar un pavimento con base en un volumen específico de tránsito total, y con un nivel mínimo de serviciabilidad deseado, al final del período de diseño.

La escogencia de un índice más bajo que puede tolerarse antes de que sea necesario un refuerzo o una rehabilitación, la AASHTO sugiere un valor de 2.5 para las autopistas y vías principales y 2.0 para las demás carreteras.

Teniendo en cuenta que la serviciabilidad final de un pavimento (Pt) depende del tránsito y del índice de servicio inicial (P0), es necesario hacer una determinación de este último.

En el ensayo AASHTO, se obtuvo un valor de 4.2 para los pavimentos flexibies, pero cada entidad podrá elegir un valor apropiado para sus condiciones y características constructivas.

Una vez establecido F0 y Pt, se aplica la siguiente ecuación para definir el cambio total en el índice de servicio:

a) Restricciones de tiempo: En este aparte se incluye la escogencia de los datos de entrada para los períodos de análisis (período de diseño — periodo de análisis) que afectarán o restringirán el diseño del pavimento desde el punto de vista del tiempo. Es decir, permiten seleccionar diversas estrategias de diseño, desde estructuras construidas para que duren todo el período de análisis hasta construcción por etapas con una estructura inicial y colocación de sobrecapas programadas.

Período de diseño: Es el tiempo que dura una estructura inicial de pavimento antes de que requiera rehabilitación. También se refiere al lapso entre dos rehabilitaciones sucesivas.

Período de análisis: Se refiere al período para el cual se va a adelantar el análisis, es decir, el transcurso de tiempo que cualquier estrategia de diseño debe cubrir. El periodo de análisis es análogo al término “período de diseño’.

b) El tránsito: El método de diseño se basa en el número de ejes equivalentes de 18 Kips en el carril de diseño (W) valor que es conocido en nuestros métodos de diseño como N.

c) Confiabilidad: Se entiende por confiabilidad de un proceso diseño comportamiento de un pavimento a la probabilidad de que una sección diseñada usando dicho proceso, se comportará satisfactoriamente bajo las condiciones de tránsito y ambientales durante el periodo de diseño.

La confiabilidad pretende incorporar algún grado de certidumbre al procedimiento de diseño, para asegurar que las diferentes alternativas de éste se mantengan para el período de análisis. El factor de confiabilidad de diseño tiene en cuenta variaciones al azar tanto en la predicción del tránsito como en la predicción del comportamiento y por lo tanto proporciona un nivel predeterminado de confianza (R) en que los tramos del pavimento sobrevivirán al período para el cual fueron diseñados.

En general, a medida que crece el volumen del tránsito, la dificultad de que presente tránsito divergente y la expectativa pública de disponibilidad, aumentan el riesgo de no cumplir con dichas expectativas, debe ser minimizado.

Esto se logra escogiendo niveles mayores de confiabilidad. La Tabla 5.44 presenta niveles de confiabilidad recomendables, para clasificaciones funcionales diferentes. Obsérvese que los niveles mas elevados corresponden a las vías que reciben el mayor uso, mientras que los de nivel más bajo, el 50% corresponden a las carreteras locales.

Los valores de S0 desarrollados en el AASHTO ROAD TEST no incluyeron error por el tránsito. Sin embargo, el error en la predicción del comportamiento desarrollado en el tramo de ensayo fue de 0.35 para los pavimentos flexibles, lo cual corresponde a una desviación estándar total de 045.

d) Efectos ambientales: la actual guía de diseño de la AASHTO tiene en cuenta los efectos que sobre el comportamiento de un pavimento tienen los factores ambientales. Los cambios de temperatura y humedad, por  ejemplo, pueden tener efecto sobre la resistencia, (a durabilidad y la capacidad de resistir cargas de Los materiales, del pavimento y de la subrasante. Otro impacto ambiental importante, es el efecto directo que la expansión de la subrasante, puede tener sobre la pérdida de la calidad de Ja rodadura y la serviciabilidad.

A partir de los resultados del AASHTO ROAD TEST, el comité de diseño de la AASHTO produjo en 1972 la “Guía provisional AASHTO para el diseño de pavimentos rígidos y flexibles”, la cual se basó, además, en los procedimientos de diseño existentes.

Después de haber sido utilizado por algunos años, éste fue ajustado dando origen a la versión de 1986, a la cual se incorporó nuevas consideraciones entre las que cabe mencionar la confiabilidad del diseño, los módulos de elasticidad de la subrasante y las capas del pavimento, los factores ambientales de temperatura y humedad, el drenaje, aspectos económicos, procedimientos de diseño para construcción por etapas y el conocimiento de los diseños de tipo empírico.

Este método de diseño permite el empleo de asfalto sólido o emulsiones asfálticas, en la totalidad o en parte de la estructura del pavimento, e incluye varias combinaciones de capa cte rodadura y bases de concreto asfáltico; de capa de rodadura y bases con emulsiones asfálticas, así como capas de rodadura asfálticas con base y subbase granulares.

EL método considera al pavimento corno un sistema elástico de varias capas y para su análisis se emplean conceptos teóricos y experimentales, así como datos de ensayos y un programa de computador, sin embargo, con el objeto de simplificar el método el Instituto del Asfalto, después cte varias corridas de su programa, obtuvo una serie de gráficas que permiten la aplicación del método en forma rápida y sencilla.

Los espesores y características de las diversas capas de la estructura, se determinan de tal forma que se cumplan dos condiciones básicas: que las deformaciones por tracción producidas en la fibra inferior de las capas asfálticas y las deformaciones verticales por compresión en la parte superior de la subrasante no superen los valores admisibles.

La selección de materiales para diseño de pavimentos está basada en una combinación de factores como calidad, disponibilidad, economía y experiencia previa de uso. Estos factores necesitan ser evaluados durante el diseño, en orden a seleccionar los materiales que mejor se adapten a las condiciones del  proyecto.

El procedimiento de diseño generalmente tiene en cuenta las características de los materiales definidos en las especificaciones generales de construcción de carreteras del I.N.V. La clasificación de los materiales está dada en la Tabla 5.22. Se han establecido símbolo, código, descripción y especificaciones abreviadas; los códigos listados se usan extensivamente en el catálogo de diseño y en las normas de ensayo de I.N.V. Las especificaciones que aparecen abreviadas podrán consultarse en detalle en la Tabla 5.22. 

Una vez obtenidos los resultados de los módulos resilientes se debe seleccionar el valor de diseño para cada una de las unidades homogéneas. Las estructuras propuestas en el catálogo tiene implícita una confiabilidad del 90%, que se alcanza siempre y cuando se entre con los valores medios de la subrasante y el clima. Para determinar el valor medio del módulo resiliente d la unidad se debe proceder así:

Como primer paso se debe encontrar el valor medio de los valores de los módulos resilientes determinados para cada uno de los suelos presentes en la unidad, y como segundo y último paso se debe calcular el valor medio ponderado de Ja unidad utilizando como criterio de ponderación la relación entre la extención del depósito de suelo y la longitud total de la unidad considerada.

Si el parámetro evaluado es el C.B.R. se debe utilizar la correlación: MR (Kg/cm2) =100 CBR, pero si se cuenta con correlaciones entre el CR y MR particulares para suelos de la zona del proyecto con aceptable coeficiente de correlación, se pueden usar para inferir el módulo resiliente de la unidad.

Según el módulo resiliente encontrado, se clasifica la subrasante de acuerdo con las categorías indicadas en la Tabla 5.21. 

Uno de los más importantes principios que deben ser atendidos en la aplicación de conceptos estad(sticos para el análisis de pavimentos es el hecho que cuando se conduce cualquier programa de muestreo y ensayos, es imperativo que se adopte un completo método aleatorio para la selección.

Cualquier medición realizada sobre una población da sólo una estimación de la verdadera media poblacional y desviación estándar. Lógicamente, a medida que el número de muestras se incrementa, las estimaciones se vuelven más precisas y la confiabilidad del muestreo aumenta.

En programas de muestreos y ensayos, frecuentemente se desea saber qué tan seguro se está de que el valor medio obtenido esté dentro de los límites especificados, cuando un número dado de muestras son usadas; o, dicho de otro modo, cuantas muestras serán necesarias para que el resultado esté dentro de un determinado intervalo para alcanzar cierto grado de confianza en la estimación.

Estas preguntas pueden ser resueltas mediante el concepto de estimación estadística o niveles de confianza. La filosofía básica de estos niveles de confianza se explica por el concepto de la probabilidad o seguridad que la diferencia entre el valor medio de la muestra y el valor medio de la población esté dentro de los límites preestablecidos. Inicialmente se debe definir el error permitido es decir Cuánto es conveniente que se aleje la media del muestreo (Xmed) de la media de la población (u), posteriormente escoger el nivel de confianza o probabilidad de que la diferencia entre (Xmed - ) sea igual o menor que el valor establecido como máximo error permitido.

Se usará la expresión de intervalo de confianza de dos lados para una distribución Normal.

Se sugiere un nivel de confianza del 90% y un máximo error permitido en términos de % de CB.R. igual a 1% para suelos finos y de 2% para suelos granulares, y en términos de MR igual a 100 kg/cm2 en suelos finos y 200 Kg/cm2 en suelos gruesos.

Para el nivel de confianza del 90%: 

Los procedimientos para el diseño estructural de pavimentos asfálticos por este método de diseño es aplicable a carreteras y autopistas interurbanas y caminos rurales en la República de Colombia. No contempla los diseños de pavimentos para áreas urbanas ni los pavimentos de hormigón de cemento portland.

Los diseños y metodología están basados en una combinación de métodos existentes, experiencia y la teoría fundamental de comportamiento de estructuras y materiales, Sin embargo, los procedimientos propuestos no necesaria- merite excluyen otros métodos de diseño, pudiendo el proyectista dar soluciones verificadas con otros instrumentos, pero respetando las recomendaciones generales dadas en el método. El catálogo de estructuras fue definido utilizando principalmente el método AASHTO.

La estructura del pavimento tiene el propósito de proteger la subrasante por medio de la provisión de capas de diferentes materiales con el fin de alcanzar el nivel de servicio deseado, con rehabilitación durante el período de análisis al menor costo posible. Para ello, se deberán considerar factores de tiempo, tránsito, materiales, suelos de subrasante, condiciones ambientales, detalles constructivos y económicos. El método cubre un rango de tipos de pavimentos y materiales actualmente usados en la práctica local, además de nuevas tipologías que se incluyeron por la eficiencia demostrada en Otros Lugares del mundo con características similares a las colombianas.

El método de diseño pretende uniformizar los estudios de pavimentos en el país y lograr soluciones equivalentes mediante la utilización del catálogo donde todas las estructuras propuestas tienen iguales índices de serviciabilidad inicial y final.

El catálogo estructural incluido en el presente manual requiere que la subrasante sea clasificada en alguna Categoría que refleje la gran sensibilidad del diseño a la resistencia del suelo. Dichas categorías se definen en (a Tabla 5.4, aclarando que aquellos suelos cuyo CBR sea inferior a 2 requieren un tratamiento especial de adecuación.

En la eventualidad, de no disponer de información sobre la resistencia de la subrasante, la categoría se puede establecer de manera aproximada a partir del conocimiento del tipo de suelo y la posición del nivel freático en la época

en que éste se encuentre más cerca de la superficie, tal como lo muestra la Tabla 5.5, la cual no es aplicable a suelos predominantemente limosos o micáceos  ni a arcillas orgánicas o tropicales intemperizadas.

En Colombia, es práctica habitual el empleo del ensayo CBR de laboratorio para determinar la resistencia de los suelos con fines de diseño de pavimentos.

En áreas donde existan pavimentos construidos sobre la misma subrasante, es lícito efectuar medidas directas de su resistencia mediante el ensayo CBR de campo (Norma de Ensayo INV E-) o empleado el penetrómetro dinámico de cono, cuyos resultados pueden extrapolarse a la vía de estudio. De acuerdo con pruebas realizadas hace algunos años por el MOPT, el CBR se puede obtener en este último caso a través de la expresión:

Siendo ND el número dinámico o pendiente de la recta de penetración dentro del suelo (mm/golpe).

Salvo si se realizan directamente bajo pavimentos existentes, las pruebas de CBR de campo y de penetrómetro no son muy recomendables, por la dificultad que existe para asegurar que las condiciones de humedad y densidad dominantes durante el ensayo corresponden a las que prevalecerán bajo el pavimento construido.

Definición del perfil y programación de los ensayos de resistencia  

Completada la exploración y clasificados los suelos por un sistema convencional con el apoyo de la clasificación visual, se deberá elaborar un perfil para cada unidad, con base en el cual se determinan los suelos que controlarán el diseño y se establecerá el programa de ensayos para establecer su resistencia.

Si en un determinado tramo se presenta una gran heterogeneidad en los suelos de subrasante que no permita definir uno como predominante, el diseño se basará en el más débil que se encuentre.

Dada la variabilidad que presentan Los suelos (aun dentro de un mismo grupo), así como los resultados de los ensayos de resistencia, el Instituto de Asfalto recomienda la ejecución de 6 a 8 ensayos por suelo, con el fin de aplicar un criterio estadístico para la selección de un valor inicio de resistencia del 5uelo. Teniendo en cuenta los volúmenes de tránsito de las carreteras de que trata el método de variabilidad de las condiciones y los resultados de los ensayos, así como algunos conceptos de tipo económico parece recomendable la elección de un valor de diseño tal, que el 75% de los valores de resistencia sean inferiores a él, lo que implica que es de esperar un deterioro prematuro hasta en el 25% del pavimento que se construya.

La ley ha fijado al Instituto Nacional de Vías la responsabilidad de apoyar a los entes territoriales tanto en los aspectos de organización de sus agencias viales, como en los de transferencia de tecnología. 

En cumplimiento de este último principio, el INV ha preparado el Manual de diseño de pavimentos asfálticos en vías con bajos volúmenes de tránsito, en el cual se ofrecen recomendaciones en relación con el diseño de pavimentos para vías rurales con escasos volúmenes de tránsito pesado, a partir de información básica que resulte accesible a las frecuentemente reducidas posibilidades de los entes viales de los organismos territoriales.

El dimensionamiento de la estructura de un pavimento es un tema que preocupa a los técnicos de carreteras desde el comienzo de este siglo. Durante mucho tiempo, se han utilizado métodos que tienen gran correlación experimental y considerable tiempo de uso para su verificación. Estos métodos suelen clasificarse en tres grupos:

a) Métodos totalmente empíricos, en los que generalmente se emplean factores de seguridad muy altos, lo que trae consigo que se obtengan espesores excesivos que no responden a las verdaderas necesidades de la vía en estudio. Ejemplo de ellos son los métodos fundados en una clasificación de los suelos, como el del Índice de Grupo.
b) Métodos semiempíricos, basados en ensayos arbitrarios de laboratorio correlacionados con teorías más o menos razonables. Entre éstos se encuentran todos los basados en el ensayo COR, el método de Hveem y el de Texas.
c) Métodos racionales, basados en consideraciones teóricas sobre distribución de esfuerzos y deformaciones. Entre éstos se encuentra el Navy, Shell e Instituto del Asfalto (versión 1981).

Aunque la mayor parte de la información de que se dispone en nuestro medio proviene de los Estados Unidos de América, en los últimos años se han difundido criterios de origen europeo, que han contribuido a dar una visión más amplia y general sobre el diseño de pavimentos. Sin embargo, es conveniente tener en cuenta que los espesores obtenidos al aplicar los métodos enunciados, son válidos para el lugar donde han sido establecidos, no pudiéndose aplicar, sin riesgos, en otras regiones con distintas condiciones climáticas y de tránsito. Por lo que su empleo en otro sitio debe estar condicionado a la experimentación y a las modificaciones que de modo forzoso deben realizarse en los lugares donde se pretende aplicarlos.

La estabilización, como ya se dijo, es un proceso mediante el cual se trata de modificar un suelo o un agregado procesado para hacerlo apto o mejorar su comportamiento corno material constitutivo de un pavimento.

En nuestro medio, talvez, los más conocidos productos estabilizantes son: la cal, el cemento y el asfalto, cuyos rangos generales de aplicabilidad se muestran en la Figura 4.2. La tabla 4.10 presenta, además, una comparación muy amplia de estas técnicas de mejoramiento. Tanto la figura como la tabla constituyen sólo guías globales, razón por la que la definición del tipo de estabilizante y la cantidad por utilizar debe ser estudiado en forma detallada para cada proyecto. 

Mediante los ensayos de granulometría, próctor y CBR se hace la clasificación y la caracterización geotécnica de los suelos con la determinación de su densidad máxima seca y humedad óptima así como la curva de relación entre el índice de soporte California (CBR) y la densidad.

Para cualquier valor de densidad en sitio, medido en el suelo caracterizado, las curvas permiten determinar el valor del CBR correspondiente, por norma, un suelo está bien compactado en sitio cuando se logra el 95% del valor de su densidad máxima seca, por cuanto con los equipos convencionales de compactación, compactando por capas de 30 cms, con rendimientos aceptables, éste es el valor que se logra.

Por tanto, para determinar el valor del CBR de diseño de un suelo se entra en su curva de C8R con el valor de densidad correspondiente al 95% de la densidad máxima seca.

Cuando un suelo fino o mezcla de éste con materiales granulares (gravas y/o arenas) se estabiliza con aceite sulfonado, su efecto permite una mejor orientación de sus partículas en la masa, reduce la humedad y energía de compactación y contribuye a que la densidad de valores alrededor del 100% del próctor.
Por el incremento del CBR del suelo de fundación se logran reducciones importantes en el espesor total del pavimento.

Al desprenderse el agua pelicular de los finos, en un proceso electroquímico irreversible y drenar como agua libre, las particular sedimentan y se orientan de tal forma que se atraen entre sí. De esta forma se logra una alta densificación de la masa que pr4cticamente elimina La estructura poroso-capilar y la succión de agua por tensión superficial.

En las experiencias de Venezuela, los suelos tratados con aceite sulfonado han disminuido su humedad entre 30% y 90% con respecto a la óptima y su densidad se ha incrementado hasta el 15% en relación a la densidad máxima seca, por o cual también disminuyeron su permeabilidad. Esta notable reducción de la humedad y el tiempo que requiere la acción electroquímica (mínimo 60 días), son las razones por las cuales no se reproduce este efecto en el laboratorio.

Después del tratamiento con el aceite sulfonado el proceso electroquímico continúa produciéndose en el terraplén con el tiempo, por lo cual la densidad y compactación de la masa aumenta gradualmente con el tráfico vehicular. El ciclo de medición adecuado es de 1 año, durante el mismo podrían realizarse varias lecturas, con el propósito de que el terraplén y pavimento sufran los procesos de humedecimiento y secamiento debidos a las temporadas de lluvias y sequía. Este proceso hace que la estructura porosocapilar del suelo y la permeabilidad se reduzcan al mínimo.

Las partículas tinas de arcillas y limos, debido a su composición mineralógica, tienen exceso de iones negativos (aniones), por la cual atraen los iones positivos (cationes) del agua, haciendo que ésta se adhiera a ellas, formando el agua pelicular.

El aceite sulfonado, por su composición química, tiene un enorme potencial de intercambio iónico. Cuando se colocan pequeñas cantidades del producto en agua, activan los iones h+ y (OH)^- de ella, ionizándola, la cual intercambia vigorosamente sus cargas eléctricas con las partículas del suelo, haciendo que el agua adherida a las partículas rompa su enlace electroquímico y se desprenda convirtiéndose en agua libre, que drena por gravedad, evaporación y compactación.

Esta relación electroquímica, de intercambio jónico, es permanente.

El aceite sulfonado es un producto derivado de la fracción naftaleno del petróleo, sulfonado; ácido de acción corrosiva en materiales orgánicos muertos y suave en los vivos. Es un líquido espeso de color negro con una gravedad específica de 1.15, el PH es alrededor de 1.25, su viscosidad es ligeramente menor a la del agua, soluble en ella, a la cual ioniza con extrema rapidez: en solución acuosa es de alta conductividad.

Todos los ingenieros viales saben o al menos sienten, la influencia del agua en sus problemas cotidianos, en especial porque ellos se presentan con mucha mayor frecuencia en épocas lluviosas. Son muchos los mecanismos a través de los cuales el agua actúa sobre la estabilidad de una masa de suelo, pero

A. Rico señala los siguientes como los más importantes:

1. Al saturarse un suelo que antes estaba parcialmente saturado, se pierde la tensión superficial existente en el interior de la masa, la cual le proporcionaba una cohesión aparente.

2 El peso de la masa del suelo aumenta al crecer su humedad.

3. El flujo de agua puede disolver algunos cementantes que pudieran existir dentro del suelo. Esta, por ejemplo, es la causa de la poca durabilidad de una estabilización con sal.
 

4. El flujo de agua en la masa de suelo produce elevación del nivel piezométrico, lo que trae como resultado aumento de las presiones neutras y la consecuente disminución de La resistencia al corte.

Conocidos tos efectos del agua en el comportamiento del suelo, le quedan al ingeniero dos alternativas: la primera, que consiste en tratar de mantener el agua alejada, criterio que no parece el mejor en vías terrestres, por cuanto las obras por construir serían muy costosas y el agua obstaculizada puede desarrollar presiones inconvenientes: y la segunda, que es la más lógica, consiste en diseñas las estructuras adecuadas de subdrenaje que permitan encauzar el agua por gravedad y eliminarla a las presiones más bajas posibles.

Las resinas sintéticas empleadas para la fabricación de plásticos y las naturales como el Vinsol pueden utilizarse como impermeabilizantes de suelos en cantidades relativamente pequeñas (1 a 2°/o) porque, para contenidos mayores, la absorción de agua, medida por cualquier ensayo, aumenta. Las resinas no producen en los suelos aumentos de resistencia de ninguna consideración y actúan solamente sobre suelos ácidos. Tienen además, como desventajas, el elevado costo, su degradación por parte de los micro-organismos del suelo y la dificultad práctica que presenta su mezcla con el suelo en tan pequeñas cantidades.

Experiencias realizadas en la India, indicaron que el hidróxido de calcio estabilizaba adecuadamente los suelos de tipo laterítico a los cuales hacía fácilmente compactables. Sin embargo, su costo, sus efectos cáusticos y la carbonatación rápida que sufre al contacto con el aire, son desventajas que hacen que su uso sea demasiado limitado.

La sal como estabilizante es apropiada en todos los suelos, salvo aquellos que contienen materia orgánica. La sal puede agregarse al suelo seco, en cristales o en forma de salmuera y produce una capa con superficie lisa y uniforme, Aunque no se conoce completamente el mecanismo por medio del cual se produce la estabilización, se cree que se producen reacciones coloidales a través de las cuales el ión sodio del aditivo desplaza los iones naturales de los minerales arcillosos del suelo. La principal desventaja que se presenta es la solubilidad de la sal, lo que hace que pueda ser fácilmente lavada por el agua de percolación, Lo que se traduce en una escasa durabilidad de la capa estabilizada. Un estudio realizado en el antiguo MOPT con una arcilla de baja compresibilidad de Manaure (Guajira) indicó que la adición de sal produce modificaciones de escasa importancia en los límites líquido y plástico, aumentos en la humedad Óptima de compactación y disminuciones en la densidad máxima y, curiosamente, en la resistencia a la compresión inconfinada.

La estabilización con este producto, aunque se ha mostrado efectiva, parece lejos de llegar a imponerse, por cuanto las cantidades requeridas para mejorar los suelos son similares a las de cemento y cal, siendo su costo muchas veces mayor. La ventaja más importante del ácido fosfórico en la contención de suelos, consiste en el rápido desarrollo de la acción cementante además de que se obtienen densidades mayores a las correspondientes al suelo sin tratar, aspecto éste en el cual se distingue de los otros estabilizantes químicos.

Se ha determinado que la cantidad necesaria de ácido para estabilizar un suelo, es función de la fracción arcillosa de éste. Suelos del tipo A-7-6 (14) con índice plástico de 22, requirieron 2%, mientras que Otros A-7-5 (20) con índice plástico de 46 necesitaron más del 4%. Se ha observado, además, que este método de estabilización no es efectivo en suelos con grandes cantidades de carbonato de calcio, por cuanto éste consume buena parte del ácido, disminuyendo la acción correctora del estabilizante.

La determinación del porcentaje óptimo de asfalto que debe intervenir en la estabilización, depende básicamente del objetivo buscado. En el caso de suelos friccionantes. a los cuales el asfalto les brinda la cohesión que no tienen, lo que se intenta es obtener la máxima resistencia posible, lo cual se logra añadiéndoles el contenido óptimo de asfalto determinado por medio de algunos de los ensayos corrientes de estabilidad como el Hubbard.Field modificado, el Marshall para mezclas con asfaltos líquidos o el del penetrómetro de cono.

Cuando se estabiliza un suelo cohesivo, lo que se pretende es que el asfalto le brinde estabilidad ante el agua, caso en el cual la dosificación puede obtenerse a partir de ensayos de absorción de agua.

Son ensayos corrientes en este caso, el de absorción de agua, normalizado por el Instituto del Petróleo y el de extrusión, con el cual puede determinarse también la máxima resistencia.

En el caso de suelos granulares de buena gradaci6n, peo con finos excedidos de plasticidad, (a estabilización con asfalto produce un buen medio para neutralizar su acción perjudicial y hacer apto el material para la construcción de bases. En este caso el ensayo más utilizado es el C.B.R. con el cual se busca que la mezcla presente buena resistencia y a la vez estabilidad suficiente a la absorción cuando se somete a inmersión antes de la penetración. Las especificaciones aceptan generalmente un C.B.R. de 80, previa inmersión en agua, para hacer aceptable la estabilización como capa de base de un pavimento semirrigido.

Se aprecia que al aumentar el porcentaje de asfalto disminuye la densidad máxima, quizás a causa de la mayor viscosidad de la película de fluído que rodea las partículas. Al mismo tiempo, se observa un incremento en el porcentaje óptimo del fluido.

La disminución de la densidad no es muy importante si se tiene en cuenta que las propiedades mecánicas mejoran, obteniéndose, por ejemplo, aumentos de resistencia disminuciones en la capacidad de absorción de agua. 

Se ha podido demostrar también, que la estabilidad de las mezclas suelo-agua asfalto líquido depende del tiempo que dure la mezcla de los ingredientes. En efecto, la estabilidad aumenta con el tiempo de mezclado hasta alcanzar un máximo a partir del cual comienza a decrecer. En este aspecto, los materiales bituminosos se diferencian de los demás estabilizantes en cuanto al hecho de que puede no ser aconsejable obtener una mezcla lo más íntima posible. La absorción de agua de probetas compactadas, que puede tomarse corno medida inversa de su resistencia, decrece hasta cierto instante en el cual aumenta, reduciendo la impermeabilización, Corno explicación, puede decirse que los grumos de suelo que ha cubierto el asfalto, se rompen por el mezclado excesivo y por consiguiente, el asfalto debe extenderse sobre una superficie mayor en forma de una película más fina que ya no es tan impermeable.

Uno de los requisitos más importantes de este tipo de estabilización, es la necesidad de que las condiciones metereológicas sean adecuadas. En zonas húmedas, por ejemplo, la cantidad de agua de un suelo fino es bastante alta durante la mayor parte del año y la adición de más fluídos (asfaltos líquidos o emulsiones), puede dar lugar no sólo a una pérdida de resistencia, sino que el suelo puede alcanzar una consistencia que hace muy difícil la compactación.

Por último, el tiempo de curado de las mezclas, la temperatura a la que se realice, es muy influyente en La resistencia obtenida. A mayor temperatura de curado, más resistencia y si la temperatura es alta, tanto mejor, porque más rápidamente se evaporan los solventes y se ha encontrado que la resistencia es inversamente proporcional al contenido del solvente en el momento del ensayo. La temperatura en el momento del ensayo produce, en cambio, un efecto contrario. Entre más alta sea, menor será la resistencia, a causa del reblandecimiento del asfalto por el calor.

En la estabilización con productos bituminosos tales como asfaltos líquidos, emulsiones asfálticas y alquitrán.

La estabilización con estos productos persigue uno o ambos de los siguientes fines:

1. En suelos no plásticos o arenosos, se trata de que ejerza una acción ligante que unida a la fricción propia del suelo, evite deformaciones de la capa mejorada bajo la acción del tránsito.

2. En suelos cohesivos, se busca que el estabilizante aglomere las partículas de ardua y obture los vados, impermeabilizando al suelo y protegiéndolo contra la acción del agua.

En el país, la estabilización de suelos arenosos es en la que existe mayor experiencia. Aunque prácticamente todos los suelos responden a la estabilización con asfalto, los mejores resultados se obtienen con las arenas y las gravas arenosas, materiales a los que el asfalto da cohesión e impermeabilidad. Aunque la granulometría del material por ser estabilizado no es esencial se exigen los siguientes requerimientos:

— Tamaño máximo de partícula menor a 1/3 del espesor de la capa compactada.
— Más del 50% del material debe pasar el tamiz de 4.76 mm. Y más del 35 el de 0.425 mm,
— Entre 10 y 15% debe pasar el tamiz de 0.074 mm.
— El límite liquido de la fracción fina no puede ser mayor de 40 ni el indice plástico superior a 18.

El proceso para construir una base o subase de suelo-cemento puede resumirse en las siguientes operaciones.

1. Se perfila el camino transversal y longitudinalmente.

2. Se escarifica el suelo en el espesor adecuado de acuerdo al diseño del pavimento.

3. En caso de que se vaya a estabilizar una superficie existente se pulveriza el suelo escarificado, empleando rastras, arados de discos o mezcladoras rotativas. La pulverización se adelanta hasta que el 100% del suelo, excluidas las partículas de grava, pase por el tamiz de 25.4 mm. y al menos el 80% pase por el de 4.76 mm.

4. Se distribuye el cemento Portland sobre el suelo por tratar. La distribución, en la cantidad previamente definida según los ensayos de laboratorio, puede hacerse a granel por medio de camiones o por medio de bolsas colocadas a separaciones adecuadas.

5. Se mezcla el suelo con el cemento y se aplica la cantidad correcta de agua para una buena compactación y para la adecuada hidratación del cemento. El equipo más apropiado es la mezcladora en tránsito de paso sencillo, máquina que en una sola pasada pulveriza el suelo, le añade eL cemento y el agua, los mezcla y los deja extendidos listos para la compactación.

Sí no se dispone de dicho equipo, la mezcla puede hacerse con una mezcladora de paso múltiple o un arado de discos.

6. luego del mezclado se procede a la compactación a la mayor brevedad posible hasta alcanzar la densidad mínima exigida por las especificaciones, la cual debe ser el 98% de la máxima de la prueba Proctor estándar.

7. Se eliminan con una rastra de clavos los planos de compactación que se presentan, los cuales son costras superficiales que desmejoran la calidad de la capa estabilizada. Se perfila la superficie con motoniveladora y se hace una compactación final con un rodillo neumático.

8. La última operación Consistente en el curado de la capa compactada para asegurar que ésta conserva la humedad suficiente para la hidratación del cemento. El curado se realiza, por lo general, aplicando una película de emulsión asfáltica y Tipo CRR-1 en proporción de 0,4 litros/m2 sobre la superficie del suelo cemento, la cual debe encontrarse muy húmeda y libre de materiales extraños sueltos.

Aunque es deseable mantener la capa sin tránsito por una semana, esto no es siempre posible y por lo tanto debe aplicarse sobre el sello de curado, un riego de arena que permita la circulación segura de los vehículos.

El tipo de suelo
Tiene influencia principalmente por su composición química y su granulometría. Los suelos que pueden ser tratados con cemento con fines viales para obtener una estabilización económica se obtiene cuando el suelo no contiene partículas mayores de 7.5 cm o de un tercio del espesor de la capa tratada, menos del 50% de él pasa el tamiz de 0.074 mm, el límite líquido es inferior a 40 y el índice plástico menor a 18.
Algunas arcillas muy plásticas, que se salen de los límites anteriores, han sido exitosamente tratadas con cemento después de un tratamiento previo con 2 6 3% del mismo cemento o de cal hidratada, con el que se logra dar al suelo mayor trabajabilidad y abatir su plasticidad. El tiempo de curado para este tratamiento previo no suele exceder de 2 ó 3 días.

La cantidad de cemento
La dosificación de las mezclas de suelo-cemento viene a ser a fin de cuentas la cuestión fundamental pues el cemento, es el elemento mas costoso y fijar su proporción determina la factibilidad técnica de la estabilización, aparte de que as propiedades que se logren para la mezcla dependen también esencialmente de la cantidad de cemento que se emplee.

El diseño de la mezcla se hace en el laboratorio, siendo los ensayos que mas se utilizan para ello, el de durabilidad, llamado también de humedecimiento y secado y el de compresión simple sobre probetas compactadas bajo condiciones especificadas. Con relación al primero, las especificaciones fijan los valores aceptables en función del tipo de suelo que se estabilice, mientras que con respecto al segundo, fueron los ingleses quienes establecieron el ensayo de compresión para el diseño, luego de encontrar que para su medio ambiente, una resistencia a la compresión de 17.5 k/cm2 sobre probetas curadas a 15°C durante 7 días, equivalía a los resultados del ensayo de humedecimiento y secado.

En Colombia no se ha encontrado una relación consistente entre los resulta, dos de los dos ensayos y se fija un valor mínimo de 21 kg/cm2 cuando se diseña con base a compresión.

De otra parte no debe olvidarse que la resistencia de una mezcla de suelo-cemento se ve favorecida por el aumento de temperatura, lo que es benéfico en áreas tropicales, donde las temperaturas de curado suelen ser Superiores a las recomendadas por las normas utilizadas por países ubicados en zonas templadas.

Teniendo en cuenta que al fabricar mezclas de suelo-cemento, se llegan a obtener altas resistencias a la compresión (70 kg/cm2 ó más), las cuales no son convenientes por su susceptibilidad al agrietamiento, pues, finalmente se reflejan en la capa de rodadura; en la actualidad se fija un límite superior de 56 kg/cm2, valor hasta el cual se considera que el suelo-cemento presenta un comportamiento acorde con las exigencias de un pavimento flexible.

Si la mezcla de suelo-cemento se diseña mediante el ensayo de humedecimiento secado (norma de ensayo INVE-807), el contenido de cemento debe ser tal, que la pérdida de peso de la mezcla compactada, al ser sometida al ensayo de durabilidad (humedecimiento-secado), no supere los siguientes límites de acuerdo con la clasificación que presente el suelo por estabilizar. 

La cantidad de agua que se agrega a la mezcla

La incidencia de la humedad en calidad de la mezcla tiene su mayor importancia durante la compactación. 

Una buena compactación, debe obtenerse para una alta densidad seca y ella sólo se obtiene cuando el suelo tiene la humedad óptima. En los diseños de suelo cemento se usa generalmente como ensayo de control el 

Proctor normal en lugar del modificado, por cuanto aquel tiene una humedad óptima mayor, que proporciona la cantidad de agua adecuada para ¡a correcta hidratación del cemento. Además, como la densidad máxima del ensayo normal es menor, se evita el riesgo de obtener compactaciones muy elevadas y resistencias demasiado altas que, como ya se indicó, resultan también inconvenientes.

La compactación de la mezcla
Una mezcla satisfactoria de suelo cemento sólo puede obtenerse si se compacta adecuadamente.

Las demoras entre las mezclas y la compactación producen también una disminución de la densidad que puede alcanzarse al compactar la mezcla y por lo tanto de su resistencia. Por este motivo, en casi todos los países se prohíbe que pasen mas de 2 horas entre la mezcla y la compactación.

Debe tenerse presente que las mezclas de laboratorio presentan una resistencia mucho mayor que las que se elaboran en la obra. El TRRL ha encontrado valores de resistencia a la compresión del orden de 40 a 60% para mezclas elaboradas con equipo agrícola y de 60 a 80% al emplear un mezclador de tipo rotativo.

Curado de la mezcla compactada
La resistencia a la compresión de la mezcla de suelo-cemento, también se ve influida por su tiempo de curado. Experiencias de laboratorio indican que ésta aumenta cuando crece el tiempo de curado a que se somete la mezcla después de ser compactada.

La estabilización de suelos con cemento se inicia desde 1917, cuando Amies patentó un primer procedimiento de mejoramiento de suelos a base de mezclarles proporciones variables de cemento tipo Portland; desde entonces se ha popularizado la utilización del suelo-cemento, que es el nombre que se ha popularizado para referirse a la mezcla en mención.

La acción estabilizadora del cemento consta de varias etapas, la primera de las cuales es la acción de la naturaleza fibrosa del silicato de calcio que se forma cuando los granos del cemento entran en contacto con el agua. Debido a esta reacción se forman masas de fibras minúsculas que se traban fuertemente unas con otras y con otros cuerpos. La solución formada por la mezcla cemento y agua reacciona con las partículas del suelo, reacción en la que los iones de calcio tienden a agrumar las partículas de suelo cargadas negativamente produciéndose su floculación por acción de la gravedad. Por último, si se compacta la mezcla, se produce una reacción del calcio con la sílice y alúmina de tamaños coloidales produciéndose complejos compuestos de silicatos y aluminatos que aumentan lentamente la resistencia de la mezcla con el tiempo. A esta acción se la llama puzzolánica.

La reacción favorable suelo-cemento se ve muy impedida o nulificada cuando el primero contiene materia orgánica, pues los ácidos orgánicos poseen gran avidez por los iones de calcio que ¡ibera la reacción original del cemento y los captan, dificultando la acción aglutinante del propio cemento en los suelos gruesos o la estabilización de las partículas laminares en las arcillas. Por esta razón, las especificaciones de casi todos los países exigen que el contenido de materia orgánica en un suelo no sobrepase 1 a 2%, en peso, si ha de ser considerado apropiado para ser estabilizado con cemento. Es también nociva la presencia de sulfatos u otras materias ávidas de agua por cuanto privan al cemento de la humedad necesaria para el cumplimiento de sus funciones. Pero salvo estos dos inconvenientes, los demás suelos pueden tratarse con cemento para mejorar su comportamiento mecánico, siendo la principal limitación la dificultad que puede presentarse para obtener un buen mezclado con ¡as arcillas, motivo por el cual, en este caso, algunos recomiendan añadir previamente al suelo una pequeña cantidad de cal que facilite su manejo y pulverización y permita la posterior incorporación del cemento sin dificultad.

La adecuada construcción de una capa de pavimento con un material obtenido por estabilización granular depende fundamentalmente en la adecuada colocación de los diversos materiales sobre la vía para que a mezclarlos en vía, la mezcla se haga en las proporciones previamente calculadas y el producto obtenido tenga la gradación exigida. Una vez se haga la mezcla en seco, se incorpora la cantidad de agua necesaria, se hace la mezcla húmeda y se compacta y termina como cualquier base o subbase granular.