RECOMENDACIONES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS BASADO EN LA

UTILIZACIÓN DE BLOQUES DE POLIESTIRENO. CARACTERIZACIÓN

FÍSICA Y MECÁNICA.

JUAN NICOLAS FORERO MARCELO

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL

BOGOTA

2007

2

DISEÑO DE PAVIMENTOS BASADO EN LA UTILIZACIÓN DE BLOQUES

DE POLIESTIRENO. CARACTERIZACIÓN FÍSICA Y MECÁNICA.

JUAN NICOLAS FORERO MARCELO

Trabajo de grado para optar por el titulo de Ingeniero Civil

Director

ING. CAMILO MARULANDA

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL

BOGOTA

2007

3

AGRADECIMIENTOS

4

CONTENIDO

Pág.

AGRADECIMENTOS…….………………………………………………………… I

CONTENIDO………………..……………………………………………………… II

LISTA DE TABLAS……………………………………………………………………

LISTA DE FIGURAS………………………………………………………………….

LISTA DE ANEXOS…………………………………………………………………..

1. INTRODUCCION Y JUSTIFICACION…………………………………………

1.1 OBJETIVOS……………………………………………………………………

1.1.1 Objetivo General…………………………………………………………..

1.1.2 Objetivos Específicos………………………………………………………

1.2 METODOLOGIA………………………………………………………………

1.3 CLARIFICACIÓN Y EXPLICACION DEL PROBLEMA…………………

1.4 TRATAMIENTOS PARA SUELOS BLANDOS COMPRESIBLES………

2. CARACTERIZACIÓN DEL EPS………………………………………………...

2.1 MATERIA PRIMA…………………………………………………………….

2.2 PROCESO DE OBTENCIÓN…………………………………………………

2.3 PROPIEDADES QUIMICAS Y BIOLOGICAS…………………………….

2.4 PROPIEDADES FÍSICAS…………………………………………………….

2.4.1 Densidad……………………………………………………………………

2.4.2 Color………………………………………………………………………..

2.4.3 Tamaño y estabilidad dimensional……………………………………….

2.4.4 Durabilidad………………………………………………………………..

2.4.5 Impacto Ambiental………………………………………………………..

2.4.6 Textura……………………………………………………………………..

5

2.5 PROPIEDADES TÉRMICAS…………………………………………………

2.5.1 Aislamiento térmico.………………………………………………………..

2.5.2 Capacidad combustible……………………………………………………..

2.6 PROPIEDADES MECÁNICAS………………………………………………..

2.6.1 Resistencia a la compresión………………………………………………...

2.6.2 Comportamiento a fatiga y relación de poisson…………………………...

2.6.3 Comportamiento dependiente del tiempo y temperatura (TT)…………..

2.6.4 Resistencia a la tensión y a la flexión………………………………………

2.6.5 Resistencia al corte………………………………………………………….

2.6.6 Ductilidad y Rigidez………………………………………………………..

2.6.7 Resumen de Propiedades…………………………………………………..

3. RECOMENDACIONES Y CONSIDERACIONES ATENER EN CUENTA AL

DISEÑAR UN PAVIMENTO CON EPS………………………………………..

3.1 INTRODUCCION…………………………………………………………......

3.2 VARIABLES Y LIMITACIONES DE DISEÑO……….…………………….

3.3 COMPONENTES PRINCIPALES DE UN RELLENO……………………..

3.4 CRITERIOS Y FASES DE DISEÑO…………………………………………

3.4.1 Estabilidad Externa…………………………………………………………

3.4.1.1 Asentamientos………………………………………………………….

3.4.1.2 Capacidad Portante…………………………………………………...

3.4.1.3 Estabilidad de Taludes………………………………………………..

3.4.1.4 Estabilidad Sísmica……………………………………………………

3.4.1.5 Volcamiento……………………………………………………………

3.4.1.6 Análisis de flotación o levantamiento hidrostático………………….

3.4.2 Estabilidad Interna………………………………………………………..

3.4.2.1 Deslizamiento debido a cargas de agua……………………………...

3.4.2.2 Estabilidad Sísmica……………………………………………………

3.4.2.3 Capacidad Portante……………………………………………………

3.4.3 Diseño de la estructura de pavimento……………………………………..

6

3.4.3.1 Cartilla de diseño……………………………………………………

3.5 Metodología de diseño del relleno…………………………………………..

3.6 Recomendaciones generales acerca del EPS y de su proceso constructivo…

4. CASO HISTORICO – I15 SALT LAKE CITY, UTAH ……………………….

4.1 INTRODUCCION…………………………………………………………….

4.2 DESCRIPCION DEL PROYECTO…………………………………………

4.3 CARACTERÍSTICAS DEL EPS UTILIZADO…………………………….

4.4 SEGUIMIENTO Y CONTROL DE LOS RELLENOS…………………….

5. CONCLUSIONES…………………………………………………………………

BIBLIOGRAFIA……………………………………………………………………

7

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Densidades para EPS según ASTM 578-92……………………………….

Tabla 2. Clasificación del EPS y resistencia a flexión………………………………

Tabla 3. Clasificación según densidad de la asociación nacional de poliestireno

expandido de España ……...…………………………………………………………..

Tabla 4. Resumen propiedades según asociación nacional de poliestireno expandido

de España ……………………………………………………………………………….

Tabla 5. Resumen Propiedades químicas según asociación nacional de poliestireno

expandido de España …………………………………………………………………...

Tabla 6. Módulos de elasticidad y límites elásticos para algunas de las designaciones

de EPS impuestas por la AASHTO……………………………………………………..

Tabla 7. Parámetros de diseño para subrasante – EPS……………………………….

Tabla 8. Valores de U para establecer el valor del coeficiente asociado a la

probabilidad de falla…………………………………………………………………….

Tabla 9. Desviación estándar de la ley de fatiga………………………………….....

Tabla 10. Desviación estándar de los espesores de las capas………………………....

Tabla 11. Coeficiente de calibración datos laboratorio – in situ………………………

Tabla 12. Coeficiente de reducción por heterogeneidad de las subrasante……………

Tabla 13. Parámetros y valores estándares de diseño…………………………………

Tabla 14. Clasificación del tráfico según IDU – UNIANDES……………………….

Tabla 15. Deformaciones Verticales Admisibles……………………………………..

Tabla 16. Probabilidades de falla según tipo de ligante………………………………

Tabla 17. Nomenclatura de estructuras……………………………………………….

Tabla 18. Deformaciones admisibles Capa de rodadura……………………………...

Tabla 19. Deformaciones admisibles Base Asfáltica…………………………………

8

Tabla 20. Esfuerzos admisibles a tensión parte inferior ligante hidráulico…………..

Tabla 21. Relaciones de poisson para diseño…………………………………………

Tabla 22. Espesores estructura 1 con EPS 50 como subrasante………………………

Tabla 23. Espesores estructura 1 con EPS 100 como subrasante…………………….

Tabla 24. Espesores estructura 2 con EPS 50 como subrasante……………………...

Tabla 25. Espesores estructura 2 con EPS 100 como subrasante…………………….

Tabla 26. Espesores estructura 3 con EPS 50 como subrasante………………………

Tabla 27. Espesores estructura 3 con EPS 100 como subrasante…………………….

Tabla 28. Espesores estructura 4 con EPS 50 como subrasante……………………...

Tabla 29. Espesores estructura 4 con EPS 100 como subrasante……………………..

Tabla 30. Especificaciones del EPS según ASTM C – 578…………………………..

9

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Grafico Esfuerzo a compresión Vs Deformación para 5 tipos de EPS según

clasificación del proveedor TerraLite………………………………………………..

Figura 2. Variación de la Resistencia del material con base a su densidad.....……

Figura 3. Componentes principales de un relleno con EPS……………………….

Figura 4. Pagina de inicio programa DEPAV………………………….................

Figura 5. Estructuras a diseñar con EPS…………………………………………..

10

1. INTRODUCCION Y JUSTIFICACION

Partiendo del punto que la infraestructura vial de un país incide mucho en su desarrollo y

su economía, se debe sumar el hecho que hoy en día, en un país en vía de desarrollo

como lo es Colombia, se presenta un nuevo reto que es desarrollar diseños de buena

calidad, durables y con presupuestos restringidos, además con procesos y técnicas que

permitan reducir tiempos de construcción así como la utilización de nuevos materiales

que cumplan con las especificaciones y exigencias impuestas su entorno y todo tipo de

carga que afecte la estructura del pavimento. Por otro lado, se debe tener en cuenta el

hecho que muchas veces se debe diseñar y construir carreteras en zonas de difícil acceso,

con características climáticas desfavorables para la ejecución del proyecto además que

afecten el comportamiento y durabilidad de la estructura del pavimento, también se tiene

en contra unos de los factores mas importantes en el diseño de estructuras de pavimento

que es la característica de la subrasante, es decir, se debe construir sobre terrenos

compuestos por suelos blandos, compresibles, de poca capacidad portante, susceptibles a

asentamientos y grandes deformaciones muy comunes en diferentes regiones del

territorio nacional como por ejemplo en Bogota.

Teniendo en cuenta todos los aspectos mencionados anteriormente, se tiene que en

diferentes países del mundo se han desarrollado varios procesos y diferentes métodos

para solucionar los problemas que implica construir sobre un suelo blando, por ejemplo

la estabilización del suelo de subrasante por medio de ligante asfáltico o cemento para

mejorar sus características y su rendimiento en cuanto a su comportamiento cuando este

presenta solicitaciones de carga o deformación. Existen diferentes formas de

contrarrestar el efecto que tienen los suelos blandos sobre las estructuras de pavimento,

una de ellas es utilizar materiales de muy bajo peso unitario para así disminuir el nivel

de carga transferido al suelo y evitar grandes deformaciones o asentamientos que afecten

11

la funcionalidad del pavimento; en este caso, el uso de bloques de poliestireno

expandido (EPS – Geofoam) como material de relleno va a ser el tema principal de este

informe que tiene como propósito dar a conocer este tipo de material, como es su

comportamiento y cuales son sus propiedades, establecer cuales son los principales

criterios de seguridad y que se deben tener en cuenta en el diseño de este tipo de

rellenos, para así luego poder realizar recomendaciones de su uso en Colombia en

cuanto a ingeniería de pavimentos; eso sí, basándose en estudios, pruebas y guías

realizadas por otros países. Se va a tener como sustento principal el reporte numero 529

de la NCHRP (National Cooperative Highway Research Program) titulado “Guidelines

and recommended Standards for Geofoam applications in highway Embankments”

apoyado por otra serie de publicaciones hechas a nivel mundial relacionadas con el

diseño de estructuras de pavimento utilizando EPS. Después de establecer las principales

recomendaciones para el uso de este material en proyectos de ingeniería de pavimentos

se va a estudiar un proyecto que haya usado EPS como material de relleno, también se

va a realizar una cartilla de pavimentos para 4 estructuras diferentes con nuevos diseños

utilizando EPS como material de soporte para diferentes niveles de trafico (T1-T5);

además se va a realizar el análisis de estas nueva estructuras por medio del programa

mecanicista empírico “Design Guide 2002” y así poder encontrar ventajas y desventajas

con base a los diseños convencionales.

1.1 OBJETIVOS

1.1.1 Objetivo General

A partir de la caracterización física y mecánica del material entender como es el

comportamiento de los bloques de poliestireno (EPS) y cuales son sus propiedades

principales para poder realizar recomendaciones de diseño de estructuras de pavimento

12

al tener como plataforma de soporte el EPS, establecer criterios de diseño de rellenos y

estudiar un caso histórico que halla utilizado este tipo de material.

1.1.2 Objetivos Específicos

• Determinar cuales son los principales problemas que se presentan cuando el uso de

EPS es una posible solución para la ejecución de un proyecto.

• A partir de información suministrada por proveedores de EPS y diferentes estudios

realizados a nivel mundial realizar una caracterización de este material para conocer

sus propiedades, su comportamiento y sus falencias.

• Determinar cuales son las propiedades más importantes a tener en cuenta cuando se

va a diseñar un relleno y una estructura de pavimento utilizando EPS.

• Establecer métodos de obtención del material y cuales deben ser los procesos que se

deben llevar a cabo para obtener un material de buena calidad que se pueda utilizar

en proyectos de infraestructura vial

• Conocer cuales son los criterios y fases de diseño que se deben realizar para diseñar

un relleno con EPS que cumpla con los requerimientos mínimos de seguridad.

• Establecer criterios de diseño de pavimentos utilizando EPS como material de

soporte, además de aplicar estos criterios a ciertas estructuras de pavimento.

• Realizar recomendaciones de diseño, proceso constructivo y tratamiento del material

• Estudiar y analizar un caso histórico que halla utilizado EPS para solucionar el

problema que se presenta al tener un suelo blando, compresible.

13

• Realizar el diseño del relleno y de una estructura de pavimento diferente a la

ejecutada en el proyecto.

1.2 METODOLOGIA

Partiendo de los objetivos generales y específicos se comenzó estudiar y entender cuales

son los principales problemas que se presentan cuando se va a construir un relleno y una

estructura de pavimento sobre un terreno blando y compresible, cuales son los métodos

convencionales mas utilizados y desarrollados por los ingenieros para evitar que este

tipo de terreno afecte las estructuras construidas sobre el, y se estableció porque el uso

de bloques de poliestireno expandido (EPS) son una buena solución a los problemas que

se presentan al construir sobre suelos blandos.

Conociendo en detalle el problema principal, se empezó a investigar en diferentes libros,

sitios web y paginas de proveedores, cual es el comportamiento del EPS ante cargas

estáticas y dinámicas, cuales son sus propiedades, cual es el método de obtención de este

material, y todo tipo de información referente al EPS para así poder realizar una

caracterización completa del material, conocer todas sus propiedades, cuales son sus

puntos fuertes y cuales sus puntos débiles, además de establecer cuales son las

propiedades mas importantes en el diseño de pavimentos y cuales son los criterios que se

deben tener en cuenta para que el relleno construido no falle y mucho menos colapse.

Posteriormente de haber realizado la caracterización del material, se continúo por

investigar acerca de los principales criterios, verificaciones y fases de diseño que se

deben tener en cuenta al realizar un diseño de un relleno con EPS, además de establecer

los parametros y propiedades que se deben utilizar al diseñar la estructura de pavimento.

Después se establecieron criterios de diseño del pavimento y se realizaron los diseños de

14

4 tipos de estructuras diferentes para 5 niveles de tráfico con diferentes agresividades

utilizando 2 tipos de EPS, EPS 50 y EPS 100.

Finalmente se investigo y estudio un caso histórico, la interestatal I15 construida en el

estado de Utah específicamente en la ciudad de “SALT Lake City”, donde la utilización

de bloques de poliestireno fue fundamental para solucionar el problema debido a la

existencia de suelo blando, además fue el principal factor para tener un gran ahorro en

tiempo y dinero. Por ultimo se realizo el diseño de algunas secciones de este proyecto

con otro tipo de estructura diferente a la utilizada. Durante esta ultima parte fue de vital

importancia tener conocimiento acerca de los diferentes métodos de diseño, cuales son

los criterios que se deben utilizar y conocer cual es el comportamiento de los materiales

y cuales son sus falencias.

1.3 CLARIFICACIÓN Y EXPLICACIÓN DEL PROBLEMA

Las exigencias propuestas por el crecimiento de la población mundial, los cambios

ocurridos en las sociedades y su economía, el incremento de la demanda vehicular y de

infraestructura de transporte, y la necesidad por ejecutar cada día mejores proyectos, a

buen precio y con buena calidad, conlleva a que ingenieros y expertos en diferentes

áreas de la ingeniería descubran y utilicen nuevos materiales, nuevas tecnologías, nuevos

procesos que permitan mejorar la infraestructura vial y aumentar su oferta, de tal forma

que pueda suplir la demanda vehicular actual y futura, además que permita la

construcción de nuevas obras en poco tiempo y al mínimo costo posible. Por otro lado se

tiene que los nuevos materiales utilizados, las nuevas tecnologías y procesos

constructivos deben servir para realizar mantenimientos o reparaciones sobre la

infraestructura vial existente que se encuentre deteriorada o en mal estado que requiera

15

de un mejoramiento con el fin de poder cumplir con un buen comportamiento funcional

y estructural que brinde confort y seguridad al usuario.

Sin importar el gran problema que conlleva suplir la demanda vehicular existente y

futura con una infraestructura adecuada que brinde un buen servicio y confort al usuario,

se suma otro problema, un problema de trascendencia en proyectos de ingeniería de todo

tipo, y es la ejecución de proyectos en zonas donde existan estratos de suelo blando,

compresible y de poca capacidad portante que requieran ser tratados o intervenidos de

alguna forma especial para que puedan tener un buen comportamiento y cumplir con las

solicitaciones y necesidades requeridas por la estructura o construcción. De acuerdo a

esto, los ingenieros han creado y utilizado una gran cantidad de métodos y tratamientos

para estabilizar el suelo y mejorar de este modo sus propiedades, aumentando su

capacidad portante, y disminuyendo su compresibilidad (asentamientos); algunos de los

métodos mas utilizados consisten en cambiar el material existente por otro mas

competente, mejorar la transferencia de carga a un estrato con mejores propiedades

(pilotes sobre estrato duro “roca”), reducir la compresibilidad del suelo por medio de

una carga, aplicar algún químico o tratamiento como cemento para aumentar la

capacidad portante del suelo, y reducir la transferencia de carga (aplicada al suelo). Para

poder seleccionar cual de estos métodos utilizar se deben realizar varios estudios o

contar con la suficiente experiencia que le permita tomar la mejor decisión en cuanto a la

posible solución al problema de suelos blandos, de poca capacidad portante y

susceptibles a asentamientos, teniendo en cuenta la necesidad de reducir tiempo y

costos.

De acuerdo a las exigencias impuestas por la demanda vehicular, al crecimiento

poblacional, al interés por mejorar y construir nueva infraestructura vial y a la necesidad

de dar solución al problema de construir sobre suelos blandos y compresibles, es que se

ha optado por utilizar métodos basados en disminuir la carga aplicada sobre el suelo

como lo es el uso de bloques de poli estireno expandido comúnmente llamado “EPS

16

Geofoam”. Este es un material relativamente nuevo, cuyo uso aumentó en la década de

los años noventa pero que ha venido siendo utilizados desde hace tres décadas en

diferentes partes del mundo, en realidad comenzó en Noruega en el año 1972 con la

función principal de aislar térmicamente el suelo del exterior para así evitar posibles

fallas por el congelamiento (cambios de nivel); hoy en día su uso se ha extendido a

Norte América (USA), Asia (Japón) y algunos países de Europa aunque el mayor

consumo se encuentra en Japón el cual consume aproximadamente la mitad de la

producción mundial. El EPS es un material que tiene múltiples aplicaciones, unas de las

más usadas son como material de soporte de cimentaciones poco profundas, también

para disminuir presiones laterales sobre estructuras (muros de contención), como

aislante térmico entre otras. En este caso la principal aplicación es la construccion de

rellenos o terraplenes para vías y carreteras que se deban construir sobre suelos

compresibles y de poca capacidad portante con la función principal de reducir la carga

aplicada al suelo.

De este modo, en un proyecto que vincule la construcción de una carretera sobre un

terreno blando se debería tener en cuenta la posible utilización de bloques de

poliestireno donde se requiera hacer un relleno o terraplén. Existen varias razones por

las cuales se debería utilizar este material, en primer lugar, existe mayor incertidumbre

al tratar de cambiar las propiedades del suelo que al tratar de reducir el peso del relleno y

la aplicación de carga, además no requiere la ejecución de pruebas para conocer el

comportamiento y estrato del suelo lo que implica una posible reducción de costos. Por

otro lado, es un material de muy baja densidad y alta resistencia a la compresión lo que

hace que sea un material muy atractivo para este tipo de aplicaciones, es durable, reduce

asentamientos, minimiza impacto sobre la subrasante, optimiza proceso constructivo

disminuyendo el tiempo de ejecución de la obra lo que lo hace un factor muy importante

en el cronograma de la obra, no presenta restricciones dependientes del clima, no

requiere de maquinaria compleja para su colocación, permite construir la carretera en

zonas de difícil acceso, evita la compra, transporte y excavación de material y por ultimo

17

disminuye mantenimiento requerido sobre la estructura de pavimento debido a que no se

deteriora con el tiempo ni hay un cambio sustancial de sus propiedades.

1.4 TRATAMIENTOS PARA SUELOS BLANDOS COMPRESIBLES Usualmente en los proyectos de ingeniería civil se deben aplicar una serie de tratamientos o utilizar diferentes métodos con el fin de mejorar las propiedades del suelo, mejorarla capacidad portante y disminuir los asentamientos que este sufra cuando se le apliquen cargas. Con este fin, ingenieros de todo el mundo han inventado y desarrollado diferentes formas para mejorar el suelo teniendo en cuenta diferentes factores como lo son:

• Requerimientos de estabilidad • Asentamientos máximos permitidos • Propiedades del suelo natural • Tipo de suelo • Disponibilidad de materiales y maquinaria • Clima • Balance Tiempo-Costo-Calidad

Teniendo en cuenta estos factores se han clasificado los diferentes métodos de mejoramiento del suelo en:

• Reducción de carga aplicada: Este método busca reducir el nivel de esfuerzos transmitidos a suelo para así evitar asentamientos y deformaciones excesivas. Se llevar acabo por medio de la utilización de materiales de bajo peso específico.

• Material más competente: Se remueve el material existente y se cambia por uno de mejor comportamiento y capacidad portante. EL material existente se puede remover en su totalidad o solamente una parte al igual que puede ser trabajado para aumentar sus propiedades a través de la aplicación de una carga que lo compacte.

• Refuerzo del suelo: Se puede lograr por medio de estabilizadores mecánicos, agentes químicos, geotextiles, geomallas, etc.

• Disminución de la compresibilidad: Por medio de precargas, agentes estabilizadores químicos o mecánicos como vibrocompactadores se desea disminuir el nivel de asentamientos que sufra el suelo a lo largo de la vida útil del proyecto.

• Mejorar la transferencia de carga: Utilizando cimentaciones profundas se transfiere la carga a estratos de suelo de mejor resistencia evitando que

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suelos blandos sean los que soporten las cargas impuestas por las estructuras.

2. CARACTERIZACIÓN DEL EPS

2.1 MATERIA PRIMA

La materia prima para la producción y obtención de bloques de poliestireno para rellenos

livianos y otras aplicaciones es el poliestireno expandible, un material perteneciente a la

familia de los polímeros que se obtiene a partir de la polimerización del Estireno en

presencia de un agente expansor (Hidrocarburo de pentano C5-H12), en este proceso el

Estireno se mezcla con agua y el agente expansor para formar macromoléculas de

poliestireno (5),(6). El poliestireno se encuentra en forma de pellets, partículas redondas

entre 0.25 y 2mm de diámetro, para la elaboraron de los bloques se puede partir de

100% material virgen o tener una mezcla entre material virgen y material reciclado, la

diferencia principal es que al utilizar material reciclado se van a afectar las propiedades

del bloque como su modulo de elasticidad, pero según los proveedores se puede tener

hasta 5% de material reciclado sin que se afecten sus propiedades. Un factor muy

importante durante el proceso de obtención es que el punto de ablandamiento de

poliestireno es aproximadamente 100ºC, temperatura a partir de la cual se comienzan a

fusionar y unir las diferentes partículas de poliestireno para formar un solo bloque.

2.2 PROCESO DE OBTENCION

Los bloques de poliestireno se obtienen a partir de pellets (partículas de forma redonda)

y de material de base reciclado, las mejores características se obtienen cuando se utiliza

100% material virgen porque utilizando material reciclado se afectan las propiedades

19

mecánicas debido a que la estructura inicial de la partícula reciclada queda con

deformaciones permanentes y esfuerzos residuales, “contaminando” el material virgen y

formando 2 fases de material con características y comportamiento diferente. El proceso

de obtención de los bloques de poliestireno consta básicamente de 3 etapas;

preexpansión, estabilización, y expansión final y moldeo. En la primera de ellas, la etapa

de preexpansión, las partículas o pellets permanecen sueltos con muy baja cantidad de

partículas por unidad de volumen, en este punto los pellets son agitados continuamente y

se expanden hasta 50 veces su tamaño inicial por medio del calentamiento con vapor de

agua a una temperatura entre 90 y 105 ºC, lo pellets tienen en su interior un agente

expansor (Pentano) que se disuelve a causa del aumento de la temperatura y se convierte

en un gas que aumenta el tamaño de la partícula; este es un gas de fácil descomposición

en la atmósfera lo cual hace que este proceso no afecte el medio ambiente, además es

importante saber que la densidad final del producto depende de esta etapa y oscila entre

10 y 30 kg/m3 (6). En la segunda etapa, la de estabilización, se tiene que los pellets

expandidos se deben almacenar en unos recipientes ventilados (silos) para que se

estabilicen química y térmicamente, en esta etapa el gas generado sale a la atmósfera y

entra aire dentro de las partículas, las seca y estabiliza volumètricamente; esta etapa es

de vital importancia ya que la calidad final del producto es muy dependiente del tiempo

de estabilización o almacenamiento, usualmente es de 24 horas. Por ultimo, en la etapa

de expansión final y moldeo se depositan los pellets expandidos estabilizados en un

molde usualmente de acero, una vez se ha llenado el molde se inyecta nuevamente vapor

de agua a 110 ºC donde los pellets se ablandan y fusionan térmicamente para llenar los

vacíos; en este proceso se deben aplicar ciclos de calentamiento y enfriamiento muy

controlados para garantizar una densidad homogénea a lo largo de todo el bloque y un

acabado superficial bueno sin huecos ni deformaciones que actúen como un

concentrador de esfuerzos (6). Una vez se ha consolidado el bloque, obteniendo una

estructura celular interna compacta, se saca y se deja enfriar y estabilizar

aproximadamente durante 72 horas a temperatura ambiente; este ultimo proceso es

importante porque el volumen del bloque puede variar con el enfriamiento, además se

20

debe permitir que el agente expansor (pentano en estado gaseoso) salga del bloque y

disminuye su concentración. Por ultimo se tiene que dar una forma final, esta puede ser

por medio de cortes y formando bloques (EPS) o sometiendo al material a procesos de

extrusión para dar otra forma, el resultado de este proceso es conocido como

Poliestireno extruido (XPS).

2.3 PROPIEDADES QUIMICAS Y BIOLOGICAS

Este es un material que presenta una muy buena estabilidad ante agentes o factores

químicos y biológicos. Es inestable químicamente ante la presencia de ácidos

concentrados sin agua al 100%, disolventes orgánicos como acetonas o esteres,

hidrocarburos alifáticos saturados, carburantes y aceites de silicona y combustibles como

el diesel, pero es estable ante la presencia de ácidos muy corrosivos como el sulfúrico al

95%, el agua de mar, algunos tipos de alcoholes como el metìlico o etílico. Además, el

poliestireno expandido es imputrescible, no enmohece, no se descompone y resiste el

ataque de microorganismos descomponedores y bacterias aunque puede servir como

medio de transporte de los mismos, es un material que no afecta el medio ambiente, no

contamina las aguas y en caso de ser incinerado no produce gases nocivos para la salud

humana ni para el medio ambiente (7).

2.4 PROPIEDADES FISICAS

2.4.1 Densidad

Es definida como la cantidad de masa por unidad de volumen, presenta unidades de

kg/m3 y para este material, el valor final depende de muchas variables y afectara

muchas otras propiedades y comportamientos. Los bloques de poliestireno expandido se

21

caracterizan por tener muy bajas densidades, entre 10 y 30 kg/m3. La compresibilidad

del bloque, la resistencia a la compresión y a la fluencia, entre otras propiedades, son

dependientes de la densidad obtenida, que a su vez es función de la duración del

calentamiento y otras características del proceso de obtención. Esta es una propiedad

muy variable, presenta gradientes de densidad a través de todo el bloque llegando a los

mayores valores en el centro y a las máximas distorsiones en los extremos; a causa de

esto es que usualmente el material utilizado para el diseño de rellenos y otras

aplicaciones de ingeniería corresponde al cortado y obtenido del centro del bloque que

es el que tiene una densidad mayor y mas uniforme. Además de eso es importante

enunciar que la densidad es dependiente de la temperatura a la que se calienten los

pellets, el tiempo de calentamiento, el tiempo que se de para que el gas de pentano se

evapore y el material se estabilice y depende de la humedad que se tenga, a mayor

humedad relativa del ambiente se tendrá una mayor densidad. Un factor importante

relacionado con la densidad es cuando el bloque de poliestireno esta sumergido en agua

ya sea por inundación o por aumento del nivel freatico del suelo, el punto importante es

que cuando esto sucede y el material esta expuesto por largos periodos al contacto con el

agua, este la absorbe y aumenta su densidad hasta 80 kg/m3, casi 3 veces su densidad

inicial.

Existen cinco tipos de EPS definidos por la ASTM 578 -92 de acuerdo a su densidad,

sus densidades de muestran a continuación en la tabla 1.

Tipo de Material Densidad nominal (kg/m3)

Densidad mínima (kg/m3)

XI 12 12 I 16 15

VIII 20 18 II 24 22 IX 32 29

22

Tabla 1: Densidades para EPS según ASTM 578-92 (14)

2.4.2 Color

Esta es una propiedad utilizada básicamente para diferenciar un producto de otro,

usualmente el bloque estándar es de color blanco, pero lo proveedores y productores han

optado por agregar colorantes a los pellets expandidos para poder diferenciarlos en

cuanto a su aplicación y a su densidad, es decir que se tiene un color especifico para

aquellos que contienen algún agente especifico, por ejemplo agentes retardantes de

llama, también se tiene un color para determinar si es EPS o XPS al igual que para

identificar propiedades y aplicaciones. Cuando el material es sometido a largos periodos

de radiación UV se genera una decoloración pero no afecta las otras propiedades del

material.

2.4.3 Tamaño y estabilidad dimensional

Las propiedades mecánicas y geotécnicas del material no dependen de su tamaño, es

decir que el comportamiento será el mismo si se tiene un bloque de 1 m de altura que si

se tiene uno de 10m, la diferencia entre el uno y el otro es la manejabilidad que se tenga

afectando así rendimiento. Existen moldes de varios tamaños pero el más utilizado es en

forma de cubos de 1m de arista, se puede cortar en campo preferiblemente con una

sección (laminas o alambres) delgada caliente para obtener tamaños requeridos por el

diseño o pedir los tamaños y cortes requeridos al proveedor del material. Es un material

que presenta una alta estabilidad dimensional ya que tiene un coeficiente de dilatación

térmica bajo que provoca deformaciones del orden de 0.05 y 0.07 mm por cada grado

centígrado de variación, además mantiene las dimensiones estables hasta los 85ºC.

23

2.4.4 Durabilidad

En realidad no es una propiedad si no una característica muy importante de este material,

es un material que presenta una alta durabilidad debido a que no es biodegradable, no se

disuelve, no se deteriora y no cambia su composición química ni su tamaño. Un punto

importante a tener en cuenta es que puede absorber agua pero no cambia su forma ni

tamaño, solo afecta sus propiedades térmicas. Los únicos agentes de uso común que

pueden disolver o afectar el EPS son la gasolina o el diesel, por otro lado dependiendo la

zona en la que se valla a ejecutar el proyecto se debe tener en cuenta si se requiere de un

EPS con algún agente que actué contra el ataque de insectos ya que estos pueden causar

agujeros y discontinuidades dentro del material afectando su comportamiento y

deteriorándolo mas rápidamente.

2.4.5 Impacto ambiental

Este es un producto prácticamente neutro, no se descompone, no interactúa con el suelo

ni con el agua y la única forma que tiene para interactuar con el medio ambiente es si

este se quema o incinera, en este caso no presenta ningún riesgo para el medio ambiente

ya que los únicos productos de la combustión son CO2 y H2O y si el bloque tiene

retardantes de flama produce bromuros de hidrogeno que tampoco son compuestos

tóxicos ni peligrosos para el hombre o el medio ambiente. Además existen algunos tipos

de EPS a los cuales se les adicionan aditivos para prevenir la infestacion y el deterioro

debido a insectos.

24

2.4.6 Textura

Textura o rugosidad superficial no es una propiedad dependiente de la densidad como la

mayoría de las otras propiedades, esta es dependiente fundamentalmente del proceso de

obtención, es decir depende al la rugosidad que tenga el molde, del tipo de corte con el

que se de forma final al molde, de los tiempos y temperaturas de calentamiento y

enfriamiento y de la velocidad de secado. En realidad esta no es un propiedad que halla

sido estudiada en gran detalle, apenas algunos investigadores encontraron que el

coeficiente de fricción entre dos bloques de poli estireno esta entre 0.5 y 0.7

equivalentes a ángulos de fricción interna entre 27 y 35° (14).

2.5 PROPIEDADES TERMICAS

2.5.1 Aislamiento térmico

Esta es una de las propiedades mas características del EPS ya que es un material que

presenta una alta capacidad aislante debido a su bajo coeficiente de conductividad

térmico, aplica tanto a temperaturas bajas como altas ( 80ºC). La buena capacidad

aislante del EPS esta basada en su estructura compuesta de aire y poliestireno expandido

en proporciones de 98% y 2% respectivamente. Además se sabe que el aire en reposo es

un muy buen aislante térmico lo que es la base fundamental del aislamiento del EPS (9),

pero cuando aumenta el contenido de agua del EPS también aumenta la conductividad

térmica. La capacidad aislante de 1mm de EPS corresponde a la misma capacidad

aislante de un espesor de suelo entre 30 y 45 mm.

25

2.5.2 Capacidad combustible

Esta propiedad es básicamente la capacidad que tiene un material de hacer combustión y

de extinguirse, para poder entender mejor se definirá el índice de oxigeno de un

material, este se conoce como la proporción mínima de oxigeno que este requiere para

soportar combustión continua. Se tiene que cuando este índice es mayor a 21 el material

no soportara combustión continua mientras que si esta por debajo si se tendrá

combustión continúa. Con base a análisis de combustión realizados sobre pedazos de

EPS se encontró que el índice de oxigeno es de 18 lo que indica que este se quema

libremente después de hacer combustión, por eso es que se ha decidido incorporarle

aditivos retardantes de llama (Compuestos de bromo) que no afectan otras propiedades

pero si aumenta el pto de fusión a 260 ºC y además el índice de oxigeno sube a 24 lo

cual hace que una vez el material se prenda el mismo se apague y no se siga

incendiando, además que por su composición química los compuestos formados a partir

de la combustión no afectan el medio ambiente.

2.6 PROPIEDADES MECANICAS

Sin desestimar la importancia de las propiedades físicas, térmicas, químicas y biológicas

explicadas en las secciones anteriores, las propiedades mecánicas son las que mayor

influencia tienen en la aplicación en obras civiles de los bloques de poliestireno

expandido, en este caso la aplicación de este material en estructuras y rellenos para

pavimentos. Básicamente es importante conocer 2 tipos de propiedades; las propiedades

del material cuando es sometido a esfuerzos verticales y a cargas horizontales, es decir,

26

es importante conocer la estabilidad lateral del relleno y la estabilidad interna ante

cargas verticales. A continuación se van a explicar cuales son las propiedades mecánicas

que mayor influencia tienen en rellenos para estructuras de pavimento.

2.6.1 Resistencia a la compresión

Esta es tal vez la propiedad más importante de los bloques de poliestireno EPS ya que es

el modo principal de carga en el relleno donde el bloque es sometido a compresión a

causa de esfuerzos verticales producidos principalmente por el paso de vehículos y el

peso propio del relleno y la estructura de pavimento. El valor de la resistencia a

compresión y a fluencia depende estrictamente de la densidad que tenga el EPS, de este

modo es muy importante tener un muy buen control de la densidad del material utilizado

ya que este presenta gradientes de densidad después de producido. Para el objetivo de

este trabajo no es necesario explicar el procedimiento de ejecución de ensayos de

compresión, simplemente se tiene un pequeño cubo de 50 mm de lado a condiciones de

laboratorio que es sometido a una carga compresora, se mide la deformación axial para

cada carga que se tenga y se obtiene un diagrama esfuerzo deformación. Este diagrama

esta compuesto por una zona inicial lineal (Zona Elastica) seguida por una zona de

fluencia, luego un endurecimiento, lo importante en este caso es saber que este material

no falla en forma convencional sino que la fluencia del material ocurre sobre un gran

rango de esfuerzos (13).

Existen 2 conceptos importantes, el primero es el limite elástico que corresponde al

esfuerzo obtenido para una deformación de 1%, y el otro es el modulo de la tangente

inicial que es la pendiente de la porción inicial hasta el limite elástico, es denominado

modulo de elasticidad o modulo de Young. Con base a muchos ensayos de laboratorio y

pruebas realizadas al EPS se han encontrado muchas relaciones empíricas para el

modulo de elasticidad, el esfuerzo de fluencia y el esfuerzo para el 10% de la

deformación que es conocido como el esfuerzo a compresión del material; todas estas

27

propiedades son dependientes de la densidad. A continuación se muestran algunas de

estas correlaciones resumidas en el NCHRP_65 (13).

7.6182.84.4883.6

3.4662.6

2.3541.63000450

10 −=

−=

−=

−=−=

ρσρσ

ρσ

ρσρ

c

y

y

y

tiE

Para estas relaciones la densidad esta dada en kg/m3, el modulo y esfuerzos en KPa.

Cuando se utiliza material reciclado para la elaboración de estos bloques se afecta

principalmente el modulo de elasticidad y el de fluencia pero no el de compresión.

2.6.2 Comportamiento a fatiga y relación de poisson

En el caso del análisis y comportamiento del EPS a la fatiga se tiene que por debajo de

deformaciones del 1% o por debajo del esfuerzo de fluencia, este tendrá “vida infinita”

ya que no se generaran deformaciones permanentes en el material y soportara gran

cantidad de ciclos de carga, además teniendo en cuenta la estructura interna del material

compuesta en gran parte por vacíos, estos detienen la propagación de grietas formadas al

interior del material evitando su falla prematura y haciendo que se necesite de una

mayor aplicación de energía (carga) para continuar la propagación de la grieta hasta la

fractura súbita. En realidad este es un fenómeno que no se tiene en cuenta cuando se esta

diseñando rellenos con EPS ya que estos se realizan para no exceder mas del 1% de la

deformación del material, teniendo así muy poca carga aplicada sobre cada bloque y con

muy baja energía para iniciar el inicio y propagación de grietas.

28

En cuanto a la relación de poisson del EPS se tiene que es muy pequeña en comparación

a otros materiales utilizados en ingeniería y se encontró que mientras se este diseñando

en el rango elástico el material presenta relación de poisson cero, aunque los japoneses

desarrollaron correlaciones de la relación de poisson con base a la densidad del material,

se tiene que: ν = 0.0056ρ + 0.0024. Además después de exceder el límite elástico del

material, esta relación decrece demasiado rápido con el aumento de carga indicando que

se tienen grandes deformaciones.

2.6.3 Comportamiento dependiente de Tiempo y Temperatura (TT)

Este es uno de los comportamientos mas impredecibles que tiene todo material, depende

de muchos factores y variables, algunas de ellas controladas por el hombre y otras no, en

este caso para el EPS los principales factores son la densidad del material, la carga

aplicada con su respectiva deformación, la tasa de deformación y de aplicación de carga,

la temperatura ambiente, tiempo de aplicación y frecuencia de carga. Existen

básicamente dos fenómenos dependientes del tiempo y de la temperatura, el primero de

ellos es el Creep que es la deformación plástica continua que se tiene en un material

cuando este es sometido a una carga de magnitud constante durante un largo periodo de

tiempo, por otro lado también se tiene la relajación de esfuerzos dentro del material que

ocurre cuando se tiene una deformación constante en un periodo de tiempo. Ambos

fenómenos son dependientes y más críticos con el aumento de la temperatura y sus

efectos sobre el material solo se pueden observar después de un tiempo, en el caso de

rellenos para estructuras de pavimento solo aplica el creep debido al peso de la

estructura y del relleno que es la carga constante. El comportamiento al creep del EPS es

muy similar al de otros materiales aunque en este caso es dependiente de la densidad

que se tenga, entre mas denso, menos susceptibilidad al creep. El EPS presenta creep

primario, secundario y terciario, en la primera etapa es donde se presentan las máximas

29

tasas de deformación que van disminuyendo hasta alcanzar la etapa dos donde se

estabiliza y disminuye la tasa de deformación, también se conoce como zona de

endurecimiento del material, por ultimo en la tercera fase se tiene un aumento en la tasa

de deformación y es cuando el material falla por ruptura. Con base a ensayos realizados

de creep sobre EPS se determinaron 3 condiciones de carga – deformación importantes;

la primera de ellas es que mientras la carga aplicada no produzca una deformación

mayor 0.5% los efectos de creep son insignificantes y no se deben tener en cuenta, por

otro lado mientras no se exceda una carga que provoque deformaciones mayores a 1%

(correspondientes al valor de la deformación para el limite elástico) se considera que el

creep es aceptable y no afectara la estabilidad y comportamiento funcional del relleno a

lo largo de su vida útil, por ultimo, cuando se exceda la carga que provoque una

deformación mayor al 1% los efectos de creep serán importantes y afectaran el

comportamiento del relleno, es decir entre mas cercano se este al esfuerzo limite del EPS

mayores deformaciones por creep se tendrán (13).

En vista de que esta es una propiedad muy importante en todos los materiales y un modo

de falla poco estudiado, se han desarrollado gran cantidad de pruebas de creep sobre

bloques de EPS pero debido a la falta de un estándar aplicable al EPS, lo único que si se

ha estandarizado son las condiciones de laboratorio con humedad del 50% y temperatura

de 23°C aproximadamente. Las pruebas realizadas sobre este material presentan gran

cantidad de variables lo que hace que no exista ninguna correlación entre resultados de

una prueba y otra; las principales variables para estas pruebas son (13):

• Forma de la muestra

• Tamaño de la muestra

• Edad de la muestra

• Nivel de esfuerzos aplicados

• Duración de la prueba

30

Existen dos modelos completamente empíricos utilizados para estimar la deformación

vertical de un bloque de EPS al estar sometido a un nivel de esfuerzos constante,

ambos modelos están compuestos por una deformación inmediata provocada por la

aplicación de la carga y una deformación causada por el creep o deformación

dependiente del tiempo.

Modelo del laboratorio “Pants et chaussess” (LCPC) (13)

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−

ptE pti

σσ

σσσ

ε1log9.0

47.210

00209.0

Donde: σ = Esfuerzo aplicado

σ = Esfuerzo plástico o de fluencia

Eti = Modulo inicial tangente

LCPC desarrollo dos relaciones empíricas para el modulo de elasticidad inicial y para

el esfuerzo de fluencia.

]/[][2875479

]/[][2.3541.63

3

mkgyKPaE

mkgyKPa

ti

p

→−=

→−=

ρ

ρσ

Modelo de Findley (13)

31

2.0

33sinh0305.0

2.541.1 tSinh ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

σσε

Donde: σ = Esfuerzo aplicado

ε = Deformación vertical

T = tiempo en horas después de la aplicación de la carga.

Este modelo fue implementado sobre material con densidad de 20 kg/m3 para niveles de

esfuerzo entre 30 y 50 KPa aunque puede ser utilizado para niveles de esfuerzo

superior.

2.6.4 Resistencia a la tensión y a la flexión

A diferencia de muchos materiales, el esfuerzo a tensión no es una propiedad

fundamental y básica para utilizar como criterio en diseños y construcciones que

requieran el uso de bloques de EPS ya que el principal modo de carga es la compresión.

No se realizan pruebas de tensión por dificultad para elaborar las probetas de material ya

que tienen forma de reloj de arena donde la sección mas pequeña debe tener un área de

645 mm2 deformada a una tasa de deformación de 0.5% por minuto (14), a diferencia se

realizan pruebas de flexión sobre vigas de sección cuadrada para determinar cual es el

máximo esfuerzo a flexión soportado por el material. Estas pruebas se realizan con el

objeto de tener un parámetro de calidad del material y conocer que tan bien se fusiono

este en sus etapas de procesamiento y no de obtener un valor o propiedad característica

del EPS (13). En la tabla 2 se observa la clasificación del EPS con base a su resistencia

en KPa y cual es aproximadamente el valor de la resistencia a flexión del material, por

32

ejemplo el EPS 70 presenta una resistencia a la compresión σ10 de 70 KPa y a la flexión

de 115 KPa (15), cabe resaltar que la resistencia a compresión es menor a la de flexión

no porque el EPS se comporte mejor a tensión si no porque el σ10 corresponde al

esfuerzo soportado para una deformación del 10% y no es el esfuerzo de falla o ruptura

del material.

Tabla 2: Clasificación del EPS y resistencia a flexión (15).

2.6.5 Resistencia al corte

La resistencia al corte es una propiedad muy importante en suelos ya que de ella

dependen muchas Construcciones civiles como por ejemplo la estabilidad que tenga un

talud, la capacidad de carga del suelo o el empuje que este ejerza sobre otras estructuras

(muros de contención), a su vez la resistencia al corte depende de el ángulo de fricción

y de la cohesión del material. En el caso de realizar rellenos con EPS Geofoam se tiene

33

que analizar dos tipos de resistencia al corte; La resistencia al corte interna que se refiere

al material en si, a su estructura interna y también se debe analizar la resistencia al corte

existente entre la interfase de dos superficies, esta ultima se fundamente en la rugosidad

superficial del material y como se realiza el traslapo entre bloques. Aunque no es una

prueba necesaria debido a que la prueba de compresión permite estimar valores de la

resistencia al corte interna, la norma ASTM – C273 rige la prueba de corte directo y

consta básicamente de inducir un esfuerzo cortante hasta la falla de la pieza de EPS por

medio de dos placas rígidas planas movidas en dirección opuesta a una tasa de

deformación de 0.5% por minuto. Por otro lado la resistencia externa al corte depende

fundamentalmente de la fricción existente entre bloques la cual depende de la carga

normal (vertical) aplicada, el coeficiente de fricción o rugosidad del material y si existen

algún otro mecanismo de agarre entre bloques; con base a pruebas realizadas, los

investigadores encontraron que la rugosidad superficial del material proporciona ángulos

de fricción entre 27 y 35° (correspondiente a tener arena limosa o uniforme) no

dependientes de la densidad del EPS sino del molde utilizado y del proceso de obtención

(p.e tasas de calentamiento y enfriamiento) además se debe tener en cuenta que también

puede haber interfase del suelo u otros materiales con el EPS; de tal modo se tiene que

para EPS-EPS-Arena φ=30°, EPS – Geotextil φ = 25° y EPS – Geomembrana φ = 50°

(13). En cuanto a la carga vertical aplicada, esta es muy baja como para proporcionar

mayor resistencia al deslizamiento y en algunos casos se deben utilizar pasadores o

conectores mecánicos para mejorar la resistencia al corte externo y por ende la

estabilidad del relleno (importante cuando se tienen rellenos de gran altitud y además

cargas horizontales debidas a viento, agua o sismos) (14).

2.6.6 Ductilidad y rigidez

34

El poliestireno expandible es un material que a causa de su estructura interna porosa

presenta una alta ductilidad, al igual que por la magnitud de los enlaces formados entre

pellets también presenta alta rigidez, es decir que requiere de un alto nivel de esfuerzos

para lograr un poco deformación, estos dos comportamientos se pueden observar en la

figura 1 donde se ve claramente que el de mayor rigidez es el EPS tipo IX. El modulo

de rigidez del material es gobernado por la magnitud de los enlaces formados, la

cantidad de dislocaciones presentes al interior del material y la cantidad de poros debido

a que primero se necesitara de la energía suficiente para romper los enlaces e iniciar la

propagación de las grietas y el movimiento de las dislocaciones, las cuales chocaran con

los poros (forma redonda) requiriendo de mayor aplicaron de energía (carga) para

provocar que la dislocación redondee el poro y continúe con su desplazamiento hasta un

punto donde ya no se pueda mover mas y de este modo comience el material a

deformarse plásticamente. Por otro lado, la alta ductilidad que presenta este material

también esta asociada al gran numero de poros presentes en el material, que requerirán

de mayores niveles de energía para la propagación las dislocaciones y posterior

rompimiento a causa del crecimiento de grietas al interior del material.

35

Figura 1: Grafico Esfuerzo a compresión Vs Deformación para 5 tipos de EPS según

clasificación del proveedor TerraLite (10)

2.6.7 Resumen de propiedades

La asociación nacional de poliestireno expandido de España fundada desde 1979 se ha

encargado de suministrar productos de poli estireno expandido de todo tipo, se

fundamentan en procesos de obtención, producción y comercialización al igual que en la

transformación y terminación del producto ya acabado. Debido a que esta empresa esta

encargada tanto de la obtención como de la terminación del material, se decidió recurrir

a sus fichas técnicas para tener como resumen de las propiedades del EPS, estas fichas

se muestran a continuación:

Tabla 3: Clasificación según densidad de la asociación nacional de poliestireno

expandido(15).

36

Tabla 4: Resumen propiedades según asociación nacional de poliestireno expandido

de España (15).

37

Tabla 5: Resumen Propiedades químicas según asociación nacional de poliestireno

expandido de España (15).

Figura 2: Variación de la resistencia del material con base a su densidad (13).

38

3. RECOMENDACIONES Y CONSIDERACIONES ATENER EN CUENTA AL

DISEÑAR UN PAVIMENTO CON EPS

3.1 INTRODUCCION

En el momento de realizar un diseño de una estructura de pavimento utilizando como

material de soporte EPS se debe tener en cuenta básicamente dos cosas; primero que se

conserve el nivel de servicio del pavimento y segundo que no valla a haber colapso del

relleno. En relación al nivel de servicio se tienen diferentes tipos de fallas que lo podrían

afectar, ya sea fallas por asentamientos o por desgaste y deterioro de la superficie

asfáltica donde aunque la estructura puede seguir en funcionamiento, esta falla implica

una perdida en el nivel de servicio; por otro lado, en cuanto a evitar colapso se debe

tener en cuenta capacidad portante del terreno, estabilidad de taludes, estabilidad

sísmica, volcamiento, cambios de nivel, movimientos laterales y otros tipos de fallas que

impedirán el funcionamiento de la estructura de pavimento y posiblemente la perdida

completa de servicio. Teniendo en cuenta los dos criterios de falla principales

mencionados anteriormente, se debe cumplir con una serie de parámetros en el diseño

para evitar perdida de funcionalidad, proporcionar estructuras durables, confiables y al

mismo tiempo optimizar la relación existente entre Precio - Calidad - Tiempo.

3.2 VARIABLES Y LIMITACIONES DE DISEÑO

Al igual que para el diseño de estructuras de pavimento convencionales, ya sea por el

método AASHTO, SHELL, Instituto de asfalto, entro otros, las variables de diseño son

las mismas, donde dependiendo la calidad y numero de variables se va a tener un

39

método mas confiable y un diseño mas seguro. Estos métodos permiten obtener los

espesores de la estructura como tal pero presentan una serie de limitaciones como

restricción del numero de estructuras a diseñar, no se puede optimizar la estructura

reduciendo espesores, se limitan a ciertos rangos de propiedades y de valores de la

variables y muchas otras limitaciones que hacen que aunque la estructura cumpla

teóricamente con las solicitaciones no se puede a tener un manejo completo de las

variables y de la estructura como tal. Debido a esto y teniendo en cuenta seleccionar el

diseño que mejor se acomode a las variables, con lo menores espesores y que presente

un mejor comportamiento se van a utilizar conjuntamente 2 programas; DEPAV

elaborado en la universidad del Cauca con el objetivo de establecer los espesores de

cada estructura que cumplan con esfuerzos y deformaciones admisibles para cada capa y

cada material que se tenga, y el programa “Design Guide 2002” elaborado por la

NCHRP con el fin de conocer el comportamiento de la estructura diseñada. El proceso

de diseño de pavimentos es un proceso iterativo que busca obtener la estructura de

pavimento que mejor se acomode a las especificaciones y variables tenidas, partiendo

del hecho que se debe considerar el EPS como una capa de material; a continuación se

muestran las principales variables del método mecanicista empírico.

• Características de los

materiales

• Trafico

• Clima

• Estructura pavimento

• Resistencia de la subrasante

Además de tener en cuenta las variables mencionadas anteriormente se tiene que el

diseño del relleno esta limitado por una serie de aspectos como lo son:

• Especificaciones y dimensiones del bloque propuestas por el proveedor del

material, no hay estándares ya que existen diferentes tamaños de moldes y los

cortes son dependientes de la uniformidad de densidad obtenida en el proceso

de obtención

40

• Restricciones impuestas por el terreno

• Tiempo de construcción

• Precio unitario del EPS. Disminuir volumen del relleno

• Dimensiones máximas permitidas que cumplan con todos los criterios de

falla.

Teniendo en cuenta estas limitaciones, especialmente la primera de ellas

correspondiente a dimensiones impuestas por el proveedor es que se ha decidido en

países como Estados unidos dejar el diseño del relleno al proveedor, es decir, lo único

que hace el ingeniero es suministrar al proveedor el peso máximo permitido con base al

suelo que se tenga, además de realizar las revisiones finales del diseño basándose en

especificaciones del contrato y en las variables que rijan el proyecto.

3.3 COMPONENTES PRINCIPALES DE UN RELLENO

Un relleno de EPS esta compuesto básicamente por 3 partes, la primera de ellas es el

suelo de subrasante o material disponible en la zona del proyecto, puede estar tratado o

sin tratar dependiendo de las condiciones y exigencias a las que valla a estar expuesta

por el relleno, se pueden utilizar métodos de estabilización como ligante asfáltico o

cemento; en la segunda parte esta el relleno como tal de EPS, es decir la masa de

material con su respectivo volumen y dimensiones cuyo principal objetivo es reducir el

peso del relleno y así el nivel de cargas soportado por el suelo; por ultimo se tiene la

estructura del pavimento que puede ser tanto de tipo flexible como rígida, y su función

principal es servir como superficie de rodadura y brindar comodidad y confort al usuario

en el momento de desplazarse, además de disipar cargas y disminuir su transferencia a la

subrasante, su elección depende básicamente de cual es mas económica aunque es

41

conveniente realizar estructuras de tipo flexible ya que estas pueden soportar mejor las

deformaciones causadas por los asentamientos sin disminuir su funcionalidad, además

que tiene mayor facilidad y menores costos de reparación y mantenimiento. Aunque

estos son los principales componentes de un relleno se deben tener en cuenta que la

forma y tamaño del relleno dependen en gran parte de la topografía del terreno y la

ubicación de la cota de la superficie del pavimento, además que las pendientes o taludes

usualmente son cubiertos por tierra orgánica y pasto o algún otro tipo de vegetación

(16). Los componentes y distribución general de un relleno compuesto por EPS se

pueden observar en la figura 2 obtenida del reporte 529 de NCHRP.

Figura 3: Componentes principales de un relleno con EPS (16)

3.4 CRITERIOS Y FASES DE DISEÑO

Como ya se había mencionado anteriormente, el diseño se debe hacer para evitar fallas

de tipo funcional, estructural y el colapso del relleno. Debido a esto es que los criterios y

fases de diseño se dividen en tres partes, la primera de ellas relacionada a la estabilidad

externa y la interacción del relleno con el suelo y sus alrededores, la segunda es la fase

42

de estabilidad interna donde se entra a analizar el comportamiento del relleno como tal

cuando es sometido a cierto tipo de cargas, por ultimo se tiene la fase relacionada con la

estructura y rendimiento del pavimento en cuanto a su estructura y su comportamiento al

tener EPS como capa de soporte.

3.4.1 Estabilidad Externa

3.4.1.1 Asentamientos

Se entiende por asentamiento la deformación vertical que sufre el suelo cuando es

sometido a algún tipo de carga, se tiene que el asentamiento total del relleno de EPS esta

compuesto por un asentamiento inmediato del EPS(Sif) y del terreno (Si), seguido por

asentamientos debidos a consolidación primaria (Sf) y secundaria (Ss) y por ultimo

asentamientos debidos al creep. Se ha encontrado que los asentamientos por Creep

siempre y cuando se cumpla con lo especificado en el numeral 2.6.3 van a ser menores

al 1% del asentamiento total. Por otro lado los asentamientos inmediatos del terreno y

del relleno no afectaran la condición final del pavimento, es decir que para el análisis de

asentamientos solo se debe tener en cuenta aquellos ocurridos debido a consolidación

primaria y secundaria (16).

Uno de los criterios de selección del tipo de estructura entre rígida y flexible es el nivel

de asentamientos, la uniformidad que tengan y que tan rápido ocurren en el tiempo, de

este modo al tener asentamientos lentos y uniformes entre 1 y 2 ft se pueden utilizar

pavimentos rígidos, de otro modo si no se tiene gran certeza en la uniformidad y nivel de

los asentamientos se aconseja utilizar pavimentos flexibles ya que estos toleran mejor las

deformaciones (ST >15 cm).

43

El calculo de asentamientos por consolidación primaria y secundaria se hace con base a

la teoría de suelos consolidados, sobreconsolidados y normalmente consolidados, para

esto se puede recurrir a cualquier libro de suelos o a la pagina 23 del reporte 529 de la

NCHRP (16).

3.4.1.2 Capacidad portante

Es un factor muy importante ya que si esta se excede se tendrán niveles de

asentamientos muy grandes. Con base a la teoría de Terzagui y a desarrollos hechos por

Prandt, además de saber que para este tipo de estructuras el EPS va a estar sobre un

terreno saturado, blando y cohesivo se encontró que la cohesión es igual a la resistencia

al corte sin drenar, de este modo se tiene que:

uult SFS

q 51

=

Donde FS corresponde al factor de seguridad (usualmente es 3), Su es la resistencia al

corte sin drenar y qu corresponde al esfuerzo aplicado al suelo debido a cargad de

trafico, de la estructura del pavimento y al peso del relleno. Los ingenieros han

establecido una serie de valores conservativos para estos esfuerzos, y se tiene que los

esfuerzos inducidos por trafico son de 11.5 kPa, debidos a la estructura de pavimento

son de 21.5 kPa y los que son a causa del peso del terraplén dependen de la densidad del

EPS.

44

( )⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

+

+=

25EPSEPS

EPS

traficopav TTTw

TwFSSu γσσ

Donde Tw corresponde al ancho de la parte superior del relleno, TEPS altura del relleno,

γEPS corresponde al a densidad del bloque y σpav – σtrafico son los esfuerzos calculados del

trafico o de la estructura del pavimento. Los ingenieros han desarrollado graficas de

ayuda para determinar las alturas mínimas del relleno con base a la resistencia al corte

sin drenar del suelo y al numero de carrilles que se valla a tener (16).

3.4.1.3 Estabilidad de taludes

Aunque este no es uno de los objetivos de este informe se debe tener en cuenta una serie

de aspectos importantes en cuanto a la estabilidad del relleno. Para el análisis de la

estabilidad de taludes se pueden tener dos posibilidades, la primera es tener un relleno de

forma trapezoidal y la segunda un relleno vertical, además dependiendo del numero de

carriles de la vía, de la relación Horizontal-Vertical del terraplén y de la resistencia al

corte de la subrasante, la NCHRP ha desarrollado graficas para establecer las alturas

mínimas del terraplén que cumplan con ciertos factores de seguridad. Se ha encontrado

que la estabilidad de taludes no es un mecanismo de control para la estabilidad externa

del relleno debido a que factores de seguridad comienzan a aumentar cuando se tienen

resistencias al corte mayores a 12 kPa, es decir el mecanismo de control en este caso

vuelve a ser el nivel de asentamientos que se tenga. Revisar el NCHRP 529 pagina 25

para entrar en más detalle en cuanto a la estabilidad de taludes.

45

3.4.1.4 Estabilidad sísmica

Al igual que en cualquier tipo de estructura, la estabilidad sísmica depende de su rigidez

y de la altura de la estructura, es decir que para terraplenes de mayor altura y en especial

para aquéllos que son verticales se va a tener mayor influencia de las cargas sísmicas en

su estabilidad tanto interna como externa. Por otro lado, se debe tener en cuenta todo

tipo de carga aplicada a la estructura, tanto la carga vertical debida al peso del relleno

como a la carga de tráfico y de la estructura del pavimento; para poder realizar el

análisis sísmico, estas dos ultimas se representan por medio de un espesor de suelo

equivalente debido a que la fuerza sísmica horizontal debe estar aplicada en el centro de

masa de la capa de material. Uno de los factores mas importantes a tener en cuenta es

que la fuerza sísmica aumenta con el ancho de la vía, es decir que esta es mas critica

para una vía con mayor numero de carriles que para vías sencillas. El reporte 529 de la

NCHRP (16) muestra los gráficos desarrollados para determinar la altura del relleno

permitidas dependiendo de la resistencia al corte del suelo, del factor de seguridad, del

coeficiente sísmico utilizado (Alto 0.2 – Medio 0.1 – Bajo 0.05), del número de carriles

de la vía y de la relación del talud (Horizontal-Vertical) del relleno.

3.4.1.5 Volcamiento

Al igual que en algunos de los criterios mencionados anteriormente se tiene que el

volcamiento es dependiente del tamaño y forma del relleno, siendo así mas critico para

aquellos de mayor altura y menor relación H-V (Verticales). Para este análisis se tienen

básicamente dos conceptos; el de momentos volcadores causados por fuerzas

horizontales sísmicas, de viento, agua, etc, que inducen al relleno a desestabilizarse y los

46

momentos estabilizadores que como su nombre lo indica tienden a estabilizar el relleno

y son causados por el propio peso del relleno, de la estructura de pavimento y del tráfico.

Se aconseja utilizar para el diseño un factor de seguridad de 1.2 debido a que las cargas

impuestas por sismos son temporales, este valor corresponde a la relación entre

momentos estabilizadores y volcadores. Además se debe cumplir con una excentricidad

máxima, es decir la resultante entre fuerzas horizontales y verticales debe estar entre el

centro y Tw/6 para disminuir el riesgo de volcamiento. Cuando se llega a Tw/6 y se

supera ese valor la distribución de esfuerzos sobre el suelo pasa a ser triangular y el

relleno queda susceptible al volcamiento. La NCHRP determino que la excentricidad

máxima permitida (e) esta dada por:

∑∑ ∑−

+=ormalesesfuerzosn

volcadoresMomdoresestabilizaMomTwe..

2 (16)

3.4.1.6 Análisis de flotación o levantamiento hidrostático

La principal razón por la cual los rellenos de EPS son susceptibles al levantamiento

hidrostático y su deslizamiento, es debido a la baja densidad que presenta este material.

Este es un análisis que se debe realizar al relleno con el fin de determinar cual debe ser

el valor de la sobrecarga impuesta por la estructura de pavimento y el suelo puesto

sobre las pendientes del relleno para evitar que el relleno se levante y/o deslice

horizontalmente debido a la presión impuesta por el agua, es decir, el agua se acumula a

uno o dos lados del relleno y ejerce presión sobre las (laterales-inclinadas) del relleno

provocando una fuerza de empuje horizontal y/o un levantamiento de la base. El informe

NHRP 529 dedujo una serie de ecuaciones que permitieron establecer una serie de

47

gráficos, para un factor de seguridad de 1.2, donde a partir de la relación entre la

columna máxima de agua respecto a la altura del relleno, la relación H-V del talud, y el

numero de carriles que se desea construir, se puede estimar cual es el valor de la

sobrecarga por metro lineal que se debe poner sobre el relleno para evitar el

levantamiento. De este modo una vez se tenga la estructura y el diseño del pavimento se

debe realizar el chequeo del cumplimiento de la sobrecarga con base a las densidades y

pesos específicos estimados para cada material con el fin de cumplir con el criterio de

deslizamiento horizontal debido al empuje del agua y a su posible levantamiento(16).

3.4.2 Estabilidad Interna

En este paso se debe tener en cuenta dos aspectos, que el material seleccionado tenga la

suficiente capacidad portante para poder soportar las cargas del pavimento y del trafico

al igual que soportar cargas sísmicas, de agua, entre otras, con el fin de evitar el colapso

y disminución de funcionalidad de la estructura de pavimento. Con este propósito se

deben cumplir los siguientes criterios que garantizan un buen funcionamiento de las

estructura de pavimento y del relleno de EPS.

3.4.2.1 Deslizamiento debido a cargas de agua

En este caso se debe verificar que la carga horizontal impuesta por una acumulación de

agua no valla a causar un deslizamiento horizontal entre bloques de EPS ni tampoco

entre la estructura del pavimento y su contacto con el EPS. Al igual que para el caso de

48

estabilidad externa, en este también se debe aplicar una sobrecarga de tal modo que se

aumente la fuerza de contacto normal entre cada bloque de EPS y entre la interfaz EPS –

Pavimento. DE este modo, el reporte 529 de la NCHRP desarrollo gráficos para un

factor de seguridad de 1.2 donde a partir de la relación H-V del talud, el ángulo de

fricción estimado existente entre cada interfaz, y la relación entre altura de agua

acumulada y altura del relleno, se puede determinar cual es el valor de la sobre carga

necesaria para evitar un deslizamiento horizontal relativo entre bloques de EPS y entre

bloque – Pavimento.

3.4.2.2 Estabilidad Sísmica

Este análisis se diferencia del externo en que basa en la fricción existente entre cada

interfaz, EPS-EPS, EPS-Subrasante o EPS – Pavimento. El ángulo de fricción menor

entre cada una de estas interfases es el que gobierna la estabilidad interna sísmica,

además también depende del coeficiente sísmico seleccionado que depende de la región

donde se ejecute el proyecto y se asume que la distribución de aceleraciones dentro del

relleno es lineal desde la base hasta la parte superior. Al igual que en el análisis externo,

se asume un espesor de capa de material con el fin de simular las cargas por trafico y las

impuestas por el pavimento. De este modo, se tienen 3 distintos tipos de falla dentro del

relleno; el primero de ellos es cuando ocurre un deslizamiento traslacional de las

estructura del pavimento respecto a la parte superior del relleno de EPS, el segundo es

un deslizamiento relativo entre bloques de EPS, y tercero cuando se desliza todo el

relleno respecto al suelo de subrasante. De ha encontrado que los ángulos de fricción

correspondientes a las interfases EPS-EPS y EPS-Subrasante requieren ángulos apenas

mayores a 10º lo que permite concluir que la estabilidad interna contra sismos esta

gobernada por el ángulo de fricción existente entre la estructura de pavimento y los

49

bloques de EPS. La NCHRP desarrollo gráficos para determinar el valor del ángulo de

fricción en cuanto a un factor de seguridad, modo de falla crítico y coeficiente sísmico.

El análisis es el mismo para rellenos trapezoidales y verticales y se ha encontrado que la

estabilidad sísmica interna se logra al obtener un ángulo de fricción mayor superior a los

15º entre la interfaz EPS – Pavimento.

3.4.2.3 Capacidad Portante

En este punto el principal objetivo es seleccionar el mejor EPS que soporte las cargas

impuestas por el tráfico y el pavimento sin que se deforme de tal forma que provoque

desniveles y asentamientos de la superficie del pavimento. Como se dijo anteriormente,

la carga por compresión es el principal modo de falla y de carga de un relleno de EPS,

en este de debe tener en cuenta no sobrepasar el limite elástico al igual que el valor del

modulo de elasticidad para hacer los diseños de la estructura de pavimento; a

continuación se muestran los valores de estas propiedades para algunas designaciones

del EPS.

TIPO DE MATERIAL

LIMITE ELASTICO kPa (psi)

MODULO DE YOUNG MPa (psi)

EPS 50 50 (7,2) 5 (725) EPS 70 70 (10,1) 7 (1015) EPS 100 100 (14,5) 10 (1450)

Tabla 6: Módulos de elasticidad y límites elásticos para algunas de las

designaciones de EPS impuestas por la AASHTO (16).

50

El procedimiento que se debe hacer para hacer un diseño de un relleno de EPS que

garantice estabilidad interna por capacidad portante consiste básicamente en calcular los

niveles de esfuerzos a los cuales van a estar sometidos los bloques a través de todo el

relleno, establecer cuales son las partes criticas del relleno y por ultimo seleccionar el

tipo de EPS que mejor se acomode a las condiciones de carga impuestas por el trafico y

la estructura de pavimento. De este modo la NCHRP implemento un algoritmo que

consta de:

1. Estimación de carga vehicular (Numero de ejes equivalente)

2. Realizar un aumento del 30% a la carga estimada de tráfico

3. Establecer el nivel de esfuerzos aplicado a la superficie de EPS a partir

de la estructura que mejor disipe esfuerzos y minimice el impacto sobre

los bloques de EPS para así evaluar capacidad portante de los bloques.

Con el fin de estimar el nivel de esfuerzos aplicados a los bloques se

puede emplear cualquier metodología para evaluar esfuerzos, en este caso

se va a utilizar el programa desarrollado por la universidad del Cauca

DEPAV explicado posteriormente.

4. Estimar esfuerzos debido al peso de la estructura a partir de:

pavimentopavimentoDL T γσ =

En este punto se puede hacer con base a los pesos específicos y espesores

de cada capa de la estructura o se puede utilizar un peso específico

promedio igual a 20 KN/m3 y el espesor total del pavimento Tpavimento.

5. Calcular esfuerzos totales σT por carga viva (No3) y carga muerta

(No4)

6. Establecer esfuerzo admisible σadm= σT*FS, usualmente 1.2

7. Seleccionar un tipo de EPS que cumpla con el esfuerzo admisible.

8. Estimar la distribución de esfuerzos dentro de la masa del relleno

debido a cargas vivas (Trafico) después de haberse disipado a través de la

estructura de pavimento. En este paso la NCHRP aconseja seguir una

51

distribución de esfuerzos 1 Horizontal: 2 Vertical para estimar el nivel de

esfuerzos cada 1 metro de profundidad.

9. Estimar la distribución de esfuerzos dentro de la masa del relleno

debido la carga muerta de la estructura del pavimento. Para este calculo la

NCHRP desarrollo la siguiente formula:

( ) ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛=→+=∆ −

Zb

senTpavpav

DLZ1

, tan2αααπ

γσ

Donde α esta en radianes y b es la mitad del ancho de la vía.

10. Calculo de los esfuerzos totales por carga muerta y viva a diferentes

profundidades.

11. Determinar limite elástico admisible para diferentes profundidades

aumentando en un 20% los esfuerzos totales encontrados en el numeral

10.

12. Seleccionar el tipo de EPS que se acomode al nivel de esfuerzos en

cada profundidad pero se aconseja no utilizar mas de 2 tipos diferentes de

EPS.

3.4.3 Diseño de la estructura de pavimento

Los materiales utilizados para el diseño de una estructura de pavimento y el suelo de

subrasante presente son de vital importancia en el diseño ya que con base a sus

características y propiedades se van a diseñar los espesores de cada capa o se

determinara si se requiere realizar algún tratamiento, modificación o cambio del material

con el que se cuente, a causa de esto se han desarrollado diferentes pruebas y métodos

que permiten su caracterización. El diseño se debe realizar teniendo en cuenta que ya no

52

se tiene subrasante en la parte inferior de la estructura si no que ésta, va a estar soportada

sobre el relleno de EPS cambiando el valor de las propiedades para el diseño; a

continuación se muestran algunos valores aconsejados por la NCHRP para hacer el

diseño de pavimentos sobre rellenos de poliestireno expandible (EPS) de acuerdo a la

designación de la AASHTO, estos valores pueden cambiar de acuerdo a las

especificaciones del material suministradas por el proveedor.

TIPO DE MATERIAL

DENSIDAD MINIMA kg/m3 (lbf/ft3)

MODULO DE YOUNG MPa (psi)

CBR (%)

EPS 50 20 (1,25) 5 (725) 2 EPS 70 24 (1,5) 7 (1015) 3 EPS 100 32 (2,0) 10 (1450) 4

Tabla 7: Parámetros de diseño para subrasante - EPS(16).

Existe una gran variedad de estructuras de pavimento donde sus diferencias radican

básicamente en los espesores de cada capa y los materiales utilizados; para este informe

se decidió estudiar pavimentos con capa de rodadura asfáltica únicamente debido a que

son los que permiten soportar mayor nivel de asentamientos diferenciales manteniendo

un buen nivel de servicio. Con el fin de analizar y determinar como varían los espesores

de las estructuras para diferentes tipos de trafico, se van a estudiar las siguientes

estructuras con base a diferentes niveles de agresividad (CAM):

• Pavimento flexible convencional (rodadura asfáltica-base asfáltica-capas

granulares no tratadas-subrasante (EPS))

• Pavimento flexible con capas asfálticas gruesas (rodadura asfáltica- material

granular tratado con asfalto-subrasante (EPS))

53

• Pavimento flexible con capas tratadas con ligante hidráulico (rodadura asfáltica-

material granular tratado con ligante hidráulico - subrasante (EPS))

• Pavimento con estructura inversa (rodadura asfáltica- base asfáltica – granulares

sin tratar - material granular tratado con ligante hidráulico [SUELO-CEMENTO

O RELLENO FLUIDO] - subrasante (EPS))

Para el diseño de estas estructuras se va a suponer que todas las capas se encuentran

ligadas para así poder obtener el mejor comportamiento de toda la estructura ya que si

no se tiene una buena liga entre capas están trabajan de forma independiente

aumentando la posibilidad de que se rompa por fatiga inducida por la flexión alternada

causada por las cargas de trafico, en otras palabras la liga hace que la estructura trabaje

de forma monolítica obteniendo las máximas deformaciones en la base de la capa mas

profunda. A partir del Manual de diseño de Pavimentos para Bogota elaborado por el

IDU y la Universidad de los Andes se van a tener los siguientes criterios de diseño:

1. Deformación vertical de la subrasante y verificación de

Ahuellamiento en la parte superior de la capa granular.

222.0, )(* −= NECadmzε (17)

Donde C es igual a 0.012 para alto tráfico, 0.016 para bajo tráfico

y NE es el número de ejes equivalentes esperados.

2. Esfuerzo admisible a tensión en la parte inferior de la capa de

material tratado con ligante hidráulico.

KrKdKcKsNEadmt )(6, σσ = (17)

Donde σ6 es el esfuerzo limite de fatiga para un millón de ciclos,

Kr es un coeficiente de ajuste debido a probabilidad de falla, Kd

es un coeficiente de reducción por concentración de esfuerzos, Kc

54

es un coeficiente de calibraron establecido con el fin de suplir la

variación entre el comportamiento de los materiales in situ y en el

laboratorio y Ks es otro coeficiente de reducción debido ala

heterogeneidad del suelo de subrasante. Los valores de los

coeficientes serán mostrados mas adelante.

3. Deformación admisible a tensión de la parte inferior de las capas

de rodadura y base asfáltica.

θεε KrKcKsKNE b

admt ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

66, 10 (17)

Donde ε6 es el valor de la deformación para un millón de ciclos y

en este caso el único coeficiente que cambia es Kθ ya que es un

coeficiente que tiene en cuenta la influencia de la temperatura.

Para encontrar el valor de los coeficientes en cada criterio se tiene que:

22

2 02,010 hnUb

bKr σσδδ ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛+=→= −

b corresponde al valor de la pendiente de la ley de fatiga del material, σn y σh son las

desviaciones estándar de la ley de fatiga y de los espesores de las capas respectivamente;

a continuación se muestran valores correspondientes a cada variable.

Prob.falla % U 50 0 30 -0,52 25 -0,67 12 -1,17 10 -1,28

55

5 -1,65 2 -2,05

Tabla 8: Valores de U para establecer el valor del coeficiente asociado a la probabilidad

de falla (17)

MATERIAL σn Granular-liga asfáltico 0,3 Granular-lig.hidraulico 1 Arena-lig.hidraulico 0,8

Suelo-cemento 0,8

Tabla 9: Desviación estándar de la ley de fatiga (17)

MATERIAL σh (cm) Granular-liga asfáltico 2,5 - 3 Granular-lig.hidraulico 3 Arena-lig.hidraulico 2,5 Concreto asfáltico 1

Tabla 10: Desviación estándar de los espesores de las capas.

MATERIAL Kc Rodadura Asfáltica 1,1

Base Asfáltica 1,3 Ligante hidráulico 1,4 Pavimento rígido 1,5

Tabla 11: Coeficiente de calibración datos laboratorio – in situ

Para el coeficiente de reducción por concentración de esfuerzos Kd se tiene que toma el

valor de 0,8 para materiales con resistencia a la tensión superior a 0,5 MPa y Kd=1 para

otros materiales. Por otro lado el coeficiente de la temperatura Kθ se determina con base

56

a la variación del modulo con la temperatura, usualmente estos ensayos no se realizan y

se toma este valor igual a 1, pero en el caso de conocer como es la variación del modulo

con la temperatura, se tiene:

)()15(

eqEEK θθ

θθ ===

MODULO SUBRASANTE Mpa Ks <50 0,833333

50<E<120 0,909091 >120 1

Tabla 12: Coeficiente de reducción por heterogeneidad de las subrasante (17)

Además de conocer los valores de los coeficientes para cada esfuerzo y deformación, se

requiere conocer cual es el valor del esfuerzo y la deformación al cumplir un millón de

ciclos, si no se realizaron pruebas de fatiga sobre los materiales para conocer estos

valores, se pueden utilizar los siguientes valores:

MATERIAL ε6 - σ6 b Relación de poisson E kg/cm2 Rodadura asfáltica 1,50E-04 -0,2 0,35 30000

Base asfáltica 9,00E-05 -0,2 0,35 35000 Ligante hidráulico 7,5 kg/cm2 -0,0667 0,25 350000 Material granular n/a n/a 0,35 2000-6000

* El modulo del material granular depende del tipo de material a usar y de las especificaciones suministradas por el proveedor de la cantera.

Tabla 13: Parámetros y valores estándares de diseño

57

Al igual que las propiedades de los materiales a utilizar también es de vital importancia

conocer o estimar el trafico al cual va a estar sujeta la vía ya que con base a estos valores

se establecen los valores admisible de deformación en la subrasante y en las capas

granulares sin tratar, entonces se van a realizar los diferentes diseños para la

clasificación de trafico realizada en el Manual de diseño de Pavimentos para Bogota

desarrollado por el IDU en conjunto con la Universidad de los Andes.

3.4.3.1 Cartilla de diseño

El objetivo principal de este punto es mostrar como cambian los espesores de las capas

de pavimento con base a algunas de sus variables como el nivel de trafico y la

resistencia de la subrasante, además realizar el diseño de las estructuras de pavimento

mencionadas anteriormente (Flexible convencional, Asfálticas gruesas, con capas

tratadas con ligante hidráulico y estructura inversa), con los espesores minimos que

cumplan con los valores de esfuerzo y deformación admisible mencionados en el

numeral anterior. Cabe resaltar que los diseños que se muestran a continuación son

realizados con base a propiedades de materiales estándares mostradas en la tabla 13 y su

único fin es mirar como varían los espesores y características de la estructura al cambiar

algunas de sus variables y no pueden ser usados sino como base para hacer otros

diseños.

En la tabla 14 se muestra la clasificación del tráfico que se va a utilizar junto al número

de ejes equivalentes para coeficientes de agresividad media de 0,8, 1 y 1,5.

58

NE - MEDIA DE CLASE CAM

CLASE DE TRAFICO

NUM. VEHICULOS PESADOS 0,8 1 1,5

T1 0,00E+00 5,00E+05 2,00E+05 2,50E+05 3,75E+05 T2 5,00E+05 1,50E+06 8,00E+05 1,00E+06 1,50E+06 T3 1,50E+06 4,00E+06 2,20E+06 2,75E+06 4,13E+06 T4 4,00E+06 1,00E+07 5,60E+06 7,00E+06 1,05E+07 T5 1,00E+07 2,00E+07 1,20E+07 1,50E+07 2,25E+07

Tabla 14: Clasificación del tráfico según IDU - UNIANDES

Para calcular los valores admisibles de deformación de la subrasante y de la parte

superior de las capas granulares no tratadas se estableció que las clases de tráfico T1 y

T2 corresponden a bajo trafico mientras que T3,T4 y T5 son alto trafico, de este modo se

tienen lo siguientes valores de deformación admisible a partir de lo dicho en el numeral

anterior para el calculo de este tipo de deformaciones (Criterio 1).

DEFORMACIONES VERTICALES

ADMISIBLES CAM

CLASE DE TRAFICO 0,8 1 1,5

T1 1,06E-03 1,01E-03 9,26E-04 T2 7,83E-04 7,45E-04 6,81E-04 T3 4,69E-04 4,46E-04 4,08E-04 T4 3,81E-04 3,63E-04 3,31E-04 T5 3,22E-04 3,06E-04 2,80E-04

Tabla 15: Deformaciones Verticales Admisibles.

59

Uno de los factores importante a tener en cuenta es la probabilidad de falla con la que se

va a realizar el diseño ya que esta se encuentra ligada a la aparición de fallas a lo largo

de la vida útil de la estructura, además que también debe tener en cuenta la importancia

de la vía, de este modo se aconseja en la referencia numero 17 ciertos tipos de

probabilidad de falla en cuanto al tipo de trafico esperado y al tipo de ligante a utilizar

en el pavimento; la tabla 16 muestra los valores de probabilidad de falla que se pueden

adoptar para el diseño.

PROBABILIDAD DE FALLA %

TRAFICO LIGANTE

HIDRAULICO LIGANTE

ASFALTICO T1 25 45 T2 20 35 T3 15 25 T4 10 10 T5 5 5

Tabla 16: Probabilidades de falla según tipo de ligante

Para el cumplimiento de esfuerzos y deformaciones se tiene que las estructuras flexible

convencional y asfálticas gruesas (estructuras 1 y 2) deben cumplir con los criterios 1 y

3, mientras que las estructuras inversa y asfáltica con ligante hidráulico deben cumplir

con los tres criterios mencionados anteriormente. Con el fin de evitar confusiones entre

los tipos de estructuras a diseñar se va a trabajar con la siguiente nomenclatura:

NUMERO TIPO 1 FLEXIBLE CONVENCIONAL 2 ASFATICAS GRUESAS

3 FLEXIBLE CON LIGANTE

HIDRAULICO 4 INVERSA

Tabla 17: Nomenclatura de estructuras.

60

Con base a los parámetros y valores de diseño mencionados en la tabla 13 y a la

clasificación de trafico, se calculan los valores de las deformaciones por tensión

admisibles en la parte inferior de las capas asfálticas y el esfuerzo a tensión en la parte

inferior de la capa granular tratada con ligante hidráulico; Los valores admisibles para

cada capa se muestran a continuación.

εTENSION ADMISIBLE - Capa Rodadura CAM CLASE DE TRAFICO

0,8 1 1,5 T1 2,22E-04 2,13E-04 1,96E-04 T2 1,61E-04 1,54E-04 1,42E-04 T3 1,25E-04 1,19E-04 1,10E-04 T4 9,29E-05 8,88E-05 8,18E-05 T5 7,46E-05 7,13E-05 6,57E-05

Tabla 18: Deformaciones admisibles Capa de rodadura

εTENSION ADMISIBLE - Base Asfáltica CAM CLASE DE TRAFICO

0,8 1 1,5 T1 1,58E-04 1,51E-04 1,39E-04 T2 1,14E-04 1,09E-04 1,01E-04 T3 8,85E-05 8,47E-05 7,81E-05 T4 6,58E-05 6,29E-05 5,80E-05 T5 5,29E-05 5,05E-05 4,66E-05

Tabla 19: Deformaciones admisibles Base Asfáltica

Para el calculo de los esfuerzos admisibles en la parte inferior de la capa de material

tratado con ligante hidráulico, el coeficiente de reducción por heterogeneidad de la

subrasante Ks, se asumirá igual a 1 debido a que el material de soporte de todas las

estructuras es el EPS que se supone, es homogéneo. Al tomar este coeficiente con este

61

valor, y no como lo indica la tabla 12, los esfuerzos admisibles de esta capa son mayores

que los que podría soportar esa misma capa sobre una subrasante heterogénea

disminuyendo así el espesor requerido para soportar este nivel de esfuerzos, es decir que

al disminuir el espesor también disminuye la cantidad de material granular y ligante

hidráulico necesario reduciendo costos del proyecto. Los esfuerzos admisibles para cada

nivel de tráfico se muestran en la tabla 20.

σTENSION ADMISIBLE kg/cm2 - Granulares con ligante hidráulico

CAM CLASE DE TRAFICO 0,8 1 1,5 T1 10,178 10,028 9,761 T2 8,960 8,827 8,592 T3 7,937 7,820 7,612 T4 7,186 7,080 6,891 T5 6,327 6,234 6,068

Tabla 20: Esfuerzos admisibles a tensión parte inferior ligante hidráulico

Conociendo los valores admisibles de esfuerzo y deformación para cada tipo de capa y

nivel de trafico se procede a calcular los espesores de cada estructura utilizando el

programa de la Universidad del Cauca – DEPAV que cumplan con los esfuerzos y

deformaciones admisibles; para utilizar este programa se necesita conocer los módulos

de cada material (Tabla 13), la relación de poisson y las siguientes constantes de diseño:

• Radio de carga (cm): 12,5

• Presión de Contacto (Kg./cm2): 6,7

• Distancia entre ejes (cm.): 37,5

62

En la figura 4 se muestra la pagina de inicio del programa DEPAV donde se deben

introducir las constantes de diseño enunciadas anteriormente, el numero de capas ue va a

tener la estructura, junto con los módulos de elasticidad y relaciones de poisson de cada

capa y cada material, la ultima columna permite establecer si las capas trabajan de forma

ligada o no, y finalmente lo que se busca es a partir de toda esta información comenzar a

iterar los diferentes espesores con el fin que se cumplan con las deformaciones y

esfuerzos admisibles dependiendo el caso que se tenga.

Figura 4: Pagina de inicio programa DEPAV

Además de esto el ingeniero de pavimentos debe de estimar si va a trabajar las capas

ligadas o sin ligar dependiendo el tipo de material y estructura que se este diseñando. Es

de vital importancia que el ingeniero sepa que al trabajar las capas ligadas se obtienen

las máximas deformaciones en la parte inferior de la capa inferior haciendo trabajar la

estructura de forma monolítica, mientras que si no se tiene liga entre capas, estas actúan

de forma independiente flexionándose de forma alternada con el paso de vehículos

provocando una mayor susceptibilidad al agrietamiento y falla por fatiga. Para los 4

tipos de estructura que se va a diseñar se supondrá que las capas trabajaran de forma

ligada, de lo contrario se especificara en cada caso cuando esto no se cumpla aunque se

debe tener en cuenta que por método constructivo los espesores máximos para cada capa

63

serán de 25 cm., en el caso que se requiera construir una capa de material tratado con

ligante hidráulico mayor a 25 cm., se deberá hacer en 2 subcapas y verificar que se

cumplan esfuerzos admisibles teniendo el promedio de los resultados de esa capa cuando

esta ligada y cuando no lo esta.

Por otro lado se realizaran diseños para cada nivel de tráfico en combinación con 2

diferentes tipos de EPS (50 – 100) cuyas propiedades y parámetros de diseño se

muestran en la tabla 7. Se van a utilizar estos diferentes tipos de EPS para poder

observar como cambia la estructura del pavimento al cambiar las propiedades del EPS.

Para determinar la relación de poisson de cada tipo de EPS se utilizara la correlación

enunciada en el numeral 2.6.2; ν = 0.0056ρ + 0.0024. Los valores para cada tipo de EPS

se muestran en la tabla 21.

TIPO DENSIDAD REL.POISSON EPS 50 20 0.11 EPS 70 24 0.14 EPS 100 32 0.18

Tabla 21: Relaciones de poisson para diseño

Se tiene un cuarto criterio de diseño debido a que el material que soporta la estructura de

pavimento es el EPS, se debe cumplir que la carga aplicada no exceda el esfuerzo de

fluencia o limite elástico ya que este valor es el que controla la vida útil del relleno y la

estructura de pavimento (Revisar propiedades mecánicas, Fatiga y Creep). Con base a

esto se debe verificar que el esfuerzo aplicado al EPS no exceda el límite elástico de

diseño mostrado en la tabla 6. Cada uno de los cuatro criterios de diseño se deben

verificar para cada estructura cuya numeración y materiales que las componen se

muestran en la figura 5.

64

Figura 5: Estructuras a diseñar con EPS

Utilizando el programa DEPAV para calcular los esfuerzos y deformaciones para cada

capa se deben iterar los espesores de cada estructura para que cumplan con los valores

admisibles mostrados en tablas anteriores. Este procedimiento se realizo para cada

estructura con dos tipos diferentes de EPS como plataforma de soporte: EPS 50 y EPS

100; los espesores que cumplen con los valores admisibles para cada caso se muestran a

continuación.

EPS 50 - σ=5 Kg./cm2 - v =0.11 ESPESORES ESTRUCTURA 1 - cm.

CAM TRAFICO 0,8 1 1,5 10 10 10 15 15 15 T1 18 20 23 10 12 13 20 20 20 T2 25 25 25 15 15 17 23 24 25 T3 25 25 25 23 25 n/c 25 25 n/c T4 25 25 n/c n/c n/c n/c n/c n/c n/c T5 n/c n/c n/c

Tabla 22: Espesores estructura 1 con EPS 50 como subrasante

65

EPS 100 - σ=10 Kg./cm2 - v =0.18 ESPESORES ESTRUCTURA 1 - cm.

CAM TRAFICO 0,8 1 1,5 7 7 7 15 15 15 T1 20 21 24 7 9 11 20 20 20 T2 25 25 25 10 12 14 25 25 25 T3 25 25 25 20 22 24 25 25 25 T4 25 25 25 24 n/a n/a 25 n/a n/a 23 n/a n/a

T5

25 n/a n/a

Tabla 23: Espesores estructura 1 con EPS 100 como subrasante

EPS 50 - σ=5 Kg./cm2 - v =0.11 ESPESORES ESTRUCTURA 2 - cm.

CAM TRAFICO 0,8 1 1,5 12 14 15 T1 25 25 25 20 22 24 T2 25 25 25 15 15 15 T3 37 38 40 21 22 25 T4 40 40 40 23 25 30 T5 45 45 45

66

Tabla 24: Espesores estructura 2 con EPS 50 como subrasante

EPS 100 - σ=10 Kg./cm2 - v =0.18 ESPESORES ESTRUCTURA 2 - cm.

CAM TRAFICO 0,8 1 1,5 10 11 13 T1 25 25 25 17 19 21 T2 25 25 25 15 15 15 T3 34 36 38 13 14 17 T4 45 45 45 20 22 25 T5 45 45 45

Tabla 25: Espesores estructura 2 con EPS 100 como subrasante

EPS 50 - σ=5 Kg./cm2 - v =0.11 ESPESORES ESTRUCTURA 3 - cm.

CAM TRAFICO 0,8 1 1,5 15 16 15 17 18 18 T1 20 20 20 15 15 17 20 20 20 T2 20 20 20 13 15 17 20 20 20 T3 25 25 25 16 17 20 22 22 22 T4 25 25 25

T5 16 16 16

67

24 24 25 25 25 25

Tabla 26: Espesores estructura 3 con EPS 50 como subrasante

EPS 100 - σ=10 Kg./cm2 - v =0.18 ESPESORES ESTRUCTURA 3 - cm.

CAM TRAFICO 0,8 1 1,5 15 15 15 15 16 16 T1 20 20 20 15 15 14 17 18 19 T2 20 20 20 15 15 15 20 20 20 T3 20 21 22 15 15 15 20 20 22 T4 24 25 25 15 15 15 23 23 24 T5 25 25 25

Tabla 27: Espesores estructura 3 con EPS 100 como subrasante

EPS 50 - σ=5 Kg./cm2 - v =0.11 ESPESORES ESTRUCTURA 4 - cm.

CAM TRAFICO 0,8 1 1,5 6 7 8 15 15 15 10 10 10

T1

25 25 25

68

10 10 10 15 15 15 11 12 14

T2

25 25 25 11 12 13 15 15 15 16 16 16

T3

25 25 25 10 11 13 17 17 17 21 20 20

T4

25 25 25 10 10 10 19 20 22 25 25 25

T5

25 25 25

Tabla 28: Espesores estructura 4 con EPS 50 como subrasante

EPS 100 - σ=10 Kg./cm2 - v =0.18 ESPESORES ESTRUCTURA 4 - cm.

CAM TRAFICO 0,8 1 1,5 5 5 5 10 11 12 14 14 14

T1

25 25 25 10 10 10 10 11 12 15 15 15

T2

25 25 25 10 10 10 15 15 15 14 15 16

T3

25 25 25 10 10 10 15 15 15

T4

20 21 23

69

25 25 25 15 15 15 15 15 15 20 22 24

T5

25 25 25

Tabla 29: Espesores estructura 4 con EPS 100 como subrasante

3.5 Metodología de diseño del relleno.

Para el diseño de un relleno utilizando como material principal el EPS se debe tener en

cuenta básicamente que se cumplan todos los criterios mencionados en el capitulo 3

numeral 4, al igual que los requerimientos y criterios descritos para una estructura de

pavimento. Es de vital importancia saber que en este tipo de estructura interactúan tres

componentes básicamente; la estructura de pavimento, el relleno o masa de material

(EPS) y la subrasante, tres componentes que pertenecen a fases de diseño independientes

pero que a su vez están ligadas y se deben diseñar conjuntamente ya que todas son

dependientes de las otras, es decir que al afectar una de ellas se afectaran las otras dos.

La siguiente metodología es un breve resumen y una recomendación acerca de cuales

son los principales pasos que debe seguir un ingeniero de pavimentos en el momento de

realizar un diseño de un relleno y de una estructura de pavimento sin importar si el

relleno tiene forma trapezoidal o rectangular.

1) Obtener información referente al proyecto, a la zona, conocer las características

del suelo existente, nivel de trafico, estimar niveles de carga, tipo de vía que se

va a diseñar, establecer restricciones del tamaño del relleno si existen y toda la

información que sea pertinente para el diseño de una estructura de pavimento.

2) Seleccionar el tipo de EPS que se podría utilizar con base al diseño preliminar de

la estructura de pavimentos y el nivel de esfuerzos transmitidos a la superficie

70

del relleno. En este punto se puede variar el tipo de EPS a utilizar o el tipo de

estructura y espesores de pavimento que se tengan.

3) Establecer el posible arreglo de los bloques de EPS buscando minimizar el

volumen de relleno y minimizando el impacto que este tenga sobre la subrasante,

es decir a partir de la estructura de pavimento y capacidad portante del suelo

establecer la altura del relleno que cumpla con las condiciones del suelo.

4) Realizar las verificaciones descritas en el capitulo 3 correspondiente a estabilidad

externa cumpliendo todas las especificaciones y valores admisibles. Si no se

cumple alguna de estas especificaciones se debe realizar cambios de EPS,

tamaño, tipo de estructura de pavimento o tomar la medida que el ingeniero vea

que mejor se acomoda y podría cumplir con todo lo criterios.

5) Realizar las verificaciones descritas en el capitulo 3 correspondiente a estabilidad

interna cumpliendo todas las especificaciones y valores admisibles. Si no se

cumple alguna de estas especificaciones se debe realizar cambios de EPS,

tamaño, tipo de estructura de pavimento o tomar la medida que el ingeniero vea

que mejor se acomoda y podría cumplir con todo lo criterios.

6) Realizar un análisis económico del relleno, de los materiales y establecer que tan

viable puede ser la construcción de ese relleno analizándolo desde el punto de

vista económico, de seguridad y de tiempo.

7) Con base al análisis de factibilidad hecho en el punto 6 realizar cambios si es

necesario.

3.6 Recomendaciones generales acerca del EPS y de su proceso constructivo

a) Una vez se tenga el diseño y las dimensiones del relleno y la estructura de

pavimento se debe verificar el cumplimiento de cada uno de los criterios

mencionados en el numeral 3.4.

71

b) Verificar que el proveedor del material cumpla con todos los requisitos de

propiedades y procesos constructivos mencionados en el numeral 2 como lo es

contenido de material reciclado, número de horas de curado, forma de corte

(Cumplir con estabilidad y uniformidad dimensional), zona de corte, uniformidad

de densidad a través de todo el bloque, entre otros.

c) Los bloques deben tener ángulos de 90 grados entre sus lados en todas sus aristas

y así evitar algún tipo de juego o vació entre bloques.

d) Revisar que cada lote de material que llegue a la obra tenga las mismas

características y propiedades para evitar inconvenientes en el comportamiento

global del relleno.

e) El material debe cumplir con requerimientos de flamabilidad propuestos por la

ASTM C-578 y en el caso que se requiera deber cumplir con la resistencia ante el

ataque y deterioro debido a insectos.

f) El suelo sobre el cual se va a construir el relleno debe estar plano y libre de

partículas grandes, duras y con bordes cortantes o puntas que puedan inducir una

grieta o defecto al material ya que esta actuaría como un concentrador de

esfuerzos; se puede poner una capa de geotextil o de arena sobre la subrasante

para evitar daños al material.

g) Eliminar cualquier acumulación de agua que se deposite sobre la subrasante en el

momento de empezar a poner la primera capa de material o sobre los bloques en

las capas subsecuentes.

h) Cumplir con la colocación del EPS según diseños y en el caso de trabajar con

materiales de 2 densidades diferentes prestar mucha atención al tipo de densidad

y cual es su ubicación según diseños.

i) No se debe permitir el paso de ningún tipo de vehículos sobre los bloques de

poliestireno cuando valla a existir contacto directo de la llanta con el EPS.

j) No se debe exponer el EPS en contacto directo a la llama para evitar degradación

del material por combustión.

72

k) Antes de empezar la compactación de material perteneciente a estructura de

pavimento, se debe tener un espesor mínimo de 30 cm. sobre el EPS.

l) Si mas del 1% del volumen o del 20% de la superficie que va a soportar la carga

presenta algún tipo de deterioro o daño es aconsejable remover y cambiar ese

bloque.

m) Se debe verificar en campo que una vez estén colocados los bloques su ficha

técnica contenga al menos los siguientes datos: Identificación del proveedor,

Fecha de manufactura, peso unitario, numero del lote, tipo o designación del

bloque. Este paso permite garantizar que el material que se este utilizando sea

acorde al establecido en el diseño y cumpla con las especificaciones.

n) Se debe verificar que el nivel de esfuerzos aplicado a l parte superior del relleno

sea menor al limite elástico, al igual que el nivel de esfuerzos aplicado al suelo

utilizando una distribución 1H:2V debe ser menor a la capacidad portante de

suelo para evitar grandes deformaciones y asentamientos de la subrasante.

73

4. CASO HISTORICO – I15 SALT LAKE CITY, UTAH

4.1 INTRODUCCION

La remodelación y reconstrucción de la interestatal I-15 en el estado de Utah fue un

proyecto de gran contribución al progreso de la ingeniería civil y de la comunidad de

Salt Lake city. Debido a sus métodos constructivos, materiales utilizados, al impacto que

tubo en la zona y al beneficio que trajo a la comunidad, este proyecto cumplió con todas

las especificaciones y expectativas de Calidad, Tiempo y Costo, utilizando un método

conjunto de Diseño-Construcción que requiere de una buena programación y control,

con muy buenos resultados en cuanto a la reducción de Costos y tiempo de ejecución del

proyecto, con este método de ejecución de obra y con la utilización de materiales

innovadores como el EPS se logro reducir el tiempo de ejecución de obra casi a la mitad

en comparación con métodos y materiales de construcción convencionales, se redujo 6

meses el tiempo de ejecución de toda la obra además que se tuvo un ahorro de casi 32

millones de dólares con base al presupuesto original. La utilización de bloques de

poliestireno expandido fue una alternativa que cumplía con los requerimientos de

asentamientos al mismo tiempo que presentaba una solución económica en comparación

con otros métodos para solucionar el problema de asentamientos, además que permite su

colocación sin importar la estación o clima por el que se este pasando, es de muy fácil

colocación y corte de material. La utilización de EPS Geofoam redujo el tiempo de

ejecución de la obra hasta un 75% y tiene una gran ventaja, no afecta el medio ambiente.

Según las estadísticas que se tienen en estados Unidos este fue el proyecto que ha

utilizado la mayor cantidad de metros cúbicos de EPS con valor cercano a los 100.000

m3 (18).

74

4.2 DESCRIPCION DEL PROYECTO

La interestatal I-15 en SALT Lake City fue reconstruida por el departamento de

transporte de UTA en conjunto con el grupo de constructores Wasatch. El contrato de

diseño y construcción fue por aproximadamente 1.5 billones de dólares para un tramo de

vía de 27 km, la construcción comenzó en mayo de 1997 y termino en julio de 2001,

antes de los olímpicos de invierno del 2002.

Este proyecto consistió en aumentar el corredor vial existente por uno mas ancho y que

prestara mayor comodidad al usuario, además de adicionar 3 carriles nuevos en ambos

sentidos, también se decidió reemplazar los puentes existentes por 144 nuevas

estructuras y construir nuevos intercambiadores de acceso a zonas urbanas. Además, a lo

largo de los 27 Km de longitud del proyecto se realizaron diferentes tipos de rellenos, la

mayoría de ellos entre 10 y 14 m de altura, de este modo en el momento de decidir que

tipo de relleno se iba a utilizar se tuvieron en cuenta varios aspectos: el primero de ellos

fue el de minimizar los asentamientos sobre el terreno que pudieran afectar las líneas de

agua, luz, teléfono y demás conexiones subterráneas importantes que deben permanecer

en funcionamiento durante la etapa de ejecución de a obra. Los ingenieros estimaron que

al utilizar material común para el relleno, los asentamientos primarios podrían llegar a

ser de un metro al tener rellenos de 10 m de altura afectando las conexiones y líneas

subterráneas, es decir en este punto no solo se busco tener el mínimo efecto sobre

subrasante sino que también se busco minimizar el impacto sobre la comunidad, este

factor disminuyo costos de reparación sobre líneas existente que fueran afectadas por la

construcción. Otro factor importante fue mejorar la estabilidad del relleno en los

terraplenes para puentes donde la utilización de material de relleno tradicional

necesitaría de geotextiles para dar estabilidad y de un buen tiempo para que la disipación

de presión de poros y asentamientos del suelos y del material no afectaran la estructura

de pavimento. Tercero, y muy importante para decidir utilizar EPS como material de

75

relleno fue el tipo de suelo existente en la zona, el cual esta compuesto por arcillas y

limos saturados de baja plasticidad en depósitos de hasta 25 metros de profundidad. Por

ultimo, utilizando EPS se tenia que el tiempo de ejecución del relleno iba a ser mucho

menor que haciendo el relleno por medio de las metodologías convencionales donde la

utilización de geotextiles, de maquinaria pesada, drenes verticales y muchos otros

aspectos iban a influenciar el tiempo y costo de ejecución del proyecto (20).

Es importante saber que el diseño de estos rellenos fue basado en una completa

disipación de carga y así la aplicación de carga sobre el suelo blando fuera casi cero.

Para lograr esto no solo basto con utilizar un material ligero como el EPS sino que

también se requirió de remover un volumen de tierra casi igual al volumen nuevo

adicionado por el EPS y la estructura de pavimento. Se utilizo un pavimento de concreto

Pórtland reforzado unido al relleno por medio de barras verticales transversales para

evitar movimientos relativos de la estructura con base al relleno y así garantizar la

estabilidad externa de a estructura.

4.3 CARACTERÍSTICAS DEL EPS UTILIZADO

Según la ASTM C – 578 s aprobó el uso de EPS tipo VIII y tipo II, finalmente se

decidió utilizar tipo VIII con un contenido máximo del 5% de material reciclado.

Dimensiones:

- Ancho 1.2 m

- Alto 0.8 m

- Largo 4.9 m

76

En la tabla mostrada a continuación se muestran algunas de las especificaciones de

bloques utilizadas para este proyecto:

PROPIEDAD FÍSICA TIPO VIII (EPS 50) TIPO II (EPS (70) DENSIDAD (kg/m3) 18 22

RESISTENCIA A LA COMPRESION (kN/m2) 90 104 RESISTENCIA A LA FLEXION (kN/m2) 208 276

ABSORCION DE AGUA (%) 3 3

Tabla 30: Especificaciones del EPS según ASTM C – 578 (20).

Uno de los criterios importantes en este diseño fue limitar la resistencia a compresión

para cargas muerta y viva hasta un 30% y 40% respectivamente para garantizar que los

efectos por Creep no fueran a afectar la vida útil de la estructura de pavimento.

Las características y propiedades de cada grupo de bloques que llegara al sitio de

ejecución del proyecto debía ser ensayada y analizado para poder ser aceptado; uno de

los aspectos que se manejo desde el principio fue que el proveedor respondió por

defectos de propiedades y de calidad del material, mientras que aquellos que fueran

causados durante el proceso de construcción debían ser asumidos por el contratista.

4.4 SEGUIMIENTO Y CONTROL DE LOS RELLENOS

Con el fin de garantizar que los procedimientos y materiales utilizados cumplen con

todos los requisitos de seguridad, y así pueden seguir siendo utilizados en proyectos

futuros, se implementaron una serie de instrumentos y procesos con el fin de realizar un

seguimiento a los asentamientos durante el proceso de construcción y durante los

77

siguientes 3 años de haber terminado el proyecto. Debido a que no podían instalar

equipos y realzar el seguimiento a todos los rellenos construidos, decidieron realizar el

seguimiento al relleno que se encontrara en la zona más crítica y sensible a

asentamientos, que según los ingenieros del grupo Wasatch se estaba situada en “100

South Street”. Se escogio esta zona, no solamente por el tipo de suelos que tiene sino por

la cantidad de redes subterráneas existentes, y el efecto que una falla de estas traeria

sobre la población.

Este seguimiento se realizo con la implementación de sensores de asentamientos

horizontales que fueron instalados debajo del relleno y sobre cada capa de EPS, su

función es monitorear el nivel de asentamientos a lo largo de todo el relleno. También se

instalaron inclinómetros horizontales y verticales para poder desarrollar un perfil de

asentamientos verticales y movimiento laterales del relleno. Uno de los instrumentos

mas importantes utilizados fueron unas celdas de carga colocadas dentro del relleno para

así poder conocer el nivel de esfuerzos, revisar el rendimiento del relleno y lo más

importante poder confirmar las suposiciones hechas en cuanto a la distribución y

disipación de esfuerzos a través del relleno. Los resultados que se obtuvieron fueron los

siguientes (21):

o Los instrumentos colocados en la parte superior e inferior del

relleno mostraron que los asentamientos ocurridos fueron

principalmente de la masa de EPS y no del suelo.

o Los asentamientos en la base de del relleno en los costados

norte y sur tuvieron perfiles diferentes durante la etapa de

construcción.

o Los asentamientos totales de la etapa de construcción fueron de

75 y 80 mm para el costado Note y Sur respectivamente.

78

o Asentamientos después de aproximadamente 600 días de

terminado el proyecto, en la etapa de operación, fueron

menores a 15 mm en ambos costados.

o Las máximas deformaciones del EPS se registraron en las capas

inferiores.

o Asentamientos diferenciales entre ambas esquinas del relleno

muestran pendientes máximas de 0.2%.

o Los asentamientos debidos a la etapa de operación de la vía

ocurrieron debido a deformaciones de subrasante y no se la

masa de EPS.

o Con base a las estaciones, se encontró que los mayores

asentamientos se daban durante el verano mientras que los

menores fueron en época de invierno.

o Los niveles de esfuerzo encontrados son muy cercanos a los

calculados en la etapa de diseño y la distribución de esfuerzos a

los largo de los 3 años de monitoreo fue muy cercana a la

estimada por los ingenieros.

o Las zonas que fueron rellenadas con material granular

compactado presentaron menores asentamientos en

comparación con los del EPS.

Teniendo en cuenta estas conclusiones y todas las descritas en el documento acerca del

monitoreo del relleno se concluye que la clave para haber llegado al éxito en un proyecto

de esta magnitud, con todos los requerimientos de calidad, cumpliendo con las

deformaciones y asentamientos admisibles, en un menor tiempo de ejecución de obra y

con un ahorro del presupuesto original fue la utilización del EPS junto con una muy

buena programación y manejo de la obra.

79

5. CONCLUSIONES

El poliestireno Expandido es un material que brinda muchas facilidades al

ingeniero y al constructor ya que permite dar solución al problema que se genera

al construir sobre suelos blandos-compresibles al mismo tiempo que si se tiene

un buen manejo, control y cronograma de la obra, se puede tener un ahorro en

tiempo y dinero.

Una gran ventaja que presenta este material en comparación con material común

de relleno es que este no se ve afectado por las condiciones climáticas, no se

deteriora ni se degrada con la lluvia ni la nieve, lo que permite construir mucho

mas rápido que con otros materiales, donde estas mismas circunstancias

requerirían de bombas para extracción de agua, métodos de estabilización

externos (Mayor Compactación – Numero de horas de maquinaria) y de un cierto

tiempo poder seguir con el proceso constructivo.

Uno de los aspectos mas importantes en el diseño de rellenos y de estructuras de

pavimentos utilizando EPS es la calidad y certeza que se tenga acerca de las

propiedades y comportamiento del EPS, es decir que las propiedades establecidas

en los diseños se cumplan a lo largo de todo el proyecto, que se especifique muy

bien el tipo de EPS que se desea utilizar y que los proveedores del material

garanticen igualdad de las propiedades en todos los lotes de material que lleguen

a la obra.

Al ser un material ligero, no se requiere de mucha maquinaria pesada para su

colocación lo que hace que se reduzcan los costos de construcción al mismo

tiempo que contamina y afecta el medio ambiente mucho menos de lo que se

80

contaminaría haciendo un relleno con material tradicional que requiera de mucha

maquinaria pesada para su transporte, colocación y estabilización.

La propiedad mas importante a la cual se le debe prestar mayor atención es a la

densidad, pues de esta dependen muchas otras propiedades, es especial aquellas

referentes a la resistencia del material como por ejemplo la resistencia a la

compresión que es fundamental en este tipo de estructuras ya que cargas

verticales son el principal modo de carga al cual se encuentra sometido el

material.

Es muy importante que el nivel de esfuerzos aplicado al material no exceda el

límite elástico para así poder garantizar un buen rendimiento del relleno a lo

largo de su vida útil ya que no se generan deformaciones permanentes y el

material siempre se encuentra trabajando dentro del rango elástico. Si las

condiciones para las cuales fue diseñado el relleno y las condiciones de servicio

son semejantes de tal forma que se cumpla este criterio, se tiene que la masa de

EPS va a tener vida infinita ya que el fenómeno de fatiga no lo afectara, al igual

que los asentamientos por creep van a ser muy pequeños teniendo así que la

funcionalidad del pavimento solo se vería afectada por el deterioro que tuviera la

estatura de pavimento.

El diseño de la estructura de pavimento se puede realizar por cualquier método,

la única diferencia es que se debe diseñar cambiando la plataforma de soporte o

subrasante por EPS y trabajar con las propiedades y valores de diseño

suministradas en este informe acorde al tipo de EPS con el que se desee trabajar.

Debido al bajo peso unitario del EPS se debe tener especial cuidado a la

estabilidad externa del relleno en cuanto a posibles movimientos relativos de un

bloque respecto a otro que puedan afectar la funcionalidad del pavimento.

81

El chequeo visual realizado sobre los bloques después de haber sido instalados es

muy importante para verificar cumplimiento de especificaciones e identificar

algún tipo de falla o deterioro que tenga el bloque.

Como se puede observar en el numeral 3.4.3.1 donde se realizo el diseño de

algunas estructuras para diferentes niveles de trafico, vemos que es de vital

importancia analizar el tipo de estructura que se este diseñando ya que

dependiendo de las propiedades de los materiales y del tipo de estructura que se

tenga, se puede obtener una estructura que cumpla con los requisitos de

deformación y esfuerzo, es decir, por ejemplo para niveles de trafico T5 no es

factible realizar una estructura de tipo 1 ya que se requerirán de espesores muy

grandes mientras que si se puede hacer una estructura tipo 2,3 o 4, donde para

poder seleccionar la mejor estructura se debe realizar un análisis de precios

unitarios de cada estructura para ver cual es la mas económica debido a que todas

3 cumplen con los criterios de diseño.

Es muy importante realizar un análisis de precios unitarios de cada estructura y

realizar una comparación con los precios del EPS disponibles para poder tomar

la mejor decisión en cuanto al EPS mas resistente y barato que junto a la

estructura mas económica cumpla con los criterios de diseño. Esto es importante

ya que cambiar el EPS por uno de mayor densidad disminuye espesores de la

estructura, el único inconveniente en este punto es que el precio del nuevo EPS

fuera más caro que el precio referente a la diferencia de espesores entre

estructuras diseñadas sobre EPS de mayor y menor densidad.

82

BIBLIOGRAFIA

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structures. Manuel series No 10, second edition,1978. Biblioteca Universidad de

los Andes 624.1514 A763 1978.

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stabilization methods.A wiley –Interscience publications. USA, 1995. Biblioteca

Universidad de los Andes 624.151363 S455 e.1

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Biblioteca Universidad de los andes CA 625.85 L183 E1.

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7) http://www.textoscientificos.com/polimeros/poliestireno/propiedades

8) http://www.novachem.com/DYLITE/docs/Safety_Guide_spanish.pdf#search=%

22composicion%20quimica%20poliestireno%20expandible%20EPS%22

9) http://www.empolime.com/prop.htm

10) http://www.geosyscorp.com/noframes/products/terralite.htm

11) http://www.engineering.manhattan.edu/civil/faculty/horvath/publications/GT200

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13) NCHRP Web Document 65, Geofoam Applications in the Design and

construction of highway embankments. Julio, 2004.

14) http://www.sedesol.gob.mx/subsecretarias/desarrollourbano/sancho/documentos/

vialidad_villahermosa_tabasco/5%20Informe%20Final/Anexos%20T%E9cnicos

/NUEVAS%20TECNOLOGIAS.doc

15) http://www.anape.es/eps_pr.htm

83

16) NCHRP Web Document 529, Guidelines and Recommended Standards for

Geofoam Applications in Highway Embankments.

17) MANUAL DE DISEÑO DE PAVIMENTOS PARA BOGOTA D.C. Instituto de

desarrollo Urbano en conjunto con la Universidad de los Andes.

18) http://www.r-control.com/downloads/project_profiles/AFP_geofoam profile.pdf

19) http://www.asce.org/pressroom/news/display_press.cfm?uid=1041

20) http://geofoam.syr.edu/GRC_i15.asp

21) www.dot.state.ut.us/dl.php/tid=622/save/UT-03.17.pdf