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CORRELACIÓN ANALÍTICA-TÉCNICA
ENTRE ENSAYOS DE LABORATORIO
DE MÓDULO RESILIENTE Y CALIFORNIA
BEARING RATIO DE LA MINA COPETO
ANALYTICAL-TECHNICAL CORRELATION BETWEEN
LABORATORY TESTS OF RESILIENT MODULE
AND CALIFORNIA BEARING RATIO OF THE MINE COPETO
Felipe Parra P., Patricio Espinoza-Montero,
2
Lenys Fernández,
2,4
Hicher Zambrano,
3
Wilson Cando
1
*
Recibido: 30 de septiembre 2019 / Aceptado: 12 de diciembre 2019
DOI: 10.26807/ia.v8i1.123
Palabras clave: California Bearing Ratio, Módulo Resiliente,
correlación CBR-Módulo Resiliente, bases granulares, sub-bases granulares.
Keywords: California Bearing Ratio, Resilient Modulus, correlation
C.B.R. – Resilient Modulus, granular bases, granular sub-bases.
RESUMEN
Se reporta una correlación analítica-técnica
entre ensayos de laboratorio de
Módulo Resiliente
y California Bearing Ratio, para un agregado que proviene
1 Pontificia Universidad Católica del Ecuador, Facultad de Ingeniería, Escuela de Ingeniería Civil, Quito,
Ecuador (*WOCANDO@puce.edu.ec)
2 Pontificia Universidad Católica del Ecuador, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Escuela de Quí-
mica, Quito, Ecuador (lmfernandez@puce.edu.ec, PESPIN
OZA646@puce.edu.ec)
3 Uni
versidad de Los Andes, Facultad de Ingeniería, Mérida, Venezuela (zhichert@gmail.com)
4 Universidad Simón Bolívar, Caracas, Venezuela (lfernandez@puce.edu.ec)
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de la mina de Copeto (Toachi – Santo Domingo de Los Tsáchilas-Ecuador), la
cual arroja valores reales útiles en la optimización del material utilizado en
proyectos viales, a través de la obtención del Módulo Resiliente. El estudio se
sustenta en la cualificación de la mina, mediante ensayos fisicoquímicos, que
permite conocer las características propias de los agregados, según las normas
ASTM. Con el logro de una correlación entre el CBR y el Módulo Resiliente
real de la mina en estudio, se tiene valores reales en el comportamiento de los
materiales, que se van a usar en la estructura de la vía, lo que genera como re-
sultado espesores de capas menores, que, al momento de la construcción re-
duce el tiempo de entrega, la cantidad de material y por consiguiente el costo
final de la construcción de la vía.
ABSTRACT
A
n analytical-technical correlation between laboratory tests of Resilient Module
and California Bearing Ratio for an aggregate that comes from the Copeto Mine
(Toachi - Santo Domingo de Los Tsáchilas-Ecuador) is reported, which yields
real useful values in the optimization of the material used in road projects,
through the obtaining of the Resilient Module. The study is based on the quali-
fication of
the mine, through physicochemical tests, which allows to know the
characteristics of the aggregates that make it up, according to ASTM standards.
We report real values in the behavior of the materials that are going to be used
in the structure of the road, which results in thicknesses of smaller layers, as in
the base (a reduction of 5 cm) that, at the time of construction It reduces the
delivery time, the amount of material and therefore the final cost of the cons-
truction of the road.
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Esta investigación está orientada a la
obtención de una correlación analí-
tica-técnica entre ensayos de labora-
torio de C.B.R. (California Bearing
Ratio, por sus siglas en inglés) y Mó-
dulo Resiliente, aplicados a agrega-
dos que provienen de la mina de
Copeto ubicada en la provincia de
Santo Domingo de los Tsáchilas-
Ecua dor
. Los materiales procedentes
de las canteras de esta mina, son uti-
lizados para la conformación de base
y sub-base de vías asfálticas, que
ayudan a que la capa de rodadura re-
sista las demandas por cargas vehicu-
lares. El espesor de cada capa depen-
de de factores como la cantidad de
vehículos en la capa de rodadura,
condiciones climáticas, condición
del suelo de la sub-rasante y posición
del niv
el freático.
En la nueva normativa AASHTO-
1993, 2012, para el diseño y cons-
trucción de carreteras, se precisa la
necesidad de obtener Módulos Resi-
lientes de estructuras sometidas a car-
gas dinámicas, esto en la base y
sub-base, y de los materiales que van
a conformar la estructura del pavi-
mento.
El C.B.R., es una metodología muy
utilizada para la caracterización de
suelos, así
como para conocer el es-
fuerzo cortante que tiene un material
que será utilizado en el diseño de pa-
vimentos controlando la humedad y
densidad (Herrera, 2014, Gárnica,
2001). Mientras que, con el Módulo
Resiliente, se pueden caracterizar
materiales agregados utilizados en la
constitución de la sección base y
sub-base de la estructura de la vía,
para la elaboración de pavimentos
(Camacho, 2013). Se ha reportado, la
obtención del Módulo Resiliente a
través de una correlación con el
C.B.R.,
mediante ecuaciones analíti-
cas (Higuera, 1989). En el presente
trabajo, se realizaron ensayos de la-
boratorio con materiales provenien-
tes de la mina Copeto, aplicando
ambas metodologías, a fin de obtener
valores reales y específicos de los
verdaderos agregados que se utilizan
y conforman la estructura de la vía, y
as
í lograr una correlación analítica-
técnica más ajustada y exacta de las
características fisicoquímicas de los
sustratos, lo que resultará en un di-
seño óptimo de las capas de las vías.
Esta metodología no es utilizada en
la actualidad en nuestro país; donde
INTRODUCCIÓN
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se realiza únicamente el ensayo de
C.B.R. de laboratorio y mediante fór-
mulas teórica se encuentra el Módulo
Resiliente, sin tomar en cuenta que
dichas fórmulas no corresponden ne-
cesariamente a los tipos de materia-
les existentes en las minas del
Ecuador. En nuestra investigación se
han logrado obtener los valores de
los ensayos de Módulo Resiliente y
C.B.R. de laboratorio de los materia-
les de base y sub-base de la mina en
e
studio, logrando obtener datos re-
ales para conformar la correlación, a
través de la cual se optimiza el mate-
rial para el diseño de las capas de la
estructura vial.
MATERIALES Y MÉTODOS
Granulometría del material
Se realizó para conocer los diferen-
tes tamaños y distribución de las par-
tículas que se ensayaron, con el fin
de definir si el agregado cumple con
las especificaciones para las clases de
base y sub-base (ASTM C33).
Se
debe indicar que las granulome-
trías de las diferentes bases y sub
bases son ajustadas a las especifica-
ciones técnicas del Ministerio de
Transporte y Obras Públicas (MTOP).
Gravedad Específica y Absorción
Se determinó para evaluar la rela-
ción de vacíos en el agregado, así
como el volumen que ocupa en una
mezcla y la absorción para conocer
el porcentaje de agua que tiene el
material (ASTM C128, ASTM C127).
Contenido orgánico del material
Se
evaluó para determinar si existen
componentes perjudiciales en arenas
naturales (ASTM C40-99).
Terrones de arcilla y partícula fria-
bles del material
Permitió conocer la cantidad de sus-
tancias nocivas y perjudiciales que
tiene el agregado (ASTM C142-97).
Durabilidad del agregado a sulfatos
Permitió conocer el desgaste de
los
agregados a
la acción de los sulfatos,
al estar en contacto con el suelo y el
agua (ASTM C88).
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Equivalente de arena del material
Permitió determinar la cantidad de
polvo y arcilla en el agregado y limi-
tar la cantidad de este elemento
(ASTM D2419).
Durabilidad del agregado a la abra-
sión
Permitió estimar el desgaste que sufre
el agregado grueso en su re
sistencia
y a
la fragmentación a la que está ex-
puesto (ASTM C131).
Contenido de humedad del material
(según la norma ASTM D4318-84).
Límites de Atterberg
Permitió determinar el contenido de
agua entre los límites líquido, plás-
tico y semisólido (ASTM D4318-84).
Módulo Resiliente
Se ensayaron muestras en estado na-
tural y compactadas, a las cuales se
les varió el estado de humedad con
el fin de determinar la
variabilidad
del Módulo
Resiliente y la deforma-
ción bajo cargas cíclicas, impartidas
por un pistón servo controlado de un
equipo triaxial cíclico. Se aplicó la
metodología de ensayo prevista en la
norma del Instituto de Vías INV E
156.
RESULTADOS
Caracterización fisicoquímica de la
mina
La Tabla 1, muestra los parámetros
obtenidos en los ensayos de labora-
torio para la caracterización de la
mina, de acuerdo con el objetivo per-
seguido en cada análisis y las normas
que deben cumplir dichos paráme-
tros.
Valores de C.B
.R.
La Tabla 2, muestra los resultados del
ensayo C.B.R. en laboratorio, a partir
del cual se evaluó la resistencia po-
tencial al esfuerzo cortante de la
base, sub-base, sub-rasante, para el
uso en las vías cuando sus condicio-
nes y características van a alterarse
en el momento de la construcción.
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Tabla 1. Ensayos de Caracterización
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Tabla 2. Valores de C.B.R.
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Valores de Módulo Resiliente
Con el fin de obtener mejores resul-
tados, se realizaron tres ensayos de
Módulo Resiliente para cada clase de
base y sub-base, los cuales se resu-
men en la Tabla 3.
Tabla 3. Valores de Módulo Resiliente
Con los resultados obtenidos, utili-
zando las metodologías el C.B.R. y el
Módulo Resiliente, se obtuvo una co-
rrelación que permite obtener los va-
lores del Módulo Resiliente (MPa) a
través de valores del C.B.R. (%) con
la formulación de una ecuación ana-
lítica. Mediante la ecuación, se obtu-
vieron valores de Módulos Resilien-
tes a partir del valor C.B.R., para
bases (Figura 1) y sub-bases (Figura 2)
de la mina de Copeto – Santo Do-
mingo de los Tsáchilas
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Figura 1. Correlación de Módulo Resiliente para Sub-base
Figura 2. Correlación de Módulo Resiliente para Base
Ecuación para Sub-bases
De acuerdo a la ecuación obtenida
para Módulo Resiliente, se ingresa el
número C.B.R. (%) y se obtiene el
valor de Mr (Tabla 4).
Ecuación para Sub-bases
para Sub-base
Ecuación para Bases
Tabla 5.
Tabla 6.
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Tabla 4. Valores de Módulo Resiliente
para Sub-base
Ecuación para Bases
Según la ecuación obtenida para Mó-
dulo Resiliente, se ingresa el número
C.B.R. en % y se obtiene el valor de
Mr (Tabla 5).
Tabla 5. Valores de Módulo Resiliente
para Base
Diseño vial
Para el diseño de una vía se necesita
el TPDA (Tráfico Promedio Diario
Anual) inicial y el final (Tabla 6). El
período de diseño se realiza con
perspectiva de duración de la vía de
10 años.
Tabla 6. Tráfico Promedio Diario Anual
inicial y final (TPDA)
Al ser una vía ubicada en el sector
rural del cantón Cayambe, provincia
de Pichincha, el nivel de confianza
de la vía en diseño fue C= 90%, la
desviación estándar So=0,44, distri-
bución de tráfico Dt =0,5, tasa de
crecimiento i=3%, pérdida por servi-
cio Δpsi=2,0.
Diseño de las capas de la estructura
de la vía por
el método AASHTO
(93)
La F
igura 3, muestra los espesores de
las capas de la estructura vial.
Figura 3. Espesores de la estructura vial
por el método AASHTO (1993)
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Ecuación para Sub-bases
para Sub-base
Ecuación para Bases
Tabla 5.
Tabla 6.
CARPETA ASFÁLTICA
BASE
SUBBASE
D1 = 10 cm
D2 = 20 cm
D3 = 15 cm
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Diseño de las capas de la estructura
de la vía por la correlación obtenida
Con la ecuación obtenida, se obtuvo
el valor de Módulo Resiliente real del
material proveniente de la mina en
estudio, es decir que con estos datos
reales, de acuerdo a las característi-
cas del material, se realizó el diseño
adecuado de los espesores de la es-
tructura vial (Figura 4).
Figura 4. Espesor de la estructura vial
por correlación obtenida
CARPETA ASFÁLTICA
BASE
SUBBASE
D1 = 10 cm
D2 = 15 cm
D3 = 15 cm
DISCUSIÓN
Los resultados obtenidos en los ensa-
yos de caracterización de la mina,
Tabla 1, cumplen con todas las nor-
mas establecidas, lo que indica que
la cantera provee agregados adecua-
dos para la construcción de vías en
la zona, es decir que se cuenta con
un material con condiciones adecua-
das. Por otro lado, los valores de
C.B.R. obtenidos de los tipos de
Bases, Tabla 2, son mayores al 80 %
y Sub-bases superiores al 70 %, lo
que sugiere
que es un material muy
resistente y es óptimo para la utiliza-
ción en proyectos viales, ya que el
agregado proviene de una mina que
se encuentra en el lecho de un río.
Los resultados del Módulo Resiliente
del material, Tabla 3, se encuentran
en el rango propuesto por el tipo de
suelo a excepción de Base clase 1
tipo A, Base clase 2 y Base clase 3
que tienen valores un tanto mayores,
desde el
punto de vista técnico eco-
nómico es positivo por cuanto en
este caso al tenerse un material de
mejor calidad se demostró que se
pueden bajar los espesores de la es-
tructura del pavimento. Esto se aso-
cia a las características del material
y lo hace más resistente.
Los resultados obtenidos de los ensa-
yos de C.B.R. fueron los esperados. El
agregado en estudio proviene de una
mina de lecho de río y su valor de
base y sub-base corresponde a las ca-
racterísticas del material. En cuanto a
los resultados de los ensayos de Mó-
dulo Resiliente, los valores se encuen-
tran en el rango de acuerdo al tipo de
suelo, resultado asociado a que la
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clasificación SUCS del agregado es
de tipo GW, y AASHTO A-1-a.
Los valores de Módulo Resiliente ob-
tenidos, en el caso de sub-base, me-
diante la correlación obtenida entran
en el rango, pero en las bases los nú-
meros de Módulo Resiliente son ma-
yores a los esperados de acuerdo a la
norma AASHOTO 93, lo cual puede
ser consecuencia de la resistencia del
material, el cual, al ser de lecho de
río ubicado en el cantón Santo Do-
mingo de los Tsáchilas, posiblemente
haya sufrido una abrasión natural y
por consiguiente
es un agregado con
mejores características.
El diseño vial, utilizando el método
AASHTO (93), arrojó espesores típi-
cos de una estructura vial para el
TPDA propuesto. La finalidad de esta
investigación fue lograr una correla-
ción en la que, a partir de C.B.R., se
puedan obtener valores de Módulo
Resiliente reales de los agregados de
es
ta mina, y así definir si se cuenta
con una optimización de material. En
este caso los espesores disminuyeron
con respecto a si usáramos las tablas
convencionales de correlaciones de
las normas. En el caso de la sub-base,
los espesores fueron menores a los
del diseño original en el cual se utili-
zaron correlaciones extranjeras, pero
por normativas las dimensiones cum-
plen los mínimos establecidos. La
base el espesor se redujo en 5 cm, lo
que garantiza que la estructura vial
cumplirá con las especificaciones y
solicitaciones a las cargas vehiculares
provenientes de la carpeta asfáltica.
La diferencia de espesores obtenidas
entre ambos métodos radica en que
el cálculo del diseño por AASHTO
(93), toma valores de los ábacos exis-
tentes a partir de los C.B.R., no siendo
los números necesariamente del agre-
gado a utilizarse. Mientras que, los
valores obtenidos por la correlación,
son datos apegados a las característi-
cas propias del agregado, y el se-
gundo diseño optimiza material. El
primer diseño es conservador, sin va-
lores reales del agregado. Los dos di-
seños cumplen con las especifica-
ciones y resisten las cargas de diseño
adoptadas y proyectadas a 10 años de
acuerdo a las especificaciones de di-
seño del MTOP.
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La caracterización del material de
base y sub-base de la mina en estu-
dio, cumple con todas las normati-
vas ASTM y AASHTO, teniéndose
como resultado una mina calificada
para la obtención de agregados para
diseños viales. Con el logro de una
correlación entre el CBR y el Módulo
Resiliente real de la mina, se tiene va-
lores reales en el comportamiento de
los materiales que se van a usar en la
estructura de la vía, teniendo como
consecuencia de
la optimización de
los espesores que, al momento de la
construcción, reduce el tiempo de
entrega, la cantidad de material y por
consiguiente el costo final de la cons-
trucción de la vía. Al comparar los di-
seños obtenidos por el método
AASHTO y por la correlación, se
tiene un TPDA final bajo y se de-
muestra que hay una reducción de
espesor en la base; pero al tener
mayor carga vehicular, es decir un
TPDA mayor, se observará una reduc-
ción significati
va en el espesor de las
capas.
CONCLUSIÓN
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