RECOMENDACIONES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS BASADO EN LA UTILIZACIÓN DE BLOQUES DE POLIESTIRENO. CARACTERIZACIÓN FÍS ICA Y MECÁNIC A. JUAN NICOLAS FORERO MARCELO UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL BOGOTA 2007
83
Embed
RECOMENDACIONES DE DISEÑO DE PAVIMENTOS BASADO EN …
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
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
18
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