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Diseño de Pavimento Flexible

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A solicitud de la ALCALDIA DE QUIMBAYA, se realizaron ensayos de campo y de laboratorio para el diseño de la Estructura del Pavimento Flexible y de las vía vehiculares que comunican las veredas de Gaitan Bajo y Pueblo Rico en el Mpio de Quimbaya Departamento del Quindío. El diseño del pavimento se hará con base a los CBR tomados con el Penetrómetro Dinámico de Cono (PDC) y a CBR tallados en el campo, además se tendrá en cuenta las características físico - mecánicas de la subrasante y de las capas granulares existentes.. El presente estudio se ha realizado en el laboratorio de Suelos y Materiales del ING. ANTONIO MORALES PAREJA.

Agregado: 02 de DICIEMBRE de 2010 (Por Antonio Morales Pareja) | Palabras: 2885 | Votar! |
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Categoría: Apuntes y Monografías > Ciencias de la Tierra >
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    Autor: Antonio Morales Pareja (procerantonio49@yahoo.com)

    Este apunte fue enviado por su autor en formato DOC (Word). Para poder visualizarlo correctamente (con imágenes, tablas, etc) haga click aquí o aquí si desea abrirla en ventana nueva.

    DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE

    VIA VEHICULAR RURAL

    VEREDAS GAITAN BAJO Y  PUEBLO RICO

    TRAMO DE 120 MTRS

    PROYECTO  ALCALDIA DE QUIMBAYA

    CONTENIDO

    1.  INTRODUCCIÓN..........................................................................................................

    2. TRABAJOS DE CAMPO................................................................................................

    3. ENSAYOS DE LABORATORIO......................................................................................

    4. ESTRATIGRAFIA..........................................................................................................

    5. EVALUACIÓN DE LOS RESULTADOS...........................................................................

    6. DISEÑO DE PAVIMENTOS...........................................................................................

    6.1  DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES......................................................................

    7.  CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.................................................................. 27

    ANEXOS

    1.   ENSAYOS DE LABORATORIO

    1.  INTRODUCCIÓN

    A solicitud de la ALCALDIA DE QUIMBAYA, se realizaron ensayos de campo y de laboratorio para el diseño de la Estructura del Pavimento Flexible y de las vía vehiculares que comunican las veredas de Gaitan  Bajo y Pueblo  Rico en el Mpio de Quimbaya Departamento del Quindío.  El diseño del pavimento se hará con base  a los CBR tomados con el Penetrómetro Dinámico de Cono (PDC) y a CBR tallados en el campo, además se tendrá en cuenta  las características físico - mecánicas de la subrasante y de las capas granulares existentes..

    El presente estudio se ha realizado en el laboratorio de Suelos y Materiales del ING. ANTONIO MORALES PAREJA.

    2.  TRABAJOS DE CAMPO

     Se realizó 3 sondeo a 1,50 mtrs de profundidad ; para el estudio de la subrasante con el objetivo de diseñar los espesores del pavimento, se tomaron 4 CBR con el Penetrómetro Dinámico de Cono (PDC) y dos muestras con molde para CBR tallado en el campo, además  se tomaron muestras para humedades naturales, y para ensayos de clasificación, como son  granulometrías y limites de Atterberg.

    También se registraron los diferentes estratos hasta 1,5 mtrs de profundidad.

    3. ENSAYOS DE LABORATORIO

    Los ensayos de laboratorio realizados a la subrasante fueron los siguientes:

    ·      HUMEDAD NATURAL

    ·      LIMITES DE ATTERBERG DE SUBRASANTE Y SUBBASE

    ·      GRANULOMETRIAS (SURASANTE  Y MATERIAL GRANULAR)

    ·      CLASIFICACIÓN DE SUELOS. DE SURASANTE Y DE SUBBASE

    ·      CBR TOMADOS EN CAMPO CON EL PDC Y TALLADOS EN CAMPO

    Los formatos de los diferentes ensayos aparecen  en el anexo del presente estudio.

    4. ESTRATIGRAFIA

     Se registraron los siguientes estratos en los sondeos realizados, asi :

    REGISTROS DE LAS PERFORACIONES REALIZADAS

              Sondeos

    Materiales

    Sondeo #1

    K0 + 010

    Sondeo #2

    K0 + 090

    Sondeo #3

    K0 + 120

    Carpeta

    No existe

    Deteriorada-cristalizada y muy envejecida

    Deteriorada-cristalizada y muy envejecida

    Material granular tipo súbase de buena calidad

    Espesor de 35 centímetros

    Espesor de 35 centímetros

    Espesor de 46 centímetros

    Suelo de subrasante

    Arena Limosa Entre 0.35mtrs y 1.5 mtrs

    Suelo organico OL  Entre 0.35mtrs y 1.5 mtrs

    Arena Limosa Entre 0.35mtrs y 1.5 mtrs

    Nivel de aguas freáticas

    No se encontro

    No se encontro Subrasante muy humeda

    Se encontro NAF  a 1.0 mtrs

    No se recomienda hacer reparcheo debido a que la carpeta existente donde no se ha arrancado, se encuentra cristalizada (muy frágil). De acuerdo a lo encontrado y analizado mas adelante en el presente estudio se recomienda, colocar una carpeta nueva de 5 centímetros.

    Ademas se recomienda construir filtros a lado y lado de la via en una longitud de 50 mtrs (teniendo en cuenta que existe cunetas de concreto, se recomienda hacer el filtro al lado de la cuneta, hacia el interior de la calzada).

    El filtro debe ser en piedra de mano envuelta en geotextil no tejido 1600 (la seccion del filtro debera ser de 0.35*0,35, ubicado a 1.0mtr de profundidad)

    5. EVALUACIÓN DE LOS RESULTADOS

    Los ensayos realizados a la subrasante arrojaron los siguientes resultados:

                 A BCIZAS  DE 

                         ESTUDIO

    ENSAYOS

    KO+010

    Prof=0.40

    KO+040

    Prof=0.40

    KO+090

    Prof=0.40

    KO+120

    Prof=0.50

    %CBR (PDC)

    7.3

    7.2

    5.3

    2.5

    % CBR tallado

    7.2

     

    2.5

     

    Humedad natural

    37.09

     

    49.41

     

    Limite liquido

    35.48

     

    50.69

     

    Indice de Plasticidad

    10.04

     

    15.46

     

    Clasificación

    SM

     

    S-0L

     

                              CALCULO  VALOR DEL CBR DE DISEÑO

    DE ACUERDO A INSTITUTO DEL ASFALTO

    VALORES CBR OBTENIDOS

    NUMERO DE VALORES DE CBR  IGUALES O MAYORES

    % DE VALORES CBR IGUALES O MAYORES

    1.8

    3

    100.0

    5.3

    2

    67.7

    6.4

    1

    33.3

    El valor de CBR de diseño arrojado por la gráfica para un percentil del 70 es de 5.0%.

     
     

    6. DISEÑO DE PAVIMENTOS

    6.1  DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES VIA VEHICULAR

    6.1.1 EVALUACIÓN DEL TRANSITO

    De acuerdo al valor de CBR hallado de la subrasante, se estimó un tránsito equivalente para la estructura del pavimento en estudio.

    El tránsito acumulado en el periodo de diseño de 10 años, se determinó asumiendo una tasa de crecimiento del 4%.

         TF       =          To * FP * a * 365                        a =10 años          i = 3% (0,03)

         FP       =          [(1+i)ª-1] / [a * i]         =          [(1+0.03)10 - 1] / [10 * 0,03]

         FP       =          1,15

         TF       =          20 * 1,15 * 10 * 365 = 83.950 vehículos

    6.1.2.     Composición del Tránsito:

    De acuerdo a las características de la via se asume la siguiente composición del tránsito:

    TIPO VEHÍCULO

    PORCENTAJE

    NUMERO

    LIVIANOS

    BUSETAS

    CAMIONES

    70

    10

    20

    58765

    8395

    16790

    TOTAL

    100

    83950

    Con respecto a los camiones cerca al 100% de ellos son del tipo C2P y C2G, o sea camiones de dos ejes

    6.1.3   Cálculo del Tránsito Equivalente en el Carril de Diseño:

    Para la determinación del tránsito equivalente expresado en ejes equivalentes a 8,2 Toneladas, se analizó la información de volúmenes de tránsito por cada categoría, y los factores daño por vehículo comercial obtenidos de estudio de factor daño realizado por la Universidad Del Cauca dentro de la Investigación Nacional de Pavimentos I FASE y los del Ministerio del Transportes en 1992.

    TIPO

     

    EJES EQUIVALENTES SEGÚN INP

    EJES EQUIVALENTES SEGÚN MT/1992

    VEHÍCULO

    NUMERO

    Factor de Equivalencia

    Ejes Equivalentes

    Factor de Equivalencia

    Ejes Equivalentes

    TOTAL

    83950

    --

    --

    --

    --

    Livianos

    58765

    --

    --

    --

    --

    Buses pequeños

    8395

    0.40

    3358

    0.40

    3358.0

    Camiones C2 Gdes

    16790

    2.20

    36938

    2.16  *

    36266.4

    TOTAL

    40296

     

    39624.4

    Para el diseño del pavimento  se aproxima el  tránsito  a ejes equivalentes de 8,2 ton, resultando un valor de  0,4 * 105 repeticiones.

    N = 0,4 * 105 EJES EQUIVALENTES DE 8.2 TON

     

    6.1.4  DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE VIA VEHICULAR

    6.1.4.1 MÉTODO DEL INSTITUTO NORTEAMERICANO DEL ASFALTO  (INA)

    DATOS:

    1.   CBR                                             = 5,0%

    2.   TRANSITO                                  = 0,4 *105 Ejes de 8,2 ton

    3.   PERIODO DE DISEÑO            = 10 años

    ·      CALCULO DEL NDT

    ·      CALCULO DEL CONCRETO ASFALTICO

            

    ·      Espesor de concreto asfaltico =          5,0 Cms

    ·      Espesor de concreto asfáltico para convertir a material granular tipo subbase           =          18cm -13 cm = 5 Cms de concreto asfáltico

    ·      Espesor de material granular à 13 Cm * 2,7 = 35 Cms

    Por lo tanto la estructura encontrada y evaluada en este estudio es:

    ESTRUCTURA DE DISEÑO PARA EL TRANSITO ESTIMADO POR EL METODO INA

     

    PARA ZONA DE SUELO FIRME

     

    SUBBASE GRANULAR  e = 35 cms

    CBR = 40%

     

    Cuadro de texto: Subrasante
     

    6.1.4.2  MÉTODO SHELL

    DATOS:

    CBR                                                                                                              = 5,0 %

    TEMPERATURA DEL LUGAR                                                                   = 20°C

    CODIFICACIÓN DEL CONCRETO ASFALTICO                                     = S1 - F1 - 100’

    EJES EQUIVALENTES DE 8,2 TON                                                         = 0.4 * 105

    CARTA UTILIZADA DEL MANUAL DE LA SHELL                                               = CHART HN 21

    ESPESOR DE CONCRETO ASFALTICO ARROJADO POR TABLA    = 16 Cms       

     Comparando este Método con el Método INA, podemos observar que la estructura del pavimento es sensiblemente igual a la arrojado por este último. por lo tanto los comentarios y conclusiones obtenidos son similares

    ESTRUCTURA DE DISEÑO PARA EL TRANSITO ESTIMADO POR EL METODO SHELL

    Carpeta         = 5 cms de concreto asfaltico

    MATERIAL GRANULAR   = 35 cm material granular  con CBR = 40%

    PARA ZONA DE SUELO FIRME

     

    DISEÑO CON CONCRETO ASFALTICO

     
     

    Cuadro de texto: Subrasante


    6.1.4.3  MÉTODO MECDE 3     

    DATOS:

    NUMERO DE CAPAS                               =3(Carpeta ; Subbase y Subrasante)

    ESPESORES DE CAPAS                                   = Carpeta  5 mm;  

                                                                              Subbase 350 mm

    MODULO ELÁSTICO CARPETA                        = 13000 Kg/Cm² à 1300 Mpa

    MODULO ELÁSTICO SUBBASE                        =   2500 Kg/Cm² à 250 Mpa

    MODULO ELÁSTICO SUBRASANTE    =     500 Kg/Cm² à 50.0 Mpa

    CARGA POR EJE                                      =         8,2 Ton

    Con estos datos corremos el programa y nos da una deformación por compresión en la subrasante de 1,06 * 10 -3.

    Si aplicamos las ecuaciones SHELL encontramos que la deformación admisible de compresión en la subrasante debe ser:

    Ez  adm = 1,87 * 10-3

     
    Ez adm = 2,8 * 10-2 * N8,2-0,25

    Ez adm = 2,8 * 10-2 * (50000)-0,25

    ESTRUCTURA DE DISEÑO PARA EL TRANSITO ESTIMADO POR EL METODO MECDE3

    Carpeta         = 5 cms de concreto asfaltico

    Subbase       = 35 cm material granular con CBR = 40%

     

    Concreto asfaltico              e = 5,0 cms

     

    SUBBASE GRANULAR  e = 35 cms

    CBR = 40%

     
     

     
    Cuadro de texto: Subrasante
     

    6.1.4.5  MÉTODO DEPAV  

    DATOS:                                                                        

    NUMERO DE CAPAS                               =3(Carpeta ; Subbase y Subrasante)

    ESPESORES DE CAPAS                                   = Carpeta  5 cm;                                                                                                               Material  Granular 35 cm

    MODULO ELÁSTICO CARPETA                                = 13000 Kg/Cm²

    MODULO ELÁSTICO MATER GRANULAR     =  2500 Kg/Cm²

    MODULO ELÁSTICO SUBRASANTE    =  500 Kg/Cm²

    CARGA POR EJE                                      =   8,2 Ton

    RADIO DE CARGA                                               =  10,80 Cm

    PRESIÓN DE CONTACTO                                  = 5,60 Kg/Cm²

    DISTANCIA ENTRE EJES DE LLANTAS         = 32,40 Cm

    Antes de correr el programa se obtuvieron datos de deformaciones admisibles de compresión en la subrasante y el cálculo del esfuerzo vertical admisible de compresión en la subrasante, utilizando las ecuaciones SHELL para el primero y la ecuación de KERHOVEN Y DORMON, así:

    6.1.4.6 CALCULO DE LA DEFORMACIÓN UNITARIA ADMISIBLE DE

         COMPRESIÓN EN LA SUPERFICIE DE LA SUBRASANTE

    ECUACIÓN SHELL

    Ez adm = 2,8 * 10-2 * N8,2-0,25

    Ez  adm     =       1.87 * 10-3

     
    Ez adm = 2,8 * 10-2 * (50000)-0,25

    CALCULO DEL ESFUERZO VERTICAL ADMISIBLE DE COMPRESIÓN EN LA SUPERFICIE DE LA SUBRASANTE.

    Según KERHOVEN Y DORMON, asume la siguiente expresión para el cálculo del esfuerzo vertical admisible de compresión en la superficie de la subrasante:

    Según los valores del modulo resiliente obtenidos a travé de los ensayos de campo, los esfuerzos admisible son los siguientes:

      SECTOR DE ESTUDIO               MODULO                  sZ ADMISIBLE,

    ENTRE APIQUE #1 Y #3              RESILIENTE                               kg/cm²

                1                                               500                                      0,82

    CALCULO DEFLEXION BENKELMAN ADMISIBLE

    DB = 6,237 N-0,165 =  6,237 (40.000)-0,165 = 1,09 mm

    La deflexión arrojada por el diseño es de 0,91 mm por lo tanto el diseño cumple este parámetro por lo cual es la estructura adecuada para dicho pavimento.


    6.1.4.7 RECOMENDACIONES PARA EL PAVIMENTO FLEXIBLE

    6.1.4.8 6.1.4.7.1 Materiales Granulares

    ·      El material de subbase debe cumplir con los requisitos del I.N.V de Colombia de acuerdo a los siguientes cuadros:

    MATERIAL SUBBASE

    ART 320.2     SBG-1

     

    MATERIAL SUB BASE

    EXISTENTES EN LA VIA

    TAMIZ

    Especificación

    % PASA

     

    TAMIZ

    PTO RICO

    SANTANA

    2”

    100

     

    2”

    100

    100

    1½”

    70 - 100

     

    1½”

    100

    100

    1”

    60-100

     

    1”

    100

    100

    ½”

    50-90

     

    ½”

    90.0

    92.5

    3/8”

    40-80

     

    3/8”

    79.7

    86.0

    4

    30 - 70

     

    4

    61.2

    73.3

    10

    20 - 55

     

    10

    48.5

    63.7

    40

    10 - 40

     

    40

    29.7

    42.9

    200

    4 - 20

     

              200                       10.7

    17.8

    PLASTICIDAD

    < 6%

     

    PLASTICIDAD                 NP

    >10%

    CBR , con Humedad

    optima del Proctor modificado

    40 %

     

    CBR , con Humedad          77%

    optima del Proctor modificado

    20%

    DESGASTE

    50% MAX

     

    DESGASTE

     

    EQUIV. DE ARENA

    25% min

     

    EQUIV. DE ARENA        

     

    ·      El material para Subbase granular tendrá un espesor que se indica en los diseños y cumplirá con los requisitos del I.N.V de Colombia para Subbase granular:

    a)   Materiales: El material consistirá en grava triturada o roca triturada dura y resistente que cumpla con los requisitos siguientes:

    - Debe presentar no menos del 50% de partículas de agregado grueso, en peso, con caras fracturadas ( agregado grueso : parte del material retenido en el tamiz #4).  Debe estar libre de materia orgánica, terrones de arcilla y otras sustancias deletéreas.  No debe mostrar señales de desintegración, ni pérdida mayor del 12% al someter a 5 ciclos en la prueba de solidez en sulfato de sodio según el ensayo I.N.V - E20.

    b)   Límites de Consistencia: La fracción del material que pasa por el tamiz #40 no debe tener un índice de plasticidad mayor de 6,0 %

    c)   Desgaste: El material al ser sometido al ensayo de abrasión en la máquina de los Ángeles, deberá presentar un desgaste menor del 50%.

    d)   Colocación y Compactación: el material se colocará y extenderá en capas de 10 cm, deberá humedecerse, si se requiere para facilitar su compactación, de modo que el contenido de humedad sea aproximadamente igual al óptimo, de acuerdo con el ensayo del Proctor Modificado para ese material.

    e)   En todas las capas del pavimento ( material granular ) deberá realizarse ensayos de compactación Proctor modificado y Densidad de campo, para poder controlar los porcentajes de compactación, los cuales deberán estar entre el 95% - 100% para subbases.

     6.1.4.6.2  CARACTERISTICAS DEL CONCRETO ASFALTICO (ART 450)

    1. Recomendaciones del Material

    El tipo de mezcla será  S1 - F1 - 100’

    El conjunto de agregado grueso, agregado fino y llenante mineral deberá ajustarse a alguna de las siguientes gradaciones.

    TAMIZ ( Pulgadas)

    PORCENTAJE QUE PASA

     

    MDC-1

    MDC-2

    1”

    ¾”

    ½”

    3/8”

    No.4

    No.10

    No.40

    No.80

    No.200

    CARAS FRACTURADAS 75 % min.

    EQUIV DE ARENA  50% min.

    DESGASTE 30% max.

    100

    80-100

    67-85

    60-77

    43-54

    29-45

    14-25

    8-17

    4-8

    --

    100

    80-100

    70-88

    51-68

    38-52

    17-28

    8-17

    4-8

    2.   Características de la Mezcla Asfaltica para un transito               > 5x106

    Compactación,                                                                                 75 golpes/cara

    Estabilidad Mínima,                                                                          750 kg.

    Flujo,                                                                                                 2- 3.5 mm

    Vacíos con aire  capa de rodadura,                                                 4-6%

    Vacíos con aire  Base asfaltica,                                                       4-8%  

    Vacíos mínimos en agregados minerales  gradación MDC-1,        14 %

    Vacíos mínimos en agregados minerales  gradación MDC-2,        15 %

    3.  Módulo Dinámico

    El valor del módulo dinámico según las curvas maestras de la Universidad del Cauca para la gradación es de 13000 kg./cm².

    ·      Antes de colocar la capa de rodadura debe realizarce una imprimación con asfalto del tipo MC - 70 o una emulsión de rompimiento rápido. La capa de base deberá esta bien compactada, seca, y completamente barrida, para que la imprimación tenga un efecto benéfico.

    Durante la construcción deberá tenerse un control riguroso de los materiales de base y subbase, así como de la capa de rodadura a utilizar, de tal forma que cumpla todas las especificaciones del Instituto Nacional de Vías de Colombia.

    .  CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

    1.   Para el diseño del Pavimento Flexible se utilizaron 4 Métodos ( 2 métodos racionales analíticos “INA, SHELL” y 2 métodos computacional “MECDE3 y Método DEPAV, Ver capitulo 5  (Diseño de Pavimento Flexible)

    La estructura de diseño del pavimento flexible recomendada es la siguiente :

     
     
    Cuadro de texto: BBASE GRANULAR  e = 15 cms
CBR = 40%

    Ez  adm     =       13 * 10-4

     
    DEFORMACIÓN UNITARIA ADMISIBLE DE COMPRESIÓN EN LA SUPERFICIE DE LA SUBRASANTE

    ESFUERZO VERTICAL ADMISIBLE DE COMPRESIÓN EN LA SUPERFICIE DE LA SUBRASANTE

    sz adm      =    0,48 kg/cm²

     

    2.-  Teniendo en cuenta la buena calidad del material granular de súbbase  se concluye que la solución para mejorar en un 100% el pavimento de la via entre las veredas Gaitán   Bajo y Puerto Rico, debe ser, levantar la carpeta dañada y cristalizada y reponerla por una carpeta nueva que cumpla con las especificaciones descritas anteriormente.

    3.- Es de extrema importancia construir filtros a lado y lado de la via a mejorar, en una longitud  mínima de 50.0 mtrs (antes de la obra transversal existente), ya que en el último sondeo se encontró agua a un metro de profundidad, donde se registro un  CBR del 2.2%(valor de resistencia muy bajo por la incidencia del agua). Las mejoras que se realicen en la via sin tener en cuenta esta recomendación, van a redundar en poca vida útil de la rehabilitación del pavimento.

    4.- No se recomienda hacer reparcheo debido a que la carpeta existente donde no se ha arrancado(levantado), se encuentra cristalizada (muy frágil). De acuerdo a lo encontrado y analizado en el presente estudio, se recomienda colocar una carpeta nueva de 5 centímetros.

    Teniendo en cuenta que existen cunetas de concreto a lado y lado de la via , se recomienda hacer el filtro al lado de la cuneta, hacia el interior de la calzada.

    El filtro debe ser en piedra de mano envuelta en geotextil no tejido 1600 (la seccion del filtro debera ser de 0.35*0,35, ubicado a 1.0mtr de profundidad)

    5.-Se recomienda realizar mantenimiento a todo el sistema de drenaje superficial existente( cunetas y transversal existente ), ya que en el momento  de realizar el presente estudio dichas obras se encontraron  infartadas(circulando el agua por la calzada, en vez de las cunetas).además el bombeo transversal de la via es muy bajo. Para el presente diseño de rehabilitación se recomienda una pendiente transversal del 2.5%.

    6.- una vez levantada la carpeta existente en los primeros metros del tramo a rehabilitar, deberá completarse los niveles, en los huecos que se han formado, con material tipo base INVIAS con el objeto de que el bombeo de la via, quede conformado desde la superficie de la capa granular, una vez nivelada y conformada la capa granular, se imprimara con asfalto MC-70 o con emulsion de curado rápido. 

    ING. ANTONIO MORALES P.

                MAT 797 CAUCA                                       Armenia, Diciembre 1/2009

     

    ANEXOS

    1.   ENSAYOS DE LABORATORIO

                                                              ENSAYOS DE SUBRASANTE

    ·         ENSAYOS GRANULOMETRICOS

    ·         ENSAYOS DE LIMITES DE CONSISTENCIA

    ·         ENSAYOS DE HUMEDADES

    ·         ENSAYOS DE CBR TALLADOS

    ·         ENSAYO DE PDC (TABLA CAPITULO  5)

                                                              ENSAYOS DE SUBBASE

    ·         ENSAYOS GRANULOMETRICOS

    ·         ENSAYOS DE PROCTOR MODIFICADO

    ·         ENSAYOS DE CBR CON HUMEDAD OPTIMA Y 56 GOLPES POR CAPA

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