diseÑo de mezclas

20
NIT: 900279474-0 Carrera 78 A No. 9-52 Barrio Castilla Bogotá Teléfonos: 412 67 64, 320-3032927, 313-2849658, 301-4310865 Correo electrónico: [email protected] DISEÑO BASE GRANULAR ESTABILIZADA CON EMULSION ASFÁLTICA Y CEMENTO SHELL COLOMBIA SA MV-INF-2011-266 PROYECTO: VIA DE ACCESO PACHO CUNDINAMARCA MACROVIAS SAS. BOGOTÁ, AGOSTO DE 2011 VERSION 0

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DISEÑO BASE GRANULAR ESTABILIZADA CON EMULSION ASFÁLTICA

Y CEMENTO

SHELL COLOMBIA SA

MV-INF-2011-266

PROYECTO: VIA DE ACCESO PACHO

CUNDINAMARCA

MACROVIAS SAS.

BOGOTÁ, AGOSTO DE 2011

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Tabla de contenido INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... 3

1 EQUIPO GENERAL ..................................................................................... 4

2 MUESTRAS PARA EL DISEÑO DEL PROYECTO ............................... 4

2.1 Características de los materiales ................................................................................ 4

2.1.1 Emulsión Asfáltica SPRAMUL CRL-1 ............................................................................ 4

2.1.2 Agregados ................................................................................................................... 5

3 DESARROLLO DEL DISEÑO DE MATERIAL RECICLADO

ESTABILIZADO ....................................................................................................... 5

3.1 Procedimiento del ensayo .......................................................................................... 5

3.2 Dosificación de los Materiales .................................................................................... 5

3.3 Contenido Teórico de Emulsión .................................................................................. 7

3.3.1 Método Duriez ........................................................................................................... 7

3.3.2 Método Instituto del Asfalto ...................................................................................... 8

3.4 Porcentaje de Emulsión Shell CRL-1 por añadir .......................................................... 8

3.5 Determinación de la cantidad de agua óptima de envuelta ...................................... 9

4 RESULTADOS OBTENIDOS .................................................................... 11

5 ANÁLISIS DE RESULTADOS. ................................................................. 12

5.1 CALCULO DE LA CANTIDAD DE EMULSIÓN POR METRO CUBICO DE MATERIAL

RECICLADO ................................................................................................................................. 14

6 REGISTRO FOTOGRÁFICO Y EQUIPOS UTILIZADOS EN LOS

ENSAYOS. ................................................................................................................ 15

6.1 ENSAYO DE MASA UNITARIA MÁXIMA Y HUMEDAD OPTIMA (PROCTOR MODIFICADO

NORMA INV.- E-142-07. ............................................................................................................. 15

6.2 ENSAYO DE RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN SIMPLE DE MEZCLAS BITUMINOSAS

NORMA INV-E-747-07. .............................................................................................................. 15

6.3 GRAVEDAD ESPECÍFICA BULK Y DENSIDAD DE MEZCLAS ASFÁLTICAS COMPACTADAS

NO ABSORBENTES EN ESPECÍMENES SATURADOS Y SUPERFICIE SECA. NORMA INV-E-733-0716

6.4 INMERSIÓN DE ESPECÍMENES INV-E-738 ................................................................ 16

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7 CONCLUSIONES ........................................................................................ 17

8 ............................................................................................ RECOMENDACIONES

................................................................................................................................. 17

LISTADO DE TABLAS Y FIGURAS

Tabla: 1 Características de la Emulsión ................................................................................. 4

Tabla : 2 Dosificación Material Reciclado ............................................................................. 5

Tabla : 3 Análisis del material existente ................................................................................. 6

Tabla: 4 Cálculo de Superficie Específica .............................................................................. 8

Tabla : 5 Cuantías por metro cúbico de material compacto ................................................. 14

Tabla: 6 Cuantías por metro cúbico de material suelto ........................................................ 14

Figura: 1 Representación Grafica de la Gradación ................................................................. 6

Figura: 2 Calculo Humedad de Preenvuelta ........................................................................... 9

Figura: 3 Resumen de Resultados ........................................................................................ 12

`

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3

DISEÑO DE BASE ESTABILIZADA EMULSIÓN ASFÁLTICA Y CEMENTO

PORTLAND A PARTIR DE MATERIALES RECICLADOS

INTRODUCCIÓN

El presente diseño de material granular estabilizado con emulsión asfáltica y cemento

portland se realizó para la compañía SHELL DE COLOMBIA SA .y se utilizará en el

proyecto Zipaquira – Pacho por solicitud de la compañía UT VIAS DE

CUNDINAMARCA.

El material estabilizado con emulsión y cemento está constituida por el 100 % entre

material granular existente y material de fresado existente en la vía de acceso en Pacho

Cundinamarca, el cual es clasificado a 11/2”.

Para el diseño se siguió la metodología propuesta en el Manual de utilización de

emulsiones Asfálticas en carreteras, y las especificaciones que para tal fin tiene el I.N.V.

en el artículo 461-07 de las normas de construcción vigentes.

El efecto del agua sobre la resistencia a la compresión de las mezclas asfálticas

compactadas (ensayo de inmersión-compresión), mide la pérdida de resistencia a la

compresión que se produce por acción del agua sobre las mezclas asfálticas compactadas

preparadas con cementos asfálticos.

Este material proveniente de apiques efectuados en vía, se mezclara con emulsión

asfáltica Tipo CRL -1 y cemento portland. Se le determinará la densidad bulk,

humedad absorbida, vacíos totales, resistencia seca y resistencia conservada. Para la

determinación del porcentaje de emulsión y cemento para la dosificación en obra, se

realizarán briquetas en laboratorio, siguiendo el procedimiento de ensayo INV-E-748

anexo A (Efecto del agua sobre la cohesión de mezclas asfálticas elaboradas en frio con

emulsión asfáltica).

Mediante este procedimiento se obtiene un contenido ideal de emulsión, el cual mejorará

las características del material existente que se utilizará en la obra, (en este caso,

material de reciclado de las capas existentes en vía).

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1 EQUIPO GENERAL

Moldes tipo Inmersión compresión de 101.6mm, (4”) de alto por 101.6mm, (4”) de

diámetro, pistón de compactación, bandejas, horno, baño maría, termómetro, balanza

digital, prensa hidráulica de carga uniaxial, según norma INV. -747.

2 MUESTRAS PARA EL DISEÑO DEL PROYECTO

Para la realización del diseño en laboratorio se recibieron muestras de material proveniente

de los diferentes apiques realizados a lo largo del tramo a intervenir y entregado en las

instalaciones de MACROVIAS SAS, el cual se mezclará en las proporciones determinadas

con emulsión asfáltica de rompimiento lento tipo SPRAMUL CRL-1y cemento portland,

suministrado por el cliente.

2.1 Características de los materiales

2.1.1 Emulsión Asfáltica SPRAMUL CRL-1

Dentro del diseño de la base estabilizada se utilizó Emulsión Asfáltica Shell CRL-1, con un

contenido de asfalto residual del 60% y tiempos de curado medidos en laboratorio de 72

horas, presentando buena adherencia y altos valores de resistencia mecánica.

Las características de esta Emulsión son:

Emulsion Shell CRL-1 INV. Art. 400-07

ANÁLISIS RESULTADO ESPECIFICACIÓN MÉTODO

% DE AGUA EN VOLUMEN 39.85 % 43.0 %Max. ASTM D 244

% DE ASFALTO RESIDUAL 59.15% 57.0 %Min. ASTM D 244

VISCOSIDAD S.S.F(25 °C) 19.20 sg. 200 Max. ASTM D 244-D 88

RETENIDO TAMIZ No. 20 CUMPLE < 0.1 % ASTM D 244

SEDIMENTACIÓN A 5 DÍAS 1.67% 5.0 % Max. ASTM D 244

CARGA DE LA PARTÍCULA (+) POSITIVA ASTM D244

pH 2.41 6 Max. D.G.N C 276

Ensayos sobre el residuo

ANÁLISIS RESULTADO ESPECIFICACIÓN MÉTODO

PENETRACIÓN 103 mm/10 Min 100 Max. 250 ASTM D 5

DUCTILIDAD >105 cm. 40 Min. ASTM D 113

PTO. DE

ABLANDAMIENTO

52 °C Min.42 máx. 54 ASTM D 36

Tabla: 1 Características de la Emulsión

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2.1.2 Agregados

Al Laboratorio de MACROVIAS SAS, fue remitida una muestra, de material reciclado

seleccionado a 1 ½” y tomado en la vía de acceso del municipio de Pacho – Cundinamarca,

al cual se le realizaron los procedimientos normales de caracterización para materiales de

carreteras. Presentando las siguientes características:

3 DESARROLLO DEL DISEÑO DE MATERIAL RECICLADO ESTABILIZADO

3.1 Procedimiento del ensayo

3.2 Dosificación de los Materiales

Del material recibido, se toma una muestra para realizar ensayos de gradación norma

INV-E-123, límites de consistencia norma INV-E-125 y INV-E-126, y porcentaje de

humedad INV-E-122.

Para el diseño del material existente estabilizado con Emulsión-Cemento se usó el 100%

del material reciclado en la vía y seleccionado a 2” presentando las siguientes

características:

Granulometría:

100 % Material Granular existente en la vía Clasificado a 2 “

Tamiz 1 1/2 1 3/4 3/8 4 10 40 200

Tamaño 37.5 25 19 9.5 4.75 2 0.425 0.075

%pasa 87.6 84.4 81.6 64.5 48.6 35.9 23.8 14.5

Norma 100 75-100 65 - 100 45-75 30-60 20-45 10-30 5-20 Tabla: 2 Dosificación Material Reciclado

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Figura: 1 Representación Grafica de la Gradación

Humedad natural (%) 3.3

Limite líquido (%) NL

Limite plástico (%) NP

Índice de plasticidad (%) NP

Índice de grupo 0

Clasificación A.A.S.H.T.O A-1-b

Clasificación U.S.C.S GM

% de gravas. 51.4

% de arenas 34.1

% de finos 14.5

Proctor modificado (gr/cm3) 2,050

Humedad óptima (%) 7.6

% de Asfalto residual 1.8

Peso unitario suelto seco (gr/cm3) 1.507

Peso Unitario Apisona (gr/cm3) 1.632

Tabla: 3 Análisis del material existente

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3.3 Contenido Teórico de Emulsión

Se determina a través de las fórmulas de Dr. Duriez y del Instituto del Asfalto.

3.3.1 Método Duriez

Determina el porcentaje de emulsión con base en la superficie específica del material.

Determinación de la superficie específica del material con base en la granulometría:

Donde:

FSE: Factor de superficie especifica.

: Diámetro de tamiz superior en mm.

: Diámetro de tamiz inferior en mm.

Donde:

SE: Superficie específica.

K: Factor Riqueza (entre 3.0 a 3.5).

Determinación del porcentaje de asfalto residual según formula del Dr. Duriez:

E1 = [(K*(SE) 0.2

]/L

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Tabla: 4 Cálculo de Superficie Específica

E1 =([(3*(23.59)0.2

-1.8]/0.6)

E1 = 6.4%

3.3.2 Método Instituto del Asfalto

Para la determinación de la cantidad necesaria de emulsión se emplea la siguiente

expresión:

E2= (0.035*A+0.045*B + k*C+F))

Dónde:

A= retenido No. 10 B= pasa No 10 – Pasa.No200 C= pasa 200

E2 = (0.035*(100-35.9)+0.045*(35.9-14.5)+(0.15*14.5)+1)

E2 = 6.37%

3.4 Porcentaje de Emulsión Shell CRL-1 por añadir

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Expresada como porcentaje en relación con el peso de los agregados.

Et = (((E1+E2)/2)*100)/ 100- ((E1+E2)/2))) - % de Asfalto en el fresado

Et = (((6.4+6.37)/2)*100)/(100-(6.4+6.37)/2)))

Et = 6.82 %

3.5 Determinación de la cantidad de agua óptima de envuelta

Se determina la cantidad óptima de agua y densidad máxima del material granular

existente según norma INV-E-142 Proctor Modificado.

Figura: 2 Calculo Humedad de Preenvuelta

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Con el porcentaje óptimo teórico de la emulsión se procede a realizar el ensayo de

recubrimiento, el cual consiste en el cálculo de la humedad de preenvuelta mediante

la ecuación utilizada para el cálculo teórico de los fluidos de compactación CTF.

% ω Proctor modificado = %ω nat+%ω preenvuelta+% ω emulsión

% ω preenvuelta = %ω proctor modificado - %ω nat - %ω emulsión

Con el valor del porcentaje óptimo de emulsión teórico se realiza una serie de seis

(6) briquetas, variando 1% y 2% por abajo y por encima del % óptimo de emulsión

teórico. (Et)

Se obtiene un peso de aproximadamente 1700 gramos de la mezcla de material

existente, a los cuales se le adiciona un 4.6% de emulsión la cual debe estar a una

temperatura menor a 50 grados Celsius, se le agregó el porcentaje de agua de

acuerdo al óptimo de recubrimiento realizado anteriormente el cual fue de 2.46%

para un total de agua en la mezcla de 7.6%.

Luego se procede a mezclar el material con 3% de cemento y se adiciona la

emulsión, se compactan las briquetas siguiendo el procedimiento y equipo

necesario según la norma INV-E-738 anexo A, numeral A.4.5, estas se dejan curar

a temperatura ambiente en el molde durante 24 horas, esto se realiza hasta preparar

6 briquetas por cada porcentaje de emulsión.

Lo anteriormente mencionado se realizó con los siguientes porcentajes de

emulsión, 2.0%, 3.0%, 4.0%, 5.0%, y 6.0%.

Después se dividen en dos grupos de 3 briquetas por cada % de emulsión

El periodo de curado consiste en dejar el primer grupo por 14 días al aire a 25 C

con una humedad relativa del 50 %, el segundo grupo se dejan curar por 7

días al aire y luego se someten a inmersión por 7 días a una temperatura ambiente.

Se completa el diseño de la mezcla, se realizan los siguientes ensayos y análisis con

los datos obtenidos de la muestras compactadas:

Gravedad especifica Bulk, a los 7 días de curado, según norma INV-E-735.

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Resistencia a la compresión de las muestras secas a 25.0°C después del

periodo de curado, según norma INV-E-738, anexo A numeral A.5.2.

Resistencia a la compresión a 25.0 oC de las muestras después de 7 días

de inmersión, según norma INV-E-738, anexo A numeral A.5.2.

Análisis de densidad y vacíos y humedad de absorción durante el ensayo

de inmersión.

Luego de obtener los datos de laboratorio se procede a realizar las siguientes

graficas:

Densidad bulk vs contenido de asfalto residual.

Índice de resistencia conservada vs porcentaje de asfalto residual.

Resistencia a la compresión seca y húmeda vs contenido de asfalto

residual.

Porcentaje de humedad absorbida vs contenido de asfalto residual.

Porcentaje de vacíos totales vs contenido de asfalto residual.

Después de realizar los cálculos y graficas se determina el porcentaje óptimo de

asfalto residual, teniendo en cuenta la densidad bulk y el índice de resistencia

conservada.

4 RESULTADOS OBTENIDOS

De acuerdo al diseño realizado en laboratorio se obtuvieron los siguientes resultados:

4.1 Superficie Específica

23.59 m2/Kg

Figura No 1.Curvas de diseño Inmersión-Compresión

PORCENTAJE DE EMULSIÓN

% Emulsión = 4.6%

HUMEDAD DE PREENVUELTA

%Preenvuelta= 7.6% - 3.3% - (4.6 * 0.40) %

%Preenvuelta= 2.46%

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5 ANÁLISIS DE RESULTADOS.

Resultados del diseño inmersión compresión.

Figura: 3 Resumen de Resultados

#¡DIV/0!

DENSIDAD GRUPO PROBETAS SECAS

128

129

130

131

132

133

134

135

136

137

138

1,80% 2,80% 3,80% 4,80% 5,80%

Den

sid

ad

B

ulk

seca lb

/pie

3

% DE EMULSION

DENSIDAD GRUPO PROBETAS HUMEDAS Y SECAS

14,00

16,00

18,00

20,00

22,00

24,00

26,00

28,00

30,00

32,00

34,00

1,50% 2,50% 3,50% 4,50% 5,50% 6,50%

RE

SIS

ITE

NC

IA S

EC

A K

g/c

m2

% EMULSION

4,50%

4,70%

4,90%

5,10%

5,30%

5,50%

5,70%

5,90%

2,00% 2,50% 3,00% 3,50% 4,00% 4,50% 5,00% 5,50% 6,00%

Hu

med

ad

A

bso

rb

ida %

% DE EMULSION

003

005

007

009

011

013

015

017

1,00% 2,00% 3,00% 4,00% 5,00% 6,00%

Resis

ten

cia

h

um

ed

a K

g/c

m2

% DE EMULSION

2,00

2,40

2,80

3,20

3,60

4,00

4,40

4,80

5,20

5,60

6,00

6,40

6,80

7,20

7,60

8,00

8,40

8,80

9,20

9,60

10,00

1,50% 2,50% 3,50% 4,50% 5,50% 6,50%

Vacio

s T

otale

s %

% DE EMULSION

32,0

34,0

36,0

38,0

40,0

42,0

44,0

46,0

48,0

50,0

52,0

54,0

56,0

1,50% 2,00% 2,50% 3,00% 3,50% 4,00% 4,50% 5,00% 5,50% 6,00% 6,50%

Ind

ice

de

Re

sis

ite

ncia

co

nse

rv

ad

a

% DE EMULSION

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Tabla No 1: Valores obtenidos con el % óptimo de emulsión

En los resultados de la tabla No 3, se observa que con el 4.6% de emulsión (+/ - 0,50%) se

obtiene un índice de resistencia conservada superior al 75% requerido en el artículo 461-07

del INVIAS.

Parametros medidos en

la mezcla.

Tolerancia MIN

(-0.5%)

Optimo de emulsiòn.

4,5%

Tolerancia Max

(+0.5%)

Densidad Bulk lbs/pie32,251 2,255 2,254

Esfuerzo en estado

seco kg/cm2 20,0 20,0 20,0

Esfuerzo en estado

humedo kg/cm2 15,0 16,5 17,0

Indice de resisitencia

conservada, en % 75,0 82,5 85,0

RESULTADOS DE DISEÑO.

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5.1 CALCULO DE LA CANTIDAD DE EMULSIÓN POR METRO CUBICO DE

MATERIAL RECICLADO

Tabla : 5 Cuantías por metro cúbico de material compacto

Tabla: 6 Cuantías por metro cúbico de material suelto

4,60

3,00

2,46

1,63275,1

49,040,1

Cantidad de cemento en porcentajeHumedad de Preenvuelta en porcentaje

Cantidad de cemento en kg por m3

CUANTIAS POR METRO CUBICO DE MATERIAL COMPACTOCantidad de emulsión en porcentaje

Masa unitaria compacta del material Cantidad de emulsion en Kg por m3

Cantidad de agua en litros por m3

4,60

3,00

2,46

1,50769,3

45,237,1

Cantidad de emulsion en Kg por m3Cantidad de cemento en kg por m3Cantidad de agua en litros por m3

Cantidad de emulsión en porcentajeCantidad de cemento en porcentajeHumedad de Preenvuelta en porcentajeMasa unitaria compacta del material

CUANTIAS POR METRO CUBICO DE MATERIAL SUELTO

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6 REGISTRO FOTOGRÁFICO Y EQUIPOS UTILIZADOS EN LOS ENSAYOS.

6.1 ENSAYO DE MASA UNITARIA MÁXIMA Y HUMEDAD OPTIMA

(PROCTOR MODIFICADO NORMA INV.- E-142-07.

6.2 ENSAYO DE RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN SIMPLE DE MEZCLAS

BITUMINOSAS NORMA INV-E-747-07.

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6.3 GRAVEDAD ESPECÍFICA BULK Y DENSIDAD DE MEZCLAS

ASFÁLTICAS COMPACTADAS NO ABSORBENTES EN ESPECÍMENES

SATURADOS Y SUPERFICIE SECA. NORMA INV-E-733-07

6.4 INMERSIÓN DE ESPECÍMENES INV-E-738

Page 18: DISEÑO DE MEZCLAS

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7 CONCLUSIONES

Porcentaje óptimo de emulsión SPRAMUL CRL-1 respecto al peso seco de los

agregados: 4.6 %

Humedad total de prehumectación 2.46% referido al peso seco de los agregados.

La cantidad de cemento por metro cúbico suelto es: 45.2 kg/m3.

La cantidad de emulsión por metro cúbico suelto es: 69.3 l/m3.

Resistencia seca (Rs) 29 kg/cm2 ≥20 kg/cm

2.

Resistencia Húmeda (Rh) 15.5 kg/cm2 ≥15kg/cm

2.

Resistencia Conservada (Rc =15.5/20* 100)= 78.0% ≥ 75%.

La dosificación de los materiales es 100 % material granular existente a 1½”. Esta

dosificación cumple con la norma I.N.V. (Instituto Nacional de Vías) artículo 461-07

determinada para este tipo de trabajos.

El diseño descrito se realizó con Emulsión SPRAMUL CRL-1 y cemento Pórtland tipo

1 que cumple las condiciones exigidas para estos trabajos.

El proceso de estabilización consistirá en la mezcla del material al cual se le adiciona la

emulsión y el cemento, para así construir una capa de base estabilizada.

8 RECOMENDACIONES

Se sugiere mantener control sobre la Granulometría, de la mezcla ya que ésta proviene de

materiales de heterogénea composición.

Se recomienda asegurar el porcentaje óptimo de agua preenvuelta para una adecuada

distribución de la emulsión.

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Es aconsejable compactar la mezcla hasta el 98% de la densidad máxima de Laboratorio.

Se sugiere imprimar la base estabilizada, con emulsión concentrada al 50% en rendimiento

de 1 l/m2.

Se recomienda un período de curado para la base estabilizada mayor a dos días; luego

imprimar la superficie y proceder a colocar las capas Asfálticas; esto con el fin de lograr

evacuar el agua presente en el material y asegurar la mayor densificación.

Con los anteriores datos se comenzarán los trabajos en el campo y se harán los ajustes que

se requieran.

Al material reciclado en vía, se le realizaron los ensayos de granulometría por lavado y

tamizado, límites de consistencia y proctor modificado, siguiendo los parámetros

establecidos en las normas INV-E-123, INV-E-125/126 e INV-E.142 del Instituto Nacional

de Vías INVIAS.

El diseño deberá ser controlado de acuerdo con lo solicitado en la especificación del

artículo 461 del Instituto Nacional de Vías.

Se hace necesario aclarar que las gráficas de humedad absorbida y los porcentajes de

vacíos totales reportadas en el anexo no son parámetros de evaluación en este diseño, se

relacionan como un dato para observar el comportamiento en la mezcla.

El valor obtenido en los resultados de laboratorio es característico de los materiales que el

contratista suministro al laboratorio.

Se determinó un porcentaje de agua de pre envuelta del 3.20%, con el cual se logra el

recubrimiento óptimo del material granular existente), previo a la adición de la emulsión a

la mezcla con el fin de lograr un mejor recubrimiento de la emulsión con el material.

Es importante realizar una verificación de la humedad natural del material antes de realizar

la adición del agua de preenvuelta y la emulsión.

Los resultados del presente informe fueron obtenidos en LABORATORIOS de

MACROVIAS SAS, la información técnica y las recomendaciones dichas en el presente

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informe son producto de la experiencias, investigaciones y practicas llevadas a cabo en el

laboratorio y en los campos de aplicación técnica, sin embargo y debido a que el manejo y

la aplicación se encuentran absolutamente fuera de nuestro control, MACROVIAS SAS no

garantiza resultados que se obtengan ni asume responsabilidad alguna del uso indebido que

se dé a los mismos.

Quedamos atentos a cualquier aclaración o sugerencia al respecto.

Cordialmente,

JUAN CARLOS ESPINOSA R

Gerente Técnico Anexos: Resultado de los ensayos y medio magnético

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