INTRODUCCION PAVIMENTOS, Resúmenes de Ingeniería de Carreteras

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INTRODUCCIÓN

CAPITULO I

plásticas y siendo formadas a trabes de las capas (asfálticas o cementadas), provenientes de una combinación entre la acción de las cargas del tráfico y los efectos de la intemperie (variaciones de temperatura y humedad a lo largo del tiempo). Además, la condición de “ruptura” de un pavimento es, hasta cierto punto, indefinida y subjetiva, existiendo divergencias entre los técnicos y administradores en cuanto al mejor momento para restaurar un pavimento que presenta un cierto nivel de deterioro estructural y/o funcional. I.2. COMPONENTES DE UN PAVIMENTO En la Figura I.1 se muestra esquemáticamente, los componentes principales de un pavimento asfáltico. Se puede considerar que la estructura de un pavimento esta formada por una superestructura encima de una fundación, esta última debe ser el resultado de un estudio geotécnico adecuado. En los pavimentos camineros, la superestructura está constituida por la capa de revestimiento y la capa base; la fundación está formada por las capas de sub-base y suelo compactado. Figura I.1. Sección típica de un pavimento. Fuente: Instituto Tecnológico de Aeronáutica, Ingeniería de Pavimentos, Brasil, 2000.

1. Capa de Rodadura 5. Subrasante
2. Capa Base 6. Sub-drenaje longitudinal
3. Capa Sub-base 7. Revestimiento de Hombreras
4. Suelo Compactado 8. Sub-base de Hombreras La capa de rodadura o revestimiento asfáltico tiene las siguientes funciones:  Impermeabilizar el pavimento, para que las capas subyacentes puedan mantener su capacidad de soporte.  Proveer una superficie resistente al deslizamiento, incluso en una pista húmeda.  Reducir las tensiones verticales que la carga por eje ejerce sobre la capa base, para poder controlar la acumulación de deformaciones plásticas en dicha capa. La capa base tiene las siguientes funciones:  Reducir las tensiones verticales que las cargas por eje ejercen sobre las capas sub-base y suelo natural.  Reducir las deformaciones de tracción que las cargas por eje ejercen a la capa de revestimiento asfáltico.  Permitir el drenaje del agua que se infiltra en el pavimento, a través de drenajes laterales longitudinales (Figura I.1). La capa sub-base esta constituida por un material de capacidad de soporte superior a la del suelo compactado y se utiliza para permitir la reducción del espesor de la capa base.

satisfacer los requisitos funcionales especificados (pavimentos flexibles, semirígidos, rígidos, etc.). Figura I.2. Actividades pertenecientes a un proyecto. Fuente: Instituto Tecnológico de Aeronáutica, Ingeniería de Pavimentos, Brasil, 2000. Los siguientes factores deben ser tomados en cuenta, para que el proyecto sea completo y eficaz:  Materiales disponibles.  Experiencia práctica de las empresas constructoras en la ejecución de los servicios previstos.  Restricciones presupuestarias.  Restricciones operacionales y logísticas.

PROYECTO

1. Definición de problema.
2. Obtención de información necesaria.
3. Concepción y generación de alternativas técnicamente viables.
4. Análisis del desempeño esperado de las alternativas viables y determinación de las alternativas aceptables.
5. Análisis de las alternativas aceptables.
6. Definición de la solución a ser implementada. Especificaciones De los materiales de construcción. De los procesos constructivos. Del control tecnológico y de la calidad de ejecución. CONSTRUCCIÓN

 Nivel de confiabilidad: Nc = PR (Vs > PP ) deseable para el proyecto. El porcentaje de área que representará la vida de servicio ( Vs ) mínima debe ser igual al periodo de proyecto ( PP ) adoptado. El valor Nc a ser fijado depende de la importancia de la carretera ya que cuanto menor sea su valor, mayor será la frecuencia con que ocurrirán los deterioros localizados antes del final del periodo de proyecto, siendo necesaria la ejecución de trabajos de conservación mas frecuentes. Otro factor que tiene influencia en el nivel de confiabilidad ( Nc ) es la variación esperada de las propiedades mecánicas de los materiales de construcción.  Modelo deseado para la utilización del pavimento a lo largo del periodo de proyecto.  Tráfico previsto durante el periodo de proyecto.  Condiciones climáticas regionales (régimen pluviométrico y temperaturas).  Consideraciones o no de estrategias de pavimentación por etapas, en función de la incertidumbre sobre el tráfico futuro. Con la aplicación del sistema de gerencia de pavimento no se pretende minimizar únicamente el costo de construcción del pavimento, si no el costo total del ciclo de vida, definido en la Figura I.3.

pavimento. El caso típico de los pavimentos semirígidos cuya restauración tiende a ser onerosa debido a la reflexión de las fisuras de la base cementada. Un proyecto efectivamente optimizado está definido por: Minimizar CCV sujeto a: CI  restricción presupuestaria Vs  PP Por las consideraciones realizadas el proyecto de un pavimento debe tener los siguientes componentes:  Dimensionamiento estructural: donde se determina la sección del pavimento para que sea capaz de resistir los efectos deteriorantes de las cargas de tráfico.  Especificación de los materiales de construcción: incluyendo los procesos constructivos y procedimientos para el control tecnológico de calidad.  Proyecto geotécnico: incluyendo la consideración eventual de problemas como el acolchonamiento de suelos arcillosos debajo el peso de los terraplenes, la estabilidad y erosionabilidad de los taludes.  Proyecto de drenaje: donde se determinan, dimensionan y especifican los elementos necesarios para el retiro de las aguas de infiltración.

I.4. TIPOS DE PAVIMENTOS

 Pavimentos flexibles. o Convencionales de base granular. o Deep-Strength de base asfáltica. o Pavimentos full-depth. o Pavimentos con tratamiento superficial (pueden ser semirígidos también).  Pavimentos rígidos.  Pavimentos semirígidos. I.4.1. PAVIMENTOS CON TRATAMIENTO SUPERFICIAL Los tratamientos superficiales dobles o triples pueden ser utilizados como capas de revestimiento en carreteras de tráfico leve a medio. Se construyen mediante la aplicación de capas de ligante bituminoso sobre las cuales se conforman capas de materiales pétreos compactados, cuya granulometría debe ser rigurosamente controlada para satisfacer las exigencias de las especificaciones técnicas adoptadas en el proyecto. El deterioro del revestimiento se produce principalmente por la fisuración debida a la fatiga y/o al desgaste. Los tratamientos superficiales simples que deben ser utilizados apenas para accesos donde el tráfico de proyecto es del orden del 1% del tráfico de proyecto de las fajas de rodadura, o para la protección provisoria de bases granulares hasta que el revestimiento definitivo sea construido.

usual que un pavimento compuesto comprenda una capa de base de concreto o tratada con cemento Portland junto con una superficie de rodadura de concreto asfáltico. La estabilidad de suelos por medio de ligantes hidráulicos (cemento Portland) permite que se obtengan materiales con capacidad de soporte suficiente para construir capas para base en pavimentos sujetos a cargas pesadas como ser camiones o aeronaves. I.5. CONSIDERACIONES SOBRE LOS SUELOS DE FUNDACIÓN Al igual que en la casi totalidad de aplicaciones de la Mecánica de Suelos, los materiales que se eligen para la fundación de pavimentos, son de dos tipos claramente diferenciados. Los que se denominan materiales gruesos (arenas, gravas, fragmentos de roca, etc.) constituyen el primer grupo, el segundo grupo está formado por los suelos finos, cuyo arquetipo son los materiales arcillosos. Es bien conocida la gran diferencia de comportamiento que tienen ambos grupos de suelos, respecto a sus características de resistencia y deformación, estas diferencias ocurren por la naturaleza y la estructura íntima que adoptan las partículas individuales o sus grumos, los suelos finos forman agrupaciones compactas y bien familiares, en cambio los suelos gruesos adoptan formas vaporosas con grandes volúmenes de vacíos y ligas poco familiares en el caso de los finos. En los suelos gruesos tales como las arenas y las gravas, la deformación del conjunto por efecto de cargas externas, sólo puede tener lugar, por acomodo brusco de partículas menores en los huecos que dejan entre sí las mayores, o por ruptura y molienda de sus partículas. La expansión de suelos gruesos, es un fenómeno que para efectos prácticos no se considera en el diseño de carreteras. La estabilidad de los suelos gruesos ante la presencia del agua es grande, si se prescinde de la posibilidad de arrastres internos de partículas menores por efecto de la circulación de corrientes de agua interiores, efecto que relativamente es poco común en las carreteras. Por tanto, si el suelo grueso está

constituido por partículas mineralógicamente sanas, su resistencia al esfuerzo cortante es grande, y está basada en mecanismos de fricción interna de sus partículas, o en la resistencia que oponen esas partículas a deslizarse unas con respecto a otras, dependiendo por tanto de la fricción interna y de su dureza. Para cualquier solicitación se cumple que a mayor presión ejercida sobre el conjunto de partículas por las cargas exteriores, la resistencia del conjunto crece, tal como establecen las leyes de fricción. Evidentemente, cualquier aumento en la compacidad del conjunto trae consigo un aumento en su resistencia intrínseca y al reacomodo. En caso de producirse algún deslizamiento o reacomodo entre partículas, debido a elevados esfuerzos, la deformación ocasionada es de magnitud relativamente pequeña. Un material de esta naturaleza bien compactado, adquiere características de resistencia y difícil deformabilidad, permanentes en el tiempo y muy poco dependientes del contenido de agua que el material adquiera con el transcurso del tiempo. Estas características son favorables para el desempeño estructural de las carreteras. El caso de los suelos finos arcillosos, su tendencia a adoptar estructuras internas abiertas, con alto volumen de vacíos, hace que estos suelos tengan una capacidad de deformación mucho más alta. Si se ejerce presión sobre suelos finos saturados se puede ocasionar un fenómeno de consolidación, que induce al agua acumulada entre sus partículas a salir del conjunto, produciendo una reducción del volumen que originará deformaciones del conjunto, las que afectarán la estabilidad del pavimento. En los suelos finos parcialmente saturados, la presión externa produce deformaciones que disminuyen los vacíos, comunican presión al agua interior, que se desplazará hacia el exterior, ocasionando deformaciones volumétricas grandes. Las estructuras precomprimidas, al cesar la presión externa y absorber agua, tienden a disipar los estados de tensión superficial actuantes entre el agua que ocupaba parcialmente los vacíos y las partículas cristalinas del suelo, liberando energía que permite que la estructura sólida precomprimida se expanda, de manera que los suelos arcillosos son

“efecto de acordeón”, cuyas consecuencias serán altamente perjudiciales para la carretera. Estas consideraciones hacen ver la importancia del proceso de compactación de suelos finos. Si no se alcanzan en principio condiciones adecuadas, la carretera será inestable, pero si la compactación es mayor a un determinado límite, la carretera también llegará a ser inestable con el transcurso del tiempo, si es que los materiales están en contacto con el agua libre exterior. Las consideraciones anteriores conducen a la conclusión de que los suelos arcillosos son indeseables en el cuerpo general de las carreteras y, desde luego, en cualquier capa de la sección estructural de su pavimento. Sin embargo, razones constructivas y económicas obligan a una cierta presencia de suelos finos, la cual debe ser mínima y cuidadosamente tratada. En efecto, el material que se desea para construir carreteras está constituido por suelos gruesos, pero resultaría antieconómico e innecesario eliminar por completo a los finos, con el avance actual de las técnicas constructivas, habrá que coexistir con un cierto volumen de éstos, teniendo presente, que cuanto más abajo se ubiquen los suelos finos, el impacto proveniente de las cargas del tráfico será menor, de manera que su presencia será menos nociva. Por ello, la tecnología tradicional exige el uso de suelos gruesos casi puros en las capas bases y sub-bases del pavimento, y va aceptando contenidos crecientes de suelos finos en subrasantes y terrecerías. Por razones económicas, no es posible eliminar completamente la presencia de suelos finos de la sección estructural de una carretera, pero debe tenerse muy en cuenta que las investigaciones de la Mecánica de Suelos indican que contenidos relativamente muy pequeños de arcilla, formando parte de una matriz de suelo grueso, bastan para dar a esa matriz un comportamiento indeseable, haciéndola compresible y expansiva. El límite en el contenido de finos depende de la actividad de la arcilla.

Los análisis exigidos para determinar la actividad de los suelos arcillosos hace prácticamente imposible el investigar la naturaleza de los finos dentro del proceso industrial de construcción de una carretera, por lo cual el contenido de finos suele controlarse limitando el porcentaje de partículas que pasan el tamiz No. 200. La investigación desarrollada dentro de la tecnología de la Mecánica de Suelos hace ver las grandes diferencias que produce la inclusión de finos arcillosos en una matriz de gravas utilizadas en bases y sub-bases de pavimentos asfálticos, según sea la actividad y la naturaleza de las arcillas incorporadas, pero, a la vez, muestra también que contenidos de finos por debajo del 10% del total, no tienen una influencia determinante en la resistencia y en la deformabilidad del conjunto, que mantendrá un comportamiento que básicamente puede considerarse como el de un suelo grueso. Contenidos superiores a ese valor le dan al suelo un comportamiento notablemente indeseable, de manera que contenidos de materiales arcillosos en el orden del 12%, ya inducen a un comportamiento que corresponde al de un suelo fino. Por lo anterior, el contenido de materiales finos que pasan el tamiz No. 200, en cualquier matriz de suelo grueso que se utilice en las capas superiores de una carretera (bases y sub-bases), no debe exceder de un 10%. Este valor debe reducirse a la mitad en las carpetas asfálticas. Además debe tenerse en cuenta que no menos de un 4% ó 5% de partículas finas van a ser aportadas por la propia fracción gruesa, como resultado de los procesos usuales de trituración, por este hecho se debe reducir, en la misma proporción, el contenido de materiales puramente arcillosos. En las subrasantes de carreteras puede haber una mayor tolerancia, aceptándose contenidos de finos que pasan el tamiz No. 200 hasta un porcentaje del 15%, en las carreteras más ocupadas, y hasta un 25% en aquellas de menor ocupación. El contenido de materiales finos y sus efectos en las secciones estructurales de las carreteras, también deben controlarse con la medición del índice de plasticidad de la

El pulso de las solicitaciones varía en un periodo muy breve de un valor muy bajo hasta un máximo, en función de la velocidad del vehículo. La muestra de forma cilíndrica se confina en una cámara triaxial, que permite aplicar a la probeta una gran variedad de presiones, mediante un dispositivo especial que puede aplicar cargas pulsantes de diferente magnitud y duración. En el ensayo se registra: a. La carga aplicada mediante una célula de carga electrónica. b. La presión de confinamiento mediante el medidor de presiones. c. La deformación que sufre la probeta. Para suelos finos interesa conocer la tensión desviante σd = σ 1 - σ 3 Para los suelos granulares la tensión volumétrica θ 3 = σ 1 + σ 2 + σ 3 Las cargas dinámicas repetidas producen en la probeta una deformación vertical, que tiene dos componentes: εP = Deformación permanente, que no se recupera cuando cesa la carga. εR = Deformación Resiliente, que es recuperable cuando deja de actuar la carga La relación entre las deformaciones verticales y la carga desviante se muestra en la figura siguiente:

Figura I.4. Relación entre deformación vertical y carga desviante. Fuente: Ayllón Acosta Jaime, Guía para el Diseño de Pavimentos de Concreto Asfáltico. Para determinar el módulo resiliente se registra toda la deformación axial de la probeta a lo largo del ensayo y se calcula con la siguiente expresión: MR = σd / εR εR tiene la misma definición del módulo de Young, aplicada a solicitaciones transilientes de corta duración. RELACIONES C.B.R. - MÓDULO DE RESILIENCIA En nuestro país no existe experiencia ni equipos para determinar el Módulo Resiliente. Ante esta falencia se pueden utilizar las siguientes relaciones con el C.B.R. (1) CBR < 15 % (Shell) MR (MPa) = K * CBR K = 10 K = Tiene una dispersión de valores de 4 a 25 (2) MR (MPa) = 17,6 * CBR0,64^ (Powell et al)

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