1 F UNDAMENTACION T EORICA
FUNCIONAMIENTO DE LAS JUNTAS
Son discontinuidades en la superficie del pavimento (entre las losas) con orientación longitudinal y transversal2.
La función de las juntas longitudinales es controlar los efectos del cambio volumétrico del concreto debido a los cambios de temperatura ambiente y cumplen también la función de facilitar el proceso constructivo.
Las juntas transversales por su parte cumplen funciones mas amplias: deben controlar los esfuerzos de alabeo que sufren las losas por los cambios de temperatura entre la noche y el día, deben controlar el fenómeno de retracción hidráulica inicial del concreto, controlar los movimientos diferenciales entre el pavimento y las estructuras vecinas y facilitar el proceso constructivo.
2 Instituto Colombiano de Productores de Cemento – ICPC. Funcionamiento de los pavimentos.
1.2.1
Efecto del cambio volumétrico del concreto
Todos los pavimentos de concreto requieren del diseño adecuado de juntas, el cual parte del chequeo de las dimensiones para evitar fisuración y agrietamiento debido al fenómeno de contracción volumétrica y alabeo producido por los cambios de temperatura entre la noche y el día, la humedad relativa, la velocidad del viento, etc.
La fisuración puede aparecer a edades tempranas del concreto durante el periodo de fraguado final, en el cual el concreto vive un cambio de estado plástico a estado sólido. La formación de pequeños cristales debido a la hidratación del cemento le dan una apariencia rígida pero aún con baja resistencia a la tensión. Una mezcla de concreto segregable o propensa a la exudación sumado a la desecación superficial debida a las corrientes del viento, altas temperaturas o a la baja humedad relativa del ambiente produce tensiones en la capa superficial muy superiores a las fuerzas que están uniendo los cristales. Se genera así, fisuras que pueden ser tan críticas como las mismas condiciones climáticas que las provocaron. En conclusión la fisuración aparece cuando se restringe el libre movimiento volumétrico de la masa de concreto y el alabeo natural.
El Espaciamiento entre las juntas puede ser calculado con la siguiente expresión (Darter and Barenberg 1977)3:
Eq. 1.1
∆L
=
CL(α
t∆T+∈)
∆L = Apertura de la junta con o sin pasadores. Normalmente entre 1.3 y 6.4 mm
C = Factor de ajuste debido a la fricción base – losa. 0.8 para base granular
0.65 para base estabilizada
L = Espaciamiento entre juntas o longitud de la losa en mm.
αt = Coeficiente de expansión térmica del concreto.
Normalmente entre 9 y 10.8 * 10-6 /°C.
∆T = Rango de temperatura determinado como:
Temperatura del sitio menos la más baja temperatura Media mensual
ε
= coeficiente de contracción por secado del concreto. Normalmente entre 0.5 y 2.5 * 10-4Podemos aplicar esta fórmula a un caso colombiano así:
∆L = 1.3 mm. Suponiendo que se fisura libremente.
C = 0.65 bajo coeficiente de rozamiento en bases estabilizadas.
αt = 10.8 * 10-6 /°C. Alta expansión térmica del concreto, común en concreto
fabricados con cemento que presentan alto calor de hidratación en su proceso de fraguado inicial y final o fabricados con cemento a alta temperatura entre otros.
∆T = 0.5 °C
Para puerto tejada: Temperatura media Anual es 24.6 °C. Menor Temperatura promedio mensual 24.1 °C
ε
= 2.5 * 10-4 Alta contracción por secado del concreto.Debido al clima: Natural en climas secos con alta velocidad del viento o climas secos con alta temperatura.
Debido a los materiales: Concretos elaborados con alto contenido de finos, entre los cuales están, la arena, el cemento y los finos nocivos o pasantes del tamiz No 200.
Remplazando tenemos la siguiente separación máxima entre juntas:
L = 7,83m
Colombia tiene la gran ventaja al no presentar variaciones altas de temperatura, al contrario de los países con estaciones como Estados Unidos y Canadá, donde la variación de temperatura DT pueden ser mayores de los 30°C entre los meses de
verano e invierno.
Para el ejemplo anterior reemplazando nuevamente con DT=30°C: L = 3,48m.
1.2.2 Fenómeno de retracción Hidráulica del concreto
En el proceso de endurecimiento el concreto presenta disminución volumétrica por pérdida de humedad debido a la evaporación natural y al aumento de la temperatura interna de la masa de concreto ocasionada por las reacciones
químicas que dan paso a la etapa de fraguado inicial. Es en esta etapa cuando el concreto joven y de baja resistencia a la tensión es sometido al rozamiento restrictivo que le impone la superficie de apoyo. Haciendo uso de las ecuaciones de equilibrio de fuerzas se llega a la ecuación 1.2:
Eq. 1.2
σ =
0Lfγ
c/2
Donde: L = Longitud de la losa en m.
f = Coeficiente de fricción entre la losa y la superficie de apoyo.
= Densidad del concreto en Tn/m3
γ
so= Esfuerzo de tensión generado en el concreto, y debe ser
menor del 8% del Módulo de Rotura.
Así para un concreto con las siguientes características:
Módulo de Rotura (MR) igual a 42 Kg/cm2, γ = 2.20 Kg/cm3
f = 0.8 base granular de agregados triturado.
Encontramos que la longitud L para evitar fallas por tracción será: L = 0.08 * 42 * 2 / (0.8 * 2.2 ) = 3.82 m
Con el fin de incrementar la longitud de las losas es conveniente utilizar riegos antifriccionantes como riegos pobres de imprimación asfáltica, plásticos o papeles.
Si en el ejemplo anterior se usa f = 0.65 correspondiente a una subrasante natural, la longitud L será 4.70 m.
L
b h
Con el fin de evitar fisuras ocasionadas por los dos fenómenos descritos en los párrafos anteriores la AASTHO recomienda longitud de las losas (L) menor o igual a 25 veces el espesor de la losa (h) y que la relación L/b no supere el valor de 1.40.
1.2.3 Diseño de juntas
Las juntas del pavimento se someten al paso de los ejes vehiculares que junto con las lluvias, problemas en el sellado y problemas de drenaje se convierten en puntos vulnerables del pavimento, por esto, entender la forma como se transmiten las cargas a través de ellas ayudará al diseñador a elegir mejor el tipo de pavimento según la clase de proyecto.
Existen diferentes tipos de juntas:
Juntas de retracción de fraguado: controla la longitud de las losas de acuerdo al cambio volumétrico del concreto en el proceso de fraguado.
Juntas de alabeo longitudinal y transversal: controlan la longitud de las losas para evitar el agrietamiento del concreto endurecido debido a los diferenciales de temperatura.
Juntas de expansión: controlan la expansión volumétrica del concreto debido a cambios de temperatura. Se usan cuando las losas de concreto tienen restricción de movimiento acumulado longitudinalmente o cuando tiene restricción de movimiento lateral debido a superficies rígidas inamovibles como sardineles o separadores rígidos entre otros.
Juntas de construcción: Normalmente coinciden con cualquiera de las tres anteriores, pero en caso de emergencia que implique una suspensión de la construcción de las losas de pavimento se debe tener especial cuidado de hacer el corte en el tercio central de la losa.
La transmisión de cargas normalmente se hace a través de fuerzas cortantes y momentos. Si la junta es demasiado cerrada el momento será de una magnitud importante, pero cuando la junta es visible la transmisión de momentos podrá despreciarse.
En la práctica habitual de los pavimentos las juntas se “diseñan” y se las induce, no se permite que se auto distribuyan, esto garantiza la transmisión de cargas exclusivamente por cortante. Como muestran las figura 1.3 y 1.4, la fricción entre las partículas de agregado o la efectividad de los pasadores serán los encargados
de asumir el cortante y si el mecanismo es realmente óptimo la deflexión de dos losas adyacentes será idéntica cuando la carga es aplicada en la junta,2
Figura 1.3
Figura 1.4
Figura 1.5
Mecanismo óptimo de transmisión de carga a través de agregados.
Mecanismo óptimo de transmisión de carga a través de pasadores.
La eficiencia de la junta se mide de acuerdo a las deformaciones que experimenta dos losas adyacentes. En la figura 1.5 se esquematiza una junta que funciona permitiendo un diferencial de deformaciones.
D’ D
Diferencial de deformaciones entre losas adyacentes.
Eq. 1.3
*100
'
'
2
D
D
D
+
=
ε
ε
= Eficiencia de la juntaD’ = Deformación vertical del lado descargado.
D = Desplazamiento vertical del lado cargado de la junta.
Para = 100 el funcionamiento de la junta es óptimo, en la medida que este valor es menor se desarrolla el proceso de erosión del material de sub-base que disminuyen la vida útil del pavimento. Este efecto se puede contrarrestar:
ε
Usando losas cortas. Diseñando con pasadores.
Incrementando el espesor del pavimento. Usando bases estabilizadas.
Usando base mas capa asfáltica.
Los pavimentos diseñados con pasadores presentan mejor respuesta ante los efectos de erosión ya que la carga aplicada en la junta no debe generar esfuerzos superiores a los que puede soportar el mecanismo de transmisión escogido. Para las mismas condiciones del tránsito y periodo de diseño se requiere mayor espesor si se prescinde del uso de pasadores, sin embargo finalmente la decisión de usar o no pasadores debe estar fundamentada en una evaluación tanto técnica como económica.
Constructivamente las juntas pueden cumplir 4 diferentes funciones: transmisión de carga, anclaje, control de cambios volumétricos y cortes constructivos.
Las juntas de transmisión de carga como se mencionó anteriormente pueden funcionar:
Con trabazón de agregados: Si la fundición de concreto es continua las juntas se induce cortando la parte superior de la losa como indica la figura 1.6, de esta forma se garantiza una adecuada trabazón de agregados.
6 mm
h/3 25 – 30 mm
3 mm
Figura 1.6
Figura 1.7
Profundidad y ancho del corte para junta sin pasadores.
Con pasadores: Si la fundición de concreto es continua las juntas se induce cortando la parte superior de la losa, las juntas de anclaje funcionan exclusivamente con barras corrugadas y una de las formas de elaboración es la que indica la figura 1.7.
5 mm
h/2 h/3
Las juntas de control volumétrico trabajan con elementos como el icopor que permite cambios de longitud en las losas a la vez que protege los elementos laterales del movimiento como se muestra en la figura 1.8 estas juntas pueden ser longitudinales o transversales.
Sellante 1.5 cm
1.5 cm
Icopor o similar
Figura 1.8 Profundidad y ancho del corte para junta de expansión.
Debido a ancho de este tipo de juntas se debe tener especial cuidado en el sellado para evitar deterioro a causa de agentes externos.
Las características de los pasadores están recopiladas en la tabla 1.1
posteriormente en 1991 la PCA recomendó usar pasadores de diámetro 1 ¼ y longitud 18 pulgadas para espesores menores de 10 pulgadas y usar diámetros de 1 ½ y longitud de 20 pulgadas para espesores mayores e iguales a 10 pulgadas.
Tabla 1.1 Longitud y diámetro recomendado de pasadores. Fuente PCA 1975 ESPESOR DE LOSA (pulg) DIAMETRO DEL PASADOR (pulg) LONGITUD (pulg) ESPACIAMIENTO (pulg) 5 5/8 12 6 ¾ 14 7 7/8 14 8 1 14 9 1 1/8 16 10 1 ¼ 18 11 1 3/8 18 12 1 ½ 20 12 centro a centro
1.3 LA SUBRASANTE
La subrasante constituye el terreno de fundación del pavimento. Cualquier suelo es aprovechable como subrasante a excepción de los suelos orgánicos o los que sean muy elásticos es decir capaces de producir deformaciones excesivas a las capas suprayacientes. Cuando el material natural sea de mala calidad puede recurrirse a métodos de mejoramiento o reemplazo para garantizar una capa de subrasante mejorada que sirva de transición entre este material y las capas de pavimento.
En el diseño de pavimentos rígidos por el método de la PCA, la subrasante se caracteriza con el módulo de reacción K el cual mide la capacidad de soporte de cualquier superficie de apoyo.
El valor de K real se debe obtener siguiendo la metodología expuesta en el ensayo I.N.V. E – 148 Ensayo de placa con carga estática no repetida para emplear en la evaluación y diseño de pavimentos. Este ensayo se realiza en el campo, las cargas que se aplican al material o a la estructura de soporte deben reflejar deformaciones semejantes a los que realmente sufrirá por el efecto de la presión de las llantas de un eje equivalente a 8.2 Tn una vez se encuentre en uso, incluso desde su etapa constructiva, esto hace que los equipos de laboratorio usados para el mismo sean realmente colosales, difíciles de transportar y manipular, sin mencionar el tiempo de toma de datos.
Es por ello que en la práctica de los pavimentos es aceptable determinar este valor a partir del C.B.R. (I.N.V. E – 148 ) o del Módulo resiliente de suelos de subrasante ( I.N. V. E – 156 ).
Si la practica que se va a emplear es la correlación entre el K y el C.B.R. debe tenerse en cuenta que “la experiencia a demostrado que las mas pequeñas diferencias en el procedimiento de la prueba C.B.R. son motivo de grandes diferencias en los resultados de las mismas”4 El C.B.R. se puede determinar a partir de:
Probetas remoldeadas en las cuales se extrae el material del campo y las probetas se elaboran en laboratorio con un procedimiento similar al proctor.
Muestras inalteradas donde se usan equipos especiales para tomas de muestra que no alteren la características del material.
Prueba de Campo que se le realiza a suelos con humedad superior al 80% o, a suelos granulares no cohesivos que al ser extraídos puedan tener perdida de humedad.
En el Manual de diseño de pavimentos asfálticos en vías con medios y altos volúmenes de transito ( p. 45 ) se tiene una clasificación de acuerdo al entorno de
resistencia ( tabla 1.2) la cual se adopta en el presente trabajo para definir las diferentes categorías de subrasantes.
Tabla 1.2 Entornos de la resistencia. Fuente INVIAS INTERVALO MODULO RESILIENTE ( E ) Kg/cm2 Mpa S1 300 - 500 3 - 5 24.64 - 33.86 S2 500 - 700 5 - 7 33.86 - 41.28 S3 700 - 1000 7 - 10 41.28 - 50.01 S4 1000 - 1500 10 - 15 50.10 - 60.83
S5 Mayor a 1500 Mayor a 15 Mayor a 60.83
CATEGORIA INTERVALO C.B.R.% INTERVALO K
A partir del C.B.R. del material de soporte se puede obtener el Módulos de reacción (K1) con el uso de la figura 1.9.
Esta figura contiene en las abscisas el valor porcentual de C.B.R. y en las ordenadas el valor de K en Mpa y es ampliamente usada para el diseño de pavimentos.
La tabla 1.3 describe las condiciones óptimas con las cuales se debe realizar el ensayo de CBR de acuerdo al tipo de región donde se va a construir el pavimento. Es importante tener en cuenta que los suelos con módulo resiliente E menor de 300 kg/cm2 no cumplen una buena función como materiales de subrasante, por lo cual deben ser reemplazados o mejorados.