Implementación en el Perú de la guía de diseño de pavimentos nuevos y rehabilitados del 2002

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(1)IMPLEMENTACION EN EL PERÚ DE LA GUIA DE DISEÑO DE PAVIMENTOS NUEVOS Y REHABILITADOS DEL 2002 (NCHRP 1-37A) A. Sotil, M.Sc.1, M. W. Witczak, Ph.D.2, M. M. El-Basyouny, Ph.D.3, & J. M. Baena4 RESUMEN EJECUTIVO Los métodos empíricos en el área de diseño de pavimentos y mezclas bituminosas finalmente están siendo abandonados. Por ejemplo, en los EE.UU. recientemente se ha terminado el proyecto NCHRP 1-37A que tenía a su cargo la elaboración de la Guía de Diseño de Pavimentos Nuevos y Rehabilitados del 2002 (2002-DG). Esta nueva guía está basada en modelos mecanísticos-empíricos (mecanísticos por que se basa en la mecánica de materiales y empíricos porque usa datos medidos en el campo para calcular los coeficientes apropiados para el modelo). En el pasado XIV CONIC, los conceptos básicos de esta guía fueron presentados a la comunidad científica peruana. En el Perú aún se usa el método empírico de la AASHTO 93, que ha demostrado en las últimas décadas haber cumplido su ciclo, ya que las condiciones para las que fue elaborada han sido superadas largamente y las extrapolaciones que se realizan están produciendo pavimentos con fallas prematuras y severas. Esta ponencia continúa con la presentación de esta 2002-DG, mostrando dos de los más importantes modelos usados en la guía: la de los asentamientos permanentes (rutting) y la de los agrietamientos por fatiga (fatigue cracking). Se presenta una teoría breve de estos modelos, así como la manera en que fueron calibrados con datos medidos en el campo. Ya que la calibración realizada para todos los EE.UU. resultó ser no tan confiable como se esperaba, debido en gran parte a la calidad de datos medidos en el campo disponibles, se ha recomendado que se realicen calibraciones regionales y/o locales para una mayor confiabilidad. Sin embargo, realizar este tipo de calibraciones toma mucho tiempo, ya que los datos son bastante complejos y se necesitan extensas bases de datos. Ya que la mejor manera de conseguir estos datos es implementando centros de ensayos a escala natural, esta ponencia presenta diversos ejemplos de estos centros tanto en los EE.UU. como en Europa. Se espera que mostrándolos, los peruanos nos podamos dar una idea de lo complejo y necesario que son estos centros para el uso apropiado de la 2002-DG. Basados en las ventajas y desventajas de las experiencias mencionadas, se realizó un cuadro comparativo entre los distintos tipos de centros y se propuso un esquema de centro de ensayo que podría ser construido en el Perú que tratar de aprovechar al máximo lo aprendido hasta ahora y trata de devolver al mundo datos y relaciones actualmente necesarias en la ingeniería de pavimentos (por ejemplo, relaciones y/o ecuaciones entre el comportamiento de pavimentos bajo condiciones reales y bajo condiciones simuladas aceleradas). Se espera que tanto la 2002-DG como la propuesta de centro de ensayo sean implementadas en el Perú en el futuro cercano, ya que de eso no sólo depende la calidad de nuestras carreteras, sino también el desarrollo del país. La inversión inicial puede ser considerada como alta, pero si se considera lo que está en juego, uno puede darse cuenta que a largo plazo esta inversión puede significar para el Perú inmensos ahorros y beneficios, y un paso firme hacia el crecimiento sostenido e independiente. 1. Graduate Research Associate, Department of Civil and Environmental Engineering, Arizona State University. Professor, Department of Civil and Environmental Engineering, Arizona State University. 3 Research Associate, Department of Civil and Environmental Engineering, Arizona State University. 4 Jefe del Servicio de Sistema y Gestión de Pavimentos – CEDEX, España. Ministerio de Fomento. 2.

(2) IMPLEMENTACION EN EL PERÚ DE LA GUIA DE DISEÑO DE PAVIMENTOS NUEVOS Y REHABILITADOS DEL 2002 (NCHRP 1-37A) A. Sotil, M.Sc., M. W. Witczak, Ph.D., M. M. El-Basyouny, Ph.D., & J. M. Baena. INTRODUCCIÓN En los últimos años, los ingenieros de pavimentos de todo el mundo han enfatizado la necesidad de tener métodos de diseño de pavimentos y de mezclas bituminosas basados más en principios teóricos y abandonar finalmente los sistemas netamente empíricos. Los gastos de rehabilitación y reconstrucción por fallas prematuras son una carga que difícilmente puede ser mantenidas por alguna agencia o departamento de transporte. El sistema denominado Superpave (Superior Performance Asphalt Pavements) desarrollado por el Strategic Highway Research Program (SHRP) de los EE.UU. reemplaza a los sistemas empíricos de Marshall y Hveem, en lo que se refiere al diseño de las mezclas bituminosas. El proyecto NCHRP 9-19 (National Cooperative Highway Research Program) encargado de desarrollar el Ensayo Simple de Comportamiento (Simple Performance Test, SPT) de Superpave tiene como objetivo complementar la metodología presentada inicialmente por SHRP. Mientras tanto, el diseño de los pavimentos también ha sido reevaluado con el fin de reemplazar los métodos empíricos de la actual guía de diseño de la AASHTO 1993 (American Association of State Highway Transportation Officials). El resultado de esta evaluación recientemente terminada es la Guía de Diseño de Pavimentos Nuevos y Rehabilitados del 2002 o “2002-DG” (Proyecto NCHRP 1-37A) que actualmente se encuentra en su revisión final para su presentación y aceptación por AASHTO. El objetivo final de esta reingeniería en el diseño de carreteras es el juntar ambos sistemas de diseño. Actualmente, se diseñan mezclas bituminosas sin considerar la estructura a la que será aplicada; y se diseñan pavimentos sin tener en cuenta el tipo de mezcla a usar. Al integrar los resultados del proyecto NCHRP 9-19 (SPT de Superpave) con los de la NCHRP 1-37A (2002-DG) se espera terminar con el divorcio entre estos sistemas tan complementarios. El próximo proyecto NCHRP 9-33: Manual de Diseño para Mezclas Asfálticas (A Mix Design Manual for Hot Mix Asphalt) busca concretar ese objetivo. Los avances en ambas ramas de la ingeniería de pavimentos están siendo lentamente introducidos en el Perú. Presentaciones en el Primer Congreso Internacional de la Construcción de octubre del 2002 (1) y en el XIV Congreso Nacional de Ingeniería Civil (2) mostraron algunos conceptos básicos sobre la metodología Superpave y la 2002-DG, respectivamente. Sin embargo, aún se requiere de la decisión de las funcionarios de las entidades de transporte (léase Ministerio de Transportes y Comunicaciones) para empezar a adquirir, implementar y/o adaptar estos sistemas a la realidad peruana. Los sistemas de por sí son complejos y toma tiempo conseguir los datos suficientes para su apropiada implementación. Se requieren de bases de datos de caracterización de materiales (ligantes, suelos y mezclas bituminosas), al igual que resultados de fallas y condiciones climáticas y de tráfico medidas en el campo por un amplio período de tiempo. Si el Perú continúa demorándose en abandonar los métodos empíricos actuales, las consecuencias negativas se verán prontamente reflejadas en nuestra infraestructura vial, nuestra economía y en nosotros mismos los usuarios..

(3) OBJETIVO DE LA PONENCIA El principal objetivo de la ponencia es continuar con la presentación del nuevo método de diseño de pavimentos (2002-DG) desarrollado en los EE.UU. y que está actualmente siendo revisado para su implementación por la AASHTO. Así, se incluyen en esta ponencia dos de los modelos mecanísticos-empíricos más importantes de la 2002-DG, que permiten pronosticar las fallas de asentamiento permanente (rutting) y agrietamiento por fatiga (fatigue cracking) de las capas bituminosas. La exactitud de los pronósticos de estos depende del tipo de datos usados para su calibración (por eso son modelos en parte empíricos). Por eso, esta ponencia también presenta la manera en la que se calibraron estos modelos y las recomendaciones para su mejora y/o adaptación local. Ya que la calibración de la 2002-DG es un paso obligatorio para el uso apropiado de la guía, y la mejor manera de conseguir los datos para realizarla apropiadamente es mediante la construcción de centros de ensayo a escala natural; esta ponencia también tiene como objetivo el presentar ejemplos de centros de ensayos de EE.UU. y Europa. Ya que en el Perú se necesitarán varios de estos centros por las condiciones metereológicas y orográficas del país, se muestran comparaciones entre los distintos centros de ensayo y se resaltan los beneficios y desventajas de cada una de ellas. Basados en esta comparación, esta ponencia finalmente propone un esquema de centro de ensayo que se cree apropiado para las condiciones del Perú, y se indican los datos que se necesitarían medir para realizar la calibración y validación de la 2002-DG.. DESCRIPCIÓN DE LA PONENCIA A continuación se presenta la lista de temas necesarios para cumplir con los objetivos de la ponencia: - Descripción breve de los cálculos internos de la 2002-DG - Presentación de los Modelos Mecanísticos-Empíricos para Asentamiento Permanente y Agrietamiento por Fatiga de Mezclas Bituminosas - Explicación del método usado para la Calibración Nacional de la 2002-DG usando la Base de Datos del Proyecto de Comportamiento a Largo Plazo de Pavimentos (Long Term Pavement Performance LTPP). - Ejemplos de Centros de Ensayos en EE.UU. - Ejemplos de Centros de Ensayos en Europa. - Análisis Comparativo de los Diversos Tipos de Centros de Ensayos. - Propuesta de Centro de Ensayo para el Perú. - Resumen, Conclusiones y Recomendaciones. CALCULOS INTERNOS DE LA 2002-DG La Guía de Diseño del 2002 toma en consideración la mayor cantidad de datos posibles para realizar sus cálculos y proporcionar los pronósticos de las fallas al tiempo determinado por el usuario. Entre los datos necesarios para realizar un pronóstico correcto, la 2002-DG considera los siguientes: - Tipo de Pavimento (nuevo o rehabilitado; flexible, rigido o compuesto) - Tiempo de Vida del Pavimento - Matriz de Ejes de Cargas aplicadas al Pavimento.

(4) -. Velocidad Típica de los Vehículos y otra información relativa al tráfico (crecimiento anual, distribución diaria y mensual, presión de llantas, desviación de la huella del vehículo, etc.). - Condiciones Climatológicas, medidas de manera horaria. Estos datos deben de incluir la Temperatura del Aire, Velocidad del Viento, Porcentaje de Luz Solar, Humedad Relativa, Cantidad de Lluvia / Precipitación. - Características Estructurales del Pavimento (número y profundidad de capas) - Características y/o Propiedades Fundamentales de los Materiales (Mezclas Bituminosas, Suelos Estabilizados y No Estabilizados, Subrasantes o Suelos, etc). Usando estas propiedades, el programa lo que hace es calcular la rigidez o módulo de cada una de las capas (conocido como Módulo Dinámico para las capas bituminosas, Módulo Resiliente para suelos y subrasantes, o Módulo Elástico de Young para capas de concreto). Usando la rigidez de estas capas y asumiendo que existe un comportamiento elástico en la estructura, se procede a calcular los esfuerzos y deformaciones que sufren cada una de las capas del pavimento. Esto se realiza dividiendo el periodo de evaluación (1 mes si no se observa ciclos de congelación, 15 días si estos ciclos están presentes) en cinco partes que cubren el rango de valores de cada variable. En cada subdivisión, se calculan los esfuerzos y deformaciones por cada capa del pavimento y estos se repite hasta que se cumple el tiempo especificado por el usuario. En cada repetición, se realiza una transformación de estos esfuerzos y deformaciones a fallas palpables por los usuarios como el asentamiento permanente o el agrietamiento por fatiga mediante modelos mecanísticos-empíricos. Mecanísticos porque están basados en la mecánica de los materiales, pero empíricos porque se necesitan valores medidos en el campo para definir sus coeficientes. Entonces, el pronóstico total de las fallas no es más que la suma acumulada de las fallas en cada subdivisión. Existen otros tipos de fallas medidos por la 2002-DG como el agrietamiento por efectos térmicos, o la International Roughness Index - IRI que mide el nivel de “suavidad” de los pavimentos durante el manejo; pero se decidió que esta ponencia se enfocaría inicialmente en el agrietamiento por fatiga y en el asentamiento permanente, porque los expertos en EE.UU. indicaron que estas fallas eran las más relevantes actualmente en la ingeniería de pavimentos (3). En la literatura pueden encontrarse referencias a otras fallas en la 2002-DG (4, 5). El hecho de que la guía realiza operaciones para calcular esfuerzos y deformaciones por 5 veces al mes o cada 15 días por el número de años especificado por el usuario, usando datos medidos de manera horaria, hacen que el tiempo de cálculo sea significativamente largo, en especial en computadores personales de baja velocidad (Intel® Pentium III ó menos). Este es un factor que debe tenerse en cuenta cuando en el Perú se quiera implementar esta guía de diseño. A continuación se presenta brevemente la teoría detrás de los modelos mecanísticosempíricos usados para las dos más importantes de las mezclas bituminosas..

(5) MODELO PARA EL ASENTAMIENTO PERMANENTE DE MEZCLAS BITUMINOSAS (4) El modelo usado en la 2002-DG está basado principalmente en una análisis estadístico de una serie de ensayos de deformación permanente en probetas de mezclas bituminosas. Así, la ecuación base para esta falla es la siguiente: p / r = a Tb Nc donde: p = Deformación Plástica acumulada después de N repeticiones de carga r = Deformación Elástica de las Mezclas Bituminosas en función de las propiedades de las mezclas, tiempo de carga y temperatura (E*) N = Número de Cargas aplicadas T = Temperatura del Pavimento a la profundidad requerida a, b, c = Coeficientes de Regresión No-Lineal. Los valores de a, b, c han sido calculados usando pruebas de laboratorio desde inicio de los 90’s y han sido actualizados progresivamente. El último modelo, previo a la calibración nacional de la 2002-DG y desarrollado como parte del proyecto NCHRP 9-19, fue el siguiente (6): log p / r) = -3.15552 + 1.734 T + 0.39937 N ó p / r) = 10-3.15552 T1.734 N0.39937 R2 = 0.644. Se = 0.321. Se / Sy = 0.597. N = 3476. El coeficiente de determinación R2 = 0.644 indica que existe una justa correlación entre la temperatura del pavimento, el número de cargas aplicadas y la deformación plástica y elástica. Sin embargo, el equipo de investigación encargada del proyecto de la 2002-DG consideró que este modelo debía ser recalibrado a condiciones reales en el campo ya que los 3476 puntos usados eran exclusivamente de ensayos de laboratorio. Así, el modelo del asentamiento permanente fue modificado de la siguiente manera: p / r) = r1*10-3.15552 T1.734*r2 N0.39937*r3 donde:. r1r2r3 = Factores de Calibración para el Modelo de Asentamiento Permanente de Mezclas Bituminosas. Es importante que el lector se dé cuenta de lo simple que esta función es y cómo interacciona los conceptos mecanísticos y empíricos. La parte mecanística está cubierta por el factor “r”. Este factor puede ser calculado a cualquier profundidad si es que se sabe el estado de esfuerzos tridimensional y las propiedades elásticas de la capa en cuestión (para las capas asfálticas se necesita el módulo dinámico, |E*| y la proporción de Poisson, ). Por ejemplo, la deformación elástica es definida de la siguiente manera: r = (z – x – y) |E*| donde: z, x, y = Esfuerzos en los Ejes X, Y, Z.

(6) El módulo dinámico, |E*| de mezclas asfálticas es calculada usando una Curva Maestra obtenida de pruebas de laboratorio a diversas temperaturas y tiempos de carga, ó de ecuaciones basadas en las propiedades de la mezcla (espacio de vacíos, porcentaje de betumen efectivo, gradación de los agregados). Una definición más amplia del ensayo de E* puede encontrarse en las Referencias 3, 7 y 8. Saber el valor de r en cualquier punto permite conocer el valor de la deformación permanente, p, en cualquier punto del pavimento después de un número de repeticiones N y a una temperatura del pavimento T. Luego, para calcular el valor del asentamiento permanente de cada capa (o sub-capa) se usa la siguiente relación: Rdi = pi * hi donde: Rdi = Asentamiento Permanente de la Capa (Sub-Capa) i pi = Asentamiento Permanente de la Capa (Sub-Capa) i hi = Grosor de la Capa (Sub-Capa) i Así, sumando todas las Rdi se puede obtener el asentamiento correspondiente al total de las capas asfálticas (Rd): Rd = (i = 1 to n) Rdi MODELO PARA EL AGRIETAMIENTO POR FATIGA DE MEZCLAS BITUMINOSAS (4) La ecuación matemática más usada para representar el número de repeticiones correspondiente a cierto nivel de daño por agrietamiento por fatiga es la siguiente: Nf = C k1 (1 / t) k2 (1 / E) k3 Donde: Nf = Número de Repeticiones para el Agrietamiento por Fatiga t = Esfuerzo de Tensión en la ubicación crítica E = Rigidez del Material k1, k2, k3 = Coeficientes de Regresión conseguidos en el Laboratorio C = Factor de Corrección entre el Laboratorio y el Campo La ubicación crítica de “t” es aquella donde la formación de grietas es mayor, y ésta generalmente se da tanto en la superficie de la capa asfáltica como en la parte baja de la misma, generando agrietamientos por fatiga de arriba-hacia-abajo (grietas longitudinales) y de abajo-hacia-arriba (grietas de fatiga propiamente dichas o en forma de lagarto), respectivamente. Usando este valor de Nf, que depende de propiedades de la mezcla así como también de propiedades como la temperatura y la frecuencia de carga, se puede calcular el daño causado en el pavimento usando la siguiente relación: D = (i = 1 to T) ni / Ni Donde: D = Daño T = Número total de periodos Ni = Trafico del periodo i Ni = Máximo número de repeticiones para fallar bajo condiciones en el periodo i.

(7) Interpretando las relaciones del daño con las características del pavimento (E* y t), se puede percibir que tienen sentido con lo que pasa en la vida real. Así por ejemplo, para mezclas más rígidas, la E* será mayor. Si esta mezcla forma parte de una estructura delgada (grosor menor a 5 o 10 cm.) y se tiene una E* de valor alto, la Nf correspondiente será baja, y con un número permisible Nf bajo, el daño causado “D” será mayor. Esto se ve en el campo con este tipo de pavimentos, por eso se desean mezclas no tan rígidas para prevenir los agrietamientos por fatiga, pero no se pueden hacer pavimentos tan suaves porque los asentamientos permanentes serían un problema. El balance entre valores permitidos de agrietamientos por fatiga y asentamientos permanentes es un ejercicio que todo ingeniero de pavimentos siempre tiene que realizar. En la función de Nf, históricamente los valores de k2 y k3 han estado entre los rangos de 2.5 a 5, y de 0.8 a 2; respectivamente. Y los factores “C k1” han tratado de tomar en cuenta tanto la diferencia entre datos de laboratorio y datos medidos en el campo, y también el campo de comportamiento debido al grosor de la estructura mencionado arriba. Es así que de los diversos modelos disponibles en la literatura, el equipo de investigación encargado del proyecto NCHRP 1-37A decidió enfocarse en dos modelos desarrollados por la compañía Shell Oil (9) y por el Instituto de Asfalto (MS-1) (10). Estos modelos están expresados de la siguiente manera: Modelo General de la Shell Oil Nf = f1 F”K1 (1 / t). f 2. (1 / E). f 3. Donde F” y K1 se definen mediante la modificación que Witczak y Mirza (11) hicieron al modelo para incluir todos los grosores en vez de tener dos ecuaciones distintas como la Shell Oil había originalmente propuesto: F” = 1 + 13909 E-0.4 – 1 1 + exp(1.354hac – 5.408) y K1 = [0.0252 PI – 0.00126 PI (Vb) + 0.00673 Vb – 0.0167]5 Donde: PI = Índice de Penetración hac = Grosor de la Capa Asfáltica Vb = Contenido Efectivo del Betumen Modelo del Instituto del Asfalto (MS-1)* Nf = 0.00432 f1 C (1 / t). f 2. (1 / E). f 3. C = 10M M = 4.84. Vb. – 0.69. Va + Vb Donde: Va = Espacio de Vacíos, % *Desarrollado solo para Pavimentos de Gran Profundidad (más de 20 cm.).

(8) CALIBRACIÓN NACIONAL DE LA 2002-DG Ahora que los modelos de estas dos fallas han sido presentadas, esta sección presentará el método que el equipo de investigación de la NCHRP 1-37A usó para calibrarlos a las condiciones que se tenían disponibles. Ejercicios similares tendrán que ser desarrollados si estos modelos quieren ser llevados a condiciones mas locales o regionales, o en el caso del Perú, a condiciones nacionales diferentes a las de EE.UU. Datos usados para la Calibración Los datos provinieron de la Base de Datos del Proyecto de Comportamiento a Largo Plazo de Pavimentos (Long Term Pavement Performance LTPP). Este proyecto contiene una extensa base de datos con información de cientos de proyectos construidos en las décadas de los 80’s y 90’s a lo largo y ancho de los EE.UU. continentales, Alaska, Hawaii, y Canadá. Datos propios de la pista como tipo de capas, grosores, materiales, tipo de subrasantes, profundidad de la capa freática, presencia de roca madre, y demás características de la estructura del proyecto estaban disponibles. Al mismo tiempo se tenían datos relacionados con el tráfico que cada proyecto experimentó. La calidad de estos datos era de primera, ya que estaciones de peso de camiones habían sido utilizados y se sabía claramente la cantidad de vehículos que habían cruzado las secciones de ensayo. Con esta información se pudo formar la Matriz de Ejes Equivalentes. Es así que la calibración de estos modelos fue hecha usando el nivel de Jerarquía 1 para el trafico. El nivel de jerarquía 1 representa los datos de mayor confianza y propios del proyecto, 2 representa datos que son mitad propios del proyecto y otros calculados o predichos con ecuaciones, y 3 representa datos completamente calculados, predichos y predefinidos por ser típicos en cualquier estructura (2). Los valores de rigidez de las distintas capas (E* para las capas asfálticas, M R para los distintos suelos) no fueron obtenidos en el laboratorio como la jerarquía 1 requiere. Por eso, para esta información se confió en la jerarquía 3 (la rigidez era calculada de ecuaciones – E*, o usando la clasificación típica de suelos – MR). Los datos con respecto a las condiciones climatológicas provinieron de la base de datos disponibles en la 2002-DG. Ya que la LTPP tenia consignado la latitud y longitud de los proyectos, usando la interpolación que la 2002-DG permite, se obtuvieron archivos climatológicos para cada proyecto. Esto nuevamente son datos considerados en la jerarquía 3. Usando estos datos, se prosiguió a simular las condiciones de las estructuras en la Guía de Diseño 2002-DG. Problemas con algunas estructuras y/o datos incompletos o inconsistentes hicieron que la base de datos se redujera a 94 secciones LTPP. Cada sección contenía por lo menos 4 o 5 puntos medidos durante la vida del pavimento, por lo que se tenían aproximadamente 400 a 500 puntos para la calibración. Este número fue considerado suficiente por el equipo de investigación de la NCHRP 1-37A. Los datos que la 2002-DG proporcionaba después de cada simulación eran comparados con los valores de las fallas que habían sido medidos como parte de la LTPP. Algunos problemas serios existían con los datos medidos en el campo, que luego se reflejaron en las correlaciones finales (por ejemplo, a veces las fallas “mejoraban” sin ninguna explicación), pero ya que no se tenían más datos disponibles, se continuó con el proyecto y la calibración de los modelos..

(9) Calibración del Modelo de Asentamiento Permanente Los resultados de la simulación por parte de la 2002-DG fueron comparados con los medidos en el campo. Para esto, la simulación de cada uno de las 94 secciones LTPP fueron repetidas nueve veces, ya que 2 de los 3 factores de calibración no pueden ser cambiados directamente (r2 y r3). El factor r1 es un multiplicador directo y por lo tanto lo único que se necesita es una calibración lineal. A continuación se muestra el modelo usado para la calibración del asentamiento permanente: p / r) = k1*10-3.15552*r1 T1.734*r2 N0.39937*r3 donde k1 es un factor adicional que incluye el efecto de la profundidad en la ocurrencia de deformaciones permanentes. Se supo durante este estudio que el asentamiento permanente varía de acuerdo a la profundidad de la capa. Así, se encontró en estudios forénsicos en la carretera interestatal de ensayo MnRoad en Minnesota que la mayor cantidad de asentamientos ocurrían en la primera mitad de la capa asfáltica mientras que después eran relativamente insignificantes. La Figura 1 muestra un ejemplo de estos resultados en MnRoad. La ecuación a continuación muestra como k1 fue representada para tomar en cuenta este efecto de la profundidad y el grosor de la capa asfáltica. k1 = (C1 + C2 * depth) * 0.328196 depth C1 = -0.1039 * hac2 + 2.4868 * hac – 17.342 C2 = 0.0172 * hac2 – 1.7331 * hac + 27.428 Donde: depth = Profundidad del Punto en consideración hac = Grosor Total de la Capa Asfáltica. Profundidad (in). % AC Asentamiento Permanente Acumulado. Profundidad (in). % AC Asentamiento Permanente Promedio. Medidos Calculados. Figura 1. Relación del Asentamiento Permanente con Respecto al Grosor Total de la Capa Asfáltica – Estudio en Centro de Ensayo MnRoad (4).

(10) Asentamiento Permanente en Capa Asfáltica Calculado por 2002-DG (in). Los factores r2 y r3 fueron variados usando los valores de 0.8, 1.0 y 1.2. Entonces usando cada una de las 9 combinaciones, se corrieron las 94 simulaciones LTPP en la 2002-DG. Luego, los datos fueron recolectados y se les multiplicó un valor optimizado de r1 de tal manera que los errores entre los valores calculados por la 2002-DG y los medidos en el campo sean lo mínimo posibles. El proceso de minimización de errores se realizó usando siempre dos pasos. Primero se minimizó, usando la función MS Excel Solver®, la suma de errores cuadrados (SES, Sum of Errors Squared). Después se volvía a usar Solver para minimizar la suma de los errores (SE, Sum of Errors) igual a 0 (para obtener un modelo sin desviaciones). Para el asentamiento permanente, se encontró (con simulaciones adicionales) que la mejor combinación de factores de calibración era la siguiente: r1 = 0.509 r2 = 0.9 r3 = 1.2 Y los valores estadísticos asociados a esta “Calibración Nacional” fueron las siguientes: R2 = 0.648 N = 387 puntos Desviación Estándar de los Valores Calculados por Ecuación (Se) = 0.063 in La Figura 2 muestra la relación entre los valores calculados por el modelo y los medidos en el campo de la LTPP. Se puede observar que la correlación es justa, sin desviaciones, pero que hay aún espacio para mejoras (calibraciones regionales). Tener datos de lugares tan fríos como Alaska y Canadá, y tan calientes como Florida, Hawai y Arizona; además de tener datos algo problemáticos y contradictorios en la LTPP, hacen de esta correlación más que satisfactoria. El modelo final obtenido de la calibración nacional de la 2002-DG para el asentamiento permanente es el siguiente: p / r) = k1*10-3.4488 T1.5606 N0.479244 k1 = (C1 + C2 * depth) * 0.328196 depth C1 = -0.1039 * hac2 + 2.4868 * hac – 17.342 C2 = 0.0172 * hac2 – 1.7331 * hac + 27.428. Promedio Estimado de Asentamiento Permanente en Capa Asfáltica (in). Figura 2. Relación de los Asentamientos Permanentes Medidos en el Campo (LTPP) y Calculados por la 2002-DG (4).

(11) Calibración del Modelo de Agrietamiento por Fatiga La calibración fue realizada de la misma manera que con el modelo de asentamientos permanentes (variando f2 y f3 con valores cercanos a 1.0). Sin embargo, para esta falla el equipo de investigación tenía dos modelos disponibles, así que se tuvo que realizar un doble trabajo. Por motivos de espacio en la ponencia, no se ha de poner todo el proceso de calibración ni la base de la decisión por un modelo frente al otro (Referencia 4 para mayor información). Finalmente, el equipo de investigación volcó sus esfuerzos en calibrar el modelo del Instituto del Asfalto (MS-1) y luego usando este modelo, relacionó los datos de daño con los de agrietamientos medidos e implementó dos ecuaciones que tengan en consideración el efecto del grosor del pavimento en la falla. Las ecuaciones finales para esta falla fueron las siguientes: Nf = 0.00432 k1 C (1 / t). . (1 / E). . C = 10M M = 4.84. Vb. – 0.69. Va + Vb Donde k1 provee un factor que incluye el efecto de la profundidad de la capa en la falla: 1 k1 =. 0.000398 +. 0.003602 1 + exp11.02 – 3.49 hac. El daño mantuvo la definición provista anteriormente: D = ni / Nfi Y el agrietamiento por fatiga propiamente dicho (o en forma de lagarto) fue calculado usando las siguientes relaciones: F.C. =. 6000 1 + expC1 + C2*Log D. *. 1 60. C1 = -2 * C2 C2 = -2.40874 – 39.748 * (1 + hac) –2.85609 La ecuación de F.C. (Agrietamiento por Fatiga propiamente dicho, Fatigue Alligator Cracking) sigue una función sigmoidal que asume como valor de daño igual a 100% un valor de agrietamiento del 50% del total del área de la línea de 6000 ft2. Como puede verse esta función también incluye el factor del grosor total del pavimento y considera que alrededor de 4 in (10 cm) es el punto de inversión de comportamientos expresado anteriormente (para estructura finas lo mejor es una mezcla suave, y para estructuras gruesas es mejor mezclas altamente rígidas)..

(12) El coeficiente de determinación asociado con estas relaciones obtenidas de la base de datos de la LTPP fue menor a la de los asentamientos permanentes (R2 = 0.55 comparada con 0.648). De nuevo, los 461 datos de las fallas medidas en el campo no fueron de la mejor calidad y por eso el valor tan bajo de la correlación. Finalmente, la desviación estándar de las predicciones de la 2002-DG fue igual a 6.2%. Para el otro tipo de agrietamiento por fatiga (grietas longitudinales superficiales), se usó el mismo grupo de ecuaciones que las arriba mostradas pero con valores de k1 y F.C. completamente distintos. Así, se propuso el siguiente modelo:   Nf = 0.00432 k1 C (1 / t) (1 / E) C = 10M M = 4.84. Vb. – 0.69. Va + Vb 1 k1 =. 0.01 +. 12.00 1 + exp15.676 – 2.8186 hac. F.C. =. 1000. * 10.56. 1 + exp7 - 3.5*Log (D*100) Con los siguientes valores estadísticos asociados: Número de Puntos Observados = 414 Desviación Estándar de Predicciones, Se = 1242.25 ft/milla Conclusiones y Recomendaciones sobre la Calibración Nacional de la 2002-DG A pesar de contar con una base datos bastante amplia, los modelos mecanísticosempíricos utilizados proporcionaron correlaciones bajas (agrietamiento) y justas (asentamientos). Esto se debió principalmente al hecho de que los datos disponibles tenían muchos problemas y contradicciones, en especial porque fueron recolectados sin tener en cuenta el método ni el fin en el cual éstos serían usados (el proyecto LTPP fue diseñado 10 a 15 años antes que el proyecto NCHRP 1-37A). Por todo esto, se recomienda que las entidades locales, regionales y nacionales apliquen calibraciones regionales y que lo hagan usando centros de ensayos a escala natural donde se puedan coleccionar los datos de manera apropiada, controlada, y teniendo en cuenta el fin de éstos (usarlos en la calibración de la guía). Ya que el Perú cuenta con condiciones muy diferentes a la de los EE.UU., la calibración nacional y regional (costa, sierra y selva) es más que necesaria. Es por eso que las siguientes secciones se evocarán en proporcionar ejemplos de centros de ensayos a escala natural en los EE.UU. y Europa para que la comunidad científica peruana pueda darse una idea de la tarea que se tiene enfrente. Además, se proporcionará una tabla de ventajas y desventajas encontradas entre los distintos tipos de centros de ensayos y se propondrá un esquema de centro de ensayo que debería ser aplicada en el Perú, tomando en cuenta la experiencia mostrada de otros países y entidades..

(13) CENTROS DE ENSAYO DE PAVIMENTOS EN LOS EE.UU. El objetivo de esta sección es presentar ejemplos típicos de centros de ensayos construidos e implementados en los EE.UU. Como parte del proyecto NCHRP 9-19 que busca el Ensayo Simple de Comportamiento (Simple Performance Test SPT) que acompañará a la tecnología Superpave, se han usados datos medidos en el campo de 7 centros de ensayos, los cuales son los siguientes: - MnRoad (Minnesota) - Interestatal I-80 (Nevada) - WesTrack (Nevada) - Interestatal I-70 (Indiana) - FHWA-ALF (Virginia) - Interestatal I-10 (Arizona) - NCAT (Alabama) A continuación se mostrarán brevemente de las características de las 4 más importantes. The Minnesota Road Research Project – MnRoad (12, 13) Este proyecto es considerado como el laboratorio al aire libre más grande y completo del mundo. Se encuentra a 60 Km. al norte de la ciudad Minneapolis/St. Paul y consiste en un centro de ensayos de casi 10 Km. construidos paralelamente a una sección de la carretera interestatal I-94. El laboratorio se divide en dos partes: la sección principal que tiene una longitud de 5.6 Km. y que soporta alrededor de 26,400 vehículos por día, y la Sección de Trafico Ligero de 4.0 Km. que consiste en un circuito cerrado donde se simulan las condiciones de tráfico de caminos rurales. A lo largo de ambas secciones se encuentran más de 4,500 censores electrónicos que miden las respuestas del pavimento, así como también las condiciones climatológicas encima, dentro y debajo de las secciones. Los datos medidos son entonces colocados en la base de datos de MnRoad, y éstos están a la disposición de investigadores e ingenieros de pavimentos de todo el mundo. En la sección principal, MnRoad tiene la capacidad de colocar hasta 23 secciones distintas de pavimentos, mientras que en la Sección de Trafico Ligero se pueden colocar hasta 17 secciones que son expuestas al tráfico de un solo vehículo. La Figura 3 muestra vistas aéreas del laboratorio de ensayos MnRoad. La temperatura del aire media anual en MnRoad es de aproximadamente 8C, con temperaturas máximas de 35C y mínimas de -40C. La temperatura máxima medida en el pavimento durante MnRoad a 2.5 cm. llegó a ser 56C cuando en el aire era tan sólo de 32C. Además, MnRoad por su ubicación tan al norte, regularmente sufre ciclos de congelamiento y descongelamiento. La profundidad de la capa freática es variable, con un promedio de aproximadamente 3 m debajo de la superficie. Uno de los problemas principales de MnRoad, así como de laboratorios de este tipo (por ejemplo el del AASHO Road Test) es el tener solo un tipo de suelo. Así no se puede evaluar el efecto de distintos suelos en el pavimento, en especial para fallas como el agrietamiento por fatiga. Encima de este suelo único, distintos pavimentos fueron construidos, variando entre Pavimentos Perpetuos, Pavimentos de Profundidad Total (Full-Depth Pavements) y Pavimentos convencionales con bases y subbases en el medio. Otro problema fue el tiempo. Las fallas en los pavimentos demoran normalmente en aparecer por lo menos entre 5 a 10 años, pero como se verá en otras secciones, también existen problemas con las pruebas aceleradas ya que aún no existe manera de correlacionarlas con la vida real. El tener trafico verdadero es un factor a favor de un centro de ensayos como el de MnRoad..

(14) Figura 3. Vistas Aéreas de MnRoad (Interestatal I-94, Minnesota). The Westrack Project: Accelerated Field Test of Performance-Related Specifications for Hot-Mix Asphalt Construction (14, 15) Este proyecto fue construido en las instalaciones del Centro de Ensayos Automotrices de Nevada (Nevada Automotive Test Center - NATC) cerca a Fallon, Nevada. El construir este centro tenía dos objetivos principales: 1) Evaluar los efectos que tenían distintos materiales y propiedades in-situ en el comportamiento en general de los pavimentos 2) Proveer una verificación inicial del método de diseño de mezclas Superpave. WesTrack consistía en un circuito ovalado de 2.9 Km. que tenía la capacidad de soportar 26 secciones experimentales en las dos tangentes del circuito, cada una de 70 m. de largo. La construcción fue completada en Octubre de 1995 y las secciones fueron expuestas al tráfico desde Marzo de 1996 hasta Febrero de 1999. La Figura 4 muestra en detalle el plano del circuito ovalado en WesTrack Las variables consideradas en este experimento fueron tres: contenido de betumen, espacio de vacíos y granulometría. Dos fallas fueron medidas: el asentamiento permanente y el agrietamiento por fatiga en el área de la huella de vehículos. En cuanto a las condiciones climatológicas, WesTrack tiene una temperatura del aire media anual de 21C con humedad de aproximadamente 20 a 30%. Las temperaturas máximas bordean los 40C y las mínimas los -20C. Además, es importante notar que WesTrack se encuentra a una altura de 1350 m.s.n.m. Al igual que en MnRoad, este centro de ensayos contó con censores electrónicos para medir la respuesta del pavimento y también para medir las temperaturas y otras condiciones climatológicas. Diferente que en MnRoad, las secciones fueron expuestas a tractores estandarizados automatizados que simulaban el tráfico normal de carreteras y autopistas. La Figura 5 muestra uno de los tractores con tres trailers adjuntados, cada uno con un peso de 20,000 lb por eje. El total de carga aplicada a las secciones en un periodo de 2.5 años fue de 4,900,000 ejes equivalentes, a una velocidad promedio de 64 km/h..

(15) Para evitar los problemas de aburrimiento y restricción de horarios por parte de los choferes de los camiones, WesTrack invirtió en desarrollar camiones que fueron automatizados (es decir, sin necesidad de choferes). Al no haber limitación de horas, los camiones en WesTrack tenían la capacidad de funcionar 22 horas al día, los 365 días del año. Con esto se conseguía que el tiempo se redujera considerablemente con respecto a lo visto en MnRoad. Sin embargo, un factor que resultó importantísimo fue el hecho que la desviación de la huella del vehículo no fue simulada apropiadamente, y esto fue uno de los factores que condujo a la falla extremadamente prematura en asentamiento permanente de varias de las secciones de ensayo. Estas fallas prematuras indicaron además que algo no andaba bien con el método de diseño de Superpave, y por eso se decidió realizar el esfuerzo de desarrollar el ensayo de comprobación o de comportamiento que se pueda asociar al método Superpave, que hasta esos momentos no existía (proyecto NCHRP 9-19). Debido a las fallas extremas de este centro de ensayos, se debe tomar con cuidado la configuración y diseño usadas en él. Reducir el tiempo es deseable, pero aún no se sabe como relacionar estos resultados acelerados con lo visto en la realidad. Además, tampoco se sabe si los tractores estandarizados usados en este ensayo reflejan apropiadamente al tráfico visto en carreteras o si someten a los pavimentos a situaciones extremas a las cuales no están diseñadas. Estas consideraciones son mas que importantes a la hora de construir un centro de ensayos, en especial en el Perú, en donde se necesita hacerlo bien y sin perdida innecesaria de recursos económicos y laborales.. Área de Monitoreo Rampa de Entrada. . R. Rampa de Salida. Secciones en Carril Interno. Secciones en Carril Externo. Carril Adicional Pavimentado. 15 m. = 910 m (secciones de 13 – 70 m). Figura 4. Esquema del Centro de Ensayos WesTrack 1 4 1 . 5.

(16) Figura 5. Aplicación del Trafico usando el Tractor con Tres Trailers en WesTrack Federal Highway Administration – Accelerated Loading Facility (16, 17) Este centro de ensayos fue construido en 1993 con el objetivo de verificar el método Superpave y los modelos de comportamiento que se planeaban desarrollar en el proyecto de investigación NCHRP 1-37A. Localizado en el Centro de Investigación de Carreteras de Turner-Fairbank, Virginia, este proyecto en su concepción es diferente a los dos mencionados previamente. En vez de recibir trafico común como en el caso de MnRoad o vehículos estandarizados como en WesTrack, FHWA-ALF consistió en secciones de prueba que fueron ensayadas con una carga única mecanizada como la que se muestra en la Figura 6a. En la Figura 6b se muestra el marco metálico utilizado para guiar estas llantas mecánicas a lo largo de la pista de ensayo. En FHWA-ALF, como parte del proyecto NCHRP 9-19, se construyeron 12 tipos de pavimentos, de 44 m. de largo y 4m. de ancho, divididos en 4 secciones. La Figura 7 muestra la distribución de las 48 secciones ensayadas en este centro. Las cargas aplicadas a las 48 secciones variaron entre 44 a 100 kN dependiendo de lo que se deseaba medir (asentamientos permanente o agrietamientos por fatiga). La velocidad se mantuvo constante a 18 km/h y las variables que fueron directamente modificadas fueron la temperatura del pavimento y el efecto de la desviación en la huella del vehículo (traffic wander). Para las secciones construidas para evaluar el asentamiento permanente, la desviación de la huella fue considerada igual a 0, y similarmente a lo que pasó con WesTrack es una variable que en realidad no simula las condiciones reales en el campo. Esto se hizo principalmente para acelerar la falla de las secciones y para poder hacer estudios comparativos entre distintas mezclas y estructuras, pero si los datos conseguidos en estos ensayos quieren ser usados en la calibración de modelos mecanísticos-empíricos, se tiene un problema significativo ya que las condiciones entre lo simulado en FHWA-ALF y lo asumido por los modelos, son completamente diferentes. Este problema ya ha sido identificado por la FHWA y es por eso que hace poco se ha iniciado el proyecto NCHRP 10-66: Calculando el Comportamiento de Pavimentos Flexibles con Datos de Ensayos Acelerados (Predicting In-Service Performance of Flexible Pavements from Accelerated Pavement Testing) que tiene como principal objetivo el encontrar la manera de usar los datos de centros de ensayos acelerados como FHWA-ALF y traducirlos a condiciones y respuestas reales para poder usarlos en la calibración y validación de modelos mecanísticos-empíricos..

(17) (b) (a) Figura 6. (a) Carga Única Mecanizada usada en FHWA-ALF (b) Marco de Aplicación de Cargas en FHWA-ALF Línea 1 AC -5. Línea 2 Línea 3 Línea 4 Línea 5 Línea 6 Línea 7 Línea 8 Línea 9 Línea 10 Línea 11 Línea 12 AC -20 AC -5 AC -20 AC -10 AC -20 Styrelf Novophalt AC -5 AC -20 AC -5 AC -20. Sección 1 Sección 2. Sección 3 Sección 4. 12 Líneas de 4 m. de Ancho. Figura 7. Distribución de Pavimentos y Secciones de Ensayos en FHWA-ALF Otra variable que se uso para acelerar la falla de los pavimentos fue la temperatura. En vez de usar la temperatura ambiental, se dispuso de un sistema de radiación térmica que mantuvo la temperatura constante durante todo el ensayo a 2.5 cm. de profundidad, con valores tan altos como 76C y tan bajos como 10C. Finalmente, otra variable que debe considerarse con detalle es la manera de cargar a las secciones con la carga única mecanizada. En vez de simular la carga como el paso de un vehículo, la carga mecánica iba y regresaba sin descanso, produciendo esfuerzos completamente diferentes a los observados en la vida real. Estas condiciones ocasionaron que muchas de las secciones fallen a días de haber sido empezada la prueba. Se obtuvo reducir el tiempo considerablemente, pero las condiciones eran demasiado extremas. Por eso, hasta que no se sepa en realidad la relación entre las condiciones aceleradas y reales, el uso de estas secciones no es recomendable, al menos para la calibración en el Perú de la 2002-DG presentada en esta ponencia..

(18) National Center for Asphalt Technology – NCAT (18, 19, 20) Este centro de ensayos fue construido originalmente en 1986 con el apoyo conjunto de entidades privadas, federales y estatales. El centro fue construido en las instalaciones de la Universidad de Auburn en Alabama, de una manera similar a lo visto en WesTrack. De esta forma se utilizó un circuito oval de 2.8 Km. de longitud para construir las 46 secciones de prueba como se puede observar en las Figuras 8a y 8b. En los ensayos realizados dentro del proyecto NCHRP 9-19 a fines de los 90’s, se aplicaron a estas secciones 10,000,000 de ejes equivalentes en tan solo 2 años, utilizando cuatro vehículos estandarizados como el que se muestra en la Figura 9. Cada tractor tenía tres trailers en la parte posterior cargados con 152,000 lb. de carga, representando aproximadamente 20,000 lb. por cada uno de los 7 ejes del trailer. El tractor frontal, por su parte, soportaba una carga inherente de 12,000 lb. en el eje delantero. El deseo de usar estas cargas tan pesadas, similarmente a FHWA-ALF y WesTrack, era para poder fallar las estructuras relativamente rápido, pero con condiciones más reales (en NCAT sí se simuló apropiadamente la desviación de huella del vehículo). Mediciones precisas de asentamientos permanentes y agrietamientos por fatiga fueron realizadas y coleccionadas en una amplia base de datos. Por ejemplo, los asentamientos permanentes fueron medidas de dos maneras: - Usando el Perfilador Inercial con Barra de Tres Puntos, que utiliza tecnología láser para determinar el valor de estas fallas y que fue usado continuamente durante el ensayo. - Usando mediciones convencionales con cintas y reglas para medir el promedio del asentamiento, pero realizadas únicamente al final de los 10,000,000 de ejes equivalentes. Las 46 secciones fueron construidas lo suficientemente profundas como para descartar la influencia de los suelos originales en el comportamiento de los pavimentos. Del mismo modo, la temperatura ambiental fue una variable constante a las 46 secciones (con promedio anual de 17C y máximas de hasta 35C). 184 censores térmicos fueron aplicados a lo largo del circuito, 4 para cada sección a distintas profundidades de la estructura. Así por ejemplo, se pudo determinar en este ensayo que las temperaturas máximas del aire ocurrían alrededor de 2:30 pm, pero que la temperatura máxima a 25 cm de profundidad no ocurría hasta las 10 pm, indicando la demora producida por la transmisión del calor en los pavimentos. Esto es un factor muy importante a considerar cuando se realizan o crean modelos mecanísticos-empíricos. Las 46 secciones tuvieron como variables entre si el tipo de ligante a ser utilizado, al igual que la granulometría y el origen y composición de los agregados (distribuidos por las distintas entidades que solventaron el proyecto, léase departamentos de transporte estatales y federales). De este centro de ensayos se puede rescatar la cooperación existente entre diversas entidades para construir las diversas secciones, y también las facilidades otorgadas a estas entidades para proveer los diseños de las secciones que ellos deseaban experimentar. Este tipo de cooperación debe ser apreciada y en lo posible simulada en el Perú, en especial con la escasez de recursos disponibles en el país. Del mismo modo, también se puede rescatar el sistema de caracterización del trafico, que trato de simular de la mejor manera las condiciones existentes en el campo, aprendiendo de lo ocurrido en WesTrack..

(19) (a). Centro de Ensayos NCAT / Opelika, AL. (b). Figura 8. (a) Esquema de Secciones de Prueba en NCAT (b) Vista Aérea del Circuito Oval del Centro de Ensayos. Figura 9. Aplicación del Trafico usando el Tractor con Tres Trailers en NCAT.

(20) Además de todo lo explicado arriba, cabe mencionar que de cada ensayo se recolectó material suficiente (mezclas asfálticas) como para realizar pruebas de laboratorio como las propuestas y usadas en el proyecto NCHRP 9-19 (3). Las mezclas eran guardadas en depósitos supuestamente herméticamente sellados para evitar el envejecimiento de las mezclas. Sin embargo, cuando algunas pruebas fueron realizadas años después (de 5 a 8) se comprobó que no hubo un apropiado almacenamiento y muchas de las mezclas tuvieron que ser descartadas. Para evitar este tipo de problemas se puede: - Realizar las pruebas en un lapso no mayor a 1 mes de ser colocadas las secciones en el campo. - Asegurarse que las muestras están apropiadamente selladas (herméticamente) para evitar problemas de envejecimiento. Ya que los ensayos SPT y los requeridos por la 2002-DG ya son conocidos (E*, Fatiga Transversal, Tensión Indirecta, etc.) (3, 5) es recomendable que en el Perú se realicen los ensayos inmediatamente después de ser construidas las secciones, evitando así la posibilidad de tener los problemas de envejecimiento indicados arriba. Diversas conclusiones pueden ser obtenidas de estos cuatro centros de ensayo. Pero para tener una mejor idea de las características positivas y negativas de los diversos tipos de centros de ensayos, es mejor presentar secciones típicas de Europa; y luego presentar un análisis comparativo entre todas las secciones y tipos de centros de ensayos disponibles.. CENTROS DE ENSAYO DE PAVIMENTOS EN EUROPA (21) En toda Europa, la ingeniería de pavimentos es un área de sumo interés por la importancia que estas vías tienen en el desarrollo y continuo fortalecimiento de la Unión Europea. Es más, ahora la tendencia en el Viejo Continente es de unificar y sumar los esfuerzos individuales que cada país a realizado en las últimas décadas. Países como el Reino Unido, España, Alemania, Suiza, Eslovaquia, Francia, Rumania, Finlandia, Dinamarca, y Holanda tienen diversos centros de ensayo aunque con distintas características entre ellos. Así por ejemplo, en Europa se pueden diferencia claramente 4 tipos de centros de ensayo usados: - Secciones de Pulso - Secciones Circulares - Secciones Lineales - Secciones Ovaladas (o híbridas) Secciones de Pulso Son casos únicos de este tipo de centros de ensayos los dos disponibles en Alemania (Bergisch Gladbach y Dresden). La Figura 10 muestra un ejemplo de cómo se aplican estas cargas pulsares a los pavimentos. Las condiciones tan diferentes con respecto a lo visto en las carreteras hacen de este ensayo no muy difundido, ya que si se desean saber las respuestas a cargas pulsares, se pueden realizar pruebas triaxiales como las de los ensayos candidatos a convertirse en el Ensayo Simple de Comportamiento (SPT)..

(21) Figura 10. Centro de Ensayo de Pulso (Alemania) Secciones Circulares Entre las más famosas de este estilo se encuentra la construida por el Laboratoire Central des Ponts et Chaussées – LCPC en Nantes, Francia (22), y la construida en Bratislava, Eslovaquia. La LCPC, por ejemplo, tiene la virtud de ser un centro de ensayos móvil, ya que los ejes circulares con los que se ensayan las secciones son transportables y pueden ser movidos a otras locaciones con temperaturas y calidad de suelos y subsuelos diferentes. La Figura 11a muestra una vista aérea de la configuración del circuito circular y la Figura 11b muestra en detalle el eje de cargas usadas en la LCPC. Lamentablemente, un problema serio de estos centros es que se sabe que existen esfuerzos tangenciales y centrífugos por la misma configuración del circuito, que no se han podido cuantificar apropiadamente y no se sabe con exactitud la influencia de éstos en el comportamiento de las mezclas bituminosas. Una ventaja, por otro lado, es que las velocidades pueden ser variadas considerablemente es estos circuitos; pero también debería ser notada la extrema dificultad con la que secciones de este tipo son construidas. El equipo de pavimentación esta diseñada regularmente para secciones lineales largas, no para secciones circulares de corta dimensión. Estos problemas hacen que los resultados de estas secciones no sean del 100% confiables.. (a). (b). Figura 11. (a) Vista Aérea del Circuito Circular en LCPC – Francia (b) Detalle del Eje de Cargas en LCPC..

(22) Secciones Lineales Dentro de este grupo entran secciones como las de FHWA-ALF en EE.UU. En Europa, las secciones más conocidas son las de Suiza, el Reino Unido y Finlandia. La Figura 12a y 12b muestran dos ejemplos de cargas únicas mecanizadas usadas en Suiza y el Reino Unido, respectivamente. Entre las ventajas de este tipo de secciones comparadas con los circuitos circulares es la facilidad de construcción, y la capacidad de simulación más real de las condiciones en el campo. Lamentablemente, estos circuitos también tienen sus desventajas como el hecho de producir velocidades muy lentas y de en algunas ocasiones tener que cargar a las mezclas de ida y de vuelta (como en FHWA-ALF), originando esfuerzos cortantes ajenos al comportamiento normal de los pavimentos. Secciones Ovaladas (o híbridas) Ejemplos de estos centros en EE.UU. son los observados en WesTrack y NCAT. En Europa, claro ejemplo es el CEDEX (Centro de Estudios y Experimentación de Obras Publicas) español (23). Se le puede llamar también sección híbrida ya que contiene tanto secciones lineales como circulares. La Figura 13 muestra un ejemplo del circuito ovalado construido por el CEDEX español. A diferencia de WesTrack y NCAT, el CEDEX tiene la capacidad de proveer sombra a una o dos de sus secciones lineales, además de simular lluvia e incrementar el nivel freático como los investigadores lo deseen. En vez de estar construido sobre suelo natural, las secciones del CEDEX están construidas encima de una zapata de concreto, diseñada de tal manera para prevenir las intrusiones naturales de humedad en los suelos y poder ensayar diversos tipos de suelos y analizar su influencia en el comportamiento de la mezcla y la estructura sin necesidad de tener centros en diversos lugares de España. La Figura 14 muestra el esquema del corte transversal de las secciones. La Figura 15 muestra una vista de la zapata de concreto previa a ser rellenada con los distintos pavimentos a ser ensayados. En esta figura también se puede apreciar el equipo utilizado para simular el tráfico. En vez de usar camiones estándar, CEDEX implementó el sistema de carga única mecanizada de las secciones lineales. La carga era de aproximadamente 26,000 lb guiada electrónicamente como muestra la Figura 16. (a). (b). Figura 12. (a) Circuito Lineal Interior en Suiza (b) Circuito Lineal en el Reino Unido.

(23) Figura 13. Vista Aérea del Centro de Ensayo Ovalado CEDEX – Madrid, España. Viga de Guía. Simulador de Cargas. Pared de Drenaje. Pavimento. Pared de Drenaje. 2.6 m 8m. Vía de Acceso a Censores y Controles. Zapata de Concreto Capa de Drenaje con Geotextil. Figura 14. Esquema del Corte Transversal de las Secciones Construidas en CEDEX..

(24) (a). (b). Figura 15. (a) Zapata de Concreto con Techo Cerrado previo a Construcción en CEDEX, España (b) Construcción de Secciones de Prueba dentro de Zapatas de Concreto. Figura 16. Detalle de Simulador de Cargas en CEDEX – España. El CEDEX contó desde un inicio con un sofisticado equipo de mediciones, censores electrónicos y térmicos, sistemas computarizados que controlaban las velocidades y desviaciones de la huella del simulador, y es por eso que datos de este centro de ensayos han de ser utilizados en el proyecto NCHRP 10-66 mencionado previamente que tiene como objetivo el enlazar las características y resultados de secciones reales como MnRoad y secciones aceleradas como las de FHWA-ALF, NCAT y el CEDEX. Finalmente, es importante mencionar que en la secciones lineales, el centro tenia la capacidad de ensayar hasta 6 tipos de pavimentos, mientras que las secciones curvas fueron dedicadas a experimentar con mezclas o situaciones no convencionales, como por ejemplo la aplicación de tratamientos superficiales o capas extremadamente finas de revestimiento de menos de 2 cm. Esto se hizo con el objetivo de aprovechar al máximo posible la pista de ensayo pero no comprometerse en investigar estructuras de pavimento en secciones donde se sabían que existían condiciones diferentes a las reales (como esfuerzos tangenciales y centrífugos)..

(25) ANÁLISIS COMPARATIVO DE LOS DIVERSOS TIPOS DE CENTROS DE ENSAYO DE PAVIMENTOS Ahora que se han presentado diversos tipos de centros de ensayo, a continuación se muestran unos cuadros comparativos que resumen lo descrito en las secciones previas, y que basadas en estas se presentara un esquema de centro de ensayo que pueda ser adaptado al Perú. Centro de Ensayos Circulares (LCPC Francia, Eslovaquia) Ventajas Simplicidad del Sistema de Cargas Alta frecuencia y velocidad de los vehículos Capacidad de Ensayar diversas Secciones con la misma Carga Reducción considerable del Tiempo de Ensayo. Desventajas Dificultad de Construcción con Equipos y Maquinarias Convencionales Existencia de Esfuerzos Tangenciales y Centrífugos Condiciones muy diferentes a la Realidad Falta de Correlación entre simulación de cargas y condiciones reales.. Centro de Ensayos Lineales (FHWA-ALF, Suiza, Reino Unido) Ventajas Facilidad de Construcción con Equipos y Maquinarias Convencionales Carga Lineal más cercana a la Realidad (en algunas ocasiones) Reducción considerable del Tiempo de Ensayo. Desventajas Baja frecuencia y velocidad de los vehículos / simuladores Aplicación de cargas en Doble Sentido (Ej. FHWA-ALF) Solo se puede ensayar una sección con la misma Carga Falta de Correlación entre simulación de cargas y condiciones reales.. Centro de Ensayos Ovalados (WesTrack, NCAT, CEDEX) Ventajas Facilidad de Construcción con Equipos y Maquinarias Convencionales Carga más cercana a la Realidad (en algunas ocasiones) Capacidad de Ensayar diversas Secciones con la misma Carga Capacidad de Controlar apropiadamente el Trafico, la Temperatura, el Nivel Freático y otras variables. Desventajas Baja frecuencia y velocidad de los vehículos / simuladores Existencia de Esfuerzos Tangenciales y Centrífugos en secciones curvas Falta de Correlación entre simulación de cargas y condiciones reales. Potenciales errores en la simulación pueden resultar en situación de falla prematura (Ej. WesTrack).

(26) Centro de Ensayos en Carreteras y Autopista (MnRoad, LTPP) Ventajas Cargas y Condiciones Reales aplicadas a secciones de ensayo. Capacidad de Ensayar diversas Secciones con el mismo tráfico Uso de Resultados en Calibración y Validación de Modelos MecanísticosEmpíricos Facilidad de Construcción. Desventajas Largo Tiempo de Ensayos Falta de control de variables como trafico, temperatura, nivel freático, etc. Dificultad en conseguir muestras y testigos por control del trafico (en algunas ocasiones). Analizando las tablas presentadas, se puede concluir que a pesar que las secciones lineales, circulares y ovaladas proveen resultados con celeridad, existe el problema de correlacionar las condiciones y resultados de éstas con las condiciones y fallas observadas en las carreteras y autopistas sometidas a cargas y trafico normales. Aún no se sabe si las cargas aplicadas a estas secciones son muy extremas y el comportamiento de las mezclas es diferente al observado en el campo. Por ahora, mientras no se sepan los resultados de investigaciones que relacionen estos ensayos con la realidad, es recomendable que se tomen estos tipos de ensayo con cuidado, en especial para el Perú que no está en condiciones de desperdiciar recursos económicos y laborales. Por otro lado, el utilizar secciones en carreteras reales ofrece la ventaja de someter a las secciones a condiciones de esfuerzos y deformaciones normales, pero el tiempo para producir fallas en las secciones puede ser muy largo y el hecho de medir deformaciones puede ser problemático ya que tendría que interrumpirse el tráfico, además de no tener control en lo absoluto del tipo, cantidad y frecuencia de vehículos que circulan en las secciones. Es por eso, que para implementar un centro de ensayos a escala natural de pavimentos en el Perú, lo mas recomendable es conjugar los beneficios de ambos sistemas (simulaciones o carreteras reales). La siguiente sección muestra una propuesta de un circuito que podría ser implementado en el Perú y que beneficiaría no solo al país, sino al área de ingeniería y diseño de pavimentos en general.. PROPUESTA DE CENTRO DE ENSAYO EN EL PERU Con la esperanza de que próximamente las autoridades y entidades correspondientes en el Perú decidan cambiar la actual norma de diseño de pavimentos basada en la del AASHTO del 93, por una guía basada en modelos mecanísticos-empíricos que está siendo promovido por la comunidad científica mundial y que tiene a una de sus mejores representantes en la reciente 2002-DG de EE.UU., los autores de esta ponencia se aventuran a proponer un esquema de centro de ensayos que considera lo aprendido de secciones de prueba en los EE.UU. y Europa. La Figura 17 muestra el esquema del circuito propuesto para ser aplicado en el Perú..

(27) CENTRO DE ENSAYOS OVALADOS. LONGITUD RECOMENDADA ENTRE 2.5 A 10 KM.. LABORATORIO DE ENSAYO DE MATERIALES Y CENTRO DE OPERACIONES. CARRETERA ADICIONAL PARALELA. CARRETERA ORIGINAL. CARRETERA ORIGINAL. Implementación de Semáforos. Secciones Techadas Secciones Lineales Secciones Circulares Secciones construidas encima de Zapata de Concreto Figura 17. Esquema de Centro de Ensayos Propuesto para Aplicación en el Perú..

(28) Esquema de Centro de Ensayos El centro de ensayos propuesto consiste en la conjugación de dos tipos de centros de ensayos. Primero, queriendo mantener las ventajas de un laboratorio al aire libre y para prevenir el corte de tráfico como en MnRoad, las secciones de ensayo serían construidas paralelamente a la carretera original. Entonces, por medio de bloqueos, se desviaría el tráfico de la carretera original hacia las secciones de ensayo y cada cierto tiempo esta carretera paralela o adicional sería cerrada para realizar mediciones de fallas deseadas y, si fuera necesario, para tomar testigos para estudios forénsicos. Por otro lado, y con la intención de obtener resultados rápidos, se construiría un circuito de ensayos ovalado, teniendo a una de sus tangentes adyacente a la carretera adicional construida al estilo MnRoad, ambos con los mismos materiales y diseños. En vez de ser sometidas al tráfico común este circuito ovalado sería sometido a cargas similares a las observadas en WesTrack o NCAT (vehículos automatizados). Sin embargo, en vez de usar vehículos automatizados, es recomendable que éstos sean conducidos por diversos choferes para mantener lo más cercano posible a la realidad el factor humano, con lo que se evitarían problemas como los observados en WesTrack. Lo que se busca con la construcción de estos dos tipos de centros de ensayo, es el poder en el futuro tener suficientes datos para desarrollar relaciones entre el comportamiento de pavimentos en condiciones normales y aceleradas. Un centro de ensayos de esta magnitud tendría la ventaja de proveer información a la comunidad científica mundial en algo tan necesario como el desarrollo de este tipo de correlaciones. El centro de operaciones y laboratorio de ensayo de materiales, necesarios para controlar y ensayar apropiadamente los ligantes, suelos, concreto y mezclas bituminosas usadas en este centro, estarían localizados en el interior del circuito ovalado. Centros de computo que reciban la información de los diversos censores electrónicos y térmicos se alojarían en ellos, al igual que los vehículos a usarse en el circuito ovalado. Se reconoce que un centro de ensayos como éste es bastante ambicioso y por lo tanto costoso. El precio inicial de su construcción también dependerá en la longitud usada para las tangentes y la carretera adicional. Se recomienda, por lo visto en Europa y EE.UU., que la longitud a usar debería estar entre 2.5 y 10 Km., que variarían de acuerdo a los fondos disponibles y el número de secciones a evaluar. La longitud de cada sección debería variar entre 50 y 150 m. Variables a estudiar que incrementarían el costo pero deseables desde todo punto de vista son los siguientes: - Construcción de secciones sobre zapatas de concreto para evaluar distintos suelos y el efecto del nivel freático en el comportamiento de los pavimentos - Construcción de techos y sistemas de irrigación para simular condiciones nubosas y con lluvia y evaluar el efecto de las condiciones climatológicas en los pavimentos. - Implementación de semáforos en la tangente opuesta para evaluar el efecto del tráfico y la velocidad en intersecciones. Finalmente, para no desperdiciar las secciones curvas, éstas se aplicarían de la misma manera que en CEDEX. De este modo, las secciones curvas en el circuito ovalado serían usadas para construir secciones con tratamientos superficiales o capas extremadamente finas. Mientras, en las conexiones entre la carreteras adicional y original se construirían secciones equivalentes, con la misma intención que la construcción de la carretera adicional y la tangente adyacente: la de poder correlacionar las condiciones reales de carreteras con las condiciones aceleradas de centros de ensayos..

(29) Posibles Ciudades para Construcción de Centros de Ensayo Debido a la diversidad de condiciones climatológicas y orográficas del país, es más que recomendable construir diversas secciones en todo el Perú. Por eso, se indica un listado de locaciones en donde sería apropiado construir estos centros: - Lima, por ser la ciudad donde se reciben la mayor cantidad de trafico del país - Piura y/o Chiclayo, por representar un clima netamente desértico - Arequipa, por representar la segunda ciudad mas importante del país y a una altura sobre el nivel del mar intermedia (2300 m.s.n.m.) - Iquitos-Nauta y/o Pucallpa, por ser unas de las pocas carreteras construidas en la Selva Peruana. - Puno, Cuzco y/o Cerro de Pasco, por representar ciudades de variada altitud y tráfico pesado. Datos a ser Medidos en Centros de Ensayo Los datos básicos a ser medidos en este centro de ensayo son los siguientes: - Datos Climatológicos, que incluyen la temperatura del aire, la velocidad del viento, el porcentaje de luz solar, la humedad relativa y la cantidad de lluvias recibida, medido de manera horario, para poder formar los archivos meteorológicos necesarios para la Guía de Diseño del 2002. - Temperaturas del Pavimento a diversas profundidades para determinar la velocidad de radiación en el pavimento. - Esfuerzos y deformaciones del pavimento medido con censores electrónicos ubicados a lo largo de la carretera adicional y las tangentes del circuito. - Mediciones continuas del trafico experimentado por la carretera adicional. - Mediciones semanales, quincenales y mensuales de las fallas de los pavimentos (en especial de los asentamientos permanentes y los agrietamientos por fatiga). - Colección de los materiales usados durante la construcción como las mezclas bituminosas, los suelos, los ligantes y los materiales modificados, para su posterior evaluación con ensayos de laboratorio. Con estos datos se podrá construir una base de datos apropiada para implementar el nivel de jerarquía 1 o 2 de la 2002-DG, y también para corregir o modificar los factores de calibración de los modelos mecanísticos-empíricos usados por la guía. Los ensayos de laboratorio a ser usados serian los recomendados por el equipo de investigación encargado del proyecto NCHRP 9-19 (3). - Toma de testigos para la verificación de modelos y mediciones apropiadas de las características de la mezcla bituminosa.. Calibración de la 2002-DG, Beneficios al Perú y Aporte al Mundo La construcción de un centro de ensayos como el propuesto en esta ponencia tendría importantes repercusiones, de las cuales se calculan las siguientes: - Se obtendrían datos de caracterización de materiales, de fallas medidas en el campo y de condiciones climatológicas y de trafico suficientes para calibrar la 2002-DG a las condiciones únicas del Perú. - El tener la capacidad de usar esta guía permitirá al Perú la construcción de caminos y carreteras con mayor confiabilidad y que duren mas tiempo en el campo, dando a los.

(30) usuarios vías de alta calidad que no malogren sus vehículos y favorezcan al medio ambiente. - El poder hacer un ensayo en condiciones reales y aceleradas con los mismos materiales y diseño, permitiría poder construir relaciones entre ambas situaciones que podrían ser usadas por otros países del mundo para usar los datos medidos por años en centro de ensayos acelerados circulares, lineales y ovalados que aún hoy no tienen alguna relación con la vida real y sólo sirven para realizar estudios comparativos más no de predicción de comportamiento. La inversión inicial se puede considerar elevada, pero si se toma en cuenta que tener este tipo de datos permitirá prevenir fallas prematuras de carreteras y alargar la vida de éstos, entonces los costos se verán reducidos radicalmente. Es más, lo deseable sería que este esfuerzo no sea únicamente por parte del gobierno central, sino que de la misma manera que paso en NCAT, estos centros se formen con la colaboración de diversas entidades como los gobiernos regionales y municipalidades interesadas de todo el país, además de entidades privadas e internacionales a las que el proyecto pueda atraer. La necesidad de tener en el siglo XXI a un Perú realmente intercomunicado entre costa, sierra y selva, requiere a gritos un sistema o metodología de diseño de carreteras confiable y efectivamente barato. Lo mismo que sucedió con el AASHO Road Test de los 50’s y su posterior uso en la construcción del sistema interestatal de carreteras de los EE.UU. (y la mayor parte de las vías del mundo entero), debe suceder en el Perú con estos centros de ensayo que servirían para diseñar nuestro propio sistema carretero que nos llevará al desarrollo sostenido que todos los peruanos deseamos y necesitamos.. RESUMEN, CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Resumen La siguiente ponencia presentó la continuación de la introducción a la Guía de Diseño de Pavimentos Nuevos y Rehabilitados del 2002 (2002-DG) desarrollada en los EE.UU. bajo el proyecto NCHRP 1-37A. En esta ponencia se presentaron los modelos mecanísticos-empíricos usados para pronosticar las fallas de los pavimentos más importantes a saber: asentamientos permanentes (rutting) y agrietamiento por fatiga (fatigue cracking). Estos modelos son mecanísticos porque están basados en la mecánica de los materiales, y son empíricos porque los valores y coeficientes que lo forman, son calculados ya sean de pruebas de laboratorio o de valores medidos apropiadamente en el campo. Es así que para poder hacer uso de estos modelos, es necesario tener datos suficientes de clima, trafico, construcción, propiedades in-situ y comportamiento de los pavimentos para poder calibrarlos y verificar su validez. En esta ponencia se presentó la manera en que los modelos fueron calibrados usando datos medidos a lo largo y ancho de los EE.UU. por medio del proyecto Long-Term Pavement Performance – LTPP. Para calcular los coeficientes necesarios de los modelos usados, lo que se requería era realizar una optimización de tal manera que los errores entre los valores medidos y pronosticados sean lo menor posibles. De este modo, se calcularon los Factores de Calibración Nacional de los EE.UU..