Efecto de los geosintéticos en el comportamiento dinámico de mezclas asfálticas

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(1)UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL. Tesis de grado presentada como requisito para optar el título de Magíster en Ingeniería civil. “EFECTO DE LOS GEOSINTÉTICOS EN EL COMPORTAMIENTO DINÁMICO DE MEZCLAS ASFÁLTICAS”. ASESOR:. ING. DAVID GONZALEZ HERRERA. PRESENTADO POR:. ING. CARLOS ANDRÉS MORENO. Bogotá, Julio de 2010 MIC-2010-II-13.

(2) MIC-2010-II-13. TABLA DE CONTENIDO. 1.. INTRODUCCIÓN. 9. 2.. OBJETIVOS. 10. 3.. MARCO TEÓRICO. 11. 3.1 Fallas en las estructuras de pavimento 3.1.1 Fisuras Longitudinales y Transversales: 3.1.2 Fisuras en Bloque y Piel de Cocodrilo 3.1.3 Defectos constructivos. 11 11 11 12. 3.2. 13. Fisuración en las estructuras de pavimento. 3.3 Aplicaciones de Geosintéticos en las estructuras de pavimento 3.3.1 Tipos de geosintéticos 3.3.2 Aplicaciones de geosintéticos en el refuerzo de carpetas asfálticas. 17 17 18. 3.4 Efectos de los geosintéticos dentro de carpetas asfálticas 3.4.1 Efectos sobre el proceso de fisuración 3.4.2 Efectos sobre la propagación de fisuras 3.4.3 Efecto sobre las deformaciones permanentes 3.4.4 Redistribución de esfuerzos. 23 23 27 32 35. 3.5 Factores que inciden en el comportamiento de geosinteticos como refuerzo de mezclas asfálticas 3.5.1 Adherencia geosintético – pavimento asfáltico 3.5.2 Propiedades del geosintético 3.5.3 Propiedades de la mezcla asfáltica 3.5.4 Ubicación del geosintético 3.5.5 Procedimiento constructivo 3.5.6 Tamaño de las grietas. 37 37 40 41 42 42 45. 4.. ENSAYOS DE LABORATORIO. 47. 4.1. Fatiga a flexión en vigueta asfáltica. 47. 4.2 Materiales 4.2.1 Asfalto 4.2.2 Arena tipo 1 4.2.3 Arena tipo 2 4.2.4 Gravilla ¾” 4.2.5 Geotextil no tejido punzonado por agujas 4.2.6 Geomalla de fibra de vidrio 4.2.7 Emulsión Asfáltica tipo CCR-1PM modificada con polímeros. 53 53 53 55 56 57 60 61. 4.3. 63. Preparación de la mezcla asfáltica. 4.4 Construcción de las viguetas asfálticas 4.4.1 Construcción de viguetas sin refuerzo 4.4.2 Construcción de vigueta reforzada con geotextil 4.4.3 Construcción de vigueta reforzada con geomalla. 67 67 70 71. 2.

(3) MIC-2010-II-13. 4.5. 5.. Montaje del ensayo de laboratorio. RESULTADOS Y ANÁLISIS. 73. 76. 5.1. Falla monotónica. 76. 5.2. Vigueta sin refuerzo. 78. 5.3. Vigueta reforzada con geotextil no tejido. 82. 5.4. Vigueta reforzada con geomalla fibra de vidrio 50kN/m en el eje central. 86. 5.5. Vigueta reforzada con geomalla fibra de vidrio 100kN/m en el eje central. 90. 5.6. Vigueta reforzada con geomalla fibra de vidrio 50kN/m en el tercio inferior. 94. 5.7. Vigueta reforzada con geomalla fibra de vidrio 50kN/m en el tercio superior. 99. 5.8. Análisis del comportamiento en número de ciclos. 103. 5.9. Análisis del comportamiento de los desplazamientos. 105. 5.10. Análisis del comportamiento del tipo de falla. 108. 6.. CONCLUSIONES. 112. 7.. RECOMENDACIONES. 113. 8.. BIBLIOGRAFÍA. 115. 3.

(4) MIC-2010-II-13. LISTA DE TABLAS TABLA 1. PROPIEDADES MEZCLA ASFÁLTICA PISTA AÉREA [1] ............................................... 24 TABLA 2. VALORES DE B Y M PARA LA ECUACIÓN 7 [1] ............................................................. 27 TABLA 3. CANTIDAD A UTILIZAR DE CEMENTO ASFÁLTICO VS EMULSIÓN ASFÁLTICA. [[11] .................................................................................................................................................. 37 TABLA 4. NÚMERO DE CICLOS PARA DESARROLLO DE GRIETAS EN PAVIMENTOS CON Y SIN REFUERZO. [6]. ....................................................................................................................... 41 TABLA 5. PROPIEDADES MÍNIMAS PARA EL GEOTEXTIL DE REPAVIMENTACIÓN [13]....... 41 TABLA 6. RESUMEN COMPORTAMIENTO MODELO KHODAII. TOMADO DE [21]. .................. 42 TABLA 7. CONDICIONES ESTABLECIDAS PARA LA EJECUCIÓN DE FATIGAS A FLEXIÓN .. 52 TABLA 8. PROPIEDADES FÍSICAS DEL ASFALTO ........................................................................... 53 TABLA 9. PROPIEDADES DEL GEOTEXTIL DE REPAVIMENTACIÓN.......................................... 58 TABLA 10. PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS DE LA GEOMALLA DE FIBRA DE VIDRIO .......................................................................................................................................................... 61 TABLA 11. PROPIEDADES FÍSICO QUÍMICAS DE LA EMULSIÓN ASFÁLTICA.......................... 62 TABLA 12. TIPO DE MEZCLA RECOMENDADO DE ACUERDO CON EL USO Y ESPESOR. ESPECIFICACIÓN INVIAS. ........................................................................................................... 63 TABLA 13. PROPORCIÓN DE LLENANTE MINERAL SEGÚN INVIAS. .......................................... 63 TABLA 14. FRANJAS GRANULOMÉTRICAS DE ACUERDO CON EL TIPO DE MEZCLA. INVIAS. ............................................................................................................................................ 64 TABLA 15. CRITERIOS DE DISEÑO DE LA MEZCLA ASFÁLTICA. MÉTODO MARSHALL. INVIAS. ............................................................................................................................................ 64 TABLA 16. PROPIEDADES DE LA MEZCLA ASFÁLTICA COMPACTADA ................................... 65 TABLA 17. DOSIFICACIÓN APROPIADA PARA LA MEZCLA SEGÚN MÉTODO MARSHALL .. 66 TABLA 18. DOSIFICACIÓN AGREGADOS PARA LA MEZCLA ASFÁLTICA ................................ 66 TABLA 19. ESPECIFICACIONES DE MEDICIÓN EQUIPO MTS ....................................................... 75 TABLA 20. CONDICIONES PARA LA EJECUCIÓN DE LOS ENSAYOS DE FATIGA .................... 77 TABLA 21. CÁLCULO DE RIGIDEZ PARA VIGA SIN REFUERZO .................................................. 79 TABLA 22. CÁLCULO DE RIGIDEZ PARA VIGA REFORZADA CON GEOTEXTIL NO TEJIDO . 83 TABLA 23. CÁLCULO DE RIGIDEZ PARA VIGA REFORZADA CON GEOMALLA 50KN/M. ..... 87 TABLA 24. CÁLCULO DE RIGIDEZ PARA VIGA REFORZADA CON GEOMALLA 100KN/M .... 91 TABLA 25. CÁLCULO DE RIGIDEZ PARA VIGUETA REFORZADA CON GEOMALLA 50KN/M EN EL TERCIO INFERIOR ............................................................................................................ 95 TABLA 26. CÁLCULO DE RIGIDEZ PARA VIGUETA REFORZADA CON GEOMALLA 50KN/M EN EL TERCIO SUPERIOR.......................................................................................................... 100 TABLA 27. NÚMERO DE CICLOS PARA CADA CONDICIÓN ........................................................ 103 TABLA 28. CICLOS PARA PRODUCIR DESPLAZAMIENTO 5MM ................................................ 106. 4.

(5) MIC-2010-II-13. LISTA DE FIGURAS FIGURA 1. CONFIGURACIÓN DE FISURAS AISLADAS ................................................................... 13 FIGURA 2. CONFIGURACIÓN DE FISURAS INTERCONECTADAS ................................................ 13 FIGURA 3. ETAPAS EN LA PROPAGACIÓN DE FISURAS ................................................................ 14 FIGURA 4. PROPAGACIÓN DE FISURAS EN REPAVIMENTACIÓN [16] ....................................... 15 FIGURA 5. ZONA DE CIZALLAMIENTO [17] ...................................................................................... 15 FIGURA 6. SELLADO DE FISURAS DE LA CAPA ASFÁLTICA EXISTENTE ................................. 18 FIGURA 7. APLICACIÓN DEL LIGANTE ASFÁLTICO ...................................................................... 19 FIGURA 8. APLICACIÓN DE LA CAPA DE REPAVIMENTACIÓN .................................................. 20 FIGURA 9. REPAVIMENTACIÓN CON GEOMALLAS MARTÍNEZ [3] ............................................ 21 FIGURA 10. REFUERZO CON GEOMALLA EN ESTRUCTURAS ASFÁLTICAS NUEVAS. [3]. .... 21 FIGURA 11. MÓDULO DE RIGIDEZ VERSUS EL NÚMERO DE CICLOS DE CARGA [1]. ............ 26 FIGURA 12. TASA PROPAGACIÓN DE DAÑO – NÚMERO DE EJES VS RANGO DE DEFORMACIÓN. CONDICIÓN REFORZADA CON GEOMALLA Y SIN REFUERZO [1] .... 26 FIGURA 13. TASA PROPAGACIÓN DE DAÑO – NÚMERO DE EJES VS RANGO DE DEFORMACIÓN. CONDICIÓN REFORZADA CON GEOTEXTIL Y SIN REFUERZO [1] .... 27 FIGURA 14. REPETICIONES DE CARGA NECESARIAS PARA LA PROPAGACIÓN DE UNA FISURA PREINDUCIDA A LA SUPERFICIE EN VIGUETAS A FLEXIÓN. [2]. ...................... 28 FIGURA 15. ESQUEMA DEL ENSAYO PARA PROPAGACIÓN DE FISURAS. [5]. ........................ 29 FIGURA 16. NÚMERO DE CICLOS NECESARIOS PARA LA PROPAGACIÓN DE FISURAS BAJO CONDICIONES REFORZADA Y NO REFORZADA. [5]............................................................. 29 FIGURA 17. INCREMENTO DE ENERGÍA ABSORBIDA EN MUESTRAS REFORZADAS Y NO REFORZADAS. [5].......................................................................................................................... 30 FIGURA 18. EFICIENCIA DEL REFUERZO VERSUS LÍNEAS DE REFERENCIA PARA EL MONITOREO DE LA PROPAGACIÓN DE FISURAS. [5]. ......................................................... 30 FIGURA 19. MODELO UTILIZADO POR KHODAII PARA REVISAR EL EFECTO DE LOS GEOSINTÉTICOS. TOMADO DE [21]. ......................................................................................... 31 FIGURA 20. AVANCE DE FISURA PREINDUCIDA VS EL NÚMERO DE CICLOS. TOMADO DE [21].................................................................................................................................................... 32 FIGURA 21. VIGUETA ASFÁLTICA PARA LA EJECUCIÓN DEL ENSAYO DE FATIGA [2]. ....... 32 FIGURA 22. PUNTOS DE APLICACIÓN DE LA CARGA CÍCLICA [2]. ............................................ 33 FIGURA 23. NUMERO DE CICLOS DE CARGA VERSUS DEFLEXIÓN (MM), CONDICIÓN NO REFORZADA [2]. ............................................................................................................................ 33 FIGURA 24. NUMERO DE CICLOS DE CARGA VERSUS DEFLEXIÓN (MM), CONDICIÓN REFORZADA CON UNA GEOMALLA DE FIBRA DE VIDRIO [2]. ......................................... 33 FIGURA 25. DEFLEXIONES EN EL CENTRO DE LA VIGA PARA DIFERENTES TIEMPOS DE APLICACIÓN DE CARGA [9]. ...................................................................................................... 34. 5.

(6) MIC-2010-II-13. FIGURA 26. DEFORMACIÓN PERMANENTE VS NÚMERO DE CICLOS EN EL ENSAYO DE KHODAII. TOMADO DE [21] ........................................................................................................ 35 FIGURA 27. ESQUEMA DE LA INCIDENCIA DEL GEOTEXTIL EN EL MECANISMO DE FALLA POR FLEXIÓN DE VIGUETAS ..................................................................................................... 36 FIGURA 28. MODELO DE ENSAYO DE ADHESIÓN GEOTEXTIL CAPA ASFÁLTICA. TOMADO DE OVALLE [18]. ........................................................................................................................... 38 FIGURA 29. RESISTENCIA A LA FATIGA EN VIGUETAS A FLEXIÓN CON Y SIN REFUERZO CON GEOTEXTIL [9]. .................................................................................................................... 40 FIGURA 30. EFECTO DE LA TASA DE IMPRIMACIÓN EN LA RESISTENCIA A LA TENSIÓN DE GEOTEXTILES NO TEJIDOS [9]................................................................................................... 43 FIGURA 31. GRÁFICA ENSAYO CORTE DIRECTO NÚCLEOS LA LÍNEA. TOMADO DE OVALLE [18] ................................................................................................................................... 44 FIGURA 32. GRÁFICA ENSAYO DE CORTE DIRECTO NÚCLEOS CUCUNUBÁ. TOMADO DE OVALLE [18] ................................................................................................................................... 44 FIGURA 33. INFLUENCIA DEL TAMAÑO DE LA FISURA EN LA DEFORMACIÓN PERMANENTE. TOMADO DE [21]. ............................................................................................. 45 FIGURA 34. INFLUENCIA DEL TAMAÑO DE LA GRIETA EN LA PROPAGACIÓN DE LA FISURA. TOMADO DE [21]. .......................................................................................................... 46 FIGURA 35. ESQUEMA ENSAYO FLEXIÓN DINÁMICA VIGUETAS SEGÚN INVIAS [20]. ........ 47 FIGURA 36. VISTA GENERAL DEL MONTAJE PROPUESTO PARA LA EJECUCIÓN DEL ENSAYO DE FATIGA A FLEXIÓN ............................................................................................. 51 FIGURA 37. GRANULOMETRÍA TÍPICA ARENA TIPO 1. ................................................................. 54 FIGURA 38. GRANULOMETRÍA TÍPICA ARENA TIPO 2 .................................................................. 56 FIGURA 39. GRANULOMETRÍA TÍPICA GRAVILLA ¾”................................................................... 57 FIGURA 40. DIMENSIONES DE LA VIGUETA ASFÁLTICA UTILIZADA PARA LOS ENSAYOS DE LABORATORIO ....................................................................................................................... 65 FIGURA 41. CURVA ESFUERZO DEFLEXIÓN VIGUETA BAJO CARGA MONOTÓNICA. .......... 76 FIGURA 42. VISTA FINAL DE LA VIGA FALLADA MEDIANTE CARGA MONOTÓNICA .......... 77 FIGURA 43. TRAMO DE CARGA CÍCLICA VS DESPLAZAMIENTO. VIGA SIN REFUERZO. ..... 78 FIGURA 44. NÚMERO DE CICLOS VS DESPLAZAMIENTO. VIGA SIN REFUERZO. ................... 79 FIGURA 45. RIGIDEZ DE LA VIGUETA SIN REFUERZO VS EL NÚMERO DE CICLOS ............... 80 FIGURA 46. TRAMO DE CARGA CÍCLICA VS DESPLAZAMIENTO. VIGA REFORZADA CON GEOTEXTIL NO TEJIDO. .............................................................................................................. 82 FIGURA 47. NÚMERO DE CICLOS VS DESPLAZAMIENTO. VIGA REFORZADA CON GEOTEXTIL NO TEJIDO. .............................................................................................................. 83 FIGURA 48. RIGIDEZ DE LA VIGUETA REFORZADA CON GEOTEXTIL NO TEJIDO VS EL NÚMERO DE CICLOS .................................................................................................................... 84 FIGURA 49. TRAMO DE CARGA CÍCLICA VS DESPLAZAMIENTO. VIGA REFORZADA CON GEOMALLA 50KN/M. .................................................................................................................... 86. 6.

(7) MIC-2010-II-13. FIGURA 50. NÚMERO DE CICLOS VS DESPLAZAMIENTO. VIGA REFORZADA CON GEOMALLA DE 50KN/M. ............................................................................................................. 87 FIGURA 51. RIGIDEZ DE LA VIGUETA REFORZADA CON GEOMALLA DE 50KN/M VS EL NÚMERO DE CICLOS .................................................................................................................... 88 FIGURA 52. TRAMO DE CARGA CÍCLICA VS DESPLAZAMIENTO. VIGA REFORZADA CON GEOMALLA 100KN/M ................................................................................................................... 90 FIGURA 53. NÚMERO DE CICLOS VS DESPLAZAMIENTO. VIGA REFORZADA CON GEOMALLA DE 100KN/M ............................................................................................................ 91 FIGURA 54. RIGIDEZ DE LA VIGUETA REFORZADA CON GEOMALLA DE 100KN/M VS EL NÚMERO DE CICLOS .................................................................................................................... 92 FIGURA 55. TRAMO DE CARGA CÍCLICA VS DESPLAZAMIENTO. VIGA REFORZADA CON GEOMALLA 50KN/M EN EL TERCIO INFERIOR. ..................................................................... 94 FIGURA 56. NÚMERO DE CICLOS VS DESPLAZAMIENTO. VIGA REFORZADA CON GEOMALLA DE 50KN/M EN EL TERCIO INFERIOR................................................................ 95 FIGURA 57. RIGIDEZ DE LA VIGUETA REFORZADA CON GEOMALLA DE 50KN/M EN EL TERCIO INFERIOR VS EL NÚMERO DE CICLOS ..................................................................... 96 FIGURA 58. TRAMO DE CARGA CÍCLICA VS DESPLAZAMIENTO. VIGA REFORZADA CON GEOMALLA 50KN/M EN EL TERCIO SUPERIOR. .................................................................... 99 FIGURA 59. NÚMERO DE CICLOS VS DESPLAZAMIENTO. VIGA REFORZADA CON GEOMALLA DE 50KN/M EN EL TERCIO SUPERIOR. ............................................................ 100 FIGURA 60. RIGIDEZ DE LA VIGUETA REFORZADA CON GEOMALLA DE 50KN/M EN EL TERCIO SUPERIOR VS EL NÚMERO DE CICLOS .................................................................. 101 FIGURA 61. NÚMERO DE CICLOS PARA PRODUCIR LA FALLA EN CADA CONDICIÓN ....... 104 FIGURA 62. DESPLAZAMIENTO VS NÚMERO DE CICLOS PARA DIFERENTES TIPOS DE REFUERZO .................................................................................................................................... 105 FIGURA 63. DESPLAZAMIENTO VS NÚMERO DE CICLOS PARA DIFERENTES UBICACIONES DEL REFUERZO ........................................................................................................................... 106 FIGURA 64. AVANCE DE LAS FISURAS VS DISTANCIA VERTICAL VIGUETA PARA CADA TIPO DE GEOSINTÉTICO ........................................................................................................... 109 FIGURA 65. AVANCE DE LAS FISURAS VS DISTANCIA VERTICAL DE LA VIGUETA PARA CONDICIÓN CON GEOTEXTIL Y SIN REFUERZO ................................................................. 109 FIGURA 66. AVANCE DE LAS FISURAS VS DISTANCIA VERTICAL DE LA VIGUETA PARA CONDICIÓN CON GEOMALLAS DE DIFERENTES RESISTENCIAS ................................... 110 FIGURA 67. AVANCE DE LAS FISURAS VS DISTANCIA VERTICAL VIGUETA PARA DIFERENTES UBICACIONES DEL GEOSINTETICO .............................................................. 111. 7.

(8) MIC-2010-II-13. LISTADO DE ANEXOS. ANEXO 1. REGISTRO FOTOGRÁFICO. ANEXO 2. ENSAYOS DE LABORATORIO Anexo 2.1 Falla con viga monotónica Anexo 2.2 Falla vigueta sin refuerzo Anexo 2.3 Falla en vigueta reforzada con geotextil no tejido Anexo 2.4 Falla en vigueta reforzada con geomalla 50kN en el eje central Anexo 2.5 Falla en vigueta reforzada con geomalla 100kN en el eje central Anexo 2.6 Falla en vigueta reforzada con geomalla 50kN en el tercio inferior Anexo 2.7 Falla en vigueta reforzada con geomalla 50kN en el tercio superior Anexo 2.8 Granulometría materiales Anexo 2.9 Diseño mezcla método Marshall. 8.

(9) MIC-2010-II-13. 1. INTRODUCCIÓN Las estructuras de pavimento están diseñadas de acuerdo a las condiciones ambientales, lo materiales existentes y las condiciones de tráfico, y desde el primer día en que se ponen en funcionamiento, se genera un proceso de desgaste en la carpeta asfáltica, denominado fatiga. La fatiga se refleja en aparición de pequeñas grietas, que posteriormente facilitan la entrada de agua a las capas granulares subyacentes, induciendo reblandecimiento en las mismas que pueden conllevar deformaciones importantes. Las grietas por fatiga son causadas por esfuerzos de tensión en el inferior de la capa de asfalto. Otro problema común en una estructura de pavimento son los ahuellamientos, los cuales son causados por deformaciones permanentes acumuladas sobre la superficie de la vía, ambas debidas a las repeticiones de carga, a las características de los materiales de las capas individuales y a las interacciones a través de todas las capas de la estructura del pavimento. En el caso de estructuras de pavimento existentes, que son sometidas a repavimentación, es común encontrar que las grietas existentes en la carpeta antigua, tras un tiempo medio de operación, empiezan a reflejarse en la carpeta nueva, con las correspondientes implicaciones que esto conlleva. Diferentes alternativas se han utilizado históricamente, conjuntamente con el desarrollo de nuevas tecnologías, incluyendo el refuerzo mediante geosintéticos, para paliar los inconvenientes generados por las diferentes fallas en los pavimentos e incrementar la vida útil de los mismos. Aunque se han utilizado geotextiles y geomallas como elementos de refuerzo en la pavimentación y repavimentación en muchas vías en nuestro país, comprobándose su efecto positivo sobre el comportamiento de estructuras asfálticas, no existe un proceso de investigación profundo en Colombia, por lo que generalmente los proyectos y diseños se basan en estudios ejecutados en otros países. Teniendo en cuenta que el comportamiento, tipos de materiales y condiciones específicas de cada país son variables, el presente proyecto pretende analizar para una mezcla asfáltica diseñada y elaborada en la Universidad de Los Andes, el comportamiento a la fatiga de la misma cuando se incluye un geosintético como mecanismo de refuerzo, siguiendo la metodología establecida en el presente documento, de forma que se presente a la ingeniería Colombiana, una alternativa confiable para mejorar el comportamiento de las estructuras de pavimento asfálticas.. 9.

(10) MIC-2010-II-13. 2. OBJETIVOS El objetivo general del presente proyecto de investigación se define como: Determinar el efecto de la inclusión de geosintéticos en el comportamiento a fatiga de mezclas asfálticas. Para tal fin, se desarrollarán los objetivos específicos listados a continuación: Determinar el incremento de la resistencia a la fatiga en viguetas de concreto asfáltico bajo cargas cíclicas a flexión, con la inclusión de un geotextil no tejido de repavimentación y la inclusión de geomalla de fibra de vidrio de dos resistencias diferentes en el eje central, y geomalla de fibra de vidrio ubicada en el tercio superior e inferior de la vigueta. Establecer los ciclos necesarios y la velocidad necesaria para que la fisura generada en la zona inferior de las viguetas alcance el costado superior, con y sin la inclusión de refuerzo mediante geosintéticos. Determinar los desplazamientos verticales en el centro de la vigueta para la condición sin refuerzo, reforzada con geotextil no tejido, reforzada con geomalla de fibra de vidrio de diferentes resistencias a la tensión y reforzada con geomalla de fibra de vidrio localizada en diferentes posiciones dentro de la vigueta.. 10.

(11) MIC-2010-II-13. 3. MARCO TEÓRICO 3.1Fallas en las estructuras de pavimento Existen diferentes tipos de fallas en las estructuras de pavimento, y cada tipo de falla se manifiesta en determinados tipos de deterioro en las estructuras de pavimento. El tipo de daño dependerá de las características del suelo de la subrasante, el tipo de tráfico vehicular, las propiedades y dosificación de las capas granulares y mezclas asfálticas, así como del proceso constructivo. Teniendo en cuenta el objeto del presente documento, a continuación se resumen las fallas típicas en estructuras de pavimento que se relacionan directamente con el comportamiento de la mezcla asfáltica y repeticiones de tráfico, descartando fallas que puedan originarse por condiciones deficientes de subrasante o mecanismos de falla que involucren las capas granualares, toda vez que no hacen parte de la presente investigación.. 3.1.1 Fisuras Longitudinales y Transversales:. Este tipo de fisuración es debida principalmente a juntas de construcción ya sean transversales y longitudinales inadecuadamente trabajadas, a gradientes térmicos superiores a los 30° C, al empleo de ligantes (Asfaltos) muy duros o envejecidos y a la fatiga de los materiales bituminosos producto del tráfico. Otra causa de estas fisuras puede ser el reflejo de grietas en bases rígidas (Juntas en las losas de hormigón o juntas generadas sobre bases estabilizadas). En la Fotografía 1 aparece una vista típica de una fisura longitudinal.. 3.1.2 Fisuras en Bloque y Piel de Cocodrilo Las fisuras en Bloque y la piel de cocodrilo, son fisuras longitudinales y transversales entrecruzadas, generadas por el uso de ligantes muy duros, por el reflejo de fisuras en bases estabilizadas, y por fatiga de los materiales bituminosos producto del tráfico. En la Fotografía 2 aparece un detalle típico de una fisura en bloque. La piel de cocodrilo son fisuras con separaciones menores a 15cm, mientras que las fisuras en retículas o en bloque se caracterizan por separaciones mayores a los 15 cm.. 11.

(12) MIC-2010-II-13. Fotografía 1. Fisura longitudinal a lo largo de una junta. Fotografía 2. Fisura en Bloque.. 3.1.3 Defectos constructivos Obedecen a aquellas relacionadas con baja compactación de los materiales que conforman la estructura del pavimento, ejecución deficiente de juntas o por desprendimiento de capas que debieran permanecer unidas, por ejemplo un ligante asfáltico insuficiente. Inclusive, de acuerdo con algunas investigaciones, la compactación con equipos convencionales durante la construcción, genera una matriz de fisuración muy fina. ABD EL HALIM (1984) utilizó el concepto de rigidez relativa para explicar la ocurrencia de microfisuras durante la construcción, mostrando que el agrietamiento se generaba por una combinación entre geometría y rigidez del rodillo y la mezcla asfáltica durante la compactación.. 12.

(13) MIC-2010-II-13. 3.2Fisuración en las estructuras de pavimento Las fisuras en las estructuras de pavimento, pueden presentarse en diferentes tipos de configuraciones:  Fisura aislada a) Fisura longitudinal ó paralela al eje de la vía (Fotografía 1) b) Fisura transversal (perpendicular al eje de la vía).  Fisura interconectada c) Fisura en bloque (Fotografía 2). d) Fisura tipo piel de cocodrilo. Las Figura 1 y la Figura 2 indican la configuración típica de la fisuración que aparece en las estructuras de pavimento.. Figura 1. Configuración de fisuras aisladas. Figura 2. Configuración de fisuras interconectadas. Aunque se ha encontrado algunos fenómenos de fisuras oblicuas, su aparición es poco recurrente y obedece a casos muy específicos. La propagación de fisuras, es uno de los problemas más recurrentes en las estructuras de pavimento, bien sea en una estructura nueva que comienza a presentar agrietamientos, o después de un proceso de repavimentación, cuando las estructuras de sobrecarpeta comienzan a reflejar las fisuras expuestas por las carpetas asfálticas existentes. El proceso de propagación de las estructuras de pavimento, se puede resumir en tres etapas de acuerdo con Montestruque [9]. (Figura 3). a) Inicio de fisuramiento. 13.

(14) MIC-2010-II-13. b) Crecimiento de la abertura de las fisuras c) Propagación de la fisura hacia la superficie. Figura 3. Etapas en la propagación de fisuras. En el caso de procesos de repavimentación, la reflexión en la superficie de las fisuras existentes en carpetas antiguas, está directamente relacionada con el espesor de la sobrecarpeta instalada. Las propiedades de resistencia de la capa de repavimentación, también tienen una influencia importante en el proceso, puesto que una fisura se propaga con menor rapidez en un material de mayor resistencia. La propagación de las fisuras en estructuras repavimentadas es explicada por Marchand [16], mediante el siguiente mecanismo (Figura 4): a) Cuando la adherencia entre la carpeta antigua y nueva no es adecuada, primero se produce una propagación horizontal que deriva en un ascenso vertical de la fisura, en el mismo sitio o en otra posición. b) Cuando la adherencia entre capas es lo suficientemente alta, la propagación de las fisuras será de forma totalmente vertical. Cuando las fisuras alcanzan la superficie de una estructura de pavimento, afectan éste de diferentes formas, bien sea en una estructura de pavimento nueva o en un proceso de repavimentación:  Pérdida de impermeabilidad en la superficie: Cuando las fisuras alcanzan la superficie de una estructura de pavimento facilitan el ingreso de agua a través de las mismas, generando una pérdida en la capacidad de soporte de los materiales subyacentes e incluso un lavado de los mismos.  Degradación progresiva del revestimiento próximo a la grieta, debido a la concentración de esfuerzos cortantes alrededor de la fisura.  Aumento en los esfuerzos de tensión en las capas verticales subyacentes, debido al proceso de fisuración que se observa en las capas superiores.. 14.

(15) MIC-2010-II-13. Figura 4. Propagación de fisuras en repavimentación [16]. Una zona de cizallamiento por transmisión de una fisura (Figura 5), puede ser descrita de acuerdo con Sousa [17] como una rigidez axial y una rigidez cizallante mediante la L L a c 1.1 2 Rc Fc 1.2 Ecuación 1 Ra Fa y la Ecuación : H wa H wc. Figura 5. Zona de cizallamiento [17]. 15.

(16) MIC-2010-II-13. Ecuación 1. Ra. Fa. L H. Ecuación 2. Rc. Fc. L H. a. wa c. wc. 1.1. 1.2. Donde: Fa = Fuerza Axial Fc = Fuerza Cizallante H = Altura de la capa L = Espaciamiento horizontal de la fisuración wa = Abertura de la fisura a. = Traslación horizontal. c. = Traslación en la dirección cizallante. 16.

(17) MIC-2010-II-13. 3.3Aplicaciones de Geosintéticos en las estructuras de pavimento Los geosintéticos hacen parte de una nueva serie de tecnologías que permiten la construcción y desarrollo de todo tipo de infraestructura, gracias a las propiedades de resistencia y durabilidad que poseen debido a sus componentes derivados de materiales inertes a ataques químicos y biológicos. Cancelli [1], mediante investigaciones llevadas a cabo en una pista de pruebas con diferentes estructuras de geosintéticos, determinó que es posible reducir los espesores de las capas granulares en estructuras de pavimento mediante la inclusión de geosintéticos. Holtz [8] indica que es posible estabilizar la subrasante de una vía y mejorar sus condiciones de drenaje mediante la utilización de geotextil tejidos y no tejidos como elementos de separación, filtración y refuerzo. Prieto1 afirma con base en la experiencia de proyectos realizados en Chile, que incluso en las condiciones mas complicadas, es posible disminuir de 1/3 a 1/2 el espesor total de las capas asfálticas con la inclusión de una geomalla de refuerzo de la carpeta asfáltica.. 3.3.1 Tipos de geosintéticos En el mercado existen toda clase de geosintéticos, cuyas propiedades y características permiten desarrollar diferentes funciones en la construcción, especialmente en el sector vial. Geotextiles: Se trata de materiales hechos a partir de polipropileno o poliéster principalmente. Existen del tipo tejido y no tejido. Los usos principales son refuerzo de subrasantes, separación en el fondo de excavaciones, repavimentación y aplicaciones relacionadas con filtración y drenaje. Geomallas: Las geomallas son redes bidimensionales de alta resistencia, compuestas a partir de polipropileno, polietileno, fibra de vidrio o poliéster. Sus aplicaciones principales son el refuerzo de estructuras de pavimento y carpetas asfálticas incluyendo procesos de repavimentación. Geomembranas: Se trata de materiales de muy baja permeabilidad orientados al control en la pérdida o infiltración de líquidos. Están conformadas en su mayoría por polietileno o pvc. Las principales aplicaciones son rellenos sanitarios, lagunas artificiales y protecciones de tipo ambiental. Geocompuestos: Los geocompuestos son elementos conformados por mas de un tipo de geosintético, permitiendo obtener estructuras únicas especializadas en aplicaciones específicas de drenaje o refuerzo.. 1. Prieto B Ximena. Santiago sin espaldas encorvadas. Prieto y Trudon Ltda 6D solutions Chile. Edición de la Revista BIT. Marzo de 2003.. 17.

(18) MIC-2010-II-13. 3.3.2 Aplicaciones de geosintéticos en el refuerzo de carpetas asfálticas Es posible utilizar geosintéticos para mejorar el desempeño de carpetas asfálticas bien sean estructuras proyectadas o en repavimentación de estructuras de pavimento existente: 3.3.2.1. Repavimentación con geotextil no tejido. Cuando se requiere realizar labores de mantenimiento o adecuación de vías mediante un proceso de repavimentación, es posible utilizar un geotextil no tejido, el cual permite de un lado retrasar la reflexión de fisuras en las nuevas estructuras de pavimento, y de otro lado generar una capa viscoelastoplástica que actúa como barrera impermeabilizante impidiendo el ingreso de agua de infiltración a través de las grietas existentes. El proceso de repavimentación mediante geotextiles no tejidos está compuesto por las siguientes etapas: Limpieza y adecuación de la superficie: bien puede obedecer a un proceso de fresado de la carpeta existente, o a una limpieza general con equipos de aire o agua a presión, de forma que se garantice la no presencia de polvo o suciedad que pueda afectar la adherencia entre el pavimento existente y el geotextil. Sellado de fisuras: Una vez se cuente con una superficie de trabajo adecuada, las fisuras existentes en la estructura de pavimento deberán ser selladas con un llenante apropiado y acorde con su grado de deterioro. Las técnicas más comunes en la repavimentación son el uso de epóxicos o emulsiones asfálticas. (Figura 6). Figura 6. Sellado de fisuras de la capa asfáltica existente. Inclusión de ligante asfáltico: Los geotextiles de repavimentación implican la utilización de un ligante asfáltico como se observa en la Figura 7, previo a su. 18.

(19) MIC-2010-II-13. disposición de forma que se garantice una adherencia adecuada entre materiales. Para tal fin se recomienda utilizar un cemento asfáltico de penetración 6070mm/10, o bien una emulsión catiónica de rompimiento rápido. La dosificación depende de las propiedades del geotextil y el tipo de ligante que se utilice en el proceso de repavimentación. Button (1982) propone la siguiente ecuación para determinar la cantidad de ligante requerido: Qd= 0.362 + Qs+ Qc (Ecuación 3). En donde Qd es la cantidad de ligante según diseño (Lt/m2) Qs es la cantidad de ligante requerido para lograr la saturación del geotextil. Estos valores son suministrados por los fabricantes. Tiene un valor cercano a 0.9Lt/m2. Qc es un valor de corrección que depende de las condiciones de la carpeta asfáltica existente, su valor se encuentra cercano a los 0.05Lt/m2.. Figura 7. Aplicación del ligante asfáltico. Instalación del geotextil: La siguiente etapa del proceso es la disposición del geotextil directamente sobre el ligante asfáltico, en el caso de emulsiones asfálticas una vez ésta haya roto. Deben seguirse las especificaciones respectivas de traslapos y manejo constructivo de los materiales. Algunos expertos recomiendan la utilización de un compactador de llantas para mejorar la adherencia y saturación del geotextil. Capa de repavimentación: Es la etapa final de un proceso de repavimentación mediante geotextil no tejidos, y consiste de una capa de concreto asfáltico de 5cm de espesor en adelante, la cual conformará la superficie de la vía.. 19.

(20) MIC-2010-II-13. Figura 8. Aplicación de la capa de repavimentación. 3.3.2.2. Refuerzo de carpetas asfálticas mediante la inclusión de geomallas. Como se especificó en el numeral 3.3.1, existen geomallas de diferentes clases, dependiendo del material con que se fabriquen. Las geomallas que se pueden utilizar dentro de una carpeta asfáltica como elemento de refuerzo teniendo en cuenta las temperaturas de trabajo y la interacción con carpetas asfálticas son las geomallas de fibra de vidrio y las geomallas tejidas o de poliéster. Ambos tipos de geomalla pueden utilizarse bien sea como refuerzo en una estructura de pavimento inicial, así como elementos de repavimentación. Los mecanismos de trabajo de una geomalla implican la absorción de los esfuerzos de tensión generados dentro de las estructuras de pavimento, buscando básicamente: Reducir la reflexión de fisuras de carpetas antiguas a carpetas asfálticas nuevas. Aumentar la resistencia a la fatiga de capas de concreto asfáltico, representada en número de ciclos. Absorber diferencias de rigideces presentes en la superficie de apoyo de las capas asfálticas. Al igual que en la repavimentación mediante geotextiles no tejidos, existen procedimientos establecidos para la utilización de geomallas como elementos de refuerzo de carpetas asfálticas: Preparación de la superficie: Debe realizarse una limpieza adecuada de la superficie de apoyo de la geomalla. En el caso de procesos de repavimentación debe acompañarse de un sellado de las fisuras existentes. La preparación de la superficie implica que esta debe estar libre de presencia de humedad. En estructuras nuevas, las geomallas quedan localizadas en medio de la capa asfáltica como lo sugiere Martínez [3] en la Figura 10.. 20.

(21) MIC-2010-II-13. Capa de nivelación: A diferencia de los geotextiles no tejidos, las geomallas implican la utilización de una capa de nivelación posterior al fresado en el caso de procesos de repavimentación como se observa en la Figura 9. Repavimentación con geomallas. La capa de nivelación consiste en una carpeta asfáltica de espesor superior a 5cm, que tiene como finalidad uniformizar la superficie de la geomalla. El funcionamiento a tensión de las geomallas requiere que estas estén totalmente horizontales para desarrollar el proceso de refuerzo de la estructura asfáltica. Riego de Liga: Antes de la instalación de las geomallas, se realiza un riego de liga cuya primera dosis no debe ser inferior a 0.5kg/m2 para garantizar la adherencia de la geomalla a la capa asfáltica inferior. El riego de liga está compuesto por emulsión asfáltica de rompimiento rápido con un 70% de betún. En algunas normas y especificaciones, se recomienda la realización de pruebas de adherencia en trozos de geomalla de 1m2 antes de la instalación total. Instalación de la geomalla: La geomalla se instala directamente sobre el riego de liga dejándola horizontalmente y sin presencia de arrugas. En algunos casos es recomendable la utilización de un compactador de llantas para uniformizar y adherir correctamente la geomalla al concreto asfáltico. Segundo riego de liga: Posterior a la instalacion de la geomalla, se aplica un segundo riego de liga que oscila alrededor de los 0.2kg/m2 de emulsión asfáltica de rompimiento rápido. Capa asfáltica: La fase final de un proceso de refuerzo o repavimentación con geomalla es la compactación y disposición de la estructura asfáltica superior, cuyo espesor es siempre superior a 5cm. Nueva Carpeta e min= 5 cm Primer riego de Liga Nivelación e min= 3cm. Segundo riego de Liga Geomalla Fibra de Vidrio Estructura Existente Pavimento Flexible reparado. Figura 9. Repavimentación con geomallas Martínez [3] Rodadura e min= 5 cm Segundo riego de Liga Geomalla Fibra de Vidrio Primer riego de Liga. Figura 10. Refuerzo con geomalla en estructuras asfálticas nuevas. [3].. 21.

(22) MIC-2010-II-13. El conocimiento de los procesos constructivos, las especificaciones y metodologías para llevar a cabo satisfactoriamente un proceso de repavimentación o refuerzo mediante geosintéticos permite mejorar el mecanismo de simulación mediante ensayos de laboratorio de las condiciones de campo.. 22.

(23) MIC-2010-II-13. 3.4Efectos de los geosintéticos dentro de carpetas asfálticas El uso de geotextiles se remonta a 1966 dentro de carpetas asfálticas, desde entonces gran cantidad de investigaciones se han llevado a cabo para determinar el efecto de los geosintéticos dentro de las carpetas asfálticas o en otro tipo de infraestructura. Aún no está claro cual es el mecanismo de refuerzo de los geosintéticos dentro de estructuras de pavimento, no obstante, se han realizado procesos de monitoreo a estructuras reforzadas para revisar el comportamiento de capas construidas o en etapa de diseño. Existen gran cantidad de aproximaciones a la modelación del comportamiento de mezclas asfálticas reforzadas mediante geosintéticos que van desde métodos que involucran esfuerzo – deformación hasta aproximaciones complicadas de daño mecánico. A continuación se referencian algunos de los efectos mas relevantes de los geosintéticos sobre el comportamiento de capas asfálticas, determinados a partir de investigaciones realizadas a nivel mundial.. 3.4.1 Efectos sobre el proceso de fisuración. TMU (Tarbiat Modares University) realizó una investigación para cuantificar el espesor, cargas de fatiga y propagación de grietas en el asfalto reforzado con algún tipo de geosintético, usando el ensayo de índice modificado (Modified index test) y el ensayo de flexión en viga asfáltica. La teoría de la fisuración, de acuerdo con Rongzog [4], indica que la fatiga se divide en dos etapas: inicio de grietas y propagación de las grietas. La iniciación de las grietas obedece al crecimiento y entrelazamiento de micro grietas, mientras que la propagación obedece el crecimiento de las macro grietas. La teoría de la fisuración argumenta que el módulo efectivo de rigidez de la capa asfáltica se reduce debido a una reducción del volumen habilitado para absorber las cargas del tráfico debido a la presencia de agrietamientos. Entonces, el daño interno dentro de una masa asfáltica, puede ser expresado como una reducción en el área bajo la carga uniaxial: Ecuación 4. D. AD A. Donde AD es el área afectada por el agrietamiento, y A es el área total.. 23.

(24) MIC-2010-II-13. De acuerdo con Ronzing2 la ecuación debería expresarse en términos del Módulo de Young. En términos del módulo de rigidez, el nivel de daño quedaría expresado como S Se en la Ecuación 5 D : S Ecuación 5. S. D. Se S. Donde Se es el módulo efectivo de rigidez y S es el módulo del material intacto. Asumiendo que el crecimiento del nivel de daño se incrementa con el número de ejes; la tasa de crecimiento del nivel de daño por ciclo puede ser expresada como una función de parámetros que dependen de las propiedades del material asfáltico y condiciones de laboratorio: Ecuación 6. dD dN. f ( , , T ,....). Al dibujar en una gráfica logarítmica vs la deformación inicial, es posible representar el incremento del daño contra el número de ejes como: Ecuación 7. dD dN. B. m 0. Donde o es la deformación inicial y B y m son constantes que dependen de las características de la mezcla asfáltica. En su investigación durante la construcción de la pista del Aeropuerto de Tehran Imam Komehi, Hosseni [1] utilizó una mezcla asfáltica con las siguientes propiedades: Tabla 1. Propiedades mezcla asfáltica Pista Aérea [1]. El geotextil utilizado durante la investigación, corresponde a un geotextil no tejido punzonado por agujas, hecho en su totalidad a partir de polipropileno. La resistencia a la tensión por el Método Grab fue 520N, con una elongación >50% y con una retención de bitumen esperada 101 kg/m2. 2. Rongzong W. and Harvey T.J. “Modeling of cracking in asphalt concrete with continuum damage mechanics”, 16th ASCE Enginnering Mechanics Conference July 16-18, University of Washington, Seattle (2003).. 24.

(25) MIC-2010-II-13. La geomalla utilizada para la investigación, está compuesta por poliéster en un 100%, resistencia biaxial de 50kN/m x 50kN/m y una elongación variable entre el 12% y el 14%. Para la revisión de los efectos de los geosintéticos dentro del comportamiento de la mezcla asfáltica, se utilizaron muestras de pavimento de tres secciones de una de las vías de acceso al Aeropuerto Imam Khomeini, extrayendo bloques de de 50cm x 50cm, para ser ensayadas en el Laboratorio de suelos y Central Técnica del Ministerio de Vías y Transporte Iraní. De los bloques se obtuvieron vigas de 381 x 63 x 50 ± 5mm. La capa de refuerzo de geomalla o geotextil, fue dispuesta a 1/3 de la altura desde el fondo de la viga. Se realizaron ensayo de fatiga y propagación de fisuras preinducidas mediante un Aparato de Viga a Flexión (Fotografía 3) bajo una condición de esfuerzo controlado, aplicando cargas cíclicas a flexión en el centro de la viga.. Fotografía 3. Máquina de ensayo a fatiga en vigas a flexión.. Se realizaron curvas de fatiga con tres puntos fallando las vigas a diferentes niveles de deformación, tanto para condiciones reforzadas como no reforzadas. Los cuatro niveles de deformación fueron 700, 900, 1100, y 1300 micrones a una temperatura de 20°C ± 0.8°C. Tras la ejecución de los ensayos, se obtuvieron las curvas del módulo de rigidez contra el número de ciclos (Figura 11), a partir de las cuales se obtuvo para cada rango de dD m deformación la tasa de acumulación de daño (dD/dN) (Ver Ecuación 7 B 0 ), dN asumiendo una etapa de comportamiento constante.. 25.

(26) MIC-2010-II-13. Figura 11. Módulo de rigidez versus el número de ciclos de carga [1].. Se obtuvieron las curvas que representan la tasa de crecimiento entre el nivel de daño y el número de ejes versus diferentes escalas de deformación, para la condición sin refuerzo, reforzada con geotextil y reforzada con geomalla, como se observa en la Figura 12 y la Figura 13.. Figura 12. Tasa propagación de daño – número de ejes vs rango de deformación. Condición reforzada con geomalla y sin refuerzo [1]. 26.

(27) MIC-2010-II-13. Figura 13. Tasa propagación de daño – número de ejes vs rango de deformación. Condición reforzada con geotextil y sin refuerzo [1]. Los valores de B y m para la Ecuación 7. dD dN. B. m 0. hallados para diferentes. condiciones, aparecen en la Tabla 2. Tabla 2. Valores de B y m para la Ecuación 7. dD dN. B. m 0. [1]. Hosseini [1] concluye que los geosintéticos tienen varios efectos sobre el comportamiento de la capa asfáltica. Los especímenes reforzados presentaron una propagación más baja de las fisuras y una abertura más pequeña de las mismas, debido a la integridad de los geosintéticos al final de la prueba de fatiga. La menor propagación de las fisuras se explica en los valores más bajos de B para la Ecuación 5. El estudio permite concluir que los geosintéticos retrasan la aparición y propagación de fisuras en las estructuras de pavimento.. 3.4.2 Efectos sobre la propagación de fisuras Especialmente cuando se realizan procesos de repavimentación, es común que las fisuras existentes en las carpetas asfálticas antiguas traten de llegar a la superficie. 27.

(28) MIC-2010-II-13. viajando a través de la carpeta asfáltica existente, este proceso se conoce como propagación de fisuras y es uno de los fenómenos más recurrentes en procesos de repavimentación en Colombia y América Latina.. El Laboratorio NPC de Holanda [2] indagó el efecto de la inclusión de una geomalla de fibra de vidrio y una geomalla de poliéster, en la disminución a la propagación de fisuras. Para tal fin se utilizaron diferentes conformaciones de viguetas asfálticas, todas con una fisura preinducida de 25mm en la cara inferior de la vigueta: Muestra 1: Vigueta de 5cm de espesor sin refuerzo Muestra 2: Vigueta de 5cm de asfalto, con una geomalla de poliéster a 2cm desde la base de la vigueta. Muestra 3: Vigueta de 5cm de asfalto, con una geomalla de fibra de vidrio a 2cm desde la base de la vigueta. Se sometieron las viguetas a una carga cíclica de flexión en el centro de la vigueta, tomando como límite el número de ejes para el cual la grieta preinducida se reflejaba en la superficie, obteniendo los resultados de la Figura 14.. Figura 14. Repeticiones de carga necesarias para la propagación de una fisura preinducida a la superficie en viguetas a flexión. [2].. En la muestra con geomallas sintéticas se requirió cerca de 1.5 veces mas ciclos que en la muestra sin refuerzo para generar una propagación de la fisura preinducida en la cara superior de la vigueta. En el caso de la muestra reforzada con geomalla de fibra de vidrio dicha relación varió entre 5 y 10 veces. [2]. Grabowski [5], investigó los resultados de ensayos de propagación de fisuras de gran cantidad de muestras de pavimento asfáltico reforzado con geocompuestos y geomallas. Para la ejecución de lo ensayos, se realizó una pista de prueba de 1m de ancho con la siguiente estructura de pavimento asfáltico: 7cm de base asfáltica con un tamaño nominal máximo de 22mm.. 28.

(29) MIC-2010-II-13. 6cm de carpeta asfáltica con un tamaño máximo nominal de 16mm. 5cm de carpeta asfáltica con un tamaño máximo nominal de 12.8mm. Las capas de concreto asfáltico se conformaron sobre una capa de base mecánicamente estabilizada con un tamaño máximo nominal de agregado de 31.5mm. Algunas zonas no incluían ningún tipo de refuerzo, mientras que a otras zonas se les incluyó un refuerzo mediante geomalla de fibra de vidrio y a otras un refuerzo mediante geocompuesto de fibra de vidrio y geotextil no tejido de polipropileno. Se obtuvieron bloques de 1m x 1m de la estructura de pavimento conformada, con un espesor de 18cm, los cuales fueron sometidos a un ensayo especial de carga, utilizando el dispositivo que se observa en la Figura 15.. Figura 15. Esquema del ensayo para propagación de fisuras. [5].. La variación total del rango de cargas fue de 14kN, de forma que la tasa de desplazamiento del modelo sea de 1mm/hora. La frecuencia de la carga fue de 10Hz. Durante el ensayo de la aplicación de las cargas, se revisaron los ciclos necesarios para alcanzar las diferentes etapas de la fisuración o agrietamiento descritos en el numeral 3.2. Los resultados encontrados por [5] aparecen en la Figura 16.. 29.

(30) MIC-2010-II-13. Figura 16. Número de ciclos necesarios para la propagación de fisuras bajo condiciones reforzada y no reforzada. [5].. Para determinar el efecto de los geosintéticos en términos analíticos, Grabowski [5] introduce el término de eficiencia del refuerzo:. Ecuación 8. Donde Ez*Nz es el producto de la energía absorbida por una muestra reforzada y el correspondiente número de ciclos, mientras que E*Z es el producto de la energía por el número de ciclos de una muestra sin ningún tipo de refuerzo. Los resultados en términos de energía obtenidos por [5], aparecen en la Figura 17 y Figura 18.. Figura 17. Incremento de energía absorbida en muestras reforzadas y no reforzadas. [5].. Figura 18. Eficiencia del refuerzo versus líneas de referencia para el monitoreo de la propagación de fisuras. [5].. 30.

(31) MIC-2010-II-13. En la investigación, [5] concluye que se observa un incremento significativo en la capacidad de absorción de energía entre muestras reforzadas con geosintéticos y muestras sin ningún tipo de refuerzo. Lo anterior implica necesariamente que al tener una eficiencia importante el refuerzo, la inclusión de geosintéticos incrementa significativamente la resistencia a la propagación de fisuras bajo cargas de fatiga. Como conclusión final, se encuentra un mejor desempeño del geocompuesto en el retardo de aparición de las fisura que de la geomalla de fibra de vidrio. [21] Khodaii, durante una investigación realizada en la Technology University en Teherán, desarrolló un modelo especialmente para determinar el efecto de los geosintéticos sobre la reflexión de una fisura preinducida, donde básicamente se localizó sobre un neopreno, una capa de pavimento existente, incluyendo una fisura preinducida, sobre el cual se incluyó una vigueta de pavimento de 380mm de longitud, 150mm de ancho y 75mm de altura. La vigueta superior de pavimento presentaba condiciones variables, tanto por condiciones de refuerzo o no con geosintético, como por la ubicación del geosintético. El modelo planteado aparece en la Figura 19.. Figura 19. Modelo utilizado por Khodaii para revisar el efecto de los geosintéticos. Tomado de [21].. [21] Khodaii concluye tras someter a una carga de 690kPa con una frecuencia de 10Hz diferentes alternativas de carpeta asfáltica un importante mejoramiento en el desempeño del pavimento cuando se incluyó un refuerzo mediante una geomalla de 50kN/m como se observa en la Figura 20.. 31.

(32) MIC-2010-II-13. Figura 20. Avance de fisura preinducida vs el número de ciclos. Tomado de [21].. Es posible observar en la Figura 20 además, que la fisura se propaga con mayor facilidad cuando la geomalla se coloca en la base de la capa asfáltica, mientras que el mejor desempeño se presenta para el caso de la ubicación a 1/3 de la base.. 3.4.3 Efecto sobre las deformaciones permanentes En la investigación realizada por el Laboratorio NPC de Holanda [2] se realizó la revisión del efecto de la inclusión de una geomalla de fibra de vidrio en la disminución de las deformaciones permanentes. Para tal fin, se construyeron viguetas con las siguientes características: Vigueta en concreto asfáltico, de 9cm de espesor, 18 cm de ancho y 60 cm de longitud, sin ningún tipo de refuerzo. Vigueta en concreto asfáltico, de 9cm de espesor, 18 cm de ancho y 60 cm de longitud, con una geomalla de fibra de vidrio localizada a 3cm del fondo y la cual se adhirió utilizando un riego asfáltico (Figura 21).. Figura 21. Vigueta asfáltica para la ejecución del ensayo de fatiga [2].. Se aplicó una carga cíclica de 0.4MPa en dos puntos de flexión, ubicados a 1/3 y 2/3 de la longitud de la vigueta como se observa en la Figura 22.. 32.

(33) MIC-2010-II-13. Figura 22. Puntos de aplicación de la carga cíclica [2].. En las Figura 23 y Figura 24, aparece el número de repeticiones de carga versus la deflexión de la vigueta medida en mm, tanto para la condición no reforzada como para la condición reforzada con una geomalla de fibra de vidrio.. Figura 23. Numero de ciclos de carga versus deflexión (mm), condición no reforzada [2].. Figura 24. Numero de ciclos de carga versus deflexión (mm), condición reforzada con una geomalla de fibra de vidrio [2].. 33.

(34) MIC-2010-II-13. El Laboratorio NPC de Holanda [2], concluyó que se alcanza una deflexión de 15mm en la vigueta al cabo de 100.000 ciclos de carga en el caso de una vigueta sin refuerzo, y de 1.800.000 ciclos para el caso de una vigueta con refuerzo. Investigaciones recientes fueron llevadas a cabo por Montestruque [9], quién analizó el efecto de una capa intermedia de geotextil dentro de una carpeta asfáltica, para tal fin, utilizó viguetas conformadas con mezcla asfáltica de 7.5cm de ancho, 9.5cm de espesor y 46 cm de longitud, sometiéndolas a cargas cíclicas de flexión equivalentes a 64kgf. Como resultado, [9] indica un efecto positivo del comportamiento de la mezcla cuando se refuerza con geotextil no tejido de repavimentación como se aprecia en la Figura 25.. Ensaio de Ruptura em Creep Carga aplicada 64 kgf.. Deflexão no centro da viga (mm). 8.00. Viga com geotêxtil (Bidim OP-20). 6.00. Viga sem geotêxtil. 4.00. 2.00. t fc =18,8 mim. t fs = 6,5 min. 0.00 0.00. 5.00. 10.00 15.00 Tempo (min). 20.00. 25.00. Figura 25. Deflexiones en el centro de la viga para diferentes tiempos de aplicación de carga [9].. Montestruque [9] concluye en sus investigaciones, que de acuerdo con la Figura 25 una aproximación al aumento de vida por disminución en las deformaciones permanentes al incluir un geotextil no tejido de repavimentación podría ser: Ecuación 9. FEF. N fc. t fc. N fs. t fs. 18,8 min 6,5 min. 3. [21] Kohdaii en sus investigaciones, tras realizar ensayos de fatiga en una estructura de pavimento de acuerdo con el modelo de la Figura 19, concluyó que las muestras. 34.

(35) MIC-2010-II-13. reforzadas con geosintéticos mostraron menores deflexiones para un mismo número de ciclos como se observa en la. Figura 26. Deformación permanente vs número de ciclos en el ensayo de Khodaii. Tomado de [21]. Nótese además que la ubicación del geosintético que mejor desempeño muestra es cuando está ubicada a 1/3 de la altura de la carpeta asfáltica.. 3.4.4 Redistribución de esfuerzos Uno de los efectos más importantes de la inclusión de un geosintético dentro de una estructura de pavimento es la redistribución de esfuerzos gracias a la resistencia a la tensión de dichos materiales, reflejándose de dos formas en el comportamiento de las mezclas dinámicas: El mecanismo de falla se presenta a través de un agrietamiento que se distribuye en la totalidad de la superficie de la capa asfáltica. Mejor comportamiento de las estructuras de pavimento a los procesos de generación de fisuras descritos en el numeral 3.2 del presente documento. En los ensayos de falla por fatiga en viguetas asfálticas, [10] encontró un patrón de fisuración distribuido gracias a la inclusión de un geotextil no tejido, a pesar de tener una falla preinducida en la muestra. (Fotografía 4).. 35.

(36) MIC-2010-II-13. Fotografía 4. Distribución de las grietas en la falla en muestra con geotextil no tejido como refuerzo. [10].. El patrón obedece a un incremento en la capacidad de absorción de esfuerzos de flexión como se indica en la Figura 27.. Figura 27. Esquema de la incidencia del geotextil en el mecanismo de falla por flexión de viguetas. Los geosintéticos dentro de las estructuras de pavimento, impiden una propagación mas rápida de fisuras preinducidas, toda vez que incrementan la resistencia a la tensión y redistribuyen los esfuerzos de corte concentrados.. 36.

(37) MIC-2010-II-13. 3.5Factores que inciden en el comportamiento de geosinteticos como refuerzo de mezclas asfálticas Existen diferentes factores que influyen positiva o negativamente dentro del comportamiento del geosintético cuando se utiliza como elemento de refuerzo de pavimentos asfálticos, siendo la gran cantidad de variables una de las restricciones para definir un modelo análitico claro del efecto del refuerzo. A continuación se revisan algunos de los factores mas influyentes y la forma como afectan el desempeño del geosintético.. 3.5.1 Adherencia geosintético – pavimento asfáltico La adherencia es uno de los factores que mayor influencia tiene sobre el comportamiento de un geosintético como repavimentación. Martínez [3] define la adherencia geotextil pavimento como un factor fundamental para garantizar el trabajo adecuado de una geomalla de fibra de vidrio como refuerzo dentro de una capa asfáltica de repavimentación. En la construcción de vías reforzadas con geosintéticos o en procesos de repavimentación, resulta necesaria la utilización de ligantes asfálticos como emulsiones o cementos asfálticos para garantizar la adherencia entre los geosintéticos y las capas asfálticas. La cantidad de ligante asfáltico a utilizar, es posible calcularla como se indica en la Qd= 0.362 + Qs+ Qc (Ecuación 3). [11] sugiere algunas cantidades comparativas a utilizar para repavimentación con geotextiles no tejidos dependiendo del tipo de ligante como se observa en la Tabla 3. Tabla 3. Cantidad a utilizar de Cemento Asfáltico vs Emulsión Asfáltica. [[11] CANTIDAD PROPORCION CANTIDAD DE CEMENTO ASFALTO – DE ASFALTICO DISOLVENTE EMULSIÓN (Lt/m2) (AGUA) (Lt/m2) 1.3 60-40 2.17 67-33 1.95 70-30 1.86 1.3 60-40 2.33 67-33 2.10 70-30 2.00 1.6 60-40 2.67 67-33 2.39 70-30 2.30. El Instituto de Desarrollo Urbano IDU, en sus Especificaciones Técnicas [12] establece algunos parámetros básicos para garantizar la adherencia de geomallas utilizadas como refuerzo a carpetas asfálticas:  Para determinar la cantidad de ligante asfáltico a utilizar, se realizará una prueba de adherencia, la cual consiste un recortar 1m2 de geomalla, aplicarle. 37.

(38) MIC-2010-II-13. una cantidad determinada de ligante asfáltico y hacer circular un equipo compactador de llantas sobre la geomalla. La cantidad necesaria de ligante será aquella que garantice que en la prueba de adherencia se alcance un valor mayor a 5kgf, sin ser menor en ningún caso a 0.5kg/m2.  Sobre la geomalla, deberá aplicarse un riego de liga de como mínimo 0.2kg/m 2 para garantizar la adherencia a la capa superior de concreto asfáltico. Ovalle [18] en su investigación sobre la adhesión del geotextil entre capas asfálticas durante procesos de repavimentación, realizó ensayos de corte directo sobre cilindros de 4” de diámetro fabricados con mezcla asfáltica, y con la presencia en el centro de la misma de un geotextil no tejido de repavimentación. (Ver Figura 28). Figura 28. Modelo de ensayo de adhesión geotextil capa asfáltica. Tomado de Ovalle [18].. Para evaluar el efecto de la tasa de repavimentación, se construyeron 12 cilindros con diferentes condiciones de ligante: Grupo 1. Tres cilindros fabricados con escasas hiladas de ligante asfáltico entre el geotextil no tejido y las capas de mezcla asfáltica. Grupo 2: Tres cilindros fabricados con una tasa de 0.362lt/m2 de emulsión asfáltica entre el geotextil y la mezcla asfáltica. Grupo 3: Tres cilindros fabricados con una tasa de 1.16lt/m2 de emulsión asfáltica entre el geotextil y la mezcla asfáltica Grupo 4: Tres cilindros fabricados con una tasa de 1.622lt/m2 de emulsión asfáltica entre el geotextil y la mezcla asfáltica. Se fundieron los cilindros dentro de rectángulos de concreto para permitir la realización de los ensayos de laboratorio mediante corte directo (Ver Fotografía 5). 38.

(39) MIC-2010-II-13. Fotografía 5. Muestras usadas para ensayo de corte directo. Tomado de Ovalle [18].. Una vez ejecutados los ensayos de laboratorio, correspondientes a ensayos de corte directo en las muestras, [18] concluye lo siguiente: La muestras correspondientes al grupo 1 y 2, es decir las que presentaban tasas de ligante asfáltico mas bajas, presentaron los valores mas pobres de resistencia al esfuerzo cortante en la intercala, por tanto, una baja tasa de ligante asfáltico incide directamente sobre el deficiente desempeño de una estructura asfáltica reforzada con geotextiles no tejidos de repavimentación. En el caso del grupo 3 y 4, con mejores tasas de ligante asfáltico, se encontraron valores mas acordes con los resultados esperados, arrojando un aceptable desempeño al esfuerzo cortante en la intercala. Las anteriores conclusiones del estudio, permiten inferir que la tasa de ligante asfáltico está íntimamente relacionada con el desempeño de un geotextil de repavimentación, siendo las tasas bajas de ligante, la condición mas crítica puesto que la falta de adherencia implica baja resistencia al esfuerzo cortante en la intercapa que deriva en corrimientos o deslizamientos de las sobrecarpetas, con mayor frecuencia en vías construidas en pendientes. En un proceso de repavimentación tampoco resulta recomendable la utilización en exceso de ligante asfáltico, específicamente emulsión asfáltica, puesto que se puede generar exudación en la carpeta asfáltica a instalar sobre el geotextil, o bien se puede incurrir en el efecto contrario de disminuir la adherencia por exceso de emulsión.. 39.

(40) MIC-2010-II-13. 3.5.2 Propiedades del geosintético El tipo de geosintético tiene una influencia importante, toda vez que es el elemento que brinda el refuerzo a la tensión en la estructura de pavimento, siendo su comportamiento directamente relacionable con sus propiedades de resistencia y rigidez. Montestruque [9], investigó la influencia de la utilización de geotextiles con diferentes propiedades de resistencia en el comportamiento de una vigueta sometida a cargas cíclicas de flexión, econtrando que que la resistencia a la fatiga se incrementa con la resistencia y propiedades del tipo de geotextil de repavimentación utilizado como se observa en la Figura 29. 100.00. 1. 2. 3. Carga ( kgf ). 80.00. 60.00. 40.00. 20.00. 1 - Sem Geottêxtil 2 - Com Geotêxtil Bidim OP-15 3 - Com Geotêxtil Bidim OP-20. 10000.00. 100000.00 1000000.00 Vida de Fadiga (Nf) Figura 29. Resistencia a la fatiga en viguetas a flexión con y sin refuerzo con geotextil [9].. [9] encontró que la diferencia en el comportamiento entre un geotextil OP-20 de mejores características respecto de un geotextil OP-15, se hace mas grande a medida que aumenta el tamaño de la carga cíclica. Chhote Saraf [6] en investigaciones realizadas para The International Transportation Research Board, concluyó que es posible incrementar hasta en 12 veces el número de ciclos de carga antes de desarrollarse la fisura en una estructura de pavimento, cuando se incluye un refuerzo mediante geotextil no tejido de repavimentación y geomalla de fibra de vidrio. (Tabla 4).. 40.

(41) MIC-2010-II-13. Tabla 4. Número de ciclos para desarrollo de grietas en pavimentos con y sin refuerzo. [6]. MEJORAMIENTO DEL CICLO DE VIDA EN ASFALTO REFORZADO Refuerzo con Geomallas de Sección de Refuerzo con Geotextiles Fatiga fibra de Vidrio y Geotextiles de Control de Repavimentación Repavimentación. (Número de ciclos al desarrollo de la 19200 38130 240930 grieta) Incremento en la Fatiga (Comparado 199% 1255% con la sección de Control) Fuente: Chhote Saraf and Kamran Majldzadeh, Research international, Inc, Transportation Research Board, January, 1996.. En los casos donde se utilizó geotextil de repavimentación, el incremento en número de ciclos al desarrollo de grieta fue de 199%, mientras que para el caso de geocompuestos de geomalla de fibra de vidrio y geotextiles de repavimentación, dicho incremento fue de 1255%, bajo las mismas propiedades de mezcla asfáltica. Lo anterior ratifica que el tipo de geosintético tiene una influencia importante en el comportamiento de la mezcla asfáltica reforzada. La norma internacional AASHTO es sus especificaciones de construcción [13], estipula las propiedades mínimas que debe cumplir un geotextil para ser utilizado como elemento de repavimentación. (Tabla 5). Tabla 5. Propiedades mínimas para el geotextil de repavimentación [13]. 3.5.3 Propiedades de la mezcla asfáltica No existe aún un procedimiento claro que estipule los efectos de las propiedades de la mezcla asfáltica en la calidad del refuerzo mediante geosintéticos. Ardanaz [14] afirma que las geomallas en fibra de vidrio por presentar una amplia diferencia con las mezclas asfálticas en coeficiente de dilatación, en el modulo de elasticidad y flexibilidad, respectivamente producen tensiones secundarias que afectan la adherencia, requieren anclajes mas amplios y ofrecen respuestas limitadas a las cargas cíclicas del transito. No obstante, no se ha comprobado que la diferencia de rigideces entre los geosintéticos y los materiales pueda generar problemas en el comportamiento del refuerzo. A todas luces, un mejoramiento en las propiedades de la mezcla asfáltica derivará en un mejor comportamiento a largo plazo de la estructura de pavimento.. 41.

(42) MIC-2010-II-13. 3.5.4 Ubicación del geosintético Con base en el modelo de la Figura 19, [21] concluye en sus investigaciones, que la ubicación del geosintético puede mejorar o empeorar el desempeño del mismo como mecanismo de refuerzo de las carpetas asfálticas (Tabla 6). Cuando la geomalla fue ubicada en la base de la capa asfáltica, presentó el comportamiento más deficiente, en todos los campos: propagación de fisuras, iniciación de fisuración y deflexión en el centro de la muestra. El mejor comportamiento observado es para el caso de la geomalla ubicada a 1/3 de la altura de la capa asfáltica, incluso con resultados superiores a la geomalla ubicada a ½ de la altura de la capa asfáltica.. Tabla 6. Resumen comportamiento modelo Khodaii. Tomado de [21].. 3.5.5 Procedimiento constructivo El procedimiento constructivo es de importancia relevante para el comportamiento de un geosintético dentro de una mezcla asfáltica. Las normas y especificaciones constructivas del IDU [12] y la AASHTO [13], indican algunas prácticas adecuadas para la construcción adecuada del refuerzo mediante geosintéticos. [11] Muestra algunas recomendaciones constructivas para el proceso de repavimentación con geotextiles no tejidos y geomallas de fibra de vidrio. Montestruque [10] concluye del proceso constructivo tras ejecutar ensayos en campo bajo la construcción de una pista de prueba en asfalto reforzada con geotextil no tejido de repavimentación:  Sin una corrección de problemas estructurales de la vía, previos a la instalación del geosintético, los efectos del mismo como mecanismo de refuerzo serán muy pobres.  Es importante revisar en cada caso específico la tasa requerida de imprimación asfalto, toda vez que esta afecta el desempeño final y debe depender de las condiciones de campo, clima y temperatura entre otros. Lo anterior coincide con [9], quién encontró que las propiedades de resistencia a la tensión de un 42.

(43) MIC-2010-II-13. geotextil no tejido, varían considerablemente con la tasa de impregnación de asfalto (Figura 30).  La existencia de agua entre la capa de geotextil y pavimento debido a condiciones externas como lluvia, bajas temperaturas o presencia elevada de humedad genera una interfase que disminuye la adherencia entre el antiguo y el nuevo revestimiento, por esto, resulta mas recomendable la utilización de una emulsión asfáltica de rompimiento rápido puesto que presenta una rápida separación del agua que se evidencia fácilmente en el cambio de color. Estudios elaborados en Estados Unidos, Baker [15], muestran que la mayoría de inconvenientes en obras de repavimentación con geosintéticos son por errores en la escogencia de la tasa de impregnación de asfalto. Además, Baker [15] concluye que de 65 obras verificadas con inconvenientes, se encontró que el fenómeno de falta de adherencia se elevó de forma considerable cuando las tasas de asfalto residual (tasa de emulsión requerida) estuvieron debajo de 0.50l/m2. Martínez [3] indica que en el caso de repavimentaciones con geomalla de fibra de vidrio, debe dejarse un espacio de al menos 10cm entre la geomalla y el borde de elementos como alcantarillas o andenes, esto con el fin de evitar que el agua se infiltre a través de la junta y viaje capilarmente por la geomalla generando una superficie de falla a través de la misma como se ha detectado en algunos proyectos. También aclara que la geomalla debe quedar totalmente horizontal, de forma que se garantice que trabajará a tensión como es su función final. Ensaio de tração de faixa larga no sentido transversal ( Bidim OP-20 ). 20.00. Carga por unidade de largura (kN/m). --- C2. 16.00 --- C3. -. C1: C2: C3: C4: C5:. Sem asfalto 0,090 g/cm2 0,066 g/cm2 0,052 g/cm2 0,032 g/cm2. --- C4. 12.00 --- C5. 8.00. --- C1. 4.00. 0.00 0.00. 0.20. 0.40. 0.60. 0.80. Deformação (m/m) Figura 30. Efecto de la tasa de imprimación en la resistencia a la tensión de geotextiles no tejidos [9]. En el numeral 3.3.2 del presente documento, se indica el procedimiento constructivo típico para un refuerzo mediante geosintéticos de carpetas asfálticas.. 43.