Agosto 27 a 30, 2013 – Cancún, Quintana Roo
Aspectos a considerar para mejorar la calidad
de los pavimentos en México
Issues to consider for improving the quality of the pavements in Mexico
Raúl Vicente OROZCO1
1
RVO y Cía., México, D.F.
RESUMEN: Se describen los conceptos básicos que exige el buen comportamiento de los pavimentos en México, pasando revista a diferentes aspectos que deben siempre considerarse, a juicio del autor. Entre estos sobresalen los siguientes:
La tendencia mundial al respecto y el enfoque geotécnico que debe estar presente: la rigidez relativa entre las capas del pavimento, dentro de su estructuración convencional o innovadora, la concentración de sólidos que, simultáneamente con el contenido de fluido (agua, asfalto, alquitrán de hulla, etc.) y su grado de saturación correspondiente, permite definir la propiedad fundamental deseada (resistencia, impermeabilidad, durabilidad, etc.). Otros aspectos se refieren al tránsito, clima, materiales, manejo del agua superficial y subterránea, deterioro primario y secundario, ajustes d e prueba, características de aceptación (IRI, µ, ), normatividad, control de calidad (especificaciones), deslinde de responsabilidades, etc.
ABSTRACT: It describes the basic concepts required by the good performance of pavements in Mexico, reviewing different aspects that must always be considered, in the opinion of the author. Among these the following stand:
The world trend in this respect and geotechnical approach should be present: the relative stiffness between the layers of the pavement, in its conventional or innovative structure solids concentration that simultaneously with the content of fluid (water, asphalt, tar coal, etc..) and degree of saturation corresponding to define the desired fundamental property (strength, impermeability, durability, etc...).
Other issues relate to traffic, weather, materials, management of surface water and groundwater, primary and secondary deterioration, test settings, characteristics of acceptance (IRI, μ, ), standardization, quality control (specifications) and demarcation of responsibilities.
1) INTRODUCCIÓN
Salvo los casos en que la conservación de los pavimentos de las carreteras se está realizando concienzuda y oportunamente, porque los hay y muchos, se puede mejorar el comportamiento de otros, aunque estén dotados de una capa superior reciente de concreto asfáltico o de cemento Portland.
La mejor manera de alcanzar el desempeño deseado en tales pavimentos consiste en pasar re-vista a todos los factores que intervienen durante su tiempo de utilización.
A mi mejor leal saber y entender, considero que estas importantes obras de ingeniería requieren re-cibir la atención que se merecen desde todos los
Por consiguiente, el espíritu de este escrito es ex-presar libremente las ideas que al respecto tiene el autor, muchas aprendidas o prestadas de otras es-pecialidades, con el fin de aportar o recordar algo a los expertos en el seguimiento oportuno del buen comportamiento de los pavimentos (Orozco, 2012). 2) TENDENCIA MUNDIAL
Para satisfacer simultáneamente las cualidades deseables en un pavimento (seguridad, durabilidad, rugosidad, comodidad, rigidez, economía y flexibilidad) ilustradas en la Fig. 1, a continuación se resume la tendencia mundial acerca de los pavimentos:
Figura. 1 Cualidades de un pavimento
La aplicación de las "redes neuronales artificiales" es la técnica más reciente de análisis, como se ilustra en la Fig. 2 y se analiza en detalle por Beltrán G. y Romo M. (2012).
Figura. 2 Aplicación a los pavimentos de las redes neuronales artificiales
Incorporación más efectiva de los conceptos básicos de la geotécnica (se puede decir geotecnia por la costumbre) durante el proyecto y la conservación de los pavimentos, mediante su evaluación sistemática con deformómetros de impacto (Figs. 3 y 4) y de rebote elástico (Figs. 5 y 6), además de los perfilómetros láser (Figs. 7 y 8) y otros equipos complementarios de gran rendimiento.
Figura 3 Deformómetros fijos de impacto convencionales
Figura 4 Deformómetros fijos de impacto de alto rendimiento
Figura 6 Deformómetro rodante ligero de rebote elástico
Figura 7 Perfilómetro láser de gran rendimiento para carreteras en operación
Figura 8 Perfilómetro láser ligero para control de calidad durante la construcción
Aplicación necesaria de parámetros geotécnicos más significativos, para suprimir el uso generalizado de conceptos totalmente empíricos, como el CBR (California Bearing Ratio). Estos
conceptos ya cumplieron amplia y
satisfactoriamente su misión de épocas pioneras. Apoyo en la auscultación del comportamiento de
los pavimentos mediante métodos indirectos (no destructivos), a partir de investigaciones formales
Figura 9 Simulador vehicular pesado para pruebas destructivas
Disponibilidad de información y datos precisos, altamente confiables, tanto de campo como de laboratorio, obtenidos de organismos oficiales e instituciones de investigación asociadas con empresas de consultoría y de construcción.
3) ENFOQUE GEOTÉCNICO
A raíz de la definición de geotécnica en el diccionario de la lengua española (Real Academia Española, 1992, 2001): "Aplicación de los principios de ingenie-ría a la ejecución de obras públicas en función de las características de los materiales de la corteza terres-tre", viene a la mente una serie de reflexiones liga-das a lo que llamamos coloquialmente "geomateria-les", cuyas tecnologías debemos estudiar y conocer, para aprovecharlos en las obras de ingeniería. Des-de luego que la geología, la mecánica Des-de suelos y la de rocas, más otras especialidades afines, pertene-cen a la geotécnica que es la matriz de todas.
Con respecto al buen comportamiento de los pa-vimentos, debe tomarse siempre en cuenta el enfo-que geotécnico como fundamental para lograrlo, cualquiera que sea el geomaterial, como los concre-tos: asfáltico, de cemento Portland, cálcico, alquitrá-nico, azúfrico y zeolítico.
Por ejemplo, en algunas calles de Monclova, Coah. se han construido pavimentos de buen com-portamiento, elaborados a base de escoria de fundi-ción y alquitrán de hulla, ambos geomateriales pro-cedentes de Altos Hornos de México, S.A. de C.V.(RVO y Cía, 1990). En Tabasco se tiene expe-riencia en concreto azúfrico-asfáltico para pavimen-tos carreteros con buen comportamiento (Ing. Pedro
zadas simultáneamente (antifisuramiento por la alta resistencia a la tensión, impermeabilidad y antiero-sión muy alta, entre otras); en México, hay varios ejemplos del buen comportamiento de estos pavi-mentos en Tabasco (Figs. 10 a 12), Michoacán (Figs. 13 y 14), Guanajuato (Figs. 15 y 16) y otros es-tados.
Figura 10 Inundación en caminos pavimentados de concreto zeolítico normal (Tabasco)
Figura 11 Inundación en caminos pavimentados de concreto zeolítico normal (Tabasco)
Figura 12 Inundación en caminos pavimentados de concreto zeolítico normal (Tabasco)
Figura 13 Entronque “Charo” en que se utilizó concreto zeolítico normal (Morelia)
Figura 14 Entronque “Charo” en que se utilizó concreto zeolítico normal en arcillas expansivas (Morelia)
Figura 15 Calle pavimentada de concreto zeolítico especial (León, Gto.)
Figura 16 Calle pavimentada de concreto zeolítico especial (León, Gto.)
4) RIGIDEZ RELATIVA ENTRE CAPAS
Como toda obra de ingeniería, hasta una vivienda de interés social, se requiere la cimentación de la mis-ma con el módulo elástico suficiente para absorber los esfuerzos y las deformaciones que inducen las cargas transmitidas por el tránsito. La capa de sus-tentación o "zapata continua de cimentación" convie-ne que sea más rígida que las superiores o, dicho en otras palabras, "lo mejor va de abajo hacia arriba". Debe escogerse bien el nivel de desplante en el te-rreno de cimentación, como se ilustra en la Fig. 17.
Hay varios casos de aplicación que conviene co-nocer (Orozco, 2012).
Considero que la capa superior del pavimento debe estar concebida como la parte "cómoda" para el usuario: antiruidos, antibrincos, antiacuaplaneo, anti-derrapante, o sea: confortable y segura.
La rigidez de las capas, medida con el "módulo elástico" es ahora ya un procedimiento tan rutinario
de impacto (Figs. 3 y 4). En las Figs. 18 y 19 se ilustran las cuencas típicas para los desplazamientos verticales, comúnmente denominadas "cuencas de deflexión".
Figura 17 Sección estructural “invertida” con la base comparada con el balasto de FC
5) DURABILIDAD Y NIVEL DE CALIDAD
Este concepto está íntimamente ligado a la vida de un pavimento y comienza con los niveles de calidad admisibles para cada elemento constitutivo, empe-zando por nosotros mismos. Si nuestro nivel de cali-dad personal es inadmisible, ¿Que esperamos del comportamiento de un pavimento? (Orozco, 2001).
En primer lugar, los geomateriales pueden ser NOBLES, es decir: sanos y limpios, resistentes e inocuos, económicos y manejables, ..., o CONFLIC-TIVOS: expansivos o colapsables, blandos u orgáni-cos, reactivos o degradables, ... , los cuales requie-ren tratamiento especial (cal, cemento Portland, zeolitas artificiales activadas, agua, asfalto, ...) para transformarlos en NOBLES.
En segundo lugar, tales geomateriales deben ser adaptables a las condiciones variables del clima, es decir: a los cambios extremos de temperatura y de humedad. Sabemos que es impredecible conocer el calor y el frío esperados, así como la lluvia y la eva-poración, pero sí es posible seleccionar los geomate-riales de mejor comportamiento: naturales o artificia-les (hechos por el hombre).
En tercer lugar, se debe tener grabado en la men-te que, para prevenir la fatiga de los pavimentos por la acción adicional del tránsito, es imperioso fijar los niveles de calidad o raseros límite "ADMISIBLE e INADMISIBLE”, como se ilustra en la Fig. 20. El índi-ce Estructural (Ie) se explica en el Cap. 6 (Orozco, 2012).
Figura 20 Durabilidad, prevención de la fatiga y nivel de calidad
Obsérvese que la capacidad de carga relativa (Calificación estructural, Ce) va disminuyendo gra-dualmente con el tiempo y, por ende, la durabilidad de las capas del pavimento, hasta llegar a la etapa de rehabilitación. De no hacerse esta acción o este "paréntesis", el deterioro incipiente continuará hasta entrar al deterioro crítico por fatiga y a la etapa de reconstrucción, la cual corresponde ya al deterioro extremo. Por eso, la misión de la conservación de carreteras consiste en MANTENER siempre el
mis-mo nivel de calidad concebido desde el inicio de la obra, para alargar su vida con el mínimo de costos y molestias al usuario. Estas ideas de esquematizan en la Fig. 21.
Figura 21 Conservación de pavimentos seguros y confortables
En cuarto lugar, es necesario estar consciente de que el nivel de calidad (transformado a especifica-ción) de un pavimento se refiere a su geometría y sus acabados, geomateriales y procedimientos cons-tructivos. Además, desde que se gesta la "idea", con las subsecuentes actividades de Planificación, Estu-dios, Proyecto, Construcción, Supervisión, Control de calidad, Conservación y Operación, el nivel de cali-dad debe ser el mismo durante toda la vida esperada de la obra. En la Fig. 22 está anotada entre parénte-sis la palabra clave de cada responsable de las acti-vidades inherentes, para su deslinde.
Figura 22 Deslinde de responsabilidades en cada actividad de control
En quinto lugar, pero que es de lo más importante, está el tránsito, tanto el actual como el futuro, donde deberá tomarse en cuenta toda la disciplina que
exis-te al respecto (tránsito horario, diario, promedios mensual y anual, intensidad de cargas y distribución de los ejes, además de su tiempo de aplicación; el tránsito generado o desviado, la evolución de las ta-sas de crecimiento, etc.)
6) ESTIMACIÓN TEÓRICO-PRÁCTICA DEL COM-PORTAMIENTO DE LOS PAVIMENTOS
Según se trate de un pavimento nuevo, por rehabili-tar, modernizar o reconstruir, se requiere su mode-lación geotécnica con métodos de análisis mecani-cistas y empíricos a la vez, donde se asignen los posibles "módulos elásticos" de los geomateriales en cada capa, para escoger las opciones de solución más prometedoras. En la Fig. 23 se sugieren algu-nas combinaciones de capas para estructurar un pa-vimento y en la Tabla 1 se presentan algunos "módu-los elásticos" obtenidos a partir de mediciones con métodos no destructivos (Orozco, 2005).
Figura 23 Estructuración de pavimentos
Tabla 1 Rigidez “in situ” de las capas de pavimento
Geomaterial Módulo elástico (E), kg/cm²
Relación de Poisson () Recomendado Obtenido* Concreto Asfáltico 30000-40000 5000-60000 0.35 Portland 250000-400000 150000- 450000 0.15- 0.20 Compactado 70000-120000 40000- 100000 0.25-0.35 Suelos Gruesos Bases 3000-5000 1500- 4000 0.40 Sub-bases 2000-4000 700- 2000 Suelos Finos Sub-rasantes y capas inferiores 300 a 1500 70 a 1000 0.45
* A partir de mediciones con el deformómetro de impacto (FWD y HWD)
Después se efectúan las simulaciones de las opcio-nes escogidas y se enlista el orden de preferencia de acuerdo con el enfoque geotécnico, para que poste-riormente se hagan los ajustes por la influencia de
Las evaluaciones sistemáticas superficiales (Figs. 7 y 8) y estructurales (Figs.3 y 4) con deformometros de impacto, el levantamiento de deterioro a pie y con video, la obtención de Índices Estructurales (Fig. 24 y Tabla 2), espesores de capa con sondeos y radar de penetración superficial, módulos de resiliencia, mó-dulos Marshall y otros (dinámicos, "elásticos", de de-formación, etc.), las propiedades índice de los geo-materiales, etc., son práctica común en México para coadyuvar en las simulaciones con métodos meca-nicista-empíricos, para las opciones de solución más prometedoras, sobre todo en carreteras ya construi-das.
Figura 24 Índice estructural (Ie). Carretera Villahermosa-Escárcega km 37
Tabla 2 índice estructural de pavimentos flexibles
Calificación Estructural (Ce) Índice Estructural (Ie) Solución a considerar 10 Excelente 0 a 0.05 Tratamiento Superficial 9 Muy buena 0.05 a 1 8 Buena 0.1 a 0.2 Reforzamiento 7 Regular 0.2 a 0.3 6 Mala 0.3 a 0.4 Recuperación in situ 5 Pésima > 0.4
7) MANEJO DEL AGUA SUPERFICIAL Y SUBTE-RRÁNEA
El olvido de este tema es el principal causante del mal funcionamiento de una carretera. De acuerdo con la experiencia mexicana sobre el particular, de-ben tomarse en cuenta los principales aspectos si-guientes:
a) Para el agua superficial sobre la corona del ca-mino
Exagerar más el "bombeo "mínimo de la sección transversal: desde 2.5 hasta 3%. Una gota de agua debe salir inmediatamente al exterior del camino, sin causar erosión
Prohibir la protección de los acotamientos con tezontle, por la inevitable inseguridad que se induce causada por los diferentes coeficientes de fricción en las superficies
Prohibir los "bordillos" construidos en la corona del camino porque solamente pasean y guardan el agua a manera de canal hidráulico, aumentando la inseguridad por acuaplaneo, disminuyendo la durabilidad de las capas, etc. Recuérdese lo ya dicho: "una gota de agua debe salir inmediatamente al exterior del camino, no pasearla encima del mismo" (véanse las Figs. 25 y 26). Los" bordillos" podrían colocarse sólo en casos especiales, donde no exista vegetación o material granular grueso para la protección de los terraplenes y cuando los suelos sean muy erosionables, con lavaderos completos y rugosos, de boquillas amplias y sin obstrucciones.
Figura 25 Lavaderos y “bordillos” inútiles
Figura 26 Peligro de acuaplaneo en puentes
Construir las verdaderas "carpetas drenantes", "generosas" para impedir el acuaplaneo. Durante la lluvia de proyecto permiten el flujo del agua hacia los lados, tomando en cuenta el espesor, la pendiente crítica (longitudinal o transversal) y el coeficiente de permeabilidad (k), como se esquematiza en la Fig. 27. El coeficiente de fricción (µ) debe mantenerse en los niveles de seguridad.
Figura 27 Flujo de una capa drenante
b) Para el agua subterránea bajo el pavimento Utilizar la sección transversal "invertida" (véase la
Fig. 17) porque tiene esencialmente mucha grava gruesa y permeable que permite el flujo libre del agua e impide la ascensión capilar de la misma a la capa superior
Acostumbrarse a los subdrenes con geomateriales filtrantes (gravas y arenas naturales o geotextiles sintéticos) que eviten la migración de finos y permitan el flujo del agua limpia hacia los colectores de drenaje
Animarse a construir drenes horizontales de penetración en cortes y considerar trincheras estabilizadoras como se esquematiza en las Figs. 28 y 29.
Construir drenes en los cortes protegidos de concreto lanzado y en algunas bermas estabilizadoras
Figura 29 Control del flujo subterráneo c) Comentarios generales
Debe recordarse y tenerse siempre presente la frase célebre de Leonardo da Vinci: “Cuando del agua se trata, usa la experiencia, nó la razón" El agua fluye de las regiones del suelo con mayor
succión (presión de poro negativa) a las de menor succión; en otras palabras, generalmente una gota de agua fluye de lo más impermeable a lo más permeable.
8) SELECCIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE SÓLIDOS (COMPACIDAD).
La concentración de sólidos (compacidad), C, viene a ser el volumen de materia sólida (Vs) que ocupa el volumen total (Vt) del geomaterial (suelo, roca o cualquier concreto) y es equivalente a la relación en-tre el peso volumétrico seco (d) y el de los sólidos (d).
Todo esto tiene una teoría para definir las diversas curvas de igual propiedad fundamental (Orozco, 2012). En la Fig. 30 se presenta un ejemplo de cur-vas "isocaracterísticas” para el módulo de resiliencia de un suelo.
9) RECOMENDACIONES
Primera: Para que un pavimento tenga un buen comportamiento es necesaria su oportuna evaluación superficial y estructural, de tal manera que durante la vida esperada se mantengan, dentro de los límites especificados, los siguientes indicadores de calidad (Orozco, 2012):
Índice Estructural (Ie) ”Módulo Elástico” (E)
Coeficiente de permeabilidad (k) Coeficiente de fricción (µ)
Índice de Regularidad Superficial (IRI)
Segunda: “Tomar en cuenta otros factores que intervienen en el proyecto, la construcción y la operación de los pavimentos, con el fin de establecer y poner a prueba más indicadores de calidad que coadyuven a mejorar el comportamiento de los pavimentos en México” (Orozco, 2012).
10) REFERENCIAS
Beltrán G.I. et al (2012). “Assessing Artificial Neural Networks Performance to Estimate Layer Properties of Pavements”, Instituto de Ingeniería UNAM, México, D.F., Universidad Nacional de Colombia, Facultad de Ingeniería, Bogotá, Colombia. Revista Applied Soff Computing. Orozco S, RV (2001). “La Calidad no es un Arte, es
un Hábito”, XVII Reunión Nacional de Laboratorios de Control de Calidad de Materiales de Construcción, ANALISEC, Ixtapa, Gro.
Orozco S, RV (2005). “Evaluación de Pavimentos Flexibles con Métodos no Destructivos” (Tesis Doctoral), UNAM.
Orozco S, RV et al (2012). “Criterios geotécnicos básicos para aumentar la vida estructural de un pavimento”. Revista Geotecnia No. 223, SMIG. Orozco S, RV (2012). “Reflexiones para Mejorar el
Comportamiento de los Pavimentos en México”, Jornada Técnica de Evaluación del Desempeño de Carreteras Mediante Indicadores de Calidad, AMIVTAC Deleg. Morelos, Cuernavaca, Mor. Orozco S, RV (2012). “Aspectos a Considerar para
Mejorar el Comportamiento de los Pavimentos en México”, XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica, SMIG, Cancún, Q. Roo.
RVO y Cía, SA de CV (1990). Asesoría sobre el Aprovechamiento de Escoria de Fundición y Alquitrán de Hulla en la Construcción de Pavimentos para Vialidades, Monclova, Coah. (AHMSA).
Real Academia Española (2001): Diccionario de la Lengua Española, Edición XXII, Madrid, España. http://buscon.rae.es/drael/.
