2.2 Bases Teóricas
Los esfuerzos en un pavimento decrecen con la profundidad, se deberán colocar los materiales de mayor capacidad y carga en las capas superiores. Esta división en capas que se hace en un pavimento obedece a un factor económico, ya que cuando determinamos el espesor de cada una de las capas el objetivo es darle grosor mínimo que reduzca los esfuerzos sobre la capa inmediata inferior. La resistencia de las diferentes capas no solo dependerá del material que la constituye, también resulta de gran influencia en el procedimiento constructivo; siendo dos factores importantes la compactación y la humedad ya que cuando un material no se acomoda de forma adecuada, este tiene un proceso de consolidación pro efecto de las cargas y es cuando se producen las deformaciones permanentes.
2.2.1.1 Pavimento flexible
El pavimento flexible se encuentra constituida por una carpeta asfáltica en la capa de rodadura, esta transmite pequeñas deformaciones en las capas que se encuentran debajo de ella sin que la estructura falle. Las capas inferiores son la base granular y la capa sub base, cuya función es distribuir y transmitir las cargas originadas por el tránsito. Al final se encuentra la sub rasante, destinada para el soporte de las capas superiores mencionadas. (VIVAR ROMERO, 1995)
El pavimento asfaltico o flexible es económico en la etapa de construcción y su periodo de vida útil es de 10 a 15 años. Requiere un mantenimiento regular para alcanzar su vida útil en su totalidad.
Para el diseño de un pavimento flexible de acuerdo al manual de Carreteras, el dimensionamiento de las secciones del pavimento, se adoptan los siguientes procedimientos:
Método AAshto Guide for Designo f Pavement Structures (1993)
Análisis de la Performance o Comportamiento del Pavimento durante el periodo de diseño.
Típicamente el diseño de los pavimentos es mayormente influenciado por dos parámetros básicos:
Las cargas de tráfico vehicular impuestas al pavimento.
Las características de la Sub rasante sobre la que se asienta el pavimento.
1. Las cargas del tráfico vehicular impuestas al pavimento, están expresadas en ESALs, que son la iniciales de Equivalent Single Axle Loads 18-kip o 80-kN o 8.2 tn, que en el manual de carreteras se denominan Ejes Equivalentes (EE). Las sumatorias de ESALs durante el periodo de diseño es referida (W18) o ESALD o número de repeticiones.
A continuación, se describen tres categorías para los casos de tráfico y del diseño de pavimentos flexibles:
a. Caminos de 150,001hasta 1,000,000 EE, en el carril y periodo de diseño.
Tabla 4. Número de repeticiones Acumuladas de ejes equivalentes de 2.8tn, carril de diseño
Fuente: (Ministerio de Transporte y Comunicaciones, 2014).
b. Caminos que tienen un tránsito de 1,000,001 EE hasta 30,000,000 EE en el carril y periodo de diseño.
Tabla 5. Ejes equivalentes de 8.2ton
Fuente: (Ministerio de Transporte y Comunicaciones, 2014)
c. Caminos que tienen un tránsito mayor a 30,000,000 EE, en el carril y periodo de diseño. Aún falta desarrollar este tipo de proyección por lo que es materia de Estudio para Especialista o por los Profesionales Responsables del diseño.
Tabla 6. Repeticiones en ejes equivalentes, carril de diseño
Fuente: (Ministerio de Transporte y Comunicaciones, 2014).
2. Las características de la Sub rasante sobre las que se asienta el pavimento, están definidas en seis categorías de sub rasante, en base a su capacidad del soporte CBR.
Tabla 7. Categorías de Subrasante
Fuente: (Ministerio de Transporte y Comunicaciones, 2014).
Se considera materiales aptos para las capas de sub rasante a los suelos con CBR igual o mayor al 6%. De ser menor la sub rasante es insuficiente o sub rasante inadecuada, se procede a la estabilización de suelos por las diferentes alternativas de solución, como la estabilización mecánica, reemplazo del suelo de cimentación, estabilización química de suelo, estabilidad con geosintéticos u otros productos, también cambiar la elevación de la rasante, cambiar el trazo de la vía, eligiendo la solución más conveniente técnica y económica.
Teniendo como base estos parámetros, el transito expresado en ejes equivalentes (EE) y CBR de Sub rasante correlacionado como modulo resiliente, se define las secciones del pavimento que se encuentran especificadas en los catálogos de estructuras de pavimento.
A la hora de definir las secciones de los pavimentos consiste en aplicar los procedimientos de la Guía AASHTO 1993, y aplicar un análisis de comportamiento del pavimento que cubre el periodo de diseño de 20 años de la estructura del pavimento.
Figura 1. Paquete estructural del pavimento.
Fuente: (VIVAR ROMERO, 1995) 2.2.1.2 Carpeta asfáltica
La carpeta asfáltica es la capa que se coloca en la parte superior del paquete estructural, sobre la base, y es la que le proporciona la superficie de rodamiento a la vía. La carpeta es elaborada con material pétreo seleccionado y un aglomerante que es el asfalto. (VIVAR ROMERO, 1995) Cumple la función de impermeabilizar la superficie evitando el ingreso de agua que podría saturar las capas inferiores. También evita la desintegración de las capas subyacentes y contribuye al resto de capas a soportar las cargas y distribuir los esfuerzos. (VIVAR ROMERO, 1995)
Esta capa es la más expuesta al intemperismo y a los efectos abrasivos de los vehículos, por lo que necesita de mantenimientos periódicos para garantizar su adecuada performance (American Association of State Highway, 1993).
La carpeta asfáltica es la parte superior del pavimento flexible que proporciona la superficie de rodamiento, esta es elaborada con material pétreo seleccionado y un producto asfaltico dependiendo del tipo de carretera que se va a construir, las propiedades o características importantes que debe cumplir el material pétreo son: un diámetro menor a una pulgada y tener una granulometría adecuada, deberá tener cierta dureza para lo cual debe satisfacer los ensayos de desgaste los ángeles, exposición a la intemperie acelerado, densidad y durabilidad, la forma de las partículas deberá ser lo más cubica posible, se recomienda no emplear material en forma de laja o aguja porque se rompen con facilidad alterando la granulometría y pudiendo provocar fallas en la carpeta.
2.2.1.3 Capa base
Es la capa de pavimento ubicada debajo de la superficie de rodadura y tiene como función primordial soportar, distribuir y transmitir las cargas a la sub base, que se encuentra en la parte inferior. (VIVAR ROMERO, 1995) La base tiene también una importante función drenante, según la que debe ser capaz de eliminar fácil y rápidamente el agua que llegue a infiltrarse a
través de la carpeta, así como de impedir la ascensión capilar del agua que provenga de niveles inferiores.
La base puede estar constituida principalmente por material granular, como piedra triturada y mezcla natural de agregado y suelo; pero también puede estar conformada con cemento Portland, cal o materiales bituminosos, recibiendo el nombre de base estabilizada. Éstas deben tener la suficiente resistencia para recibir la carga de la superficie y transmitirla hacia los niveles inferiores del paquete estructural (American Association of State Highway, 1993).
Tabla 8. Valor Relativo de Soporte, CBR en Base Granular
Fuente: (Ministerio de Transporte y Comunicaciones, 2014)
2.2.1.4 Capa sub base
Es la capa de la estructura de pavimento destinada a soportar, transmitir y distribuir con uniformidad las cargas aplicadas en la carpeta asfáltica.
(VIVAR ROMERO, 1995)
Está conformada por materiales granulares, que le permiten trabajar como una capa de drenaje y controlador de ascensión capilar de agua, evitando fallas producidas por el hinchamiento del agua, causadas por el congelamiento, cuando se tienen bajas temperaturas. Además, la sub base controla los cambios de volumen y elasticidad del material del terreno de fundación, que serían dañinos para el pavimento.
Los espesores de sub base son muy variables y dependen de cada proyecto específico, pero suele considerarse 12 o 15cm. como la dimensión mínima constructiva. (American Association of State Highway, 1993)
Tabla 9. Valor Relativo de Soporte, CBR en Subbase Granular
Fuente: (Ministerio de Transporte y Comunicaciones, 2014)
2.2.1.5 Capa sub rasante
La sub rasante es la capa de terreno que soporta el paquete estructural y que se extiende hasta una profundidad en la cual no influyen las cargas de tránsito. (VIVAR ROMERO, 1995)
En un pavimento flexible, la distribución de la carga está determinada por las características del sistema de capas que lo conforman. Las capas de mejor calidad están cerca de la superficie donde las tensiones son mayores, y estas cargas se distribuyen de mayor a menor a medida que se va profundizando hacia los niveles inferiores.
2.2.2 Sobre carpeta o recapeo
Consiste en la colocación de una sobre carpeta de mezcla asfáltica en frío, concreto asfáltico en caliente o concreto hidráulico, sobre una capa bituminosa de rodadura existente, la cual tiene un alto grado de deterioro que impide realizar sobre la misma, labores de mantenimiento rutinario. (Coronado Iturbide, 2002)
Este tipo de trabajo es conveniente cuando las condiciones de la carretera no han llegado a los límites permisibles de deterioro y además se hace necesario incrementar la estructura por efecto del aumento del tránsito. (Coronado Iturbide, 2002)
2.2.2.1 Método AASHTO-93
La guía AASHTO para el diseño de pavimentos, es una de las metodologías más difundidas en el mundo, en nuestra región es ampliamente utilizada por
los organismos encargados de la administración de la infraestructura vial.
Las diferentes versiones que se han registrado a lo largo del tiempo son de gran realce en el campo ingenieril, sobre todo la versión de 1993. La importancia de esta última, es que contiene una serie de nuevos criterios considerados en el diseño de pavimentos, y en especial una parte dedicada a la rehabilitación de pavimentos. Es por eso que esta metodología es una base importante para la presente investigación.
En la guía se presenta una descripción de las funciones del recapado según AASHTO 1993, para continuar con la identificación de los tipos de recapado que son considerados, los aspectos y limitaciones establecidas por AASHTO para el diseño del recapeo y se presentan los criterios con el cual deben ser empleados.
La metodología de diseño AASHTO 1993, considera varias combinaciones para el recapeo, tanto del material empleado usado para la rehabilitación, como el tipo de pavimento existente que se va a rehabilitar. Los siguientes son los tipos de recapado considerados en el método.
En la presente investigación, se dará énfasis a los casos de recapeo asfalticos sobre superficies de pavimento asfaltico, por ser los casos más usuales que se presentan en nuestra realidad regional. Para la aplicación de la metodología de diseño propuesta por el AASHTO 93, en el diseño del recapeo se deben tener en cuenta en general, los siguientes criterios:
a. Reparaciones previas al recapeo
El recapeo solo es un aporte estructural al pavimento, por lo que antes de su aplicación, deben repararse todos aquellos defectos visibles como: desprendimientos, grietas, deformaciones; que pudieran posteriormente afectar el comportamiento del recapeo.
b. Control de la reflexión de grietas
El reflejo de las grietas desde el pavimento antiguo a la nueva capa, es una de las causas mas frecuentes del posterior deterioro del recapeo. El espesor de diseño propuesto para el recapeo no tiene en
cuenta estas falencias, por lo que se deben tomar medidas adicionales que permitan reducir la aparición de estas grietas de reflexión. Una de las posibles medidas adicionales es la provisión de capas asfálticas adicionales, fractura previa del hormigón antiguo, uso de geotextiles, empleo de asfaltos modificados y otros.
c. Estimación de las cargas de tráfico
Se deberán tomar en campo o in situ en forma adecuada los ejes equivalentes que solicita el pavimento durante la vida de diseño.
Para esto los factores de equivalencia se deben calcular considerando las relaciones de diseño de pavimentos flexibles o rígidos según sea el caso. El modelo de pavimentos flexibles se emplea para los recapeos tipo AC efectuado sobre pavimentos flexibles o de hormigón fracturado. El resto de las combinaciones se debe considerar la estimación de los ejes equivalentes según el modelo de pavimento rígido.
d. Drenaje
El método debe suponer condiciones adecuadas de drenaje, la prevención de la presencia de agua ya que puede ocasionar erosión y reducir la resistencia del pavimento. Independiente de las condiciones de humedad y la eficiencia del drenaje, el método ajusta esta resistencia por medio de coeficientes que aumentan o
disminuyen la capacidad estructural de las capas inferiores a la carpeta asfáltica.
e. Materiales del recapeo
Los materiales que van a ser empleados en el recapeo deben ser seleccionados adecuadamente, para resistir las cargas específicas, condiciones climáticas, y deficiencias previas a la rehabilitación que pudiera presentar el pavimento. Para llegar a estas condiciones se deben tener un claro conocimiento de las características y propiedades de los posibles materiales a utilizar. También se debe tener presente las propiedades de los materiales de la subrasante y del pavimento existente, los cuales conforman la base de fundación del recapeo.
f. Nivel de confiabilidad
Un nivel adecuado de confiabilidad y desviación estándar para la determinación del espesor del recapeo, el cual no necesariamente coincide con el utilizado para determinar el diseño de un pavimento nuevo. La guía AASHTO 1993 entrega algunas recomendaciones como la confiabilidad a utilizar por la mayor variabilidad de los parámetros en el pavimento existente de ser superior al 90%
mientras que el error estimado se recomienda utilizar 0.39 para pavimentos rígidos y 0.49 para los flexibles.
La metodología para el cálculo de los recapeos, tiene como base la estimación de la diferencia entre el número estructural requerido (SNf) para soportar un nuevo periodo de solicitaciones, y el numero estructural efectivo existente (SNeff). El valor de (SNf) se calcula aplicando las formulas de diseño propuestas por AASHTO según se trate de pavimentos flexibles o rígidos.
El objeto de estos recapeos tiene dos funciones, dependiendo de cuál de las dos condiciones es la que se quiere recuperar o si es combinado, ya que una de las funciones es la capacidad estructural y la otra es la servicialidad.
La primera aplica cuando las condiciones de la estructura de pavimento está llegando a su periodo de diseño y es necesario el refuerzo de la estructura para soportar el crecimiento del tránsito y por ende de las cargas; la segunda aplica cuando las condiciones de la superficie del pavimento ha llegado a su vida útil y sufrido tal deterioro que no permita el desplazamiento normal de los vehículos. (Coronado Iturbide, 2002)
En las figuras se observa cómo se recupera un pavimento a su condición original al efectuar un recapeo, en el aspecto de servicialidad y capacidad estructural respectivamente.
Figura 2:(CARAHUATAY CHÁVEZ, 2015)
La Guía de Diseño AASHTO 93 estimula el uso de períodos de análisis grandes, incluyendo al menos un periodo de rehabilitación.
A continuación, los métodos no destructivos, que sirven para la evaluación del pavimento significan realizar los ensayos sin ocasionar daños al pavimento como las calicatas o excavaciones que también nos permiten realizar ensayos para conocer los componentes de la estructura del pavimento y sus deflexiones estructurales.
2.2.2.2 Método de vida remanente
Este método de evaluación no constituye en sí un ensayo, corresponde más bien a una evaluación la cual está basada en relacionar directamente la pérdida de capacidad estructural del pavimento con las solicitaciones de tránsito reales acumuladas. Para estimar esta vida remanente se deben determinar, el tránsito solicitante que ha soportado el pavimento desde la última puesta en servicio a la fecha, y el tránsito total que produce la falla total del pavimento (Z. & P, 2018).
2.2.2.3 Método utilizando ensayos con deflectómetro de impacto FWD
Se refiere a los equipos tipo impacto como el deflectómetro de impacto (FWD) que aplican un impulso de carga de corta duración para simular el paso de una rueda móvil a alta velocidad, a través de una masa suspendida que se eleva y luego se deja caer sobre una placa que se ha situado en la superficie del pavimento. Variando el peso y la altura de caída se pueden generar diferentes magnitudes de cargas de impacto y duración, semejantes a las de una carga real del tránsito. La secuencia de operación consiste en situar el equipo en el punto fijado, se baja la placa y los sensores hasta que
se apoyen en la superficie y se aplica la carga o la serie de cargas previstas.
Las deflexiones producidas son medidas por medio de un grupo de geófonos en unidad de micrones, distribuidos linealmente a una distancia de 30 cm entre ellos. (CARAHUATAY CHÁVEZ, 2015)
Cuando se dispone de ensayos de deflexión realizados con deflectómetro de impacto, los datos sirven para determinar las propiedades (módulos) de los materiales necesarios para determinar la capacidad estructural efectiva, actual y futura.
Figura 3. Método de la Deflectometria (FWD) Fuente: (Thenoux Z. & Gaete P., 2012) 2.2.2.4 Otros métodos de cálculo de recapeo
- Asphalt Institut (U.S.A)