UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FíSICAS

UNIVERSIDAD DE CHILE
FACULTAD DE CIENCIAS FíSICAS Y MATEMÁTICAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL
APLICACiÓN EN CHILE DE PAVIMENTOS DELGADOS DE HORMIGÓN
MEMORIA PARA OPTAR AL TíTULO DE INGENIERO CIVIL
JAVIER EDUARDO RUZ ORTIZ
PROFESOR GuíA:
JULIO TORREJÓN OLMOS
MIEMBROS DE LA COMISiÓN:
PEDRO ACEVEDO MOY ANO
VICTOR ROCO HERRERA
SANTIAGO DE CHILE
NOVIEMBRE 2006
TABLA DE CONTENIDO
CAPITULO I INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................................6
1.1
INTRODUCCIÓN................................................................................................................................................ 6
CAPITULO II ANTECEDENTES GENERALES .......................................................................................................8
2.1
UN POCO DE HISTORIA................................................................................................................................10
2.2
CUANDO UTILIZAR WHITETOPPING .....................................................................................................14
2.3
VENTAJAS DEL WHITETOPPING. ............................................................................................................16
CAPITULO III FUNCIONAMIENTO DE LOS PAVIMENTOS DELGADOS Y ULTRADELGADOS .............19
3.1
ADHERENCIA.......................................................................................................................................................20
3.2
ESPACIAMIENTO DE LAS JUNTAS...........................................................................................................22
3.3
ESPESOR DEL ASFALTO ..............................................................................................................................22
3.4
PROCESO CONSTRUCTIVO ........................................................................................................................24
3.4.1
Preparación de la Superficie.......................................................................................................................24
3.4.2
Limpieza de la Superficie ............................................................................................................................27
3.4.3
Hormigonado de la Superficie ....................................................................................................................27
3.4.4
Membrana de Curado..................................................................................................................................31
3.4.5
Corte de Juntas .............................................................................................................................................31
3.4.6
Curado del Hormigón ..................................................................................................................................31
3.4.7
Transferencia de Cargas..............................................................................................................................31
3.4.8
Apertura al Tránsito ....................................................................................................................................32
CAPITULO IV DISEÑO DE WHITETOPPING ........................................................................................................33
4.1
MÉTODO DE DISEÑO UTW DE LA PCA (PORTLAND CEMENT ASSOCIATION)......................33
4.2
MÉTODO DE DISEÑO DE ESPESOR DE LA ACPA (AMERICAN CONCRETE PAVEMENT
ASSOCIATION)................................................................................................................................................................38
4.3
MÉTODO DE DISEÑO DE ESPESOR DEL CDOT ...................................................................................41
4.3.1
ECUACIONES DE DISEÑO MÉTODO CDOT...........................................................................................49
4.3.2
INCORPORACIÓN DE EJES EQUIVALENTES AL DISEÑO. ..............................................................52
CAPITULO V DISEÑO DE TRAMO DE PRUEBA CON WHITETOPPING.........................................................56
5.1
PASOS A SEGUIR EN EL DISEÑO...............................................................................................................61
CAPITULO VI ANALISIS DE SENSIBILIDAD .......................................................................................................65
CAPITULO VII DISCUSIONES, CONCLUSIONES Y LINEAS DE INVESTIGACION A SEGUIR. ................71
7.1 DISCUSIONES ............................................................................................................................................................71
7.2 CONCLUSIONES.......................................................................................................................................................72
7.3 LINEAS DE INVESTIGACIÓN A SEGUIR..........................................................................................................73
7.4 REFERENCIAS ..........................................................................................................................................................75
2
INDICE DE FIGURAS
FIG. 1 ESQUEMA DE LA ESTRUCTURA DE LOS PAVIMENTOS DELGADOS DE HORMIGÓN SOBRE
ASFALTO.................................................................................................................................................................... 9
FIG. 2 CLASIFICACIÓN DE LOS PAVIMENTOS DE HORMIGÓN SOBRE ASFALTO, SEGÚN ESPESOR......9
FIG. 3 PIEL DE COCODRILO, FALLA TÍPICA DE LOSPAVIMENTOS DE ASFALTO. (REF.5)........................15
FIG. 4 AHUELLAMIENTO SEVERO DE UN PAVIMENTO ASFÁLTICO. (REF. 5)..............................................15
FIG. 5 DISTANCIA DE FRENADO DESDE 96 KM/HR., DE DOS VEHÍCULOS SOBRE CONDICIONES
DIFERENTES DE SUPERFICIE. NÓTESE QUE POR NO PRESENTAR EL HORMIGÓN
AHUELLAMIENTO, LOS DATOS PARA LA CONDICIÓN HÚMEDA CON AHUELLAMIENTO SON
LOS MISMOS QUE PARA LA HÚMEDA LISA. (REF.1)..................................................................................18
FIG. 6 DENTRO DE LAS VENTAJAS DE LOS PAVIMENTOS DELGADOS DE HORMIGÓN, ESTA EL NO
REFLEJAR LOS PROBLEMAS EXISTENTES DE LA SUPERFICIE DE ASFALTO. (REF.1)....................18
FIG. 7 FACTORES QUE INFLUYEN EN EL COMPORTAMIENTO DE LOS PAVIMENTOS DELGADOS DE
HORMIGÓN SOBRE ASFALTO, LA ADHERENCIA ENTRE EL ASFALTO Y EL HORMIGÓN, EL
ESPACIAMIENTO ENTRE LAS JUNTAS Y EL GROSOR DE LA CAPA ASFÁLTICA QUE SIRVE DE
BASE PARA EL HORMIGÓN................................................................................................................................19
FIG. 8 LA ADHERENCIA PRODUCE UN DESCENSO DEL EJE NEUTRO, LO QUE HACE QUE LOS
ESFUERZOS DISMINUYAN, EN EL CASO DEL CENTRO DE LA LOSA, EN EL CASO DE LAS
ESQUINAS DISMINUYE TAMBIÉN EL ESFUERZO, PERO MENOS QUE EN EL CASO DEL CENTRO
DE LA LOSA.(REF.8)..............................................................................................................................................21
FIG. 9 EL WHITETOPPING, QUE IDEALMENTE ES ADHERIDO, REDUCE LOS ESFUERZOS, GRACIAS A
LA ADHERENCIA ENTRE LAS CAPAS DE HORMIGÓN Y DE ASFALTO.(REF.8) .................................21
FIG. 10 AL TENER ESPACIAMIENTOS CORTOS, SE BUSCA QUE EL PAVIMENTO ACTÚE COMO
MECANISMO Y NO COMO ESTRUCTURA......................................................................................................23
FIG. 11 EFECTO DEL ESPESOR DEL ASFALTO, A MAYOR ESPESOR, LAS TENSIONES DISMINUYEN. .23
FIG. 12 ESQUEMA DE RECOLECCIÓN DE PUNTOS PARA REALIZAR EL PERFIL TOPOGRÁFICO...........26
FIG. 13 VISTA DE LA SUPERFICIE TRAS EL FRESADO. NÓTESE LA TEXTURA RUGOSA DE LA
SUPERFICIE, FUNDAMENTAL PARA OBTENER UNA BUENA ADHERENCIA. ....................................26
FIG. 14 FAENAS DE LIMPIEZA CON ESCOBILLÓN PARA LAS PARTÍCULAS GRANDES............................28
FIG. 15 FAENA DE LIMPIEZA MÁS PROFUNDA, USANDO AIRE COMPRIMIDO, PARA REMOVER LAS
PARTÍCULAS MÁS
PEQUEÑAS....................................................................................................................28
FIG. 16 COLOCACIÓN DEL HORMIGÓN, DIRECTAMENTE DESDE EL CAMIÓN MIXER.............................29
FIG. 17 TREN PAVIMENTADOR EN FAENAS DE HORMIGONADO....................................................................29
FIG. 18 APLICACIÓN DE ASPILLERA, PARA LA OBTENCIÓN DE LA TEXTURA RUGOSA. .......................30
FIG. 19 APLICACIÓN DE LA MEMBRANA DE CURADO. ......................................................................................30
FIG. 20 APLICACIONES DE MANTAS DE POLIETILENO PARA EL CURADO DEL HORMIGÓN.................32
3
FIG. 21 CONVERSIÓN DE ESPESORES DESDE EL MÉTODO MECANICISTA AL MÉTODO EMPÍRICO ....54
FIG. 22 UBICACIÓN DEL TRAMO DE PRUEBA A DISEÑAR. EL CUADRO DE LA LÍNEA PUNTEADA SE
DETALLA EN LA FIGURA SIGUIENTE.............................................................................................................57
FIG. 23 DETALLE DE LA UBICACIÓN DEL TRAMO DE PRUEBA A DISEÑAR. LA EXTENSIÓN SERÁ DE
300 M..........................................................................................................................................................................58
FIG. 24 ESTACIÓN DE PESAJE DIGITAL. CON ESTA TECNOLOGÍA, LA RECOLECCIÓN DE DATOS
PARA EL DISEÑO ES MAS PRECISA.................................................................................................................58
FIG. 25 SENSIBILIDAD DEL ESPESOR DEL HORMIGÓN AL MÓDULO DE REACCIÓN DE LA
SUBRASANTE K .....................................................................................................................................................66
FIG. 26 SENSIBILIDAD DEL ESPESOR DEL HORMIGÓN AL MÓDULO ELÁSTICO DEL ASFALTO...........66
FIG. 27 SENSIBILIDAD DEL ESPESOR DEL HORMIGÓN AL MÓDULO DE RUPTURA DEL HORMIGÓN.68
FIG. 28 SENSIBILIDAD DEL ESPESOR DEL HORMIGÓN AL GRADIENTE DE TEMPERATURA.................68
FIG. 29 SENSIBILIDAD DEL ESPESOR DEL HORMIGÓN AL ESPESOR DEL ASFALTO, TOMANDO EN
CUENTA EJES EQUIVALENTES.........................................................................................................................69
FIG. 30 SENSIBILIDAD DEL ESPESOR DEL HORMIGÓN AL MÓDULO ELÁSTICO DEL ASFALTO,
TOMANDO EN CUENTA EJES EQUIVALENTES ...........................................................................................69
FIG. 31 SENSIBILIDAD DEL ESPESOR DEL HORMIGÓN, A EL MÓDULO DE LA SUBRASANTE K,
TOMANDO EN CUENTA EJES EQUIVALENTES. ...........................................................................................70
4
INDICE DE TABLAS
TABLA 1 DETALLES PROYECTO LOUISVILLE, KENTUCKY ........................................................................11
TABLA 2 GUÍA PARA REPARAR FALLAS EXISTENTE EN PAVIMENTOS DE ASFALTO ANTES DE
APLICAR UNA SOBRECAPA DE HORMIGÓN. .........................................................................................14
TABLA 3 MÉTODO DE DISEÑO ACPA..................................................................................................................39
TABLA 4 MÉTODO DE DISEÑO ACPA..................................................................................................................39
TABLA 5 MÉTODO DE DISEÑO ACPA..................................................................................................................40
TABLA 6 MÉTODO DE DISEÑO ACPA..................................................................................................................40
TABLA 7 NIVELES APROXIMADOS DE TRÁNSITO PARA LAS SECCIONES DE PRUEBA DEL ESTUDIO
DEL CDOT..........................................................................................................................................................42
TABLA 8 CARACTERÍSTICAS POR TRAMO, MÉTODO CDOT.......................................................................43
TABLA 9 PARÁMETROS DE DISEÑO, MÉTODO CDOT, PROYECTO SH 121..............................................46
TABLA 10 LISTA DE CHEQUEO DE CONDICIONES DE PAVIMENTO FLEXIBLE ....................................47
TABLA 11 DETALLE DEL TRÁNSITO EN EL TRAMO DE PRUEBA..............................................................59
TABLA 12 TESTIGOS PARA TRAMO DE PRUEBA ............................................................................................59
TABLA 13 DETALLE DES LAS CALICATAS EFECTUADAS PARA EL TRAMO DE PRUEBA.................60
TABLA 14 DATOS DE ENTRADA PARA DISEÑO DE TRAMO DE PRUEBA................................................60
TABLA 15 CÁLCULOS PRECIOS AL DISEÑO .....................................................................................................61
TABLA 16 TENSIONES Y DEFORMACIONES CON SUS RESPECTIVOS AJUSTES POR ADHERENCIA Y
PÉRDIDA DE SOPORTE ..................................................................................................................................64
TABLA 17 ANÁLISIS DE FATIGA EN EL HORMIGÓN Y EN EL ASFALTO .................................................64
5
CAPITULO I INTRODUCCIÓN
1.1 Introducción.
Según estadísticas de la Dirección Nacional de Vialidad a fines del año 2004, la red
vial nacional esta constituida por 80672.33 Km. de caminos agrupados en cuatro tipos
de superficie de rodado: asfalto, hormigón, ripio y caminos de tierra. De toda esta red,
cerca de un 21% corresponden a caminos pavimentados y dentro de éstos, más de un
80%, lo constituyen los pavimentos de asfalto (ref. 5 y 11). Al ser los pavimentos
flexibles los de mayor uso en nuestro país, la manutención debe enfocarse a la
reparación de las principales fallas asociadas a este tipo de material, tales como
ahuellamientos, piel de cocodrilo y grietas, y así brindar las mejores condiciones para el
usuario, tanto en seguridad como en confort. Para lograrlo es necesario contar con
tecnologías viables para el proceso de rehabilitación de pavimentos.
Las técnicas modernas de rehabilitación permiten la recuperación de los estándares
de diseño, reduciendo el impacto sobre los usuarios, tanto durante la ejecución de las
obras (requiriéndose muy poco tiempo para rehabilitar), como durante su vida en
servicio (reduciendo los problemas de deterioro).
Dentro de las alternativas disponibles para rehabilitar pavimentos, y en particular,
para pavimentos flexibles, se encuentran las capas de hormigón aplicadas directamente
sobre el pavimento deteriorado. Esta
técnica se denomina Whitetopping, (cubierta
blanca). .La traducción literal marca la diferencia entre el color de un pavimento de
hormigón (blanco) frente a uno de asfalto (negro) (ref. 1)
Este sistema incluye la corrección de las principales deformaciones en el asfalto y la
colocación del hormigón que se construye directamente sobre la superficie asfáltica ya
tratada. Entre las ventajas del Whitetopping tenemos una larga vida, bajo costo en
mantenimiento, bajo costo por aplicación, un aumento en la seguridad y una menor
contaminación al ambiente.
De acuerdo al espesor de las capas de hormigón, tenemos distinta clasificaciones
para esta técnica de rehabilitación de pavimentos. Si las capas son mayores a los 20
cm. de espesor se habla de Whitetopping convencional, mientras que para espesores
entre los 10 a 20 cm. se denominan Thin Whitetopping (delgados) y finalmente para
6
espesores menores a 10 cm se habla de Ultra Thin Whitetopping (ultradelgados).(ref. 10)
En este informe se explicará el funcionamiento de la técnica Whitetopping poniendo
énfasis en las categorías delgada y ultradelgada de esta técnica y se desarrollará una
metodología de diseño para aplicarla en la planificación de un tramo de prueba a
realizar en el norte de nuestro país.
La idea y objetivo de este trabajo, es mostrar la técnica whitetopping como una
alternativa viable a la hora de rehabilitar los pavimentos deteriorados de asfalto.
Además de ser el punto de inicio en el desarrollo e investigación de esta tecnología en
nuestro país.
La primera etapa de este trabajo consistirá en la recopilación y análisis de
experiencias extranjeras principalmente los casos norteamericanos. Para lograr esta
fase de la memoria se cuenta con las bibliotecas del Laboratorio de Vialidad y también
la del Instituto del Cemento y Hormigón (ICH). Además esta la posibilidad de varios
sitios de Internet que cuentas las últimas novedades acerca de Whitetopping.
Del análisis de los datos reunidos, se obtendrá una guía de diseño, como también
del proceso constructivo.
En una segunda etapa, y complementando la primera fase de este trabajo, se
desarrollará una metodología de diseño acorde a las condiciones chilenas tomando en
cuenta características específicas del lugar en donde se va a realizar el tramo de
prueba.
Se diseñará el tramo de acuerdo a lo investigado
7
CAPITULO II ANTECEDENTES GENERALES
Cuando los pavimentos asfálticos presentan deterioro con fallas tales como
ahuellamiento, grietas, piel de cocodrilo y baches
dentro de las más comunes, es
necesario desarrollar algún tipo de rehabilitación para recuperar el estándar de diseño y
a la vez disminuir los riesgos que accidentes que aumentan con las fallas antes
mencionadas. La solución más recurrente en nuestro país son los recapados de asfalto,
pero con este sistema, si bien se corrige las fallas funcionales, las fallas estructurales
permanecen y con el paso del tiempo, el recapado presentará las mismas fallas que
presentaba el pavimento original. Es por esta razón que buscando nuevas alternativas
de rehabilitación el Whitetopping aparece como una alternativa viable y segura.
La construcción de capas de hormigón sobre pavimento asfáltico deteriorado es
una técnica conocida como Whitetopping. Incluye la reparación del asfalto existente
antes de aplicar la capa, la corrección de las principales deformaciones del perfil de la
vía y la colocación de la capa de hormigón, que se construye directamente sobre la
superficie de asfalto (ref. 1). Esta técnica corrige las deficiencias funcionales y
estructurales a la vez.
Según el espesor de la capa de hormigón, el Whitetopping presenta subcategorías:
convencional, delgado y ultradelgado, (ref.10) siendo las dos últimas mucho más
recientes que la primera, tal como veremos en el breve repaso histórico a continuación.
8
Fig. 1 Esquema de la estructura de los pavimentos delgados de hormigón sobre asfalto.
Fig. 2 Clasificación de los pavimentos de hormigón sobre asfalto, según espesor.
9
2.1 Un poco de historia
Ya desde el año 1918, en los EEUU, se construyen recapados de hormigón (ref.1,
10), con usos tan variados como aeropuertos, autopistas, carreteras principales y
secundarias, calles y áreas de estacionamiento. Entre los años 1940 y 1950, el principal
uso fue en aeropuertos civiles y militares. El espesor en estos casos variaba entre los
20 y 46 cm. Desde el año 1960, el hormigón ha sido muy utilizado para reparar vías de
autopistas existentes en estados como California, Iowa y Utah. En estas aplicaciones,
los espesores variaban entre 17,5 a 25 cm. (ref.9)
Según estudios norteamericanos, más de la mitad de los estados han construido
proyectos TWT (thin whitetopping) o UTW (ultra thin whitetopping) durante el periodo
1999 – 2004. El crecimiento también se ve reflejado en los datos entregados por la
American Concrete Pavement (ACPA) que tiene registros de 282 proyectos UTW en el
periodo comprendido entre los años 1992 -2001, totalizando 765000 m 2.(ref.10)
Como se puede apreciar, el whitetopping delgado y el ultradelgado son técnicas
relativamente nuevas en comparación al whitetopping convencional que data de
principios del siglo pasado.
De aparición reciente también, y como complemento a la técnica whitetopping, son
los hormigones Fast Track o de habilitación temprana, que permiten una apertura al
tránsito al poco tiempo de aplicada la capa de hormigón. De esta manera la interrupción
de tráfico se reduce al mínimo, pudiendo incluso realizar la rehabilitación de alguna vía
en un fin de semana. (ref.4)
A continuación un resumen de proyectos citados en la literatura.
10
Kentucky
Este fue el primer proyecto UTW en los Estados Unidos, se realizó en septiembre
del año 1991, específicamente en la zona de Louisville, Kentucky, en el camino de
acceso a un basural con un tráfico de 400 a 600 camiones por día, 5.5 días a la semana
(ref. 2). La elección de este lugar se debió a que los resultados se verían en menos
tiempo dada la alta demanda a que sería sometido. Se ejecutaron tres tramos, tal como
se detalla en la siguiente tabla.
Tabla 1 Detalles proyecto Louisville, Kentucky
SECCIÓN
DIMENSIONES
ESPESOR
PREPARACIÓN
SEPARACIÓN
[M]
HORMIGÓN
ASFALTO
DE JUNTAS
[CM]
1
84 x 7
2
15 x 7
3
84 x 7
9
[M]
9
Fresado
1.83 x 1.83
- 5
Fresado
1.83 x 1.83
5
Fresado
1.83 x 1.83
0.6 x 0.6
Este proyecto fue monitoreado por sólo 13 semanas, pero dadas las condiciones
de tráfico que poseía, este periodo equivale a un año en condiciones normales.
De esta experiencia se concluyeron los siguientes puntos.
•
Los pavimentos ultradelgados de hormigón con espesores entre 50 y 90 mm pueden
soportar cargas típicas de tránsito en caminos con bajo volumen de tráfico, calles de
sectores residenciales y lugares de estacionamiento.
•
Las fallas predominantes fueron las grietas de esquina.
•
Los espaciamientos entre las juntas tuvieron un significativo efecto en la formación
de las grietas de esquina. El área con juntas a 0.6 m presentó una cantidad
considerablemente menor de grietas
en comparación al sector que presentaba
separaciones entre juntas de 1.8 m.
11
Iowa
En el año 1994, 11 Kilómetros entre whitetopping delgado y ultradelgado se usaron
en la rehabilitación de una carretera de este estado, la Ruta 21. Los espesores para
este caso variaron entre los 5 y 20 cm. (ref. 10)
La carretera fue construida en el año 1961, que luego en el año 1964 fue
rehabilitado con 75 mm. de asfalto. El tráfico existente era aproximadamente 1350
vehículos, con un 13 % de camiones.
Este proyecto entregó los primeros datos sobre el comportamiento del
whitetopping aplicado a una autopista.
Aportó con datos de diseño, técnicas de
construcción y datos de los resultados obtenidos. Se utilizaron distintas combinaciones
de espesores, espaciamiento de juntas, distintas mezclas de hormigón y alternativas
para la preparación de la superficie asfáltica previa al hormigón.
Esta experiencia es una de las que más datos ha entregado a los investigadores,
para así continuar desarrollando esta técnica de rehabilitación.
Missouri
Esta experiencia es interesante porque es la primera que se realizó en un
aeropuerto, el Spirit of St. Louis Airport, en el año 1985. Si bien no fue un proyecto en
alguna autopista, aportó importantes datos en cuanto al diseño y construcción
principalmente. En este caso, los espesores eran de 9 cm hasta 25 cm, vale decir
desde el whitetopping ultradelgado hasta el convencional. (ref. 10)
Colorado
Este proyecto se construyó en el año1996. Los espesores variaron entre los 10 a
12,5 cm (TWT). En este caso se experimentó con distintas alternativas para el asfalto
existente. En algunos casos se dejó tal como estaba, en otro se fresó y en un tercer
tramo se aplicó una nueva capa de asfalto antes del hormigón. (ref.10)
Las losas fueron de 1,5 m2 además se instrumentaron con sensores para medir
deformaciones, deflexiones y temperatura.
La importancia de este proyecto, es que sirvió de base para el desarrollo del
12
método mecanicista de diseño que se tratará en un capítulo posterior.
Argentina, Buenos Aires
En el acceso oeste a la ciudad de Buenos Aires se realizó una rehabilitación
utilizando UTW (ultradelgado) y TWT (delgado), en el año 2002 en donde los espesores
variaron entre los 8 y 12 cm. (ref.4)
La importancia de este proyecto es la utilización de hormigones de habilitación
temprana, lo que permitió reanudar el tránsito a las 24 horas de colocado el hormigón.
Entre las conclusiones de esta experiencia se citan las siguientes:
•
Es importante incrementar los espesores en las losas de borde.
•
En sectores donde el derrame de combustibles es elevado se debe prever
el sellado de juntas, para evitar el ingreso de combustible asfáltico, que
afecta la adherencia entre las dos capas.
•
Es importante conocer es espesor del asfalto que se deja como base del
pavimento, ya que si es menor que 75 mm las posibilidades de
falla
aumentan
•
No se recomienda la ejecución de UTW muy delgados para contar con un
adecuado margen de seguridad que contemple la sobrecarga de los
vehículos fuera de reglamento.
Chile
En nuestro país existe una experiencia impulsada por SERVIU y el ICH, en un
sector de Av. Santa Rosa a la altura del 3900, en diciembre del año 2003, sin embargo
el tramo rehabilitado usando UTW fue muy pequeño, ya que al momento de extraer
testigos se dio cuenta que el asfalto existente era muy delgado para poder recibir las
capas de hormigón. Por lo corto del tramo las principales conclusiones que se
obtuvieron tienen relación con el proceso constructivo. (ref. 7)
13
2.2 Cuando utilizar Whitetopping
Generalmente al hablar de recubrimientos ultradelgados o delgados se piensa en
usarlo sobre asfalto que presenta fallas tales como ahuellamiento (rutting),
desplazamientos (shoving) y otras fallas superficiales. Un pavimento asfáltico dañado
severamente con un importante deterioro estructural, con problemas en las bases o sub
bases, malas condiciones de drenaje, desmoronamiento áridos, no es un buen
candidato para ser reparado con UTW o TWT. El pavimento a rehabilitar requiere de
un mínimo espesor del asfalto después de haber fresado la superficie, para así entregar
un buen soporte al hormigón.
Tabla 2 Guía para reparar fallas existente en pavimentos de asfalto antes de aplicar una
sobrecapa de hormigón.
Condición general del pavimento
Trabajo de reparación
Ahuellamiento (menos de 5 cm)
Ninguno
Ahuellamiento (más de 5 cm)
Fresado o nivelación
Desplazamiento
Fresado
Huecos
Relleno con roca triturada, mezcla fría o mezcla caliente
Falta de subrasante
Retirar y reemplazar
Piel de cocodrilo
Ninguno
Falla de bloque
Ninguno
Grietas transversales
Ninguno
Grietas longitudinales
Ninguno
Desprendimiento de áridos
Ninguno
Afloramiento
(ref.1)
Ninguno
14
Fig. 3 Piel de Cocodrilo, falla típica de lospavimentos de asfalto. (ref.5)
Fig. 4 Ahuellamiento severo de un pavimento asfáltico. (ref. 5)
15
2.3 Ventajas del whitetopping.
Los recubrimientos de hormigón ofrecen beneficios a largo plazo para las entidades
encargadas de los aeropuertos y las carreteras, puesto que reduce considerablemente
el tiempo y las demoras causadas por el mantenimiento de una superficie de asfalto.
Los ahuellamientos, los desplazamientos, las grietas causadas por la temperatura, la
piel de cocodrilo y los daños generados por el ambiente, exigen labores de
mantenimiento como los sellados de grietas y tratamientos superficiales.
Una superficie de hormigón es duradera y requiere de menos tiempo y dinero para
el mantenimiento.
Las sobrecapas de hormigón son particularmente efectivas donde las restricciones
presupuestales y los altos niveles de tránsito hacen que las interrupciones en el tráfico y
las actividades de mantenimiento sean intolerables.
Otro uso importante de los recubrimientos de hormigón son aquellos para mejorar la
seguridad
de
la superficie
de
un
pavimento. Las cargas
pesadas causan
desplazamientos y ahuellamientos en el asfalto, lo cual es peligroso para los usuarios y
es un problema serio en los sitios en donde los vehículos frenan y arrancan
frecuentemente, como las intersecciones, los peajes, las rampas y áreas de
estacionamiento en aeropuertos. Cuando los ahuellamientos se llenan con agua causan
deslizamiento o pérdida del control de los vehículos lo que puede generar accidentes y
lesiones personales. Según estudios de seguridad las distancias de frenado en las
superficies de hormigón son mucho menores que para las superficies de asfalto,
especialmente cuando el asfalto esta húmedo y ahuellado (Fig. 5). Las cargas pesadas
no ahuellan ni desplazan el hormigón y también presenta una buena resistencia al
resbalamiento. (ref.1)
Las sobrecapas o recubrimientos de hormigón no desarrollan las fallas encontradas
en el asfalto Las experiencias realizadas demuestran que cuando ocurre ahuellamiento,
éste no se elimina con la colocación de un recubrimiento de asfalto; el ahuellamiento
reaparece por la incapacidad del concreto asfáltico de alcanzar la compactación
adecuada en las huellas de las ruedas o la incapacidad del asfalto de soportar las
presiones y cargas del tráfico hoy en día. El hormigón puede rellenar uniformemente las
16
huellas existentes en el asfalto y así corregir el perfil de la superficie. El reflejo de las
grietas es otra de las fallas que puede disminuir considerablemente la vida útil de la
soobrecapa de asfalto. Esto no ocurre en las losas de hormigón por la facilidad de
atender los problemas existentes en la capa inferior. (Fig. 6)
Las sobrecapas de hormigón sobre pavimentos de asfalto han sido utilizadas como
reemplazo de la "construcción por etapas" de los pavimentos flexibles. En la mayoría de
los casos, la primera capa se deteriora antes de lo previsto por haber sido subdiseñada;
las siguientes capas de asfalto no tienen entonces un buen comportamiento porque los
problemas de la capa original se reflejan rápidamente a través de las nuevas. Aún si se
especifica una capa de asfalto más gruesa, los resultados no son mucho mejores. Se
ha demostrado que las capas gruesas se ahuellan más rápidamente que las delgadas
(ref.1)
17
Chevrolet-seco/liso
Chevrolet-húmedo/liso
Chevrolet-húmedo/con ahuellamiento
Buick- seco/liso
hormigón
Buick-húmedo/liso
asfalto
Buick-húmedo/ con ahuellamiento
0
50
100
150
metros
Fig. 5 Distancia de frenado desde 96 km/hr., de dos vehículos sobre condiciones diferentes de superficie.
Nótese que por no presentar el hormigón ahuellamiento, los datos para la condición húmeda con
ahuellamiento son los mismos que para la húmeda lisa. (ref.1)
Fig. 6 Dentro de las ventajas de los pavimentos delgados de hormigón, esta el no reflejar los problemas
existentes de la superficie de asfalto. (ref.1)
18
CAPITULO III FUNCIONAMIENTO
ULTRADELGADOS
DE
LOS
PAVIMENTOS
DELGADOS
Y
.
Después de la revisión de la literatura acerca de la técnica whitetopping, se puede
apreciar que en todas las experiencias en que se usaron pavimentos delgados (TWT)
y/o ultradelgados (UTW), se repiten 3 factores importantes. Éstos son los siguientes.
.
Fig. 7 Factores que influyen en el comportamiento de los pavimentos delgados de hormigón sobre asfalto, la
adherencia entre el asfalto y el hormigón, el espaciamiento entre las juntas y el grosor de la capa asfáltica que
sirve de base para el hormigón.
19
3.1
Adherencia
La adherencia entre el asfalto y el hormigón permite un funcionamiento como una
sección compuesta. Esto causa que las capas actúen monolíticamente y compartan las
cargas. Con la adherencia, el eje neutro en el hormigón cambia desde la mitad de la
losa de hormigón hasta el fondo de la misma. Este descenso del eje neutro disminuye
los esfuerzos llevándolos a valores que el hormigón puede soportar. (Fig.7)
La sección compuesta tiene efectos opuestos en los esfuerzos de esquina. Los
esfuerzos en el hormigón disminuyen porque la sección completa es más gruesa. Sin
embargo, como el borde se comporta como un voladizo, su máximo esfuerzo ocurre
arriba de la losa, y el descenso del eje neutro aumenta la distancia entre las fibras
superiores y el eje neutro. En resumen, en las esquinas los esfuerzos disminuyen
porque la adherencia crea una sección más gruesa, sin embargo en la superficie de la
losa, aumentan a causa del descenso del eje neutro.
Si el eje neutro se desplaza lo suficientemente bajo, la ubicación de la carga crítica
debe moverse desde el borde hacia la esquina, dependiendo de los materiales y de las
características de la capa. Esto explica porqué muchos proyectos han desarrollado
grietas de esquina.
20
Fig. 8 La adherencia produce un descenso del eje neutro, lo que hace que los esfuerzos disminuyan, en el
caso del centro de la losa, en el caso de las esquinas disminuye también el esfuerzo, pero menos que en el
caso del centro de la losa.(ref.8)
Fig. 9 El Whitetopping, que idealmente es adherido, reduce los esfuerzos, gracias a la adherencia entre las
capas de hormigón y de asfalto.(ref.8)
21
3.2 Espaciamiento de las juntas
Todos los sistemas de pavimentos deben absorber la energía de aplicación de
carga, ya sea por flexión o deflexión (flecha). Las juntas son construidas a poca
distancia ya que esto reduce el brazo de momento de aplicación de la carga y minimiza
los esfuerzos debido a la flexión. Este espaciamiento forma un sistema de pavimento de
bloque, el cual transfiere la carga al pavimento flexible a través de deflexión antes que
la flexión (fig.10). Los espaciamientos típicos que funcionan bien fluctúan entre 0,6 a 1,5
m. Se recomienda que el máximo desplazamiento sea 12 a 15 veces el espesor de la
losa en ambas direcciones.
3.3 Espesor del asfalto
Después de preparar la superficie, debe quedar asfalto suficiente para formar una
sección compuesta que soporte la carga (fig.11). Se recomiendaque el mínimoespesor
de asfalto después del fresado sea de 75 mm. Un espesor mayor aumenta la capacidad
de carga del sistema, disminuye los esfuerzos críticos en el hormigón y disminuye la
fatiga en la parte inferior de la capa de asfalto.
Para espesores mayores a los 10 cm, se habla de recubrimientos convencionales.
Aunque la diferencia entre estos espesores es convencional, desde un punto de vista
conceptual, el diseño del recubrimiento tiene una diferencia significativa: usualmente los
recubrimientos convencionales se diseñan como "no adheridos", en tanto que para los
pavimentos delgados se contempla la adherencia con el pavimento asfáltico subyacente.
Se consigue asi una sección monolítica, que reduce las tensiones de trabajo del
recubrimiento y posibilita un menor espesor.
La necesidad de contar con adecuada adherencia y mantenerla en servicio es un
factor crítico y condiciona fuertemente el diseño y ejecución de este tipo de
recubrimiento
22
Fig. 10 AL tener espaciamientos cortos, se busca que el pavimento actúe como mecanismo y no como
estructura.
Fig. 11 Efecto del espesor del asfalto, a mayor espesor, las tensiones disminuyen.
23
3.4 Proceso constructivo
Sólo es necesario reparar problemas serios del pavimento existentes tales como
ahuellamientos severos, desplazamientos y baches (tabla 2). En las áreas en que la
subrasante haya fallado y por lo tanto no proporcione soporte uniforme a la capa de
hormigón, debe retirarse y reemplazarse.
Después de hacer las reparaciones, se debe decidir como se va
a tratar la
superficie deformada antes de colocar la sobrecapa. Se han utilizado distintos métodos:
• Barrer y colocar directamente.
• Fresar para nivelar la superficie
• Colocar una capa niveladora
3.4.1 Preparación de la Superficie
Colocación directa
En este caso la superficie no se trata y las huellas se llenan con el hormigón de la
nueva capa. No es necesario fresar, hacer gradación de finos ni otra actividad. La
colocación directa se recomienda para todos los casos en los que el ahuellamiento no
supere los 5 cm.
Para determinar el volumen de concreto necesario se debe realizar un
levantamiento topográfico de varios sectores del tramo a rehabilitar. La distancia entre
cada corte es por lo general 30 m. para tramos
de curvas de radio grandes y de 7,5
m cuando las curvas son de radios menores. Los volúmenes se estiman con las áreas
de las cortes transversales a lo largo del proyecto y entregan una correcta estimación
del material necesario.
En la siguiente figura se muestra el número de datos registrados para una sección
transversal típica de 2 pistas. Por cada sección transversal se toman elevaciones en
donde el criterio indique que la superficie s encuentra deformada. Generalmente se
necesitan entre 7 a 9 datos para una vía de dos pistas. Son muy frecuentes las medidas
en los bordes del pavimento, línea central, huellas y puntos en la mitad de cada pista.
La sección transversal se determina en cada estación usando las elevaciones medidas
y una elevación de la superficie propuesta (nueva rasante), que debe incluir los
24
requisitos de espesor, incuso sobre elevaciones altas de la superficie existente.
La construcción directa es muy efectiva desde el punto de vista de costos, porque
no se necesitan procedimientos constructivos previos. Además el costo del
levantamiento es mucho menor que el de nivelar la superficie.
Fresado del asfalto existente.
Las irregularidades de la superficie a
rehabilitar pueden quitarse fresando el
asfalto existente. Para que el perfil quede uniforme por lo general hay que remover
entre 2,5 a 7,5 cm. de la superficie. El fresado establece el acabado de la rasante y la
pendiente transversal de la vía, según sea necesario.
En relación a la colocación directa, este método requiere de menos tiempo que el
levantamiento topográfico, sin embargo hay que considerar el costo de la máquina
fresadora y del manejo de los materiales removidos (que pueden utilizarse en la
construcción de bermas).
Hay ocasiones en que por requerimientos geométricos se hace imprescindible el
fresado de manera de mantener la cota de la rasante de acuerdo a esos requerimientos,
por ejemplo el gálibo bajo un paso bajo nivel.
Capa niveladora
Una capa niveladora puede crear una superficie de pavimento uniforme, por lo
general se necesitan entre 2,5 a 5 cm. de asfalto para quitar las deformaciones del
pavimento existente. Usualmente se usa una mezcla bituminosa caliente que debe
reunir las especificaciones de diseño tradicionales y usar agregados gradados
convencionales. Debido a su costo, no es recomendable utilizar ésta alternativa donde
las deformaciones sean menores que 5 cm.
25
Fig. 12 Esquema de recolección de puntos para realizar el perfil topográfico.
Fig. 13 Vista de la superficie tras el fresado. Nótese la textura rugosa de la superficie, fundamental para
obtener una buena adherencia.
26
3.4.2 Limpieza de la Superficie
Tras la preparación de la superficie, es necesario una profunda limpieza de ésta.
Para la eliminación de las partículas grande, basta con un buen escobillón (fig. 14).
Para limpiar el polvo, es recomendable aplicar aire comprimido (fig. 15)
Se recomienda humedecer el asfalto de manera de enfriarlo para evitar un secado
acelerado del hormigón que provocaría microfisuración en el hormigón fresco.
3.4.3 Hormigonado de la Superficie
Para realizar la colocación del hormigón, se puede utilizar, en el caso de vias
urbanas, un tren pavimentador de tamaño medio, especialmente diseñado para trabajos
en ciudad. Este tren permite una colocación más rápida y eficiente con una mejor
terminación superficial, alcanzándose rendimientos mucho mayores que los logrados
con el sistema tradicional de cercha vibradora. Además, este sistema utiliza el mismo
cable guía de la fresadora para dar la terminación y horizontalidad de rasante requerida.
El hormigón se coloca con descarga directa del camión mixer en el sitio de
colocación. (fig 16 y 17)
Para la terminación puede realizarse un platachado manual, si es que la
terminación del tren pavimentador no es la adecuada. Para un mejor resultado
convendría ajustar el cono del hormigón.
Para darle la textura adecuada, se puede utilizar una aspillera o con un escobillón.
La aspillera húmeda deja una textura rugosa, pero son surcos poco profundos, en el
caso del escobillón, los surcos son más profundos (fig. 18)
27
Fig. 14 Faenas de limpieza con escobillón para las partículas grandes.
Fig. 15 Faena de limpieza más profunda, usando aire comprimido, para remover las partículas más
pequeñas.
28
Fig. 16 Colocación del hormigón, directamente desde el camión mixer.
Fig. 17 Tren pavimentador en faenas de hormigonado.
29
Fig. 18 Aplicación de aspillera, para la obtención de la textura rugosa.
Fig. 19 Aplicación de la membrana de curado.
30
3.4.4 Membrana de Curado
Es recomendable utilizar alguna membrana de curado para evitar el secado
acelerado de la superficie y por lo tanto fisuración plástica. La aplicación se realiza con
rociado con fumigadores (fig. 19)
3.4.5 Corte de Juntas
El corte de las juntas se debe realizar en cuanto la resistencia de la superficie sea
suficiente como para soportar el peso de las máquinas de corte. Esto ocurre por lo
general cerca de las 4 horas de colocado el hormigón.
3.4.6 Curado del Hormigón
Para acelerar el fraguad del hormigón es recomendable utilizar mantas protectoras
de polietileno, con el fin de lograr un aumento en la resistencia acelerada y asi disminuir
el plazo de apertura al tránsito de la vía.
En el caso de la experiencia chilena con el breve tramo en Av. Sta. Rosa se utilizó
polietileno con burbujas de 5 mm, colocando el lado donde se encuentran las burbujas,
hacia abajo. Este sistema de curado, tiene la doble ventaja de mantener la temperatura
del hormigón alta y asi acelerar la ganancia de resistencia y conservar el nivel de
humedad necesario para que el cemento reaccione.
3.4.7 Transferencia de Cargas
La necesidad de barras de transferencias de cargas en las juntas transversales
depende de la capacidad de soporte, el tráfico y el diseño de las losas. Se recomienda
el uso de juntas en vías que tengan un tráfico pesado (de más de 5 millones de ejes
equivalentes), pero en estos casos los espesores de diseños son mayores a los de
Whitetopping delgado y ultradelgado en el caso de éstos, las barras de transferencia de
cargas no se necesitan.
31
3.4.8 Apertura al Tránsito
Un criterio apropiado para la apertura al tránsito, sería una resistencia a la
compresión de 20 Mpa de probetas moldeadas a pie de obra. Esta resistencia se
obtiene en homigones Fast Track en un lapso de 20 horas aproximadamente. En el
caso de hormigones normales, tras 48 horas puede realizarse la apertura al trñansito.
Fig. 20 Aplicaciones de mantas de polietileno para el curado del hormigón.
32
CAPITULO IV DISEÑO DE WHITETOPPING
Para el diseño del Whitetopping no existe un método único y uniforme. A medida
que se han desarrollado proyectos, cada institución a cargo de éstos, ha adoptado
algún método que se adapte a sus requerimientos de mejor forma.
De la revisión de la literatura relacionada, en este capítulo se mostrarán distintos
métodos de diseño, para finalmente utilizando uno de ellos, el del Departamento de
Transportes del Estado de Colorado,
para el diseño del tramo de prueba
que
comprende este trabajo de título.
4.1 Método de Diseño UTW de la PCA (Portland Cement Association)
Este es un método para el diseño de pavimentos ultradelgados (UTW), pero como
vimos en el capítulo anterior el funcionamiento de las capas ultradelgadas y delgadas,
es similar, por lo que se consideró necesario revisar este procedimiento de diseño.
Técnicamente este método es un proceso de análisis que permite la predicción del
número de ejes hasta llegar a la falla del pavimento, para una configuración dada en
cuanto a espesores y separación de las juntas. Este método es mecanicista empírico.
Durante su desarrollo se utilizó un modelo tridimensional de elementos finitos (MEF)
para simular el funcionamiento de los pavimentos, en este caso ultradelgados.
Para verificar el modelo 3D, se recolectaron datos de tres proyectos en los estados
de Missouri y Colorado. Al comparar esos datos con las predicciones hechas se
constató que las mediciones realizadas eran superiores a las predichas en
aproximadamente un 14 % a un 34 %. Para compensar esta diferencia, se ajustó el
modelo de manera de simular una condición de adherencia parcial, que es lo que
ocurría realmente y no una total adherencia como se había supuesto en el modelo
original. Las ecuaciones de diseño originales se ponderaron por un factor 1,36 de
manera de incorporar un 36% más a los esfuerzos resultantes. Este factor comprende
un factor de seguridad, ya que incluye los esfuerzos promedios más una desviación
estándar
33
Las ecuaciones de diseño de este procedimiento se determinaron tras el análisis
del modelo 3D, posteriormente, gracias a los datos recolectados, se introducen el factor
de ajuste. Finalmente se llega a las siguientes ecuaciones.
 Ladj
log10 (ε HMA,18kSAL ) = 5.267 − 0.927 × log10 (k ) + 0.299 × log10 
 le

 − 0.037 × le

log 10 (ε HMA ,36 kTAL ) = 6 .70 − 0.891 × log 10 (k ) − 0.786 × log 10 (le ) − 0 .028 × le
 Ladj
log10 (σ PCC ,18kSAL ) = 5.025 − 0.465 × log10 (k ) + 0.686 × log10 
 le

 − 1.291 × log10 (le )

 Ladj 
 − 0.963 × log10 (l e )
log10 (σ PCC ,36 kTAL ) = 4.898 − 0.599 × log10 (k ) + 1.395 × log10 
 le 
 Ladj 

− 0.088 × 
 le 
 Ladj
∆ε HMA, ∆T = −28.698 + 2.131 × α PCC × ∆T + 17.692 × 
 le
 Ladj
∆σ PCC , ∆T = 28.037 − 3.496 × α PCC × ∆T + 18.382 × 
 le
34






(Ec. 1)
(Ec. 2)
(Ec. 3)
(Ec. 4)
(Ec. 5)
(Ec. 6)
Donde:
ε HMA,18kSAL = Tensión en el fondo de la capa de asfalto, para una carga de 18-kip de
un eje simple. (µε )
ε HMA,36kTAL = Tensión en el fondo de la capa de asfalto, para una carga de 36 kip, eje
tandem (µε )
σ PCC ,18kSAL = Tensión superficial en las esquinas de la capa de hormigón (UTW) para
una carga de 18-kip de un eje simple. ( psi )
σ PCC ,36kTAL = Tensión superficial en las esquinas de la capa de hormigón (UTW),
para una carga de 36-kip de un eje tandem. ( psi )
∆ε HMA, ∆T = Tensión adicional en el asfalto (fondo) a causa de un gradiente de
temperatura. (µε )
∆σ PCC, ∆T = Tensión adicional superficial (esquina) de la capa de hormigón, a causa
de un gradiente de temperatura. ( psi )
α PCC = Coeficiente de expansión térmica del hormigón  ε 

Ladj
F
( F)
∆T = Gradiente de temperatura en la capa de hormigón
Ladj = Largo de la losa (in ) . Definido como:



25 

= 12 ×  8 −
L

+ 2 



12
(Ec. 7)
Donde
k = Módulo de reacción de la subrasante  psi


in.
le = Radio efectivo de la respectiva rigidez para un sistema completamente adherido.
Se define como:
4
2
2
 t3
 t3
t
t

 

 
E PCC ×  PCC + t PCC ×  NA − PCC   E HMA ×  HMA + t HMA ×  t PCC − NA + HMA  
 12
 12
2  
2  




+
2
2
k × 1 − µ PCC
k × 1 − µ HMA
(
)
(
35
)
(Ec.8)
Donde
NA = Eje neutro medido desde la superficie de la capa de hormigón PCC (in.) .
Se define como:
2



 t PCC
 + E HMA × t HMA ×  t PCC + t HMA 

 E PCC × 

2 


 2 
E PCC × t PCC + E HMA × t HMA
(Ec.9)
Donde:
E PCC = Módulo de elasticidad del hormigón (PCC) ( psi.)
E HMA = Módulo de elasticidad del asfalto (HMA) ( psi.)
t PCC = Espesor de la capa de hormigón (in.)
t HMA = Espesor de la capa de asfalto (in.)
L = espaciamiento actual de las losas (in.)
Con las ecuaciones (1 hasta 9) se calculan las respuestas del pavimento. El próximo
paso es predecir el daño en función del tráfico esperado.
El método PCA identifica dos modos de falla, el primero, por fatiga del hormigón en las
esquinas de las losas, y el segundo por fatiga en el fondo de la capa de asfalto.
Para la fatiga del hormigón se tiene la siguiente ecuación
Para un SR (stress to strenght ratio), el número de cargas para fallar se calcula
como.
•
Para SR > 0.55
0.97187 − SR
log10 (N PCC ) =
0.0828
(Ec. 10)
36
•
Para 0.45 ≤ SR ≤ 0.55
N PCC
 4.2577 
=

 SR − 0.43248 
3.268
(Ec. 11)
• Para SR < 0.45
N PCC = ∞
(Ec. 12)
En el caso de la fatiga del asfalto, se utilizará el criterio usado por el Asphalt
Institute. Este criterio señala que la fatiga se produce cuando el número de
cargas ( N HMA ) produce fisuras en un 20% del área wheelpath.
Esta ecuación esta en función del módulo e elasticidad de asfalto y la máxima
deformación medida en el fondo de la capa asfáltica.
N HMA
 1
= 0.0795 × 
 ε HMA



3.29
 1
× 
 E HMA



(Ec. 13)
El daño acumulado puede ser calculado según la hipótesis de Miner, la cual señala
que la falla ocurre cuando:
grupo
 ni 
 ≥ 1
 i
∑  N
i =1
(Ec. 14)
Para utilizar esta ecuación, el tráfico esperado se divide en grupos de carga con
ejes simples y tandem con sus pesos conocidos. Se calcula el número de cargas N HMA
y N PCC , luego la ecuación 14 se usa para determinar la fracción de vida útil que se ha
consumido del pavimento antes de que se fatigue
Puntos importantes del Método PCA
• Se utilizó un modelo 3D MEF para la predicción de las respuestas del pavimento.
• Se reconoce la importancia de la adherencia entre las capas de hormigón y
asfalto. Incluso se ajustan las ecuaciones originales por este motivo.
• Los datos obtenidos fueron validados con datos en terreno.
• Utiliza distintos criterios de falla, lo que se adapta a la complejidad del sistema
UTW
37
Limitaciones del Método PCA
Se han encontrado las siguientes limitaciones en este método de diseño.
•
El multiplicador ideado para compensar las diferencias entre los esfuerzos
predichos y los reales, se calculó con pocos datos, por lo que los resultados
finales pueden tener errores considerables.
•
Los modos de falla de este procedimiento son dos, fatiga en las esquinas, en
la capa UTW y fatiga en el fondo de la capa de asfalto, si embargo existen
otros mecanismos de falla que en este Método de diseño no han sido
considerados, además de una interacción entre los materiales, por ejemplo la
fatiga del asfalto contribuye a generar esfuerzos en la capa de hormigón.
4.2 Método de Diseño de Espesor de la ACPA (American Concrete Pavement
Association)
Este método de diseño esta indicado para pavimentos ultradelgados (UTW).
Al igual que en el caso anterior, el método esta basado en observaciones y
mediciones en terreno, mas la confección de un modelo 3D en un software de
elementos finitos. También se considera el efecto de los esfuerzos producidos por
gradientes de temperatura.
A manera de simplificación, el método se resume en una serie de tablas
ordenadas según categorías de camiones definidas como sigue:
•
Carga por eje categoría A ( camiones pequeños) con un máximo de carga por
eje simple de 80kN (18000lb) y para eje doble 160 kN (36000 lb)
•
Carga por eje categoría B (camiones medianos) con un máximo de carga por
eje simple 116 kN (26000 lb) y para eje doble de 196 kN (44000 lb)
De las tablas se obtiene el número de camiones (en miles) para un supuesto de
carga y de diseño de UTW el cual esta definido en términos de capacidad de soporte de
la base, resistencia a la flexión del hormigón (PCC), espesor del hormigón, espesor del
38
asfalto y la separación de las juntas.
Las tablas de diseño son las siguientes.
Tabla 3 Método de diseño ACPA
Número de camiones (en miles) admisibles por pista para UTW (Carga por eje Cat A, k=27 Mpa/m)
Resistencia
Flexion
Mpa
4,8
4,8
4,8
4,8
5,5
5,5
5,5
5,5
h2
Espesor
asfalto
cm
0,91
h1, espesor UTW (cm)
8
10
Espaciamiento de juntas (m)
0,61
1,22
0,91
1,83
1,22
7,62
10,16
12,7
15.24 o mas
7,62
10,16
12,7
15.24 o mas
6
56
169
462
24
81
213
507
60
156
375
839
77
183
422
935
5
40
125
314
709
90
201
428
880
104
234
507
1070
158
311
625
1249
137
294
593
1188
273
478
858
1572
303
546
996
1862
458
748
1290
2301
Tabla 4 Método de diseño ACPA
Número de camiones (en miles) admisibles por pista para UTW (Carga por eje Cat A, k=54 Mpa/m)
Resistencia
Flexion
Mpa
4,8
4,8
4,8
4,8
5,5
5,5
5,5
5,5
h2
Espesor
asfalto
cm
0,91
7,62
10,16
12,7
15.24 o mas
7,62
10,16
12,7
15.24 o mas
30
140
384
765
70
201
480
882
39
h1, espesor UTW (cm)
5
8
10
Espaciamiento de juntas (m)
0,61
1,22
0,91
1,83
1,22
163
385
842
1709
209
450
938
1877
117
310
664
1092
221
436
840
1334
258
519
1008
1663
374
667
1222
2227
331
606
1099
1591
577
912
1487
2039
640
1045
1748
2499
915
1396
2190
3574
Tabla 5 Método de diseño ACPA
Número de camiones (en miles) admisibles por pista para UTW (Carga por eje Cat B, k=27 Mpa/m)
Resistencia
Flexion
Mpa
h2
Espesor
asfalto
cm
0,91
h1, espesor UTW (cm)
8
10
Espaciamiento de juntas (m)
0,61
1,22
0,91
1,83
1,22
4,8
4,8
4,8
4,8
5,5
5,5
5,5
5,5
7,62
10,16
12,7
15.24 o mas
7,62
10,16
12,7
15.24 o mas
NR
15
90
259
2
39
129
328
29
90
228
529
43
110
263
596
5
1
43
168
428
31
98
252
576
38
122
301
671
84
188
406
840
8
98
273
639
106
238
501
1007
136
299
593
1181
268
471
845
1581
Tabla 6 Método de diseño ACPA
Número de camiones (en miles) admisibles por pista para UTW (Carga por eje Cat B, k= 54MPa/m)
Resistencia
Flexion
Mpa
4,8
4,8
4,8
4,8
5,5
5,5
5,5
5,5
h2
Espesor
asfalto
cm
0,91
h1, espesor UTW (cm)
8
10
Espaciamiento de juntas (m)
0,61
1,22
0,91
1,83
1,22
8
10
13
15 o más
8
10
13
15 o más
NR
55
197
511
9
101
277
639
75
216
497
1053
111
261
622
1183
5
40
6
110
331
771
79
221
495
1002
102
284
620
1221
197
398
778
1493
56
230
553
1148
266
502
922
1583
298
578
1076
1915
551
875
1460
2438
Un ejemplo usando las tablas, suponiendo que el recubrimiento UTW esta
contemplado para una calle urbana sujeto a un tráfico de camiones tipo carga por eje
categoría B,
La subrasante tiene un valor de k= 54 kPa/mm (200 lbf/in2/in) y el asfalto existente
tendrá un espesor de 102 mm (4 in) después del fresado. Si el UTW fuera de 76 mm
(3in) de espesor con una resistencia a la flexión de700 lbf/in2 y la separación entre
juntas de 0.9 m (3ft), entonces el UTW debería ser capaz de soportar 284000 camiones
con carga por eje tipo A (tabla 4). Si la calle recibiera 75 camiones por día, entonces el
UTW estaría diseñado para tener una vida útil de 10,4 años.
VidaÚtil =
284000
= 10.4
75 × 365
4.3 Método de Diseño de Espesor del CDOT
Este método de diseño será visto con mayor profundidad, ya que será e escogido
para el diseño del tramo de prueba del próximo capítulo.
El Departamento de Transporte del estado de Colorado (CDOT) en los Estados
Unidos, en el año 1998 desarrolló tres proyectos UTW y TWT que fueron la base del
método de diseño que utilizan actualmente. Estos tres caminos rehabilitados fueron la
ruta U.S.85 cerca de Denver, la ruta S.H.119 cerca de Longmonty y la ruta U.S.287
cerca de Lamar.
Estos 3 proyectos se diseñaron con distintas características en cuanto a espesor y
espaciamiento de las juntas, las losas fueron instrumentadas para medir las
deformaciones y el comportamiento en general. Con los datos recopilados y el análisis
de estas experiencias se llegó a las primeras ecuaciones de diseño. Posteriormente,
para verificar y mejorar el método de diseño, se rehabilitó una nueva vía, la S:H. 121
Wadsworth Boulevard, cerca de Denver. Nuevamente, este proyecto fue instrumentado
para obtener nuevos datos que junto a los recopilados en el los proyectos del año 1998
forman la base para las ecuaciones finales con las que trabaja actualmente el CDOT.
41
Las condiciones de tráfico de los tramos utilizados en el estudio del CDOT se
detallan como sigue.
Tabla 7 Niveles aproximados de tránsito para las secciones de prueba del estudio del CDOT
Ruta
Tránsito Medio Diario Anual
TMDA
Porcentaje vehículos
pesados
U.S. 85
1500
25%
S.H. 119
19760
8%
U.S. 287
2287
59%
S.H. 121
44562
3%
42
Tabla 8 Características por tramo, Método CDOT
E.Fresada: Existente y fresada
43
Como la idea de los tramos era recopilar la mayor cantidad de información
posible, lo que se hizo fue variar distintos puntos en la construcción de los tramos,
como se señala en la tabla de la página anterior.
En el proyecto U.S.85 Santa Fe, los espesores del hormigón variaron entre los
12 cm. a 15 cm., y para el asfalto entre los 11 cm. y los 14 cm. Las juntas
longitudinales y transversales fueron para todas las losas de 1,5 m.
La característica más importante de este proyecto fue la utilización de asfalto
nuevo antes de depositar la capa de hormigón. En un sector además se fresó esta
capa de asfalto.
Al momento de evaluar la resistencia al corte en la interfase, a los 28 días, el
sector en donde se fresó el asfalto nuevo presenta resistencias bastante inferiores a
los sectores en que no se fresó la superficie, sin embargo con el paso del tiempo las
resistencias se igualan.
Como la idea del Whiteopping es entre otras cosas, una rápida apertura al
tráfico, la resistencia en edades tempranas es de vital importancia y con este
proyecto quedó demostrado que al fresar una superficie de asfalto nueva, la
resistencia temprana de la interfase es insuficiente.
En el segundo proyecto, S.H. 119, se experimentaron distintos espesores de
losa y distintos acondicionamientos de la superficie asfáltica. Nuevamente, la
resistencia menor a los 28 días fue la correspondiente a la superficie asfáltica nueva,
la mayor resistencia correspondió a la superficie asfáltica existente. Sin embargo
hay otros factores que influyen en estos resultados, como lo son los espesores de la
capa asfáltica, que como se dijo en el Capítulo del Funcionamiento, es uno de los
factores importantes junto con la adherencia y la separación de las juntas.
En el proyecto U.S. 287 dos fueron los factores principales estudiados, la
separación de las juntas y el reforzamiento de éstas. En los tres tramos, la superficie
asfáltica existente fue fresada posteriormente se limpió profundamente y se colocó la
capa de hormigón.
45
Se colocaron barras de refuerzo en las juntas, pero éstas no significaron un
mejor resultado que los otros proyectos.
A los 28 días, el tramo que mejor resistencia obtuvo, fue el con menor
separación entre las juntas (72 in)
En el cuarto proyecto, S.H. 121, hay un intento por comprobar las predicciones
hechas con el Método de Diseño del CDOT. Fue construido en el año 2001.
Este tramo fue diseñado para1.3 millones de ejes equivalentes, para una vida
útil de 10 años. Como ya se había comprobado, a mejor alternativa era fresar la
superficie asfáltica existente, y esto se hizo en todo el proyecto.
Se consideraron los siguientes parámetros de diseño.
Tabla 9 Parámetros de Diseño, Método CDOT, Proyecto SH 121
Proyecto
SH 121
Parámetro de diseño
Valor
Categoría de la vía
Secundaria
Vida útil de diseño (años)
10
Tráfico (18-kip EE)
1272000
Espaciamiento juntas (in.)
72
Módulo Elasticidad Hormigón (psi)
3400000
Coeficiente de Poison del Hormigón
0.15
Espesor del asfalto existente (in)
5.5
Módulo Elasticidad Asfalto (psi)
266000
Coeficiente de Poison de Asfalto
0.35
Módulo de reacción de la subrasante
500
(psi/in)
Espesor de la capa de Hormigón (in.)
6
Para desarrollar este proyecto se siguieron diferentes etapas, que partieron con
una evaluación del pavimento existente, que incluyó un chequeo visual de las
condiciones, medición del ahuellamiento, extracción de testigos y deflectometría.
46
Tabla 10 Lista de chequeo de condiciones de pavimento flexible
PAVEMENT EVALUATION CHECKLIST (FLEXIBLE)
PROYECTO Nº:____________________
UBICACIÓN: ______________________
CÓDIGO PROYECTO (SA #): ________________DIRECCIÓN: DE KM A KM ______
FECHA:______________________ HECHO POR :______________________________
PROFESIÓN:_______________________________
TRAFICO:
- EE existente anuales: _______________
- EE diseño________________________
DATOS EXISTENTES DEL PAVIMENTO
- Subrasante (AASHTO) – Condición de la berma
- Base (tipo/espesor) (buena, regular, mala)
- Espesor del pavimento – Condición de los sellos de junta
- Rigidez del suelo (R/MR) (buena, regular, mala)
- Suelo con napa (si/no) – Separación pavimento-berma
- Condición de drenaje (buena, regular, mala)
INSPECCIÓN VISUAL
Tipo
Severidad
Piel de cocodrilo
Afloramiento
Grieta de bloques
Desplazamiento
Depresiones
reflexión de grietas en juntas
Grietas transversales
Deterioro de parches
Pulimento de los áridos
Baches
Pérdida de áridos
Ahuellamiento
otros
47
% aproximado
En cuanto a los testigos se extrajeron 12 muestras, previo a la colocación de la
capa de hormigón y más de 40 durante los dos años posteriores a la construcción del
pavimento. Los testigos se utilizaron en una primera fase para determinar el espesor
de la capa asfáltica y posteriormente para comprobar la resistencia en la interfase
hormigón-asfalto. Para realizar estas pruebas se siguieron las pautas especificadas
en el Método Iowa 406-C .
En los demás proyectos, también se utilizaron los testigos como fuente de
información para otras características como resistencia a la compresión, módulo de
elasticidad y resistencia a la flexión.
Los resultados de los testigos ensayados, se encuentran en la Tabla 8, en
donde podemos apreciar, que en el último proyecto, el SH 121, se obtuvieron los
mejores resultados en cuanto a resistencias tempranas, ya que en este caso se
tenía el conocimiento previo de los restantes proyectos. Con el paso del tiempo, las
resistencias tienden a equipararse.
Con la experiencia recopilada, se esta en condiciones de presentar el Método
de Diseño de Espesores del CDOT.
El desarrollo y verificación de este Método tuvo las siguientes características.
1. La ubicación de la carga crítica para el diseño del pavimento whitetopping fue
determinado y verificado mediante comparación de los datos de los esfuerzos
recogidos para cada posición.
2. El esfuerzo crítico se determinó en condiciones de gradiente de temperatura casi
nulo.
3. Se realizó un análisis teórico- experimental para los esfuerzos en el hormigón. Se
obtuvo un factor de calibración para ajustar los resultados experimentales a los
predichos teóricamente.
4. La total adherencia entre el hormigón y el asfalto no es total, por lo que se creó
un factor para modificar esta condición y ajustarse a la realidad experimental.
5. Se consideró el efecto de la temperatura en la pérdida de resistencia del
hormigón por causa de la retracción (curling)
6. El cálculo de las tensiones de diseño en el hormigón y en el asfalto se obtuvo tras
48
con las siguientes características.
•
Para calcular las tensiones sobre el hormigón y el asfalto se utilizó el software
de elementos finitos ILSL2.
•
Las ecuaciones de diseño se obtuvieron mediante regresiones lineales. Las
ecuaciones originales se corrigieron tras nuevos estudios, agregándoles
factores de corrección.
•
Como criterio de falla se usa el criterio de fatiga para evaluar las capas de
asfalto y hormigón por separado. Por lo tanto, para un juego dado de
parámetros de diseño de un pavimento junto a propiedades de los materiales
dadas, el hormigón o la capa de asfalto pueden gobernar el diseño
4.3.1 Ecuaciones de diseño Método CDOT
Tensión en el Hormigón para 20-kip SAL
(σ )
1
pcc 2
= 18.879 +
2.918 × t pcc
t ac
+
425.44
− 6.955 × 10 −6 E ac − 9.0366 log k + 0.0133L
le
Tensión en el Hormigón para 40-kipTAL
1
(σ pcc )2 = 17.669 + 2.668 × t pcc + 408.52 − 6.455 × 10 −6 E ac − 8.3576 log k + 0.0062L
t ac
le
(Ec .15)
(Ec. 16)
Deformación del asfalto para 20-kip SAL
1
(ε ac ) 4
= 8.224 −
0.2590 × t pcc
t ac
− 0.04419 × l e − 6.898 × 10 −7 E ac − 1.1027 log k
(Ec. 17)
Deformación del asfalto para 40-kipTAL
1
(ε ac ) 4
= 7.923 −
0.2503 × t pcc
t ac
− 0.04331 × le − 6.746 × 10 −7 Eac − 1.0451log k
49
(Ec 18)
Donde
σ pcc = Tensión máxima en la losa de hormigón. ( psi.)
ε ac = Deformación máxima en el fondo de la capa de asfalto, microstrain
E pcc = Módulo de Elasticidad del Hormigón (se asume 4000000 psi)
E ac = Módulo de Elasticidad del Asfalto ( psi.)
t pcc = Espesor de la capa de hormigón (in.)
t ac = Espesor de la capa de Asfalto (in.)
µ pcc = Coeficiente de Poissons del Hormigón (se asume 0.15)
µ ac = Coeficiente de Poissons del Asfalto (se asume 0.35)
k = Módulo de reacción de la subrasante ( pci.)
le = Radio efectivo de la respectiva rigidez para un sistema completamente adherido.
Se define como:
4
2
2
 t3
 t3
t
t

 

 
E PCC ×  PCC + t PCC ×  NA − PCC   E HMA ×  HMA + t HMA ×  t PCC − NA + HMA  
 12
 12
2  
2  




+
2
2
k × 1 − µ PCC
k × 1 − µ HMA
(
)
(
)
(Ec 19)
Donde
NA = Eje neutro medido desde la superficie de la capa de hormigón PCC (in.) .
Se define como:
2


 t PCC
t HMA 



E
E
t
t
+
×
×
+
×

 PCC 
HMA
HMA  PCC

2 

 2 

E PCC × t PCC + E HMA × t HMA
L = espaciamiento actual de las losas (in.)
50
(Ec 20)
Al igual que en el Método de la PCA, para evaluar la falla de la capa de hormigón, se
utiliza el criterio de falla por fatiga. Sus ecuaciones son las mismas.
•
Para SR > 0.55
log 10 ( N PCC ) =
•
Para 0.45 ≤ SR ≤ 0.55
N PCC
•
0.97187 − SR
0.0828
 4.2577 
=

 SR − 0.43248 
3.268
Para SR < 0.45
N PCC = ∞
Donde
SR = stress to strenght ratio
N= Número de cargas esperadas
Para evaluar la fatiga del asfalto, el criterio utilizado es del Asphalt Institute, y su
ecuación es la siguiente:
Número de repetiones permitidas en el asfalto
(
N = C × 18.4 × 4.32 × 10
−3
)
 1
× 
 ε ac



3.29
 1
× 
 E ac
51



0.854
(Ec 21)
Donde
N = Número de cargas para una fatiga de un 20% o mayor
ε ac = Deformación máxima del asfalto
E ac = Módulo de elasticidad del asfalto, psi
C = Factor de corrección = 10 M
 Vb

M = 4.84 × 
− 0.69
Vv + Vb

Vb = Volumen de asfalto, %
Vv = Volumen de aire. %
Para una mezcla típica, el valor de M es igual a cero, por lo tanto el factor de
corrección tiene el valor de 1.
Cuando se utiliza Whitetopping como una alternativa de rehabilitación, el valor
de N se debe modificar para considerar el porcentaje de fatiga que lleva acumulado
el asfalto deteriorado. Por lo tanto, el número de cargas N debe ser multiplicado por
la cantidad del porcentaje que aun falta por consumir para que falle por fatiga. Por
ejemplo, si se ha determinado que la fatiga acumulada es de un 25%, el valor de N
se debe multiplicar por 0.7
4.3.2 Incorporación de ejes equivalentes al diseño.
El estado de Colorado, actualmente usa en el diseño de sus caminos, el
procedimiento desarrollado por la AASHTO. En Chile también se utiliza este
procedimiento. Este procedimiento utiliza el concepto de eje equivalente de 18 kip
(ESAL). Este valor es utilizado para convertir el daño causado por los distintos ejes a
un daño equivalente causado por ejes de 18 kip. El daño esta en función del espesor
del pavimento, y la AASHTO calcula para pavimentos de espesores mayores a 6 in.
(15 cm). Como el Whitetopping comprende espesores menores, fue necesario
desarrollar factores de corrección para convertir los ejes equivalentes estimados con
espesores más gruesos que los necesarios para Whitetopping.
En el estado de Colorado se hace la distinción de acuerdo al tráfico esperado,
se distingue entre vía primaria y vía secundaria. El factor de conversión de ejes
equivalentes esta pensado para un espesor de 8 in. Y un índice de servicialidad final
52
de 2.5. Esta fórmula de conversión se extrapoló para espesores pequeños como 4 in,
y el número total de ejes equivalentes fue calculado para una variedad de grosores
de Whitetopping Los factores de conversión se obtienen de las siguientes
expresiones.
Factor de conversión, vía Primaria
FESAL = 0.985 + 10.057 × (t PCC )
−3.456
(Ec. 22)
Factor de conversión, vía Secundaria
FESAL

2.138 

= 1.286 −
t PCC 

−1
(Ec. 23)
Donde
FESAL = Factor de conversión de ejes equivalentes, estimación asumiendo un
pavimento de espesor 8 in.
t PCC = Espesor de la capa de hormigón, in.
Por ejemplo, para un diseño de whitetopping que contemple un espesor de 4.5
in para una vía Secundaria y con un valor de ejes equivalentes de 750000, con el
factor de conversión se obtienen 950000 ejes equivalentes para Whitetopping.
Al comparar resultados a partir del método mecanicista, que utiliza
distribuciones de carga por eje, con el procedimiento empírico, que utiliza EE, nos
encontramos con que los resultados del espesor requerido no son iguales, tal como
se muestra en la figura 21.
53
Fig. 21 Conversión de espesores desde el Método Mecanicista al Método Empírico
54
La tendencia de los datos del la figura anterior nos sugiere que existe una
relación entre los dos procedimientos y se puede convertir el espesor de ensayo
(Trial) a el espesor de entrada para el procedimiento. Para esto se cuanta con la
siguiente ecuación.
t IMPUT = 1.1251(tTRIAL ) + 0.6299
(Ec. 24)
Donde
t IMPUT = Espesor del hormigón convertido para ser el espesor de entrada en
el procedimiento de diseño con EE.
tTRIAL = Espesor de ensayo, que se convierte en el espesor especificado
para el Whitetopping.
Esta correlación fue desarrollada para espesores de Whitetopping de hasta 8 in
y no debe ser aplicada para otros valores.
Además, según el método de la AASHTO, que es el que se utiliza en Chile para
el diseño de pavimentos, los ejes equivalentes están calculados en base a un eje de
18 kip por tanto se necesitan unas nuevas ecuaciones que surgen a partir de las del
Método CDOT.
Tensión en el Hormigón para 18-kip SAL


t
425.44
σ PCC = 0.9 × 18.879 + 2.918 × PCC +
− 6.955 × 10 −6 E AC − 9.0366 log k + 0.0133 L 
t AC
le


2
(Ec 25)
Deformación del asfalto para 18-kip SAL
ε AC


t
= 0.9 ×  8.224 − 0.2590 × PCC − 0.04419 × l e − 6.898 × 10 −7 E AC − 1.1027 log k 
t AC


55
4
(Ec 26)
CAPITULO V DISEÑO DE TRAMO DE PRUEBA CON WHITETOPPING
En este capítulo se diseñará un tramo de prueba, utilizando el método de
diseño del CDOT descrito en el capítulo anterior.
El sector escogido es un tramo de 300 metros que parte en el kilómetro
1428.000 de la ruta 5, localidad de Baquedano.
Uno de los factores para la elección del tramo, es que esta sección de la Ruta
5 cuenta con una estación de pesaje digital que permite una mayor precisión en la
determinación de las solicitaciones del pavimento a diseñar. Esta estación de pesaje
data del año 2005 y se encuentra instalada en el Km. 1430 de la Ruta 5. Con este
sistema automatizado de pesaje se obtiene la estratigrafía de cargas conociendo la
distribución y tipología de vehículos que componen el tránsito de la región en esta
ruta y tramo. También es posible obtener la cantidad de ejes equivalentes por
vehículo, parámetro de importancia fundamental en el diseño de pavimentos, en
nuestro caso particular, el diseño de Whitetopping.
56
Fig. 22 Ubicación del tramo de prueba a diseñar. El cuadro de la línea punteada se detalla en la figura
siguiente.
57
Fig. 23 Detalle de la ubicación del tramo de prueba a diseñar. La extensión será de 300 m.
Fig. 24 Estación de pesaje digital. Con esta tecnología, la recolección de datos para el diseño es mas precisa.
58
En una inspección visual del pavimento realizada por funcionarios del
Laboratorio Regional de Vialidad de Antofagasta, se determinó que el daño del
pavimento es leve, tanto en cantidad como en magnitud, predominando las fallas tipo
piel de cocodrilo y algunas grietas transversales. Por lo tanto el tramo es un buen
candidato para llevar a cabo una rehabilitación usando Whitetopping.
El tránsito mayoritario que circula por el sector, corresponde a camiones de dos
o más ejes, lo que se explica por la intensa actividad minera de la región. El detalle
del tránsito y las tasas de crecimiento esperadas en la siguiente tabla.
Tabla 11 Detalle del tránsito en el tramo de prueba
Tipo de Vehículo
TMDA
Tasa de crecimiento
C2E
226
6,5 % anual
C+2E
921
7,5 % anual
BTB
251
5,5 % anual
Al ser un tramo de prueba, la vida útil proyectada será de sólo 5 años. Con este
dato, el número de ejes equivalentes esperado es de 4 558158 EE.
Mediante los ensayos de deflectometría, se determinó que el asfalto existente
posee un porcentaje de fatiga consumido de 23 %
Se extrajeron testigos para determinar espesores de las capas existentes. Los
resultados están en la siguiente tabla.
Tabla 12 Testigos para tramo de prueba
EXTRACCION DE TESTIGOS
Testigo
Km.:
Faja
Nº
1
1.428,100
Derecha
2
1.428,200
Izquierda
Concreto asfáltico
espesor (mm)
33
35
Base asfáltica
espesor (mm)
65
70
Para determinar el módulo de reacción k de la subrasante, se realizó una
calicata donde se obtuvieron los siguientes datos.
59
Tabla 13 Detalle des las calicatas efectuadas para el tramo de prueba
Estrato
Nº
1
Cota
Superior
(cm)
0
Cota
Inferior
(cm)
0,24
espesor
(cm)
0,24
2
0,24
0,44
0,20
3
0,44
0,80
0,36
Tipo Material
Base Granular
Capa de terraplén
compactado (Suelo
natural)
Suelo natural compacidad
media
CBR
95(%) dmcs
99
CBR
dens.nat.(%)
103
46
49
46
40
Tras todos los ensayos, y recolección de datos y a modo de resumen, en la
siguiente tabla se presentan los parámetros de entrada para el diseño de nuestro
tramo de prueba.
Tabla 14 Datos de entrada para diseño de tramo de prueba
Datos de Entrada para diseño Whitetopping
Categoría de la via
Espaciamiento juntas ( L )
Trial espesor hormigón
Resistencia a la flexión
Módulo elástico del hormigón
coeficiente poisson hormigón
Espesor del asfalto
Módulo elástico del asfalto
coeficiente poisson asfalto
Fatiga Consumida Asfalto
Módulo de la subrasante
Gradiente de temperatura
Ejes equivalentes
60
primaria
69
5,7
650
4000000
0,15
4
350000
0,35
23
415
3
4558158
in
in
psi
psi
in
psi
%
pci
ºF/in
Como el método implica realizar iteraciones hasta llegar al valor que se ajuste
a los requerimientos, para partir se ha elegido un espesor de la capa de hormigón de
5,7 in, aproximadamente 14,5 cm.
5.1 Pasos a seguir en el diseño
A modo de pauta y para avanzar de manera ordenada, se entregarán los pasos
a desarrollar para el diseño utilizando el Método del CDOT..
1. Determinar le y L l e
2. Calcular la conversión del espesor de ensayo con la Ecuación 24, el factor de
conversión de EE con la Ecuación 22 o 23 según corresponda, en el caso del
tramo de prueba a diseñar la via es primaria. Además se debe calcular la
ubicación del eje neutro. Ecuación 20
Tabla 15 Cálculos precios al diseño
Cálculos previos
Espesor de entrada in.
Factor de Conversión EE
NA eje neutro
le
L/le
7,04
1,00956
3,78
25,20
2,74
3. Con la Ecuación 25 calculamos carga en el hormigón (columna 1, tabla 17), y
con la Ecuación 26 calculamos la deformación en el asfalto (columna 2,tabla
17) . Ambos valores para el caso de eje de 18-kip.
4. Usando las siguientes ecuaciones se calculan los ajustes por adherencia.
Estas ecuaciones se dedujeron de las comparaciones entre los cálculos
teóricos y los resultados experimentales en los proyectos que sirven de base
para el método CDOT.
61
Ajuste por adherencia de las tensiones
σ ex = 1.51 × σ th
(Ec. 27)
Donde: σ ex = Tensión experimental con adherencia parcial. psi
σ th = Tensión teórica con el supuesto de adherencia total. psi
Ajuste por adherencia de las deformaciones
ε ac = 0.897 × ε pcc − 0.776
(Ec. 28)
Donde: ε ac = Deformación medida en la superficie del asfalto, microstrain
ε pcc = Deformación medida en el fondo de la capa de hormigón, microstrain
Los resultados de las ecuaciones 27 y 28 están en las columnas 3 y 4 de la Tabla 17.
5 En las columnas 5 y 6 de la tabla 17 están los ajustes por pérdida de soporte
observada en las fases de estudio del método CDOT. Esta pérdida se debe al
efecto “curling” por la presencia de un gradiente de temperatura. Para esto se
utilizan la ecuación 29 descrita a continuación
Ajuste por pérdida de soporte
σ % = 3.85 × ∆T
(Ec. 29)
Donde: σ % = Porcentaje de variación de la tensión por el gradiente de temperatura.
∆T = Gradiente de temperatura. F in
62
6 Con las tensiones y deformaciones calculadas corresponde analizar la fatiga del
pavimento. Se deben analizar por separado el asfalto y el hormigón y uno de los
casos mandará el diseño.
7 Calculamos el valor de SR (stress ratio) en la columna 8 de la tabla 18, dividiendo
la tensión tras el ajuste por pérdida de soporte (columna 5, tabla17)
por el
módulo de ruptura del hormigón, uno de los datos de entrada.
8 Usando el valor de SR y las ecuaciones de falla por fatiga para el hormigón se
determinan el número de repeticiones esperado para la capa de hormigón. Este
valor se coloca en la columna 9, de la tabla 18.
9 Calculamos el porcentaje de fatiga en la columna 10, dividiendo la columna 7 por
la columna 9 y multiplicando por 100.
10
Copiar las deformaciones máximas del asfalto desde la columna 6, de la tabla 17
a la columna 11, de la tabla 18
11
Usando el módulo de elasticidad del asfalto existente y los valores de las
deformaciones de la columna 11, calculamos las repeticiones permitidas para la
capa de asfalto con la ecuación 21 , e ingresamos esos valores en la columna 14.
12
El porcentaje de fatiga para la capa de asfalto y el daño total por fatiga, esta
calculado del mismo modo que el cálculo de la fatiga del hormigón en el paso 9,
con la diferencia de que en este caso se agrega el porcentaje de fatiga
consumido previamente, que es uno de los datos de entrada.
63
Tabla 16 tensiones y deformaciones con sus respectivos ajustes por adherencia y pérdida de soporte
Tensiones y Deformaciones
Carga
ajuste por adherencia
Tensión, psi mstrains Tensión, psi
mstrains
1
2
3
4
223
139
336
124
ajuste por pérdida soporte
Tensión, psi
mstrains
5
6
375
124
Tabla 17 Análisis de fatiga en el hormigón y en el asfalto
Análisis de Fatiga por ejes equivalentes
Nº de ejes
Análisis Fatiga Hormgón
equivalentes
18-kip
SR
7
4601718
Análisis Fatiga Asfalto
8
EE
esperados
9
Fatiga
%
10
Asfalto
strains
11
EE
esperados
12
Fatiga
%
13
0,577
59120
1,285
124
7772779,287
59,2
Fatiga del Asfalto , %=
82,2
Finalmente, al cabo de 5 años, la fatiga acumulada del asfalto sería de un 82,2%, lo
que nos entrega un margen de seguridad cercano al 20%, por lo que es un buen
diseño. El espesor requerido de hormigón será de 5,75 in, ya que el valor original de
5,7 in se redondea al 0,25 más cercano.
64
CAPITULO VI ANALISIS DE SENSIBILIDAD
Se estudiaron los siguientes parámetros para ver de qué manera afectan en el
espesor del hormigón final resultante.
•
Espesor del asfalto
•
Módulo de reacción de la subrasante k
•
Módulo de elasticidad del asfalto
•
Resistencia a la flexión del hormigón
•
Ejes equivalentes.
Las figuras presentadas a continuación corresponden a los estudios hechos por
el Departamento de Transportes de Estado de Colorado. En ellas se muestran los
resultados de la primera versión del estudio, año 1998, y también los de la
actualización del año 2004.
En la figura 25, vemos que para el modelo del año 1998, el espesor de
hormigón era relativamente sensible para módulos de reacción bajos. Por lo tanto, el
método del año 1998 indicaba que sólo se podía diseñar el pavimento delgado de
hormigón si es que el módulo era mayor que 150 psi/in. Este detalle fue alarmante,
porque es común encontrar subrasantes con Módulo de Reacción menores a los 150
psi/in., sin embargo esto se solucionó con la actualización del estudio del año 2004,
donde se aprecia que la sensibilidad es muy baja.
En la figura 26, se muestra la sensibilidad del espesor del hormigón ante el
factor del módulo de elasticidad del asfalto. Para el estudio del año 1998, que en
módulos elásticos bajos la sensibilidad era considerable, y sólo para espesores del
asfalto cercanos a 5 in el método de diseño era válido. Este también fue un detalle
que hacia poco factible el diseño de whitetopping, ya que 5 in era un espesor muy
grueso para los pavimentos candidatos a este sistema de rehabilitación. Con la
actualización del estudio, en el 2004, la sensibilidad aun se mantiene, pero el
espesor de hormigón es menos sensible para espesores altos.
65
Fig. 25 Sensibilidad del espesor del Hormigón al Módulo de Reacción de la subrasante k
Fig. 26 Sensibilidad del espesor del Hormigón al Módulo Elástico del Asfalto
66
En las figuras 27 y 28, se muestra las sensibilidad en función del la resistencia a
la flexión del hormigón y del gradiente de temperatura, respectivamente. Mientras
que el espesor requerido de hormigón es algo sensible para la resistencia a la flexión,
para la temperatura, se observa que en espesores pequeños de hormigón
prácticamente no existe variación de los gradientes de temperatura aplicados en el
diseño.
De las figuras 29 a la 31 se muestra la sensibilidad del espesor de hormigón
requerido frente al los ejes equivalentes, basada en el espesor del asfalto, módulo
elástico del asfalto y módulo de reacción k de la subrasante respectivamente.
En la figura 29 podemos ver que para el método del año 1998, el espesor del
asfalto se mantenía para EE mayores a 2000000, sólo con menores cantidades de
EE se observa cierta variación en el espesor del hormigón requerido.. Esta situación
cambia para el estudio del año 2004, en que a medida que aumentamos los EE, el
espesor requerido también aumenta, sin importar el espesor del asfalto.
Lo mismo ocurre para el módulo elástico del asfalto y el módulo de reacción k,
a mas EE, mayores espesores resultantes, con una mayor variación en el caso del
módulo elástico, y escasas variaciones para con el valor de k.
Estas tendencias confirman que la técnica de rehabilitación whitetopping, esta
pensada para tráficos menores,
67
Fig. 27 Sensibilidad del espesor del hormigón al Módulo de Ruptura del hormigón.
Fig. 28 Sensibilidad del espesor del hormigón al gradiente de temperatura.
68
Fig. 29 Sensibilidad del Espesor del Hormigón al espesor del asfalto, tomando en cuenta ejes equivalentes.
Fig. 30 Sensibilidad del Espesor del Hormigón al Módulo Elástico del Asfalto, tomando en cuenta ejes
equivalentes
69
Fig. 31 Sensibilidad del Espesor del Hormigón, a el Módulo de la Subrasante k, tomando en cuenta ejes
equivalentes.
70
CAPITULO VII DISCUSIONES, CONCLUSIONES Y LINEAS DE INVESTIGACION
A SEGUIR.
7.1 DISCUSIONES
Los recapados de hormigón se han utilizado desde hace bastante tiempo, ya
hay reportes del año 1918 (ref..1), sin embargo la técnica Whitetopping es
relativamente nueva, su primera aplicación fue en el año 1991, en Kentucky EE.UU.
(ref. 2).
En el capitulo 2, se mencionan algunas experiencias en el extranjero, entre ellas
un proyecto en Argentina, en donde se explica el uso de Whitetopping delgado de
habilitación temprana (ref..4). Esta sería una buena modalidad para implementar en
Chile, principalmente en Santiago, donde las interrupciones al tránsito por periodos
largos, puede acarrear severos trastornos al tráfico en horas punta. Algo parecido al
Whitetopping se hizo en la reparación de la Alameda (Año 2003), con la diferencia de
que el hormigón no se depositó sobre una capa de asfalto, sino que sobre una base
estabilizada que se colocó tras remover el pavimento antiguo. También se ha
experimentado con pavimentos delgados de hormigón en otras ciudades, como
Puerto Montt (ref.. 4), aunque tampoco se han depositado el hormigón sobre asfalto,
así que si bien han sido experiencias con buenos resultados, no corresponden
exactamente a lo que se conoce como Whitetopping.
Se sabe que en Chile, los accidentes de tránsito son frecuentes, por ende la
seguridad de las vías es un factor muy importante. En la Fig.4 se muestra las
menores distancias de frenado en los pavimentos de hormigón en comparación a los
pavimentos de asfalto, esto es algo que ayuda a evitar el deslizamiento de los
automóviles, por lo tanto, un transitar mas seguro. Además, entre las ventajas del
Whitetopping, en la Fig 5, se observa que las fallas del asfalto, bajo la capa de
hormigón, no se proyectan hacia a la superficie, otorgando una mayor seguridad.
Se tienen ciertos paradigmas hacia los pavimentos delgados de hormigón,
entre los cuales esta el relacionado al alto costo inicial en comparación a los
pavimentos de asfalto, la verdad dice que el costo inicial no es mas que un 10% (ref..
3). Venciendo este tipo de paradigmas, sería más fácil
71
incorporar nuevas
tecnologías y mejorar los estándares de nuestros caminos.
En el capítulo 3, sobre el comportamiento de los pavimentos delgados sobre
asfalto, la adherencia entre las capas de hormigón y el asfalto es fundamental para el
buen funcionamiento del pavimento. Hay que tener cuidado con los derrames de
combustibles, ya que la adherencia se ve afectada y el rendimiento disminuye.
(ref..4).
Según la Tabla 8, la mejor adherencia se obtiene fresando la superficie de
asfalto existente. El fresado de la superficie puede realizarse con la máquina
fresadora Roto Mill de CMI Corporation Group, que tiene un rendimiento en
condiciones óptimas de 200 metros por hora para una sección de corte de 2,2
mts.(ref. 6).
A pesar de que los pavimentos delgados de hormigón sobre asfalto, son
pensados con una adherencia total, el comportamiento indica que se consigue una
adherencia parcial, y por lo tanto en el diseño debe incluirse un ajuste por
adherencia.
En cuanto al diseño (capítulo 4) de los pavimentos delgados de hormigón, aún
no existe un método ampliamente aceptado para diseñar Whitetopping, razón por la
cual, en la revisión de la literatura relacionada, se encontraron varios Métodos de
Diseño, pero se estudió más profundamente el del Estado de Colorado, porque este
incluía el uso de Ejes Equivalentes, parámetro que se utiliza en los Métodos de
Diseño del Manual de Carreteras.
Los valores de la Tabla 16, nos muestra que con el Método CDOT adaptado al
uso de Ejes Equivalentes, entrega resultados razonables.
7.2 CONCLUSIONES
Basándose en la información recopilada, el análisis de ésta y el diseño d un
tramo de prueba, se puede concluir los siguientes puntos:
72
•
Se identificaron 3 factores que inciden en el buen comportamiento de los
pavimentos delgados de hormigón sobre asfalto, estos son: la adherencia entre la
capa de hormigón y la capa de asfalto existente, el espesor de la capa de asfalto
existente y el espaciamiento entre las juntas.
•
Una buena adherencia en la interfaz hormigón/asfalto es esencial para la
aplicación exitosa del Whitetopping.
•
De todas las alternativas evaluadas en la preparación de la superficie asfáltica
existente, la de mejores resultados fue la de fresar y limpiar profundamente antes
de depositar el hormigón.
•
Para el espesor del asfalto, se recomiendo un espesor mínimo de 75 mm, en el
caso del diseño del tramo de prueba, se contó con 100 mm.
•
El espaciamiento de las juntas se estima como máxima separación, 1,80 m para
los pavimentos delgados. En el caso de los ultradelgados, las separaciones son
menores, llegando incluso a los 60 cm.
•
Se identifica la falla en las esquinas de las losas como la más común, y se
recomienda aumentar el espesor en esa zona.
•
La adaptación del Método CDOT al uso de EE, hace compatible el diseño con lo
que se utiliza actualmente en Chile, el Método AASHTO.
•
El Método CDOT sólo debe utilizarse para el diseño de pavimentos delgados de
hormigón (10 a 20 cm.), para el diseño de ultradelgados, convencionales.
7.3 LINEAS DE INVESTIGACIÓN A SEGUIR
•
Se necesitan mayores datos en cuanto al funcionamiento a largo plazo de los
pavimentos delgados de hormigón. Cualquier dato nuevo recopilado de ser
estudiado e incorporado al diseño. Como ejemplo el caso de la temperatura se
incluyó, pero variando escasamente el gradiente. Será interesante desarrollar un
nuevo modelo computacional en que este factor este presente de una manera
más amplia.
•
Es de vital importancia monitorear los tramos de prueba, y para ello es necesario
un método de evaluación y seguimiento. En el informe se presentan algunas
73
pautas a seguir, como la extracción periódica de testigos, y la instalación de strain
gages para controlar las deformaciones.
•
Aprovechando el diseño ya realizado, el lógico siguiente paso, es construir el
tramo de prueba propuesto, y recopilar la mayor cantidad de datos posibles que
aporten a mejorar la aplicación de los pavimentos delgados.
•
Se deben desarrollar especificaciones técnicas precisas en cuanto a los
materiales utilizados, maquinaria utilizada y controles de laboratorio.
•
No hay que dejar de lado los pavimentos ultradelgados como alternativas para
vías de tráfico menor. Se debe estudiar algún método específico de diseño para
ellos.
•
Se puede desarrollar un análisis económico que compare las distintas técnicas de
rehabilitación de pavimentos flexibles disponibles, con la técnica Whitetopping.
•
En el análisis de sensibilidad presentado, no se encuentra presente el factor de
espaciamiento de las juntas. Falta incluir este aspecto, que se identificó como
importante en el funcionamiento de los pavimentos delgados de hormigón.
•
La idea final de todas estas recomendaciones, es disponer de una alternativa
viable y respaldada por estudios y experiencias empíricas, para así poder incluirla
entre las distintas formas de rehabilitación que hoy se conocen y que están en el
Manual de Carreteras.
74
7.4 REFERENCIAS
1. APLICACIONES DE CAPAS DE CONCRETO SOBRE PAVIMENTOS DE
ASFALTO (WHITETOPPING), NOTAS TÉCNICAS INSTITUTO COLOMBIANO
DE PRODUCTORES DE CEMENTO. 1999. Colombia
2. COLE LAWRENCE W., SHERWOOD JAMES AND QI XICHENG. Accelerated
Pavement Testing of Ultrathin Whitetopping. 1999. Reno EE.UU.
3. COVARRUBIAS JUAN PABLO, Pavimentos Delgados de Hormigón. Conferencia
ICH.2005
4. DALIMIER MARCELO, SAADE JOSE L.Y FERNÁNDEZ LUCO LUIS, Primer
Experiencia en Argentina con Recubrimientos Delgados de Hormigón en
Habilitación Temprana: Procedimiento Constructivo, Control de Calidad y
Evaluación Preliminar de su Desempeño. 1999, Buenos Aires Argentina
5. DIRECCION NACIONAL DE VIALIDAD, <http://www.vialidad.cl>
6. DIRECCION REGIONAL DE VIALIDAD II REGION- ANTOFAGASTA.
Estratigrafía de Cargas por Eje a partir de Mediciones con Sistema Remoto de
Pesaje Dinámico. 2005.
7. INFORME PRUEBA DE CONSTRUCCIÓN SISTEMA DE REHABILITACIÓN DE
PAVIMENTOS ULTRA THIN WHITETOPPING (UTW), Experiencia en Chile.2003
8. MACK JAMES W.,HAWBAKER LON D. AND COLE LAWRENCE W. Ultrathin
Whitetopping State of the Practice for Thin Concrete Overlays of Asphalt. 1998
EE.UU.
9. MATTHEW J. SHEEHAN, SCOTT M. TARR AND SHIRAZ TAYAJBI,
Instrumentation and Field Testing of Thin Whitetopping Pavement in Colorado and
Revision of the Existing Colorado Thin Whitetopping Procedure. 2004.
10. NCHRP SYNTHESIS 338, THIN AND ULTRA-THIN
Transportation Research Board.2004. EE.UU.
WHITETOPPING.
11. SANHUEZA MARCELA, Departamento Hormigón, Laboratorio Nacional de
Vialidad. Comunicación Personal.
75
12. WHITETOPPING, System Analysis Tool. <http://www.whitetopping.com>
76