TIPOS DE FALLAS EN PAVIMENTOS RÍGIDOS Y FLEXIBLES

METODOLOGÍAS PARA LA EVALUACIÓN DE FALLAS EN PAVIMENTOS FLEXIBLES Y RÍGIDOS

PAVIMENTO RIGIDO Un pavimento rígido se compone de losas de concreto hidráulico que en algunas ocasiones presenta un armado de acero. Este tipo de pavimentos no puede plegarse a las deformaciones de las capas inferiores. La sección transversal de un pavimento rígido está compuesta por la losa de concreto hidráulico que va sobre la sub base y éstas sobre la subrasante. Tiene un costo inicial más elevado que los pavimentos flexibles y su período de vida varía entre 20 y 40 años. El mantenimiento que requiere es mínimo y se orienta generalmente al tratamiento de juntas de las losas. PAVIMENTO FLEXIBLE Por otro lado un pavimento flexible cuenta con una carpeta asfáltica en la superficie de rodamiento, la cual permite pequeñas deformaciones de las capas inferiores sin que su estructura se rompa. Este tipo de pavimento está compuesto principalmente de una carpeta asfáltica, de la base granular y de la capa de subbase. El pavimento flexible resulta más económico en su construcción inicial, tiene un período de vida de entre 10 y 15 años, pero tienen la desventaja de requerir mantenimiento periódico para cumplir con su vida útil. EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS La evaluación de pavimentos permite conocer el estado situacional de la estructura y establecer medidas correctivas para cumplir objetivos de serviciabilidad. EVALUACIÓN ESTRUCTURAL: Existen diferentes métodos de evaluación de pavimentos. En muchos casos los resultados de varios ensayos pueden compararse entre sí con el objeto de confirmar las razones del deterioro o de la falla y, de esta manera, entender mejor el comportamiento del mismo. La evaluación estructural de un pavimento existente abarca necesariamente los siguientes trabajos: •

Evaluación superficial de la condición del pavimento.

•

Evaluación del sistema de drenaje.

•

Determinación de espesores y tipos de materiales constituyentes de la estructura de

•

pavimento.

•

Medición de deflexiones superficiales del pavimento.

Los métodos de evaluación estructural se dividen en dos grupos, los Ensayos Destructivos y lo Ensayos No Destructivos. Entre los ensayos destructivos más conocidos están las calicatas que nos permiten obtener una visualización de las capas de la estructura expuestas, a través de las paredes de ésta y realizar ensayos de densidad “in situ”. Estas determinaciones permiten obtener el estado actual del perfil a través de las propiedades reales de los materiales que lo componen. Las calicatas facilitan además la toma de muestras en cantidad, para su posterior clasificación en el laboratorio, de cuyos resultados se puede establecer el uso más efectivo, al momento de realizarse las tareas de rehabilitación. Los trabajos suministran información adicional como: 

Los espesores de las capas conformantes.



Los contenidos de humedad.



La posible causa del deterioro de la capa (agrietamientos)



La densidad de cada capa



La capacidad de soporte en el material de subrasante.

Por otro lado se pueden efectuar ensayos mediante perforaciones con la ayuda de equipos de calado, barrenos, saca muestras, etc. Esta metodología, en comparación con las calicatas es más sencilla, menos costosa, más rápida y provoca menores interrupciones en el tránsito. Como desventaja, no se puede realizar determinaciones de densidad “in situ” por cuestiones de espacio. Sólo puede registrar potencia de cada capa. En cuanto a los ensayos no destructivos, éstos se pueden llevar a cabo mediante medidas de las deflexiones que son una herramienta importante en el análisis no destructivo de los pavimentos. La magnitud de la deflexión deformada producida por la carga, son útiles para investigar las propiedades “in situ” del pavimento. Se trata de aplicar una solicitación tipo y medir la respuesta de la estructura.

El sistema quizás más difundido de medición de deflexiones es mediante el empleo de la Viga Benkelman. Este dispositivo se lo utiliza para realizar mediciones en sectores en los que se observan fallas visibles y en los que no se observan fallas, de esta forma es posible acotar las propiedades actuales del pavimento “in situ”, e integrar sus resultados para una interpretación global. Otro equipo con el que se pueden realizar mediciones es con un deflectómetro de Impacto. Éste es un método no destructivo, que sirve para la evaluación estructural de pavimentos y conocimiento detallado de su estado. Esta técnica es de alto rendimiento, sin mayores interferencias al tránsito de las vías y además es utilizado de forma rápida y precisa. Deflexiones en Pavimentos La deflexión en los pavimentos no es más que la respuesta de los mismos ante un estímulo, en general cargas impuestas por el tráfico. La deflexión en los pavimentos es la deformación vertical bajo el punto de aplicación de la carga. En definitiva la deflexión es la integración matemática de las deformaciones verticales con la profundidad Dependiendo de la estructura de pavimento considerada, la sub-rasante contribuye entre un 70 a 95% de la deflexión medida en la superficie del pavimento. Por esta razón se puede afirmar que la mayor deflexión en los pavimentos es causada por la compresión elástica de la sub rasante. Por otra parte se debe considerar que la magnitud de la deformación en un material considerado en cualquier punto de la estructura de pavimento está directamente relacionada con el estado triaxial de esfuerzos, por lo que para las mismas condiciones cuando decrecen los esfuerzos verticales en la sub-rasante, la deflexión también decrece. Esto significa que al incrementar los espesores de las capas o incrementar su rigidez, la deflexión decrece. Medición de Deflexiones con la Viga Benkelman La Viga Benkelman es probablemente el más popular y económico equipo de medición de deflexiones superficiales del pavimento y el mismo permite medir el rebote de la deflexión estática de un pavimento asfáltico bajo la aplicación de una carga.

Funciona según el principio de palanca: los dos brazos de la viga rotan alrededor de un eje horizontal, de manera tal que cualquier movimiento del extremo de la viga en

contacto con el pavimento, produce un movimiento proporcional en el extremo opuesto, el cual es registrado por un dial extensómetro. La carga de medición es de 18000 libras y la proporciona un camión con un eje trasero simple, llantas dobles y presión de inflado entre 80 y 90 lb/pulg2.

Existen distintos tipos de Vigas Benkelman para realizar mediciones de deflexiones de Pavimentos. Las más comunes son: Viga Simple: Corresponde a la viga que cuenta con un solo palpador o brazo de medición y por ende un solo dial extensómetro para la medición de la máxima deflexión (D0).

Viga Múltiple: Corresponde a la viga que cuenta con más de un brazo palpador articulado en una misma base de referencia y por ende más de un dial extensómetro para la medición de la máxima deflexión (D0) y subsecuentes deflexiones alejadas una distancia “r” del punto de máxima carga “0”. El caso más común corresponde a la Viga Doble que cuenta con dos brazos de medición. Este tipo de medición también es posible realizarlo utilizando varias Vigas Benkelman Simples simultáneamente.

EVALUACIÓN SUPERFICIAL:Como se puede observar, un extremo de la viga es colocado entre las ruedas traseras de un vehículo cargado con aproximadamente 8.200 Kg. y el otro extremo se encuentra fijo sobre el pavimento, en el momento en que el vehículo cargado avanza, el pavimento se recupera y el extensómetro colocado en la zona central de la viga mide dicha recuperación.

A continuación se incluye un esquema del cuenco de deflexiones en un pavimento flexible debido a la aplicación de una carga:

Equipo requerido para las mediciones en campo: • Viga Benkelman. • Camión volteo Tipo 2RD con carga de 8.2 ton en eje trasero. • Cauchos tamaño 10-00-20 u 11.00.20 (en buen estado). • Presión de inflado de los cauchos entre 80 y 90 psi. • Carga balanceada. • Medidor de presiones de inflado. • Termómetro (de dial o infrarrojo) para medir temperatura del pavimento. • Termómetro de bulbo, para medir temperatura ambiental. • Martillo y destornillador. • Recipiente con aceite (o agua). • Camioneta pick-up. • Utensilios menores. • Conos de seguridad. • Chalecos de seguridad. • Banderas de seguridad.

DETALLE DEL EQUIPO DE MEDICIÓN DE DEFLEXIONES (VIGA BENKELMAN):

Procedimiento de medición A continuación se describe el procedimiento de campo para ejecutar el ensayo: 1. Carga y pesado del camión.

2. Progresivado de la vía, para marcar la ubicación de los puntos de medición.

3. Medición de la distancia desde el borde externo o línea de demarcación, para la ubicación de “las morochas” traseras del camión, las cuales deben estar sobre la huella de circulación de los vehículos.

La distancia desde el centro entre ruedas de “la morocha” derecha (en el sentido de circulación) hasta el borde o línea de demarcación debe ser:

4. Centrado de la punta delantera de la viga entre las dos ruedas de la morocha.

5. Nivelación de la viga y colocación de la aguja del extensómetro en una lectura que permita que el vástago recorra -sin trabarse- la magnitud de la deflexión medida.

6. Recordar que el vástago del extensómetro se moverá en el sentido contrario al normal (“regresará”), ya que lo que se está midiendo es el “rebote” de la deflexión. 7. Ordenar que el camión comience a avanzar a baja velocidad.

8. Detener el camión cuando alcance el punto de la lectura final (aproximadamente a 9 metros del punto de arranque -lectura inicial).

9. Algunos Ingenieros realizan una “lectura intermedia” cuando el camión ha avanzado desde el punto de arranque una distancia igual a la que hay entre la punta de prueba y el primer apoyo (“pata”) de la viga (2,43 m en algunos equipos).

10. Prestar atención a la escala y graduación del dial de lectura en el anillo del extensómetro, ya que existen varios tipos en el mercado.

11. Cada hora, en condiciones normales, registrar la temperatura en la superficie del pavimento (con un termómetro infrarrojo) o haciendo un orificio entre 1,0 y 1,5 cm. de diámetro y entre 4 y 5 cm. de profundidad en el cual debe llenarse con agua, luego de lo cual se debe colocar un termómetro de dial.

12. Cada hora, en condiciones normales, registre la temperatura del aire mediante un termómetro adecuado.

Rellenado de planillas de mediciones de deflexiones de viga de benkelman

Evaluación Estructural. Toma de Muestras de Pavimento Existente (Evaluación Destructiva) Éste tipo de evaluación se fundamenta en la toma de muestras representativas de los materiales que conforman las diferentes capas del pavimento en una vía.

En el programa de ubicación del muestreo debe tomarse en cuenta el patrón de fallas identificadas en el pavimento con el objeto de asegurar que las condiciones significativas del pavimento sean consideradas, lo cual no implica que serán los sitios problemáticos los únicos a ser muestreados, ya que como se indicó el objeto de la exploración es conocer, a lo largo de la vía, cuál es la estructura característica.

En el caso de las capas asfálticas, las mismas son normalmente extraídas a través de equipos de perforación para la toma de núcleos de capas (asfálticas y concreto hidráulico), conocidos por su denominación en inglés con el nombre de Core-drill,

Medición de Deflexiones con Equipo Falling Weight Deflectometer (FWD) El FWD es un equipo de medición de deflexiones de alto rendimiento, basado en impulsos de carga, las cuales son transmitidas al pavimento por una masa que golpea desde una cierta altura un plato de ensayo colocado sobre el pavimento. El equipo cuenta con sensores (geófonos o sismógrafos según el modelo) que recogen los impulsos generados por la caída de la carga.

Los sensores están colocados tanto en el punto de máxima carga como a ciertas distancias de dicho punto, esto con la finalidad de modelar el “cuenco” de deflexiones generado por el impacto de la carga sobre el pavimento. La transmisión de la carga a la estructura es similar a la que produce el eje de un vehículo circulando a una cierta velocidad sobre el pavimento.

En el caso de los suelos de fundación sub-rasante, sub-base y/o base, el muestreo está dirigido a su identificación y caracterización de la capacidad soporte, además de conocer los espesores de las diferentes capas y sus condiciones a lo largo de la vía en estudio.

El muestreo puede adelantarse mediante diferentes tipos de sondeos exploratorios entre los que destacan la ejecución de: Taladros a Mano: son excavaciones por lo general de sección circular realizadas “a mano” mediante el empleo de picos, palas, barras, “chícoras”, etc., con profundidades entre 1 y 1,5 m. (máximo) y diámetros entre 50 y 70 cm., ejecutadas con el objeto de medir los espesores de las capas presentes y obtener muestras de los diferentes materiales detectados

Calicatas: son excavaciones de sección cuadrada con dimensiones mayores que los taladros a mano, realizadas con el objeto de medir los espesores de las capas existentes y obtener cantidades suficientes de muestra de cada una de las capas que resulten de la exploración,

Perforaciones con Percusión, Penetración Normal (SPT): En estos casos es recomendable la ejecución de perforaciones con recuperación continua de muestras a cada metro, utilizando cilindro “muestreador” del tipo “cuchara partida” de 64 mm. de diámetro, con avance inducido por percusión (golpes). Esta metodología ofrece la posibilidad de realizar el Ensayo SPT (Standard Penetration Test) en las capas de suelo del pavimento y su fundación. El Valor del SPT es utilizado para conocer la capacidad soporte de los suelos en términos del CBR. Adicionalmente, es posible determinar los tipos de materiales que conforman la estructura de pavimento, así como clasificación de suelos, humedades naturales, etc.

ENSAYO DYNAMIC CONE PENETRATION (DCP) PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA A LA PENETRACIÓN DE SUELOS El Ensayo para la determinación de la resistencia a la penetración de los suelos mediante el empleo del Dynamic Cone Penetrometer (DCP) ó Penetrómetro Dinámico de Cono (Norma ASTM D6951-03) es una herramienta simple y sencilla que permite realizar una evaluación geotécnica en sitio de las capas de suelos que constituyen bases, sub-bases y sub-rasantes de pavimentos.

En general es un ensayo indicativo de la resistencia al corte de los materiales granulares.

El procedimiento consiste en hacer hincar una barra que finaliza en un cono a través del suelo y dependiendo del número de golpes requerido para lograr una determinada profundidad, es posible obtener algunas propiedades mecánicas de los suelos, entre éstas el CBR ó California Bearing Ratio.

Con la evaluación superficial se busca reflejar el estado del pavimento a través de sus características superficiales, presentes en el momento de la evaluación. Estos dos componentes se complementan mutuamente, para permitir la obtención de resultados, aplicables a la planificación de obras de mantenimiento, proyectos de mejoramiento,

elección

de

técnicas

de

reparación,

control

de

calidad

de

mantenimiento, y verificación de la capacidad portante de la estructura. En la actualidad existen equipos de alta precisión, además de los métodos tradicionales, para la evaluación estructural y la superficial, que permiten obtener importantes datos referidos a la deformabilidad de la estructura bajo cargas (deflexiones), regularidad de los perfiles transversales y longitudinales (rugosidad y ahuellamiento), coeficiente de fricción, espesor y características de los materiales componentes (utilizando el Geo radar), sin embargo esta información debe ser complementada con un relevamiento visual de fallas. Para los pavimentos de aeropuertos es necesario precisar algunas particularidades en función de la magnitud de las cargas solicitantes, y la diversidad de soluciones estructurales que se pueden dar, para las diferentes fallas que presenta el pavimento en longitudes relativamente cortas, y los usos diferenciados que tienen las áreas pavimentadas de un aeropuerto. El método de evaluación establecido por la norma ASTM 5340 – 93 permite determinar la condición de los pavimentos de aeropuertos a través de un relevamiento visual, siendo aplicable a pavimentos asfálticos, como a los de concreto de cemento Portland.

EVALUACIÓN FUNCIONAL DE PAVIMENTOS Las características superficiales o funcionales de los pavimentos afectan directamente a los usuarios de la vía, ya que durante el rodaje condicionan su: 

Seguridad.



Comodidad.



Economía.

Adicionalmente, el rodaje genera un impacto ambiental por el ruido del contacto neumático pavimento, el cual afecta a usuarios y vecinos. En consecuencia, las principales características superficiales de un pavimento están dirigidas a controlar los siguientes aspectos: 

Resistencia al Deslizamiento (Seguridad).



Regularidad Superficial (Comodidad).



Costo Usuario (Economía).



Impacto ambiental.

Resistencia al Deslizamiento (Seguridad) El deslizamiento de un vehículo se produce en dos direcciones, cada una de las cuales son diferentes en cuanto a las leyes que lo rigen:

Deslizamiento en dirección longitudinal o en la dirección de marcha del vehículo. Ocurre cuando se aplica un esfuerzo de frenado. En la resistencia al deslizamiento longitudinal intervienen fundamentalmente dos componentes: 

el rozamiento por adherencia neumático-pavimento



la pérdida de energía debido a la histéresis del neumático

Es decir, el neumático no absorbe toda la energía aplicada; siempre existe pérdida de energía que se transforma en "calor", esto ocurre con materiales elásticos como el caucho.

Regularidad Superficial (Comodidad) Las deformaciones del perfil transversal ocasionado por fallas como el ahuellamiento, afectan la calidad de rodaje. Éste tipo de deformaciones puede ser detectada mediante el empleo de la “Regla de 3 m.” que consiste en un listón de madera de la longitud indicada, el cual es posicionado de manera transversal al eje de la vía, pudiéndose medir la distancia entre la superficie del pavimento y la base de la regla.

A continuación se presentan algunos valores referenciales-informativos de calificación de la profundidad de la deformación tomados del documento: “Calidad ante la Rodadura” presentado por el Ing. R. Crespo en las Jornadas sobre la Calidad en el Proyecto y la Construcción de Carreteras, celebrado en Barcelona-España (1999):

PERFIL LONGITUDINAL REGULARIDAD

SUPERFICIAL.

CONCEPTO

DE

“SERVICEABILIDAD

O

SERVICAPACIDAD” INTRODUCIDO EN EL MÉTODO AASHTO PARA MEDIR LA “CALIDAD DE SERVICIO” El índice de Serviceabilidad Presente del Pavimento o Present Serviceability Index (PSI) tal como su nombre lo indica, se refiere a la condición actual del pavimento. Se trata de un parámetro que correlaciona -mediante análisis de regresión matemática 

la opinión de un panel de expertos en lo referente a la calidad del rodaje, la cual sirvió para generar el concepto de Pavement Serviceability Rating (PSR) basado en encuestas como la que se muestra en la figura



(2) la condición superficial del pavimento definida en términos de la rugosidad del pavimento (utilizando rugosímetros y/o perfilómetros)



(3) evaluaciones visuales que reportan sobre la presencia de grietas, baches y ahuellamiento. Es por ello que el PSI representa la condición del Pavimento en el momento en que se realiza su evaluación, por lo que el mismo varía con el paso del tiempo.

El PSI varía en una escala que se desarrolla entre 0 (pavimento con condición superficial muy pobre) y 5 (pavimento con condición superficial “perfecta”)

La Ecuación Original AASHTO para la determinación del Índice de Serviceabilidad de Pavimentos Flexibles es la siguiente:

Dónde: SV = varianza de las deformaciones de la pendiente longitudinal cada 30 cm. RD = promedio aritmético de las deformaciones transversales o ahuellamiento en ambas huellas, medido con regla de 3 m. (pulgadas). C = Grietas mayores de 1000 pie2 P = Baches reparados en 1000 pie2 Índice de Rugosidad Internacional (IRI) La irregularidad o rugosidad de la superficie de una vía es una medida de su serviceabilidad, es decir, refleja el grado de comodidad del usuario. Se han desarrollado una gran variedad de equipos para medir la regularidad superficial de los pavimentos y se ha adoptado mundialmente un índice único conocido como “Índice de Rugosidad Internacional” (IRI).

Desarrollado como medida estándar por el Banco Mundial entre finales de los años ochenta y comienzo de las años noventa, luego de un ensayo internacional realizado en Brasil, encaminado a su determinación. Conceptualmente el IRI relaciona la acumulación de desplazamientos del sistema de suspensión de un vehículo modelo, divididos entre la distancia recorrida por el vehículo a una velocidad de 80 km/hr. Se expresa en mm/m ó m/km. Para caminos pavimentados el rango de la escala del IRI es de 0 a 12 m/km, donde 0 representa una superficie perfectamente uniforme y 12 un camino intransitable;

EQUIPO MERLÍN Hoy en día se mantiene en uso el equipo -de bajo rendimiento en el caso de evaluaciones de redes viales- diseñado en 1990 por el TRANSPORTATION ROAD RESEARCH LABORATORY (TRRL) de Inglaterra para la medición de la rugosidad en pavimentos asfálticos, de hormigón y de tierra conocido como Equipo MERLÍN (MACHINE FOR EVALUATING ROUGHNESS USING LOW COST INSTRUMENTATION). Dicho equipo guarda alta precisión y repetibilidad en los datos que suministra, lo cual se ha evidenciado luego de la comparación de valores IRI determinados en base a su uso y los obtenidos por la metodología estandarizada (ASTM: E 1364-90) basada en procedimientos de nivelación topográfica para la determinación del IRI. Esta circunstancia ha servido para que el Equipo MERLÍN sea utilizado como referencia en la calibración del resto de los equipos empleados para la medición de la rugosidad o regularidad superficial.

Medición

Para la ejecución de los ensayos se debe seleccionar un tramo de aproximadamente 400 m. de longitud, sobre un determinado canal de la vía. Se deben efectuar 200 mediciones estacionando el equipo a intervalos regulares, generalmente cada 2 m. de separación. En la práctica esto se realiza tomando como referencia la circunferencia del la rueda del MERLIN, que es aproximadamente esa dimensión, es decir, cada ensayo se realiza al concluir una vuelta de la rueda. Para ello se coloca una señal o marca llamativa sobre la rueda, la cual debe quedar siempre en contacto con el piso. Ello facilita la labor del operador quién, una vez hecha la lectura, levanta el equipo y controla que la llanta gire una vuelta haciendo coincidir nuevamente la marca sobre el piso...

La prueba empieza estacionando el equipo al inicio del trecho de ensayo, el operador espera que el puntero se estabilice y observa la posición que adopta respecto a la escala colocada sobre el tablero, realizando así la lectura. Paso seguido, el operador toma el instrumento por las manijas, elevándolo y desplazándolo la distancia constante seleccionada para usarse entre un ensayo y otro (una vuelta de la rueda). En la nueva ubicación se repite la operación y así sucesivamente hasta completar las 200 lecturas. El espaciado entre los ensayos no es un factor crítico, pero es recomendable que las lecturas se realicen siempre estacionando la rueda en una misma posición.

Detalle del Tablero de Medición incorporado al Equipo:

Planilla Recolección Manual de Datos leídos del Tablero y Anotados por el Ayudante del Operador, según Manual original del equipo

Interpretación de los Datos según MERLÍN (Criterio Ecuación Original) La siguiente ecuación corresponde a la originalmente definida por el TRANSPORTATION ROAD RESEARCH LABORATORY (TRRL) de Inglaterra cuando desarrolló el Equipo MERLÍN: IRI = 0.593 + 0.0471 * D (2.4