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UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA MATERIALES MATERIALES PARA CARRETERAS

TIPOS DE PAVIMENTOS Carlos Iván Gutiérrez G. Ingeniero Civil MSc. DIC. Profesor

INTRODUCCIÓN La Ingeniería de Pavimentos es una de las disciplinas de la Ingeniería Civil que tie ne más ingredientes de arte que de ciencia esto es, es , la componente empírica tiene una importante importante participación y, si bien en las técnicas modernas hay cada vez mayor influencia de los aspectos teóricos que pueden expresarse por teorías muy bien estructuradas, la experiencia como conjunto de prácticas probadas juega un papel fundamental. En tal sentido, si bien bie n la creatividad del ingeniero puede aportar ingredientes nuevos que permitan desarrollar soluciones prácticas y económicas para casos específicos, existen una serie de estructuras típicas tradicionales sobre las cuales se han venido introduciendo variantes variantes que forman forman el punto de partida de todas las soluciones de pavimentos que se aplican. Este documento está dedicado a presentar los tipos de estructura e structurass de pavimento para carreteras, puertos, aeropuertos, ciclo-rutas y áreas peatonales, con algunas variantes que se han venido introduciendo con el paso de los años para proveer soluciones particulares.

GLOSARIO Subrasante. Superficie de suelo o roca natural o mejorada que constituye el material de fundación de la estructura de pavimento. Capa de rodadura o rodamiento. Superficie de la estructura de pavimento sometida al tránsito. Es la capa visible del pavimento y debe proveer condiciones de seguridad y comodidad, aparte de mantener el resto de la l a estructura de pavimento pavimento protegida del medio ambiente. Es ella quien t iene que soportar los cambios climáticos más extremos y distribuir las cargas sobre las capas inmediatamente infrayascentes. Se construye de sello granular en los afirmados, concreto asfáltico, concreto hidráulico de cemento Pórtland, o adoquines y losetas en los pavimentos articulados. articulados. Debido al desgaste desgaste que sufre y a las inmensas exigencias que tiene, puede requerir cambios cambios antes de que termine la vida útil de la estructura de pavimento. Esto es particularmente particularmente cierto para la capa de rodadura de concreto asfáltico pero no lo es para el pavimento de concreto hidráulico dado que allí la capa de rodadura es la fundamental de la estructura. Capa de Base. Es en general la o las l as capas más importantes importantes de la l a estructura de pavimento. Reciben y distribuyen los esfuerzos de manera que resulten aceptables por las capas capas inferiores. Es Es en ellas en donde se absorbe la mayor parte de la carga generando la redistribución. En el caso de los pavimentos de concreto se dice que la losa es a la vez rodadura y base. base. En los pavimentos

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asfálticos es usualmente una capa granular de altas exigencias (grava triturada, de partículas duras, bien gradada, sin finos activos). Capa de sub-base. Se le permiten propiedades ligeramente inferiores a las de la base, con el propósito de reducir los costos de la estructura. No obstante sus funciones son similares a las de aquella. Tiene, adicionalmente, la función de filtrar, esto es, de impedir la migración de finos arcillosos de la subrasante hacia la base (protección contra la contaminación). Así mismo, actúa como capa rompedora de capilaridad. Debido a sus vacíos de gran tamaño impide que exista ascenso capilar con saturación, de manera que colabora a mantener la estructura de pavimento parcialmente saturada. Adicionalmente, conduce el agua que circula por gravedad en la estructura, hacia los filtros o subdrenajes laterales. Capa de Mejoramiento. En ocasiones forma parte de la subrasante y se construye simplemente compactando el suelo natural para proveer una plataforma de fundación resistente, poco deformable y de propiedades mecánicas homogéneas en la medida de lo posible. También puede construirse con materiales externos, en caso de requerirse por defectos de la subrasante (suelos blandos, compresibles o heterogéneos). En tal caso puede constituirse por la adición de agentes estabilizantes a una capa de subrasante natural, o por la colocación de materiales externos estabilizados o por la colocación de fragmentos de roca y cantos. También puede formarse por la colocación de refuerzos con geotextiles o geomallas o por refuerzos de fibras o maderas.

CLASIFICACIÓN DE TIPOS DE PAVIMENTOS POR FUNCIONAMIENTO MECÁNICO Tradicionalmente, los pavimentos se han clasificado como Flexibles y Rígidos, por sus comportamientos mecánicos extremos, si bien se admite que ocurren funcionamientos físicos intermedios y, además, se suele aceptar un tercer tipo de pavimento, conocido como Articulado. La diferencia fundamental de funcionamiento entre pavimentos flexibles y rígidos radica en la gradualidad de rigidez que los primeros presentan, creciente en las capas hacia la superficie, en tanto que en los pavimentos rígidos el contraste de módulos de rigidez es muy marcado, de manera que la capa superficial presenta módulo de deformación varios órdenes de magnitud superior al de las capas inferiores y el de la subrasante. En otras palabras, en los pavimentos flexibles la aplicación de las cargas del tránsito provoca deflexiones, generalmente de orden cercano a 1mm y reduce los esfuerzos gradualmente por la superposición de capas igualmente flexibles hasta aplicarlos a la sub-rasante en magnitudes aceptables para mantenerla en el rango elástico aproximadamente. En contraste, en el pavimento rígido, la capa superficial presenta muy baja deformabilidad, con lo cual las deflexiones son muy pequeñas y la carga aplicada por el tránsito se distribuye de manera casi homogénea en toda el área de la losa rígida, trasladando pequeños esfuerzos a la subrasante. En el pavimento articulado, la capa de rodadura está constituida por segmentos de material rígido que interactúan entre sí para transmitir los esfuerzos a las capas intermedias. En las figuras 1 y 2 se muestra esquemáticamente la forma como se desarrolla el incremento de esfuerzo vertical bajo la capa superficial de un pavimento flexible y rígido, respectivamente.

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Figura 1. Distribución de esfuerzos bajo la capa de rodadura de un pavimento flexible

Figura 2. Distribución de esfuerzos bajo la rodadura del pavimento rígido

CLASIFICACIÓN DE TIPOS DE PAVIMENTOS POR SU COMPOSICIÓN Y COMPORTAMIENTO Si bien existe similitud entre la clasificación anterior y ésta, dado que los pavimentos flexibles en general poseen capa de rodadura de concreto asfáltico y los rígidos de concreto hidráulico, es preferible establecer diferencias, dado que algunos pavimentos asfálticos podrían comportarse como rígidos y otros de concreto hidráulico como flexibles, dependiendo fundamentalmente del espesor y rigidez de las capas. Sin embargo, cuando se habla de pavimentos flexibles, en general, se hace referencia a pavimentos asfálticos, en tanto que, si se trata de rígidos se asimilan a los de concreto hidráulico.

Pavimentos flexibles En general, se construyen colocando sobre la superficie de subrasante, definida como el suelo natural o mejorado por procesos simples de compactación, refuerzo o mejoramiento, una o más

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capas de rigidez progresivamente superior hacia arriba, de manera que las cargas que aplica el tránsito se transmiten hacia la subrasante en áreas mayores que si se tratase de material homogéneo, hasta hacer que los esfuerzos resulten admisibles para el suelo natural. La forma más elemental de este tipo de estructura es el pavimento de grava, conocido en Colombia como “afirmado”. Este tipo de pavimento se utiliza con frecuencia en vías de red terciaria o vías de penetración, con muy bajo tránsito.

Figura 3. ESTRUCTURA TÍPICA DE PAVIMENTO DE GRAVA O AFIRMADO Grava arcillosa o limosa (Rodadura) Grava arenosa (Base) Subrasante (Suelo natural o mejorado)

La poca cohesión de la superficie de rodadura, normalmente aportada por un ligante ligeramente arcilloso, hace que este tipo de estructura sea muy susceptible a la deformación y requiera mantenimiento frecuente, tanto más cuanto mayor sea el tránsito y más lluvioso el clima. A medida que el tránsito se incrementa, con el propósito de reducir la necesidad de mantenimiento, la rodadura arcillosa se reemplaza por una base granular, y se aplica un tratamiento superficial constituido por riegos de emulsión seguidos por riegos de agregados pétreos obtenidos de trituración, y colocados en dos o tres capas (tratamientos superficiales de doble o triple riego), o por lechadas asfálticas, con lo cual se obtiene un pavimento flexible útil para tránsitos muy livianos.

Figura 4. ESTRUCTURA TÍPICA DE PAVIMENTO CON TRATAMIENTO SUPERFICIAL Tratamiento Superficial (Asfáltico) Grava arenosa (Base)

Grava arenosa (Sub-Base)

A medida que el tránsito se incrementa, se requiere colocar, en la superficie, capas asfálticas constituidas por concretos asfálticos, que proporcionen mayor durabilidad y resistencia, lo cual conduce a la construcción de estructuras de pavimento flexible tradicional. En el momento de colocación, el material producido por el mezclado de agregados pétreos con asfalto se conoce

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Figura 5. (Fotografía). Tratamiento Superficial. Sobre un riego de asfalto se coloca el agregado pétreo y luego se compacta

En el mismo sentido se suele trabajar en el Perú escarificando los últimos centímetros de la base granular y agregando emulsión para recompactar luego, lo cual conforma una suerte de delgada mezcla en vía, conocida como “imprimación reforzada”. Ese mismo procedimiento se ha utilizado tradicionalmente en vías petroleras de Colombia y Venezuela pero utilizando crudos pesados de petróleo en vez de emulsión. Por muchos años y hasta hace cerca de 20, las calles de la ciudad de Barrancabermeja en Colombia estuvieron revestidas de esa manera. A medida que el tránsito se torna más pesado, el revestimiento asfáltico requerirá también mayores exigencias. La mezcla de agregados pétreos y asfalto, cuando se está colocando, se conoce como “mezcla asfáltica” dado que resulta manejable porque la viscosidad del asfalto se ha reducido al calentarlo (mezclas en caliente) o mezclándolo con disolventes o emulsionándolo en agua (mezclas en frío). Cuando el asfalto se enfría, en las primeras, o queda como residuo después de evaporación o de rotura de la emulsión, en las segundas, la mezcla aumenta su consistencia y cohesión, pasando al estado “concreto asfáltico”.

Figura 6. PAVIMENTO FLEXIBLE CONVENCIONAL Rodadura asfáltica Base asfáltica Base granular

Sub-base granular

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Figura 7. Fotografía. Estructura de un pavimento flexible

Figura 8. Aspecto del pavimento flexible en una vía terciaria (Plan 2500)

La capa de rodadura o Carpeta Asfáltica está constituida por asfalto y agregados pétreos de tamaño de arenas con gravas finas. En contraste, la Base Asfáltica tiene agregados de mayor tamaño (gravas intermedias y arenas). Estas características granulométricas aportan mayor resistencia friccionante a la capa de base granular y, en consecuencia, mejor resistencia a la deformación plástica (Resistencia al ahuellamiento). La capa de rodadura, en cambio, será más impermeable, de mayor cohesión y menor rugosidad lo cual la hace más cómoda para el tránsito e impide la penetración del agua a la estructura. Si e l pavimento flexible se construye para tránsitos

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livianos, probablemente solo tendrá rodadura asfáltica sobre las capas granulares, como se muestra en la fotografía (Figura 7). En los pavimentos asfálticos modernos existe la tendencia a colocar tres capas de concreto asfáltico, de manera que la superficial actúe como capa de desgaste en la cual se puede disponer un material asfáltico de alta permeabilidad (con huecos abiertos), de manera que el agua no se acumule en la superficie. Esa capa se fresa y se renueva periódicamente de manera que se mantenga siempre una buena fricción para el frenado y arranque de vehículos y unas características adecuadas de permeabilidad para evitar la formación de láminas superficiales de agua durante la lluvia. El material asfáltico usado se prepara con un agregado de gradación discontinua (Mezcla Discontinua) y la capa se conoce como rodadura de gradación abierta (OGFC por Open Graded Friction Course). Las dos capas infrayascentes tienen características similares a las de la rodadura y base asfáltica de la estructura convencional y se conocen ahora como capa intermedia y capa de base asfáltica.

Figura 9. PAVIMENTO FLEXIBLE. TENDENCIA MODERNA

OGFC Capa asfáltica intermedia Base asfáltica Base granular Sub-base granular

Entre las capas asfálticas se colocan “riegos de liga” constituidos por “cemento asfáltico” colocado en caliente o por emulsión asfáltica, para dotar la discontinuidad de mayor resistencia al corte. Con el mismo propósito, sobre la capa de base granular se coloca un riego de imprimación constituido por emulsión asfáltica o por asfalto líquido. Esta última penetra unos pocos milímetros en el material permeable de la base granular y se derretirá en l a superficie al colocar la base asfáltica, adhiriéndola a la infraestructura del pavimento. En los pavimentos asfálticos las capas superficiales tiene cohesión, aportada por el asfalto, lo cual les proporciona resistencia a esfuerzos de tracción. En cambio, las capas inferiores, de naturaleza granular tienen baja o ninguna resistencia a la tracción. Para proporcionar resistencia a la

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tracción, se colocan en ocasiones geotextiles tejidos y geomallas en la interfase de la sub-base y la base, o de la sub-rasante y la sub-base. De otra parte, en ocasiones, cuando la subrasante es de suelo fino y tiene posibilidad de contaminar la sub-base, se coloca una lámina de geotextil no tejido que actúa como capa de separación y protección contra la contaminación. Si bien los geotextiles no siempre se usan en los pavimentos, se ha encontrado que aportan beneficios importantes con lo cual se incluyen cada vez con mayor frecuencia a criterio del diseñador. En ocasiones, cuando no se dispone de materiales de buena calidad en la región en donde se construye el pavimento, o con el propósito de lograr materiales de mejor calidad, las capas de base y/o sub-base granulares se reemplazan por materiales estabilizados. En tal caso, frecuentemente se recurre a estabilizar bases granulares con cemento o asfalto, o sub-bases granulares con cal o cemento. Otros tipos de ligantes se han venido introduciendo en los últimos años en el mercado, a veces con toda clase de nombres comerciales. Su beneficio ha sido variable, de manera que deben mirarse con cuidado. El uso de materiales estabilizados con ligantes proporciona alta rigidez a las capas de base con lo cual el pavimento tiende a comportarse como semirígido. Cuando se encuentran subrasantes muy blandas y deformables con espesor tan grande que su reemplazo no resulta viable, se recurre a mejoramientos por medio de la colocación de fragmentos de roca con tamaños de partícula entre 0.1 y 0.3m, conocidos como enrocados, o también llamados localmente “enrajonados”, siguiendo la forma romana de construcción. A veces se recurre a la colocación de troncos de madera acostados conocidos localmente como “empalizadas”. Esta última práctica en general se desaconseja, dado que la madera en condiciones de saturación parcial se descompone. También en ocasiones se recurre a la hinca de pilotes cuando se trata de áreas blandas de pequeña extensión. Muchas otras formas de mejoramiento de subrasante son ocasionalmente usadas en carreteras, como se discutirá posteriormente. Con las ideas anteriores, todas provenientes de la época romana, existe una moderna tendencia de estructuras de pavimento flexible sobre suelos blandos. En ella, se construye sobre la subrasante directamente una plataforma de suelo o enrocado estabilizado por medio de ligante asfáltico o hidráulico (asfalto, cal o cemento). Sobre esa capa se coloca la estructura convencional de pavimento flexible. De esta manera, la capa ligada inferior proporciona resistencia a la tracción en la fibra inferior del pavimento, lo cual proporciona mayor durabilidad al pavimento y permite la construcción de una estructura más esbelta que la que se requeriría sin la capa ligada inferior. Al pavimento así construido se le conoce como de “estructura inversa”. Cuando la capa ligada inferior es granular gruesa con ligante asfáltico, se conoce con la sigla CRAM (de Contained   Asphalt Rock Mat  ).

Pavimentos rígidos Los pavimentos construidos con capa de rodamiento en concreto hidráulico (de cemento Pórtland) tienen un comportamiento rígido.

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Figura 10. Fotografía. P avimento rígido en Bogotá

En este tipo de pavimentos la alta rigidez del concreto hace que, en caso de tránsitos livianos pueda no requerirse el uso de capas inferiores de base o sub-base. No obstante, la necesidad de proporcionar un material de filtro para impedir la erosión y proporcionar soporte homogéneo y plataforma de construcción, hace que se recurra a la colocación de al menos una capa bajo el concreto. Ella se suele conocer como “sub-base”, dado que se estima que la capa superficial (la losa) tiene la mayor parte de la contribución estructural y que la inferior solo aporta condiciones de apoyo homogéneo, sirve como material de filtro para impedir el bombeo y aporta una plataforma para el trabajo durante la construcción. Sin embargo, en 2002 PIARC (La Asociación Internacional de Carreteras), aceptó que se pueda también llamar “capa de base” a la que se coloca bajo las losas.

Figura 11. PAVIMENTO RÍGIDO ESTRUCTURA CONVENCIONAL Concreto hidráulico Base granular

Sub-rasante

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Figura 12. Fotografía. Losas de concreto de pavimento rígido con barras de transferencia, colocadas sobre base granular.

En casos de tránsito muy pesado, los diseñadores suelen recurrir a colocar bases estabilizadas con cemento o asfalto, o incluso bases de concreto pobre o de concreto poroso, o concretos asfálticos. Este es el tipo de pavimento que ha venido colocándose en los carriles exclusivos de los sistemas de transporte masivo con buses en las ciudades colombianas (Transmilenio en Bogotá, Megabus en Pereira, MIO en Cali, Transmetro en Medellín, Transmasivo en Barranquilla, Transcaribe en Cartagena y Metrolínea en Bucaramanga)

Figura 13. PAVIMENTO RÍGIDO CON BASE ESTABILIZADA Concreto hidráulico Base Estabilizada Sub-base granular Subrasante

La construcción de una losa de concreto de naturaleza continua, en la superficie es imposible, sin provocar agrietamiento por contracción durante el fraguado. Por ello, se prefiere encubrir el agrietamiento en sitios preestablecidos en donde se hacen cortes para generar agrietamiento controlado. De esa manera, se genera un pavimento con juntas, las cuales se sellan para reducir la entrada de agua. El pavimento, en general se construye en concreto simple, sin refuerzo, dado que económicamente no resulta justificado colocarla. Ese tipo de pavimento de concreto se conoce como de concreto simple, con juntas (JPCP por las siglas en inglés de  Jointed Plain Concrete Pavement  ). Cuando el tránsito es liviano, la transferencia de cargas entre losas, en la junta, se realiza por la rugosidad misma de la grieta formada bajo la junta. En caso de pavimentos con cargas pesadas, se prefiere facilitar la transferencia colocando, en las juntas transversales, barras de acero liso no adheridas al concreto, conocidas como barras de transferencia o dovelas.

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