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Autor: MBA, Ing. Mario Becerra Salas, PMP CIP 79290 Ciudad de Lima, 2012 Tópicos de Pavimentos de Concreto Diseño, Construcción y Supervisión Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas Mario Rafael Becerra Salas (CIP 79290) Capítulos 0.- Introducción 1 1.- Las redes viales y los pavimentos 4 2.- Desarrollo del pavimento de concreto: mundo y Perú 9 3.- Consideraciones generales en los proyectos viales 25 4.- El pavimento de concreto 33 5.- Consideraciones generales de diseño 48 6.- El suelo 57 7.- El tránsito 79 8.- El concreto 83 9.- Metodologías de diseño (AASHTO 93, PCA 84, MEPDG 2010, Losas Cortas) 109 10.- Diseño de juntas 231 11.- Consideraciones constructivas 258 12.- Políticas de conservación para pavimentos rígidos 267 13.- Análisis comparativo entre las alternativas de pavimentación 291 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 1 Introducción “Hay una fuerza motriz más poderosa que el vapor, la electricidad y la energía atómica: La Voluntad” Albert Einstein, científico nacionalizado estadounidense, 1,879 – 1,955. Las economías de todo el mundo se sostienen en base al concepto de intercambio. Entre los pueblos se intercambian: educación y cultura, bienes y servicios, que permiten a los participantes mejorar y ser más competitivos. Entender el concepto de intercambio en sus dos facetas: educación y mercado, y su implicancia en el progreso de los pueblos, nos da una idea clara de la importancia de los medios de comunicación en la competitividad de los poblados y finalmente del país. La competitividad, se sostiene entonces en tener más y mejores redes de comunicación: caminos (terrestres), aeropuertos (aéreos) y puertos (fluviales); y es precisamente nuestro rol como ingenieros, el que nos orienta a: proyectar, construir, supervisar, y mantener nuestra infraestructura; es decir, participar de una u otra manera en la Gestión de Infraestructura. Tener más y mejores caminos, redes viales sustentables, entre otras cosas, es sinónimo de prosperidad. Las redes viales se conforman por estructuras conocidas como pavimentos, puentes, obras de arte. Los pavimentos, son soluciones para la configuración de caminos, siendo concebidos, diseñados y construidos pensando en mejorar y mantener condiciones óptimas de transitabilidad a lo largo de su vida útil. Son estructuras formadas por un conjunto de capas granulares y carpeta de rodadura, que descansan sobre el suelo de cimentación conocido como: subrasante. Los 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 2 pavimentos se diseñan para transferir y distribuir eficientemente las cargas vehiculares, desde la carpeta de rodadura hasta el suelo de cimentación. En general, los pavimentos se pueden agrupar en dos categorías: - Pavimentos flexibles - Pavimentos rígidos La gran diferencia entre uno y otro tipo de pavimento es la forma en la que transmiten las cargas de tránsito, rigiendo este concepto la posterior concepción de su estructura. Ambos tipos de pavimentos, flexible y rígido, tienen fortalezas y debilidades que el ingeniero consultor deberá sopesar cada vez que realice el diseño de una vía. En el Perú, lamentablemente no están muy difundidos los conceptos relativos a los pavimentos rígidos, debido en parte a paradigmas culturales y a la falta de experiencia, producto de la brecha tecnológica en: diseño, construcción, supervisión y evaluación de este tipo de pavimentos. El objetivo de este libro es, en cierta manera, reducir la brecha tecnológica existente, entregando conceptos y herramientas básicas para: diseñar, construir y supervisar, pavimentos rígidos. Este libro intenta, además, ser un aliado de las entidades administradores de redes, afianzándolas en su rol de gestores de cambio, y de los ingenieros viales, para ayudarlos en sus procesos de creación de proyectos. Pese a que se repasan conceptos clásicos sobre pavimentos rígidos, respecto a otros libros similares, el contenido se ha realizado teniendo como eje principal la realidad de nuestro país. Por lo tanto, se ha incorporado, información técnica 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 3 actualizada de: diseño, construcción y supervisión, la que ha sido complementada con recomendaciones obtenidas a lo largo de diversas obras de ingeniería vial en las que el autor ha participado. Mario Rafael Becerra Salas 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 4 1.- Las redes viales y los pavimentos “Dos cosas contribuyen a avanzar: ir más deprisa que los otros o ir por el buen camino” René Descartes, filósofo y matemático francés, 1596 - 1650 1.1 Red vial Las redes viales son toda superficie terrestre, pública o privada, por donde circulan peatones y vehículos, señalizada y bajo jurisdicción de las autoridades nacionales y/o provinciales responsables de la aplicación de las leyes de tránsito. Los elementos principales de una red vial son diseñados de acuerdo a su importancia para crear: autopistas, rutas nacionales o provinciales, caminos vecinales, caminos rurales, avenidas, calles y veredas. Las redes viales son las responsables de integrar a los pueblos dentro y fuera de un país, ya que permiten el traslado de personas, de bienes y servicios y son sinónimo de prosperidad. En efecto, el desarrollo de las redes viales de un país esta ligado a su progreso, ya que fomenta el crecimiento económico al reducir los costos de transporte de mercancías, y a que permite el intercambio de ideas y pensamientos, difundiendo cultura y educación entre los pueblos. 1.2 Los pavimentos Los pavimentos son soluciones para la configuración de caminos, siendo concebidos, diseñados y construidos pensando en mejorar y mantener 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 5 condiciones óptimas para el tránsito de personas, de bienes y servicios, a lo largo de su vida útil. Los pavimentos, son estructuras formadas por una carpeta de rodadura y un conjunto de capas granulares, simples o tratadas, que descansan sobre el suelo de cimentación, también conocido como: subrasante. El pavimento está diseñado para transferir y distribuir cargas vehiculares, durante un periodo de tiempo previamente establecido. Dado que, los esfuerzos producidos por el paso de las cargas vehiculares decrecen con la profundidad, se deben colocar los materiales de mayor capacidad portante en las capas superiores. Toda la estructura trabaja para proteger al suelo natural. Las condiciones requeridas para un adecuado funcionamiento del pavimento son principalmente: anchura, trazo horizontal y vertical, resistencia adecuada a las cargas para evitar las fallas prematuras,y tener una adecuada adherencia vehículo – pavimento, inclusive en condiciones húmedas. Los pavimentos, debido a la forma en que transmiten las cargas vehiculares, se clasifican en: 1.2.1 Pavimentos flexibles Son aquellos que tienen una carpeta de rodadura conformada por concreto de cemento asfáltico. Recibe el nombre de pavimento flexible debido a la forma en que se transmiten las cargas desde la carpeta de rodadura hasta la subrasante. El asfalto no absorbe la totalidad de las cargas vehiculares, actúa más como un transmisor. Por ello, los pavimentos flexibles requieren, por lo general, de un mayor número de capas intermedias entre la carpeta de rodadura y la subrasante. Ver esquema 1/1 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 6 Esquema 1/1: Pavimento flexible Fuente: elaboración propia 1.2.2 Pavimentos rígidos Son aquellos que tienen una carpeta de rodadura conformada por concreto de cemento hidráulico. Recibe el nombre de pavimento rígido debido a las propiedades de la carpeta de concreto, que absorbe en mayor grado las cargas vehiculares. Debido a la naturaleza rígida de la carpeta de rodadura, las cargas vehiculares se distribuyen en una forma más eficiente. Por ello, por lo general, requieren en su estructura de un menor número de capas granulares entre la carpeta de rodadura y la subrasante. Ver esquema 2/1. Esquema 2/1: Pavimento de concreto Fuente: elaboración propia 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 7 1.3 Comportamiento de los pavimentos Los pavimentos deben ser diseñados, construidos y mantenidos con la finalidad de lograr un comportamiento funcional y estructural óptimo durante su ciclo de vida. Comportamiento Funcional: son los aspectos que afectan la calidad de la carpeta de rodadura y por ello están relacionados con la comodidad y seguridad de los usuarios de la vía. Comportamiento Estructural: aspectos relacionados a la integridad como estructura del pavimento. Es la capacidad del pavimento para soportar la acción combinada del tránsito y el medioambiente. Una adecuada construcción del pavimento es un parámetro que impacta enormemente en la durabilidad del mismo. Es decir, el pavimento comienza bien y a medida que las cargas de tránsito circulan a través de la carpeta se va deteriorando. El clima es un factor que también interviene en el deterioro de los pavimentos, y que recientemente ha sido incorporado en las metodologías de diseño. Ver esquema 3/1 Esquema 3/1: Deterioro de los pavimentos en el ciclo de vida Fuente: elaboración propia 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 8 Un esquema de mantenimiento debe garantizar: - Adecuado y oportuno mantenimiento a costo razonable - Mantenimiento con programas de largo plazo - Optimizar tanto costos como beneficios del sistema - Racionalizar el uso de los recursos disponibles - Efectuar un permanente control de los efectos sobre el medio ambiente - Implementar un control de la efectividad de la política de mantenimiento asumida 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 9 2.- Evolución de los pavimentos de concreto “El político se convierte en estadista cuando comienza a pensar en las próximas generaciones y no en las próximas elecciones” Winston Churchill, politico británico, 1874 – 1965 2.1 El pavimento de concreto en el mundo El diseño de pavimentos ha evolucionado con el tiempo, desde una perspectiva artística y netamente empírica hasta ser considerado toda una ciencia. Antes de 1920, los espesores de las capas que conforman los pavimentos se basaron netamente en la experiencia, es decir, la misma estructura era utilizada sin discriminar la clase de vía, el tipo de suelo o el tránsito esperado. Con el tiempo, las entidades administradoras de caminos y la industria de los materiales de construcción, desarrollaron métodos de diseño de pavimentos intentando sustentar un comportamiento adecuado del mismo, teniendo en cuenta la inversión de dinero que significa construir y mantener un camino. A continuación, se presentan los principales hitos en la historia mundial de los pavimentos de concreto: En el año 1824, Joseph Apsdin patenta en Inglaterra el proceso de calcinación de ceniza arcillosa para la producción de cemento que al hidratarse con agua, tenía las mismas características de resistencia que la piedra de la isla de Pórtland, marcando el inicio de la tecnología del concreto. Los primeros intentos por construir pavimentos de concreto se dieron en 1865, en la ciudad de Inverness (Escocia). Por ese tiempo se tenían algunos conceptos relacionados a la tecnología del concreto. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 10 Los siguientes intentos por construir pavimentos de concreto se dieron en Edimburgo (Escocia) entre 1872 y 1886. En América, el pavimento de concreto más antiguo es el de Court Ave. Bellfountain, en Ohio, Estados Unidos, cuya construcción data del año 1891. Este pavimento existe hasta la actualidad, aunque a partir del año 2000 admite sólo tránsito peatonal. Ver fotografía ½. Fotografía ½: Pavimento en Bellfountain (1891) Fuente: http://img.groundspeak.com/waymarking (del 15 de marzo, 2011) Los métodos racionales de diseño empezaron a concebirse después de los primeros intentos por construir pavimentos. Estas teorías se formularon asumiendo que existe un pleno contacto entre subbase y la carpeta de rodadura de concreto. Goldbeck en 1919, desarrolló una ecuación simple para el diseño de pavimentos de concreto asumiendo que la carpeta de rodadura se comportaba como una viga en voladizo con una carga concentrada en la esquina. Premisa utilizada en el Bates Road Test. Westergaard en 1926, plantea la primera teoría relacionada al comportamiento estructural de los pavimentos de concreto, como http://img.groundspeak.com/waymarking 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 11 consecuencia de lo expresado por Hertz respecto a los esfuerzos en losas suspendidas. Es sin duda el estudio teórico más extenso e importante, que inició en 1926 y terminó en 1948. Relaciona el cálculo de esfuerzos y deflexiones en los pavimentos de concreto, los estudios consideraron las temperaturas en la losa, así como tres posiciones de carga en una losa alargada: aplicada cerca de la esquina, aplicada cerca de la junta pero a una distancia considerable de la esquina y aplicada en el interior del paño a una distancia considerable de toda junta y esquina. El análisis asume de manera simplificada que la presión de reacción entre las subrasante y la carpeta de rodadura en cualquier punto es proporcional a la deflexión en ese punto, independientemente de las deflexiones en otros puntos. También asumió que el contacto entre la subrasante y la carpeta de rodadura se da a plenitud. Pickett en 1951, comparó la carga crítica en la esquina obtenida en los estudios de Westergaard con mediciones realizadas en el campo, encontrando que las estimaciones realizadas en las aproximaciones teóricas del esfuerzo cuando se tenía la carga crítica aplicada en la esquina de la losa eran siempre muy pequeñas. Pickett asumió que parte de la losa no está totalmente apoyada sobre el suelo, para lo que desarrolló fórmulas semi empíricas que concordaban con los resultados de los experimentos en campo. Lamentablemente, debido a la complejidad de las fórmulas y al estado de arte de la tecnología, no se le prestó mayor atención. Entre los años 1958 y 1960 se llevó a cabo el AASHORoad Test en Ottawa, Illinois (USA). El AASHO Road Test definió la ecuación empírica fundamental que guiaría las metodologías de diseño AASHTO hasta el suplemento de 1998. Nótese que esta metodología se basa en el concepto de pérdida de serviciabilidad del pavimento por el paso de los vehículos y el tiempo. Con el ingreso de los procesadores, se realizaron soluciones numéricas que asumen que no existe pleno contacto entre la subrasante y la 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 12 carpeta de rodadura, como son los métodos de los elementos discretos y el de los elementos finitos. Aunque los estudios de Westergaard contribuyeron en gran medida al desarrollo de los métodos de diseño, nunca dejó de reconocer que los resultados teóricos debían ser revisados comparándolos con resultados en campo del comportamiento del pavimento. Otros desarrollos importantes que se dieron en paralelo fueron: (1) la concepción de las propiedades de fatiga del concreto; (2) los conceptos de bombeo con los que se demostró que la subrasante debía ser protegida. Debido a estos ensayos se decidió introducir capas granulares que protejan la pérdida de finos en la subrasante; y (3) los métodos probabilísticas que dieron origen al término de confiabilidad, ampliamente utilizado en los métodos de diseño AASHTO 1986, 1993, el suplemento 1998, la guía de diseño empírica mecanicista MEPDG 2002 (por sus siglas en inglés) 2.2 El pavimento de concreto en el Perú 2.2.1 La tecnología del concreto Algunas notas relevantes, tomadas del libro “Tópicos de la Tecnología del Concreto” del Ing. Enrique Pasquel: En 1915, la constructora norteamericana Foundation Co. se establece en el Perú para ejecutar los proyectos del Terminal marítimo del Callao y la pavimentación de Lima incluyendo a la autopista Lima – Callao, antiguamente conocida como avenida El Progreso y que hoy recibe el nombre de Avenida Venezuela. En su plan de trabajo, La Foundation Co compró los primeros hornos para la producción de cemento nacional, que finalmente vende en 1916 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 13 a la Compañía Peruana de Cemento Pórtland. La nueva cementera se instala en el Rimac constituyéndose en la primera planta de fabricación nacional y empleando para ello las calizas de Atocongo. Entre 1955 y 1975 se crean las principales empresas productoras de cemento en el país: Chilca, Lima, Andino, Chiclayo, Pacasmayo, Sur y Yura, pero sin llegar a consolidarse técnicamente hasta fines de los setentas. Recién en la década de los ochenta se empiezan a desarrollar investigaciones en el campo de la tecnología del concreto a nivel nacional, muchas de ellas dirigidas por ilustres ingenieros como Enrique Rivva López, Manuel Gonzales De La Cotera y más recientemente por Enrique Pasquel Carbajal, quienes impulsaron su desarrollo. 2.2.2 El pavimento de concreto El pavimento de concreto tiene muy poca presencia en la red vial nacional, sin embargo, si tiene preponderancia en las zonas urbanas. A diferencia de otros países, los pavimentos de concreto en el Perú han sido considerados en proyectos referidos a la red vial vecinal, teniendo poca incidencia en la red vial nacional y departamental. Sin embargo, existen obras emblemáticas que sí aprovecharon las fortalezas del concreto en su estructura. Sólo en Lima se pueden mencionar: - Avenida Venezuela (1924) - Avenida Vía Expresa (1966) - Avenida Lima (2005) - El Metropolitano (2010) 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 14 Representando en una escala temporal las principales obras en pavimentos de concreto, se concluye que existen periodos de cuarenta años en los que prácticamente no se han realizado este tipo de pavimentos. Esto, es importante para entender la problemática actual del ingreso de los pavimentos de concreto en las redes viales de nuestro país. Una tesis interesante es que, al no tener continuidad en el diseño, construcción, supervisión y evaluación de proyectos viales en concreto, se ha creado una brecha de conocimientos y tecnología que se debe eliminar. 2.2.3 Avenida Venezuela y Vía Expresa de Lima Avenida Venezuela (1924) El primer pavimento de concreto que se construye en el Perú corresponde a la carretera Lima-Callao, denominada posteriormente como Av. Progreso y luego como Av. Venezuela, cuando se incorporó al casco urbano de la capital. La construcción y puesta en servicio de este de este pavimento se efectuó en el año de 1924, situándolo como uno de los primeros pavimentos de concreto en Latinoamérica. Fueron múltiples las razones que llevaron a la construcción de esta vía en Lima. Sin orden de prelación, pueden mencionarse los siguientes: el deplorable estado en que se encontraba el camino de tierra afirmada preexistente, que dificultaba el transporte de de las mercaderías que llegaban al puerto. El auge comercial que se presenta en la primera post guerra, la legislación adecuada que permitía la expropiación de terrenos a 100 metros de cada lado de la ruta, facilitando proyectos de urbanización, y el endeudamiento externo aplicado a este tipo de obras, entre otros. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 15 La Av. El Progreso se inició en Lima, a la altura de la Av. Alfonso Ugarte y tenía como término el edificio Aduanero del Callao luego de atravesar la localidad de Bellavista y la ciudad portuaria. Su longitud total era de 12.2 km. con un costo total de 1`300,000 soles de la época. La sección del pavimento tenía un ancho de 8 m y el espesor de la losa era de 22 cm. en los bordes y 18 cm. en la zona central. Además, se colocaron dos varillas de acero longitudinal de 1” de diámetro en los bordes del pavimento, como refuerzo de acuerdo con las investigaciones desarrolladas hasta ese momento por Westergaard. Ver figura 2.1 Sección del pavimento Esquema ½: Sección del pavimento av. El Progreso (1924) Fuente: ASOCEM La construcción la efectúo la empresa americana Foundation Co. que tenía a su cargo diversas obras en Lima y Callao, empleando personal nacional. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 16 Fotografía 2/2: Vaciado de concreto Av. El Progreso Fuente: ASOCEM Fotografía 2/3: Vista de la Av. El Progreso Fuente: ASOCEM 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 17 Avenida Vía Expresa (1966) La construcción de la Vía Expresa de Lima se inició en el año 1966 y culminó el 28 diciembre de 1968. Esta obra, destinada a unir el Centro de Lima con los balnearios del Sur, inició su recorrido en la Plaza Grau terminando en la Av. República de Panamá en Barranco. El Consejo Provincial de Lima, planificó la ejecución de la obra dividiéndola en varios tramos, a cargo de las siguientes empresas contratistas: Consorcio de Ingenieros: Graña y Montero; Flores y Costa, Cilloniz Olazábal Urteaga. Eduardo Winkelried B.; José Murgia y Carlos Illauri Robles y Cía. S.A. Kruger Ingenieros Sobre las características del pavimento y especificaciones técnicas del proyecto: Subrasante y subbase: terraplén compuesto por grava arenosa (hormigón). Pavimento de concreto de cemento Pórtland de 19 cm. de espesor, con ensanche en los bordes hasta un total de 24 cm. El concreto fue entregado por la empresa de concreto premezclado COPRESA, con una resistencia a la compresión de 210 kg / cm2. Las juntas transversales de contracción cada cinco metrosLos tramos a cargo de Robles Cía. S.A. y del Consorcio de Ingenieros fueron construidos por trenes de pavimentación de última tecnología: tren de 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 18 pavimentación autopropulsado, el cual compactaba, distribuía y alisaba la superficie del concreto. Fotografía 3/3: Construcción Vía Expresa de Lima Fuente: ASOCEM Fotografía 4/3: Construcción Vía Expresa de Lima Fuente: ASOCEM 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 19 Fotografía 5/3: Construcción Vía Expresa de Lima Fuente: ASOCEM 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 20 2.3 Red vial peruana La red vial en el Perú esta compuesta por más de 100,000 kilómetros, que se presentan a continuación según la Gestión Vial por Nivel de Gobierno: Red vial nacional, con 25,000 Km. Red vial departamental, con 25,000 Km. Red vial vecinal o rural, con 50,000 Km. El tipo de estructura que conforma la vía es diseñado considerando parámetros como el tipo de ruta, la calidad de los suelos de cimentación y los indicadores de tránsito aceptados. Los tres tipos de estructuras concretan caminos pavimentados y sin pavimentar Esquema 2/2: Gestión Vial por nivel de Gobierno Fuente: Provías Nacional Las redes viales nacional y departamental están a cargo del PROVÍAS, organismo descentralizado del Ministerio de Transportes y Comunicaciones (MTC) que cuenta con autonomía técnica, administrativa y financiera, y está encargado de asegurar la ejecución de proyectos de construcción, 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 21 mejoramiento, rehabilitación y mantenimiento de la red vial nacional y departamental. El objetivo de PROVIAS es brindar a los usuarios de las vías un medio de transporte eficiente y seguro, que contribuya a la integración económica y social del país. PROVÍAS NACIONAL administra la red vial nacional y PROVÍAS DESCENTRALIZADO la red vial departamental. Algunas rutas han sido concesionadas a empresas privadas para su construcción y/o mejoramiento, y mantenimiento respectivo por un determinado número de años, según contratos firmados con el estado. Aproximadamente 5,000 Km. En el caso de las redes vecinales, éstas están bajo la administración de los gobiernos municipales. 2.4 Problemática de los pavimentos de concreto en el Perú En la actualidad, las tecnologías de diseño, materiales y construcción, tanto en asfalto como en concreto, han sufrido importantes avances. Ambas alternativas de pavimentación, tienen indiscutiblemente ventajas y desventajas dependiendo del proyecto en el que se los evalúe, por ello la importancia de que ambas sean evaluadas. Lo que toda entidad administradora debe tener claro es, que para ser más competitivos como país tenemos que aprovechar las ventajas de ambas alternativas de pavimentación. Sin embargo, debido a la poca información y difusión en materia de diseño, construcción, supervisión, y evaluación de pavimentos de concreto, esta alternativa es prácticamente descartada. La problemática del pavimento de concreto se puede resumir en: 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 22 - Paradigmas Anteriormente era innegable que los pavimentos de concreto eran mucho más costosos en términos de inversión inicial, e inclusive incómodos para los usuarios de las vías debido a sus prácticas constructivas. Sin embargo, estas razones han cambiado han cambiado con el tiempo favorablemente para el concreto, debido a: La estabilidad en los precios del cemento y al inminente alza en los derivados del petróleo; y a que La tecnología de pavimentación en concreto ha permitido reemplazar las juntas de contracción de una pulgada por otras de seis milímetros, haciendo el pavimento de concreto mucho más confortable. - Falta de parámetros Debido a la falta de pavimentos masivos de concreto, las entidades administradoras tienen muchos problemas para realizar estudios de perfil, factibilidad y definitivos, acertados en alternativas de pavimentos de concreto. El Ministerio de Economía y Finanzas (MEF) y el MTC deben realizar estudios conjuntos para poder acceder a este tipo de información. - Falta de recursos y equipos Se debe trabajar con los principales referentes para poder entregar una oferta en pavimentación con concreto a niveles de diseño, construcción, evaluación. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 23 Nota interesante A continuación se presentan los resultados de la encuesta realizada por UNACEM en el II Conversatorio de Pavimentos de Concreto en febrero del 2011 gracias a la participación de expertos técnicos del ámbito vial. ¿Cuál es la problemática del ingreso de pavimentos de concreto en nuestras redes viales? Las respuestas obtenidas se clasificaron de la siguiente manera: A: Alto costo de construcción B: Falta de equipos de construcción en pavimentos de concreto C: Falta de comunicación y capacitación en temas referidos a pavimentos de concreto D: Tiempo de apertura al tránsito superior E: Falta de personal capacitado en diseño, construcción, supervisión y evaluación F: Falta de propuestas en pavimentos de concreto G: El concreto como material H: No hay oferta en pavimentación con concreto I: Reacción ante climas y geografías diversos J: Por costumbre se trabaja con pavimentos de asfalto K: Falta de normatividad en pavimentos en concreto L: Para evaluación se emplea solo el HDM3 que trabaja solo a nivel de asfalto. El esquema 3/2 muestra la jerarquía de la problemática de los pavimentos de concreto, según los participantes: 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 24 Esquema 3/2: Problemática de la RVN Fuente: UNACEM 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 25 3.- Consideraciones generales de los proyectos viales a nivel de pre - inversión “He ofendido a Dios y a la humanidad porque mi trabajo no tuvo la calidad que debía haber tenido” Leonardo Da Vinci, genio italiano, 1452 – 1519 3.1 Los Proyectos de Inversión Pública Los Proyectos de Inversión Pública (PIP), tienen por finalidad satisfacer las necesidades de los ciudadanos promoviendo el desarrollo sostenible de los territorios. Las necesidades públicas de los ciudadanos son muchas y los recursos que dispone el Estado para satisfacerlas, son limitados. Por ello, El Ministerio de Economía y Finanzas (MEF) ha creado el Sistema Nacional de Inversión Pública (SNIP), cuyo objetivo es impulsar el uso eficiente de los recursos públicos destinados a la inversión, mediante la ejecución de Proyectos de Inversión Pública (PIP). El SNIP es un sistema administrativo descentralizado. Las decisiones sobre un PIP, se adoptan en las entidades del nivel nacional, regional o local, de acuerdo con las competencias de cada uno. Todo PIP atraviesa por tres etapas bien definidas: a) Pre Inversión En el PERFIL, se establecen las posibles soluciones al problema a resolver. Las estimaciones del Perfil son groseras, basadas en juicio 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 26 experto e información secundaria. En esta etapa se pretende determinar la factibilidad de la inversión, si la evaluación preliminar es favorable, se continúaa un nivel superior de detalle, si no lo es, se desecha el proyecto. En el estudio de PRE - FACTIBILIDAD se busca disminuir los niveles de incertidumbre (riesgo) de lo expresado en el Perfil. Para ello, mejora la calidad de la información, utilizando fuentes primarias y secundarias, para indicar si la alternativa de solución seleccionada en los estudios anteriores es viable. El Pre - Factibilidad concluirá indicando si se desecha el proyecto, si se posterga, o si finalmente se decide proseguir con el mismo. El estudio de FACTIBILIDAD reduce aún más el nivel de incertidumbre, por lo que requiere el trabajo multidisciplinario de expertos y de información primaria. El estudio concluye la postergación del proyecto, modificaciones menores o su formulación para ser ejecutado. b) Inversión Después de ser aprobado el estudio de Factibilidad, el proyecto ingresará a ser ejecutado, iniciando la etapa de INVERSIÓN con la elaboración del Expediente Técnico Definitivo, y posteriormente con la construcción en sí misma. c) Post Inversión La evaluación EX – POST de los resultados, permite aprender de los errores de apreciación y ajustar las estimaciones, mejorando la 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 27 información a emplear en futuros proyectos; y formulando un sistema de incentivos para los proyectos que mejor se ajusten a la realidad. Esquema 1/3: Etapas de los proyectos Fuente: www.mef.gob.pe 3.2 Definición de proyectos a nivel de pre - inversión Según el SNIP, un Proyecto de Inversión Pública tiene como objetivo: crear, ampliar, modernizar o recuperar la capacidad de producción de bienes o servicios, con la finalidad de satisfacer las necesidades de los ciudadanos, promoviendo el desarrollo sostenible de los territorios. Ernesto Fontaine en su libro: Evaluación Social de Proyectos, indica que “un proyecto es la fuente de costos y beneficios que ocurren en distintos periodos de tiempo”. En otras palabras, la evaluación de un proyecto consiste en identificar los costos y beneficios que le son atribuibles durante el periodo de evaluación, respecto a una línea base (sin proyecto), medirlos y emitir conclusiones que entreguen una idea de la conveniencia de ejecutarlo o no. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 28 Específicamente, para el caso de los proyectos viales, la necesidad a satisfacer o problema a resolver, se traduce en garantizar la accesibilidad y movilidad adecuada en un determinado lugar. Esto incluye, por supuesto, a peatones, a vehículos no motorizados y a los motorizados. Para resolver las necesidades de movilidad de la población en general, pueden existir muchas alternativas de solución. Estas alternativas deben ser formuladas y evaluadas en un periodo de tiempo apropiado, para establecer la mejor y garantizar el uso adecuado de los recursos. 3.3 Objetivos de un proyecto vial Los proyectos viales se desarrollan como solución a un conjunto de necesidades o problemas. Entre los más comunes tenemos: prolongados tiempos de viaje que afectan la vida de las personas y productividad del Estado, elevados costos de movilización de la población, falta de integración entre los pueblos. Los beneficios potenciales que se logran mediante la implementación de un proyecto vial son: Ahorros en el costo de operación de los vehículos (COV) Ahorros en los tiempos de viaje (CTV) Reducción en la frecuencia y severidad de los accidentes Desarrollo de nuevas actividades y usos de la tierra Disminución de emisiones, mejorando la calidad del aire Ahorros en el costo de mantenimiento de la vía Para que un proyecto vial sea viable económicamente, los beneficios acumulados durante el periodo de evaluación, traducidos a unidad monetaria, 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 29 deben superar a los costos en los que se ha incurrido para su realización. Los costos incluyen: inversión inicial, operación y mantenimiento. Los beneficios, generalmente aceptados son: ahorros en los costos de operación vehicular (COV) y ahorros en los tiempos de viaje de las personas y mercancías (CTV). Adicionalmente a los beneficios antes mencionados, los proyectos viales permiten el desarrollo de nuevas actividades comerciales, residenciales y recreacionales, que no siempre son consideradas en la evaluación del proyecto. 3.4 Formulación y Evaluación de proyectos viales en la etapa de Pre Inversión Durante la etapa de Pre – Inversión, se debe Identificar, Formular y Evaluar las distintas alternativas de solución a un problema de movilidad. a) Identificación El problema central es aquella situación negativa que afecta a un sector de la población. Debe definirse adecuadamente; es decir de manera clara, precisa y objetiva, de tal forma que se pueda encontrar un conjunto de soluciones o alternativas para aliviarlo. La definición del problema debe ser adecuada, jamás tomada como la carencia de algo, pues sesga la solución a una sola alternativa. Por ejemplo. Si se establece como problema central a resolver: “La avenida no presenta una adecuada superficie de rodadura”, sólo habría una posible solución: “Mejorar las condiciones físicas de la carpeta de rodadura”. La forma correcta de establecer el problema central sería: “Inadecuada movilidad peatonal y vehicular en la avenida”. Entonces tenemos varias alternativas de solución, algunas de ellas: Buscar realizar una vía 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 30 alternativa para descongestionar la original, mejorar la avenida original ensanchándola, o simplemente mejorar las condiciones actuales de la vía. b) Formulación Se deben dejar establecidas la situación actual sin proyecto y las alternativas técnicas de solución. Se debe establecer además, el horizonte de evaluación y las condiciones de oferta optimizada y demanda vehicular actual y proyectada, con y sin proyectos alternativos. Notar que la demanda con proyectos, implica posiblemente la aparición de tránsito generado adicional al normalmente esperado. Esta información sirve para comparar en la siguiente etapa, las alternativas de solución con el proyecto actual optimizado. c) Evaluación Para que un proyecto entre a la etapa de INVERSIÓN, previamente debe ser evaluado mediante procedimientos matemáticos y financieros. La razón beneficio/costo (RBC), el valor presente neto (VPN), también llamado valor actual neto (VAN), y la tasa interna de retorno (TIR) son, entre otros, los métodos más empleados. Un VAN positivo implica una RBC mayor que 1 y una TIR mayor que la tasa de descuento seleccionada. Cuando se requiere una comparación o elección entre alternativas distintas, los tres criterios pueden dar una jerarquía de elección inconsistente. El método a elegir depende de una serie de 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 31 consideraciones básicas, como son: qué tan importante es la inversión inicial respecto de los gastos futuros, qué método comprende más el tomador de decisiones, qué método es el más conveniente para el administrador público o privado involucrado. Además, las restricciones presupuestarias también deben ser consideradas. En ausencia de limitaciones de financiamiento, la alternativa seleccionada debería ser aquella que tenga el mayor VAN de beneficios. Pero cuando hay restricciones presupuestarias, pueden emplearse otros criterios adicionales, como la RBC o alguna de sus variantes. Esquema 2/3: Proceso de selección de alternativas Fuente: Elaboración propiaEl esquema 2/3 es otra forma de ver las etapa de los proyectos. Una etapa de Pre Inversión, en la que se recolecta datos, se formula y evalúan proyectos considerandos costos y beneficios durante su ciclo de vida. Una etapa de Inversión, en la que se construye la alternativa elegida, y la etapa de Ex – Post, en la que se continúa recopilando información con la finalidad de evaluar el impacto positivo del proyecto sobre la población. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 32 Esquema 3/3: Curva de demanda vehicular Fuente: elaboración propia El esquema 3/3, establece claramente que el factor principal para que los beneficios entregados por la inversión en un proyecto superen sus costos, se requiere necesariamente una demanda vehicular que lo sustente. En otras palabras, hacer que un proyecto vial sea factible y viable económicamente, depende de la expectativa vehicular que se pueda demostrar. Siempre con la intensión de maximizar los beneficios en ahorros de costos de operación vehicular y tiempos de viaje. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 33 4.- El pavimento de concreto “Quien volviendo a hacer el camino viejo aprende el nuevo, puede considerarse un maestro” Confucio, filósofo chino, 551 – 478 AC 4.1 El pavimento de concreto Los pavimentos de concreto hidráulico han sido empleados como soluciones al transporte desde fines del siglo XIX, y constituyen una alternativa que es empleada hasta la actualidad. El pavimento de concreto es reconocido por su larga durabilidad y resistencia, llegando a tener costos de mantenimiento mucho menores que los incurridos en la alternativa equivalente de pavimento asfáltico, no solo por los trabajos involucrados para realizar el mantenimiento de cada tipo de pavimento, sino también, por las menores frecuencias de paralización, que impactan socialmente a la población. Adicionalmente, por su naturaleza rígida, el pavimento de concreto requiere por lo general sólo una capa de material granular como subbase, por lo que hay ahorros adicionales en costos de materiales y tiempos de trabajo. En el artículo técnico: “Comparación a nivel de costos de inversión inicial entre las alternativas de pavimentación flexible y rígida”, presentado por el autor en el II Congreso Internacional de Pavimentos de Hormigón realizado en noviembre del 2011 en Florianópolis – Brasil, se demuestra la competitividad de los pavimentos de concreto JPCP, sobre todo para condiciones de tránsito elevado y suelo con CBR < 10% al 95% de máxima densidad seca. En este artículo se concluye que existe una variación de +/- 20% respecto a los costos de construcción entre ambas alternativas. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 34 Existen, además, beneficios en seguridad y cuidado del medio ambiente que deben tenerse en cuenta al momento de evaluar las diferentes alternativas de pavimentación, como los descritos en la tabla 1/4. En seguridad vial, la superficie rugosa que presenta la carpeta de concreto permite una mejor adherencia; el color plomo, característico del material, lo hace tres veces más reflexivo que el asfalto, disminuyendo la probabilidad de accidentes. Tabla 1/4: Beneficios de los pavimentos de concreto Fuente: Asociación Canadiense del Concreto Premezclado Por otro lado, el empleo de concreto hidráulico beneficia el cuidado del medio ambiente, logrando ahorros considerables de energía, tanto en el proceso de construcción como en el de operación. Siendo el asfalto un derivado del petróleo, y el Perú un país que en su balanza comercial lo importa, los pavimentos de asfalto no utilizan insumos 100% nacionales. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 35 4.2 Clasificación de los pavimentos de concreto Existen cuatro tipos de pavimentos de concreto utilizados en vías, los cuales se diferencian principalmente por la forma en que se distribuyen las juntas sobre la carpeta de rodadura. - Pavimento de concreto simple con juntas (JPCP) Se le conoce como JPCP (Jointed Plain Concrete Pavement, por sus siglas en inglés). En este tipo de pavimentos se requieren realizar juntas de contracción transversal que, en teoría, están espaciadas entre 3.5 y 6.0 m. La transferencia de carga entre paños adyacentes se puede dar mediante trabazón de agregados o mediante el empleo de pasadores. Las juntas inducen el agrietamiento, propio del comportamiento del concreto, por las tensiones originadas debido a los cambios de temperatura y humedad que experimenta la carpeta de rodadura. Aunque la teoría indica que se pueden alcanzar espaciamientos de 6.0 m, por la experiencia recogida en numerosos proyectos viales, se recomienda no superar los 4.5 m de espaciamiento entre paños. Esquema 1/4: Esquema de pavimento de concreto simple con juntas Fuente: elaboración propia 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 36 - Pavimento de concreto armado con barras transversales (JRCP) Se le conoce como JRCP (Jointed Reinforced Concrete Pavement, por sus siglas en inglés). La carpeta de rodadura es de concreto reforzado con mallas de acero, permitiendo ampliar los espaciamientos entre las juntas transversales de contracción, llegando a distancias entre 7.5 y 9.0 m. Aunque tiene refuerzo moderado de acero, se espera que se produzcan fisuras controladas dentro de los paños. La transferencia de carga entre paños adyacentes se realiza mediante el empleo de pasadores. Las nuevas metodologías de diseño ya no lo consideran. Esquema 2/4: Esquema de pavimento de concreto reforzado con juntas Fuente: elaboración propia - Pavimentos de concreto continuamente reforzados (CRCP) Se les conoce como CRCP (Continuously Reinforced Concrete Pavement, por sus siglas en inglés). Las tensiones son controladas por una armadura de acero de bastante cuantía. Se espera la aparición de fisuras controladas a lo largo de todo el pavimento, con distancias que fluctúan entre 0.6 y 2.0 m. Es un pavimento bastante usado en Europa. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 37 Esquema 3/4: Esquema de pavimento de concreto continuamente reforzado Fuente: elaboración propia - Pavimentos de concreto con losas cortas (Optipave) Es un tipo de pavimento que nace empíricamente en zonas de altura, donde los gradientes de temperatura y humedad son bastante altos. Tiene la particularidad de trabajar con losas de mucho menores dimensiones: 1.8 X 1.8 (aunque puede variar). Tiene dos objetivos principales: (1) Controlar la fisuración debido a condiciones climáticas extremas; (2) Optimizar espesores, dado que los esfuerzos de flexión que gobiernan las metodología de diseño convencionales, son desplazados por los esfuerzos de compresión, en los que el concreto se comporta bastante bien, permitiendo reducir espesores (con la economía que ello involucra), para un mismo comportamiento esperado. Recientemente, la empresa TCpavement ® ha realizado estudios y obtenido relaciones mecanicistas que validan este tipo de diseños, trabajando con elementos finitos para obtener los esfuerzos y deformaciones. En el año 2012, es reconocido como un método de diseño válido por la Asociación Americana de Pavimentos de Concreto (ACPA, por sus siglas en inglés). 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 38 Esquema 4/4: Esquema de pavimentos de losas cortas 1.8 X 1.8 Fuente: elaboración propia En los tres primeros tipos de pavimentosde concreto (convencionales) se puede apreciar la tendencia por incrementar el espaciamiento entre juntas transversales. Esto debido a que las juntas son – a criterio de muchos especialistas - el punto más vulnerable de los pavimentos de concreto. Por las juntas ingresan materiales incompresibles que restringen el movimiento de los paños de concreto, por las juntas ingresa agua que erosiona las capas inferiores de soporte. Además, históricamente las juntas eran las responsables del bajo confort percibido por los usuarios de los pavimentos de concreto. Naturalmente, teniendo juntas con espesores mayores de 2 cm., y que eran selladas con asfalto en frío, se formaban barreras naturales y obstáculos para los vehículos que hacían incómodo transitar por el pavimento. Afortunadamente, con las nuevas tecnologías de corte de juntas, ahora se conciben con espesores de 6 mm, eliminando este tipo de problemas. En las nuevas metodologías de diseño, como Empírico - Mecanicista del 2002 (MEPDG 2002, por sus siglas en inglés), ya no se trabaja con los pavimentos de concreto reforzado con juntas JRCP, debido a que su comportamiento no ha sido el esperado. Los pavimentos de concreto continuamente reforzados CRCP, son especificados para periodos de diseño mayores a 30 años, por lo que es común apreciarlos en otras realidades como las de Estados Unidos y Europa. En América Latina, los pavimentos con los que se tiene experiencia y 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 39 buenos resultados, son los de concreto simple con juntas JPCP, por lo que serán éstos con los que se trabajará en el presente libro. Con respecto al pavimento de losas cortas (Optipave), es una metodología que tiene bastante experiencia sobretodo en países como Guatemala y Chile. En el Perú ya se tienen algunas experiencias de diseño y construcción para vías urbanas. Las fotografías siguientes muestran los diversos tipos de pavimentos de concreto: Fotografía 1/4: Pavimento de concreto simple con juntas JPCP Fuente: proyecto de pavimentación avenida Lima (2006) – Villa María del Triunfo Por: Mario Becerra Salas 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 40 Fotografía 2/4: Pavimento de concreto reforzado con juntas JRCP Fuente: proyecto de pavimentación JRCP (2006) Por: American Concrete Pavement Association (ACPA) Fotografía 3/4: Pavimento de concreto continuamente reforzado CRCP Fuente: proyecto de pavimentación en Bruselas (2007) – Bélgica Por: Mario Becerra Salas 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 41 Fotografía 4/4: Pavimento de concreto con losas cortas Fuente: proyecto de pavimentación Av. Los Álamos (2013) – Villa El Salvador Por: Giancarlo Salazar 4.3 Elementos del pavimento de concreto Debido a su versatilidad, y a la experiencia existente en nuestro medio, el pavimento de concreto JPCP es el que mejor se ajusta a la realidad nacional. El empleo de fibras metálicas, incluidas en la mezcla de concreto, presenta ventajas ya que alarga la vida del pavimento, al formar un mecanismo que cierra las fisuras que pueden aparecer debido a los esfuerzos de flexión originados por las cargas de tránsito. Sin embargo, su mayor empleo está en zonas donde se concentran esfuerzos, como en paraderos de buses, estaciones en general, parqueaderos industriales, pavimentos previos a peajes, curvas. En el siguiente esquema se presenta un detalle de las principales elementos que conforman el pavimento de concreto simple con juntas JPCP. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 42 Esquema 5/4: Elementos del pavimento de concreto simple con juntas Fuente: American Concrete Pavement Association (ACPA) A continuación se mencionaran las características más importantes de cada uno de los elementos que conforman el pavimento de concreto simple con juntas JPCP: 4.3.1 Capas de un pavimento de concreto Los pavimentos de concreto cuentan con una serie de capas que se sostienen desde la subrasante hasta la carpeta de rodadura. La calidad de los materiales que conforman las capas va mejorando a medida que se aproximan a la carpeta de rodadura. Los diferentes métodos de diseño consideran las siguientes capas para los pavimentos de concreto: a. Subrasante Es el suelo de cimentación del pavimento, pudiendo ser suelo natural, debidamente perfilado y compactado; o material de préstamo, cuando el 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 43 suelo natural es deficiente o por requerimiento del diseño geométrico de la vía a proyectar. Los materiales que pueden ser empleados como subrasante serán de preferencia materiales de tipo granular, tales como: GW, GP, SW, SM, ML o incluso SC, siempre que la arcilla no sea de alta plasticidad. Antes de ser empleado debe ser perfilado y compactado entre el 95 y 100% de la máxima densidad seca obtenida con el ensayo proctor estándar AASHTO T-99. En caso el suelo natural este conformado por suelos finos y plásticos como CL, MH, CH, CL – ML, con LL entre 50 y 100% se analizará la necesidad de mejorarlos reduciendo su LL para mejorar así el IP. Se recomienda IP < 10. Si el suelo natural esta conformado por suelos tipo MH, CH y OH con LL de 100% será reemplazado por material de préstamo en un espesor mínimo de 30 centímetros. b. Subbase Es la capa que esta apoyada sobre la subrasante, compuesta por materiales granulares de buena gradación. También deberá ser perfilada y compactada entre el 95 y 100% de su máxima densidad seca mediante el ensayo proctor estándar. El empleo de subbase implica una mejora en la capacidad de soporte de suelo que se traduce en una reducción del espesor de carpeta de rodadura. Sin embargo el impacto no es significativo. El empleo de materiales granulares entre la subrasante y la carpeta de rodadura se emplea mejor desde el punto de vista de protección de la subrasante ante la pérdida de finos y para hacer más homogéneo el soporte donde se colocará la carpeta de rodadura de concreto. c. Base 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 44 En el caso de los pavimentos de asfalto es común que se contemple material de base adicional. En el caso de los pavimentos de concreto no es común, pero podría darse el caso en situaciones extremas. Constituye entonces la capa intermedia entre la subbase y la carpeta de rodadura. Utiliza materiales granulares de excelente gradación Los diferentes métodos de diseño no limitan el espesor de las capas, sin embargo espesores inferiores a 10 centímetros resultan muy difíciles de compactar. Por lo que se sugiere no emplear espesores menores a 10 centímetros, siendo preferible trabajar con 15 centímetros. d. Bases estabilizadas con cemento Las bases estabilizadas permite el empleo de materiales locales, reciclados, teniendo como ventajas: subbases menos erosionables, reducción de esfuerzos de tensiones y deflexiones, mejoramiento de la transferencia de carga entre paños, entre otras. Se podrá estabilizar con cemento siempre y cuando el material a estabilizar sea libre de partículas orgánica, con equivalentes de arena superiores a 20. e. Carpeta de rodadura Esta conformada por mezcla de concreto hidráulico. Los métodos de diseño especifican diseños de mezcla con Módulo de Rotura a la Flexión (MR) superiores a 42 Kg/cm2, o su equivalente a f´c = 280 - 320 Kg/cm2. Tabla 4.2: MR recomendado por tipo de vía Tipo de vía MR recomendado (Kg/cm2) Autopistas 48 Urbanas principales 45 Urbanas secundarias 42Fuente: elaboración propia 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 45 Aunque las metodologías de diseño podrían evaluar pavimentos de concreto con MR mayores a 50 kg/cm2, lo mejor es no superar esta medida ya que las losas se vuelven demasiado rígidas y son más susceptibles a la fisuración debido al alto contenido de cemento que esas mezclas requieren. Valores de MR entre 50 y 55 son comunes para pavimentos de aeropuertos. 4.3.2 Las juntas Por la naturaleza misma del concreto, es necesario controlar la fisuración y permitir el movimiento relativo entre paños adyacentes mediante el empleo de juntas. Las juntas son longitudinales y transversales y tienen el rol de inducir fisuras por contracción del concreto, aislar el movimiento de los paños de elementos ajenos al pavimento, como buzones por ejemplo, siendo incluso parte del procedimiento constructivo. Son los puntos débiles de los pavimentos, pues permiten el ingreso de líquidos que puedan erosionar las capas de cimentación, o materiales incompresibles, que restrinjan el movimiento. Por ello además de ser concebidas éstas deben ser selladas y mantenidas con cierta frecuencia. 4.3.3 Mecanismo de transferencia de carga y confinamiento Dependiendo del tipo de solicitaciones de carga de tránsito y del diseño geométrico de la vía el pavimento contará de mecanismos de transferencia de cargas entre paños adyacentes y confinamiento lateral. Transferencia de carga 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 46 Se puede dar mediante la trabazón de los agregados o mediante el empleo de pasadores en las juntas de contracción transversal. Los pasadores son barras de acero lisas y con los bordes redondeados que se colocan en el plano perpendicular al corte de la junta transversal. Deben estar centrados y permitir el movimiento de los paños adyacentes, no deben restringir su movimiento. En la tabla 2/4, se presentan dimensiones características de los pasadores con relación al espesor de la carpeta de rodadura de concreto. Tabla 2/4: Características de los pasadores con relación al espesor de la losa Diámetro (mm) Longitud (cm) Separación (cm) 13 - 15 19 40 30 15 - 20 25 45 30 20 - 30 32 45 30 30 - 43 38 50 35 43 - 50 45 55 45 Pasadores Espesor del concreto Fuente: elaboración propia Confinamiento lateral El confinamiento lateral es importante ya que controla las tensiones por flexión y las deflexiones en la losa. Además de las bermas, que pueden ser de concreto como una extensión del pavimento, vinculada o no vinculada, de asfalto, o de material granular; un mecanismo de confinamiento lateral lo brindan las barras de amarre. Las barras de amarre son de acero corrugado, cuya función es controlar el movimiento lateral entre dos carriles adyacentes. Se colocan perpendiculares a la junta longitudinal, son barras de acero corrugadas de, por lo general, 3/8, ½ ó 5/8 de pulgada de diámetro; con longitudes que varían desde 50 cm hasta 100 cm, y que están espaciadas entre 0.5 y 1.0 m. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 47 4.3.4 Texturizado (Micro y Macro Texturizado) El objetivo de texturizar la superficie del concreto es entregarle al pavimento las cualidades necesarias que permitan el contacto pavimento – llanta que permita el tránsito de los vehículos en condiciones seguras. El micro texturizado es el que se logra aplicando una llana húmeda sobre la superficie del pavimento, depende en gran medida de la naturaleza propia del agregado. El macro texturizado se logra mediante herramientas mecánicas, como peines con cerdas metálicas o aparatos más sofísticados que pueden ser incorporados en el tren de pavimentado. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 48 5.- Consideraciones de diseño de pavimentos de concreto “El ignorante afirma, el sabio duda y reflexiona”” Aristóteles, filósofo griego, 384 – 322 AC 5.1 El entorno El pavimento de concreto es una estructura que se relaciona con el lugar y clima en el que es proyectado, con el suelo sobre el que será construido, y con el tipo de tránsito al que será sometido. Es por ello que el diseñador, antes de iniciar el cálculo de estructuras y modulación de losas de concreto, debe tener perfectamente claros los siguientes factores: - El lugar donde esta ubicado el proyecto - El medio ambiente y clima - Los materiales disponibles - La tecnología de construcción a utilizar - Las estructuras adicionales que se requieren como bermas y drenajes - El tipo de tránsito y su proyección futura - El tipo de suelo de cimentación - Criterios de falla considerados El diseñador, después de interiorizar éstos factores, y teniendo conocimiento pleno de los recursos disponibles, así como las limitaciones en los recursos, podrá diseñar el pavimento adecuado para el proyecto. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 49 5.2 El medio ambiente El diseñador debe tomar en cuenta lo siguiente: a. Temperatura y humedad Las variaciones de temperatura y humedad que ocurren estacionalmente afectan el desempeño del pavimento de concreto. En efecto, estas variaciones producen gradientes en la estructura de la carpeta de rodadura, generando esfuerzos y deformaciones que contribuyen al deterioro de la losa rígida. Las losas de concreto se dilatan y contraen a consecuencia de los gradientes de temperatura y humedad, sufriendo alabeos que definen figuras convexas y cóncavas, según sea día o noche, respectivamente, que sumados con el paso de las cargas de tránsito, incrementan el potencial de agrietamiento del concreto. En estos casos, el dimensionamiento de juntas transversales es lo más crítico. En climas fríos, dónde existen ciclos de hielo – deshielo, así como en climas extremadamente cálidos, hay que tomar precauciones adicionales en el diseño y colocación de la mezcla de concreto. b. Lluvias Las lluvias pueden ser un factor de infiltración de agua por las juntas de los pavimentos de concreto. El agua infiltrada, combinada con la presencia de suelos finos en la subrasante y el paso de tránsito pesado, puede generar el fenómeno conocido como bombeo, y consecuentemente la erosión de los materiales de apoyo y la pérdida de capacidad portante. Para reducir el riesgo de bombeo, el diseñador debe limitar o proteger el contenido de finos en la subrasante, esto se logra, 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 50 mediante el empleo de sistemas que permitan la evacuación del agua. Las bases drenantes funcionan bastante bien. El diseñador debe tomar en cuenta, además, factores como: la topografía, la presencia y ubicación de la napa freática antes de iniciar el cálculo de estructuras. 5.3 Los materiales disponibles Los materiales son determinantes para el diseño de la solución técnica y económica más adecuada, por lo que el diseñador debe considerar preferentemente, para el diseño las diversas capas estructurales, materiales provenientes de canteras y depósitos aluviales de la región. a. Los agregados El tema de las canteras se vuelve crítico en zonas en las que se carece de materiales aptos y en proporciones adecuadas, dado que, se debe considerar la características geológicas, la homogeneidad, la potencia de las canteras y las facilidades de explotación, así como la cercanía a la obra, pues éstos factores afectan directamente el precio final de los agregados y del proyecto. Independientemente de las condiciones descritas, se debe conocer la situaciónsocial en la zona, es decir, aunque existan canteras aptas y cercanas al proyecto, quizá estas no puedan usarse por existir problemas con los pobladores. Debe recordarse que en el caso del concreto, las normas de agregados, ASTM C33 o su versión local, son abiertas a aceptar granulometrías que no se ajusten necesariamente a los husos recomendados, siempre y cuando se pueda comprobar que el resultado final sí cumple los 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 51 requerimientos del proyecto. Para ello es necesario fundamentar los resultados con estadística sólida. b. El cemento y sus adiciones El cemento y sus adiciones son otro factor a considerar. En el caso del cemento, se trabaja por lo general con los Portland tipo I, II y V, que son los que comúnmente se fabrican en el Perú. Las adiciones como el filler calizo, las puzolanas y las cenizas volantes, ayudan a reducir el potencial de contracción de la mezcla mejorando su comportamiento, pero no siempre están disponibles en nuestro mercado con la calidad y cantidad necesaria. En nuestro medio, sin embargo, existen cementos que ya tienen incorporados adiciones como las puzolanas con buen desempeño. 5.5 El drenaje Las estructuras de drenaje tienen como propósito el control del agua libre producto de las lluvias que puede afectar la estructura del pavimento. El principal problema es que el agua puede ingresar por las juntas y comenzar el proceso de erosión de las capas intermedias y de la subrasante, permitiendo así la reducción de la capacidad portante y acelerando el deterioro del pavimento. Las obras de drenaje más comunes son: El bombeo, es la pendiente transversal que se da en las vías para permitir que el agua escurra hacia las bermas y cunetas. El bombeo 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 52 pueda estar por el orden de 1.5% y 2.0% de pendiente desde el eje del camino hasta la berma correspondiente. Las cunetas, son canales adyacentes a los lados de la berma, cuya finalidad es conducir el agua de lluvia hacia lugares en donde es inofensiva, es decir, lugares donde no se afecte la capacidad portante de la estructura de pavimento. Las alcantarillas, son las responsables del drenaje transversal, es decir, de la circulación del agua en una dirección perpendicular al pavimento. 5.6 Las bermas Las bermas tienen por finalidad proveer soporte de borde a la calzada del pavimento, asistencia a los vehículos en problemas, incrementar la seguridad, y prevenir la erosión de las capas inferiores. Los tipos de berma que se pueden emplear son: De concreto De asfalto Granulares El ancho de la berma es variable y depende de la importancia de la vía. La pendiente transversal de las bermas es mayor a la de la superficie del pavimento para permitir la adecuada evacuación de las aguas de lluvia. En general, las bermas tienen una estructura de menor capacidad soporte que la calzada (pavimento), pero deben ser capaces de soportar cargas estáticas de vehículos pesados que ocasionalmente se estacionen sobre ellas. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 53 Es deseable que exista una diferenciación visual y de textura entre la superficie de la calzada y la berma, como medida de alerta para las personas que transitan sobre la autopista. 5.7 El tránsito Las diversas metodologías de diseño de pavimentos tienen por finalidad proyectar estructuras que permitan la circulación de vehículos con diferentes características de carga durante un periodo de tiempo estimado. Por lo tanto, para diseñar un pavimento es necesario determinar el número, tipo y peso de los vehículos que circularan por ese camino una vez construido el pavimento. Las metodologías de diseño comúnmente aceptadas como: PCA 84, AASHTO 93 y MEPDG 2010, coinciden en que únicamente los vehículos con carga pesada son los que deben ser considerados para la estimación de espesores. Es decir, los autos y camionetas no son considerados en el diseño por tener un nivel de daño insignificante para el pavimento. Sin embargo, las tres metodologías antes mencionadas incorporan el efecto del tránsito en forma diferente, como veremos a continuación: PCA 84, incorpora el daño acumulado a partir del peso por eje, y por tipos de ejes. AASHTO 93, simplifica el cálculo a partir un eje patrón simple de 8.2 Ton de peso denominado Eje Equivalente (ESAL, por sus siglas en inglés). MEPDG 2010, trabaja directamente con el espectro de vehículos. La repetición de las cargas de tránsito y la consecuente acumulación de deformaciones en la estructura del pavimento son fundamentales para iniciar las estimaciones 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 54 En el caso de pavimentos de concreto con losas cortas, dependiendo del software de diseño por elementos finitos, se puede trabajar con ESALS o con espectro de vehículos. 5.8 El suelo de cimentación El suelo es parte integral de la estructura de los pavimentos, y es el responsable de soportar finalmente las cargas transmitidas desde la carpeta de rodadura. Por lo tanto, mientras más conocido sea el suelo de cimentación, más acertados serán los métodos de diseño al proyectar el deterioro del pavimento en sus años de servicio. Es necesario tener en cuenta la sensibilidad de los suelos a la humedad, tanto en lo que se refiere a su capacidad portante como a su naturaleza expansiva. Los cambios volumétricos del suelo pueden ocasionar graves daños en las estructuras, por lo que si la zona del proyecto cuenta con suelos con potencial expansivo, el diseñador puede especificar reemplazarlos, y si no es posible, ordenar su estabilización mediante la aplicación de cal, cemento, asfalto, o de algún otro aditivo. Se debe intentar controlar que el Índice Plástico (IP) sea menor que 10. El suelo de cimentación perfilado y compactado recibe el nombre de subrasante. Durante muchos años, los pavimentos de concreto se construyeron directamente sobre la subrasante. Esta práctica se fundamenta en que la naturaleza rígida del concreto mantenía los esfuerzos controlados. Sin embargo, debido al aumento de las cargas de tránsito y a la potencialidad de existir bombeo, se recomienda el empleo de materiales de subbase para evitar la posibilidad de pérdida de finos y lograr la homogeneidad necesaria que requiere la carpeta de concreto para su correcto desempeño. El empleo de 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 55 subbases granulares o estabilizadas reduce considerablemente el escalonamiento entre losas adyacentes. 5.9 Criterios de aceptación Como se ha mencionado en el capítulo 1, los pavimentos se conciben para que tengan un adecuado comportamiento funcional y estructural. En este contexto, los diseñadores deben considerar los siguientes criterios de aceptación en los deterioros presentados: a. Confort El pavimento debe ser “suave”, esto se logra manteniendo el Índice de Rugosidad Internacional (IRI) dentro de valores admisibles. Un pavimento nuevo puede presentar un IRI entre 1 y 2 m/km, dependiendo de la importancia de la vía. El IRI final, es decir, el que se espera después del periodo de diseño, puede estar entre 4 y 5 m/km. Empleado indirectamente en AASHTO 93 a través de la serviciabilidad. Existen relaciones empíricas que vinculan el IRI con la serviciabilidad. En MEPDG 2010 y Optipave, se considera directamente el IRI. b. Agrietamiento transversal Es causado principalmente por esfuerzos de borde en el centro de la losa. El número de repeticiones de carga necesariopara causar el agrietamiento depende de la relación entre la tensión a flexión y el módulo de rotura del concreto. Este criterio es utilizado tanto por el método PCA 84, como por MEPDG 2010 y Optipave. c. Erosión - bombeo Aunque las deformaciones permanentes no están consideradas en el diseño de pavimentos rígidos, la deformación resilente bajo repeticiones de cargas vehiculares es responsable del bombeo de las losas. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 56 Consecuentemente, las deflexiones de esquina han sido empleadas en métodos como PCA 84 como un criterio adicional de verificación, así como en el MEPDG 2010 como criterio de falla bajo el nombre de escalonamiento. También es considerado por el método Optipave. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 57 6.- El Suelo “Dame un punto de apoyo y moveré la tierra” Arquímedes, matemático siciliano, 287 – 212 AC 6.1 Generalidades Mientras más información se tenga sobre el comportamiento de los suelos, más certera será la proyección de diseño y modelos de deterioro en nuestras estructuras de pavimentos. El suelo en el que se apoya la estructura del pavimento recibe el nombre de subrasante y es, en la mayoría de casos, el suelo natural trabajado (perfilado, compactado y a veces hasta mejorado) y en casos extremos material de préstamo. Los pavimentos de concreto por su naturaleza rígida no son en su concepción tan susceptibles a la capacidad portante de las subrasante y demás capas intermedias como sí lo son los pavimentos de asfalto. En general, para ambos tipos de pavimentos, para las mismas condiciones de diseño, a peor calidad de suelo, la estructura del pavimento requiere mayores espesores. Por ello, los pavimentos de concreto fueron concebidos por muchos años sin la necesidad de colocar bases granulares o tratadas intermedias entre la subrasante y la carpeta de rodadura, sin embargo, el aumento de las cargas de tránsito, del número de ejes, su frecuencia, orientaron los nuevos diseños concibiéndolos con subbases granulares para evitar el escalonamiento entre las juntas, el fenómeno de bombeo y la erosión del material de soporte. Es decir, la función de esta capa intermedia no es más que para homogeneizar las características de la superficie en que se apoyará la carpeta de concreto, y como protección a la pérdida de finos de la subrasante. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 58 6.2 Conceptos y ensayos básicos de la Mecánica de Suelos aplicada a la ingeniería vial La Mecánica de Suelos es una ciencia muy amplia. En este libro se mencionan y detallan las principales propiedades, relaciones y ensayos relacionados con el suelo, aplicables para el diseño y construcción de pavimentos de concreto. 6.2.1 Descripción de algunos tipos de suelos Se debe tener en cuenta lo siguiente: Arenas y gravas, son materiales sin cohesión de partículas granulares o redondeadas, de roca y minerales Limos inorgánicos, son suelos de grano fino con poca plasticidad. Comúnmente son confundido con las arcillas Limos orgánicos, son suelos de granos finos más o menos plásticos, están contaminados con materia orgánica Arcillas, son agregados de partículas microscópicas derivadas de la descomposición química de los constituyentes de las rocas (feldespatos). Son suelos plásticos dentro de límites extensos y cuando carecen de humedad tienen una consistencia dura 6.2.2 Relaciones entre pesos, densidades y volumen A continuación se definen las principales relaciones de la Mecánica de Suelos: Densidad seca (עd) d = Ws / Vtע 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 59 Ws = peso del suelo seco; Vt = volumen total del suelo Peso específico de los agregados (עs) s = Ws / Vsע Vs = volumen del suelo seco Porosidad (N) N = Vv/Vt Vv = volumen de vacíos en el suelo Relación de Vacíos (e) e = Vv/Vs Densidad Relativa (Dr) La densidad relativa es un parámetro muy importante para determinar el grado de compactación de suelos granulares. Dr = (emax – e) / (emax – emin) Contenido de Humedad (ω) ω = Ww/Ws * 100 (%) ó ω = (Wh – Ws) / Ws * 100 (%) 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 60 Ww = peso del agua en el suelo, Ws = peso del suelo seco, Wh = peso del suelo húmedo Densidad húmeda (עh) d ( 1 + ω )ע = hע d = densidad secaע Grado de saturación (S) S = Vw / Vv 6.2.3 Granulometría Es la distribución en peso de las partículas según su tamaño. Es una característica muy importante dentro del estudio de suelos gruesos. Existen dos maneras para realizar en análisis granulométrico: por tamizado y por sedimentometría. El tamizado es empleado para suelo con tamaños mayores a 74μm, es decir, analiza suelos que pasan por la malla Nº 200. Consiste en contabilizar el retenido en peso a medida que el suelo es tamizado por mallas que van reduciendo sus tamaños en el proceso. El tamizado tiene a su vez dos formas de realizarse: por vía seca y húmeda. La vía seca se reserva para el caso de suelos granulares con poco contenido de finos. La vía húmeda se emplea para suelos granulares con alto contenido de finos, o sucios, en los que realizar un tamizado en seco podría ser engañoso. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 61 La sedimentometría se emplea para determinar la granulometría de la porción que pasa la malla Nº 200, y esta basada en la ley de Stokes, en la que se considera la velocidad de sedimentación de las partículas en un líquido. Sin embargo para el caso de suelos finos más relevante es conocer otras propiedades como es el caso de la plasticidad. 6.2.4 Plasticidad Es la propiedad que tiene el suelo para deformarse y mantener su nueva forma cuando es sometida a fuerzas de compresión, siempre dentro de un cierto grado de humedad, sin perder volumen ni romperse. Muchas de las propiedades de los suelos finos granulares, o de las fracciones finas de la parte gruesa, están relacionadas con este concepto. A medida que se le cambia de humedad, un suelo puede variar de líquido a sólido, pasando primero por semilíquido, plástico y semisólido (estados intermedios). Cada uno de los cinco estados esta determinado por parámetros conocidos como Límites de Atterberg. Límites de Atterberg Son contenidos de humedad típicos del suelo propuestos por el científico sueco A. Atterberg producto de investigaciones realizadas con fines agrícolas. Los límites proponen cinco límites de los que se emplean sólo dos para el desarrollo de ingeniería vial, que son: Límite líquido (LL) Límite plástico (LP) 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 62 Cuando la resistencia al corte del suelo es nula debido a un alto contenido de humedad se dice que se encuentra en estado fluido. A medida que se le va quitando agua, baja su contenido de humedad y empieza a tener resistencia al corte (20 a 25 gr. / cm2). Cuando el suelo alcanza esta resistencia se encuentra en LL. Si continuamos quitándole agua y por lo tanto la humedad baja aún más, el suelo podrá aumentará su resistencia al corte y podrá ser amasado. Al llegar al LP el suelo además de perder volumen por la pérdida de agua, ya no puede ser amasado. Determinación del LL El LL se determina mediante un instrumento llamado Cuchara de Casagrande, que consiste en un plato de bronce de 46.7 mm de radio que se llena conla fracción del suelo a ensayar. Se trabaja con la fracción del suelo que pasa la malla Nº 40 (250 +/- 10 gramos). Se mezcla el suelo cuidadosamente con agua hasta lograr una cierta homogeneidad, hasta que obtenga una cierta consistencia para iniciar el ensayo. Coloca el suelo con la humedad respectiva en el plato de bronce. Realiza el corte de 2 mm de ancho a la masa de suelo con una espátula conocida como herramienta de Casagrande. Con ello se separa la masa que se encuentra en el plato. Se aplican golpes a una frecuencia de dos por segundo hasta lograr que los bordes del corte realizado se unan en una longitud de 12.7 mm. Cuando el número de golpes en los que se alcanza el cierre es 25 se dice que el contenido de humedad es el correspondiente al LL. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 63 Como es difícil lograr unir el corte realizado con 25 golpes se requiere realizar varios ensayos y poder determinar la curva logarítmica: humedad (ω) vs número de golpes (n), que se representa mediante la ecuación: LL = ω / (1.419 – 0.3 Log n) Fotografía 1/6: Cuchara de Casagrande Fuente: Laboratorio Flujo Libre, Mario Becerra Salas Determinación del LP Es el contenido de humedad para el cual el suelo puede amasarse en cilindros de 3 mm de diámetro sin resquebrajarse. También se trabaja con la fracción del suelo que pasa la malla Nº 40. Fotografía 2/6: Cuchara de Casagrande Fuente: Laboratorio Flujo Libre, Mario Becerra Salas 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 64 Índice Plástico (IP) Es una propiedad importante para la caracterización de suelos finos. Las arcillas plásticas por ejemplo tienen un IP muy alto IP = LL - LP 6.2.5 El Equivalente de Arena (EA) Es un ensayo que se relaciona con la granulometría del material. Sus resultados nos permiten tener una idea de la proporción de partículas finas (tamaños inferiores a 80 μm) que contiene el suelo. Consiste en introducir la fracción que pasa la malla Nº 4 de la muestra de suelo en una probeta de 32 mm de diámetro y 430 mm de altura, graduada hasta 380 mm. La probeta es posteriormente llenada con una solución de agua destilada, cloruro de calcio anhidro, glicerina y solución de formaldehído. Luego de mezclarse y dejar reposar el suelo con la solución por un plazo de 20 minutos, se lee la solución de arcilla que se forme. Después se introduce un pistón para leer la altura de material granular y los valores se introducen en la siguiente ecuación: EA = Lectura en la superficie de arena / Lectura en la superficie de arcilla (100) El valor se redondea al entero más próximo. Un equivalente de arena alto indica que existen poca presencia de finos (limos y arcilla) en el suelo. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 65 Fotografía 3/6: Equivalente de Arena Fuente: Laboratorio Flujo Libre, Mario Becerra Salas 6.2.6 Sistemas de clasificación de los suelos La clasificación de un suelo se realiza con la finalidad de conocer sus propiedades. Es decir colocar el suelo en estudio en un marco de referencia que nos permita buscar después información específica complementaria. Existen dos sistemas de clasificación: Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS) Método del Highway Research Board El SUCS se emplea muy poco para la ingeniería vial, quedando solo como consulta en el diseño de cimentaciones. Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS) 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 66 Se clasifican los suelos en dos grandes grupos: a) Suelos finos, con pasante de malla Nº 200 > 50%. Generalmente son limos (L) y arcillas (C) Con los valores del LL e IP se sitúa el suelo en el gráfico 1/6 y se analiza de la siguiente forma: Si esta por debajo de la línea A es un limo Si esta por encima es una arcilla Para LL > 50% se trata de finos con alta plasticidad Para LL < 50% se trata de finos con baja plasticidad Los suelos orgánicos se caracterizan en el gráfico y se denotan con la letra (O) b) Suelos gruesos, con pasante de malla Nº 200 < 50% (arenas y gravas) Se subdivide en: Es grava (G) cuando el pasante de malla Nº 4 < 50% Es arena (S) cuando el pasante de malla Nº 4 > 50% Consideraciones adicionales: Considerando siempre el material que queda retenido en la malla N° 200 b1) Se considera que es granular limpio si el pasante de malla Nº 200 < 5%: Se definen: Cu = D60/D10 y Cc = D30^2 / (D60/D10) 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 67 Para el caso de una grava (G) si Cu > 4 y Cc entre 1 y 3 se trata de una grava bien graduada (GW). Si no cumple entonces será un grava mal graduada (GP) Para el caso de una arena (S) si Cu > 6 y Cc entre 1 y 3 se trata de una arena bien graduada (SW). Si no cumple entonces será una arena mal graduada (SP) b2) Si el pasante de malla N° 200 esta comprendido entre 5 y 12%: Debe considerarse además de si el suelo esta bien o pobremente graduado, la fracción plástica debido al mayor contenido de finos. De esta manera con el gráfico XX se puede definir si el suelo tiene naturaleza limosa o arcillosa La grava con presencia de arcilla puede denotarse como: GW – GC ó GP – GC La grava con presencia de limos puede denotarse como: GW – GM ó GP – GM La arena con presencia de arcilla puede denotarse como: SW – SC ó SP – SC La grava con presencia de limos puede denotarse como: SW – SM ó SP – SM b3) Si el pasante de malla N° 200 > 12%: No se analiza si la fracción gruesa esta bien o mal graduada Se analiza la fracción mínima del gráfico anterior La grava puede ser arcillosa y limosa, GC y GM respectivamente La arena puede ser arcillosa y limosa, SC y SM respectivamente 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 68 Gráfico 1/6: SUCS Fuente: Elaboración propia Método del Highway Research Board (AASHTO) Los suelos se clasifican por grupos denotados con la letra “A” seguida de números y letras. Además entre paréntesis debe colocarse el valor del Índice de Grupo (IG) para ese tipo de suelo. El IG es un valor comprendido entre 0 y 20 que se relaciona con la calidad del suelo. Un suelo de peor calidad tendrá un IG mayor. El IG se determina mediante la siguiente ecuación: IG = 0.2*a + 0.005*a*c + 0.01*b*d Donde: a = porcentaje del pasante malla N° 200 comprendido entre 35 y 75%. Toma valores entre 0 y 40 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 69 b = porcentaje del pasante malla N° 200 comprendido entre 15 y 55%. Toma valores entre 0 y 40 c = LL entre 40 y 60%. Varía entre 0 y 20 d = IP entre 10 y 30%. Varía entre 0 y 20 Procedimiento de clasificación AASHTO Se requiere el empleo del gráfico 2/6 Se ingresa de izquierda a derecha analizando la granulometría del suelo en estudio y sus coincidencias en los máximos pasantes en las mallas N° 10, 40, y en ese orden Si cumple con el pasante de la malla N° 10 se continúa con la de 40. Caso contrario se pasa a la columna de la derecha hasta que el pasante es mayor que el límite establecido en la tabla El análisis continua para el pasante de la malla N° 200 Se analiza el LL e IP, bajo el mismo criterio de descarte de izquierda a derecha El IG se aplica de la misma forma, calculado del ábaco del gráfico o de la fórmula anterior. Si se emplea el ábaco para el cálculo del IG las ordenadas deben sumarsey el resultado ser redondeado al entero más próximo Si el suelo es considerado un A-7, será necesario indicar si es un A-7-5 ó un A-7-6 Si IP < LL – 30 será un A-7-5. Caso contrario A-7-6 En líneas generales los suelos son mejores de izquierda a derecha, así tenemos: 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 70 A-1 son gravas o arenas limpias. Con sufijo “a” serán buenos como materiales de base y subbase. Con sufijo “b” serán buenos como subbase A-3 son arenas finas de granulometría uniforme A-2 son suelos granulares sucios. Tienen sufijos adicionales del 4 al 7, del 4 al 7 se refieren a que la contaminación sería limosa hasta arcillosa Los A-4 y A-5 son limos Los A-6 y A-7 son arcillas Ejemplo: Suelo 1 2 3 4 5 6 Pasante N° 10 40 100 90 100 100 100 Pasante N° 40 25 100 37 100 66 87 Pasante N° 200 7 81 5 88 4 55 LL --- 40 --- 42 --- 33 IP --- 22 --- 20 --- 8 IG 0 13 0 12 0 4 Clase A-1-a A-6 A-1-b A-7-6 A-3 A-4 Nota: por ejemplo con ayuda del ábaco Para el suelo 2 IG = 8+4.8 = 12.8. Redondeando = 13 Tabla 1/6: AASHTO – Clasificación de Suelos Fuente: Elaboración propia 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 71 6.2.7 Densidad seca máxima vs humedad óptima Un suelo que esta suelto presenta un volumen mayor que si estuviera compactado debido a que tiene un volumen de vacíos mayor. Al ser compactado el volumen de vacíos se reduce, bajando el volumen total, y aumentando su densidad. A medida que se aumenta el contenido de humedad se obtienen mayores densidades, debido a que el agua lubrica las partículas facilitando su acomodamiento. Sin embargo si se aumenta demasiado la cantidad de agua las fuerzas hidrostáticas que se desarrollan no permitirán comprimir más los vacíos, tendiendo a separar las partículas. Por lo tanto, existe un grado de humedad óptima en el suelo para la cual la densidad seca es máxima. Si se aumenta la energía de compactación se obtiene una densidad seca mayor pero una humedad óptima menor. Gráfico 2/6: SUCS Fuente: elaboración propia 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 72 Ensayos Proctor Hay diversos métodos que miden la humedad óptima y la máxima densidad seca, pudiendo ser estáticos y dinámicos. Los métodos más utilizados son los dinámicos o ensayos Proctor en sus versiones estándar (AASHTO T – 99) y modificado (AASHTO T – 180). Las pruebas determinan el peso por unidad de volumen de un suelo que ha sido compactado con el procedimiento definido para diferentes contenidos de humedad. Esta limitado para suelos que pasan totalmente la malla N° 4. La compactación se realiza colocando las muestras de suelo en unas probetas de 4 y 6 pulgadas de diámetro respectivamente, y dejando caer con cierta frecuencia unos martillos con pesos conocidos desde cierta altura. Tabla 2/6: AASHTO – Clasificación de Suelos Ensayo Proctor Estándar Modificado Norma ASTM T - 99 T - 180 Peso del martillo (kg) 2.5 4.5 Altura de caida (cm) 30.5 45.7 25 25 56 56 N° de capas 3 5 N° de golpes por capa Fuente: elaboración propia Fotografía 4/6: Ensayo Proctor Fuente: elaboración propia 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 73 Valor Soporte California (CBR, por sus siglas en inglés) El CBR (California Bearing Ratio), ensayo normado bajo AASHTO T – 193, es una medida de la resistencia al esfuerzo cortante del suelo bajo condiciones de densidad y humedad controladas. Con el CBR se compara la presión necesaria para penetrar un pistón en una muestra de suelo dada, con la requerida para una muestra patrón (roca sana triturada) El ensayo en sí consiste en medir la carga requerida para que un pistón de 19.4 cm2 de área penetre en una muestra de suelo dada a una velocidad de 1.2 mm por minuto. Las lecturas de presión se registran cada 2.5 mm. CBR = carga que produce 2.5 mm de penetración en el suelo / carga que produce 2.5 mm de penetración en la muestra patrón El CBR requiere además conocer: Determinación de la curva densidad máxima seca vs humedad óptima Determinación de las propiedades expansivas del suelo (IP) El CBR es criticado pues no mide directamente ninguna de las propiedades del suelo, sin embargo por su simplicidad se han establecido correlaciones con otros parámetros que sí miden capacidad portante para permitir su empleo, indirecto, en diseño. Módulo de Reacción de la Subrasante (K) 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 74 Conocido también como ensayo de placa, tiene por objetivo conocer la presión que se requiere ejercer sobre el suelo para que presente una deformación dada. Esta normado bajo AASHTO T – 222 La determinación del valor K se realiza mediante una placa circular de 30 pulgadas de diámetro bajo una presión tal que produzca una deformación de 0.05 pulgadas. Entonces K sería igual al esfuerzo aplicado a la placa entre la deformación correspondiente. Este valor es utilizado directamente en las metodologías de diseño PCA 84, AASHTO 93 y en diseños nivel 3 del MEPDG 2010 Gráfico 3/6: Esquema de Ensayo K Fuente: elaboración propia Es importante saber que el valor de K depende además del momento estacional en el que es tomado. Por lo general para lugares donde exista hielo – deshielo, K aumentará notoriamente en invierno, y se reducirá en primavera, debido al efecto del congelamiento del suelo. Debido a que implementación en campo es lenta y por lo tanto costosa, se han desarrollado correlaciones entre el CBR y el módulo K como simplificación. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 75 Módulo Resilente (Mr) El neumático al transitar por el pavimento entrega un pulso dinámico a todas las capas del pavimento incluyendo a la subrasante haciéndolas sufrir una deflexión determinada. Para poder modelar este comportamiento se desarrolló el ensayo del Módulo Resilente del suelo. En laboratorio se utiliza una cámara triaxial y se somete la muestra a ensayos cíclicos con pulsos de 0.1 segundos de duración y periodos de reposo de 0.9 segundos. Se miden tensiones desviantes y las deformaciones totales y permanentes en la muestra, se calcula mediante: Mr = σ des / ε res El ensayo esta normado por AASHTO T – 294 Fotografía 5/6: Ensayo de Módulo Resilente Fuente: elaboración propia 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 76 En nuestro medio este ensayo no esta tan difundido como el CBR debido a que requiere de equipo sofisticado y poco accesible, a que el resultado depende mucho del método de compactación de la muestra y de su humedad. Cuando se utilice algún método que requiera este ensayo para el diseño de pavimentos, y no se tenga disponible en el medio, se puede utilizar la siguiente ecuación de correlación: Mr = 10.35 * CBR (Mpa) 6.2.8 Correlaciones entre K y el CBR A continuación se presentan ábacos que correlacionan tipo de suelo, con sus respectivos valores de CBR y K correlacionados. Tabla 3/6: Correlaciones K vs CBR (suelo) Fuente: elaboración propia 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 77 Adicionalmente se pueden considerar las siguientes ecuaciones de equivalencia entre el CBR y el valor K para diseño: Si CBR < 10% entonces: K sr = 2.55 + 52.5 * LOG CBR (K en Mpa/m) Si CBR > 10% entonces: K sr = 46 + 9.08 * (LOG CBR) ^4.34 (K en Mpa/m) Cabe mencionar que se podríaaprovechar el efecto beneficioso de colocar una capa granular intermedia como subbase, incrementando el valor K subrasante a través de un valor combinado, así tenemos que: K combinado = (1 + (h/38)^2 * (Ksb / Ksr)^2/3)^1/2 * Ksr Donde: Ksr = K de la subrasante (Mpa/m) Ksb = K de la subbase (Mpa/m) h = espesor de la capa de subbase (cm) 6.2.9 Cambio de volumen en los suelos y medidas de control Los cambios volumétricos en el suelo generan problemas de uniformidad del soporte y deterioro de las superficies de los pavimentos existentes. Los suelos más susceptibles a experimentar cambios de este tipo son los tipos A-6 y A-7 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 78 Para controlar suelos con potencial expansivo se puede: Excavar y reponer con material de préstamo Aislarlo, de tal manera que no le ingrese agua Realizar una estabilización del suelo con cal, cemento por ejemplo 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 79 7.- El Tránsito “El fracaso es una gran oportunidad para empezar otra vez con más inteligencia” Henry Ford, promotor de la industria americana del automóvil, 1863 – 1947 7.1 Generalidades El tránsito es la variable de diseño que presenta la mayor incertidumbre en su predicción. Por lo general, se estima el Índice Medio Diario Anual (IMDA) de una vía, a partir de técnicas de recolección de datos en campo. El IMDA obtenido, con fines de diseño de pavimentos, debe ser corregido por factores de dirección, así como por el número de carriles por sentido. Los datos del tránsito obtenidos, deben de proyectarse a lo largo del periodo de diseño del pavimento, considerándose además, la cuota de tránsito generado y atraído estimada. La forma en que se considera el tránsito para las metodologías de diseño es diferente. Sin embargo, todas desprecian la participación de los vehículos ligeros en sus estimaciones. Para PCA 84, el tránsito se caracteriza por ejes y sus respectivos pesos durante el periodo de diseño. AASHTO 93, convierte los diferentes ejes y pesos, según el daño que éstos ocasionen al pavimento. El valor patrón es el Eje Equivalente (ESAL, por sus siglas en inglés). Sólo el MEPDG 2008, considera las características de los vehículos en forma directa, a través de la clasificación vehicular de la FHWA. En otras palabras, ni la metodología sugerida por la PCA 84, ni la AASHTO 93, diseñan pavimentos para periodos de tiempo en forma directa, sino que estiman un periodo de diseño según la proyección de ejes y ESAL, respectivamente. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 80 7.2 Caracterización del tránsito En el Perú, el MTC dispone los lineamientos para caracterizar los vehículos según su configuración de ejes y pesos máximos permitidos. Ver tabla 1/7 Tabla 1/7: Caracterización Vehicular Fuente: MTC, 2013 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 81 Una vez obtenido el IMDA, y su composición por tipo de vehículos, debe iniciarse la caracterización del tránsito para diseño estructural. 7.3 Diseño Estructural 7.3.1 Factor de Distribución por Dirección Divide el tránsito entre los sentidos de la calzada (1 ó 2). Si es una sola dirección, el valor de corrección debería ser 1.0. Si tuviera dos direcciones, por lo general se aplica el valor de 50%. Sin embargo, se debe tener en cuenta la estacionalidad de la vía respecto a los vehículos que transitarán en ella. 7.3.2 Factor de Distribución por Carril Una vez aplicado el factor de distribución por Dirección, se debe aplicar el factor Carril. Ver tabla 2/7. Tabla 2/7: Valores Sugeridos de Factor Carril (FDC) Número de Carriles en una sola dirección FDC 1 1 2 0.8 - 1.0 3 0.6 - 0.8 4 0.5 - 0.6 Fuente: elaboración propia 7.4 Proyección del Tránsito en el periodo de diseño El factor de crecimiento puede considerarse a partir de la siguiente expresión: Fc = ((1+r) ^A – 1) / r 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 82 Es mediante la proyección del tránsito, que el diseñador, define indirectamente el periodo de diseño del pavimento. La forma de caracterizar el tránsito se verá en el capítulo 9, según cada metodología de diseño. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 83 8.- El Concreto “Vale más saber alguna cosa de todo, que saberlo todo de una sola cosa” Blaise Pascal, científico, filósofo y escritor francés, 1623 – 1662 8.1 Conceptos básicos Dado que la tecnología del concreto es una ciencia muy vasta, el alcance de este capítulo se enfoca en presentar los conceptos claves aplicables a la tecnología de los pavimentos. a) El concreto: pasta + agregados El concreto es una mezcla en cantidades controladas de cemento, agua, agregados o áridos, y aditivos, que formando una masa plástica y moldeable en sus inicios se endurece con el tiempo creando una masa similar a la de una roca. De ahí que el concreto recibe muchas veces el calificativo de roca artificial. El endurecimiento de la mezcla ocurre debido a las reacciones químicas del cemento con el agua. Los agregados se dividen en dos grandes grupos: finos y gruesos. Los agregados finos pueden ser arena natural o artificial (producto del chancado) con partículas de hasta 9.5 mm (3/8 pulgada). Los agregados gruesos son las partículas retenidas en la malla de 1.18 mm, pudiendo llegar hasta 150 mm. Comúnmente se emplean tamaños máximos para agregado grueso de 19, 25 mm (huso 67 y 57 respectivamente según ASTM C33) pero en el caso de concreto para pavimentos es preferible el empleo de tamaños mayores como 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 84 37 mm (huso 467 y 357). Agregados de tamaños intermedios son adicionados para mejorar la granulometría general del agregado total. La pasta está formada por materiales cementantes, agua y aire atrapado o incluido. La naturaleza y características del aire atrapado e incluido son muy diferentes. El aire incluido tiene tamaños definidos y formas esféricas que rompen los capilares haciendo la mezcla menos permeable. La pasta de cemento constituye entre el 25% y 40% del volumen de la mezcla. El volumen del cemento ocupa entre el 7% y 15% y el agua esta entre el 14% y 21%. Por otra parte, el aire atrapado varía entre el 4% y 8% del volumen total. Dado que los agregados constituyen entre el 60% y 75% del volumen total del concreto, su elección es de suma importancia para temas de calidad y presupuesto. Deben componerse de partículas con resistencia mecánica adecuada y con resistencia a la exposición, y deben estar libres de sustancias que puedan causar el deterioro a la mezcla de concreto. Las granulometrías continuas (curvas suaves) son deseables para el uso eficiente de la pasta de cemento. Es decir, si la granulometría carece de algún tamaño en particular es probable que se requiera mayor contenido de pasta del necesario, derivando ello en mayores costos, y mayores problemas de contracción de la mezcla. La calidad del concreto depende de la calidad de sus insumos y de la relación entre ellos: pasta – agregado. Así pues, una mezcla adecuada tendrá todas y cada una de sus partículas de agregados cubiertas por la pasta de cemento. b) Relación agua / cementante (a/c) La calidad del concreto ya endurecido es directamente afectada por la relación agua / cementante. Cuando cantidades innecesarias de agua son utilizadas en 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto MarioBecerra Salas 85 la mezcla de concreto, éstas diluyen la pasta de cemento empobreciendo la mezcla. El cemento es hidratado por el agua de hidratación. Agua adicional es empleada para hacer más trabajable la mezcla en detrimento de propiedades como permeabilidad y resistencia. Las ventajas de la disminución de agua (y disminución de la a/c) son: Aumento de la resistencia a compresión (f´c) y flexión (Mr) Disminución de la permeabilidad Aumento de la resistencia a factores ambientales Mejor unión concreto - acero Reducción de la contracción, factor importante cuando se trata de mezclas que van a tener una gran superficie expuesta como es el caso de los pavimentos. Menores cambios volumétricos por humedad y temperatura. Reduce el problema de alabeo en las losas. En conclusión, cuanta menor agua se usa, mejores características tiene la mezcla de concreto. Para el caso específico de concreto para pavimentos se recomienda no utilizar mezclas con relaciones agua / cementante mayores a 0.5 c) El concreto en estado fresco Mezclado Se debe tener cuidado para lograr que la mezcla de la pasta con los agregados se logre de una manera eficiente, es decir, lograr una mezcla homogénea. Para ello, la secuencia de mezclado de los insumos desempeña un rol protagónico. También es necesario contar con equipos que puedan lograr esta característica en la mezcla. La norma ASTM C 94 sugiere una secuencia de mezclado, 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 86 tiempos mínimos de batido y certificaciones que los equipos mezcladores deben garantizar. El concreto recién mezclado debe ser plástico y capaz de ser moldeado. En la mezcla, los agregados son envueltos por la pasta y mantenidos en suspensión. No deben segregarse durante su transporte ni vaciado, y cuando el concreto endurece debe formar una mezcla que sea lo más uniforme posible. Este punto debe garantizarse especialmente para mezclas destinadas a pavimentos de concreto, recordando que se utilizarán agregados del máximo tamaño posible, y que por ello, son más propensos a la segregación. Trabajabilidad Es la facilidad de colocación, consolidación y acabado del concreto en estado fresco. Diferentes estructuras requieren diferente trabajabilidad. En el caso de mezclas para pavimentos que serán colocados con métodos tradicionales como reglas vibratorias con encofrados fijos, se debe trabajar con asentamientos entre 3 y 4 pulgadas. Las mezclas destinadas para pavimentos colocados con pavimentadoras de encofrado deslizante requieren un asentamiento mucho menor, alrededor de 1 pulgada. Los factores que intervienen en la trabajabilidad de la mezcla son: El método de transporte Los materiales cementantes Consistencia Tamaño, forma y textura de los agregados Aire incluido Temperatura del concreto y del aire 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 87 Según ASTM C 94 la tolerancia de asentamientos para concretos entre 3 y 4 pulgadas es de +/- 1 pulgada. Sin embargo, esta tolerancia no aplicaría para concretos destinados a pavimentadoras de encofrado deslizante, siendo el revenimiento de carácter referencial. Exudación Es la presencia de una lámina de agua en la superficie del concreto recién vaciado. Es causada por la sedimentación de las partículas sólidas y por la subida del agua de mezclado hacia la superficie. La exudación es un proceso normal, obviamente a menor contenido de agua de mezclado (y una menor relación a/c) el fenómeno se acentúa. La exudación ayuda a prevenir la presencia de fisuración plástica por secado de la mezcla, pero si es en excesiva, lo que sucede es que la superficie tendrá una diferente relación a/c y, por lo tanto, menor calidad entre sus propiedades. La tasa de exudación aumenta con los contenidos de agua de mezcla, la presión y con el espesor del pavimento. El empleo de agregados con granulometría adecuada, inclusores de aire, y materiales cementantes adicionados reduce la tasa de exudación. Para el caso de mezclas empleadas para pavimentadoras de encofrado deslizante, éstas, al tener relaciones a/c bajas son susceptibles a tener bajas tasas de exudación, necesitando por lo tanto un curado efectivo e inmediato. Consolidación El uso de vibradores durante el vaciado de concreto permite implementar mezclas más rígidas y con mayores contenidos de agregado grueso. Si el 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 88 agregado es bien graduado y se reduce el área superficial (mayores tamaños en los agregados) entonces se requerirá menor cantidad de pasta, y los efectos adversos como contracción y cambios volumétricos se reducirán. La consolidación del agregado grueso repercute en mezclas que tendrán mayor resistencia y serán más económicas. Hidratación, Fraguado, y Endurecimiento La interacción pasta – agregados se debe a las reacciones químicas entre el agua y el cemento (hidratación), que liberan calor. El cemento Pórtland es una mezcla de muchos compuestos. Los compuestos más importantes son: Silicato tricálcico Silicato dicálcico Aluminato tricálcico Ferroaluminato tetracálcico Ellos representan aproximadamente el 90% del peso del cemento. El grado en que se encuentran presentes éstos compuestos determinan la naturaleza del cemento, definiendo los tipos I, II, III, IV y V (ASTM C 150). Mientras menos porosa es la pasta, más resistente es finalmente el concreto. Es por eso que no debe emplearse mayor cantidad de agua de la necesaria para hidratar el cemento y darle la trabajabilidad a la mezcla de concreto. Sin embargo, la hidratación completa es muy difícil de alcanzar y se va logrando en el tiempo. d) El concreto en estado endurecido 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 89 Crecimiento de resistencia en el tiempo El concreto aumenta su resistencia con el tiempo. Esto se debe a que: Existe cemento aún por hidratar El concreto aún conserva humedad La temperatura del concreto se mantenga favorable Exista espacio para la formación de los productos de la hidratación En efecto, cuando la temperatura del concreto baja por debajo de cero grados centígrados y la humedad relativa es menor a 80% el proceso de hidratación del cemento se detiene. Por ello, para asegurar que el crecimiento de la resistencia del concreto aumente a edades tempranas, es necesario mantenerlo húmedo, es decir: curarlo. Los concretos que se encuentran en ambientes cerrados donde no hay acceso a la humedad, mantienen por lo general su resistencia después de ser curados. Resistencia La resistencia a compresión (f´c) es la resistencia a 28 días a cara axial lograda en especimenes de concreto. Se pueden emplear otras edades como mecanismos de control de la ganancia de resistencia, siendo por ejemplo a 7 días la que representa aproximadamente el 75% de la resistencia a 28 días. La resistencia a flexión o módulo de ruptura (Mr) es uno de los parámetros más significativos empleados para el diseño de pavimentos y losas industriales. Las diversas metodologías de diseño de pavimentos rígidos se refieren al Mr como parámetro principal de diseño. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 90 Para su empleo en pavimentos, dado que la resistencia a compresión es mucho más simple de medir y controlar en campo, se recomienda el empleo de correlaciones respecto a f´c a fin de facilitar y hacer más confiable el trabajo. La función que correlaciona ambas variables es: Mr = a √f´c Donde “a” se encuentraentre 1.99 y 2.65; y f´c se encuentra en Kg/cm2 Fotografía 1/8: Testigos de concreto para ensayo Tabla 1/8: Correlación de probetas ensayadas a compresión y vigas a flexión Densidad Fuente: elaboración propia 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 91 El concreto convencional utilizado para pavimentos tiene una masa que varía entre 2,200 y 2,400 Kg/m3. La masa volumétrica varía dependiendo de la densidad del agregado, la cantidad de aire atrapado o incluido mediante aditivos especializados, y los contenidos de agua y cemento. Resulta conveniente considerar la tabla 2/8: relaciones del concreto endurecido Tabla 2/8: Caracterización de las mezclas de concreto a/c f´c (kg/cm2) Mr (kg/cm2) Contenido de Cemento (Kg/m3) 0.70 210 35 280 0.50 280 40 350 0.45 320 45 380 0.40 420 50 415 Fuente: elaboración propia Por lo general los pavimentos de concreto se diseñan con mezclas, cuyos Módulo de Rotura a Flexión (Mr) están entre 40 y 50 Kg/cm2. A mayor resistencia Mr menor espesor de concreto para la carpeta de rodadura. Resistencias menores no son apropiadas por temas de desgaste, tampoco el empleo de resistencias mayores, debido a que la losa se vuelve demasiado rígida. Permeabilidad A menos a/c se obtienen mezclas menos permeables. La disminución de la permeabilidad aumenta la resistencia a los ciclos de hielo – deshielo, la penetración de sustancias dañinas como cloruros y sulfatos, entre otros. Resistencia a la abrasión Los pavimentos de concreto son estructuras que están sometidas a gran desgaste superficial. Existen pruebas que indican que la resistencia a la 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 92 abrasión esta directamente relacionada con la resistencia a la compresión del concreto. La resistencia a la compresión depende de la relación a/c y la calidad del curado. Asimismo el tipo de agregado tiene implicancia en la resistencia al desgaste. Por ello, se sugiere el empleo de concreto con relaciones a/c menores a 0.5, o su equivalente a compresión f´c = 280 Kg/cm2 (Mr = 40 kg/cm2). Fisuración o agrietamiento Las principales causas de la fisuración en el concreto para pavimentos son: Las tensiones por la aplicación de las cargas vehiculares, recordemos que existen zonas críticas: borde exterior en el centro de la losa, y borde exterior cercano a la junta. Las tensiones resultantes de la contracción por secado del concreto, así como por los cambios volumétricos en las losas. Para controlar la fisuración de un pavimento se requiere por lo tanto un sistema eficiente de juntas y un diseño de mezcla que contenga el menor contenido de cemento para la resistencia especificada. Durabilidad Es la habilidad del concreto a resistir el efecto del medio ambiente, al ataque químico y a la abrasión, manteniendo sus propiedades en el tiempo. Se recomienda emplear mezclas con a/c menores a 0.5 (o su equivalente de f´c = 280 Kg/cm2). El empleo de aire incluido (4 – 6%) y fibras mejora el comportamiento del concreto en el tiempo. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 93 Para condiciones de ataques químicos de soluciones con sulfatos se recomienda además emplear concretos con cementos tipo I ó IP Módulo de Elasticidad El módulo de elasticidad del concreto es un parámetro particularmente importante para el dimensionamiento de estructuras de concreto armado. La predicción del mismo se puede efectuar a partir de la resistencia a compresión o flexotracción, a través de correlaciones establecidas. En el caso de concretos de alto desempeño, con resistencia a la compresión superior a 40 Mpa, la estimación utilizando las fórmulas propuestas por distintos códigos puede ser incierta puesto que existen variables que no han sido contempladas, lo que las hace objeto de continuo estudio y ajuste. Al incrementar la resistencia del concreto, el módulo elástico se incrementa, como se puede ver en: 9.6´32.3 5.0 cfE , (f´c en Mpa y E en Gpa), según el ACI 363 5.0´000.150 cfE , (f´c en Kpa y E en Kpa) El ensayo ASTM C – 469 calcula el módulo de elasticidad del concreto Sin embargo, al aumentar la resistencia también se incrementa la contracción en la mezcla, y el efecto beneficioso para el diseño en sí ya no lo es tanto. El módulo elástico es clave en el desempeño del concreto como parte de la estructura del pavimento. En general, el módulo elástico del concreto depende del tipo de agregado grueso. Por lo tanto, para una misma resistencia, el concreto que posea el menor módulo elástico tendrá un mejor comportamiento 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 94 ante el agrietamiento, sin embargo al tener menor módulo elástico las deflexiones serán mayores y se favorecerá el escalonamiento. Es necesario tener en cuenta que el mejor mecanismo de control del escalonamiento es el empleo de pasadores. Cambios térmicos Las variaciones de temperatura en el concreto producen cambios en su volumen induciendo esfuerzos adicionales, que al superar la resistencia a tracción del concreto, producen agrietamiento. Las variaciones de temperatura pueden ser producto de la reacción química de hidratación propia del cemento, y/o a las condiciones ambientales. El coeficiente de expansión térmica del concreto es del orden de 7 a 11 X 10^-6 °C, y es el que condiciona la capacidad de deformación por temperatura. 8.2 Insumos de la mezcla a) El cemento Es un aglomerante hidrófilo, resultante de la calcinación y molienda de calizas, areniscas y arcillas, que mezclado con pequeñas cantidades de yeso, y en presencia de agua endurece con el tiempo. En nuestro medio existen Cementos Pórtland y Cementos Adicionados. Composición del Cemento Pórtland Como ya se ha mencionado, existen cuatro componentes que son los predominantes en el cemento: 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 95 Silicato tricálcico, es el responsable de la resistencia inicial y tiene relación con el calor de hidratación. Silicato dicálcico, es el responsable de la resistencia a largo plazo, teniendo menor relación con el calor de hidratación Aluminato tricálcico, con los silicatos condiciona el fraguado violento actuando como catalizador de la mezcla, y es la razón por la que se requiere la presencia de yeso (3-5%) para el control del fraguado violento. Es el responsable además del comportamiento del cemento a hacia los sulfatos, por lo que hay que limitar su contenido. Ferroaluminato tetracálcico, tiene implicancia con la velocidad de hidratación y con el calor de hidratación en menor grado. Hidratación del cemento El agua al entrar en contacto con el cemento, desata una serie de reacciones químicas que logran la transformación de una masa plástica a un cuerpo endurecido. Este proceso recibe el nombre de hidratación. Para valores muy bajos de relación a/c, la hidratación del cemento se detiene por falta de agua para hidratar la totalidad del cemento disponible. Si entregamos agua extra por medio de un curado adecuado, sólo se hidratará el cemento que disponga de espacio para desarrollar los productos, por lo que existen relaciones que por más agua adicional que apliquemos no se producirá la hidratación del cemento. En general se puede aceptar que la hidratación se realiza para una relación a/c mínima de 0.42. Tipos de cemento y sus aplicaciones 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas96 Existen como ya se ha mencionado Cementos Pórtland y Adicionados Los tipos de Cemento Pórtland se rigen bajo la norma ASTM C 150 y son: Tipo I, que es de uso general, donde no hay requerimientos especiales Tipo II, de moderada resistencia a los sulfatos y moderado calor de hidratación. Al no generar calor abundante pueden ser empleados para vaciados masivos Tipo III, desarrollan rápidamente resistencias, por lo que generan un gran calor de hidratación, por ello son utilizados en climas fríos Tipo IV, de bajo calor de hidratación, inclusive menor que el tipo II, son preferentemente empleados para vaciados masivos Tipo V, Alta resistencia a los sulfatos. Para ambientes agresivos En el Perú se producen el tipo I, II y V Estos cementos pueden ser modificados mediante la adición de sustancias como puzolanas, escoria de alto horno, o filler calizo, recibiendo el nombre de Cementos Adicionados. Los cementos adicionados se rigen bajo ASTM C 595, algunos de ellos, que se pueden encontrar en el mercado peruano, son: Tipo IP, al que se le adicionado entre 15 y 40% del peso total en puzolana Tipo IPM, al que se le ha adicionado hasta 15% de puzolana en peso Tipo IS, al que se le ha adicionado entre 25 y 70% de escoria de alto horno Tipo ISM, al que se le ha adicionado hasta 25% de escoria de alto horno b) Sobre las adiciones del cemento 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 97 El empleo de materiales cementantes que se adicionen al cemento ó directamente a la mezcla de concreto, viene creciendo desde los años 70. La mayoría son subproductos de procesos industriales, por lo que su empleo no solo mejora las características propias del concreto, sino que es la base de la sostenibilidad de la industria del cemento y premezclado. Sostenibilidad que se sustenta en el uso de menores contenidos de cemento por m3 y por el reciclado de productos provenientes de otras industrias. Tradicionalmente se han considerado como adiciones a las: Puzolanas Ceniza volante Escoria de alto horno Humo de sílice Filler calizo Y tradicionalmente también se les ha empleado por separado. Actualmente, debido a que en algunos lugares se tiene fácil acceso a estos materiales, se han realizado diseños de mezcla de concreto que contienen tres tipos diferentes de adiciones con el cemento, obteniéndose resultados ventajosos. A estas mezclas de concreto se les conoce como mezclas ternarias. Puzolanas El término “puzolana natural” se refiere a una ceniza volcánica encontrada en el pueblo Nápoles de Pozzuoli, en Italia. Las puzolanas naturales más comúnmente empleadas son materiales procesados, los cuales se trabajan a altas temperaturas, para después molerse 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 98 y obtener un polvo muy fino. Estos materiales incluyen arcillas calcinadas, esquisto calcinado, y metacaolinita. Se emplean como sustituto parcial del cemento, para aumentar la resistencia a ataques de sulfatos, controlar la reactividad alcali – sílice, y reducir la permeabilidad. Es la adición más utilizada en el Perú Cenizas volantes Es un subproducto de la combustión de carbón pulverizado en plantas generadoras de energía, y es la adición más utilizada en los Estados Unidos. Es básicamente un vidrio de silicato que contiene sílice, alúmina, hierro y calcio, teniendo en menores cantidades magnesio, azufre, sodio, potasio y carbono. Escoria Se produce de la escoria siderúrgica de alto horno, siendo un cemento hidráulico no metálico que consiste en silicatos y aluminatos de calcio. Humo de Sílice (microsílice) Es un subproducto de la reducción de liga de silíceo o ferro silíceo, es el resultado de la reducción de cuarzo de alta pureza con carbón en hornos eléctricos. Se emplea donde se requiere un alto grado de impermeabilidad, y una alta resistencia del concreto. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 99 c) Agregados Un concreto para pavimentos requiere por lo general agregados que logren un reducción de pasta de cemento y todos efectos perjudiciales como contracción excesiva y cambios volumétricos. Para ello el agregado debe ser del mayor tamaño posible con la finalidad de reducir el área superficial. Asimismo deben tener granulometrías completas, no parciales. Utilizar agregados de tamaño máximo entrega muchas ventajas: Mejora el mecanismo de trabazón de agregados Reducción de contenidos de cemento Ahorran costos en la mezcla Para el caso de pavimentos se recomienda emplear tamaños mayores a 1 pulgada para el caso de agregado grueso, aumentando su incidencia en la mezcla global: piedra – arena. Superficie específica Las partículas al ser más finas incrementan su superficie específica y por lo tanto se necesita mayor cantidad de pasta para recubrir el área superficial total del agregado, con el consecuente incremento de cemento e incremento también de problemas relacionados. d) Los Aditivos 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 100 Son materiales orgánicos e inorgánicos que se añaden a la mezcla modificando en forma dirigida algunas características del proceso de hidratación, el tiempo de su endurecimiento y la estructura interna del concreto. En el caso de mezclas convencionales para pavimentos aplican: Incorporadores de aire En la actualidad la incorporación se aire es recomendada para casi todo tipo de mezcla, principalmente para mejorar la performace del concreto sometido a ciclos de hielo – deshielo. El aditivo inclusor de aire estabiliza las burbujas de aire formadas y las ancla en las partículas de cemento y agregado garantizando su dispersión en la mezcla. Las burbujas de aire incluido no son como los vacíos de aire naturalmente atrapados, son extremadamente pequeño, con diámetros entre 10 y 1000 μm, siendo los vacíos naturales de 1000 μm (1 mm). Las burbujas no se conectan, están dispersas y uniformemente distribuidas. Los inclusores de aire mejoran la trabajabilidad de la mezcla, y hacen más cohesiva la misma. Por otro lado estas características trabajan en detrimento del acabado final. Además se reduce la resistencia a la compresión entre 2 y 4% por cada punto porcentual de aire incluido. Su empleo también reduce la rotura por expansión causada por la reacción alcali – sílice, e impermeabiliza ligeramente la mezcla. Para concretos para pavimentos es ampliamente recomendado sobretodo cuando se trabaja con pavimentadoras de encofrado deslizante. Reductores de agua de rango medio - plastificantes 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 101 Los reductores de agua se utilizan para disminuir la cantidad de agua de mezcla necesaria para la producción de un concreto con un asentamiento específico Estos aditivos proporcionan una reducción significativa de la cantidad de agua, sin mermar trabajabilidad. Pueden reducir entre 6 y 12% para concretos con asentamientos entre 5 y 8 pulgadas de slump. En general, si tenemos en cuenta que la relación a/c tiene impacto directo con la resistencia, podemos afirmar que el empleo de reductores de agua, manteniendo la misma relación a/c, permitiría un ahorro de cemento, impactando la economía de la mezcla. 8.3 Curado de concreto Es mantener la temperatura y contenido de humedad necesarios, inmediatamente después de vaciado y colocado el concreto, por un tiempo determinado que permita desarrollar las propiedades deseadas en la mezcla. El curado tiene una fuerte influencia sobre las propiedadesdel concreto en estado endurecido, tales como: durabilidad, resistencia, impermeabilidad, resistencia mecánica a la abrasión, y estabilidad hielo – deshielo. El método de curado más adecuado depende de los materiales y procedimientos constructivos realizados. Por lo general, el curado normalmente se realiza aplicando compuestos de curado o la colocación de mantas impermeables o yute húmedo en la superficie del concreto en estado fresco. Sin embargo el curado en climas cálidos y fríos conlleva mayores precauciones, como veremos más adelante. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 102 Los compuestos líquidos que forman membranas de curado están formados por lo general en base a parafinas, resinas, y hules, y sirven para impedir o reducir la evaporación de la humedad del concreto. Es el método más práctico y más ampliamente utilizado para el concreto no sólo en estado fresco, sino también para garantizar el desarrollo de resistencia en los primeros días de vaciado, incluso hasta retirar los encofrados. Sin embargo, los métodos más eficientes de curado son las cubiertas húmedas o rociadas, que aseguran humedad continua. Los compuestos de curado deben ser capaces de conservar la humedad relativa de la superficie del concreto superior al 80% por siete días, para sostener la hidratación del cemento. Las mezclas de concreto con alto contenido de cemento y bajas relaciones a/c pueden requerir un curado especial. A medida que el cemento se hidrata, la humedad relativa interna disminuye y la pasta de cemento se seca, pudiendo paralizarse inclusive el proceso de hidratación. Gráfico 1/8: Evaluación de la tasa de evaporación del agua en el concreto Fuente: ACI 318 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 103 Tiempo y temperatura de curado El tiempo de curado puede ser de tres semanas cuando la mezcla de concreto forma parte de estructuras pobres o de unos pocos días cuando el concreto es de alta resistencia. En pavimentos el periodo de curado con temperaturas ambientales inferiores a 5°C debe ser de por lo menos siete días, pero debe asegurarse que el concreto haya desarrollado al menos el 70% de su resistencia. En general para concretos con adiciones, que presenten desarrollos de resistencia lentos, como las puzolanas, por ejemplo, el periodo de curado debe extenderse, siendo necesarios por lo menos tres semanas. 8.4 Concreto en climas extremos La temperatura más favorable para lograr una alta calidad de la mezcla de concreto esta entre los 10°C y 15°C, sin embargo alcanzar esos rangos de temperatura no siempre son posibles. La temperatura del concreto puede calcularse mediante las temperaturas de sus insumos según la siguiente ecuación desarrollada por NRMCA 1962: T mezcla = (0.22 (Ta*Wa + Tc*Wc) + Tw*Ww +Ta*Wwabs) / (0.22 (Wa + Wc) + Ww + Wwabs) Donde: Ta = temperatura de los agregados Tc = temperatura del cemento 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 104 Tw = temperatura del agua de mezcla Wa = peso seco de los agregados Wc = peso del cemento Ww = peso del agua de mezcla Wwabs = peso del agua absorbida de los agregados a) Concreto en climas cálidos En el caso de temperaturas máximas de mezcla, muchas veces se especifican valores entre los 29°C y 32°C como temperaturas máximas del concreto durante su colocación. A medida que la temperatura del concreto aumenta, existe una pérdida de trabajabilidad que normalmente es compensada en obra bajo la adición, muchas veces no controlada de agua, afectando la relación a/c en detrimento de las propiedades de la mezcla. Altas temperaturas del concreto en estado fresco aumentan la velocidad de fraguado disminuyendo los tiempos normales de transporte, vaciado, colocación y acabado de la mezcla. Hay además un aumento en la fisuración de la mezcla tanto antes como después del endurecimiento. La evaporación rápida puede producir fisuración plástica por secado. También pueden producirse fisuras en el concreto endurecido por el aumento de la contracción por secado debido al aumento de agua, y por los cambios volumétricos producidos. Mecanismos de control Empleo de insumos y proporciones que ayuden a no alcanzar las temperaturas máximas especificadas. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 105 Enfriamiento de la mezcla o de algunos de sus insumos (nitrógeno, emplear cobertores, enfriar el agua mediante hielo o el empleo de chillers) Uso de un concreto que permita su rápida colocación Reducción del tiempo de transporte, vaciado, y acabado Realizar un plan de vaciado adecuado Limitar la pérdida de humedad mediante empleo de nieblas o rociadores Aplicación de películas que retengan humedad Aplicación inmediata de compuestos de curado, cuando la superficie del concreto aún este húmeda b) Concreto en climas fríos El comité ACI 306 define como clima frío a aquel que en promedio de tres días consecutivos esta por debajo de 4°C y permanece por debajo a 10°C durante más de la mitad de cualquier periodo de 24 horas. Cuando la temperatura del ambiente sea mayor a 10°C se pueden recobrar las prácticas usuales de producción, vaciado, y acabado de la mezcla de concreto. El desarrollo de resistencias en clima fríos se ve afectada. Por ello la mezcla se debe proteger hasta que su grado de saturación se haya reducido por el proceso de hidratación, en un tiempo aproximado de 24 horas, que es cuando puede alcanzar resistencias a compresión del orden de 35 kg/cm2. En síntesis, la temperatura del concreto afecta directamente la velocidad de hidratación del cemento, retardando el endurecimiento y desarrollo de resistencias. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 106 Mezclas con temperaturas menores de -10°C no logran endurecer pues el proceso de hidratación se paralizará completamente. A temperaturas mayores de -10°C y 10°C el proceso será lento. Mecanismos de control Empleo de mezclas de altas resistencias, aunque más costosos permiten la reutilización de encofrados Empleo de inclusores de aire Las temperaturas mínimas del concreto no deben ser menores a 5°C para poder vaciarlo En el caso de agregados debe tenerse cuidado de la formación de hielo, deben ser descongelados. Por debajo de 0°C no es necesario calentarlos El agua de mezcla, aunque representa una masa mucho menor que la del cemento y agregados en la mezcla de concreto, por su naturaleza puede almacenar de 5 veces más calor que los otros insumos. Además es fácil aumentarle su temperatura mediante el empleo de calentadores. Durante el periodo de protección y curado las temperaturas deberían mantenerse. Usualmente se aplican lonas y mantas aisladoras sobre la superficie del concreto con la finalidad de mantener el calor de hidratación por un tiempo determinado, mínimo de 24 horas, pero aconsejable por los 7 días de curado. Después del periodo de protección debe cuidarse que no existan variaciones de temperatura por más de 11°C, respecto a la temperatura en la que se encuentra protegida y durante las primeras 24 horas en que sería expuesto al medio ambiente directamente. Las probetas deben estar en temperaturas entre 16°C y 27°C durante las primeras 48 horas 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 107 c) Concepto de Madurez El concepto de “madurez” se basa en el principio de que el desarrollo de la resistencia del concreto es función del tiempo de curado y de la temperatura. De acuerdocon el comité ACI 306R – 88 y ASTM C 1074, se puede emplear este concepto como para la evaluación del desarrollo de resistencia cuando las temperaturas de curado no se hayan mantenido durante el tiempo requerido o cuando las temperaturas de curado hayan estado fluctuando. El concepto se plasma en la siguiente ecuación: M = ∑(C + 10) * ∆t (unidades en sistema métrico) M = factor de madurez C = temperatura del concreto °C ∆t = duración del curado a la temperatura °C (horas) La premisa que utiliza la ecuación es que el concreto desarrolla resistencia a una temperatura no menor de – 10°C (14°F). Antes del inicio de los trabajos es necesario realizar una calibración para tener una correlación entre el factor M y f´c. Este concepto no es preciso pero si es útil para estimar la resistencia en el tiempo y temperatura. En el caso de pavimentos de concreto es útil además para ver el momento oportuno de iniciar corte iniciadle las juntas transversales, y para la apertura al tránsito. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 108 Fotografía 2/8: Medida de la Madurez de la Mezcla de Concreto Fuente: www.indisaonline.8m.com http://www.indisaonline.8m.com/ 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 109 9.- Metodologías de diseño estructural de pavimentos de concreto Los pavimentos de concreto JPCP son los que mejor se aplican a la realidad nacional, debido a su buen comportamiento y a los periodos de diseño empleados. En el presente capítulo, se revisan los principales conceptos de las metodologías de diseño: AASHTO 93, PCA 84, MEPDG 2008, Losas Optimizadas 2010. 9.1 Metodología de diseño AASHTO 93 “Una experiencia nunca es un fracaso, pues siempre viene a demostrar algo” Thomas Alva Edison, físico e inventor estadounidense, 1847 - 1931 9.1.1 ANTECEDENTES Las metodologías de diseño de pavimentos empíricos AASHTO, se basan en los resultados experimentales obtenidos en el AASHO Road Test, en Ottawa, proyecto que data desde el año 1951 y que inicio construcción de tramos de prueba en 1956. El objetivo principal de la prueba fue el de obtener relaciones confiables en los pavimentos experimentales después de que se les aplicará cargas controladas de tránsito. Los primeros resultados registrados se obtuvieron entre 1958 y 1960, por lo que la primera guía de diseño AASHO fue concebida en 1962 con el nombre de Interim Guide for Design of Pavement Structures, evaluada y revisada posteriormente en 1972 y 1981, respectivamente. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 110 En 1984, un subcomité de diseño y demás consultores, culmina la revisión de 1981 y la publican en 1986 con bastantes modificaciones con el nombre de AASHTO Guide for Design of Pavement Structures. En 1993, se vuelve a revisar pero sin cambios en lo que a diseño de pavimentos de concreto se refiere. El objetivo de la Guía de Diseño AASHTO 1993, es calcular el mínimo espesor de un pavimento de concreto que pueda soportar el paso de ciertas cargas de tránsito, manteniendo un cierto nivel de servicio para el periodo de diseño establecido. En 1998, con el suplemento de diseño AASHTO 98, se intenta incorporar conceptos mecanicistas a la guía, pero los resultados no fueron satisfactorios y el suplemento no tiene mayor éxito. Es así que a través de diversas versiones, AASHTO lanza su metodología de diseño basada en las relaciones empíricas registradas en la AASHO Road Test. En el 2011, AASHTO oficializa su nueva guía de diseño MEPDG 2008 (Mechanistic Empirical Pavement Design Guide), la misma que incluye conceptos mecanicistas, que utilizando la teoría de elementos finitos ha incorporado el efecto de las dimensiones de las losas, así como el efecto de exposición de diferentes tipos de clima. En el 2013, El Ministerio de Transportes y Comunicaciones (MTC), oficializa su Manual de Diseño de Carreteras Suelos, Geología, Geotecnia y Pavimentos 2013, el mismo que recomienda el empleo de la Metodología AASHTO 93 para el diseño de pavimentos flexibles y rígidos (JPCP) y en donde el autor participó en su elaboración como consultor para la empresa Barriga Dallorto S.A. (BADALLSA). 9.1.2 METODOLOGÍA AASHTO 93 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 111 El método AASHTO 93 estima que para una construcción nueva el pavimento comienza a dar servicio a un nivel alto. A medida que transcurre el tiempo, y con él las repeticiones de carga de tránsito, el nivel de servicio baja. El método impone un nivel de servicio final que se debe mantener al concluir el periodo de diseño. Mediante un proceso iterativo, se asumen espesores de losa de concreto hasta que la ecuación AASHTO 1993 llegue al equilibrio. El espesor de concreto calculado debe soportar el paso de un número determinado de cargas sin que se produzca un deterioro del nivel de servicio inferior al impuesto. 25.0 75.0 75.0 10 46.8 19 10 108210 / 38.7 09.051.1 132.109.0 32.022.4 )4.25( 1025.1 1 5.15.4 39.10)4.25(35.7 kE DxJ DCM xLogP D x PSI Log DLogSZWLog c dxr tOR Dónde: W8.2 = número previsto de ejes equivalentes de 8.2 toneladas métricas, durante el periodo de diseño ZR = desviación normal estándar SO = error estándar combinado en la predicción del tránsito y en la variación del comportamiento esperado del pavimento D = espesor de pavimento de concreto, en milímetros ∆PSI= diferencia entre los índices de serviciabilidad inicial y final Pt = índice de serviciabilidad final Mr = resistencia media del concreto (en Mpa) a flexo tracción a los 28 días (método de carga en los tercios de luz – ASTM C 78) Cd = coeficiente de drenaje J = coeficiente de transmisión de carga en las juntas Ec = módulo de elasticidad del concreto, en Mpa K = módulo de reacción, dado en Mpa/m de la superficie (base, subbase o subrasante) en la que se apoya el pavimento de concreto. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 112 El cálculo del espesor de la carpeta de rodadura se logra utilizando directamente la fórmula AASHTO 93 con una hoja de cálculo, mediante el uso de nomogramas, o mediante el uso de programas de cómputo especializado. 9.1.3 PARÁMETROS DE DISEÑO Los parámetros que intervienen en la Metodología de diseño AASHTO 93 son: a) Periodo de Diseño En el manual de diseño para pavimentos rígido del MTC 2013, se considera un periodo de 20 años como mínimo. El Ingeniero de diseño de puede ajustar el periodo según las condiciones específicas del proyecto y lo requerido por la entidad administradora vial. Sin embargo, no debe perderse el hecho de que AASHTO 93 no incorpora directamente el efecto del periodo en el diseño, tampoco en la fórmula empírica. b) El tránsito (ESALs) El periodo está ligado a la cantidad de tránsito asociada en ese mismo periodo para el carril de diseño. Una característica propia del método AASHTO 93 es la simplificación del efecto del tránsito introduciendo el concepto de ejes equivalentes. Es decir, el método transforma las cargas 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 113 de todos los ejes que transitarán por el pavimento para todos los tipos de vehículos existentes en Ejes Simples Equivalentes de 8.2 Ton de peso, comúnmente llamados ESALs (Equivalent Single Axle Load, por sus siglas en inglés). El cálculo de las ESALs de diseño puede calcularse en base a curvas propias deAASHTO 93, o por medio de factores camión (asignación de un cierto número de ESALs por tipo de vehículo). El MTC propone una serie de factores camión (FC) cuando no se dispone de medidas de peso reales por eje. Para el caso del tránsito y del diseño de pavimentos rígidos, en el manual de diseño MTC 2013, se definen tres categorías: Caminos de bajo volumen de tránsito, de 150,001 hasta 1’000,000 EE, en el carril y periodo de diseño. Tabla 1 / 9.1 TIPOS TRÁFICO PESADO EXPRESADO EN EE RANGOS DE TRÁFICO PESADO EXPRESADO EN EE TP1 > 150,000 EE ≤ 300,000 EE TP2 > 300,000 EE ≤ 500,000 EE TP3 > 500,000 EE ≤ 750,000 EE TP4 > 750,000 EE ≤ 1’000,000 EE Fuente: Manual de Diseño (MTC 2013) Caminos que tienen un tránsito, de 1’000,001 EE hasta 30’000,000 EE, en el carril y periodo de diseño. Tabla 2 / 9.1 TIPOS TRÁFICO PESADO EXPRESADO EN EE RANGOS DE TRÁFICO PESADO EXPRESADO EN EE TP5 > 1’000,000 EE ≤ 1’500,000 EE TP6 > 1’500,000 EE ≤ 3’000,000 EE 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 114 TIPOS TRÁFICO PESADO EXPRESADO EN EE RANGOS DE TRÁFICO PESADO EXPRESADO EN EE TP7 > 3’000,000 EE ≤ 5’000,000 EE TP8 > 5’000,000 EE ≤ 7’500,000 EE TP9 > 7’500,000 EE ≤ 10’000,000 EE TP10 > 10’000,000 EE ≤ 12’500,000 EE TP11 > 12’500,000 EE ≤ 15’000,000 EE TP12 > 15’000,000 EE ≤ 20’000,000 EE TP13 > 20’000,000 EE ≤ 25’000,000 EE TP14 > 25’000,000 EE ≤ 30’000,000 EE Fuente: Manual de Diseño (MTC 2013) Caminos que tienen un tránsito mayor a 30’000,000 EE, en el carril y periodo de diseño. Este tipo de caminos no está dentro del alcance del Manual de Diseño MTC 2013. Donde se considera que el ingeniero de diseño será responsable por la metodología que emplee. Tabla 3 / 9.1 TIPOS TRÁFICO PESADO EXPRESADO EN EE RANGOS DE TRÁFICO PESADO EXPRESADO EN EE TP15 > 30’000,000 EE Fuente: Manual de Diseño (MTC 2013) Para el caso del tránsito y del diseño de pavimentos rígidos, en el manual de diseño MTC 2013, se definen las fórmulas para el cálculo del Factor Camión, ver tabla 4 / 9.1 Tabla 4 / 9.1 Fórmulas para el Cálculo del FC para Pavimentos Rígidos 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 115 Fuente: Manual de Diseño (MTC 2013) Con estas fórmulas se calcula el Factor Camión, Ver el caso del Camión C2: 3.529 ESALs. Tabla 5 / 9.1 Ejemplo del Cálculo del FC para Pavimentos Rígidos por tipo de vehículo C2 Fuente: Manual de Diseño (MTC 2013) El empleo del Factor Camión es una forma rápida de cálculo de ESALs, sin embargo no debe perderse en cuenta que los valores reportados en el manual de diseño MTC 2013, contemplan cargas por eje pre establecidas, que no superan los límites permisibles, hecho que no 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 116 siempre se respeta, y el factor de daño por tipo de vehículo se puede incrementar enormemente. De esta manera estos valores se pueden tomar como representativos para estos tipos de vehículos, y con la premisa que no superan los límites de carga establecidos por ley. B3: 3.071 C2: 3.529 C3: 3.406 T3S3: 6.390 El efecto de los vehículos ligeros es despreciable en el diseño de espesores. c) Serviciabilidad Este parámetro sintetiza el criterio de diseño AASHTO: Servicio, o serviciabilidad. AASHTO 93 caracteriza el servicio con dos parámetros: índice de servicio inicial (Pi) e índice de servicio final o Terminal (Pt). En la ecuación se ingresa la diferencia entre los valores de servicialidad inicial y final, determinándose una variación o diferencial entre ambos índices (Δ PSI). La serviciabilidad se define como la capacidad del pavimento de servir al tránsito que circula por la vía, y se magnifica en una escala de 0 a 5, donde 0 significa una calificación de intransitable y 5 una calificación de excelente que es un valor ideal que en la práctica no se da. El valor de 0 es un indicador muy pesimista, pues AASHTO 93 emplea el valor de 1.5 como índice de serviciabilidad terminal del pavimento. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 117 El valor Δ PSI depende de la calidad de la construcción. En el AASHO Road Test se alcanzó el valor de Pi = 4.5 para el caso de pavimentos rígidos. El índice de serviciabilidad de un pavimento es un valor de apreciación con el cual se evalúan las condiciones de deterioro o confort de la superficie de rodadura de un pavimento. Gráfico 1 / 9.1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 descomposicion total deterioro acelerado y quiebre etapa critica de la vida del pavimento deterioro lento y poco visible muy bueno muy malo malo regular bueno E S T A D O D E L P A V IM E N T O VIDA DEL PAVIMENTO (miles de ejes equivalentes o años) Fuente: elaboración propia d) La confiabilidad “R” y la desviación estándar (So) El concepto de confiabilidad ha sido incorporado con el propósito de cuantificar la variabilidad propia de los materiales, procesos constructivos y de supervisión que hacen que pavimentos construidos de la “misma forma” presenten comportamientos de deterioro diferentes. La confiabilidad es en cierta manera un factor de seguridad, que equivale a incrementar en una proporción el tránsito previsto a lo largo del periodo de diseño, siguiendo conceptos estadísticos que consideran una distribución normal de las variables involucradas. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 118 El rango típico sugerido por AASHTO está comprendido entre 0.30 < So < 0.40, para l caso de pavimentos de concreto se recomienda trabajar con un So = 0.35. Los siguientes valores de confiabilidad en relación al Número de Repeticiones de ESALs son sugeridos por el MTC TABLA 6 / 9.1 TIPO DE CAMINOS TRAFICO EJES EQUIVALENTES ACUMULADOS NIVEL DE CONFIABILIDAD (R) DESVIACIÓN ESTÁNDAR NORMAL (ZR) Caminos de Bajo Volumen de Tránsito TP1 150,001 300,000 70% -0.524 TP2 300,001 500,000 75% -0.674 TP3 500,001 750,000 80% -0.842 TP4 750 001 1,000,000 80% -0.842 Resto de Caminos TP5 1,000,001 1,500,000 85% -1.036 TP6 1,500,001 3,000,000 85% -1.036 TP7 3,000,001 5,000,000 85% -1.036 TP8 5,000,001 7,500,000 90% -1.282 TP9 7,500,001 10’000,000 90% -1.282 TP10 10’000,001 12’500,000 90% -1.282 TP11 12’500,001 15’000,000 90% -1.282 TP12 15’000,001 20’000,000 90% -1.282 TP13 20’000,001 25’000,000 90% -1.282 TP14 25’000,001 30’000,000 90% -1.282 TP15 >30’000,000 95% -1.645 Fuente. Manual de Diseño (MTC 2013) e) El suelo y el efecto de las capas de apoyo (Kc) El parámetro que caracteriza al tipo de subrasante es el módulo de reacción de la subrasante (K). Adicionalmente se contempla una mejora en el nivel de soporte de la subrasante con la colocación de capas intermedias granulares o tratadas, efecto que mejora las condiciones de apoyo y puede llegar a reducir el espesor calculado de concreto. Esta mejora se introduce con el módulo de reacción combinado (Kc). 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 119 El ensayo para determinar el módulo de reacción de la subrasante, llamado también ensayo de placa, tiene por objetivo determinar la presión que se debe ejercer para lograr una cierta deformación, que para este caso es de 13 mm. El ensayo esta normado en ASTM D – 1196 y AASHTO T – 222. Las unidades de K son Mpa / m. No obstante, se puede utilizarla alternativa que da AASHTO a través de ciertas correlaciones directas que permiten obtener el coeficiente de reacción k en función de la clasificación de suelos y el CBR; para el efecto se presenta el gráfico 2 / 9.1. Gráfico 2 / 9.1 CORRELACIÓN CBR Y MÓDULO DE REACCIÓN DE LA SUBRASANTE Correlación aproximada entre la clasificación de los suelos y los diferentes ensayos Manual Portland Cement Association: Subgrades and subbases for concrete pavements-Skokie. PCA 1971 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 120 El Manual de Diseño MTC 2013, considera como materiales aptos para las capas de la subrasante, suelos con CBR igual o mayor de 6%. En caso de ser menor (subrasante pobre o subrasante inadecuada), se procederá a la estabilización de los suelos, para lo cual se analizarán alternativas de solución, como la estabilización mecánica, el reemplazo del suelo de cimentación, estabilización química de suelos, estabilización con geosintéticos u otros productos aprobados por la entidad, elevación de la rasante, cambiar el trazo vial, eligiéndose la más conveniente. La presencia de la sub base granular o base granular, de calidad superior a la subrasante, permite aumentar el coeficiente de reacción de diseño, en tal sentido se recomienda considerar las siguientes ecuaciones: Si CBR > 10 %, entonces: K = 46 + 9.08*(LOG (CBR)) 4.34, en Mpa/m Si CBR < 10 %, entonces: K = 2.55 + 52.5*LOG (CBR), en Mpa/m El Valor del K combinado será finalmente: KC = [1 + (h/38) 2 x (K1/K0) 2/3 ]0.5 x K0 Dónde: 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 121 K1 (kg/cm3): Coeficiente de reacción de la sub base granular KC (kg/cm3): Coeficiente de reacción combinado K0 (kg/cm3): Coeficiente de reacción de la subrasante h (cm): Espesor de la subbase granular Nota: 1 Mpa / m = 0.1021 Kg/cm2 Tabla 7 / 9.1 CBR MÍNIMOS RECOMENDADOS PARA LA SUBBASE GRANULAR DE PAVIMENTOS RÍGIDOS SEGÚN INTENSIDAD DE TRÁNSITO EXPRESADO EN ESALS Tráfico Ensayo Norma Requerimiento Para trafico 15x106 EE MTC E 132 CBR mínimo 40 % (1) Para trafico > 15x106 EE MTC E 132 CBR mínimo 60 % (1) (1) Referido al 100% de la Máxima Densidad Seca y una Penetración de carga de 0.1” (2.5mm) f) Resistencia a flexo tracción del concreto (Mr) Debido a que los pavimentos de concreto JPCP trabajan principalmente a flexión es que se introduce este parámetro en la ecuación AASHTO 93. El módulo de rotura (Mr) esta normalizado por ASTM C – 78. En el ensayo el concreto es muestreado en vigas. A los 28 días las vigas deberán ser ensayadas aplicando cargas en los tercios y forzando la falla en el tercio central de la viga. Obviamente, a mayor Mr, menor espesor de pavimento. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 122 El mínimo valor de Mr para el caso de pavimentos es de Mr = 40 Kg/cm2, que correlacionándolo da un valor aproximado a compresión de f´c = 280 Kg/cm2, con una relación agua – cementante de 0.5. Este valor no está regido a la fórmula AASHTO, es un tema de la tecnología propia del material para soportar el desgaste por el paso de los neumáticos. No se recomienda aplicar concretos con Mr > 50 Kg/cm2, pues éstos concretos hacen demasiada rígida la carpeta de rodadura. El módulo de rotura (Mr) del concreto se correlaciona con el módulo de compresión (f´c) del concreto mediante la siguiente regresión: cfaMr ´ (Valores en kg/cm2), según el ACI 363 Donde los valores “a” varían entre 1.99 y 3.18. Es conveniente recalcar que el Mr es el parámetro de diseño para AASHTO 93, pero no es un buen parámetro de control durante la ejecución, es necesario correlacionarlo estadísticamente al f´c para poder trabajarlo en obra. g) Módulo elástico del concreto (E) El módulo de elasticidad (E) del concreto es un parámetro particularmente importante para el dimensionamiento de estructuras de 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 123 concreto armado. La predicción del mismo se puede efectuar a partir de la resistencia a compresión o flexotracción, a través de correlaciones establecidas. En el caso de concretos de alto desempeño, resistencia a compresión superior a f´c > 400 Kg/cm2, la estimación utilizando las fórmulas propuestas por distintos códigos puede ser incierta puesto que existen variables que no han sido contempladas, lo que las hace objeto de continuo estudio y ajuste. AASHTO’93 indica que el módulo elástico puede ser estimado usando una correlación recomendada por el American Concrete Institute (ACI): E = 57,000 x (f’c) 0.5, f’c en psi El ensayo ASTM C – 469 calcula el módulo de elasticidad del concreto h) Drenaje (Cd) La presencia de agua o humedad en la estructura del pavimento trae consigo los siguientes problemas: Erosión del suelo por migración de partículas Ablandamiento de la subrasante por saturación prolongada, especialmente en situaciones de congelamiento 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 124 Degradación del material de la carpeta de rodadura por humedad Deformación y fisuración creciente por pérdida de capacidad estructural La metodología de diseño AASHTO 93 incorpora el coeficiente de drenaje (Cd) para considerarlo en el diseño. Las condiciones de drenaje representan la probabilidad de que la estructura bajo la losa de concreto mantenga agua libre o humedad por un cierto tiempo. Por lo general, el nivel de drenaje de las capas intermedias depende de: los tipos de drenaje diseñados, el tipo y permeabilidad de las capas de subbase, tipo de subrasante, condiciones climáticas, grado de precipitaciones, entre otras. El coeficiente de drenaje Cd varía entre 0.70 y 1.25, según las condiciones antes mencionadas. Un Cd alto implica un buen drenaje y esto favorece a la estructura, reduciendo el espesor de concreto a calcular. Pasos para el cálculo del Cd 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 125 Se caracteriza la calidad del material como drenaje en función de sus dimensiones, granulometría, y características de permeabilidad. Tabla 8 / 9.1 Condiciones de Drenaje Calidad de Drenaje 50% de saturacion en: 85% de saturacion en: Excelente 2 horas 2 horas Bueno 1 día 2 a 5 horas Regular 1 semana 5 a 10 horas Pobre 1 mes más de 10 horas Muy Pobre El agua no drena mucho más de 10 horas Fuente: AASHTO93 Si el material después de ser saturado con agua cumple con uno de los requisitos de la Tabla 8 / 9.1, se puede considerar como un drenaje: excelente, bueno, regular, pobre o muy pobre. Una vez caracterizado el material y su calidad de drenaje, se calcula el Cd correlacionándolo con el grado de exposición de la estructura a niveles de humedad próximos a la saturación, utilizando para ello la Tabla 9 / 9.1 Tabla 9 / 9.1 Coeficientes de Drenaje < 1% 1 a 5% 5 a 25% > 25% Excelente 1.25 - 1.20 1.20 - 1.15 1.15 - 1.10 1.10 Bueno 1.20 - 1.15 1.15 - 1.10 1.10 - 1.00 1.00 Regular 1.15 - 1.10 1.10 - 1.00 1.00 - 0.90 0.90 Pobre 1.10 - 1.00 1.00 - 0.90 0.90 - 0.80 0.80 Muy Pobre 1.00 - 0.90 0.90 - 0.80 0.80 - 0.70 0.70 Calidad de Drenaje % del tiempo en que el pavimento esta expuesto a niveles de humedad próximos a la saturacion Fuente: AASHTO 93 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 126 i) Transferencia de cargas (J) Expresa la capacidad de la estructura como transmisora de cargas entre juntas y fisuras. Sus valores dependen del tipo de pavimentode concreto a construir, la existencia o no de berma lateral y su tipo, la existencia o no de dispositivos de transmisión de cargas. El valor de J es directamente proporcional al valor final del espesor de losa de concreto. Es decir, a menor valor de J, menor espesor de concreto. Tabla 10 / 9.1 Valores de Coeficiente de Transmisión de Carga J SI NO SI NO 3.2 3.8 - 4.4 2.5 - 3.1 3.6 - 4.2 Tipo de berma Valores J J Granular o Asfáltica Concreto hidráulico Fuente: AASHTO93 Para la definición de las secciones de estructuras de pavimento del Manual de Diseño MTC 2013, el coeficiente de transmisión de carga J asumido fue de 3.2, considerando las condiciones de la prueba AASHO. 9.1.4 ÁBACO AASHTO 93 – MTC 2013 (ESALs < 30 MM) 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 127 En función a los parámetros requeridos por AASHTO 93 y especificados en los cuadros anteriores, se han determinado los espesores de las losas requeridos, para cada rango de tránsito expresado en ejes equivalentes (ESALs) y rango de tipo de suelos (CBR), según se presenta en el Gráfico 3 / 9.1. Para determinar las secciones de estructuras de pavimento rígido, se consideraron como espesor mínimo de losa de concreto de 150 mm y espesor de subbase granular de 150 mm. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 128 Grafico 3 / 9.1 Figura N° 14.2.1a 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 129 9.1.5 PROGRAMAS DE DISEÑO PARA AASHTO 93 Los ábacos originales de AASHTO 93 y los adaptados por el Manual de Diseño MTC 2013, deben ser considerados como ayudas en el caso que no se tengan herramientas de diseño más avanzadas. Sin embargo, lo óptimo es emplear software de diseño, o alguna hoja Excel programada con la fórmula empírica de AASHTO. La American Concrete Pavement Association (ACPA), recomienda el empleo del software WinPAS. Los ejemplos presentados en este libro se desarrollan con este software. 9.1.6 EJERCICIO DE DISEÑO AASHTO 93 Diseñar un pavimento implica conocer fundamentalmente dos parámetros que no dependen del ingeniero diseñador: Tránsito (ESALs) y el Suelo (CBR de la subrasante). Comencemos por caracteriza el suelo y tránsito para el carril de diseño. Pavimento – Una calzada de 7.0 metros, Dos sentidos Tránsito Del estudio de tránsito solicitado se tiene el siguiente Índice Medio Diario Anual (IMDA): Tabla 11 / 9.1: IMDA del Estudio Vial IMDA Ligeros Buses Camiones Articulados Autos B3 C2 C3 T3S3 5500 1200 700 560 300 Fuente: elaboración propia 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 130 Es un pavimento de ancho de calzada de 7 metros, con dos carriles, uno por sentido, por donde pasan actualmente: 8,260 vehículos, 5,500 ligeros (67%), como tránsito normal. Adicionalmente las mejoras en esta vía prevén un incremento en el año cero para todos los vehículos del orden del 15%. No hay tránsito derivado. Si diseñamos el pavimento para veinte (20) años, tendremos que hacer la estimación con la proyección anual. Asumimos 3% para todos los vehículos, ya sean relativos a tránsito normal o generado por el nuevo pavimento. Tabla 12 / 9.1 Periodo 20 A B C D E F G H I J K TIPO DE VEHICULO CONTEO DESVIADOS GENERADOS (15%) IMD (A+B+C) ANUAL (Ex365) Feq Fd % DE CRECIMIENTO FR= ((1+i)*20 - 1)/i ESAL 20 LIGEROS 5500 825 6325 2,308,625 0.00100 0.5 3.00% 26.87 31,016.81 BUSES B3 1200 180 1380 503,700 3.07100 0.5 3.00% 26.87 20,782,390.02 C2 700 105 805 293,825 3.52900 0.5 3.00% 26.87 13,931,058.85 C3 560 84 644 235,060 3.40600 0.5 3.00% 26.87 10,756,403.84 T3S3 300 45 345 125,925 6.39000 0.5 3.00% 26.87 10,810,767.84 56,311,637.35 Cálculo de ESALs para el periodo de diseño Fuente: elaboración propia ESALs (20 años) = 56´350,000, carril de diseño Claramente, este pavimento no está previsto en el ábaco propuesta por el MTC 2013, cuyo tope máximo es de 30 MM ESALs, por lo que tendremos que trabajar empleando el Método AASHTO 93 u otro reconocido. Debe notarse que este tipo de pavimentos los podemos encontrar sin mayor problema en nuestra realidad nacional. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 131 Suelo En el estudio de suelos de cimentación, la subrasante es caracterizada por un valor de CBR de 12%. Se prevé colocar una subbase granular de 15 centímetros con un CBR 60% Tabla 13 / 9.1 Proyecto Av. Flujo Libre 1 Mpa/m = 0.1021 Kg/cm3 CBR >10 K = 46 + 9.08*(LOG(CBR))4.34 Mpa/m CBR< 10 K = 2.55 + 52.5*LOG(CBR) Mpa/m CBR(%) H (cm) Subrasante 12.00 Subbase+base 60 15 SI Ko( Sub rasante) 58.64 Mpa/m 5.99 kg/cm3 K1 ( material a colocar) 156.40 Mpa/m 15.97 kg/cm3 K combinado 66.85 Mpa/m 6.83 Kg/cm3 CALCULO DEL k EQUIVALENTE Keq = (1+ (h/38)2* (K1/K0)2/3 )0.5* K0 Fuente: elaboración propia Con lo expresado en el estudio de suelos: subrasante caracterizada por un valor de CBR de 12%; y una subbase granular de 15 centímetros con un CBR 60%, elección del ingeniero diseñador; se obtiene un valor de K combinado de 66.85 Mpa / m, que será empleado en la fórmula empírica de diseño AASHTO 93. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 132 Serviciabilidad La guía AASHTO 93 recomienda que la Serviciabilidad Inicial para el caso de pavimentos de concreto sea de 4.5. El ingeniero diseñador debe adoptar una Serviciabilidad Final que este entre 2.0 y 3.0. En este caso se elige el valor de 2.5. Confiabilidad La confiabilidad adoptada por el proyecto será de 90% por tratarse de una vía con alto tránsito vehicular. Desviación estándar = 0.35 Se trata de construcción nueva Módulo de Rotura (Mr) y Módulo Elástico (E) Se realizarán evaluaciones con dos resistencias a flexión: 40 y 45 Kg/cm2, se evalúa el efecto del cambio de resistencia en el espesor. El Módulo Elástico (E) se calculará correlacionándolo con el Mr elegido. Confinamiento Se adopta el valor de J = 3.2, con pasadores pero con berma de asfalto. Ver tabla 10 / 9.1 Coeficiente de drenaje Asumiendo que se trata de un proyecto en Lima, y que el material es caracterizado como “regular”, se adopta conservadoramente el valor Cd = 1.0 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 133 Con el software WinPAS se realizan los diseños correspondientes, obteniéndose para ambos casos: Caso 1: Mr = 40 Kg /cm2: e = 34 centímetros Tabla 14 / 9.1 Fuente: elaboración propia en base a WinPAS 12 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 134 Caso 2: Mr = 45 Kg /cm2: e = 32 centímetros Tabla 15 / 9.1 Fuente: elaboración propia en base a WinPAS 12 Como se puede comparar, el simple hecho de elegir Mr superior reduce en 2 centímetros el espesor del pavimento, resultando quizá mejor desde el punto de vista de costo total. Lo mismo se puede hacer con la mayoría de variables: J cambia si se hacen bermas de concreto, J se reduce y el espesor de concreto también disminuye ¿Conviene? Tecnicamente los diseños son válidos pues cumplen el equilibrio de la fórmula empírica de 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 135 AASHTO 93. Ahora hay que evaluarlos económicamente para ver cuál es el más conveniente. 9.2 Metodología de diseño PCA 84 “Las proposiciones matemáticas, en cuantotienen que ver con la realidad, no son ciertas; y en cuanto que son ciertas, no tienen nada que ver con la realidad” Albert Einstein, científico alemán, nacionalizado estadounidense, 1879 - 1955 9.2.1 ANTECEDENTES Publicada inicialmente en 1966, la metodología de diseño PCA fue reestructura en 1984 debido a la incorporación de aspectos adicionales como: modos de falla por fatiga no tradicionales, el concreto sin refuerzo como subbase, pavimentos sin mecanismos de transferencia de cargas adicionales a la trabazón de agregados, y avances en la tecnología del concreto. En 1984, con las mejoras mencionadas, la PCA lanza su metodología de diseño basada principalmente en conceptos de tipo mecanicista. El objetivo es calcular el mínimo espesor de pavimento para unas solicitaciones de carga previstas en un tiempo de diseño determinado, que resulte el menor costo total de construcción y mantenimiento. Si el espesor es mayor que el necesario, el pavimento dará un buen servicio, a un costo de mantenimiento bajo, pero el costo inicial de construcción será alto. Por otro lado, si el espesor no es el adecuado, los costos de mantenimiento serán mucho mayores, y se ocasionaron otros costos innecesarios relativos al cierre de la vía. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 136 Los criterios de diseño de esta metodología están basados en la experiencia del comportamiento de los pavimentos estudiados, por lo que la metodología podría ser calibrada a realidades diversas de climas, drenajes y suelos. 9.2.1 APLICACIONES DE PCA 84 La metodología PCA 84 aplica para los casos de pavimentos de concreto con juntas transversales planas, con y sin pasadores; reforzados con juntas; y continuamente reforzados. Los procedimientos de diseño de la PCA 84 cubren condiciones que no fueron consideradas en metodologías previas como: Reconocer el grado de transferencia de carga en las juntas previstas en los diferentes tipos de pavimentos antes mencionados. El efecto del confinamiento lateral proporcionado por las bermas en la reducción de los esfuerzos de flexión y deflexiones causadas por el paso de los vehículos. El efecto de utilizar concreto pobre ó econoconcreto (menor a f´c = 50 kg / cm2) como subbase, reduciendo los esfuerzos de flexión y deflexiones, y proveyendo el soporte necesario para soportar el paso de los camiones sobre las juntas transversales, y entregando resistencia contra la erosión a la subbase debido a la repetición de deflexiones (previniendo el bombeo). Aplicación de dos criterios de verificación: (1) Fatiga, para mantener los esfuerzos sobre el pavimento debido a la repetición de las cargas de tránsito dentro de un límite de seguridad que prevenga el agrietamiento por fatiga; y (2) Erosión, para limitar los efectos de las deflexiones en los bordes y esquinas de los pavimentos y controlar la pérdida o erosión 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 137 de los materiales que sirven de cimentación. Se ingreso el criterio de erosión, debido a que los problemas de bombeo, desniveles y falla en los bordes y esquina, no son relativos a la fatiga de la losa de concreto. Los ejes Trídem son considerados en el diseño. Aunque los ejes simples y tándem son predominantes en las autopistas, la configuración trídem está incrementándose. Los ejes trídem hacen más daño desde el punto de vista de la verificación por erosión que por el de fatiga. La selección del espesor óptimo es dependiente de otros parámetros de diseño, como: el tipo de sistemas de juntas, tipo de subbase requerido, y tipo de confinamiento lateral, o berma. 9.2.3 PARÁMETROS DE DISEÑO Después de seleccionar el tipo de pavimento de concreto (con juntas transversales, con o sin pasadores); tipo de subbase, y tipo de confinamiento lateral, el diseño del espesor se determina de acuerdo a los siguientes parámetros de diseño: Módulo de rotura a flexión del concreto (Mr) Resistencia de la subrasante o de la combinación subrasante – subbase (K o Kc) Pesos, frecuencias, y tipos de ejes de los camiones que el pavimento soportará en su vida útil 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 138 Periodo de diseño, que usualmente es considerado 20 años, pero que podría ser menos o más (aunque no es recomendable que sea menos) a) Resistencia a la flexión del concreto (Mr) La resistencia a la flexión del concreto interviene en el procedimiento de diseño debido al criterio de falla por fatiga, que controla el agrietamiento en el pavimento debido a la repetición continua de cargas de tránsito. Debe considerarse que tanto AASHTO 93 como PCA 84, contemplan losas de concreto convencionales, cortadas entre 3.5 X 4.5 metros (ancho X largo), es por eso que lo que importa en el diseño es la resistencia a la flexión, pues más de dos ejes estarán circulando sobre la losa al mismo tiempo. Las cargas de tránsito en el pavimento de concreto producen esfuerzos de compresión y flexión. Los esfuerzos de compresión producidos son pequeños y no influyen en el diseño del espesor. Por otro lado, los esfuerzos de flexión son altos, por lo que junto a la resistencia a la flexión del concreto, sí influyen en el espesor del pavimento. La resistencia a la flexión del pavimento se determina mediante el ensayo de módulo de resistencia a flexión (Mr), que se realiza mediante un procedimiento normado (ASTM C 78), análogo al AASHTO 93. El Mr es calculado comúnmente para 7, 14, 28 y 90 días. Los valores de 7 y 14 días son utilizados para controlar la proyección de resistencia en el tiempo, es decir, conocer si la evolución de su comportamiento es la correcta, y ayudan a determinar cuándo un pavimento puede ser abierto al tránsito. Para el diseño de espesores se utilizan los valores de Mr a 28 días, en el caso de autopistas, y el de 90 días más comúnmente utilizado en el diseño 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 139 de aeropuertos. Los valores a 90 días también pueden utilizarse en autopistas dado que existen poca frecuencia de cargas de tránsito entre los primeros 28 y 90 días. Por lo general el aumento de Mr entre 28 y 90 días puede considerarse como 10%. Para los efectos del procedimiento de diseño PCA 84, se ha considerado una variación realista en la resistencia a la flexión del concreto debido a que este parámetro tiene una mayor incidencia que otras propiedades de los materiales como la resistencia de la subbase y su espesor. La posible variación del Mr es introducida mediante el coeficiente de variación (CV). Para los propósitos de diseño se asume un CV de 15%, y esta sustentada en la variación de la calidad de los materiales para producir la mezcla de concreto. Asimismo el procedimiento de diseño incorpora el aumento de Mr en el tiempo, por lo que los diseñadores deben utilizar el Mr a 28 días b) Soporte de la subrasante y subbase El soporte entregado por la subrasante y la subbase está definido en términos del módulo de reacción de la subrasante de Westergaard (K), que se obtiene mediante el ensayo de plato de carga. Dado que la ejecución del ensayo de plato de carga es lenta, dificultosa y costosa, el valor K es usualmente estimado mediante la correlación con el valor del ensayo Valor Soporte Relativo (CBR), que es de fácil ejecución. La correlación es válida debido a que el valor K no afecta apreciablemente el espesor del pavimento. El AASHO Road Test demostró que la reducción de capacidad de soporte debido a los periodos de hielo - deshielo tuvieron poco o ningún efecto en los espesores de pavimentos de concreto. Esto se 2012 – LB - 001 Tópicos dePavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 140 debió a que los periodos de primavera (en Illinois) en donde se presentó la baja del valor K, fueron en tiempos menores que los otros periodos en los que la subrasante estaba congelada y por lo tanto presentaba un mayor K, y por lo tanto los valores K reales eran mucho mayores que los asumidos para el diseño. Para evitar calcular el valor de k para cada estación, se emplean los valores normales de verano u otoño como valores razonables de diseño (conservador). Además, por la naturaleza misma de los pavimentos rígidos, no es económico utilizar subbase granulares por el sólo propósito de elevar el valor de K. El empleo de la subbase está referido al de proteger la pérdida de finos de la subrasante, que por el de elevar el valor K. Sin embargo, de emplearse, hay que considerar el incremento a favor del diseño. c) Periodo de diseño Debido a que el tránsito no puede ser proyectado de una forma precisa para periodos muy prolongados, el periodo de diseño a 20 años es comúnmente aceptado. Sin embargo, en algunos casos periodos de diseños menores o mayores se pueden aplicar. El periodo de diseño seleccionado afecta el espesor del pavimento desde que determina cuántos años y a cuántos vehículos éste debe servir. d) Tránsito 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 141 Uno de los parámetros de diseño más importantes que afectan el espesor del pavimento es precisamente el tránsito, que en el procedimiento PCA 84 se incorpora mediante la frecuencia, tipo y peso de ejes pesados que transitarán por el pavimento en el periodo de diseño. Los parámetros de tránsito se incorporan mediante: Índice Medio Diario Anual IMDA, de todos los vehículos en las dos direcciones. Porcentaje de vehículos pesados. Carga por eje de los vehículos pesados. El IMDA se obtiene en base a conteos vehiculares o censos de tránsito. El tránsito se proyecta a través de los años para poder estimar el tránsito y su distribución en el periodo de diseño. Uno de los métodos de proyección es multiplicar el IMDA actual por un factor de proyección para obtener el proyectado final. Los siguientes factores influyen en el crecimiento temprano y en la proyección del tránsito: Crecimiento normal del tránsito, incrementa debido al uso y número de vehículos motorizados. Tránsito atraído o inducido, incrementa el tránsito existente debido a mejoras en la vía. Es decir ya se realizaban estos viajes pero utilizaban rutas alternativas. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 142 Tránsito generado, incrementa con el tránsito que se genera por la nueva vía y que no se hubiese dado de no ser por el nuevo proyecto. Tránsito desarrollado, incrementa debido al cambio de uso de la tierra originado por el nuevo proyecto. La combinación de estos factores significa crecimiento en el tránsito que oscila entre 2 y 6 % Porcentaje de vehículos pesados La metodología de diseño PCA 84 considera el porcentaje de vehículos pesados en ambas direcciones. Para efectos de diseño el número total de camiones es calculado mediante: VP = IMDA X % VP X 365 X T Dónde: VP: número de vehículos pesados IMDA: índice medio diario anual de vehículos en ambas direcciones %VP: % de vehículos pesados T: periodo de diseño en años Factores de corrección por dirección y sentido 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 143 La distribución de dirección es asumida como 50% para la mayoría de los casos, sin embargo esto no siempre es correcto cuando los camiones en una dirección estén cargando su capacidad total y que retornen después de realizada la descarga, por decir un ejemplo. En estos casos el factor direccional por distribución de dirección depende del juicio experto del ingeniero a cargo del proyecto. La distribución por sentido varía dependiendo del número de carriles que direccional el tránsito en un sentido. En teoría es el carril derecho de la calzada el que estaría más cargado y sería precisamente ese el carril de diseño. El factor de corrección por sentido varía de acuerdo al número de carriles de la vía. Se puede considerar, por ejemplo que para vías de 2 carriles en una dirección el factor de corrección varía entre 70 y 100%, mientras que para vías con 3 carriles en una dirección el factor de corrección varía entre 50 y 80%. Distribución de cargas por eje Es necesario conocer la distribución de cargas por tipo de eje para poder proceder con el diseño según PCA 84, ésta se puede obtener mediante: Censos para el proyecto Estadística pasada de obras similares Estudios de medición de pesos en movimiento en vías similares, la obtención de esta distribución es la parte más difícil de obtener. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 144 Factores de seguridad de cargas (FSC) Para el procedimiento de diseño, las cargas por eje previamente determinadas se multiplican por un factor de seguridad (FSC). La PCA recomienda: FSC = 1.0, para caminos, avenidas residenciales, dónde los volúmenes de tránsito de vehículos pesados sea bajo. FSC = 1.1, para autopistas y vías principales, donde el volumen de tránsito de vehículos pesados sea moderado. FSC = 1.2, para vías importantes, dónde el tránsito deba ser ininterrumpido, y exista un alto volumen de tránsito pesado. FSC = 1.3, sólo para casos especiales, en los que la vía se la única y no pueda ser interrumpida. 9.2.4 MARCO TEÓRICO DE PCA 84 El procedimiento de diseño está basado en el análisis de los esfuerzos en la losa de concreto y en el análisis de las deflexiones en las juntas, esquinas y bordes de los pavimentos. El análisis se realizó mediante programas computacionales para la aplicación de la teoría de los elementos finitos, observándose: El análisis por fatiga define por lo general el diseño de pavimentos donde el tránsito es ligero y mediano con juntas con pasadores. El análisis por erosión controla por lo general el diseño de pavimentos donde el tránsito es mediano y pesado con juntas sin pasadores. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 145 Para pavimentos que soportan ejes mixtos (simples y tándem a la vez), las cargas de ejes simples influyen más en el análisis por fatiga, mientras que las tándem influyen más en el análisis por erosión. 9.2.4.1 Posición de carga crítica en el diseño Se analizaron las diferentes posiciones de carga en la losa del pavimento y se determinó que: Las tensiones más críticas se dan cuando la posición de las cargas están ubicadas en el borde del pavimento y equidistantes de las juntas transversales de contracción dentro de un paño. Por lo que se puede inferir que la separación entre las juntas y tipo de transferencia de carga entre paños adyacentes influye poco en el esfuerzo de tensión, y por lo tanto en la fatiga del pavimento. Ver Gráfico 1 / 9.2 Gráfico 1/9.2 Fuente: elaboración propia 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 146 Las deflexiones más críticas ocurren en la esquina de la losa, cuando la carga se ubica en la junta transversal de contracción, con las ruedas cercanas a la esquina. Por lo que se puede inferir que la distancia entre juntas no tiene influencia en el efecto de las deflexiones en el pavimento, más no ocurre lo mismo con el mecanismo de transferencia de cargas adoptado, incluyendo la presencia y tipo de berma. Ver Gráfico 2 / 9. Gráfico 2/9.2 Fuente: elaboración propiaEn la práctica, la situación más desfavorable para el pavimento ocurre cuando los vehículos pesados transitan cerca del borde externo del pavimento. La metodología de diseño PCA 84 asume que sólo el 6% de los vehículos pesados circulará cerca al borde. Es obvio intuir que existen maneras para reducir el efecto negativo del paso de vehículos cercanos al borde, tales como la existencia de una berma lateral, o el realizar sobre anchos en el carril. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 147 9.2.4.2 Fenómeno de alabeo en la losa de concreto Como se mencionó anteriormente, las primeras fórmulas destinadas al diseño de pavimentos contemplaban que las capas superiores se apoyaban completamente sobre las inferiores. Sin embargo esto no ocurre en la realidad. Existen alabeos en las losas de concreto debido a varias razones: propios del momento en que se construyó la losa, por los cambios de temperatura y humedad entre las partes superior (expuesta a la intemperie) e inferior (en contacto parcial con la subbase). Así pues la losa estará sometida a esfuerzos adicionales a los generados por las cargas de tránsito, debido al alabeo, que está restringido por las losas adyacentes, y al peso propio de la losa de concreto. El fenómeno de alabeo es considerado indirectamente en el análisis por erosión, debido a que considera una pérdida de soporte en el borde. Ver Gráficos 3 y 4 / 9.2 Gráfico 3 / 9.2 Fuente: elaboración propia 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 148 Gráfico 4 / 9.2 Fuente: elaboración propia 9.2.4.3 Criterio de verificación por fatiga El número de repeticiones admisibles para una determinada carga de eje se correlaciona con una razón de tensiones (tensión deflexión dividida entre el Mr a 28 días). La curva de diseño se incorpora directamente en los ábacos. El criterio de fatiga se basa en la hipótesis de Miner, donde la fatiga no consumida por la repetición de una carga puede ser utilizada por el paso de otra. Para el caso del diseño, no se podrá sobrepasar el 100% de la fatiga total consumible. 9.2.4.4 Criterios de verificación por erosión 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 149 El criterio de verificación por erosión parte por la necesidad de evaluar el esfuerzo adicional al de fatiga ocasionado por la pérdida de material debajo y a los costados de la losa. Repeticiones de carga de tránsito de vehículos pesados cercanas a las esquinas y bordes de la losa producen bombeo, erosión de las capas granulares y de la subrasante, así como pérdida de material de confinamiento lateral que originan vacíos entre la carpeta y el resto de capas, provocando escalonamiento y finalmente roturas en la carpeta de concreto. Este tipo de daño se relaciona más con las deflexiones del pavimento que por las tensiones de flexión. En el desarrollo de la metodología de diseño PCA 84, para introducir esta nueva variable, se trabajó con el concepto de potencia. Idealizando una esquina del pavimento, se observó una mayor correlación al multiplicar los valores de deflexión “w” en la esquina misma, y los valores de presión “p” observados en la interfase losa – cimentación. Entonces la potencia “P” con la que una carga de tránsito deflecta la losa del pavimento es: P = p x w / l Siendo “l” el radio de rigidez relativa, equivalente a la longitud de la deformada por la aplicación de la carga. Esto significa que al paso de una carga de tránsito, un pavimento delgado con su menor longitud deformada “l” recibe la carga de punzonamiento más rápida que una losa de mayor espesor. Entonces, la solución respecto a los esfuerzos por flexión y deflexiones en la losa de pavimento, tanto para el criterio de fatiga como por el de erosión se 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 150 resuelven de acuerdo al espesor del pavimento que se adopte. Como veremos más adelante, esto no es del todo cierto. 9.2.5 PROCEDIMIENTO DE DISEÑO La metodología de diseño PCA 84 parte del supuesto que el ingeniero proyectista, debido a su juicio experto, esta en la capacidad de proponer un paquete estructural de pavimento, así como el mecanismo de transferencia de cargas entre paños y el mecanismo de confinamiento lateral, como solución preliminar a las condiciones de la vía en estudio. Recién con el paquete estructural propuesto, es que el procedimiento de diseño inicia con las verificaciones de los criterios de fatiga y erosión. Originalmente el cálculo se realizó en forma manual, debido al limitado acceso a las computadoras de la época, utilizando para ellos formatos y ábacos que se adjuntan y utilizan en el ejemplo. Sin embargo su empleo se ha dejado de lado debido al fácil acceso a las computadoras y al ingreso de software especializado. Verificación por fatiga Determinación de la tensión equivalente (equivalent stress). La metodología emplea para ello las tablas 1/9.2 e 2/9.2 que se utilizan dependiendo si el pavimento propuesto tiene o no tiene bermas de concreto como mecanismo de confinamiento lateral. En las tablas se ingresa con el espesor de la carpeta de concreto, con el K combinado, y si la carga se relaciona con un eje simple o tándem. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 151 Tabla 1 / 9.2: Tensión Equivalente Sin berma de concreto (eje simple / tándem) Fuente: ACPA 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 152 Tabla 2 / 9.2: Tensión Equivalente Con berma de concreto (eje simple / tándem) Fuente: ACPA 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 153 Calcular el factor de tensión (stress ratio factor). Mediante la división de la tensión equivalente obtenida en el paso previo, y el módulo de rotura a flexión del concreto a 28 días (Mr). Ver Figura 1/9.2 Figura 1/9.2: Stress Ratio Fuente: ACPA Determinación de las repeticiones de carga admisible para el análisis por fatiga (allowable load repetitions). Se requiere trabajar con el ábaco 1/9.2. Mediante el nivel de carga por eje, previamente maximizado por el factor de seguridad elegido (FSC); y el tipo de eje, si es simple o tándem; y proyectando sobre la línea del ábaco con el valor del factor de tensión obtenido en el paso previo, se obtiene las repeticiones de carga admisibles. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 154 Ábaco 1 / 9.2 Análisis por Fatiga Fuente: ACPA 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 155 Cálculo del porcentaje de fatiga consumida. Se obtiene dividiendo el número de cargas previstas con el número de cargas admisibles. Una vez calculado todos los porcentajes de fatiga consumida, según la distribución de cargas por ejes, para ejes simples y tándem, se deben sumar, y verificar que el valor de fatiga consumida no supere el 100%. Si el valor de fatiga consumida superase el 100%, se deberá repetir el análisis cambiando el paquete estructural (posiblemente aumentando el espesor de carpeta de concreto, o aumentando el MR del concreto, o colocando bermas de concreto, por ejemplo), hasta verificar que no se consuma el 100%. Si el valor fuera inferior al 100%, se podría ajustar el diseño (en forma inversa al paso anterior), pero se debe tener cuidado pues se debe recordar que falta la verificación por erosión. Verificación por erosión Determinación del factor de erosión (erosion factor). En forma análoga, la metodología presenta las tablas 3, 4, 5 y 6 / 9.2 para la determinación de este factor, que se utilizan dependiendo si el pavimento propuesto tiene o no tiene bermas de concreto como mecanismo de confinamiento lateral, y si presenta o no presenta pasadores. En las tablas se ingresa con el espesor de la carpeta de concreto, con el K combinado, y si la carga se relaciona con un eje simple o tándem. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 156 Tabla 3 / 9.2 Factor de Erosión Pasadores / Sin Bermas de concreto Eje simple / tándem Fuente: ACPA 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 157 Tabla 4 / 9.2 Factor de Erosión Sin Pasadores / Sin Bermas de concreto Eje simple / tándem Fuente: ACPA 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 158 Tabla 5 / 9.2 Factor de Erosión Pasadores / Con Bermas de concreto Eje simple / tándem Fuente: ACPA 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 159 Tabla 6 / 9.2 Factor de Erosión Sin Pasadores / Con Bermas de concreto Eje simple / tándem Fuente: ACPA 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 160 Determinación de las repeticiones de carga admisible para el análisis de erosión (allowable load repetitions). Se requiere trabajar con el ábaco 2 / 9.2. Mediante el nivel de carga por eje, previamente maximizado por el factor de seguridad elegido (FSC); y el tipo de eje, si es simple o tándem; y proyectando sobre la línea del ábaco con el valor del factor de erosión obtenido en el paso previo, se obtiene las repeticiones de carga admisibles. Cálculo del porcentaje de erosión consumida. Se obtiene dividiendo el número de cargas previstas con el número de cargas admisibles. Una vez calculado todos los porcentajes de erosión consumida, según la distribución de cargas por ejes, para ejes simples y tándem, se deben sumar, y verificar que el valor de erosión consumida no supere el 100%. Al igual que la verificación por fatiga, se deben evaluar ambos criterios antes de rectificar la estructura del pavimento propuesto. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 161 Ábaco 2 / 9.2 Análisis por Erosión Fuente: ACPA 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 162 Casos especiales La metodología PCA 84 contempla dos casos especiales: la existencia de ejes trídem en la configuración de ejes, y el empleo de econoconcreto como subbase. Empleo de ejes trídem Para este caso, se trabaja en una hoja aparte. Para incluir los ejes trídem en el procedimiento de diseño simplemente se reemplazan las tablas previas para el cálculo de los esfuerzos equivalentes y los factores de erosión referidos a este tipo de ejes. Se utilizan los mismos ábacos para el cálculo de ejes simples con un artificio: la carga por eje trídem es maximizada por el FSC elegido, y se reparte equitativamente entre los tres ejes que conforman el trídem, es decir se divide entre tres, para poder recién emplear el ábaco, como si se tratase de un eje simple, y poder así calcular las repeticiones admisibles tanto para el análisis por fatiga, como para el análisis por erosión. El número de repeticiones esperadas se mantiene igual (es decir, igual al número de ejes trídem). En la hoja aparte se registra el consumo de fatiga y erosión y se añade a los consumos registrados por el paso de ejes simples y tándem, luego se procede con el mismo criterio para las verificaciones respectivas. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 163 Empleo de econoconcreto como subbase El procedimiento de diseño indica calcular un espesor equivalente de carpeta de concreto – econoconcreto, contra el espesor de concreto calculado de la forma convencional. Existen dos formas de análisis: - Econoconcreto como subbase, suponiendo que las dos capas de concreto, convencional y el econoconcreto, se comportan como capas no adheridas. - Econoconcreto y carpeta como pavimento monolítico, se asume que ambas capas de concreto están trabajando como una sola, es decir están adheridas. 9.2.7 EJERCICIO DE DISEÑO PCA 84 Ejemplo: Pavimento – Una calzada de 7.0 metros, Dos sentidos (Equivalente al diseño AASHTO 93 realizado en la sección anterior) Tránsito Del estudio de tránsito solicitado se tiene el siguiente Índice Medio Diario Anual (IMDA): 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 164 Tabla 7 / 9.2: IMDA del Estudio Vial IMDA Ligeros Buses Camiones Articulados Autos B3 C2 C3 T3S3 5500 1200 700 560 300 Fuente: elaboración propia Es un pavimento de ancho de calzada de 7 metros, con dos carriles, uno por sentido, por donde pasan actualmente: 8,260 vehículos, 5,500 ligeros (67%), como tránsito normal. Adicionalmente las mejoras en esta vía prevén un incremento en el año cero para todos los vehículos del orden del 15%. No hay tránsito derivado. Si diseñamos el pavimento para veinte (20) años, tendremos que hacer la estimación con la proyección anual. Asumimos 3% para todos los vehículos, ya sean relativos a tránsito normal o generado por el nuevo pavimento. En general, se utilizará una hoja de cálculo programada que requiere la distribución vehicular por cada 1,000 vehículos. Dado que los crecimientos son similares, la proporción será la misma que en el año cero (Los autos son desestimados en el cálculo). Tabla 8 / 9.2: Distribución de ejes por tipo de vehículo 7 11 16 18 23 25 15.4 24.2 35.2 39.6 50.6 55 B2 / B3 1 1 C2 1 1 C3 1 1 C4 1 1 T2S1 1 2 T3S2 1 2 T3S3 1 1 1 C2R2 1 3 C3R2 1 2 1 C3R3 1 1 2 Configuración de ejes N° Eje simple N° Eje Tandem N° Eje Tridem Peso ( ton / Kips) Fuente: MTC 2013 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 165 Tabla 9 / 9.2: Distribución de ejes por tipo de vehículo B2 / B3 1200 43.5% C2 700 25.4% C3 560 20.3% T3S3 300 10.8% Totales 2760 100% Fuente: elaboración propia Tabla 10 / 9.2: Distribución de ejes por tipo de vehículo (1000 vehículos) N° Eje simple N° Eje Tandem N° Eje Tridem Peso ( ton) 7 11 16 18 23 25 Peso ( Kips) 15.4 24.2 35.2 39.6 50.6 55 % Vehicular B2 43.5% 435 0 435 0 0 0 C2 25.4% 254 254 0 0 0 0 C3 20.3% 203 0 0 203 0 0 C4 0.0% 0 0 0 0 0 0 T2S1 0.0% 0 0 0 0 0 0 T3S2 0.0% 0 0 0 0 0 0 T3S3 10.8% 108 0 0 108 0 108 C2R2 0.0% 0 0 0 0 0 0 C3R2 0.0% 0 0 0 0 0 0 C3R3 0.0% 0 0 0 0 0 0 1000 254 435 311 0 108 N° de ejes totales Vehiculo Fuente: elaboración propia 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 166 Tabla 11 / 9.2: Datos de Ingreso PCA 84 1. CBR Subrasante (%): 12 2. Datos de la Subbase a Posee Subbase (SI/NO): si b Tipo de Subbase (G/C): G c Espesor de subbase (cm): 15 3. Módulo de Reacción (Subrasante o Combinación Subrasante/Subbase, kg/cm3): 6.70 4. Resistencia a la flexión MR (kg/cm2): 40 5. Período de diseño (años): 20 6. Datos de tránsito a Número de carriles (2, 4 o 6): 2 b Tránsito Medio Diario Anual actual, TMDA (veh/día): 8260 c Porcentaje de Vehículos Pesados (del TMDA): 33 d Vehículos Pesados (del TMDA) que transitan por la trocha más cargada (%): 100.00e Tasa de crecimiento de vehículos pesados (%): 3.0 f % de Vehículos pesados en la dirección más cargada: 100 7. Factor de Seguridad de cargas: 1.20 8. Transferencia de Carga a Junta (CP/SP): CP b Berma (CBH/SBH): SBH Cargas Cantidad Cargas Cantidad Cargas Cantidad (tn) de Ejes (tn) de Ejes (tn) de Ejes 16 30 39 15 28 36 14 26 33 13 24 30 12 22 27 108 11 254 20 24 10 18 311 21 9 16 435 18 8 14 15 7 1000 12 12 6 10 9 5 8 6 4 6 3 4 Total ejes: 1254 Total ejes: 746 Total ejes: 108 Espesor de Diseño (cm): 28 Consumo de fatiga (%): Erosión (%): 77.22 Datos para el Cálculo del Espesor del Pavimento Ejes simples CONFIGURACION DE CARGAS POR EJE Ejes por cada 1000 Vehículos Pesados Ejes Dobles Ejes Triples (excluyendo todos los vehículos de 2 ejes-4 cubiertas) Fuente: elaboración propia 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 167 Como se puede observar, el espesor requerido resulta de e = 28 centímetros de Mr = 40 Kg/cm2. EL Método PCA 84 es menos conservador que el AASHTO 93. Para este mismo ejemplo de diseño, en AASHTO 93, el espesor calculado resultó 34 centímetros. Tabla 12 / 9.2: Resumen PCA 84 Projecto: FLUJO LIBRE Espesor estimado (cm) : 28 cm Junta con pasadores : "k" Subrasante - Subbase : 6.70 kg/cm 3 Berma de Concreto : Módulo de Rotura "MR" : 40 kg/cm 2 Posee Subbase : Factor de Seguridad de Cargas "FSC" : 1.2 Tipo : Período de Diseño : 20 años Espesor : 15 cm Cargas Carga Repeticiones Análisis de Fatiga Análisis de Erosión de ejes por FSC Esperadas Repeticiones Consumo de Repeticiones Daño por Admisibles Fatiga (%) Admisibles Erosión (%) 1 2 3 4 5 6 7 EJES SIMPLES 8. Tensión Equivalente : 10.51 10. Factor de Erosión: 2.38 9. Factor de Relación de Tensiones: 0.263 14.0 16.8 0 379743 0.00 5334555 0.00 13.0 15.6 0 1948418 0.00 8986030 0.00 12.0 14.4 0 Ilimitado 0.00 16927574 0.00 11.0 13.2 6792393 Ilimitado 0.00 36312907 18.71 10.0 12.0 0 Ilimitado 0.00 Ilimitado 0.00 9.0 10.8 0 Ilimitado 0.00 Ilimitado 0.00 8.0 9.6 0 Ilimitado 0.00 Ilimitado 0.00 7.0 8.4 26741705 Ilimitado 0.00 Ilimitado 0.00 6.0 7.2 0 Ilimitado 0.00 Ilimitado 0.00 5.0 6.0 0 Ilimitado 0.00 Ilimitado 0.00 Suma Parcial EJES DOBLES 11. Tensión Equivalente : 9.63 13. Factor de Erosión: 2.56 12. Factor de Relación de Tensiones: 0.241 26.0 31.2 0 Ilimitado 0.00 2389015 0.00 24.0 28.8 0 Ilimitado 0.00 3864441 0.00 22.0 26.4 0 Ilimitado 0.00 6857364 0.00 20.0 24.0 0 Ilimitado 0.00 14112789 0.00 18.0 21.6 8316670 Ilimitado 0.00 35097273 23.70 16.0 19.2 11632642 Ilimitado 0.00 Ilimitado 0.00 14.0 16.8 0 Ilimitado 0.00 Ilimitado 0.00 12.0 14.4 0 Ilimitado 0.00 Ilimitado 0.00 10.0 12.0 0 Ilimitado 0.00 Ilimitado 0.00 8.0 9.6 0 Ilimitado 0.00 Ilimitado 0.00 Suma Parcial EJES TRIPLES 14. Tensión Equivalente : 7.37 16. Factor de Erosión: 2.71 15. Factor de Relación de Tensiones: 0.184 36.0 43.2 0 Ilimitado 0.00 1359720 0.00 33.0 39.6 0 Ilimitado 0.00 2291340 0.00 30.0 36.0 0 Ilimitado 0.00 4066779 0.00 27.0 32.4 2888104 Ilimitado 0.00 8295303 34.82 24.0 28.8 0 Ilimitado 0.00 21275619 0.00 21.0 25.2 0 Ilimitado 0.00 Ilimitado 0.00 18.0 21.6 0 Ilimitado 0.00 Ilimitado 0.00 15.0 18.0 0 Ilimitado 0.00 Ilimitado 0.00 12.0 14.4 0 Ilimitado 0.00 Ilimitado 0.00 9.0 10.8 0 Ilimitado 0.00 Ilimitado 0.00 Suma Parcial Consumo de Fatiga: 0.00 % Daño por Erosión: 77.22 % Si No Granular Si 0.00 34.82 0.00 0.00 18.71 23.70 Fuente: elaboración propia 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 168 9.3 Metodología de diseño MEPDG – AASHTO 2008 “Lo único constante es el cambio” Heráclito, filósofo griego, siglo V a.c. 9.3.1 INTRODUCCIÓN En el Perú y en la mayoría de países de América Latina, la metodología de diseño de pavimentos flexibles y rígidos, comúnmente aceptada, es la especificada en la guía AASHTO 93. Eso quiere decir que, en los últimos veinte años, las mayoría de pavimentos importantes del Perú han sido diseñados bajo esta metodología, utilizando para ello las ecuaciones empíricas que la caracterizan, sin ningún tipo de calibración o ajuste. El éxito de AASHTO 93, en mi opinión, se define por dos razones fundamentales: su simplicidad y sus buenos resultados. Simplicidad, porque limita el diseño al cálculo de espesores de un paquete estructural, con un número reducido de parámetros. En el caso de los pavimentos flexibles, se calcula el número estructural (SN) con el que se pueden estimar los espesores de las capas granulares y el asfalto. En el caso de los pavimentos rígidos, se calcula el espesor de la capa de concreto directamente. Buenos resultados, porque las experiencias de pavimentos bien diseñados y construidos bajo esta metodología han alcanzado la serviciabilidad esperada o la han superado. Estas razones hicieron que el suplemento AASHTO 98, no prosperara, desestimándose para la mayoría de países, salvo para el caso chileno que lo adoptó parcialmente. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 169 A finales del 2011, AASHTO oficializó una nueva metodología de diseño, que esta vez combina los conceptos teóricos relativos a esfuerzos y deformaciones (mecanicistas), con las lecciones aprendidas con el tiempo (empírico). AASHTO 2010, ó también conocida como Empírico Mecanicista MEPDG (Mechanistic Empirical Design Guide, por sus siglas en inglés), fue aceptado en Estados Unidos después de más de una década de discusiones, pero aún no ha sido implementado por todas las oficinas de transporte. Cabe destacar que la metodología se soporta en el software DARWIN ME comercializado por AASHTO. Cuando los diseñadores se introducen en el mundo del MEPDG, inmediatamente los convence su coherencia y tecnicismo, sobretodo cuando se le compara con la antigua guía AASHTO 93 que utiliza conceptos fáciles de criticar y creados a medida para darle sentido a la ecuación. Parámetros como el número estructural (SN), los coeficientes estructurales (ai), los coeficientes de drenaje (Cd), el parámetro de transferencia de carga (J), el eje equivalente (ESAL), así como la forma en que la confiabilidad ® es aplicada, hacen que AASHTO 93 se vulnerable y criticado. Sin embargo, para los que conocemos a fondo la lógica del MEPDG y la enorme base de datos que el software DARWIN ME requiere, es imposible no preguntar el significado de implementar esta nueva metodología de diseño en nuestra realidad. En este libro se analizan el marco teórico, los pro y contras que una correcta implementación del MEPDG conllevaría en el Perú, plantea además, en base a lo que se está desarrollando actualmente en otros países de la región, el uso alternativo y menos sofisticado de los modelos de esta nueva metodología de diseño climatizado a nuestra realidad, y se enfoca en su empleo como solución de diseño para pavimentos rígidos. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 170 9.3.2 ANTECEDENTES La necesidad de obtener los beneficios de una metodología de diseño mecanicista fue claramente reconocida en 1986, cuando AASHTO lanzó su versión de diseño basada en la experiencia de la AASHO Road Test. En 1986, AASHTO resaltó la necesidad de obtener una metodología de diseño de pavimentos que considerara los cambios en las cargas de tránsito, en los materiales, así como el impacto del clima sobre el comportamiento de la estructura. En 1996, AASHTO en cooperación con NCHRP y FHWA, impulsaron un “Workshop sobre Diseño de Pavimentos” en el que participaron los más renombrados ingenieros diseñadores de Estados Unidos, cuyo objetivo era obtener, para el 2002, la nueva “Guía de Diseño Empírico – Mecanicista de AASHTO”. Bajo el nombre de NCHRP Proyecto 1-37ª empieza este esfuerzoconjunto, que estuvo, desde finales del 2000, buscando la mejora a parti de revisiones continuas. En el 2011, AASHTO lanzó al mercado el software DARWIN – ME, convirtiéndose en su nueva herramienta de diseño, después de las versiones de 1986 (que es la misma para el caso de pavimentos de concreto que la de 1993), y su suplemento 1998, que no tuvo la acogida esperada. De esta manera, MEPDG 2008 se convierte en una metodología de diseño que combina conceptos mecanicistas con la experiencia adquirida en el AASHO Road Test, y cuyo alcance es la verificación y optimización de diseños nuevos y rehabilitaciones de pavimentos de flexibles y rígidos. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 171 9.3.3 LIMITACIONES DE LA METODOLOGÍA AASHTO 93 Entre las principales limitaciones del AASHTO 93, que justifican la implementación de la nueva metodología Empírico Mecanicista MEPDG 2008, destacan: Cambios en las cargas de tránsito: desde 1960, fecha en que se realizaron los estudios empíricos en Illinois, la configuración y pesos de camiones pesados han cambiado tremendamente, llegando incluso a exceder el peso entre 10 y 20 veces. El efecto del clima: Debido a que AASHO Road Test se desarrolló en una locación específica, es razonable pensar que la extrapolación de resultados a otras localidades no es necesariamente correcta. Limitaciones de la subrasante: Sólo un tipo de material fue utilizado como subrasante, por lo que se requiere una adecuada caracterización del material y sus propiedades de soporte. Limitaciones en la carpeta de rodadura: Sólo se empleó un tipo de mezcla asfáltica en caliente, y un tipo de concreto para el AASHO Road Test. Limitaciones en el ciclo de vida del pavimento: Debido a que el AASHO Road test tuvo una duración de sólo 2 años, los efectos a largo plazo sobre el pavimento y sus materiales, así como el efecto del clima no fue considerado. Actualmente los periodos de diseño deben estar entre 20 y 50 años. Periodos menores de diseño no deberían considerarse. Por otro lado la nueva guía de diseño permite proyectar pavimentos hasta los 100 años. Limitaciones de comportamiento: Las versiones anteriores de AASHTO hacen referencia únicamente al espesor de las capas para alcanzar un grado de serviciabilidad. Investigaciones y observaciones han 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 172 demostrado que la necesidad de realizar rehabilitaciones o mantenimientos no están relacionados con el espesor. De este modo, para el caso del diseño de pavimentos de concreto, simples con juntas, los modelos de deterioro que se deben verificar para un periodo de diseño son: Agrietamiento transversal por fatiga, Escalonamiento, y el índice Internacional de Rugosidad (IRI) como medida de servicio y confort. Limitaciones de la confiabilidad: En 1986 AASHTO incluyó en su guía una confiabilidad de diseño que no fue totalmente validada, resultando un factor de seguridad que incrementaba largamente las cargas de tránsito para alcanzar el nivel de confiabilidad deseado. A mayor confiabilidad, mayor espesor. De esta manera si uno pretendía diseñar un pavimento para 50 millones de ejes equivalentes (ESALs, por sus siglas en inglés) lo que en verdad estaba trabajando para 228 millones de ESALs. Con ello resultaban diseños demasiado conservadores, que impactan en la economía del proyecto. 9.3.4 MARCO TEÓRICO El ingeniero debe tener en cuenta que diseñar un pavimento es mucho más que la simple elección de las capas que conforman la estructura. Hay que tener en consideración, además: el requerimiento de materiales, los procedimientos constructivos, el diseño de las juntas y el aseguramiento de la calidad a través de una supervisión adecuada, que permitan al pavimento comportarse de acuerdo con sus expectativas. En tal sentido, el propósito es obtener una estructura que se comporte satisfactoriamente bajo ciertas condiciones climáticas y de tránsito, que no superé los valores límites adoptados como indicadores de deterioro. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 173 La metodología de diseño empleada en MEPDG 2008 para estructuras nuevas o rehabilitaciones considera: Caracterización de la subrasante Condiciones existentes Materiales Procedimiento constructivo Factores ambientales Cargas de tránsito Drenaje Diseño de bermas Comportamiento ante los modelos de deterioro Confiabilidad Ciclo de vida a) Niveles de servicio La jerarquización de los insumos de diseño es un cambio que las guías anteriores de AASHTO no tienen. Mediante el empleo de niveles de servicio, el diseñador tiene la flexibilidad de elegir inputs de diseño basándose en la criticidad del proyecto, el tipo de vía, y en la información y recursos disponibles. Los niveles aplican sobre: el tránsito, la caracterización de materiales, y el medio ambiente. Los niveles son tres: Nivel 1: provee el grado más alto de precisión y por lo tanto los proyectos que sean trabajados con información a este nivel tendrán 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 174 menor incertidumbre o error. Típicamente se emplearan para el diseño de pavimentos que soporten tránsito muy pesado. La información de nivel 1 requiere trabajo de campo y laboratorio, por lo mismo se requieren más recursos, dinero y tiempo para obtenerlos. Nivel 2: provee un nivel intermedio de precisión acercándose a la de los procedimientos anteriores de diseño AASHTO. Puede emplearse cuando no están disponibles los recursos o equipos para realizar los ensayos de materiales requeridos en el nivel 1. Posiblemente obtenidos de la base de datos de la agencia administradora, u obtenidos mediante correlaciones. Como ejemplo esta la estimación de módulos resilentes de subrasante o bases granulares a partir de ensayos de CBR, o por ejemplo la estimación del módulo de elasticidad del concreto E a partir de ensayos de resistencia a compresión. Nivel 3: proveen el menor grado de precisión. Este nivel puede ser usado para diseños en donde las consecuencias de un deterioro inicial sean mínimas, por ejemplo para vías con bajo nivel de tránsito. En este punto pueden emplearse los datos que se encuentran ya colocados en la guía, como los coeficientes de expansión térmica, o las granulometrías típicas de agregados. b) Lógica del MEPDG 2008 La metodología de diseño MEPDG tiene por objetivo verificar un diseño estructural propuesto de pavimento, flexible o rígido, sometiéndolo a los efectos de un clima especificado y al paso de cargas de tránsito, en un periodo de tiempo determinado. Los parámetros límite, dependen del tipo de pavimento. En el caso de los pavimentos flexibles, se verifican: el IRI terminal, agrietamiento longitudinal, agrietamiento por fatiga de la carpeta asfáltica de 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 175 abajo hacia arriba, falla térmica (transversal), falla por fatiga de la base estabilizada, deformación permanente de todo el paquete estructural, y deformación permanente sólo de la carpeta asfáltica. En el caso de los pavimentos rígidos con juntas transversales JPCP, se verifican: agrietamiento transversal, escalonamiento, y sólo para los pavimentos continuamente reforzados CRCP, roturas localizadas (punchouts). Para ambos tipos de pavimentos de concreto se verifica también el IRI terminal. Para poder realizar las verificaciones en el futuro, la metodología contiene modelos de predicción de las fallas antes mencionadas. Estos modelos incorporan los efectos delclima, del tránsito y de los materiales utilizados para poder proyectar el comportamiento de los pavimentos flexibles y rígidos en el tiempo. El comportamiento de un pavimento se analiza a nivel de las consideraciones de funcionalidad, estructura y a nivel de su seguridad. MEPDG trabaja a nivel funcional y estructural. El comportamiento funcional del pavimento está relacionado en la forma en que la estructura sirve al usuario de la vía. Por supuesto, se asume que el diseño geométrico es el adecuado para la velocidad considerada. El confort al transitar por un pavimento es la característica predominante de funcionalidad. Para cuantificar el confort, en la AASHO Road Test de 1957 se desarrolló el concepto de serviciabilidad. Todas las versiones hasta 1993 han girado en torno a este concepto. Se supone que el estado de entrega del pavimento, después de la construcción de la estructura, es óptimo y que los valores de agrietamiento transversal por fatiga y escalonamiento inicial son despreciables. En la metodología MEPDG 2010, la funcionalidad y su comportamiento a lo largo del periodo de diseño esta ligado al concepto del IRI, que reemplaza al concepto de serviciabilidad. Notar que el término IRI que denota Índice de Rugosidad Internacional, puede ser confuso en su 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 176 traducción. Podríamos pensar que el IRI es un indicador de rugosidad, desde el punto de vista de la textura, y no lo es. El IRI está relacionado con la suavidad “smoothness” del pavimento al ser utilizado como una vía, es decir al ser transitado. A mayor IRI, mayor variabilidad en una distancia definida, y por lo tanto el confort va decayendo. El comportamiento estructural del pavimento, está relacionado con las fallas que se manifiestan. Los modelos de deterioro se manifiestan en los parámetros límites adoptados (exceptuando al IRI). c) Base Climática del MEPDG 2008 El Modelo Climático Integrado y Ampliado (EICM, “Enhanced Integrated Climatic Model”, por sus siglas en inglés), toma en cuenta los gradientes de temperatura y humedad que se encuentran presentes en la estructura del pavimento. EICM, es un software de flujo de calor y humedad acoplados, para simular los cambios en el comportamiento y características del pavimento y subrasante en función de las condiciones climáticas durante la vida útil del pavimento. EICM, considera la base de datos de Estados Unidos. d) Calibración de los modelos de deterioro Los modelos de predicción del deterioro utilizados por MEPDG utilizan correlaciones verificados en el proyecto LTPP de Estados Unidos. Es decir, los modelos de deterioro se basan en el comportamiento real de los pavimentos de Estados Unidos, que como se puede inferir no corresponden necesariamente a la realidad de nuestros pavimentos. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 177 Por tal motivo, es necesario realizar una calibración de los indicadores límite de deterioro presentados para el caso peruano. e) Calibración de los modelos de deterioro DARWIN ME, es el nombre comercial del software que está promoviendo AASHTO bajo la metodología empírico mecanicista para el diseño de pavimentos. Respecto al software que estuvo disponible en la web de AASHTO hasta el 2011, no han existido mayores cambios en cuanto a los modelos de deterioro y resultados, pero sí en la incorporación de herramientas que permiten realizar análisis más finos de sensibilidad que el software de prueba no permitía. Uno de los mayores problemas en la difusión de esta metodología es que el empleo del software no es gratuito, como lo eran las anteriores versiones de AASHTO 86 y 93 que empleaban ábacos u hojas de cálculo. AASHTO esta realizando la concesión anual del software Darwin ME a un precio aproximado de US$ 5,000 por licencia / año. f) Modelos Simplificados Existen en la actualidad esfuerzos por implementar metodologías de diseño empírico mecanicistas, basadas en los modelos de deterioro del MEPDG, pero con una herramienta más accesible que DARWIN ME. Obviamente, el hecho de que la licencia, único medio para poder realizar el diseño de pavimentos con MEPDG, tenga un costo anual elevado representa una restricción para que administradores de redes, consultores, diseñadores, e instituciones educativas lo adquieran y promuevan su empleo. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 178 Para el caso de pavimentos flexibles, el Laboratorio Nacional de Materiales y Modelos Estructurales de la Universidad de Costa Rica (LanammeUCR) lidera esta iniciativa. Para el caso de los pavimentos rígidos, existen instituciones como el Instituto Chileno del Hormigón (ICH) y la Universidad de Piura (Udep) en Perú que se encuentran realizando algunos de estos esfuerzos. 9.3.5 EL PAVIMENTO DE CONCRETO EN EL CONTEXTO MEPDG 2008 9.3.5.1 Comportamiento de los pavimentos rígidos El comportamiento de un pavimento se analiza a nivel de las consideraciones de funcionalidad, estructura y últimamente a nivel de su seguridad. MEPDG trabaja a nivel de funcionalidad y estructura. El comportamiento estructural para el caso de pavimentos de concreto se modelo en base a los deterioros en las fallas en las juntas, y el agrietamiento en las losas. En la nueva guía MEPDG 2008 los deterioros se predicen mediante el empleo de conceptos mecanicistas. El comportamiento funcional del pavimento está relacionado en cómo el pavimento sirve al usuario de la vía. Por supuesto que se asume un diseño geométrico adecuado para la velocidad de diseño asumida. El confort en el momento de circular por un pavimento es la característica predominante para funcionalidad del pavimento. Para cuantificar el confort en la AASHO Road Test de 1957 se desarrolló el concepto de serviciabilidad, y así todas las versiones hasta antes del MEPDG han girado en torno a este concepto. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 179 Se supone que el estado de entrega del pavimento después de la construcción es óptimo y que valores de agrietamiento transversal por fatiga y escalonamiento son despreciables. Para el término del periodo de diseño de un pavimento rígido en el Perú se recomienda considerar los siguientes límites para los patrones de deterioro: Agrietamiento transversal (% de losas): 15% Escalonamiento: 0.12 a 0.15 pulgadas, o 3 a 6 milímetros En la guía MEPDG 2008, la funcionalidad y su comportamiento a lo largo del periodo de diseño está ligado al IRI, que reemplaza el concepto anterior de serviciabilidad. Notar que el término IRI que denota Índice de Rugosidad Internacional, puede ser confuso en su traducción. Podríamos pensar que el IRI es un indicador de rugosidad, desde el punto de vista de la textura, y no lo es. El IRI está relacionado con la suavidad “smoothness” del pavimento al ser utilizado como una vía, es decir al ser transitado. A mayor IRI, mayor variabilidad hay en una distancia definida, y por lo tanto el confort va decayendo. Ver Gráfico 1/9.3 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 180 Gráfico 1 / 9.3: Pérdida de Serviciabilidad vs IRI Fuente: AASHTO Basándose en los valores de IRI inicial y final recomendados por la guía MEPDG 2008 se tienen los siguientes valores: Valor típico después de construido: 100 pulgadas / milla, equivalente a 1.6 metros / kilómetro Valor terminal, después del periodo de diseño: 200 pulgadas / milla, equivalente a 3.2 metros / kilómetro Obviamente, la calidad de la construcción es la que teentrega el IRI inicial al pavimento, por ello, el proceso constructivo debe ser continuo, evitando 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 181 paralizaciones innecesarias de los equipos de pavimentado y prolongando lo más que sea posible las distancias entre las juntas de construcción. Todo esto enmarcado en una construcción en línea y nunca en damero, cuyo proceso esta preescrito. Valores iniciales de IRI obtenidos entre el 2005 y 2010 en los proyectos de concreto fluctúan entre 1.6 y 2.5 metros / kilómetro. Los factores que impactan en la pérdida de regularidad del pavimento son agrietamiento y escalonamiento. Los valores observados en pavimentos que ya cumplieron más de 20 años de servicio son 4.0 metros / kilómetro. 9.3.5.2 Estructuras del pavimento rígido consideradas en MEPDG 2008 En esta metodología de diseño se consideran los pavimentos simples con juntas (JPCP) y los continuamente reforzados (CRCP). Aquellos pavimentos reforzados con juntas (JRCP) ya no se consideran más. El MEPDG 2008 verifica diseños propuestos respecto a su comportamiento proyectado con los modelos de deterioro, por tipo de estructura, que en el caso de los pavimentos de concreto simple con juntas son agrietamiento transversal por fatiga, escalonamiento e IRI, para el periodo de diseño. En tal sentido la metodología de diseño se comporta de manera similar a la explicada en PCA 84, en la que una estructura propuesta debía verificarse por los criterios de fatiga y erosión. El procedimiento ofrece una gran variedad de alternativas para el diseño de prueba a verificar (trial design), incluyendo: numerosos tipos de capas intermedias, espaciamiento entre juntas, tipo de transferencia de carga, tipos 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 182 de bermas, el manejo de anchos y sobreancho para la calzada, así como diversos tipos de drenaje. La respuesta estructural de un pavimento depende de la interacción entre las propiedades de los materiales, el tránsito al que es sometido, y el clima al que está expuesto. 9.3.5.3 Efecto del clima en los pavimentos rígidos Las condiciones ambientales tienen un efecto significativo en el comportamiento de los pavimentos. Factores Externos como: precipitación, temperatura, ciclos hielo – deshielo, y la ubicación de la napa freática; así como Factores Internos: humedad y drenaje, tienen una implicancia especial en el patrón de deterioro de los pavimentos. La temperatura y humedad son factores externos relacionados con el alabeo de las losas de concreto, y tienen un efecto significativo para definir su comportamiento a la fatiga (agrietamiento transversal), así mismo juegan un rol importante en la efectividad de los sellos en las juntas, al regir la apertura de las juntas entre losas adyacentes. Modelo Climático Integrado y Ampliado (EICM, “Enhanced Integrated Climatic Model”, por sus siglas en inglés) El modelo toma en cuenta gradientes de temperatura y humedad a través de la estructura del pavimento. Es un programa de flujo de calor y humedad acoplados, para simular los cambios en el comportamiento y características del pavimento y subrasante en función de las condiciones climáticas durante la vida útil del pavimento. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 183 Información requerida por el EICM Se necesita un gran número de parámetros de entrada para que el EICM determine salidas determinantes para el diseño de pavimentos, los mismos que se pueden introducir en las siguientes categorías: General, mes y año de construcción del pavimento, mes y año de apertura al tránsito, estructura Referente al clima, datos horarios de temperatura del aire, precipitación, velocidad del viento, fracción del cielo despejado, y humedad relativa Nivel freático Drenaje de la estructura La temperatura del aire se requiere para, una vez aplicada en una de las ecuaciones de balance de calor del modelo, se pueda determinar la radiación de onda larga emitida por el aire que afecta la transferencia convectiva de calor desde la superficie hasta la atmósfera. Con los valores de temperatura, además, se puede definir los ciclos de hielo y deshielo. La precipitación es necesaria para conocer la tasa de infiltración de pavimentos por rehabilitar y para que sea tomada en cuenta para el proceso de envejecimiento de la estructura. La velocidad del viento se requiere para calcular el coeficiente de transferencia de calor en la superficie del pavimento, y el porcentaje de cielo claro para determinar el balance térmico en la superficie del pavimento. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 184 La humedad relativa tiene un gran efecto en la contracción por secado del concreto que conforma los pavimentos JPCP. La profundidad del nivel freático es la mejor estimación del promedio anual o estacional del mismo. Este parámetro juega un rol especial en el contenido de humedad de la subrasante y las demás capas estructurales. EICM registra datos horarios de al menos 5 años, conteniendo información sobre: Temperatura (°F) Precipitación (pulgadas) Velocidad del viento (millas / hora) Porcentaje de cielo claro (%) Profanidad del nivel freático (pies) Para el caso particular de los Estados Unidos, el programa que soporta la metodología de diseño MEPDG 2008 contiene la información de diferentes estaciones climáticas para todos los estados. Para el caso Perú, es necesario realizar el ingreso de datos al EICM para las regiones y departamentos para poder emplearlo. Hasta que esto ocurra se sugiere tomar en consideración información climática relativa de estados americanos que sean similares al lugar de diseño, pero tomando en cuenta el desfase estacional que eso implica. Consideraciones sobre el alabeo térmico 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 185 El alabeo genera tensiones de tracción en el fondo de la losa cuando es convexo hacia arriba, y en la superficie cuando es cóncavo, existiendo un efecto negativo ocasionado por el peso propio de la losa (obviamente debido a que la losa no esta al 100% en contacto con el suelo). A estas tensiones se les suma el efecto propio de las cargas de tránsito. Cuando una losa experimenta una temperatura mayor en la superficie que en el fondo, como ocurre durante el día, la superficie se dilata diferencialmente más que el fondo, pues hay un gradiente de temperatura en el espesor de la losa. Por el contrario, durante la noche, la curvatura generada es al revés. En ambos casos el peso propio hace que la losa luche por retornar a la situación de equilibrio, produciéndose tensiones que cuando el alabeo es convexo se producen en el fondo, o en la superficie si el alabeo es cóncavo. Las cargas de tránsito adicionan aún más tensión, y por lo tanto la tensión crítica bajo alabeo convexo se da en el fondo de la losa, cuando la carga está en el centro en el borde externo. Cuando el alabeo es cóncavo, la tensión crítica se da en la superficie de la losa, cuando la carga se sitúa en la junta transversal. Consideraciones sobre el alabeo constructivo Los procedimientos constructivos y el secado prematuro superficial del concreto producen aún más alabeo cóncavo. Cuando se construye en horas de calor, el concreto tiende a endurecerse en posición plana con un gradiente térmico importante entre su superficie y el fondo. Al enfriarse y endurecerse el concreto va tomando forma cóncava, persistiendo pues este patrón se cumple hasta que la estructura llega al equilibrio térmico,también conocido como alabeo remanente por proceso constructivo. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 186 El MEPDG 2008 permite tener en cuenta el alabeo térmico y el constructivo. 9.3.5.4 Caracterización del tránsito Los datos de tránsito son los que más afectan los modelos de deterioro y respuesta del MEPDG 2008. La siguiente lista contiene la información que la guía de diseño requiere: Volumen anual de camiones Velocidad operativa de los camiones Factores de distribución de camiones Tipos de camiones y la distribución de pesos entre sus ejes Configuraciones de ejes y llantas Presión y características del neumático Factores de crecimiento Información de tránsito requerida por MEPDG 2008: a) MEPDG 2008 considera espectro de camiones en reemplazo del Eje Equivalente de las versiones anteriores. El programa emplea la configuración de vehículos de la FHWA, a partir de los vehículos clase 4, es decir vehículos pesados. Se trabaja con el promedio diario anual de camiones AADTT (Figura 1/ 9.3): 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 187 En el nivel 1, es necesario tener un conteo por tipo de vehículo, así como el peso de ellos. En el nivel 2, es necesario hacer el conteo por tipo de vehículo, pero se pueden utilizar indicadores de peso por vehículo que tenga disponible el ente administrador en base a experiencias previas En el nivel 3, se coloca el tránsito por defecto según el tipo de vía. Se estima volumen y peso. Figura 1 / 9.3: Clasificación vehicular FHWA Fuente: AASHTO b) Volumen de tránsito, teniendo en cuenta información anual, con tasas de crecimiento. Existen factores de ajuste como: 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 188 Por volumen de tránsito Distribución por clase de vehículos, por dirección y por carril Ajuste mensual y horario de los vehículos c) Factores de distribución de carga por ejes, datos generales de tránsito, como: Número de ejes y camiones Ubicación media de las ruedas, y desviación estándar de la deriva del tránsito Configuración de ejes, y distancia entre los ejes delantero y trasero Dimensiones de neumático y presión de inflado Velocidad operativa de los vehículos d) Los factores de ajuste mensual representan el porcentaje de tránsito anual de camiones para una cierta clase vehicular que se presenta para un mes determinado. Estos factores dependen de aspectos como el uso de tierra, localización de industrias en el área, rutas estacionales, por ejemplo para lugares donde las cosechas son estacionales, puede darse el caso que los camiones se vayan cargados y regresen vacíos. e) Los factores de distribución horaria representan el porcentaje de AADTT dentro de cada hora del día. Este factor es importante para el diseño de pavimentos de concreto ya que inciden directamente sobre la magnitud de carga que sufre en conjunto la losa de concreto con el alabeo térmico 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 189 (día – noche), incidiendo en el agrietamiento por fatiga de arriba hacia abajo y el escalonamiento entre juntas (top – down) f) Número de ejes por camión, la clasificación FHWA admite la presencia de un tipo de eje u otro en una clase determinada. g) Ubicación media entre ruedas, es la distancia entre el borde externo de la rueda al borde externo del pavimento. Se adopta por defecto 18 pulgadas (45 centímetros). h) Desvío estándar de la deriva del tránsito (wander), se emplea para determinar el número de aplicación de carga por eje sobre un determinado punto. Se adopta por defecto 10 pulgadas (30 centímetros). i) Configuración por eje y distancia entre ejes delantero y trasero, el espaciamiento es de mucha importancia para determinar la ubicación crítica de los ejes en la losa de concreto, que está ligado al estudio del agrietamiento de arriba hacia abajo (top – down). j) Presiones de inflado, el valor utilizado por defecto en el MEPDG 2010 es de 120 psi. k) Velocidad operativa de los vehículos, la velocidad promedio de los camiones depende de factores como el tipo de vía, el terreno, entre otras 9.3.5.5 Caracterización de los materiales Caracterización de los materiales de concreto con cemento Portland (PCC): 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 190 Módulo Elástico (E) La razón esfuerzo – deformación en la curva esfuerzo – deformación para una mezcla de concreto dado define su módulo elástico. El módulo elástico de la mezcla de concreto es un parámetro complejo regido por el comportamiento propio de los materiales que conforman la mezcla y por los métodos de ensayo. Sin embargo, los parámetros que mayor impacto tienen son: Relación a / c Relación pasta – agregado En los modelos de deterioro el módulo elástico del concreto (E) tiene un efecto bastante importante en el cálculo de deflexiones y esfuerzos. La concepción del Módulo Elástico depende del tipo de estructura y del nivel de información a utilizar, como se muestra en la tabla 1/ 9.3: Tabla 1/ 9.3: Módulo Elástico E Categoria Nivel Observaciones Determinada directamente del laboratorio ASTM C 469 (7, 14, 28 y 90 días) Correlacionándolo con la resistencia a la compresión f´c (7, 14, 28, 90 días) f´c ensayo AASHTO T 22 E = 33 p 3/2 (f´c) 1/2, en psi Correlacionánsolo con la resistencia a la compresió f´c ó a la flexión Mr f´c ensayo AASHTO T 22 Mr ensayo AASHTO T 90 Mr = 9.5 f´c 1/2, en psi E = 33 p 3/2 (f´c) 1/2, en psi 1 2 3 Losas de concreto Fuente: AASHTO 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 191 Módulo de Poisson (σ) Es un factor que no tiene efectos importantes en la respuesta estructural del pavimento del modelo MEPDG 2008, por ello se recomienda trabajar con los valores recomendados (nivel 3), entre 0.15 y 0.18 En el nivel 1 y 2 (pues el cálculo es directo y no hay correlaciones con otras propiedades) el Módulo de Poisson y el Elástico pueden calcularse en simultáneo, ASTM C 469. Módulo de Rotura (Mr) MEPDG 2008 considera MR dependiendo del nivel de información a utilizar en la tabla 2/9.3: Tabla 2 / 9.3: Módulo de Rotura para JPCP y sobrecarpetas Categoria Nivel Observaciones Determinada directamente del laboratorio AASHTO T 97 Correlacionándolo con la resistencia a la compresión f´c (7, 14, 28, 90 días) Mr = 9.5 f´c 1/2, en psi El f´c y Mr ganan resistencia a lo largo del tiempo STRRATIO = 1 + 0.12 Log 10 (AGE/0.0767) - 0.01566(log10(AGE/0.0767))2 usar la fórmula de arriba para evaluar el Mr en el tiempo o periodo de vida del pavimento Losas de concreto 1 2 3 Fuente: AASHTO El Módulo de Rotura del concreto es un valor que impacta bastante en el modelo de deterioro. Resistencia a la compresión (f´c) 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 192 Sólo es requerida para correlacionarla y obtener el valor del módulo elástico (E) Coeficiente de expansión térmica (α) Se define como el cambio unitario de longitud por grado de temperatura. En una situación ideal, cuando α es conocido, el cambio de longitud producido por el cambio de temperatura de un elemento que no tiene restricciones de movimiento se calcula mediante: ∆L = α (∆T) (L) Dónde: ∆L = Cambio de longitud del concreto debido al gradiente de temperatura α = Coeficiente de expansión térmica del concreto ∆T = Cambio de temperatura (T2 – T1) L = Longitud del espécimen (losa,distancia entre juntas) El coeficiente α tiene un gran efecto en la respuesta de los modelos de deterioro del MEPDG 2008, debido a que tiene gran efecto en el cálculo del esfuerzo debido a gradiente térmico. En el nivel 1, el coeficiente α se calcula mediante lo expresado en AASHTO TP 60. En el nivel 2 mediante el empleo de la tabla 3/9.3: 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 193 Tabla 3 / 9.3: Valores Típicos de CET Tipos de Agregados Coeficiente de Expansión Térmica 10^ - 6 / °C Cuarzo 3.7 Arenisca 3.6 Grava 3.3 Granito 2.9 Basalto 2.7 Caliza 2.1 Fuente: AASHTO En el nivel 3 se emplea data histórica según el tipo de cantera. Coeficiente de Conductividad Térmica y Capacidad de Calor Se sugiere utilizar el valor de 1.25 BTU / h – pie - °F como conductividad térmica, y una capacidad de calor 0.28 BTU / h – pie - °F. Estos valores son empleados por el EICM para el cálculo de los gradientes en la losa de concreto. 9.3.5.6 Modelación de los pavimentos rígidos El modelo estructural empleado para el análisis de pavimentos rígidos es un modelo de elementos finitos en dos dimensiones que utiliza el programa ISLAB 2000. El modelo requiere los siguientes inputs entregados de forma mensual: Carga de tránsito 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 194 Sección del pavimento Coeficiente de Poisson, para cada capa Módulo elástico, para cada capa Espesor de cada capa Fricción entre capas Coeficiente térmico de contracción y expansión Gradiente de temperatura y humedad en el concreto de las losas. Capas Intermedias Se mencionan algunas características que se consideran en la metodología de diseño, tales como: a) Bases estabilizadas con cemento, se incluye a los concretos de baja resistencia, suelos estabilizados con cemento, suelo – cal – cemento, y suelo – cal. En todos los casos se requiere como input: módulo elástico inicial o resilente a los 28 días, coeficiente de poisson, propiedades térmicas, conductividad térmica, capacidad calor. b) Bases granulares, se necesitan como inputs: módulo resilente, coeficiente de poisson, y el coeficiente de empuje en reposo. Adicionalmente se puede ingresar a curvas granulométricas donde se puede especificar además de los tamaños que la definen, los límites líquido, índice de plasticidad, D60. c) Subrasante, corresponde al suelo de soporte del paquete estructural. El parámetro más importante es el módulo resilente, obtenido directamente 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 195 (nivel 1) o por correlaciones (2), pero se consideran los mismos parámetros que para las bases granulares. Con éstos inputs el modelo proyecta esfuerzos, restricciones y desplazamientos para los puntos críticos del pavimento. El modelo utilizado para los cálculos es el siguiente: Figura 2/ 9.3: Modelación Estructural MEPDG JPCP Fuente: AASHTO 9.3.5.7 Daño Incremental Este modelo es el primero en incluir la posibilidad de acumular el daño mes a mes, por la totalidad del periodo de diseño. Esto tiene ventajas como: El procedimiento de diseño acumula un daño similar al ocurrido realmente en el campo: incremental. Los incrementos están ligados a factores climáticos como la temperatura y humedad, que son responsables de causar daños en los materiales de las capas, en la apertura de las juntas, en el tránsito (si es estacional), entre otros. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 196 Se consideran las variaciones de tránsito entre el día y la noche, con las repercusiones que estos cambios tienen en los gradientes de temperatura y humedad en la losa de concreto. 9.3.5.8 Confiabilidad Quizá la incertidumbre más obvia es el calcular el espectro de cargas vehiculares a lo largo de los años. Sobre todo si la guía permite trabajar hasta los 100 años, como periodo máximo de diseño. Sin embargo otras variables como, los materiales y el proceso constructivo, tienen un impacto directo en el comportamiento del pavimento y la incertidumbre asociada a cumplir los requerimientos dispuestos y calidad de ejecución durante la extensión del proyecto. Aunque la teoría mecanicista provee una metodología mas realista y precisa para el diseño de pavimentos, se debe utilizar un método práctico que considere las incertidumbres descritas en el párrafo anterior. La confiabilidad de diseño se define como la probabilidad de que cada uno de los esfuerzos claves y la suavidad reflejada en el IRI sea menor que los parámetros seleccionados previamente como valores críticos para el diseño. En otras palabras MEPDG 2008 considera confiabilidades independientes para agrietamiento transversal, escalonamiento e IRI. Por ejemplo, la confiabilidad aplicada para el agrietamiento transversal por fatiga es: R = P (agrietamiento transversal en el periodo de diseño < 15% de losas) 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 197 El diseñador, como se ha mencionado anteriormente, inicia el proceso iterativo con un diseño estructural propuesto. MEPDG 2008 predice el comportamiento del pavimento a partir de los esfuerzos y la suavidad (IRI) proyectados a lo largo de los años, y en una base mensual. Tanto los esfuerzos como la suavidad proyectadas hacen referencia a valores promedio que probabilísticamente están asociados a valores de confiabilidad del orden del 50%. Para casi todos los proyectos el diseñador requerirá valores de confiabilidad superiores para poder cumplir los objetivos de comportamiento del pavimento. En efecto, mientras más importante es el proyecto en términos de qué ocurre si la estructura o IRI fallan, mayor será la confiabilidad deseada, aumentando los costos iniciales del proyecto. Por supuesto, a mayor nivel de confiabilidad, el proyecto tendrá un mayor costo inicial, pero un menor costo de mantenimiento. Debido a los errores asociados en la predicción de los esfuerzos y la suavidad del pavimento proyectado, el IRI puede ser mayor o menor que el promedio esperado. La función de distribución del error se debe: Errores en la estimación de la carga de tránsito Fluctuaciones del clima a través de los años Variaciones en los espesores de las capas estructurales, en las características de los materiales y en la subrasante a lo largo del proyecto. Diferencias entre los proyectado y construido en términos de materiales Errores en la medición del IRI y de los esfuerzos asociados Limitaciones y error en los modelos de predicción del deterioro 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 198 Gráfico 2 / 9.3: Confiabilidad para el IRI Fuente: AASHTO La forma y ancho de la distribución de probabilidad de la variable aleatoria debe ser conocida antes del proceso. Esto se logra mediante la calibración de proyectos en la región. Por supuesto MEPDG cuenta con información para Estados Unidos concerniente al proyecto “Pavimentos de Larga Duración” (LTPP, por sus siglas en inglés). LTPP es un proyecto de largo alcance desarrollado en Estados Unidos para poder observar bajo condiciones reales las condiciones de distintos tipos de pavimentos en servicio. De esta manera un incremento en la confiabilidad empleada para predecir el agrietamiento transversal por fatiga implica un incremento en el agrietamiento previsto por el modelo. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 199 Gráfico3/9.3: Estimación del agrietamiento para diversos niveles de confiabilidad Fuente: AASHTO 9.3.5.9 Verificación de la estructura propuesta El proceso es iterativo y empieza con la selección de una estructura de pavimento concebida a partir de la experiencia o algún procedimiento de diseño anterior (AASHTO 93 por ejemplo). Teniendo en cuenta los datos antes mencionados, el modelo de comportamiento trabaja teniendo en cuenta el daño incremental. Finalmente se comparan los indicadores del pavimento: agrietamiento transversal por fatiga, escalonamiento e IRI con los permitidos. Si pasa por mucho, se debe optimizar la estructura, caso contrario incrementarla. En ambas situaciones se debe volver a realizar la verificación. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 200 Verificación del diseño propuesto El daño incremental del diseño inicial propuesto se analiza mensualmente en base a la información ingresada de cargas vehiculares, patrón de movimiento de los camiones dentro del mismo carril, y los alabeos en la losa de concreto (humedad y temperatura). Con estos incrementos de daño se pueden calcular las respuestas de: Los módulos del concreto y su resistencia Los módulos de la subbase Los módulos de la subrasante Transferencia de carga entre las juntas (longitudinales y transversales) De esta manera se pueden obtener datos de esfuerzos y deformaciones y poder calcular los deterioros en el tiempo. Los modelos de deterioro son de naturaleza mecanicista, pero verificados empíricamente con los resultados del LTPP. En este sentido, al poder predecir deterioro, los modelos del MEPDG 2008 son similares a los empleados por el HDM4 para evaluación de pavimentos, pero no son los mismos. Para el caso de pavimentos JPCP los modelos que se estudian son: agrietamiento transversal por fatiga, escalonamiento, e IRI. a) Agrietamiento transversal por fatiga El esfuerzo estructural considerado está relacionado al agrietamiento transversal por fatiga y se manifiesta en los parámetros de verificación de diseño mediante el concepto de porcentaje de losas agrietadas. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 201 Gráfico 4/9.3: Relación entre el daño por fatiga y el n° de losas agrietadas en JPCP Fuente: AASHTO De abajo hacia arriba (bottom – up), se da cuando el eje del camión esta cerca al borde de la junta longitudinal al centro de las juntas transversales, que se agudiza cuando en la losa existe un gradiente térmico positivo (más caliente en la superficie de la losa). Con las repeticiones de carga se origina la falla o agrietamiento transversal. Figura 3/ 9.3: Ubicación de Carga Crítica para agrietamiento transversal abajo hacia arriba Fuente: AASHTO Para limitar el deterioro por fatiga se recomienda: Incrementar el espesor de la losa 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 202 Reducir el espaciamiento entre las juntas Proyectar losas con sobreanchos Proyectar berma de concreto conectadas (con barras de amarre) Emplear mezclas de concreto con bajo Coeficiente de Expansión Térmico - CTE Emplear base estabilizada Utilizar mezclas con MR mayores De arriba hacia abajo (top – down), se da cuando la losa del pavimento esta sometido a un alabeo negativo, es decir de la superficie esta más fría que el fondo. Bajo estas circunstancias y con el tránsito de cargas pesadas el deterioro se manifiestas con agrietamientos transversales o diagonales que inician en la superficie del pavimento. La carga crítica vehicular en este caso es cuando los ejes del camión se encuentran cercanos a las juntas transversales. Para este caso el alabeo constructivo incide más en la aparición del deterioro. Figura 4/ 9.3: Ubicación de Carga Crítica para agrietamiento transversal arriba hacia abajo Fuente: AASHTO El deterioro por agrietamiento de arriba hacia abajo se controla mediante: 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 203 Incrementar el espesor de la losa Reducir el espaciamiento entre las juntas Proyectar losas con sobreanchos Proyectar berma de concreto conectada Emplear mezclas de concreto con bajo Coeficiente de Expansión Térmico - CTE Emplear base estabilizada Utilizar mezclas con MR mayores Reducción del alabeo constructivo 9.3.5.10 Modelos de deterioro del Pavimento JPCP El MEPDG 2008 considera tres modelos de deterioro para el JPCP: Agrietamiento transversal, Escalonamiento e IRI. Agrietamiento Transversal En el deterioro por agrietamiento transversal por fatiga se consideran ambos tipos de agrietamiento: de abajo hacia arriba y de arriba hacia abajo. Sin embargo el modelo MEPDG 2008 los considera separadamente, es decir, ninguna losa podrá sufrir ambos agrietamientos en simultáneo. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 204 Para poder calcular el daño acumulado en el tiempo se emplea el procedimiento de Minner: Daño por fatiga = n / N Dónde: n = número previsto de repeticiones de carga de una determinada magnitud y configuración N = número de repeticiones de carga de esa magnitud y configuración que produce deterioro en el pavimento Daño acumulado en el tiempo + Agrietamiento para un daño acumulado = Agrietamiento en el tiempo Es decir, partiendo de ecuaciones que explican el daño acumulado en el tiempo, combinada con ecuaciones que relacionan agrietamiento con daño, se obtienen expresiones que permiten relacionar la evolución del agrietamiento en el tiempo, o lo que es lo mismo, el modelo de deterioro. Veamos: CRK = C3 / (1 + C4* Daño ^C5) Dónde: CRK = porcentaje de losas agrietadas Daño = daño por fatiga obtenido como el cociente de n/N C3, C4, y C5, son factores de calibración (C3 = 100, C4 = 1, y C5 = -2) La cantidad total de agrietamiento se determina mediante: TCRK = (CRK abajo hacia arriba + CRK arriba hacia abajo – CRK abajo hacia arriba * CRK arriba hacia abajo)* 100 TCRK = agrietamiento total en % 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 205 La expresión general para la acumulación de daños por fatiga, considerando los factores críticos para el agrietamiento transversal es: Daño por fatiga (acumulado) = ∑ n ijklmn / N ijklmn Dónde: n ijklmn = número total de aplicaciones de carga en las condiciones i, j, k, l, m, n N ijklmn = número de aplicaciones de carga admisibles en las condiciones i, j, k, l. m, n i = edad, tiene en cuenta el incremento de MR del concreto en el tiempo, ligazón en la interfase losa – base, deterioro de la berma j = mes, tiene en cuenta los cambios de los valores K efectivo k = tipo de eje, ya sea simple, tándem, trídem, para agrietamiento de abajo hacia arriba y distancia entre ejes delantero y trasero para agrietamiento de arriba hacia abajo l = nivel de carga m = variación de temperatura n = zona de tránsito del neumático El número de aplicaciones de carga n ijklmn es el número real de ejes tipo k, de nivel de carga l, que pasan por la zona n de la calzada bajo diferentes condiciones de edad, estación y temperatura. Por otro lado, el número admisible de repeticiones N ijklmn es el número de ciclos de carga para que se de la falla del 50% de losas agrietadas, y se describe en la siguiente ecuación: Log N ijklmn = C1 (Mri/σ ijklmn) ^C2 Dónde: Mr i = módulo de rotura del concreto a la edad i (psi) σ ijklmn = tensión de trabajo del concreto en condiciones i, j, k, l, m, n 2012 – LB - 001Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 206 C1 y C2 son factores de calibración (C1 = 2, y C2 = 1.22) Escalonamiento en las juntas El modelo contempla que el potencial de escalonamiento en las juntas se da debido a las repeticiones de cargas de ejes pesados a través de ellas. El escalonamiento puede obligar a realizar una rehabilitación prematura por pérdida de calidad en el tránsito cuando: Existe tránsito muy pesado Existe una pobre transferencia de cargas entre las juntas Presencia de materiales finos o erosionables en las capas intermedias Presencia de agua o humedad bajo la junta Las medidas más efectivas para controlar deterioro por escalonamiento son: Empleo de pasadores Incrementar el tamaño del pasador Emplear sobreanchos Emplear bases no erosionables Especificar distancias menores entre juntas transversales Utilizar agregado grueso de mayores dimensiones Emplear bermas de concreto conectadas (barras de amarre) Mejorar el subdrenaje cuando no se emplean pasadores 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 207 Figura 5/ 9.3: Ubicación de Carga Crítica para el análisis de falla por escalonamiento Fuente: AASHTO Modelo de deterioro El escalonamiento es la diferencia de elevación en correspondencia con la junta y se mide a 30 centímetros del borde de la losa o desde el límite exterior de la calzada para el caso de calzada con ensanches. Puede variar significativamente entre juntas, por ello, es el valor medio el que importa. Surge como la combinación de: Aplicaciones repetidas de cargas muy pesadas Transferencia de carga insuficiente entre losas adyacentes Posibilidad de acceso de agua por debajo de la losa Erosión de las capas intermedias y berma El escalonamiento medio se determina mediante una aproximación incremental mes a mes, siendo el último el acumulado desde la apertura al tránsito. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 208 Fault m = ∑ ∆ Fault i ∆ Fault i = C34 (FAULTMAX i -1 – FAULT i -1) ^2 * DEi FAULTMAXi = FAULTMAXO + C7 ∑ DEJ LOG (1 + C5^EROD) ^C6 FAULTMAXO = C12 δ curling (LOG (1 + C5 * 5^EROD) * LOG (P200 * WETDAYS/PS)) ^C6 Dónde: C12 = C1 + (C2 FR^0.25) C34 = C3 + (C4 FR^0.25) C1 = 1.0184 C2 = 0.91656 C3 = 0.0021848 C4 = 0.0008837 C5 = 250 C6 = 0.4 C7 = 1.83312 Fault m = escalonamiento medio al final del mes “n” (pulg.) ∆ Fault i = incremento en el escalonamiento medio durante el mes “i” (pulg.) FAULTMAXi = escalonamiento máximo medio para el mes “i” (pulg.) FAULTMAXO = escalonamiento máximo medio inicial (pulg.) DE i = energía de deformación en la esquina de la losa acumulada en el mes “i” EROD = factor que representa el grado de erosionabilidad de la base (extremadamente resistente 1, muy resistente 2, resistente 3, moderadamente erosionable 4, muy erosionable 5) δ curling = deflexión media mensual máxima en la esquina (hacia arriba) por alabeo térmico y por secado P 200 = porcentaje que pasa el tamiz 200 WETDAYS = días del año en el que la subbase se encuentra saturada P S = tapada sobre subrasante Comportamiento del IRI La rugosidad puede definirse como la variación en elevación de la superficie que induce vibraciones en los vehículos. El IRI es una forma de medirla, en pulg. / milla ó m / km. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 209 Después de construido el pavimento, el IRI se va incrementando a lo largo del tiempo debido al desarrollo de los diferentes tipos de fallas. La forma más efectiva de controlar el deterioro del IRI es: Garantizar un IRI inicial bajo, es decir garantizar suavidad y confort al transitar sobre la superficie. Esto debe ser indicado en el expediente definitivo del proyecto para que sea un indicador de calidad regulado por la supervisión del proyecto Incluir pasadores o incrementar su diámetro, ya que con esto se controla el escalonamiento e indirectamente el IRI Empleo de base tratada, ya sea con asfalto o cemento, se consigue tanto escalonamiento como agrietamiento menores, e indirectamente un IRI menor Incrementar el ancho de la losa en 60 centímetros (2 pies), para alejar las cargas críticas del borde, reduciendo todos los deterioros Disminuir el espaciamiento entre las juntas Incrementar el espesor de la losa, reduciendo el agrietamiento, y en menor grado el escalonamiento Modelo de deterioro La evolución del IRI a lo largo del periodo de diseño es función del IRI inicial de construcción, y del desarrollo de los otros deterioros: agrietamiento y escalonamiento en el tiempo, así como la incidencia de la capacidad portante y clima. El modelo de deterioro es el siguiente: 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 210 IRI = IRIo + C1 * CRK + C2 * SPALL + C3 * TFAULT + C4* SF Dónde: IRIo = IRI inicial después de construido el pavimento CRK = porcentaje de losas agrietadas SPALL = porcentaje de juntas descascaradas TFAULT = escalonamiento total acumulado por milla, en juntas (pulg.) SF = factor del lugar 9.3.5.11 Consideraciones adicionales MEPDG No existe un diseño único de pavimento de concreto que cumpla ciertas solicitaciones de tránsito y clima. Lo que existen son alternativas que cumplen los requerimientos. En tal sentido, la estructura que finalmente se construya será la elegida por parámetros como la economía, la accesibilidad de recursos de la zona de trabajo, entre otras. A continuación se hará un resumen de los parámetros que más afectan el diseño, acorde con MEPDG 2008: a) Espesor de la losa, crítico desde el punto de vista del diseño y del costo. A medida que el espesor aumenta, el costo aumenta también, pero las tensiones y deflexiones disminuyen, y por lo tanto también lo hacen el agrietamiento y escalonamiento. Sin embargo el efecto de incrementar el espesor es mucho mayor en el control del agrietamiento transversal por fatiga que en el caso del escalonamiento 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 211 b) Ancho de losa, las losas deben coincidir con el ancho del carril, teniendo un ancho de 3.6 metros por lo general. Una buena práctica es colocarle sobreancho de 60 centímetros como mínimo para mejorar el comportamiento del pavimento. El sobreancho controla los efectos del agrietamiento transversal y escalonamiento. Sin embargo el ensanche debe también ser controlado pues al evitar los patrones de deterioro descritos se puede incurrir en agrietamientos longitudinales no contemplados por el MEPDG 2008. c) El concreto, la influencia de la resistencia a flexión Mr en el agrietamiento transversal es importante. Por su parte el coeficiente de expansión térmica tiene fuerte influencia en el alabeo y apertura de juntas, por lo tanto en el escalonamiento. La contracción por secado afecta ambos: agrietamiento y escalonamiento. Pero una solución interviene en varias formas, por ejemplo, al incrementar el MR y controlar el agrietamiento por fatiga, el módulo elástico del concreto también se incrementa y con él las tensiones de flexión, y por lo tanto la reducción del daño por fatiga no es tan significativo como pudo pensarse. Una mayor resistencia por lo general está asociada a una mayor contracción y potencial agrietamiento de arriba hacia abajo. El módulo elástico es clave en el desempeño del concreto como parte de la estructura del pavimento. En general, el módulo elástico del concreto depende del tipo de agregado grueso. Por lo tanto, para una misma resistencia, el concreto que posea el menor móduloelástico tendrá mejor comportamiento ante el agrietamiento, sin embargo al tener menor módulo elástico las deflexiones serán mayores y se favorecerá el escalonamiento. Es necesario tener en cuenta que el mejor mecanismo de control del escalonamiento es el empleo de pasadores. d) Espaciamiento entre las juntas, afecta el agrietamiento transversal y por lo tanto el IRI. Por supuesto también afecta el costo directamente. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 212 En general se recomienda valores entre 3.5 y 4.5 m e) Transferencia de carga en las juntas transversales, es el factor más influyente en el control del escalonamiento, y de la rugosidad. En menor grado afecta el agrietamiento transversal de arriba hacia abajo entre las losas. El diámetro del pasador es una medida directa de control. Diámetros menores de 1 pulgada tienen poco efecto, mientras que a partir de 1.5 pulgadas controlan fuertemente el escalonamiento. f) Base estabilizada, a medida que se cuenta con una base menos erosionable, se reduce el escalonamiento y por lo tanto también se controla mejor el IRI g) Profundidad de aserrado, el mínimo recomendado es ¼ del espesor del pavimento, sin embargo si se emplean bases estabilizadas es preferible aserrar a no menos de 1/3 del espesor de la losa de concreto para garantizar la inducción de las juntas en el lugar apropiado. h) Transferencia de carga en juntas longitudinales, afecta las tensiones de flexión y deflexiones en la losa de concreto afectando el agrietamiento transversal y escalonamiento. Asimismo las barras de amarre (acero corrugado), comúnmente empleadas en este tipo de juntas, garantizan que la junta longitudinal no se separe y que el sello falle, permitiendo la infiltración de agua y el escalonamiento 9.3.6 SIGNIFICADO DE LA IMPLEMENTACIÓN DEL MEPDG 2008 EN EL PERÚ Para lograr implementar el MEPDG exitosamente en el Perú, se recomienda: 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 213 Intervención de un equipo que represente a los stakeholders: PROVIAS NACIONAL, Colegio de ingenieros del Perú, Universidades, Consultores e Industria. Esto es prioritario, para que los resultados de tan importante esfuerzos sean reconocidos. Realizar una base de datos climática para cada región del país. Evaluar los pavimentos asfálticos y rígidos de nuestra red nacional, departamental y vecinal, y sacar correlaciones con respecto a los indicadores límite que plantea el MEPDG. Notar que este trabajo puede servir además para calibrar los modelos de deterioro del HDM4. En la actualidad existe un proyecto para inventariar nuestra red vial, sería bueno utilizar los fondos ya aprobados para realizar dichas evaluaciones. Realizar modelos simplificados y gratuitos que rompan la dependencia del DARWIN ME y haga accesible la metodología de diseño. Realizar una guía de uso de la nueva herramienta Campaña de difusión técnica. Tener en consideración que, el plan de calibración de los modelos MEPDG en Chile tendrá una duración de tres años. 9.3.7 EJERCICIO DE DISEÑO MEPDG 2008 Caso Práctico: EL METROPOLITANO DE LIMA El corredor vial cuenta con una primera línea troncal segregada COSAC I de aproximadamente 27 kilómetros, que recorre la ciudad de sur a norte, conectando 13 distritos de la capital peruana. La construcción del pavimento se inició en el 2007, se concluyó en Marzo 2010 y comenzó operación en el 2011. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 214 Entre las estaciones terminales, de Matellini en el sur y Naranjal en el norte, se encuentran 35 estaciones intermedias de intercambio de pasajeros, con una distancia promedio de 730 metros entre ellas. Adicionalmente, el COSAC I cuenta con una estación central subterránea, que funciona como terminal de media vuelta para el sistema integrado. Ver Figura 6/9.3. El COSAC I es atendido con autobuses articulados de plataforma elevada de 0.90 metros, con una capacidad de 160 pasajero. Respecto a la atención de las rutas alimentadoras, se ha contemplado buses de plataforma baja con capacidades entre 80 y 40 pasajeros. Ambos tipos de buses son alimentados con gas natural. Figura 6/9.3: COSAC I - estaciones 3 Fuente: Protransporte 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 215 El COSAC I es un sistema concebido para atender una alta demanda, que permite un flujo máximo en el tercer tramo, corredor norte, de aproximadamente 30.000 pasajeros/hora/sentido. 9.3.7.1 Diseños empleados mediante AASHTO 93 Para el pavimento que conforma la estructura del COSAC I, se utilizó la metodología de diseño AASHTO 93 debido a que era, y es hasta la actualidad, la guía vigente en el Perú. Datos importantes: El diseño del pavimento se realizó antes del año 2006 La obra inicio construcción en el año 2007, el pavimento se ejecutó entre los años 2008 y el 2009 (2 años). El inicio de operaciones fue en abril 2010 El Metropolitano de Lima cuenta con dos carriles, uno por sentido (norte – sur y sur – norte, respectivamente), con ensanches en las estaciones Los buses que circulan son articulados, con tres ejes simples (7- 12-12 toneladas de peso máximo por eje) Se proyectó un IMDA de 1,600 buses para los dos sentidos, es decir 800 buses día para el carril de diseño El diseño asumió que se trabajarían las 24 horas, con 4 picos de 2 horas de duración. Sin embargo, el COSAC I trabaja actualmente desde las 6:00 am hasta las 11:00 pm, teniéndose 3 picos (mañana – tarde – noche) de 2 horas cada uno. El diseñador asumió que en las horas pico los buses trabajarían con 95% de su capacidad, y que en horas valle lo harían con el 85% (sobre los ejes simples de 7-12-12 toneladas del bus articulado). 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 216 El periodo de diseño es de 20 años. Por la geometría, el pavimento carece de bermas laterales. Sin embargo, el carril exclusivo está confinado por un muro que colinda con las vías abiertas a todo tipo de vehículos. En las estaciones se tiene un ensanche que genera un carril adicional de circulación, unido con barras de amarre al carril de tránsito. Se emplean pasadores en las juntas transversales (1 pulgada de 45 cm @ 30 cm) Se ha optado por colocar como subbase un material granular de 15 cm con un CBR de 100%. La subrasante tiene un CBR de 17%, 30% y 60% según los tramos (Sur – Centro – Norte, respectivamente). En cuanto a la mezcla de concreto utilizada, se empleo un MR = 4.5 Kg/cm2, con agregados de tipo Andesita y cemento tipo I. La napa freática esta por lo menos a 3 metros bajo la superficie. AASHTO 93 Como se ha indicado, el pavimento fue diseñado utilizando la Metodología AASHTO 93. Se adjuntan detalles del diseño de los tramos Norte y Sur de El Metropolitano de Lima Desarrollos con el programa de diseño WinPas bajo la Metodología AASHTO 93. Ver tabla 4/9.3 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 217 Tabla 4/9.3: Parámetros de diseño Fuente: elaboración propia El diseño por AASHTO 93 contempla un pavimento JCPC de una subrasante de CBR 30%, con cortes cada 4.5 m Carpeta de rodadura MR = 45 Kg/cm2 de 31 cm de espesor Subrasante granular de 15 cm 9.3.7.2 Diseños Verificados por MEPDG 2008 Se realiza un diseño alternativo del pavimento del COSAC I con MEPDG, para su posterior comparación con los resultados obtenidos por AASHTO 93, utilizando la data de la base clímática para SanFrancisco como el similar de Lima. Se plantea verificar si el pavimento concreto pudo tener o no una carpeta de 25 centímetros MR = 45 Kg/cm2. Teniendo en cuenta que al final de la construcción el IRI alcanzado no debe ser mayor que 1.5 m/km. Periodo de diseño de 20 años. Ver Figuras 7/9.3 y 8/9.3. Los valores límite de deterioro especificados, después de los 20 años, son: (1) IRI = 3.5 m/km, (2) % de agrietamiento transversal = 15%; (3) escalonamiento 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 218 en la junta = 6 mm; con 90% de confiabilidad para los tres casos. Ver Figura 4/4. Figura 7/9.3: estructura a verificar Fuente: elaboración propia Figura 8/9.3: dimesiones de losas Fuente: elaboración propia 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 219 Como se puede observar en la figura 8/9.3, la metodología MEPDG es la primera en considerar las dimensiones de las losas de manera integral, aspecto fundamental en el comportamiento de los pavimentos de concreto que el método AASHTO 93 toca superficialmente. El espaciamiento entre juntas de contracción transversal considerado es de 13 pies, es decir 4 metros. Además se considera la presencia de pasadores y barras de amarre. En el caso de los pasadores son de 45 centímetros de largo, con un diámetro de 11/4 de pulgada, espaciados cada 30 centímetros. Figura 9/9.3: Valores límite de deterioro MEPDG Fuente: elaboración propia 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 220 Se introduce en el software el espectro de tránsito, en base a las especificaciones de los buses articulados, el 100% aplicado a este tipo de vehículo. Notar que el software no asigna el 100% de vehículos directamente a un solo carril, por eso hay que hacer un artilugio: se duplica el IMDA y se asigna la mitad al carril de diseño. De 1,600 de IMDA se duplica a 3,200 para poder re asignarlo. Ver figura 10/9.3 Figura 10/9.3: artilugio para carriles exclusivos Fuente: elaboración propia Se asignan los pesos de los ejes por tipo de bus, la asignación horaria, y el 100% de los vehículos en la clasificación propuesta por la FHWA (clase 3). Ver figura 11/9.3. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 221 Figura 11/9.3: asignación de la flota vehicular Fuente: elaboración propia Los resultados de la verificación, adoptando los modelos de deterioro propios del software MEPDG se presentan en la tabla 5/9.3. Tabla 5/9.3: Verificación MEPDG Fuente: elaboración propia Como se puede observar, ninguno de los deterioros: IRI, % Agrietamiento y Escalonamiento, se sobrepasan con la estructura planteada, aunque el IRI terminal está cerca del límite. Se pudo haber optado por reducir el espesor un centímetro más por ejemplo. Ver Gráfico 5/9.3. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 222 Gráfico 5/9.3: Límite gobernante MEPDG para el COSAC I Fuente: elaboración propia 9.3.7.3 Conclusiones Se pueden considerar las siguientes conclusiones, del ejercicio realizado: La metodología MEPDG es más coherente de diseño, pero requiere un nivel mayor de detalle. El MEPDG aprovecha las ventajas de los métodos mecanicistas y de los empíricos Algunas diferencias respecto al AASHTO 93: forma en que maneja el nivel de detalle de los datos, la caracterización de los materiales, el nivel de confiabilidad, uno determina, el otro verifica, el tratamiento del tránsito: ESALS vs Espectro Vehicular Se comparan 31 cm VS 25 cm a 20 años, el MEPDG permite la reducción de 6 centímetros 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 223 Existe por lo tanto: 15,000 m3 de concreto premezclado ahorrados (US$ 1.5 MM sólo en material directo) Ahorros en dinero costos de construcción e indirectos Mayor nivel de confiabilidad en el diseño, no sobredimensiona como en el caso de AASHTO 93 para pavimentos rígidos Diseños menos conservadores y más competitivos con nuestra realidad 9.4 Metodología de diseño de Losas Optimizadas “La diferencia entre estupidez y genialidad es que la genialidad tiene sus límites” Albert Einstein, genio mundial, 1879 - 1955 9.4.1 INTRODUCCIÓN Los factores que afectan el comportamiento de los pavimentos de concreto, tal como se ha discutido, están ligados a la geometría de las losas de concreto. Por lo tanto, es coherente pensar que el Método MEPDG 2008, que considera las dimensiones tradicionales de losas por primera vez (3.5 X 4.5m), representa un gran avance en el desarrollo tecnológico de los pavimentos de concreto. Sin embargo, ¿qué sucede con la tecnología de la mezcla de concreto? En realidad continúa representada en gran medida por las características de resistencia a la flexión. Se emplea el Módulo de Rotura (Mr) porque los pavimentos se concibieron desde un principio con dimensiones de losas que trabajen a flexión (3.5 X 4.5m), pero ¿qué ocurre si hacemos que la losa trabaje 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 224 a compresión? Resulta bastante simple: el concreto trabaja con su mayor fortaleza de su lado y se podrían hacer optimizaciones en los espesores. El hacer que losas convencionales 3.5 X 4.5m pasen a ser de 1.75 X 1.75m (o parecidas), implica que una losa convencional sea partida en cuatro partes, y con ello, asegurar que solo una llanta por eje se posicione en la losa optimizada haciéndola trabajar a compresión. El reducir el dimensionamiento de losas trae consigo muchas ventajas, y permite hacer básicamente dos cosas: Manteniendo el comportamiento esperado del pavimento convencional, reducir el espesor de la losa. Manteniendo el espesor de la losa obtenida con métodos convencionales, aumentar significativamente la vida útil del pavimento. El simple hecho de reducir las medidas de las losas trae consigo potenciales problemas: Incremento de cortes en las losas Incremento potencial de pérdida de finos al tener más puntos débiles (escalonamiento y bombeo). Incremento de elementos de transferencia de carga y amarre (pasadores y barras corrugadas). Incrementos que elevan el costo de inversión y que deben considerarse o subsanarse de alguna manera. Este capítulo detalla la forma en que se abordaron éstos problemas, la justificación del marco empírico a mecanicista, reducciones de espesores permitidos y experiencias prácticas existentes en América Latina y el Perú. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 225 9.4.2 ANTECEDENTES El análisis se debe realizar mediante la estimación de esfuerzos y deformaciones máximas admisibles para una estructura de pavimento de concreto propuesta, De esta manera, el análisis se limita a modelar, dentro de algún programa de elementos finitos aplicado para pavimentos, los esfuerzos y deformaciones que el diseñador aceptará después del paso de cargas de tránsito y, pudiendo considerarse, la acción del clima mediante la inclusión de gradientes térmicos y de humedad. En el mercado actualmente existen software gratuitos dentro del marco de elementos finitos como el EverFe, publicado en por el Transportation Research Board (TRB) en el artículo: No. 1629, Design and Rehabilitation of Pavements 1998. El EverFe es capaz de modelar tanto pavimentos convencionales como aquellos con losas optimizadas. Ver figura 1 / 9.4 Figura 1 / 9.4: Entorno EverFe Fuente:elaboración propia 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 226 Por otro lado, existen softwares comerciales mucho más poderosos para el análisis y simulación de pavimentos rígidos con elementos finitos. El más reconocido actualmente quizá sea el ISLAB 2000, empleado en el MEPDG 2008. Desde hace unos años, investigaciones realizadas por el Instituto Chileno del Cemento y Hormigón (ICH), y estudios independientes por parte del Dr. Juan Pablo Covarrubias T, en la Universidad de Illinois, han logrado justificar el empirismo con el que se trabajaron inicialmente soluciones de losas optimizadas en algunos países de Centro América, fortaleciendo la teoría mecanicista para este tipo de innovaciones. El Instituto Boliviano del Cemento y Hormigón (IBCH), emplea la metodología de verificación para verificar técnicamente reducciones en las dimensiones de las losas pero conservando el espesor del concreto, con el propósito de reducir los esfuerzos y alabeos en losas expuestas a climas áridos y de altura: Alto gradiente térmico y de humedad. Práctica que sugiero incorporar para nuestros pavimentos ubicados en zona de sierra. En el 2013, la empresa de capitales chileno TCpavement, lanza esta tecnología a través de su software Optipave (que incluye corridas del ISLAB 200) con la finalidad de obtener, considerando un determinado comportamiento en el tiempo de losas convencionales, reducciones de espesores en losas optimizadas. 9.4.3 MARCO TEÓRICO Dentro de los factores que afectan el comportamiento de los pavimentos de concreto tenemos: 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 227 a) Rigidez de la subbase La losa se alabea y levanta sus bordes perdiendo el apoyo y área de contacto. Si la subbase es demasiado rígida, el bordes tendrán mayor área en voladizo. El paso de los vehículos afecta la losa sin apoyo, generando tensiones que van de arriba abajo. b) Alabeo de construcción Se genera por una fuerza en la parte superior de la losa, originada por el secado del concreto y la pérdida de calor en la superficie de la carpeta de rodadura. El alabeo de construcción es permanente c) Metodología de diseño Dimensionar losas que solo puedan contener un set de ruedas, con la finalidad de que el concreto trabaje a compresión y no a flexión. Calcular las tensiones en lugares críticos generadas en el concreto para condiciones de suelos, tránsito y clima Calcular el número máximo de pasadas, dadas las tensiones máximas generadas. Se puede emplear los modelos de verificación por fatiga de PCA 84 o mejor aún los indicados en MEPDG 2008 Utilizar la ley de Miner para el daño incremental Con las pasadas admisibles por fatiga se calcula el % de losas agrietadas 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 228 El efecto de la erosión de bases se controla: reduciendo las magnitudes de las losas, colocando subbases que no sean proclives a perder finos, y/o la colocación de un aislante. En este caso un geotextil o una carpeta de asfalto, que prácticamente elimina los sellos en las juntas. El efecto del escalonamiento se sustenta en el hecho de que exista una buena trabazón de agregados que elimine la necesidad de colocar pasadores y barras de amarre. Publicaciones de TCpavement indican que el alabeo que produce el escalonamiento es 5 veces menor en losas optimizadas y correlaciona con los resultados de losas convencionales. El efecto del confinamiento lateral se debe lograr por otros medios mecánicos y no con barras de amarre. Figura 2 / 9 Fuente: www.tcpavement 9.4.4 ESTIMACIONES La empresa TCpavement indica los siguientes valores de correlación a través de artículos técnicos: 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 229 Tabla 1 / 9.4: Correlaciones AASHTO 93 vs Losas Optimizadas CBR (%) 20 10 3 Espesor (cm) AASHTO 93 (3.5 X 4.5m) 15 13 11 10 16 13 12 11 18 14 13 12 20 15 14 13 22 16 15 13 24 17 16 14 26 17 18 15 28 18 19 16 30 19 20 17 32 21 22 19 losas Optimizadas (1.75 X 1.75 m) Fuente: TCpavement En otras palabras, si se considera el ejercicio de diseño propuesto por la metodología AASHTO 93, en donde se pueden encontrar espesores de 32 centímetros, utilizando la metodología de losas optimizadas se puede llegar obtener hasta 22 centímetros. Ver tabla 1/9.4 9.4.5 BENEFICIOS Y LIMITACIONES DEL MÉTODO Desde el 2005, en Guatemala se han aceptado empíricamente este tipo de innovaciones. Utilizando la herramienta de evaluación de pavimentos conocida como: Pavement Evaluator, se simulaba cuanto podían reducirse los espesores de los pavimentos con losas optimizadas manteniendo un comportamiento equivalente al de losas convencionales. Existen buenas experiencias, pero finalmente el tiempo es el que indicará un comportamiento real. La eliminación de pasadores y barras de amarre es un hecho aceptado en Chile, básicamente porque allá se presentan suelos con CBR 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 230 bastante buenos y porque sus áridos también lo son, pero ¿es replicable esta condición a todas las demás? La eliminación de los sellos convencionales de las juntas, está ligada a la efectividad de poder colocar subbases limitadas en finos (menos del 6%) y una capa separadora Los beneficios de optimizar las losas son indudables, sin embargo, el hecho de hacerlo, con el único propósito de optimizar espesores y costos de inversión, debe evaluarse. En el caso de la costa peruana, con suelos y áridos similares a los chilenos; con escasas lluvias y gradientes de temperatura y humedad, considero oportuno innovar en este tipo de tecnología. En el caso de la sierra peruana, se justificaría la optimización de las losas para aliviar el alabeo por los altos gradientes térmicos y de humedad, pero no creo prudente reducir los espesores, y mucho menos dejar de sellar las juntas. Se debe evaluar también el tema de la transferencia de carga. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 231 10.- Diseño de juntas en los pavimentos rígidos “Las leyes son como las telarañas, los insectos pequeños quedan prendidas en ellas, los grandes las rompen” Anacarsis, filósofo escita, siglo VII a.c. 10.1 Introducción El diseño de pavimentos, como se ha mencionado anteriormente, es mucho más que el cálculo de espesores que satisfagan algún criterio en particular. Desafortunadamente, algunas veces, los diseñadores pensamos que el cálculo de un espesor adecuado de concreto basta para realizar una especificación, y que el concreto, noble material, resolverá todas nuestras deficiencias. Grave error, teniendo en cuenta que muchos de los esfuerzos y deflexiones que experimentan los pavimentos de concreto requieren un adecuado diseño de juntas, más que incrementar el espesor, para evitar la fisuración del concreto. La junta es un plano que inducirá una falla planificada en la superficie de concreto, que aliviará esfuerzos manteniendo un mecanismo de transmisión de cargas adecuado y que evitará, por sobre todo, la pérdida de finos de las capas inferiores y la consecuente pérdida de capacidad portante. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 232 Figura 1 / 10: Estructura de pavimento rígido JPCP Fuente: ACPA 10.2 Esfuerzos y deformaciones El concreto, como parte estructural de los pavimentos, recibe desde el momento de su colocación una serie de esfuerzosy deflexiones. Las principales causas son: a) Cambio en los gradientes térmicos y de humedad Las superficies expuestas experimentan gradientes de temperatura y humedades bastante importantes, ambos generan esfuerzos adicionales debido al alabeo de las losas en el concreto ya endurecido. b) Esfuerzos debido a los vehículos 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 233 Existen tres maneras de medir los esfuerzos relacionados con el paso de las cargas de tránsito: Teoría de Westergaard, considera la aplicación de una carga producida por una rueda, cuya área de contacto puede tener configuración: circular, semicircular, elíptica y semielíptica. Cartas de influencia, desarrolladas por Picket y Ray, se puede variar la forma del área de contacto. En ambos casos, la teoría de Westergaard y las cartas de influencia, se modela al suelo como una superficie elástica, y a la losa como un elemento muy grande. Método de elementos finitos, basado en un enfoque más razonable. Se consideran el desarrollo de las juntas en el cálculo de los esfuerzos y desplazamientos. Tanto la metodología de diseño PCA 84, el MEPDG 2008 y losas optimizadas 2010, en su parte racional, incorporan el empleo de software de elementos finitos para sus cálculos. c) Esfuerzos debido a la fricción interface losa – capa de apoyo Afectan el concreto, al refuerzo de acero si es que existiese, y a distribución de las barras de amarre en las juntas longitudinales. d) Cambios volumétricos en el concreto Los cambios volumétricos debido a la variación de temperatura y humedad tienen dos importantes efectos. Primero, inducen esfuerzos de tensión que causan agrietamiento y fisuración; segundo, causan la 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 234 apertura de las juntas, decreciendo la eficiencia de la transferencia de carga entre losas adyacentes. 10.3 Las juntas como mecanismos de control El objetivo de las juntas en los pavimentos de concreto es el de controlar la fisuración y agrietamiento que sufre la losa del pavimento, debido a la contracción propia del secado del concreto por pérdida de humedad, así como, por las variaciones de temperatura que sufre la losa al estar expuesta al medioambiente, y el gradiente de temperatura existente desde la superficie hasta la subbase. Las juntas se crean para: Controlar el agrietamiento transversal y longitudinal Dividir el pavimento en secciones adecuadas para el proceso constructivo y acordes con las direcciones de tránsito Permitir el movimiento y alabeo de las losas Proveer la caja para el material de sello Permitir la transferencia de carga entre las losas Los diferentes tipos de juntas pueden agruparse en: Juntas longitudinales Juntas transversales 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 235 Las juntas longitudinales son las que delimitan los carriles que serán por donde transitaran los vehículos. Las juntas transversales están dispuestas en sentido perpendicular a las longitudinales. El tamaño de las losas determina en cierta forma la disposición de las juntas transversales y las juntas longitudinales. La longitud de la losa no debe ser mayor a 1.25 veces el ancho y que no sea mayor a 4.50m, en condiciones ambientales donde no existan altos gradientes térmicos y de humedad. En zonas de climas áridos y de altura, se recomienda que la losas sean lo más cuadradas posibles, y si fuera el caso, realizar la optimización de las losas (1.75 X 1.75m) sin reducir espesor. Una construcción adecuada y oportuna, acompañada de un correcto diseño, son claves para que las juntas tengan un buen desempeño. El sellado de las juntas debe ser eficiente para mantener al sistema en funcionamiento. Para el diseño de juntas se debe tomar en cuenta: Condiciones ambientales, los cambios de temperatura y humedad inducen el movimiento entre las losas, generando concentraciones de esfuerzos y alabeos. Condiciones de subbase, es preferible no tener bases demasiado rígidas. No mayores de 60% CBR. Espesor de la losa, influye en los esfuerzos que generan alabeo y deflexiones. Sistema de transferencia de cargas, es necesaria en toda junta de concreto. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 236 Nivel de tránsito, el tipo y volumen de vehículos pesados influye notablemente en las exigencias de los mecanismos de transferencia de carga a optar. Características de los materiales: los insumos del concreto afectan su resistencia y el dimensionamiento de las juntas. Los insumos determinan el movimiento entre las losas. Se recomienda que la mezcla de concreto tenga el menor contenido de cemento posible, y además, trabajar con agregados de máximo tamaño nominal, superior a 1.5 pulgadas. Materiales sellantes, la longitud de las losas afecta el sellador ha elegir Confinamiento lateral: diseño de la berma, el tipo de berma, la presencia de sobreanchos, afecta el soporte lateral y la capacidad de las juntas para la transferencia de cargas. Debe prepararse un plano de distribución de juntas, identificando las juntas longitudinales, las juntas transversales de contracción y de dilatación (aislamiento); en este plano se identificarán las losas irregulares que requieran refuerzo y/o las losas donde se ubican tapas de buzón o de cajas de paso y que también requieren refuerzo. 10.4 Tipos de juntas 10.4.1 Juntas longitudinales Las juntas longitudinales de contracción, dividen los carriles de tránsito y controlan el agrietamiento y fisuración cuando se construyen en simultáneo dos o más carriles. Se logran mediante el corte a la tercio del espesor de la losa de concreto, con un disco de 3 mm. La transferencia de carga en las juntas longitudinales se logra mediante la trabazón de los agregados, y se 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 237 mantiene con el empleo de barras de amarre, que son de acero y corrugadas. Las junta longitudinal de construcción, se constituyen de acuerdo al encofrado utilizado o a las pasadas de la pavimentadora de encofrado deslizante. La transferencia de carga se puede lograr mediante el empleo de juntas tipo llave o machihembradas y con el empleo de barras de amarre. 10.4.2 Juntas transversales Las juntas transversales de contracción, se construyen transversalmente a la línea central del pavimento y están espaciadas para controlar la fisuración y el agrietamiento provocado por la retracción del concreto, y por los cambios de humedad y temperatura. El espaciamiento recomendado entre juntas no debe exceder los 4.50 metros. Se logran cortando el concreto hasta la tercera parte del espesor de la losa, con un disco de corte de 3 mm, que logra la abertura suficiente para inducir la fisura. La transferencia de carga se puede dar mediante la trabazón de los agregados o mediante el empleo de pasadores. Las juntas transversales de construcción, son las juntas generadas al final de la jornada de trabajo. Estas juntas se deben localizar y construir en el lugar planeado siempre que sea necesario. En estas juntas se requiere el empleo de pasadores para la transmisión de carga. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 238 Las juntas transversales de dilatación, los pavimentos de concreto normalmente no requieren este tipo de juntas. Anteriormente se empleaban este tipo de juntas para reducir los esfuerzos de compresión, sin embargo, esto ocasionaba que las juntas de contracción se abrieran másde lo necesario deteriorando la trabazón de los agregados y por lo tanto afectando la transferencia de carga. El propósito de una junta de dilatación es el de aislar una estructura sobre carril del pavimento. En algunos casos no es recomendable el empleo de pasadores, por ejemplo en intersecciones en que los movimientos de las losas, si están unidad, podrían dañar al concreto adyacente. Por lo general tienen anchos de 18 a 25 mm, en donde se coloca un material compresible que llene el espacio entre las caras de las losas. A todas las juntas de contracción que estén al menos a 30 metros se les deben colocar pasadores para garantizar la transmisión de carga, dado que se ha reducido la eficiencia de la trabazón de agregados por la presencia de la junta de dilatación. Cuando no presentan pasadores, las juntas de dilatación se diseñan con un sobre espesor en los bordes adyacentes. 10.5 Mecanismos de transferencia de carga Es la capacidad que tiene una junta de transferir algo de la carga de un lado de la junta a otro, es decir de un paño al paño adyacente. Un adecuado mecanismo de transferencia se requiere para asegurar un buen desempeño del pavimento dado que disminuye las deflexiones, reduce el escalonamiento, el desportillamiento en las juntas, y las fisuras en las esquinas. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 239 Los mecanismos que contribuyen a la transferencia de cargas entre losas adyacentes son: Trabazón de agregados, es el engranaje mecánico que existe entre los agregados de ambas caras de las losas adyacentes. Depende de la resistencia al corte de las partículas de los agregados, del espaciamiento entre las juntas transversales, del tipo de subbase, y del tránsito. El tamaño de los agregados es crítico para la transferencia de carga. Cuando el tamaño es menor de 25 mm proveen una resistencia marginal. Por lo general el comportamiento de los agregados triturados es mejor que el de los zarandeados. Estudios indican que la trabazón de agregados puede funcionar para pavimentos diseñados con un Número de Repeticiones de EE menores a 4 millones en el periodo de diseño. Pasajuntas, incrementan mecánicamente la transferencia de carga aportada por la trabazón de agregados, es necesaria para pavimentos con un Número de Repeticiones de EE mayores a 4 millones en el periodo de diseño. Son barras de acero lisas (cuyo diámetro aproximado es 1/8 del espesor de la losa), insertadas en la mitad de las juntas con el propósito de transferir cargas sin restringir el movimiento de las losas y permitiendo el alineamiento horizontal y vertical. El empleo de pasadores disminuye las deflexiones y los esfuerzos del concreto, reduciendo el escalonamiento, bombeo y las fallas de esquina. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 240 Tabla 1/10 Diámetros y Longitudes recomendados en pasadores RANGO DE ESPESOR DE LOSA (MM) DIÁMETRO LONGITUD DEL PASAJUNTAS (MM) SEPARACIÓN ENTRE PASADORES (MM) MM PULGADA 150 - 200 25 1” 450 300 200 – 300 32 1 ¼” 450 300 300 – 400 38 1 ½” 500 350 Fuente: elaboración propia Subbases tratadas, reducen la deflexión en las juntas al incrementar la capacidad de soporte del suelo (K equivalente). 10.6 Barras de amarre Son aceros corrugados colocados en la parte central de la junta longitudinal con el propósito de anclar carriles adyacentes, mejorando la trabazón de los agregados y contribuyendo a la integridad del sello empleado. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 241 Tabla 2 / 10 Diámetros y Longitudes recomendados en Barras de Amarre 15 0.80 0.75 0.65 1.20 1.20 1.20 1.2 1.2 1.2 17.5 0.70 0.60 0.55 1.20 1.10 1.00 1.2 1.2 1.2 20 0.60 0.55 0.50 1.05 1.05 0.90 1.2 1.2 1.2 22.5 0.55 0.50 0.45 0.95 0.95 0.80 1.2 1.2 1.2 25 0.45 0.45 0.40 0.85 0.85 0.70 1.2 1.2 1.1 15 1.20 1.10 1.00 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 17.5 1.05 0.95 0.85 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 20 0.90 0.80 0.75 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 22.5 0.80 0.75 0.65 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 25 0.70 0.65 0.60 1.20 1.20 1.10 1.20 1.20 1.20 Espesor de losa (cm) Longitud mm Carril de 3.05 m Carril de 3.35 m Carril de 3.65 m Separacion entre barras mm Barras de Φ 9.5 mm (3/8") Longitud mm Barras de Φ 12.7 mm (1/2") Separacion entre barras mm Carril de 3.05 m Carril de 3.35 m Carril de 3.65 m Barras de Φ 15.9 mm (5/8") Longitud mm Separacion entre barras mm Carril de 3.05 m Carril de 3.35 m Carril de 3.65 m Acero de fy = 1.875 kg/cm2 (40.000 psi) Acero de fy = 2.800 kg/cm2 (60.000 psi) 450 650 600 700 850 1000 Fuente: elaboración propia 10.7 Sellado de las juntas La función principal de sellar las juntas en los pavimentos rígidos es la de minimizar la infiltración de agua y el ingreso de partículas incompresibles dentro de la junta. El ingreso de agua contribuye al deterioro de las capas de soporte, subrasante o subbase, causando la pérdida de apoyo, asentamientos diferenciales y escalonamiento. Se debe a que el agua toma los finos de las capas y los elimina por el fenómeno de bombeo causado por el paso de las cargas de tránsito. La pérdida de finos constituye la erosión de las capas de apoyo, y acelera el deterioro del pavimento. El ingreso de materiales incompresibles restringe el movimiento permitido por las juntas, y además contribuyen al desportillamiento y pueden producir roturas en el concreto. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 242 En la elección de los materiales selladores se debe tener en cuenta el espaciamiento entre juntas, los tipos de juntas, la exposición a medios agresivos. Los movimientos longitudinales (en dirección del carril de tránsito) inducen mayores tensiones y deformaciones en el sellador de las juntas transversales que los de los selladores en las juntas longitudinales. El sellador debe ser capaz de soportar los esfuerzos producidos por los movimientos de las losas adyacentes. Pueden ser líquidos y preformados. Un aspecto importante en el comportamiento de los selladores es la preparación de las cajas de sello. Diseño de las caja de sello para selladores líquidos Es necesario calcular primero el movimiento de las juntas transversales para obtener un diseño adecuado. El movimiento se logra con la siguiente ecuación: ∆L = CL (α∆T + ε) Dónde: ∆L = movimiento de las losas L = longitud de la losa α = Coeficiente de expansión térmica del concreto ∆T = Gradiente térmico (máxima temperatura que alcanza el concreto en su colocación y temperatura más baja del año) ε = Coeficiente de contracción del concreto 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 243 Una vez obtenida el movimiento entre losas (∆L), y eligiendo el ancho de la caja de sello (6mm por ejemplo), podemos elegir el tipo de sellador a utilizar teniendo en consideración el % de elongación que debe cumplir. A continuación se muestra la tabla 3 / 10 referencial con valores de Coeficiente de expansión térmica del concreto dependiendo de la naturaleza de su agregado: Tabla 3 / 10 Valores Referenciales de Coeficiente de Expansión Tipos de Agregados Coeficiente de Expansión Térmica 10^ - 6 / °C Cuarzo 3.7 Arenisca 3.6 Grava 3.3 Granito 2.9 Basalto 2.7 Caliza 2.1 Asimismo se adjunta la tabla 4 / 10 con valores referenciales de Coeficientes de contracción del concreto. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas244 Tabla 4 /10 Valores Referenciales de Coeficiente de Contracción Resistencia a la tracción indirecta, Mpa Coeficiente de Contracción, mm / mm < 2.1 0.0008 2.8 0.0006 3.5 0.00045 4.2 0.0003 > 4.9 0.0002 Factor de forma El factor de forma es la relación entre la profundidad y ancho de un sellador líquido vertido en una junta. El ancho del corte y la profundidad de inserción del cordón de respaldo determinan la forma del sellador. Los distintos selladores líquidos soportan diferentes niveles de deformación que dependen de la elongación propia del sellador y del factor de forma. La mayoría de los selladores líquidos de vertido en caliente puede soportar un 20% de elongación respecto a su ancho final y las siliconas y otros materiales pueden soportar hasta un 100%. Se aconseja dimensionar las cajas de manera que la elongación total no supere el 50%. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 245 Al momento de colocación se debe garantizar que el sellador quede entre 6 y 10 mm por debajo de la superficie del pavimento para evitar su extrusión y posterior desprendimiento producto del paso de los neumáticos. Los cordones de respaldo se comprimen 25% por lo que hay que considerar esto al momento de colocarlos. Diseño de la caja de sello para selladores preformados Al igual que en los líquidos, se debe conocer los rangos de movimiento entre las losas, y la temperatura del pavimento en su colocación. El sello preformado trabaja entre rangos de 20 – 50% de elongación. El ancho de corte se calcula mediante: Sc = (1-Pc) x W Dónde: Sc = ancho de corte en la junta W = ancho de sello sin comprimir Pc = % de compresión del sello en el momento de la instalación (decimal) Pc = C min + ((temp de instalación – temp mínima) / (temp. Máxima – temp. Mínima)) X (Cmax – Cmin) Dónde: Cmin = compresión mínima recomendada del sello (generalmente 0.2) Cmax = compresión máxima recomendada del sello (generalmente 0.5) 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 246 10.8 Detalles típicos de juntas en los pavimentos de concreto 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 247 Sellador Concreto Factor forma = 2 x 2x Factor forma = 1 x x Factor forma = 1/2 2x x Max. elongación = 94% Fibra extrema Max. elongación = 62% Max. elongación = 32% Sellador Cordón de respaldo Ancho Profundidad 6 a 10 mm 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 248 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 249 Ancho Profundidad Ancho Profundidad 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 250 Sellador Cordón de respaldo Ancho Profundidad 6 mm Factor de forma = Ancho Profundidad Tipo de Sellador Factor de forma común Silicón 2 Compresión * *No se basa en el factor de forma D D/3 D/2 Ver detalle de construcción de la junta Barra de amarre corrugada L/2 L/2 D=Espesor de la losa de pavimento 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 251 D/3 6mm 6mm Junta sellada Sello de plástico no adherente de polietileno (9mm de diámetro +- 1.5mm) 3mm 31mm D D/3 D/2 Ver detalle de construcción de la junta Pasajuntas redondo liso 23 cm 23 cm D=Espesor de la losa de pavimento 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 252 D/3 6mm 6mm +- 1.5mm Junta sellada Sello de plástico no adherente de polietileno (9mm de diámetro +- 1.5mm) 3mm 31mm D 2 cm D/2 Ver detalle de construcción de la junta Barra de Amarre Corrugada 45 cm 45 cm D=Espesor de la losa de pavimento Plano de construcción formado por cimbrado 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 253 6mm 6mm +- 1.5mm Junta sellada Sello de plástico no adherente de polietileno (9mm de diámetro +- 1.5mm) 20mm 60mm 30mm Talud 1:4 D 3 cm D/2 Ver detalle de construcción de la junta Pasajuntas, redondo liso 23 cm 23 cm D=Espesor de la losa de pavimento Plano de construcción formado por cimbrado 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 254 D 3 cm D/2 Ver detalle de construcción de la junta Pasajuntas, redondo liso 23 cm 23 cm D=Espesor de la losa de pavimento Plano de construcción formado por cimbrado 6mm 6mm +- 1.5mm Junta sellada Sello de plástico no adherente de polietileno (9mm de diámetro +- 1.5mm) 20mm 30cm B 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 255 B A A Ancho de canastilla menos 30 cm Ancho de canastilla menos (3.5 m) 15 cm15 cm 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 256 extremo sin soldadura 1/8 de claro 46 cm Φ de barra pasajuntas según proyecto ½ del espesor de la losa ANCLAJE Φ5/16” Φ3/16” 1 ½” SOLDADURA DE ARCO 3/3” mínimo 30 cm 30 cm11.4cm 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 257 30 cm 30 cm 11.4cm 15 cm Ancho de la canasta (3.50 m) 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 258 11.- Consideraciones constructivas "Nuestro trabajo debería hacer soñar a la gente” Gianni Versace, diseñador de moda italiano, 1946 – 1997 11.1 Introducción En muchos aspectos, la construcción de un pavimento de concreto, en gran escala, es un trabajo más de control logístico que constructivo. En efecto, una cadena de suministro bien planificada y controlada será la que determine las características de comportamiento funcional y estructural del pavimento. En este capítulo se tratan, mediante el desarrollo de un caso, temas relacionados a la cadena de suministro y construcción de la carpeta de rodadura de los pavimentos rígidos, entendiendo que el proceso de consolidación de la subrasante y subbase es similar al utilizado en los pavimentos flexibles. 11.2 Planificación 11.2.1 Caso: Construcción de un pavimento rígido Diseño Geométrico: Ancho de calzada de 7.20 m, con dos sentidos de circulación. Berma lateral de concreto monolítico de 0.60 m a cada lado. Longitud: 50 kilómetros. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 259 Diseño Estructural: Espesor de 0.22 m, con juntas de contracción cada 4.00 m. Barras pasajuntas: 0.025 m de diámetro, 0.45 m de largo, espaciados cada 0.30 m Barras de amarre: 0.013 m de diámetro, 0.80 m de largo, espaciados cada 0.80 m Diseño de Mezcla Concreto: Mr = 45 centímetros Agregado: huso 467 Aditivos reductores de agua, incorporadores de aire 11.2.2 Programación de Recursos Cronograma de avance estimado 01 pavimentadora de encofrado deslizante, tipo Wirtgen SP 500, puede consolidar 500 metros lineales de carril de pavimento de 7.20 / 2 + 0.60 = 4.20 metros de ancho. (conservador) Para 50 kilómetros = 50,000 metros: 50,000 X 2 (carriles) / 500 metros lineales de avance = 200 días. 200 días / 25 días X mes = 8 meses Opciones: consolidar la carpeta con una pavimentadora: 8 meses, ó utilizar dos pavimentadoras trabajando enparalelo y demorarse 4 meses. Se opta por trabajar con dos pavimentadoras de encofrado deslizante. Pavimentadoras 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 260 Dos pavimentadoras de encofrado deslizante, con insertadores de barras de amarre y pasadores. Cada pavimentadora debe tener adicional un bobcat o retroexcavadora de llantas neumáticas que ayuden al reparto del concreto dejado por el camión volquete. Planta Central de Concreto Se ejecutarán 1,000 metros lineales de 4.20 metros de ancho de carril por día Equivalente a: 1,000 X 4.20 X 0.22 = 924 m3 día (equivalente a 1,000 m2 por día) Rendimiento de la planta central de mezcla de concreto: 1,000 / 10 horas efectivas = 100 m3 / hora. Se elige una planta colocada en el centro de la carretera de 120 m3 / HM exclusiva para el concreto del pavimento Transporte Camiones volquetes de 15 m3 de volumen. Cada uno transportará no más de 9 m3 de concreto debido al peso máximo. Número estimado: entre 15 – 25 camiones mezcladores, dependiendo de la distancia de acarreo. Logística del acero Para el abastecimiento del acero en las pavimentadoras: un camión equipado con brazo grúa. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 261 11.2.3 Programación de Personal Dos pavimentadoras, cada pavimentadora con tres operarios Dos bobcats, cada bobcat con un operario Dos frentes de trabajo paralelos, cada frente de trabajo conformado con máximo con doce obreros: 01 coordinador, 02 apoyan en el reparto de la mezcla de concreto, 02 apoyan en el acabado, 02 texturizado, 01 curado, 02 en el corte del concreto fresco, 02 en el sello posterior. Un camión grúa, el camión grúa tiene un chofer y un ayudante La planta de concreto tiene 04 técnicos: 01 operador de planta, 02 técnicos de laboratorio, 01 operador de cargador frontal Cada camión volquete tiene un operador. 11.3 Proceso Constructivo a) Subrasante y Subbase La subrasante y subbase deben ser trabajadas, perfiladas y compactadas con la energía suficiente y la humedad óptima necesaria para cumplir con las especificaciones. b) Producción del concreto Dependiendo del programa de avance dispuesto en el proceso de planificación, se debe escoger la capacidad de planta de concreto necesaria para la tarea. Hay que tener en cuenta que, para avances menores a 200 metros lineales de carril de pavimento por jornada, se recomienda utilizar una regla vibratoria con encofrados fijos en lugar de una pavimentadora de alto rendimiento. En este caso, la planta de concreto podrá ser dosificadora y el transporte camión mezclador. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 262 Por otro lado, para avances mayores a 200 metros lineales de carril de pavimento por jornada, se recomienda emplear tecnología de alto rendimiento, es decir, pavimentadoras de encofrado deslizante para la consolidación de la carpeta de rodadura. c) Transporte de Concreto Dependiendo del avance de obra requerido, el concreto premezclado se puede transportar a pie de la pavimentadora de encofrado deslizante mediante: volquetes o camiones mezcladores convencionales. Si se emplean camiones volquetes, el rendimiento es mayor, pues la descarga de material es bastante más rápida que con camiones mezcladores. Para conservar el nivel máximo tolerable en la altura de concreto a entregar, se requiere adicionalmente de algún repartidor de mezcla: especialmente creado para ello, o una retroexcavadora con llantas neumáticas, o un bobcat. Notar que el revenimiento de la mezcla no será mayor a 1 pulgada. Si se emplean camiones mezcladores, el rendimiento baja notablemente, pues se requieren minutos adicionales en la descarga de la mezcla. Notar que el concreto debe tener entre 3 y 2 pulgadas para poder bajar por las paletas del mezclador, y aún así la mezcla también de reposar sobre la subbase para reducir el revenimiento y que las juntas longitudinales no tengan problemas. Trabajar con camiones mezcladores puede ser útil para proyectos urbanos con rendimientos bajos. d) Consolidación de la carpeta de rodadura con pavimentadora de encofrado deslizante. Hay que tener en cuenta que se necesitarán encofrados y equipos manuales, básicamente vibradores de inmersión, para consolidar toda junta de construcción planificada. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 263 Tareas previas - Delimitación de la zona de trabajo, y lugares por donde se cortará el pavimento. - Colocación de las líneas guía de la pavimentadora, recordar que las pavimentadoras de encofrado deslizante trabajan a nivel de piso terminado, por lo que una incorrecta instalación de la línea guía puede implicar un aumento o decremento del espesor de la carpeta de concreto. - Logística del acero, colocar previamente el stock de barras pasajuntas y barras de amarre en la zona del proyecto. Si se trabaja sin insertador de barras pasajuntas (DBI), se debe trabajar con canastillas. Si se puede contar con DBI como aditamento a la pavimentadora, se debe cuidar el abastecimiento de las barras de acero a la máquina. Consolidación - La mezcla de concreto se descarga en la parte frontal de la pavimentadora. - El volumen de concreto debe ser repartido para que no exceda los límites que la pavimentadora pueda consolidar sin afectar la geometría del pavimento. - El reparto del concreto en el equipo también lo realiza la pavimentadora, mediante tornillos sin fin, o mediante paletas. - El concreto es sometido a vibración para poder darle consistencia y permitir una máxima compactación de la mezcla. - Para espesores de carpeta inferiores a 40 centímetros, el número de vibradores depende del ancho de la 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 264 pavimentadora programada. Es así que, los vibradores se colocan espaciados cada 50 centímetros y que para anchos de 8 metros, podemos encontrar entre 15 y 20 vibradores. - Después de los vibradores, la mezcla de concreto pasa por la caja de la pavimentadora, que es un equipo extrusor de la mezcla. El exceso es retirado mediante una barra osciladora. - Las juntas longitudinales de construcción deben ser perpendiculares, la calidad de los bordes depende en gran medida de la consistencia de la mezcla de concreto. Tareas de acabado - La macrotextura se realiza sobre la superficie de concreto mediante herramientas mecánicas. - El rayado de la superficie puede ser transversal o longitudinal, se realiza con cepillos de cerdas metálicas o plásticas, que forman ranuras de 6 mm de ancho y 3 mm de profundidad, espaciadas entre 20 y 25 mm. - La preferencia entre el rayado transversal o longitudinal varía según la cultura. Países que tienen lluvias pueden preferir el rayado transversal porque este favorece la evacuación del agua superficial y reduce el fenómeno de hidroplaneo. Países con normativas acústicas severas, tienden a preferir el rayado longitudinal. Curado del concreto - Después del rayado de la superficie de concreto, debe aplicarse el curador. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 265 - El curado, evita la pérdida de agua de la superficie de la carpeta de rodadura debido a agentes como el sol y el viento. - Se recomienda utilizar curador químico. Ante climas adversos puede que esto no sea suficiente, y se requieran mayores protecciones. - La aplicación del curador químico se debe realizar tanto en la superficie como en las caras laterales expuestas de la carpeta derodadura, utilizando para ellos medios mecánicos como mochilas aplicadoras manuales o más sofisticados, como trenes de texturizado y curado que van avanzando inmediatamente después de la pavimentadora. - Cuando el pavimento este sometido a condiciones severas, se debe aplicar al menos dos capas de curador químico. Si por circunstancias excepcionales, como un viento fuerte, baja humedad o radiación solar extrema, se debe aplicar protección complementaria como: rociado de agua, arpilleras mojadas. - El periodo de protección del curador químico debe ser de al menos tres días, y no deben circular vehículos que puedan levantar la capa protectora. Corte del Concreto - El corte de las juntas transversales es la mejor manera para generar juntas transversales. Dos cortes son los que se aplican. - El primer corte, produce el plano de falla y se realiza a un tercio del espesor de la losa. (3mm) - El patrón de corte debe ser de 1 junta transversal cada 16 metros como mínimo en el caso de subbases 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 266 granulares. Para bases estabilizadas el corte debe ser sucesivo. - El segundo corte le brinda a la junta el factor de forma necesario para la aplicación del material sellador elegido. (6mm). Se puede dar a los 7 días. Sellado de Juntas - Con el factor de forma creado, se procede a la aplicación del sellador. - Si se realiza con selladores líquidos, después del limpiado, se procede a instalar el cordón de respaldo y después se aplica el sellador de abajo hacia arriba. - El sellado con preformados se realiza untando al sello el material lubricante y adherente antes de introducirlo en la junta. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 267 12.- Políticas de conservación para pavimentos rígidos “Las leyes son como las telarañas, los insectos pequeños quedan prendidas en ellas, los grandes las rompen” Anacarsis, filósofo escita, siglo VII a.c. 12.1 INTRODUCCIÓN El comportamiento de los pavimentos rígidos depende, además de haber sido diseñados y construidos correctamente, de la aplicación oportuna de políticas de mantenimiento. Si bien es cierto, en nuestro medio se asume que los pavimentos de concreto hidráulico tienen un buen desempeño en el tiempo, se tiene la mala práctica de no mantenerlos. Sin embargo debe recordarse que: Los pavimentos de concreto no son eternos. Los pavimentos rígidos se deterioran debido a las cargas de tránsito que circulan sobre su estructura y/o por la acción de los agentes naturales. Dependiendo de sus condiciones técnicas iniciales, los pavimentos pueden presentar daños en mayor o menor intervalo de tiempo. Deben ser diseñados, construidos y mantenidos con la finalidad de lograr un comportamiento funcional y estructural óptimo durante su ciclo de vida. • Comportamiento Funcional: son los aspectos que afectan la calidad de la carpeta de rodadura y por ello están relacionados con la comodidad y seguridad de los usuarios de la vía. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 268 • Comportamiento Estructural: aspectos relacionados a la integridad como estructura del pavimento. Es la capacidad del pavimento para soportar la acción combinada del tránsito y el medioambiente. Existen actividades de conservación preventiva y correctiva, que se deben asumir desde el momento mismo de la concepción del pavimento. El mantenimiento preventivo es una estrategia planificada de actividades efectivas en una vía existente, buscando retrasar los deterioros y manteniendo o mejorando su comportamiento funcional. El propósito de este tipo de mantenimiento es el de proteger a la estructura del pavimento, detener la tasa de deterioro y/o corregir las deficiencias de la superficie. Se debe poner énfasis en el ciclo de vida y debe darse una alta prioridad a los pavimentos recientemente construidos. Implementar una política de conservación para realizar actividades preventivas es un arte, debido a que la mayoría de estos terminan siendo actividades correctivas en naturaleza y por eso son usados para remediar efectos observados. De tal manera, que el propio tiempo para su aplicación es función del monitoreo de las condiciones del pavimento y la selección del tratamiento elegido. Sin embargo, existen herramientas que pueden ser de gran ayuda: (1) se puede plantear una política de conservación de acuerdo a la experiencia del comportamiento de los pavimentos, o (2) mediante los modelos de deterioro del HDM4 versión 2.08. En todo caso, se tienen las siguientes políticas de mantenimiento en los pavimentos rígidos: Reparación y resellado de juntas, su intervención depende del tipo de sello y de las condiciones climáticas. Usualmente se realizan cada 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 269 seis (6) años, para prevenir el ingreso de agua y elementos incompresibles. Reparaciones de espesor parcial y total en las losas de concreto, su intervención depende del grado de aceptación o nivel de deterioro aceptado por el entidad administradora (área dañada). Su intervención devuelve el comportamiento estructural satisfactorio al pavimento. Cepillado de la superficie de concreto, su intervención mejora el escalonamiento de juntas y el IRI. El mantenimiento preventivo y correctivo: existe un período temprano en la vida del pavimento donde éste se encuentra en buenas condiciones y las tareas del mantenimiento preventivo son apropiadas. Sin embargo, al final de la vida útil del pavimento los signos de deterioro funcional y estructural son tan variados que cualquier estrategia correctiva ya no resulta rentable desde el punto de vista económico, y es mejor efectuar una reconstrucción a gran escala o pavimento nuevo. 12.2 ACTIVIDADES DE MANTENIMIENTO a) RESELLADO DE JUNTAS El sellado de juntas sirve para reducir la infiltración de agua dentro de la estructura, para evitar que dañe la capacidad soporte de las capas granulares intermedias; y para prevenir la intrusión de materiales incompresibles que podrían relacionarse con desportillamiento de la junta. Los tipos de sellantes se clasifican como: 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 270 Materiales asfálticos aplicados en caliente (asfalto con o sin polímeros) Materiales de curado químico (silicona, poliuretano, y otros) Materiales preformados (estireno, neopreno, y otros) Objetivo Evitar el ingreso de agua por las juntas, que pueda contribuir en el bombeo de finos, pérdida de soporte de las capas granulares, escalonamiento y rotura de borde o esquina. Además, materiales incompresibles se pueden ingresar en juntas o fisuras, interfiriendo con los movimientos de apertura y cierre entre losas, ocasionando tensiones de compresión e incrementando el desportillamiento potencial. Consideraciones de diseño Los factores que influyen en el sellado de juntas son: Las dimensiones del reservorio de sello y Las propiedades del mismo. Es necesario calcular las dimensiones del factor de forma del reservorio en base a la apertura de la junta, que depende, entre otros factores, del cambio de temperatura, del espaciamiento entre juntas de contracción transversal entre losas adyacentes y del tipo de subbase que se emplee. Se deben consultar manuales de diseño de juntas y seguir las recomendaciones de los fabricantes de sellos. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 271 Consideracionesconstructivas - Seleccionar el tipo de sello a utilizar: clima y elongación. - El sello deteriorado debe ser removido, sin dañar la junta. Se recomienda el empleo de algún dispositivo metálico o por medio de una cortadora de disco diamantado. - Se deben preparar las caras laterales de la junta, para que sean capaces de recibir al nuevo sello y para establecer un reservorio de dimensiones adecuadas de acuerdo al factor de forma considerado. En caso de utilizar la cortadora con disco diamantado, se recomienda que ésta trabaje con refrigeración de agua. - Realizar la limpieza de las juntas. Juntas mal limpiadas o sucias pueden reducir el desempeño del nuevo sello. Inmediatamente después de la intervención de la cortadora de disco diamantado, la junta debe limpiarse con aire a presión o agua, y el arenado correspondiente a lo largo de toda la junta. Se deben eliminar los restos de arena por medio de una compresora de aire. - Se debe instalar el cordón de respaldo para evitar que materiales extraños entren en la junta a sellarse, debe ser el aprobado por el fabricante y debe tener unas dimensiones tales que sobrepase al ancho de la junta hasta un 25% más en su diámetro. - Se procede al colocado del sello tan pronto como se haya instalado el cordón de respaldo, para evitar problemas de condensación en dicho cordón. - Según los tipos de sellador: Los materiales de asfalto en caliente deben colocarse cuando la temperatura ambiente sea mayor a 8° C. El material debe colocarse de uniformemente, llenándose el reservorio desde la 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 272 parte inferior hacia arriba y evitando que burbujas de aire queden atrapadas. Se recomienda que el sellante quede entre 3 y 6 mm por debajo de la superficie de la cota superior de la losa de concreto, para permitir la expansión de la junta durante el verano. En ningún caso debe abrirse al tránsito en mínimo una hora. Los materiales de curado químico, como las siliconas, deben ser colocados a temperaturas ambientes mayores a los 4° C. De la misma forma que el asfalto en caliente, deben colocarse de manera uniforme desde la parte inferior hacia arriba de la junta. No se recomienda su colocación en espesores menores a los 6 mm. Se recomienda el uso de siliconas auto nivelantes que no necesitan herramientas adicionales para su colocado. Dependiendo de la pendiente de la carretera o del peralte en curva (superiores al 4%), se hace necesario el uso de siliconas no autonivelantes. Los materiales preformados, como sellos de neopreno, deben tener una preparación más minuciosa en lo referente a las caras laterales de las juntas. Debe tenerse mucho cuidado con los desportillamientos y que las caras laterales sean perpendiculares a la superficie de la losa. Este tipo de sellos trabajan a compresión con valores que oscilan entre un 20 y 50% de su ancho no comprimido, por lo tanto, es importante consultar con el proveedor para anchos apropiados según el caso considerado. Se requiere de un adhesivo epóxico previo a la instalación del sello, el que debe insertarse luego verticalmente hasta una profundidad de 6 mm debajo de la superficie del pavimento. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 273 3.1.4 Caso especial: resellado de juntas longitudinales Dos tipos de resellado se consideran en juntas longitudinales: (1) aquellas entre dos carriles adyacentes y (2) el pavimento propiamente dicho con la berma lateral. Debido al movimiento limitado que se produce en este tipo de juntas no es necesario en el resellado formar el reservorio. - Resellado entre carriles adyacentes. Como esta junta generalmente está atada por medio de barras de acero corrugadas, los movimientos no son excesivos: el sellado convencional puede ser aplicado. - Resellado entre carril con berma de asfalto. La junta longitudinal entre un carril de concreto y la berma de asfalto es un proceso muy delicado en el resellado. Las diferencias en las propiedades térmicas de cada material y la diferencia en las secciones estructurales generalmente resultan en movimientos verticales diferenciales altos. Movimientos horizontales significativos o separación, también acompañan al vertical. Debido a que el agua puede infiltrarse a través de este tipo de junta, el resellado es indispensable para minimizar este efecto. Para bermas de tratamiento superficial es indispensable considerar en el mantenimiento una cantidad importante de asfalto líquido en caliente a ser colocado en esta junta que se va abriendo con el pavimento rígido. 3.2. REPARACIONES DE ESPESOR PARCIAL Las reparaciones de espesor parcial en losas de concreto, restauran la integridad del pavimento, mejorando la calidad de rodadura y extendiendo la vida de servicio. Cuando son bien ejecutadas, con materiales durables y buenas prácticas constructivas, se hace una buena combinación con 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 274 programas de resellado de juntas programadas, estas reparaciones pueden desempeñarse adecuadamente por muchos años. La reparación parcial de losas es una alternativa económica a la reparación de espesor total cuando: El deterioro de la losa está localizada en el tercio superior del espesor. Las barras pasajuntas de transferencia están todavía funcionamiento bien. 3.2.1 Objetivo Consiste en remover un área pequeña de la losa del pavimento rígido y reemplazarla por un material de reparación adecuado. Este material debe ser compatible en resistencia y volumen con el concreto de la losa a reemplazar. Es necesario que exista una adherencia completa y pase a formar parte del pavimento. La necesidad de la reparación del espesor total debe ser evaluada junto con el resellado de juntas. 3.2.2 Consideraciones constructivas Los pasos para la materialización de este tipo de reparación consiste en tres partes: cortado parcial del espesor de losa en el sector previamente definido, remoción del material y vertido del material de reparación previo colocado de un epóxico de vinculación. a) Trazado de las reparaciones 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 275 Se recomienda realizar previamente la extracción de núcleos en los sectores predestinados a repararse, para conocer con precisión si el deterioro no pasa del tercio superior de la losa. Si varios desportillamientos se presentan a lo largo de las juntas es preferible reparar el conjunto que hacerlo por pedazos. b) Selección de las dimensiones de la reparación A edades tempranas, se debe detectar los lugares más débiles de la losa y que a simple vista no tienen signos visibles en la superficie. Empíricamente se puede utilizar una barra metálica para golpearla contra la superficie de concreto. Si el sonido es apagado es posible que se tengan sectores débiles. El área marcada debe extenderse entre 5 y 15 cm fuera del deterioro. La dimensión mínima de reparación debe ser de 25 cm de largo y 10 cm de ancho. El espesor no debe sobrepasar el tercio superior de la losa y por lo menos debe ser 5 cm en profundidad para que el material de reparación pueda adherirse. c) Proceso de cortado y parchado. Se utiliza un disco de corte para delimitar los bordes de la reparación. La profundidad del corte debe ser de 5 cm como mínimo y los cortes deben dejar caras verticales y perpendiculares a la superficie del pavimento. Después de cortado, el concreto debe removerse con un martillo percutor liviano (8 kilos). La remoción se debe realizar empezando por la parte central y luego hacia los bordes. Deben tomarse precaucionespara evitar la fractura del concreto por debajo de la reparación. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 276 d) Limpieza del área de reparación El área a repararse debe ser limpiada para proveer una superficie libre de partículas e irregular, con la finalidad de favorecer la adherencia del material de reparación. Se recomienda un arenado para sacar las partes de concreto y luego aire comprimido para remover todo el polvo y dejar el sector libre de impurezas. También se puede usar agua a alta presión para dejar bien lavado el sector a ser reparado. e) Preparación de la junta Para que las fuerzas de compresión creadas en las juntas, cuando las losas se dilaten, no afecten la reparación de espesor parcial, es necesario tomar precauciones: en el sector donde se formará la junta se debe colocar un poliestireno, cuyo objetivo es el de evitar que ingrese concreto fresco en el lugar dónde se colocará el sellante. Extendiéndose este material hasta 2.5 cm fuera del área a repararse. f) Aplicación del epóxico Después de limpiada, y antes de que se coloque la nueva mezcla de concreto, debe colocarse un agente de adherencia (epóxico) que permita la perfecta unión entre el concreto viejo y el recién colocado. Se recomienda revisar las especificaciones del fabricante para conocer el tiempo de aplicación antes del colocado del material de reparación. g) Mezclado del material de reparación El volumen del material requerido es pequeño, entre 0.02 y 0.06 m3 de concreto, por lo que la mezcla se realiza en trompos mezcladores. Deben 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 277 realizarse observaciones cuidadosas de los tiempos de mezclado y el contenido de agua debido a las características propias de fraguado rápido. h) Colocado y consolidado del material de reparación El concreto de cemento Portland, y la mayoría de los materiales de reparación de fraguado rápido, no deben ser colocados cuando la temperatura ambiente esté por debajo de los 4°C, debido a que requieren consolidarse. Una mala consolidación puede incidir en reparaciones de poca durabilidad, desportillamientos tempranos y rápido deterioro. Para una buena consolidación, se requiere del uso de vibradores de inmersión con cabezales pequeños (menores a 2.5 cm de diámetro) y planchas manuales metálicas para el alisado final. Se empieza llenando el área y calculando la cantidad de material que se reducirá por el efecto de consolidación. Una adecuada consolidación se alcanza cuando la mezcla ha sido vibrada, el aire atrapado ha emergido y una capa suave de mortero aparece en la superficie. El acabado final se realiza por medio de herramientas manuales. i) Alisado y terminado La reparación de espesor parcial tiene dimensiones pequeñas, por lo que una herramienta metálica es suficiente para realizar el alisado y acabado. El material de reparación debe ser alisado desde el centro del área de reparación hacia los bordes para establecer un buen contacto con el material de adherencia. Se requieren por lo menos dos pasadas, para asegurar una superficie suave y de adecuada transferencia con la losa. Generalmente, estas reparaciones cubren una pequeña porción de todo el pavimento y tienen poco efecto en la resistencia al deslizamiento. De todas 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 278 maneras, la superficie de la reparación debe ser texturizada de acuerdo a las características de las losas vecinas. j) Curado Este tipo de reparaciones tienen una superficie larga en comparación con el volumen vaciado, aspecto que puede incidir con la pérdida rápida del agua necesaria para el fraguado del concreto. Este aspecto puede incidir en la presencia de fisuras por retracción que incidan en que la reparación falle prematuramente. El método más efectivo de curado en clima cálido es la aplicación de una membrana química tan pronto el agua superficial haya desaparecido. También se puede usar una tela húmeda e incluso plástica para los mismos fines. En clima frío, se pueden colocar mantas arpilleras combinadas con plásticos para evitar que la baja temperatura afecte a la ganancia de resistencia del concreto. k) Sellado de juntas El paso final de la reparación parcial consiste de reponer el sello de juntas adyacentes (de existir). Se pasa la cortadora por el lugar dejado por el poliestireno, de acuerdo al factor de forma considerado, y luego se aplica un chorro de arena y aire a compresión para su limpieza. Se inserta la tira de respaldo y luego se aplica el sellante. l) Apertura al tránsito Es importante que la reparación parcial alcance suficiente resistencia antes de la apertura al tránsito. Generalmente se requiere una resistencia a compresión mínima de 210 Kg/cm2. De todas maneras, para minimizar el cierre prolongado de carriles por este tipo de reparación, la apertura al 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 279 tránsito se puede adelantar si se demuestra que tiene suficiente resistencia para soportar las cargas de los vehículos sin que se comprometa la integridad estructural del conjunto. 3.3 REPARACIÓN DE ESPESOR TOTAL La reparación de espesor total de losas deterioradas, es una manera efectiva de restituir la circulación e integración estructural para extender la vida útil del pavimento. Incluye: fisuras transversales, roturas de esquina, fisuras longitudinales, juntas deterioradas, levantamientos, escalonamientos, entre otros. No es recomendable aplicar reparaciones de espesor total con mezclas asfálticas, porque este tipo de parches permiten movimientos horizontales excesivos de las losas y no proveen transferencia a lo largo de las juntas. 3.3.1 Propósito y aplicación Se emplea para restablecer las características estructurales del pavimento rígido y para prevenir mayores áreas deterioradas. Con la materialización de este tipo de reparación, se debe remover toda el área dañada, de tal modo de reponer ésta en las mejores condiciones comparables con un pavimento nuevo. 3.3.2 Consideraciones constructivas a) Trazado de las reparaciones 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 280 Una vez determinada la zona a repararse, deben definirse los límites de cada sector considerado. Para conocer hasta dónde llega el deterioro se requiere la extracción de núcleos de concreto y estudios de deflexión. Se recomiendan las siguientes dimensiones mínimas: Si se emplean barras de transferencia, se recomienda una mínima longitud de 1.50 m a lo largo para el ancho completo del carril considerado. Si no se emplean barras de transferencia entre losas adyacentes: (1) para pavimentos de bajo volumen de tránsito se aplica el mismo valor; (2) pero para pavimentos de alto volumen de tránsito, la mínima longitud debe estar entre 2.4 y 3.0 m para todo el ancho de carril. Adicionalmente, se requiere el criterio del Ingeniero para seleccionar los límites hasta dónde intervenir: Reparaciones largas tienen la tendencia a partirse en la parte central. Para valores mayores a 3.0 m se recomienda colocar refuerzo estructural (6 c/20 en dos direcciones y a 5.0 cm de la superficie de la losa) Los límites de la reparación no deben estar cerca de juntas transversales, de lo contrario la losa vecina se puede deteriorar. La distancia mínima es de 1.50 m Un trazado que caiga sobre una junta transversal existente debe extenderse 0.30 m para incluir a esa junta. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas281 Para materializar la transferencia de carga se consideran dos casos: con barras pasajuntas, que permiten el libre movimiento; y con barras de amarre, que ligan una parte de la losa y la otra anclándose en el concreto. Se colocan al menos 4 barras por huella para una buena transferencia. El diámetro recomendado debe ser 25 mm o superior. La separación de cada barra es de 30 cm. b) Corte del concreto El corte del concreto se realiza por medio de cortadoras de discos diamantados que deben tener la capacidad de hacerlo con el espesor completo de la losa, tomando previsiones que no dañen a la sub-base. Cuando el área comprendida tome en cuenta una junta transversal, y para no dañar las barras pasajuntas, se hace el corte a 25 cm del borde y el concreto faltante se retira por medios manuales. De la misma forma, deben tomarse previsiones con el área comprendida hacia la junta longitudinal, de tal manera de no afectar las barras de amarre. c) Remoción del concreto El área comprendida entre los límites que entran hasta el espesor total de la losa se retira, anclando la losa y levantándola con una pala cargadora. Los bordes sobrantes de concreto hacia la junta transversal o longitudinal, según el caso, se retiran a manualmente. d) Preparación del área de reparación 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 282 Los materiales de sub-base y subrasante que han sido removidos deben ser repuestos a sus condiciones iniciales de densidad y compactación. En su caso puede utilizarse suelo-cemento u concreto pobre para una rápida reposición. Si en la zona existe excesiva humedad, el área a repararse debe ser secada antes del colocado del material de reparación. Es dificultoso en pequeñas áreas, compactar materiales granulares a las mismas tasas originales por las dificultades de espacio, por tanto, la alternativa de suelo- cemento o concreto pobre debe considerarse. e) Provisión de la transferencia de carga Las barras pasajuntas deben ser colocadas en el concreto existente, perforando orificios de diámetro suficiente para permitir la vinculación con la lechada de cemento o material epóxico. Para el primer caso, se recomienda calcular el diámetro de la perforación con 6 mm adicionales al diámetro de la barra a alojarse; y para el segundo caso, 2 mm adicionales. Antes de la aplicación de la lechada de cemento o el material epóxico, debe limpiarse el orificio con aire a presión o, de ser el caso, lavándolo, de tal manera de garantizar la buena adherencia con la barra de acero. Adicionalmente, para garantizar el buen desempeño de estas barras, se recomienda realizar el cálculo de la cantidad debida de lechada o epóxico que debe introducirse dentro del orificio, de tal manera que luego de introducida la barra, ésta quede debidamente rodeada del material de fijación. Para evitar la salida del material es importante colocar un anillo plástico en el borde. f) Colocado y terminado del concreto 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 283 El aspecto más crítico de este tipo de reparaciones es el colocado y terminado de la superficie repuesta y su vinculación con el pavimento existente, de tal manera que no se afecte la suavidad de conducción y la transición entre un sector y el otro se realice de la mejor manera posible. Especial atención debe darse con el concreto que debe ser vibrado hacia los bordes y esquinas. Los mejores resultados se alcanzan con la utilización de reglas vibratorias. La adición de agua en el mixer para mejorar la trabajabilidad del concreto debe ser evitada, porque esto disminuye la resistencia del concreto colocado. El texturizado del nuevo sector en reparación debe coincidir con el del pavimento reparado. De ser posible debe cepillarse con equipos menores. g) Curado Tan pronto como se ha terminado el vaciado del concreto, este debe ser cubierto con una membrana de curado, manta húmeda o lámina de plástico para prevenir la pérdida de humedad necesaria para la ganancia de resistencia. En general, la membrana de curado químico da excelentes resultados. Se recomienda seguir lo indicado sobre este mismo tema en reparación parcial de la losa. h) Sellado de juntas Las juntas transversales y longitudinales deben ser cortadas o formadas y luego selladas tan pronto como sea posible después del colocado del concreto nuevo. Esto reducirá el desportillamiento por el contacto punto a punto entre el concreto nuevo y el existente, y además evitará la infiltración de agua o cuerpos extraños. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 284 3.4 CEPILLADO DE LA SUPERFICIE DE CONCRETO El cepillado, como actividad de mantenimiento correctivo, se usa para reperfilar pavimentos de concreto que hayan desarrollado cualquiera de los siguientes deterioros: Escalonamiento o alabeo de losas. Pendiente inadecuada para el drenaje. Superficie demasiado desgastada. Incremento excesivo de la Rugosidad (IRI). Deformaciones superficiales causadas por neumáticos con clavos y/o cadenas (caso de pavimentos expuestos a heladas). El aumento sostenido en la cantidad de camiones y los mayores pesos por eje, si los comparamos por los contemplados por los diseñadores, ha ocasionado juntas escalonadas, en especial en pavimentos de concreto sin barras pasajuntas. El escalonamiento de juntas se ve favorecido: espaciamientos demasiado grandes entre juntas transversales (más de 4.5 metros en climas donde no exista gradientes exagerados de temperatura y humedad), debido a la presencia de suelos con mal drenaje, la acumulación de agua en la superficie del pavimento, y el empleo de materiales de base erosionables. Estos factores no siempre fueron adecuadamente considerados cuando se colocó el pavimento original y, por lo tanto, contribuyeron al bombeo y a la creación de vacíos. El escalonamiento de juntas es el motivo más importante para aplicar el cepillado. Además mejora el confort, reduciendo el IRI; y mejora las condiciones de seguridad, incrementar la fricción neumático – superficie de rodadura. El cepillado se combina, por lo menos, con uno de las otras actividades de conservación descritas previamente. Por lo general, el procedimiento previo 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 285 (colocación de pasajuntas, restauración de losas) restaura los problemas estructurales del pavimento, y el cepillado corrige variaciones en el comportamiento funcional del mismo. Sin embargo, si la información de deterioro indica solamente problemas de falta de adherencia, o de un incremento excesivo de la rugosidad (IRI), el cepillado es efectivo aun cuando se use sólo. Por lo tanto, las reparaciones estructurales tales como: estabilización de losas, reparaciones de profundidad total y parcial y la restauración de la transferencia de carga deben ser previas al cepillado. A continuación del cepillado se vuelven a sellar las juntas. 3.4 .1 Indicadores para realizar el cepillado Los indicadores utilizados por la entidad administradora para considerar el uso del cepillado para la restauración de la capacidad de rodaje del pavimento son dos: Índice de Serviciabilidad: Empleando la metodología AASHTO 93, el valor usado normalmente para diseño como So = 4,5. La American Concrete Pavement Association (ACPA) y la International Grooving and Grinding Association recomiendan un PSI de alerta de entre 3,8 y 4,0. La cantidad de reestructuración vía cepillado será menor, más manejable y menos costoso que si se aplica a un índice de serviciabilidad más bajo. La extensión de la vida útilcomo resultado del cepillado y la RPH también será significativa mente mayor. Índice de Escalonamiento: El índice de escalonamiento proporciona un excelente valor de alerta para iniciar el cepillado, Probablemente, la aplicación más común del cepillado es el 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 286 alisamiento de las juntas escalonadas. La incomodidad en los vehículos se produce cuando el escalonamiento se aproxima a 6 mm. Por lo tanto, la entidad administradora de redes debería efectuar los contratos para el cepillado antes que el máximo escalonamiento en cualquier junta exceda los 6 mm. El índice de escalonamiento representa la suma de 5 lecturas de escalonamiento (de 5 losas equidistantes, de un total de 40 losas), expresada en 32avos de pulgada. Por ejemplo, un escalonamiento promedio de 3/32 de pulgada (2.4 mm), representa un índice de escalonamiento igual a 15. Cuando el escalonamiento promedio medido sobrepasa los 4.5 mm ya debe considerarse la intervención del cepillado, siempre evitando que llegue a los 6.0 mm. Ver tablas 1 y 2. Tabla 1: Indicadores de Escalonamiento Pulgadas mm 1/32 " 0.8 5 No hay problemas de escalonamiento 2/32 " 1.6 10 Escalonamiento menor 3/32 " 2.4 15 Escalonamiento moderado 4/32 " 3.2 20 5/32 " 4.0 25 6/32 " 4.8 30 Escalonamiento genera molestias 7/32 " 5.6 35 8/32 " 6.4 40 Se requiere el cepillado de inmediato Escalonamiento Promedio Índice de Escalonamiento Comentarios Fuente: elaborado a partir de la información del ACPA. Tabla 2: Cantidad de mediciones de escalonamiento entre juntas Espaciamiento entre juntas Intervalos de Medida Número de mediciones # junta Km / carril < 3.5 9na junta 30 3.5 4.5 7ma junta 30 - 40 4.5 6.0 5ta junta 30 - 45 metros Fuente: elaborado a partir de la información del ACPA 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 287 La vida útil de un cepillado oscila entre 8 y 10 años. 3.4 .2 Equipos – Cepilladora con discos de diamante (Diamond Grinding) La Cepilladora usa discos diamantados que van montados en forma paralela en un cabezal cortante. Los tres aspectos más importantes de una máquina de cepillado son: el peso de la máquina, la potencia disponible para el cabezal y el cabezal cortante mismo. Las ruedas frontales pasan sobre el pavimento, mientras que el cabezal cepilla el escalonamiento o protuberancia y así las ruedas traseras siguen por la huella ya alisada. Fotografía 1: texturizado de la Cepilladora Fuente: tomada de google 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 288 Fotografía 2: Cepilladora Manual Fuente: tomado de google Fotografía 3: Cepilladora de Alto Rendimiento Fuente: tomado de google 3.4.3 Consideraciones constructivas a) Operaciones de Terreno El cepillado al diamante debe comenzar y terminar en líneas perpendiculares al eje del pavimento. El sentido del cepillado debe ser determinado por el contratista, teniendo en cuenta las restricciones de espacio, dado que no tendrá influencia en la lisura del perfil resultante. Tampoco afecta a la calidad de la textura o de las juntas. La imposición de un sentido de operación presenta problemas considerables para el 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 289 contratista, especialmente cuando una zona de trabajo estrecha hace que el girar una Cepilladora sea virtualmente imposible. Los proyectos de cepillado no necesitan del cierre al tránsito de las pistas adyacentes. El tránsito puede ser mantenido en las pistas adyacentes sin efectos negativos. Varias máquinas trabajando simultáneamente permiten que una pista sea terminada más prontamente, debido al incremento de la productividad en los proyectos de envergadura. En proyectos pequeños, por lo general, el contratista efectúa varias pasadas con una sola máquina. El traslape máximo entre las pasadas debe ser de 5 centímetros. b) Consideraciones ambientales Los equipos de cepillado usan agua para enfriar el cabezal de corte. Los equipos modernos de cepillado tienen incorporados sistemas de succión, lo que asegura la remoción continua de la lechada residual o de los desechos dejados por las operaciones de cepillado, e incluso reciclan la lechada para recuperar el agua y acumulan los sólidos en algún contenedor. De esta forma, la lechada no fluye a través de las pistas en utilización, por acequias u otras instalaciones de drenaje. Según la Agencia Norteamericana para la Protección del Medio Ambiente (EPA, por sus siglas en inglés), la lechada residual del proceso es inerte y no dañina para el ambiente. El residuo no representa una amenaza química para la vegetación, por lo que una máquina de cepillado puede depositar la lechada en los costados del camino, cuando sea posible, sin causar problemas ambientales. Algunas entidades administradoras lo han permitido a lo largo de caminos rurales e interurbanos sin problema. En un medio 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 290 ambiente urbano, la lechada debe depositarse en un camión equipado para contener residuos líquidos y después de la recolección el material puede ser desechado lejos del lugar de trabajo, sin perjuicio de utilizar equipos como el antes mencionado, que reciclan la lechada para recuperar el agua y acumular los sólidos en un depósito especial que más tarde es eliminado en botadero. c) Valoración de los trabajos Por m2 / mm cepillado 12.3 CONCLUSIONES La implementación de políticas de conservación para los pavimentos de concreto, pueden devolver la capacidad estructural a niveles cercanos de aquellos de una construcción nueva. Las reparaciones de espesor total, la restauración de la transferencia de carga, la adición de drenes laterales y la estabilización de losas se combinan para restaurar la integridad estructural de un pavimento. Las reparaciones de espesor parcial ayudan a restaurar la capacidad de rodaje removiendo las áreas desconchadas en las juntas y grietas. El cepillado restaura la capacidad de rodaje integrando las zonas antiguas con las nuevas reparaciones en un perfil uniforme. Generalmente, las juntas del pavimento se vuelven a sellar después de un cepillado. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 291 13.- Comparación técnica - económica entre las alternativas de pavimentación flexible y rígido, a nivel de costo de inversión inicial “Los grandes conocimientos engendran grandes dudas” Aristóteles, filósofo griego, 384 – 322 a.c. 13.1 INTRODUCCIÓN El concreto hidráulico, utilizado ampliamente en países desarrollados para la construcción de carreteras, no ha sido utilizado en el Perú en la misma proporción a lo largo de las últimas décadas, limitando su empleo para vías departamentales y vecinales. Esto se ha debido en general a las limitaciones y a la falta de actualización de las tecnologías disponibles para construir pavimentos de concreto, lo que no permitió a dicho material competir técnica y económicamente frente a su alternativa, los pavimentos flexibles. No obstante, los recientes avances de la tecnología de elaboración y colocación en obra del concreto, sumados a la mayor capacidad de proveer en forma continua unelevado nivel de servicio y requerir menos intervenciones de conservación durante su vida útil, han hecho que el concreto haya adquirido una posición sumamente competitiva como material de pavimentación. Es así que la evaluación de alternativas de pavimentación se debe realizar siempre considerando los costos a lo largo de su periodo de diseño, incluyendo por supuesto el costo de construcción. Debido a las limitaciones de tecnología y a lo limitado de su empleo, es común encontrar especialistas que sin haber realizado un análisis 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 292 comparativo adecuado, indican que el costo de construcción del pavimento de concreto no es competitivo. Esto no necesariamente se ajusta a la realidad. 13.2 METODOLOGÍA DE ANÁLISIS PARA LA COMPARACIÓN Metodología de análisis Se presenta la metodología de análisis comparativo, técnico -económico, a nivel de costos de construcción de estructuras equivalentes de pavimentación flexible y rígida, para condiciones hipotéticas similares de tránsito y suelo de fundación. Se ha considerado una autopista de una calzada de dos carriles. El diseño de los pavimentos equivalentes se realizó utilizando el método empírico AASHTO 93, para periodos de diseño de treinta años. A efectos de evaluar los costos de construcción de los pavimentos, éstos deben diseñarse para que cumplan ciertas condiciones de tránsito y suelo que los validen como equivalentes. Se ha establecido un procedimiento de análisis comparativo, considerando rangos de valores de tránsito y tipo de suelo (dentro de una matriz de comparación), manteniendo para este efecto las mismas consideraciones climáticas. Matriz de comparación Se debe definir la configuración del análisis estableciendo niveles para las variables a partir de las cuales se efectúa la comparación. En este caso se han considerado seis niveles de tránsito para el pavimento hipotético y tres 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 293 tipos de suelo con diferente capacidad portante. Esto permite definir una matriz de comparación y análisis, cuya estructura se muestra en la tabla 1/13. En el método se determinan los espesores de la carpeta de rodadura asociados a cada celda de la matriz, fijando condiciones de capas granulares, usualmente aceptadas, para simplificar el cálculo. Una vez obtenidos los espesores equivalentes, para las alternativas de pavimentación flexible y rígida, se procede a cuantificar su costo de construcción a partir de un modelo de costeo y comparación. Cabe mencionar que este análisis es referencial, pues para el cálculo se han fijado parámetros como la resistencia a flexotracción del concreto y tipos de asfaltos a valores convencionalmente empleados. Lo que se pretende es dar a conocer los rangos de variación en costos para pavimentos equivalentes de asfalto y concreto, utilizando para ello una matriz que facilite la comprensión. Tabla 1/13: Matriz de Análisis – Espesores / Costos S1 S2 S3 S1 S2 S3 TCD1 TCD2 TCD3 TCD4 TCD5 TCD6 num. Veh pes x día / CBR Subrasante Asfalto Concreto Espesores de Carpetas de Rodadura (mm) Fuente: elaboración propia La matriz de comparación y el tránsito Para el análisis esbozado en la matriz de la tabla 1/13, se consideran los siguientes niveles para el tránsito medio diario anual (IMDA) el primer año del periodo de análisis: 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 294 TCD1 = 150 vehículos TCD2 = 450 vehículos TCD3 = 1,350 vehículos TCD4 = 2,250 vehículos TCD5 = 3,750 vehículos TCD6 = 4,550 vehículos Se estima un crecimiento de tránsito de 3% anual y una vida útil de veinte años para ambas alternativas de pavimentación. Se ha adoptado la distribución por tipo de vehículos de la FHWA, ver tabla 2/13. La FHWA tiene determinada estadísticamente la cantidad de ejes simples, tándem y trídem correspondientes Tabla 2/13: Distribución de vehículos FHWA Fuente: FHWA La distribución de cargas por eje considerada se presenta en forma resumida en la tabla 3/13 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 295 Tabla 3/13: Distribución simplificada de cargas por eje (para 1,000 vehículos pesados) Carga (tn) Cantidad de Ejes Carga (tn) Cantidad de Ejes Carga (tn) Cantidad de Ejes 16 30 39 15 28 36 1 14 26 33 1 13 24 5 30 3 12 22 14 27 6 11 4 20 28 24 10 10 12 18 56 21 16 9 21 16 94 18 19 8 37 14 129 15 15 7 66 12 131 12 14 6 125 10 126 9 15 5 613 8 137 6 25 4 282 6 159 3 228 4 164 Total 1388 1043 125 Ejes simples Ejes dobles Ejes triples Fuente: elaboración propia Con estos valores de tránsito y carga se han calculado los factores de equivalencia para cada caso (TF) La matriz de comparación y el suelo Se ha caracterizado el suelo a partir de su valor CBR de la subrasante, obteniéndose tres niveles S1 = 3% CBR (suelo malo) S2 = 10% CBR (suelo regular – bueno) S3 = 25% CBR (suelo muy bueno) Cabe mencionar que la denominación de malo, regular – bueno y excelente, es referencial. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 296 13.3 CONSIDERACIONES TÉCNICAS UTILIZADAS PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTOS EQUIVALENTES 13.3.1 Consideraciones Generales de Diseño Respecto a los parámetros comunes adoptados para el diseño para ambas alternativas utilizando la metodología AASHTO 93, tenemos: Confiabilidad ® = 90% Índice de Serviciabilidad Final = 2.0 Para el pavimento de flexible Subbase granular de 30 centímetros de espesor (CBR 40%) Base granular de 15 centímetros de espesor (CBR 80%) PEN 60/70 Índice de Servicialidad Inicial de 4.2 Desviación estándar de 0.45 Coeficientes estructurales: 0.44, 0.14 y 0.11 para la carpeta, base y subbase respectivamente Coeficientes de drenaje: 1.2, 1.0 y 0.8 para la carpeta, base y subbase respectivamente. Para el pavimento de rígido Subbase granular de 30 centímetros de espesor (CBR 40%) Módulo de rotura a flexión de 45 kg/cm2 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 297 Índice de Servicialidad Inicial de 4.5 Desviación estándar de 0.35 Coeficiente de drenaje de 1.2 Factor J de 3.2 Caracterización del tránsito Se presenta el cálculo de los ejes equivalentes para ambas alternativas. El eje equivalente es función del daño de un eje patrón simple de 8.2 Ton de carga en la estructura por lo que presentan valores diferentes dependiendo de la alternativa de pavimentación, como se muestra en la tabla 4/13 El valor final de tránsito se calcula con IMDA y 30 años de periodo de diseño, y un factor 0.5 por dirección, así como una tasa de crecimiento anual de 3%. ESALS = (IMDA * 0.5)(TF)(G)(365) G = ((1+i)^n - 1)/ i Tabla 4/13: Ejes Equivalentes para el periodo de diseño 30 años Asfalto Concreto Asfalto Concreto TF TF ESALS ESALS T1 150 1.039 1.831 1,353,599 2,384,740 T2 450 1.030 1.752 4,026,048 6,845,227 T3 1350 1.025 1.605 12,019,585 18,814,196 T4 2250 1.020 1.641 19,932,874 32,054,962 T5 3750 1.021 1.540 33,235,456 50,156,948 T6 4550 1.018 1.540 40,226,094 60,857,097 N° Veh pesados TMDA Clase Fuente: elaboraciónpropia Caracterización de la subrasante 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 298 En la caracterización del suelo o subrasante se ha optado por simplificar su modelación al valor de CBR para estimar así los valores de Módulo de Resilencia y K equivalente, para las alternativas de asfalto y concreto respectivamente. La tabla 5/13 muestra los valores obtenidos Tabla 5/13: La subrasante Asfalto Concreto MR (Mpa) K eq (Mpa/m) 3% 28.4 44.72 10% 64.7 78.35 25% 121.2 112.85 CBR Fuente: elaboración propia Matriz de paquetes técnicamente equivalentes Utilizando la Metodología de diseño AASHTO 93, y con los parámetros de diseño antes mencionados se ha calculado la matriz de pavimentos equivalentes para cada situación. Ver tabla 6/13 Tabla 6/13: Matriz de Comparación 3% 10% 25% 3% 10% 25% 150 127 76.2 50.8 170 170 160 450 152.4 101.6 63.5 210 200 190 1350 190.5 127 88.9 240 240 230 2250 203.2 139.7 114.3 270 260 250 3750 228.6 165.1 127 290 280 270 4550 241.3 177.8 139.7 290 280 280 num. Veh pes x día / CBR Subrasante Asfalto Concreto Espesores de Carpetas de Rodadura (mm) Fuente: elaboración propia Evaluación de resultados obtenidos Como se puede observar en los gráficos 1/13 y 2/13, ambos pavimentos tienden a incrementar espesores a medida que el tránsito aumenta y que el 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 299 suelo empeora, sin embargo una primera conclusión sería que los pavimentos rígidos son menos sensibles al tipo de suelo. Gráfico 1/13: Resultados de diseño AASHTO 93 – FLEXIBLE (ASFALTO) Fuente: elaboración propia Gráfico 2/13: Resultado de diseño AASHTO 93 – RÍGIDO (CONCRETO) Fuente: elaboración propia Espesores Carpeta Asfáltica (mm) 127 152.4 190.5 203.2 228.6 241.3 76.2 101.6 127 139.7 165.1 177.8 50.8 63.5 88.9 114.3 127 139.7 150 450 1350 2250 3750 4550 Tránsito (Veh pesados / día) E s p e s o re s ( m m ) 3% 10% 25% Espesores Carpeta de Concreto (mm) 170 210 240 270 290 290 170 200 240 260 280 280 160 190 230 250 270 280 150 450 1350 2250 3750 4550 Tránsito (Veh pesados / día) E s p e s o re s ( m m ) 3% 10% 25% 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 300 13.3.2 Consideraciones Generales de Costeo Consideraciones para el costeo El modelo de costos que se presenta esta dolarizado y tiene como referencia precios del 2013. Para una calzada de dos carriles, uno por sentido, de 3.60 metros de ancho para cada una de ellas. Sólo se incluye para la comparación el costo directo de la estructura, más no, obras adicionales, pues se consideran iguales y la comparación de costos no será absoluta sino relativa. Modelos de costo por alternativa A través del modelo de costos que se presenta a continuación, se ha realizado el coste de 36 alternativas de pavimentación (03 tipos de suelos y 06 tipos de tránsito), 18 para cada tipo de pavimento: flexible y rígido. En este caso el modelo costea el metro lineal de calzada de 3.6 metros de ancho con el objetivo de comparar pavimentos equivalentes. Tipo de cambio 2.8 Soles X dólar. 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 301 A.- Clase T: 150 veh X día A.1 CBR = 3% 3.6 3.6 1 1 ESPESOR (mm) ESPESOR (mm) Long.(Km) 50000 Carpeta Asfáltica en Caliente PEN 60/70 127 Carpeta de Concreto MR = 45 170 Junta cada 4.5 Base Negra Nivelante 0 Acero Corrugado (m) 0.8 Base granular 150 Base granular 0 Espaciamineto 0.8 Sub-base 300 Sub-base 300 Acero liso (m) 0.45 Relleno común 0 Relleno común 0 Espaciamineto 0.3 Total 577 Total 470 DESCRIPCIÓN DE LA CAPA UNIDAD CANTIDAD PU $/. COSTO $ X ML DESCRIPCIÓN DE LA CAPA UNIDAD CANTIDAD PU $/. COSTO $ X ML Corte a nivel de subrasante M3 2.0772 3.17 6.59 Corte a nivel de subrasante M3 1.692 3.17 5.37 Eliminación Material exedente M3 2.49264 11.60 28.91 Eliminación Material exedente M3 2.0304 11.60 23.55 Nivelación y compactación de la Subrasante M2 3.6 1.05 3.77 Nivelación y compactación de la Subrasante M2 3.6 1.05 3.77 Base Granular M2 3.6 4.16 14.97 Sub-base M2 3.6 7.27 26.17 Sub-base M2 3.6 7.27 26.17 Concreto MR 45 M3 0.612 92.31 56.49 Carpeta Asfáltica en Caliente PEN 60/70 M3 0.4572 155.12 70.92 Pavimentado M3 0.612 4.62 2.82 Riego de Liga M2 3.6 1.28 4.62 Alisado, acabado M3 0.612 0.86 0.52 Imprimación M2 3.6 1.34 4.83 Curado de juntas M2 3.6 0.35 1.27 $160.78 Canastillas con Dowels y barras de amarre M3 0.612 15.80 9.67 Corte de Juntas ML 1.3 1.35 1.75 Sellado de Juntas 2.0X1.0 cm ML 1.3 1.27 1.65 $133.04 Ancho de Calzada (m) Nro de calzadas CONSTRUCCION INICIAL TRAMO Ancho de Calzada (m) Nro de calzadas DESCRIPCIÓN DE LA CAPA DESCRIPCIÓN DE LA CAPA Total costo x ml x calzada Total costo x ml x calzada CONSTRUCCION INICIAL TRAMO A.2 CBR = 10% 3.6 3.6 1 1 ESPESOR (mm) ESPESOR (mm) Long.(Km) 50000 Carpeta Asfáltica en Caliente PEN 60/70 76.2 Carpeta de Concreto MR = 45 170 Junta cada 4.5 Base Negra Nivelante 0 Acero Corrugado (m) 0.8 Base granular 150 Base granular 0 Espaciamineto 0.8 Sub-base 300 Sub-base 300 Acero liso (m) 0.45 Relleno común 0 Relleno común 0 Espaciamineto 0.3 Total 526.2 Total 470 DESCRIPCIÓN DE LA CAPA UNIDAD CANTIDAD PU $/. COSTO $ X ML DESCRIPCIÓN DE LA CAPA UNIDAD CANTIDAD PU $/. COSTO $ X ML Corte a nivel de subrasante M3 1.89432 3.17 6.01 Corte a nivel de subrasante M3 1.692 3.17 5.37 Eliminación Material exedente M3 2.273184 11.60 26.37 Eliminación Material exedente M3 2.0304 11.60 23.55 Nivelación y compactación de la Subrasante M2 3.6 1.05 3.77 Nivelación y compactación de la Subrasante M2 3.6 1.05 3.77 Base Granular M2 3.6 4.16 14.97 Sub-base M2 3.6 7.27 26.17 Sub-base M2 3.6 7.27 26.17 Concreto MR 45 M3 0.612 92.31 56.49 Carpeta Asfáltica en Caliente PEN 60/70 M3 0.27432 155.12 42.55 Pavimentado M3 0.612 4.62 2.82 Riego de Liga M2 0 1.28 0.00 Alisado, acabado M3 0.612 0.86 0.52 Imprimación M2 3.6 1.34 4.83 Curado de juntas M2 3.6 0.35 1.27 $124.67 Canastillas con Dowels y barras de amarre M3 0.612 15.80 9.67 Corte de Juntas ML 1.3 1.35 1.75 Sellado de Juntas 2.0X1.0 cm ML 1.3 1.27 1.65 $133.04 DESCRIPCIÓN DE LA CAPA Total costo x ml x calzada Total costo x ml x calzada DESCRIPCIÓN DE LA CAPA Nro de calzadas Nro de calzadas CONSTRUCCION INICIAL TRAMO CONSTRUCCION INICIAL TRAMO Ancho de Calzada (m) Ancho de Calzada (m) 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 302 A.3 CBR = 25% 3.6 3.6 1 1 ESPESOR (mm) ESPESOR (mm) Long.(Km) 50000 Carpeta Asfáltica en Caliente PEN 60/70 50.8 Carpeta de Concreto MR = 45 160 Junta cada 4.5 Base Negra Nivelante 0 Acero Corrugado (m) 0.8 Base granular 150 Base granular 0 Espaciamineto 0.8 Sub-base 300 Sub-base 300 Acero liso (m) 0.45 Relleno común 0 Relleno común 0 Espaciamineto 0.3 Total 500.8 Total 460 DESCRIPCIÓN DE LA CAPA UNIDAD CANTIDAD PU $/. COSTO $ X ML DESCRIPCIÓN DE LA CAPA UNIDAD CANTIDAD PU $/. COSTO $ X ML Corte a nivel de subrasante M3 1.80288 3.17 5.72 Corte a nivel de subrasante M3 1.656 3.17 5.25 Eliminación Material exedente M3 2.163456 11.60 25.10 Eliminación Material exedente M3 1.9872 11.60 23.05 Nivelación y compactación de la Subrasante M2 3.6 1.05 3.77 Nivelación y compactación de la Subrasante M2 3.6 1.05 3.77 Base Granular M2 3.6 4.16 14.97 Sub-base M2 3.6 7.27 26.17 Sub-base M2 3.6 7.27 26.17 Concreto MR 45 M3 0.576 92.31 53.17 Carpeta Asfáltica en Caliente PEN 60/70 M3 0.18288 155.12 28.37 Pavimentado M3 0.576 4.62 2.66 Riego de LigaM2 0 1.28 0.00 Alisado, acabado M3 0.576 0.86 0.49 Imprimación M2 3.6 1.34 4.83 Curado de juntas M2 3.6 0.35 1.27 $108.92 Canastillas con Dowels y barras de amarre M3 0.576 15.80 9.10 Corte de Juntas ML 1.3 1.35 1.75 Sellado de Juntas 2.0X1.0 cm ML 1.3 1.27 1.65 $128.33 DESCRIPCIÓN DE LA CAPA DESCRIPCIÓN DE LA CAPA Total costo x ml x calzada CONSTRUCCION INICIAL TRAMO CONSTRUCCION INICIAL TRAMO Ancho de Calzada (m) Ancho de Calzada (m) Nro de calzadas Nro de calzadas Total costo x ml x calzada 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 303 B.- Clase T: 450 veh X día B.1 CBR = 3% 3.6 3.6 1 1 ESPESOR (mm) ESPESOR (mm) Long.(Km) 50000 Carpeta Asfáltica en Caliente PEN 60/70 152.4 Carpeta de Concreto MR = 45 210 Junta cada 4.5 Base Negra Nivelante 0 Acero Corrugado (m) 0.8 Base granular 150 Base granular 0 Espaciamineto 0.8 Sub-base 300 Sub-base 300 Acero liso (m) 0.45 Relleno común 0 Relleno común 0 Espaciamineto 0.3 Total 602.4 Total 510 DESCRIPCIÓN DE LA CAPA UNIDAD CANTIDAD PU $/. COSTO $ X ML DESCRIPCIÓN DE LA CAPA UNIDAD CANTIDAD PU $/. COSTO $ X ML Corte a nivel de subrasante M3 2.16864 3.17 6.88 Corte a nivel de subrasante M3 1.836 3.17 5.83 Eliminación Material exedente M3 2.602368 11.60 30.19 Eliminación Material exedente M3 2.2032 11.60 25.56 Nivelación y compactación de la Subrasante M2 3.6 1.05 3.77 Nivelación y compactación de la Subrasante M2 3.6 1.05 3.77 Base Granular M2 3.6 4.16 14.97 Sub-base M2 3.6 7.27 26.17 Sub-base M2 3.6 7.27 26.17 Concreto MR 45 M3 0.756 92.31 69.78 Carpeta Asfáltica en Caliente PEN 60/70 M3 0.54864 155.12 85.10 Pavimentado M3 0.756 4.62 3.49 Riego de Liga M2 3.6 1.28 4.62 Alisado, acabado M3 0.756 0.86 0.65 Imprimación M2 3.6 1.34 4.83 Curado de juntas M2 3.6 0.35 1.27 $176.53 Canastillas con Dowels y barras de amarre M3 0.756 15.80 11.94 Corte de Juntas ML 1.3 1.35 1.75 Sellado de Juntas 2.0X1.0 cm ML 1.3 1.27 1.65 $151.85 DESCRIPCIÓN DE LA CAPA DESCRIPCIÓN DE LA CAPA Total costo x ml x calzada CONSTRUCCION INICIAL TRAMO CONSTRUCCION INICIAL TRAMO Ancho de Calzada (m) Ancho de Calzada (m) Nro de calzadas Nro de calzadas Total costo x ml x calzada B.2 CBR = 10% 3.6 3.6 1 1 ESPESOR (mm) ESPESOR (mm) Long.(Km) 50000 Carpeta Asfáltica en Caliente PEN 60/70 101.6 Carpeta de Concreto MR = 45 200 Junta cada 4.5 Base Negra Nivelante 0 Acero Corrugado (m) 0.8 Base granular 150 Base granular 0 Espaciamineto 0.8 Sub-base 300 Sub-base 300 Acero liso (m) 0.45 Relleno común 0 Relleno común 0 Espaciamineto 0.3 Total 551.6 Total 500 DESCRIPCIÓN DE LA CAPA UNIDAD CANTIDAD PU $/. COSTO $ X ML DESCRIPCIÓN DE LA CAPA UNIDAD CANTIDAD PU $/. COSTO $ X ML Corte a nivel de subrasante M3 1.98576 3.17 6.30 Corte a nivel de subrasante M3 1.8 3.17 5.71 Eliminación Material exedente M3 2.382912 11.60 27.64 Eliminación Material exedente M3 2.16 11.60 25.06 Nivelación y compactación de la Subrasante M2 3.6 1.05 3.77 Nivelación y compactación de la Subrasante M2 3.6 1.05 3.77 Base Granular M2 3.6 4.16 14.97 Sub-base M2 3.6 7.27 26.17 Sub-base M2 3.6 7.27 26.17 Concreto MR 45 M3 0.72 92.31 66.46 Carpeta Asfáltica en Caliente PEN 60/70 M3 0.36576 155.12 56.74 Pavimentado M3 0.72 4.62 3.32 Riego de Liga M2 3.6 1.28 4.62 Alisado, acabado M3 0.72 0.86 0.62 Imprimación M2 3.6 1.34 4.83 Curado de juntas M2 3.6 0.35 1.27 $145.04 Canastillas con Dowels y barras de amarre M3 0.72 15.80 11.37 Corte de Juntas ML 1.3 1.35 1.75 Sellado de Juntas 2.0X1.0 cm ML 1.3 1.27 1.65 $147.15 CONSTRUCCION INICIAL TRAMO CONSTRUCCION INICIAL TRAMO Ancho de Calzada (m) Ancho de Calzada (m) Nro de calzadas Nro de calzadas DESCRIPCIÓN DE LA CAPA DESCRIPCIÓN DE LA CAPA Total costo x ml x calzada Total costo x ml x calzada 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 304 B.3 CBR = 25% 3.6 3.6 1 1 ESPESOR (mm) ESPESOR (mm) Long.(Km) 50000 Carpeta Asfáltica en Caliente PEN 60/70 63.5 Carpeta de Concreto MR = 45 190 Junta cada 4.5 Base Negra Nivelante 0 Acero Corrugado (m) 0.8 Base granular 150 Base granular 0 Espaciamineto 0.8 Sub-base 300 Sub-base 300 Acero liso (m) 0.45 Relleno común 0 Relleno común 0 Espaciamineto 0.3 Total 513.5 Total 490 DESCRIPCIÓN DE LA CAPA UNIDAD CANTIDAD PU $/. COSTO $ X ML DESCRIPCIÓN DE LA CAPA UNIDAD CANTIDAD PU $/. COSTO $ X ML Corte a nivel de subrasante M3 1.8486 3.17 5.87 Corte a nivel de subrasante M3 1.764 3.17 5.60 Eliminación Material exedente M3 2.21832 11.60 25.73 Eliminación Material exedente M3 2.1168 11.60 24.55 Nivelación y compactación de la Subrasante M2 3.6 1.05 3.77 Nivelación y compactación de la Subrasante M2 3.6 1.05 3.77 Base Granular M2 3.6 4.16 14.97 Sub-base M2 3.6 7.27 26.17 Sub-base M2 3.6 7.27 26.17 Concreto MR 45 M3 0.684 92.31 63.14 Carpeta Asfáltica en Caliente PEN 60/70 M3 0.2286 155.12 35.46 Pavimentado M3 0.684 4.62 3.16 Riego de Liga M2 0 1.28 0.00 Alisado, acabado M3 0.684 0.86 0.59 Imprimación M2 3.6 1.34 4.83 Curado de juntas M2 3.6 0.35 1.27 $116.79 Canastillas con Dowels y barras de amarre M3 0.684 15.80 10.80 Corte de Juntas ML 1.3 1.35 1.75 Sellado de Juntas 2.0X1.0 cm ML 1.3 1.27 1.65 $142.44 CONSTRUCCION INICIAL TRAMO CONSTRUCCION INICIAL TRAMO Ancho de Calzada (m) Ancho de Calzada (m) Nro de calzadas Nro de calzadas Total costo x ml x calzada DESCRIPCIÓN DE LA CAPA DESCRIPCIÓN DE LA CAPA Total costo x ml x calzada 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 305 C.- Clase T: 1,350 veh X día C.1 CBR = 3% 3.6 3.6 1 1 ESPESOR (mm) ESPESOR (mm) Long.(Km) 50000 Carpeta Asfáltica en Caliente PEN 60/70 190.5 Carpeta de Concreto MR = 45 240 Junta cada 4.5 Base Negra Nivelante 0 Acero Corrugado (m) 0.8 Base granular 150 Base granular 0 Espaciamineto 0.8 Sub-base 300 Sub-base 300 Acero liso (m) 0.45 Relleno común 0 Relleno común 0 Espaciamineto 0.3 Total 640.5 Total 540 DESCRIPCIÓN DE LA CAPA UNIDAD CANTIDAD PU $/. COSTO $ X ML DESCRIPCIÓN DE LA CAPA UNIDAD CANTIDAD PU $/. COSTO $ X ML Corte a nivel de subrasante M3 2.3058 3.17 7.32 Corte a nivel de subrasante M3 1.944 3.17 6.17 Eliminación Material exedente M3 2.76696 11.60 32.10 Eliminación Material exedente M3 2.3328 11.60 27.06 Nivelación y compactación de la Subrasante M2 3.6 1.05 3.77 Nivelación y compactación de la Subrasante M2 3.6 1.05 3.77 Base Granular M2 3.6 4.16 14.97 Sub-base M2 3.6 7.27 26.17 Sub-base M2 3.6 7.27 26.17 Concreto MR 45 M3 0.864 92.31 79.75 Carpeta Asfáltica en Caliente PEN 60/70 M3 0.6858 155.12 106.38 Pavimentado M3 0.864 3.82 3.30 Riego de Liga M2 3.6 1.28 4.62 Alisado, acabado M3 0.864 0.86 0.74 Imprimación M2 3.6 1.34 4.83 Curado de juntas M2 3.6 0.35 1.27 $200.15 Canastillas con Dowels y barras de amarre M3 0.864 15.80 13.65 Corte de Juntas ML 1.3 1.35 1.75 Sellado de Juntas 2.0X1.0 cm ML 1.3 1.27 1.65 $165.28 DESCRIPCIÓN DE LA CAPA DESCRIPCIÓN DE LA CAPA Total costo x ml x calzada CONSTRUCCION INICIAL TRAMO CONSTRUCCION INICIAL TRAMO Ancho de Calzada (m) Ancho de Calzada (m) Nro de calzadas Nro de calzadas Total costo x ml x calzada C.2 CBR = 10% 3.6 3.6 1 1 ESPESOR (mm) ESPESOR (mm) Long.(Km) 50000 Carpeta Asfáltica en Caliente PEN 60/70 127 Carpeta de Concreto MR = 45 240 Junta cada 4.5 Base Negra Nivelante 0 Acero Corrugado (m) 0.8 Base granular 150 Base granular 0 Espaciamineto 0.8 Sub-base 300 Sub-base 300 Acero liso (m) 0.45 Relleno común 0 Relleno común 0 Espaciamineto 0.3 Total 577 Total 540 DESCRIPCIÓN DE LA CAPA UNIDAD CANTIDAD PU $/. COSTO $ X ML DESCRIPCIÓN DE LA CAPA UNIDAD CANTIDAD PU $/. COSTO $ X ML Corte a nivel de subrasante M3 2.0772 3.17 6.59Corte a nivel de subrasante M3 1.944 3.17 6.17 Eliminación Material exedente M3 2.49264 11.60 28.91 Eliminación Material exedente M3 2.3328 11.60 27.06 Nivelación y compactación de la Subrasante M2 3.6 1.05 3.77 Nivelación y compactación de la Subrasante M2 3.6 1.05 3.77 Base Granular M2 3.6 4.16 14.97 Sub-base M2 3.6 7.27 26.17 Sub-base M2 3.6 7.27 26.17 Concreto MR 45 M3 0.864 92.31 79.75 Carpeta Asfáltica en Caliente PEN 60/70 M3 0.4572 155.12 70.92 Pavimentado M3 0.864 3.82 3.30 Riego de Liga M2 3.6 1.28 4.62 Alisado, acabado M3 0.864 0.86 0.74 Imprimación M2 3.6 1.34 4.83 Curado de juntas M2 3.6 0.35 1.27 $160.78 Canastillas con Dowels y barras de amarre M3 0.864 15.80 13.65 Corte de Juntas ML 1.3 1.35 1.75 Sellado de Juntas 2.0X1.0 cm ML 1.3 1.27 1.65 $165.28 CONSTRUCCION INICIAL TRAMO CONSTRUCCION INICIAL TRAMO Ancho de Calzada (m) Ancho de Calzada (m) Nro de calzadas Nro de calzadas DESCRIPCIÓN DE LA CAPA DESCRIPCIÓN DE LA CAPA Total costo x ml x calzada Total costo x ml x calzada 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 306 C.3 CBR = 25% 3.6 3.6 1 1 ESPESOR (mm) ESPESOR (mm) Long.(Km) 50000 Carpeta Asfáltica en Caliente PEN 60/70 88.9 Carpeta de Concreto MR = 45 230 Junta cada 4.5 Base Negra Nivelante 0 Acero Corrugado (m) 0.8 Base granular 150 Base granular 0 Espaciamineto 0.8 Sub-base 300 Sub-base 300 Acero liso (m) 0.45 Relleno común 0 Relleno común 0 Espaciamineto 0.3 Total 538.9 Total 530 DESCRIPCIÓN DE LA CAPA UNIDAD CANTIDAD PU $/. COSTO $ X ML DESCRIPCIÓN DE LA CAPA UNIDAD CANTIDAD PU $/. COSTO $ X ML Corte a nivel de subrasante M3 1.94004 3.17 6.16 Corte a nivel de subrasante M3 1.908 3.17 6.05 Eliminación Material exedente M3 2.328048 11.60 27.01 Eliminación Material exedente M3 2.2896 11.60 26.56 Nivelación y compactación de la Subrasante M2 3.6 1.05 3.77 Nivelación y compactación de la Subrasante M2 3.6 1.05 3.77 Base Granular M2 3.6 4.16 14.97 Sub-base M2 3.6 7.27 26.17 Sub-base M2 3.6 7.27 26.17 Concreto MR 45 M3 0.828 92.31 76.43 Carpeta Asfáltica en Caliente PEN 60/70 M3 0.32004 155.12 49.64 Pavimentado M3 0.828 3.82 3.16 Riego de Liga M2 0 1.28 0.00 Alisado, acabado M3 0.828 0.86 0.71 Imprimación M2 3.6 1.34 4.83 Curado de juntas M2 3.6 0.35 1.27 $132.54 Canastillas con Dowels y barras de amarre M3 0.828 15.80 13.08 Corte de Juntas ML 1.3 1.35 1.75 Sellado de Juntas 2.0X1.0 cm ML 1.3 1.27 1.65 $160.60 CONSTRUCCION INICIAL TRAMO CONSTRUCCION INICIAL TRAMO Ancho de Calzada (m) Ancho de Calzada (m) Nro de calzadas Nro de calzadas Total costo x ml x calzada DESCRIPCIÓN DE LA CAPA DESCRIPCIÓN DE LA CAPA Total costo x ml x calzada 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 307 D.- Clase T: 2,250 veh X día C.1 CBR = 3% 3.6 3.6 1 1 ESPESOR (mm) ESPESOR (mm) Long.(Km) 50000 Carpeta Asfáltica en Caliente PEN 60/70 203.2 Carpeta de Concreto MR = 45 270 Junta cada 4.5 Base Negra Nivelante 0 Acero Corrugado (m) 0.8 Base granular 150 Base granular 0 Espaciamineto 0.8 Sub-base 300 Sub-base 300 Acero liso (m) 0.45 Relleno común 0 Relleno común 0 Espaciamineto 0.3 Total 653.2 Total 570 DESCRIPCIÓN DE LA CAPA UNIDAD CANTIDAD PU $/. COSTO $ X ML DESCRIPCIÓN DE LA CAPA UNIDAD CANTIDAD PU $/. COSTO $ X ML Corte a nivel de subrasante M3 2.35152 3.17 7.46 Corte a nivel de subrasante M3 2.052 3.17 6.51 Eliminación Material exedente M3 2.821824 11.60 32.73 Eliminación Material exedente M3 2.4624 11.60 28.56 Nivelación y compactación de la Subrasante M2 3.6 1.05 3.77 Nivelación y compactación de la Subrasante M2 3.6 1.05 3.77 Base Granular M2 3.6 4.16 14.97 Sub-base M2 3.6 7.27 26.17 Sub-base M2 3.6 7.27 26.17 Concreto MR 45 M3 0.972 92.31 89.72 Carpeta Asfáltica en Caliente PEN 60/70 M3 0.73152 155.12 113.47 Pavimentado M3 0.972 4.62 4.49 Riego de Liga M2 3.6 1.28 4.62 Alisado, acabado M3 0.972 0.64 0.62 Imprimación M2 3.6 1.34 4.83 Curado de juntas M2 3.6 0.35 1.27 $208.02 Canastillas con Dowels y barras de amarre M3 0.972 23.67 23.01 Corte de Juntas ML 1.3 1.35 1.75 Sellado de Juntas 2.0X1.0 cm ML 1.3 1.27 1.65 $187.52 CONSTRUCCION INICIAL TRAMO CONSTRUCCION INICIAL TRAMO Ancho de Calzada (m) Ancho de Calzada (m) Nro de calzadas Nro de calzadas DESCRIPCIÓN DE LA CAPA DESCRIPCIÓN DE LA CAPA Total costo x ml x calzada Total costo x ml x calzada D.2 CBR = 10% 3.6 3.6 1 1 ESPESOR (mm) ESPESOR (mm) Long.(Km) 50000 Carpeta Asfáltica en Caliente PEN 60/70 139.7 Carpeta de Concreto MR = 45 260 Junta cada 4.5 Base Negra Nivelante 0 Acero Corrugado (m) 0.8 Base granular 150 Base granular 0 Espaciamineto 0.8 Sub-base 300 Sub-base 300 Acero liso (m) 0.45 Relleno común 0 Relleno común 0 Espaciamineto 0.3 Total 589.7 Total 560 DESCRIPCIÓN DE LA CAPA UNIDAD CANTIDAD PU $/. COSTO $ X ML DESCRIPCIÓN DE LA CAPA UNIDAD CANTIDAD PU $/. COSTO $ X ML Corte a nivel de subrasante M3 2.12292 3.17 6.74 Corte a nivel de subrasante M3 2.016 3.17 6.40 Eliminación Material exedente M3 2.547504 11.60 29.55 Eliminación Material exedente M3 2.4192 11.60 28.06 Nivelación y compactación de la Subrasante M2 3.6 1.05 3.77 Nivelación y compactación de la Subrasante M2 3.6 1.05 3.77 Base Granular M2 3.6 4.16 14.97 Sub-base M2 3.6 7.27 26.17 Sub-base M2 3.6 7.27 26.17 Concreto MR 45 M3 0.936 92.31 86.40 Carpeta Asfáltica en Caliente PEN 60/70 M3 0.50292 155.12 78.01 Pavimentado M3 0.936 4.62 4.32 Riego de Liga M2 3.6 1.28 4.62 Alisado, acabado M3 0.936 0.64 0.59 Imprimación M2 3.6 1.34 4.83 Curado de juntas M2 3.6 0.35 1.27 $168.66 Canastillas con Dowels y barras de amarre M3 0.936 23.67 22.16 Corte de Juntas ML 1.3 1.35 1.75 Sellado de Juntas 2.0X1.0 cm ML 1.3 1.27 1.65 $182.54 CONSTRUCCION INICIAL TRAMO CONSTRUCCION INICIAL TRAMO Ancho de Calzada (m) Ancho de Calzada (m) Nro de calzadas Nro de calzadas DESCRIPCIÓN DE LA CAPA DESCRIPCIÓN DE LA CAPA Total costo x ml x calzada Total costo x ml x calzada 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 308 D.3 CBR = 25% 3.6 3.6 1 1 ESPESOR (mm) ESPESOR (mm) Long.(Km) 50000 Carpeta Asfáltica en Caliente PEN 60/70 114.3 Carpeta de Concreto MR = 45 250 Junta cada 4.5 Base Negra Nivelante 0 Acero Corrugado (m) 0.8 Base granular 150 Base granular 0 Espaciamineto 0.8 Sub-base 300 Sub-base 300 Acero liso (m) 0.45 Relleno común 0 Relleno común 0 Espaciamineto 0.3 Total 564.3 Total 550 DESCRIPCIÓN DE LA CAPA UNIDAD CANTIDAD PU $/. COSTO $ X ML DESCRIPCIÓN DE LA CAPA UNIDAD CANTIDAD PU $/. COSTO $ X ML Corte a nivel de subrasante M3 2.03148 3.17 6.45 Corte a nivel de subrasante M3 1.98 3.17 6.28 Eliminación Material exedente M3 2.437776 11.60 28.28 Eliminación Material exedente M3 2.376 11.60 27.56 Nivelación y compactación de la Subrasante M2 3.6 1.05 3.77 Nivelación y compactación de la Subrasante M2 3.6 1.05 3.77 Base Granular M2 3.6 4.16 14.97 Sub-base M2 3.6 7.27 26.17 Sub-base M2 3.6 7.27 26.17 Concreto MR 45 M3 0.9 92.31 83.08 Carpeta Asfáltica en Caliente PEN 60/70 M3 0.41148 155.12 63.83 Pavimentado M3 0.9 4.62 4.15 Riego de Liga M2 3.6 1.28 4.62 Alisado, acabado M3 0.9 0.64 0.57 Imprimación M2 3.6 1.34 4.83 Curado de juntas M2 3.6 0.35 1.27 $152.91 Canastillas con Dowels y barras de amarre M3 0.9 23.67 21.31 Corte de Juntas ML 1.3 1.35 1.75 Sellado de Juntas 2.0X1.0 cm ML 1.3 1.27 1.65 $177.56 CONSTRUCCION INICIAL TRAMO CONSTRUCCION INICIAL TRAMO Ancho de Calzada (m) Ancho de Calzada (m) Nro de calzadas Nro de calzadas Total costo x ml x calzada DESCRIPCIÓN DE LA CAPA DESCRIPCIÓN DE LA CAPA Total costo x ml x calzada 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto MarioBecerra Salas 309 E.- Clase T: 3750 veh X día E.1 CBR = 3% 3.6 3.6 1 1 ESPESOR (mm) ESPESOR (mm) Long.(Km) 50000 Carpeta Asfáltica en Caliente PEN 60/70 228.6 Carpeta de Concreto MR = 45 290 Junta cada 4.5 Base Negra Nivelante 0 Acero Corrugado (m) 0.8 Base granular 150 Base granular 0 Espaciamineto 0.8 Sub-base 300 Sub-base 300 Acero liso (m) 0.45 Relleno común 0 Relleno común 0 Espaciamineto 0.3 Total 678.6 Total 590 DESCRIPCIÓN DE LA CAPA UNIDAD CANTIDAD PU $/. COSTO $ X ML DESCRIPCIÓN DE LA CAPA UNIDAD CANTIDAD PU $/. COSTO $ X ML Corte a nivel de subrasante M3 2.44296 3.17 7.75 Corte a nivel de subrasante M3 2.124 3.17 6.74 Eliminación Material exedente M3 2.931552 11.60 34.01 Eliminación Material exedente M3 2.5488 11.60 29.57 Nivelación y compactación de la Subrasante M2 3.6 1.05 3.77 Nivelación y compactación de la Subrasante M2 3.6 1.05 3.77 Base Granular M2 3.6 4.16 14.97 Sub-base M2 3.6 7.27 26.17 Sub-base M2 3.6 7.27 26.17 Concreto MR 45 M3 1.044 92.31 96.37 Carpeta Asfáltica en Caliente PEN 60/70 M3 0.82296 155.12 127.65 Pavimentado M3 1.044 4.62 4.82 Riego de Liga M2 3.6 1.28 4.62 Alisado, acabado M3 1.044 0.64 0.66 Imprimación M2 3.6 1.34 4.83 Curado de juntas M2 3.6 0.35 1.27 $223.77 Canastillas con Dowels y barras de amarre M3 1.044 23.67 24.72 Corte de Juntas ML 1.3 1.35 1.75 Sellado de Juntas 2.0X1.0 cm ML 1.3 1.27 1.65 $197.48 DESCRIPCIÓN DE LA CAPA DESCRIPCIÓN DE LA CAPA Total costo x ml x calzada CONSTRUCCION INICIAL TRAMO CONSTRUCCION INICIAL TRAMO Ancho de Calzada (m) Ancho de Calzada (m) Nro de calzadas Nro de calzadas Total costo x ml x calzada E.2 CBR = 10% 3.6 3.6 1 1 ESPESOR (mm) ESPESOR (mm) Long.(Km) 50000 Carpeta Asfáltica en Caliente PEN 60/70 165.1 Carpeta de Concreto MR = 45 280 Junta cada 4.5 Base Negra Nivelante 0 Acero Corrugado (m) 0.8 Base granular 150 Base granular 0 Espaciamineto 0.8 Sub-base 300 Sub-base 300 Acero liso (m) 0.45 Relleno común 0 Relleno común 0 Espaciamineto 0.3 Total 615.1 Total 580 DESCRIPCIÓN DE LA CAPA UNIDAD CANTIDAD PU $/. COSTO $ X ML DESCRIPCIÓN DE LA CAPA UNIDAD CANTIDAD PU $/. COSTO $ X ML Corte a nivel de subrasante M3 2.21436 3.17 7.03 Corte a nivel de subrasante M3 2.088 3.17 6.63 Eliminación Material exedente M3 2.657232 11.60 30.82 Eliminación Material exedente M3 2.5056 11.60 29.06 Nivelación y compactación de la Subrasante M2 3.6 1.05 3.77 Nivelación y compactación de la Subrasante M2 3.6 1.05 3.77 Base Granular M2 3.6 4.16 14.97 Sub-base M2 3.6 7.27 26.17 Sub-base M2 3.6 7.27 26.17 Concreto MR 45 M3 1.008 92.31 93.05 Carpeta Asfáltica en Caliente PEN 60/70 M3 0.59436 155.12 92.19 Pavimentado M3 1.008 4.62 4.65 Riego de Liga M2 3.6 1.28 4.62 Alisado, acabado M3 1.008 0.64 0.64 Imprimación M2 3.6 1.34 4.83 Curado de juntas M2 3.6 0.35 1.27 $184.40 Canastillas con Dowels y barras de amarre M3 1.008 23.67 23.86 Corte de Juntas ML 1.3 1.35 1.75 Sellado de Juntas 2.0X1.0 cm ML 1.3 1.27 1.65 $192.50 CONSTRUCCION INICIAL TRAMO CONSTRUCCION INICIAL TRAMO Ancho de Calzada (m) Ancho de Calzada (m) Nro de calzadas Nro de calzadas DESCRIPCIÓN DE LA CAPA DESCRIPCIÓN DE LA CAPA Total costo x ml x calzada Total costo x ml x calzada 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 310 E.3 CBR = 25% 3.6 3.6 1 1 ESPESOR (mm) ESPESOR (mm) Long.(Km) 50000 Carpeta Asfáltica en Caliente PEN 60/70 127 Carpeta de Concreto MR = 45 270 Junta cada 4.5 Base Negra Nivelante 0 Acero Corrugado (m) 0.8 Base granular 150 Base granular 0 Espaciamineto 0.8 Sub-base 300 Sub-base 300 Acero liso (m) 0.45 Relleno común 0 Relleno común 0 Espaciamineto 0.3 Total 577 Total 570 DESCRIPCIÓN DE LA CAPA UNIDAD CANTIDAD PU $/. COSTO $ X ML DESCRIPCIÓN DE LA CAPA UNIDAD CANTIDAD PU $/. COSTO $ X ML Corte a nivel de subrasante M3 2.0772 3.17 6.59 Corte a nivel de subrasante M3 2.052 3.17 6.51 Eliminación Material exedente M3 2.49264 11.60 28.91 Eliminación Material exedente M3 2.4624 11.60 28.56 Nivelación y compactación de la Subrasante M2 3.6 1.05 3.77 Nivelación y compactación de la Subrasante M2 3.6 1.05 3.77 Base Granular M2 3.6 4.16 14.97 Sub-base M2 3.6 7.27 26.17 Sub-base M2 3.6 7.27 26.17 Concreto MR 45 M3 0.972 92.31 89.72 Carpeta Asfáltica en Caliente PEN 60/70 M3 0.4572 155.12 70.92 Pavimentado M3 0.972 4.62 4.49 Riego de Liga M2 3.6 1.28 4.62 Alisado, acabado M3 0.972 0.86 0.83 Imprimación M2 3.6 1.34 4.83 Curado de juntas M2 3.6 0.35 1.27 $160.78 Canastillas con Dowels y barras de amarre M3 0.972 15.80 15.35 Corte de Juntas ML 1.3 1.35 1.75 Sellado de Juntas 2.0X1.0 cm ML 1.3 1.27 1.65 $180.08 CONSTRUCCION INICIAL TRAMO CONSTRUCCION INICIAL TRAMO Ancho de Calzada (m) Ancho de Calzada (m) Nro de calzadas Nro de calzadas Total costo x ml x calzada DESCRIPCIÓN DE LA CAPA DESCRIPCIÓN DE LA CAPA Total costo x ml x calzada 2012 – LB - 001 Tópicos de Pavimentos de Concreto Mario Becerra Salas 311 F.- Clase T: 4,550 veh X día F.1 CBR = 3% 3.6 3.6 1 1 ESPESOR (mm) ESPESOR (mm) Long.(Km) 50000 Carpeta Asfáltica en Caliente PEN 60/70 241.3 Carpeta de Concreto MR = 45 290 Junta cada 4.5 Base Negra Nivelante 0 Acero Corrugado (m) 0.8 Base granular 150 Base granular 0 Espaciamineto 0.8 Sub-base 300 Sub-base 300 Acero liso (m) 0.45 Relleno común 0 Relleno común 0 Espaciamineto 0.3 Total 691.3 Total 590 DESCRIPCIÓN DE LA CAPA UNIDAD CANTIDAD PU $/. COSTO $ X ML DESCRIPCIÓN DE LA CAPA UNIDAD CANTIDAD PU $/. COSTO $ X ML Corte a nivel de subrasante M3 2.48868 3.17 7.90 Corte a nivel de subrasante M3 2.124 3.17 6.74 Eliminación Material exedente M3 2.986416 11.60 34.64 Eliminación Material exedente M3 2.5488 11.60 29.57 Nivelación y compactación de la Subrasante M2 3.6 1.05 3.77 Nivelación y compactación de la Subrasante M2 3.6 1.05 3.77 Base Granular M2 3.6 4.16 14.97 Sub-base M2 3.6 7.27 26.17 Sub-base M2 3.6 7.27 26.17 Concreto MR 45 M3 1.044 92.31 96.37 Carpeta Asfáltica en Caliente PEN 60/70 M3 0.86868 155.12 134.75 Pavimentado M3 1.044 4.62 4.82 Riego de Liga M2 3.6 1.28 4.62 Alisado, acabado M3 1.044 0.64 0.66 Imprimación M2 3.6 1.34 4.83 Curado de juntas M2 3.6 0.35 1.27 $231.64 Canastillas con Dowels y barras de amarre M3 1.044 23.67 24.72 Corte de Juntas ML 1.3 1.35 1.75 Sellado de Juntas 2.0X1.0 cm ML 1.3 1.27 1.65 $197.48Total costo x ml x calzada DESCRIPCIÓN DE LA CAPA DESCRIPCIÓN DE LA CAPA Total costo x ml x calzada CONSTRUCCION INICIAL TRAMO CONSTRUCCION INICIAL TRAMO Ancho de Calzada (m) Ancho de Calzada (m) Nro de calzadas Nro de calzadas F.2 CBR = 10% 3.6 3.6 1 1 ESPESOR (mm) ESPESOR (mm) Long.(Km) 50000 Carpeta Asfáltica en Caliente PEN 60/70 177.8 Carpeta de Concreto MR = 45 280 Junta cada 4.5 Base Negra Nivelante 0 Acero Corrugado (m) 0.8 Base granular 150 Base granular 0 Espaciamineto 0.8 Sub-base 300 Sub-base 300 Acero liso (m) 0.45 Relleno común 0 Relleno común 0 Espaciamineto 0.3 Total 627.8 Total 580 DESCRIPCIÓN DE LA CAPA UNIDAD CANTIDAD PU $/. COSTO $ X ML DESCRIPCIÓN DE LA CAPA UNIDAD CANTIDAD PU $/. COSTO $ X ML Corte a nivel de subrasante M3 2.26008 3.17 7.17 Corte a nivel de subrasante M3 2.088 3.17 6.63 Eliminación Material exedente M3 2.712096 11.60 31.46 Eliminación Material exedente M3 2.5056 11.60 29.06 Nivelación y compactación de la Subrasante M2 3.6 1.05 3.77 Nivelación y compactación de la Subrasante M2 3.6 1.05 3.77 Base Granular M2 3.6 4.16 14.97 Sub-base M2 3.6 7.27 26.17 Sub-base M2 3.6 7.27 26.17 Concreto MR 45 M3 1.008 92.31 93.05 Carpeta Asfáltica en Caliente PEN 60/70 M3 0.64008 155.12 99.29 Pavimentado M3 1.008 4.62 4.65 Riego de Liga M2 3.6 1.28 4.62 Alisado, acabado M3 1.008 0.64 0.64 Imprimación M2 3.6 1.34 4.83 Curado de juntas
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