UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS...

UNIVERSIDAD DE CHILEFACULTAD DE CIENCIAS FíSICAS Y MATEMÁTICASDEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL

APLICACiÓN EN CHILE DE PAVIMENTOS DELGADOS DE HORMIGÓN

MEMORIA PARA OPTAR AL TíTULO DE INGENIERO CIVIL

JAVIER EDUARDO RUZ ORTIZ

PROFESOR GuíA:

JULIO TORREJÓN OLMOS

MIEMBROS DE LA COMISiÓN:

PEDRO ACEVEDO MOY ANO

VICTOR ROCO HERRERA

SANTIAGO DE CHILE

NOVIEMBRE 2006

TABLA DE CONTENIDO

CAPITULO I INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................................6

1.1 INTRODUCCIÓN................................................................................................................................................ 6

CAPITULO II ANTECEDENTES GENERALES .......................................................................................................8

2.1 UN POCO DE HISTORIA................................................................................................................................10

2.2 CUANDO UTILIZAR WHITETOPPING.....................................................................................................14

2.3 VENTAJAS DEL WHITETOPPING. ............................................................................................................16

CAPITULO III FUNCIONAMIENTO DE LOS PAVIMENTOS DELGADOS Y ULTRADELGADOS .............19

3.1 ADHERENCIA.......................................................................................................................................................20

3.2 ESPACIAMIENTO DE LAS JUNTAS...........................................................................................................22

3.3 ESPESOR DEL ASFALTO ..............................................................................................................................22

3.4 PROCESO CONSTRUCTIVO ........................................................................................................................24

3.4.1 Preparación de la Superficie.......................................................................................................................24 3.4.2 Limpieza de la Superficie ............................................................................................................................27 3.4.3 Hormigonado de la Superficie ....................................................................................................................27 3.4.4 Membrana de Curado..................................................................................................................................31 3.4.5 Corte de Juntas .............................................................................................................................................31 3.4.6 Curado del Hormigón ..................................................................................................................................31 3.4.7 Transferencia de Cargas..............................................................................................................................31 3.4.8 Apertura al Tránsito ....................................................................................................................................32 CAPITULO IV DISEÑO DE WHITETOPPING ........................................................................................................33

4.1 MÉTODO DE DISEÑO UTW DE LA PCA (PORTLAND CEMENT ASSOCIATION)......................33

4.2 MÉTODO DE DISEÑO DE ESPESOR DE LA ACPA (AMERICAN CONCRETE PAVEMENT

ASSOCIATION)................................................................................................................................................................38

4.3 MÉTODO DE DISEÑO DE ESPESOR DEL CDOT...................................................................................41

4.3.1 ECUACIONES DE DISEÑO MÉTODO CDOT...........................................................................................49

4.3.2 INCORPORACIÓN DE EJES EQUIVALENTES AL DISEÑO. ..............................................................52

CAPITULO V DISEÑO DE TRAMO DE PRUEBA CON WHITETOPPING.........................................................56

5.1 PASOS A SEGUIR EN EL DISEÑO...............................................................................................................61

CAPITULO VI ANALISIS DE SENSIBILIDAD.......................................................................................................65

2

CAPITULO VII DISCUSIONES, CONCLUSIONES Y LINEAS DE INVESTIGACION A SEGUIR. ................71

7.1 DISCUSIONES............................................................................................................................................................71

7.2 CONCLUSIONES.......................................................................................................................................................72

7.3 LINEAS DE INVESTIGACIÓN A SEGUIR..........................................................................................................73

7.4 REFERENCIAS ..........................................................................................................................................................75

3

INDICE DE FIGURAS

FIG. 1 ESQUEMA DE LA ESTRUCTURA DE LOS PAVIMENTOS DELGADOS DE HORMIGÓN SOBRE

ASFALTO.................................................................................................................................................................... 9 FIG. 2 CLASIFICACIÓN DE LOS PAVIMENTOS DE HORMIGÓN SOBRE ASFALTO, SEGÚN ESPESOR......9 FIG. 3 PIEL DE COCODRILO, FALLA TÍPICA DE LOSPAVIMENTOS DE ASFALTO. (REF.5)........................15 FIG. 4 AHUELLAMIENTO SEVERO DE UN PAVIMENTO ASFÁLTICO. (REF. 5)..............................................15 FIG. 5 DISTANCIA DE FRENADO DESDE 96 KM/HR., DE DOS VEHÍCULOS SOBRE CONDICIONES

DIFERENTES DE SUPERFICIE. NÓTESE QUE POR NO PRESENTAR EL HORMIGÓN

AHUELLAMIENTO, LOS DATOS PARA LA CONDICIÓN HÚMEDA CON AHUELLAMIENTO SON

LOS MISMOS QUE PARA LA HÚMEDA LISA. (REF.1)..................................................................................18 FIG. 6 DENTRO DE LAS VENTAJAS DE LOS PAVIMENTOS DELGADOS DE HORMIGÓN, ESTA EL NO

REFLEJAR LOS PROBLEMAS EXISTENTES DE LA SUPERFICIE DE ASFALTO. (REF.1)....................18 FIG. 7 FACTORES QUE INFLUYEN EN EL COMPORTAMIENTO DE LOS PAVIMENTOS DELGADOS DE

HORMIGÓN SOBRE ASFALTO, LA ADHERENCIA ENTRE EL ASFALTO Y EL HORMIGÓN, EL

ESPACIAMIENTO ENTRE LAS JUNTAS Y EL GROSOR DE LA CAPA ASFÁLTICA QUE SIRVE DE

BASE PARA EL HORMIGÓN................................................................................................................................19 FIG. 8 LA ADHERENCIA PRODUCE UN DESCENSO DEL EJE NEUTRO, LO QUE HACE QUE LOS

ESFUERZOS DISMINUYAN, EN EL CASO DEL CENTRO DE LA LOSA, EN EL CASO DE LAS

ESQUINAS DISMINUYE TAMBIÉN EL ESFUERZO, PERO MENOS QUE EN EL CASO DEL CENTRO

DE LA LOSA.(REF.8)..............................................................................................................................................21 FIG. 9 EL WHITETOPPING, QUE IDEALMENTE ES ADHERIDO, REDUCE LOS ESFUERZOS, GRACIAS A

LA ADHERENCIA ENTRE LAS CAPAS DE HORMIGÓN Y DE ASFALTO.(REF.8) .................................21 FIG. 10 AL TENER ESPACIAMIENTOS CORTOS, SE BUSCA QUE EL PAVIMENTO ACTÚE COMO

MECANISMO Y NO COMO ESTRUCTURA......................................................................................................23 FIG. 11 EFECTO DEL ESPESOR DEL ASFALTO, A MAYOR ESPESOR, LAS TENSIONES DISMINUYEN. .23 FIG. 12 ESQUEMA DE RECOLECCIÓN DE PUNTOS PARA REALIZAR EL PERFIL TOPOGRÁFICO...........26 FIG. 13 VISTA DE LA SUPERFICIE TRAS EL FRESADO. NÓTESE LA TEXTURA RUGOSA DE LA

SUPERFICIE, FUNDAMENTAL PARA OBTENER UNA BUENA ADHERENCIA. ....................................26 FIG. 14 FAENAS DE LIMPIEZA CON ESCOBILLÓN PARA LAS PARTÍCULAS GRANDES............................28 FIG. 15 FAENA DE LIMPIEZA MÁS PROFUNDA, USANDO AIRE COMPRIMIDO, PARA REMOVER LAS

PARTÍCULAS MÁS PEQUEÑAS....................................................................................................................28 FIG. 16 COLOCACIÓN DEL HORMIGÓN, DIRECTAMENTE DESDE EL CAMIÓN MIXER.............................29 FIG. 17 TREN PAVIMENTADOR EN FAENAS DE HORMIGONADO....................................................................29 FIG. 18 APLICACIÓN DE ASPILLERA, PARA LA OBTENCIÓN DE LA TEXTURA RUGOSA. .......................30 FIG. 19 APLICACIÓN DE LA MEMBRANA DE CURADO. ......................................................................................30 FIG. 20 APLICACIONES DE MANTAS DE POLIETILENO PARA EL CURADO DEL HORMIGÓN.................32

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FIG. 21 CONVERSIÓN DE ESPESORES DESDE EL MÉTODO MECANICISTA AL MÉTODO EMPÍRICO....54 FIG. 22 UBICACIÓN DEL TRAMO DE PRUEBA A DISEÑAR. EL CUADRO DE LA LÍNEA PUNTEADA SE

DETALLA EN LA FIGURA SIGUIENTE.............................................................................................................57 FIG. 23 DETALLE DE LA UBICACIÓN DEL TRAMO DE PRUEBA A DISEÑAR. LA EXTENSIÓN SERÁ DE

300 M..........................................................................................................................................................................58 FIG. 24 ESTACIÓN DE PESAJE DIGITAL. CON ESTA TECNOLOGÍA, LA RECOLECCIÓN DE DATOS

PARA EL DISEÑO ES MAS PRECISA.................................................................................................................58 FIG. 25 SENSIBILIDAD DEL ESPESOR DEL HORMIGÓN AL MÓDULO DE REACCIÓN DE LA

SUBRASANTE K .....................................................................................................................................................66 FIG. 26 SENSIBILIDAD DEL ESPESOR DEL HORMIGÓN AL MÓDULO ELÁSTICO DEL ASFALTO...........66 FIG. 27 SENSIBILIDAD DEL ESPESOR DEL HORMIGÓN AL MÓDULO DE RUPTURA DEL HORMIGÓN.68 FIG. 28 SENSIBILIDAD DEL ESPESOR DEL HORMIGÓN AL GRADIENTE DE TEMPERATURA.................68 FIG. 29 SENSIBILIDAD DEL ESPESOR DEL HORMIGÓN AL ESPESOR DEL ASFALTO, TOMANDO EN

CUENTA EJES EQUIVALENTES.........................................................................................................................69 FIG. 30 SENSIBILIDAD DEL ESPESOR DEL HORMIGÓN AL MÓDULO ELÁSTICO DEL ASFALTO,

TOMANDO EN CUENTA EJES EQUIVALENTES ...........................................................................................69 FIG. 31 SENSIBILIDAD DEL ESPESOR DEL HORMIGÓN, A EL MÓDULO DE LA SUBRASANTE K,

TOMANDO EN CUENTA EJES EQUIVALENTES. ...........................................................................................70

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INDICE DE TABLAS

TABLA 1 DETALLES PROYECTO LOUISVILLE, KENTUCKY........................................................................11 TABLA 2 GUÍA PARA REPARAR FALLAS EXISTENTE EN PAVIMENTOS DE ASFALTO ANTES DE

APLICAR UNA SOBRECAPA DE HORMIGÓN. .........................................................................................14 TABLA 3 MÉTODO DE DISEÑO ACPA..................................................................................................................39 TABLA 4 MÉTODO DE DISEÑO ACPA..................................................................................................................39 TABLA 5 MÉTODO DE DISEÑO ACPA..................................................................................................................40 TABLA 6 MÉTODO DE DISEÑO ACPA..................................................................................................................40 TABLA 7 NIVELES APROXIMADOS DE TRÁNSITO PARA LAS SECCIONES DE PRUEBA DEL ESTUDIO

DEL CDOT..........................................................................................................................................................42 TABLA 8 CARACTERÍSTICAS POR TRAMO, MÉTODO CDOT.......................................................................43 TABLA 9 PARÁMETROS DE DISEÑO, MÉTODO CDOT, PROYECTO SH 121..............................................46 TABLA 10 LISTA DE CHEQUEO DE CONDICIONES DE PAVIMENTO FLEXIBLE ....................................47 TABLA 11 DETALLE DEL TRÁNSITO EN EL TRAMO DE PRUEBA..............................................................59 TABLA 12 TESTIGOS PARA TRAMO DE PRUEBA ............................................................................................59 TABLA 13 DETALLE DES LAS CALICATAS EFECTUADAS PARA EL TRAMO DE PRUEBA.................60 TABLA 14 DATOS DE ENTRADA PARA DISEÑO DE TRAMO DE PRUEBA................................................60 TABLA 15 CÁLCULOS PRECIOS AL DISEÑO .....................................................................................................61 TABLA 16 TENSIONES Y DEFORMACIONES CON SUS RESPECTIVOS AJUSTES POR ADHERENCIA Y

PÉRDIDA DE SOPORTE ..................................................................................................................................64 TABLA 17 ANÁLISIS DE FATIGA EN EL HORMIGÓN Y EN EL ASFALTO .................................................64

6

CAPITULO I INTRODUCCIÓN

1.1 Introducción.

Según estadísticas de la Dirección Nacional de Vialidad a fines del año 2004, la red

vial nacional esta constituida por 80672.33 Km. de caminos agrupados en cuatro tipos de superficie de rodado: asfalto, hormigón, ripio y caminos de tierra. De toda esta red, cerca de un 21% corresponden a caminos pavimentados y dentro de éstos, más de un 80%, lo constituyen los pavimentos de asfalto (ref. 5 y 11). Al ser los pavimentos flexibles los de mayor uso en nuestro país, la manutención debe enfocarse a la reparación de las principales fallas asociadas a este tipo de material, tales como ahuellamientos, piel de cocodrilo y grietas, y así brindar las mejores condiciones para el usuario, tanto en seguridad como en confort. Para lograrlo es necesario contar con tecnologías viables para el proceso de rehabilitación de pavimentos.

Las técnicas modernas de rehabilitación permiten la recuperación de los estándares de diseño, reduciendo el impacto sobre los usuarios, tanto durante la ejecución de las obras (requiriéndose muy poco tiempo para rehabilitar), como durante su vida en servicio (reduciendo los problemas de deterioro).

Dentro de las alternativas disponibles para rehabilitar pavimentos, y en particular,

para pavimentos flexibles, se encuentran las capas de hormigón aplicadas directamente sobre el pavimento deteriorado. Esta técnica se denomina Whitetopping, (cubierta blanca). .La traducción literal marca la diferencia entre el color de un pavimento de hormigón (blanco) frente a uno de asfalto (negro) (ref. 1)

Este sistema incluye la corrección de las principales deformaciones en el asfalto y la

colocación del hormigón que se construye directamente sobre la superficie asfáltica ya tratada. Entre las ventajas del Whitetopping tenemos una larga vida, bajo costo en mantenimiento, bajo costo por aplicación, un aumento en la seguridad y una menor contaminación al ambiente.

De acuerdo al espesor de las capas de hormigón, tenemos distinta clasificaciones

para esta técnica de rehabilitación de pavimentos. Si las capas son mayores a los 20 cm. de espesor se habla de Whitetopping convencional, mientras que para espesores entre los 10 a 20 cm. se denominan Thin Whitetopping (delgados) y finalmente para

7

espesores menores a 10 cm se habla de Ultra Thin Whitetopping (ultradelgados).(ref. 10) En este informe se explicará el funcionamiento de la técnica Whitetopping poniendo

énfasis en las categorías delgada y ultradelgada de esta técnica y se desarrollará una metodología de diseño para aplicarla en la planificación de un tramo de prueba a realizar en el norte de nuestro país.

La idea y objetivo de este trabajo, es mostrar la técnica whitetopping como una

alternativa viable a la hora de rehabilitar los pavimentos deteriorados de asfalto. Además de ser el punto de inicio en el desarrollo e investigación de esta tecnología en nuestro país.

La primera etapa de este trabajo consistirá en la recopilación y análisis de

experiencias extranjeras principalmente los casos norteamericanos. Para lograr esta fase de la memoria se cuenta con las bibliotecas del Laboratorio de Vialidad y también la del Instituto del Cemento y Hormigón (ICH). Además esta la posibilidad de varios sitios de Internet que cuentas las últimas novedades acerca de Whitetopping.

Del análisis de los datos reunidos, se obtendrá una guía de diseño, como también

del proceso constructivo. En una segunda etapa, y complementando la primera fase de este trabajo, se

desarrollará una metodología de diseño acorde a las condiciones chilenas tomando en cuenta características específicas del lugar en donde se va a realizar el tramo de prueba.

Se diseñará el tramo de acuerdo a lo investigado

8

CAPITULO II ANTECEDENTES GENERALES

Cuando los pavimentos asfálticos presentan deterioro con fallas tales como

ahuellamiento, grietas, piel de cocodrilo y baches dentro de las más comunes, es necesario desarrollar algún tipo de rehabilitación para recuperar el estándar de diseño y a la vez disminuir los riesgos que accidentes que aumentan con las fallas antes mencionadas. La solución más recurrente en nuestro país son los recapados de asfalto, pero con este sistema, si bien se corrige las fallas funcionales, las fallas estructurales permanecen y con el paso del tiempo, el recapado presentará las mismas fallas que presentaba el pavimento original. Es por esta razón que buscando nuevas alternativas de rehabilitación el Whitetopping aparece como una alternativa viable y segura.

La construcción de capas de hormigón sobre pavimento asfáltico deteriorado es

una técnica conocida como Whitetopping. Incluye la reparación del asfalto existente antes de aplicar la capa, la corrección de las principales deformaciones del perfil de la vía y la colocación de la capa de hormigón, que se construye directamente sobre la superficie de asfalto (ref. 1). Esta técnica corrige las deficiencias funcionales y estructurales a la vez.

Según el espesor de la capa de hormigón, el Whitetopping presenta subcategorías:

convencional, delgado y ultradelgado, (ref.10) siendo las dos últimas mucho más recientes que la primera, tal como veremos en el breve repaso histórico a continuación.

9

Fig. 1 Esquema de la estructura de los pavimentos delgados de hormigón sobre asfalto.

Fig. 2 Clasificación de los pavimentos de hormigón sobre asfalto, según espesor.

10

2.1 Un poco de historia

Ya desde el año 1918, en los EEUU, se construyen recapados de hormigón (ref.1,

10), con usos tan variados como aeropuertos, autopistas, carreteras principales y secundarias, calles y áreas de estacionamiento. Entre los años 1940 y 1950, el principal uso fue en aeropuertos civiles y militares. El espesor en estos casos variaba entre los 20 y 46 cm. Desde el año 1960, el hormigón ha sido muy utilizado para reparar vías de autopistas existentes en estados como California, Iowa y Utah. En estas aplicaciones, los espesores variaban entre 17,5 a 25 cm. (ref.9)

Según estudios norteamericanos, más de la mitad de los estados han construido

proyectos TWT (thin whitetopping) o UTW (ultra thin whitetopping) durante el periodo 1999 – 2004. El crecimiento también se ve reflejado en los datos entregados por la American Concrete Pavement (ACPA) que tiene registros de 282 proyectos UTW en el periodo comprendido entre los años 1992 -2001, totalizando 765000 m 2.(ref.10)

Como se puede apreciar, el whitetopping delgado y el ultradelgado son técnicas

relativamente nuevas en comparación al whitetopping convencional que data de principios del siglo pasado.

De aparición reciente también, y como complemento a la técnica whitetopping, son

los hormigones Fast Track o de habilitación temprana, que permiten una apertura al tránsito al poco tiempo de aplicada la capa de hormigón. De esta manera la interrupción de tráfico se reduce al mínimo, pudiendo incluso realizar la rehabilitación de alguna vía en un fin de semana. (ref.4)

A continuación un resumen de proyectos citados en la literatura.

11

Kentucky

Este fue el primer proyecto UTW en los Estados Unidos, se realizó en septiembre del año 1991, específicamente en la zona de Louisville, Kentucky, en el camino de acceso a un basural con un tráfico de 400 a 600 camiones por día, 5.5 días a la semana (ref. 2). La elección de este lugar se debió a que los resultados se verían en menos tiempo dada la alta demanda a que sería sometido. Se ejecutaron tres tramos, tal como se detalla en la siguiente tabla.

Tabla 1 Detalles proyecto Louisville, Kentucky

Este proyecto fue monitoreado por sólo 13 semanas, pero dadas las condiciones

de tráfico que poseía, este periodo equivale a un año en condiciones normales. De esta experiencia se concluyeron los siguientes puntos.

• Los pavimentos ultradelgados de hormigón con espesores entre 50 y 90 mm pueden soportar cargas típicas de tránsito en caminos con bajo volumen de tráfico, calles de sectores residenciales y lugares de estacionamiento.

• Las fallas predominantes fueron las grietas de esquina. • Los espaciamientos entre las juntas tuvieron un significativo efecto en la formación

de las grietas de esquina. El área con juntas a 0.6 m presentó una cantidad considerablemente menor de grietas en comparación al sector que presentaba separaciones entre juntas de 1.8 m.

SECCIÓN DIMENSIONES[M]

ESPESOR HORMIGÓN

[CM]

PREPARACIÓN ASFALTO

SEPARACIÓN DE JUNTAS

[M] 1 84 x 7 9 Fresado 1.83 x 1.83

2 15 x 7 9 - 5 Fresado 1.83 x 1.83

3 84 x 7 5 Fresado 1.83 x 1.83 0.6 x 0.6

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Iowa

En el año 1994, 11 Kilómetros entre whitetopping delgado y ultradelgado se usaron en la rehabilitación de una carretera de este estado, la Ruta 21. Los espesores para este caso variaron entre los 5 y 20 cm. (ref. 10)

La carretera fue construida en el año 1961, que luego en el año 1964 fue

rehabilitado con 75 mm. de asfalto. El tráfico existente era aproximadamente 1350 vehículos, con un 13 % de camiones.

Este proyecto entregó los primeros datos sobre el comportamiento del

whitetopping aplicado a una autopista. Aportó con datos de diseño, técnicas de construcción y datos de los resultados obtenidos. Se utilizaron distintas combinaciones de espesores, espaciamiento de juntas, distintas mezclas de hormigón y alternativas para la preparación de la superficie asfáltica previa al hormigón.

Esta experiencia es una de las que más datos ha entregado a los investigadores,

para así continuar desarrollando esta técnica de rehabilitación.

Missouri Esta experiencia es interesante porque es la primera que se realizó en un

aeropuerto, el Spirit of St. Louis Airport, en el año 1985. Si bien no fue un proyecto en alguna autopista, aportó importantes datos en cuanto al diseño y construcción principalmente. En este caso, los espesores eran de 9 cm hasta 25 cm, vale decir desde el whitetopping ultradelgado hasta el convencional. (ref. 10)

Colorado Este proyecto se construyó en el año1996. Los espesores variaron entre los 10 a

12,5 cm (TWT). En este caso se experimentó con distintas alternativas para el asfalto existente. En algunos casos se dejó tal como estaba, en otro se fresó y en un tercer tramo se aplicó una nueva capa de asfalto antes del hormigón. (ref.10)

Las losas fueron de 1,5 m2 además se instrumentaron con sensores para medir

deformaciones, deflexiones y temperatura. La importancia de este proyecto, es que sirvió de base para el desarrollo del

13

método mecanicista de diseño que se tratará en un capítulo posterior. Argentina, Buenos Aires

En el acceso oeste a la ciudad de Buenos Aires se realizó una rehabilitación utilizando UTW (ultradelgado) y TWT (delgado), en el año 2002 en donde los espesores variaron entre los 8 y 12 cm. (ref.4)

La importancia de este proyecto es la utilización de hormigones de habilitación temprana, lo que permitió reanudar el tránsito a las 24 horas de colocado el hormigón.

Entre las conclusiones de esta experiencia se citan las siguientes:

• Es importante incrementar los espesores en las losas de borde. • En sectores donde el derrame de combustibles es elevado se debe prever

el sellado de juntas, para evitar el ingreso de combustible asfáltico, que afecta la adherencia entre las dos capas.

• Es importante conocer es espesor del asfalto que se deja como base del pavimento, ya que si es menor que 75 mm las posibilidades de falla aumentan

• No se recomienda la ejecución de UTW muy delgados para contar con un adecuado margen de seguridad que contemple la sobrecarga de los vehículos fuera de reglamento.

Chile

En nuestro país existe una experiencia impulsada por SERVIU y el ICH, en un sector de Av. Santa Rosa a la altura del 3900, en diciembre del año 2003, sin embargo el tramo rehabilitado usando UTW fue muy pequeño, ya que al momento de extraer testigos se dio cuenta que el asfalto existente era muy delgado para poder recibir las capas de hormigón. Por lo corto del tramo las principales conclusiones que se obtuvieron tienen relación con el proceso constructivo. (ref. 7)

14

2.2 Cuando utilizar Whitetopping

Generalmente al hablar de recubrimientos ultradelgados o delgados se piensa en

usarlo sobre asfalto que presenta fallas tales como ahuellamiento (rutting), desplazamientos (shoving) y otras fallas superficiales. Un pavimento asfáltico dañado severamente con un importante deterioro estructural, con problemas en las bases o sub bases, malas condiciones de drenaje, desmoronamiento áridos, no es un buen candidato para ser reparado con UTW o TWT. El pavimento a rehabilitar requiere de un mínimo espesor del asfalto después de haber fresado la superficie, para así entregar un buen soporte al hormigón.

Tabla 2 Guía para reparar fallas existente en pavimentos de asfalto antes de aplicar una sobrecapa de hormigón.

Condición general del pavimento Trabajo de reparación

Ahuellamiento (menos de 5 cm) Ninguno Ahuellamiento (más de 5 cm) Fresado o nivelación Desplazamiento Fresado Huecos Relleno con roca triturada, mezcla fría o mezcla caliente Falta de subrasante Retirar y reemplazar Piel de cocodrilo Ninguno Falla de bloque Ninguno Grietas transversales Ninguno Grietas longitudinales Ninguno Desprendimiento de áridos Ninguno Afloramiento Ninguno (ref.1)

15

Fig. 3 Piel de Cocodrilo, falla típica de lospavimentos de asfalto. (ref.5)

Fig. 4 Ahuellamiento severo de un pavimento asfáltico. (ref. 5)

16

2.3 Ventajas del whitetopping.

Los recubrimientos de hormigón ofrecen beneficios a largo plazo para las entidades

encargadas de los aeropuertos y las carreteras, puesto que reduce considerablemente el tiempo y las demoras causadas por el mantenimiento de una superficie de asfalto. Los ahuellamientos, los desplazamientos, las grietas causadas por la temperatura, la piel de cocodrilo y los daños generados por el ambiente, exigen labores de mantenimiento como los sellados de grietas y tratamientos superficiales.

Una superficie de hormigón es duradera y requiere de menos tiempo y dinero para

el mantenimiento. Las sobrecapas de hormigón son particularmente efectivas donde las restricciones

presupuestales y los altos niveles de tránsito hacen que las interrupciones en el tráfico y las actividades de mantenimiento sean intolerables.

Otro uso importante de los recubrimientos de hormigón son aquellos para mejorar la

seguridad de la superficie de un pavimento. Las cargas pesadas causan desplazamientos y ahuellamientos en el asfalto, lo cual es peligroso para los usuarios y es un problema serio en los sitios en donde los vehículos frenan y arrancan frecuentemente, como las intersecciones, los peajes, las rampas y áreas de estacionamiento en aeropuertos. Cuando los ahuellamientos se llenan con agua causan deslizamiento o pérdida del control de los vehículos lo que puede generar accidentes y lesiones personales. Según estudios de seguridad las distancias de frenado en las superficies de hormigón son mucho menores que para las superficies de asfalto, especialmente cuando el asfalto esta húmedo y ahuellado (Fig. 5). Las cargas pesadas no ahuellan ni desplazan el hormigón y también presenta una buena resistencia al resbalamiento. (ref.1)

Las sobrecapas o recubrimientos de hormigón no desarrollan las fallas encontradas en el asfalto Las experiencias realizadas demuestran que cuando ocurre ahuellamiento, éste no se elimina con la colocación de un recubrimiento de asfalto; el ahuellamiento reaparece por la incapacidad del concreto asfáltico de alcanzar la compactación adecuada en las huellas de las ruedas o la incapacidad del asfalto de soportar las presiones y cargas del tráfico hoy en día. El hormigón puede rellenar uniformemente las

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huellas existentes en el asfalto y así corregir el perfil de la superficie. El reflejo de las grietas es otra de las fallas que puede disminuir considerablemente la vida útil de la soobrecapa de asfalto. Esto no ocurre en las losas de hormigón por la facilidad de atender los problemas existentes en la capa inferior. (Fig. 6)

Las sobrecapas de hormigón sobre pavimentos de asfalto han sido utilizadas como

reemplazo de la "construcción por etapas" de los pavimentos flexibles. En la mayoría de los casos, la primera capa se deteriora antes de lo previsto por haber sido subdiseñada; las siguientes capas de asfalto no tienen entonces un buen comportamiento porque los problemas de la capa original se reflejan rápidamente a través de las nuevas. Aún si se especifica una capa de asfalto más gruesa, los resultados no son mucho mejores. Se ha demostrado que las capas gruesas se ahuellan más rápidamente que las delgadas (ref.1)

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0 50 100 150

Buick-húmedo/ con ahuellamiento

Buick-húmedo/liso

Buick- seco/liso

Chevrolet-húmedo/con ahuellamiento

Chevrolet-húmedo/liso

Chevrolet-seco/liso

metros

hormigón

asfalto

Fig. 5 Distancia de frenado desde 96 km/hr., de dos vehículos sobre condiciones diferentes de superficie.

Nótese que por no presentar el hormigón ahuellamiento, los datos para la condición húmeda con

ahuellamiento son los mismos que para la húmeda lisa. (ref.1)

Fig. 6 Dentro de las ventajas de los pavimentos delgados de hormigón, esta el no reflejar los problemas

existentes de la superficie de asfalto. (ref.1)

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CAPITULO III FUNCIONAMIENTO DE LOS PAVIMENTOS DELGADOS Y ULTRADELGADOS

. Después de la revisión de la literatura acerca de la técnica whitetopping, se puede

apreciar que en todas las experiencias en que se usaron pavimentos delgados (TWT) y/o ultradelgados (UTW), se repiten 3 factores importantes. Éstos son los siguientes.

.

Fig. 7 Factores que influyen en el comportamiento de los pavimentos delgados de hormigón sobre asfalto, la

adherencia entre el asfalto y el hormigón, el espaciamiento entre las juntas y el grosor de la capa asfáltica que

sirve de base para el hormigón.

20

3.1 Adherencia

La adherencia entre el asfalto y el hormigón permite un funcionamiento como una

sección compuesta. Esto causa que las capas actúen monolíticamente y compartan las cargas. Con la adherencia, el eje neutro en el hormigón cambia desde la mitad de la losa de hormigón hasta el fondo de la misma. Este descenso del eje neutro disminuye los esfuerzos llevándolos a valores que el hormigón puede soportar. (Fig.7)

La sección compuesta tiene efectos opuestos en los esfuerzos de esquina. Los

esfuerzos en el hormigón disminuyen porque la sección completa es más gruesa. Sin embargo, como el borde se comporta como un voladizo, su máximo esfuerzo ocurre arriba de la losa, y el descenso del eje neutro aumenta la distancia entre las fibras superiores y el eje neutro. En resumen, en las esquinas los esfuerzos disminuyen porque la adherencia crea una sección más gruesa, sin embargo en la superficie de la losa, aumentan a causa del descenso del eje neutro.

Si el eje neutro se desplaza lo suficientemente bajo, la ubicación de la carga crítica

debe moverse desde el borde hacia la esquina, dependiendo de los materiales y de las características de la capa. Esto explica porqué muchos proyectos han desarrollado grietas de esquina.

21

Fig. 8 La adherencia produce un descenso del eje neutro, lo que hace que los esfuerzos disminuyan, en el

caso del centro de la losa, en el caso de las esquinas disminuye también el esfuerzo, pero menos que en el

caso del centro de la losa.(ref.8)

Fig. 9 El Whitetopping, que idealmente es adherido, reduce los esfuerzos, gracias a la adherencia entre las

capas de hormigón y de asfalto.(ref.8)

22

3.2 Espaciamiento de las juntas

Todos los sistemas de pavimentos deben absorber la energía de aplicación de

carga, ya sea por flexión o deflexión (flecha). Las juntas son construidas a poca distancia ya que esto reduce el brazo de momento de aplicación de la carga y minimiza los esfuerzos debido a la flexión. Este espaciamiento forma un sistema de pavimento de bloque, el cual transfiere la carga al pavimento flexible a través de deflexión antes que la flexión (fig.10). Los espaciamientos típicos que funcionan bien fluctúan entre 0,6 a 1,5 m. Se recomienda que el máximo desplazamiento sea 12 a 15 veces el espesor de la losa en ambas direcciones.

3.3 Espesor del asfalto

Después de preparar la superficie, debe quedar asfalto suficiente para formar una

sección compuesta que soporte la carga (fig.11). Se recomiendaque el mínimoespesor de asfalto después del fresado sea de 75 mm. Un espesor mayor aumenta la capacidad de carga del sistema, disminuye los esfuerzos críticos en el hormigón y disminuye la fatiga en la parte inferior de la capa de asfalto.

Para espesores mayores a los 10 cm, se habla de recubrimientos convencionales.

Aunque la diferencia entre estos espesores es convencional, desde un punto de vista conceptual, el diseño del recubrimiento tiene una diferencia significativa: usualmente los recubrimientos convencionales se diseñan como "no adheridos", en tanto que para los pavimentos delgados se contempla la adherencia con el pavimento asfáltico subyacente. Se consigue asi una sección monolítica, que reduce las tensiones de trabajo del recubrimiento y posibilita un menor espesor.

La necesidad de contar con adecuada adherencia y mantenerla en servicio es un

factor crítico y condiciona fuertemente el diseño y ejecución de este tipo de recubrimiento

23

Fig. 10 AL tener espaciamientos cortos, se busca que el pavimento actúe como mecanismo y no como

estructura.

Fig. 11 Efecto del espesor del asfalto, a mayor espesor, las tensiones disminuyen.

24

3.4 Proceso constructivo

Sólo es necesario reparar problemas serios del pavimento existentes tales como

ahuellamientos severos, desplazamientos y baches (tabla 2). En las áreas en que la subrasante haya fallado y por lo tanto no proporcione soporte uniforme a la capa de hormigón, debe retirarse y reemplazarse.

Después de hacer las reparaciones, se debe decidir como se va a tratar la superficie deformada antes de colocar la sobrecapa. Se han utilizado distintos métodos:

• Barrer y colocar directamente. • Fresar para nivelar la superficie • Colocar una capa niveladora

3.4.1 Preparación de la Superficie Colocación directa

En este caso la superficie no se trata y las huellas se llenan con el hormigón de la nueva capa. No es necesario fresar, hacer gradación de finos ni otra actividad. La colocación directa se recomienda para todos los casos en los que el ahuellamiento no supere los 5 cm.

Para determinar el volumen de concreto necesario se debe realizar un

levantamiento topográfico de varios sectores del tramo a rehabilitar. La distancia entre cada corte es por lo general 30 m. para tramos de curvas de radio grandes y de 7,5 m cuando las curvas son de radios menores. Los volúmenes se estiman con las áreas de las cortes transversales a lo largo del proyecto y entregan una correcta estimación del material necesario.

En la siguiente figura se muestra el número de datos registrados para una sección

transversal típica de 2 pistas. Por cada sección transversal se toman elevaciones en donde el criterio indique que la superficie s encuentra deformada. Generalmente se necesitan entre 7 a 9 datos para una vía de dos pistas. Son muy frecuentes las medidas en los bordes del pavimento, línea central, huellas y puntos en la mitad de cada pista. La sección transversal se determina en cada estación usando las elevaciones medidas y una elevación de la superficie propuesta (nueva rasante), que debe incluir los

25

requisitos de espesor, incuso sobre elevaciones altas de la superficie existente.

La construcción directa es muy efectiva desde el punto de vista de costos, porque

no se necesitan procedimientos constructivos previos. Además el costo del levantamiento es mucho menor que el de nivelar la superficie.

Fresado del asfalto existente.

Las irregularidades de la superficie a rehabilitar pueden quitarse fresando el asfalto existente. Para que el perfil quede uniforme por lo general hay que remover entre 2,5 a 7,5 cm. de la superficie. El fresado establece el acabado de la rasante y la pendiente transversal de la vía, según sea necesario.

En relación a la colocación directa, este método requiere de menos tiempo que el levantamiento topográfico, sin embargo hay que considerar el costo de la máquina fresadora y del manejo de los materiales removidos (que pueden utilizarse en la construcción de bermas).

Hay ocasiones en que por requerimientos geométricos se hace imprescindible el fresado de manera de mantener la cota de la rasante de acuerdo a esos requerimientos, por ejemplo el gálibo bajo un paso bajo nivel.

Capa niveladora

Una capa niveladora puede crear una superficie de pavimento uniforme, por lo general se necesitan entre 2,5 a 5 cm. de asfalto para quitar las deformaciones del pavimento existente. Usualmente se usa una mezcla bituminosa caliente que debe reunir las especificaciones de diseño tradicionales y usar agregados gradados convencionales. Debido a su costo, no es recomendable utilizar ésta alternativa donde las deformaciones sean menores que 5 cm.

26

Fig. 12 Esquema de recolección de puntos para realizar el perfil topográfico.

Fig. 13 Vista de la superficie tras el fresado. Nótese la textura rugosa de la superficie, fundamental para

obtener una buena adherencia.

27

3.4.2 Limpieza de la Superficie

Tras la preparación de la superficie, es necesario una profunda limpieza de ésta. Para la eliminación de las partículas grande, basta con un buen escobillón (fig. 14). Para limpiar el polvo, es recomendable aplicar aire comprimido (fig. 15)

Se recomienda humedecer el asfalto de manera de enfriarlo para evitar un secado

acelerado del hormigón que provocaría microfisuración en el hormigón fresco.

3.4.3 Hormigonado de la Superficie

Para realizar la colocación del hormigón, se puede utilizar, en el caso de vias urbanas, un tren pavimentador de tamaño medio, especialmente diseñado para trabajos en ciudad. Este tren permite una colocación más rápida y eficiente con una mejor terminación superficial, alcanzándose rendimientos mucho mayores que los logrados con el sistema tradicional de cercha vibradora. Además, este sistema utiliza el mismo cable guía de la fresadora para dar la terminación y horizontalidad de rasante requerida.

El hormigón se coloca con descarga directa del camión mixer en el sitio de

colocación. (fig 16 y 17) Para la terminación puede realizarse un platachado manual, si es que la

terminación del tren pavimentador no es la adecuada. Para un mejor resultado convendría ajustar el cono del hormigón.

Para darle la textura adecuada, se puede utilizar una aspillera o con un escobillón.

La aspillera húmeda deja una textura rugosa, pero son surcos poco profundos, en el caso del escobillón, los surcos son más profundos (fig. 18)

28

Fig. 14 Faenas de limpieza con escobillón para las partículas grandes.

Fig. 15 Faena de limpieza más profunda, usando aire comprimido, para remover las partículas más

pequeñas.

29

Fig. 16 Colocación del hormigón, directamente desde el camión mixer.

Fig. 17 Tren pavimentador en faenas de hormigonado.

30

Fig. 18 Aplicación de aspillera, para la obtención de la textura rugosa.

Fig. 19 Aplicación de la membrana de curado.

31

3.4.4 Membrana de Curado

Es recomendable utilizar alguna membrana de curado para evitar el secado acelerado de la superficie y por lo tanto fisuración plástica. La aplicación se realiza con rociado con fumigadores (fig. 19)

3.4.5 Corte de Juntas

El corte de las juntas se debe realizar en cuanto la resistencia de la superficie sea suficiente como para soportar el peso de las máquinas de corte. Esto ocurre por lo general cerca de las 4 horas de colocado el hormigón.

3.4.6 Curado del Hormigón

Para acelerar el fraguad del hormigón es recomendable utilizar mantas protectoras de polietileno, con el fin de lograr un aumento en la resistencia acelerada y asi disminuir el plazo de apertura al tránsito de la vía.

En el caso de la experiencia chilena con el breve tramo en Av. Sta. Rosa se utilizó

polietileno con burbujas de 5 mm, colocando el lado donde se encuentran las burbujas, hacia abajo. Este sistema de curado, tiene la doble ventaja de mantener la temperatura del hormigón alta y asi acelerar la ganancia de resistencia y conservar el nivel de humedad necesario para que el cemento reaccione.

3.4.7 Transferencia de Cargas

La necesidad de barras de transferencias de cargas en las juntas transversales depende de la capacidad de soporte, el tráfico y el diseño de las losas. Se recomienda el uso de juntas en vías que tengan un tráfico pesado (de más de 5 millones de ejes equivalentes), pero en estos casos los espesores de diseños son mayores a los de Whitetopping delgado y ultradelgado en el caso de éstos, las barras de transferencia de cargas no se necesitan.

32

3.4.8 Apertura al Tránsito

Un criterio apropiado para la apertura al tránsito, sería una resistencia a la compresión de 20 Mpa de probetas moldeadas a pie de obra. Esta resistencia se obtiene en homigones Fast Track en un lapso de 20 horas aproximadamente. En el caso de hormigones normales, tras 48 horas puede realizarse la apertura al trñansito.

Fig. 20 Aplicaciones de mantas de polietileno para el curado del hormigón.

33

CAPITULO IV DISEÑO DE WHITETOPPING

Para el diseño del Whitetopping no existe un método único y uniforme. A medida

que se han desarrollado proyectos, cada institución a cargo de éstos, ha adoptado algún método que se adapte a sus requerimientos de mejor forma.

De la revisión de la literatura relacionada, en este capítulo se mostrarán distintos

métodos de diseño, para finalmente utilizando uno de ellos, el del Departamento de Transportes del Estado de Colorado, para el diseño del tramo de prueba que comprende este trabajo de título.

4.1 Método de Diseño UTW de la PCA (Portland Cement Association)

Este es un método para el diseño de pavimentos ultradelgados (UTW), pero como

vimos en el capítulo anterior el funcionamiento de las capas ultradelgadas y delgadas, es similar, por lo que se consideró necesario revisar este procedimiento de diseño.

Técnicamente este método es un proceso de análisis que permite la predicción del

número de ejes hasta llegar a la falla del pavimento, para una configuración dada en cuanto a espesores y separación de las juntas. Este método es mecanicista empírico. Durante su desarrollo se utilizó un modelo tridimensional de elementos finitos (MEF) para simular el funcionamiento de los pavimentos, en este caso ultradelgados.

Para verificar el modelo 3D, se recolectaron datos de tres proyectos en los estados

de Missouri y Colorado. Al comparar esos datos con las predicciones hechas se constató que las mediciones realizadas eran superiores a las predichas en aproximadamente un 14 % a un 34 %. Para compensar esta diferencia, se ajustó el modelo de manera de simular una condición de adherencia parcial, que es lo que ocurría realmente y no una total adherencia como se había supuesto en el modelo original. Las ecuaciones de diseño originales se ponderaron por un factor 1,36 de manera de incorporar un 36% más a los esfuerzos resultantes. Este factor comprende un factor de seguridad, ya que incluye los esfuerzos promedios más una desviación estándar

34

Las ecuaciones de diseño de este procedimiento se determinaron tras el análisis

del modelo 3D, posteriormente, gracias a los datos recolectados, se introducen el factor de ajuste. Finalmente se llega a las siguientes ecuaciones.

( ) ( ) ee

adjkSALHMA l

lL

k ×−

×+×−= 037.0log299.0log927.0267.5log 101018,10 ε

(Ec. 1)

( ) ( ) ( ) eekTALHMA llk ×−×−×−= 028.0log786.0log891.070.6log 101036,10 ε (Ec. 2)

( ) ( ) ( )ee

adjkSALPCC l

lL

k 10101018,10 log291.1log686.0log465.0025.5log ×−

×+×−=σ

(Ec. 3)

( ) ( ) ( )

×−

×−

×+×−=

e

adj

ee

adjkTALPCC

lL

ll

Lk

088.0

log963.0log395.1log599.0898.4log 10101036,10 σ

(Ec. 4)

×+∆××+−=∆

∆

e

adjPCCTHMA l

LT 692.17131.2698.28, αε (Ec. 5)

×+∆××−=∆

∆

e

adjPCCTPCC l

LT 382.18496.3037.28, ασ (Ec. 6)

35

Donde: =kSALHMA 18,ε Tensión en el fondo de la capa de asfalto, para una carga de 18-kip de

un eje simple.( )µε =kTALHMA 36,ε Tensión en el fondo de la capa de asfalto, para una carga de 36 kip, eje

tandem( )µε =kSALPCC 18,σ Tensión superficial en las esquinas de la capa de hormigón (UTW) para

una carga de 18-kip de un eje simple. ( )psi =kTALPCC 36,σ Tensión superficial en las esquinas de la capa de hormigón (UTW),

para una carga de 36-kip de un eje tandem. ( )psi =∆

∆THMA,ε Tensión adicional en el asfalto (fondo) a causa de un gradiente de

temperatura. ( )µε =∆

∆TPCC ,σ Tensión adicional superficial (esquina) de la capa de hormigón, a causa

de un gradiente de temperatura. ( )psi =PCCα Coeficiente de expansión térmica del hormigón

F�ε

=∆T Gradiente de temperatura en la capa de hormigón ( )F� =adjL Largo de la losa ( )in . Definido como:

+

−×=

212

25812 LLadj (Ec. 7)

Donde =k Módulo de reacción de la subrasante

.inpsi

=el Radio efectivo de la respectiva rigidez para un sistema completamente adherido.

Se define como:

( ) ( )4

2

23

2

23

1

212

1

212

HMA

HMAPCCHMA

HMAHMA

PCC

PCCPCC

PCCPCC

k

tNAtttE

k

tNAttE

µµ −×

+−×+×

+−×

−×+×

(Ec.8)

36

Donde

=NA Eje neutro medido desde la superficie de la capa de hormigón PCC ( ).in .

Se define como:

HMAHMAPCCPCC

HMAPCCHMAHMA

PCCPCC

tEtE

tttEtE

×+×

+××+

×

22

2

(Ec.9)

Donde:

=PCCE Módulo de elasticidad del hormigón (PCC) ( ).psi =HMAE Módulo de elasticidad del asfalto (HMA) ( ).psi =PCCt Espesor de la capa de hormigón ( ).in =HMAt Espesor de la capa de asfalto ( ).in

=L espaciamiento actual de las losas ( ).in

Con las ecuaciones (1 hasta 9) se calculan las respuestas del pavimento. El próximo

paso es predecir el daño en función del tráfico esperado. El método PCA identifica dos modos de falla, el primero, por fatiga del hormigón en las

esquinas de las losas, y el segundo por fatiga en el fondo de la capa de asfalto.

Para la fatiga del hormigón se tiene la siguiente ecuación Para un SR (stress to strenght ratio), el número de cargas para fallar se calcula

como. • Para SR > 55.0

( )0828.0

97187.0log10SRN PCC

−

= (Ec. 10)

37

• Para 55.045.0 ≤≤ SR

268.3

43248.02577.4

−=

SRN PCC (Ec. 11)

• Para SR < 45.0

∞=PCCN (Ec. 12)

En el caso de la fatiga del asfalto, se utilizará el criterio usado por el Asphalt

Institute. Este criterio señala que la fatiga se produce cuando el número de cargas ( )HMAN produce fisuras en un 20% del área wheelpath.

Esta ecuación esta en función del módulo e elasticidad de asfalto y la máxima deformación medida en el fondo de la capa asfáltica.

×

×=

HMAHMAHMA E

N 110795.029.3

ε

(Ec. 13)

El daño acumulado puede ser calculado según la hipótesis de Miner, la cual señala

que la falla ocurre cuando:

∑=

≥

grupo

i i

i

Nn

1

1 (Ec. 14)

Para utilizar esta ecuación, el tráfico esperado se divide en grupos de carga con

ejes simples y tandem con sus pesos conocidos. Se calcula el número de cargas HMAN y PCCN , luego la ecuación 14 se usa para determinar la fracción de vida útil que se ha

consumido del pavimento antes de que se fatigue

Puntos importantes del Método PCA

• Se utilizó un modelo 3D MEF para la predicción de las respuestas del pavimento. • Se reconoce la importancia de la adherencia entre las capas de hormigón y

asfalto. Incluso se ajustan las ecuaciones originales por este motivo. • Los datos obtenidos fueron validados con datos en terreno. • Utiliza distintos criterios de falla, lo que se adapta a la complejidad del sistema

UTW

38

Limitaciones del Método PCA

Se han encontrado las siguientes limitaciones en este método de diseño. • El multiplicador ideado para compensar las diferencias entre los esfuerzos

predichos y los reales, se calculó con pocos datos, por lo que los resultados finales pueden tener errores considerables.

• Los modos de falla de este procedimiento son dos, fatiga en las esquinas, en

la capa UTW y fatiga en el fondo de la capa de asfalto, si embargo existen otros mecanismos de falla que en este Método de diseño no han sido considerados, además de una interacción entre los materiales, por ejemplo la fatiga del asfalto contribuye a generar esfuerzos en la capa de hormigón.

4.2 Método de Diseño de Espesor de la ACPA (American Concrete Pavement Association)

Este método de diseño esta indicado para pavimentos ultradelgados (UTW). Al igual que en el caso anterior, el método esta basado en observaciones y

mediciones en terreno, mas la confección de un modelo 3D en un software de elementos finitos. También se considera el efecto de los esfuerzos producidos por gradientes de temperatura.

A manera de simplificación, el método se resume en una serie de tablas

ordenadas según categorías de camiones definidas como sigue: • Carga por eje categoría A ( camiones pequeños) con un máximo de carga por

eje simple de 80kN (18000lb) y para eje doble 160 kN (36000 lb) • Carga por eje categoría B (camiones medianos) con un máximo de carga por

eje simple 116 kN (26000 lb) y para eje doble de 196 kN (44000 lb)

De las tablas se obtiene el número de camiones (en miles) para un supuesto de carga y de diseño de UTW el cual esta definido en términos de capacidad de soporte de la base, resistencia a la flexión del hormigón (PCC), espesor del hormigón, espesor del

39

asfalto y la separación de las juntas. Las tablas de diseño son las siguientes.

Tabla 3 Método de diseño ACPA

Número de camiones (en miles) admisibles por pista para UTW (Carga por eje Cat A, k=27 Mpa/m)

Resistencia h2 h1, espesor UTW (cm) Flexion Espesor 5 8 10

Mpa asfalto Espaciamiento de juntas (m) cm 0,91 0,61 1,22 0,91 1,83 1,22

4,8 7,62 6 60 40 104 137 303 4,8 10,16 56 156 125 234 294 546 4,8 12,7 169 375 314 507 593 996 4,8 15.24 o mas 462 839 709 1070 1188 1862 5,5 7,62 24 77 90 158 273 458 5,5 10,16 81 183 201 311 478 748 5,5 12,7 213 422 428 625 858 1290 5,5 15.24 o mas 507 935 880 1249 1572 2301


Número de camiones (en miles) admisibles por pista para UTW (Carga por eje Cat A, k=54 Mpa/m)



4,8 7,62 30 163 117 258 331 640 4,8 10,16 140 385 310 519 606 1045 4,8 12,7 384 842 664 1008 1099 1748 4,8 15.24 o mas 765 1709 1092 1663 1591 2499 5,5 7,62 70 209 221 374 577 915 5,5 10,16 201 450 436 667 912 1396 5,5 12,7 480 938 840 1222 1487 2190 5,5 15.24 o mas 882 1877 1334 2227 2039 3574

40


Número de camiones (en miles) admisibles por pista para UTW (Carga por eje Cat B, k=27 Mpa/m)



4,8 7,62 NR 29 1 38 8 136 4,8 10,16 15 90 43 122 98 299 4,8 12,7 90 228 168 301 273 593 4,8 15.24 o mas 259 529 428 671 639 1181 5,5 7,62 2 43 31 84 106 268 5,5 10,16 39 110 98 188 238 471 5,5 12,7 129 263 252 406 501 845 5,5 15.24 o mas 328 596 576 840 1007 1581


Número de camiones (en miles) admisibles por pista para UTW (Carga por eje Cat B, k= 54MPa/m)



4,8 8 NR 75 6 102 56 298 4,8 10 55 216 110 284 230 578 4,8 13 197 497 331 620 553 1076 4,8 15 o más 511 1053 771 1221 1148 1915 5,5 8 9 111 79 197 266 551 5,5 10 101 261 221 398 502 875 5,5 13 277 622 495 778 922 1460 5,5 15 o más 639 1183 1002 1493 1583 2438

41

Un ejemplo usando las tablas, suponiendo que el recubrimiento UTW esta contemplado para una calle urbana sujeto a un tráfico de camiones tipo carga por eje categoría B,

La subrasante tiene un valor de k= 54 kPa/mm (200 lbf/in2/in) y el asfalto existente

tendrá un espesor de 102 mm (4 in) después del fresado. Si el UTW fuera de 76 mm (3in) de espesor con una resistencia a la flexión de700 lbf/in2 y la separación entre juntas de 0.9 m (3ft), entonces el UTW debería ser capaz de soportar 284000 camiones con carga por eje tipo A (tabla 4). Si la calle recibiera 75 camiones por día, entonces el UTW estaría diseñado para tener una vida útil de 10,4 años.

4.1036575

284000=

×

=VidaÚtil

4.3 Método de Diseño de Espesor del CDOT

Este método de diseño será visto con mayor profundidad, ya que será e escogido

para el diseño del tramo de prueba del próximo capítulo. El Departamento de Transporte del estado de Colorado (CDOT) en los Estados

Unidos, en el año 1998 desarrolló tres proyectos UTW y TWT que fueron la base del método de diseño que utilizan actualmente. Estos tres caminos rehabilitados fueron la ruta U.S.85 cerca de Denver, la ruta S.H.119 cerca de Longmonty y la ruta U.S.287 cerca de Lamar.

Estos 3 proyectos se diseñaron con distintas características en cuanto a espesor y

espaciamiento de las juntas, las losas fueron instrumentadas para medir las deformaciones y el comportamiento en general. Con los datos recopilados y el análisis de estas experiencias se llegó a las primeras ecuaciones de diseño. Posteriormente, para verificar y mejorar el método de diseño, se rehabilitó una nueva vía, la S:H. 121 Wadsworth Boulevard, cerca de Denver. Nuevamente, este proyecto fue instrumentado para obtener nuevos datos que junto a los recopilados en el los proyectos del año 1998 forman la base para las ecuaciones finales con las que trabaja actualmente el CDOT.

42

Las condiciones de tráfico de los tramos utilizados en el estudio del CDOT se

detallan como sigue.

Tabla 7 Niveles aproximados de tránsito para las secciones de prueba del estudio del CDOT

Ruta Tránsito Medio Diario AnualTMDA

Porcentaje vehículos pesados

U.S. 85 1500 25%

S.H. 119 19760 8%

U.S. 287 2287 59%

S.H. 121 44562 3%

43

Tabla 8 Características por tramo, Método CDOT

E.Fresada: Existente y fresada

45

Como la idea de los tramos era recopilar la mayor cantidad de información

posible, lo que se hizo fue variar distintos puntos en la construcción de los tramos, como se señala en la tabla de la página anterior.

En el proyecto U.S.85 Santa Fe, los espesores del hormigón variaron entre los

12 cm. a 15 cm., y para el asfalto entre los 11 cm. y los 14 cm. Las juntas longitudinales y transversales fueron para todas las losas de 1,5 m.

La característica más importante de este proyecto fue la utilización de asfalto

nuevo antes de depositar la capa de hormigón. En un sector además se fresó esta capa de asfalto.

Al momento de evaluar la resistencia al corte en la interfase, a los 28 días, el

sector en donde se fresó el asfalto nuevo presenta resistencias bastante inferiores a los sectores en que no se fresó la superficie, sin embargo con el paso del tiempo las resistencias se igualan.

Como la idea del Whiteopping es entre otras cosas, una rápida apertura al

tráfico, la resistencia en edades tempranas es de vital importancia y con este proyecto quedó demostrado que al fresar una superficie de asfalto nueva, la resistencia temprana de la interfase es insuficiente.

En el segundo proyecto, S.H. 119, se experimentaron distintos espesores de

losa y distintos acondicionamientos de la superficie asfáltica. Nuevamente, la resistencia menor a los 28 días fue la correspondiente a la superficie asfáltica nueva, la mayor resistencia correspondió a la superficie asfáltica existente. Sin embargo hay otros factores que influyen en estos resultados, como lo son los espesores de la capa asfáltica, que como se dijo en el Capítulo del Funcionamiento, es uno de los factores importantes junto con la adherencia y la separación de las juntas.

En el proyecto U.S. 287 dos fueron los factores principales estudiados, la

separación de las juntas y el reforzamiento de éstas. En los tres tramos, la superficie asfáltica existente fue fresada posteriormente se limpió profundamente y se colocó la capa de hormigón.

46

Se colocaron barras de refuerzo en las juntas, pero éstas no significaron un mejor resultado que los otros proyectos.

A los 28 días, el tramo que mejor resistencia obtuvo, fue el con menor

separación entre las juntas (72 in) En el cuarto proyecto, S.H. 121, hay un intento por comprobar las predicciones

hechas con el Método de Diseño del CDOT. Fue construido en el año 2001. Este tramo fue diseñado para1.3 millones de ejes equivalentes, para una vida

útil de 10 años. Como ya se había comprobado, a mejor alternativa era fresar la superficie asfáltica existente, y esto se hizo en todo el proyecto.

Se consideraron los siguientes parámetros de diseño.

Tabla 9 Parámetros de Diseño, Método CDOT, Proyecto SH 121

Proyecto Parámetro de diseño Valor

Categoría de la vía Secundaria

Vida útil de diseño (años) 10 Tráfico (18-kip EE) 1272000

Espaciamiento juntas (in.) 72

Módulo Elasticidad Hormigón (psi) 3400000

Coeficiente de Poison del Hormigón 0.15

Espesor del asfalto existente (in) 5.5

Módulo Elasticidad Asfalto (psi) 266000

Coeficiente de Poison de Asfalto 0.35

Módulo de reacción de la subrasante (psi/in)

500

SH 121

Espesor de la capa de Hormigón (in.) 6

Para desarrollar este proyecto se siguieron diferentes etapas, que partieron con una evaluación del pavimento existente, que incluyó un chequeo visual de las condiciones, medición del ahuellamiento, extracción de testigos y deflectometría.

47

PAVEMENT EVALUATION CHECKLIST (FLEXIBLE) PROYECTO Nº:____________________ UBICACIÓN: ______________________ CÓDIGO PROYECTO (SA #): ________________DIRECCIÓN: DE KM A KM ______ FECHA:______________________ HECHO POR :______________________________ PROFESIÓN:_______________________________ TRAFICO: - EE existente anuales: _______________ - EE diseño________________________ DATOS EXISTENTES DEL PAVIMENTO - Subrasante (AASHTO) – Condición de la berma - Base (tipo/espesor) (buena, regular, mala) - Espesor del pavimento – Condición de los sellos de junta - Rigidez del suelo (R/MR) (buena, regular, mala) - Suelo con napa (si/no) – Separación pavimento-berma - Condición de drenaje (buena, regular, mala) INSPECCIÓN VISUAL

Tipo Severidad % aproximado Piel de cocodrilo Afloramiento Grieta de bloques Desplazamiento Depresiones reflexión de grietas en juntas

Grietas transversales Deterioro de parches Pulimento de los áridos

Baches Pérdida de áridos Ahuellamiento otros

Tabla 10 Lista de chequeo de condiciones de pavimento flexible

48

En cuanto a los testigos se extrajeron 12 muestras, previo a la colocación de la capa de hormigón y más de 40 durante los dos años posteriores a la construcción del pavimento. Los testigos se utilizaron en una primera fase para determinar el espesor de la capa asfáltica y posteriormente para comprobar la resistencia en la interfase hormigón-asfalto. Para realizar estas pruebas se siguieron las pautas especificadas en el Método Iowa 406-C .

En los demás proyectos, también se utilizaron los testigos como fuente de

información para otras características como resistencia a la compresión, módulo de elasticidad y resistencia a la flexión.

Los resultados de los testigos ensayados, se encuentran en la Tabla 8, en

donde podemos apreciar, que en el último proyecto, el SH 121, se obtuvieron los mejores resultados en cuanto a resistencias tempranas, ya que en este caso se tenía el conocimiento previo de los restantes proyectos. Con el paso del tiempo, las resistencias tienden a equipararse.

Con la experiencia recopilada, se esta en condiciones de presentar el Método

de Diseño de Espesores del CDOT. El desarrollo y verificación de este Método tuvo las siguientes características.

1. La ubicación de la carga crítica para el diseño del pavimento whitetopping fue determinado y verificado mediante comparación de los datos de los esfuerzos recogidos para cada posición.

2. El esfuerzo crítico se determinó en condiciones de gradiente de temperatura casi nulo.

3. Se realizó un análisis teórico- experimental para los esfuerzos en el hormigón. Se obtuvo un factor de calibración para ajustar los resultados experimentales a los predichos teóricamente.

4. La total adherencia entre el hormigón y el asfalto no es total, por lo que se creó un factor para modificar esta condición y ajustarse a la realidad experimental.

5. Se consideró el efecto de la temperatura en la pérdida de resistencia del hormigón por causa de la retracción (curling)

6. El cálculo de las tensiones de diseño en el hormigón y en el asfalto se obtuvo tras

49

con las siguientes características. • Para calcular las tensiones sobre el hormigón y el asfalto se utilizó el software

de elementos finitos ILSL2. • Las ecuaciones de diseño se obtuvieron mediante regresiones lineales. Las

ecuaciones originales se corrigieron tras nuevos estudios, agregándoles factores de corrección.

• Como criterio de falla se usa el criterio de fatiga para evaluar las capas de asfalto y hormigón por separado. Por lo tanto, para un juego dado de parámetros de diseño de un pavimento junto a propiedades de los materiales dadas, el hormigón o la capa de asfalto pueden gobernar el diseño

4.3.1 Ecuaciones de diseño Método CDOT

Tensión en el Hormigón para 20-kip SAL

( ) LkElt

tac

eac

pccpcc 0133.0log0366.910955.644.425918.2

879.18 621

+−×−+

×

+=−

σ (Ec .15)

Tensión en el Hormigón para 40-kipTAL

( ) LkElt

tac

eac

pccpcc 0062.0log3576.810455.652.408668.2

669.17 621

+−×−+

×

+=−

σ (Ec. 16)

Deformación del asfalto para 20-kip SAL

( ) kElt

tace

ac

pccac log1027.110898.604419.0

2590.0224.8 7

41

−×−×−

×

−=−

ε (Ec. 17)

Deformación del asfalto para 40-kipTAL

( ) kElt

tace

ac

pccac log0451.110746.604331.0

2503.0923.7 7

41

−×−×−

×

−=−

ε (Ec 18)

50

Donde

=pccσ Tensión máxima en la losa de hormigón. ( ).psi =acε Deformación máxima en el fondo de la capa de asfalto, microstrain =pccE Módulo de Elasticidad del Hormigón (se asume 4000000 psi)

=acE Módulo de Elasticidad del Asfalto ( ).psi =pcct Espesor de la capa de hormigón ( ).in =act Espesor de la capa de Asfalto ( ).in =pccµ Coeficiente de Poissons del Hormigón (se asume 0.15) =acµ Coeficiente de Poissons del Asfalto (se asume 0.35)

=k Módulo de reacción de la subrasante ( ).pci =el Radio efectivo de la respectiva rigidez para un sistema completamente adherido.

Se define como:

( ) ( )4

2

23

2

23

1

212

1

212

HMA

HMAPCCHMA

HMAHMA

PCC

PCCPCC

PCCPCC

k

tNAtttE

k

tNAttE

µµ −×

+−×+×

+−×

−×+×

(Ec 19)

Donde

=NA Eje neutro medido desde la superficie de la capa de hormigón PCC ( ).in .

Se define como:

HMAHMAPCCPCC

HMAPCCHMAHMA

PCCPCC

tEtE

tttEtE

×+×

+××+

×

22

2

(Ec 20)

=L espaciamiento actual de las losas ( ).in

51

Al igual que en el Método de la PCA, para evaluar la falla de la capa de hormigón, se utiliza el criterio de falla por fatiga. Sus ecuaciones son las mismas.

• Para SR > 55.0

( )0828.0

97187.0log10SRN PCC

−

=

• Para 55.045.0 ≤≤ SR

268.3

43248.02577.4

−=

SRN PCC

• Para SR < 45.0

∞=PCCN

Donde

SR = stress to strenght ratio N= Número de cargas esperadas

Para evaluar la fatiga del asfalto, el criterio utilizado es del Asphalt Institute, y su ecuación es la siguiente:

Número de repetiones permitidas en el asfalto

( )854.029.3

3 111032.44.18

×

××××= −

acac ECN

ε

(Ec 21)

52

Donde

=N Número de cargas para una fatiga de un 20% o mayor =acε Deformación máxima del asfalto =acE Módulo de elasticidad del asfalto, psi

=C Factor de corrección = M10

−

+×= 69.084.4

bv

b

VVVM

=bV Volumen de asfalto, % =vV Volumen de aire. %

Para una mezcla típica, el valor de M es igual a cero, por lo tanto el factor de

corrección tiene el valor de 1. Cuando se utiliza Whitetopping como una alternativa de rehabilitación, el valor

de N se debe modificar para considerar el porcentaje de fatiga que lleva acumulado el asfalto deteriorado. Por lo tanto, el número de cargas N debe ser multiplicado por la cantidad del porcentaje que aun falta por consumir para que falle por fatiga. Por ejemplo, si se ha determinado que la fatiga acumulada es de un 25%, el valor de N se debe multiplicar por 0.7

4.3.2 Incorporación de ejes equivalentes al diseño.

El estado de Colorado, actualmente usa en el diseño de sus caminos, el

procedimiento desarrollado por la AASHTO. En Chile también se utiliza este procedimiento. Este procedimiento utiliza el concepto de eje equivalente de 18 kip (ESAL). Este valor es utilizado para convertir el daño causado por los distintos ejes a un daño equivalente causado por ejes de 18 kip. El daño esta en función del espesor del pavimento, y la AASHTO calcula para pavimentos de espesores mayores a 6 in. (15 cm). Como el Whitetopping comprende espesores menores, fue necesario desarrollar factores de corrección para convertir los ejes equivalentes estimados con espesores más gruesos que los necesarios para Whitetopping.

En el estado de Colorado se hace la distinción de acuerdo al tráfico esperado,

se distingue entre vía primaria y vía secundaria. El factor de conversión de ejes equivalentes esta pensado para un espesor de 8 in. Y un índice de servicialidad final

53

de 2.5. Esta fórmula de conversión se extrapoló para espesores pequeños como 4 in, y el número total de ejes equivalentes fue calculado para una variedad de grosores de Whitetopping Los factores de conversión se obtienen de las siguientes expresiones.

Factor de conversión, vía Primaria

( ) 456.3057.10985.0 −

×+= PCCESAL tF (Ec. 22)

Factor de conversión, vía Secundaria 1

138.2286.1−

−=

PCCESAL t

F (Ec. 23)

Donde =ESALF Factor de conversión de ejes equivalentes, estimación asumiendo un

pavimento de espesor 8 in. =PCCt Espesor de la capa de hormigón, in.

Por ejemplo, para un diseño de whitetopping que contemple un espesor de 4.5

in para una vía Secundaria y con un valor de ejes equivalentes de 750000, con el factor de conversión se obtienen 950000 ejes equivalentes para Whitetopping.

Al comparar resultados a partir del método mecanicista, que utiliza distribuciones de carga por eje, con el procedimiento empírico, que utiliza EE, nos encontramos con que los resultados del espesor requerido no son iguales, tal como se muestra en la figura 21.

54

Fig. 21 Conversión de espesores desde el Método Mecanicista al Método Empírico

55

La tendencia de los datos del la figura anterior nos sugiere que existe una relación entre los dos procedimientos y se puede convertir el espesor de ensayo (Trial) a el espesor de entrada para el procedimiento. Para esto se cuanta con la siguiente ecuación.

( ) 6299.01251.1 += TRIALIMPUT tt (Ec. 24)

Donde

=IMPUTt Espesor del hormigón convertido para ser el espesor de entrada en

el procedimiento de diseño con EE. =TRIALt Espesor de ensayo, que se convierte en el espesor especificado

para el Whitetopping. Esta correlación fue desarrollada para espesores de Whitetopping de hasta 8 in

y no debe ser aplicada para otros valores. Además, según el método de la AASHTO, que es el que se utiliza en Chile para

el diseño de pavimentos, los ejes equivalentes están calculados en base a un eje de 18 kip por tanto se necesitan unas nuevas ecuaciones que surgen a partir de las del Método CDOT.

Tensión en el Hormigón para 18-kip SAL

26 0133.0log0366.910955.644.425918.2879.189.0

+−×−+×+×= − LkE

ltt

ACeAC

PCCPCCσ

(Ec 25)

Deformación del asfalto para 18-kip SAL 4

7 log1027.110898.604419.02590.0224.89.0

−×−×−×−×= − kEl

tt

ACeAC

PCCACε (Ec 26)

56

CAPITULO V DISEÑO DE TRAMO DE PRUEBA CON WHITETOPPING

En este capítulo se diseñará un tramo de prueba, utilizando el método de

diseño del CDOT descrito en el capítulo anterior. El sector escogido es un tramo de 300 metros que parte en el kilómetro

1428.000 de la ruta 5, localidad de Baquedano. Uno de los factores para la elección del tramo, es que esta sección de la Ruta

5 cuenta con una estación de pesaje digital que permite una mayor precisión en la determinación de las solicitaciones del pavimento a diseñar. Esta estación de pesaje data del año 2005 y se encuentra instalada en el Km. 1430 de la Ruta 5. Con este sistema automatizado de pesaje se obtiene la estratigrafía de cargas conociendo la distribución y tipología de vehículos que componen el tránsito de la región en esta ruta y tramo. También es posible obtener la cantidad de ejes equivalentes por vehículo, parámetro de importancia fundamental en el diseño de pavimentos, en nuestro caso particular, el diseño de Whitetopping.

57

Fig. 22 Ubicación del tramo de prueba a diseñar. El cuadro de la línea punteada se detalla en la figura

siguiente.

58

Fig. 23 Detalle de la ubicación del tramo de prueba a diseñar. La extensión será de 300 m.

Fig. 24 Estación de pesaje digital. Con esta tecnología, la recolección de datos para el diseño es mas precisa.

59

En una inspección visual del pavimento realizada por funcionarios del Laboratorio Regional de Vialidad de Antofagasta, se determinó que el daño del pavimento es leve, tanto en cantidad como en magnitud, predominando las fallas tipo piel de cocodrilo y algunas grietas transversales. Por lo tanto el tramo es un buen candidato para llevar a cabo una rehabilitación usando Whitetopping.

El tránsito mayoritario que circula por el sector, corresponde a camiones de dos

o más ejes, lo que se explica por la intensa actividad minera de la región. El detalle del tránsito y las tasas de crecimiento esperadas en la siguiente tabla.

Tabla 11 Detalle del tránsito en el tramo de prueba

Tipo de Vehículo TMDA Tasa de crecimiento

C2E 226 6,5 % anual

C+2E 921 7,5 % anual

BTB 251 5,5 % anual

Al ser un tramo de prueba, la vida útil proyectada será de sólo 5 años. Con este

dato, el número de ejes equivalentes esperado es de 4 558158 EE. Mediante los ensayos de deflectometría, se determinó que el asfalto existente

posee un porcentaje de fatiga consumido de 23 % Se extrajeron testigos para determinar espesores de las capas existentes. Los

resultados están en la siguiente tabla.

Tabla 12 Testigos para tramo de prueba

EXTRACCION DE TESTIGOS Testigo Km.: Faja Concreto asfáltico Base asfáltica

Nº espesor (mm) espesor (mm) 1 1.428,100 Derecha 33 65 2 1.428,200 Izquierda 35 70

Para determinar el módulo de reacción k de la subrasante, se realizó una calicata donde se obtuvieron los siguientes datos.

60

Tabla 13 Detalle des las calicatas efectuadas para el tramo de prueba

Estrato Cota

Superior Cota

Inferior espesor Tipo Material CBR CBR Nº (cm) (cm) (cm) 95(%) dmcs dens.nat.(%) 1 0 0,24 0,24 Base Granular 99 103

2 0,24 0,44 0,20 Capa de terraplén compactado (Suelo natural)

46 49

3 0,44 0,80 0,36 Suelo natural compacidad media 46 40

Tras todos los ensayos, y recolección de datos y a modo de resumen, en la siguiente tabla se presentan los parámetros de entrada para el diseño de nuestro tramo de prueba.

Tabla 14 Datos de entrada para diseño de tramo de prueba

Datos de Entrada para diseño Whitetopping Categoría de la via primaria Espaciamiento juntas ( L ) 69 in Trial espesor hormigón 5,7 in Resistencia a la flexión 650 psi Módulo elástico del hormigón 4000000 psi coeficiente poisson hormigón 0,15 Espesor del asfalto 4 in Módulo elástico del asfalto 350000 psi coeficiente poisson asfalto 0,35 Fatiga Consumida Asfalto 23 % Módulo de la subrasante 415 pci Gradiente de temperatura 3 ºF/in Ejes equivalentes 4558158

61

Como el método implica realizar iteraciones hasta llegar al valor que se ajuste

a los requerimientos, para partir se ha elegido un espesor de la capa de hormigón de 5,7 in, aproximadamente 14,5 cm.

5.1 Pasos a seguir en el diseño

A modo de pauta y para avanzar de manera ordenada, se entregarán los pasos a desarrollar para el diseño utilizando el Método del CDOT..

1. Determinar el y elL

2. Calcular la conversión del espesor de ensayo con la Ecuación 24, el factor de conversión de EE con la Ecuación 22 o 23 según corresponda, en el caso del tramo de prueba a diseñar la via es primaria. Además se debe calcular la ubicación del eje neutro. Ecuación 20

Tabla 15 Cálculos precios al diseño

Cálculos previos Espesor de entrada in. 7,04 Factor de Conversión EE 1,00956 NA eje neutro 3,78 le 25,20 L/le 2,74

3. Con la Ecuación 25 calculamos carga en el hormigón (columna 1, tabla 17), y

con la Ecuación 26 calculamos la deformación en el asfalto (columna 2,tabla 17) . Ambos valores para el caso de eje de 18-kip.

4. Usando las siguientes ecuaciones se calculan los ajustes por adherencia. Estas ecuaciones se dedujeron de las comparaciones entre los cálculos teóricos y los resultados experimentales en los proyectos que sirven de base para el método CDOT.

62

Ajuste por adherencia de las tensiones

thex σσ ×= 51.1 (Ec. 27)

Donde: =exσ Tensión experimental con adherencia parcial. psi

=thσ Tensión teórica con el supuesto de adherencia total. psi

Ajuste por adherencia de las deformaciones

776.0897.0 −×= pccac εε (Ec. 28)

Donde: =acε Deformación medida en la superficie del asfalto, microstrain =pccε Deformación medida en el fondo de la capa de hormigón, microstrain

Los resultados de las ecuaciones 27 y 28 están en las columnas 3 y 4 de la Tabla 17. 5 En las columnas 5 y 6 de la tabla 17 están los ajustes por pérdida de soporte

observada en las fases de estudio del método CDOT. Esta pérdida se debe al efecto “curling” por la presencia de un gradiente de temperatura. Para esto se utilizan la ecuación 29 descrita a continuación

Ajuste por pérdida de soporte

T∆×= 85.3%σ (Ec. 29)

Donde: =%σ Porcentaje de variación de la tensión por el gradiente de temperatura.

=∆T Gradiente de temperatura. inF�

63

6 Con las tensiones y deformaciones calculadas corresponde analizar la fatiga del pavimento. Se deben analizar por separado el asfalto y el hormigón y uno de los casos mandará el diseño.

7 Calculamos el valor de SR (stress ratio) en la columna 8 de la tabla 18, dividiendo

la tensión tras el ajuste por pérdida de soporte (columna 5, tabla17) por el módulo de ruptura del hormigón, uno de los datos de entrada.

8 Usando el valor de SR y las ecuaciones de falla por fatiga para el hormigón se

determinan el número de repeticiones esperado para la capa de hormigón. Este valor se coloca en la columna 9, de la tabla 18.

9 Calculamos el porcentaje de fatiga en la columna 10, dividiendo la columna 7 por

la columna 9 y multiplicando por 100.

10 Copiar las deformaciones máximas del asfalto desde la columna 6, de la tabla 17 a la columna 11, de la tabla 18

11 Usando el módulo de elasticidad del asfalto existente y los valores de las

deformaciones de la columna 11, calculamos las repeticiones permitidas para la capa de asfalto con la ecuación 21 , e ingresamos esos valores en la columna 14.

12 El porcentaje de fatiga para la capa de asfalto y el daño total por fatiga, esta

calculado del mismo modo que el cálculo de la fatiga del hormigón en el paso 9, con la diferencia de que en este caso se agrega el porcentaje de fatiga consumido previamente, que es uno de los datos de entrada.

64

Tabla 16 tensiones y deformaciones con sus respectivos ajustes por adherencia y pérdida de soporte

Tensiones y Deformaciones Carga ajuste por adherencia ajuste por pérdida soporte

Tensión, psi mstrains Tensión, psi mstrains Tensión, psi mstrains 1 2 3 4 5 6

223 139 336 124 375 124

Tabla 17 Análisis de fatiga en el hormigón y en el asfalto

Análisis de Fatiga por ejes equivalentes Nº de ejes Análisis Fatiga Hormgón Análisis Fatiga Asfalto

equivalentes SR EE Fatiga Asfalto EE Fatiga 18-kip esperados % �strains esperados %

7 8 9 10 11 12 13 4601718 0,577 59120 1,285 124 7772779,287 59,2

Fatiga del Asfalto , %= 82,2 Finalmente, al cabo de 5 años, la fatiga acumulada del asfalto sería de un 82,2%, lo que nos entrega un margen de seguridad cercano al 20%, por lo que es un buen diseño. El espesor requerido de hormigón será de 5,75 in, ya que el valor original de 5,7 in se redondea al 0,25 más cercano.

65

CAPITULO VI ANALISIS DE SENSIBILIDAD

Se estudiaron los siguientes parámetros para ver de qué manera afectan en el

espesor del hormigón final resultante. • Espesor del asfalto • Módulo de reacción de la subrasante k • Módulo de elasticidad del asfalto • Resistencia a la flexión del hormigón • Ejes equivalentes.

Las figuras presentadas a continuación corresponden a los estudios hechos por

el Departamento de Transportes de Estado de Colorado. En ellas se muestran los resultados de la primera versión del estudio, año 1998, y también los de la actualización del año 2004.

En la figura 25, vemos que para el modelo del año 1998, el espesor de

hormigón era relativamente sensible para módulos de reacción bajos. Por lo tanto, el método del año 1998 indicaba que sólo se podía diseñar el pavimento delgado de hormigón si es que el módulo era mayor que 150 psi/in. Este detalle fue alarmante, porque es común encontrar subrasantes con Módulo de Reacción menores a los 150 psi/in., sin embargo esto se solucionó con la actualización del estudio del año 2004, donde se aprecia que la sensibilidad es muy baja.

En la figura 26, se muestra la sensibilidad del espesor del hormigón ante el

factor del módulo de elasticidad del asfalto. Para el estudio del año 1998, que en módulos elásticos bajos la sensibilidad era considerable, y sólo para espesores del asfalto cercanos a 5 in el método de diseño era válido. Este también fue un detalle que hacia poco factible el diseño de whitetopping, ya que 5 in era un espesor muy grueso para los pavimentos candidatos a este sistema de rehabilitación. Con la actualización del estudio, en el 2004, la sensibilidad aun se mantiene, pero el espesor de hormigón es menos sensible para espesores altos.

66

Fig. 25 Sensibilidad del espesor del Hormigón al Módulo de Reacción de la subrasante k

Fig. 26 Sensibilidad del espesor del Hormigón al Módulo Elástico del Asfalto

67

En las figuras 27 y 28, se muestra las sensibilidad en función del la resistencia a la flexión del hormigón y del gradiente de temperatura, respectivamente. Mientras que el espesor requerido de hormigón es algo sensible para la resistencia a la flexión, para la temperatura, se observa que en espesores pequeños de hormigón prácticamente no existe variación de los gradientes de temperatura aplicados en el diseño.

De las figuras 29 a la 31 se muestra la sensibilidad del espesor de hormigón

requerido frente al los ejes equivalentes, basada en el espesor del asfalto, módulo elástico del asfalto y módulo de reacción k de la subrasante respectivamente.

En la figura 29 podemos ver que para el método del año 1998, el espesor del

asfalto se mantenía para EE mayores a 2000000, sólo con menores cantidades de EE se observa cierta variación en el espesor del hormigón requerido.. Esta situación cambia para el estudio del año 2004, en que a medida que aumentamos los EE, el espesor requerido también aumenta, sin importar el espesor del asfalto.

Lo mismo ocurre para el módulo elástico del asfalto y el módulo de reacción k,

a mas EE, mayores espesores resultantes, con una mayor variación en el caso del módulo elástico, y escasas variaciones para con el valor de k.

Estas tendencias confirman que la técnica de rehabilitación whitetopping, esta

pensada para tráficos menores,

68

Fig. 27 Sensibilidad del espesor del hormigón al Módulo de Ruptura del hormigón.

Fig. 28 Sensibilidad del espesor del hormigón al gradiente de temperatura.

69

Fig. 29 Sensibilidad del Espesor del Hormigón al espesor del asfalto, tomando en cuenta ejes equivalentes.

Fig. 30 Sensibilidad del Espesor del Hormigón al Módulo Elástico del Asfalto, tomando en cuenta ejes

equivalentes

70

Fig. 31 Sensibilidad del Espesor del Hormigón, a el Módulo de la Subrasante k, tomando en cuenta ejes

equivalentes.

71

CAPITULO VII DISCUSIONES, CONCLUSIONES Y LINEAS DE INVESTIGACION A SEGUIR.

7.1 DISCUSIONES

Los recapados de hormigón se han utilizado desde hace bastante tiempo, ya

hay reportes del año 1918 (ref..1), sin embargo la técnica Whitetopping es relativamente nueva, su primera aplicación fue en el año 1991, en Kentucky EE.UU. (ref. 2).

En el capitulo 2, se mencionan algunas experiencias en el extranjero, entre ellas

un proyecto en Argentina, en donde se explica el uso de Whitetopping delgado de habilitación temprana (ref..4). Esta sería una buena modalidad para implementar en Chile, principalmente en Santiago, donde las interrupciones al tránsito por periodos largos, puede acarrear severos trastornos al tráfico en horas punta. Algo parecido al Whitetopping se hizo en la reparación de la Alameda (Año 2003), con la diferencia de que el hormigón no se depositó sobre una capa de asfalto, sino que sobre una base estabilizada que se colocó tras remover el pavimento antiguo. También se ha experimentado con pavimentos delgados de hormigón en otras ciudades, como Puerto Montt (ref.. 4), aunque tampoco se han depositado el hormigón sobre asfalto, así que si bien han sido experiencias con buenos resultados, no corresponden exactamente a lo que se conoce como Whitetopping.

Se sabe que en Chile, los accidentes de tránsito son frecuentes, por ende la

seguridad de las vías es un factor muy importante. En la Fig.4 se muestra las menores distancias de frenado en los pavimentos de hormigón en comparación a los pavimentos de asfalto, esto es algo que ayuda a evitar el deslizamiento de los automóviles, por lo tanto, un transitar mas seguro. Además, entre las ventajas del Whitetopping, en la Fig 5, se observa que las fallas del asfalto, bajo la capa de hormigón, no se proyectan hacia a la superficie, otorgando una mayor seguridad.

Se tienen ciertos paradigmas hacia los pavimentos delgados de hormigón,

entre los cuales esta el relacionado al alto costo inicial en comparación a los pavimentos de asfalto, la verdad dice que el costo inicial no es mas que un 10% (ref.. 3). Venciendo este tipo de paradigmas, sería más fácil incorporar nuevas

72

tecnologías y mejorar los estándares de nuestros caminos. En el capítulo 3, sobre el comportamiento de los pavimentos delgados sobre

asfalto, la adherencia entre las capas de hormigón y el asfalto es fundamental para el buen funcionamiento del pavimento. Hay que tener cuidado con los derrames de combustibles, ya que la adherencia se ve afectada y el rendimiento disminuye. (ref..4).

Según la Tabla 8, la mejor adherencia se obtiene fresando la superficie de

asfalto existente. El fresado de la superficie puede realizarse con la máquina fresadora Roto Mill de CMI Corporation Group, que tiene un rendimiento en condiciones óptimas de 200 metros por hora para una sección de corte de 2,2 mts.(ref. 6).

A pesar de que los pavimentos delgados de hormigón sobre asfalto, son pensados con una adherencia total, el comportamiento indica que se consigue una adherencia parcial, y por lo tanto en el diseño debe incluirse un ajuste por adherencia.

En cuanto al diseño (capítulo 4) de los pavimentos delgados de hormigón, aún no existe un método ampliamente aceptado para diseñar Whitetopping, razón por la cual, en la revisión de la literatura relacionada, se encontraron varios Métodos de Diseño, pero se estudió más profundamente el del Estado de Colorado, porque este incluía el uso de Ejes Equivalentes, parámetro que se utiliza en los Métodos de Diseño del Manual de Carreteras.

Los valores de la Tabla 16, nos muestra que con el Método CDOT adaptado al

uso de Ejes Equivalentes, entrega resultados razonables.

7.2 CONCLUSIONES

Basándose en la información recopilada, el análisis de ésta y el diseño d un

tramo de prueba, se puede concluir los siguientes puntos:

73

• Se identificaron 3 factores que inciden en el buen comportamiento de los

pavimentos delgados de hormigón sobre asfalto, estos son: la adherencia entre la capa de hormigón y la capa de asfalto existente, el espesor de la capa de asfalto existente y el espaciamiento entre las juntas.

• Una buena adherencia en la interfaz hormigón/asfalto es esencial para la

aplicación exitosa del Whitetopping. • De todas las alternativas evaluadas en la preparación de la superficie asfáltica

existente, la de mejores resultados fue la de fresar y limpiar profundamente antes de depositar el hormigón.

• Para el espesor del asfalto, se recomiendo un espesor mínimo de 75 mm, en el

caso del diseño del tramo de prueba, se contó con 100 mm. • El espaciamiento de las juntas se estima como máxima separación, 1,80 m para

los pavimentos delgados. En el caso de los ultradelgados, las separaciones son menores, llegando incluso a los 60 cm.

• Se identifica la falla en las esquinas de las losas como la más común, y se

recomienda aumentar el espesor en esa zona. • La adaptación del Método CDOT al uso de EE, hace compatible el diseño con lo

que se utiliza actualmente en Chile, el Método AASHTO. • El Método CDOT sólo debe utilizarse para el diseño de pavimentos delgados de

hormigón (10 a 20 cm.), para el diseño de ultradelgados, convencionales.

7.3 LINEAS DE INVESTIGACIÓN A SEGUIR

• Se necesitan mayores datos en cuanto al funcionamiento a largo plazo de los

pavimentos delgados de hormigón. Cualquier dato nuevo recopilado de ser estudiado e incorporado al diseño. Como ejemplo el caso de la temperatura se incluyó, pero variando escasamente el gradiente. Será interesante desarrollar un nuevo modelo computacional en que este factor este presente de una manera más amplia.

• Es de vital importancia monitorear los tramos de prueba, y para ello es necesario

un método de evaluación y seguimiento. En el informe se presentan algunas

74

pautas a seguir, como la extracción periódica de testigos, y la instalación de strain gages para controlar las deformaciones.

• Aprovechando el diseño ya realizado, el lógico siguiente paso, es construir el

tramo de prueba propuesto, y recopilar la mayor cantidad de datos posibles que aporten a mejorar la aplicación de los pavimentos delgados.

• Se deben desarrollar especificaciones técnicas precisas en cuanto a los

materiales utilizados, maquinaria utilizada y controles de laboratorio. • No hay que dejar de lado los pavimentos ultradelgados como alternativas para

vías de tráfico menor. Se debe estudiar algún método específico de diseño para ellos.

• Se puede desarrollar un análisis económico que compare las distintas técnicas de

rehabilitación de pavimentos flexibles disponibles, con la técnica Whitetopping. • En el análisis de sensibilidad presentado, no se encuentra presente el factor de

espaciamiento de las juntas. Falta incluir este aspecto, que se identificó como importante en el funcionamiento de los pavimentos delgados de hormigón.

• La idea final de todas estas recomendaciones, es disponer de una alternativa

viable y respaldada por estudios y experiencias empíricas, para así poder incluirla entre las distintas formas de rehabilitación que hoy se conocen y que están en el Manual de Carreteras.

75

7.4 REFERENCIAS

1. APLICACIONES DE CAPAS DE CONCRETO SOBRE PAVIMENTOS DE ASFALTO (WHITETOPPING), NOTAS TÉCNICAS INSTITUTO COLOMBIANO DE PRODUCTORES DE CEMENTO. 1999. Colombia

2. COLE LAWRENCE W., SHERWOOD JAMES AND QI XICHENG. Accelerated

Pavement Testing of Ultrathin Whitetopping. 1999. Reno EE.UU. 3. COVARRUBIAS JUAN PABLO, Pavimentos Delgados de Hormigón. Conferencia

ICH.2005 4. DALIMIER MARCELO, SAADE JOSE L.Y FERNÁNDEZ LUCO LUIS, Primer

Experiencia en Argentina con Recubrimientos Delgados de Hormigón en Habilitación Temprana: Procedimiento Constructivo, Control de Calidad y Evaluación Preliminar de su Desempeño. 1999, Buenos Aires Argentina

5. DIRECCION NACIONAL DE VIALIDAD, <http://www.vialidad.cl> 6. DIRECCION REGIONAL DE VIALIDAD II REGION- ANTOFAGASTA.

Estratigrafía de Cargas por Eje a partir de Mediciones con Sistema Remoto de Pesaje Dinámico. 2005.

7. INFORME PRUEBA DE CONSTRUCCIÓN SISTEMA DE REHABILITACIÓN DE

PAVIMENTOS ULTRA THIN WHITETOPPING (UTW), Experiencia en Chile.2003

8. MACK JAMES W.,HAWBAKER LON D. AND COLE LAWRENCE W. Ultrathin Whitetopping State of the Practice for Thin Concrete Overlays of Asphalt. 1998 EE.UU.

9. MATTHEW J. SHEEHAN, SCOTT M. TARR AND SHIRAZ TAYAJBI,

Instrumentation and Field Testing of Thin Whitetopping Pavement in Colorado and Revision of the Existing Colorado Thin Whitetopping Procedure. 2004.

10. NCHRP SYNTHESIS 338, THIN AND ULTRA-THIN WHITETOPPING.

Transportation Research Board.2004. EE.UU. 11. SANHUEZA MARCELA, Departamento Hormigón, Laboratorio Nacional de

Vialidad. Comunicación Personal.

76

12. WHITETOPPING, System Analysis Tool. <http://www.whitetopping.com>

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