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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAFACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE LOS PAVIMENTOS CON MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS APLICADOS EN LA RED VIAL DE LA PANAMERICANA SUR
TESIS
PARA OPTAR EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS CON MENCIÓN EN INGENIERÍA DE TRANSPORTE
ELABORADO POR
Ing. GINA PATRICIA GILVONIO CANO
ASESOR
M.Sc. Ing. EDWIN WILDER APOLINARIO MORALES
LIMA-PERÚ
2014
1
2
ÍNDICE
CAPITULO I: GENERALIDADES
1.1 Planteamiento del Problema 05
1.1.1 Formulación del Problema 06
1.2 Justificación 07
1.3 Objetivos 07
1.3.1Objetivo General 07
1.3.2 Objetivos Específicos 07
1.4 Hipótesis 08
1.4.1 Hipótesis General 08
1.4.2 Hipótesis Específicas 08
1.5 Variables 08
CAPITULO II: MARCO TEÓRICO
2.1. Antecedentes relacionados con el tema 09
2.1.1.A nivel nacional 09
2.1.2.A nivel internacional 12
2.2. Bases teóricas que sustentan el estudio 20
2.2.1 Mezcla Asfáltica Modificada 20
2.2.1.1 Definición de Asfalto Modificado 20
2.2.1.2 Definición de Polímero 20
2.2.1.3 Modificación del Asfalto 21
2.2.1.4 Principales modificadores utilizados en el Asfalto 21
2.2.1.4.1 Asfalto modificado con polímeros tipo elastómeros 21
2.2.1.4.2 Asfalto modificado con polímeros tipo plastómeros 23
2.2.1.5 Estructura de los asfaltos modificados 26
2.2.1.6 Propiedades modificadas 27
2.2.1.7 Susceptibilidad térmica de los asfaltos modificados con polímeros SBS 28
2.2.1.8 Ventajas del sistema Asfalto – SBS en carpetas asfálticas 29
2.2.1.9 Desventajas del sistema Asfalto – SBS en carpetas asfálticas 30
2.2.1.10 Selección del polímero 31
2.2.1.11 Interpretación de ensayos de laboratorio 32
2.2.1.11.1 Punto de inflamación y de llama 333
2.2.1.11.2 Ensayo de penetración de materiales asfálticos 33
2.2.1.11.3 Ductilidad de materiales bituminosos 33
2.2.1.11.4 Punto de ablandamiento de materiales bituminosos 34
2.2.1.11.5 Efecto de calor y aire en película delgada rotativa 34
2.2.1.11.6 Recuperación elástica por torsión 35
2.2.1.11.7 Viscosidad Brookfield 36
2.2.2 Comportamiento del Pavimento 37
2.2.2.1 Definición de Pavimento 37
2.2.2.2 Tipos de Pavimento 37
2.2.2.3 Evaluación Funcional del Pavimento 37
2.2.2.3.1 Índice de la condición del Pavimento 37
2.2.2.3.2 Determinación del IRI y el PSI 40
2.2.2.4 Evaluación Estructural del Pavimento 43
2.2.2.4.1 Procedimiento de medición 43
2.2.2.4.2 Metodología de análisis 44
2.2.2.4.2.1 Cálculo de las deflexiones 45
2.2.2.4.2.2 Análisis de la capacidad estructural 46
2.2.2.4.2.3 Análisis estadístico de los resultados 48
2.2.2.5 Evaluación integral del Pavimento 50
2.2.2.6 Diseño del refuerzo
2.2.2.6.1 Consideraciones en el diseño de la estructura del Pavimento en la
calzada 51
2.2.2.6.1.1 Generalidades 51
2.2.2.6.1.2 Soluciones de la estructura del Pavimento a considerar en la calzada 52
2.2.2.6.2 Información Base y metodologías para el diseño del pavimento 54
2.2.2.6.2.1 Generalidades 54
2.2.2.6.2.2 Método AASHTO 1993 55
2.2.2.6.2.3 Método Racional del Dr. Ruiz 58
CAPITULO III: MANTENIMIENTO PERIÓDICO DE LA CARRETERA PANAMERICANA SUR TRAMO PUENTE SANTA ROSA – PUENTE MONTALVO
3.1. Ubicación del Proyecto 59
3.2. Descripción de la carretera 59
4
3.3. Plano general del Proyecto y secciones típicas 60
3.3.1 Sección 1 Km 1041+600 – km 1053+000 61
3.3.2 Sección 2 Km 1053+000 – km 1091+000 62
3.3.3 Sección 3 Km 1091+000 – km 1105+000 63
3.3.4 Sección 4 Km 1105+000 – km 1139+795 64
3.4 Estudio de tráfico y carga 64
3.4.1 IMD según clase vehicular 65
3.4.2 Ejes estándar de Cargas Equivalentes 66
3.5 Geología 67
3.6 Hidrología y drenaje 68
3.7 Suelos, canteras y fuentes de agua 68
3.8 Evaluación, análisis y diseño del Pavimento 70
3.8.1 Evaluación funcional del pavimento 74
3.8.1.1 Trabajos de campo y resultados de las mediciones de rugosidad 76
3.8.2 Evaluación estructural del Pavimento 78
3.8.2.1 Trabajos de campo y resultados de las mediciones de deflexiones. 78
BIBLIOGRAFÍA 83
5
CAPITULO IGENERALIDADES
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Los asfaltos convencionales poseen propiedades satisfactorias tanto mecánicas
como de adherencia en una amplia gama de aplicaciones y bajo distintas
condiciones climáticas y de tránsito. Sin embargo, ante el creciente incremento de
volumen de tránsito, la magnitud de las cargas y la necesidad de optimizar las
inversiones, se viene usando este tipo de pavimentos con asfaltos modificados que
tienen propiedades que superan a los asfaltos convencionales, razón por la cual se
requiere investigar el comportamiento de los pavimentos con mezclas asfálticas
modificadas en la Red Vial de la Panamericana Sur, tramo Puente Santa Rosa -
Puente Montalvo, en el año 2014; con la finalidad de conocer con qué materiales
y contenido de polímero los pavimentos con mezclas asfálticas tienen mejor
desempeño y consecuentemente mayor tiempo de vida útil.
A altas temperaturas de servicio, puede que el ligante llegue a reblandecerse,
facilitando la deformación de la mezcla (ahuellamiento). El riesgo de aparición de
estas deformaciones es aún mayor en pavimentos sometidos a la circulación de
vehículos pesados. De manera generalizada y sin tener en cuenta otros factores
que pueden influir, se puede disminuir la probabilidad de aparición de estas
deformaciones aumentando la rigidez del ligante mediante el empleo de un asfalto
más duro.
Por otro lado a temperaturas de servicios bajas, el ligante se vuelve relativamente
rígido y va perdiendo poder de resistencia a las tensiones, volviéndose frágil y
6
siendo susceptible de fisuraciones. El grado de susceptibilidad al deterioro está
relacionado con la dureza del asfalto y su capacidad para absorber las
solicitaciones inducidas por el tráfico. Disminuyendo la dureza del asfalto, se
minimizará el riesgo de fallo por fragilidad.
El comportamiento funcional de un pavimento está asociado a la capacidad
funcional que tiene para brindar una superficie segura y cómoda al usuario.
El comportamiento estructural del pavimento, está asociado a la capacidad
estructural que tiene para soportar o resistir las solicitaciones de carga al que
estará sometido durante su período de vida útil; ya que las cargas de los vehículos
pesados producen una pérdida lenta y progresiva de la capacidad de soporte de la
estructura del pavimento.
Teniendo en cuenta lo descrito planteamos los siguientes problemas de nuestra
investigación:
1.1.1. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
Problema General
¿Qué efecto tiene la Mezcla Asfáltica Modificada en el Comportamiento de los
Pavimentos en la Red Vial de la Panamericana Sur, tramo Puente Santa Rosa -
Puente Montalvo, en el año 2014?
Problemas Específicos
¿Qué tipos de mezclas asfálticas modificadas se presentan en la Red Vial de la
Panamericana Sur, tramo Puente Santa Rosa - Puente Montalvo, en el año 2014?
¿Cuál es el comportamiento de los pavimentos en la Red Vial de la Panamericana
Sur, tramo Puente Santa Rosa - Puente Montalvo, en el año 2014?
¿Qué relación existe entre las mezclas asfálticas modificadas y el comportamiento
de los pavimentos en la Red Vial de la Panamericana Sur, tramo Puente Santa
Rosa - Puente Montalvo, en el año 2014?
7
1.2. JUSTIFICACIÓN
El proyecto de investigación tiene gran importancia técnica, porque se evaluará el
comportamiento de los pavimentos con mezcla asfáltica modificada usados en la
Red Vial de la Panamericana Sur, tramo Puente Santa Rosa - Puente Montalvo, en
el año 2014; utilizando nuevas tecnologías constructivas y realizando diferentes
ensayos que han demostrado que los asfaltos modificados con polímeros son
capaces de asimilar mayores tensiones iniciales que las mezclas realizadas con
una mezcla convencional; con el consecuente beneficio al obtener periodos de
diseño y de incrementar la vida útil de los pavimentos.
Por lo general los polímeros con los que se modifica el asfalto son materiales de
desecho o del reciclaje. La utilización de este tipo de materiales para modificar o
mejorar alguna de las propiedades del asfalto, contribuirá al medio ambiente
reduciendo el impacto negativo que producen y podría llegar a generar cultura del
desarrollo sostenible en el área de los pavimentos.
1.3. OBJETIVOS
1.3.1. Objetivo General:
- Determinar el efecto que tiene la mezcla asfáltica modificada en el
comportamiento de los Pavimentos en la red Vial de la Panamericana Sur,
tramo Puente Santa Rosa - Puente Montalvo, en el año 2014
1.3.2. Objetivos Específicos:
- Identificar los tipos de mezclas asfálticas modificadas que se presentan en la
Red Vial de la Panamericana Sur, tramo Puente Santa Rosa - Puente Montalvo,
en el año 2014.
- Describir el comportamiento de los pavimentos de la red Vial de la
Panamericana Sur, tramo Puente Santa Rosa - Puente Montalvo, en el año
2014.
- Establecer la relación que existe entre las mezclas asfálticas modificadas y
comportamiento de los pavimentos en la red Vial de la Panamericana Sur,
tramo Puente Santa Rosa - Puente Montalvo, en el año 2014.
8
1.4. HIPÓTESIS
1.4.1. Hipótesis General
- Las mezclas asfálticas modificadas mejoran el comportamiento de los
Pavimentos en la Red Vial de la Panamericana Sur, tramo Puente Santa Rosa -
Puente Montalvo, en el año 2014.
1.4.2. Hipótesis Específicas
- Los tipos de mezclas asfálticas modificadas que se presentan en la Red Vial de
la Panamericana Sur, tramo Puente Santa Rosa - Puente Montalvo, en el año
2014 son: A y B.
- El comportamiento de los pavimentos en la Red Vial de la Panamericana Sur,
tramo Puente Santa Rosa - Puente Montalvo, en el año 2014 son: R y G
- Existe una relación directa entre la mezcla asfáltica modificada y el
comportamiento de los pavimentos en la Red Vial de la Panamericana Sur,
tramo Puente Santa Rosa -Puente Montalvo, en el año 2014.
1.5. VARIABLES
Variable X : Mezclas asfálticas modificadas.
Variable Y : Comportamiento de los Pavimentos.
9
CAPITULO IIMARCO TEÓRICO
2.1. ANTECEDENTES RELACIONADOS CON EL TEMA
2.1.1. A NIVEL NACIONAL
Título : Aplicación de Micropavimento usando asfalto modificado con
Polímero en la Vía Sullana – Aguas Verdes
Autor : Patricia Inés Salinas Reto
Año : 2009
Institución : Universidad de Piura
País : Perú
Resumen:
El presente trabajo de tesis tiene como objetivos principales: dar a conocer
técnicamente ésta nueva aplicación de micropavimento con asfaltos modificados
con polímeros para la rehabilitación de vías y demostrar la mejora de las
propiedades reológicas del asfalto modificado en relación con el asfalto
convencional.
Se detallan los asfaltos PEN 85-100 provenientes de la refinería de Talara, Repsol
y Conchán que fueron ensayados con los polímeros LG 501, Kraton y Taipol; así
mismo los ensayos para evaluar la compatibilidad y elegir uno, el mismo que se
empleó para la dispersión durante la ejecución del proyecto.
Al comparar los resultados obtenidos con el asfalto modificado respecto de un
asfalto tradicional, se halló que en el diseño de mezcla de un asfalto convencional
10
el porcentaje óptimo de asfalto fue 6.4% mientras que de un asfalto modificado
fue 6.3%. Esto indica que en términos económicos, no hay un “ahorro” durante la
ejecución de la vía, sin embargo sí se espera que se prolongue la vida útil del
pavimento, lo cual significa economizar durante la etapa de operación y
mantenimiento.
Conclusiones:
- La temperatura de mezclado y compactación es superior a la de una mezcla
tradicional debido a los polímeros presentes en la mezcla asfáltica.
- La colocación del micropavimento, es similar a la de una mezcla convencional,
la diferencia radica en la rapidez que requiere, debido al enfriamiento de la
misma.
- Es preferible que se utilicen agregados provenientes de la trituración, para tener
mayor adherencia entre el asfalto y el agregado.
- El contenido de asfalto en el diseño elaborado en la cantera Débora es de 6.3%
y de la cantera Charán 5.7% .Esta diferencia se debe a la absorción y porosidad
de los agregados ya que necesitan mayor cantidad de ligante uno respecto del
otro.
- Existe una relación directa entre la absorción y porosidad de los agregados,
pues hay mayor absorción, cuanto más poroso es el agregado, debido a que los
agregados tienen mayor vacíos que deben ser rellenados por el asfalto.
- El cemento asfáltico + polímero, disminuye la susceptibilidad térmica, mejora
el comportamiento a la fatiga, aumenta la resistencia al envejecimiento,
aumenta la adhesividad árido-ligante, permite el uso del asfalto en mezclas
abiertas, microaglomerados, mezclas drenantes, etc.
Título : Cálculo del Índice de Condición del Pavimento flexible en la
Av. Luis Montero, distrito de Castilla
Autor : Edgar Daniel Rodríguez Velásquez
Año : 2009
Institución : Universidad de Piura
País : Perú
11
Resumen:
La presente tesis tiene como objetivo aplicar el método PCI para determinar el
Índice de Condición de Pavimento en la Av. Luis Montero. Mil doscientos metros
lineales de pista han sido estudiados a detalle para identificar las fallas existentes
y cuantificar el estado de la vía.
La tesis se ha dividido en cinco capítulos. El primero es el marco teórico, donde
se define el concepto de pavimento, su clasificación y se explica la problemática
que se vive en Piura. El segundo capítulo trata de las fallas más comunes que
afectan a los pavimentos urbanos flexibles.
En el tercero, se explica el procedimiento del método: el muestreo de unidades, el
cálculo del PCI, los criterios de inspección, etc. En el capítulo cuatro, se describe
la zona de estudio y se detalla el procedimiento de inspección realizado.
En el último capítulo se presentan las hojas de registro, con el respectivo cálculo
del índice de condición de pavimento para cada unidad de muestra analizada.
Se concluye que la Av. Luis Montero tiene un pavimento de estado regular, con
un PCI ponderado igual a 49. Esta condición del pavimento se debe gracias a las
obras de reparación realizadas el año 2008 que han aminorado la formación de
fallas estructurales, dañinas para el pavimento.
La mayoría de fallas fueron fallas de tipo funcional, que no afectan al tránsito
normal de vehículos, no es necesario disminuir la velocidad libre y no son
percibidas por el conductor, pues no causan daños estructurales.
Finalmente, aunque no es objetivo de la tesis, se han recomendado algunas
técnicas de reparación, de acuerdo a las fallas detectadas, para restituir la carretera
a su estado original.
Conclusiones :
El 37% del total de unidades de muestra inspeccionadas presentan un estado de
pavimento regular (PCI entre 40 y 55); después le sigue un 33% de unidades en
buen estado (PCI entre 55 y 70); un 15%, en estado malo (PCI entre 25 y 40) y un
9% de muy mala condición (PCI entre 10 y 25). Finalmente, un 6% hace
referencia a unidades de muestra con un pavimento de muy buen estado (PCI
entre 70 y 85). No se encontraron pavimentos fallados (PCI entre 0 y 10) ni
excelentes (PCI entre 85 y 100).
Las fallas más frecuentes encontradas son la peladura y la corrugación, ambas de 12
nivel de severidad bajo. Todas las 32 unidades de muestra presentaron estos dos
tipos de falla, pero con densidades variables. Esto ayudó a que el PCI tenga un
estado regular porque estas fallas no afectan al tránsito normal de vehículos. Las
vibraciones dentro del vehículo son mínimas y no es necesario disminuir la
velocidad. La peladura y la corrugación, no son percibidas por el conductor, pues
no causa incomodidad.
Una lechada asfáltica es la combinación de agregado bien graduado con emulsión
asfáltica, agua, filler y aditivos (en caso sean necesarios); la cual es aplicada en
una fina capa para recubrir y proteger la carpeta. Con esta técnica se corrigen
irregularidades superficiales menores (corrugaciones), se evita el desprendimiento
de agregados y peladura, se mejora la resistencia al deslizamiento, se
impermeabiliza la superficie del pavimento y se proporciona una superficie muy
resistente al desgaste.
Un riego pulverizado, en cambio, es la aplicación ligera de una emulsión asfáltica
a la superficie de un pavimento, pero sin el uso de agregados. Se utiliza
principalmente para sellar superficies del pavimento que han comenzado a
presentar desintegraciones como peladuras de severidad baja, debido al
endurecimiento del cemento asfáltico cercano a la superficie.
2.1.2. A NIVEL INTERNACIONAL
Tesis : Comportamiento de una Mezcla Asfáltica Modificada con
Polímero Etileno Vinil Acetato (EVA)
Autor : Maila Paucar Manuel Elías
Año : 2013
Institución : Universidad Central del Ecuador
País : Quito – Ecuador
Resumen Técnico:
El presente trabajo de investigación, fue realizado con el fin de mejorar las
propiedades físico mecánicas de las mezclas asfálticas mediante la incorporación
del polímero Etileno Vinil Acetato (EVA).
Se realizaron ensayos para caracterizar las propiedades de los materiales
utilizados, de acuerdo a procedimientos y especificaciones indicados con su
respectiva norma, se efectuaron ensayos sobre las mezclas convencional y 13
modificada como son Marshall; Cántabro, Tensión indirecta y Módulo Dinámico
Elástico, siendo este el más representativo de la investigación ya que mide las
deformaciones de las mezclas a diferentes temperaturas mediante tecnología
moderna COOPER TECHNOLOGY (CRT-HYD25-II).
Los resultados obtenidos muestran mejoras significativas en las propiedades de la
mezcla asfáltica lo cual permitió concluir que la incorporación del polímero EVA
dentro de una mezcla convencional le da características de durabilidad e
incrementa sus propiedades físico-mecánicas para disminuir el deterioro y daños
viales producidos por cargas de tráfico.
Conclusiones:
- La mezcla modificada óptima de la investigación quedó constituida por 60 por
ciento de agregado grueso, 40 por ciento de agregado fino, 6.3 por ciento de
asfalto y 3 por ciento de polímero EVA (en peso de asfalto).
- La mejora más significativa es en el módulo dinámico elástico ya que se
incrementa hasta en un 40 por ciento con respecto a la mezcla convencional,
siendo esta una de las propiedades más importantes en el diseño de pavimentos,
generará carpetas asfálticas de menor espesor con la misma capacidad
estructural tal como se demuestra con los ejemplos de diseño de pavimentos
flexibles realizados en el capítulo 7.
- El módulo dinámico elástico es la propiedad que mide la resistencia a las
deformaciones; en la mezcla investigada se tiene que el módulo dinámico es
ampliamente superior al de la mezcla convencional por lo que se asegura que
este tipo de mezcla va a tener características de mayor durabilidad como de vida
útil.
Título : Análisis comparativo de Mezclas asfálticas Modificadas con
polímeros SBR y SBS con agregados provenientes de la Cantera
Guayllabamba
Autor : Stalim Wladimir López Jácome
Yadira Alexandra veloz Vásquez
Año : 2013
Institución : Escuela Politécnica del Ejército
País : Ecuador 14
Resumen:
El proyecto de tesis “Análisis comparativo de mezclas asfálticas modificadas con
polímeros SBR y SBS, con agregados provenientes de la cantera de
Guayllabamba”, tiene como finalidad brindar al lector una guía básica sobre el
uso de mezclas asfálticas modificadas con polímeros. Este documento deberá ser
tomado de manera referencial y como ayuda para que el lector establezca sus
propias especificaciones en proyectos particulares, como es de conocimiento
general los resultados de diseño están en función a las características de los
materiales utilizados en el proyecto.
Además, este documento presenta detalladamente los procedimientos que se
deben realizar para los ensayos de caracterización del agregado pétreo, asfalto y
emulsión asfáltica, modificadas con diferentes porcentajes de polímero SBS y
SBR, estableciendo los porcentajes óptimos de asfalto o emulsión según sea el
caso y el porcentaje óptimo de polímero para la mezcla, así como realizar un
análisis comparativo entre las mezclas asfálticas sin modificar y modificadas con
polímero, teniendo en cuenta las propiedades de estabilidad y flujo de cada
mezcla.
Conclusiones :
- El porcentaje óptimo de polímero SBS para la mezcla en caliente es el 2.5%,
con este porcentaje óptimo tenemos una estabilidad de 1550 lb teniendo una
mejora del 88.10% en este parámetro, y un flujo de 16.5 (0.01 pul.) teniendo
incremento del 13.33%.
- La mezcla asfáltica en caliente de la investigación quedó constituida por 59%
de agregado grueso, 41% de agregado fino, 5.5% de asfalto y 2.5% de polímero
SBS.
- El contenido óptimo de polímero SBR en la mezcla en frío es el 3.0%, con este
porcentaje óptimo tenemos una estabilidad de 2667 lb teniendo una mejora del
3.68% en este parámetro, y un flujo de 28 (0.01 pulg) teniendo incremento del
3.70%.
- Las mezclas en caliente con polímero SBS por sus características de estabilidad,
flujo y por sus condiciones de ensayo son aptas para capas de rodadura,
mientras que las mezclas en frío se las utiliza en el diseño de carpetas asfálticas 15
como base mejorada, debido a que las mezclas en caliente usan solo asfalto
como ligante por lo cual existe una mayor cohesión y las mezclas en frío al
utilizar emulsión asfáltica que contiene agua al momento de ser colocada en
obra esta se evapora dejando espacios entre agregado.
Título : Diseño de Microaglomerado discontinuo en Caliente
Modificado con Polímero Reciclado
Autor : Luis Alberto Muñoz Vásquez
Año : 2013
Institución : Universidad del Biobío
País : Chile
Resumen:
Los Microaglomerados Discontinuos en Caliente son mezclas asfálticas basadas
en la utilización de áridos de granulometría discontinua y cementos asfálticos
modificados con elastómeros, permitiéndole potenciar sus características
mecánicas.
En la actualidad, la producción de residuos plásticos se presenta como un
importante problema ambiental. Esto genera la necesidad de encontrar nuevos
métodos y técnicas que permitan reutilizarlos.
En esta investigación se propuso sustituir el cemento asfáltico con elastómeros,
por un cemento asfáltico tradicional que incorpora polímero reciclado, de tal
forma evaluar sus características mecánicas en base al Método de Pérdida por
Desgaste, el cual caracteriza una mezcla a partir de la pérdida por desgaste y los
huecos de aire en mezcla. Los resultados muestran que al incorporar polímero
reciclado, los huecos de aire en la mezcla
aumentan hasta un punto porcentual por sobre la curva de diseño normal, y la
perdida por desgaste presenta su mínimo valor para el 5% de polímero reciclado
incorporado.
Conclusiones:
- La temperatura es considerada una condición fija en el diseño de las mezclas,
fuese patrón o modificada, y esta viene dada por los requisitos de diseño. Pero,
al tratarse de un cemento asfáltico tradicional y al cual se le incorpora un 16
polímero que presenta una temperatura de mezclado muy inferior (temperatura
ambiente), esta condición pasa a ser un factor determinante a la hora de su
eficiencia en la absorción del polímero.
- De esta forma se propuso como diseño para un Microaglomerado discontinuo
en caliente modificado con polímero reciclado, el correspondiente al 5% de
cemento asfáltico y 5% de polímero incorporado, esto puesto que el 5% de
cemento asfáltico es lo mínimo que se puede utilizar de acuerdo a los requisitos
de diseño, y con un 5% de polímero, ya que este valor equilibra de manera
adecuada la perdida por desgaste (14.7%) y los huecos de aire en la mezcla
(25.5%).
- Finalmente se ha propuesto un diseño de mezcla discontinua monogranular en
caliente modificada con polímero reciclado que cumple con los requisitos
establecidos en el diseño, lo cual la hace técnicamente factible de utilizar, pese
a que existe una pérdida de calidad de 14,7% en términos de perdida por
desgaste, y 24,5% en relación a los huecos de aire en la mezcla. Sin embargo,
esta pérdida se puede aceptar en conformidad a requerimientos ambientales.
Título : Estado del Conocimiento de Asfaltos Modificados en Colombia
y su Influencia en la Pavimentación
Autor : María Angélica Pérez Nieto
Jenny Alejandra López Daza
Año : 2012
Institución : Universidad de San Buenaventura
País : Colombia
Resumen:
En este trabajo es realizada una revisión del estado del arte de la modificación de
mezclas asfálticas tomando esta tecnología como alternativa para la solución de
problemas en las propiedades mecánicas del asfalto convencional, puesto que con
el trascurrir del tiempo, estos disminuyen su vida útil como consecuencia de su
exposición a factores como altas temperaturas, humedad y elevados niveles de
tránsito, presentando problemas de deformación, fatiga y otros. Se realizó
inicialmente la búsqueda de la información, de la cual se seleccionaron las
investigaciones consideradas como las más adecuadas tomando como población 17
muestra las investigaciones realizadas en Colombia para el tratamiento de la
temática, teniendo en cuenta que los datos presentados en ellas analizan factores
económicos, ambientales y de rendimiento. Se determinaron puntos claves del
desarrollo de las investigaciones como son objetivos, problema de investigación,
tipos de aditivos, metodología, ensayos realizados, resultados, recomendaciones y
conclusiones, lo cual permitió la conceptualización del desarrollo y evolución de
los asfaltos modificados en Colombia, además de identificar cuáles han sido los
agentes modificadores más trabajados. Se concluye que los polímeros son los
modificadores más utilizados y proporcionan mejor rendimiento, lo que garantiza
mayor tiempo de vida útil y posible aplicación en la pavimentación de vías
primarias, secundarias y terciarias; a pesar de tener un valor económico superior a
los convencionales.
Conclusiones:
Por lo general los aditivos utilizados como agentes modificadores en su mayoría
son polímeros, quienes proporcionan mejoras en las propiedades del asfalto o las
mezclas, contribuyendo al ambiente al reducir el impacto negativo que producen
al mismo, razón que podría llegar a generar cultura del desarrollo sostenible en el
área de los pavimentos.
Para evaluar los cambios en la composición genérica del ligante después de
modificados el análisis más utilizado es el SARA, siendo este el que permite
determinar cuáles son los porcentajes que presenta la mezcla de Saturados,
Asfáltenos, Resinas y Aromáticos.
Si se establece la dosificación y tamaño adecuado de cada polímero (Icopor 14%,
SBS y Elvaloy 4,5% y PVC del 5-7% en peso de la muestra), es posible obtener
un ligante asfáltico de calidad que a pesar de ser más costoso que el convencional,
garantice mejores condiciones en las propiedades mecánicas del asfalto,
aumentando el tiempo de vida útil y pudiendo ser empleado en la pavimentación
de vías primarias, secundarias y terciarias.
Para lograr mayor homogeneidad en la mezcla debe emplearse el método de
dispersión de asfalto, lo cual garantiza una mejor distribución de las partículas de
la mezcla.
18
Título : Metodología para la Evaluación de Pavimentos flexibles de
Carreteras para proyectos de Rehabilitación en Cuba, a partir de
la medida de deflexiones con viga Benkelman
Autor : Ing. María de la Caridad Alvarez Quintero
Año : 2010
Institución : Instituto Superior Politécnico José Antonio Echevarría
País : Cuba
Resumen:
La evaluación del estado del pavimento es una tarea de alto nivel técnico por la
multitud de causas que intervienen en el deterioro de los mismos, así como por el
costo económico que implica, por lo que la decisión más difícil que ha de tomar el
ingeniero es, como y cuando rehabilitar el pavimento de manera rentable, ya que
una decisión de esta naturaleza no se puede realizar sin una información a tiempo
y precisa sobre el estado del pavimento.
El equipamiento necesario para la realización de la evaluación existente en
nuestro país es escaso y es de 1ra Generación ó de bajo rendimiento,
(especialmente la viga Benkelman), por lo que se requiere de la mayor
racionalidad en el uso de los mismos y de la confección de una metodología para
la evaluación de pavimentos flexibles de carreteras, para proyectos de
rehabilitación en Cuba, a partir de la medida de deflexiones, que sirva como guía
para la ejecución de la evaluación de pavimentos.
En los estudios de rehabilitación de pavimentos se tienen en cuenta diversos
factores con el propósito de obtener una solución racional debido a la carencia en
Cuba de alta tecnología para evaluar los pavimentos, lo que ha llevado a la
búsqueda de soluciones económicas que permitan conocer el estado estructural del
pavimento con una fiabilidad admisible.
En este trabajo de tesis se comentan estas experiencias, tanto en los análisis de la
rehabilitación de los pavimentos, como la determinación de los espesores de
refuerzo necesarios y el objetivo final será establecer mediante una metodología,
la forma de proceder para abordar un proyecto de rehabilitación mediante el uso
de equipos de medición que existen en el país.
Conclusiones: 19
- La aplicación de esta metodología en el análisis de las actuaciones ha
contribuido con soluciones más efectivas y racionales, porque se dispone de un
procedimiento para las investigaciones de cargas del tráfico que ofrece
resultados confiables, las evaluaciones realizadas con la viga Benkelman se
corresponden con las ondulaciones de las estructuras, y se ha confirmado el
comportamiento de las estructuras en nuestras condiciones climáticas, que
fueron establecidas con anterioridad en la normativa cubana de diseño de
pavimentos flexibles.
- Se logra una economía de los recursos, porque de acuerdo a las políticas
actuales de no haberse realizado este estudio, aplicando la metodología
propuesta, las decisiones para la rehabilitación de esta vía serian, el tradicional
“Recape” ó el típico planteamiento de “existe fallo en la base ó subbase”, sin
ningún fundamento teórico y práctico.
Título : Análisis de Pavimento Asfáltico Modificado con Polímero
Autor : Fernando Andrés Wulf Rodríguez
Año : 2008
Institución : Universidad Austral de Chile
País : Chile
Resumen:
En el presente trabajo de titulación se ejecuta un análisis de pavimento asfáltico
modificado con polímero.
Se realiza un estudio de dosificación de concreto asfáltico convencional en
caliente y un concreto asfáltico modificado con polímero en caliente, ambos con
un tamaño máximo de 20 mm. (3/4”) de los áridos para tránsito pesado.
Se describen los procesos de identificación de las muestras, granulometrías,
constantes físicas e hídricas, dosificación de los áridos en peso, características de
la mezcla, parámetros Marshall y se confecciona la mezcla de trabajo.
También se expone el asfalto, los polímeros, los asfaltos modificados con
polímero y las capas asfálticas estructurales.
Conclusiones :
20
Al analizar los resultados obtenidos de estabilidad y fluencia queda demostrado
que las mezclas asfálticas elaboradas con asfaltos modificados posee un mejor
comportamiento que las mezclas elaboradas con asfalto convencional, tal como se
esperaba, ya que la finalidad de modificar los asfalto es mejorar sus propiedades.
Los objetivos que se persiguen con la modificación de los asfaltos con polímeros,
es contar con ligantes más viscosos a temperaturas elevadas para reducir las
deformaciones permanentes (roderas), pues los asfaltos modificados presentan
una mayor recuperación de su forma, por lo tanto, menor deformación permanente
de las mezclas que componen las capas de rodamiento.
Como se observó en las pruebas de laboratorio realizadas a ambos materiales,
podemos decir que el asfalto modificado con polímero, debido a su alta
estabilidad puede ser sometido a una carga máxima mayor que el asfalto
tradicional.
2.2. BASES TEÓRICAS QUE SUSTENTAN EL ESTUDIO
2.2.1.MEZCLA ASFÁLTICA MODIFICADA
2.2.1.1. Definición de Asfalto Modificado1 Los materiales asfálticos modificados son el producto de la disolución o
incorporación en el asfalto de un polímero o de caucho molido de neumáticos, que
son sustancias estables en el tiempo a cambios de temperatura, que se le añaden al
material asfáltico para modificar sus propiedades físicas y reológicas, y disminuir
su susceptibilidad a la temperatura y a la humedad, así como a la oxidación.
Los modificadores producen una actividad superficial iónica, que incrementa la
adherencia en la interfase entre el material pétreo y el material asfáltico,
conservándola aún en presencia del agua. También aumentan la resistencia de las
mezclas asfálticas a la deformación y a los esfuerzos de tensión repetidos y, por lo
tanto, a la fatiga. Así también, ellos reducen el agrietamiento, así como la
susceptibilidad de las capas asfálticas a las variaciones de temperatura. Estos
modificadores, por lo general, se aplican directamente al material asfáltico, antes
de mezclarlo con el material pétreo.
2.2.1.2. Definición de Polímero
1 Agnusdei, Jorge O (2000). Asfaltos modificados con polímeros, Laboratorio de Entrenamiento Multidisciplinario para la Investigación Tecnológica (LEMIT), (pp 1-35). Argentina
21
2 Los polímeros son sustancias de alto peso molecular formada por la unión de
cientos de miles de moléculas llamadas monómeros (compuestos químicos con
moléculas simples). Se forman así moléculas gigantes que toman formas
diversas: cadenas en forma de escalera, cadenas unidas o termo fijas que no
pueden ablandarse al ser calentadas, cadenas largas y sueltas.
2.2.1.3. Modificación del Asfalto
La modificación del asfalto es una nueva técnica utilizada para el
aprovechamiento efectivo de asfaltos en la pavimentación de vías carreteras. Esta
técnica consiste en la adición de polímeros a los asfaltos convencionales con el fin
de mejorar sus características mecánicas, es decir, su resistencia a las
deformaciones por factores climatológicos y del tránsito (peso vehicular).
Los objetivos que se persiguen con la modificación de los asfaltos con polímeros,
es contar con ligantes más viscosos a temperaturas elevadas para reducir las
deformaciones permanentes, de las mezclas que componen las capas o superficie
de rodamiento, aumentando la rigidez. Por otro lado disminuir el fisuramiento por
efecto térmico a bajas temperaturas y por fatiga, aumentando su elasticidad.
Finalmente contar con un ligante de mejores características adhesivas.
La reducción de la susceptibilidad térmica, el incremento de su capacidad
adhesiva y su mejor comportamiento frente a los agentes del envejecimiento, son
algunos de los más importantes cambios que redundan en una mayor durabilidad
de los pavimentos y una reducción en los costos de mantenimiento.
2.2.1.4. Principales Modificadores utilizados en el Asfalto
2.2.1.4.1. Asfaltos modificados con polímeros tipo elastómeros
Se requiere mezclar tres componentes: asfalto, resina base y un endurecedor, lo
que complica la modificación ya que debe existir compatibilidad entre estos.
2 Agnusdei, Jorge O (2000). Asfaltos modificados con polímeros, Laboratorio de Entrenamiento Multidisciplinario para la Investigación Tecnológica (LEMIT), (pp 1-35). Argentina
22
Figura 1. Elastómero (Fuente: García, 2010, p. 12)
Los asfaltos modificados tienen una elevada resistencia mecánica, gran resistencia
a la tracción, buen poder humectante y adhesión a los agregados. Si el trabajo con
este tipo de asfalto es realizado dentro de los parámetros correctos, su tiempo de
vida está condicionado por la vida del agregado, no por el asfalto; en otras
palabras el pavimento se deteriora por trituración o abrasión del agregado antes
que por la falla del ligante (asfalto). Su resistencia al envejecimiento es excelente.
Son empleados para casos específicos como:
o Zonas de frenado intenso, donde se requiere una gran resistencia al
drenaje.
o Zonas donde se requiere resistir a las maniobras o a los agentes
químicos.
o Zonas donde se requiere mantener una buena rugosidad durante largos
periodos de tiempo.
Látex, hule natural, SBS, SBR
Este tipo de polímero es el más utilizado en la modificación del asfalto, el efecto
de la adición de estos al asfalto es aumentar su intervalo de plasticidad y disminuir
la susceptibilidad térmica.
El punto de ablandamiento puede aumentar hasta 20°C, a temperaturas inferiores
a 70°C los asfaltos tienen menor penetración, esto es interesante ya que a estas
temperaturas se dan deformaciones en las superficies de rodamiento.
23
Figura 2. SBR Figura 3. SBS procesado
Los asfaltos son más duros pero siguen siendo elásticos lo que evita la formación
de roderas y el agrietamiento de las mismas. La rigidez de estos asfaltos ayuda a
soportar los largos tiempos de carga sin deformaciones.
Entre -10°C y + 10°C el elastómero proporciona al asfalto mayor elasticidad sin
aumentar la rigidez.
Hule de llanta:
Las propiedades que adquiere el asfalto al añadirle este tipo de hule son similares
a las que se obtienen con el polímero SBR o SBS aunque, se deben utilizar
dosificaciones más elevadas. Las llantas para ser utilizadas como agentes
modificadores de asfalto requieren de un proceso físico para reducir sus
dimensiones, el cual suele ser complejo.
Figura 4. Hule de llanta triturado.
Estos asfaltos modificados presentan altas viscosidades por lo que se requiere el
empleo de algún fluidificante, alrededor del 6% de queroseno. Son usados
principalmente en riegos de sello destinados a absorber las grietas debidas a 24
contracciones y dilataciones, estos riegos son llamados SAM (membranas de
absorción de tensiones).
2.2.1.4.2. Asfaltos modificados con polímeros tipo plastómeros
Debido a la forma en que estos polímeros se incorporan al asfalto aumentan de
forma considerable su viscosidad, incluso en bajas dosificaciones.
Si se aumenta la concentración del polímero, se llega a un punto en el cual la
mayoría de los aceites están asociados con el polímero y se produce un cambio
drástico en las propiedades físicas del asfalto. Estas se acercan más a las
propiedades del polímero que a las del asfalto.
Figura 5. Plastómero
Esto sucede cuando el contenido del polímero va de 8 – 10%, en este punto, el
asfalto aumenta el intervalo de plasticidad, aumenta la resistencia a la ruptura,
disminuye su sensibilidad térmica sobre todo en el intervalo de temperaturas de
aplicación.
Polietileno
Este polímero no tiene una alta compatibilidad con el asfalto ni le confiere
propiedades espectaculares, pero se usa ya que es un componente de bajo costo y
soluciona un problema ecológico, al poder disponer de los desechos de este
material en las carreteras.
25
Figura 6. Polietileno
Los asfaltos modificados con este tipo de polímero termoplástico cuando son
añadidos en bajas proporciones, poseen las siguientes propiedades:
Buena resistencia al calor.
Buena resistencia al envejecimiento.
Baja viscosidad.
En el plano mecánico:
Buena flexibilidad a baja temperatura.
Cuando es utilizado en concentraciones de 7% aumenta la rigidez del asfalto
a temperaturas elevadas.
Buena resistencia a deformaciones permanentes.
Policloruro de Vinilo (PVC)
Este polímero conocido científicamente como policloruro de vinilo tiene baja
compatibilidad con el asfalto, no es resistente al calor y se descompone por la
acción de la luz solar.
Figura 7. PVC gránulo suave
26
Resiste muy bien al agua y/o agentes químicos; es por esto que no es utilizado
para la modificación de asfalto.
Etilo-Vinil-Acetato (EVA)
Los polímeros o resinas Etilo-Vinil - Acetato son relativamente nuevos en la
modificación de asfaltos, son muy compatibles con estos.
La relación acetato de vinilo/ etileno es muy importante, pudiéndose variar el
contenido de acetato de vinilo de algún % hasta 50% o incluso más. Cuando los
contenidos de acetato de vinilo son bajos las propiedades se asemejan a las de los
asfaltos mencionados anteriormente.
Figura 8. EVA
Un polímero EVA con un contenido del 18% de acetato de vinilo es el más
adecuado para ser usado en la construcción de carreteras. Cuando se aumenta la
concentración de acetato de vinilo en el polímero (15 a 30%), adquiere un
excelente poder adherente.
Los asfaltos modificados con EVA poseen las siguientes características:
Buena estabilidad térmica a un costo razonable.
Las dosificaciones de polímero oscilan entre el 2 hasta un 10% dependiendo
de las propiedades que se pretende obtener.
La temperatura de ablandamiento aumenta entre 6 y 12°C.
Excelente resistencia al resquebrajamiento en flexión es decir a las fatigas
provocadas por las flexiones o vibraciones repetidas.
Aumentan la cohesión de las mezclas a medida que se aumenta el contenido
del polímero.
2.2.1.5. Estructura de los asfaltos modificados27
3 Los asfaltos modificados con polímeros están constituidos por dos fases: una
formada por pequeñas partículas de polímero hinchado y otra, por asfalto.
El efecto principal de añadir polímeros a los asfaltos es el cambio en la relación
viscosidad – temperatura (sobre todo en el rango de temperaturas de
servicio de las mezclas asfálticas), permitiendo mejorar de esta manera el
comportamiento del asfalto tanto a bajas como a altas temperaturas.
3 Miller, José (1997). Asfalto modificado con polímeros. Libro de ponencias del I Congreso Nacional del Asfalto, Lima.
28
2.2.1.6. Propiedades modificadas4 La figura 9 pretende mostrar únicamente en términos generales lo que
sucede con las propiedades del asfalto al ser modificado con polímeros.
La penetración baja y el punto de ablandamiento aumenta por lo que se vuelve un
asfalto más resistente y mucho menos propenso a fluir a altas temperaturas. Sin
embargo, a bajas temperaturas no se fractura ya que en este punto predominan las
propiedades elásticas del polímero incorporado.
Figura 9. Propiedades modificadas de los asfaltos. Fuente: Libro de ponencias del I Congreso Nacional de Asfaltos (Marzo 1997)
El efecto principal de añadir polímeros al cemento asfáltico es el cambio obtenido
en la relación viscosidad-temperatura, sobre todo el rango de temperaturas de
El efecto principal de añadir polímeros al cemento asfáltico es el cambio obtenido
en la relación viscosidad-temperatura, sobre todo el rango de temperaturas de
servicio de las mezclas asfálticas, permitiendo mejorar de esta manera y
simultáneamente el comportamiento tanto a altas como a bajas temperaturas del
ligante. La situación ideal es aquella de aquel asfalto que mantiene su
consistencia en un amplio intervalo de temperatura. La figura 10, ilustra este
efecto para un tipo de asfalto modificado.
4 Chávez Roldan, Iván (2007) El perfeccionamiento de los cementos asfálticos (II). Revista Ingeniería y Construcción (Edición Nº 12). Lima
29
Figura 10. Relación viscosidad – temperatura. Fuente: Revista Ingeniería y Construcción Edición Nº12
2.2.1.7. Susceptibilidad térmica de los asfaltos modificados con polímero SBS
Haciendo uso de un diagrama BTDC (Bitumen Date Test Chart) desarrollado por
Heukelom, veremos cómo son los cambios en la susceptibilidad térmica de los
asfaltos convencionales cuando son modificados con polímeros tipo SBS.
En la figura 11, puede apreciarse que un asfalto convencional empleado en
pavimentación, presenta una variación lineal de su consistencia con la
temperatura. Por el contrario, el mismo asfalto modificado SBS muestra un
comportamiento no lineal. Esta diferenciación en el comportamiento de estos
materiales justifica las ventajas de utilización de este tipo de productos.
Tal como se aprecia, en las zonas de bajas temperaturas, el asfalto modificado
presenta mejores características de flexibilidad que el asfalto convencional, como
lo indican los valores más bajos de consistencia.
En el rango de temperaturas de servicio, 60 – 70ºC, el asfalto modificado presenta
menor susceptibilidad térmica, con consistencias elevadas, lo que asegura una
buena resistencia de las mezclas asfálticas a las deformaciones permanentes.
Finalmente, en las zonas de las temperaturas de mezclado en la planta asfáltica, el
asfalto modificado presenta una viscosidad algo mayor que la del asfalto
convencional, pero de ninguna manera dificulta las operaciones de preparación de
las mezclas.
30
Figura 11. Comportamiento reológico de los asfaltos modificado con SBS. Fuente: Asfaltos modificados con polímeros, Laboratorio de Entrenamiento Multidisciplinario
para la Investigación Tecnológica (LEMIT), Diciembre de 2000.
2.2.1.8. Ventajas del Sistema Asfalto-SBS para carpetas asfálticas5 El objetivo perseguido con las adiciones de polímero en el asfalto es
cambiar las propiedades físicas y reológicas del ligante porque:
1. Disminuye la susceptibilidad térmica.
2. Se mejora su recuperación elástica cuando es sujeto a altas y lentas cargas.
3. Aumenta su resistencia a deformaciones permanentes debidas a altas
temperaturas, como altas y lentas cargas.
4. Se mejora la resistencia a la fractura permanente ocasionada por bajas
temperaturas y/o cambios bruscos en las cargas aplicadas, ya que una falta de
flexibilidad da lugar a las fracturas permanentes.
5. Mejora considerablemente su resistencia a la fatiga.
6. Se obtienen mezclas más rígidas a altas temperaturas de servicio reduciendo
el ahuellamiento.
7. Se obtienen mezclas más flexibles a bajas temperaturas de servicio
reduciendo el fisuramiento.
8. Proporciona mayor seguridad en las autopistas.
9. Reduce significativamente los costos de mantenimiento, produciendo
rentabilidad económica en el tiempo.
5 Gonzales Sanchez, Angel (2005). Asfaltos modificados (Conceptualización, aplicación, control y Pruebas). (pp. 1-52). Galicia.
31
10. No se requieren equipos especiales
11. Permite un mejor sellado de fisuras.
12. Mejora vida útil de las mezclas: menos trabajos de conservación.
13. Fácilmente disponible en el mercado.
14. Permite mayor espesor de la película de asfalto sobre el agregado
15. Mayor resistencia al derrame de combustibles.
16. Disminuye la penetración.
17. Aumenta el grado de reblandamiento del asfalto entre 8 y 12 grados
18. Aumenta el punto de inflamación.
19. Mayor resistencia al envejecimiento.
20. Mayor resistencia a la acción del agua.
21. Mayor adhesividad de los agregados.
2.2.1.9. Desventajas del Sistema Asfalto-SBS para carpetas asfálticas.
Una de las principales desventajas al utilizar esta nueva técnica es el costo del
polímero, esperando una reducción del mantenimiento futuro y una mayor vida
útil de servicio de la vía en ejecución.
Otro factor es, que para que los asfaltos modificados con polímeros consigan las
prestaciones óptimas hay que seleccionar cuidadosamente el asfalto base (es
necesario que los polímeros sean compatibles con el material asfáltico) el
tipo de polímero, la dosificación, la elaboración y las condiciones de
almacenaje, de tal manera que se elija un polímero que cumpla con los
requerimientos del proyecto y sea una solución técnicamente muy buena.
Durante el proceso de elaboración de la mezcla hay que tener mucho cuidado
como por ejemplo que los agregados estén secos y libres de materia orgánica e
incluso que su temperatura de distribución esté por encima de los 145ºC, debido a
su rápido endurecimiento.
32
2.2.1.10. Selección del polímero
Especificaciones Técnicas del Asfalto Modificado
El ligante bituminoso fue Cemento Asfáltico de Petróleo modificado con polímero
tipo SBS en proporción para obtener las características especificadas en el cuadro
de Asfalto modificado.
La tabla 1.1 indica los requisitos de calidad mínimos a solicitar y cumplir según el
Expediente Técnico.
Tabla 1: Especificaciones del asfalto modificado. Fuente: Especificaciones
técnicas del expediente del proyecto
CARACTERÍSTICAS DEL LIGANTE MODIFICADO CON POLIMEROS
Ensayo Unid. Ensayo Mínimo Máximo
Penetración a 25 ºC 0,1 mm MTC E 304 55 70Punto de ablandamiento – anillo y
Bola
ºC MTC E 307 60
Punto de inflamación ºC MTC E 312 230Estabilidad de almacenamiento(*)
Diferencia del punto de ablandamiento ºC MTC E 307 5
Ductilidad a 5 ºC Cm MTC E 306 15Recuperación elástica a 25 ºC % NLT-329/91 60
RESIDUO DESPUÉS DEL EFECTO DE CALOR Y DE AIRE
Penetración 25 ºC; 100g; 5seg % Pen. Or. MTC E 304 65Variación del peso % residual 1Ductilidad a 5 ºC (5 cm/min) Cm MTC E 306 8Variación del Punto de ablandamiento ºC MTC E 307 -5 +10
Fuente:
2.2.1.11. Interpretación de ensayos de laboratorio al asfalto modificado
El proceso de control de calidad se inicia con los análisis físicos del petróleo
crudo para decidir el proceso de destilación que se aplicará para la obtención de
las diferentes fracciones y entre ellas el asfalto.
Al salir de la refinería, durante el transporte, en la recepción en estanques de
acopio, durante la aplicación misma y en la obra ya terminada, se toman muestras
que se analizan en el laboratorio para determinar la bondad del material y los
posibles efectos degradantes que se pueden generar en los procesos de manipuleo
y aplicación.
Entre los ensayos de laboratorio que se realiza tenemos:
33
2.2.1.11.1 Punto de inflamación y de llama (Copa abierta Cleveland)
El objetivo es determinar los puntos de inflamación y de llama, mediante la copa
abierta Cleveland, de productos de petróleo y de otros líquidos con excepción de
los aceites combustibles y de los materiales que tienen un punto de ignición, en
copa abierta de Cleveland, por debajo de 79 ºC (175 ºF).
La copa del ensayo se llena con la muestra hasta un nivel especificado. Se
aumenta rápidamente la temperatura inicial de la muestra y luego se sigue
incrementando a una razón constante y lenta, a medida que se aproxima al punto
de ignición. A intervalos de tiempo especificados se pasa una pequeña llama de
ensayo a través de la copa.
La temperatura más baja a la cual la aplicación de la llama de ensayo haga
que se incendien los vapores que se encuentran por encima de la superficie del
líquido, se toma como el punto de inflamación. Para determinar el punto de
llama, se continúa la aplicación de la llama de ensayo hasta cuando ésta haga que
el aceite se queme por lo menos durante 5 seg.
Foto 1. Equipo para realizar el punto de inflamación
2.2.1.11.2 Ensayo de penetración de materiales asfálticos
El objetivo es determinar la consistencia de los materiales asfálticos sólidos o
semisólidos en los cuales el único o el principal componente es un asfalto.
La penetración se define como la distancia expresada en décimas de milímetro
hasta la cual penetra verticalmente en el material una aguja normalizada en 34
condiciones definidas de carga, tiempo y temperatura. Normalmente, el ensayo se
realiza a 25 ºC (77 ºF) durante un tiempo de 5 s y con una carga móvil total,
incluida la aguja, de 100 g, aunque pueden emplearse otras condiciones
previamente definidas.
Foto 2. Ensayo de penetración
2.2.1.11.3 Ductilidad de materiales bituminosos
El objetivo es determinar la ductilidad de los materiales asfálticos de consistencia
sólida y semisólida.
Consiste en someter una probeta del material asfáltico a un ensayo de tracción,
en condiciones determinadas de velocidad y temperatura, en un baño de agua de
igual densidad, siendo la ductilidad la distancia máxima en cm., que se estira la
probeta hasta el instante de la rotura.
La ductilidad se usa también como un indicador de la edad del asfalto, puesto que
si se rompe a valores menores a los establecidos nos indica que se trata de un
asfalto envejecido que ha perdido sus características y que en consecuencia
puede provocar grietas en la carpeta (cemento asfáltico crakeado).
Normalmente, el ensayo se realiza con una velocidad de tracción de 5 cm/min. ±
5.0% y la temperatura de 25 ±0.5 ºC (77 ±1.0 ºF); aunque puede realizarse
en otras condiciones de temperatura y velocidad de acuerdo a especificaciones.
2.2.1.11.4 Punto de ablandamiento de materiales bituminoso (Anillo y Bola)
35
El objetivo es determinar el punto de ablandamiento de productos
bituminoso en el intervalo de 30ºC (86 a 315ºC), utilizando el aparato anillo y
bola, sumergido en agua destilada (30 a 80 ºC), glicerina USP (encima de 80 a
157 ºC), o glicol etileno (30 a 110ºC).
Dos discos horizontales de material bituminoso, fundidos entre anillos de bronce,
se calientan a una velocidad controlada en un baño líquido, mientras cada
uno de ellos soporta una bola de acero. El punto de ablandamiento se considera
como el valor promedio de las temperaturas, a la cuales los dos discos se
ablandan lo suficiente, para permitir que cada bola envuelta en material
bituminoso, caiga desde una distancia de 25 mm (1").
El punto de ablandamiento es útil para clasificar productos bituminosos y es
un valor índice de la tendencia del material a fluir cuando está sometido a
temperaturas elevadas, durante su vida de servicio. También puede servir para
establecer la uniformidad de los embarques o fuentes de abastecimiento.
Foto 3. Ensayo de punto de ablandamiento
2.2.1.11.5 Efecto de calor y aire en película delgada rotativa (RTFO)
El objetivo es simular las condiciones de envejecimiento del asfalto en un
pavimento real. Se somete una muestra a condiciones de endurecimiento por
oxidación aproximadas a aquellas que ocurren durante las operaciones
normales de mezclado en caliente y colocación (envejecimiento a corto
plazo).
Esta tendencia al endurecimiento se mide por ensayos de penetración realizados
antes y después del tratamiento en el horno o mediante la medición de la
viscosidad y si se desea. También pueden efectuarse medidas comparativas
36
de la ductilidad, punto de ablandamiento y pérdida de peso.
Si la temperatura de mezclado difiere apreciablemente de los 150 oC a que se
realiza el ensayo, se presentará sobre las propiedades del asfalto un efecto mayor
o menor.
Foto 5. Horno con plataforma rotativa Foto 6. Muestras en recipientes de vidrio para el ensayo de
envejecimiento
2.2.1.11.6 Recuperación elástica por torsión de asfaltos modificados
El objetivo es determinar el grado de elasticidad que presentan los asfaltos
modificados en particular con polímeros, de aplicación en construcción de
carreteras.
En el procedimiento que se describe, un cilindro de dimensiones especificadas se
sumerge en la muestra del ligante bituminoso modificado. Mediante un
dispositivo de torsión se gira el cilindro 180º y se determina, después de 30
minutos, el ángulo recuperado por él
Foto 7. Ensayo de Recuperación Elástica
37
2.2.1.11.7 Viscosidad Brookfield
El objetivo es medir las propiedades del asfalto a altas temperaturas, para
determinar las características de mezclado y compactación.
Se prepara en una cámara de 8 a 10.5gr de asfalto modificado a una
temperatura de 135ºC. Se enciende el controlador de temperatura y de igual
manera el viscosímetro, y se calibra el viscosímetro accionando cualquier botón
de la pantalla y se coloca la cámara con la muestra. Luego se enrosca la aguja
del viscosímetro y se presiona cualquier botón de la pantalla, y programar la
temperatura 135ºC e iniciar el ensayo, dejando permanecer esta temperatura por
30 minutos de esta manera se homogeniza todo el sistema.
Posteriormente, se enciende el motor del viscosímetro y se espera
aproximadamente 5min, hasta que la viscosidad sea constante y después se
toman tres lecturas en intervalos de 1min cada una. Las lecturas que toman
son el torque producido por la rotación y la viscosidad está dada en
centipoises.
Foto 8. Ensayo de viscosidad absoluta
2.2.2. COMPORTAMIENTO DEL PAVIMENTO
2.2.2.1 Definición de Pavimento
El pavimento es el conjunto de capas de la estructura de una obra vial, cuya
función es resistir los esfuerzos producidos por la circulación del tráfico,
38
proporcionando a ésta una superficie de rodadura cómoda y segura, durante un
período prolongado de tiempo.
2.2.2.2 Tipos de Pavimentos
Los pavimentos se dividen en flexibles y rígidos. El comportamiento de los
mismos al aplicarles cargas es muy diferente, tal como puede verse en la figura Nº
Figura 12 Esquema del comportamiento de pavimentos flexibles y rígidos.Fuente: Manual Centroamericano para Diseño de pavimentos
En un pavimento rígido, debido a la consistencia de la superficie de rodadura, se
produce una buena distribución de las cargas, dando como resultado tensiones
muy bajas en la subrasante.
Lo contrario sucede en un pavimento flexible, la superficie de rodadura al tener
menos rigidez, se deforma más y se producen mayores tensiones en la subrasante.
2.2.2.3. EVALUACIÓN FUNCIONAL DEL PAVIMENTO
2.2.2.3.1 Índice de la Condición del Pavimento (PCI)
El Índice de Condición del Pavimento (PCI)14, se basa en un catálogo de fallas
compuesto por 19 tipos diferentes de fallas, que puede establecer mejores valores
de evaluación. Las recomendaciones del PCI indican que luego del
reconocimiento de la carretera a evaluar se determine un sector representativo del
cual se elegirá 100 m, el mismo que será exhaustivamente evaluado para
39
determinar sus fallas y densidad. En este caso el método registra el tipo de falla y
el área afectada.
El método del PCI, fue desarrollado por M.Y. Shahin y S.D. Khon y publicado
por el Cuerpo de Ingenieros de la Armada de los Estados Unidos en el Reporte
Técnico M-268 (1978) para su primera versión, actualizado en TM5-623. Permite
evaluar la condición estructural y de la superficie (operacional) de una sección de
pavimento, para definir actividades de mantenimiento y reparación. Además
determina el comportamiento de la estructura mediante evaluación continua del
PCI, a lo largo del tiempo, mediante la ecuación:
F * Dij) Sj, (Ti, VD - 100 PCIp1i1⎥⎦⎤⎢⎣⎡=ΣΣ==mij
Donde el grado de deterioro o valor de deducción de un pavimento es función del
tipo de falla encontrada (T), la severidad que esta falla presenta (S) y del área que
ocupa en la superficie evaluada (D) expresado en porcentaje.
Una evaluación puede presentar “i” tipos de falla de “j” grado de severidad. De
estas fallas podrán presentarse un total de “p” número de fallas en el pavimento
analizado. Las fallas pueden presentar magnitud leve, moderada o severa y para
ello “mi” será el grado de severidad para la falla “i”. Finalmente “F” corresponde
a un factor de ajuste, en función a las fallas representativas que aportan a la
degradación del pavimento.
Existe una variedad de catálogos de fallas, propuestos por instituciones
respetables, a lo cual se le asocia un sistema de evaluación. Para la determinación
del valor del PCI, se desarrolla el método empleando el catálogo, que muestra el
número de falla, una breve descripción de la falla y la unidad empleada para el
relevamiento. En este caso se deberá respetar la numeración asociada a la falla,
que permitirá efectuar un proceso computarizado.
El relevamiento, registra información obtenida del campo y de la inspección
visual. Estas características corresponden a:
- Tipos de Falla: Cada falla en el pavimento evaluado debe ser clasificada dentro
de los distintos tipos de falla descritos en el método y según se muestra en el
catálogo.
- Severidad de Falla: En vista de las variaciones de severidad que presentan los
tipos de fallas, se han descrito los diferentes niveles contemplados en el método
para cada una de ellas.
40
- Valor de Deducción: Estos valores (VD) son determinados en función del tipo
de falla, su severidad y su densidad en el pavimento.
El valor del PCI de la sección del pavimento evaluado, se obtiene determinando el
promedio de los valores de las unidades evaluadas. Los pasos a seguir son :
Determinar los datos correspondientes a cada tipo de falla (severidad y
frecuencia) y su forma de medición.
Determinar los valores de deducción (VD), para cada falla y severidad
mediante las figuras que presenta el método.
El valor total de deducción (VTD = Sumatoria de VD) es corregido para
obtener VDC (Valor de deducción corregido).
Finalmente el PCI = 100 – VDC
Cada unidad inspeccionada y los datos correspondientes a cada tipo de falla son
anotados en la planilla mostrada en la figura 13. Se indica la escala de valores del
PCI y sus significados, que permiten tomar acciones sobre la estructura evaluada.
41
Figura 13. Planilla de cálculo del PCI y significado del valor halladoResultados Obtenidos
El PCI es una técnica de levantamiento del deterioro bastante exacta, que produce
resultados constantes cuando está repetida, por eso ha sido normalizada por la
norma ASTM 5340-98. El procedimiento de evaluación produce una medida
significativa y muy exacta de la condición del pavimento.
De acuerdo a las fichas de evaluación se aprecia que la mayoría de fallas son
longitudinales, transversales y fisuras en bloque, en los tres niveles (leve,
moderado y severo). Al inicio del tramo la evaluación superficial se encuentra en
muy buen estado a excelente hasta el Km 1083+500, siguiendo una superficie
regular a pobre hasta el Km 1110+500 y finalizando el tramo con una superficie
regular.
Por lo tanto, los sectores de mayor incidencia tienen un estado del pavimento
excelente 28.4% y regular 23.3%, lo que indicaría que la vía se encuentra en buen
estado, de acuerdo a la metodología empleada.
2.2.2.3.2. Determinación del IRI y el PSI
La rugosidad del pavimento es el parámetro que relaciona la magnitud y
frecuencia de sus irregularidades superficiales, con la comodidad de transitar
sobre él. No tiene relación con la textura, apariencia o acabado superficial de la
capa de rodadura sino más bien con las deformaciones que inciden en su perfil
topográfico, como son las ondulaciones, los hundimientos, los ahuellamientos y
los baches. Los fisuramientos tienen poca o ninguna incidencia en los resultados
de rugosidad.
Los datos de rugosidad se obtienen mediante el uso de vehículos, en el cual se
adapta equipos tanto simple como sofisticado. Las fotos 3.1, muestra el equipo
Bump Integrator (BI), fabricado por Leonard Farnell & Co. Ltd. de Inglaterra. El
instrumento registra los desplazamientos acumulados del eje respecto al “chasis”
del vehículo, datos que luego son correlacionados a la rugosidad superficial o
irregularidad superficial del camino.
42
Figura 14. Equipo de medición de rugosidad Bump Integrator
El sistema está conformado por un vehículo liviano, donde el eje trasero está
conectado al Bump Integrator, el cual acumula los movimientos del eje trasero a
lo largo del viaje. Los datos son inmediatamente registrados por el contador de
unidades BI, para su posterior análisis.
Debido a que el sistema registra todas las variaciones de cota que pudieran
encontrarse en el perfil longitudinal, la medición de rugosidades está directamente
relacionada con las irregularidades que se presentan en la superficie de rodadura.
Esta rugosidad es el parámetro principal para determinar el Índice de
Serviciabilidad Presente (PSI) en la superficie de rodadura, expresando el
deterioro de la vía.
De acuerdo a la AASHTO, la serviciabilidad es la capacidad de un pavimento que
asegura una circulación suave, confortable y segura para el tráfico para el cual ha
sido diseñado, por ello su apreciación depende del usuario, de las características
propias del vehículo, de la velocidad de operación y de la condición del
pavimento.
El estado superficial o transitabilidad según los valores del Índice de Rugosidad
Internacional (IRI), a nivel de superficie de rodadura asfaltado clasifica el estado
de la superficie de acuerdo a la tabla 3.3.
Figura 15 Estado superficial en función del IRI
La determinación analítica de la rugosidad se ha efectuado utilizando la expresión
aproximada establecida por Sayers, que relaciona la Rugosidad con el Índice de
Serviciabilidad. Esta correlación se desarrolló usando los datos obtenidos en el 43
Ensayo Internacional sobre Rugosidad de Caminos, realizado en Brasil en el año
de 1982.
Se tiene así la expresión:
R = 5.5 Ln (5.0/PSI)
Donde:
R : Rugosidad en IRI (International Roughness Index en m/km)
PSI : Índice de Serviciabilidad.
La transitabilidad de la vía o la calificación de la calidad del servicio que brinda
en un momento determinado, se evalúa en función de los valores de PSI
calculados.
Para obtener la calibración del instrumento Bump Integrator, se ensayan
diferentes tramos con el método Nivel-Mira. Está metodología requiere como
primer paso identificar por lo menos cinco a seis secciones de vía, con
condiciones diferentes del pavimento, entre muy buena y asfaltada, hasta muy
mala y sin asfalto. Las secciones deben tener entre 200 a 300 m de longitud. Se
nivela cada 250 mm en las primeras seis secciones y cada 100 mm en la última
sección. Luego se realizan recorridos, entre 3 y 10 repeticiones, sobre dichas
secciones utilizando el vehículo donde se instaló el rugosímetro. Finalmente se
procede a una labor computarizada de correlacionar las medidas obtenidas con el
rugosímetro (BI), con los resultados de la nivelación topográfica de cada sección
respectivamente, obteniéndose la ecuación de calibración siguiente:
IRI = 0.0258 (BIprom) + 1.57
Los valores obtenidos permiten establecer parámetros estadísticos como la
determinación del IRI máximo, IRI mínimo, IRI promedio, desviación estándar,
coeficiente de variación.
Análisis de los resultados
De estas mediciones efectuadas a lo largo del tramo en estudio, se obtuvo en el
carril derecho un IRI mínimo de 0.88 m/km en el Km 1134+600, un IRI máximo
de 3.66 m/km en el Km 1108+200 y un IRI promedio de 1.69 m/km. En el carril
izquierdo se obtuvo un IRI mínimo de 0.80 m/km en el Km 1104+600, un IRI
máximo de 4.51 m/km en el Km 1042+600 y un IRI promedio de 1.81 m/km. Se
44
concluye que el carril izquierdo posee mayor coeficiente de variación de los
resultados obtenidos.
Tabla 2. Sectorización según la evaluación funcional del pavimento.
IRI PROMEDIO - IRI CARACTERÍSTICO
TRAMO
PROGRESIVA CARRIL IZQUIERDO
CARRIL DERECHOINICIO KM FIN
KMLONG.
KMIRIpromm/Km
IRIcaract m/Km
IRIprom m/Km
IRIcaract m/Km
1 1041 +400 1051 +500 10.10 3.13 4.36 2.37 3.382 1051 +500 1106 + 500 55.00 1.72 2.57 1.58 2.003 1106 + 500 1118 + 500 12.00 1.48 2.50 2.36 3.564 1118 + 500 1139 + 795 21.30 1.56 2.24 1.26 1.71
Fuente:
2.2.2.4. EVALUACIÓN ESTRUCTURAL DEL PAVIMENTO
La deflexión es una medida de la respuesta del conjunto “pavimento – subrasante”
frente a una determinada solicitación (acción de las cargas móviles o estáticas de
los vehículos). La medición de la deflexión es un ensayo no destructivo de gran
rendimiento operacional que permite obtener un elevado número de
determinaciones en poco tiempo, reduciendo al mínimo la cantidad necesaria de
ensayos destructivos (calicatas).
Debido a la incidencia de diversos factores que perjudican la seguridad,
comodidad y rapidez con que debe circular el tráfico presente y el futuro en el
tramo en estudio, se ha planteado corregir los defectos que alteran la superficie de
rodadura de los pavimentos flexibles.
Los trabajos de mantenimiento o de refuerzo de los pavimentos en servicio, se
basan en el valor de la deflexión máxima y el tipo de curvatura que adopta la
superficie cargada.
Para determinar las correcciones en el tramo en estudio se ha analizado la
deformación elástica que experimenta el pavimento bajo carga, dicha deformación
dependerá del estado superficial y/o estructural del mismo.
Se efectuaron mediciones de deflexiones recuperables mediante la Viga
Benkelman utilizando el correspondiente camión normalizado, además el uso de
la viga permitió determinar el radio de curvatura de la línea de deflexión.
La Viga Benkelman es un dispositivo mecánico que mide las deformaciones en
dos pontos de contacto, esta viga se coloca entre las ruedas duales de un camión
45
bajo eje de carga estándar 8.2 t y con una presión de inflado de llantas de 80 psi,
es decir que mide la flecha máxima de la línea de deformación bajo una carga
constante.
El número de puntos de un ensayo se efectuó cada 100 m a lo largo del tramo y en
cada carril, las mediciones de cada carril están desplazadas unos 50 m. De esta
manera se tiene en forma alternada (derecha e izquierda) una medida a 50 metros.
2.2.2.4.1. Procedimiento de Medición
- El punto del pavimento a ser ensayado deberá ser marcado con una línea
transversal.
- La rueda dual externa deberá ser colocada sobre el punto seleccionado
quedando éste ubicado entre ambas llantas.
- Se coloca la regla sobre el pavimento, detrás del camión perpendicularmente al
eje de carga de modo que la punta de prueba coincida con el punto de ensayo y
la regla no roce contra las cubiertas de la rueda dual.
- Se retira la traba de la regla y la base se ajusta por medio del tornillo trasero de
modo tal que el brazo de medición quede en contacto con el vástago del dial.
- El flexímetro se ajusta de modo tal que el vástago tenga un recorrido libre
comprendido entre 4 y 6 mm. Se gira lasuave y esfera del flexímetro hasta que
la aguja quede en cero y se verifica la lectura golpeando suavemente con un
lápiz y poniendo en marcha el vibrador de la regla. Girar la esfera si es
necesario y repetir la operación hasta obtener la posición “0” (cero). El ensayo
comenzará cuando se compruebe que dicha lectura permanece constante,
asegurando el equilibrio del pavimento bajo carga. Se da por estabilizada la
deformación producida xcapor la carga cuando la lectura inicial varía en 0.01
mm/minuto o menos.
- Establecida la lectura inicial en cero, se hace avanzar suave y lentamente el
camión hasta una distancia de 4 m aproximadamente.
- Para determinar la Deflexión Recuperable, se lee el flexímetro cada 60
segundos golpeándolo suavemente con un lápiz. Cuando dos lecturas sucesivas
no difieren en más de 0.01 mm. se da por finalizada la recuperación del
pavimento.
- Para determinar la Curva de Recuperación Elasto-Retardada, se pone en
marcha el cronómetro exactamente en el instante en que comienza a avanzar el 46
camión y se lee el flexímetro a intervalos de 5 seg. registrándose todas las
lecturas hasta que dos lecturas separadas por un lapso de 60 seg. no difieran en
más de 0.01 mm. Cuando se cumple esta condición, se da por finalizada la
recuperación correspondiendo la última lectura de la Deflexión Recuperable.
2.2.2.4.2 Metodología de Análisis
Se basan en el valor de la deflexión máxima y el tipo de curvatura que adopta la
superficie cargada, siendo sus resultados confiables a medida que exista una base
de comparación en una gran gama de variedades de estructuras.
2.2.2.4.2.1. Cálculo de las deflexiones
El procedimiento para el cálculo de las deflexiones es simple. Para el caso de la
deflexión máxima, se debe calcular la diferencia entre la lectura inicial y la lectura
final. Para el caso de la deflexión a 25 cm, se debe encontrar la diferencia entre la
lectura a 25 cm y la lectura final.
Para el ejemplo se tiene:
Deflexión máxima = (200 -155) x 2 = 90 x 10(-2) mm
Deflexión a 25 cm = (188 – 155) = 66 x 10(-2) mm
Las diferencias se multiplican por 2, debido a que la relación de brazos de la Viga
Benkelman empleada es 1:2.
a) Corrección de las deflexiones por efecto de la Temperatura
Para medir la temperatura del pavimento se realiza un orificio (antes y durante el
ensayo) y se llena con agua. Una vez pasado el tiempo neceario para que adquiera
la temperatura del pavimento, se inserta el termómetro y se lee la temperatura.
Para un pavimento dado, la magnitud de las deflexiones aumenta con un
incremento en la temperatura de la carpeta, atribuido a una menor rigidez de la
mezcla. Para corregir la deflexión por efecto de la temperatura, se aplica la
siguiente fórmula:
Dt
D20°C = ----------------------------------------------1 x 10 -3 (1 / cm ºC) x h x (t - 20°C) + 1
Donde :
47
Dt = Deflexión recuperable, medida a la temperatura “t” °C en centésimas
de mm.
D20 = Deflexión recuperable, medida a la temperatura estándar (20 °C).
h = Espesor de la carpeta asfáltica en cm. medido en el borde del pavimento.
t = temperatura de la carpeta asfáltica al momento de ejecutarse el ensayo.
b) Corrección de las Deflexiones por Estacionalidad.
La capacidad de deformación de los suelos esta influenciada por el grado de
saturación que experimentan, por lo tanto, es deseable que la medición de
deflexiones se realice durante la estación de lluvias, durante la cuál los suelos se
encuentran en la situación más crítica. De no ser así, se debe efectuar la
corrección de las medidas a fin de tomar en cuenta dicho aspecto. Para fines
prácticos se propone el uso de los siguientes factores de corrección, considerando
el tipo de suelo de subrasante y la época en que se realizaron los ensayos.
Tabla 3. Corrección de las Deflexiones por Estacionalidad
TIPO DE SUELO DE
SUBRASANTE
ESTACIÓN
LLUVIOSA
ESTACIÓN
SECA
Arenosa permeable 1.0 1.1 a 1.3
Arcillosa – sensible al agua 1.0 1.2 a 1.4
Fuente:
2.2.2.4.2.2. Análisis de la capacidad estructural
a. Determinación del Radio de Curvatura
El grado de curvatura de la línea elástica de Deflexión es una característica de
fundamental importancia, que determina la magnitud de la deformación lineal por
tracción que sufren las capas elásticas al flexionar bajo las cargas, y en
consecuencia, en el desarrollo del fisuramiento en forma de piel de cocodrilo.
El radio de curvatura queda definido por la siguiente relación, en la cual se
considera que la línea de Deflexión se aproxima a una parábola hasta una
distancia algo mayor de 25 cm del eje de carga, para sufrir luego una inflexión y
tender asintóticamente hacia la horizontal, la curvatura de la parábola queda
definida por su parámetro, que en la zona de máxima curvatura se confunde
practicante con el radio del circulo osculador en dicho punto.
48
R = 10*(25²) = 6250 ------------ ------------2(Do-D25) 2(Do-D25)
Donde:
R = Radio de Curvatura en metros
Do = Deflexión recuperable en el eje vertical de la carga, en centésimas de
milímetros.
D25 = Deflexión recuperable en el eje vertical de la carga, en centésimas de
milímetros, a 25 del eje de carga.
10 = Coeficiente por cambio de unidades.
49
Siguiendo la metodología de CONREVIAL se determinó los valores de
deflexiones corregidos por temperatura y estacionalidad, se elaboró el
deflectograma y se analizó a fin de definir sectores homogéneos y determinar
valores representativos en base a la deflexión característica con una confiabilidad
de 95%.
Adicionalmente se determinó el radio de curvatura, que expresa el grado de
curvatura de la línea elástica de deflexión, es una característica de fundamental
importancia que determina la magnitud de la deformación lineal por tracción que
sufren las capas asfálticas al flexionar bajo carga y en consecuencia en el
desarrollo del fisuramiento en forma de piel de cocodrilo.
Los trabajos de campo se complementaron mediante ensayos destructivos,
consistentes en la extracción de testigos de pavimentos, de modo que con ellos se
pueden efectuar mediciones de espesores de las distintas capas del pavimento y de
la subrasante y realizar ensayos de densidad. La determinación de los puntos
donde se ejecutaron las calicatas estuvieron relacionados con los resultados de la
evaluación deflectométrica.
Se han efectuado un análisis estadístico por sectores de comportamiento
homogéneo con la finalidad de determinar la Deflexión Característica, la
Deflexión Admisible, la Deflexión Promedio y si requiere un aporte estructural o
no.
b. Deflectograma
La introducción y generalización de las medidas de deflexiones ha permitido un
aporte de interés en el campo de la mecánica de calzadas al revelar la
desuniformidad de su capacidad estructural, aún en aquellas consideradas como
correctamente proyectadas y construidas, lo que obliga a su estudio con criterio
probabilístico.
Una primera desuniformidad, en el sentido transversal se revela en muchos casos
por las mayores deflexiones de la huella externa con respecto a la interna de un
mismo carril, atribuidas principalmente a una reducción del confinamiento lateral
asociada a la terminación del pavimento, y a condiciones más adversas de suelo,
principalmente en lo que hace a su contenido de humedad y grado de
densificación.
50
Por este motivo, las determinaciones se han conducido en la huella externa del
carril considerado crítico a una distancia del borde variable en función del ancho
de la calzada, según las recomendaciones indicadas en la norma de ensayo ya
citada.
La desuniformidad en el sentido longitudinal se revela en la gran dispersión de
valores individuales, aún para determinaciones muy próximas entre sí (por
ejemplo 20m), debido a la variabilidad de las propiedades de los materiales y del
proceso constructivo.
Dado que para interpretar los resultados no se puede considerar los valores
individuales, surge la necesidad de establecer una deflexión que represente
adecuadamente cada sección o tramo de pavimento, y por ende, de una evaluación
estadística.
Con este propósito los resultados obtenidos se vuelcan en un Deflectograma
donde se grafica los resultados obtenidos en campo, permitiendo una visión global
del conjunto de datos obtenidos.
El Deflectograma constituye un elemento fundamental para el análisis de la
variabilidad de la capacidad estructural. En este sentido cabe destacar que el
principal objetivo de la medición de deflexiones radica en poder diferenciar
secciones de distinta capacidad estructural en un mismo tramo.
Por lo tanto, es en base al deflectograma que se procede a:
Diferenciar secciones de distinta capacidad estructural y/o comportamiento
considerando deflexiones, fallas observadas y estructura del pavimento, las
que son posteriormente procesadas estadísticamente.
Eliminar valores extremos aislados, no representativos y que distorsionan
los resultados.
Obtenidos los parámetros estadísticos, ubicar las perforaciones requeridas
para interpretar los resultados, en zonas representativas de buen y mal
comportamiento.
Delimitar secciones en las que se requiere intensificar los estudios o realizar
estudios especiales.
El deflectograma es empleado para juzgar la capacidad portante del pavimento,
cuando se dispone de los resultados de todos los estudios llevados a cabo.
2.2.2.4.2.3. Análisis estadístico de los resultados51
Los estudios de deflexiones recuperables han demostrado que las deflexiones
medidas en una sección de pavimento, presentan una distribución de frecuencias
que se asemejan a una distribución normal.
Por ende, a partir de las deflexiones individuales, asumiendo que se hallan
distribuidas de acuerdo a la ley de Gauss se han determinado la deflexión media
(Ď), el desvío cuadrático medio o desviación standard (σ) y el coeficiente de
variación (CV), usando las siguientes expresiones; donde n es el número de
determinaciones:
D=∑I=1
N
D1
n
Dado que la desviación estándar aumenta con un incremento de las deflexiones, y
mayores deflexiones están asociadas a pavimentos más débiles, puede concluirse
que estos son en general más variables, y que la deflexión de diseño, cuando se
utiliza en algún método para el cálculo del refuerzo, debe basarse tanto en la
deflexión media como en la dispersión.
Para el diseño se emplea la deflexión característica, valor que representa mejor a
una determinada sección; siguiendo el criterio adoptado normalmente en análisis
estadístico, se puede establecer como deflexión característica el valor:
Dc = Ď + t σ
Donde:
Dc = Deflexión Característica
Ď = Deflexión promedio de los valores individuales de Do corregidos por
temperatura y estacionalidad.
t = Coeficiente que representa al porcentaje del área total con probabilidad de
presentar deflexiones superiores a la deflexión característica Dc.
σ = Desviación Estándar
Considerando que cada deflexión media representa una cierta extensión o área de
pavimento, cada valor de “t” corresponderá a un porcentaje del área total con
probabilidad de presentar deflexiones superiores a las características Dc
correspondiente.
En la tabla siguiente se indican los valores más frecuentes:
52
Tabla 3.
VALOR DISEÑO%
DEFLEXIONCARACTERÍSTICA
EXTENSIÓN DELPAVIMENTO CON D>Dc
%50 Ď 50
75 Ď + 0.674 σ 25
85 Ď + σ 15
90 Ď + 1.3 σ 10
95 Ď +1.645 σ 5
98 Ď + 2 σ 2
99 Ď + 2.33 σ 1
99.9 Ď + 3 σ 0.1
En el caso del diseño de un refuerzo, el espesor deberá ser tal que solo una
pequeña área resulte infradiseñada. La elección del valor de t es una decisión
técnico – económica que dependerá del número de determinaciones, del grado de
confiabilidad, de la relación entre costos de mantenimiento y de rehabilitación, de
la variabilidad de capacidad estructural o constructiva, del tráfico, ubicación e
importancia de la carretera, etc.
En el presente estudio se ha adoptado como deflexión característica aquella que
corresponde al 95%, es decir la que es superada solo por el 5% de las
determinaciones (Ď +1.645 σ), coincidente con lo sugerido por el Dr. Ruiz en
Argentina.
Análisis de los Resultados de la Evaluación de las Deflexiones
Se realizó un procesamiento estadístico de la información deflectométrica,
obteniéndose una primera sectorización compuesto por 7 sectores, cuyos valores
de deflexión promedio, desviación estándar, desviación característica y
coeficiente de variación para cada uno de ellos, se muestra a continuación en el
Cuadro Nº
2.2.2.5. Evaluación Integral del Pavimento Existente
Luego de efectuada la evaluación superficial del pavimento mediante el análisis
de su condición (PCI), la evaluación de la rugosidad mediante el análisis de su
IRI, y finalmente la evaluación estructural mediante el análisis de las deflexiones, 53
se procedió a efectuar los ensayos destructivos en los sectores que mostraron baja
capacidad estructural.
El análisis e integración de estos requerimientos permitió formular una
sectorización que contemple y considere estos estudios previos. El objetivo
finalmente a alcanzar consiste en la división del tramo carretero en sectores de
condiciones homogéneas en los cuales se pueda plantear soluciones que cubran
sus requerimientos de resistencia para el nuevo periodo de diseño previsto.
Así, finalmente se pudo obtener cuatro sectores representativos de la condición
funcional y estructural de la carretera, a partir del cual se pueda plantear las
soluciones de la estructura del pavimento.
La sectorización final se muestra en el cuadro No 8.4.a siguiente.
2.2.2.6. Diseño del Refuerzo
2.2.2.6.1. Consideraciones en el Diseño de la Estructura del Pavimento en la
Calzada
2.2.2.6.1.1. Generalidades
La sectorización y caracteristicas del pavimento existente, permitió analizar y
plantear las alternativas de solución que prolonguen eficazmente la vida del
pavimento para el periodo d diseño previsto.
La última etapa masiva de Rehabilitación o Mantenimiento Periódico de la
Carretera Panamericana Sur en este tramo, ha sido realizado el año 1994. Es decir,
al cumplirse el periodo de diseño de la carretera, el conocer el estado funcional y
estructural de la vía para efectos de prolongar su vida útil, resulta de fundamental
importancia.
El estado funcional determinó el buen estado de la vía, con sectores localizados de
condición pobre.
La evaluación estructural determinó que el estado actual del pavimento (basado en
las deflexiones) está presentando un comportamiento adecuado en la totalidad del
tramo. Se comprobó que actualmente, las deflexiones caracteristicas son menores
a las admisibles para el mismo año, demostrando en general el buen desempeño
que presenta tanto la estructura del pavimento como las capas subyacentes. Es
decir, nos muestra que los problemas de funcionalidad localizados, son debidos
principalmente a las capas superficiales y que no se ha comprometido
sustancialmente a los materiales granulares.54
La proyección para un diseño de 10 años adicionales contempla como premisa
básica el aporte remanente que pudiera presentar el pavimento existente, el cual
fue evaluado y calculado, para su posterior consideración en el cálculo de la nueva
estructura del pavimento.
Surge entonces la necesidad de plantear la mejor alternativa para prolongar la vida
útil del pavimento existente, sea mediante el uso de su valor residual, o mediante
la rehabilitación integral de la vía en función del juicio estructural ya
determinado.
2.2.2.6.1.2. Soluciones de la estructura del pavimento a considerar en la
calzada
Se ha tenido en cuenta para el cumplimiento de las alternativas de solución, las
condiciones ambientales existentes en la zona, como son la temperatura,
exposición solar y vientos con transportes de arena sobre la superficie del
pavimento. Es decir, como los agentes del medio ambiente están actuando
esencialmente sobre la capa superficial del pavimento. Esto pudo ser comprobado
durante el recorrido del tramo y en la etapa de evaluación del pavimento, donde se
ha plasmado y cuantificado como parte de esta evaluación, los valores de
fisuramiento y ahuellamiento, mostraron que en efecto los problemas son
básicamente en la capa superficial del pavimento.
Estas soluciones toman en cuenta que necesariamente deba de efectuarse:
1) La colocación de una capa nivelante para el tratamiento de las
deformaciones de la superficie del pavimento.
2) La base estabilizada de determinados sectores del pavimento, debido a
las caracteristicas e intensidad de las fisuras.
o La capa nivelante, permite corregir las deformaciones permanentes
localizadas en la superficie del pavimento, generalmente en la zona de
rodamiento de las llantas de los vehículos. Esta capa es relativamente delgada
y no le confiere aporte estructural al sistema (el valor recomendado sobre
capas nivelantes delgadas, por lo tanto sin contribución de aporte es de 12.5
mm a 37.5 mm según la National Asphal Pavement Association de los
EE.UU (NAPA – 1995). Sin embargo, este tratamiento como aporte de un
programa de mantenimiento bien planificado, permite prolongar la vida útil
del pavimento.55
Dentro de este contexto, las deformaciones o ahuellamientos máximos
promedios observdos fueron del orden de 20 mm, concordante con la
evaluación superficial efectuada. Para cubrir esta irregularidad, se distribuirá
la mezcla en un espesor total de 50 mm (20mm para cubrir los máximos
ahuellamientos detectados más de 30 mm adicional de sobre capa para
conseguir una adecuada distribución de la mezcla y la regularización de la
sección transversal.
Esta capa actuará como reguladora de las deformaciones existentes en la
superficie del pavimento.
o La estabilización de la base, que consiste en la demolición de la carpeta
asfáltica existente en el sector Km 1091+000 al Km 1105+000, que ha
mostrado un significativo fisuramiento y ahuellamiento, motivando un bajo
valor del PCI, con un estado de regular, pobre a muy pobre. Sin embargo, este
material será posteriormente utilizado para la fabricación de la base
estabilizada, material que permitirá mantener como mínimo, el valor
estructural que ha estado aportando la carpeta fisurada en este sector, con
ciertas mejoras inclusive en cuanto a su mayor flexibilidad (la carpeta fresada
se presenta rígida).
o Micropavimento en caliente, constituido por una mezcla de agregados, filler
y cemento asfáltico modificado con polímero tipo SBS. Como tal podrá
atender la mayoría de las causas que están generando la aparición de fallas en
el pavimento existente (causas como el fisuramiento por reflejo, por fatiga y
por el medio ambiente (temperatura, exposición solar, viento y arenado) al
ahuellamiento debido a la intensidad del tráfico, a las caracteristicas de los
vehículos y del medio ambiente).
Esta mezcla posee una gran vida útil, pues la misma está constituido por un
aglomerante modificado, básicamente por polímeros, el cual le confiere gran
durabilidad, resistente a grandes variaciones térmicas, a la protección contra la
exposición solar y al proceso erosivo del viento y el arenado en general.
Menores costos en el mantenimiento rutinario y periódico, como consecuencia del
mayor periodo de vida útil del material asfáltico.
Al ser una tecnología nueva que está empezando a ser utilizado en el continente
(aunque en Europa data desde la década del 70), la experiencia que se pueda 56
adquirir en su aplicación y uso no nos permitirá alejarnos de la gran experiencia
que se está adquiriendo para efectos de reducir costos mediante la aplicación de
técnicas modernas.
2.2.2.6.2. Información Base y Metodologías para el Diseño del Pavimento
2.2.2.6.2.1.Generalidades
En la metodología de medición, análisis e interpretación de las deflexiones para la
evaluación estructural del pavimento, se basa en el modelo elástico.
El método utilizado para este análisis considera las simplificaciones y
aproximaciones matemáticas de soluciones rigurosas (modelo de Hogg) y
conceptos de la teoría de la elasticidad y de resistencia de materiales.
El modelo de Hogg representa el pavimento como una placa elástica de espesor
delgado y horizontalmente infinita, sustentada por una capa elástica, lineal,
homogénea e isotrópica, de espesor que puede ser finito o limitado por una base
rígida, horizontal y perfectamente rugosa.
La expresión matemática desarrollada para el cálculo de las deformaciones en la
superficie del sistema viene dada por una integral infinita de funciones Bessel y
funciones angulares hiperbólicas, la cual se expresa para el caso de una carga
circular de radio “a” uniformemente distribuida, en función del módulo del
elasticidad de la subrasante Eo, la longitud característica Io, el módulo de Poisson
de la subrasante, la carga p y la distancia horizontal de la superficie de la placa
desde el eje de la carga “r”.
Las deflexiones producidas en la superficie de un pavimento flexible por acción
de cargas vehiculares, pueden ser determinadas haciendo uso de deflectómetros
tales como el denominado “Viga Benkelman”. Llamado así en honor a daniel
Benkelman quien la desarrolló en 1955 como parte del programa de ensayos
viales WASHO (WASHO Road Test).
En general, se han concentrado la atención en la medida de las deflexiones
recuperables, o sea en la deformalidad de las estructuras por elasticidad
instantánea y retardada. La deflexión es parte de carácter elástico, pero también
interviene esfuerzos plásticos. Los primeros desaparecen en cuanto se remueven
la carga mientras que los segundos son permanentes, y su acumulación a través de
las reiteraciones de las cargas produce las distorsiones o ahuellamientos en la
superficie del pavimento.57
La evaluación estructural de la calzada se efectuó mediante la medición de sus
deflexiones bajo carga normalizada de acuerdo a la técnica Benkelman.
Los datos de la evaluación deflectométrica permitirán determinar el diseño del
pavimento. Para tal efecto se utilizarán dos procedimientos:
1) El método mecánico empírico de la AASHTO en su versión 1993.
2) El método racional del Dr. Ruiz.
Se plantearán varias alternativas de diseño del pavimento a fin de elegir la más
adecuada a considerar en el Proyecto. Estas alternativas se analizaran en detalle en
las secciones siguientes. El análisis comprenderá la evaluación económica de cada
una de las alternativas diseñadas.
2.2.2.6.2.2. Método AASHTO, Versión 1993
a) Parámetros Básicos
Para la determinación del espesor de refuerzo del pavimento mediante la
aplicación del método AASHTO 93, (GUIDE FOR DESING OF PAVEMENT
STRUCTURES 1993), se ha analizado cuidadosamente los siguientes parámetros:
- Confiabilidad (R%)
- Desviación estándar total (So)
- Tráfico (EAL)
- Módulo Resiliente (Mr)
- Serviciabilidad
- Índices estructurales del pavimento.
Luego se procedió a calcular el número estructural que requiere la vía actualmente
para luego compararlo con el existente, de esta manera se encuentra el número
estructural requerido, procediéndose a efectuarse los cálculos en las 7 secciones
homogéneas antes definidas.
Los sucesivos valores del número estructural, SN se determinan en cada caso
mediante la aplicación de la ecuación de diseño:
log N=ZR x So+9,36 xlog ( SN+1 )−0,20+logx [ ∆ PSI
4,2−1,5 ]0,40+ 1094
(SN+1)5,19
+2,32 xlog M R−8,97
58
Donde :
N : Número acumulado de repeticiones de eje de 8.2 t
Zr : Desviación Standard normal, para el nivel de confiabilidad, R
seleccionado.
So : Varianza
SN : Número estructural correspondiente al pavimento analizado
PSI : Caída admitida del Indice de Servicio
Mr : Módulo resilente de la capa verificada.
b) Confiabilidad
La confiabilidad de un proceso de diseño – comportamiento de un pavimento, es
la probabilidad de que una sección del pavimento diseñada usando el proceso, se
comportara satisfactoriamente bajo las condiciones de tráfico y medio ambiente
durante el periodo de diseño, los valores para nuestro caso particular
corresponderían a una vía interestatal rural cuya confiabilidad varía entre 80 y
99.9, adoptando un valor de 95%. Para este nivel de confiabilidad, la desviación
standard normal resulta Zr = -1.645.
Tabla 4. Suggested Levels of Reliability for Barious Fuctional Classifications
FunctionalClasification
Recomended Level of Reliability
Urban RuralInterstate and Other Freeways 85-99.9 80-99.9
Principal Arterials 80-99 75-95
Collectors 80-95 75-95
Local 50-80 50-80
Note: Results base don a survey of the A ASHTO Pavement Desing Task ForceFuente:
59
Tabla 5. Standard Normal Deviate (ZR) Values Corresponding to Selected Levels of Reliability
ReliabilityR (percent)
Standard NormalDeviate, ZR
50 -0.00060 -0.25370 -0.52475 -0.67480 -0.84185 -1.03790 -1.28291 -1.34092 -1.40593 -1.47694 -1.55595 -1.64596 -1.75197 -1.88198 -2.05499 -2.327
99.9 -3.09099.99 -3.750
Fuente:
c) Desviación Standard Total o Varianza
Por otro lado, considerado que se ha efectuado un estudio de tráfico detallado, que
ha incluido censos de vehículos y de cargas, se adopta para pavimento flexible un
valor de So = 0.45.
d) Serviciabilidad
La serviciabilidad de un pavimento está definido como su habilidad para servir al
tipo de tráfico (automóviles y camiones) que usa la vía. La medida primaria de la
serviciabilidad es el índice de Serviciabilidad Presente (PSI, Present Serviciability
Index), que varía entre cero (0), camino imposible y cinco (5), camino perfecto.
El consultor propone en base al desarrollo de otros proyectos similares que el
índice de serviciabilidad inicial sea de Po = 4.0 y el índice de serviciabilidad final
Pt = 2.5, lo que la disminución del índice de serviciabilidad será 1.5.
60
e) Cálculo del Refuerzo
Se procedió a efectuar el cálculo del refuerzo del pavimento existente. El cuadro
resumen el cálculo del refuerzo de la metodología mecánica empírica de la
AASHTO 1993.
2.2.2.6.2.3. Método Racional del Dr. Ruiz
a) Generalidades
Este método fue propuesto por el Dr. Ruiz en el año 1964 revisado y elaborado el
Manual de diseño por el mismo en 1972. Se basa en un procedimiento racional
que tiene en cuenta las medidas de las deflexiones además de la inspección visual
detallada y la ejecución de ensayos destructivos. Se adopta para el diseño el valor
de la deflexión característica a una confiabilidad del 95%.
b) Cálculo del refuerzo
Se procedió a efectuar el cálculo del refuerzo del pavimento existente. El cuadro
resume el cálculo del refuerzo de la metodología racional. Los valores mostrados
en aquel cuadro indican que solo algunos sectores necesitarían del refuerzo del
pavimento.
Conclusiones
La evaluación en campo del pavimento existente nos permitió concluir que las
fallas observadas son debidas casi en su totalidad, a la variación de temperatura
diaria en el pavimento, al asfalto envejecido existente que sirvió de base para el
refuerzo realizado, y el aumento de las cargas vehiculares por eje que han
producido la deformación permanente en la carpeta asfáltica.
En consecuencia, el atender estos puntos resulta básico para aumentar la
confiabilidad del buen desempeño del pavimento.
61
CAPITULO IIIMANTENIMIENTO PERIÓDICO DE LA CARRETERA PANAMERICANA
SUR TRAMO PUENTE SANTA ROSA – PUENTE MONTALVO
3.1. Ubicación del Proyecto
El tramo en estudio se inicia en el Km. 1041+600, señal informativa PUENTE
SANTA ROSA, CAR. MAX. 50 TN. (Empalme con el Km. 1041+610.20 del
tramo Dv. Mollendo – Puente Santa Rosa), ubicado en el distrito de Punta de
Bombón, Provincia Islay, departamento de Arequipa, aproximadamente a 93
m.s.n.m. y finaliza pasando el Puente Montalvo en la señal informativa ubicada al
lado izquierdo de la vía en el Km. 1139+795, en el Distrito de Moquegua,
Provincia Mariscal Nieto, Departamento de Moquegua (grafico 3.1),
aproximadamente a 1400 m.s.n.m.; con una longitud total de 98.195 Km.
Carretera : Panamericana Sur
Sector : Puente Santa Rosa (Km.1041+600)
Puente Montalvo (km. 1139+795)
Ubicación : Entre departamento de Arequipa provincia de Islay, y
departamento de Moquegua, provincia de Mariscal Nieto .
Longitud : 98.195 Km.
62
63
3.2. Descripción de la carretera
Este tramo de la carretera Panamericana Sur, es una vía importante debido a que
interconecta el departamento de Arequipa con el departamento de Moquegua,
atravesando importantes poblados y desvíos como El Fiscal, Cocachacra,
Chucarapi, Mollendo, etc.
La carretera se inicia en el Km. 1041+600 de la Panamericana Sur, a una altitud
aproximada de 93 m.s.n.m. en el flanco izquierdo del río Tambo, hasta
aproximadamente la progresiva Km. 1044.
A partir del Km. 1044+000, que posee la cota 182 m.s.n.m. hasta la progresiva
Km. 1052, la carretera se desarrolla en ascenso rumbo a la denominada pampa
Colorada. En el Km. 1055 se encuentra ubicado el Peaje El Fiscal.
La Zona denominada Pampa Toro empieza en el Km. 1062, y entre el Km. 1067
al Km. 1073 la denominada Pampa Repartición, ubicado en ambos lados de la vía.
En el Km. 1074+730 se encuentra el límite departamental entre los departamentos
de Arequipa y Moquegua.
Entre el Km. 1076 hasta el Km. 1080, con cotas 880 m.s.n.m. y 890 m.s.n.m
respectivamente, se encuentra la Pampa Salinas. Desde el Km. 1080 hasta el Km.
1085 la carretera se desarrolla por la Pampa Huamachuco, y tiene un pequeño
ascenso, pues parte de la cota 896 m.s.n.m. y llega hasta la cota 1065 m.s.n.m.
A partir del Km. 1085 hasta el Km. 1108, el tramo se desarrolla por el desierto de
la Clemesí, teniendo un ancho promedio de calzada de 7.20 m y un ancho de
berma de hasta 2.40 a 3.00 m.
Desde el Km. 1108+000 hasta el Km. 1113+000, la carretera se desarrolla en el
sector de la bajada del túnel, en corte a media ladera con el cerro ubicado al lado
izquierdo de la vía.
A partir del Km. 1134+000 hasta el Km. 1139+795 la topografía es casi palana, y
todo el descenso, ubicándose casi al final del tramo el peaje Montalvo. Además en
el Km. 1138+200 se encuentra el control de servicio de sanidad Agraria
SENASA.
3.3. Plano general del Proyecto y secciones típicas
El tramo en estudio se encuentra entre los departamentos de Arequipa y
Moquegua como se muestra en los planos de Ubicación y Localización adjuntos.
64
La solución de la estructura del pavimento a desarrollar corresponde a un
pavimento con revestimiento de microaglomerado en caliente de espesor de 3.5
centímetros, como se observa en las secciones adjuntas.
3.3.1 Sección 1: KM 1041+600 – KM 1053+000
TERRAPLEN / CORTE
BASE GRANULAR EXISTENTE
LIMPIEZA DE BERMAS
MICROPAVIMENTO
CAPA NIVELANTE
RIEGO DE LIGA
CARPETA EXISTENTE
RIEGO DE LIGA(CALZADA Y BERMAS)
BACHEO DE BERMAS
ESCARIFICADO YCONFORMACION DE BERMAS
IMPRIMACION
Figura 16 KM 1041+600 – KM 1053+000
1. Limpieza de bermas
2. Bacheo en zonas de bermas con material de base (e= 25 cm) en sectores
localizados.
3. Escarificado y conformación de bermas que presenten desprendimiento de
material (e= 5 cm)
4. Imprimación de zonas tratadas (bacheo y escarificado) en bermas con asfalto
tipo MC-30.
5. Riego de liga con emulsión catiónica de rotura rápida modificada con
polímeros (CSR-2p) en zona de calzada y bermas no tratadas.
6. Colocación de capa nivelante de 2 pulg. de espesor promedio, incluyendo
bermas.
7. Riego de liga con emulsión catiónica de rotura rápida modificada con
polímeros (CSR-2p) solo en zona de calzada de 7.20 m de ancho
8. Micropavimento en caliente de 3.5 cm, con asfalto modificado con la
recuperación elástica especificada y gradación discontinua, sólo en la zona de
calazada.
65
3.3.2 Sección 2: KM 1053+000 – KM 1091+000
Figura 17. KM 1053+000 – KM 1091+000
1. Limpieza de bermas
2. Bacheo en zonas de bermas con material de base (e= 25 cm) en sectores
localizados.
3. Escarificado y conformación de bermas que presenten desprendimiento de
material (e = 10 cm)
4. Imprimación de zonas tratadas en bermas con asfalto tipo MC-30.
5. Sello de fisuras severas con ruteo y material elastomérico.
6. Sello de fisuras moderadas con material elastomérico.
7. Bacheo superficial en zonas con fisuramiento tipo “piel de cocodrilo”.
8. Riego de liga con emulsión catiónica de rotura rápida modificada con
polímeros (CRS-2p) en zona de calzada de 7.20 m de ancho.
9. Micro pavimento en caliente de 3.5 cm, con asfalto modificado con la
recuperación elástica especificada y gradación discontinua, solo en la zona de
calzada.
10. Tratamiento superficial bicapa en ambos lados de la berma con emulsión
asfáltica de rotura rápida.
66
3.3.3 Sección 3: KM 1091+000 – KM 1105+000
TERRAPLEN / CORTE
BASE GRANULAR EXISTENTE
LIMPIEZA DE BERMAS
MICROPAVIMENTO
INYECCION DE LA EMULSIONASFALTICA Y MEZCLADO DELMATERIAL MOLIDO Y AÑADIDO
MOLIENDA DE LA CARPETA YBERMA EXISTENTE
RIEGO DE LIGA(CALZADA)
ADICION DE MATERIAL GRANULARSOBRE LA SUPERFICIE EXISTENTE
CURADO DE LA BASEESTABILIZADA Y MICROFRESADO
PARA PERFILADO FINALPERFILADO Y COMPACTACION DELMATERIAL
0.10 m
Figura 1.8 KM 1091+000 – KM 1105+000
1. Limpieza de bermas en un ancho de 1.20 m en ambos lados.
2. Adición de material granular sobre la superficie existente.
3. Molienda de la carpeta y berma existente.
4. Inyección de la emulsión asfáltica y mezclado del material molido y añadido.
5. Perfilado y compactación del material.
6. Curado de la base estabilizada y microfresado para perfilado final.
7. Riego de liga con emulsión catiónica de rotura rápida modificada con polímeros
(CRS-2p) en zona de calzada de 7.20 m de ancho.
8. Micro pavimento en caliente de 3.5 cm, con asfalto modificado con la
recuperación elástica especificada y gradación discontinua, en la zona de
calzada.
3.3.4 Sección 4: KM 1105+000 – KM 1139+795
67
Figura 19. KM 1105+000 – KM 1139+795
1. Limpieza de bermas
2. Bacheo en zonas de bermas con material de base (e= 25 cm) en sectores
localizados.
3. Escarificado y conformación de bermas que presenten desprendimiento de
material (e = 10 cm)
4. Imprimación de zonas tratadas en bermas con asfalto tipo MC-30.
5. Sello de fisuras severas con ruteo y material elastomérico.
6. Sello de fisuras moderadas con material elastomérico.
7. Bacheo superficial en zonas con fisuramiento tipo “piel de cocodrilo”.
8. Riego de liga con emulsión catiónica de rotura rápida modificada con
polímeros (CRS-2p) en zona de calzada de 7.20 m de ancho.
9. Micro pavimento en caliente de 3.5 cm, con asfalto modificado con la
recuperación elástica especificada y gradación discontinua, solo en la zona de
calzada.
10. Tratamiento superficial bicapa en ambos lados de la berma con emulsión
asfáltica de rotura rápida.
3.4. Estudio de Tráfico y carga
Para el presente estudio de tráfico, fue necesario efectuar un análisis preliminar
del comportamiento que éste presenta por la influencia que en el puedan ejercer
los diversos centros poblados o de actividad productiva a los que se tiene acceso
desde la carretera; lo que permitió definir las caracteristicas de la información
histórica que fue necesario recolectar y del relevamiento de los datos de campo
como son los conteos volumétricos y las encuestas de origen y destino.
Con este fin, se efectuó un recorrido a lo largo de los tramos del estudio y definió
un seccionamiento con fines exclusivamente de tráfico.
Los conteos o censos volumétricos de tráfico, se efectuaron durante 24 horas
desde las 0 hasta las 24 horas de cada día, registrándose todo vehículo que cruzase
la estación, por sentido y en forma discriminada por tipo de vehículo.
68
3.4.1 Índice Medio Diario según Clase Vehicular
Los resultados obtenidos, indican un volumen vehicular de la siguiente manera:
Tabla 6. IMDA Resumen por tramo
CÓDIGOESTACIÓN
TRAMO IMDAINICIO FIN
E1 Fiscal Dv Matarani 1683E2 Dv. Moquegua Fiscal 1267
Fuente: Estudio de Trafico 2012
Las Tablas siguientes, contienen el resumen del volumen clasificado diario de las
estaciones de control vehicular.
Tabla 7. IMDa E2 Dv. Moquegua
E3 Montalvo
Vehículo Dv. Moquegua - Fiscal
Fiscal - Dv. Moquegua IMDA Distribución
Automóvil 104 97 201 16%
Station Wagon 44 43 87 7%
Pick Up 83 83 166 13%
Panel 20 23 43 3%
C. Rural 50 49 99 8%
Microbús 3 4 7 1%
Bus 2E 12 11 23 2%
Bus 3E 60 60 120 9%
Bus 4E 10 9 19 1%
Camión 2E 40 39 79 6%
Camión 3E 31 34 65 5%
Camión 4E 3 4 7 1%
Semitrayler 2S1 0 1 1 0%
Semitrayler 2S2 3 3 6 0%
Semitrayler 2S3 24 24 48 4%
Semitrayler 3S1 0 0 0 0%
Semitrayler 3S2 24 34 58 5%
Semitrayler >=3S3 113 114 227 18%
Trayler 2T2 0 0 0 0%
Trayler 2T3 1 0 1 0%
Trayler 3T2 3 2 5 0%
Trayler >=3T3 3 2 5 0%
TOTAL 631 636 1267 100% Fuente: Estudio de Trafico 2012
69
Tabla 8. IMDa E4 El Fiscal
E4 El Fiscal
Vehículo Fiscal - Dv. Matarani
Dv. Matarani - Fiscal IMDA Distribución
Automóvil 136 133 269 16%
Station Wagon 36 27 63 4%
Pick Up 106 107 213 13%
Panel 63 60 123 7%
C. Rural 140 130 270 16%
Microbús 4 2 6 0%
Bus 2E 17 13 30 2%
Bus 3E 65 63 128 8%
Bus 4E 11 10 21 1%
Camión 2E 57 51 108 6%
Camión 3E 37 29 66 4%
Camión 4E 7 5 12 1%
Semitrayler 2S1 1 1 2 0%
Semitrayler 2S2 3 3 6 0%
Semitrayler 2S3 24 18 42 2%
Semitrayler 3S1 1 0 1 0%
Semitrayler 3S2 29 24 53 3%
Semitrayler
>=3S3 121 129 250 15%
Trayler 2T2 0 1 1 0%
Trayler 2T3 1 1 2 0%
Trayler 3T2 6 5 11 1%
Trayler >=3T3 3 3 6 0%
TOTAL 868 815 1683 100% Fuente: Propia. Estudio de Trafico 2012
3.4.2. Ejes Estándar de Cargas Equivalentes
Los Ejes equivalentes se han calculado año por año y en forma acumulada por
sentido de circulación, se presenta el resumen por períodos.
70
Tabla 9. Ejes Standard de Carga Equivalente Cuadro Resumen de Resultados
Estación N°
Sentido
De
A
ESAL (03 años)
1.10
4 E
+06
ESAL (10 años)
4.15
3 E
+06
ESAL (15 años)
6.81
3 E
+06
ESAL (20 años)
9.96
0 E
+06
E - 2 E - 3 E - 4 E - 5
E - 2
- B
E - 3
- A
E - 3
- B
E - 4
- A
E - 4
- B
E - 5
- A
Dv. M
oque
gua
Dv. M
oque
gua
Fisc
al
Fisc
al
Dv M
atar
ani
Dv M
atar
ani
DV. I
lo
Fisc
al
Dv. M
oque
gua
Dv M
atar
ani
Fisc
al
Repa
rtició
n
1.78
7 E
+06
1.87
3 E
+06
1.91
4 E
+06
2.23
9 E
+06
2.14
7 E
+06
4.39
8 E
+06
6.74
6 E
+06
7.22
6 E
+06
7.38
4 E
+06
8.62
6 E
+06
8.27
8 E
+06
1.69
6 E
+07
1.10
9 E
+07
1.19
3 E
+07
1.21
9 E
+07
1.42
3 E
+07
1.36
6 E
+07
2.80
1 E
+07
1.62
6 E
+07
1.75
4 E
+07
1.79
2 E
+07
2.09
0 E
+07
2.00
7 E
+07
4.11
7 E
+07
Fuente:
3.5. Geología
En la zona de estudio, el tramo empieza en el Km. 1041+600, señal informativa
PUENTE STA ROSA, CAR. MAX. 50 TN (Empalme con el Km 1041+610.20
del tramo Dv. Mollendo – Puente Santa Rosa) y finaliza en el Km. 1139+795 en
el Puente Montalvo. Se encuentran bien expuestos los sedimentos de la formación
Moquegua apreciándose mejor en los valles y quebradas que imperan en la zona,
los depósitos del Qr. fluvial aluvional, son secuencias producto de la erosión y
posterior sedimentación de los restos de la formación Moquegua los cuales
estratigráficamente están compuestos de una secuencia de areniscas arcosicas a
tufáceas de color marrón claro a gris los cuales alternan en forma casi irregular
con areniscas arcillosas y arcillas grises a rojizas, estas areniscas son de grano fino
a medio con componentes principalmente feldespato y cuarzo esta formación tiene
71
una regular cohesión y a veces es bastante compacta por tener en su matriz arcilla,
como la que se puede apreciar en el corte de la carretera ubicados en el Km.
1139+795 donde tenemos un estrato de arcilla.
Esta zona la cobertura del cuaternario reciente fluvial aluvional se manifiesta
mejor dentro de las quebradas como en el caso de la cantera 1116+000 ubicado
dentro de una quebrada.
3.6. Hidrología y drenaje
El tramo en estudio corresponde por su ubicación entre los 93 m.s.n.m. y los 1400
m.s.n.m. a un tramo costero, caracterizado por nula y/o escaza presencia de
lluvias.
La información pluviométrica existente corresponde a una zona desértica por su
escaza o esporádica precipitación.
El estudio hidrológico no tiene mayor inferencia sobre la carretera, debido a su
mínima incidencia; las obras de drenaje existentes son las suficientes y necesarias
para este tramo, tal como se observa en el inventario de obras de arte y drenaje
sobre los cuales la definición de su clase corresponde a criterios de una adecuada
ejecución de trabajos de mantenimiento y limpieza.
3.7. Suelos canteras y fuentes de agua
El objetivo del estudio, es realizar os estudios de suelos en los sectores donde el
pavimento presente problemas estructurales y/o funcionales, previamente
determinados mediante medición de deflecciones, de regularidad superficial o por
relevamiento de fallas (evaluación del pavimento), realizando prospecciones de
suelos mediante calicatas cada 500 m hasta una profundidad de 1.50 m. Además
hacer el estudio de canteras, verificando su uso y potencia para su posterior
utilización al realizar los trabajos. De igual manera con las fuentes de agua
ubicadas a lo largo de la carretera, se determinará su calidad y si son adecuadas
para su uso.
Habiéndose definido los tramos que presentan problemas estructurales se
realizaron las excavaciones desde el Km. 1087+500 hasta el Km. 1139+400,
siendo un total de ochenta y cinco (85) calicatas hasta una profundidad de 1.50 m,
donde se realizaron ensayos de clasificación, CBR, proctor, humedad y densidad.
72
La ubicación de estas canteras han sido definida tomando en cuenta la cantidad
calidad y cercanía de la cantera a los tramos de trabajo y a la carretera. Las
canteras aceptadas para su explotación son :
- Cantera San Antonio se encuentra del desvío en la progresiva 1140+000, luego
se sigue 4 Km por la carretera Binacional a Puno, llegando hasta la progresiva
92+600, lado derecho. Tiene un volumen = 84,074.60 m3. De los análisis
realizados dicha cantera es de posible uso para: Bases granulares, carpeta
asfáltica, concreto de cemento portland, tratamiento superficial, Sello asfáltico y
Relleno.
- Cantera Km. 1116+000, a 300 metros de la carretera, lado izquierdo, se
encuentra dentro de una quebrada tiene un volumen = 274,176.40 m3. De los
análisis realizados dicha cantera es de posible uso para: Bases granulares,
carpeta asfáltica, concreto de cemento portland, tratamiento superficial, Sello
asfáltico y Relleno.
La cantera a usarse para la producción de material y la cual abastecerá durante la
ejecución de la obra, será la Cantera Congas ubicada en el Km. 1116+00,
disponiendo de una gran potencia. Además en este lugar se ubicará la planta de
asfalto para la fabricación de mezcla asfáltica.
Para el estudio de las fuentes de agua se ubicó las existentes a lo largo de la
carretera, se tomaron muestras para sus respectivos ensayos determinando la
calidad de ellas mediante análisis químicos realizados en el laboratorio.
Tabla 10.
NOMBRE PROGRESIVA TIPO
Tambo 1040+600 Río
Moquegua 1139+795 Río
Fuente:
Los ensayos no muestran ningún inconveniente para el uso de las fuentes de agua
existentes en los materiales granulares del pavimento. Se recomienda el uso de
agua potable transportada desde la ciudad de Moquegua para la dilución de las
emulsiones asfálticas que se van a colocar en los riegos, elaboración del concreto
de cemento portland y según otros requerimientos.
73
A lo largo del tramo se han ubicado 4 botadores, los cuales servirán para el
depósito y conformación del material excedente producto de los cortes, retiro de
bermas y carpetas dañadas, demoliciones, etc.
Previa identificación de los botaderos se realizó un levantamiento topográfico del
área utilizable, para calcular su capacidad de almacenamiento. Se adjunta la
capacidad de los botaderos, ubicándose en las siguientes progresivas:
Tabla 11.
UBICACIÓN LADO CAPACIDAD
Km. 1051+000 Derecho 4,139.60
Km. 1054+200 Izquierdo 13,362.17
Km. 1070+300 Izquierdo 6,080.00
Km. 1080+300 Izquierdo 7,307.85
Fuente:
3.8. Evaluación Análisis y Diseño del Pavimento
3.8.1 Evaluación funcional del Pavimento
Con el fin de determinar la condición superficial del pavimento, se realizó la
inspección visual de fallas de la calzada y la berma. La metodología de
recolección de datos consiste registrar en los formatos de campo los daños
superficiales, el tipo y la gravedad para cada tipo de superficie encontrada. Lo
anterior, permite inferir el comportamiento de la carretera y observar el estado
actual de la vía. La clasificación de los daños por tipo de superficie para la calzada
y la berma se presentan en las siguientes tablas:
Tabla 12. Daños de los pavimentos asfaltados.
Clasificación de los daños
Código de daño
Daños Gravedad
1
1 :Malla grande (> 0.5 m) sin material suelto
Piel de Cocodrilo 2:Malla mediana (entre 0.3 y 0.5 m) sin o con material suelto3:Malla pequeña (< 0.3 m) sin o con material suelto
2 Fisuras Longitudinales
1 :Fisuras finas en las huellas del tránsito (ancho < 1 mm)2:Fisuras abiertas y/o ramificadas sin pérdida de material (ancho > 1 mm)
74
3:Fisuras abiertas y/o ramificadas con pérdida de material (ancho > 1 mm)
3
Deformaciónpor deficiencia Estructural
1 :Profundidad sensible al usuario pero < 2 cm
Daños estructurales
2: Profundidad entre 2 cm y 4 cm 3: Profundidad >= 4 cm
Ahuellamiento 1: Profundidad sensible al usuario pero < 1 cm
4 visco-elástico 2: Profundidad > 1 cm
1 :Reparación o bacheo para daños superficiales2:Reparación de piel de cocodrilo o de fisuras longitudinales, en buen estado 3:Reparación de piel de cocodrilo o de fisuras longitudinales.en mal estado
5 Reparaciones o bacheo
7
1 :Diámetro < 0.2 mHuecos 2:Diámetro entre 0.2 y 0.5 m
3:Diámetro > 0.5 m
DañosSuperficiales
6
Desprendimiento 1 :Puntual sin aparición de la base granular2: Continuo sin aparición de la base granular o puntual con aparición de la base granular.3:Continuo con aparición de la base granular
7Huecos 1 :Diámetro < 0.2 m
2:Diámetro entre 0.2 y 0.5 m3:Diámetro > 0.5 m
8Fisuras Transversales
1 :Finas (ancho < 1 mm)2:Fisuras abiertas y/o ramificadas sin pérdida de material (ancho > 1 mm)3:Fisuras abiertas y/o ramificadas con pérdida de material (ancho > 1 mm)
9 Exudación l:Puntual 2:Continua3:Continua con superficie viscosa
Fuente:
Tabla 13. Niveles de gravedad de daños para bermas de pavimento flexible.
Código de daño Gravedad
101: Daños puntuales 2: Daños en menos del 30% de la longitud 3: Daños en más del 30% de la longitud
75
111: Desnivel significativo pero menor que 5 cm 2: Desnivel entre 5 y 10 cm 3: Desnivel >=10 cm
76
Tabla 14. Niveles de gravedad de daños para pavimentos rígidosCódigo de daño
Daños Gravedad
1 :Sensible al usuario sin reducción de la velocidad1 Desnivel entre
losas2:Resulta en una reducción significativa de la velocidad3:Resulta en una reducción drástica de la velocidad
2 Fisuras Longitudinales
1 :Finas (ancho < 1 mm) 2:Abiertas y/o ramificadas, sin pérdida de material (ancho > 1 mm) 3:Abiertas y/o ramificadas, con pérdida de material (ancho > 1 mm)1 :Finas (ancho < 1 mm)
3 Fisuras Transversales
2:Abiertas y/o ramificadas, sin pérdida de material (ancho > 1 mm)3:Abiertas y/o ramificadas con pérdida de material (ancho > 1 mm)1: Solamente una esquina quebrada2: Dos esquinas quebradas3: Mas que dos esquinas quebradas
4 Fisuras de Esquina
1 :Finas (ancho < 1 mm)5 Fisuras Oblicuas 2:Abiertas y/o ramificadas, sin pérdida de material
(ancho > 1 mm)3:Abiertas y/o ramificadas con pérdida de material (ancho > 1 mm)1 Puntuales (menos que el 10% de la superficie de las losas afectadas2: Puntuales (entre el 10% y 30% de la superficie de las losa afectadas)3: Continuas ( más que el 30% de la superficie de las losas afectadas)
Reparaciones oBacheos
1: Fracturamiento o desintegración de bordes en menos que el 50 % de la longitud dentro de los 5 cm de la junta2: Fracturamiento o desintegración de bordes en más que el 50 % de la longitud dentro de los 5 cm de la junta3: Fracturamiento o desintegración hasta una distancia superior a 5 cm de la junta
7 Despostillamientode Juntas
La información relevada del estado superficial del pavimento permitió observar
que las actividades realizadas fueron Sellos de fisuras, cumpliendo los niveles de
servicio para calzadas y bermas y permitiendo transitabilidad segura, rápida y
confortable para los usuarios.
La clasificación de los daños en calzada por tipo de superficie, de acuerdo al
Manual de Gestión de Carreteras, se presenta en la Figura 47 donde se evidencia 77
las mejoras en las condiciones de los daños superficiales a lo largo del tramo,
debido a la conservación llevada a cabo. De manera general, las reparaciones o
bacheos aumentaron del 8.99% al 16.07%, las fisuras transversales disminuyeron
del 2.4% al 0.06%, se observa un ligero aumento de la exudación del 0% al
1.09%.
Figura 47. Comparación daños en Pavimento Tramo IIIA Pte. Santa Rosa –
Pte. Montalvo Año 2011, 2012, 2013
Gráfico 1. Comparación daños en Pavimento Tramo MÍA Pte. Santa Rosa - Pte. Montalvo Año 2011, 2012, 2013
Si bien es cierto que la metodología para inspección de daños utilizada no
contempla el fisuramiento en bloque de origen térmico, es importante evaluar la
condición actual para este tipo de daño debido a los elevados valores de densidad
y severidad que se obtuvieron en la etapa previa a la conservación periódica (año
2011).
La Figura 48 representa la condición previa y posterior a la ejecución de las
intervenciones, resaltando claramente el efecto en la condición superficial del
pavimento que tuvo un ligero aumento en el porcentaje de fisuras en bloque del
0.00% al 6.10% para el presente año.
Gráfico 2. Comparación de fisuramiento en bloque Tramo MÍA Pte. Santa Rosa - Pte. Montalvo - Años 2011,2012 y 2013
78
Finalmente como resultado de la comparación entre los años 2012 y 2013 se
obtiene ligero aumento en las reparaciones, y diminución de fisuras
transversales.
3.8.1.1. Trabajos de campo y Resultados de las Mediciones de Rugosidad
La rugosidad está definida como las irregularidades en la superficie del pavimento
que afectan adversamente a la calidad de rodado, seguridad y costos de operación
vehicular. Es importante mencionar que dichas alteraciones o irregularidades, no
solo provocan efectos dinámicos nocivos en los vehículos; sino también en el
pavimento, modificando el estado de esfuerzos y deformaciones en la estructura
de la vía, lo que produce también incrementos en las actividades posteriores de
conservación y rehabilitación. Para ello se desarrolló a nivel internacional un
índice único y común que representa el conjunto de percepciones de los usuarios
circulando en un vehículo a una velocidad media: el Índice de Regularidad
Internacional (IRI), es un indicador de la irregularidad superficial del pavimento,
que permite determinar la condición funcional de una vía.
El equipo empleado para la medición de la rugosidad es el perfilógrafo RSP-L5
(Road Surfacer Profiler) de la compañía Dynatest, el cual permite relevar en
79
forma continua cada carril de circulación del tramo seleccionado con un nivel
máximo de precisión, además de contar con un alto rendimiento, al recorrer la vía
a una velocidad superior a 30 km/h. Las mediciones se efectuaron teniendo en
cuenta lo establecido en la norma ASTM E 950-98 (reaprobada en 2004).
El perfil del pavimento se obtiene por la suma integrada de las mediciones de 7
sensores ubicados en una viga transversal, que a su vez va montada en el bumper
delantero del vehículo. Hay dos sensores acelerómetros, que miden el
desplazamiento vertical del vehículo (aceleraciones verticales) y cinco sensores
láser, que miden el desplazamiento entre el vehículo y el pavimento. La
medición de la distancia es llevada a cabo por un odómetro colocado en la rueda
del vehículo, el cual al girar da la lectura de la distancia recorrida tanto por el
vehículo como por la viga que sostiene los sensores anteriormente mencionados.
Los resultados son grabados y archivados en medio magnético por un
computador presente en el vehículo, para el posterior análisis de la información
(Figura 5).
Las ventajas de realizar mediciones de rugosidad y ahuellamiento con este
equipo son:
Alto rendimiento en la toma de información, recorriendo el carril a evaluar a
una velocidad entre 30-70 km/h.
Medición en forma continua del IRI en ambas huellas del carril de
circulación.
Medición en forma continua del ahuellamiento en ambas huellas del carril
de circulación.
Toma de mediciones a velocidades de tráfico normal.
Determinación con alta precisión de índices que representan la
serviciabilidad y del confort de la vía.
Es importante anotar que en la toma de mediciones se tuvieron en cuenta las
siguientes consideraciones:
Antes de iniciar cualquier jornada de trabajo se comprobó el correcto
funcionamiento del equipo.
Se tuvieron en cuenta las distancias mínimas antes del inicio de la medición,
con el fin de obtener la velocidad mínima requerida.
La medición del IRI se realizó en ambos carriles y sobre cada una de
las huellas de circulación de los vehículos.80
Las demás consideraciones establecidas en la norma ASTM E 950.
Figura 20. Perfilógrafo láser.
La información de IRI tomada por el perfilógrafo láser se realiza de manera
continua y es registrada cada 20 m y posteriormente se procesó cada 200m.
Figura 21.
Con los valores de IRI representativo por sección, se calcula el Índice de
Serviciabilidad Presente del pavimento (Present Serviceability Index - PSI), a
partir de los valores de rugosidad obtenidos. La ecuación que se empleó para el
cálculo de PSI es:
PSI = 5e (-IRI/5.5) IRI en m/km, Modelo HDM-III Paterson
81
En capítulos posteriores se presenta el valor de serviciabilidad para cada sector,
la cual está en función del IRI y de acuerdo a los rangos de serviciabilidad
presentados en la Tabla 11.
Tabla 15. Clasificación de la serviciabilidad
Valor PSI
Clasificación Serviciabilidad
(PSI)
4 –
5
Muy Buena3 –
4
Buena2 –
3
Regular1 –
2
Mala0 -
1
Muy MalaFuente:
Para el tramo se realizaron obras de mantenimiento rutinario; se realizó un
tratamiento de fisuras con sellante elastomérico entre los Km 1048+350 al Km
1051+000, del Km 1052+500 al Km 1073+500, del Km 1076+000 al Km
1087+500, del Km 1088+500 al Km 1092+000, del Km 1093+500 al Km
1136+500 y del Km 1138+000 al 146+000.
Teniendo en cuenta las intervenciones realizadas, se compararon los resultados
de valores promedio de IRI entre los años 2011, 2012 y 2013, dónde se encontró
una disminución en el valor promedio del IRI. Para el año 2012 el valor
promedio de IRI por carril del tramo es de 1.65 m/km y el promedio para el año
2013 es de 1.49 m/km con un coeficiente de variación de 31%, mostrando una
ligera disminución del valor del IRI debido a la conservación que se lleva acabo
de manera rutinaria. En la Tabla 51 se puede observar los tramos homogéneos y
su valor de promedio de IRI.
Adicionalmente, el Índice de Serviciabilidad Presente del pavimento (Present
Serviceability Index – PSI) que se obtiene a partir del promedio general de IRI
(1.49m/km) es 3.81 (Paterson), se clasifica como un tramo de “BUENA”
Serviciabilidad.
En la Figura 51 se muestra una comparación de la distribución del IRI del Tramo
Puente Santa Rosa – Puente Montalvo entre los años 2011, 2012 y 2013.
82
Tabla 16. Estadística Promedio IRI Tramo IIIA Puente Santa Rosa – Puente Montalvo
SectorProgresiv
a
Progresiva
Promedio
aritmétic
Desviación
Coeficiente de
1 1048+360 1065+200 1.86 0.5
9
31
%2 1065+200 1085+000 1.44 0.4
8
33
%3 1085+000 1091+000 1.20 0.3
3
28
%4 1091+000 1094+800 1.31 0.3
7
29
%5 1094+800 1098+600 1.35 0.3
5
26
%6 1098+600 1112+000 1.47 0.4
4
30
%7 1112+000 1128+400 1.41 0.4
6
33
%8 1128+400 1132+600 1.39 0.4
1
29
%9 1132+600 1146+500 1.44 0.5
3
37
% Fuente:
3.8.2 Evaluación estructural del Pavimento
3.8.2.1 Trabajos de campo y Resultados de las Mediciones de Deflexiones
La evaluación estructural de pavimentos consiste básicamente en la
determinación de la capacidad portante del sistema pavimento-subrasante en una
estructura vial existente, en cualquier momento de su vida de servicio, para
establecer y cuantificar las necesidades de intervención, cuando el pavimento,
por ejemplo, se acerca al fin de su vida útil o cuando el pavimento va a cambiar
su función. Las necesidades de evaluar estructuralmente los pavimentos de una
red aumentan a medida que se completa el diseño y la construcción de una red
vial nacional o regional consecuentemente aumenta la necesidad de su
conservación o mantenimiento.
La evaluación estructural no destructiva, permite al Ingeniero Vial disponer de
una herramienta racional con buena aproximación de forma rápida, a diferencia
de ejecutar calicatas para tomar muestras y ensayarlas en el laboratorio, y
posteriormente analizar cada uno de sus componentes (materiales) por separado,
para incorporarlos luego en el sistema (pavimento) y deducir acerca de las
características estructurales del mismo.
La evaluación estructural del pavimento mediante metodología no destructiva se
fundamenta en que la forma y dimensión de la curva de deflexiones encierra una
valiosa información acerca de las características estructurales del pavimento y su
subrasante. Para interpretar esta información en forma cuantitativa, se 83
determinan los parámetros estructurales del sistema. Una vez determinados estos
parámetros estructurales, puede usarse como insumo para establecer las
necesidades de intervención. Podría decirse entonces que la metodología de
evaluación estructural, por métodos no destructivos, es un proceso de cálculo
inverso ya que utiliza la respuesta del sistema para establecer sus características
estructurales, lo cual es generalmente opuesto a un proceso de diseño.
La metodología “no destructiva” se basa en la interpretación de las deflexiones
medidas en la superficie de un pavimento. Estas deflexiones reflejan una
respuesta global del sistema pavimento- subrasante bajo una carga dada. Su
medición es simple, rápida, económica y “no destructiva”, es decir, no se altera
el equilibrio ni la integridad del sistema. Otra característica de la metodología de
evaluación no destructiva, es que por constituir la “muestra de ensayo” el
pavimento mismo, ésta representa el fiel reflejo de la compleja interacción entre
sus componentes (capas de materiales y subrasante) y además está “muestra”
puede ser ensayada en cualquier momento de su vida sin disturbarla ni destruirla.
La definición de deflexión es, la medida de deformación elástica que
experimenta un pavimento al paso de una carga y es función no solo del tipo y
estado del pavimento, sino también del método y equipo de medida. En el ensayo
no solo se desplaza el punto bajo la carga, sino también un sector alrededor de
ella, causando un conjunto de deflexiones, el cual se denomina cuenco o
deformada.
Los equipos que trabajan con el sistema de medida de deflexión bajo carga por
impacto envían una fuerza de impacto transitoria al pavimento; una masa es
levantada a determinada altura y luego soltada sobre una placa circular
amortiguadora en el pavimento. Una fuerza de impulso
transitoria se genera a causa de la caída de la masa, para este caso, la carga
aplicada fue de 50 kN. Los desplazamientos verticales producidos en el
pavimento a causa del impacto, son detectados por sensores situados a
determinadas separaciones del centro de aplicación de la carga, típicamente 0,
30, 60, 90, 120, 150 y 180 cm.
En el presente estudio el equipo empleado fue el deflectómetro de impacto
(Heavy Falling Weight Deflectometer, HWD) de la compañía Dynatest. Se
aplicó una carga dinámica y las deflexiones producidas fueron medidas por
medio de una grupo de sensores ubicados a distancias de 0, 0.30, 0.60, 0.90, 84
1.20, 1.50 y 1.80 m del centro del disco de carga, de diámetro 0.30 m y
registradas automáticamente en un computador portátil ubicado en el vehículo
que arrastra y controla el trailer de medición. Para llevar a cabo las mediciones
se tuvo en cuenta lo establecido en las normas: ASTM D 4694-96 (2003),
ASTM D 4695-03 y ASTM D 5858-96 (2003) y el Manual de Gestión
de Carreteras del MTC.
Las medidas de deflexión se realizaron en tresbolillo distanciados 200
metros/carril. Al realizar las mediciones se tomó la temperatura ambiente, de la
superficie del pavimento y de la mezcla asfáltica.
Figura 22. Heavy Falling Weight Deflectometer.
A partir de los datos de deflexiones obtenidos en campo se debe realizar el
procesamiento de esta información en gabinete, con el fin de normalizar las
deflexiones a una carga y temperatura establecidas.
Para el diligenciamiento de los formatos SIC 27 y 28, se calculó el radio de
curvatura y la deflexión Benkelman. El radio de curvatura (Rc) se calculó por
medio de los valores de deflexiones cerca del Centro de impacto de la siguiente
manera:
Rc = 20000/(D0 - D1)
Donde, D0 y D1 son las deflexiones medidas por los dos primeros sensores (en
micrones). La deflexión Benkelman se obtuvo por medio de la siguiente
correlación:
DB=0.8 FWD
85
Donde FWD son las deflexiones centrales medidas con el deflectómetro de
impacto ajustado a 50 kN y a 20ºC.
Figura 23.
En la Figura 53 se aprecia una variabilidad en los resultados obtenidos de las
deflexiones a los largo del tramo III-A Puente Santa Rosa – Puente Montalvo, se
distingue nueve sectores homogéneos; entre las progresivas del km 1094+800 al
km 1098+600, se tienen valores menores y con un coeficiente de variación
promedio entre el 20% y el 26% el cual evidencia valores con un alto grado de
homogeneidad, en los sectores entre el Km 1085+000 al 1091+000, del Km
1128+400 al Km 1132+600 y del 1132+600 al 1146+500 se aumentan los
coeficientes de variación entre 29% y 32% y en los valores entre los Km
1048+360 al1065+200, 1065+200 al 1085+000, el Km 1091+000 al Km
1094+800 y el Km
1112+000 al Km 1128+400 se tienen valores de coeficiente de variación entre el
38% y el 49% cual denota el alto grado de dispersión.
Tabla 17. Estadística de las máximas deflexiones Tramo IIIA Puente Santa Rosa - Puente Montalvo
SectorProgresi
va Inicial (km)
Progresiva Final (km)
Promedio Aritmético (mm/100)
Desviación
Estándar (mm/100
Coeficiente de variación
1 1048+360 1065+200 148.12 68.86 46%
2 1065+200 1085+000 157.90 62.19 39%
3 1085+000 1091+000 123.47 37.89 31%
4 1091+000 1094+800 144.47 54.53 38%
5 1094+800 1098+600 190.89 50.08 26%
6 1098+600 1112+000 283.14 55.24 20%
7 1112+000 1128+400 302.21 149.15 49%
8 1128+400 1132+600 278.36 79.63 29%
86
9 1132+600 1146+500 236.21 75.31 32%
Fuente:
Sin embargo, al comparar los resultados obtenidos para los años 2012 y 2013 se
obtiene una gran similitud en todo el recorrido del tramo. En general la tendencia
para el año 2013 es ligeramente superior a la del 2012 en algunos sectores
puntuales, lo anterior debido a que la actividad de conservación periódica se
consideró la ejecución de un fog seal que mejora la calidad superficial pero que
no aporta a la capacidad estructural del pavimento. Los resultados para el año
2013 reflejan el deterioro normal del pavimento que es similar en magnitud a los
resultados del 2012 debido a la conservación que se lleva acabo de manera
rutinaria en el mismo.
Finalmente al comparar las deflexiones máximas obtenidas para el año 2012 con
el umbral admisible establecido para el año 2015 se encuentran por debajo del
valor admisible como se relaciona en la Figura 54.
En la Figura 53 se muestra una comparación de la evaluación estructural entre
los años 2011, 2012, y 2013 mostrándose el comportamiento de la deflexión
máxima normalizada a 40 KN en el tramo Dv. Matarani – Puente Santa Rosa.
De igual manera, los resultados para el año 2012 reflejan el deterioro normal del
pavimento que es similar en magnitud a los resultados del 2012 debido a la
conservación que se lleva acabo de manera rutinaria en el mismo.
87
BIBLIOGRAFÍA
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Entrenamiento Multidisciplinario para la Investigación Tecnológica(LEMIT), (pp
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ANEXOS
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90
91
92
