Download pdf - Séptima Conferencia Magistral: ALFONSO RICO RODRÍGUEZ · Séptima Conferencia Magistral: “Alfonso Rico Rodríguez” 1. INTRODUCCIÓN Una de las obras más importantes de las

Reflexiones para Aumentar la Calidad de los Pavimentos en México

Séptima Conferencia Magistral: “Alfonso Rico Rodríguez”

Séptima Conferencia Magistral: ALFONSO RICO RODRÍGUEZ

"REFLEXIONES PARA AUMENTAR LA CALIDAD DE LOS PAVIMENTOS EN MÉXICO"

Raúl Vicente Orozco Santoyo

México, D.F. Enero 22, 2014



"REFLEXIONES PARA AUMENTAR LA CALIDAD

DE LOS PAVIMENTOS EN MÉXICO"

ÍNDICE

Preámbulo

1. INTRODUCCIÓN 2. ASPECTOS A CONSIDERAR

2.1 Aspectos naturales 2.2 Aspectos ingenieriles

3. GEOTÉCNICA 3.1 Definición 3.2 Geomateriales 3.3 Propiedades 3.4 Compacidad 3.5 Análisis y métodos de cálculo

3.5.1 Tendencia mundial 3.5.2 Obra nueva 3.5.3 Rehabilitación/modernización

4. MANEJO DEL AGUA 4.1 Superficial 4.2 Subterránea

5. COSTOS 6. NIVELES DE CALIDAD/ESPECIFICACIONES 7. REPONSABILIDADES 8. SECCIÓN “INVERTIDA”

8.1 Generalidades 8.2 Comentarios

9. CONCLUSIÓN 10. RECOMENDACIÓN 11. AGRADECIMIENTOS 12. REFERENCIAS



PREÁMBULO

Cuando la SMIG y AMIVTAC me preguntaron que si quería ser el séptimo conferencista Alfonso Rico Rodríguez, sentí una gran dicha por haberme honrado con esta distinción, la máxima que he tenido en mi vida profesional. No dudé en responder afirmativamente, pues se trataba de uno de los principales mentores que labraron dentro de mi ser, los criterios básicos para mi desarrollo personal y profesional en el campo de las Vías Terrestres. ¡Me enseñó a tomar decisiones con el "uso de la razón y el corazón"! El tema que elegí para desarrollar está impregnado de ideas e influencias transmitidas al convivir con el "Maestro Rico" durante varios años. Por lo tanto, este trabajo tiene un enfoque fundamentalmente geotécnico.

RVOS

Los conceptos aquí expresados son únicamente motivos para reflexionar sobre el comportamiento de los pavimentos, con el fin de contribuir al mejoramiento de su nivel de calidad. Todos los ingenieros tenemos experiencias de lo bueno y de lo malo en los pavimentos, debiendo respetar las opiniones de los demás para aprender siempre.



1. INTRODUCCIÓN Una de las obras más importantes de las Vías Terrestres corresponde al pavimento de carreteras y aeropistas, para que el usuario que transporta cargas o personas las transite siempre con seguridad y comodidad, fundamentalmente. Por lo tanto, resultan también otras cualidades que se refieren a la belleza, la durabilidad o vida útil, la rugosidad, la rigidez y la flexibilidad, dentro de la economía bien entendida. Esto se ilustra conceptualmente en la estabilidad de la figura 1.

Fig. 1 Cualidades del pavimento

2. ASPECTOS A CONSIDERAR El pavimento como obra civil tiene dos aspectos íntimamente relacionados entre sí, a saber: los naturales y los artificiales o ingenieriles, en que nosotros intervenimos con la mejor intención de comprender su comportamiento. Esto se representa esquemáticamente en la figura 2.



Fig. 2 El pavimento como obra civil

2.1 Aspectos naturales

Como se ilustra en la figura 3, el clima y los geomateriales reinantes en el lugar son los aspectos dominantes por la naturaleza.

Fig. 3 El clima y los geomateriales



Con respecto al clima, los cambios de temperatura y humedad son los principales factores que intervienen en el comportamiento de las capas del pavimento y su cimentación. Con relación a los geomateriales, se puede establecer que hay de dos tipos: los llamados conflictivos y los nobles. Los primeros se refieren principalmente a los suelos expansivos o a los colapsables, blandos, orgánicos, reactivos o a los degradables. En cambio, los geomateriales nobles son los sanos y limpios, los resistentes y durables, así como a los económicos y manejables; desde luego que se pueden fabricar sintética o artificialmente (Inciso 3.2). Cuando se trata de una arena para concreto Portland*, ésta debe estar limpia de coloides, con valores de "equivalente de arena (Hveem)" superiores a 85%. Esto se logra lavando íntimamente la arena con un tornillo "sin-fin", lo cual normalmente no se hace; en ocasiones, se aplica chiflón de agua en los camiones de volteo, lo cual no es apropiado. Lo curioso es que el lavado efectivo de los agregados para concreto Portland o asfáltico está incluido en el precio. Lo que generalmente se hace para absorber esa anomalía, en el caso del concreto Portland, es añadir más cemento y la consiguiente agua de mezclado, lo cual aumenta las contracciones por fraguado y el agrietamiento consecuente, disminuyendo notablemente la durabilidad del producto terminado, aunque se aseguren los requisitos de resistencia. Esta reflexión es muy importante tenerla presente en todas las obras; cuando hacemos caso omiso de ello, ocurrirá lo de siempre: reposición de losas continuamente. Con relación al concreto asfáltico, se ha demostrado en casos reales que la vida de servicio de las carpetas asfálticas ha aumentado notablemente al utilizar arenas limpias, con valores de "equivalente de arena (Hveem)" mayores a 70% en aeropistas de ASA y de 65% en autopistas de CAPUFE. Es de extrañarse que ahora se permitan valores hasta de 55%. He aquí otra reflexión muy importante que es necesario analizar.

Conviene expresar que gracias a las investigaciones de la nanotecnología es posible transformar los geomateriales conflictivos en nobles; por ejemplo: una arcilla expansiva se puede transformar en un concreto Portland con zeolita, (véanse Figs. 4 a 7); en el inciso 3.2 se presenta más información complementaria. *Concreto hidráulico o de cemento Portland.



Fig. 4 Concreto Portland con zeolita* (La Piedad, Mich.)

Fig. 5 Concreto Portland con zeolita* (La Piedad, Mich.)

*Suelo in situ + cemento Portland + zeolita sintética activada + agua



Fig. 6 Concreto Portland con zeolita* (Morelia, Mich.)

Fig. 7 Concreto Portland con zeolita* (Morelia, Mich.)




2.2 Aspectos ingenieriles Se refieren al tránsito, la geotécnica, el costo, los niveles de calidad o especificaciones, las responsabilidades de los ingenieros, etc., como se ilustra en la figura 8.

Fig. 8 Intervención del hombre

Con relación al tránsito (Fig. 9), que constituye un pilar básico en el comportamiento de los pavimentos, sólo expresaremos que debe dividirse en dos: el actual y el futuro. En el actual, debe considerarse el tránsito horario, diario, promedio periódico, la intensidad de las cargas, la distribución por ejes, el tiempo de aplicación de las cargas, etc. Para el tránsito futuro, además deben pronosticarse el tránsito generado y/o desviado, las tasas de crecimiento, etc. En otras palabras, debe simularse la evolución del tránsito durante la vida esperada del pavimento, para su reforzamiento oportuno y por etapas.



Fig. 9 Información necesaria Los demás aspectos ingenieriles se tratan en capítulos especiales. 3. GEOTÉCNICA Dada la importancia de este concepto, conviene "pasar revista" y reflexionar sobre algunos tópicos.

3.1 Definición De acuerdo con el diccionario (Real Academia Española, 1992, 2001), en la Fig. 10 se presenta la definición de geotécnica que también puede decirse geotecnia, por el uso frecuente. La aplicación de los principios de ingeniería se refiere fundamentalmente a las matemáticas, la física y la química, que apoyan a la comprensión del comportamiento de los materiales o a los que llamamos coloquialmente "geomateriales", con el fin de aprovechar sus características o propiedades para la construcción de obras. Desde luego que los pavimentos están incluidos.



Fig. 10 Definición de geotécnica (ia) Por consiguiente, la geología, la mecánica de suelos y la de rocas, más otras especialidades afines, pertenecen a la geotécnica que es la matriz de todas. De aquí nace la necesidad de estudiar y conocer a fondo, con investigaciones sólidas, la tecnología de los geomateriales, para aprovecharlos en las obras.

3.2 Geomateriales

Aparte de los suelos en estado natural o compactado y los fragmentos de roca, incluyendo las gravas trituradas y otros, es conveniente describir brevemente a los geomateriales artificiales, como los concretos: asfáltico, Portland, alquitránico, cálcico, geopolimérico, azúfrico, etc.; también las fibras de vidrio y los geosintéticos están incluidos. En la figura 11 se indica la utilización en las obras de algunos geomateriales (en general).

En el caso del concreto Portland (Orozco, 2008c), éste se puede considerar como un suelo que se endurece con el tiempo y constituye una roca artificial, ya que adquiere propiedades similares, como la resistencia (a la compresión simple, a la tensión por flexión, a la erosión, etc.) y la durabilidad, de acuerdo con la combinación de sus ingredientes (agua, cemento Portland, arena, grava y aditivos), así como las relaciones entre ellos (agua/cemento,



grava/arena, agregados/cemento), consumos unitarios de cementantes (cemento Portland, puzolana, ceniza volante, "sílica fume", zeolita sintética activada, etc.) y los cuidados durante el colado, curado, ranurado, etc. Además, bien hecho resulta impermeable. Similarmente, el concreto asfáltico también puede considerarse como un suelo, ya que en lugar de agua contiene cemento asfáltico (natural, modificado, de una emulsion, …) y cambia, además, su rigidez (módulo elástico) con la temperatura.

Fig. 11 Utilización de geomateriales en las obras

Conviene resaltar que en todos los geomateriales se debe buscar el cumplimiento de los requisitos básicos para lograr sus propiedades fundamentales de resistencia (a la compresión simple y a la triaxial, a la tensión, al esfuerzo cortante, a la torsión, etc.) y deformabilidad, para

Concre

to s

imple

Concre

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forz

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Concre

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Concre

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Suelo

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ral

Suelo

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do

Gra

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rada

Aeropuertos x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

Carreteras x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

Calles x x x x x x x x x x x x x x x x x x

Ferrocarriles x x x x x x x x x x x x x x x x

Puertos x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

Nucleares x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

Hidroeléctricas x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

Termoeléctricas x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

Carboeléctricas x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

Eoloeléctricas x x x x x x x x x x x x x x x x x

PRESAS Agua x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

DEPÓSITOS Jales x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

Tuberías x x x x x x x x x x x x

Canales de riego x x x x x x x x x x x x x x x x x x

Drenes x x

Tratamiento de aguas x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

Beneficio de minerales x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

Petroquímicas x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

Edificios x x x x x x x x x x x x x x x

Puentes x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

Túneles x x x x x x x x x x x x x x x x

Petróleo x x x x x x x x x x

Agua x x x x x x x

PLANTAS

INDUSTRIALES

ESTRUCTURAS

POZOS

VÍAS

TERRESTRES

PLANTAS

GENERADORAS DE

ELECTRICIDAD

SISTEMAS DE RIEGO

Y DRENAJE

TIPO DE OBRA



relacionar los esfuerzos y las deformaciones mediante el módulo "elástico" (rigidez, resiliencia, etc.), además de otras como la permeabilidad, la durabilidad (contra: el intemperismo, la erosión eólica y la pluvial, la falta de adherencia entre aglutinante y partículas sólidas, etc.). Conviene hacer mención que en algunas calles de Monclova, Coah. se han construido pavimentos a base de escoria de fundición mezclada con alquitrán de hulla, con un magnífico comportamiento. La materia prima provino de Altos Hornos de México (RVO y Cía, 1990). Por otro lado, en Tabasco se tuvo la experiencia del buen comportamiento del pavimento en un tramo carretero de Villahermosa a Cárdenas, constituido por concreto asfáltico con azufre (Ings. Horacio Zambrano Ramos y Pedro Corona Ballesteros). El concreto Portland con zeolita, elaborado con diferentes geomateriales (suelos in situ, cemento Portland, zeolita sintética activada y agua) ha sido aceptado por las autoridades, debido a varias propiedades que actúan simultáneamente ("antifisuramiento" por la alta resistencia a la tensión, baja permeabilidad y alta resistencia a la erosión), como se ilustra en las figuras 12 a 14.

Fig. 12 Concreto Portland con zeolita* (Tabasco)






*Suelo in situ+ cemento Portland + zeolita sintética activada + agua



Las características generales del concreto Portland con zeolita (Figs. 4 a 7 y 12 a 14) se presentan en la Fig. 15. En cambio, si en lugar de suelo in situ se utiliza grava y arena graduadas, se logra también un concreto Portland con zeolita, como se ilustra en las Figs. 16 y 17. Sus características generales se presentan en la Fig. 18.

Fig. 15 Concreto Portland con zeolita*

*Suelo in situ + cemento Portland + zeolita sintética activada + agua Todos los valores son mínimos

Se denomina concreto geopolimérico al que se utilizó en los colados para fabricar roca artificial en las pirámides de Egipto y otros sitios (Davidovits, 2008).



Fig. 16 Concreto Portland con zeolita* (Irlanda)

Fig. 17 Concreto Portland con zeolita* (León, Gto.)

*Grava y arena graduadas + cemento Portland + zeolita sintética activada + agua



Fig. 18 Concreto Portland con zeolita*

*Grava y arena graduadas + cemento Portland + zeolita sintética activada + agua

3.3 Propiedades Aunque algunas ya se mencionaron en "3.2", conviene insistir en la necesidad de descubrir cuáles son las propiedades fundamentales y cuáles las subordinadas, como se ejemplifica en la figura 19.



Fig. 19 Propiedades, análisis y métodos de cálculo Desde el proyecto de un pavimento y en el control de calidad de los geomateriales durante la construcción, es muy importante distinguir bien entre las propiedades fundamentales (básicas) y las subordinadas a éstas, como se ejemplifica a continuación:

• La resistencia a la compresión simple o a la tensión por flexión del concreto Portland estimada en probetas convencionales (Fig. 20), es una propiedad básica (Fig. 21); el módulo elástico Marshall también lo es (Fig. 22, Orozco, 2013b). El contenido de aire incluido en el concreto Portland y su peso volumétrico son propiedades subordinadas.



Fig. 20 Preparación de vigas y cilindros para ensaye

Fig. 21 Concreto Portland: Resistencia a la tensión por flexión (módulo

de ruptura). Concreto asfáltico: Módulo elástico (Marshall)

Autopista México-Querétaro. Tramo: Palmillas-Querétaro



Fig. 22 Módulo elástico Marshall

• El contenido de agua, el grado de saturación y la compacidad o concentración de sólidos (véase inciso 3.4) de un relleno estructural, por ejemplo, son propiedades subordinadas a su módulo de rigidez o elástico “E” (capacidad de carga y deformabilidad), que es la básica.

• El contenido de cemento asfáltico, el grado de saturación y la

compacidad (concentración de sólidos) de una carpeta asfáltica, también son propiedades subordinadas a su módulo de rigidez o elástico (por ejemplo: Marshall, MM) que es la básica (Figs. 23 a 28).



Fig. 23 Diagrama CAS.- Curvas de igual módulo Marshall

CONTENIDO ASFÁLTICO (Ca), %

Fig. 24 Diagrama CAS para carta de control de calidad.

Zona de aceptación para el concreto asfáltico




Fig. 25 Estudio muestra 2 (Parres) Diagrama: Compacidad – Asfalto – Saturación (CAS)


Fig. 26 Diagrama: Compacidad – Asfalto – Saturación (CAS) Zona de aceptación




Fig. 27 Estudio muestra 1 (Conjunto) Diagrama: Compacidad – Asfalto – Saturación (CAS)


Fig. 28 Diagrama: Compacidad – Asfalto – Saturación (CAS) Zona de aceptación




• El contenido de agua, el grado de saturación y la compacidad del concreto Portland, además de su consistencia y composición, son propiedades subordinadas a la resistencia compresiva o a la tensión, que son las básicas.

• El coeficiente de permeabilidad (k) de un suelo compactado o del

concreto, obtenido de permeámetros diseñados ex profeso, es una propiedad básica (Fig. 29, Orozco 2008a).

Fig. 29 Algunas partes de un perméametro PCV-EDF: tapa y base drenantes, placa porosa, membrana impermeable

para confinar la probeta y aros de ajuste

• El contenido de agua, el grado de saturación y la compacidad de un suelo fino arcilloso compactado son propiedades subordinadas a su cambio volumétrico y resistencia, que son las básicas (Figs. 30 y 31).



Fig. 30 Diagrama CAS. Curvas de igual cambio volumétrico unitario al saturar un suelo fino compactado

CONTENIDO DE LÍQUIDO (AGUA) (CL)*, %

*En mecánica de suelos, CL = w (humedad)

Fig. 31 Diagrama CAS. Curvas de igual resistencia a la compresión simple en un suelo fino compactado


*En mecánica de suelos, CL = w (humedad)



Otro ejemplo se refiere a la propiedad fundamental permeabilidad, como se infiere en la pregunta siguiente: ¿Cómo lograr el mínimo coeficiente de permeabilidad (kmín) de una capa de concreto asfáltico?. La respuesta es la siguiente: Para asegurar una concentración de sólidos o compacidad dada (digamos 97%) y con coeficiente de permeabilidad determinado (por ejemplo: k = 10-8 m/s), la mezcla asfáltica caliente compactada a 140° C y a baja presión de rodillado (15 kg/cm2) es la adecuada, no así la compactada más fría (110° C) que requiere mayor presión de rodillado (35 kg/cm2), como se ilustra en la Fig. 32 (Orozco, 2008a). La práctica común hace que los grandes rodillos pesados desplacen las mezclas calientes y por eso las dejan enfriar, no consiguiéndose el coeficiente de permeabilidad deseado mediante permeámetros ex profeso en "corazones" y no de los anillos superficiales sellados con plastilina. Por otro lado, le rinde más al constructor una mezcla fría que una caliente.

Fig. 32 Efecto de la compacidad, la temperatura y la presión de rodillado en la impermeabilidad del concreto asfáltico

AAUUMMEENNTTAA LLAA IIMMPPEERRMMEEAABBIILLIIDDAADD



3.4 Compacidad

La compacidad o concentración de sólidos (C), la define el suscrito como la relación entre el volumen de sólidos secos (Vs) y el volumen total de la masa

de suelo (Vt), equivalente a dividir el peso volumétrico seco (d) entre el peso

volumétrico de los sólidos (s), a saber:

s

d

t

s

V

VC

(1)

Como ejemplo: el acero tiene C = 100 % y el aire C = 0 %, con valores

intermedios para todos los geomateriales de la corteza terrestre. Así, si d =

1.5 t/m3 y s = 2.5 t/m3, C = 0.60; es decir, se tiene 60% de sólidos (concentración) o de compacidad. Es aquí donde C unifica a los suelos, los fragmentos de rocas, las rocas, los concretos, etc. Es fácil demostrar que C está íntimamente relacionado con el contenido de líquido (CL) existente en los poros de cualquier material y con el grado o relación de saturación que se tenga (Sr = VL/VV = volumen de líquido / volumen de vacíos), según se indica a continuación:

s

r

L GS

CeC

1

1

1

1 (2)

donde: e = relación de vacíos (volumen de vacíos / volumen de sólidos); Gs = peso específico relativo, densidad relativa,…

Lo anterior se representa gráficamente en la Fig. 33, con el fin de trazar las curvas de igual propiedad (isocaracterísticas), ya sea del coeficiente de permeabilidad, la resistencia (compresión, corte, tensión por flexión, erosión, desgaste, …), la deformabilidad, los cambios volumétricos (variación de humedad, temperatura, esfuerzos, …), etc., que sirvan de apoyo realista para conocer y entender el comportamiento de cualquier geomaterial. Ejemplos de varios casos pueden consultarse en la literatura (Orozco, 2005b).



Estos diagramas “CAS” (Compacidad-Agua, Asfalto o Alquitrán, Saturación) son “machotes” o formas para un sG dado. Sirven hasta para identificar

suelos problemáticos: expansivos, colapsables, … (Orozco et al, 1975), ya

que pueden estimarse los cambios volumétricos unitarios (V/Vo), restando únicamente las compacidades inicial (Ci) y final (Cf) esperada y comparar esa variación con la compacidad final (Cf), según se indica enseguida:

f

fi

C

CCVV

0/ (3)

Si el valor resultante es negativo (-) el suelo será expansivo, no así si es positivo (+), ya que el suelo será colapsable (Orozco, 1980, 2005a y 2007). Desde luego que en el diagrama CAS elegido, Ci corresponde a wi (humedad inicial) y Cf a wf (humedad final). Esto se ilustra en las Figs. 34 a 39.

Fig. 33 Diagrama “CAS” para “isocaracterísticas”

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100 120

Com

pacid

ad

(C

), % 10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Grado de saturación , %)( rSGrado de saturación , %)( rS

Contenido de Líquido , %)( LCContenido de Líquido , %)( LC

Curvas de igual propiedad(isocaracterísticas)

sGsG = Densidad Relativa del Sólido = 2.55

s

r

L GS

CC

1

1

Para un Gs dado

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100 120

Com

pacid

ad

(C

), % 10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Grado de saturación , %)( rSGrado de saturación , %)( rSGrado de saturación , %)( rSGrado de saturación , %)( rS

Contenido de Líquido , %)( LCContenido de Líquido , %)( LC

Curvas de igual propiedad(isocaracterísticas)

sGsG = Densidad Relativa del Sólido = 2.55sGsG = Densidad Relativa del Sólido = 2.55sGsG = Densidad Relativa del Sólido = 2.55

s

r

L GS

CC

1

1

s

r

L GS

CC

1

1

Para un Gs dadoPara un Gs dado



Fig. 34 Suelo expansivo natural en Mexicali, B.C.

Fig. 35 Suelo colapsable natural en Uruapan, Mich.



Fig. 36 Suelos expansivos naturales en diversos sitios

Fig. 37 Suelos expansivos naturales en varios lugares



Fig. 38 Suelos colapsables naturales en diferentes sitios

Fig. 39 Suelo estable natural en Ahome, Sin.

1.



Otra ventaja del diagrama CAS está en que es posible representar un perfil geológico que incluya la roca basal y la intemperizada hasta constituir un suelo residual, tomando en cuenta el contenido de agua (w), el grado de saturación (Sr) y la concentración de sólidos (C). En la Fig. 40 (Orozco, 2008c) se ilustra esquemáticamente un diagrama CAS para la variación de la resistencia relativa de una formación rocosa típica. Un ejemplo de aplicación del diagrama CAS fue discutido en un simposio internacional de mecánica de suelos (Orozco, 1979), sobre un trabajo presentado (Nakano, 1979) relativo a un caso de lutitas desde duras a blandas y hasta suelos arcillosos del mismo origen, con el fin de unificar criterios de presentación de resultados.

Fig. 40 Diagrama “CAS” para resistencias relativas a la compresión simple (Rc) en una formación rocosa in situ

RRcc



Otro ejemplo de diagrama CAS se presenta en la Fig. 41 para el módulo de resiliencia de un suelo compactado (Orozco, 2012a).

Fig. 41 Diagrama “CAS” – Curvas isocaracterísticas del módulo de resiliencia (modificado de Monismith, 1992)

Otras aplicaciones del diagrama CAS sirven para establecer cartas de control de calidad bidimensionales, al empalmar los criterios de aceptación y rechazo, como se infiere de las figuras 23 a 28 y 42/43 (Figs. 30 y 31 ensambladas).



Fig. 42 Diagrama “CAS”. Para carta de control de calidad. Zona de aceptación para el suelo compactado


Fig. 43 Diagrama “CAS”. Para carta de control de calidad.

Zona de aceptación para el suelo compactado




3.5 Análisis y métodos de cálculo 3.5.1 Tendencia mundial

Con el fin de satisfacer simultáneamente las cualidades deseables en un pavimento (Fig. 1), a continuación se resume la tendencia mundial acerca de los pavimentos:

Modelación teórica más realista e innovadora del comportamiento de los pavimentos que incorpore la caracterización de los geomateriales obtenida de pruebas no destructivas, preferentemente.

La aplicación de las redes neuronales artificiales (RNA) es una de las técnicas más reciente de análisis, como se ilustra en la Fig. 44 y se analiza en detalle por Beltrán y Romo (2012).

Fig. 44 Aplicación a los pavimentos de las redes neuronales artificiales (RNA)



Incorporación más efectiva de los conceptos básicos de la geotécnica durante el proyecto y la conservación de los pavimentos, mediante su evaluación sistemática con deformómetros de impacto (Figs. 45 y 46) y de rebote elástico (Figs. 47 y 48), además de los perfilómetros láser (Figs. 49 y 50) (Orozco, 2005b). También hay otros equipos de vanguardia, como el curviámetro (Fig. 51).

Fig. 45 Deformómetros fijos de impacto convencionales

Fig. 46 Deformómetros fijos de impacto de alto rendimiento



Fig. 47 Deformómetro rodante pesado de rebote elástico

Fig. 48 Deformómetro rodante ligero de rebote elástico



Fig. 49 Perfilómetro láser de gran rendimiento para carreteras en operación

Fig. 50 Perfilómetro láser ligero para control de calidad durante la construcción



Fig. 51 Equipo de alto rendimiento para medir deflexiones

y radios de curvatura en pavimentos de carreteras, aeropuertos y subrasantes de ferrocarril (EURORVA)

Aplicación necesaria de parámetros geotécnicos más significativos, para suprimir el uso generalizado de conceptos totalmente empíricos, como el CBR (California Bearing Ratio). Estos conceptos ya cumplieron amplia y satisfactoriamente su misión de épocas pioneras.

Apoyo en la evaluación del comportamiento de los pavimentos mediante métodos indirectos (no destructivos), a partir de investigaciones formales en tramos de prueba a escala natural y con simuladores vehiculares pesados muy eficientes, como el ilustrado en la Fig. 52.

CURVIÁMETRO



Fig. 52 Simulador vehicular pesado para pruebas destructivas

Disponibilidad de información y datos precisos, altamente confiables, tanto de campo como de laboratorio, obtenidos de organismos oficiales e instituciones de investigación asociadas con empresas de consultoría y de construcción, así como de sociedades técnicas (AMAAC, AMIVTAC, SMIG, SMG, etc.).

3.5.2 Obra nueva

Tanto la modelación como la simulación de las diferentes opciones de solución para un pavimento (Fig. 19), ya sea con los métodos mecanicistas experimentales (MME), elemento finito (MEF), redes neuronales artificiales (RNA) o de lógica difusa (Beltrán, 2012), requieren de la asignación de módulos “elásticos” (E) para todas las condiciones posibles tanto iniciales, como estacionales. El efecto del coeficiente de permeabilidad (k) también debe considerarse.



Los métodos mecanicistas experimentales constituyen un apoyo muy valioso para tomar decisiones sobre la estructura de un pavimento (Garnica y Correa, 2004), así como tomar siempre en cuenta los espectros de carga y daño para el proyecto y conservación de pavimentos (Garnica, 2009). De todas maneras, se requiere hacer ajustes por factores económicos, contractuales, políticos y sociales.

3.5.3 Rehabilitación / modernización

Con previsión y análisis, se puede mejorar oportunamente el comportamiento de los pavimentos, aunque estén dotados de una capa superior reciente de concreto (asfáltico o Portland), excepto en los casos donde la conservación se está efectuando a conciencia. La mejor manera de alcanzar el desempeño deseado en tales pavimentos consiste en “pasar revista” a todos los factores que intervienen durante su vida de servicio. Considero que estas importantes obras de ingeniería requieren recibir la atención que se merecen desde todos los puntos de vista: usuario, vehículo, seguridad, economía, cálculo, proyecto, construcción, supervisión, control de calidad, conservación, operación, ecología, etc. Entre los aspectos a considerar están: las evaluaciones superficial y estructural de los pavimentos con equipos no destructivos; el levantamiento de deterioro a pie y con vídeo; la estimación de los módulos elásticos (E) mediante “retrocálculo”, a partir de las cuencas de deflexión (Fig. 53); la obtención de la calificación estructural (Ce) y su correspondiente índice estructural (Ie), íntimamente ligados con la vida útil de un pavimento; la determinación de los espesores de capa con métodos indirectos (radar de penetración superficial) o directos (sondeos), así como las propiedades geotécnicas “índice”; el coeficiente de permeabilidad (k) de las capas constitutivas; el coeficiente de fricción (µ) y el Índice de Regularidad Internacional (IRI), asociados a la seguridad y el confort del usuario, respectivamente.



Fig. 53 Cuencas de desplazamientos verticales (deflexiones) obtenidas con el deformómetro de impacto

*Espesor, módulo elástico, relación de Poisson

En las Figs. 45 y 46 se ilustran algunos deformómetros fijos de impacto y en las Figs. 47 y 48 los deformómetros rodantes de rebote elástico. Asimismo, en las Figs. 49 y 50 se presentan los perfilómetros láser para la obtención del IRI. El IRI conviene expresarlo en mm/m para tener más sensibilidad y sentido físico, en vez de m/km que con frecuencia se utiliza. El MI Alfonso Rico Rodríguez prefería llamar a este indicador: Índice de Irregularidad Internacional (III) y nunca la traducción del inglés Índice de Rugosidad Internacional (IRI), con el fin de no confundir con la fricción. Cabe hacer mención que el primer perfilómetro Hveem fue utilizado en 1964, para obtener el Índice de Perfil (IP) en las aeropistas de Acapulco, Gro. (Fig. 54). Con los perfilómetros láser ligeros (Fig. 50) se obtiene el IRI y se deduce el IP (Índice de Perfil, precursor indicador de las irregularidades superficiales).



Fig. 54 Francis N. Hveem en el Aeropuerto de Acapulco (1964)

El Índice estructural (Ie) se calcula de las cuencas de deflexión obtenidas con equipos no destructivos (deformómetros de impacto o de rebote elástico), las cuales se ajustan a una curva teórica tipo Boussinesq. En la Fig. 55 se presenta un ejemplo de cálculo del "Ie", simplemente dividiendo la deflexión

bajo la carga (1), que corresponde al primer sensor, entre la distancia al punto de inflexión (pi) de la cuenca o curva de deflexiones ajustada para los 7 sensores de medición; el resultado se multiplica por 100. En este caso resultó de 0.493, cantidad mayor que el valor máximo inadmisible (Fig. 56) de 0.3, según se indica en la Tabla 1; esto requiere recuperación "in situ".

Cortesía del M.I. Manuel Zárate Aquino



Fig. 55 Índice estructural (Ie)

Fig. 56 Prevención de la fatiga en pavimentos



Si se respetara la rehabilitación oportuna para evitar la fatiga en el pavimento (Fig. 56), se mantendría la ley de capacidad de carga relativa y se llegaría a un "Ie" de 0.1, que corresponde al valor máximo admisible, en cuyo caso basta el reforzamiento con sobrecarpetas, por ejemplo.

Tabla 1 Índice estructural de pavimentos flexibles

El coeficiente de permeabilidad (k) se obtiene a partir de un permeámetro convencional, como se ilustra en la Fig. 29, en que el agua penetra en todo el espesor de la capa.

El coeficiente de fricción (µ) se determina con equipos convencionales, como el ilustrado en la Fig. 57.

Fig. 57 Coeficiente de fricción (µ)



4. MANEJO DEL AGUA El descuido de esta actividad (Orozco, 2012a) es uno de los principales causantes del mal funcionamiento de un pavimento. De acuerdo con la experiencia mexicana sobre el particular, deben tomarse en cuenta dos aspectos importantes: El agua superficial sobre la corona del camino (inciso 4.1) y el agua subterránea bajo el pavimento (inciso 4.2).

4.1 Agua superficial

A continuación se presentan las siguientes recomendaciones, para alargar la vida de servicio de un pavimento carretero:

Exagerar más el "bombeo "mínimo de la sección transversal: de 2.5 a 3%. Una gota de agua debe salir inmediatamente al exterior de la carretera, sin causar erosión.

Colocar la carpeta en todo el ancho de la corona de la sección transversal, sea de cualquier geomaterial: concreto asfáltico, Portland, azúfrico, etc.

Prohibir la protección de los acotamientos con tezontle, debido a la inevitable inseguridad que se induce causada por los diferentes coeficientes de fricción en las superficies. Si éstos son iguales, tiende a aumentar la durabilidad del pavimento, al disminuir la repetición de cargas en un mismo punto (efecto de “bandeo”).

Evitar los "bordillos" construidos en la corona del camino, porque solamente pasean, guardan y conducen el agua a manera de canal, aumentando la inseguridad por acuaplaneo y disminuyendo la durabilidad de las capas, etc. Recuérdese que "una gota de agua debe salir inmediatamente al exterior del camino, no pasearla encima del mismo" (Figs. 58 y 59).

Los" bordillos" podrían colocarse sólo en casos especiales, donde no exista vegetación o material granular grueso para la protección de los terraplenes y cuando los suelos sean muy erosionables, con lavaderos completos y rugosos, de boquillas amplias y sin obstrucciones.



Fig. 58 Lavaderos y “bordillos” inútiles

Fig. 59 Peligro de acuaplaneo en puentes



Construir en forma "generosa" las verdaderas "carpetas drenantes", para impedir el acuaplaneo. Durante la lluvia de proyecto permiten el flujo del agua hacia los lados, tomando en cuenta el espesor, la pendiente crítica (longitudinal o transversal) y el coeficiente de permeabilidad (k), como se esquematiza en la Fig. 60. El coeficiente de fricción (µ) debe mantenerse en los niveles de seguridad.

Fig. 60 Flujo de una capa drenante



4.2 Agua Subterránea

Tratar de utilizar la sección transversal "invertida" (véase la Fig. 61) porque tiene esencialmente mucha grava gruesa y permeable que permite el flujo libre del agua e impide la ascensión capilar de la misma a la capa superior (Orozco, 2012b).

Fig. 61 Sección estructural “invertida” con

la base comparada con el balasto de FC

En el Cap. 8 se presenta más información sobre la sección “invertida”.

Utilizar los subdrenes con geomateriales filtrantes (gravas y arenas naturales o geotextiles sintéticos) que eviten la migración de finos y permitan el flujo del agua limpia hacia los colectores de drenaje.



Construir drenes horizontales de penetración en cortes y considerar trincheras estabilizadoras como se esquematiza en las Figs. 62 y 63 (Rico y Del Castillo, 2000).

Construir drenes en los cortes protegidos de concreto lanzado y en algunas bermas estabilizadoras.

Fig. 62 Control del flujo subterráneo



Fig. 63 Control del flujo subterráneo

Comentarios generales:

Debe recordarse y tenerse siempre presente la frase célebre de Leonardo da Vinci: “Cuando del agua se trata, usa la experiencia, no la razón".

El agua fluye de las regiones del suelo con mayor succión (presión de poro negativa) a las de menor succión; en otras palabras, generalmente una gota de agua fluye de lo menos permeable a lo más permeable.



5. COSTO El concepto costo interviene en todas las decisiones que se tomen para seleccionar la mejor estructura de pavimento nuevo o para rehabilitar o modernizar alguna parte de la obra. En la Fig. 64 se esquematiza lo referente a los costos actual y futuro, con algunos conceptos que hay que considerar, como son: proyecto, supervisión y control de calidad, importe de construcción, inversión inicial, conservación y operación, relaciones beneficio/costo total (actualizados), tasas de actualización y la vida económica o útil, etc.

Fig. 64 Conceptos a considerar



6. NIVELES DE CALIDAD/ESPECIFICACIONES Los niveles de calidad, sinónimo de especificaciones, deben tomarse en cuenta tanto en geometría y acabados, como en geomateriales y procedimientos constructivos; en la Fig. 65 se agrupan algunos conceptos que conviene conocer y respetar durante la vida esperada del pavimento. En lo que se refiere a los indicadores de calidad (Orozco, 2013a), debe darse especial énfasis en que las obras ya construidas mantengan los niveles de calidad establecidos desde el proyecto, para su conservación, rehabilitación, modernización y/o reconstrucción.


*Indicadores de calidad



7. RESPONSABILIDADES El deslinde de responsabilidades para cada ingeniero que interviene en la obra, desde su planificación hasta su operación, está contemplado en la Fig. 66, con las palabras clave que deben respetarse.




En el diagrama de la Fig. 67 se representa simbólicamente la estabilidad para alcanzar el nivel de calidad (especificaciones) del pavimento, junto con los demás elementos de la obra completa (Vía Terrestre), a lo largo de la vida esperada.

Fig. 67 Interacción de atividades ingenieriles

* Durante la conservación, rehabilitación y modernización

Finalmente, conviene asentar que el controlador de calidad interpreta los resultados de laboratorio para transmitir la información al supervisor de la obra, quien tiene carácter ejecutivo. En otras palabras, el controlador de calidad sólo tiene carácter informativo. Él se responsabiliza de las cartas de control de calidad con la gráfica de tendencias de los últimos 5 valores consecutivos (Fig. 68); cuando ésta entra a la zona de rechazo, se recomienda suspender el proceso continuo de la construcción de la obra.



Fig. 68 Carta de control de calidad

Cada punto de la gráfica de tendencias representa el promedio de los 5 últimos valores consecutivos

8. SECCIÓN “INVERTIDA”

8.1 Generalidades

La estructura del pavimento con sección “invertida” se esquematiza en la Fig. 61, propuesta hace más de 3 décadas (Romo y Orozco, 1978 y 1990). Se basa en un enfoque geotécnico, ya que la subbase rigidizada (SBR) cumple la función básica: servir de zapata corrida de cimentación de la “obra”, sobre la cual se coloca la capa de base de grava, densa y dura (BGD), que puede ser también de grava totalmente triturada (BTT) o escoria de fundición (BEF). Ésta cumple la misión de elemento amortiguador, friccionante, drenante, rompedor de capilaridad y antifisuras: evita la propagación de grietas y su reflexión hacia la capa de rodadura (CR). De preferencia, conviene que esta capa sea construida de tal manera, que satisfaga los requisitos de calidad recomendados para aumentar su resistencia y disminuir su deformabilidad: graduación, uniformidad, compacidad y tamaño máximo (Alberro y Gaziev, 2002).



En la sección “invertida” para el pavimento del camino de acceso a la central hidroeléctrica Aguamilpa, Nay. (CFE), se utilizaron gravas del río Santiago (parcialmente trituradas para su aprovechamiento), con tamaño máximo de 2”. También se construyeron bases con grava de río en vialidades, como en las avenidas Lázaro Cárdenas y Coatzintla en Poza Rica, Ver. (Fig. 69); los resultados han sido magníficos en las losas de concreto Portland, ya que desaparecieron los agrietamientos prematuros, debido al apoyo directo (rugoso y friccionante) sobre las gravas, para anclar las losas, cuya dosificación se efectuó con el máximo de compacidad (mínimo consumo unitario de cemento Portland, agua y arena).

Fig. 69 Base de grava densa y dura (BGD) del río Cazones para apoyar las losas de concreto Portland.

Av. Coatzintla, Poza Rica, Ver.



En otros casos, como en los pavimentos de las carreteras: Guadalajara-Ciudad Guzmán, Guadalajara-Zapotlanejo, México-Querétaro, México-Cuernavaca, México-Puebla, Puebla-Orizaba y vialidades en Xalapa, Ver., se ha utilizado grava principalmente basáltica (totalmente triturada), con excelentes resultados. En la Av. 20 de noviembre de Xalapa, Ver., se utilizó concreto Portland en la CR y concreto compactado con rodillo (CCR) en la SBR. La capa CR hace las veces de elemento confinante, similar al del durmiente y el riel en la vía férrea sobre el balasto (grueso), la cual se viene utilizando en México desde hace ya más de 170 años. La capa de base (BGD, BTT o BEF) es equivalente al balasto. Se insiste en que en esta capa puede utilizarse grava de río (aluvión), escoria de fundición dura y seleccionada o residuos mineros gruesos y duros. Geotécnicamente, si la rigidez relativa entre las capas SBR y BGD (BTT o BEF) es del doble (el módulo “elástico” de la SBR = 2 veces el módulo “elástico” de la BGD), los desplazamientos verticales se reducen a la mitad y la vida útil del pavimento se duplica. En la Fig. 70 se observa que los desplazamientos verticales disminuyen en 50% (de 1.6 a 0.8 mm, aproximadamente) en el primer sensor (bajo la carga) de un deformómetro de impacto tipo FWD (KUAB); se observa que en los sensores (en este caso: sismómetros) más alejados (S5, S6 y S7), el efecto de la carga es nulo en los desplazamientos verticales registrados. Estas observaciones corresponden a un tramo de la Autopista Guadalajara-Colima. La estructura del pavimento está formada por una subbase rigidizada (SBR) con cemento Portland (10%), una base de grava basáltica totalmente triturada (BTT) de 15 cm de espesor y tamaño máximo de 2”, confinada con una capa de rodadura (CR) de 10 cm de concreto asfáltico compactado en caliente, con un excelente comportamiento por más de 23 años.



Fig. 70 Efecto de la sección “invertida” en los

desplazamientos verticales

8.2 Comentarios

Es muy conveniente recordar en que lo más importante para incrementar la vida de servicio de un pavimento, desde el punto de vista estructural, es reducir las tensiones y los agrietamientos consiguientes en las carpetas de concreto (asfáltico u otro), motivo por el cual se ha demostrado que la sección “invertida” es la solución (Romo y Orozco, 1990). Ésta consiste básicamente en la rigidización de las capas inferiores del pavimento para disminuir las deformaciones unitarias y los correspondientes esfuerzos en las diversas capas del pavimento, lo que conduce a mucho menores desplazamientos y deflexiones en la superficie de rodadura, en comparación con las estructuras convencionales. Lo anterior



conlleva al menor agrietamiento por tensión, menor fatiga y, por ende, mayor vida útil. Los costos de construcción se reducen notablemente, debido a que se evitan los riegos de impregnación y de liga en la capa de base densa y dura (BGD) totalmente triturada (BTT) o de escoria de fundición (BEF), así como el agua de compactación (que realmente no se requiere porque las gravas se pueden compactar en seco), además de evitar mezclas innecesarias con otros suelos (generalmente arcillosos) para alojar el material resultante dentro de una zona granulométrica teórica y prefijada.

A partir de simulaciones con el método del elemento finito (MEF), se logra combinar diferentes rigideces relativas entre las capas de SBR y BGD, con el fin de escoger la mejor caracterización que permita la máxima duración del pavimento, desde el punto de vista de la ingeniería económica. Esto es sumamente importante para el proyecto de aeropistas y autopistas, que incluye las etapas de conservación, rehabilitación o reconstrucción (Orozco, 2005b).

Existe la justificación teórica de la sección “invertida”, así como su comparación con las secciones convencionales: caracterización y comportamiento de los geomateriales, número de ciclos de carga para alcanzar la falla, efecto estructural de la carpeta asfáltica y tramos de prueba (Romo y Orozco,1990).

Por otro lado, se puede evitar la capa de BGD si la de apoyo SBR es de concreto Portland con zeolita (antifisuras, flexible, impermeable y resistente a la tensión y a la erosión).

9. CONCLUSIÓN

Existen muchos factores que intervienen en todas las etapas de vida esperada de un pavimento, los cuales deben analizarse y aplicarse debidamente en la práctica, para el seguimiento de sus bonbades.



10. RECOMENDACIÓN

11. AGRADECIMIENTOS Al Ing. Raúl Vicente Orozco Escoto y a la Lic. Cristina Mendoza Gutiérrez, por su juicio crítico y apoyo en la elaboración de este escrito. 12. REFERENCIAS Alberro J y Gaziev E. (2002): Resistencia y deformabilidad de los

enrocamientos. XXI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos, Oaxaca, Oax.

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