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Generalidades de los Pavimento
Generalidades de los pavimentos
Un pavimento es el conjunto de capas entre la subrasante y la superficie de
rodamiento que reciben en forma directa las cargas del tránsito y las transmiten a
los estratos inferiores en forma disipada, proporcionando una superficie de
rodamiento, la cual debe funcionar eficientemente. Dependiendo del tipo de
pavimento se clasifica en pavimento asfáltico o flexible y de concreto hidráulico
o rígido. Este último en ocasiones presenta un armado de acero, tiene un
costo inicial más elevado que el flexible, su periodo de vida varia entre 20 y 40
años; el mantenimiento que requiere es mínimo y solo se efectúa generalmente en
las juntas de las losas.
La principal diferencia entre el pavimento asfáltico y el hidráulico es la
forma como reparten las cargas como se observa en la Figura 1. Desde el
punto de vista de diseño, los pavimentos flexibles están formados por
una serie de capas y la distribución de la carga está determinada por las
características propias del sistema de capas. Los rígidos tienen un gran módulo de
elasticidad y distribuyen las cargas sobre un área grande
Figura 1. Esquema de comportamiento de un pavimento flexible y rígido
En un pavimento rígido, debido a la rigidez de la losa de concreto
se produce una buena distribución de las cargas de las ruedas de los vehículos,
dando como resultado tensiones muy bajas en la subrasante. En un pavimento
flexible, el concreto asfáltico, al tener menor rigidez, se deforma y transmite
tensiones mayores en la subrasante.
Los pavimentos de diseñan en función del efecto del daño que produce el
paso de un eje con una carga y para que resistan un determinado número
de cargas aplicadas durante su vida útil.
Un pavimento rígido, además de cumplir con resistir los esfuerzos,
debe tener el espesor suficiente que permita introducir en los casos
más desfavorables solo deflexiones pequeñas a nivel del suelo del terreno
de cimentación y cada nivel estructural apto para resistir los esfuerzos a los
que está sometido.
Definición de pavimentos
Un pavimento puede definirse como la capa o conjunto de capas de
materiales apropiados, comprendidos entre el nivel superior de las terracerías
(subrasante) y la superficie de rodamiento, cuyas principales funciones son las de
proporcionar una superficie de rodamiento uniforme, de calor y textura apropiados,
resistente a la acción del tránsito, a la del intemperismo y otros agentes
perjudiciales; asi como de transmitir adecuadamente los esfuerzos a la
subrasante, de modo que esta no se deforme de manera perjudicial.
Función de los pavimentos
1. Pavimento flexible
Sub-Base: Para muchos, una de las principales funciones de esta capa en
un pavimento flexible es de carácter económico. Se trata de formar el
espesor requerido del pavimento con el material más barato posible. Todo
el espesor podría construirse con un material de alta calidad, como el usado
en la base, pero se prefiere hacer aquella más delgada y sustituirse en
parte por una sub-base de menor calidad, aun cuando esto traiga consigo
un aumento en el espesor total del pavimento, pues, naturalmente cuando
menor sea la calidad del material colocado será mayor el espesor necesario
para soportar los esfuerzos transmitidos.
Sus funciones son la de resistir las cargas de tránsito y transmitirlas
adecuadamente a las terracerías.
Otra función consiste en servir de transición entre el material de base,
generalmente granular más o menos grueso y la propia subrasante. La sub-
base, más fina que la base, actúa como filtro de esta e impide su
incrustación en la subrasante.
La sub-base también se coloca para absorber deformaciones perjudiciales
en la subrasante, por ejemplo cambios volumétricos asociados a cambios
de humedad, impidiendo que se reflejen en la superficie del pavimento.
Otra función de esta capa es la de actuar como dren para desalojar el agua
que se infiltre a través de las capas superiores, y para impedir la ascensión
capilar hacia la base de agua procedente de la terracería.
Base: Hasta cierto punto existe en la base una función económica análoga
comentada para el caso de la sub-base, pues permite reducir el espesor de
la carpeta que viene a ser la capa más costosa. Pero la función
fundamental de esta capa consiste en proporcionar un elemento resistente
que transmita a la sub-bese y a la subrasante los esfuerzos producidos por
el tránsito en una intensidad apropiada. La base en muchos casos debe
también el agua que se introduzca a través de la carpeta o por los
acotamientos del pavimento, así como impedir la ascensión capilar.
Carpeta: La carpeta debe de proporcionar una superficie de rodamiento
adecuada con textura y color convenientes y resistir los efectos abrasivos
del tráfico hasta donde sea posible ya que estará en contacto directo con él;
además debe impedir hasta cierta medida el paso del agua a las capas
inferiores.
2. Pavimento rígido
Sub-Base: Sus funciones son análogas a la misma en un pavimento
flexible y sirve también para proporcionar una superficie uniforme que sirva
de apoyo a la losa y facilite su colado; protege también a la losa de cambios
volumétricos en la subrasante, que de otra manera inducirían esfuerzos
adicionales a aquella. En este caso, la Sub-Base no tiene ningún fin
estructural pues la losa debe ser suficiente para soportar las cargas.
Losa: Las funciones de la losa en el pavimento rígido son las mismas de la
carpeta en el flexible, más la función estructural de soportar y transmitir en
nivel adecuado las cargas que se le apliquen.
Características de los pavimentos
Regularidad superficial: Está referida a las deformaciones, tanto
longitudinales como transversales, con respecto a la superficie ideal. Provoca
movimientos verticales en la suspensión de los vehículos y por lo mismo la que
genera más incomodidad a los usuarios y a su vez la que más afecta a los costos
de operación vehicular. Afecta también en la seguridad ya que las deformaciones
pueden provocar descontrol al conductor además de dificultar el desalojo de agua
de la superficie de rodamiento con lo cual se incrementa el riesgo de acuaplaneo.
Resistencia al derrapamiento: La textura de la superficie de rodamiento
debe ser tal que aporte un coeficiente de fricción suficiente para la operación
eficiente de los vehículos a la velocidad de proyecto de la vía aún en presencia de
precipitaciones.
Drenaje superficial: La combinación de regularidad superficial, pendiente
transversal y textura debe evitar que se presente una lámina de agua en la
superficie del pavimento, ya que esta facilita el fenómeno de acuaplaneo además
de que el rocío que generan las llantas de un vehículo al circular reducen a la
visibilidad de los que lo siguen.
Reducir el ruido: El ruido es un problema ambiental que genera problemas serios
en la salud, un pavimento bien diseñado y construido puede reducir el ruido de
manera considerable el ruido que se percibe tanto en el interior de los vehículos
como en su entorno.
Clasificación de los pavimentos
La clasificación de pavimentos está sujeta a las limitaciones inherentes a las
técnicas de clasificación. Históricamente, los pavimentos han sido divididos en dos
categorías: Flexibles y Rígidos.
Pavimentos Flexibles: Consisten de una superficie de desgaste o carpeta
relativamente delgada construida sobre unas capas ( Base y Sub-Base),
poyándose este conjunto sobre la subrasante compactada, de manera que
la sub-base, base y superficie de desgaste ó carpeta son las componentes
estructurales de este tipo de pavimento (ver figura 2)
Pavimentos Rígidos: Consisten en una losa de concreto hidráulico y
pueden o no tener una capa sub-base entre la losa y la subrasante (Ver
figura 3).
Criterios y normas que se deben en cuenta en el diseño de pavimentos
Para el diseño y construcción se debe de tomar en cuenta principalmente
las siguientes normas:
Norma Venezolana COVENIN: 2000:1987 “Sector Construcción.
Especificación.Codificaciones y Mediciones”. Parte 1: Carreteras.
Norma Venezolana COVENIN: 2000:1991 “Sector Construcción.
Codificación DePartidas Para Presupuestos”. Parte 1. Carreteras.
Norma Venezolana COVENIN: 3:2-001 “Carreteras. Pavimentos.
ConcretoAsfáltico. Requisitos”
Norma Venezolana COVENIN: 3:2-002 “Carreteras Pavimentos. Concreto
Asfáltico. Especificaciones Y Mediciones”
Cemento asfaltico (MOP-M201): El cemento asfaltico debe ser de una de las
siguientes penetraciones: 60, 70, 85, 100, 120, 150 y debe satisfacer los requisitos
siguientes, correspondientes al tipo escogido.
Requisitos generales: El cemento asfaltico debe ser preparado por refinación del
petróleo, debe ser de naturaleza uniforme y no debe formar espuma al ser
calentado a 175 ºc
Asfalto líquidos de curado rápido (COVENIN 1471)
Requisitos General: El materia asfaltico no debe formar espuma al ser calentado
a la temperatura de aplicación indicada en la especificación seleccionada.
Asfalto líquidos de curado medio (COVENIN 1471)
Requisitos General: El material asfaltico no debe formar espuma al ser calentado
a la temperatura de aplicación indicada en la especificación seleccionada.
Asfalto líquidos de curado lento (COVENIN 1471)
Requisitos Generales: El material asfaltico no debe formar espuma al ser
calentado a la temperatura de aplicación indicada en la especificación
seleccionada.
Componentes de un pavimento
Se puede considerar que la estructura de un pavimento está formada por
una superestructura encima de una fundación, esta última debe ser el resultado de
un estudio geotécnico adecuado. En los pavimentos camineros, la superestructura
está constituida por la capa de revestimiento y la capa base; la fundación está
formada por las capas de sub-base y suelo compactado. En el siguiente esquema
se muestra los componentes básicos de un pavimento asfáltico
Donde:
1) Capa de Rodadura.
2) Capa Base.
3) Capa Sub-base.
4) Suelo Compactado.
5) Subrasante.
6) Sub-drenaje longitudinal.
7) Revestimiento de Hombreras.
8) Sub-base de Hombreras
Características de cada una de las capas que conforman un pavimento
Capa Base:
Reduce las tensiones verticales que las cargas por eje ejercen sobre las
capas sub-base y suelo natural.
Reduce las deformaciones de tracción que las cargas por eje ejercen a la
capa de revestimiento asfáltico.
Permite el drenaje del agua que se infiltra en el pavimento, a través de
drenajes laterales longitudinales.
Capa Sub-base:
Está constituida por un material de capacidad de soporte superior a la del
suelo compactado y se utiliza para permitir la reducción del espesor de la
capa base.
Se coloca para absorber deformaciones perjudiciales en la subrasante, por
ejemplo cambios volumétricos asociados a cambio de humedad, impidiendo
que se reflejen en la superficie del pavimento.
Actúa como dren para desalojar el agua que se infiltre a través de las capas
superiores, y para impedir la ascensión capilar hacia la base.
Suelo Compactado:
Es el mismo suelo del terraplén, que esta escarificado y compactado una
cierta profundidad dependiendo de su naturaleza o de las especificaciones
del proyecto.
Subrasante:
Recibe y resiste las cargas del tránsito transmitida por la capa de pavimento
y transmitirlas en forma adecuada a las capas inferiores.
Evita que se contaminen las capas del pavimento cuando el cuerpo del
terreno sea de material fino o arcilloso.
Evita que sean absorbidas las capas superiores cuando se tienen
pedraplenes.
Evita que se reflejen las imperfecciones en los cortes hacia las capas de
pavimento para lograr espesores de pavimento constantes.
Sub-drenaje longitudinal:
Abatimiento de un nivel freático.
Eliminación de aguas de filtración
Derivación de fuentes de agua situadas debajo de la subrasante.
Control de calidad de los materiales
La búsqueda de un trasporte eficiente de pasajeros, turismo y productos
nos impulsa a llevar un mejor control de calidad sobre los materiales con los que
se construyen los caminos por donde transitan millones de usuarios diariamente.
Es por ello que en las obras viales durante todo su proceso constructivo es de
suma importancia verificar las propiedades de cada uno de los materiales
empleados y el desempeño de su combinación al conformar las distintas capas del
pavimento.
La determinación de las propiedades y desempeño de los materiales se
logra a partir de un conjunto de ensayos o pruebas establecidas precisamente
para comprobar que dichos materiales funcionen correctamente de acuerdo a
rangos, límites y/o valores estándares para condiciones similares o equivalentes.
Por otro lado, la caracterización de dichos materiales se divide en dos campos de
la ingeniería: infraestructura civil e infraestructura vial.
Infraestructura civil: Caracterización y verificación de las propiedades
físico-mecánica de agregados, suelos, rocas, cementos, concretos, acero,
bloques, tuberías, etc.
Infraestructura vial: Caracterización, verificación e investigación de
materiales asfálticos, mezclas asfálticas, aditivos, emulsiones asfálticas, bases
granulares, bases estabilizadas y cómo estos se comportan estructuralmente en
un pavimento flexible y/o rígido.
Criterio de análisis de resistencia de los pavimentos
La metodología teórica para el análisis de la resistencia de un pavimento es
proporcionada por la mecánica de suelos y es sabido, que en ese campo, las
teorías de falla de mayor aceptación por hoy son las de el esfuerzo cortante; como
consecuencia, en el estudio de los pavimentos flexibles suele considerarse a los
mismo esfuerzos como la principal causa de falla desde el punto de vista
estructural.
Las teorías de capacidad de carga de la mecánica de suelos suelen
referirse a medios homogéneos e isótropos; la heterogeneidad de la estructura de
los pavimentos flexibles, así como su anisotropía, conducen a una primera
incertidumbre en el planteamiento teórico de resistencia.
Además de los esfuerzos cortantes actúan en los pavimentos esfuerzos
adicionales producidos por la aceleración y frenaje de los vehículos y esfuerzos de
tensión que se desarrollan en los niveles superiores de la estructura, a cierta
distancia del área cargada, cuando esta se deforma verticalmente hacia abajo. De
hecho, el problema de la resistencia plantea en general en relación con la
estructura los materiales del pavimento, pues aunque los materiales de la
terraceria sean de peor calidad, el espesor protector que el propio pavimento
representa hace que los esfuerzos que llegan a aquellos niveles alcancen valores
inferiores a la carga requerida para la falla de los suelos.
La determinación de la resistencia de los materiales que constituya: un
pavimento es un problema difícil y no resuelto satisfactoriamente, influye en el no
solo el tipo de suelo y su tratamiento, si no también su interacción con los efectos
de la intemperie de los que la variación del contenido de agua es seguramente el
más importante. Este contenido es necesario para el proyecto, que suele tender a
definir la resistencia en esa condición crítica. Esta es otra de las incertidumbres
básicas de diseño, que se ha resuelto a base de hipótesis más o menos
justificadas por la experiencia, como considerar que el suelo llegará a saturarse,
adquirirá una humedad de equilibrio, mantendrá la humedad óptima de
compactación u otra próxima a ella.
Otro factor que influye substancialmente en la resistencia de los materiales
es el tipo de carga que se les aplica y la velocidad con que ello se hace. Los
pavimentos están sujetos a cargas móviles y los efectos de estas son menos
conocidos y diferentes que los de las cargas estáticas; esto es otra fuente de
incertidumbre que se ha tratado de resolver en los análisis teóricos, admitiendo
que las cargas actuales son de tipo estático. En las pruebas de laboratorio y en los
métodos de diseño en ellas fundados, la situación es un poco más realista, pues si
bien las pruebas se realizan con cargas estáticas o con velocidades de aplicación
muy lentas, su correlación para la obtención de normas de criterio se hace con el
comportamiento real de los pavimentos bajo cargas móviles.
Esfuerzo en pavimentos rígidos y flexibles
Los esfuerzos se analizan en la losa de concreto y provienen de varios
efectos:
Por efecto de las cargas del tránsito: Localizaciones criticas de carga:
Interior: ocurre cuando la carga es aplicada en el interior de la superficie
de la losa, lejana a los bordes. Borde: ocurre cuando la carga es aplicada
en el borde de la superficie de la losa, lejana a las esquinas.
Esquina: ocurre cuando el centro de la carga está en la bisectriz del angulo
de la esquina.
Factores que afectan un diseño de pavimento rígido y flexible
Características de los materiales que constituyen la terracería y la capa
subrasante: Los materiales que constituyen la terracería y la capa subrasante de
un camino o aeropista juegan un papel fundamental en el comportamiento y
espesor requerido de un pavimento flexible e influyen poco en el espesor de la
losa, pero bastante en su comportamiento en un pavimento rígido.
El Clima: El principal factor climático que afecta a los pavimentos suele ser la
precipitación pluvial, ya por su acción directa o por elevación de las aguas
freáticas. Frecuentemente en el diseño se plantean y construyen estructuras
adicionales de drenaje, aparte del drenaje normal que nunca podrá faltar en la
obra vial o al empleo de diseños especiales para el pavimento. Las heladas, en
los climas rigurosos y en suelos susceptibles, pueden ser fuente de un gran
número de problemas en pavimentos. La temperatura y sus variaciones abruptas
afectan los diseños, sobre todo en losas de concreto pues inducen esfuerzos muy
importantes en tales estructuras.
El Transito: Produce las cargas a que el pavimento va a estar sujeto. En el diseño
de pavimentos es necesario conocer la magnitud de esas cargas, las presiones de
inflado de las llantas así como su área de contacto, su disposición y arreglo en el
vehículo, la frecuencia y numero de repeticiones de las cargas y las velocidades
de aplicación.