diseño whitetopping

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Iowa

En el ao 1994, 11 Kilmetros entre whitetopping delgado y ultradelgado se usaronen la rehabilitacin de una carretera de este estado, la Ruta 21. Los espesores paraeste caso variaron entre los 5 y 20 cm. (ref. 10)

La carretera fue construida en el ao 1961, que luego en el ao 1964 fuerehabilitado con 75 mm. de asfalto. El trfico existente era aproximadamente 1350vehculos, con un 13 % de camiones.

Este proyecto entreg los primeros datos sobre el comportamiento del

whitetopping aplicado a una autopista. Aport con datos de diseo, tcnicas deconstruccin y datos de los resultados obtenidos. Se utilizaron distintas combinacionesde espesores, espaciamiento de juntas, distintas mezclas de hormign y alternativaspara la preparacin de la superficie asfltica previa al hormign.

Esta experiencia es una de las que ms datos ha entregado a los investigadores,para as continuar desarrollando esta tcnica de rehabilitacin.

MissouriEsta experiencia es interesante porque es la primera que se realiz en un

aeropuerto, el Spirit of St. Louis Airport, en el ao 1985. Si bien no fue un proyecto enalguna autopista, aport importantes datos en cuanto al diseo y construccinprincipalmente. En este caso, los espesores eran de 9 cm hasta 25 cm, vale decirdesde el whitetopping ultradelgado hasta el convencional. (ref. 10)

ColoradoEste proyecto se construy en el ao1996. Los espesores variaron entre los 10 a12,5 cm (TWT). En este caso se experiment con distintas alternativas para el asfaltoexistente. En algunos casos se dej tal como estaba, en otro se fres y en un tercertramo se aplic una nueva capa de asfalto antes del hormign. (ref.10)

Las losas fueron de 1,5 m2 adems se instrumentaron con sensores para medirdeformaciones, deflexiones y temperatura.

La importancia de este proyecto, es que sirvi de base para el desarrollo del


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2.2 Cuando utilizar Whitetopping

Generalmente al hablar de recubrimientos ultradelgados o delgados se piensa enusarlo sobre asfalto que presenta fallas tales como ahuellamiento (rutting),desplazamientos (shoving) y otras fallas superficiales. Un pavimento asfltico daadoseveramente con un importante deterioro estructural, con problemas en las bases o subbases, malas condiciones de drenaje, desmoronamiento ridos, no es un buencandidato para ser reparado con UTW o TWT. El pavimento a rehabilitar requiere deun mnimo espesor del asfalto despus de haber fresado la superficie, para as entregar

un buen soporte al hormign.

Tabla 2 Gua para reparar fallas existente en pavimentos de asfalto antes de aplicar unasobrecapa de hormign.

Condicin general del pavimento Trabajo de reparacinAhuellamiento (menos de 5 cm) NingunoAhuellamiento (ms de 5 cm) Fresado o nivelacin

Desplazamiento FresadoHuecos Relleno con roca triturada, mezcla fra o mezcla calienteFalta de subrasante Retirar y reemplazarPiel de cocodrilo NingunoFalla de bloque NingunoGrietas transversales NingunoGrietas longitudinales NingunoDesprendimiento de ridos Ninguno

Afloramiento Ninguno(ref.1)


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

Fig. 4 Ahuellamiento severo de un pavimento asfltico. (r ef. 5)


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2.3 Ventajas del whitetopping.

Los recubrimientos de hormign ofrecen beneficios a largo plazo para las entidadesencargadas de los aeropuertos y las carreteras, puesto que reduce considerablementeel tiempo y las demoras causadas por el mantenimiento de una superficie de asfalto.Los ahuellamientos, los desplazamientos, las grietas causadas por la temperatura, lapiel de cocodrilo y los daos generados por el ambiente, exigen labores demantenimiento como los sellados de grietas y tratamientos superficiales.

Una superficie de hormign es duradera y requiere de menos tiempo y dinero parael mantenimiento.

Las sobrecapas de hormign son particularmente efectivas donde las restriccionespresupuestales y los altos niveles de trnsito hacen que las interrupciones en el trfico ylas actividades de mantenimiento sean intolerables.

Otro uso importante de los recubrimientos de hormign son aquellos para mejorar laseguridad de la superficie de un pavimento. Las cargas pesadas causandesplazamientos y ahuellamientos en el asfalto, lo cual es peligroso para los usuarios yes un problema serio en los sitios en donde los vehculos frenan y arrancanfrecuentemente, como las intersecciones, los peajes, las rampas y reas deestacionamiento en aeropuertos. Cuando los ahuellamientos se llenan con agua causandeslizamiento o prdida del control de los vehculos lo que puede generar accidentes ylesiones personales. Segn estudios de seguridad las distancias de frenado en lassuperficies de hormign son mucho menores que para las superficies de asfalto,especialmente cuando el asfalto esta hmedo y ahuellado (Fig. 5). Las cargas pesadas

no ahuellan ni desplazan el hormign y tambin presenta una buena resistencia alresbalamiento. (ref.1)

Las sobrecapas o recubrimientos de hormign no desarrollan las fallas encontradasen el asfalto Las experiencias realizadas demuestran que cuando ocurre ahuellamiento,ste no se elimina con la colocacin de un recubrimiento de asfalto; el ahuellamientoreaparece por la incapacidad del concreto asfltico de alcanzar la compactacinadecuada en las huellas de las ruedas o la incapacidad del asfalto de soportar laspresiones y cargas del trfico hoy en da. El hormign puede rellenar uniformemente las


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huellas existentes en el asfalto y as corregir el perfil de la superficie. El reflejo de lasgrietas es otra de las fallas que puede disminuir considerablemente la vida til de lasoobrecapa de asfalto. Esto no ocurre en las losas de hormign por la facilidad deatender los problemas existentes en la capa inferior. (Fig. 6)

Las sobrecapas de hormign sobre pavimentos de asfalto han sido utilizadas comoreemplazo de la "construccin por etapas" de los pavimentos flexibles. En la mayora delos casos, la primera capa se deteriora antes de lo previsto por haber sido subdiseada;las siguientes capas de asfalto no tienen entonces un buen comportamiento porque losproblemas de la capa original se reflejan rpidamente a travs de las nuevas. An si seespecifica una capa de asfalto ms gruesa, los resultados no son mucho mejores. Se

ha demostrado que las capas gruesas se ahuellan ms rpidamente que las delgadas(ref.1)


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0 50 100 150

Buick-hmedo/ con ahuellamiento

Buick-hmedo/liso

Buick- seco/liso

Chevrolet-hmedo/con ahuellamiento

Chevrolet-hmedo/liso

Chevrolet-seco/liso

metros

hormign

asfalto

Fig. 5 Distancia de frenado desde 96 km/hr., de dos vehculos sobre condiciones diferentes de superficie.Ntese que por no presentar el hormign ahuellamiento, los datos para la condicin hmeda conahuellamiento son los mismos que para la hmeda lisa. (ref.1)

Fig. 6 Dentro de las ventajas de los pavimentos delgados de hormign, esta el no reflejar los problemasexistentes de la superficie de asfalto. (ref.1)


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CAPITULO III FUNCIONAMIENTO DE LOS PAVIMENTOS DELGADOS Y

ULTRADELGADOS.Despus de la revisin de la literatura acerca de la tcnica whitetopping, se puede

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

.

Fig. 7 Factores que influyen en el comportamiento de los pavimentos delgados de hormign sobre asfalto, laadherencia entre el asfalto y el hormign, el espaciamiento entre las juntas y el grosor de la capa asfltica quesir ve de base para el hormign.


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3.1 Adherencia

La adherencia entre el asfalto y el hormign permite un funcionamiento como unaseccin compuesta. Esto causa que las capas acten monolticamente y compartan lascargas. Con la adherencia, el eje neutro en el hormign cambia desde la mitad de lalosa de hormign hasta el fondo de la misma. Este descenso del eje neutro disminuyelos esfuerzos llevndolos a valores que el hormign puede soportar. (Fig.7)

La seccin compuesta tiene efectos opuestos en los esfuerzos de esquina. Losesfuerzos en el hormign disminuyen porque la seccin completa es ms gruesa. Sinembargo, como el borde se comporta como un voladizo, su mximo esfuerzo ocurre

arriba de la losa, y el descenso del eje neutro aumenta la distancia entre las fibrassuperiores y el eje neutro. En resumen, en las esquinas los esfuerzos disminuyenporque la adherencia crea una seccin ms gruesa, sin embargo en la superficie de lalosa, aumentan a causa del descenso del eje neutro.

Si el eje neutro se desplaza lo suficientemente bajo, la ubicacin de la carga crticadebe moverse desde el borde hacia la esquina, dependiendo de los materiales y de lascaractersticas de la capa. Esto explica porqu muchos proyectos han desarrolladogrietas de esquina.


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Fig. 8 La adherencia produce un descenso del eje neutro, lo que hace que los esfuerzos disminuyan, en elcaso del centro de la losa, en el caso de las esquinas disminuye tambin el esfuerzo, pero menos que en elcaso del centro de la losa.(ref.8)

Fig. 9 El Whitetopping, que idealmente es adherido, reduce los esfuerzos, gracias a la adherencia entre lascapas de hormign y de asfalto.(ref.8)


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3.2 Espaciamiento de las juntas

Todos los sistemas de pavimentos deben absorber la energa de aplicacin decarga, ya sea por flexin o deflexin (flecha). Las juntas son construidas a pocadistancia ya que esto reduce el brazo de momento de aplicacin de la carga y minimizalos esfuerzos debido a la flexin. Este espaciamiento forma un sistema de pavimento debloque, el cual transfiere la carga al pavimento flexible a travs de deflexin antes quela flexin (fig.10). Los espaciamientos tpicos que funcionan bien fluctan entre 0,6 a 1,5m. Se recomienda que el mximo desplazamiento sea 12 a 15 veces el espesor de lalosa en ambas direcciones.

3.3 Espesor del asfalto

Despus de preparar la superficie, debe quedar asfalto suficiente para formar unaseccin compuesta que soporte la carga (fig.11). Se recomiendaque el mnimoespesorde asfalto despus del fresado sea de 75 mm. Un espesor mayor aumenta la capacidadde carga del sistema, disminuye los esfuerzos crticos en el hormign y disminuye lafatiga en la parte inferior de la capa de asfalto.

Para espesores mayores a los 10 cm, se habla de recubrimientos convencionales.Aunque la diferencia entre estos espesores es convencional, desde un punto de vistaconceptual, el diseo del recubrimiento tiene una diferencia significativa: usualmente losrecubrimientos convencionales se disean como "no adheridos", en tanto que para lospavimentos delgados se contempla la adherencia con el pavimento asfltico subyacente.Se consigue asi una seccin monoltica, que reduce las tensiones de trabajo delrecubrimiento y posibilita un menor espesor.

La necesidad de contar con adecuada adherencia y mantenerla en servicio es unfactor crtico y condiciona fuertemente el diseo y ejecucin de este tipo derecubrimiento


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

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


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3.4 Proceso constructivo

Slo es necesario reparar problemas serios del pavimento existentes tales comoahuellamientos severos, desplazamientos y baches (tabla 2). En las reas en que lasubrasante haya fallado y por lo tanto no proporcione soporte uniforme a la capa dehormign, debe retirarse y reemplazarse.

Despus de hacer las reparaciones, se debe decidir como se va a tratar lasuperficie deformada antes de colocar la sobrecapa. Se han utilizado distintos mtodos:

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

3.4.1 Preparacin de la Superficie

Colocacin directa

En este caso la superficie no se trata y las huellas se llenan con el hormign de lanueva capa. No es necesario fresar, hacer gradacin de finos ni otra actividad. Lacolocacin directa se recomienda para todos los casos en los que el ahuellamiento nosupere los 5 cm.

Para determinar el volumen de concreto necesario se debe realizar unlevantamiento topogrfico de varios sectores del tramo a rehabilitar. La distancia entrecada corte es por lo general 30 m. para tramos de curvas de radio grandes y de 7,5m cuando las curvas son de radios menores. Los volmenes se estiman con las reasde las cortes transversales a lo largo del proyecto y entregan una correcta estimacin

del material necesario.

En la siguiente figura se muestra el nmero de datos registrados para una seccintransversal tpica de 2 pistas. Por cada seccin transversal se toman elevaciones endonde el criterio indique que la superficie s encuentra deformada. Generalmente senecesitan entre 7 a 9 datos para una va de dos pistas. Son muy frecuentes las medidasen los bordes del pavimento, lnea central, huellas y puntos en la mitad de cada pista.La seccin transversal se determina en cada estacin usando las elevaciones medidasy una elevacin de la superficie propuesta (nueva rasante), que debe incluir los


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

La construccin directa es muy efectiva desde el punto de vista de costos, porqueno se necesitan procedimientos constructivos previos. Adems el costo dellevantamiento es mucho menor que el de nivelar la superficie.

Fresado del asfalto exis tente.

Las irregularidades de la superficie a rehabilitar pueden quitarse fresando elasfalto existente. Para que el perfil quede uniforme por lo general hay que remover

entre 2,5 a 7,5 cm. de la superficie. El fresado establece el acabado de la rasante y lapendiente transversal de la va, segn sea necesario.En relacin a la colocacin directa, este mtodo requiere de menos tiempo que el

levantamiento topogrfico, sin embargo hay que considerar el costo de la mquinafresadora y del manejo de los materiales removidos (que pueden utilizarse en laconstruccin de bermas).

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

Capa niveladora

Una capa niveladora puede crear una superficie de pavimento uniforme, por logeneral se necesitan entre 2,5 a 5 cm. de asfalto para quitar las deformaciones delpavimento existente. Usualmente se usa una mezcla bituminosa caliente que debereunir las especificaciones de diseo tradicionales y usar agregados gradadosconvencionales. Debido a su costo, no es recomendable utilizar sta alternativa donde

las deformaciones sean menores que 5 cm.


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Fig. 12 Esquema de recoleccin de puntos para realizar el perfil topogrfico.

Fig. 13 Vista de la superficie tras el fresado. Ntese la textura rugosa de la superficie, fundamental paraobtener una buena adherencia.


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3.4.2 Limpieza de la Superficie

Tras la preparacin de la superficie, es necesario una profunda limpieza de sta.Para la eliminacin de las partculas grande, basta con un buen escobilln (fig. 14).Para limpiar el polvo, es recomendable aplicar aire comprimido (fig. 15)

Se recomienda humedecer el asfalto de manera de enfriarlo para evitar un secadoacelerado del hormign que provocara microfisuracin en el hormign fresco.

3.4.3 Hormigonado de la Superficie

Para realizar la colocacin del hormign, se puede utilizar, en el caso de viasurbanas, un tren pavimentador de tamao medio, especialmente diseado para trabajosen ciudad. Este tren permite una colocacin ms rpida y eficiente con una mejorterminacin superficial, alcanzndose rendimientos mucho mayores que los logradoscon el sistema tradicional de cercha vibradora. Adems, este sistema utiliza el mismocable gua de la fresadora para dar la terminacin y horizontalidad de rasante requerida.

El hormign se coloca con descarga directa del camin mixer en el sitio decolocacin. (fig 16 y 17)

Para la terminacin puede realizarse un platachado manual, si es que laterminacin del tren pavimentador no es la adecuada. Para un mejor resultadoconvendra ajustar el cono del hormign.

Para darle la textura adecuada, se puede utilizar una aspillera o con un escobilln.La aspillera hmeda deja una textura rugosa, pero son surcos poco profundos, en elcaso del escobilln, los surcos son ms profundos (fig. 18)


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Fig. 14 Faenas de limpieza con escobilln para las partculas grandes.

Fig. 15 Faena de limpieza ms profunda, usando aire comprimido, para remover las partculas mspequeas.


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Fig. 16 Colocacin del hormign, dir ectamente desde el camin mixer.

Fig. 17 Tr en pavimentador en faenas de hormigonado.


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Fig. 18 Aplicacin de aspillera, para la obtencin de la textura rugosa.

Fig. 19 Aplicacin de la membrana de curado.


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3.4.4 Membrana de Curado

Es recomendable utilizar alguna membrana de curado para evitar el secadoacelerado de la superficie y por lo tanto fisuracin plstica. La aplicacin se realiza conrociado con fumigadores (fig. 19)

3.4.5 Corte de Juntas

El corte de las juntas se debe realizar en cuanto la resistencia de la superficie seasuficiente como para soportar el peso de las mquinas de corte. Esto ocurre por logeneral cerca de las 4 horas de colocado el hormign.

3.4.6 Curado del Hormign

Para acelerar el fraguad del hormign es recomendable utilizar mantas protectorasde polietileno, con el fin de lograr un aumento en la resistencia acelerada y asi disminuir

el plazo de apertura al trnsito de la va.

En el caso de la experiencia chilena con el breve tramo en Av. Sta. Rosa se utilizpolietileno con burbujas de 5 mm, colocando el lado donde se encuentran las burbujas,hacia abajo. Este sistema de curado, tiene la doble ventaja de mantener la temperaturadel hormign alta y asi acelerar la ganancia de resistencia y conservar el nivel dehumedad necesario para que el cemento reaccione.

3.4.7 Transferencia de Cargas

La necesidad de barras de transferencias de cargas en las juntas transversalesdepende de la capacidad de soporte, el trfico y el diseo de las losas. Se recomiendael uso de juntas en vas que tengan un trfico pesado (de ms de 5 millones de ejesequivalentes), pero en estos casos los espesores de diseos son mayores a los deWhitetopping delgado y ultradelgado en el caso de stos, las barras de transferencia decargas no se necesitan.


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3.4.8 Apertura al Trnsito

Un criterio apropiado para la apertura al trnsito, sera una resistencia a lacompresin de 20 Mpa de probetas moldeadas a pie de obra. Esta resistencia seobtiene en homigones Fast Track en un lapso de 20 horas aproximadamente. En elcaso de hormigones normales, tras 48 horas puede realizarse la apertura al transito.

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


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CAPITULO IV DISEO DE WHITETOPPING

Para el diseo del Whitetopping no existe un mtodo nico y uniforme. A medidaque se han desarrollado proyectos, cada institucin a cargo de stos, ha adoptadoalgn mtodo que se adapte a sus requerimientos de mejor forma.

De la revisin de la literatura relacionada, en este captulo se mostrarn distintosmtodos de diseo, para finalmente utilizando uno de ellos, el del Departamento deTransportes del Estado de Colorado, para el diseo del tramo de prueba que

comprende este trabajo de ttulo.

4.1 Mtodo de Diseo UTW de la PCA (Portland Cement Association)

Este es un mtodo para el diseo de pavimentos ultradelgados (UTW), pero comovimos en el captulo anterior el funcionamiento de las capas ultradelgadas y delgadas,es similar, por lo que se consider necesario revisar este procedimiento de diseo.

Tcnicamente este mtodo es un proceso de anlisis que permite la prediccin delnmero de ejes hasta llegar a la falla del pavimento, para una configuracin dada encuanto a espesores y separacin de las juntas. Este mtodo es mecanicista emprico.Durante su desarrollo se utiliz un modelo tridimensional de elementos finitos (MEF)para simular el funcionamiento de los pavimentos, en este caso ultradelgados.

Para verificar el modelo 3D, se recolectaron datos de tres proyectos en los estadosde Missouri y Colorado. Al comparar esos datos con las predicciones hechas seconstat que las mediciones realizadas eran superiores a las predichas enaproximadamente un 14 % a un 34 %. Para compensar esta diferencia, se ajust elmodelo de manera de simular una condicin de adherencia parcial, que es lo queocurra realmente y no una total adherencia como se haba supuesto en el modelooriginal. Las ecuaciones de diseo originales se ponderaron por un factor 1,36 demanera de incorporar un 36% ms a los esfuerzos resultantes. Este factor comprendeun factor de seguridad, ya que incluye los esfuerzos promedios ms una desviacinestndar


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Las ecuaciones de diseo de este procedimiento se determinaron tras el anlisis

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

( ) ( ) ee

adjkSAL HMA ll

Lk

+= 037.0log299.0log927.0267.5log 101018,10 (Ec. 1)

( ) ( ) eekTAL HMA llk = 028.0log786.0log891.070.6log 101036,10 (Ec. 2)

( ) ( ) ( )ee

adjkSALPCC ll

Lk 10101018,10 log291.1log686.0log465.0025.5log

+= (Ec. 3)

( ) ( ) ( )

+=

e

adj

ee

adjkTALPCC

l L

ll

Lk

088.0

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

(Ec. 4)

++=

e

adjPCC T HMA l

LT 692.17131.2698.28, (Ec. 5)

+=

e

adjPCC T PCC l

LT 382.18496.3037.28, (Ec. 6)


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Donde:=kSAL HMA18, Tensin en el fondo de la capa de asfalto, para una carga de 18-kip de

un eje simple.( ) =kTAL HMA36, Tensin en el fondo de la capa de asfalto, para una carga de 36 kip, eje

tandem( ) =kSALPCC 18, Tensin superficial en las esquinas de la capa de hormign (UTW) para

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

para una carga de 36-kip de un eje tandem.( ) psi = T HMA, Tensin adicional en el asfalto (fondo) a causa de un gradiente de

temperatura. ( ) = T PCC , Tensin adicional superficial (esquina) de la capa de hormign, a causade un gradiente de temperatura.( ) psi

=PCC Coeficiente de expansin trmica del hormign

F

= T Gradiente de temperatura en la capa de hormign F =adj L Largo de la losa( )in . Definido como:

+=

212

25812 L Ladj (Ec. 7)

Donde

=k Mdulo de reaccin de la subrasante

.in psi

=el Radio efectivo de la respectiva rigidez para un sistema completamente adherido.Se define como:

( ) ( )4

2

23

2

23

1212

1212

HMA

HMAPCC HMA

HMA HMA

PCC

PCC PCC

PCC PCC

k

t NAt t t E

k

t NAt t E

++

+

+

(Ec.8)


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Donde

= NA Eje neutro medido desde la superficie de la capa de hormign PCC( ).in .Se define como:

HMA HMAPCC PCC

HMAPCC HMA HMA

PCC PCC

t E t E

t t t E t E

+

++

22

2

(Ec.9)

Donde:

=PCC E Mdulo de elasticidad del hormign (PCC)( ). psi = HMAE Mdulo de elasticidad del asfalto (HMA)( ). psi

=PCC t Espesor de la capa de hormign( ).in = HMAt Espesor de la capa de asfalto ( ).in

= L espaciamiento actual de las losas( ).in

Con las ecuaciones (1 hasta 9) se calculan las respuestas del pavimento. El prximopaso es predecir el dao en funcin del trfico esperado.

El mtodo PCA identifica dos modos de falla, el primero, por fatiga del hormign en lasesquinas de las losas, y el segundo por fatiga en el fondo de la capa de asfalto.

Para la fatiga del hormign se tiene la siguiente ecuacinPara un SR (stress to strenght ratio), el nmero de cargas para fallar se calcula

como.

Para SR> 55.0

( ) 0828.097187.0log10

SR N PCC

= (Ec. 10)


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Para 55.045.0 SR

268.3

43248.02577.4

= SR N PCC (Ec. 11)

Para SR< 45.0 =PCC N (Ec. 12)

En el caso de la fatiga del asfalto, se utilizar el criterio usado por el AsphaltInstitute. Este criterio seala que la fatiga se produce cuando el nmero decargas ( ) HMA N produce fisuras en un 20% del rea wheelpath.

Esta ecuacin esta en funcin del mdulo e elasticidad de asfalto y la mximadeformacin medida en el fondo de la capa asfltica.

=

HMA HMA HMA E

N 110795.029.3

(Ec. 13)

El dao acumulado puede ser calculado segn la hiptesis de Miner, la cual seala

que la falla ocurre cuando:

=

grupo

i i

i

N n

11 (Ec. 14)

Para utilizar esta ecuacin, el trfico esperado se divide en grupos de carga conejes simples y tandem con sus pesos conocidos. Se calcula el nmero de cargas HMA N y PCC N , luego la ecuacin 14 se usa para determinar la fraccin de vida til que se haconsumido del pavimento antes de que se fatigue

Puntos importantes del Mtodo PCA

Se utiliz un modelo 3D MEF para la prediccin de las respuestas del pavimento. Se reconoce la importancia de la adherencia entre las capas de hormign y

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

UTW


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Limitaciones del Mtodo PCA

Se han encontrado las siguientes limitaciones en este mtodo de diseo.

El multiplicador ideado para compensar las diferencias entre los esfuerzospredichos y los reales, se calcul con pocos datos, por lo que los resultadosfinales pueden tener errores considerables.

Los modos de falla de este procedimiento son dos, fatiga en las esquinas, enla capa UTW y fatiga en el fondo de la capa de asfalto, si embargo existen

otros mecanismos de falla que en este Mtodo de diseo no han sidoconsiderados, adems de una interaccin entre los materiales, por ejemplo lafatiga del asfalto contribuye a generar esfuerzos en la capa de hormign.

4.2 Mtodo de Diseo de Espesor de la ACPA (American Concrete PavementAssociation)

Este mtodo de diseo esta indicado para pavimentos ultradelgados (UTW).

Al igual que en el caso anterior, el mtodo esta basado en observaciones ymediciones en terreno, mas la confeccin de un modelo 3D en un software deelementos finitos. Tambin se considera el efecto de los esfuerzos producidos porgradientes de temperatura.

A manera de simplificacin, el mtodo se resume en una serie de tablasordenadas segn categoras de camiones definidas como sigue:

Carga por eje categora A ( camiones pequeos) con un mximo de carga poreje simple de 80kN (18000lb) y para eje doble 160 kN (36000 lb)

Carga por eje categora B (camiones medianos) con un mximo de carga poreje simple 116 kN (26000 lb) y para eje doble de 196 kN (44000 lb)

De las tablas se obtiene el nmero de camiones (en miles) para un supuesto decarga y de diseo de UTW el cual esta definido en trminos de capacidad de soporte dela base, resistencia a la flexin del hormign (PCC), espesor del hormign, espesor del


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asfalto y la separacin de las juntas.

Las tablas de diseo son las siguientes.

Tabla 3 Mtodo de diseo ACPA

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

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

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

4,8 7,62 6 60 40 104 137 303

4,8 10,16 56 156 125 234 294 5464,8 12,7 169 375 314 507 593 9964,8 15.24 o mas 462 839 709 1070 1188 18625,5 7,62 24 77 90 158 273 4585,5 10,16 81 183 201 311 478 7485,5 12,7 213 422 428 625 858 12905,5 15.24 o mas 507 935 880 1249 1572 2301


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



4,8 7,62 30 163 117 258 331 6404,8 10,16 140 385 310 519 606 10454,8 12,7 384 842 664 1008 1099 17484,8 15.24 o mas 765 1709 1092 1663 1591 2499

5,5 7,62 70 209 221 374 577 9155,5 10,16 201 450 436 667 912 13965,5 12,7 480 938 840 1222 1487 21905,5 15.24 o mas 882 1877 1334 2227 2039 3574


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



4,8 7,62 NR 29 1 38 8 1364,8 10,16 15 90 43 122 98 2994,8 12,7 90 228 168 301 273 5934,8 15.24 o mas 259 529 428 671 639 11815,5 7,62 2 43 31 84 106 2685,5 10,16 39 110 98 188 238 4715,5 12,7 129 263 252 406 501 8455,5 15.24 o mas 328 596 576 840 1007 1581


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

Resistencia h2 h1, espesor UTW (cm)Flexion Espesor 5 8 10Mpa asfalto Espaciamiento de juntas (m)

cm 0,91 0,61 1,22 0,91 1,83 1,224,8 8 NR 75 6 102 56 2984,8 10 55 216 110 284 230 5784,8 13 197 497 331 620 553 10764,8 15 o ms 511 1053 771 1221 1148 19155,5 8 9 111 79 197 266 5515,5 10 101 261 221 398 502 8755,5 13 277 622 495 778 922 1460

5,5 15 o ms 639 1183 1002 1493 1583 2438


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Un ejemplo usando las tablas, suponiendo que el recubrimiento UTW estacontemplado para una calle urbana sujeto a un trfico de camiones tipo carga por ejecategora B,

La subrasante tiene un valor de k= 54 kPa/mm (200 lbf/in2 /in) y el asfalto existentetendr un espesor de 102 mm (4 in) despus del fresado. Si el UTW fuera de 76 mm(3in) de espesor con una resistencia a la flexin de700 lbf/in2 y la separacin entre juntas de 0.9 m (3ft), entonces el UTW debera ser capaz de soportar 284000 camionescon carga por eje tipo A (tabla 4). Si la calle recibiera 75 camiones por da, entonces elUTW estara diseado para tener una vida til de 10,4 aos.

4.1036575284000=

=Vidatil

4.3 Mtodo de Diseo de Espesor del CDOT

Este mtodo de diseo ser visto con mayor profundidad, ya que ser e escogidopara el diseo del tramo de prueba del prximo captulo.

El Departamento de Transporte del estado de Colorado (CDOT) en los EstadosUnidos, en el ao 1998 desarroll tres proyectos UTW y TWT que fueron la base delmtodo de diseo que utilizan actualmente. Estos tres caminos rehabilitados fueron laruta U.S.85 cerca de Denver, la ruta S.H.119 cerca de Longmonty y la ruta U.S.287cerca de Lamar.

Estos 3 proyectos se disearon con distintas caractersticas en cuanto a espesor yespaciamiento de las juntas, las losas fueron instrumentadas para medir lasdeformaciones y el comportamiento en general. Con los datos recopilados y el anlisisde estas experiencias se lleg a las primeras ecuaciones de diseo. Posteriormente,para verificar y mejorar el mtodo de diseo, se rehabilit una nueva va, la S:H. 121Wadsworth Boulevard, cerca de Denver. Nuevamente, este proyecto fue instrumentadopara obtener nuevos datos que junto a los recopilados en el los proyectos del ao 1998forman la base para las ecuaciones finales con las que trabaja actualmente el CDOT.


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

detallan como sigue.

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

Ruta Tr nsito Medio Diario AnualTMDAPorcentaje vehculos

pesadosU.S. 85 1500 25%

S.H. 119 19760 8%

U.S. 287 2287 59%

S.H. 121 44562 3%


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Se colocaron barras de refuerzo en las juntas, pero stas no significaron unmejor resultado que los otros proyectos.

A los 28 das, el tramo que mejor resistencia obtuvo, fue el con menorseparacin entre las juntas (72 in)

En el cuarto proyecto, S.H. 121, hay un intento por comprobar las prediccioneshechas con el Mtodo de Diseo del CDOT. Fue construido en el ao 2001.

Este tramo fue diseado para1.3 millones de ejes equivalentes, para una vidatil de 10 aos. Como ya se haba comprobado, a mejor alternativa era fresar lasuperficie asfltica existente, y esto se hizo en todo el proyecto.

Se consideraron los siguientes parmetros de diseo.

Tabla 9 Parmetros de Diseo, Mtodo CDOT, Proyecto SH 121

Proyecto Parmetro de diseo ValorCategora de la va SecundariaVida til de diseo (aos) 10Trfico (18-kip EE) 1272000Espaciamiento juntas (in.) 72Mdulo Elasticidad Hormign (psi) 3400000Coeficiente de Poison del Hormign 0.15Espesor del asfalto existente (in) 5.5Mdulo Elasticidad Asfalto (psi) 266000Coeficiente de Poison de Asfalto 0.35Mdulo de reaccin de la subrasante

(psi/in)500

SH 121

Espesor de la capa de Hormign (in.) 6

Para desarrollar este proyecto se siguieron diferentes etapas, que partieron conuna evaluacin del pavimento existente, que incluy un chequeo visual de lascondiciones, medicin del ahuellamiento, extraccin de testigos y deflectometra.


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PAVEMENT EVALUATION CHECKLI ST (FLEXIBLE)

PROYECTO N:____________________ UBICACIN: ______________________ CDIGO PROYECTO (SA #): ________________DIRECCIN: DE KM A KM ______ FECHA:______________________ HECHO POR :______________________________ PROFESIN:_______________________________ TRAFICO:- EE existente anuales: _______________

- EE diseo________________________ DATOS EXISTENTES DEL PAVIMENTO- Subrasante (AASHTO) Condicin de la berma- Base (tipo/espesor) (buena, regular, mala)- Espesor del pavimento Condicin de los sellos de junta- Rigidez del suelo (R/MR) (buena, regular, mala)- Suelo con napa (si/no) Separacin pavimento-berma- Condicin de drenaje (buena, regular, mala)

INSPECCIN VI SUALTipo Severidad % aproximado

Piel de cocodri loAfloramientoGrieta de bloquesDesplazamientoDepresionesreflexin de grietas en juntasGrietas transversalesDeterioro de parchesPulimento de los ridosBachesPrdida de r idosAhuellamientootros

Tabla 10 Lista de chequeo de condiciones de pavimento flexible


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En cuanto a los testigos se extrajeron 12 muestras, previo a la colocacin de la

capa de hormign y ms de 40 durante los dos aos posteriores a la construccin delpavimento. Los testigos se utilizaron en una primera fase para determinar el espesorde la capa asfltica y posteriormente para comprobar la resistencia en la interfasehormign-asfalto. Para realizar estas pruebas se siguieron las pautas especificadasen el Mtodo Iowa 406-C .

En los dems proyectos, tambin se utilizaron los testigos como fuente deinformacin para otras caractersticas como resistencia a la compresin, mdulo deelasticidad y resistencia a la flexin.

Los resultados de los testigos ensayados, se encuentran en la Tabla 8, endonde podemos apreciar, que en el ltimo proyecto, el SH 121, se obtuvieron losmejores resultados en cuanto a resistencias tempranas, ya que en este caso setena el conocimiento previo de los restantes proyectos. Con el paso del tiempo, lasresistencias tienden a equipararse.

Con la experiencia recopilada, se esta en condiciones de presentar el Mtodode Diseo de Espesores del CDOT.

El desarrollo y verificacin de este Mtodo tuvo las siguientes caractersticas.

1. La ubicacin de la carga crtica para el diseo del pavimento whitetopping fuedeterminado y verificado mediante comparacin de los datos de los esfuerzosrecogidos para cada posicin.

2. El esfuerzo crtico se determin en condiciones de gradiente de temperatura casinulo.

3. Se realiz un anlisis terico- experimental para los esfuerzos en el hormign. Seobtuvo un factor de calibracin para ajustar los resultados experimentales a lospredichos tericamente.

4. La total adherencia entre el hormign y el asfalto no es total, por lo que se creun factor para modificar esta condicin y ajustarse a la realidad experimental.

5. Se consider el efecto de la temperatura en la prdida de resistencia delhormign por causa de la retraccin (curling)

6. El clculo de las tensiones de diseo en el hormign y en el asfalto se obtuvo tras


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con las siguientes caractersticas. Para calcular las tensiones sobre el hormign y el asfalto se utiliz el software

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

ecuaciones originales se corrigieron tras nuevos estudios, agregndolesfactores de correccin.

Como criterio de falla se usa el criterio de fatiga para evaluar las capas deasfalto y hormign por separado. Por lo tanto, para un juego dado deparmetros de diseo de un pavimento junto a propiedades de los materialesdadas, el hormign o la capa de asfalto pueden gobernar el diseo

4.3.1 Ecuaciones de diseo Mtodo CDOT

Tensin en el Hormign para 20-kip SAL

( ) Lk E lt

t ac

eac

pcc pcc 0133.0log0366.910955.6

44.425918.2879.18 621

++

+=

(Ec .15)

Tensin en el Hormign para 40-kipTAL

( ) Lk E lt

t ac

eac

pcc pcc 0062.0log3576.810455.6

52.408668.2669.17 621

++

+=

(Ec. 16)

Deformacin del asfalto para 20-kip SAL

( ) k E lt

t ace

ac

pccac log1027.110898.604419.0

2590.0224.8 74

1

=

(Ec. 17)

Deformacin del asfalto para 40-kipTAL

( ) k E lt

t ace

ac

pccac log0451.110746.604331.0

2503.0923.7 74

1

=

(Ec 18)


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Donde

=

pcc Tensin mxima en la losa de hormign.( ). psi =

ac Deformacin mxima en el fondo de la capa de asfalto,microstrain =

pccE Mdulo de Elasticidad del Hormign (se asume 4000000 psi) =

acE Mdulo de Elasticidad del Asfalto ( ). psi =

pcct Espesor de la capa de hormign ( ).in =

act Espesor de la capa de Asfalto( ).in =

pcc Coeficiente de Poissons del Hormign (se asume 0.15) =

ac Coeficiente de Poissons del Asfalto (se asume 0.35) =k Mdulo de reaccin de la subrasante ( ). pci

=el Radio efectivo de la respectiva rigidez para un sistema completamente adherido.Se define como:

( ) ( )4

2

23

2

23

1212

1212

HMA

HMAPCC HMA

HMA HMA

PCC

PCC PCC

PCC PCC

k

t NAt t t E

k

t NAt t E

++

+

+

(Ec 19)

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

Se define como:

HMA HMAPCC PCC

HMAPCC HMA HMA

PCC PCC

t E t E

t t t E t E

+

++

22

2

(Ec 20)

=

L espaciamiento actual de las losas( ).in


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Al igual que en el Mtodo de la PCA, para evaluar la falla de la capa de hormign, seutiliza el criterio de falla por fatiga. Sus ecuaciones son las mismas.

Para SR> 55.0

( ) 0828.097187.0log10

SR N PCC

=

Para 55.045.0 SR

268.3

43248.02577.4

=

SR N PCC

Para SR< 45.0

=PCC N

DondeSR = stress to strenght ratio N= Nmero de cargas esperadas

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

Nmero de repetiones permit idas en el asfalto

( )854.029.3

3 111032.44.18

=

acac E C N

(Ec 21)


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Donde

= N Nmero de cargas para una fatiga de un 20% o mayor =

ac Deformacin mxima del asfalto=

acE Mdulo de elasticidad del asfalto, psi=C Factor de correccin = M 10

+

= 69.084.4bv

b

V V V M

=

bV Volumen de asfalto, %=

vV Volumen de aire. %

Para una mezcla tpica, el valor de M es igual a cero, por lo tanto el factor decorreccin tiene el valor de 1.

Cuando se utiliza Whitetopping como una alternativa de rehabilitacin, el valorde N se debe modificar para considerar el porcentaje de fatiga que lleva acumuladoel asfalto deteriorado. Por lo tanto, el nmero de cargas N debe ser multiplicado porla cantidad del porcentaje que aun falta por consumir para que falle por fatiga. Porejemplo, si se ha determinado que la fatiga acumulada es de un 25%, el valor de Nse debe multiplicar por 0.7

4.3.2 Incorporacin de ejes equivalentes al diseo.

El estado de Colorado, actualmente usa en el diseo de sus caminos, elprocedimiento desarrollado por la AASHTO. En Chile tambin se utiliza esteprocedimiento. Este procedimiento utiliza el concepto de eje equivalente de 18 kip(ESAL). Este valor es utilizado para convertir el dao causado por los distintos ejes a

un dao equivalente causado por ejes de 18 kip. El dao esta en funcin del espesordel pavimento, y la AASHTO calcula para pavimentos de espesores mayores a 6 in.(15 cm). Como el Whitetopping comprende espesores menores, fue necesariodesarrollar factores de correccin para convertir los ejes equivalentes estimados conespesores ms gruesos que los necesarios para Whitetopping.

En el estado de Colorado se hace la distincin de acuerdo al trfico esperado,se distingue entre va primaria y va secundaria. El factor de conversin de ejesequivalentes esta pensado para un espesor de 8 in. Y un ndice de servicialidad final


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de 2.5. Esta frmula de conversin se extrapol para espesores pequeos como 4 in,y el nmero total de ejes equivalentes fue calculado para una variedad de grosoresde Whitetopping Los factores de conversin se obtienen de las siguientesexpresiones.

Factor de conversin, va Primaria( ) 456.3057.10985.0 += PCC ESAL t F (Ec. 22)

Factor de conversin, va Secundaria1138.2286.1

=

PCC ESAL t

F (Ec. 23)

Donde=

ESALF Factor de conversin de ejes equivalentes, estimacin asumiendo unpavimento de espesor 8 in.

=

PCC t Espesor de la capa de hormign, in.

Por ejemplo, para un diseo de whitetopping que contemple un espesor de 4.5in para una va Secundaria y con un valor de ejes equivalentes de 750000, con elfactor de conversin se obtienen 950000 ejes equivalentes para Whitetopping.

Al comparar resultados a partir del mtodo mecanicista, que utilizadistribuciones de carga por eje, con el procedimiento emprico, que utiliza EE, nosencontramos con que los resultados del espesor requerido no son iguales, tal comose muestra en la figura 21.


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Fig. 21 Conversin de espesores desde el Mtodo Mecanicista al M todo Empr ico


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

( ) 6299.01251.1 += TRIAL IMPUT t t (Ec. 24)

Donde

=

IMPUT t Espesor del hormign convertido para ser el espesor de entrada enel procedimiento de diseo con EE.

=

TRIALt Espesor de ensayo, que se convierte en el espesor especificado

para el Whitetopping.

Esta correlacin fue desarrollada para espesores de Whitetopping de hasta 8 iny no debe ser aplicada para otros valores.

Adems, segn el mtodo de la AASHTO, que es el que se utiliza en Chile parael diseo de pavimentos, los ejes equivalentes estn calculados en base a un eje de18 kip por tanto se necesitan unas nuevas ecuaciones que surgen a partir de las delMtodo CDOT.

Tensin en el Hormign para 18-kip SAL2

6 0133.0log0366.910955.644.425918.2879.189.0

+++= Lk E

lt t

AC e AC

PCC PCC

(Ec 25)

Deformacin del asfalto para 18-kip SAL4

7 log1027.110898.604419.02590.0224.89.0

= k E l

t t

AC e AC

PCC AC (Ec 26)


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CAPITULO V DISEO DE TRAMO DE PRUEBA CON WHITETOPPING

En este captulo se disear un tramo de prueba, utilizando el mtodo dediseo del CDOT descrito en el captulo anterior.

El sector escogido es un tramo de 300 metros que parte en el kilmetro1428.000 de la ruta 5, localidad de Baquedano.

Uno de los factores para la eleccin del tramo, es que esta seccin de la Ruta5 cuenta con una estacin de pesaje digital que permite una mayor precisin en ladeterminacin de las solicitaciones del pavimento a disear. Esta estacin de pesajedata del ao 2005 y se encuentra instalada en el Km. 1430 de la Ruta 5. Con estesistema automatizado de pesaje se obtiene la estratigrafa de cargas conociendo ladistribucin y tipologa de vehculos que componen el trnsito de la regin en estaruta y tramo. Tambin es posible obtener la cantidad de ejes equivalentes porvehculo, parmetro de importancia fundamental en el diseo de pavimentos, ennuestro caso particular, el diseo de Whitetopping.


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Fig. 22 Ubicacin del tramo de prueba a disear. El cuadro de la lnea punteada se detalla en la figurasiguiente.


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En una inspeccin visual del pavimento realizada por funcionarios delLaboratorio Regional de Vialidad de Antofagasta, se determin que el dao delpavimento es leve, tanto en cantidad como en magnitud, predominando las fallas tipopiel de cocodrilo y algunas grietas transversales. Por lo tanto el tramo es un buencandidato para llevar a cabo una rehabilitacin usando Whitetopping.

El trnsito mayoritario que circula por el sector, corresponde a camiones de doso ms ejes, lo que se explica por la intensa actividad minera de la regin. El detalledel trnsito y las tasas de crecimiento esperadas en la siguiente tabla.

Tabla 11 Detalle del trnsito en el tramo de prueba

Tipo de Vehculo TMDA Tasa de crecimientoC2E 226 6,5 % anualC+2E 921 7,5 % anualBTB 251 5,5 % anual

Al ser un tramo de prueba, la vida til proyectada ser de slo 5 aos. Con estedato, el nmero de ejes equivalentes esperado es de 4 558158 EE.

Mediante los ensayos de deflectometra, se determin que el asfalto existenteposee un porcentaje de fatiga consumido de 23 %

Se extrajeron testigos para determinar espesores de las capas existentes. Losresultados estn en la siguiente tabla.

Tabla 12 Testigos para tramo de prueba

EXTRACCION DE TESTIGOSTestigo Km.: Faja Concreto asfltico Base asfltica

N espesor (mm) espesor (mm)1 1.428,100 Derecha 33 652 1.428,200 Izquierda 35 70

Para determinar el mdulo de reaccin k de la subrasante, se realiz unacalicata donde se obtuvieron los siguientes datos.


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Tabla 13 Detalle des las calicatas efectuadas para el tr amo de prueba

EstratoCota

SuperiorCota

Inferior espesor Tipo Material CBR CBRN (cm) (cm) (cm) 95(%) dmcs dens.nat.(%)1 0 0,24 0,24 Base Granular 99 103

2 0,24 0,44 0,20Capa de terraplncompactado (Suelonatural)

46 49

3 0,44 0,80 0,36 Suelo natural compacidadmedia 46 40

Tras todos los ensayos, y recoleccin de datos y a modo de resumen, en lasiguiente tabla se presentan los parmetros de entrada para el diseo de nuestrotramo de prueba.

Tabla 14 Datos de entrada para diseo de tramo de prueba

Datos de Entrada para diseo WhitetoppingCategora de la via primaria

Espaciamiento juntas ( L) 69 inTrial espesor hormign 5,7 inResistencia a la flexin 650 psiMdulo elstico del hormign 4000000 psicoeficiente poisson hormign 0,15Espesor del asfalto 4 inMdulo elstico del asfalto 350000 psicoeficiente poisson asfalto 0,35Fatiga Consumida Asfalto 23 %

Mdulo de la subrasante 415 pciGradiente de temperatura 3 F/inEjes equivalentes 4558158


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Ajuste por adherencia de las tensiones

thex = 51.1 (Ec. 27)

Donde: =ex Tensin experimental con adherencia parcial. psi =

th Tensin terica con el supuesto de adherencia total. psi

Ajuste por adherencia de las deformaciones

776.0897.0 = pccac (Ec. 28)

Donde: =ac Deformacin medida en la superficie del asfalto, microstrain=

pcc Deformacin medida en el fondo de la capa de hormign,microstrain

Los resultados de las ecuaciones 27 y 28 estn en las columnas 3 y 4 de la Tabla 17.

5 En las columnas 5 y 6 de la tabla 17 estn los ajustes por prdida de soporteobservada en las fases de estudio del mtodo CDOT. Esta prdida se debe alefecto curling por la presencia de un gradiente de temperatura. Para esto seutilizan la ecuacin 29 descrita a continuacin

Ajuste por prdida de soporte

T = 85.3% (Ec. 29)

Donde: =% Porcentaje de variacin de la tensin por el gradiente de temperatura.= T Gradiente de temperatura. inF


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6 Con las tensiones y deformaciones calculadas corresponde analizar la fatiga delpavimento. Se deben analizar por separado el asfalto y el hormign y uno de loscasos mandar el diseo.

7 Calculamos el valor de SR (stress ratio) en la columna 8 de la tabla 18, dividiendola tensin tras el ajuste por prdida de soporte (columna 5, tabla17) por elmdulo de ruptura del hormign, uno de los datos de entrada.

8 Usando el valor de SR y las ecuaciones de falla por fatiga para el hormign sedeterminan el nmero de repeticiones esperado para la capa de hormign. Estevalor se coloca en la columna 9, de la tabla 18.

9 Calculamos el porcentaje de fatiga en la columna 10, dividiendo la columna 7 porla columna 9 y multiplicando por 100.

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

11 Usando el mdulo de elasticidad del asfalto existente y los valores de lasdeformaciones de la columna 11, calculamos las repeticiones permitidas para lacapa de asfalto con laecuacin 21 , e ingresamos esos valores en la columna 14.

12 El porcentaje de fatiga para la capa de asfalto y el dao total por fatiga, estacalculado del mismo modo que el clculo de la fatiga del hormign en el paso 9,con la diferencia de que en este caso se agrega el porcentaje de fatigaconsumido previamente, que es uno de los datos de entrada.


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

Tensiones y DeformacionesCarga ajuste por adherencia ajuste por prdida soporte

Tensin, psi mstrains Tensin, psi mstrains Tensin, psi mstrains1 2 3 4 5 6223 139 336 124 375 124

Tabla 17 Anlisis de fatiga en el hormign y en el asfalto

Anlisis de Fatiga por ejes equivalentes

N de ejes Anlisis Fatiga Hormgn Anlisis Fatiga Asfaltoequivalentes SR EE Fatiga Asfalto EE Fatiga

18-kip esperados % strains esperados %7 8 9 10 11 12 13

4601718 0,577 59120 1,285 124 7772779,287 59,2Fatiga del Asfalto , %= 82,2

Finalmente, al cabo de 5 aos, la fatiga acumulada del asfalto sera de un 82,2%, lo

que nos entrega un margen de seguridad cercano al 20%, por lo que es un buendiseo. El espesor requerido de hormign ser de 5,75 in, ya que el valor original de5,7 in se redondea al 0,25 ms cercano.


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CAPITULO VI ANALISIS DE SENSIBILIDAD

Se estudiaron los siguientes parmetros para ver de qu manera afectan en elespesor del hormign final resultante.

Espesor del asfalto Mdulo de reaccin de la subrasante k Mdulo de elasticidad del asfalto Resistencia a la flexin del hormign Ejes equivalentes.

Las figuras presentadas a continuacin corresponden a los estudios hechos por

el Departamento de Transportes de Estado de Colorado. En ellas se muestran losresultados de la primera versin del estudio, ao 1998, y tambin los de laactualizacin del ao 2004.

En la figura 25, vemos que para el modelo del ao 1998, el espesor dehormign era relativamente sensible para mdulos de reaccin bajos. Por lo tanto, elmtodo del ao 1998 indicaba que slo se poda disear el pavimento delgado dehormign si es que el mdulo era mayor que 150 psi/in. Este detalle fue alarmante,porque es comn encontrar subrasantes con Mdulo de Reaccin menores a los 150psi/in., sin embargo esto se solucion con la actualizacin del estudio del ao 2004,donde se aprecia que la sensibilidad es muy baja.

En la figura 26, se muestra la sensibilidad del espesor del hormign ante elfactor del mdulo de elasticidad del asfalto. Para el estudio del ao 1998, que enmdulos elsticos bajos la sensibilidad era considerable, y slo para espesores delasfalto cercanos a 5 in el mtodo de diseo era vlido. Este tambin fue un detalleque hacia poco factible el diseo de whitetopping, ya que 5 in era un espesor muy

grueso para los pavimentos candidatos a este sistema de rehabilitacin. Con laactualizacin del estudio, en el 2004, la sensibilidad aun se mantiene, pero elespesor de hormign es menos sensible para espesores altos.


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Fig. 25 Sensibilidad del espesor del Hormign al Mdulo de Reaccin de la subrasante k

Fig. 26 Sensibilidad del espesor del Hormign al Mdulo Elstico del Asfalto


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En las figuras 27 y 28, se muestra las sensibilidad en funcin del la resistencia ala flexin del hormign y del gradiente de temperatura, respectivamente. Mientrasque el espesor requerido de hormign es algo sensible para la resistencia a la flexin,para la temperatura, se observa que en espesores pequeos de hormignprcticamente no existe variacin de los gradientes de temperatura aplicados en eldiseo.

De las figuras 29 a la 31 se muestra la sensibilidad del espesor de hormignrequerido frente al los ejes equivalentes, basada en el espesor del asfalto, mduloelstico del asfalto y mdulo de reaccin k de la subrasante respectivamente.

En la figura 29 podemos ver que para el mtodo del ao 1998, el espesor delasfalto se mantena para EE mayores a 2000000, slo con menores cantidades deEE se observa cierta variacin en el espesor del hormign requerido.. Esta situacincambia para el estudio del ao 2004, en que a medida que aumentamos los EE, elespesor requerido tambin aumenta, sin importar el espesor del asfalto.

Lo mismo ocurre para el mdulo elstico del asfalto y el mdulo de reaccin k,a mas EE, mayores espesores resultantes, con una mayor variacin en el caso delmdulo elstico, y escasas variaciones para con el valor de k.

Estas tendencias confirman que la tcnica de rehabilitacin whitetopping, estapensada para trficos menores,


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Fig. 27 Sensibilidad del espesor del hormign al Mdulo de Ruptura del hormign.

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


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

Fig. 30 Sensibilidad del Espesor del Hormign al Mdulo Elstico del Asfalto, tomando en cuenta ejesequivalentes


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CAPITULO VII DISCUSIONES, CONCLUSIONES Y LINEAS DE INVESTIGACION

A SEGUIR.7.1 DISCUSIONES

Los recapados de hormign se han utilizado desde hace bastante tiempo, yahay reportes del ao 1918 (ref..1), sin embargo la tcnica Whitetopping esrelativamente nueva, su primera aplicacin fue en el ao 1991, en Kentucky EE.UU.(ref. 2).

En el capitulo 2, se mencionan algunas experiencias en el extranjero, entre ellasun proyecto en Argentina, en donde se explica el uso de Whitetopping delgado dehabilitacin temprana (ref..4). Esta sera una buena modalidad para implementar enChile, principalmente en Santiago, donde las interrupciones al trnsito por periodoslargos, puede acarrear severos trastornos al trfico en horas punta. Algo parecido alWhitetopping se hizo en la reparacin de la Alameda (Ao 2003), con la diferencia deque el hormign no se deposit sobre una capa de asfalto, sino que sobre una baseestabilizada que se coloc tras remover el pavimento antiguo. Tambin se ha

experimentado con pavimentos delgados de hormign en otras ciudades, comoPuerto Montt (ref.. 4), aunque tampoco se han depositado el hormign sobre asfalto,as que si bien han sido experiencias con buenos resultados, no correspondenexactamente a lo que se conoce como Whitetopping.

Se sabe que en Chile, los accidentes de trnsito son frecuentes, por ende laseguridad de las vas es un factor muy importante. En la Fig.4 se muestra lasmenores distancias de frenado en los pavimentos de hormign en comparacin a lospavimentos de asfalto, esto es algo que ayuda a evitar el deslizamiento de losautomviles, por lo tanto, un transitar mas seguro. Adems, entre las ventajas delWhitetopping, en la Fig 5, se observa que las fallas del asfalto, bajo la capa dehormign, no se proyectan hacia a la superficie, otorgando una mayor seguridad.

Se tienen ciertos paradigmas hacia los pavimentos delgados de hormign,entre los cuales esta el relacionado al alto costo inicial en comparacin a lospavimentos de asfalto, la verdad dice que el costo inicial no es mas que un 10% (ref..3). Venciendo este tipo de paradigmas, sera ms fcil incorporar nuevas


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tecnologas y mejorar los estndares de nuestros caminos.

En el captulo 3, sobre el comportamiento de los pavimentos delgados sobreasfalto, la adherencia entre las capas de hormign y el asfalto es fundamental para elbuen funcionamiento del pavimento. Hay que tener cuidado con los derrames decombustibles, ya que la adherencia se ve afectada y el rendimiento disminuye.(ref..4).

Segn la Tabla 8, la mejor adherencia se obtiene fresando la superficie deasfalto existente. El fresado de la superficie puede realizarse con la mquina

fresadora Roto Mill de CMI Corporation Group, que tiene un rendimiento encondiciones ptimas de 200 metros por hora para una seccin de corte de 2,2mts.(ref. 6).

A pesar de que los pavimentos delgados de hormign sobre asfalto, sonpensados con una adherencia total, el comportamiento indica que se consigue unaadherencia parcial, y por lo tanto en el diseo debe incluirse un ajuste poradherencia.

En cuanto al diseo (captulo 4) de los pavimentos delgados de hormign, anno existe un mtodo ampliamente aceptado para disear Whitetopping, razn por lacual, en la revisin de la literatura relacionada, se encontraron varios Mtodos deDiseo, pero se estudi ms profundamente el del Estado de Colorado, porque esteinclua el uso de Ejes Equivalentes, parmetro que se utiliza en los Mtodos deDiseo del Manual de Carreteras.

Los valores de la Tabla 16, nos muestra que con el Mtodo CDOT adaptado aluso de Ejes Equivalentes, entrega resultados razonables.

7.2 CONCLUSIONES

Basndose en la informacin recopilada, el anlisis de sta y el diseo d untramo de prueba, se puede concluir los siguientes puntos:


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

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

Una buena adherencia en la interfaz hormign/asfalto es esencial para laaplicacin exitosa del Whitetopping.

De todas las alternativas evaluadas en la preparacin de la superficie asflticaexistente, la de mejores resultados fue la de fresar y limpiar profundamente antesde depositar el hormign.

Para el espesor del asfalto, se recomiendo un espesor mnimo de 75 mm, en elcaso del diseo del tramo de prueba, se cont con 100 mm.

El espaciamiento de las juntas se estima como mxima separacin, 1,80 m paralos pavimentos delgados. En el caso de los ultradelgados, las separaciones sonmenores, llegando incluso a los 60 cm.

Se identifica la falla en las esquinas de las losas como la ms comn, y serecomienda aumentar el espesor en esa zona.

La adaptacin del Mtodo CDOT al uso de EE, hace compatible el diseo con loque se utiliza actualmente en Chile, el Mtodo AASHTO.

El Mtodo CDOT slo debe utilizarse para el diseo de pavimentos delgados dehormign (10 a 20 cm.), para el diseo de ultradelgados, convencionales.

7.3 LINEAS DE INVESTIGACIN A SEGUIR

Se necesitan mayores datos en cuanto al funcionamiento a largo plazo de lospavimentos delgados de hormign. Cualquier dato nuevo recopilado de serestudiado e incorporado al diseo. Como ejemplo el caso de la temperatura seincluy, pero variando escasamente el gradiente. Ser interesante desarrollar unnuevo modelo computacional en que este factor este presente de una manerams amplia.

Es de vital importancia monitorear los tramos de prueba, y para ello es necesarioun mtodo de evaluacin y seguimiento. En el informe se presentan algunas


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pautas a seguir, como la extraccin peridica de testigos, y la instalacin de straingages para controlar las deformaciones.

Aprovechando el diseo ya realizado, el lgico siguiente paso, es construir eltramo de prueba propuesto, y recopilar la mayor cantidad de datos posibles queaporten a mejorar la aplicacin de los pavimentos delgados.

Se deben desarrollar especificaciones tcnicas precisas en cuanto a losmateriales utilizados, maquinaria utilizada y controles de laboratorio.

No hay que dejar de lado los pavimentos ultradelgados como alternativas paravas de trfico menor. Se debe estudiar algn mtodo especfico de diseo paraellos.

Se puede desarrollar un anlisis econmico que compare las distintas tcnicas derehabilitacin de pavimentos flexibles disponibles, con la tcnica Whitetopping.

En el anlisis de sensibilidad presentado, no se encuentra presente el factor deespaciamiento de las juntas. Falta incluir este aspecto, que se identific comoimportante en el funcionamiento de los pavimentos delgados de hormign.

La idea final de todas estas recomendaciones, es disponer de una alternativaviable y respaldada por estudios y experiencias empricas, para as poder incluirlaentre las distintas formas de rehabilitacin que hoy se conocen y que estn en el

Manual de Carreteras.


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7.4 REFERENCIAS

1. APLICACIONES DE CAPAS DE CONCRETO SOBRE PAVIMENTOS DEASFALTO (WHITETOPPING), NOTAS TCNICAS INSTITUTO COLOMBIANODE PRODUCTORES DE CEMENTO. 1999. Colombia

2. COLE LAWRENCE W., SHERWOOD JAMES AND QI XICHENG. AcceleratedPavement Testing of Ultrathin Whitetopping. 1999. Reno EE.UU.

3. COVARRUBIAS JUAN PABLO, Pavimentos Delgados de Hormign. Conferencia

ICH.20054. DALIMIER MARCELO, SAADE JOSE L.Y FERNNDEZ LUCO LUIS, Primer

Experiencia en Argentina con Recubrimientos Delgados de Hormign enHabilitacin Temprana: Procedimiento Constructivo, Control de Calidad yEvaluacin Preliminar de su Desempeo. 1999, Buenos Aires Argentina

5. DIRECCION NACIONAL DE VIALIDAD,

6. DIRECCION REGIONAL DE VIALIDAD II REGION- ANTOFAGASTA.

Estratigrafa de Cargas por Eje a partir de Mediciones con Sistema Remoto dePesaje Dinmico. 2005.

7. INFORME PRUEBA DE CONSTRUCCIN SISTEMA DE REHABILITACIN DEPAVIMENTOS ULTRA THIN WHITETOPPING (UTW), Experiencia en Chile.2003

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

9. MATTHEW J. SHEEHAN, SCOTT M. TARR AND SHIRAZ TAYAJBI,Instrumentation and Field Testing of Thin Whitetopping Pavement in Colorado andRevision of the Existing Colorado Thin Whitetopping Procedure. 2004.

10. NCHRP SYNTHESIS 338, THIN AND ULTRA-THIN WHITETOPPING.Transportation Research Board.2004. EE.UU.

11. SANHUEZA MARCELA, Departamento Hormign, Laboratorio Nacional deVialidad. Comunicacin Personal.


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12. WHITETOPPING, System Analysis Tool.

diseño whitetopping

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