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.