Descripción funcional de los tipos de pavimentos, sus capas

y modos de falla.

Conception et dimensionnement des structures de chaussée.

Ministère de l’Equipement, des Transports et du Tourisme –SETRA – LCPC (Décembre 1994).

13/08/2015 LUIS RICARDO VÁSQUEZ VARELA, M.Sc. 1

Universidad Nacional de ColombiaSede ManizalesFacultad de Ingeniería y Arquitectura

Departamento de Ingeniería Civil

Pavimentos. Profesor: Luis Ricardo Vásquez Varela, M.Sc.

Introducción.

• Los pavimentos se han separado en tres tipos principales:

– Pavimentos flexibles.

– Pavimentos rígidos.

– Pavimentos semirígidos o semiflexibles.

• Pavimentos flexibles.

– Con superficie asfáltica con espesor de hasta 15 cm.

– Con capa de rodadura de adoquines, también llamado “pavimento articulado”.

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http://www.pavementinteractive.org/article/structural-designpavement-structure/

http://www.pavingexpert.com/blocks.htm

Bloques del borde de capa

Bloques en patrón de espina de pescado

Lecho de concreto de 100 a 150 mm.

Geotextil opcional sobre la subrasante

Subrasante preparada Mínimo 100 mm de subbase granular

Capa de arena de 25 – 40 mm

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http://www.pavesquad.com/images/c20.jpg

http://pavingatlanta.com/Portals/164977/images/asphalt%20pavement.jpg

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http://www.azendra.com/wp-content/uploads/2014/07/Adoquines3.jpg

http://www.icpi.org/sites/default/files/images/Hong_Kong_airport_2.preview.jpghttp://thatslikewhoa.com/wp-content/uploads/2012/09/paving-machine1.jpeg

• Pavimentos rígidos.

– Con superficie / estructura de concreto de cemento Pórtland.

• Pavimentos semi-rígidos o semi-flexibles.

– Con capas asfálticas de espesor mayor que 15 cm.

– Con capas rigidizadas (endurecidas) con ligantes asfálticos o hidráulicos.

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http://onlinemanuals.txdot.gov/txdotmanuals/pdm/pavement_types.htm

Subrasante (Suelo existente).

Capa de subbase (de ser necesaria).

Capa de base (no erosionable).

Losa de concreto (con juntas)

Junta transversal.

Junta longitudinal. Berma rígida

anclada.

Estas tipologías mezclan la

definición del comportamiento

con los materiales de

constitución.

¿Cuándo se pasa de ser semi-

flexible a semi-rígido?

– Pavimento de concreto simple (sin acero de refuerzo) y con juntas.

• Losas entre 3.0 y 6.0 metros de longitud.

• Transferencia de carga en juntas transversales:

– Mediante fricción o trabazón de agregados.

– Mediante dovelas o barras pasajuntas de acero liso y engrasadas.

• Conexión entre carriles en las juntas longitudinales:

– Barras de acero corrugado como anclajes.

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Jun

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inal

Juntas transversales

Losas de concreto simple (no reforzado).

TráficoDovelas

Barras de anclaje

h

Sección AB

A B

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http://www.civildb.com/images/reinforced-concrete-road-pavement-540x405.jpg

http://www.metalforms.com/Content/files/ProductImages/concretePavingForms.jpg

– Pavimento de concreto reforzado con acero y con juntas.

• Permite losas más largas que el concreto simple (12 metros).

• Transferencia de carga en juntas transversales:

– Mediante dovelas o barras pasajuntas de acero liso y engrasadas.

• Conexión entre carriles en las juntas longitudinales:

– Barras de acero corrugado como anclajes.

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Jun

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ngi

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inal

Juntas transversales

Losas de concreto reforzado

Tráfico

Dovelas

Barras de anclaje

h

Sección AB

A B

Fisuras de retracción

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http://www.dot.state.oh.us/Divisions/ConstructionMgt/OnlineDocs/2009MOP/450%20Rigid%20Pavement/451/451%20REINFORCED%20PORTLAND%20CEMENT%20CONCRETE%20PAVEMENT.htm

http://www.aurecongroup.com/~/media/Images/Aurecon/Web_structure/Projects/CDI/Ultra-

thin%20Reinforced%20Concrete%20Project/Ultrathin%20Reinforced%20Concrete%20Project%209%20963x492.jpg?mh=340&mw=665

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http://weeconstruction.com/wp-content/uploads/2012/03/SAM_1327.jpg

– Losas prefabricadas en sistemas de pavimento rígido convencional o con pre-tensionamiento.

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http://www.theconcreteproducer.com/Images/tmpA291.tmp_tcm77-

1868378.jpg?width=600

http://www.fhwa.dot.gov/pavement/concrete/pubs/if09008/images/fig3.jpg

– Pavimento de concreto continuamente reforzado.

• Se genera un patrón de fisuras transversales amarradas por el acero de refuerzo.

• Conexión entre carriles en las juntas longitudinales:

– Barras de acero corrugado como anclajes.

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Jun

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tud

inal

Losas de concreto reforzado

TráficoBarras de anclaje

h

Sección AB

A B

Fisuras de retracción

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http://www.fhwa.dot.gov/pavement/concrete/pubs/hif12039/images/fig_2.jpg

http://onlinemanuals.txdot.gov/txdotmanuals/pdm/images/Figure_8_1.JPG

DESCRIPCIÓN FUNCIONAL DE LAS CAPAS DE PAVIMENTO.

Definición de un pavimento y sus partes constitutivas.

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Descripción funcional de las capas de pavimento.

• Los pavimentos son estructuras conformadas por múltiples capas construidas sobre una plataforma que puede ser:

– El suelo de subrasante.

– Una capa de conformación.

• Capa de conformación: Transición entre el suelo y las capas de pavimento.

– Protege el suelo y permite el paso de la maquinaria durante la construcción (transporte de materiales y conformación).

– Permite mejorar y homogeneizar el terreno.

– Ofrece protección contra procesos de congelamiento.

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Parte superior del movimiento de tierras.

Cota del movimiento de tierras.

Plataforma de apoyo del pavimento.

Berma.

Rodadura.Enlace.

Base.

Sub-base.

Capas superficiales.

Capa de apoyo.

Capa de conformación.

Suelo de soporte.≈1 metro

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Cuerpo del pavimento.

• Capas de apoyo: subbase y base.

– Materiales seleccionados o incluso cementados (tratados) para vías de alto tráfico.

– Aportan la resistencia mecánica frente a las cargas verticales inducidas por el tráfico.

– Distribuyen las presiones en la plataforma de soporte con el fin de mantener las deformaciones en niveles admisibles.

– En pavimentos de poco tráfico es viable que la subbase se constituya con suelo mejorado in situ.

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• Capas superficiales.

– Capa de rodadura:

• Capa superior del pavimento que sufre la agresión conjugada del tráfico y el clima.

• Sus características dependen del uso esperado del pavimento.

• Impermeabiliza el pavimento.

– Capa de enlace o unión (de requerirse):

• Transición entre la rodadura y las capas de apoyo.

– En la interfase entre la capa de superficie y la capa de base se instalan los mecanismos anti-reflexión de fisuras para capas tratadas con ligantes hidráulicos.

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Parte superior del movimiento de tierras.

Cota del movimiento de tierras.

Plataforma de apoyo del pavimento.

Berma.

Rodadura.

Base.

Sub-base: Suelo mejorado in situ.

Capas superficiales.

Capa de apoyo.

Suelo de soporte.≈1 metro

• Ejemplo de un pavimento para bajos volúmenes de tránsito:

– Rodadura de materiales asfálticos como única capa superficial.

– Subbase a partir de suelo mejorado in situ.

– No se construye capa de conformación.

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• Ejemplo de un pavimento de concreto de cemento Pórtland:

– La capa superficial y la capa de apoyo corresponden a la losa de concreto de cemento Pórtland.• Una capa de rodadura asfáltica sobre un pavimento de concreto bien construido no ofrece un

beneficio sustancial a la estructura.

– Se recomienda disponer de una capa de subbase granular.– La capa de conformación se construiría a discreción, según las necesidades del proyecto.

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Parte superior del movimiento de tierras.

Cota del movimiento de tierras.

Plataforma de apoyo del pavimento.

Berma.

Rodadura / Base: Losa de concreto de cemento Pórtland.

Sub-base.

Capa de apoyo.

Suelo de soporte.≈1 metro

Capa de conformación.

FUNCIONAMIENTO Y MODO DE FALLA DE LOS DIFERENTES TIPOS DE PAVIMENTOS.

Efecto del medio ambiente y el tránsito sobre los pavimentos.

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http://training.ce.washington.edu/wsdot/Modules/09_pavement_evaluation/Images/rigid_distress/pumping2.jpg

http://www.roadscience.net/sites/default/files/styles/distress_guide_items/public/Rutting.jpg?itok=Yxcpb0Uh

Evolución y degradación de los pavimentos.

• Repetición de cargas de tráfico.

• Agentes climáticos.

• Paso del tiempo (el pavimento “envejece”).

Es importante conocer la naturaleza y forma del deterioro de los pavimentos para:

• Comprender el funcionamiento de las estructuras.

• Elegir el modelo de cálculo apropiado.

• Ajustar los resultados de los cálculos considerando los aspectos mal representados del modelo.

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• Daños de la capa de rodadura:

– Desgaste debido a los esfuerzos tangenciales causados por el tráfico.

– Ahuellamiento por flujo en condiciones excesivas de temperatura y solicitaciones de tráfico.

– Agrietamiento por fatiga debido a una mala adherencia de la capa de rodadura asfáltica con el apoyo.

– Agrietamiento por reflexión de fisuras de las capas de apoyo (cementadas).

– Agrietamiento por fatiga térmica debido al envejecimiento del asfalto.

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http://www.roadscience.net/sites/default/files/styles/distress_guide_items/public/Rutting.jpg?itok=Yxcpb0Uh

Ahuellamiento y agrietamiento por fatiga.

http://www.asphaltwa.com/wp-content/uploads/2010/09/ravel1.jpg

Desgaste asociado con el tráfico.

http://www.pavementinteractive.org/wp-content/uploads/2008/05/Mvc-037s.jpg

Ahuellamiento sin agrietamiento.

13/08/2015 LUIS RICARDO VÁSQUEZ VARELA, M.Sc. 25

Agrietamiento por fatiga bajo cargas.

Reflexión de grietas.

http://www.roadscience.net/sites/default/files/styles/distress_guide_items/public/Reflective%20cracking.jpg?itok=FfsT2HCw

http://oldsite.pvpc.org/PVPC/imgs/transportation/block_crack.gif

http://www.roadscience.net/sites/default/files/styles/distress_guide_items/public/fatigue%20cracking%202.jpg?itok

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Agrietamiento por fatiga térmica.

• Daños de las capas de apoyo tratadas con ligantes.

– Agrietamiento por fatiga debido a la repetición de esfuerzos de tracción por flexión al paso de las cargas.

– Agrietamiento por retracción térmica de gravas tratadas con ligantes hidráulicos (cemento).

– Las losas de concreto de cemento Pórtland son capa de rodadura y capa de apoyo a la vez:

• Agrietamiento debido a gradientes térmicos en losas de concreto.

• Bombeo y escalonamiento de las losas en las capas que presentan grietas de retracción o en las juntas, debido a una mala calidad en la transferencia de carga o la erodabilidad del apoyo.

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Fisuración por gradiente térmico.

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Fisuración lineal por combinación de factores operativos y ambientales.

http://training.ce.washington.edu/wsdot/Modules/09_pavement_evaluation/Images/rigid_distress/pumping2.jpg

Bombeo en grietas y fisuras.

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http://www.pavementinteractive.org/article/faulting/

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http://www.pavementinteractive.org/article/faulting/

• Daños de las capas de apoyo no tratadas y de la capas de soporte del pavimento.

– Deformación permanente de la estructura debido a la acumulación de deformaciones plásticas.

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http://onlinemanuals.txdot.gov/txdotmanuals/pdm/destructive_evaluation_of_pavement_stru

ctural_properties.htm

http://www.fhwa.dot.gov/publications/publicroads/10septoct/03.cfm

TIPOS DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTO.

Familias de pavimentos y su comportamiento.

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http://www.apao.org/images/pringlecrew.jpg

Efecto general de las condiciones ambientales en los pavimentos.

• Se presentan para todos los tipos de estructuras.

– Reducción de la capacidad portante por las variaciones en la condición hídrica de subrasantes sensibles al cambio de humedad.

– Se presenta mayor severidad del proceso cuando las condiciones de drenaje e impermeabilización de la capa superficial no son adecuadas.

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http://safety.fhwa.dot.gov/local_rural/training/fhwasa09024/images/drainage

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1. Pavimentos flexibles.

• Capa superficial en material asfáltico (o tratamiento superficial).

• Material asfáltico de apoyo (< 15 cm).

• Materiales granulares no tratados (20 a 50 cm).

• Plataforma de soporte.

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• Esfuerzos debidos al tráfico:– Se presentan esfuerzos importantes en la subrasante porque los materiales granulares no tratados son poco

rígidos.

• Influencia de las condiciones ambientales:– Es sensible a la condición hídrica de la fundación (efecto de borde) y la pérdida de capacidad portante.

• Evolución del daño:– Se presentan ahuellamientos, depresiones y subsidencias como deformaciones permanentes (plásticas).– Los esfuerzos cíclicos de flexión (tránsito) causan grietas aisladas que luego se unirán en un patrón cerrado

(fatiga).– Las grietas permiten la entrada de agua a la estructura, la pérdida de material y la formación de huecos.

2. Pavimentos asfálticos gruesos.

• Capa superficial en material asfáltico.

• Material asfáltico de apoyo (15 a 40 cm).

• Plataforma de soporte.

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• Esfuerzos debidos al tráfico:– La rigidez de las capas de base reduce el esfuerzo vertical que llega a la subrasante.– Los esfuerzos de tracción por flexión son altos en las fibras inferiores de las capas cementadas.– El comportamiento estructural depende de la unión (continuidad) entre las capas asfálticas.

• Influencia de las condiciones ambientales:– Comportamiento similar al de los pavimentos flexibles.– Ahuellamiento por flujo de las capas asfálticas a altas temperaturas y bajo tráfico pesado (mal diseño de la mezcla).

• Evolución del daño:– Este tipo de pavimento requiere mantenimiento permanente.– Se desarrollan fisuras longitudinales, las cuales evolucionan en áreas fisuradas, pérdida de material y cambio en la

respuesta estructural.– Se observa poca deformación permanente en condiciones normales de tránsito, diseño y construcción.

3. Pavimentos con capas de apoyo tratadas con ligantes hidráulicos o “semi – rígidos”.

• Capa superficial en material asfáltico (6 a 14 cm).

• Materiales tratados con ligantes hidráulicos (20 a 50 cm).

• Plataforma de soporte.

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• Esfuerzos debidos al tráfico:– La alta rigidez de los materiales genera menor esfuerzo vertical en la subrasante.– La capa de base tratada sufre de importantes esfuerzos de tracción por flexión en su fibra inferior.– El comportamiento depende de la continuidad de la base y la subbase tratadas (calidad de construcción).– La capa asfáltica está sometida a esfuerzos normales y horizontales de corte.

• Influencia de las condiciones ambientales:– Los materiales tratados sufren de contracción térmica y retracción de fraguado.– Se generan grietas transversales en la superficie (@ 5 a 15 m) con anchos variables.– Se concentran los esfuerzos en las fisuras, ingresa el agua y se deterioran los materiales tratados.

• Evolución del daño:– Bajo superficies asfálticas delgadas, el agua ingresa, se deteriora el material y se generan huecos.– Se debe controlar la generación de grietas de retracción o generar un pre-agrietamiento.– A largo plazo se forman grietas longitudinales (fatiga) que se conectan con las transversales.

4. Pavimentos con estructura mixta o “compuestos”.

Relación entre el espesor de la capa asfáltica y el espesor total es cercano a ½.

• Capa superficial en material asfáltico.

• Material asfáltico de apoyo (10 a 20 cm).

• Materiales tratados con ligantes hidráulicos (20 a 40 cm).

• Plataforma de soporte.

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• Esfuerzos debidos al tráfico:– La unión entre la capa asfáltica y la base tratada con ligante hidráulico se degrada con el tiempo y las capas actúan

con flexión independiente.– Hay concentración de esfuerzos en las fisuras de retracción.

• Influencia de las condiciones ambientales:– La capa tratada con ligantes hidráulicos sufre retracción, aunque su gradiente térmico es atenuado por la capa

asfáltica superior.

• Evolución del daño:– El comportamiento es bueno en general.– Aparece un agrietamiento transversal fino.– Sobre una mala fundación se pueden observar grandes depresiones.

5. Pavimentos de estructura inversa.

• Capa superficial en material asfáltico.

• Material asfáltico de apoyo (10 a 20 cm).

• Materiales granulares no tratados (≈12 cm).

• Materiales tratados con ligantes hidráulicos (15 a 20 cm).

• Plataforma de soporte.

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• Esfuerzos debidos al tráfico:– La capa tratada con ligante hidráulico provee rigidez a la estructura.– La capa asfáltica sufre flexión en su fibra inferior, la cual depende del espesor y rigidez de la capa granular no

tratada.– La capa granular no tratada está sujeta a esfuerzos importantes y se requiere agregado de buena calidad y con

trituración.

• Influencia de las condiciones ambientales:– Pueden verse los efectos de retracción y esfuerzos térmicos descritos para materiales tratados con ligantes

hidráulicos.

• Evolución del daño:– Ligero ahuellamiento y agrietamiento transversal de fatiga en la capa asfáltica.– No se ha observado relación entre las grietas de la subbase tratada y la rodadura asfáltica. La capa de base no

tratada es un mecanismo anti – reflexión de grietas efectivo.

6. Losas sin dovelas sobre subbase.

• Concreto de cemento Pórtland (20 a 28 cm).

• Concreto de baja resistencia (12 a 18 cm) o materiales tratados con ligantes hidráulicos (15 a 20 cm).

• Plataforma de soporte.

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7. Losas con dovelas sobre subbase.

• Concreto de cemento Pórtland (17 a 23 cm).

• Concreto de baja resistencia (14 a 22 cm).

• Plataforma de soporte.

8. Losas sin subbase.

• Concreto de cemento Pórtland (28 a 39 cm).

• Capa drenante (materiales granulares o geotextil).

• Plataforma de soporte.

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9. Concreto continuamente reforzado (1).

• Concreto de cemento Pórtland (16 a 24 cm).

• Concreto de baja resistencia (12 a 14 cm).

• Plataforma de soporte.

10. Concreto continuamente reforzado (2).

• Concreto de cemento Pórtland (18 a 24 cm).

• Material asfáltico de apoyo (5 cm).

• Arena tratada con ligantes hidráulicos (50 a 60 cm).

• Plataforma de soporte.

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Características generales de los pavimentos de concreto.

• Todos los pavimentos de concreto pueden incluir una sobrecapa asfáltica que actuaría como capa de rodadura.

• Esfuerzos debidos al tráfico:

– La alta rigidez del concreto de cemento Pórtland hace que la losa asuma gran parte de los esfuerzos debidos al tránsito mediante flexión.

– El concreto de cemento Pórtland sufre procesos de retracción de fraguado y contracción térmica, por lo cual se construyen juntas o se dispone refuerzo que mantenga las grietas cerradas.

– En pavimentos con juntas transversales se requieren mecanismos de transferencia de carga entre losas.

• Influencia de las condiciones ambientales:

– Los esfuerzos debidos a condiciones ambientales pueden ser mayores que aquellos debidos al tráfico.

– Se presentan esfuerzos de fricción con el apoyo y esfuerzos de alabeo por los gradientes diarios de temperatura.

• Evolución del daño:

– Se presenta agrietamiento por los esfuerzos de tracción debidos a la flexión bajo cargas.

– Se presenta bombeo en juntas y grietas por presencia de agua, frecuentes cargas pesadas y soporte erodable.

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