Rehabilitación de pavimentos con refuerzos Objetivo: Los refuerzos sirven para corregir fallas funcionales o estructurales de pavimentos existentes. Fallas Funcionales Son las que afectan al usuario como ser una fricción superficial pobre, una mala textura, hidroplaneo en ahuellamientos, hundimientos y asentamientos Estructurales Son las que afectan la capacidad del pavimento para soportar las cargas. Por ej: espesor inadecuado, fisuraciones, distorsiones y desintegraciones

Tipos de refuerzo a estudiar

Fallas Tienen lugar como resultado de interacciones complejas de diseño, construcción, materiales, tránsito, medio ambiente y mantenimiento. Se caracterizan por: Tipo Severidad: baja, media, alta Cantidad: Magnitud promedio en longitud en todo el tramo a estudiar (ahuellamiento). Cantidad total por longitud (fisuras transversales). Cantidad total por área (fisuras en bloque). Porcentaje de área afectado (piel de cocodrilo). Número de veces (hinchamientos y asentamientos).

Fallas en pavimentos flexibles Piel de cocodrilo Exudación Fisuras en bloque Fisuras longitudinales Desprendimientos y peladuras Ahuellamiento Fisuras transversales Fisuras reflejadas

Factibilidad del tipo de refuerzo 1)Disponibilidad de fondos 2)Factibilidad constructiva Control de tránsito Disponibilidad de materiales y equipos Condiciones climáticas Problemas constructivos Ruido Polución Instalaciones subterráneas Gálibo bajo puentes Espesor de bermas Ensanche de calzadas (incluye terraplenes y desmontes) Interrupciones al tránsito y costo de la demora del usuario

Factibilidad del tipo de refuerzo (continuación) 3)Vida útil a adoptar para el refuerzo Deterioro del pavimento existente Diseño del pavimento existente: Tipo de materiales-Subrasante Cargas de tránsito futuras Clima local Condiciones de drenaje

Condiciones importantes en el diseño de un refuerzo 1)Reparaciones previas al refuerzo 2)Control de reflexión de fisuras 3)Carga de tránsito 4)Drenaje 5)Ahuellamiento en pavimentos de CºAº 6)Fresado de capa de concreto asfáltico 7)Reciclado del pavimento existente 8)Refuerzos funcionales vs. estructurales 9)Materiales para refuerzos 10)Bermas 11)Confiabilidad y desvío estandard del refuerzo 12)Ensanche de pavimentos

Condiciones importantes en el diseño de un refuerzo 1)Reparaciones previas al refuerzo: Reparaciones de la capa de rodadura existente (función del tipo de refuerzo a colocar y del estado del pavimento existente). 2)Control de reflexión de fisuras: Es una de las principales causas de deterioros en refuerzos 3)Carga de tránsito: Debe conocerse el número de ESALs previstos en la vida útil del refuerzo. Esto se hace en base a los datos de tránsito y a los LEFs. 4)Drenaje: Las condiciones de drenaje del pavimento existente influyen mucho en el comportamiento del refuerzo 5)Ahuellamientos en pavimentos de concreto asfáltico: Para el diseño de un refuerzo de CºAº debe conocerse la causa del ahuellamiento del pavimento de CºAº existente. No colocar el refuerzo si hay ahuellamiento severo de varias capas (fresado). 6)Fresado de la capa de concreto asfáltico: La remoción de una porción de capa existente de concreto asfáltico mejora el comportamiento del refuerzo de CºAº por la eliminación de material fisurado y endurecido. 7)Reciclado del pavimento existente: Muchas veces se recicla totalmente la capa de CºAº junto con la remoción de una base granular deteriorada.

Condiciones importantes en el diseño de un refuerzo 8)Refuerzos funcionales vs. estructurales: Se estudiarán métodos para corregir fallas estructurales. 9)Materiales para refuerzos: Deben elegirse de acuerdo al tipo de tránsito, condiciones climáticas y deficiencias del pavimento existente. 10)Banquinas: El incremento del espesor del pavimento debe ir acompañado del consecuente aumento del espesor de banquina. Esto depende del grado de deterioro de la banquina y del uso de la misma. 11)Confiabilidad y desvío standard del refuerzo: La confiabilidad tiene una gran influencia en el espesor de los refuerzos. La incertidumbre para el refuerzo puede ser muy diferente que la del pavimento nuevo. Se recomienda So=0,49. 12)Ensanche de pavimentos: a)La vida útil del refuerzo y del ensanche debe ser la misma para evitar reparaciones en distintos tiempos. b)La sección transversal del ensanche debe ser igual a la del pavimento existente en cuanto a materiales y espesor. c)El espesor del refuerzo debe ser el mismo en el ensanche y en el ancho previo. d)Debe preverse drenaje longitudinal si fuera necesario.

Evaluación funcional del pavimento existente 1)Fricción superficial e hidroplaneo 2)Rugosidad superficial 1)Fricción superficial e hidroplaneo a)Para todos los tipos de pavimentos: Cuando hay poca fricción con pavimento húmedo debido a exudación de la superficie se recomienda un espesor delgado de refuerzo de acuerdo al nivel de tránsito de la calzada. b)Capa superficial de CºAº: Baja fricción por exudación. En este caso se puede fresar la parte del pavimento que ha sufrido exudación. Con esto se evitan ahuellamientos. c)Capa superficial de CºAº: Cuando hay hidroplaneo debido a ahuellamiento será necesario determinar cuál o cuáles capas han sido ahuelladas.

Evaluación funcional del pavimento existente 2)Rugosidad superficial a)Todo tipo de pavimentos: Distorsión de la superficie en forma de ondas largas, incluyendo levantamientos e hinchamientos. Solución: nivelar la superficie con un refuerzo de espesor variable. b)Capa superficial de CºAº: Rugosidad debido a deterioro de grietas transversales, fisuras longitudinales y hundimientos. En este caso un refuerzo convencional sería una corrección temporaria hasta que aparezcan las fisuras por reflexión. Lo correcto es hacer una reparación en todo el espesor de las capas alteradas y un refuerzo de CºAº de espesor adecuado para control de reflexión de fisuras. c)Capa superficial de CºAº: Rugosidad por descascaramiento superficial. Hacer refuerzo delgado de CºAº. Si el descascaramiento es más profundo, remover toda la capa.

Evaluación estructural de pavimentos existentes Las fallas estructurales son aquellas que reducen la capacidad estructural del pavimento. Capacidad estructural SC Flexible SC=SN Rígido SC=D SCol=SCf - SCef SCol=capacidad estructural del refuerzo ol=overlay=refuerzo SCf =capacidad estructural prevista para el pavimento con su refuerzo SCef =capacidad estructural del pavimento previo a la colocación del refuerzo

Formas de conocer SCef 1)Observación visual y ensayos de materiales Estudio de tipos de fallas presentes, análisis de las condiciones de drenaje existentes, toma de muestras y ensayos de laboratorio. 2)Mediante ensayos no destructivos (NDT) Determinados aparatos (FWD) permiten conocer las condiciones de la subrasante y de las distintas capas. 3)Estudios de daños de fatiga por efecto del tránsito En base al tránsito que ha pasado se puede inferir un daño por fatiga en el pavimento y en base a éste, determinar la vida remanente que le queda al pavimento.

Análisis con el NDT Flexibles a)Estimación del módulo resiliente de la subrasante. b)Estimación del SNef de la estructura del pavimento.

Vida remanente: Np= número de cargas hasta el momento actual N1,5=número de cargas que producen la rotura pt=1,5 Factor de condición CF CF=SCn/SCo  SCn=CF SCo SCn=capacidad estructural del pavimento luego de Np ESALs SCo=capacidad estructural original del pavimento Si RL=100% Np=0 SC=SCo  CF=1,0 Si RL=0% Np=N1,5 SC=SCfalla  CF=0,5

N1,5 se puede determinar con la ecuación de diseño o con el uso de ábacos. Para ser congruentes con el AASHO Road Test se usa PSI=1,5 y R=50%. Si Np>N1,5 se usa CF=0,5 para la estimación de SCef. Defectos del método de vida remanente 1)Capacidad predictiva de las ecuaciones del AASHO Road Test. 2)Gran variación en el comportamiento de pavimentos con diseños idénticos. 3)Estimación del número de ESALs que ya han pasado. 4)Incapacidad para determinar fehacientemente el espesor del refuerzo. Para pavimentos muy deteriorados, el SNef o Def obtenidos con criterio de vida remanente pueden ser mucho menores que los obtenidos por otros métodos.

El método de vida remanente debe usarse para pavimentos con poco grado de deterioro. Los resultados aplicando este método pueden tener errores por exceso o por defecto ya que no hay una relación directa entre RL y el grado de deterioro observado. En efecto: Si en función del número de ESALs que han pasado se determina una vida remanente muy pequeña, se colocará un refuerzo muy grande, aunque el nº de fallas en el pavimento sea reducido. Si el RL determinado con el nº de ESALs es grande, el refuerzo a colocar será pequeño, aún con muchas fallas estructurales graves.

Determinación del MR de diseño Puede hacerse por: Ensayos de laboratorio Ensayos NDT Estimación mediante correlación Para el caso del NDT MR=módulo resiliente de la subrasante (psi) P=carga cíclica aplicada (lbs) dr =deflexión medida a una distancia r de la placa (pulg) r=distancia al punto de medida (pulg o mm) C=coeficiente reductor: MR= C 0,24 P/dr r C=0,33 para suelos finos

Refuerzo de concreto asfáltico sobre pavimentos de concreto asfáltico Tareas a ejecutar 1)Reparación de áreas deterioradas y mejoramiento del drenaje. 2)Corrección del ahuellamiento superficial por fresado de la capa superficial o colocación de una capa de nivelación. 3)Ensanche, si está previsto. 4)Aplicación de riego de liga. 5)Colocación del refuerzo de concreto asfáltico (incluyendo tratamiento de control de fisuras si fuera necesario).

No es factible realizarlo cuando: 1)La cantidad de fallas tipo piel de cocodrilo es muy grande. 2)Un ahuellamiento superficial excesivo que indica que los materiales del paquete tienen poca estabilidad. 3)La base estabilizada existente muestra signos de gran deterioro y repararla sería muy costoso. 4)La base granular debería ser removida y reemplazada debido a infiltración y a contaminación de material proveniente de una capa inferior (mala calidad). 5)El desprendimiento y peladuras de la carpeta indican que ésta debe ser reemplazada.

Reparaciones previas 1)Piel de cocodrilo: Las áreas con piel de cocodrilo de gran severidad deben ser reparadas. Las áreas de piel de cocodrilo moderadas deben ser reparadas a menos que se implemente algún tipo de control de reflexión de fisuras. La reparación debe incluir la remoción de todo material débil que se encuentre por debajo. 2)Fisuras lineales. Las fisuras lineales de alta severidad deben ser parchadas. Las fisuras con aberturas mayores de 0,25 pulg deben ser rellenadas con una mezcla arena-asfalto. Debe preverse algún tipo de control de reflexión de fisuras para juntas transversales que sufran apertura o cierre. 3)Ahuellamiento. Deben ser eliminados mediante fresado o colocación de una capa niveladora. En caso de ahuellamientos muy severos deben investigarse las capas inferiores. 4)Irregularidades superficiales, depresiones, serruchos, etc., requieren una investigación y tratamiento especial y en determinados casos, remoción.

Control de reflexión de fisuras Causas: Concentración de deformaciones debidas a movimientos en el pavimento subyacente por flexión o por corte inducidos por cargas o por contracción horizontal por cambios térmicos. Métodos: 1)Membranas sintéticas. Son efectivas en el control de reflexión de piel de cocodrilo moderada. También controlan reflexión de fisuras por temperatura si están combinadas con relleno de las fisuras. Son poco útiles para retardar reflexión de fisuras debidas a movimientos horizontales o verticales significativos. 2)Capas cortadoras de reflexión. Si tienen más de 3 pulg de espesor son efectivas para controlar reflexión de fisuras debidas a grandes movimientos. Formadas por material granular de granulometría abierta y un pequeño porcentaje de cemento asfáltico. 3)Cortado y sellado de juntas en el refuerzo de concreto asfáltico. 4)Incremento del espesor del refuerzo. Esta solución reduce la reflexión y el corte bajo cargas y reduce la variación por temperatura en el pavimento existente.

Diseño de espesores Ecuación de diseño: SNol=aol Dol=SNf - SNef SNol=número estructural requerido para el refuerzo aol =coeficiente estructural para el refuerzo Dol=espesor del refuerzo SNf =número estructural requerido para el tránsito futuro SNef=número estructural efectivo del pavimento existente (previo a la colocación del refuerzo)

Para la determinación del espesor del refuerzo hay que seguir estos pasos: Paso 1- Diseño y construcción del pavimento existente Buscar información sobre: a)Espesor de cada capa y tipo de material usado b)Subrasante (registros durante la construcción, ensayos de suelos, etc) Paso 2- Análisis de tránsito a)Cantidad de ESALs acumulados en la trocha de diseño (Np), para ser aplicada sólo si SNef se obtiene por el método de la vida remanente. b)Cantidad de ESALs previstos en la trocha de diseño durante el período de diseño del refuerzo Nf .

Paso 3- Observación del estado del pavimento existente Distinguir y medir los tipos de fallas presentes y en base a los mismos estimar los coeficientes estructurales de cada capa previo a la colocación del refuerzo. Se recomienda extraer muestras de las trochas más transitadas. Se debe computar: a)Porcentaje de superficie con piel de cocodrilo (baja, media y alta severidad) b)Número de fisuras transversales por Km o milla (baja, media y alta severidad) c)Profundidad media del ahuellamiento d)Evidencia de bombeo en fisuras y bordes de pavimentos

Paso 4- Ensayos de deflexión Se hacen en correspondencia con la zona transitada por la rueda externa de los vehículos. Intervalos c/30 a 300 m. Cargas pulsantes o sinusoidales de hasta 9000 lbs (40 kN). Se miden deflexiones en correspondencia con el plato de carga y a una distancia alejada (MR subrasante).

Aplicando la teoría de Boussinesq, se deduce el MR de la subrasante en función de la deflexión a la distancia r de la carga aplicada (n=0,5) No es necesario reajustar MR por temperatura dado que dr se debe sólo a deformación de la subrasante. Distancia mínima para determinar dr r>0,7 ae ae=radio del bulbo de presiones en la interfase subrasante-pavimento a =radio del plato de carga del NDT (pulg) D=espesor total del pavimento sobre la subrasante EP =módulo efectivo de todas las capas del pavimento (psi)

Es necesario determinar EP. Se parte de la teoría de Boussinesq que da los asentamientos sobre una vertical que pasa por el centro de un área cargada circular. Si n=0,5 se tiene: p=presión de contacto a=radio del área cargada E=módulo elástico z=profundidad del punto en estudio Esta expresión es válida para un medio elástico de espesor infinito, pero el espesor del paquete estructural es finito. Se supondrá un sistema bicapa donde la deflexión en superficie (z=0) es:

Si el espesor del pavimento es D, la deflexión a la profundidad D es: La deflexión en el pavimento, entre z=0 y z=D es: La deflexión en la subrasante se computa transformando el sistema bicapa en un sistema equivalente de material de subrasante con módulo MR. El espesor de este material equivalente es De.

Deflexión de la subrasante: La deflexión total medida en la superficie del pavimento se obtiene sumando la deflexión del pavimento dP y la de la subrasante dS . d0 =dP+dS

Fig 3.6 permite determinar la relación EP/MR y EP puede ser determinado para un valor conocido o supuesto de MR (a=5,9 pulg= 15 cm) D es dato, MR es conocido, d0 se mide y entonces MRd0/P es conocido y así se obtiene EP/MR .

Fig. 3.7 si el pavimento tiene base granular o estabilizada con asfalto Los valores de d0 deben ser ajustados por temperatura para llevarlos a una temperatura de referencia de 20ºC.

Fig. 3.8 si el pavimento tiene base granular o estabilizada con cemento o puzolanas

Paso 5- Muestreo y ensayo de materiales a)Módulo resiliente de la subrasante. Se puede determinar a partir de ensayos de laboratorio (AASHTO-T294-92I) con una tensión desviante de 6 psi para equipararlo con la tensión desviante usada para determinar el MR =21 MPa del AASHO Road Test. Se pueden hacer también ensayos R, CBR, clasificación de suelos y mediante correlaciones determinar el MR. b)El examen visual de probetas de concreto asfáltico permitirá conocer distintos grados de alteración. c)Idem con respecto a muestras de base y sub base. d)Se pueden medir los espesores de todas las capas.

Paso 6- Determinación del número estructural requerido para el tránsito futuro SNf Hacen falta: Módulo resiliente de la subrasante. Puede obtenerse por: Ensayos de laboratorio Cálculo a partir de medidas de deflexiones Estimación a partir de información disponible sobre suelos Pérdida de serviciabilidad de diseño Confiabilidad R del refuerzo Desvío standard de las variables

Paso 7- Determinación del número estructural efectivo SNef del pavimento existente Hay tres métodos NDT Observación visual y ensayo de materiales Vida remanente Es conveniente usar los tres métodos y luego seleccionar el valor de SNef basado en los resultados haciendo uso de criterio ingenieril y de la experiencia. NDT  SNef =0,0045 D (EP)1/3 (Unidades inglesas) SNef =0,0024 D (EP)1/3 (Unidades métricas) D=espesor del paquete estructural (pulg o mm) EP=módulo efectivo de todo el paquete (psi o kPa)

Fig. 3.9 SNef =f(D, EP)

Observación visual Se calcula SNef=a1D1+a2D2m2+a3D3m3 Los coeficientes de capa son menores que para un pavimento nuevo debido al deterioro (Tabla 3.3 aparecen valores para CºAº, base estabilizada y base o sub base granular en función del grado de deterioro). Vida remanente RL=100(1 - Np/N1,5) Np= nº de ESALs hasta el instante previo a la colocación del refuerzo N1,5=nº de ESALs para llevar el pavimento a una serviciabilidad final de 1,5 (se usa R=50%) Con RL se determina el factor de condición CF (condition factor) (Fig. 3.3) SNef=CF SN0

Tabla 3.3 Valores sugeridos del coeficiente estructural para capas de pavimentos deteriorados

Tabla 3.3 (Continuación) Valores sugeridos del coeficiente estructural para capas de pavimentos deteriorados

Paso 8- Determinación del espesor de refuerzo Fresado superficial del pavimento existente Si se fresa el pavimento en forma previa al refuerzo, la profundidad de fresado tiene que estar reflejada en el análisis de SNef. No se debe hacer ningún ajuste si SNef se determina por NDT y si la profundidad de fresado no supera el mínimo necesario para remover los ahuellamientos superficiales. Si se fresa una profundidad mayor, se debe reducir el SNef determinado por NDT en una cantidad igual a la profundidad fresada multiplicada por el coeficiente estructural de la capa de CºAº en el estado en que se encuentre.