Issues to consider for improving the performance of the pavement in Mexico

Sociedad Mexicana de

Ingeniería Geotécnica, A.C.

XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos

e Ingeniería Geotécnica Noviembre 14 a 16, 2012 – Cancún, Quintana Roo

SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.

Aspectos a considerar para mejorar el comportamiento de los pavimentos en México

Issues to consider for improving the performance of the pavement in Mexico

Raúl Vicente OROZCO1

1RVO y Cía., México, D.F.

RESUMEN: Se describen los conceptos básicos que exige el buen comportamiento de los pavimentos en México,

pasando revista a diferentes aspectos que deben siempre considerarse, a juicio del autor. Entre estos sobresalen los

siguientes:

La tendencia mundial al respecto y el enfoque geotécnico que debe estar presente: la rigidez relativa entre las capas del

pavimento, dentro de su estructuración convencional o innovadora, la concentración de sólidos que, simultáneamente

con el contenido de fluido (agua, asfalto, alquitrán de hulla, etc.) y su grado de saturación correspondiente, permite

definir la propiedad fundamental deseada (resistencia, impermeabilidad, durabilidad, etc.). Otros aspectos se refieren al

tránsito, clima, materiales, manejo del agua superficial y subterránea, deterioro primario y secundario, ajustes de

prueba, características de aceptación (IRI, µ, ), normatividad, control de calidad (especificaciones), deslinde de

responsabilidades, etc.

ABSTRACT: It describes the basic concepts required by the good performance of pavements in Mexico, reviewing

different aspects that must always be considered, in the opinion of the author. Among these the following stand:

The world trend in this respect and geotechnical approach should be present: the relative stiffness between the layers of

the pavement, in its conventional or innovative structure solids concentration that simultaneously with the content of fluid

(water, asphalt, tar coal, etc..) and degree of saturation corresponding to define the desired fundamental property

(strength, impermeability, durability, etc...).

Other issues relate to traffic, weather, materials, management of surface water and groundwater, primary and secondary

deterioration, test settings, characteristics of acceptance (IRI, μ, ), standardization, quality control (specifications) and

demarcation of responsibilities.

1 INTRODUCCIÓN

Salvo los casos en que la conservación de los pavimentos de las carreteras se está realizando concienzuda y oportunamente, porque los hay y muchos, se puede mejorar el comportamiento de otros, aunque estén dotados de una capa superior reciente de concreto asfáltico o de cemento Portland.

La mejor manera de alcanzar el desempeño deseado en tales pavimentos consiste en pasar revista a todos los factores que intervienen durante su tiempo de utilización.

A mi mejor leal saber y entender, considero que estas importantes obras de ingeniería requieren recibir la atención que se merecen desde todos los puntos de vista: usuario, vehículo, seguridad, economía, cálculo, proyecto, construcción, supervisión, control de calidad, conservación, operación, ecología, etc.

Por consiguiente, el espíritu de este escrito es expresar libremente las ideas que al respecto tiene el autor, muchas aprendidas o prestadas de otras especialidades, con el fin de aportar o recordar algo

a los expertos en el seguimiento oportuno del buen comportamiento de los pavimentos.

2 TENDENCIA MUNDIAL

Para satisfacer simultáneamente las cualidades deseables en un pavimento (seguridad, durabilidad, rugosidad, comodidad, rigidez, economía y flexibilidad) ilustradas en la Figura 1, a continuación se resume la tendencia mundial acerca de los pavimentos: Modelación teórica más realista e innovadora del

comportamiento de los pavimentos que incorpore la caracterización de los geomateriales obtenida de pruebas no destructivas.

La aplicación de las "redes neuronales artificiales" es la técnica más reciente de análisis, como se ilustra en la Figura 2 y se analiza en detalle por Beltrán G. y Romo M. (2012).

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Figura. 1 Cualidades de un pavimento

Figura. 2 Aplicación a los pavimentos de las redes neuronales artificiales

Incorporación más efectiva de los conceptos

básicos de la geotécnica (se puede decir geotecnia por la costumbre) durante el proyecto y la conservación de los pavimentos, mediante su evaluación sistemática con deformómetros de impacto (Figs. 3 y 4) y de rebote elástico (Figs. 5 y 6), además de los perfilómetros láser (Figs. 7 y 8) y otros equipos complementarios de gran rendimiento.

Figura 3. Deformómetros fijos de impacto convencionales

Figura 4. Deformómetros fijos de impacto de alto rendimiento

Figura 5. Deformómetro rodante pesado de rebote elástico

Figura 6. Deformómetro rodante ligero de rebote elástico

Figura 7 Perfilómetro láser de gran rendimiento para carreteras en operación

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Figura 8. Perfilómetro láser ligero para control de calidad durante la construcción

Aplicación necesaria de parámetros geotécnicos

más significativos, para suprimir el uso generalizado de conceptos totalmente empíricos, como el CBR (California Bearing Ratio). Estos conceptos ya cumplieron amplia y satisfactoriamente su misión de épocas pioneras.

Apoyo en la auscultación del comportamiento de los pavimentos mediante métodos indirectos (no destructivos), a partir de investigaciones formales en tramos de prueba a escala natural y con simuladores vehiculares pesados muy eficientes, como el ilustrado en la Figura 9.

Figura 9. Simulador vehicular pesado para pruebas destructivas

Disponibilidad de información y datos precisos, altamente confiables, tanto de campo como de laboratorio, obtenidos de organismos oficiales e instituciones de investigación asociadas con empresas de consultoría y de construcción.

3 ENFOQUE GEOTÉCNICO

A raíz de la definición de geotécnica en el diccionario de la lengua española (Real Academia Española, 1992, 2001): "Aplicación de los principios de ingeniería a la ejecución de obras públicas en función de las características de los materiales de la corteza terrestre", viene a la mente una serie de reflexiones ligadas a lo que llamamos coloquialmente "geomateriales", cuyas tecnologías debemos estudiar y conocer, para aprovecharlos en las obras de ingeniería. Desde luego que la geología, la mecánica de suelos y la de rocas, más otras especialidades afines, pertenecen a la geotécnica que es la matriz de todas.

Con respecto al buen comportamiento de los pavimentos, debe tomarse siempre en cuenta el enfoque geotécnico como fundamental para lograrlo, cualquiera que sea el geomaterial, como los concretos: asfáltico, de cemento Portland, cálcico, alquitránico, azúfrico y zeolítico.

Por ejemplo, en algunas calles de Monclova, Coah. se han construido pavimentos de buen comportamiento, elaborados a base de escoria de fundición y alquitrán de hulla, ambos geomateriales procedentes de Altos Hornos de México, S.A. de C.V.(RVO y Cía, 1990). En Tabasco se tiene experiencia en concreto azúfrico-asfáltico para pavimentos carreteros con buen comportamiento (Ing. Pedro Corona Ballesteros). El concreto zeolítico, constituido por varios geomateriales (suelos del lugar, zeolita artificial activada, cemento Portland y agua), tiene mucha aceptación por las múltiples propiedades alcanzadas simultáneamente (antifisuramiento por la alta resistencia a la tensión, impermeabilidad y antierosión muy alta, entre otras); en México, hay varios ejemplos del buen comportamiento de estos pavimentos en Tabasco (Figs. 10 a 12), Michoacán (Figs. 13 y 14), Guanajuato (Figs. 15 y 16) y otros estados.

Figura 10. Inundación en caminos pavimentados de concreto zeolítico normal (Tabasco)





Figura 13. Entronque “Charo” en que se utilizó concreto zeolítico normal (Morelia)

Figura 14. Entronque “Charo” en que se utilizó concreto zeolítico normal en arcillas expansivas (Morelia)

Figura 15. Calle pavimentada de concreto zeolítico especial (León, Gto.)

Figura 16. Calle pavimentada de concreto zeolítico especial (León, Gto.)

OROZCO RV 359


4 RIGIDEZ RELATIVA ENTRE CAPAS

Como toda obra de ingeniería, hasta una vivienda de interés social, se requiere la cimentación de la misma con el módulo elástico suficiente para absorber los esfuerzos y las deformaciones que inducen las cargas transmitidas por el tránsito. La capa de sustentación o "zapata continua de cimentación" conviene que sea más rígida que las superiores o, dicho en otras palabras, "lo mejor va de abajo hacia arriba". Debe escogerse bien el nivel de desplante en el terreno de cimentación, como se ilustra en la Figura 17.

Figura 17 Sección estructural “invertida” con la base comparada con el balasto de FC

Hay varios casos de aplicación que conviene

conocer (Orozco, 2012). Considero que la capa superior del pavimento

debe estar concebida como la parte "cómoda" para el usuario: antiruidos, antibrincos, antiacuaplaneo, antiderrapante, o sea: confortable y segura.

Figura 18 Cuencas de desplazamiento vertical típicas

La rigidez de las capas, medida con el "módulo elástico" es ahora ya un procedimiento tan rutinario que es muy sencillo obtenerlo por retrocálculo ("solución al problema inverso"), a partir de las cuencas de desplazamientos verticales obtenidas de

mediciones con equipos no destructivos, como el deformómetro de impacto (Figs. 3 y 4). En las Figuras. 18 y 19 se ilustran las cuencas típicas para los desplazamientos verticales, comúnmente denominadas "cuencas de deflexión".

Figura 19 Perfiles de desplazamientos verticales obtenidos con el deformómetro de impacto

5 DURABILIDAD Y NIVEL DE CALIDAD

Este concepto está íntimamente ligado a la vida de un pavimento y comienza con los niveles de calidad admisibles para cada elemento constitutivo, empezando por nosotros mismos. Si nuestro nivel de calidad personal es inadmisible, ¿Que esperamos del comportamiento de un pavimento? (Orozco, 2001).

En primer lugar, los geomateriales pueden ser NOBLES, es decir: sanos y limpios, resistentes e inocuos, económicos y manejables, o CONFLICTIVOS: expansivos o colapsables, blandos u orgánicos, reactivos o degradables, los cuales requieren tratamiento especial (cal, cemento Portland, zeolitas artificiales activadas, agua, asfalto, ...) para transformarlos en NOBLES.

En segundo lugar, tales geomateriales deben ser adaptables a las condiciones variables del clima, es decir: a los cambios extremos de temperatura y de humedad. Sabemos que es impredecible conocer el calor y el frío esperados, así como la lluvia y la evaporación, pero sí es posible seleccionar los geomateriales de mejor comportamiento: naturales o artificiales (hechos por el hombre).

En tercer lugar, se debe tener grabado en la mente que, para prevenir la fatiga de los pavimentos por la acción adicional del tránsito, es imperioso fijar los niveles de calidad o raseros límite "ADMISIBLE e INADMISIBLE”, como se ilustra en la Fig. 20. El índice Estructural (Ie) se explica en el Cap. 6 (Orozco, 2012).



Figura 20. Durabilidad, prevención de la fatiga y nivel de calidad

Obsérvese que la capacidad de carga relativa

(Calificación estructural, Ce) va disminuyendo gradualmente con el tiempo y, por ende, la durabilidad de las capas del pavimento, hasta llegar a la etapa de rehabilitación. De no hacerse esta acción o este "paréntesis", el deterioro incipiente continuará hasta entrar al deterioro crítico por fatiga y a la etapa de reconstrucción, la cual corresponde ya al deterioro extremo. Por eso, la misión de la conservación de carreteras consiste en MANTENER siempre el mismo nivel de calidad concebido desde el inicio de la obra, para alargar su vida con el mínimo de costos y molestias al usuario. Estas ideas de esquematizan en la Figura 21.

Figura 21. Conservación de pavimentos seguros y confortables

En cuarto lugar, es necesario estar consciente de que el nivel de calidad (transformado a especificación) de un pavimento se refiere a su geometría y sus acabados, geomateriales y procedimientos constructivos. Además, desde que se gesta la "idea", con las subsecuentes actividades de Planificación, Estudios, Proyecto, Construcción, Supervisión, Control de calidad, Conservación y Operación, el nivel de calidad debe ser el mismo durante toda la vida esperada de la obra. En la

Figura 22 está anotada entre paréntesis la palabra clave de cada responsable de las actividades inherentes, para su deslinde.

Figura 22. Deslinde de responsabilidades en cada actividad de control

En quinto lugar, pero que es de lo más importante, está el tránsito, tanto el actual como el futuro, donde deberá tomarse en cuenta toda la disciplina que existe al respecto (tránsito horario, diario, promedios mensual y anual, intensidad de cargas y distribución de los ejes, además de su tiempo de aplicación; el tránsito generado o desviado, la evolución de las tasas de crecimiento, etc.)

6 ESTIMACIÓN TEÓRICO-PRÁCTICA DEL COMPORTAMIENTO DE LOS PAVIMENTOS

Según se trate de un pavimento nuevo, por rehabilitar, modernizar o reconstruir, se requiere su modelación geotécnica con métodos de análisis mecanicistas y empíricos a la vez, donde se asignen los posibles "módulos elásticos" de los geomateriales en cada capa, para escoger las opciones de solución más prometedoras. En la Figura 23 se sugieren algunas combinaciones de capas para estructurar un pavimento y en la Tabla 1 se presentan algunos "módulos elásticos" obtenidos a partir de mediciones con métodos no destructivos (Orozco, 2005).

Figura 23. Estructuración de pavimentos

OROZCO RV 361


Tabla 1 Rigidez “in situ” de las capas de pavimento

Geomaterial Módulo elástico (E), kg/cm²

Relación de

Poisson ()

Recomendado Obtenido*

Concreto

Asfáltico 30000-40000 5000-60000 0.35

Portland 250000-400000 150000- 450000 0.15- 0.20

Compactado 70000-120000 40000- 100000 0.25-0.35

Suelos

Gruesos

Bases 3000-5000 1500- 4000 0.40

Sub-bases 2000-4000 700- 2000

Suelos

Finos

Sub-rasantes y

capas inferiores 300 a 1500 70 a 1000

0.45

* A partir de mediciones con el deformómetro de impacto (FWD y

HWD)

Después se efectúan las simulaciones de las opciones escogidas y se enlista el orden de preferencia de acuerdo con el enfoque geotécnico, para que posteriormente se hagan los ajustes por la influencia de factores económicos, políticos y sociales, pero siempre con la meta del nivel de calidad prefijado. "Más vale hacer pocos kilómetros de buenas carreteras que muchos mal hechos".

Las evaluaciones sistemáticas superficiales (Figs. 7 y 8) y estructurales (Figs.3 y 4) con deformometros de impacto, el levantamiento de deterioro a pie y con video, la obtención de Índices Estructurales (Fig. 24 y Tabla 2), espesores de capa con sondeos y radar de penetración superficial, módulos de resiliencia, módulos Marshall y otros (dinámicos, "elásticos", de deformación, etc.), las propiedades índice de los geomateriales, etc., son práctica común en México para coadyuvar en las simulaciones con métodos mecanicista-empíricos, para las opciones de solución más prometedoras, sobre todo en carreteras ya construidas.

Figura 24. Índice estructural (Ie). Carretera Villahermosa-Escárcega km 37

Tabla 2 índice estructural de pavimentos flexibles

Calificación

Estructural (Ce)

Índice

Estructural

(Ie)

Solución a

considerar

10 Excelente 0 a 0.05 Tratamiento

Superficial 9 Muy buena 0.05 a 1

8 Buena 0.1 a 0.2 Reforzamiento

7 Regular 0.2 a 0.3

6 Mala 0.3 a 0.4 Recuperación in situ

5 Pésima > 0.4

7 MANEJO DEL AGUA SUPERFICIAL Y SUBTERRÁNEA

El olvido de este tema es el principal causante del mal funcionamiento de una carretera. De acuerdo con la experiencia mexicana sobre el particular, deben tomarse en cuenta los principales aspectos siguientes: a) Para el agua superficial sobre la corona del camino Exagerar más el "bombeo "mínimo de la sección

transversal: desde 2.5 hasta 3%. Una gota de agua debe salir inmediatamente al exterior del camino, sin causar erosión

Colocar la carpeta en todo el ancho de la corona de la sección transversal, sea de cualquier geomaterial: concreto asfáltico, de cemento Portland, zeolítico, azufrico, etc.

Prohibir la protección de los acotamientos con tezontle, por la inevitable inseguridad que se induce causada por los diferentes coeficientes de fricción en las superficies

Prohibir los "bordillos" construidos en la corona del camino porque solamente pasean y guardan el agua a manera de canal hidráulico, aumentando la inseguridad por acuaplaneo, disminuyendo la durabilidad de las capas, etc. Recuérdese lo ya dicho: "una gota de agua debe salir inmediatamente al exterior del camino, no pasearla encima del mismo" (véanse las Figs. 25 y 26). Los" bordillos" podrían colocarse sólo en casos especiales, donde no exista vegetación o material granular grueso para la protección de los terraplenes y cuando los suelos sean muy erosionables, con lavaderos completos y rugosos, de boquillas amplias y sin obstrucciones.

Figura 25. Lavaderos y “bordillos” inútiles



Figura 26. Peligro de acuaplaneo en puentes

Construir las verdaderas "carpetas drenantes",

"generosas" para impedir el acuaplaneo. Durante la lluvia de proyecto permiten el flujo del agua hacia los lados, tomando en cuenta el espesor, la pendiente crítica (longitudinal o transversal) y el coeficiente de permeabilidad (k), como se esquematiza en la Figura 27. El coeficiente de fricción (µ) debe mantenerse en los niveles de seguridad.

Figura 27. Flujo de una capa drenante

b) Para el agua subterránea bajo el pavimento Utilizar la sección transversal "invertida" (véase la

Fig. 17) porque tiene esencialmente mucha grava gruesa y permeable que permite el flujo libre del agua e impide la ascensión capilar de la misma a la capa superior

Acostumbrarse a los subdrenes con geomateriales filtrantes (gravas y arenas naturales o geotextiles sintéticos) que eviten la migración de finos y permitan el flujo del agua limpia hacia los colectores de drenaje

Animarse a construir drenes horizontales de penetración en cortes y considerar trincheras estabilizadoras como se esquematiza en las Figs. 28 y 29.

Construir drenes en los cortes protegidos de concreto lanzado y en algunas bermas estabilizadoras

Figura 28. Control del flujo subterráneo

Figura 29. Control del flujo subterráneo c) Comentarios generales Debe recordarse y tenerse siempre presente la

frase célebre de Leonardo da Vinci: “Cuando del agua se trata, usa la experiencia, nó la razón"

El agua fluye de las regiones del suelo con mayor succión (presión de poro negativa) a las de menor succión; en otras palabras, generalmente una gota de agua fluye de lo más impermeable a lo más permeable.

8 SELECCIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE SÓLIDOS (COMPACIDAD).

La concentración de sólidos (compacidad), C, viene a ser el volumen de materia sólida (Vs) que ocupa el volumen total (Vt) del geomaterial (suelo, roca o cualquier concreto) y es equivalente a la relación

entre el peso volumétrico seco (d) y el de los sólidos

(d). Todo esto tiene una teoría para definir las diversas

curvas de igual propiedad fundamental (Orozco, 2012). En la Figura 30 se presenta un ejemplo de curvas "isocaracterísticas” para el módulo de resiliencia de un suelo.

OROZCO RV 363


Figura 30. Diagrama “CAS”-Curvas isocaracterísticas del módulo de resiliencia

9 RECOMENDACIONES

Primera: Para que un pavimento tenga un buen comportamiento es necesaria su oportuna evaluación superficial y estructural, de tal manera que durante la vida esperada se mantengan, dentro de los límites especificados, los siguientes indicadores de calidad (Orozco, 2012): Índice Estructural (Ie) ”Módulo Elástico” (E) Coeficiente de permeabilidad (k) Coeficiente de fricción (µ) Índice de Regularidad Superficial (IRI)

Segunda: “Tomar en cuenta otros factores que

intervienen en el proyecto, la construcción y la operación de los pavimentos, con el fin de establecer y poner a prueba más indicadores de calidad que coadyuven a mejorar el comportamiento de los pavimentos en México” (Orozco, 2012).

REFERENCIAS

Beltrán G.I. et al (2012). “Assessing Artificial Neural Networks Performance to Estimate Layer Properties of Pavements”, Instituto de Ingeniería UNAM, México, D.F., Universidad Nacional de Colombia, Facultad de Ingeniería, Bogotá, Colombia. Revista Applied Soff Computing.

Orozco S, RV (2001). “La Calidad no es un Arte, es un Hábito”, XVII Reunión Nacional de Laboratorios de Control de Calidad de Materiales de Construcción, ANALISEC, Ixtapa, Gro.

Orozco S, RV (2005). “Evaluación de Pavimentos Flexibles con Métodos no Destructivos” (Tesis Doctoral), UNAM.

Orozco S, RV et al (2012). “Criterios geotécnicos básicos para aumentar la vida estructural de un pavimento”. Revista Geotecnia No. 223, SMIG.

Orozco S, RV (2012). “Reflexiones para Mejorar el Comportamiento de los Pavimentos en México”, Jornada Técnica de Evaluación del Desempeño de Carreteras Mediante Indicadores de Calidad, AMIVTAC Deleg. Morelos, Cuernavaca, Mor.

RVO y Cía, SA de CV (1990). Asesoría sobre el Aprovechamiento de Escoria de Fundición y Alquitrán de Hulla en la Construcción de Pavimentos para Vialidades, Monclova, Coah. (AHMSA).

Real Academia Española (1992): Diccionario de la Lengua Española, Editorial ESPASA CALPESA, Edición XXI, Madrid, España.

Real Academia Española (2001): Diccionario de la Lengua Española, Edición XXII, Madrid, España. http://buscon.rae.es/drael/.

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