componentes de un pavimento

Generalidades sobre pavimentos

2 Generalidades sobre pavimentos

Los pavimentos son parte importante de una carretera, sin embargo, su importancia se acentúa porque, siendo ésta la capa superior, el pavimento es el elemento más notable de la carretera, el que está en contacto continuo y directo con los usuarios y con los vehículos que transitan por el camino.

En consecuencia, para fines prácticos, de la superficie del pavimento depende en buena medida la seguridad y la comodidad proporcionadas por las carreteras. Los principios básicos de diseño son comunes para cualquier tipo de pavimento:

Seguro: el diseño de los pavimentos debe incorporar, en cuanto sea práctico según las condiciones locales, características que aumenten al máximo la capacidad de la carretera para minimizar los accidentes; es decir, trazado, macro/micro-textura, etc.

Económico: la estructura debe ser económica de construir y de mantener; no puede justificarse económicamente un diseño inexacto por exceso ni por defecto.

Duradero: debe resistir agresiones climáticas y del tráfico - mantener las propiedades de diseño.

Perfil liso: mejora la comodidad del viaje, reduce la resistencia al rodamiento, prolonga la vida y ahorra energía.

2.1 Concepto de pavimento

El pavimento se puede definir como un conjunto de capas de materiales seleccionados cuya función es recibir en forma directa las cargas producidas por el tránsito, distribuirlas y transmitirlas adecuadamente a las capas inferiores. Los materiales con que se construyen los pavimentos deben tener la calidad suficiente para resistir los esfuerzos y, según las teorías que tratan temas al respecto, a medida que las capas que los integran están localizadas a mayor profundidad pueden disminuir en calidad (en proporción al nivel de esfuerzos a las que estén sometidas).

La calidad y los espesores de las capas del pavimento deben estar íntimamente relacionados con los materiales de las capas inferiores; es decir, la estructuración del pavimento está influida tanto por los esfuerzos debidos al tránsito como por la calidad de las terracerías. La sección estructural del pavimento debe ser una estructura que proporcione una superficie de rodamiento, de color y textura apropiados, resistente a la acción del tránsito, debe ser estable ante el intemperismo, pero sobre todo debe proporcionar al usuario una superficie

Conservación de la carretera Los Reyes, México–Zacatepec, Pue. 21


de rodamiento por donde pueda transitar de manera segura, cómoda y económica; aunque esto depende también del tipo de camino de que se trate.

2.2 Clasificación de los pavimentos

Los pavimentos se clasifican según algunas de sus características, como son:

El lugar en el que se utilizarán:

Pavimentos para vivienda1. Son aquellos que cumplen su misión en el ámbito de las viviendas y, por lo general tienen en gran manera el fin de embellecer, ya que cargas y tránsito son generalmente reducidos, debiendo cumplir, en cambio, importante función en cuanto al color, textura y suavidad. Los materiales de que están constituidos son de lo más variado, yendo desde la piedra natural a la madera y de la piedra artificial, a las losetas de resinas sintéticas.

Pavimentos urbanos. Estos desempeñan su función en parques, calles, paseos y plazas, es decir, en zonas de circulación, permanencia o recreación con las que cuentan todos los centros urbanos. Tienen características propias según sean las zonas urbanas en las que han de ser utilizados y el uso específico a que se les destina. Si se utilizan en plazas, habrá que distinguir y diferenciar las zonas que están destinadas a la circulación de vehículos y las que solamente se hayan destinado a la circulación de peatones. Los pavimentos de las vías de circulación de vehículos tendrán como condición fundamental resistir el tránsito rodado y tener condiciones antisonoras. En todos los pavimentos urbanos se debe tener en cuenta que también cumplen funciones estéticas. Los pavimentos constituyen una parte muy importante del planteamiento urbano, el cual no puede darse por terminado si en su diseño no se han considerado los mismos, los cuales deberán ser adecuados a las características de la zona.

Pavimentos carreteros. Una carretera destinada al tránsito moderno no puede darse por terminada si no se le ha dotado del pavimento que responda a sus características. El pavimento en la carretera está destinado principalmente a soportar la acción mecánica de los vehículos, transmitiendo las cargas a la subrasante y manteniéndose inalterable, dentro de lo posible, ante los agentes atmosféricos y gozar de una superficie impermeable. Es en los pavimentos carreteros en donde más se debe tener en cuenta el aspecto económico, por las enormes superficies que se deberán cubrir, resultando sumas muy importantes en el conjunto, y pequeñas diferencias de precio por metro cuadrado. En el diseño y cálculo de estos pavimentos, deben tenerse en cuenta los efectos originados por las cargas de los ejes, cada vez más

1 BACA Urbina Gabriel. Evaluación de proyectos pág. 56.



pesados y moviéndose a velocidades mayores. Considerando los efectos de los impactos, las vibraciones y el resultado de rodamiento.

Pavimentos para aeropuertos. Como elementos de transporte, los aviones necesitan zonas más amplias, destinadas a las operaciones de aterrizaje, despegue y estacionamiento, para ello, exigen superficies considerables cubiertas por pavimentos capaces de soportar las cargas cada vez mayores de los aviones. En estos pavimentos se toman en cuenta los efectos que producen las formas de contacto de las ruedas y las velocidades muy altas que tienen al aterrizar y despegar. Igualmente, se deben considerar las fuertes corrientes de aire que generan los motores y las altas temperaturas de los gases. El diseño y cálculo de estos pavimentos tiene características especiales y su costo es siempre elevado.

Pavimentos para malecones portuarios y muelles. Estos pavimentos tienen características que los distinguen de los demás, debido al tipo de subrasante encima de los cuales deben construirse. A veces son estructuras que no descansan sobre el suelo y otras son construidas sobre subrasantes absolutamente inapropiadas. En su diseño deben contemplarse de manera preferente las grandes cargas estacionarias y las de los vehículos cuya distribución de peso es diferente, por ejemplo: los montacargas, grúas, tractores, etc. Por lo anterior, estos pavimentos deben tratarse en forma específica en cuanto al cálculo y construcción.

La forma en que transmiten las cargas a la subrasante2:

Pavimentos flexibles.Pavimentos rígidos. Pavimentos mixtos.

Los materiales de que están constituidos:

Suelos estabilizados. Como su nombre lo indica, con este recurso se pretende hacer más estable a un suelo. La primera, y la que siempre acompaña a todas las estabilizaciones, consiste en aumentar la densidad de un suelo, compactándolo mecánicamente. La segunda estabilización usada es la de mezclar un material de granulometría gruesa con otra que carece de esa característica. Finalmente se puede estabilizar un suelo, mezclándole cemento Pórtland, cal hidratada, asfalto o cloruro de sodio.

Pavimentos bituminosos. Los diferentes materiales que se denominan bituminosos son cuerpos extremadamente complejos, constituidos

2 Estos tipos de pavimentos posteriormente en este mismo capítulo se describirán con mayor detalle, por lo que aquí sólo se mencionan.



esencialmente por hidrocarburos asociados con materiales minerales en mayor o menor proporción.

Pavimentos de concreto de cemento. Los pavimentos rígidos transmiten los esfuerzos a distancias y repartiéndolos así sobre una gran superficie. Las presiones que estos pavimentos transmiten a la subrasante dependen principalmente de: las dimensiones de las losas, especialmente su espesor; la elasticidad relativa de las citadas losas, la elasticidad de la subrasante y de la posición de la carga de la losa.

Pavimentos varios. Son los pavimentos en los cuales la superficie de rodamiento no es de asfalto ni de concreto, las cuales pueden ser empedradas, adoquinadas, de mosaicos de ladrillos, de madera y hasta, en algunos países, se han utilizado pavimentos de hierro en forma de placas. Para todos estos pavimentos se utilizan especificaciones particulares para cada uno de ellos ya que tienen diferentes modos de construcción.

2.2.1 Pavimentos flexibles

Los pavimentos flexibles están formados por una carpeta bituminosa apoyada generalmente sobre dos capas no rígidas, la base y la subbase, la calidad de las capas es descendente hacia abajo; en la Figura 2-1, se muestra un corte típico de un pavimento flexible en terraplén.

Figura 2-1 Sección transversal típica de una carretera con pavimento flexible.



El diseño de pavimentos flexibles emplea el principio de que una carga de cualquier magnitud puede disiparse con la profundidad a través de capas sucesivas de material; o sea, que la intensidad de la carga disminuye en proporción geométrica al ser transmitida hacia abajo de la superficie, ya que se va repartiendo en un área mayor. Por esa causa, los materiales con progresivamente menor calidad se emplean conforme aumenta la profundidad.

En resumen, la resistencia de los pavimentos flexibles es el resultado de la acción conjunta del sistema de capas, de manera que en este caso el espesor del pavimento es afectado por la resistencia de la subrasante, cuando se diseña un pavimento flexible se debe ir analizando capa por capa, buscando que la resistencia de cada una sea compatible con el nivel de esfuerzos a que estará sometida, haciendo el análisis para toda la estructura del camino.

Por otra parte, la construcción de carpetas de concreto asfáltico ha presentado una serie de problemas derivados de la calidad del cemento asfáltico que produce PEMEX, único proveedor de este producto en México.

Los problemas se ven reflejados en: envejecimiento prematuro de las carpetas, agrietamientos por falta de flexibilidad y desprendimiento del material pétreo, entre otros. Véase la Figura 2-2.

Figura 2-2 Desprendimiento de material pétreo.

Buscando solucionar estos problemas se han probado diferentes aditivos para el cemento asfáltico, modificadores de éste, y aditivos para la mezcla asfáltica con el fin de construir carpetas que tengan una vida útil mayor.



Los pavimentos flexibles son estructuras constituidas por una o varias capas de materiales seleccionados que tienen por objeto permitir y soportar el tránsito de vehículos en forma cómoda, segura y eficiente con un costo mínimo.

Según la Normatividad de la Secretaria de Comunicaciones y Transportes (SCT), el pavimento debe cumplir con las siguientes funciones: debe ser durable, ser estable ante los agentes del intemperismo, ser resistente a la acción de las cargas impuestas por el tránsito, tener una textura apropiada al rodamiento de vehículos, ser económico.

Los pavimentos flexibles deben ser de concreto asfáltico multicapa, mínimo tres capas, con periodos de diseños hasta de 20 años, desempeño funcional altamente deformable, desempeño estructural de baja rigidez.

La estructura de un pavimento flexible se compone de: subbase, base y carpeta asfáltica, como se ilustra en la Figura 2-1.

2.2.2 Pavimentos rígidos

Para México el concreto hidráulico no es un material desconocido, no representa problemas de tipo tecnológico en cuanto a la falta de materiales o capacitación para su diseño y manejo. Se ha usado para construir los grandes complejos hidroeléctricos, en la construcción de vivienda, en la construcción de calles, aeropistas y hasta en carreteras. Un claro ejemplo de esto último es la carretera al Desierto de los Leones, aún en operación. Sin embargo, su desarrollo en la construcción de carreteras no tuvo un gran auge como en otros países debido a situaciones especiales de nuestro país como la necesidad de su integración territorial, bajos aforos vehiculares y precio subsidiado del asfalto. Estas situaciones favorecieron el uso de tecnologías similares como la de los pavimentos flexibles3.

Durante la llamada década perdida de los ochenta, la inversión en infraestructura de carreteras en México puede considerarse prácticamente como nula; los pocos recursos con que se contaba fueron aplicados a la conservación y en algunas ocasiones a trabajos de rehabilitación de carreteras. Esto origino el aplazamiento de los programas de modernización y terminación de los ejes carreteros en la red, programas en donde se pudo aplicar la alternativa de pavimentos de concreto hidráulico. Un ejemplo del proceso constructivo de este tipo de pavimento se ilustra en las Figura 2-3, Figura 2-4 y Figura 2-5.

3 Asociación Mexicana de Ingeniería de Vías Terrestres. Proyección al Siglo XXI (Memoria). Pág.397 a 398.



Figura 2-3 Vaciado del concreto.

Figura 2-4 Extendiendo el concreto.

El surgimiento de los pavimentos de concreto hidráulico en la construcción y rehabilitación de carreteras en México se da por el decidido apoyo de la industria cementera mexicana; la cual, mediante un programa de promoción muy agresivo de esta tecnología, por un lado derrumba los mitos y leyendas sobre este tipo de pavimentos como el alto costo de construcción inicial y la complejidad técnica en la construcción, y por otra parte capacita a profesionistas, técnicos, operarios y estudiantes sobre el uso adecuado de esta tecnología.



Figura 2-5 Colocación del concreto hidráulico.

Figura 2-6 Construcción de losa para pavimento hidráulico.



La implementación para la construcción de los pavimentos de concreto hidráulico en México se sustentó en el análisis previo de las técnicas usadas en otros países con el objeto de seleccionar los métodos de diseño, equipos, materiales, procedimientos constructivos, especificaciones y control de calidad más adecuados y técnicamente mas avanzados. Es así como se definen periodos de diseño de 25 a 40 años, espesores de losa sin la limitante del subdiseño de 25 a 30 cm, véase la Figura 2-6, construcción de subbases mejoradas con cemento para evitar el fenómeno de la perdida de finos por bombeo, aplicación de riegos de impregnación para disminuir los problemas ocasionados por la fricción entre la capa de subbase y la losa de concreto, el uso de las barras de amarre en las juntas longitudinales para evitar el corrimiento de las losas, el uso de pasajuntas en las juntas transversales como elemento de refuerzo en la transferencia de carga, la incorporación de aditivo retardante y aditivo reductor de agua para mejorar la trabajabilidad de las mezclas de concreto hidráulico y garantizar así su buen comportamiento4.

2.3 Método de diseño UNAM

El método de diseño que generalmente se emplean para calcular los pavimentos flexibles es el método de la UNAM está fundamentado en la teoría de la elasticidad de las capas del pavimento.

Con base en trabajos realizados, la UNAM ha creado su propio método para calcular los pavimentos flexibles a través de una tipificación que hay en tablas.

Los elementos que se calculan son: los espesores en carpetas asfálticas, los coeficientes de daño y tránsito equivalente acumulado, entre otros. Se hacen análisis del transito considerando el tipo de vehículos y el porcentaje de los mismos, para determinar el coeficiente de daño. Se determinan los espesores requeridos por encima de cada una de las capas en grava equivalente y posteriormente se calculan los espesores para cada una de las capas que se afectaran por su coeficiente de grava equivalente para determinar los espesores reales.

El instituto de ingeniería de la UNAM se ha basado en la tipificación de tránsito y en los coeficientes de daño de los diferentes tipos de vehículos, que pueden obtenerse a partir de las pruebas AASHTO, para obtener su propia tabla de tipificación y sus propios coeficientes. Con base en experiencias realizadas en la pista circular de pruebas y en el estudio de comportamientos en tramos experimentales que la propia institución controla en diversos puntos de la red mexicana de carreteras, el instituto diversifico un tanto la evaluación de daños producidos por los diferentes vehículos en los pavimentos, distinguiéndolos en profundidades de 0, 15, 22.5 y 30 cm.

4 Asociación Mexicana de Ingeniería de Vías Terrestres. Proyección al Siglo XXI (Memoria). Pág.399.



El volumen del tránsito real mezclado (TDPA) se convierte a tránsito equivalente de ejes sencillos de 8.2 toneladas, mediante la aplicación adecuada de los coeficientes de daño por transito para vehículos tipo. En la siguiente tabla se representa el procedimiento para transformar el tránsito mezclado al correspondiente tránsito equivalente a ejes sencillo de 8.2 toneladas. Referido al carril de diseño, en esta tabla se consideran que todos los vehículos transitan cargados en ambas direcciones.

1 2 3 4 5 6

Tipo de vehículo

TDPACoeficiente de

distribución

No. Veh. Car. De diseño

Coef. De diseño

Z=0 Z=15

No. De ejes 8.2 Ton

Z=0 Z=15Total To T´o

Columna 1: tipo de vehículos que transitarán por el camino

Columna 2: volumen de transito promedio diario anual (TDPA), en dos direcciones, correspondiente a cada tipo de vehículo que hará uso del camino.

Columna 3: coeficiente de distribución para el carril de proyecto, tomando en cuenta el número de carriles de la carretera y la siguiente tabla sugerida por el instituto de ingeniería de la UNAM.

No. De carriles en

ambas direcciones

Coeficiente de

distribución para el

carril de proyecto (%)

2 504 40 – 506 o mas 30 - 40

Columna 4.- el número de vehículos en el carril de diseño se obtiene multiplicando el TDPA de la columna 2 por el coeficiente de distribución de la columna 3.

Columna 5.- los coeficientes de diseño son los factores de daño (cargados) de los diferentes tipos de vehículos que se muestran en la gráfica anterior de cálculo de tráfico equivalente, para Z = 0 y Z = 15. El factor de daño es la relación del daño que un vehículo dado causa a la estructura de la obra, con relación al daño que le causa un vehículo estándar (eje sencillo de 8.2 toneladas).

Columna 6.- el número de ejes equivalentes para cada renglón se determina multiplicando el número de vehículos del carril de diseño de la columna 4, por



el coeficiente de equivalencia de daño de la columna 5. La suma de estos resultados parciales se tiene al final de la columna 6, para dos valores de la profundidad Z, cada una de estas sumas (To y T´o), representan el tránsito equivalente en ejes simples de 8.2 toneladas, referido al carril de diseño y a un día medio del año en que se realizó el aforo.


componentes de un pavimento

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