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Capitulo I. Generalidades del Pavimento Flexible
Se denominan Pavimentos flexibles a aquellos cuya estructura total del
pavimento se deflacta o flexiona, un pavimento flexible se adapta a las cargas.
Este tipo de pavimentos son de amplio uso en zonas de tráfico constante como
vías, aceras, parking etc.
La estructura de pavimento flexible está compuesta por varias capas de
material. Cada capa recibe las cargas por encima de la capa, se extiende en ella,
entonces pasa a estas cargas a la siguiente capa inferior. Por lo tanto, la capa
más abajo en la estructura del pavimento, recibe menos carga.
Con el fin de aprovechar al máximo esta propiedad, las capas son generalmente
dispuestas en orden descendente de capacidad de carga, por lo tanto la capa
superior será la que posee la mayor capacidad de carga de material (y la más
cara) y la de más baja capacidad de carga de material (y más barata) ira en la
parte inferior.
El pavimento flexible resulta más económico en su construcción inicial,
tiene un periodo de vida de entre 10 y 15 años, pero tienen la desventaja de
requerir mantenimiento constante para cumplir con su vida útil. Este tipo de
pavimento está compuesto principalmente de una carpeta asfáltica, de la base y
de la sub-base.
1.1 Características del pavimento flexible
Un pavimento flexible se adapta a las cargas. La estructura de
pavimento flexible está compuesta por varias capas de material. Cada capa
recibe cargas, se extiende en ella, y pasa a estas cargas, a la siguiente capa
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inferior. Por lo tanto, la capa más abajo en la estructura del pavimento, recibe
menos carga.
Con el fin de aprovechar al máximo esta propiedad, las capas son
generalmente dispuestas en orden descendente de capacidad de carga, por lo
tanto la capa superior será la que posee la mayor capacidad de carga de
material (y la más cara) y la de más baja capacidad de carga de material (y más
barata) ira en la parte inferior.
Un pavimento flexible debe satisfacer los siguientes propósitos:
Resistir y distribuir las cargas producidas por el transito
Ser impermeable
Resistir la acción destructora de los vehículos
Tener resistencia ante los agentes atmosféricos
Poseer superficie de rodamiento cómoda segura y fácil de los vehículos
Presentar flexibilidad para adaptarse a algunas fallas de base o sub-base
1.2 Modelación mecanicista de un pavimento flexible
Existen en general dos clases de estructuras de pavimento, los flexibles
y los rígidos; la principal diferencia entre estos es la forma como reparten las
cargas. 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, la
consideración más importante es la resistencia estructural del concreto
hidráulico.
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Capitulo II. Tratamientos Superficiales
2.1 Tipos de Tratamientos Superficiales
Los tratamientos superficiales abarcan desde una simple y ligera
aplicación de cemento asfáltico o emulsión bituminosa, a múltiples aplicaciones
de materiales asfálticos sobre las que se distribuyen agregados pétreos.
También se consideran tratamientos superficiales algunos tipos de
mezcla asfáltica−agregados. Todos los tratamientos superficiales sellan y
prolongan la vida de los caminos. Cada tipo tiene una o más propósitos
especiales. La siguiente es una clasificación de tratamientos superficiales
asfálticos de acuerdo a su aplicación y preparación.
Tratamientos superficiales con aplicación de asfalto y distribución de
agregados.
Tratamientos superficiales simples.
Tratamientos superficiales dobles.
Tratamientos superficiales con aplicación única de asfalto.
Riego de imprimación.
Paliativos de polvo.
Road rolling.
Riegos de liga.
Riego pulverizado (Fog seal).
Lechadas asfálticas
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2.2 Tratamiento Superficial Simple
Consiste en una sola aplicación uniformemente distribuida de ligante
bituminoso, seguido de una aplicación de árido de tamaño tan uniforme como
sea posible. Esta se realiza sobre una superficie acondicionada y con una
estructura apropiada a las condiciones de so-licitación a que va a estar
expuesta.
2.3 Tratamiento Superficial Doble
Son dos riegos alternados y uniformemente distribuidos de ligante
bituminoso y árido sobre una superficie acondicionada previamente. El tamaño
medio del árido de cada distribución sucesiva es la mitad o menos del tamaño
medio de la capa precedente. El espesor total es aproximadamente igual al
tamaño máximo nominal del árido de la primera aplicación.
2.4 funciones de los tratamientos superficiales
Un tratamiento superficial por sí mismo no es considerado un
pavimento. Básicamente brinda una cubierta impermeable a la superficie
existente de la calzada y resistencia abrasiva del tránsito. Algunas de las
funciones más comunes con:
Proveer una superficie económica y duradera para caminos con bases
granulares que tienen tránsitos ligeros y de mediano volumen.
Prevenir la penetración superficial de agua en bases granulares y
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pavimentos viejos que han comenzado a desintegrarse por el tiempo o a
fisurarse.
Rellanar huecos, recubrir y ligar partículas minerales desprendidas y
restaurar la superficie del pavimento.
Renovar superficies y restaurar la resistencia al deslizamiento de
pavimentos deteriorados por el tránsito en los cuales los agregados
superficiales han comenzado a pulirse.
Restaurar capas de rodamientos afectadas por los agentes climáticos y dar
nueva vida a superficies de pavimentos resecas.
Proveer una cubierta temporaria en los casos de construcción de pavimentos
incompletos y demorados o cuando se trata de una construcción por etapas.
Paliar el polvo.
Asegurar la adherencia de las capas asfálticas superiores con las bases
granulares (riego de imprimación).
Asegurar la trabazón entre la superficie que está siendo pavimentada y la
capa superior (riego de liga).
Capítulo III. Diseño de pavimentos
Los pavimentos de carreteras se dividen en dos categorías principales:
rígidos y flexibles. La superficie de rodamiento de un pavimento rígido se suele
construir en concreto de cemento portland, para que funcione como una viga
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sobre las irregularidades que haya en el material de soporte. Por otra parte, la
superficie de rodamiento de los pavimentos flexibles se suele construir en
materiales bituminosos, de tal modo que permanezcan en contacto con el
material subyacente, aunque haya pequeñas irregularidades. En general, los
pavimentos flexibles consisten en una superficie bituminosa soportada por una
capa de material granular y una capa de una mezcla adecuada de materiales
gruesos y finos.
Las cargas del tránsito se transfieren desde la superficie de rodamiento
a los materiales de subyacentes de soporte, atreves del contacto de los
agregados, el efecto friccionante de los materiales granulares y la cohesión de
los materiales finos.
Los pavimentos flexibles se subdividen en tres subgrupos: tipo alto, tipo
intermedio, y tipo bajo. Los pavimentos de tipo alto tienen superficies de
rodamiento que soportan en forma adecuada la carga esperada de tránsito, sin
deterioro visible debido a desgate, y no son susceptibles a las condiciones del
tiempo.
Los pavimentos de tipo intermedio tienen superficies de rodamiento
que van desde las de superficie tratada hasta aquellos cuyas calidades son un
poco inferiores a las de los pavimentos de tipo alto. Los pavimentos de tipo bajo
se usan principalmente en camino de bajo costo y sus superficies de
rodamiento van desde las no tratadas, pasando por materiales naturales
sueltos, hasta tierra con superficie tratada.
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3.1 Principios generales de diseño de pavimento flexible
En el diseño de pavimentos flexibles se suele considerar a la estructura
del pavimento como un sistema elástico de varias capas, estando caracterizado
el material de cada capa por ciertas propiedades físicas, que puede incluir el
módulo de elasticidad, de resiliencia y la relación de poisson.
El procedimiento de diseño consiste en escoger una adecuada
combinación de espesores de capas y características de materiales (E,m ,h) para
que los esfuerzos y deformaciones (z, e z y e t) causados por las solicitaciones a
que se somete la estructura, permanezcan dentro de los límites admisibles
durante la vida útil de la estructura que están constituyendo.
En términos generales, con las leyes de fatiga de los materiales se puede
encontrar las deformaciones, esfuerzos y deflexiones admisibles de los
materiales y con la teoría de esfuerzo y deformación en una masa de suelo se
encuentran las deformaciones, esfuerzos y deflexiones actuantes en la
estructura de pavimento.
Teniendo en cuenta la gran capacidad de las herramientas
computacionales actuales y con una adecuada caracterización de los materiales,
se pueden programar las ecuaciones diferenciales para calcular los esfuerzos,
deformaciones y deflexiones a las que está sometido el pavimento y la
subrasante por acción de las cargas impuestas por el tránsito; en nuestro medio
se tiene fácil acceso a programas como el DEPAV del paquete INPACO del
Instituto de Vías de la Universidad del Cauca, también existen otros programas
como ALIZE III, BISAR, CHEVRON, ELSYM 5, KENLAYER, EVERSTRESS, FLAC3D
2.00 (Modelo elástico no lineal), etc., que realiza estos cálculos; obtenidos los
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esfuerzos, deformaciones y deflexiones pueden ser comparados con los límites
admisibles obtenidos por medio de las leyes de la fatiga de los materiales.
Con los valores de los módulos y espesores de las capas y empleando
programas de computador que determinan las tensiones, deformaciones y
desplazamientos se comprueba si la estructura del pavimento está bien
dimensionada con las suposiciones hechas inicialmente, esto se denomina
cálculo directo; la solución a la que se llega de esta manera es única.
Cuando hay que estimar la capacidad estructural de un pavimento en
servicio que está llegando al final de su período de diseño se recurre a medir el
desplazamiento vertical del pavimento (deflexión) bajo una carga estándar
predeterminada; esta estimación se hace conociendo los espesores y las
deflexiones en uno o en varios puntos donde se aplica dicha carga; con estas
deflexiones y espesores se pueden determinar los valores de los módulos de los
materiales que están constituyendo el pavimento; esto se conoce con el nombre
de cálculo inverso en el que la solución no es exacta ni única y se requieren de
varias reiteraciones y del criterio de ingeniero para ajustar la solución
definitiva; para el cálculo inverso también existen programas de computador
como el EVERCAL 5.0, MODULUS 5.1, que hacen las iteraciones necesarias
automáticamente y no manual mente como se ha hecho hasta la actualidad en
nuestro medio. En el siguiente esquema se muestra el proceso del cálculo
directo e inverso.
3.2 Componentes estructurales de un pavimento flexible.
Los componentes del pavimento flexible son: subransante o afirmado,
sub base, la base y la superficie de rodamiento. El funcionamiento del
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pavimento depende del funcionamiento satisfactorio de cada componente, para
lo cual se requiere una evaluación adecuada por separado de las propiedades
de cada componente.
Subrasante (afirmado)
La subrasante suele ser del material natural ubicado a lo largo del
alineamiento horizontal del pavimento y sirve como cimiento de la estructura
del pavimento. También puede estar hecha de una capa de materiales
adecuados de préstamos, bien compactados hasta las especificaciones
establecidas. Se podrá necesitar tratar el material de la subrasante, para
alcanzar ciertas propiedades de resistencia que se requieren para el tipo de
pavimento que se esté construyendo.
Capa de sub base
Inmediatamente arriba del terraplén, el componente sub base consiste
en material de una calidad superior a la que en general se usa en la
construcción de la subrasante. Los requisitos para materiales de sub base se
suelen especificar en términos de la granulometría, características plásticas y
resistencia. Cuando la calidad del material de la subrasante cumple con los
requisitos del material sub base, se puede omitir la sub base como componente.
En caso en que no se consigue con facilidad un material adecuado para la sub
base el material disponible puede tratarse con otros, para alcanzar propiedades
necesarias. A este proceso de tratar suelo para mejorar sus propiedades
técnicas se le llama estabilización.
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Capa de base
La capa base queda inmediatamente arriba de la sub base. Se tiende de
inmediato sobre el terraplén en caso de no usarse capa de sub base. La capa de
base suele consistir en materiales granulares, como piedra triturada, escoria
triturada o no triturada, grava triturada o no triturada y arena. Entre las
especificaciones de los materiales para la capa de base se suelen encontrar
requisitos estrictos en comparación con los de los materiales de la sub base, en
especial en lo que concierne a su plasticidad, granulometría y resistencia. Los
materiales que no tienen propiedades requeridas se pueden usar como
materiales de base, si se estabilizan en forma adecuada con cemento portland,
asfalto o cal. En algunos casos, también se puede tratar los materiales gruesos
para base de alta calidad, con un asfalto o con cemento portland para mejorar
las características de rigidez de los pavimentos de uso rudo.
Capa superficial
La capa superficial, carpeta o revestimiento es la capa superior del
pavimento y se construye inmediatamente arriba de la base. La capa superficial
en los pavimentos flexibles suele consistir en una mezcla de agregados
minerales y materiales asfalticos. Debe ser capaz de resistir altas presiones de
neumáticos, así como las fuerzas abrasivas del tránsito y proporcionar una
superficie de manejo resistente a los derrapes y poder evitar la penetración del
agua superficial a las capas subyacentes. El espesor de la superficie de
rodamiento puede variar desde 3 pulgadas hasta más de 6, dependiendo del
tránsito esperado.
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Capítulo IV. Duración de un Pavimento Flexible
Para pavimentos flexibles, la estrategia de diseño seleccionado deberá
presentar un mínimo inicial de duración de ocho años antes de que sea
obligatoria la superposición de otra capa. En general la duración óptima
debería estar diseñada para un período de 20 años.
Cuanto mayor sea el módulo que se añada a la capacidad estructural de las
capas de pavimento. La carga se distribuye a lo largo de un área más amplia de
la sub-base o suelo de apoyo.
Capítulo V. Identificación de agentes que afectan el pavimento
flexible
Para poder solucionar este problema debemos tomar en cuenta los
diversos aspectos que pueden afectar o beneficiar en la investigación, como
son:
a) La resistencia estructural
b) La deformabilidad
c) La durabilidad
d) El costo
e) Los requerimientos de conservación
f) La comodidad
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A) La resistencia estructural
La primera condición que debe cumplir el pavimento es soportar las
cargas impuestas por el transito dentro del nivel de deterioro y destrucción
prevista por el proyecto.
B) La deformabilidad
Con respecto a la deformación, dada la naturaleza de los materiales que
forman las capas del pavimento, la deformabilidad suele crecer así a abajo, la
deformabilidad interesa sobre todo a niveles relativamente profundos ya que
las capas superiores son más resistentes que las inferiores, soportando así,
mayores niveles de deformación.
C) La durabilidad
Es difícil determinar cuál será la durabilidad deseable de nuestro
pavimento en cualquier caso dado, ya que está ligada a una serie de diversos
factores económico y sociales, como lo son el tipo de materiales que se utilicen,
o el uso y mantenimiento que tenga nuestro pavimento.
D) El costo
Como todas las estructuras el pavimento representa un balance entre
satisfacción de requisitos de resistencia y estabilidad en general, por un lado y
el costo por el otro. Un diseño correcto diseño será el que llegue a satisfacer los
necesarios requerimientos del servicio a costos mínimos.
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E) Los requerimientos de conservación
Hay que tomar en cuenta una gran cantidad de factores que se plantean
en la conservación del pavimento, factores climáticos, la intensidad del tránsito,
el comportamiento de las terracerías, deformaciones, derrumbes, entre otros,
ya que los pavimentos sufren falta de conservación sistemática y su vida se
acorta que es lo que queremos evitar.
F) La comodidad
Los problemas y métodos del diseño de los pavimentos deben verse
afectados por la comodidad que el suelo requiere para transitar a la velocidad
del proyecto, dentro de este requisito quedan también, la seguridad que es el
más importante de ellos, la estética y el impacto psicológico en el conductor.
El pavimento flexible suele ser una de las mejores opciones en el caso
de que se tenga que aplicar sobre zonas deformables, suelos fangosos, y todo
tipo de lugares en el que sea necesario un tipo de carretera resistente hacia
todos los factores de deformabilidad mencionados.
Tomando en cuenta todos los aspectos mencionados, se tratara de
provocar un impacto social favorable y con la menor cantidad de desagrados
hacia la población, mejorando el tipo de pavimento, con esto lo que se pretende
es que sea más durable y no tenga las incomodidades del mantenimiento que
comúnmente se le debe tener.
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Capítulo VI. Causas de un pavimento flexible defectuoso.
Las causas de un pavimento flexible defectuoso pueden ser:
-Agrietamiento -Superficie ondulada
-Desgarramiento -Segregación
Los tipos de obra en donde se pueden aplicar este tipo de pavimentos
flexibles son en calles aun con tierra que normalmente se le conoce como
terracería, avenidas, calles, etc.
Capítulo VII. Fallas en pavimentos flexibles
En pavimentos, la palabra falla se utiliza tanto para verdaderos colapsos
como deterioros simples. El concepto de deterioro o falla está asociado al nivel
de servicio que depende de la exigencia del consumidor. Una falla es algo que se
aparta de lo que se consideró perfecto. Las fallas de los pavimentos pueden
dividirse en tres grupos:
Falla por insuficiencia estructural.
Falla por defectos constructivos.
Falla por fatiga.
7.1.1 Falla por insuficiencia estructural
Pavimentos construidos con material inapropiado en cuanto a
resistencia. Se pueden utilizar materiales con buena calidad pero espesores
insuficientes. Esta falla se produce por la combinación de la resistencia al
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esfuerzo cortante de cada capa y sus espesores.
7.1.2 Falla por defectos constructivos
Pavimentos bien proporcionados y con materiales de buena calidad
pero que en su construcción se cometieron errores.
7.1.3 Falla por fatiga
Pavimentos que originalmente estuvieron bien proporcionados y
construidos, con el paso del tiempo y la continua repetición de cargas sufren
efectos de fatiga, degradación estructural, pérdida de resistencia y acumulan
deformaciones.
Aparte de estos tres grupos, también se agrupan por su origen, es
decir por el modo en que suceden y se manifiestan. Se separan en tres nuevos
grupos que son: por fracturamiento, por deformación y por desintegración. Se
relacionan con el efecto del tránsito, las características y estructuración del
pavimento y el apoyo que proporciona la terracería.
Las fallas por insuficiencia estructural, defecto constructivo o fatiga
pueden ser a fin de cuentas causadas por el fracturamiento, la deformación y la
desintegración.
7.2 Fallas comunes en los pavimentos
Existen distintas fallas comunes en los pavimentos, entre ellas, se
encuentra el agrietamiento en “piel de cocodrilo”, deformación permanente en
la superficie del pavimento, fallas por cortante, agrietamiento longitudinal,
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consolidación del terreno de cimentación.
7.2.1 Agrietamiento en “Piel de cocodrilo”
Es un agrietamiento que se extiende sobre toda la superficie de
rodamiento. Se da por el movimiento excesivo de una o más capas del
pavimento o por fatiga de la carpeta. Es común en pavimentos construidos en
terracerías resilientes. Es típico de bases débiles o insuficientemente
compactadas. Puede formarse en lugares donde existe el congelamiento o en
lugares que se requiere sub-drenaje. Este fenómeno puede ser progresivo
generando la destrucción del pavimento, que comienza por desprenderse de la
carpeta y la remoción de los materiales granulares expuestos. Es importante
estudiar la causa, ya que si es por fatiga el progreso es muy lento, en cambio si
es por deficiencia estructural o por exceso de agua el progreso es muy rápido.
7.2.2 Deformación permanente en la superficie del pavimento
La deformación permanente en la superficie del pavimento está
asociada al aumento de compacidad en las capas de base o sub - base, debida a
cargas excesivas, cargas repetidas o rotura de granos. También puede darse por
consolidación en la subrasante. Por lo general, el ancho del surco es mayor al
ancho de una llanta.
7.2.3 Fallas por cortante
Se debe a la falta de resistencia al esfuerzo cortante de la base o sub -
base. En rara ocasión por falta de resistencia en la subrasante. Generalmente se
hacen surcos profundos y bien marcados cuyo ancho no excede al de una llanta.
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7.2 .4 Agrietamiento longitudinal
Grietas longitudinales de una abertura aproximada de 0.5 cm. en el área
de circulación de las cargas más pesadas. Se deben a movimientos en las capas
del pavimento en dirección horizontal.