APLICACIÓN DEL SISTEMA DISEÑO MECANÍSTICO AL DISEÑO DE

PAVIMENTOS

INTRODUCCIÓN

Dentro del diseño de pavimentos para calles y carreteras se encuentra un sinnúmero de

generalidades como pueden ser: La mayoría de los métodos de diseño de pavimentos tienen

un alto grado de empirismo, propio de las agencias que lo han desarrollado, es por ello que

es común obtener diferentes espesores al aplicar distintos métodos de diseño, empleando

los mismos datos, es decir gran parte de estas diferencias se debe a la falta de descripción

precisa y cuantitativa de lo que constituye la falla de un pavimento de calle o carretera. Por

lo que al proceso de diseño de pavimentos se los puede dividir en dos grupos:

- Empírico.- Basado en resultado de experiencias de campo, es decir que las

relaciones observadas no están necesariamente asociadas a una base científica.

- Mecanicista.- Basado en la mecánica del comportamiento estructural ante el

comportamiento de cargas, es decir se conoce las propiedades fundamentales de los

materiales y la geometría de la estructura sometida a solicitaciones.

En el presente se hará énfasis a lo que es el diseño Mecanicista

DISEÑO MECANICISTAS EMPÍRICO

Dentro de este proceso de diseño asume que las componentes mecanicistas permiten

determinar la respuesta del pavimento ante situaciones “críticas” de cargas y clima,

utilizando modelos matemáticos es decir que calcula respuesta del pavimento ante

tensiones, deformaciones y deflexiones entendiendo en forma particular acumula daño

producido durante el periodo de diseño, mientras que los componentes empíricos

relacionan respuesta del pavimento con indicadores observados de comportamiento, es

decir relaciona el daño en el tiempo con deterioros típicos, a través de modelos de regresión

como por ejemplo; Fisuras, ahuellamiento, agrietamiento, etc. Parte de este proceso de

diseño se lo puede representar en el siguiente esquema:

Fig. 1 Procedimiento de diseño de pavimento Mecanicista-Empírico

Para el diseño de Pavimento Mecanicista-Empírico hay que tener en cuenta los principales

aspectos como lo son:

- Ingreso de datos (Exactitud, ensayo de laboratorios, ensayos en situ, etc.

- Definición de tránsito (Volumen, Distribución de carga por eje, velocidad, etc.)

- Factores climáticos (Temperatura, humedad, latitud, longitud, etc.)

- Estructura de Pavimento (Modelos elásticos multicapa, vida de diseño

- Materiales (Concreto asfaltico, materiales base y subbase

- Fallas Consideradas ( Fisuración por fatiga, Ahuellamiento Fisuración longitudinal,

Fisuración térmica, etc.)

- Confiabilidad ( variabilidad y aleatoriedad del diseño)

- Modelos de deterioro (Pavimentos flexibles “Piel de cocodrilo o Fisuración,

Ahuellamiento, Fisuración térmica, lisura”, Pavimentos Rígidos “ Fisuras

transversales en pavimentos de hormigón simple con juntas, losas fisuradas,

escalonamiento ”

- Servialidad

A continuación algunas fallas consideradas dentro del análisis para el diseño

Fig. 2 Fisuración por fatiga o piel de cocodrilo y Ahuellamiento

Fig. 3 Fisuración longitudinal, Fisuración Térmica, Escalonamiento, Punzonados

Criterio de falla por fatiga.- Dependen de la deformación horizontal de tensión en la fibra

inferior de las capas asfálticas su ecuación viene descrita por:

Criterio de falla por Ahuellamiento.- Se puede generar en cualquier capa del

pavimento, y su causa es principalmente por el sobreesfuerzo de la subrasante

Criterio de falla por Deflexión.-

CONCLUSIONES

- Se concluye que dentro de lo que es diseño de pavimentos nuestro país todavía

acoge la practica actual es decir que nos encontramos en el diseño empírico y que

necesitamos de manera inmediata acogernos a lo que es el diseño Mecanicista-

Empírico que es lo que nuestro vecinos como lo son, Colombia, Argentina Perú etc.

Ya viene implementando este nivel que para ellos es actual en el desarrollo

alcanzado en la práctica profesional en un momento determinado.

IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA SUPERPAVE EN EL DISEÑO DE MEZCLAS

ASFÁLTICAS

INTRODUCCIÓN

De acuerdo a la insuficiencia mostrada en el diseño y construcción, los políticos americanos

no entendían cómo obras diseñadas para un determinado número de años necesitaban

mantenimientos costosos después de pocos años de construidos. Es Por ello, que en el año

1987, el Congreso Americano destina un presupuesto para crear un organismo técnico cuya

finalidad del mismo es la de evaluar y proponer nuevos métodos de diseño. Esta inversión

sobrepasaba los 150 millones de dólares y cuya metodología implementada es la

metodología SUPERPAVE “Superior Performing Asphalt Pavement” de diseño de mezclas

asfálticas, cuyo propósito es de mejorar el desempeño y duración de las carreteras

volviéndolas más seguras tanto para automovilistas como para los trabajadores de las

mismas.

SISTEMA SUPERPAVE

El diseño de mezclas SUPERPAVE debe considerar 4 etapas las mismas que son:

- Selección de materiales.

- Diseño de la estructura granular.

- Contenido de ligante.

- Evaluación de la sensibilidad al humedecimiento.

Selección de materiales

Selección de Agregados.- Los agregados deben cumplir: 4 ensayos obligatorios

son: Angularidad del agregado grueso, ASTM D 5821; Angularidad del agregado

Fino, AASHTO T 304-96; Partículas Chatas y Alargadas, ASTM D 4791; y Equivalente

de Arena, AASHTO T 176. Y ensayos denominados propiedades de fuente,

especificados por la normativa local es decir pueden ser Abrasión ASTM C 131,

Ensayo de Durabilidad AASHTO T 104 y Partículas Friables y Terrones de Arcilla

AASHTO T 112.

Ensayos de Ligante.- La temperatura de ensayo del ligante se cambia de acuerdo

al grado que es seleccionado en base a condiciones climáticas y el proceso de

producción. Las propiedades son evaluadas con los ensayos de ligantes SUPERPAVE

y son directamente relacionadas con el comportamiento en el campo. El ligante es

ensayado para 3 condiciones: durante la preparación: transporte, almacenado y

manipulado; con Envejecimiento “corto” luego de la producción y con

Envejecimiento “largo” durante su vida de servicio. Se considera el rango completo

de temperaturas que experimentará el pavimento en el lugar del proyecto, sobre

todo las temperaturas extremas en servicio. Los ensayos del ligante se han

desarrollado con la finalidad de controlar los 3 tipos de fallas típicas que sufren las

carpetas asfálticas: deformación permanente, agrietamiento por fatiga y

agrietamiento térmico.

Fig. 4 (a) Deformaciones Permanentes debido al tiempo de servicio, tráfico pesado y altas temperaturas; (b) Agrietamiento por Baja Temperatura y (c) Agrietamiento por Fatiga debido a las deformaciones elásticas,

tráfico tiempo de servicio

Determinación de la Gradación del Ligante. - SUPERPAVE clasifica el ligante en

función de las temperaturas extremas de calor y frío del pavimento, considerando

un registro de temperaturas de 20 años

Diseño estructural Granular

Este se evalúa con el Compactador Giratorio SUPERPAVE, SCG instrumento que

compacta las muestras de manera similar a la que se obtendrá bajo tráfico. La

compactación tiende a orientar las partículas de agregado de manera similar a las

observadas en campo.

Fig. 5 Compactación de un molde en el compactador Giratorio SUPERPAVE

Sensibilidad al humedecimiento.- Se evalúa a través de ensayos de resistencia en muestras

sometidas a la influencia de la saturación por 24 horas a una temperatura de 60C. La pérdida

de resistencia deberá ser no menor al 80%

Método SMA “Stone Mastic Asphalt”

Este método SMA se basa en una estructura granular donde predomina el contacto pie-dra-

piedra el mismo que le provee de alta resistencia cortante, baja de formación permanente y

considera un mayor porcentaje de ligante con mayor durabilidad. La granulometría del SMA

es incompleta (”gap-graded aggregate”).

Fig. 6 Imagen SMA y SUPERPAVE

Estas imágenes muestran la diferencia entre el Superpave y el SMA. El SMA tiene un

estructura granular muy porosa y requiere mayor contenido de asfalto y la necesaria

incorporación de fibras para evitar la segregación con el ligante durante la mezcla. El costo

del SMA es entre 20 a 25% mayores que las mezclas asfálticas convencionales; sin embargo,

el comportamiento del SMA bajo tráfico pesado y climas fríos es calificado en los EE.UU.

como excelente. Además tiene un bajo costo de mantenimiento y una duración que alcanza

los 30 años de servicio. La National Center for Asphalt Technology, EE.UU. evaluó el

comportamiento de 85 proyectos de SMA. Más del 90% de los proyectos presentaban

asentamientos permanentes menores de 4 mm. y 25% no presentaban asentamientos

significativos. Las mezclas de SMA presentaban mayor resistencia al agrietamiento

comparados con las mezclas convencionales probablemente al mayor contenido de ligante.

No había evidencia de erosión de las aguas pluviales sobre la superficie de la mezcla asfáltica

en los proyectos. Experiencias en Georgia indican que el SMA tiene entre 30 y 40% menos

asentamientos permanentes que las mezclas convencionales y de 3 a 5 veces mayor

resistencia al agrietamiento por fatiga. La evaluación de la sensibilidad al escurrimiento

durante el proceso de mezclado es muy importante en el SMA. El ensayo simula las

condiciones durante la producción, almacenaje, el transporte y la colocación. El

escurrimiento es la determinación de la porción de la mezcla (finos y ligante) que se separa

y fluye escurriéndose de la mezcla.

CONCLUSIONES

- El SUPERPAVE arroja un diseño optimizado tomando en cuenta condicionantes

ambientales locales para la selección del agregado, en ese aspecto deja libertad a las

agencias descentralizadas los requisitos mínimos de la calidad del agregado.

- El SUPERPAVE considera aspectos geológicos del asfalto como la resistencia a la

tracción, los esfuerzos inducidos por la contracción térmica, la sensibilidad a la

temperatura y el humedecimiento y como el componente débil de la mezcla.

Bibliografía

Gomez, Garnica P. Delgado H. 2004. Aspectos del diseño volumetrico de mezclas asfaltica.

Mexico : Instituto Mexicano del Transporte, 2004.

Minaya, Ordoñez A y. Conseptos mecanísticos en la Ingeniería de Mezclas asfalticas

"CONGRESO NACIONAL DE ASFALTO". Lima : s.n.