Pavimentos flexibles

El pavimento es el conjunto de capas de material que dan soporte y superficie de rodamiento a las cargas del tráfico. Debe ser capaz de distribuir durante su período de diseño las cargas en superficie, de tal forma que no se superen las tensiones y deformaciones admisibles, tanto en el suelo de fundación como en cada una de las capas. Además, la capa superior de la estructura debe ser impermeable al agua, antideslizante, y resistente a la acción abrasiva de los neumáticos (1). El comportamiento de un pavimento puede definirse como la capacidad estructural o funcional medible a lo largo de su período de diseño. El público usuario le asigna valores subjetivos de acuerdo a su calidad de rodadura, seguridad y aspecto (2).

En particular se le llaman pavimentos flexibles a aquellos que en sus capas constitutivas tienen bajos o nulos valores de resistencia a la flexo tracción. La distribución de las solicitaciones se realiza a través del contacto entre los agregados de la estructura, en la forma de un bulbo de tensiones, donde los esfuerzos disminuyen con la profundidad desde la superficie (3). De esta manera, la carga se distribuye al terreno natural por medio de capas cuya resistencia disminuye a medida nos alejamos de la superficie del pavimento (4).

1 – Estructura

En términos generales, los pavimentos flexibles constan de una secuencia de capas como indica la Figura 1.

1.1 Capa de rodadura

Como capa expuesta al tránsito, está diseñada para resistir el desgaste que le provocan los neumáticos, soportando esfuerzos de tracción y corte, además de los efectos climáticos como las precipitaciones. Debe proveer la mayor comodidad y seguridad al tránsito de vehículos de la manera más económica posible. Existen básicamente tres sistemas en que se puede presentar la capa de rodadura en pavimentos flexibles: las más elementales simplemente con materiales granulares como toscas; tratamientos bituminosos superficiales para caminos un poco más transitados y por último, las capas de mezcla asfáltica.

La utilización de cualquiera de los sistemas descritos, involucra consideraciones de orden técnico y económico. Técnico por cuanto todas ellas resuelven en forma satisfactoria el traspaso de las cargas inducidas por el tránsito a las siguientes capas y económico pues define la óptima utilización de materiales adecuados de acuerdo a las necesidades del proyecto y que además sean de fácil obtención en una determinada zona (4).

1.2 Base

Es la capa estructural que recibe gran parte de los esfuerzos y donde se apoyará la capa de rodadura. La base ayuda a proporcionar un espesor total al pavimento necesario para garantizar que pueda soportar el tráfico proyectado durante la vida útil del proyecto (6). Por lo general se construye de material granular seleccionado en una mezcla de áridos finos y gruesos, aunque también se utiliza lo que se conoce como ‘bases negras’, que son capas de mezcla asfáltica que se tienden por debajo de la de rodadura con el fin de aumentar la vida útil del paquete estructural (1).

1.3 Subbase

Cumple una función estructural y de agregarle espesor al pavimento, obstaculizando la ascensión de agua por capilaridad y ofreciendo una plataforma de trabajo estable y resistente. Puede estar compuesta de material granular, en general de mayor tamaño que el material de base pero de un material de inferior calidad.

2 – Diseño

El objetivo del diseño del pavimento es producir una estructura que distribuya las cargas del tráfico de manera eficiente y minimice el costo de vida útil del pavimento. El término “vida útil” refiere a duración estimada que una estructura puede tener, cumpliendo con la función para la cual ha sido creada. Los costos incurridos en este período incluyen: costos de las obras (construcción, mantenimiento y valor residual) y los costos del usuario (retrasos en el tráfico, accidentes, consumo de combustible, desgaste de los neumáticos, etc.). El diseño del pavimento es esencialmente un proceso de evaluación estructural, necesario para garantizar que las cargas del tránsito se distribuyan de manera tal que las tensiones desarrolladas en cada capa estén dentro de las admisibles de ese material. Implica además la selección de materiales para las diferentes capas, el cálculo del espesor requerido y la determinación de su rigidez. En consecuencia, las propiedades mecánicas de los materiales que constituyen cada una de las capas en un pavimento son importantes para diseñar la estructura (7).

Un pavimento es entonces una compleja estructura que debe cumplir varias funciones diferentes entre sí. En general, la estructura flexible del pavimento consta de dos conjuntos característicos de capas con diferentes propiedades mecánicas: las capas de agregados “sueltos” asentados en la subrasante y las capas “ligadas” por asfalto, asentadas sobre las primeras. Esta separación de la estructura se basa en los diferentes comportamientos mecánicos de cada capa y constituye la base para el desarrollo de cualquier metodología de diseño de pavimentos flexibles (1).

Una de las primeras metodologías empíricas consistió en una inmensa prueba de campo, realizada de 1958 a 1962, por AASHO (American Association of State Highway Officials) en el estado de Illinois denominada la “AASHO Road Test”. Los resultados se utilizaron para desarrollar una guía de diseño de pavimentos, emitida por primera vez en 1961 como la “Guía provisional de AASHO para el diseño de pavimentos rígidos y flexibles”, con actualizaciones importantes publicadas en 1972, 1986 y 1993. En esta última, AASHTO (se agregan los oficiales de transporte en la nomenclatura) toma los datos que produjo la prueba y plantea una serie de ecuaciones empíricas de comportamiento estructural que siguen siendo la base para procedimientos de diseño de pavimentos en la actualidad. Si bien la investigación se limitó a un conjunto de suelos y condiciones climáticas, los resultados de la prueba usualmente se extrapolan para adaptarse a otras condiciones de diseño (8). El método plantea que la función de caída de la serviciabilidad (una medida de la calidad de conducción) con el número de reiteraciones de ejes de referencia, depende de una combinación entre espesores y calidades de los materiales que constituyen la estructura. La calidad se define por medio del coeficiente de aporte estructural “ai”, mediante la utilización del módulo de rigidez conjuntamente con el tipo de capa (2).

El método AASHTO 93´ ha sido utilizado en Uruguay en el pasado, aunque actualmente la Dirección Nacional de Vialidad utiliza métodos empírico mecanicistas, donde no solamente se enfoca en la serviciabilidad, sino en la predicción de los deterioros de pavimentos más comunes. La parte mecanicista calcula las respuestas del pavimento (esfuerzos, deformaciones y deflexiones) y el daño que el pavimento acumulará en el tiempo, mientras que la sección empírica relaciona el daño a través del tiempo con los deterioros típicos del pavimento (9).

2.1 Modelos de predicción de desempeño

El enfoque tradicional para la predicción de desempeño de un pavimento asfáltico se divide en dos etapas: la predicción de la respuesta del pavimento y la predicción de su desempeño. En este enfoque, las respuestas de un pavimento no dañado (por ejemplo, tensión de tracción en la parte inferior de la capa de asfalto) se estiman a partir de un modelo estructural (por ejemplo, la teoría elástica multicapa) utilizando propiedades iniciales de los materiales de las capas. Los modelos de desempeño de mezcla asfáltica se desarrollan utilizando resultados de ensayos de laboratorio y relacionan la respuesta inicial de las probetas de mezcla asfáltica con su vida útil. Las respuestas estimadas a partir del modelo estructural se ingresan luego al modelo de desempeño para determinar la vida útil del pavimento. Este enfoque es el método utilizado en la práctica actual que se adopta en la mayoría de los métodos de diseño empírico-mecanicistas, incluida la Guía de Diseño de Pavimentos Empírico-Mecanicista (MEPDG por sus siglas en inglés) desarrollada bajo el proyecto NCHRP 1-37A (10).Sin embargo, existen varias debilidades en este enfoque tradicional. En primer lugar, la evolución del daño en estructuras complejas y con materiales modificados puede no ser capturado con precisión. Además, la mayoría de los modelos de desempeño utilizados en el enfoque tradicional dependen del modo de carga, que se realizan en modo de esfuerzo o deformación controlada. Esto implica que se debe conjeturar la manera en que será solicitado el pavimento, lo que resulta en predicciones poco confiables. Finalmente, la limitante de condiciones seleccionadas para los ensayos de laboratorio ocasiona que, para predecir el desempeño del pavimento en una amplia gama de condiciones, se requiera de un número de ensayos indeseablemente grande (10).Las debilidades del enfoque tradicional se pueden superar utilizando un enfoque mecanicista que combina los modelos de la mezcla asfáltica y el modelo de respuesta del pavimento. En este enfoque, el modelo de material describe el comportamiento de tensión-deformación del material para un Elemento Volumétrico Representativo (EVR). Un EVR se define como el elemento de volumen más pequeño que puede representar las propiedades efectivas de un compuesto de mayor escala. El modelo del material se implementa luego en el modelo de respuesta del pavimento donde se aplican las condiciones de contorno de la estructura del pavimento en cuestión. Este acercamiento permite una evaluación más certera de los efectos en el cambio de las rigideces de cada capa debido al aumento del daño en el desempeño del pavimento (10).

Bibliografía

1. Nikolaides, Athanassios. Highway Engineering: Pavements, Materials and Control of Quality. EUA : Taylor & Francis Group, 2015.
2. Cordo, Oscar V. Curso de actualización de diseño estructural de caminos. Método AASHTO 93. San Juan : Universidad Nacional de San Juan. Escuela de Ingeniería de Caminos de Montaña, 1998.
3. Mathew, Tom V. y Rao, K V Krishna. Introduction to Transportation Engineering: Introduction to pavement design. s.l. : NPTEL, 2007.
4. Pattillo, Juan. Consideraciones generales sobre diseño de pavimentos asfálticos. Santiago de Chile : s.n., Marzo de 1988, Revista de Ingeniería de Construcción, págs. 94-110.
5. Kroger, Ignacio y Kroger, Santiago. Tratamientos Superficiales de Alto Desempeño. Montevideo : Bitafal, 2018.
6. National Academy of Sciences, Engineering, and Medicine. Validating the Fatigue Endurance Limit of Hot Mix Asphalt. Washington D.C : The National Academies Press, 2010.
7. Read, John y Whiteoak, David. The Shell Bitumen Handbook. Londres : Thomas Telford, 2003.
8. Federal Highway Administration. Superpave Fundamentals Reference Manual. s.l. : National Highway Institute, 2000.
9. Delgadillo, Rodrigo. Guía para la utilización del método AASHTO 2008 para el diseño de pavimentos rígidos en Chile. Valparaíso : Universidad Técnica Federico Santa María, 2014.
10. Kim, Y. Richard. Modelling of Asphalt Concrete. s.l. : McGraw-Hill, 2009.