ENSAYOS PARA OBRAS DE PAVIMENTACIÓN - HERRAMIENTAS - Aparato De Penetración

Cualquier aparato que permita movimiento del soporte sin fricción apreciable y que se calibre con precisión para rendir resultados que de acuerdo con la descripción del término, la penetración será aceptable. La superficie en la cual el recipiente de muestra descansa, debe ser plano y el eje del soporte debe estar en aproximadamente 90 grados a esta superficie. El soporte será desmontable sin el uso de herramientas especiales, para verificar su masa. Cuando la aguja está montada en un herrete, la masa del soporte movible debe ser de 47.5 ± 0.05 g. Sin tener en cuenta el tipo de montura de la aguja, la masa total de la aguja y del soporte ensamblado debe ser de 50.0 ± 0.05 g. Los pesos de 50.0 ± 0.05 g y 100.0 ± 0.05 g deben ser proporcionados para las cargas totales de 100 g y 200 g, dependiendo de las condiciones del ensayo a ser aplicado. 

ENSAYOS PARA OBRAS DE PAVIMENTACIÓN.

 A continuación se definirá y describirá el objetivo de los ensayos más comunes que se

realizan normalmente durante la ejecución de las obras de pavimentación en Bolivia.

1. ENSAYO DE PENETRACIÓN DE MATERIALES BITUMINOSOS.

(DESIGNACIÓN AASHTO: T 49-93)

(DESIGNACIÓN ASTM: D 5-86)

1.1. ALCANCE

Este método de ensayo cubre la determinación de la penetración de materiales

bituminosos semi-sólido y sólidos. Los materiales que tienen penetraciones debajo de

350 pueden ser probados por el aparato normal y con el siguiente procedimiento. Para

materiales que tienen penetraciones entre 350 y 500, se debe usar un aparato especial.

1.2. DESCRIPCIÓN DE TÉRMINO

La penetración de un material bituminoso es la distancia en décimas de milímetro que

una aguja normalizada penetra verticalmente bajo las condiciones fijas de temperatura,

carga y tiempo.

1.3. RESUMEN DEL MÉTODO

La muestra se funde y se refresca bajo las condiciones controladas. La penetración es

medida con un penetrómetro por medio de una aguja normalizada se aplica a la muestra

bajo las condiciones específicas.

1.4. SIGNIFICADO Y UTILIZACIÓN

La prueba de penetración se usa como una medida de consistencia. Los valores más altos

de penetración indican consistencia más suave.

DISEÑO DE ESPESORES - PASO 8. DETERMINACIÓN DEL ESPESOR DE REFUERZO

 Se emplea esta ecuación: 

donde A es el factor que convierte una deficiencia en espesor de hormigón en espesor de refuerzo de concreto asfáltico y responde a la ecuación XI.4.a en unidades inglesas o a XI.4.b en unidades métricas.

DISEÑO DE ESPESORES - PASO 7. DETERMINACIÓN DEL ESPESOR EFECTIVO DE LOSA DEL PAVIMENTO EXISTENTE Def Parte 2

 2. A partir de la vida remanente

La vida remanente del pavimento responde a esta ecuación: 

NP = número de ESALs hasta la fecha

N1,5 = número de ESALs para llevar el pavimento a la rotura

N1,5 se puede obtener a partir de la ecuación de diseño o mediante ábacos,

suponiendo una serviciabilidad final pt = 1,5 y una confiabilidad R = 50%.

Def se determina con la ecuación:

CF es el factor de condición, función de RL.

DISEÑO DE ESPESORES - PASO 7. DETERMINACIÓN DEL ESPESOR EFECTIVO DE LOSA DEL PAVIMENTO EXISTENTE Def Parte 1

 Hay dos métodos para encarar el cálculo de Def:

1. Observación del estado del pavimento existente.

El espesor efectivo de la losa existente es: 

siendo:

D = espesor de la losa existente de hormigón

Los factores F son factores de ajuste.

a.) Factor de ajuste por juntas y fisuras Fjc. Este factor hace un ajuste por una pérdida extra de serviciabilidad causada por fisuras reflejadas y deterioradas en el refuerzo que son el resultado de juntas o fisuras no reparadas y otros tipos de discontinuidades en el pavimento existente previo al refuerzo. Una junta deteriorada o una fisura se reflejarán rápidamente en el refuerzo con la consecuente pérdida de serviciabilidad. Es por eso que se recomienda que todas las juntas deterioradas, fisuras y cualquier otro tipo de discontinuidades en la losa existente sean reparadas en todo su espesor con hormigón vinculado (pasadores y barras de unión) al pavimento existente.

Si no es posible reparar todas las áreas deterioradas, con la siguiente información se puede determinar Fjc:

Pavimentos con ausencia de fisuras de durabilidad y ausencia de problemas de reacción álcali-agregado.

• Número de juntas deterioradas no reparadas por kilómetro o milla.
• Número de fisuras deterioradas no reparadas por kilómetro o milla.
• Número de punzonados no reparados por kilómetro o milla.
• Número de juntas de expansión, excepcionalmente juntas anchas (>2,5 mm) y parches de concreto asfáltico en todo el espesor, por kilómetro o milla.

En función del número de juntas deterioradas no reparadas, fisuras, baches, etc., se determina el Fjc mediante la figura XI.10.

b.) Factor de ajuste por durabilidad. Este factor tiene en cuenta la pérdida de serviciabilidad que puede tener el pavimento existente cuando hay fisuras de durabilidad o fallas debidas a reacción álcali-agregado. Los valores a adoptar para Fdur son:

Fdur = 1,00 No hay problemas de durabilidad.

Fdur = 0,96-0,99 Hay fisuras de durabilidad, pero sin descascaramiento

Fdur = 0,88-0,95 Fisuras importantes y algo de descascaramiento

Fdur = 0,80-0,88 Gran extensión de fisuras y descascaramiento severo

c.) Factor de ajuste por fatiga. Este factor considera un ajuste por daños de fatiga que pueden existir en la losa. Se lo determina observando la extensión de fisuras transversales (en pavimentos de HºSº u HºAº con juntas) o punzonadas (HºAº continuo) que pueden haber sido causados por repetición de cargas. Como guía se dan estos valores:

Ffat

0,97-1,00 Pocas juntas transversales/punzonados (ninguna causada por problemas de durabilidad)

HºSº: <5% de losas fisuradas

HºAº con juntas: <25% fisuras de trabajo, por milla

HºAº con juntas: <15% fisuras de trabajo, por kilómetro

HºAº continuo: <4% de punzonamiento, por milla

HºAº continuo: <2,5% de punzonamiento, por kilómetro

0,94-0,96 Hay un número significativo de juntas transversales/punzonados (ninguna causada por problemas de durabilidad)

HºSº: 5-15% de losas fisuradas

HºAº con juntas: 25-75% fisuras de trabajo, por milla

HºAº con juntas: 15-45% fisuras de trabajo, por kilómetro

HºAº continuo: 4-12% de punzonamiento, por milla

HºAº continuo: 2,5-7,5% de punzonamiento, por kilómetro

0,90-0,93 Muchas fisuras transversales/punzonados (ninguna causada por problemas de durabilidad)

HºSº: >15% de losas fisuradas

HºAº con juntas: >75% fisuras de trabajo, por milla

HºAº con juntas: >45% fisuras de trabajo, por kilómetro

HºAº continuo: >12% de punzonamiento, por milla

HºAº continuo: >7,5% de punzonamiento, por kilómetro

DISEÑO DE ESPESORES - PASO 6. DETERMINACIÓN DEL ESPESOR REQUERIDO DE LOSA PARA EL TRÁNSITO FUTURO Df

Los datos para determinar Df son función del pavimento existente y de las propiedades de la fundación. Es necesario recalcar que las propiedades del pavimento existente de hormigón (módulo elástico, módulo de rotura y transferencia de cargas) van a controlar el comportamiento del refuerzo de concreto asfáltico. Es por ello que se debe conocer:

1. Valor estático efectivo k debajo del pavimento existente de hormigón. Este se puede determinar por alguno de estos métodos:

a. Cálculo de k efectivo dinámico a partir de medidas de cuencos de deflexión.

Dividiendo el valor obtenido por 2 se obtiene el k efectivo estático. Cuando sea necesario, este valor k efectivo debe ser corregido por efectos estacionales.

b. Determinación del valor k luego de la remoción de la losa en determinados sitios. Esta alternativa es muy costosa e insume mucho tiempo, por lo que se la usa muy poco.

c. Estimación a partir de datos de suelos, tipo de base y espesores, usando las figuras del capítulo 4, Pavimentos de Concreto Asfáltico Método AASHTO- 93. Esta alternativa es simple, pero el valor k obtenido puede ser algo burdo y debería, además, ajustarse por variaciones estacionales.

2. Pérdida de serviciabilidad de diseño. Es la diferencia entre la serviciabilidad inmediatamente después del refuerzo y la serviciabilidad en el momento de la próxima rehabilitación.

3. Factor de transferencia de cargas J (Ver Paso 4).

4. Módulo de rotura del pavimento existente de hormigón. Este puede ser determinado por alguno de los siguientes métodos:

a. Estimación a través de la resistencia a la tracción indirecta (Ver paso 5).

b. Estimación a través del módulo elástico del pavimento existente:

5. Módulo elástico del pavimento de hormigón existente. Para ello pueden usarse

alguno de estos métodos:

a. Cálculo a partir de medidas de deflexiones (Paso 4).

b. Estimación a partir de la resistencia a la tracción indirecta.

6. Pérdida de soporte de la losa existente. Las juntas de esquina que pueden tener una pérdida importante de soporte pueden ser identificadas mediante ensayos FWD. Las pérdidas de soporte en pavimentos de hormigón armado continuo pueden ser determinadas graficando la deflexión del borde de la losa o de la zona usada por las ruedas de los vehículos e identificando puntos con deflexiones excesivas. Toda falta de soporte debe ser corregida con estabilización de la losa.

Para el diseño del espesor del refuerzo se debe considerar LS = 1.

7. Confiabilidad de diseño del refuerzo R.

8. Desviación estándar S0 para pavimento rígido.

9. Condiciones de drenaje. El bombeo o movimientos diferenciales verticales en juntas o fisuras son indicios de que hay problemas de drenaje. Se deben considerar condiciones pobres de drenaje, es decir Cd = 1,0.

DISEÑO DE ESPESORES - PASO 5. MUESTREO Y ENSAYO DE MATERIALES

 1. Para la determinación del módulo de rotura Sc’ del hormigón se deben cortar muestras de 6” de diámetro del centro de la losa y hacer un ensayo de tracción indirecta.

DISEÑO DE ESPESORES - PASO 4. ENSAYOS DE DEFLEXIÓN Parte 3

4. Transferencia de cargas.

Este tipo de medidas se hace para pavimentos de hormigón simple o de hormigón armado con juntas. La transferencia de cargas no debe medirse cuando la temperatura ambiente sea mayor de 27ºC. Para determinarla se ubica la placa de carga con uno de sus bordes tocando la junta. Se mide la deflexión en el centro de la carga y a 30 cm (12 pulgadas) del centro. El porcentaje de transferencia de cargas por deflexión es: 

donde:

        Δul = deflexión del lado no cargado (mm o pulg)

        Δl = deflexión del lado cargado (mm o pulg)

        B = factor correctivo por flexión de losa

Se aplica el factor correctivo B porque las deflexiones d0 y d12 no serían las mismas que se medirían en el centro de la losa. B puede determinarse así:

B varía entre 1,05 y 1,15.

En base al porcentaje de transferencia de cargas puede determinarse el coeficiente de transferencia de cargas:

Para pavimentos de hormigón armado continuo, J varía entre 2,2 y 2,6.

DISEÑO DE ESPESORES - PASO 4. ENSAYOS DE DEFLEXIÓN Parte 2

3. Para obtener el módulo elástico de la losa de hormigón se entra en figura XI.9 con ÁREA, levanta una vertical hasta la curva del valor dinámico de k y luego se sigue con una horizontal hasta el eje de ordenadas para determinar ED³. Conociendo el espesor D de la losa, se puede conocer el módulo elástico E. Los valores típicos de E varían entre 21000 a 56000 MPa (3 a 8∙10⁶ psi).

Si el valor de E obtenido está fuera de este rango, puede haber un error en el espesor, o bien se midió el cuenco de deflexión sobre una fisura, o el hormigón se encuentra muy deteriorado. 

DISEÑO DE ESPESORES - PASO 4. ENSAYOS DE DEFLEXIÓN Parte 1

 Es muy conveniente medir los cuencos de deflexión que se producen cuando se carga la losa con un dispositivo NDT. Las zonas a analizar están separadas entre 30 y 300 m (100-1000 pies). Las deflexiones se miden con sensores ubicados a 0, 30, 60 y 90 cm (0, 12, 24 y 36 pulg) del centro del plato de carga. En base al área del cuenco de deflexiones se puede calcular el valor k y el módulo elástico de la losa.

En área del cuenco responde a la siguiente fórmula y varía entre 29 y 32 para un hormigón sano:

donde:

d0 = deflexión en el centro del plato de carga (pulg o mm)

di = deflexión a 12, 24 y 36 pulgadas del centro (pulg o mm)

1. El valor efectivo dinámico k se obtiene a partir de la figura XI.8 entrando con d0 y ÁREA si la placa de carga tiene un radio de 5,9 pulgadas y la carga es de 40 kN.

2. Una vez obtenido el valor de k dinámico hay que transformarlo en un k estático. Esto se hace dividiendo el valor de k dinámico por 2.

Este valor kestático debe ser ajustado por efectos estacionales.

DISEÑO DE ESPESORES - PASO 3. OBSERVACIÓN DEL ESTADO DEL PAVIMENTO EXISTENTE

 Deberán medirse los tipos de fallas que se indican a continuación. Es conveniente hacer toma de muestras para cuantificar mejor.

Fallas para pavimentos de hormigón simple o armado con juntas:

1. Número de juntas transversales deterioradas por milla (1,6 Km) o Km.

2. Número de fisuras transversales deterioradas por kilómetro o milla.

3. Número de parches de concreto asfáltico en todo el espesor, excepcionalmente juntas anchas (mayores de 1 pulg o 25 mm) y juntas de expansión por kilómetro o milla (excepto las correspondientes a puentes).

4. Presencia y severidad de problemas de durabilidad del hormigón.

a.) Fisuras de durabilidad: severidad baja (fisuras solamente), severidad media (algo de descascaramiento), severidad alta (descascaramiento severo).

b.) Fisuras por áridos reactivos: severidad baja, media y alta.

5. Evidencia de movimientos verticales entre losas, bombeo de finos o agua en juntas, fisuras y bordes de pavimento.

Fallas para pavimentos de hormigón armado continuo.

1. Número de punzonados por kilómetro o milla.

2. Número de fisuras transversales deterioradas por kilómetro o milla.

3. Número de parches de concreto asfáltico en todo el espesor, excepcionalmente juntas anchas (mayores de 1 pulgada o 25 mm) y juntas de expansión (excepto en puentes), por kilómetro o milla.

4. Número de reparaciones existentes y nuevas previas al refuerzo, por kilómetro o milla.

5. Presencia y severidad de problemas de durabilidad del hormigón.

a.) Fisuras de durabilidad: severidad baja (fisuras solamente), severidad media (algo de descascaramiento), severidad alta (descascaramiento severo).

b.) Fisuras por áridos reactivos: severidad baja, media y alta.

6. Evidencia de bombeo de finos o agua.

DISEÑO DE ESPESORES - PASO 2. ANÁLISIS DE TRÁNSITO

 Es necesario conocer:

1. Ejes tipo (ESALs) acumulados en el carril de diseño (Np), si se desea determinar

Def por el método de la vida remanente.

2. ESALs futuros en el carril de diseño durante el período de diseño (Nf).

En ambos casos se deben usar los LEFs para pavimentos rígidos.

DISEÑO DE ESPESORES - PASO 1. DISEÑO DEL PAVIMENTO EXISTENTE

 Es necesario conocer:

1. Espesor de losa existente.

2. Tipo de transferencia de carga (dispositivos mecánicos, trabazón entre agregados, hormigón armado continuo).

3. Tipo de banquina (vinculada de hormigón, otro tipo).

DISEÑO DE ESPESORES

 Si el refuerzo se coloca a los efectos de satisfacer condiciones funcionales de la calzada, bastará colocar un espesor mínimo. Si en cambio, el refuerzo es colocado para mejorar las condiciones estructurales del pavimento, el espesor requerido es una función de la capacidad estructural necesaria para satisfacer las futuras necesidades del tránsito. La ecuación de diseño del espesor de refuerzo es:

Si se trabaja en pulgadas, A responde a esta ecuación:

Si se trabaja en milímetros, A responde a esta ecuación:

En la figura XI.7 se encuentra graficada la ecuación XI.4.

El espesor de los refuerzos de concreto asfáltico sobre pavimentos de hormigón puede variar entre 50 mm (2 pulg) a 250 mm (10 pulg).

Para determinar el espesor de refuerzo se deben seguir los pasos que se indican en los apartados siguientes. Los pasos 4 y 5 pueden obviarse si no se hacen ensayos in situ y en laboratorio.

CONTROL DE REFLEXION DE FISURAS

 La reflexión de fisuras tiene lugar debido a una concentración de deformaciones en el refuerzo por el movimiento en las inmediaciones de fisuras y juntas en el pavimento existente. Este movimiento puede ser de flexión o de corte inducido por cargas o contracción horizontal debido a cambios de temperatura. Los movimientos inducidos por cargas están influenciados por el espesor del refuerzo y el espesor y rigidez del pavimento existente. Los movimientos inducidos por temperatura están influenciados por variaciones térmicas diarias y estacionales, por el coeficiente de expansión térmica del pavimento existente y por el espaciamiento entre juntas y fisuras.

En el caso de un refuerzo de concreto asfáltico sobre hormigón simple u hormigón armado con juntas, la reflexión de fisuras se desarrolla bastante rápido (en menos de un año). La rapidez del desarrollo depende de los factores ya citados y del nivel de tránsito.

Las medidas para controlar la reflexión de fisuras son:

1. Aserrado y sellado de juntas en el refuerzo de concreto asfáltico en correspondencia con las juntas del pavimento de hormigón subyacente. Esta técnica ha sido muy exitosa cuando se aplica a refuerzos de concreto asfáltico sobre pavimentos de hormigón cuando la cuchilla encuentra la junta o la fisura con un margen de 1 pulgada (25 mm).

2. Incremento del espesor del refuerzo. En este caso la reflexión tardará más tiempo en desarrollarse.

3. Colocación de un estabilizado granular bituminoso previo a la colocación del refuerzo.

4. Colocación de una membrana sintética previa a la colocación del refuerzo. Esta solución es cuestionable.

5. Triturado y compactación del pavimento existente de hormigón.

6. Fisurado y asentamiento de pavimento de hormigón simple, o rotura y asentamiento del pavimento de hormigón armado con juntas.

La fisura reflejada en el refuerzo no sólo disminuye la serviciabilidad del mismo, sino que es una vía de entrada de agua a la estructura del pavimento. Esto provocará pérdida de adherencia entre el refuerzo y el pavimento existente, estriado con peladuras y desprendimientos en el pavimento de concreto asfáltico y aumento de fisuras de durabilidad o problemas con áridos reactivos en el hormigón. Es por esta razón que la junta o fisura reflejada debe ser sellada lo más pronto posible y resellarse toda vez que ocurra en la vida útil del pavimento.

TAREAS DE REPARACIÓN PREVIAS

 Los siguientes tipos de fallas en hormigón simple, hormigón armado con juntas y hormigón armado continuo deben ser reparadas previamente. En la siguiente tabla se indica el tipo de reparación a realizar según el tipo de falla:

Cuando se habla de reparaciones en todo el espesor del hormigón o reemplazo de losas de hormigón simple o armado con juntas, estas deben ser de hormigón, con pasadores o barras de unión a los efectos de asegurar una buena transferencia de cargas a través de la junta reparada. En algunos casos se han hecho reparaciones en todo el espesor en concreto asfáltico en lugar de hormigón. Esto no ha dado buenos resultados puesto que aparecen manchas en el refuerzo, apertura de juntas y fisuras y rápido deterioro en las inmediaciones del parche de concreto asfáltico.

 En el caso de pavimentos de hormigón armado continuo, las reparaciones en todo el espesor del mismo deben ser tales de asegurar una buena continuidad en la armadura mediante la soldadura o empalme con la armadura existente. No deben hacerse reparaciones de concreto asfáltico previo a la colocación del refuerzo. 

La instalación de drenes de borde, mantenimiento de drenes existentes o tareas de mejoramiento de las condiciones de drenaje deben ser hechas antes de la colocación del refuerzo. 

Las juntas de alivio de tensiones deben ser ubicadas solamente en correspondencia con estructuras fijas y no en intervalos regulares a lo largo del pavimento. La única excepción es cuando una reacción álcali-agregado produce expansión de la losa.