INTERACCIN ENTRE CALIDAD DE MATERIALES Y COMPORTAMIENTO DE PAVIMENTOS Paul Garnica Anguas Jos Antonio Gmez Lpez Investigadores, Instituto Mexicano del Transporte Resumen. En este trabajo se presenta una discusin sobre la interaccin que debe mantenerse entre las recomendaciones de calidad para los materiales que constituyen la seccin estructural de un pavimento y el comportamiento esperado del mismo a lo largo de su vida de proyecto. Se presenta una discusin para el caso particular de las capas de subrasante, subbase y base, constitudas por suelos cohesivos compactados y materiales granulares. 1. INTRODUCCION El objetivo bsico de las recomendaciones de calidad de los materiales en secciones
estructurales de pavimentos carreteros es auxiliar a los ingenieros responsables de
proyecto, construccin y conservacin de las carreteras, en la seleccin de materiales
adecuados para contribuir a la minimizacin de los costos de conservacin y operacin
de esas obras.
Desde un punto de vista tcnico, la minimizacin de los costos mencionados necesita a
su vez un control estricto de los niveles de deterioro que se deben permitir en la seccin
estructural del pavimento. Los tipos de deterioro fundamentales en pavimentos flexibles
son el agrietamiento por fatiga y la acumulacin de deformaciones permanentes, tal y
como se ilustra en la Figura 1.
Figura 1. Deterioros fundamentales en pavimentos flexibles.
La acumulacin de deformaciones permanentes se manifiesta a manera de roderas en
la superficie de rodamiento y es resultado de la deformacin permanente en todas y
cada una de las capas que conforman la carretera, que es inducida por la aplicacin de
las cargas repetidas que transmite el trnsito vehicular.
La magnitud de la deformacin permanente que se puede tolerar depende por supuesto
de la importancia de la carretera; por ejemplo en ejes troncales no se puede permitir
ms de 1 cm si es que se quiere mantener el nivel del Indice de Regularidad
Internacional (IRI) por debajo de 2.5 m/km. En carreteras de altas especificaciones el
nivel de IRI debera mantenerse entre valores de 1 (recin construida) y no ms de 1.5
m/km durante el perodo de diseo.
El cumplimiento de tales requerimientos necesita no solamente especificaciones de
calidad de los materiales a emplear, sino un entendimiento global de los factores que
afectan el comportamiento de suelos, materiales granulares, concretos asflticos, etc.,
cuando se someten a condiciones de carga repetida.
En lo que sigue se presenta una discusin, a manera de ejemplo, entre la interaccin
existente entre las especificaciones de calidad usuales en capas de subrasante y base,
constituidas por suelos cohesivos y materiales granulares, y el comportamiento
esperado en trminos de deformaciones permanentes
2. SOBRE SUELOS COHESIVOS COMPACTADOS
Los suelos cohesivos se encuentran generalmente como parte del terreno de
cimentacin, en las capas de terrapln y subrasante de un pavimento. Es usual
establecer especificaciones de calidad en trminos de caractersticas como:
Granulometra
Porcentaje de finos
Lmite lquido
Indice plstico
Grado de compactacin
Valor Relativo de Soporte
Cuando una muestra de suelo compactado se somete a repeticiones de carga se
presenta tpicamente el comportamiento que se muestra en la Figura 2. Se observa que
la deformacin permanente se acumula rpidamente en los primeros ciclos y tiende a
un valor finito al cabo de varios miles de repeticiones.
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0 5000 10000 15000 20000 25000
Nmero de ciclos
Def
orm
aci
n (%
)
Figura 2. Evolucin de la deformacin permanente en un suelo compactado
sometido a carga cclica.
La magnitud final de la deformacin permanente acumulada depende ciertamente de
las caractersticas de calidad mencionadas anteriormente; por ejemplo, la Figura 3
ilustra las curvas isocaractersticas de deformacin permanente en el diagrama de
compactacin para un cierto suelo. Se puede observar que, para un contenido de agua
dado, la deformacin permanente disminuye ligeramente al aumentar el valor del peso
volumtrico seco. Sin embargo, las investigaciones muestran que la influencia del
contenido de agua es mucho mayor a la del peso volumtrico, tal y como se puede
apreciar en la misma figura. De hecho, existe una relacin clara entre la magnitud
esperada de la deformacin permanente y el grado de saturacin del suelo como se
muestra en la Figura 4.
11
12
13
14
15
16
15 18 21 24 27 30 33 36 39 42Contenido de agua (%)
Peso
vol
umt
rico
seco
(kN
/m3 ) Gw = 100%
95%
90%80%70%60%50%
0.16% 0.22 0.28 0.40 0.52 0.64
Figura 3. Curvas isocaractersticas de deformacin permanente en el espacio de
compactacin de cierto suelo.
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
20 30 40 50 60 70 80 90 100
Grado de saturacin (%)
Def
orm
aci
n pe
rman
ente
(%) Grado de saturacin correspondiente al ptimo de
compactacin
Figura 4. Dependencia de la deformacin permanente del grado de saturacin de un
suelo cohesivo compactado.
A partir de valores del grado de saturacin correspondientes a los ptimos de
compactacin y para cualquier energa de compactacin, la deformacin permanente se
incrementa notablemente. Lamentablemente ni el contenido de agua ni el grado de
saturacin son variables que sean consideradas en las especificaciones de calidad de
estos materiales.
3. SOBRE MATERIALES GRANULARES
Los materiales granulares son elementos comunes en la constitucin de las capas de
base y subbase en la seccin estructural de un pavimento. Es usual establecer
especificaciones de calidad en trminos de caractersticas tales como:
Granulometra
Lmite lquido
Indice plstico
Equivalente de arena
Grado de compactacin
Valor Relativo de Soporte
Desgaste de Los Angeles
Absorcin y densidad
Cuando una muestra de material granular se somete experimentalmente a repeticiones
de carga se observa tpicamente el comportamiento que se ilustra en la Figura 5. De
forma similar a lo que ocurre en suelos cohesivos compactados, la deformacin
permanente en materiales granulares se acumula rpidamente en los primero ciclos y
tiende posteriormente a un valor finito.
La magnitud de esta deformacin permanente final depende de las caractersticas de
calidad antes mencionadas pero no necesariamente en la forma en que pudiramos
pensar. Por ejemplo, en la Figura 6 se presenta la evolucin de la deformacin
permanente en dos muestras de material granular con granulometras diferentes. Se
observa que la muestra con granulometra uniforme (clasificacin SUCS, GP), presenta
una deformacin permanente menor en relacin a la bien graduada (clasificacin
SUCS, GW), y ello a pesar de que la muestra bien graduada tiene un peso volumtrico
inicial mayor.
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
0 4000 8000 12000 16000 20000 24000
Nmero de ciclos
Def
orm
aci
n pe
rman
ente
acu
mul
ada
%GW
Figura 5. Evolucin de la deformacin permanente en un material granular
sometido a carga repetida.
Figura 6. Comparacin de la acumulacin de la deformacin permanente de material
granular con granulometras diferentes y a mismo nivel de esfuerzos.
4. SOBRE COMPORTAMIENTO DE PAVIMENTOS
El mecanismo de acumulacin de la deformacin permanente es similar tanto en suelos
cohesivos como en materiales granulares y permite una reflexin muy interesante
cuando se extrapola al comportamiento de los pavimentos.
Tal y como se observa en las Figuras 2 y 5, la deformacin permanente se acumula
rpidamente en los primeros ciclos y luego tiende a un valor finito. Esto implica que en
0
20
40
60
80
100
0.01 0.1 1 10 100Tamao en mm
% q
ue p
asa
GPGW
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
0 20000 40000 60000 80000Nmero de ciclos
Def
orm
aci
n pe
rman
ente
ac
umul
ada
%
GW
GP
un pavimento, las capas de subrasante, subbase y base acumulan deformacin en los
primeros aos de servicio y al cabo del tiempo tienden a un valor finito.
Para un material granular, la magnitud de la deformacin permanente es muy
dependiente del nivel e historia de esfuerzos, tal y como se ilustra en las Figuras 7 y 8.
En esas Figura se aprecian dos fenmenos muy importantes:
1. La magnitud de la deformacin permanente alcanza un valor finito que
depende directamente del esfuerzo mximo aplicado. Si el esfuerzo se llegara a
incrementar, la acumulacin de la deformacin continuara nuevamente (Fig. 7).
2. Una vez alcanzado el valor finito de deformacin permanente, cualquier
nmero de repeticiones adicional de niveles de esfuerzo iguales o menores al
mximo aplicado ya no inducirn ninguna deformacin permanente adicional
(Fig. 8).
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000No. de ciclos
Def
orm
aci
n pe
rman
ente
ac
umul
ada
%
63 kPa
126 kPa
253 kPa
Figura 7. Acumulacin de la deformacin permanente de un material granular para
diferentes secuencias de aplicacin de la carga. Los escalones corresponden al
momento en que se incrementa el nivel de esfuerzo.
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
0 100000 200000 300000 400000 500000 600000
Nmero de ciclos
Def
orm
aci
n ac
umul
ada
% 1073 806 543 275 539 806 kPa
Figura 8. Acumulacin de la deformacin permanente en materiales granulares con
aplicacin de esfuerzos descendentes. Los nmeros indican el nivel de esfuerzo
aplicado en kPa.
Al menos tres implicaciones importantes se pueden deducir del anlisis de los
fenmenos mencionados. La primera es que el concepto de ejes equivalentes no es
aplicable en las capas de pavimento constituidas por suelos cohesivos materiales
granulares. En efecto, es el nivel de esfuerzo mximo el que controla la magnitud de la
deformacin acumulada.
La segunda implicacin es que una vez que esas capas de pavimento han alcanzado al
paso de los aos su valor finito de deformacin permanente, constituyen materiales
inmejorables para carreteras incluso si inicialmente presentaban desviaciones en
cuanto a sus caractersticas de calidad. En ese caso, la colocacin de una sobrecarpeta
disminuira an ms los niveles de esfuerzo antes soportados asegurando
prcticamente que ninguna acumulacin adicional de deformacin permanente se
presentar en esos materiales.
La tercera implicacin, an en fase de investigacin, es que parece muy posible que si
se controla el nivel de esfuerzo durante la compactacin, de manera que sea mayor al
esperado durante la vida de proyecto de un pavimento, se minimizara desde un inicio
la magnitud de la deformacin permanente que se pudiera presentar. Esto se ilustra en
la Figura 9 en donde se compara la magnitud final de la deformacin permanente, en
funcin del grado de saturacin, para el caso en que al suelo compactado inicialmente
por impactos se le compacta adicionalmente con 1000 repeticiones de un esfuerzo
mayor al esperado en campo. An para grados de saturacin mayores al
correspondiente ptimo de compactacin la mejora es evidente. Lo anterior es
igualmente aplicable a materiales granulares.
0.00
0.30
0.60
0.90
1.20
1.50
1.80
40 50 60 70 80 90 100
Grado de saturacin (%)
Def
orm
aci
n pe
rman
ente
(%)
Sin precarga
Precarga (1000 ciclos)
Figura 9. Efecto del nivel de esfuerzo de compactacin en la magnitud de la
deformacin permanente acumulada en un suelo cohesivo bajo carga repetida.
5. CONCLUSIONES
De acuerdo con lo presentado en este trabajo es evidente que las especificaciones de
calidad de materiales para construccin de pavimentos son una condicin necesaria
pero no suficiente para asegurar el buen comportamiento de una carretera, en trminos
de los niveles de deterioro esperados, especialmente en cuanto a deformaciones
permanentes se refiere.
Es fundamental mantener la interaccin entre las especificaciones de calidad de los
materiales y el comportamiento de los pavimentos de manera que se tenga una
retroalimentacin continua. Esto no ser posible sin un adecuado seguimiento de
nuestras carreteras que permita contar con un Banco de Informacin capaz de
proporcionar la informacin necesaria a nuestras actividades de proyecto, diseo,
construccin y conservacin de carreteras.
6. REFERENCIAS Garnica, A. P, et al (2000). Mdulos de resiliencia en suelos finos y materiales
granulares. Publicacin Tcnica No. 142. Instituto Mexicano del Transporte. Quertaro,
Mxico.
Garnica, A. P, et al (2001). Influencia de las condiciones de compactacin en las
deformaciones permanentes de suelos cohesivos utilizados en la construccin de
pavimentos. Publicacin tcnica No. 165. Instituto Mexicano del Transporte. Quertaro,
Mxico.
Gmez, L. J. A, et al (En proceso). Deformaciones permanentes en materiales
granulares. Instituto Mexicano del Transporte. Quertaro, Mxico.
Rico, R. A, et al (1991). Manual de calidad para materiales en la seccin estructural de
carreteras. Documento Tcnico No. 1. Instituto Mexicano del Transporte. Quertaro,
Mxico.
Secretara de Comunicaciones y Transportes (1986). Normas para muestreo y pruebas
de materiales, equipos y sistemas. Carreteras y aeropistas, materiales para terraceras.
Libro 6.01.01. Mxico.
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