Rugosidad en pavimentos de hormigón. Influencia de la temperatura

La rugosidad de los pavimentos de hormigón tiene dos componentes, una asociada a la calidad de la construcción inicial, y otra a la variación de su forma (alabeo) debido a cambios de temperatura y humedad. Como consecuencia de las mejoras en las técnicas constructivas, la incidencia de factores medioambientales ha incrementado su influencia relativa.
El alabeo de las losas es principalmente el resultado de la variación del gradiente de temperatura a través de la profundidad de la estructura del pavimento, el cual depende de las condiciones del clima y la hora del día.
Cuando la temperatura de la superficie es mayor que la del fondo, la parte superior de la losa se expande más que el fondo provocando una tendencia a curvarse en forma convexa; el peso propio de la losa opone resistencia a la deformación e induce esfuerzos de tracción en el fondo de la losa y esfuerzos de compresión hacia la parte superior de la losa. Con las temperaturas en forma inversa, situación común en la noche, la losa tiende a curvarse en forma cóncava y el patrón de esfuerzos presenta tracción hacia la parte superior de la losa y compresión hacia el fondo del pavimento. Estas variaciones de forma pueden alcanzar magnitudes importantes y originar fisuras prematuras en la losa.
El alabeo por humedad es un factor que se contrapone al alabeo por gradientes de temperatura durante el día. Este pandeo por humedad es provocado por un diferencial de humedad desde la parte superior hasta el fondo de la losa. La parte superior se encuentra más seca que el fondo de la losa y una disminución en el contenido de humedad provoca una contracción, mientras que un incremento provoca una expansión.
En el presente trabajo se analizó la influencia que las deformaciones por alabeo de origen térmico de las losas tienen en la rugosidad de la carretera, en forma teórica y práctica. La rugosidad es una cuantificación del grado de incomodidad e inseguridad que las irregularidades superficiales generan a los usuarios y se valora a través del Índice de Rugosidad Internacional (IRI).

El análisis teórico de las deformaciones se realizó con el programa EverFE. Esta es una herramienta 3D de análisis de elementos finitos para la simulación de la respuesta de sistemas de pavimentos rígidos de hormigón con juntas frente a las cargas del tránsito y efectos ambientales. El mismo permite de una manera simple y práctica estudiar los efectos de varios factores en el comportamiento de los pavimentos, y realizar estudios para comparar soluciones de diseño a través del análisis de las tensiones y deformaciones en distintos puntos de la estructura.

El programa devuelve una gran variedad de resultados de los cuales se analizaron los más relevantes para el estudio en cuestión, que son los desplazamientos verticales (Dzz) que experimentan los nodos que conforman el modelo de la losa ubicados en una línea de medición a 0.70 m del borde externo de la ruta, por donde circula la rueda externa de los vehículos.
Para la determinación de los gradientes de temperatura entre las fibras superior e inferior de la losa del pavimento, se utilizó el Software TEMPE, el mismo es un modelo matemático desarrollado por el Dr. Ing. Giovanon del Laboratorio Vial del IMAE-UNR, con el cual a partir del clima del lugar y las características de los materiales se calcula la variación de la temperatura a lo largo del día para distintas profundidades. De esta forma, es posible conocer la variación de temperatura entre las caras superior e inferior de la losa, y determinar el gradiente al que estará sometida en distintos momentos del día y del año. Como ejemplo, en la Figura 3 se muestra la variación de temperatura en una losa de 20 cm de espesor, correspondiente a un día típico del mes de enero, en la zona de Rosario.

Se analizaron tres localizaciones geográficas en Argentina de manera de representar distintos gradientes de temperatura. Las localizaciones elegidas son Abra Pampa en Jujuy, Rosario en Santa Fe, y Puerto Deseado en Santa Cruz.

ANÁLISIS DE DISTINTOS TIPOS DE PAVIMENTO
Pavimento de hormigón “convencional”, en distintas localizaciones geográficas
Se analizó un sector de ruta de dos carriles con juntas transversales cada 4.5 m. Las juntas transversales tienen barras pasadores, y la junta longitudinal tiene barras de unión. La interfase losa subbase no tiene adherencia entre capas.

Se realizó el análisis teórico para los siguientes casos:
* Ancho de carril: 3.65 m y 3.65 m con un sobreancho adicional de 0.60 m a cada lado.
* Espesor de losas de hormigón: 20 cm y 15 cm.
* Hormigón de la losa: Módulo de Elasticidad E (Hormigón H30) 34.000 MPa, Coeficiente de Poisson (µ) 0.25 y Densidad: 2.400 kg/m3.
* Subbase Hormigón pobre H8: Módulo de Elasticidad 3.000 MPa, Coeficiente de Poisson 0.2 y Densidad 1800 kg/m3.
* Hormigón elaborado con agregados pétreos de distinto origen, identificados por su coeficiente de expansión térmica (10-6 /ºC): piedra caliza 0.75, granito 1.1 y basalto 1.3.
* Perfil longitudinal de base plano, sin deformaciones.
Las figuras 6 y 7 muestran los resultados obtenidos, para la losa de 20 cm de espesor en las tres localidades elegidas, para los distintos tipos de agregados pétreos y para las situaciones con y sin sobreancho.

Estos resultados indican que la influencia del alabeo es importante, para todas las ubicaciones geográficas analizadas y para todos los tipos de agregado pétreo utilizados en el hormigón. La localización geográfica más crítica resultó ser Abra Pampa, que es la que tiene mayor amplitud térmica. Mientras que el agregado pétreo más crítico es el cuarzo, por tener un mayor coeficiente de dilatación térmica.
La existencia del sobreancho no brindó mejoras a la reducción del alabeo, por el contrario el IRI obtenido es mayor, y mayor aún cuando la temperatura es mayor en la fibra superior de la losa.
Para la ubicación del tramo en Rosario se realizó un análisis adicional para ver la influencia del espesor de la losa. Se consideraron losas de 3.65 m de ancho sin sobreancho, y con dos espesores: 15 cm y 20 cm. Los resultados obtenidos no indicaron diferencias apreciables en los valores de IRI. Por lo tanto, el espesor de losa no tiene gran influencia en el alabeo.
En los resultados teóricos previamente mostrados, se obtuvo que para un día promedio del mes de enero en Rosario la influencia estaría en 0.58 m/Km de incremento del IRI asociado a una curvatura convexa, y en 0.42 m/Km asociado a una curvatura cóncava. La variación completa del IRI resulta de la suma de ambas influencias obtenidas, o sea 1 m/Km. Es de recordar que el análisis teórico se realizó a partir de una losa plana, sin deformaciones del perfil longitudinal de origen constructivo.
Con el objetivo de realizar la validación de los resultados teóricos obtenidos, se realizaron mediciones periódicas en dos tramos de pavimento de hormigón. Las mediciones fueron llevadas a cabo con el equipo de respuesta dinámica Mays-JMF del IMAE. Los tramos seleccionados se encuentran cercanos a la ciudad de Rosario. Se hicieron mediciones a distintas horas del día, y durante varios días. Cada uno de los puntos que se observan en la Figura 8 es el promedio de cinco mediciones repetidas en cada momento. Los resultados de IRI obtenidos en los tramos presentan una variación importante, de 1.2 m/Km para una diferencia de temperaturas de la superficie del pavimento entre 12ºC y 49ºC.

Los resultados teóricos obtenidos para la variación de temperatura en la zona de Rosario, son comparables con los resultados obtenidos en campaña, y la variación de los resultados experimentales podría estar asociada al comportamiento del pavimento de hormigón frente a este parámetro.

Pavimento de hormigón con losas más cortas
Para la ubicación del tramo en Abra Pampa, que es la zona climática donde la influencia del alabeo resultó más importante, se analizaron los resultados comparativos de rugosidad para losas más cortas.
Los resultados obtenidos en la comparación entre losas de 4.5 m y 3.5 m, indican que con losas más cortas el alabeo tiene curvatura levemente superior, pero por ser losas más cortas, es menor la magnitud de deformación vertical, brindando un menor valor de IRI. (Ver Figura 9)

Repavimentación de pavimento flexible con whitetopping
En este caso el análisis se realizó considerando una estructura de pavimento flexible en estado avanzado de deterioro, que fue mejorada con la colocación de un pavimento de hormigón delgado con losas pequeñas.
El espesor de hormigón adoptado es de 15 cm. Las características del hormigón son las mismas que en los casos previos. Las losas son cuadradas con 1.80 metros de lado, no se encuentran vinculadas entre si, y se encuentran adheridas a la superficie asfáltica, situación garantizada por el fresado y el riego de liga.
El análisis se realizó solamente para la zona de Rosario. En la Figura 10 se observan los resultados obtenidos para el caso de mayor temperatura arriba, en forma comparativa con las soluciones del pavimento “convencional”. Como se observa, la variación del IRI para el WT es menos de la mitad que para el “convencional”, para todos los tipos de agregados pétreos.

CONCLUSIONES
EverFE es una buena herramienta ya que se pudo constatar que los resultados obtenidos constituyen una aproximación bastante precisa a los valores reales.
El análisis realizado indica que la influencia del alabeo en la rugosidad es importante, para todas las ubicaciones geográficas y agregados.
El espesor de losa no tiene gran influencia en el alabeo de las losas, los resultados de IRI obtenidos son semejantes.
La existencia del sobreancho no brindó mejoras a la reducción del alabeo.
Con losas más cortas la influencia del alabeo en el IRI es menor.
La repavimentación con whitetopping presenta variaciones del IRI menores al pavimento de hormigón “convencional”.

* La Dra. Ing. Marta Pagola, el Dr. Ing. Oscar Giovanon, el Ing. Jorge Páramo, el Tco. Enrique Santamaría, y los estudiantes Fanelli, Missana y Savaidis son del Laboratorio Vial IMAE, Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura, de la Universidad Nacional de Rosario.