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Shrp-2 Renovación de pavimentos

El siguiente trabajo fue presentado en la XXXVIII Reunión del Asfalto en el marco del XVII Congreso Argentino de Vialidad y Tránsito.
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EDITORIAL

Editorial Especial 34

En el transcurrir de los tiempos, la creación y fabricación de la maquinaria vial como su aplicación en las obras de infraestructura es más exigente porque se enfrenta a nuevos

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*Por el Ing. Pablo Bolzán.

INTRODUCCIÓN

El programa SHRP-2 se inició en el año 2005 con el foco puesto en, nada menos, que los tres pilares fundamentales de todo proyecto: salvar vidas, ahorrar tiempo y reducir costos. En este segundo Programa Estratégico de Investigaciones en Carreteras (Stratregic Highway Research Program) se presenta la necesidad de acelerar la entrega de proyectos viales que cumplen con las expectativas del usuario en términos de seguridad y confiabilidad en la travesía entre comunidades. El SHRP original concluido en 1993 tuvo varios productos que cambiaron la forma de diseñar y analizar las mezclas asfálticas tales como el Superpave. La segunda edición, aún en desarrollo, denominado SHRP2 Solutions tiene cuatro áreas principales: seguridad en las carreteras, renovación de pavimentos, confiabilidad en el tiempo de viaje, y capacidad donde se estudian diversos temas sobre planificación del transporte.
El área de renovación de pavimentos se centra en la necesidad de acelerar la entrega de proyectos de renovación con mínimas interrupciones al tránsito y las comunidades, al tiempo que produce pavimentos de larga duración. Es decir, se establece la misión de renovar pavimentos en forma rápida y durable, todo un desafío para congeniar ambas cuestiones. La rapidez de rehabilitación de un pavimento hace, en muchos casos, que no se alcance uno durable precisamente. En este caso se generan las condiciones de proyecto de tal forma de combinar un elevado standard de ingeniería con una solución de rápida habilitación al tránsito.
Muchos métodos innovadores que tienen el potencial de doble tan codiciado ahorro de tiempo y dineros no fueron utilizados por una variedad de razones. La investigación en renovación de pavimentos emprendida por el SHRP2 tiene en cuenta dichas razones desarrollando productos avanzados y métodos que pueden ser aplicados con confianza por las agencias o vialidades.
La condición principal en el desarrollo del proyecto R-23 del SHRP-2 fue la de incorporar la vieja estructura dentro de la nueva de renovación indicando cómo y cuándo llevarla a cabo en forma rápida y durable.
Dentro de los objetivos del proyecto caben mencionar la identificación de alternativas para usar los pavimentos existentes en el lugar para su rápida renovación, el análisis de las ventajas y desventajas de cada caso de renovación bajo diferentes condiciones de proyecto, establecer criterios detallados sobre cuando un pavimento existente puede ser utilizado en el lugar (reutilizado), ya las modificaciones necesarias, y la identificación de las prácticas y técnicas disponibles para construir pavimentos de las características señaladas.
La renovación de pavimentos debe ser de manera simple, pero no demasiado tal que no se tengan en cuenta lo que ocurren en las capas inferiores. La calidad de construcción resulta esencial en el proceso de renovación de pavimentos, al igual que la unidad de funcionamiento, esto es que las capas tengan buena liga. En cuanto a la fundación es importante su uniformidad para evitar concentración de tensiones. En los pavimentos con capas con fisuras y juntas es importante eliminar los movimientos térmicos para evitar fisuración refleja.
En cuanto a las mezclas asfálticas a emplear en sistemas de renovación de pavimentos, se señala la existencia de tres características fundamentales para garantizar su durabilidad: bajo volumen de vacíos de aire en la mezcla compactada, alto contenido de asfalto efectivo y el empleo de granulometrías con menores tamaños máximos, normalmente no mayores de 12 mm en carpetas. Esto es coincidente con lo publicado en la TRL Road Note 42 en el 2008 donde se recomienda el uso de mezclas con alto contenido de ligante, bajo contenido de vacíos de aire y reducidos tamaños máximos en las mezclas. La misma publicación también indica la necesidad de una adecuada liga entre capas, el cuidado de todas las juntas tanto horizontales como verticales.
Es mejor aplicar capas espesas que capas delgadas para mejorar su trabajabilidad y obtener mejores compactaciones, esto no significa que descartemos las mezclas delgadas sino que se respete una relación espesor/tmn no menor a tres en capas de granulometría fina y cuatro para las gruesas (con PT4 menor del 47% según AASHTO M 323).
Desde luego, no existe un pavimento durable sin un sistema de drenaje adecuado y en buen servicio. Por lo cual, una de las primeras condiciones de aseguramiento de longevidad de la renovación de pavimentos es el estudio del sistema de drenaje y sus posibles mejoras.
En definitiva, el método de renovación tiene que ser tal que se maximice su longevidad y se alivie la carga de mantenimiento. Por ello se emplean mezclas asfálticas de alto desempeño tales como las recomendadas por SHRP-2 siendo su máxima expresión las SMA.
El principio de sustentabilidad no fácilmente definible en un pavimento, debe sin embargo ser empleado en todo proceso de diseño. Para lo cual SHRP-2 basó su método de diseño en el principio de Pavimento Perpetuo. El mismo se basa en el criterio del endurance limit o límite de resistencia a la fatiga y a la deformación permanente a fin de generar una estructura suficientemente resistente para un largo período (50 años) limitando el mantenimiento a la capa superior. Pavimento Perpetuo o Mantenimiento Perpetuo es la dicotomía que presenta el diseño de pavimentos. En la figura 1 se representa un diagrama del principio de pavimento perpetuo que utiliza el Departamento de Transporte de Texas.

 

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En el diseño de pavimentos de larga vida, así denominados en Europa, se emplea el criterio de la deformación limitante para mejorar el comportamiento a fatiga de las mezclas asfálticas. Así, incrementando el contenido de ligante y reduciendo vacíos se alcanza una mejor vida de fatiga, aumentando espesores se reduce la tensión de tracción en la última capa asfáltica conformando entonces el principio de diseño a perpetuidad. La relación de daño de diseño es menor que la unidad garantizando un comportamiento sin fatiga durante el período considerado en la estructura. Solamente se recambia la capa de rodamiento en forma periódica.
Las aproximaciones a pavimento perpetuo fueron realizadas mediante el programa PerRoad desarrollado específicamente para el diseño de pavimentos de larga vida a través de análisis elástico multicapa con procedimientos de análisis estadísticos (simulación Monte Carlo) para estimar tensiones y deformaciones dentro del pavimento. Las mismas fueron también verificadas con corridas del MEPDG empleando el criterio de la deformación límite.
Durabilidad y sustentabilidad son sinónimos y por ello es que se insiste tanto en alcanzar proyectos longevos, con el menor mantenimiento posible. En definitiva, de acuerdo con la definición de Brundtland: “la generación presente tiene el legítimo derecho de usar los recursos naturales, pero al mismo tiempo, tiene la responsabilidad de considerar las necesidades de las futuras generaciones cuando las emplea”. Y más aún, el mismo Papa Francisco en su Encíclica sobre el cuidado de la casa común (Laudato Sí) señala que “los esfuerzos para un uso sostenible de los recursos naturales no son un gasto inútil, sino una inversión que podrá ofrecer otros beneficios económicos a mediano plazo”. Esto se traduce en la jerga vial, en el uso de materiales no sustentables como el asfalto en forma sustentable, es decir maximizando su durabilidad. Nuevamente, menores vacíos, mayores volúmenes de asfalto en mezcla junto con menores tamaños máximos y mayores espesores pueden garantizar un uso sustentable del asfalto.
Se debe primero convertir la mente del diseñador en la dirección de la obtención del mayor segmento de vida posible a dar a la estructura nueva y de renovación. Considerar el círculo virtuoso que comienza con el diseño mismo del pavimento y sus capas, pasando por una correcta instalación, reduciendo la carga de mantenimiento y finalmente pensando en su renovación a largo plazo. Las fallas de estas estructuras se limitan a su superficie a lo largo de los 50 años de vida útil.
SHRP-2 en su proyecto R23 generó una gran cantidad de literatura relacionada, guías de diseño, matrices de decisión y tablas de espesores para diseño preliminar. Todo ello convenientemente reunido en un sitio web: rePave (pavementrenewal.org) desarrollado por Pavia Systems junto con la FHWA, TRB y AASHTO, donde se detallan todos los elementos que componen el sistema de renovación rápida de pavimentos junto a un software interactivo que permite obtener distintas alternativas de renovación.
El esquema de evaluación del R23 tiene las siguientes etapas:
1-La identificación del tipo de pavimento, la categorización de las fallas existentes en el mismo.
2-El análisis del estado del pavimento.
3-La selección del tipo de renovación a adoptar y su aplicación.
Se comienza por la evaluación de los tipos de fallas comenzando por la falla dominante para luego avanzar horizontalmente en la tabla de renovaciones para seleccionar el tipo estructural de renovación (flexible, rígido, compuesto, losa de reemplazo) y de ahí pasar a las acciones que conducen a dicho tipo de renovación.
Se debe evaluar el pavimento tanto en su superficie como en la estructura que encierra estudiando la condición estructural y la funcional (rugosidad, fricción, ruido, etc). Pero además de estudiar la condición de estado del pavimento, también se analiza la productividad y el impacto sobre el tránsito de la solución en estudio como así también los costos del ciclo de vida y el impacto ambiental.
La herramienta interactiva rePave incluye un manual para la evaluación de proyectos, guías para mejores prácticas para pavimentos flexibles y rígidos, manual de pavimentos compuestos, una guía para preparar especificaciones técnicas para renovación de pavimentos, el procedimiento de LCCA y una publicación sobre tecnologías emergentes. Se trata de un sistema de renovación de pavimentos completo, con abundante literatura técnica e información nacional e internacional sobre el tema.

 

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RePave fue desarrollado en base a un extenso banco de datos proveniente mayormente del programa LTPP (Long Term Pavement Performance) producto del SHRP original. También se basó en cientos de simulaciones de diseños de pavimentos basados en la nueva guía mecanístico-empírica ME y el PerRoad. Así surgieron unas veinte matrices de decisión aplicables a casi la totalidad de pavimentos existentes y condiciones de falla a partir de las cuales se indican las posibles rehabilitaciones con inclusión de la vieja estructura.

Se confeccionaron doce reglas de decisión para los casos de rehabilitación de estructuras asfálticas sobre asfalto, sobre hormigón triturado con Rubblizing, Crack & Seat, hormigón armado, etc. Existen variantes de refuerzos de hormigón no ligado sobre hormigón armado, hormigón ligado sobre hormigón armado, sobre pavimento compuesto, de losas prefabricadas sobre asfalto o sobre hormigón, de compuesto no ligado sobre asfalto o sobre pavimento compuesto. También se dan soluciones de pavimento compuesto nuevo (asfalto y hormigón construidos de una vez, y hormigón sobre hormigón fresco sobre fresco), etc.
Es decir, se tiene un menú de soluciones muy variado y rico en técnicas flexibles, rígidas y compuestas y por primera vez se introduce el pavimento compuesto nuevo dado que normalmente se producen como refuerzo de capas asfálticas sobre hormigón viejo. En definitiva, el R23 del SHRP2 presenta soluciones de renovación de pavimentos con técnicas asfálticas, de hormigón y una combinación de ambos.
Como ejemplo se muestran una serie de tablas donde se indican el tipo de pavimento existente, la identificación de la falla predominante, el tipo de renovación de pavimento y las acciones a aplicar para ello. Así por ejemplo, cuando en el pavimento flexible predomina la fisuración relacionada con el clima se tienen las siguientes posibilidades de renovación.

 

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En dicha tabla para pavimentos flexibles se indica falla tipo fisura transversal o en bloque, con cuatro tipos de renovación (flexible, rígido, premoldeado, compuesto) considerando períodos de diseño entre 30 y 50 años, y tres clases de subrasante (5, 10 y 20 mil psi).
Las acciones a llevar a cabo para rehabilitar el pavimento con fisuras tipo bloque comprenden varias posibilidades incluyendo la pulverización de las capas afectadas y la colocación de capas asfálticas en espesor adecuado, la pulverización de las capas y su tratamiento con cemento, emulsión o espuma, o simplemente la remoción de las capas afectadas y la colocación siempre de una capa de alto espesor de asfalto. Cuando se habla de pavimentos de larga vida se tiene que pensar en espesor de diseño de al menos unos 15 cm. Es interesante ver las otras posibilidades con pavimento rígido, losas pre moldeadas y con estructuras compuestas. En este último caso, si opta por la combinación asfalto/hormigón se indica remover las capas afectadas y aplicar losas de hormigón de espesor variable según el tránsito con una carpeta de rodamiento de concreto asfáltico en 4 cm de espesor.
El uso de pavimentos combinados asfalto/hormigón se calcula dejando fijo el espesor de asfalto en 4 cm sobre un espesor de hormigón variable entre 7 y 12 pulgadas (18 y 30 cm). La cuestión de la mitigación de la reflexión de juntas se tiene en cuenta a través de distintas técnicas entre las cuales la de mayor aceptación es el aserrado de la capa asfáltica en correspondencia con las juntas y su sellado con asfalto polímero. Existen otras posibilidades de asfalto/rígido como son las capas asfálticas sobre hormigón pobre, sobre base granular con cemento, o sobre hormigón rodillado.
En el caso de la fisuración por fatiga en la zona de huellas en todo el espesor como criterio de selección de las soluciones se divide el área afectada en menor del 10% y en mayor o igual al 10%. Si el área afectada es menor del 10% del total de la huella las soluciones pueden incluir bacheo y refuerzo, colocación de refuerzo de hormigón sin liga, colocación de combinación asfalto/hormigón no ligado, etc. Para cuando el área es mayor al 10% es necesario adoptar soluciones que involucren el pulverizado o reemplazo de la misma cuando se trata de renovación flexible.

 

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Un caso interesante, aún no muy bien entendido por los expertos, es el tema del top-down cracking (fisuración de superficie hacia abajo) en forma longitudinal o en piel de cocodrilo en las huellas. Este fenómeno que suele atribuirse a exceso de tensiones en la superficie por una combinación de cargas y envejecimiento del ligante también divide criterio en menor al 10% del área afectada y mayor o igual al mismo. Nuevamente, para el primer caso pueden aplicarse técnicas de bacheo y refuerzo asfáltico, pulverización y tratamiento de la capa afectada, o bien reemplazo total del material afectado.

 

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En el caso de los pavimentos compuestos existentes, el criterio de falla se divide en dos niveles: aceptable, con mayormente fisuración refleja, y pobre estado indicando daño de distinta consideración en la capa de hormigón. En el caso de soluciones flexibles para cuando no hay daño en hormigón se procede a la remoción de la capa de asfalto y su reemplazo por una nueva.
Los espesores de diseño que se muestran en las tablas de las figuras 6 y 7 fueron calculados utilizando el criterio de la deformación límite con factores de diseño incluyendo el tránsito, módulo de la subrasante y de la base, espesores, datos del clima y variaciones estacionales, ligantes clasificados por PG para cinco ubicaciones de los Estado Unidos típicas y relaciones de daño igual a 0,1 para 50 años. (Ver figura 6)

 

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La validación de las técnicas de renovación adoptadas se hizo a través de varios proyectos estratégicos pertenecientes a Michigan I-75 en Cheboygan County, Minnesota I-35 en Chicago County, Missouri I-55 Perry County, Texas US-75 Loy Lake Road, Virginia I-95 en Caroline County y Washington I-5 Skagit County at Bow Hill, todo en Estados Unidos.
En definitiva, la renovación de pavimentos en forma sustentable implica el diseño de larga vida de los mismos, para lo cual es necesario considerar los siguientes elementos:

  1.  Diseño estructural: los espesores asfálticos son elevados, no menores a 15 cm y se trabaja con el concepto de la deformación límite y relación de daño menores a uno.
  2. La calidad en la etapa de instalación de los capas estructurales es fundamental. La densificación promedio en campo debe ser mayor al 93% de la DM Rice, la relación espesor/tmn en las mezclas debe ser mayor de tres para mezclas finas y de cuatro para las gruesas a fin de colaborar con el proceso de acomodamiento de las partículas durante la compactación y garantizar impermeabilidad. Deben prevenirse todo tipo de segregaciones, apuntar a la mejora en las densidades en zona de juntas y asegurar la calidad en los riegos de liga para garantizar la unidad de funcionamiento.
  3. Las mezclas asfálticas de mayor durabilidad tienen relativamente elevado contenido de asfalto efectivo, bajos contenidos de vacíos de aire en la mezcla compactada y bajo tamaño máximo nominal. Las mezclas de mejor desempeño son las SMA.
  4. Para un buen procesamiento de pavimento de hormigón a ser recapado por asfalto se prefiere la técnica Crack & Seat por sobre la de Rubblizing sin desmerecer la misma pero por razones de módulo.

 

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CONCLUSIONES
Uno de los productos más interesantes del segundo Programa Estratégico en Investigación de Carreteras (SHRP2) de los Estados Unidos es el que se refiere a renovación de pavimentos recogido en el proyecto designado como R23. En el mismo, la consigna es renovar en forma rápida y durable con obvios beneficios al utilizar el pavimento existente dentro de la nueva estructura diseñada. Larga vida se define entre 30 y 50 años, la rapidez la definen las acciones de renovación aplicadas sobre una base ya existente que es la estructura vieja con modificaciones no significativas.
Al emplear como apoyo la estructura existente se elimina la remoción de las capas que la componen, se reduce la importación de nuevos materiales, tiempos y costo. La investigación a nivel nacional e internacional dio como frutos un programa interactivo de diseño preliminar, guías de mejores prácticas y adopción de nuevas tecnologías.
El R23 logró alcanzar estrategias de rehabilitación efectivas para una vida de servicio entre 30 y 50 años tanto en pavimentos flexibles como rígidos y compuestos. Establece espesores de refuerzos preliminares para todo tipo de pavimentos y la adición de nuevos carriles en las calzadas rehabilitadas. Es un diseño para uso preliminar, no reemplaza los diseños ejecutivos de pavimentos con AASHTO o la Guía ME, pero resulta ideal para establecer comparaciones de diseños preliminares, estimación de costos de impacto ambiental.
SHRP2, R23 es un ejemplo a seguir en el diseño sustentable de renovación de pavimentos en forma rápida y durable, es además un compromiso a adoptar localmente en lugar de continuar con reparaciones de corta duración costosas y de alto riesgo.