Valoración de la transmisión de temperatura entre capas de un pavimento con y sin la interposición de un geosintético

*Por los Ings. Tatiana Obregón Hug y Luis H. Delbono.

1. Introducción

Los pavimentos podemos distinguirlos en flexibles y rígidos. En un pavimento rígido, se produce una distribución homogénea de la carga aplicada, dando como resultado tensiones bajas en la capa inferior denominada “subrasante”. En los pavimentos flexibles, la capa de rodadura no es rígida, por lo que se tienen deformaciones verticales y, consecuentemente, mayores tensiones en la subrasante respecto de los pavimentos rígidos. Figura 1.

1.1 Pavimentos de hormigón

Un pavimento rígido consiste en una losa de concreto simple o armado, apoyada directamente sobre una base o subbase. La losa, debido a su rigidez y alto módulo de elasticidad, absorbe gran parte de los esfuerzos que se ejercen sobre el pavimento. Se compone de losas de hormigón simple que en algunas ocasiones presentan acero y su periodo de vida útil varía entre 20 y 40 años; el mantenimiento que requiere es mínimo y comúnmente solo se efectúa en las juntas de las losas.

Entre los tipos de deterioro que se pueden evidenciar en pavimentos de hormigón existen:

• Fisura transversal o diagonal.
• Fisura longitudinal.
• Fisura de esquina.
• Escalonamiento de juntas y grietas.
• Bacheo deteriorado.
• Efecto alabeo.
• Otros.

• Rehabilitación de pavimentos

El control de los pavimentos se compone por todas aquellas acciones de conservación que, aplicadas en el tiempo, mantienen un nivel de servicio adecuado, tanto en el aspecto funcional como estructural. En la Figura 2 se muestra un gráfico que representa la forma general en que se deterioran los pavimentos, donde en los primeros años el deterioro es lento; sin embargo, existe un umbral en el cual el deterioro es acelerado, llegando rápidamente al final de la vida útil del camino.

Existen diferentes causas que llevan al deterioro de un camino y distintas alternativas para restituir las condiciones de seguridad y confort del mismo, una de las causas es la propagación de fisuras existentes en la capa inferior hacia la capa de superficie que se coloca como refuerzo. Para retardar este efecto comúnmente se utilizan materiales geosintéticos. En el caso de rehabilitar un pavimento de hormigón un efecto poco controlado es el alabeo.

Este trabajo aborda la incidencia de geosintéticos sobre el efecto de alabeo que se manifiesta en las losas de hormigón por la variación de la temperatura, siendo una función no especifica de estos materiales pero que indirectamente podría contribuir a la mitigación de este problema.

• Influencia de la temperatura. Alabeo.

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. 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 alabeo cóncavo tiende a provocar el levantamiento de las esquinas de las losas del pavimento y, en menor medida, en los bordes. Dicho efecto quita capacidad estructural en estas zonas, sumado a la deformación que el alabeo constructivo provoca, afectando negativamente al IRI. Esto no sólo reduce la calidad del pavimento en cuanto al confort del usuario, sino que tiende a acelerar su tasa de deterioro. Un buen control de la contracción del hormigón minimiza el alabeo constructivo maximizando el nivel de servicio y reduciendo la tasa de deterioro.

Cuando la temperatura de la superficie es mayor que la del fondo, la parte superior de la losa se expande más que éste provocando una tendencia a curvarse en forma convexa, Figura 4; 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 ella. 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. Esto 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 (Figura 3).

Un pavimento en servicio se encuentra sujeto a continuos cambios de temperatura y humedad. Esto se traduce en la generación de gradientes de estos parámetros en la sección de hormigón que provocan alabeos que se encuentran restringidos por el peso propio de la losa.

Durante el día, en general, el alabeo por temperatura y el de humedad se contrarrestan. En cambio, durante la noche, se combinan.

• Aplicación de los geosintéticos

Los pavimentos rígidos que no han recibido un correcto mantenimiento preventivo, o bien que éste ya no resulte suficiente, son sometidos a una rehabilitación para continuidad de su puesta en servicio. Una de las formas de realizar esta intervención es aplicando un geosintético entre la losa de hormigón y la capa a colocar de carpeta asfáltica para mitigar el reflejo de fisuras, Figura 5.

Si adicionalmente con la interposición del geosintético se disminuye la temperatura que le llega a la capa de hormigón rehabilitada, el efecto del alabeo podría reducirse y, consecuentemente, el pavimento rehabilitado tendría una mayor vida útil, debido a que el efecto de alabeo contribuye en la propagación de fisuras.

• Desarrollo experimental

Para llevar a cabo el desarrollo experimental se confeccionan probetas cilíndricas de 10 cm de diámetro, correspondiente al ensayo Marshall. Las mismas están compuestas por una capa inferior de hormigón dosificado en laboratorio, una capa intermedia de un material geosintético y una capa superior de mezcla asfáltica. Para lograr fijación entre los materiales se coloca un riego de liga entre las capas.

Capa inferior de hormigón

La dosificación se informa en la Tabla 1.

El moldeo del hormigón se realiza en probetas cilíndricas de 10 cm de diámetro y 20 cm de altura, dejando una perforación central para incorporar una termocupla que registre la temperatura. Posteriormente, se fraccionan probetas de 5 cm de altura para confeccionar diferentes sistemas donde se varía el tipo de material geosintético. La Figura 6 presenta el sistema conformado.

Riego de adherencia

Para garantizar la eficiencia durante toda la puesta en servicio del pavimento bituminoso, es fundamental que las capas estén adheridas, lo que se consigue mediante la aplicación de riegos de adherencia con emulsión asfáltica, Figura 7.

Se utiliza como riego de liga una emulsión catiónica modificada CR-62. La dotación utilizada es de 0,5 l/m².

Capa intermedia, geosintético

Se confeccionan los distintos sistemas, interponiendo geosintéticos de diferentes estructura y composición química, y se realiza una evaluación comparativa con el sistema sin geosintético. Los materiales utilizados son:

• Geogrilla / Geomalla (GRH)
• Geotextil No Tejido (GNT RT 08)
• Geogrilla / Geomalla (GR MAC)
• Geocompuesto (geomembrana + geotextil tejido) (FMPP)
• Geocompuesto (geomembrana + geotextil no tejido) (RBK)

En la Figura 8 se muestran los geosintéticos que, de izquierda a derecha y de arriba hacia abajo, son: GNT RT 08, RBK, GRH, FMPP y GR MAC.

Capa superior de mezcla asfáltica

La capa superior es un concreto asfáltico convencional denso de granulometría continua y tamaño máximo de agregado 19 mm (CAC D19 con asfalto del tipo CA-30). La Tabla 2 presenta los resultados de la mezcla elaborada.

Las probetas se realizan en dos líneas de producción. En primer lugar, se moldean cinco probetas con una capa inferior de hormigón de 5 cm, a las cuales luego se les realiza un riego para adherir cada uno de los geosintéticos. Posteriormente, se les coloca la capa de concreto asfáltico y se moldean compactando en un espesor de 5 cm. Se moldea una probeta similar sin interponer un geosintético como comparativa (Blanco s/ GST).

6.1 Sistemas complementarios

De forma comparativa se moldea el mismo sistema, variando el espesor de la capa superior de refuerzo asfáltico a 4 cm y 5 cm. También se moldean otros dos sistemas variando la cantidad de golpes (50 y 75 golpes) sobre la capa de refuerzo asfáltico para obtener diferentes densidades y analizar su incidencia en la transmitancia térmica.

La Tabla 3 presenta las densidades obtenidas de las probetas moldeadas a 50 golpes y 75 golpes.

6.2 Evaluación de la transmisión de temperatura

La evaluación de la transmisión de la temperatura entre capas de un pavimento depende de una gran cantidad de variables. Es necesario conocer la zona de ubicación de la obra, para este caso se trabaja con la información climática de la ciudad de La Plata en los meses con más radiación del año 2021 – 2022.

Para simular la irradiación en el laboratorio, se realiza un trabajo en conjunto con el equipo de Energías Alternativas, Tecnología y Desarrollo Sustentable (EnAlTecS), perteneciente al Centro de Investigación de Codiseño Aplicado (CODAPLI) de la UTN FRLP. Las probetas son expuestas a la actividad de lámparas halógenas Ultra Vitalux OSRAM de 300 Watts cada una con un espectro de distribución de radiación entre 800 y 2000 nm (irradiación similar a la solar) sobre la capa superior de refuerzo asfáltico durante 3,5 hs. La medición de temperatura se realiza utilizando termocuplas tipo K sobre la cara superior de la capa de hormigón, conectadas a un adquisidor de datos que almacena los valores registrados, Figura 9.

Las imágenes térmicas de las probetas se obtienen luego de 3,5 horas de exposición mediante el uso de una cámara termográfica Testo 865, Figura 10, con las siguientes características:

• Visualización de las diferencias en la temperatura desde 0,1 °C
• Detección automática de puntos fríos y calientes

En las Figuras 11, 12 y 13 se presentan algunas de las imágenes obtenidas.

 

En la Figura 12 se observa mayor “claridad” en la superficie de la probeta de 4 cm de espesor, lo que indica mayor temperatura.

• Resultados.

La Figura 10 presenta la transmisión de la temperatura a través del concreto asfáltico CAC D19 durante el tiempo de exposición a la radiación, sobre los diferentes sistemas.

Durante la primera hora de ensayo se observa que la pendiente de las curvas es más pronunciada, indicando el intervalo donde se produce la mayor absorción de calor. Luego, comienzan a estabilizarse alcanzando valores de temperatura promedio de 50 °C, siendo la diferencia entre el sistema con y sin geosintético de 5 °C.

La curva verde indica el aumento de la temperatura en la cara superior de la losa de hormigón sin la interposición de un geosintético. Las curvas restantes indican la variación según el material geosintético interpuesto.

Realizando una comparativa entre las distintas interfaces se aprecia que las geogrillas GRH y GR MAC son las menos eficientes en mitigar la transmisión de la temperatura, esto se debe posiblemente a que son de estructura abierta, lo que permite vinculación entre capas.

En el caso del geotextil no tejido RT 08, durante la primera hora de exposición, el calor se conduce con menor eficiencia hacia la capa de hormigón. Pasado este tiempo la temperatura registrada se incrementa debido a que, por la misma propiedad, el calor previamente absorbido comienza a acumularse.

En la Figura 10 también se observa que tanto el material FM PP, como el material RBK, presentan la mayor efectividad al momento de mitigar la temperatura que recibe la capa inferior de hormigón. Estos materiales son membranas visco elásticas con la adición de un geotextil.

En cuanto a los sistemas que presentan variación en los espesores, Figura 12, el ΔT alcanzado luego de 3,5 horas de exposición es de 4 ºC, de modo tal que las temperaturas finales registradas en las muestras de 5 y 4 cm son de 52 y 56 °C, respectivamente.

Para las probetas que se moldearon con diferentes golpes, la Figura 11 presenta que, para una exposición de 3,5 horas, la transferencia de la temperatura en una mezcla cuya densidad es de 2,336 gr/cm³ (75 golpes), difiere en menos de 1 ºC si se la compara con una mezcla de 2,299 gr/cm³ (50 golpes).

8. Conclusiones

1. Si se considera que las propiedades térmicas de la mezcla asfáltica no varían, se observa que para dos muestras de hormigón que poseen diferentes espesores de carpeta asfáltica, luego de un mismo período de exposición a la radiación, la temperatura registrada en la superficie de la losa rehabilitada es mayor en aquella con menor espesor producto de un mayor flujo de calor conducido.
2. La presencia de un material geosintético, dependiendo específicamente de su estructura, mitiga la transmisión de temperatura entre capas.
3. La disminución en la transmisión del calor contribuye a aminorar la variación de temperatura entre capas de pavimento. Con esto se logra mitigar el efecto del alabeo en las losas de hormigón, generando menos tensión superficial en las mismas, reduciendo el reflejo de fisuras en la capa de pavimento flexible.
4. Al realizar una comparativa entre los distintos geosintéticos, los geocompuestos estudiados generan mayor eficiencia respecto de la disminución de la transferencia de la temperatura hacia la capa de la losa de hormigón.

9. Referencias

[1] Perera, E. (2022). “Diseño de pavimentos flexibles – Vías de comunicación II”. Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional La Plata. Argentina.

[2] Perera, E. (2022). “Refuerzos de pavimentos – Vías de comunicación II”. Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional La Plata. Argentina.

[3] Becker, E. y Corallo, P. (S/F). “Influencia de la contracción por secado del hormigón sobre el alabeo de largo plazo de losas de pavimentos de hormigón”. Centro Técnico Loma Negra. Argentina.

[4] Calo, D. (2016). “Diseño de pavimentos de hormigón. Introducción teórica”. Instituto del Cemento Portland Argentino. Argentina.