Avances en la investigación de pavimentos CRCP

Erwin R. Kohler Ingeniero Civil, Candidato Doctoral

Universidad de Illinois en Urbana-Champaign ekohler@uiuc.edu

Jeffery R. Roesler Profesor Asistente

Departamento Ingeniería Civil

Universidad de Illinois en Urbana-Champaign jroesler@uiuc.edu

Resumen

Este artículo describe avances recientes asociados al diseño, construcción y ensayo de pavimentos de concreto con refuerzo continuo (CRCP en inglés). El trabajo incluye una revisión general del uso que se da a este tipo de pavimento en Estados Unidos y otros países, pero en particular se enfoca en los siguientes tres puntos que están interrelacionados: 1) Ventajas y uso de la inducción de grietas transversales, 2) Apertura de grietas y su relación con el comportamiento y desempeño del pavimento, y 3) Ensayo acelerado de secciones de prueba en Illinois. Abstract

This paper describes recent technical advances in design, construction, and testing of Continuously Reinforced Concrete Pavements (CRCP). The paper includes an overview of the use of CRCP in the US and other countries, but particularly focuses in the following three related topics: 1) Advantages and use of transverse crack induction, 2) Crack width and its relationship to pavement performance, and 3) Accelerated loading test of experimental sections in Illinois.

INTRODUCCIÓN

Los pavimentos de concreto con refuerzo continuo (CRCP en ingles, Continuously Reinforced Concrete Pavements) son un tipo de estructura de rodado cuya principal característica es la ausencia de juntas de contracción. El pavimento presenta un gran número de grietas transversales debido a la reducción de volumen en el concreto de cemento, sin embargo el acero de refuerzo controla la apertura de estas grietas, manteniendo continuidad en la estructura por extensiones de hasta varios kilómetros. El principal uso de pavimentos CRCP es en carreteras de alto tráfico. Por lo general estos pavimentos implican costos iniciales más altos, pero su ventaja radica en que requieren un mantenimiento mínimo, lo que hace que los costos totales resulten competitivos o inferiores cuando son analizados para toda la vida del proyecto. Al tener bajas necesidades de intervención, estos pavimentos son especialmente recomendados para el caso de carreteras urbanas y corredores de alto tránsito en los cuales los costos a los usuarios por demoras juegan un papel determinante. Un estudio de la Administración Federal de Carreteras de Estados Unidos [1] reveló que los pavimentos CRCP tienen mejor desempeño que cualquier otro tipo de pavimentos rígidos respecto a la duración de su vida útil. Una buena parte del sistema de carreteras interestatales de Estados Unidos fue construida originalmente con pavimentos CRCP. A la fecha, más de 45 mil kilómetros-pista se han construido en dicho país, y en los estados de Illinois y Texas este tipo de pavimento constituye el tipo principal de pavimento de carreteras de alta demanda. Francia ha utilizado pavimentos CRCP por varios años, en incluso utilizan un método particular para la instalación del acero de refuerzo [2]. En Holanda se han publicado recientemente especificaciones que permiten tratar estos pavimentos de manera coordinada en lugar de como proyectos aislados [3]. En Gran Bretaña la primera concesión de carretera del país (M6-Toll), que empezó a operar en 2004, contiene una sección de pavimento CRCP en la parte más crítica de su trazado [4]. Otros países en los que se utilizan pavimentos CRCP son Bélgica, España, Italia, Suiza, Australia y Nueva Zelandia. El diseño estructural de pavimentos CRCP consiste principalmente en determinar el espesor de la losa y la cantidad de acero longitudinal de refuerzo, además de los materiales y espesores de las otras capas estructurales. La cantidad de acero de refuerzo se calcula en base a la apertura máxima de las grietas transverales. El objetivo es lograr grietas finas que aseguren buena capacidad para transmitir las cargas de tránsito. Cuando las grietas transversales se convierten en grietas anchas, la transferencia de carga se reduce y pueden aparecer grietas longitudinales y fallas por hundimientos. Un hundimiento (punchout) es la falla más severa de los pavimentos CRCP y consiste en que un trozo del borde de la losa se desprende y se instala a un nivel más bajo que el resto de la superficie. Los hundimientos son causados por la acción repetitiva de cargas de tránsito, y se presentan con mayor frecuencia entre grietas transversales separadas a menos de 80 cm. Para determinar el porcentaje de acero (área) es necesario estimar la differencia de temperatura entre el momento en que el concreto comienza a resistir tensiones y las temperaturas mínimas que el pavimento puede experimentar. Valores en el rango de 0.55 a 0.70% de refuerzo se usan en Estados Unidos, mientras que en Europa se utiliza hasta 0.85%. La profundidad a la cual se instalan las barras de refuerzo puede variar, pero se deben situar en la mitad superior de la losa. Un mínimo de aproximadamente 8 cm se utiliza para evitar problemas constructivos y reducir la posibilidad de corrosión. La cantidad de acero y su profundidad en la losa afectan al mismo tiempo la apertura de la grietas y distancia final que habrá entre una grieta y otra. En cuanto al espesor de la losa, mientras mayor sea éste, mejor

resiste las cargas de flexión inducidas por los vehículos pesados, y se reduce la posibilidad de fallas por hundimiento y el progreso de la irregularidad superficial. Espesores típicos son de unos 25 cm, aunque en algunos casos se llega hasta 38 cm, dependiendo del tránsito projectado y las condiciones del suelo de fundación. Como material de base lo más comun son las bases tratadas con asfalto, seguidas por bases tratadas con cemento y bases granulares. En cuanto a la construcción, de primordial importancia son las condiciones de temperatura al momento de la colocacion del concreto. Si se pavimenta en condiciones de alta temperatura, el pavimento estará la mayor parte del tiempo más frío que lo que estaba al momento del fraguado, y por lo tanto las grietas estarán abiertas a causa de la contracción térmica. Por otra parte si la temperatura de fraguado es baja, las grietas estarán más cerradas.

INDUCCIÓN DE GRIETAS TRANSVERSALES

Las grietas en los pavimentos CRCP ocurren de manera natural, controladas simplemente por los factores de diseño (el acero de refuerzo, la fuerza de fricción entre la losa y el material de la base, y las propiedades del concreto) y las condiciones ambientales y de construcción. En la actualidad los modelos que permiten predecir la distancia natural promedio entre grietas transversales han mejorado, e incluso es posible pronosticar la distribución estadística del espaciamiento entre grietas [5]. Sin embargo aún existe la necesidad de uniformar esta distancia y eliminar algunas de las caracterísiticas no deseadas del agrietamiento que hacen que el pavimento sea más susceptible a las fallas por desconches y hundimientos. Una forma de atenuar el impacto de los defectos en la grietas naturales es a través de la inducción de grietas, lo que ha sido propuesto con anterioridad por otros autores [6,7]. Existen cuatro áreas principales en las cuales la inducción de grietas en pavimentos CRCP presenta ventajas por sobre el método tradicional de permitir grietas naturales [8], las que se analizan a continuación.

1. Formas y patrones de agrietamiento

La Figura 1 muestra defectos típicos de grietas naturales que pueden acelerar la falla del pavimento. Estos defectos son las grietas en grupo, grietas en forma de “Y”, grietas serpenteantes, y grietas divididas. Estudios de terreno [9,10] han demostrado que las grietas divididas y que se interceptan a menudo conllevan rompimiento en la superficie de la losa (spalling o desconche) y hundimientos. Numerosas investigaciones [9,11,12,13] sugieren que los defectos en la forma y el patrón de la grietas son extremadamente frecuentes y no pueden ser corregidos mediante mejoras en el diseño y en los métodos constructivos. La inducción de grietas produce patrones de grietas rectas y con distanciamiento uniforme.

Figura 1. Formas y patrones defectuosos asociados a grietas naturales

2. Distancia entre grietas

Un vasto estudio en pavimentos CRCP [13] reveló que la distancia promedio entre grietas transversales varía entre 0.3 y 2.0 metros. La distancia considerada ideal es de 1 a 1.5 metros. Cuando los segmentos de pavimento son cortos y la transferencia de carga a través de las grietas es insuficiente, éstos comienzan a responder a las cargas de tránsito de manera independiente unos de otros, y las tensiones de tracción en dirección transversal cerca de la superficie de la losa resultan más elevadas y pueden causar una grieta longitudinal por fatiga, lo que puede terminar en hundimiento (ver Figura 2).

Figura 2. Hundimiento en pavimento CRCP

3. Ancho de grietas

La inducción ayuda a que todas las grietas se generen a la misma edad, consiguiendo así una distribución uniforme de las deformaciones de contracción. Esto minimiza el riesgo de que algunas de las grietas se generen a muy temprana edad (a las pocas horas) y que por tanto sean más anchas y ofrezcan baja transferencia de carga.

Grietas en grupo

Grietas en forma de “Y”

Grietas serpenteantes

Ancho de la pista

Grietas divididas

4. Superficie de la cara de la grieta

La capacidad de transferencia de carga está determinada no solo por el ancho de la grieta si no también por la rugosidad o aspereza de las caras en contacto. Para conseguir buena trabazón entre los agregados es necesario evitar que las caras sean lisas. La inducción de grietas facilita la propagación de las grietas cuando el mortero no ha alcanzado gran resistencia, lo que causa que la grieta avance por la interfaz entre el mortero y los agregados en lugar de propagarse directamente a través de los agregados [14]. Las caras en contacto son más ásperas cuando los agregados no son cortados o atravesados por la grieta. Diversos métodos se han planteado para inducir las grietas en CRCP. Entre ellas están el aserrado, la inducción desde el interior usando insertos metálicos verticales (apoyados en el acero de refuerzo o sobre la base). Más adelante en este artículo se detallan dos métodos ensayado en secciones de prueba en Illinois.

ANCHO DE GRIETAS Y SU RELACIÓN CON EL COMPORTAMIENTO DEL PAVIMENTO

La apertura de grietas está relacionada estrechamente con la capacidad de transferencia de carga generada por la trabazón entre los agregados de las caras opuestas de la grieta. Los cambios en la temperatura del pavimento afectan de manera importante la apertura de la grieta y su forma (ancho a diferentes profundidades). Los resultados de investigaciones parecen indicar que no existe pérdida en la transferencia de carga en grietas con apertura pequeña, pero que los desplazamientos de corte que ocurren en grietas más anchas logran pulir las caras de la grieta reduciendo la vida del pavimento. En la guía de diseño de pavimentos AASHTO 2002 la modelación de la apertura de grietas es de la mayor importancia [15]. El ancho de las grietas es analizado para cada mes de la vida del pavimento, y es utilizado para determinar la progresión del número de hundimientos y de la rugosidad superficial. La secuencia de cálculo para analizar un determinado diseño de CRCP es como sigue: Primero se determina la distancia promedio entre grietas. Ésta se utiliza para calcular ancho de la grietas en el primer mes de vida. Para ello usa además una estimación de la retracción hidráulica del concreto, la caída de temperatura del pavimento para ese mes particular, y las restricciones al movimiento impuestas por el acero de refuerzo y la fricción de la base. A continuación se calcula la capacidad de transferencia de carga a través de la grieta, la que depende principalmente del ancho de ésta, pero además es afectada por el espesor de la losa, el material de la berma (arcén) y el material de la capa de base. De acuerdo a las cargas de tránsito y al ancho de la grieta, se estima la pérdida en la capacidad de transferencia de carga para este mes. De manera iterativa se calcula el ancho de grieta para el mes siguiente, considerando las nuevas condiciones ambientales de temperatura y humedad, y la variación en las propiedades de los materiales. En cada iteración la pérdida acumulada de transferencia de carga hace que cada segmento comience a comportarse de manera más independiente, con lo cual se aumentan las tensiones por flexión producida por las cargas de tránsito. Esto origina daño por fatiga en la fibra superior, la que se acumula para predecir la cantidad de fallas por hundimiento. La guía de diseño AASHTO 2002 está implementada en un software que realiza todas las operaciones internamente y entrega la predicción de resultados a lo largo de la vida del projecto. Para ello requiere información detallada de los materiales y del tránsito solicitante, y se apoya en información climática histórica. Los resultados que entrega indican el ancho

promedio de grietas (no en la superficie sino que a la profundidad del acero de refuerzo), la rugosidad IRI, y el número de hundimientos por milla. (calibrado con tramos de todo EEUU)

SECCIONES DE PRUEBA DE CRCP EN ILLINOIS

El ensayo acelerado de pavimentos es un procedimiento que proporciona información sumamemente útil acerca del posible desempeño de la estructura, y hay una tendencia global hacia el uso de ésta técnica de ensayo. Diez secciones de prueba de pavimentos CRCP fueron construídas en la Universidad de Illinois con el objetivo de comparar la respuesta estructural de diferentes diseños. Las secciones están dispuestas en dos pistas de 150 m de largo, con cinco tramos de 26 m cada una, más zonas de transición entre tramos y anclajes en los extremos. Los tramos de una de las pistas fueron dedicados a inducción de grietas y los de la otra fueron sujectos a ensayo acelerado de cargas de tránsito.

La inducción de grietas se hizo con dos métodos. El primero es corte con sierra tipo Soff-Cut®, realizado cuatro horas después de colocado el concreto, y hasta una profundidad de 6 cm. El segundo es un método experimental que consiste en la inserción automática de una cinta plástica en el concreto fresco para crear un plano de debilidad en el tercio superior de la losa (ver Figura 3). Un total de 109 grietas se indujeron usando ambos métodos, creándo espaciamientos de 0.6, 1.2 y 1.8 m. Los resultados de la inducción de grietas fueron comparados con respecto a la pista con grietas naturales. El estudio demostró que las grietas inducidas se propagaron más rápido y resultaron más rectas que las grietas naturales, al tiempo que permitieron conseguir el espaciamiento de grietas deseado. Más detalles acerca de la inducción de grietas se puede encontrar en referencia [8].

Figura 3. Inserción de cinta plástica para inducir grietas

Para estudiar el comportamiento estructural de las otras cinco secciones del projecto, una vasta red de instrumentación fue instalada en el pavimento. Termocuplas y strain gages fueron colocados a varias profundidades al momento de la construcción. A ellos se suman sensores instalados al borde de la losa para monitorear movimientos verticales y horizontales en las

grietas. Cada una de las cinco secciones de esta pista fue sometida a carga usando la máquina de ensayo acelerado de pavimentos ATLAS (Accelerated Transportation Loading ASsembly), que se muestra en la Figura 4. La máquina aplicó miles de pasadas con cargas de hasta 25 toneladas en una sola rueda. Estos altos niveles de carga, que además fueron aplicados al borde de la losa, simularon en algunas semanas el equivalente a varios años de tránsito pesado sobre el pavimento. Las dos pistas del experimento se muestran en la Figura 5, incluyendo la estructura móvil que alberga al ATLAS durante los ensayos.

Figura 4. Equipo ATLAS para ensayo acelerado de pavimentos

Figura 5. Vista general de los tramos de prueba

Los resultados de los ensayos de carga indican que las deflecciones obtenidas al borde la losa aumentan con la acumulación de pasadas. Esto se explica por la deformación permanente en las capas inferiores de la estructura que terminan creando un vacío bajo la losa. A medida que el nivel de la base cerca del borde del pavimento va bajando, la losa pierde soporte y se ve

expuesta a mayores deformaciones de flexión. Esto era reflejado durante el experimento en las mediciones obtenidas con los strain gages, los que habían sido ubicados cerca de la superficie de la losa, en dirección transversal, y aproximadamente a 1.3 m desde el borde. Las tensiones causadas por cargas normales de tránsito normalmente no alcanzaron ni al 20% de la capacidad flexural de la losa. Sin embargo estas tensiones son capaces de propagar grietas longitudinales por fatiga cuando se acumula una gran cantidad de ciclos o cuando se aplican cargas excesivas. Éstas grietas alcanzan el borde del pavimento tras atravezar varias grietas transversales, pero se interconectan entre sí. Mapas de agrietamiento en las secciones del experimento se presentan en la Figura 6. Para llegar a estos niveles de falla fue necesario aplicar más de 120 mil repeticiones, la mayoría con sobrecargas, que equivalen en total a más de 600 millones de Ejes Equivalentes AASHTO. Ninguna grieta longitudinal se produjo en la sección 4, aunque se aplicaron cargas similares a las usadas en las secciones 1 a 3. La sección 5 estuvo sometida a menos carga debido a problemas con la máquina ATLAS. El espesor de la losa en las secciones 4 y 5 es de 36 cm, mientras que las secciones 1 a 3 tienen losas de 25 cm.

Figura 6. Mapas de agrietamiento al final del experimento

Durante el ensayo de las secciones se desarrollaron además dos métodos de medición de apertura de grietas basados en deformaciones causadas por la carga vertical. Cuando la rueda se encuentra sobre una de las grietas transversales, la parte superior de la grieta se cierra y la

parte inferior se abre en flexión. Se observó que la grieta era capaz de cerrarse en mayor o menor magnitud de acuerdo a las condiciones de temperatura y carga. El detalle de como obtener ancho de grietas usando ensayos de espectro de temperatura y espectro de carga se puede encontrar en la referencias [16] y [17].

CONCLUSIONES

Este trabajo ha presentado algunos avances en la investigación de pavimentos CRCP. Las conclusiones son las siguientes:

- Los pavimentos CRCP ofrecen una solución atractiva para carreteras de altos niveles de tránsito, y su principal ventaja es la escasa necesidad de mantenimiento.

- La inducción de grietas en CRCP es una técnica que actualmente no se utiliza pero que resulta promisoria para reducir los problemas de las grietas naturales.

- El ancho de las grietas es el aspecto más importante que afecta al desempeño de los pavimentos CRCP, y la guía de pavimentos AASHTO 2002 permite utilizar este enfoque para verificar los diseños.

- El ensayo acelerado de pavimentos es una técnica que ayuda a identificar los mecanismos de falla, y así permite apuntar a mejoras en los diseños, los materiales y la construcción, de modo que evitar fallas prematuras. Para fallar las secciones de prueba fue necesario aplicar altos niveles de carga y un alto número de repeticiones.

REFERENCIAS

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4. World Highways/Routes du Monde (2001). “Innovative CRCP for Longer Life” Volume 10, Issue 6, pp 45-47, 49.

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7. Zollinger, D.G., Buch, N.,Xin, D., Soares, J. (1999). “Performance of Continuously Reinforced Concrete Pavements. Volume 6 - CRC Pavement Design, Construction, And Performance.” Informe FHWA-RD-97-151, U.S. Department of Transportation, Washington, D.C.

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9. Zollinger, D.G. (1989). “Investigation of Punchout Distress in Continuously Reinforced Concrete Pavement.” Disertación de Ph.D., Universidad de Illinois.

10. Suh, Y.-C., McCullough, B.F, Hankins, K.D. Development and Application of Randomness Index for Continuously Reinforced Concrete Pavement. Transportation Research Record 1307, TRB, National Research Council, Washington, D.C., 1991, pp. 136-142.

11. Tayabji, S.D., Stephanos, P.J., Gagnon, J.S., Zollinger, D.G. (1998). “Performance of Continuously Reinforced Concrete Pavements. Volume 2 - Field Investigations of CRC Pavements.” Informe FHWA-RD-94-179.

12. Tayabji, S.D., Zollinger, D.G., Vederey, J.R., Gagnon, J.S. (1998). “Performance of Continuously Reinforced Concrete Pavements. Volume 3 - Analysis and Evaluation of Field Test Data.” Informe FHWA-RD-94-180

13. Tayabji, S.D., Wu, C.L., Plei, M. (2001). “Performance of Continuously Reinforced Concrete Pavements in the LTPP Program.” Séptima Conferencia Internacional de Pavimentos de Concreto – Orlando, Florida, USA – Septiembre 2001

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15. ERES Consultants Division of Applied Research Associates, Inc. (2004). “Development of the 2002 Guide for the Design of New and Rehabilitated Pavement Structures (NCHRP Project 1-37A)”, Draft Final Report.

16. Kohler, E.R., y Roesler, J.R. (2004). “Crack Width Determination in Continuously Reinforced Concrete Pavements”. Segunda Conferencia Internacional de Ensayo Acelerado de Pavimentos, Minneapolis, Minnesota.

17. Kohler, E.R.; y Roesler, J.R. (2004). “Crack Width Measurements in Continuously Reinforced Concrete Pavements” aceptado para su publicación en la revista Journal of Transportation Engineering, ASCE.