FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERÍA PROGRAMA ACADÉMICO DE INGENIERÍA CIVIL TESIS “ESTUDIO COMPARATIVO ENTRE COSTO Y TIEMPO DE EJECUCIÓN ENTRE LOS PAVIMENTOS: RÍGIDOS, FLEXIBLES Y SEMIRRÍGIDOS EN EL BARRIO LA UNIÓN, DISTRITO DE SHAMBOYACU, PROVINCIA DE PICOTA, DEPARTAMENTO DE SAN MARTÍN” PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO CIVIL ASESOR: Ing. ENRIQUE NAPOLEÓN MARTÍNEZ QUIROZ, M.Sc. AUTORES: MARIÑAS PEREZ, Daniel Alejandro DEL AGUILA ROJAS, Harodl Víctor TARAPOTO – PERÚ 2022 DEDICATORIA Dedico esta tesis a mis hijas Xiomara y Jimena, a mi esposa Guisela, a mis padres Raul y Marllury y a mis suegos Juan y Betariz. Todos ellos fueron la inspiración y soporte para lograr con esfuerzo y sacrificio alcanzar la maravillosa carrera de Ingeniería Civil. Daniel Alejandro Mariñas Pérez Dedico esta tesis a mis padres, mi esposa y a mis Hijos. Víctor Del Aguila Ruiz y Eteldith Rojas Pérez, mi esposa Lidia Kasandra Malpartida Martel y a mis adorados hijos Víctor Adrik Del Aguila Malpartida y Harold Adam Del Aguila Malpartida. que siempre me apoyaron incondicionalmente y son mi motivo para poder llegar a ser un buen profesional. No podría sentirme más afortunado y dichoso con la confianza puesta sobre mi persona, especialmente cuando he contado con su mejor apoyo desde que tengo memoria. Harodl Víctor Del Águila Rojas AGRADECIMIENTO Agradezco a Dios por haberme brindado el camino en el momento oportuno, a los docentes de la Universidad Científica del Perú por facilitarnos sus sabias enseñanzas. A nuestro asesor de tesis por orientarnos para la consecución de nuestro trabajo de Investigación. Daniel Alejandro Mariñas Pérez Agradezco a Dios por ser quien me brindo las fuerzas, sabiduría y paz necesaria para lograr un sueño más en mi vida. A mis padres, por su apoyo en todo momento de mi vida, por ser un ejemplo de responsabilidad, dedicación amor y comprensión para toda mi familia. A mis maestros, quienes durante la vida universitaria no solo fueron una fuente de conocimientos sino también de experiencias, y a nuestra Universidad que nos permitió culminar con éxito esta carrera. Agradecimientos especiales a mi asesor de tesis el Ing. Enrique Napoleón Martínez Quiroz, M. Sc., por guiarme y orientarme en todo el proceso de tesis, por su apoyo metodológico, empatía, responsabilidad, ética profesional y sobre todo por su amabilidad y comprensión hacia mí. Harodl Víctor Del Águila Rojas “Año del Fortalecimiento de la Soberanía Nacional” CONSTANCIA DE ORIGINALIDAD DEL TRABAJO DE INVESTIGACIÓN DE LA UNIVERSIDAD CIENTÍFICA DEL PERÚ - UCP El presidente del Comité de Ética de la Universidad Científica del Perú - UCP Hace constar que: La Tesis titulada: “ESTUDIO COMPARATIVO ENTRE COSTO Y TIEMPO DE EJECUCIÓN ENTRE LOS PAVIMENTOS: RÍGIDOS, FLEXIBLES Y SEMIRRÍGIDOS EN EL BARRIO LA UNIÓN, DISTRITO DE SHAMBOYACU, PROVINCIA DE PICOTA, DEPARTAMENTO DE SAN MARTÍN” De los alumnos: MARIÑAS PEREZ DANIEL ALEJANDRO Y DEL AGUILA ROJAS HARODL VÍCTOR, de la Facultad de Ciencias e Ingeniería, pasó satisfactoriamente la revisión por el Software Antiplagio, con un porcentaje de 11% de plagio. Se expide la presente, a solicitud de la parte interesada para los fines que estime conveniente. San Juan, 20 de Diciembre del 2022. CJRA/ri-a 558-2022 Document Information Analyzed document UCP_INGENIERÍACIVIL_2022_TESIS_HARODLDELAGUILA_DANIELMARIÑAS_V1.pdf (D152513819) Submitted 12/7/2022 5:06:00 PM Submitted by Comisión Antiplagio Submitter email revision.antiplagio@ucp.edu.pe Similarity 11% Analysis address revision.antiplagio.ucp@analysis.urkund.com Sources included in the report Universidad Científica del Perú / UCP_INGENIERÍACIVIL_2021_TESIS_LUZCAMACHO_RODOLFOPIZARRO_V1.pdf Document UCP_INGENIERÍACIVIL_2021_TESIS_LUZCAMACHO_RODOLFOPIZARRO_V1.pdf (D110619301) Submitted by: revision.antiplagio@ucp.edu.pe Receiver: revision.antiplagio.ucp@analysis.urkund.com 3 Universidad Científica del Perú / UCP_INGENIERÍACIVIL_2022_TESIS_JIMYHERNANDEZ_DAMIANSAJAMÍ_V1.pdf Document UCP_INGENIERÍACIVIL_2022_TESIS_JIMYHERNANDEZ_DAMIANSAJAMÍ_V1.pdf (D124075023) Submitted by: revision.antiplagio@ucp.edu.pe Receiver: revision.antiplagio.ucp@analysis.urkund.com 3 URL: http://repositorio.ucp.edu.pe/bitstream/handle/UCP/1648/PIZARRO%20TUANAMA%20RODOLFO%20Y%20CAMA... Fetched: 11/24/2022 5:12:46 AM 5 Universidad Científica del Perú / UCP_INGENIERÍACIVIL_2021_TESIS_LÉBINISDIAZ_KENNYTEJADA_V1.pdf Document UCP_INGENIERÍACIVIL_2021_TESIS_LÉBINISDIAZ_KENNYTEJADA_V1.pdf (D117572588) Submitted by: revision.antiplagio@ucp.edu.pe Receiver: revision.antiplagio.ucp@analysis.urkund.com 1 URL: http://repositorio.ucp.edu.pe/bitstream/handle/UCP/1645/PIPA%20LECCA%20JORGE%20DAVID%20Y%20PIP... Fetched: 4/25/2022 1:29:30 AM 2 tesis Analisis comparativo_Steward Castrejon_ Ver Final.pdf Document tesis Analisis comparativo_Steward Castrejon_ Ver Final.pdf (D143200017) 1 Universidad Científica del Perú / UCP_INGENIERIACIVIL_2022_TESIS_ONANTELLO_VICTORSANGAY_V1.pdf Document UCP_INGENIERIACIVIL_2022_TESIS_ONANTELLO_VICTORSANGAY_V1.pdf (D139440600) Submitted by: revision.antiplagio@ucp.edu.pe Receiver: revision.antiplagio.ucp@analysis.urkund.com 1 URL: http://repositorio.ucp.edu.pe/bitstream/handle/UCP/640/JAIRO_TESIS_TITULO_2019.pdf?sequence=1&... Fetched: 6/18/2022 11:33:47 PM 1 URL: http://repositorio.ucp.edu.pe/bitstream/handle/UCP/1039/MARTHA_WALTER_ING.CIVIL_TESIS_2020.pdf... Fetched: 11/5/2021 3:57:11 PM 1 Entire Document http://repositorio.ucp.edu.pe/bitstream/handle/UCP/1648/PIZARRO%20TUANAMA%20RODOLFO%20Y%20CAMACHO%20ALARCON%20LUZ%20CLARITA%20-%20TESIS.pdf?sequence=1&isAllowed=y http://repositorio.ucp.edu.pe/bitstream/handle/UCP/1645/PIPA%20LECCA%20JORGE%20DAVID%20Y%20PIPA%20AMASIFUEN%20MOISES%20-%20TESIS.pdf?sequence=1&isAllowed=y http://repositorio.ucp.edu.pe/bitstream/handle/UCP/640/JAIRO_TESIS_TITULO_2019.pdf?sequence=1&isAllowed=y http://repositorio.ucp.edu.pe/bitstream/handle/UCP/1039/MARTHA_WALTER_ING.CIVIL_TESIS_2020.pdf?sequence=1&isAllowed=y ÍNDICE DEDICATORIA ......................................................................................................... i AGRADECIMIENTO ................................................................................................ii APROBACIÓN ........................................................................................................iii RESUMEN ...............................................................................................................1 ABSTRACT ..............................................................................................................2 CAPÍTULO I: MARCO TEÓRICO ...........................................................................3 1.1. ANTECEDENTES DEL ESTUDIO .............................................................. 3 1.1.1. Antecedentes internacionales ................................................................ 3 1.1.2. Antecedentes nacionales........................................................................ 7 1.1.3. Antecedentes Locales ........................................................................... 11 1.2. BASES TEÓRICAS ................................................................................... 12 CAPITULO II: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ..........................................53 2.1. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA ............................................................ 53 2.2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA .......................................................... 54 2.2.1. Problema general .................................................................................. 54 2.2.2. Problemas específicos .......................................................................... 54 2.3. OBJETIVOS .............................................................................................. 54 2.3.1. Objetivo General .................................................................................... 54 2.3.2. Objetivos específicos ............................................................................ 54 2.4. HIPÓTESIS ............................................................................................... 55 2.5. VARIABLES............................................................................................... 55 2.5.1. Variable Independiente ......................................................................... 55 2.5.2. Variable Dependiente ............................................................................ 55 CAPÍTULO III: METODOLOGÍA ...........................................................................56 3.1. TIPO Y DISEÑO DE INVESTIGACIÓN .................................................... 56 3.1.1. Tipo de Investigación ............................................................................ 56 3.1.2. Diseño de Investigación ........................................................................ 56 3.2. POBLACIÓN Y MUESTRA ....................................................................... 56 3.2.1. Población ................................................................................................ 56 3.2.2. Muestra ................................................................................................... 56 3.3. TÉCNICAS, INSTRUMENTOS, PROCEDIMIENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS ........................................................................................................ 56 3.4. PROCESAMIENTO, ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE LOS DATOS 57 CAPÍTULO IV: RESULTADOS .............................................................................58 4.1 RESULTADOS .......................................................................................... 58 4.2 ANÁLISIS DE RESULTADOS .................................................................. 82 4.3 PRESUPUESTO ..................................................................................... 110 4.4 TIEMPO DE EJECUCIÓN....................................................................... 116 4.5 RESULTADOS OBTENIDOS ................................................................. 119 CAPITULO V: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................ 124 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................. 128 ÍNDICE DE ILUSTRACIONES Ilustración 1: Sección transversal del pavimento flexible ..................................... 26 Ilustración 2:Gráfico para determinar Número Estructural requerido por capas asfálticas ............................................................................................................... 32 Ilustración 3: Sección Transversal Pavimento Rígido .......................................... 33 Ilustración 4: Esquema de esfuerzos debido a las cargas ................................... 35 Ilustración 5: Sección de pavimento semirrígido con base estabilizada con concreto ................................................................................................................. 43 Ilustración 6: Variación del PSI vs. El tráfico acumulado o tiempo para pavimentos de concreto y asfalto ......................................................................... 45 Ilustración 7: Influencia de la confiabilidad R en la curva de diseño ................... 48 Ilustración 8: Número estructural para cada capa de pavimento ........................ 50 Ilustración 9: Modelo del comportamiento entre la losa de concreto y la capa subyacente ............................................................................................................ 50 Ilustración 10: Prueba de resistencia a la flexión del concreto usando tres puntos ............................................................................................................................... 51 Ilustración 11: Monograma para Pavimento Flexible ........................................... 84 Ilustración 12: Ecuación de diseño de Pavimento Flexible .................................. 84 Ilustración 13: Ecuación que relaciona al número estructural con los espesores de la capa .............................................................................................................. 84 Ilustración 14: Monograma para Pavimento Flexible ........................................... 91 Ilustración 15: Sección Pavimento Flexible .......................................................... 99 Ilustración 16: Ecuación de Diseño de Pavimento Rígido ................................... 99 Ilustración 17: Sección del Pavimento Rígido .................................................... 107 Ilustración 18: catálogo de estructuras de pavimento de adoquin con base granular período de diseño 20 años ................................................................... 108 Ilustración 19:Sección Pavimento Semirrígido ................................................... 109 Ilustración 20: Programación de Obra Pavimento Flexible ................................ 116 Ilustración 21: Programación de Obra Pavimento Rígido .................................. 117 Ilustración 22: Programación de Obra Pavimento Semirrígido .......................... 118 Ilustración 23: Comparación de Costos.............................................................. 122 Ilustración 24: Comparación de Plazos de Ejecución ........................................ 123 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1: Grado del Hormigón Según Resistencia a la Compresión..........38 Tabla 2: Grado del Hormigón / Elemento .................................................39 Tabla 3: Cuadro de Valor de Soporte ......................................................41 Tabla 4: Condiciones Restrictivas en suelos in-situ para aplicación de suelo cemento .........................................................................................44 Tabla 5: Cuadro de drenajes ...................................................................47 Tabla 6: Clasificación vehicular de IMD ...................................................59 Tabla 7: Resultados de Ensayos de Laboratorio de Mecánica de Suelos del Jr. Juan Amasifuen Cdra 2 .................................................................61 Tabla 8: Características de Sub rasante Jr. Juan Amasifuen C-01 ..........64 Tabla 9: Agresividad del suelo Jr. Juan Amasifuen C-01 .........................64 Tabla 10: Característica de la sub rasante Jr. Loreto C-01 ......................65 Tabla 11: Agresividad del suelo Jr. Loreto C-01 ......................................65 Tabla 12: CBR de la Subrasante .............................................................66 Tabla 13: Ensayos de Laboratorio de Canteras .......................................68 Tabla 14: Cantera Rio Ponaza .................................................................69 Tabla 15: Diseño de Mezcla para sub base y base granular ....................69 Tabla 17: Granulometría y Clasificación de material de Cantera..............71 Tabla 18: Característica del agua a usar .................................................72 Tabla 18: Conteo Vehicular .....................................................................74 Tabla 19: Factores de Crecimiento Acumulado (Fca) para el cálculo de Número de Repeticiones de EE ...............................................................75 Tabla 20: Factores de Distribución Direccional y de Carril para determinar el Tránsito en el Carril de Diseño .............................................................76 Tabla 21: Configuración de Ejes ..............................................................77 Tabla 22: Relación de Cargas por Eje para determinar Ejes Equivalentes (EE) Para Afirmados, Pavimentos Flexibles y Semirrígidos .....................78 Tabla 23: Relación de Cargas por Eje para determinar Ejes Equivalentes (EE)Para Pavimentos Rígidos .................................................................78 Tabla 24: Factor Camión C2 y C3 para Pavimentos ................................79 Tabla 25: Factor de ajuste por presión de neumático (Fp) para ejes Equivalentes (EE) ....................................................................................80 Tabla 26: EE día-carril para Pavimento Flexible y Semirrígido ................81 Tabla 27: EE día-carril para Pavimento Rígido ........................................81 Tabla 28: Número de Repeticiones de E.E de 8.2 tn para Pavimento Flexible y Semirrígido ..............................................................................82 Tabla 29: Número de Repeticiones de E.E de 8.2 tn para Pavimento Rígido ......................................................................................................82 Tabla 30: Número de Repeticiones Acumuladas de Ejes Equivalentes de 8.2t, en el Carril de Diseño Para Pavimentos Flexibles, Semirrígidos y Rígidos ....................................................................................................82 Tabla 31: Valores recomendados de Nivel de Confiabilidad Para una sola etapa de diseño (10 o 20 años) según rango de Tráfico ..........................85 Tabla 32: Coeficiente Estadístico de la Desviación Estándar Normal (ZR) Para una sola etapa de diseño (10 o 20 años) Según el Nivel de Confiabilidad seleccionado y el Rango de Tráfico ....................................86 Tabla 33: Índice de Serviciabilidad Inicial (Pi) Según Rango de Tráfico ...88 Tabla 34: Índice de Serviciabilidad Final (Pt) Según Rango de Tráfico ....88 Tabla 35: Diferencial de Serviciabilidad (Δ PSI) Según Rango de Tráfico89 Tabla 36: Catálogo de números estructurales (sn) requeridos por tipo de tráfico y de sub rasante, Carpeta Asfáltica en Caliente + Base Granular + Subbase Granular....................................................................................92 Tabla 37: Coeficientes Estructurales de las Capas del Pavimento 𝐚𝟏......93 Tabla 38: Valores recomendados del Coeficiente de Drenaje 𝐌𝐈 ............95 Tabla 39: Valores recomendados de Espesores Mínimos de Capa Superficial y Base Granular .....................................................................96 Tabla 40: Catálogo de estructuras de pavimento flexible con carpeta asfáltica en caliente .................................................................................97 Tabla 42: Correlación CBR y Módulo de Reacción de la Sub rasante ... 100 Tabla 42: Módulo de Elasticidad (Ec) .................................................... 101 Tabla 43: Valores Recomendados de Resistencia del Concreto ............ 102 Tabla 44: Módulo de Rotura del Cº (S'c) ................................................ 102 Tabla 45: Coeficiente de Transferencia de Carga (J) ............................. 103 Tabla 46: Coeficientes de Drenaje de las Capas Granulares ................. 103 Tabla 47: Índice de Serviciabilidad Inicial (Pi) ........................................ 104 Tabla 48: Valores recomendados de Espesores Mínimos ..................... 107 Tabla 49: Características de la vía con Pavimento Flexible ................... 110 Tabla 50: Presupuesto ........................................................................... 111 Tabla 51: Características de la vía con Pavimento Rígido ..................... 112 Tabla 52: Presupuesto ........................................................................... 113 Tabla 53: Características de la vía con Pavimento Semi-Rígido ............ 114 Tabla 54: Presupuesto ........................................................................... 115 Tabla 55: Número de Repeticiones de Ejes Equivalentes de 8.2 tn ....... 119 Tabla 56: Resumen Características del Sub rasante ............................. 119 Tabla 57: Cuadro Comparativo entre Pavimentos ................................. 120 Tabla 58: Secciones Transversales de los tres Tipos de Pavimentos .... 121 Tabla 59: Cuadro Comparativo Técnico – Económico ........................... 122 Tabla 60: Cuadro Comparativo Financiero ............................................ 124 Tabla 61: Cuadro Comparativo Tiempo de Ejecución ............................ 125 Tabla 62: Cuadro Resumen de Espesores de los tres Tipos de Pavimentos ............................................................................................ 126 Tabla 63: Cuadro Comparativo Técnico-Financiero ............................... 126 1 RESUMEN Este estudio tiene como finalidad hacer un comparativo entre el costo y tiempo de ejecución de un proyecto de pavimentación tipo rígido, flexible y semirrígido, con la finalidad de conseguir un diseño óptimo en la pavimentación del Barrio la Unión, distrito de Shamboyacu, provincia de Picota, departamento de San Martín. Basándose en el comportamiento que tienen cada uno de estos, partiendo de la base de que las tres alternativas, son soluciones satisfactorias para el proyecto de pavimentación, y centrando el análisis en dos factores preponderantes; Por un lado, el factor económico, en el cual está involucrado el costo de cada alternativa y la vida útil. Por otro lado, se expone el factor funcional, mediante el cual se verificará el tiempo de ejecución de los tres pavimentos y por ende cual es el más apropiado. El proyecto se basa en una investigación descriptiva, presentando las características de los pavimentos rígidos, flexibles y semirrígidos, así como sus análisis de costo, sus ventajas y desventajas, tiempo de ejecución, como caso de aplicación se tomara el Barrio la Unión, en el distrito de Shamboyacu, provincia de Picota, departamento de San Martin, estos nos permitirá identificar la mejor alternativa en base a costo y tiempo de ejecución, concluyéndose cuál es la mejor opción para realizar cada uno de los tres proyectos. En conclusión, el pavimento rígido sería la mejor opción para emplear técnicamente, aunque inicialmente sea más costoso a largo plazo el costo de mantenimiento es menor. Palabras claves: Pavimento Flexible, Pavimento Rígido, Pavimento Semirrígido. 2 ABSTRACT The purpose of this study is to make a comparison between the cost and execution time of a rigid, flexible and semi-rigid paving project, in order to achieve an optimal design in the paving of Barrio la Unión, district of Shamboyacu, province of Picota, Department of San Martin. Based on the behavior of each of these, based on the fact that the three alternatives are satisfactory solutions for the paving project, and focusing the analysis on two prevailing factors; On the one hand, the economic factor, in which the cost of each alternative and the useful life are involved. On the other hand, the functional factor is exposed, through which the execution time of the three pavements will be verified and therefore which is the most appropriate. The project is based on a descriptive investigation, presenting the characteristics of rigid, flexible and semi-rigid pavements, as well as their cost analysis, their advantages and disadvantages, execution time, as a case of application, the Barrio la Unión will be taken, in the Shamboyacu district, Picota province, San Martin department, these will allow us to identify the best alternative based on cost and execution time, concluding which is the best option to carry out each of the three projects. In conclusion, rigid pavement would be the best option to use technically, although initially it is more expensive in the long term, the maintenance cost is lower. Keywords: Flexible Pavement, Rigid Pavement, Semi-rigid Pavement. 3 CAPÍTULO I: MARCO TEÓRICO 1.1. ANTECEDENTES DEL ESTUDIO 1.1.1. Antecedentes internacionales ❖ Según Lina Mercedes Monsalve Escobar, Laura Cristina Giraldo Vásquez y Jessyca Maya Gaviria (2012) en su tesis de grado titulada “Diseño De Pavimento Flexible Y Rígido”. De la Universidad del Quindío, Se llegan a las siguientes conclusiones: ▪ La combinación de agregados propuesta no cumple con la dosificación, ya que el rango de material llenante o filler es del 9% se considera que es un porcentaje muy alto para este material. ▪ Uno de los posibles procedimientos que llevaron a que esta propuesta de dosificación no fuera adecuada es el instrumento de laboratorio para realizar el baño maría de las briquetas ya que este se realiza de una manera muy artesanal sin garantizar la temperatura constante de la briqueta. ▪ Otra justificación al comportamiento de este ensayo es que las variables son difíciles de controlar ya que la manipulación del material por un gran número de personas puede ocasionar diferencia en el protocolo y alterar resultados. ❖ Johanna Astrid Buitrago Velandia Diana Patricia Cano Osorio. En su trabajo de investigación titulado: “Análisis Comparativo De Metodologías De Auscultación De Pavimentos Flexibles”, de la Universidad Militar Nueva Granada, quienes llegaron entre otras a las siguientes conclusiones: ▪ Al establecer una comparación de las metodologías de auscultación visual, que ha venido implementando el Instituto de Desarrollo Urbano IDU, al nivel local (Bogotá), es posible definir que cada metodología teniendo en cuenta sus criterios de evaluación, clasificaron las vías evaluadas en el mismo rango, es decir, la vía arterial clasificó por las dos metodologías como en estado 4 superficial bueno, la intermedia al igual que la local en estado regular. Sin embargo, se pudo establecer que cada metodología tiene sus propios rangos y evaluación de los daños implícitos en estas, concluyendo que no es posible cambiar los estándares o límites permitidos, ya que los cálculos y estimaciones de peso por cada daño están en función del área que pueda afectar la patología presentada en un área de tramo a evaluar. ▪ Como se presentó, la metodología de auscultación IDU 2008 como fue catalogada durante el desarrollo del trabajo, la cual fue estimada en función a los lineamientos de la metodología PAVER, propuesta por el cuerpo de Ingenieros Militares de los Estados Unidos, establecía tan solo 9 tipos de daño, los cuales de acuerdo con los resultados obtenidos son suficientes para estimar la condición real de la superficie de rodadura, para una vía que no haya sido objeto de ningún tipo de mantenimiento, ya que no considera si esta ha tenido un tipo de intervención a manera de reparación (como parcheo), lo cual si contempla la metodología PCI y le da un peso especial cuando este tipo de daño se presenta. ❖ Con referencia a nuestro tema de investigación, tenemos una Tesis, del autor: Bruno Milton Burgos Vásquez, titulada “ELABORACIÓN DE EXPEDIENTE TÉCNICO PROYECTO: “ANÁLISIS COMPARATIVO ENTRE UN PAVIMENTO RÍGIDO Y UN PAVIMENTO FLEXIBLE PARA LA RUTA S/R: SANTA ELVIRA – EL ARENAL, EN LA COMUNA DE VALDIVIA, 2014” de la Universidad Austral de Chile, que llegan a las siguientes conclusiones: ▪ La construcción de pavimentos, ya sea vía principal, colectora, troncal o de servicio es de gran importancia para la comunidad, debido al impulso económico que genera, tanto a nivel regional como nacional. Cabe destacar, que, en caso de la Región de Los Ríos, los pavimentos aportan a la conectividad ya que beneficia a las principales actividades comerciales como los son la actividad forestal y agropecuaria. En este trabajo de titulación se expone el proceso constructivo del pavimento flexible y del rígido, el cual comprende varias etapas, como lo son: diseño, ejecución y mantenimiento de 5 los mismos; así como las diferentes aplicaciones que poseen, en base a las normas y especificaciones vigentes para su construcción. • El análisis y posterior estudio sobre el pavimento rígido y el flexible realizado en el presente trabajo de titulación, está enfocado en dos aspectos principales, el funcional, en el cual tiene gran preponderancia el diseño, y por otro lado el económico, donde interviene el costo inicial de cada alternativa y el costo de conservación durante su vida de servicio. ❖ Tenemos una Tesis, de los autores: Marlon Noel Ruiz Urrutia y Julio Cesar Rodríguez Peralta, titulada “COMPARACIÓN TÉCNICO-ECONÓMICA DEL USO DE PAVIMENTO RÍGIDO Y PAVIMENTO FLEXIBLE EN NICARAGUA”. Estudio de Caso: Tramo Unikwas - Mulukuku, 2016, de la Universidad Nacional Autónoma De Nicaragua, que llegan a las siguientes conclusiones: • Basado en los resultados obtenidos y en los objetivos trazados se plantea las siguientes conclusiones: • Con la aplicación de la metodología propuesta por la AASHTO 1993, para el diseño de pavimentos rígido y flexible, abordado en el estudio de Caso plasmado en el capítulo VIII, fue posible identificar que el pavimento flexible requiere un mayor espesor de capas subyacentes a la superficie de rodadura, sin embargo, los costos iniciales de construcción son menores que los requeridos por el pavimento rígido, aunque el espesor de la estructura sea menor. • En la construcción de pavimento rígido basta con una capa de base e incluso se puede colocar directamente sobre la sub rasante si el material de soporte es de buena calidad, la ventaja del pavimento rígido en relación al flexible es la capacidad que tiene la losa de absorber y disipar los esfuerzos producidos por los efectos del tránsito, en cambio el pavimento flexible los distribuye a las capas subyacentes. • La ventaja de implementar la metodología de la AASHTO 1993, para el diseño de estructuras de pavimento Rígido, es porque se puede obtener 6 directamente el espesor requerido de la losa, para soportar la carga que se producirá a lo largo de del periodo de vida para el cual se diseñe la estructura, en cambio sí se diseña pavimento Flexible el resultado que se obtiene de la aplicación de la ecuación AASHTO-93, es una reacción a la carga inducida por el tráfico, la cual debe ser distribuida y absorbida por las capas subyacentes. ❖ Con referencia a nuestro tema de investigación, tenemos una Tesis, del autor: Rafael Alejandro Torres Zirión, titulada “ANÁLISIS COMPARATIVO DE COSTOS ENTRE EL PAVIMENTO FLEXIBLE Y EL PAVIMENTO RÍGIDO”. Guatemala, octubre de 2015 siguientes conclusiones: Puede verse, en el análisis realizado, que el costo del pavimento rígido es más alto que el del pavimento flexible; en cuanto a ejecución se refiere. Para ello debe de tomarse en cuenta que se realizó la comparación tomando en consideración los mismos parámetros de diseño, en cuanto a cargas, tipo de sub rasante, especificaciones de materiales y tiempo. Hablando en sentido constructivo, ambos pavimentos cumplen con todos los requisitos para brindar un buen servicio a través de su vida útil; tomando en consideración que la ejecución de ambos conlleva un estricto control de calidad que garantice durabilidad y buen funcionamiento. Siendo indispensable, para que esto se cumpla, un apropiado programa de mantenimiento que garantice su conservación. ❖ Tenemos una Tesis, de los autores: Dra. Ing. Diana Movilla Quesada y Dr. Ing. Aitor Raposeiras Ramos “ANÁLISIS COMPARATIVO ENTRE UN PAVIMENTO RÍGIDO Y UN PAVIMENTO FLEXIBLE PARA LA RUTA S/R: SANTA ELVIRA – EL ARENAL, EN LA COMUNA DE VALDIVIA. VALDIVIA - CHILE 2017 Como conclusión final, según el estudio y análisis realizado y basándose en los resultados obtenidos se puede especificar, que para el tramo que une Santa Elvira y El Arenal ubicado en Valdivia en la Región de los Ríos, se elegirá construir un pavimento flexible, el cual es económicamente más rentable en lo que se refiere a inversión inicial, y que cumple satisfactoriamente con las condiciones de diseño, en comparación con el pavimento rígido que 7 presenta una conservación más económica pero de un costo de implementación muy por encima del pavimento flexible. 1.1.2. Antecedentes nacionales ❖ Tenemos tesis del autor Richard Ricardo Canahuiri Mollo. En su trabajo de investigación titulado: “ANÁLISIS COMPARATIVO TÉCNICO – ECONÓMICO ENTRE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO POR LOS MÉTODOS INSTITUTO DE ASFALTO Y AASHTO-93, EN JR. ABRAHAM VALDELOMAR, URBANIZACIÓN TAMBOPATA, DISTRITO JULIACA, PROVINCIA SAN ROMÁN – PUNO”, DE LA UNIVERSIDAD PERUANA UNIÓN, JULIACA–2021, quienes llegaron entre otras a las siguientes conclusiones: • Usando las metodologías de diseño de instituto de asfalto y AASHTO 93, luego realizando la comparación técnica entre pavimento rígido y flexible podemos afirmar que el diseño obtenidos por la metodología instituto de asfalto se obtuvo los espesores menores para el mismo caso de tráfico ESAL de diseño y suelo que se encuentra IN SITU , el mantenimiento es muy importante y diseño de estructuras de drenaje ayudará a cumplir su periodo de vida útil, en la comparación técnica es indispensable realizar el análisis en las condiciones de suelo que se encuentra la zona de estudio “IN SITU ” para construir una estructura de pavimento. • A los 7 días se aforó el volumen vehicular desde el día domingo 13 de octubre del 2019 hasta 19 de octubre, un promedio de 517 veh/día. Se obtuvo el ESAL de diseño para pavimento flexible 969,936 y pavimento rígido 1’ 143,33. En caracterización del suelo se obtuvo un CBR 7.18. • Se logró diseñar pavimento flexible con una estructura de Subbase 27 cm, base 24 cm y la superficie de rodadura 13 cm de asfalto. En pavimento rígido la losa de rodadura de 20 cm con una base de 40 cm. con las condiciones reales del suelo IN SITU. 8 • Al terminar el análisis de comprobación económica aplicando la metodología Costo - Beneficio se finaliza que la mejor alternativa de pavimento con la mejor rentabilidad es el pavimento flexible con costo a precio privados C/E S/. 831,885.74 que fue diseñado por el método instituto de asfalto, es decir es efectivo al menor VAC (valor actual de costos). El Pavimento rígido es mayor a flexible, a precio privado C/E S/. 845,792.22. a precio social el pavimento flexible S/. 705,517.89 y en rígido S/. 717,296.44. ❖ Además, tenemos una Tesis del Autor: Consuelo Francisca, Vílchez Alva, Titulada: “ANÁLISIS COMPARATIVO DE COSTOS ENTRE PAVIMENTO RÍGIDO Y FLEXIBLE DE LAS VÍAS ALTERNAS CARRETERA MARGINAL TRAMO OVALO RONDERO - BAJO PORTILLO, SATIPO”, DE LA UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES, HUANCAYO – 2020, que llegan a las siguientes conclusiones: • Se concluye que del resultado del análisis el pavimento flexible es más económico en 25.02% respecto al pavimento rígido. Y en el mantenimiento del pavimento rígido es más económico en 42.68% que el pavimento flexible. En general es más favorable el pavimento rígido. • Se estimó los parámetros de diseño con el METODO AASHTO-93, para pavimentos rígidos: Numero de Ejes Equivalentes (w18), Periodo de diseño, Factor de Confiabilidad (R), Desviación estándar Normal (Zr), Desviación estándar combinada o total (S0), Índice de serviciabilidad inicial (pi), Índice de serviciabilidad final (pf), Resistencia a la compresión del concreto(f´c) kg/cm2, Módulo de elasticidad del concreto (E) Mpa, Módulo de ruptura del concreto (Sc) Mpa, CBR (rasante mejorada, rasante, diseño, subrasante), Módulo de reacción de la subrasante mejorada (k) Mpa, Módulo de reacción de la sub base (kb) Mpa. • Módulo de reacción combinado (kc) Mpa, Coeficiente de transferencia (J) y Coeficiente de drenaje (Cd). 9 • Para el pavimento flexible considerados fueron: Numero de Ejes Equivalentes (w18), Periodo de diseño, Factor de Confiabilidad (R), Desviación estándar Normal (Zr), Desviación estándar combinada (S0), Índice de serviciabilidad inicial (pi), Índice de serviciabilidad final (pf), CBR rasante mejorada y Módulo resilente (Mr) psi. ❖ También, tenemos una Tesis, de los autores: Walter David Ramírez Rojas y Roger Zavaleta Alvarado, titulada “ELABORACIÓN DE EXPEDIENTE TÉCNICO PROYECTO: “ESTUDIO COMPARATIVO DEL DISEÑO DEL PAVIMENTO RÍGIDO, SEMIRRÍGIDO CON ADOQUINES DE CONCRETO Y FLEXIBLE PARA LAS CALLES DEL SECTOR VI C- EL MILAGRO – TRUJILLO - LA LIBERTAD, 2017”, de la Universidad Privada Antenor Orrego, que llegan a las siguientes conclusiones: • Se concluye que por temas económicos el pavimento flexible es el que mejor se ajusta a la zona de estudio, por lo tanto, dependerá de las autoridades respectivas tomar la decisión acerca de qué tipo de pavimento emplear. • Al realizar el estudio de tráfico se concluye que gran parte del flujo vehicular consta principalmente de mototaxis, autos y micros posteriormente el número de repeticiones de ejes equivalentes para el diseño es de aproximadamente 3 millones. • Al realizar el estudio de mecánica de suelos se obtuvo un CBR= 49.70 por lo que se concluye el terreno posee una buena capacidad portante, y debido a esto el pavimento flexible ya no necesitaría de una sub base granular en su diseño. • Con respecto al levantamiento topográfico se determinó que su topografía es llana presentando pendiente longitudinal menor al 3%, demandando un mínimo movimiento de tierra, por lo que no presenta dificultades en su trazado. 10 ❖ También, tenemos una Tesis, del autor para el grado de magister: titulada: “COMPARACIÓN TÉCNICOECONÓMICA DE LAS ALTERNATIVAS DE PAVIMENTACIÓN FLEXIBLE Y RÍGIDA A NIVEL DE COSTO DE INVERSIÓN”, Lima, junio del 2017, que llegan a las siguientes conclusiones: • Ambos pavimentos tienden a incrementar espesores a medida que el tránsito aumenta y que el suelo empeora. • Sin embargo, resulta interesante ver como AASHTO 93 castiga a los espesores de pavimentos flexibles si están expuestos a sub rasantes con CBR bajos. - Los pavimentos rígidos, son menos susceptibles a los valores de CBR, pero se comportan bien, bajo condiciones estables de suelos de fundación. - En cuanto al análisis económico, que establece una comparación relativa de costos de inversión (construcción inicial), entre alternativas equivalentes de pavimentos flexibles y rígidos se puede ver una variación entre ellos de +/- 20% • En lo que respecta a evaluación de resultados, a partir del análisis desarrollado en los capítulos anteriores, la comparación entre pavimentos de asfalto y de concreto permite concluir; que ambas alternativas de pavimentación presentan buenos resultados, sin embargo, la brecha de conocimientos y tecnológica hace que no se aprovechen las ventajas de los pavimentos rígidos; para afrontar los retos futuros, se requiere un trabajo de capacitación y generación de data de largo plazo. • Los pavimentos de concreto, para condiciones de suelo con CBR de 3% (malo), son más económicos. • Los pavimentos de asfalto, para condiciones de suelo con CBR de 25% (buenos), son más económicos. • Los pavimentos de concreto con suelos con CBR del orden de 10% presentan costos similares a los de asfalto. • En general, la variación de costos para pavimentos equivalentes, diseñados con AASHTO 93 y construidos con tecnologías equivalentes, está por el orden de más o menos 20% dependiendo de las condiciones de suelo y tránsito. 11 1.1.3. Antecedentes Locales ❖ Tenemos la tesis ANÁLISIS COMPARATIVO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RÍGIDO PARA LA REPARACIÓN DE LAS CALLES DEL CENTRO DEL DISTRITO DE TARAPOTO SON LAS VEINTIÚN CUADRAS, JURISDICCIÓN DEL BARRIO CENTRO , EN EL DISTRITO DE TARAPOTO, PROVINCIA DE SAN MARTÍN, REGIÓN SAN MARTÍN PERIODO 2017: Concluimos que el pavimento flexible es el más económico, de acuerdo al presupuesto elaborado por el tesista, por lo tanto, es el que tiene mayor probabilidad de propuesta para los proyectos de pavimentación de vías urbanas, esto debido a los escases de recursos públicos, se trata de hacer más con menos. Concluimos también que el pavimento flexible tiene un menor tiempo de ejecución de las partidas contractuales, considerando las características y procedimientos constructivos de los materiales empleados, a diferencia del concreto rígido que necesitamos más tiempo en la ejecución, esto se puede observar en la programación Gantt elaborado por el tesista. Podemos concluir también que, de acuerdo al periodo de diseño, los pavimentos rígidos son los de mayor vida útil, esto se puede apreciar visualmente en la ciudad de Tarapoto ya que tenemos pavimentos alrededor de la Plaza de Armas con 50 años de servicio aproximadamente y que todavía están funcionando. También podemos concluir indicando que, el pavimento rígido es el que requiere menor costo de mantenimiento durante su vida útil. Al realizar el estudio de mecánica de suelos se obtuvo un CBR= 12.00%, por lo que se concluye el terreno posee una capacidad portante de regular a mala, y debido a esto el terreno de fundación va tener que ser mejorado. La topografía de la zona en estudio es plana y alineada, lo cual constituye una ventaja para el diseño geométrico vial, de acuerdo a la norma E-010 de Pavimentos Urbanos. Concluimos finalmente, que los valores de espesores de las diferentes capas obtenidos en los diseños, tanto para pavimento rígido y flexible, están dentro de los parámetros que manejamos en la zona del proyecto. 12 ❖ Tenemos tesis de los autores Torres Brandan Martha Mercedes y Abad García Walter Iván. En su trabajo de investigación titulado: “EVALUACIÓN DEL COSTO Y TIEMPO DE EJECUCIÓN ENTRE LOS PAVIMENTOS: RÍGIDOS, FLEXIBLES Y SEMIRRÍGIDOS EN EL DISTRITO DE SHAPAJA, PROVINCIA Y DEPARTAMENTO DE SAN MARTÍN”, de la Universidad Científica del Perú, Tarapoto – Perú, quienes llegaron entre otras a las siguientes conclusiones: • Haciendo el análisis comparativo costo-tiempo de ejecución, concluimos que el diseño óptimo para la pavimentación de los Jr. Huallaga Cuadra. 10 y Jr. San Juan Cuadra. 02 del distrito de Shapaja, es el Pavimento Semirrígido, al tener un costo menor del 8.33% respecto del pavimento rígido, y un costo menor del 0.2% respecto del pavimento flexible, en función al tiempo de ejecución el pavimento flexible se ejecuta 20% más rápido que el pavimento semirrígido y 42.86% más rápido respecto del pavimento rígido. 1.2. BASES TEÓRICAS 1.2.1. Pavimentos Un pavimento es una estructura-cimiento colocada sobre la superficie de un suelo o terreno natural (sub rasante). El principal objetivo del pavimento es de ser un medio de transferencia de esfuerzos y cargas de tránsito y del ambiente, a la subrasante de manera de que ésta no supere su capacidad soportante durante un período de diseño establecido. Las funciones de un pavimento son las siguientes: a) Poseer el suficiente espesor y capacidad estructural para soportar las cargas debidas al tráfico. b) Prevenir el acceso o la acumulación interna de humedad. c) Proporcionar una superficie de ruedo que sea resistente a agentes ambientales como: deterioro, desgaste, abrasión, humedad, erosión, etc. d) Proveer una superficie de ruedo que sea durable, económica, cómoda, segura y confortable. 13 1.2.2. Elementos que Integran un Pavimento 1.2.2.1 Capas de pavimento La estructura de pavimento es una combinación de diferentes capas como lo son la carpeta asfáltica, carpeta de concreto, base granular, base estabilizada, sub base granular. Cada capa recibe los esfuerzos de la capa superior y los distribuye a la capa inferior, las capas están colocadas de manera que distribuyan de manera eficiente toda la carga vehicular. Por lo general, las capas superiores poseen mayor capacidad estructural que las capas inferiores, esto se debe a que las capas superiores soportan mayores esfuerzos y las capas inferiores reciben esfuerzos menores debido a la distribución de esfuerzos de las capas superiores. 1.2.2.1.1 Sub rasante La sub rasante es el suelo natural in situ sobre el cual será colocada la estructura de pavimento. Ésta debe estar libre de material orgánico y vegetación. La principal función de la sub rasante es de proveer un emplazamiento para la construcción del pavimento, además de soportarlo sin llegar excesivas deformaciones. A pesar de que la sub rasante no se considera parte del pavimento, la resistencia que posee es importante para soportarlo, por lo tanto, cuando el suelo de la sub rasante tiene una capacidad muy baja, es de alta plasticidad o susceptible a cambios volumétricos; se debe mejorar las características mecánicas de la subrasante mediante algún método de estabilización o sustituyéndolo por otro material de mejores condiciones. Es la capa de terreno que soporta la estructura del pavimento y que se prolonga hasta una profundidad que no afecte a la carga de diseño que corresponde al tránsito previsto. 14 Esta capa puede estar formada en corte o relleno y una vez compactada debe tener las secciones transversales y pendientes especificadas en el diseño final. El espesor del pavimento dependerá en gran parte de la calidad de la subrasante, por lo que ésta debe cumplir con los requisitos de resistencia, incompresibilidad e inmunidad a la expansión y contracción por efectos de la humedad, por lo tanto, el diseño de un pavimento es básicamente el ajuste de la carga de diseño por rueda a la capacidad de la sub rasante. 1.2.2.1.2 Sub base La sub base es la capa que se coloca sobre la subrasante y que se encuentra inferior a la base. Está compuesta por material granular y es de menor calidad granulométrica que la base. En algunos pavimentos rígidos no es necesaria una sub base dentro de la estructura. Además, proveer de capacidad estructural al pavimento, la sub base tiene funciones secundarias como controlar los cambios volumétricos y de elasticidad, evitar que el material fino de la sub rasante viaje hasta la base; proporcionar un medio drenante del agua libre, evitando que ésta, deteriore el pavimento Según CR-2010 en su sección 301.03 el CBR mínimo que debe tener el material de subbase debe ser de 30% Es la capa de la estructura del pavimento destinada fundamentalmente a soportar, transmitir y distribuir con uniformidad las cargas aplicadas a la superficie de rodadura del pavimento, en consecuencia. La capa de la subrasante puede soportar absorbiendo variaciones inherentes a dicho suelo que puedan afectar a la subbase. Por lo tanto, ésta capa controlará los cambios de volumen y elasticidad que serían dañinos para el pavimento. Además, trabaja como capa de drenaje y controla la ascensión capilar de agua, protegiendo así a la estructura de pavimento, por lo que generalmente se usan materiales granulares. 15 La función de la sub base, en un pavimento flexible, es puramente económica, buscando así obtener un espesor utilizando el material más barato posible. Podría construirse dicho espesor con materiales de alta calidad como en el caso de la base, pero usualmente se hace aquella más delgada y se sustituye en parte por la sub base que es de menor calidad, trayendo como resultado un aumento en el espesor total del pavimento, pues es un hecho que cuando menor es la calidad del material utilizado, mayor será el espesor necesario para soportar los esfuerzos transmitidos. Otra función de la sub base es la de servir de transición entre la base y la sub rasante; ya que el material de la base es granular más o menos grueso y el de la sub base es más fino que le anterior, de esta manera sirve como filtro para evitar que el material de la base se incruste en la sub rasante. La sub base sirve también para absorber las deformaciones que provienen de la sub rasante y que pueden ser perjudiciales para el pavimento en genera. Así también lo son los cambios volumétricos asociados a los cambios de humedad. La sub base sirve también como drenaje para desalojar el agua que se infiltre en el pavimento y para impedir la ascensión capilar hacia la base de agua procedente de la terracería. De las funciones mencionas anteriormente, la estructural y la económica son las que más se proyectan en la construcción de pavimentos, el resto dependen de las circunstancias y de los materiales con los que se cuente para la sub base. Generalmente las dos cualidades que se buscan en el material de sub base son: la resistencia friccionante y la capacidad de drenaje; teniendo cada una, en su razón de ser, la importancia de su preferencia. La resistencia friccionante contribuirá a la resistencia en conjunto del pavimento, garantizando buen comportamiento en cuanto a deformabilidad se refiere, como resultado de una buena compactación. La capacidad de drenaje, igualmente importante, es necesaria debido a la doble función que realiza tanto con el agua que se infiltra de la superficie, como la que asciende por capilaridad. 16 Los espesores de sub base, son muy variables y dependen de cada proyecto específico, pero suele considerarse 12 a 15 cm como la dimensión mínima constructiva. Los materiales consistirán en materiales de tipo granular con las siguientes propiedades mínimas: un valor soporte (CBR) del 30% sobre muestra saturada y compactada al 100% del Proctor Modificado u otra compactación que el diseñador especifique; un índice plástico (IP) no mayor de 9 y un límite líquido (LL) no mayor de 40. Los materiales de sub base deben ser de fácil compactación para alcanzar la densidad máxima determinada. En el caso de que contengan gravas o rocas, éstas no deben ser mayores de los 2/3 del espesor de la sub base. Cuando la compactación de la sub base resulte difícil por falta de finos, pueden seguirse dos alternativas: se le agregan los finos o, si esta operación resulta cara en valor y/o trabajo, deben buscarse otros bancos de material que reúnan las especificaciones. Cuando existan alternativas para el uso de varios bancos, dentro de los límites razonables de acarreo y/o calidad, se escogerá el que disponga de menor porcentaje de material que pase el tamiz 200, que tenga mayor CBR y menor índice plástico (IP). Es muy importante que los bancos de materiales para sub base, llenen las especificaciones requeridas y se encuentren libres de materia vegetal, basura o terrones de arcillas y otras materias perjudiciales. Debe tenerse presente y tomar en cuenta que un gran número de fallas en los pavimentos se debe a sub bases que no llenan las especificaciones requeridas, que han sido mal compactadas o que se han contaminado debido a la falta de un adecuado drenaje o por falta de control de la sub rasante. 1.2.2.1.3 Base La base es la capa de pavimento que se encuentra entre la sub base y la carpeta de rodadura. La base aporta una cantidad importante de la capacidad de 17 estructural del pavimento y posee las mismas funciones secundarias que la sub base. La base está compuesta por material granular, caracterizada por agregados duros y durables como escoria triturada, roca triturada, grava y arena triturada. Adicionalmente cuando la capacidad de una base granular se queda corta o si el diseño arroja resultados con espesores de base o carpeta muy elevados se puede llegar a requerir la estabilización de la base utilizando asfalto, cemento, cal, emulsiones, aditivos, o combinaciones de éstos. Su función primordial es la de proporcionar un elemento resistente que transmita los esfuerzos producidos por el tránsito, hacia la sub base y sub rasante, en una intensidad adecuada. Esta también reduce el espesor de la carpeta más costosa. Muchas veces la base también debe trabajar como la sub base, respecto a la doble función de drenaje mencionada anteriormente. La primera garantizará la resistencia adecuada y la permanencia de dicha resistencia con la variación de las condiciones que se puedan presentar, como podría ser el contenido de agua. Es lógico que no basta sólo con emplear material friccionante para garantizar la resistencia deseada, es necesaria también una compactación adecuada, necesaria para adquirir la compacidad y trabazón estructural requerida para una buena base. Los espesores de las bases son muy variables de acuerdo con el proyecto de que se trate, pero suele considerarse que 12 o 15 centímetros, es el espesor mínimo que conviene construir. En resumen, la base debe proporcionar una superficie de rodadura adecuada, con textura y color conveniente, además de resistir los efectos abrasivos del tránsito. Es muy importante mencionar que esta capa debe impedir, hasta donde sea posible, la infiltración del agua al interior del pavimento. 18 1.2.2.1.4 Superficie de rodadura Es la capa superior de la estructura de pavimento, construida con concreto hidráulico, por lo que, debido a su rigidez y alto módulo de elasticidad, basan su capacidad portante en la losa, más que en la capacidad de la subrasante, dado que no usan capa de base. En general, se puede indicar que el concreto hidráulico distribuye mejor las cargas hacia la estructura de pavimento. La carpeta de rodadura es la superficie superior que está en contacto con las cargas de tránsito. Es la capa de mayor capacidad de soporte de la estructura de pavimento. Entre las funciones de la carpeta de rodadura se encuentran: soportar los esfuerzos y deformaciones causadas por el tránsito, resistir al clima, la abrasión y el desgaste, proveer una superficie que sea lo suficientemente lisa para que facilite la movilidad de los vehículos y lo suficientemente rugosa para evitar los derrapes, además de ser un medio impermeabilizante protegiendo las otras capas del pavimento de la humedad superficial. La carpeta de rodadura debe ser construida con ligeras pendientes transversales (bombeo) con el fin de evacuar el agua superficial y evitar que ésta se acumule. La capa de rodadura también contribuye a aumentar la capacidad soporte del pavimento, absorbiendo cargas, si su espesor es apreciable (mayor de 4 centímetros). 1.2.3. Tipos de Pavimento Los diversos tipos de pavimentos de concreto pueden ser clasificados, en orden de menor a mayor costo inicial, de la siguiente manera: Los pavimentos generalmente se clasifican en tres tipos: 19 a. Pavimento flexible. b. Pavimento rígido. c. Pavimento semirrígido. 1.2.3.1 Pavimento Flexible El pavimento flexible está caracterizado por poseer una carpeta de ruedo elaborada con concreto asfáltico, o también llamada mezcla asfáltica en caliente, el cual es producido en plantas asfálticas. Además, está compuesta por una base granular y una sub base granular. En los pavimentos flexibles las capas están colocadas de manera que las superiores tienen mayor rigidez que las capas inferiores. El pavimento flexible es uno de los más utilizados cuando la vía tiene demandas bajas de tránsito. Algunos pavimentos que son sometidos a tratamientos superficiales con asfalto también pueden ser clasificados como pavimentos flexibles. Entre las ventajas de utilizar este pavimento se encuentran: ▪ Recomendable para cargas vehiculares bajas. ▪ Es el pavimento que resulta más económico de los tres. ▪ Facilidad de intervención a las capas del pavimento. ▪ Permite una impermeabilización completa de la superficie de ruedo. ▪ La falla por fatiga se genera en la carpeta de ruedo, por lo que se puede intervenir la carpeta con facilidad. ▪ No es necesario diseñar acero de refuerzo o dovelas Las desventajas del pavimento flexible son las siguientes: ▪ No es recomendable para altas cargas vehiculares. 20 ▪ Es un pavimento menos durable. ▪ Requiere mayor mantenimiento o intervención. ▪ Es un pavimento que posee menor capacidad estructural que el pavimento rígido. El pavimento flexible también conocido como pavimento de asfalto es una estructura formada por varias capas como lo son la sub rasante, la sub base, la base y la carpeta asfáltica; cada una con una función determinada, las cuales en conjunto tienen los siguientes propósitos: a) Resistir y distribuir adecuadamente las cargas producidas por el tránsito. El pavimento flexible debe estar constituido de manera tal que las cargas, producidas por el tránsito, no provoquen deformaciones de ningún tipo en su estructura, siendo de mucha importancia el espesor que el mismo tenga. b) Tener la impermeabilidad necesaria. Este pavimento debe ser lo suficientemente impermeable para impedir la infiltración que puede darse por parte del agua, afectando la capacidad soporte del suelo. De esto se concluye que es de mucha importancia la existencia de un drenaje adecuado. c) Resistir la acción destructora de los vehículos. El pavimento debe ser resistente respecto al desgaste y desprendimiento de partículas que se obtiene como consecuencia del paso de los vehículos. d) Resistir los agentes atmosféricos. Como un efecto continuo de su presencia, los agentes atmosféricos provocan la meteorización y alteración de los materiales que componen el pavimento, reflejándose este problema, en la vida económica y útil del mismo. Por lo tanto, deben procurarse materiales de mayor calidad y resistentes a los agentes físicos y químicos. e) Poseer una superficie de rodadura adecuada, que permita fluidez y comodidad hacia el tránsito de vehículos. La superficie del pavimento, debe proporcionar 21 un aspecto agradable, seguro y confortable, de manera que el deslizamiento de los vehículos sea óptimo. Esta superficie, que debe ser lisa, también debe ser antideslizante en caso de estar húmeda. f) Ser flexible para adaptarse a ciertas fallas de la base o sub base. La flexibilidad del pavimento es muy importante en caso de presentarse asentamiento en alguna de sus capas; pudiendo así adaptarse a las pequeñas fallas sin necesidad de reparaciones costosas. 1.2.3.1.1 Función del pavimento El pavimento debe ofrecer una superficie buena y resistente, con la rugosidad necesaria para garantizar buena fricción con las llantas del vehículo, además de tener el color adecuado para evitar reflejos y deslumbramientos. Además, debe poseer la resistencia y características mecánicas apropiadas para soportar las cargas debidas al tránsito, sin provocar fallas y ni deformaciones permanentes. Las características de resistencia y deformabilidad son necesarias para la distribución de esfuerzos, de modo que lleguen a la sub rasante a niveles tolerables que no produzcan fallas, asentamientos u otras deformaciones perjudiciales. La base, en los pavimentos flexibles, estará formada por materiales friccionantes, cuya capacidad de carga es baja, debido a la falta de confinamiento, por lo que se requiere que sobre la base exista una capa de material cohesivo y resistente a la tensión, como lo es la capa asfáltica. Se entenderá por pavimento flexible aquel que está compuesto por una capa o carpeta asfáltica es decir el pavimento flexible utiliza una mezcla de agregado grueso o fino (piedra machacada, grava y arena) con material bituminoso obtenido del asfalto o petróleo, y de los productos de la hulla. Esta mezcla es compacta, pero lo bastante plástica para absorber grandes golpes y soportar un elevado volumen de tránsito pesado. https://blog.vise.com.mx/venta-de-pavimentos-importancia-en-la-construccion-de-infraestructura 22 Las capas de un pavimento flexible que conforman un suelo se colocan en orden descendente en capacidad de carga. La capa superior es la que mayor capacidad de soportar cargas tiene de todas las que se disponen. Por lo tanto, la capa que menos carga puede soportar es la que se encuentra en la base. La durabilidad de un pavimento flexible no debe ser inferior a 8 años y normalmente suele tener una vida útil de 20 años. Capa superficial o capa superior que es la que se encuentran en contacto con el tráfico rodado y que normalmente ha sido elaborada con varias capas asfálticas. La capa base es la capa que está debajo de la capa superficial y está, normalmente, construida a base de agregados y puede estar estabilizada o sin estabilizar. Las bases y subbases son capas de material pétreo adecuadamente seleccionadas para traspasar las cargas de la carpeta de rodadura a la subrasante (infraestructura). Puesto que los esfuerzos en un pavimento decrecen con la profundidad, la ubicación de estos materiales dentro de la estructura de un pavimento (superestructura), está dada por las propiedades mecánicas de cada una de ellas. https://blog.vise.com.mx/venta-de-pavimentos-importancia-en-la-construcci%C3%B3n-de-infraestructura 23 1.2.3.1.2 Características os Pavimentos flexibles se caracterizan por estar conformados principalmente de una capa bituminosa, que se apoya de otras capas inferiores llamadas base y sub base; sin embargo, es posible prescindir de estas capas dependiendo de la calidad de la subrasante y de las necesidades de cada obra. Por lo tanto, la capa de más abajo en la estructura del pavimento, recibe menos carga. Con el fin de aprovechar al máximo esta propiedad, las capas son generalmente dispuestas en orden descendente de capacidad de carga, por lo tanto, la capa superior será la que posee la mayor capacidad de carga de material (y la más cara) y la de más baja capacidad de carga de material (y más barata) ira en la parte inferior. 1.2.3.1.3 Duración de un Pavimento Flexible Para Pavimentos flexibles, la estrategia de diseño seleccionado deberá presentar un mínimo inicial de duración de ocho años antes de que sea obligatoria la superposición de otra capa. En general la duración óptima debería estar diseñada para un período de 20 años. Cuanto mayor sea el módulo que se añada a la capacidad estructural de las capas de pavimento. La carga se distribuye a lo largo de un área más amplia de la sub base o suelo de apoyo. 1.2.3.1.4 Asfaltos Utilizados en la Pavimentación Los asfaltos se utilizan generalmente para la construcción de pavimentos, y como este proyecto se refiere a las pavimentaciones, a continuación, se darán a conocer las clases de asfaltos que se utilizan en la pavimentación: a) Cementos Asfálticos b) Emulsiones Asfálticas: - Emulsiones asfálticas aniónicas - Emulsiones asfálticas catiónicas c) Asfaltos Cortados https://www.ecured.cu/Pavimento https://www.ecured.cu/A%C3%B1os https://www.ecured.cu/Suelo 24 - Asfaltos cortados de curado lento (SC) - Asfaltos cortados de curado medio (MC) - Asfaltos cortados de curado rápido (RC) 1.2.3.1.5 Tipos de Asfalto Según su Utilización El tipo de asfalto a utilizar en una obra depende de varias características y situaciones tales como: el clima imperante, el tipo de pavimento a confeccionar, agregados pétreos y la intensidad del tránsito. En este caso nos vamos a referir a fondo en dos tipos, que son los más utilizados en la pavimentación que son: ▪ Riego de Imprimación. ▪ Riego de Liga 1.2.3.1.5.1 Riego de Imprimación para pavimentos flexibles El Riego de Imprimación es una aplicación de riego de asfalto que contiene baja viscosidad sobre una base granular, en preparación para la colocación de una mezcla asfáltica. Cuando se va aplicar a una superficie una mezcla de materiales bituminosos y áridos, se aplica antes una pequeña cantidad de material bituminoso líquido para poder unir las partículas superficiales y facilitar la adherencia entre la capa bituminosa aplicada y la superficie de la cimentación. Cuando este tratamiento se aplica a una superficie relativamente porosa y granular, como grava o piedra machacada, en la que es deseable obtener una considerable penetración del material bituminoso, esta aplicación se denomina capa de imprimación. Como se va a necesitar una profundidad de penetración considerable, se puede deducir que se va a utilizar un producto de curado en cierto modo lento y de baja viscosidad. Para que el riego de imprimación cumpla con estas funciones, debe existir una cantidad de asfalto que penetre en la base. Los riegos de imprimación, en general, son cada vez usados con menos frecuencia, en particular cuando el espesor total de la capa asfáltica es de 100 mm (4 pulgadas) o también mayor. Con espesores de asfalto mayores, es menor 25 la probabilidad de que penetre agua en la base y de que se produzca deslizamiento del pavimento. Sin embargo, un riego de imprimación debiera ser considerado cuando una base granular se mantendrá abierta por un periodo prolongado, como ser en los meses de invierno o cuando será expuesta a algún daño por abrasión del tráfico (THE ASPHALT INSTITUTE, 2000). 1.2.3.1.5.2 Riego de Liga para Pavimentos Flexibles El Riego de Liga es una ligera aplicación de riego de emulsión asfáltica diluida. Este usa para adherir la superficie del pavimento ya existente y la capa de asfalto que tendrá que ser colocada posteriormente efectuada esta operación. Sirve para mejorar la adherencia entre el revestimiento asfáltico y la capa subyacente, la emulsión se diluye agregando una cantidad igual de agua. El riego de liga debería ser aplicado solo en áreas que pueden ser pavimentadas en el mismo día. Los mejores resultados se logran cuando el riego de liga se aplica sobre una superficie seca y la temperatura de éstas supera los 25ºC. Para lograr una buena adherencia, la superficie que será tratada con el riego de liga debe estar limpia y libre de todo material suelto. Al finalizar la aplicación del riego de liga y antes de colocar el recapeo, se debe dar tiempo para que se produzca la completa rotura de la emulsión diluida, es decir el cambio del color marrón al color negro. Por eso el tráfico se desvía de la zona tratada porque el pavimento se encuentra fresco y en general demasiado resbaladizo para realizar una conducción segura, también se puede solucionar con emulsiones termo adherentes para que los neumáticos de los vehículos no se adhieran al asfalto. 26 Ilustración 1: Sección transversal del pavimento flexible Fuente: Manual de Carreteras 2020 Dentro de las principales funciones en conjunto de las capas del Firme flexible tenemos: ▪ Tener la impermeabilidad necesaria para que impida la filtración del agua, afectando principalmente la capacidad de soporte del suelo. ▪ Resistir de la mejor manera las cargas generadas por el tránsito, sin que están produzcan deformaciones de ningún tipo en la estructura, considerando el espesor como factor fundamental. ▪ Soportar los diferentes agentes atmosféricos, esperando que no se generen problemas como la meteorización y alteración de los materiales que forman el pavimento, por lo que se debe poner atención en los materiales para que resistan lo agentes físicos y químicos. ▪ Debe contar con una superficie de rodadura adecuada, que permita fluidez y confort durante el tránsito de vehículos, siendo esta de aspecto agradable y entregarles seguridad a los usuarios. ▪ Poseer flexibilidad para adaptarse a las posibles fallas que se pueden presentar durante su vida de servicio (Torres Rafael, 2007). Así mismo el pavimento debe ofrecer una superficie buena y resistente, con una rugosidad mínima para poder garantizar la fricción con las llantas de los vehículos, 27 como también debe contar con un color adecuado para evitar deslumbramientos y/o reflejos. 1.2.3.1.6 Método Simplificado de diseño de un Pavimento Flexible Actualmente, el diseño estructural se basa en la aplicación de principios que están comprobados mediante estudios teóricos y en una amplia investigación sobre su comportamiento, observando en ensayos realizados en los laboratorios. Estos ensayos se realizan luego que se toman las muestras necesarias en el terreno donde se va a producir la pavimentación, se toman testigos y luego son llevados al laboratorio que luego de unas horas o días si se produce alguna complicación y estregará el informe correspondiente donde se verá si el terreno es apto o no para efectuar los trabajos. Los pavimentos flexibles se caracterizan por tener una baja resistencia al esfuerzo de corte, que va a depender, por cierto, del espesor de sus capas componentes del diseño para transformar las cargas recibidas por la superficie de rodado a las cargas que puede soportar el suelo de fundación. Además, existe un Riego de Liga entre las capas asfálticas (Carpeta, Binder y Base) y un riego de imprimación entre la base granular y la base asfáltica. Al diseñar un Pavimento Flexible hay que tener siempre presente que la carga que se aplica a la superficie es distribuida sucesivamente sobre áreas mayores a medida que es transmitida por cada capa a la subyacente, la solicitación que se produce por la carga inicial disminuye con la profundidad. 1.2.3.1.7 Etapas de Diseño de un Pavimento Flexible Como ya fue mencionado anteriormente la Dirección de Vialidad, es el ente encargado de velar por el desarrollo de la infraestructura vial del país. Su función es fijar procedimientos y límites normativos que cubren los aspectos relacionados con los estudios de carreteras y caminos en áreas rurales y urbanas que se encuentran bajo su tuición a través de un documento oficial llamado Manual de Carreteras. 28 1.2.3.1.8 Diseño Estructura del Pavimento Flexible Corresponde a un factor que caracteriza el aporte estructural de una determinada capa en base a propiedades acordes al material que la conforma. Se determina en todos los casos a partir del valor del módulo elástico, es decir tanto para capas granulares como asfálticas. La complejidad para determinar el módulo elástico permite obtener su valor en forma indirecta según sea el caso. Se establece una relación entre el módulo elástico y el valor de estabilidad Marshall para las capas asfálticas, con el valor del CBR en capas granulares no tratadas y con la resistencia a compresión en probetas cilíndricas en el caso de tener bases tratadas, ya sea con cemento o asfalto. El método expuesto por el Manual de Carreteras considera, al igual que el método AASHTO, el valor del módulo elástico denominado en estos casos Módulo Resiliente efectivo (Mr) del suelo de fundación como su parámetro de caracterización. Este mide propiedades elásticas del suelo luego de aplicársele cargas cíclicas, asemejando el comportamiento al cual estará sometida la estructura producto de la repetición de solicitaciones generadas por el constante paso de las cargas de rueda. La definición de “Módulo Resiliente efectivo” implica determinar un valor medio considerando el efecto de las variaciones estacionales producto de condiciones medioambientales. En general y para evitar mayores complicaciones se adopta un valor único con la salvedad de situaciones en que intervienen condiciones extremas de frío, en donde la acción de la helada pasa a jugar un papel importante en el comportamiento de la sub rasante. Índice de Serviciabilidad Corresponde a un parámetro cuya finalidad es medir la calidad funcional de un pavimento. La suavidad, la resistencia al deslizamiento, el agrietamiento, el ahuellamiento e incluso la estética de la vía son factores de calificación importantes para los usuarios. Existe, por otro lado, un tópico muy importante a la hora de evaluar el desempeño de una carretera y corresponde a la capacidad 29 estructural. Ambos aspectos están relacionados en alguna medida, pero no intrínsecamente, ya que no necesariamente un pavimento con mala calidad funcional presenta problemas estructurales y viceversa. Las ecuaciones de correlación estipuladas son aplicables a casos en que el IRI inicial sea menor a 1,5 m/km; en estos casos el valor de serviciabilidad correspondiente a ese IRI podría ser usado perfectamente como valor de serviciabilidad inicial, quedando esto a criterio del diseñador. El valor de la serviciabilidad inicial depende exclusivamente de la calidad de la construcción. Para el caso de la serviciabilidad final (Pf) se recomienda un valor de 2, el cual representa un límite establecido asociado a un nivel de deterioro tal en el pavimento que no permite transitar con comodidad, llegando así al término de su vida útil y requiriendo una posterior rehabilitación. Índice de Confiabilidad En el diseño de pavimentos existe una alta incertidumbre en cuanto a la determinación y comportamiento de los factores involucrados en él. Es por esto que dentro del modelo que busca dar solución al problema de determinar los espesores, es necesario incluir un parámetro que considere tal incerteza. El término confiabilidad representa la probabilidad de que el diseño proyectado no falle o dicho de otra forma, cumpla con el desempeño esperado, reflejando la variabilidad estadística. La variabilidad asociada a cada uno de los factores involucrados en el desempeño de una estructura de pavimento es representada por cuatro indicadores estadísticos, que corresponden al promedio, la desviación estándar, el coeficiente de variación y el rango. Una vez determinado el nivel de confiabilidad esperado, se define un factor estadístico (Zr) asociado al valor escogido, el cual es parte de la ecuación de diseño y se refiere a la probabilidad que la serviciabilidad real del pavimento sea igual o mayor que la esperada. Este factor Zr está basado en una supuesta distribución normal de los datos. 30 1.2.3.1.9 Procedimiento de Diseño de un Pavimento Flexible Una vez que se cuenta con la totalidad de los datos necesarios para el diseño, se procede en primer lugar a calcular el Número Estructural requerido sobre la sub rasante del pavimento a través de la expresión presentada en la siguiente ecuación. Esta ecuación incluye un factor beta que igualmente se detalla a continuación: Los espesores se determinan de manera que la suma de los aportes estructurales de las capas correspondientes cumpla tanto con el Número Estructural necesitado sobre la sub rasante así como sobre la base granular. El aporte estructural de cada capa se obtiene mediante el producto del espesor correspondiente con el coeficiente estructural asociado al tipo de material. En el caso de las capas granulares (base y sub base) se considera también el factor referido al coeficiente de drenaje para establecer la capacidad de evacuar el agua acumulada en la estructura. 31 La expresión que refleja el aporte estructural total considerando todas las capas de pavimento, el cual debe compararse con el Número Estructural total requerido, se presenta en la siguiente ecuación: Al existir más de una variable desconocida implícita en esta ecuación (el espesor de cada una de las capas), no existe una única combinación que satisfaga el Número Estructural pedido y dé por solucionado el problema. Debido a esto, con el propósito de compatibilizar los espesores con los aspectos constructivos y de estabilidad de una determinada capa, se limitan los espesores a través de valores mínimos correspondientes a 50 mm para cada capa asfáltica (no se considera esta regla para mezclas especiales) y 150 mm para cada capa granular. 32 Ilustración 2:Gráfico para determinar Número Estructural requerido por capas asfálticas Fuente: Manual de Carreteras Vol. 3, MOP. 2012 Probablemente, el valor calculado de TMAPA de la localidad respectiva no coincida con ninguno de los tres valores usados como patrones en los gráficos. Para encontrar el Número Estructural buscado se debe interpolar con los valores del Número Estructural obtenidos con las dos temperaturas más cercanas. El mismo criterio de interpolación debe ser usado en caso que el Módulo Resiliente de la sub rasante no corresponda a alguno de las curvas dadas en los gráficos. En caso que la TMAPA o el Módulo Resiliente queden bajo o sobre los extremos de los valores de los gráficos, se deberá extrapolar usando los valores más cercanos (Manual de Carreteras Vol. 3, MOP. 2012). 1.2.3.2 Pavimentos Rígidos Un pavimento de concreto o pavimento rígido consiste básicamente en una losa de concreto simple o armado, apoyada directamente sobre una base o sub base. La losa, debido a su rigidez y alto módulo de elasticidad, absorbe gran parte de los esfuerzos que se ejercen sobre el pavimento lo que produce una buena distribución de las cargas de rueda, dando como resultado tensiones muy bajas en la sub rasante. Todo lo contrario, sucede 33 en los pavimentos flexibles, que, al tener menor rigidez, transmiten los esfuerzos hacia las capas inferiores lo cual trae como consecuencia mayores tensiones en la sub rasante. Son aquellos que tienen una carpeta de rodadura conformada por concreto de cemento hidráulico. Recibe el nombre de pavimento rígido debido a las propiedades de la carpeta de concreto que absorbe en mayor grado las cargas vehiculares. Ilustración 3: Sección Transversal Pavimento Rígido Fuente: cámara nacional del cemento Son los pavimentos conformados por cemento Pórtland, arena de río, agregado grueso y agua, tendido en una sola capa. Dependiendo de la necesidad, estos pavimentos pueden estructurarse por la capa de sub base y base, conformando así una losa de concreto, de espesor, longitud y ancho variables. El pavimento rígido está compuesto por una carpeta de ruedo elaborada con concreto hidráulico. La carpeta de concreto puede ser colocada directamente sobre la sub rasante, pero en algunos casos se provee de una sub base granular y/o base granular, para evitar que la losa entre en contacto con los finos de la sub rasante. Los pavimentos rígidos o hidráulicos como se les conoce también, defieren de los pavimentos de asfalto o flexibles, en que poseen una resistencia considerable a la flexión, además de que se ven considerablemente afectados por los cambios de temperatura. Los pavimentos rígidos están sujetos a los siguientes esfuerzos: 34 a) Esfuerzos abrasivos causados por las llantas de los vehículos. b) Esfuerzos directos de compresión y cortadura, causados por las cargas de las ruedas. c) Esfuerzos de compresión y tensión que resultan de la deflexión de las losas bajo las cargas de las ruedas. d) Esfuerzos de compresión y tensión causados por la expansión y contracción del concreto. e) Esfuerzos de compresión y tensión debidos a la combadura del pavimento por efectos de los cambios de temperatura. Debido a la relación que existe entre los pavimentos rígidos y los esfuerzos anteriormente mencionados y para que los pavimentos cumplan con su vida útil como se espera, es necesario basarse en los siguientes factores: a) Volumen, tipo y peso del tránsito a servir en la actualidad y en un futuro previsible. b) Valor relativo de soporte y características de la sub rasante. c) Clima de la región. d) Resistencia y calidad del concreto a emplear Estos factores son de mucha importancia para que el pavimento sea óptimo y económico. Por ejemplo, el espesor de la losa de concreto es muy grande comparado con el requerido, es decir, que posee una carga superior a la que realmente soporta, tendrá un comportamiento satisfactorio pero su costo de construcción será muy elevado; al contrario, si el espesor es menor que el requerido, se acortará su vida de servicio, teniendo un costo de conservación elevado, obteniéndose un comportamiento poco satisfactorio. Es necesario el conocimiento del volumen del tránsito además de sus características, tanto actual como futuro, de tal manera que se puedan fijar aspectos como el número y ancho de las vías, el peso de las cargas por rueda, muy importante a la hora de calcular el espesor de las losas. 35 Debido a esto es muy importante toda recopilación de datos que se pueda obtener con relación al tránsito en el lugar; para esto puede recurrirse a los censos de tránsito en el lugar en estudio. Respecto a los esfuerzos generados por las cargas, los de flexión son los más relevantes en las losas. Mediante estudios teóricos y ensayos en losas, se ha comprobado que el punto crítico de una losa de espesor uniforme, es el correspondiente a la esquina de la misma, es decir, el ángulo formado por un borde exterior y una junta transversal. Ilustración 4: Esquema de esfuerzos debido a las cargas 1.2.3.2.1 Funciones de las distintas capas de un Pavimento Rígido 1.2.3.2.1.1 Sub base Normalmente es muy necesaria y casi siempre las condiciones de la sub rasante la exigen. Sus funciones son: ▪ Eliminar la acción de bombeo. ▪ Aumentar el valor soporte y proporcionar una resistencia más uniforme a la losa de concreto. ▪ Hacer mínimos los efectos de cambio de volumen en los suelos de la sub rasante. Después de la selección del tipo de pavimento de concreto, tipo de sub base, si es necesaria y tipo de hombros (con o sin hombros de concreto, mordientes y 36 cunetas o mordientes integrados), prosigue el espesor de diseño, que es determinado en base a los siguientes factores de diseño: ▪ Resistencia a la flexión del concreto (módulo de ruptura, MR). ▪ Resistencia de la sub rasante, o combinación de la sub rasante y la sub base (k). ▪ Los pesos, frecuencia y tipo de carga de eje de camión, que el pavimento tiene que soportar. ▪ Período de diseño, el cual en éste u otro procedimiento de diseño de pavimento es usualmente tomado de 20 años, pero puede ser mayor o menor. 1.2.3.2.1.2 Base Es la capa que se coloca debajo de las losas de concreto y arriba de la sub base. La base puede ser de materiales granulares tales como piedra o grava triturada, de arena y grava, de mezcla o estabilizaciones mecánicas de suelos y agregados, o bien suelo – cemento, e inclusive de productos bituminosos y agregados pétreos. Las funciones de la base, en los pavimentos de concreto, en su orden de importancia son: ▪ Prevenir el bombeo. ▪ Ayudar a controlar los cambios de volumen (hinchamiento y encogimiento), en suelos susceptibles a sufrir este tipo de cambios. ▪ Proporcionar una superficie uniforme para el soporte de las losas. ▪ Aumentar la capacidad estructural del pavimento. ▪ Prevenir la dosificación que ocurre en las bases granulares bajo el tráfico. 1.2.3.2.1.3 Capa de rodadura Es la capa superficial de concreto de cemento Pórtland, es decir, la losa en sí, cuyas funciones son: 37 ▪ Proveer un valor soporte elevado, para que resista muy bien las cargas concentradas que provienen de ruedas pesadas, trabajando a flexión, y lo distribuye bien al material existente debajo. ▪ Textura superficial poco resbaladiza, aun cuando se encuentre húmeda, salvo que esté cubierta con lodo, aceite u otro material deslizante. ▪ Proteger la superficie, sobre la cual está construido el pavimento, de los efectos destructivos del tránsito. ▪ Prevenir a la superficie de la penetración del agua. ▪ Buena visibilidad, por su color claro, da una mayor seguridad al tráfico nocturno de vehículos. ▪ Gran resistencia al desgaste, con poca producción de partículas de polvo 1.2.3.2.2 Clasificación de los pavimentos rígidos a) Pavimento de concreto con juntas (JPCP). b) Pavimento reforzado y con juntas (JRCP). c) Pavimento continuamente reforzado 1.2.3.2.3 Ventajas del pavimento rígido a) Posee mayor capacidad estructural que el pavimento flexible. b) Recomendable para cargas vehiculares altas. c) Pavimento más durable. d) Requiere menos mantenimiento del pavimento durante su vida útil. 1.2.3.2.4 Desventajas del pavimento rígido a) No es recomendable para cargas vehiculares bajas porque se vuelve una solución muy costosa económicamente. 38 b) Es posible que se genere bombeo de materiales finos por las juntas hacia la superficie de la losa, cuando no existe sub base. c) Se requiere el diseño de acero y/o dovelas, a excepción de algunos pavimentos rígidos que no los tienen. 1.2.3.2.5 Clasificación de Hormigón Utilizado en el Pavimento Rígido 1.2.3.2.5.1 Según Resistencia a la Compresión a los 28 días. El hormigón se clasifica principalmente por su resistencia a la compresión medida en probetas cúbicas normalizadas de 20 cm. De arista, de acuerdo con la normalización vigente, NP 1017 y NP 1037, ensayadas a los 28 días. Tabla 1: Grado del Hormigón Según Resistencia a la Compresión Fuente: Norma Peruana NP 170 La resistencia a la compresión puede ser un factor decisivo al momento de diseñar y elegir un hormigón, ya que dé él depende la cantidad de cemento utilizado, cantidad de agua agregada a la masada y calidad de los materiales pétreos. La elección del grado del hormigón depende del tipo de elemento y las cargas a los que va a estar solicitado. 39 Tabla 2: Grado del Hormigón / Elemento Fuente: Norma Peruana NP 170 Los firmes rígidos poseen una gran resistencia a la flexión, pero están sujeto a una cantidad importante de esfuerzos, como los abrasivos causados por las llantas de los vehículos, los de compresión y tensión que son causantes por la deflexión de las losas bajo las cargas de las ruedas o por la contracción misma del concreto, por nombrar algunos. Siendo el esfuerzo por flexión el más relevante en las losas, debido a que el punto crítico de una losa de espesor uniforme, es el correspondiente a la esquina de la misma, es decir el ángulo formado por un borde exterior y una junta transversal. Algunos de los factores que se deben considerar en el diseño para que los pavimentos rígidos puedan cumplir para lograr su vida útil diseñada son: ▪ El volumen, tipo y peso de tránsito sean previsibles. ▪ Valor relativo de soporte y caracterización de la sub rasante. ▪ El clima de la región. ▪ Resistencia y calidad del concreto a emplear. 40 1.2.3.2.6 Diseño de un Pavimento Rígido 1.2.3.2.6.1 Factores de diseño Los factores de diseño que se presentan a continuación, son los que intervienen en el método de diseño expuesto en el Manual de Carreteras Volumen 3 del MOP, que se encuentra basado en la AASHTO. Tránsito Este factor depende de la cantidad de vehículos al igual que la frecuencia y composición de las cargas a las que va estar solicitado el pavimento. Podemos definir transito como una sucesión de cargas en el tiempo, de diferente intensidad y frecuencia. Para cuantificar el transito se debe realizar con la proporción, número y estratigrafía de las cargas, todos estos datos recopilados gracias a los censos, los cuales no pueden entregar cifras del número de vehículos de eje simple, y número de vehículos de eje tándem. Capacidad de soporte del suelo de fundación Este es un factor muy importante, ya que del reconocimiento del terreno y de los ensayes ejecutados es posible determinar el tipo de suelo y su capacidad de soporte CBR que se expresa en porcentaje, ya que la ejecución del ensayo del módulo de reacción de la sub rasante es cada vez menos habitual, es posible obtener un valor aproximado (K). 41 Tabla 3: Cuadro de Valor de Soporte Fuente: Manual de Carreteras, Volumen 3 MOP. 2012 Resistencia a la Flexotracción Una de las propiedades más significativas del hormigón en un pavimento es su resistencia a la flexotracción, la cual está íntimamente relacionada con la resistencia a la compresión, ya que un sin número de estudios ha llegado a establecer que la resistencia a la flexotracción equivale a un valor entre 1/6 a 1/8 de la resistencia a la compresión. Vida de Diseño Generalmente la vida de un pavimento está determinada por la calidad de servicio entregado, el pavimento ha dejado de ser útil, cuando su serviciabilidad es mala. Debido al desconocimiento de la magnitud y tipo de tráfico futuro, la vida útil de 42 un pavimento en cuanto a diseño es menor a la real, normalmente se considera una vida de diseño del orden de 20 a 40 años. Clima Está determinado con comportamiento climático de cada región. Debido a que no es posible determinar matemáticamente un factor regional, se ha realizado una estimación mediante el análisis de duración de las condiciones climáticas reinantes durante un año típico. 1.2.3.3 Pavimento Semirrígido El pavimento semirrígido tiene sus raíces en los empedrados, que posteriormente evolucionaron hacia los adoquines de piedra, de madera y de arcilla. Para finalmente con mejores tecnologías de fabricación se lograron los adoquines de concretas resistentes y duraderos con formas y texturas homogéneas En pavimentos semirrígidos, a diferencia de pavimentos flexibles convencionales, la resistencia al agrietamiento de la carpeta de rodadura no es una respuesta crítica ya que la base cementada provee esta capacidad estructural. Por tanto, para proveer la resistencia a la abrasión de tráfico, la seguridad por fricción y la regularidad de la superficie para el contacto pavimento-vehículo la superficie de rodadura consta de una o más capas de hormigón asfáltico con las propiedades adecuadas de resistencia a la abrasión, ahuellamiento, pulido y construido. Un pavimento semirrígido es el tipo de pavimento que es similar al flexible en cuanto a los tipos de capas que poseen, la principal diferencia entre los dos radica en que el semirrígido posee una base estabilizada por cemento o asfalto, la cual puede ser mucho más rígida que la carpeta asfáltica. 43 Ilustración 5: Sección de pavimento semirrígido con base estabilizada con concreto Fuente: Hoffman, 2009 Este tipo de pavimento es de gran utilidad cuando la cantidad de tránsito no es tan alta como para recurrir al pavimento rígido, ni tan baja como para utilizar el flexible; o cuando es imposible adquirir material de base que sea superior a la calidad requerida. 1.2.3.3.1 Ventajas de un pavimento semirrígidos a) Provee una plataforma mejorada para actividades de construcción. b) Mejora la capacidad estructural y eleva la vida de servicio. c) Mejora la resistencia a condiciones saturadas en comparación con materiales no-tratados. d) Posibilidad de utilización de suelos y bases granulares locales en las capas de suelo-cemento. e) Mejorar las propiedades de materiales de bancos de préstamos deficientes para su uso en ciertas capas de pavimentos. f) Reduce el espesor de las capas de pavimento comparado con materiales no- tratados (p.e. gravas), en especial el volumen de mezcla bituminosa utilizada para base y/o rodadura. 44 g) Mejora la resistencia a la fatiga de superficies bituminosas colocadas encima (comparado con materiales no-tratados). h) Excelente relación costo/vida útil. 1.2.3.3.2 Límites del suelo cemento semirrígidos a) Uso de Suelo Cemento está limitado a contenidos restrictivos de Tabla 4: Condiciones Restrictivas en suelos in-situ para aplicación de suelo cemento b) Su comportamiento puede ser afectado sensiblemente por una fabricación o método constructivo incorrecto más que otras alternativas, por lo que requiere mayor preparación del equipo ejecutor. c) Tiempo de “trabajabilidad” reducida (con respecto a materiales no-tratados). Compactación debe terminar por lo general dentro de 1 a 1.5-h. Si se utilizan sustitución con aditivos puzolánicos (p.e. ceniza volante) podría aumentar este tiempo. 1.2.3.3.3 Método AASHTO para el diseño estructural de pavimentos El diseño de pavimentos consiste en la obtención de los espesores de cada una de las capas de la estructura de pavimento, ya sea, flexible, rígido o semirrígido. Estos espesores obtenidos mediante la metodología AASHTO 1993 son espesores teóricos; por lo tanto, el diseñador, de acuerdo su criterio, puede tener un parámetro para decidir cuáles serán los espesores reales que a colocar. 1.2.4.1 Variables de Diseño 1.2.4.1.1 Ejes Equivalentes (ESAL’s) La carga vehicular está compuesta por una gran variedad de tipos de ejes y vehículos, por lo tanto, es necesario convertirlos a una única unidad de medida 45 llamada eje equivalente de 18kips (8200kg), esto con fin de realizar una sumatoria de todos los ejes equivalentes anuales. Los ejes equivalentes se obtienen mediante dos tipos de procesos, el primero consiste en obtener el tipo, cantidad, y peso de los ejes simples y tándem que transitan por la vía; AASHTO (1993) en su apéndice D ofrece tablas con factores de equivalencia de carga (LEF) con el fin de convertir los diferentes tipos de ejes en ejes equivalentes. 1.2.4.1.2 Índice de Servicio (PSI) El Índice Presente de Servicialidad (PSI) es un indicador de la calidad funcional del pavimento, que determina la confortabilidad de un pavimento al tránsito. EL PSI está basado en el AASTO, es una valoración de la calidad de la circulación elaborada por un panel de evaluación. Dichos evaluadores conducían por una sección del tramo experimental de la AASHTO con el fin de categorizar el pavimento de acuerdo a su calidad en un rango de 0 a 5, donde 0 es un pavimento intransitable y 5 es un pavimento perfecto. Ilustración 6: Variación del PSI vs. El tráfico acumulado o tiempo para pavimentos de concreto y asfalto Fuente: ACPA, 2012 46 1.2.4.1.3 Módulo de Resiliente Es bien conocido que los materiales de pavimento no son elásticos, debido a deformaciones permanentes después de cada aplicación de carga. Sin embargo, si la carga es pequeña comparada con la resistencia del material y es repetida por un gran número de veces, la deformación bajo cada repetición de carga es casi completamente recuperable (y proporcional a la carga), por esto, se puede considerar este comportamiento como elástico. El módulo resiliente es obtenido de laboratorio mediante la prueba triaxial la cual está normada bajo la AASHTO T 292. Debido a la dificultad de la mayoría de los laboratorios de poseer el equipo de la prueba triaxial, se han encontrado varias correlaciones entre el módulo de resiliente y otros parámetros como lo son: coeficiente estructural, R-Value, CBR, Triaxial de Texas, entre otros. El módulo resiliente de una sub rasante puede variar a lo largo del año, ya que la 1.2.4.1.4 Índice de Soporte de California (CBR) El California Bearing Ratio o mejor conocido como CBR es una prueba de laboratorio con el fin de obtener la resistencia a la penetración de un espécimen de material granular siendo capaz de medir también materiales cohesivos. El equipo de laboratorio para la prueba de CBR es bastante común entre los laboratorios; ya que, tiene un valor económico bastante menor que el equipo triaxial y es sencillo de manejar por el personal de laboratorio. En términos generales, la prueba consiste en obtener la resistencia a la penetración de la muestra y compararla con la muestra patrón. Es decir, el CBR es el porcentaje de resistencia que posee la muestra con respecto a la muestra patrón, donde un CBR de 100 es una muestra con la misma resistencia a la penetración que la muestra patrón. 47 1.2.4.1.5 Coeficiente de Drenaje Según AASHTO (1993) El drenaje es tratado en dicho manual considerando los efectos del agua en las propiedades de las capas del pavimento y de las consecuencias a la capacidad estructural del pavimento. Para un diseño nuevo, el efecto del drenaje está en función de la calidad del drenaje (tiempo requerido para que el pavimento sea drenado), y el porcentaje de tiempo que la estructura del pavimento está expuesta a niveles de humedad de saturación inminente. (AASHTO, 1993). En el Cuadro 2, se presenta los tiempos de drenado de las capas granulares que permiten clasificarlas de acuerdo a calidad de drenaje. Tabla 5: Cuadro de drenajes El efecto del drenaje en la capacidad estructural del pavimento es afectado mediante el coeficiente de drenaje, el cual, para pavimentos flexibles es expresado por medio de Cm, mientras que para pavimentos rígidos es expresado por Cd. Estos valores pueden ser mayores o menores a la unidad y esto dependerá de la condición del drenaje. Mientras que el Cd es aplicado a la ecuación de diseño, el Cm es aplicado a la ecuación del número estructural. Este coeficiente no es aplicado a las carpetas de ruedo ya que éstas no están compuestas de drenajes. 48 1.2.4.1.6 Confiabilidad La confiabilidad se refiere a la probabilidad que al final del período de diseño se logre llegar al PSI terminal, por ejemplo, si el diseñador desea considerar en su diseño un 95% de confianza esto quiere decir que finalizar el período de diseño hay una probabilidad del 95% de que el pavimento llegue a un PSI mayor o igual al PSI terminal. El grado de confianza que se quiera lograr dependerá de la importancia de la vía, es decir, una vía primaria requerirá una confiabilidad mucho más rigurosa que una vía terciaria o cantonal. La confiabilidad es representada en el diseño mediante el estadístico de normalidad Zr, AASHTO (1993) provee correlaciones entre porcentajes de confianza y estadísticos Zr. Ilustración 7: Influencia de la confiabilidad R en la curva de diseño Fuente: ACPA, 2012 1.2.4.1.7 Desviación Estándar So La desviación estándar está relacionada con el grado de dispersión que generan los factores o variables que intervienen en el diseño. Según ACPA (2012), la desviación estándar es la sumatoria de los errores estadísticos presentes en las ecuaciones de diseño debido a la variabilidad en los 49 materiales, construcción, etc. Representa el acumulado de dispersión entre el comportamiento predicho y el desempeño real. La desviación estándar está ligada al tipo de pavimento, AASHTO (1993) recomienda utilizar un S0 de 0,45 para pavimentos flexibles y de 0,35 para pavimentos rígidos. 1.2.4.1.8 Coeficiente estructural ai El coeficiente estructural ai es una medida de la habilidad relativa de una unidad de espesor de capa de un material dado de funcionar como un componente estructural del pavimento. (Huang, 2004). El coeficiente estructural se orienta a valorar la invariabilidad de la resistencia de la capa de pavimento conforme éste es sometido a las cargas correspondientes. Según FHWA (2006), se debe enfatizar que los coeficientes estructurales no son fundamentalmente propiedades ingenieriles del material. No existen procedimientos de laboratorio ni de campo para medir el coeficiente estructural directamente. Los coeficientes estructurales son originalmente definidos como simples índices de sustitución, por ejemplo, un coeficiente puede definir cuanto de espesor adicional de base debe ser agregado si una unidad de espesor de concreto asfaltico es removida, manteniendo la misma deflexión bajo una carga estandarizada. El coeficiente estructural es únicamente utilizado durante el procedimiento de