INTERACCIN ENTRE CALIDAD DE MATERIALES Y COMPORTAMIENTO DE PAVIMENTOS Paul Garnica Anguas Jos Antonio Gmez Lpez Investigadores, Instituto Mexicano del Transporte Resumen. En este trabajo se presenta una discusin sobre la interaccin que debe mantenerse entre las recomendaciones de calidad para los materiales que constituyen la seccin estructural de un pavimento y el comportamiento esperado del mismo a lo largo de su vida de proyecto. Se presenta una discusin para el caso particular de las capas de subrasante, subbase y base, constitudas por suelos cohesivos compactados y materiales granulares. 1. INTRODUCCION El objetivo bsico de las recomendaciones de calidad de los materiales en secciones

estructurales de pavimentos carreteros es auxiliar a los ingenieros responsables de

proyecto, construccin y conservacin de las carreteras, en la seleccin de materiales

adecuados para contribuir a la minimizacin de los costos de conservacin y operacin

de esas obras.

Desde un punto de vista tcnico, la minimizacin de los costos mencionados necesita a

su vez un control estricto de los niveles de deterioro que se deben permitir en la seccin

estructural del pavimento. Los tipos de deterioro fundamentales en pavimentos flexibles

son el agrietamiento por fatiga y la acumulacin de deformaciones permanentes, tal y

como se ilustra en la Figura 1.

Figura 1. Deterioros fundamentales en pavimentos flexibles.

La acumulacin de deformaciones permanentes se manifiesta a manera de roderas en

la superficie de rodamiento y es resultado de la deformacin permanente en todas y

cada una de las capas que conforman la carretera, que es inducida por la aplicacin de

las cargas repetidas que transmite el trnsito vehicular.

La magnitud de la deformacin permanente que se puede tolerar depende por supuesto

de la importancia de la carretera; por ejemplo en ejes troncales no se puede permitir

ms de 1 cm si es que se quiere mantener el nivel del Indice de Regularidad

Internacional (IRI) por debajo de 2.5 m/km. En carreteras de altas especificaciones el

nivel de IRI debera mantenerse entre valores de 1 (recin construida) y no ms de 1.5

m/km durante el perodo de diseo.

El cumplimiento de tales requerimientos necesita no solamente especificaciones de

calidad de los materiales a emplear, sino un entendimiento global de los factores que

afectan el comportamiento de suelos, materiales granulares, concretos asflticos, etc.,

cuando se someten a condiciones de carga repetida.

En lo que sigue se presenta una discusin, a manera de ejemplo, entre la interaccin

existente entre las especificaciones de calidad usuales en capas de subrasante y base,

constituidas por suelos cohesivos y materiales granulares, y el comportamiento

esperado en trminos de deformaciones permanentes

2. SOBRE SUELOS COHESIVOS COMPACTADOS

Los suelos cohesivos se encuentran generalmente como parte del terreno de

cimentacin, en las capas de terrapln y subrasante de un pavimento. Es usual

establecer especificaciones de calidad en trminos de caractersticas como:

Granulometra

Porcentaje de finos

Lmite lquido

Indice plstico

Grado de compactacin

Valor Relativo de Soporte

Cuando una muestra de suelo compactado se somete a repeticiones de carga se

presenta tpicamente el comportamiento que se muestra en la Figura 2. Se observa que

la deformacin permanente se acumula rpidamente en los primeros ciclos y tiende a

un valor finito al cabo de varios miles de repeticiones.

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0 5000 10000 15000 20000 25000

Nmero de ciclos

Def

orm

aci

n (%

)

Figura 2. Evolucin de la deformacin permanente en un suelo compactado

sometido a carga cclica.

La magnitud final de la deformacin permanente acumulada depende ciertamente de

las caractersticas de calidad mencionadas anteriormente; por ejemplo, la Figura 3

ilustra las curvas isocaractersticas de deformacin permanente en el diagrama de

compactacin para un cierto suelo. Se puede observar que, para un contenido de agua

dado, la deformacin permanente disminuye ligeramente al aumentar el valor del peso

volumtrico seco. Sin embargo, las investigaciones muestran que la influencia del

contenido de agua es mucho mayor a la del peso volumtrico, tal y como se puede

apreciar en la misma figura. De hecho, existe una relacin clara entre la magnitud

esperada de la deformacin permanente y el grado de saturacin del suelo como se

muestra en la Figura 4.

11

12

13

14

15

16

15 18 21 24 27 30 33 36 39 42Contenido de agua (%)

Peso

vol

umt

rico

seco

(kN

/m3 ) Gw = 100%

95%

90%80%70%60%50%

0.16% 0.22 0.28 0.40 0.52 0.64

Figura 3. Curvas isocaractersticas de deformacin permanente en el espacio de

compactacin de cierto suelo.

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

20 30 40 50 60 70 80 90 100

Grado de saturacin (%)

Def

orm

aci

n pe

rman

ente

(%) Grado de saturacin correspondiente al ptimo de

compactacin

Figura 4. Dependencia de la deformacin permanente del grado de saturacin de un

suelo cohesivo compactado.

A partir de valores del grado de saturacin correspondientes a los ptimos de

compactacin y para cualquier energa de compactacin, la deformacin permanente se

incrementa notablemente. Lamentablemente ni el contenido de agua ni el grado de

saturacin son variables que sean consideradas en las especificaciones de calidad de

estos materiales.

3. SOBRE MATERIALES GRANULARES

Los materiales granulares son elementos comunes en la constitucin de las capas de

base y subbase en la seccin estructural de un pavimento. Es usual establecer

especificaciones de calidad en trminos de caractersticas tales como:

Granulometra

Lmite lquido

Indice plstico

Equivalente de arena

Grado de compactacin

Valor Relativo de Soporte

Desgaste de Los Angeles

Absorcin y densidad

Cuando una muestra de material granular se somete experimentalmente a repeticiones

de carga se observa tpicamente el comportamiento que se ilustra en la Figura 5. De

forma similar a lo que ocurre en suelos cohesivos compactados, la deformacin

permanente en materiales granulares se acumula rpidamente en los primero ciclos y

tiende posteriormente a un valor finito.

La magnitud de esta deformacin permanente final depende de las caractersticas de

calidad antes mencionadas pero no necesariamente en la forma en que pudiramos

pensar. Por ejemplo, en la Figura 6 se presenta la evolucin de la deformacin

permanente en dos muestras de material granular con granulometras diferentes. Se

observa que la muestra con granulometra uniforme (clasificacin SUCS, GP), presenta

una deformacin permanente menor en relacin a la bien graduada (clasificacin

SUCS, GW), y ello a pesar de que la muestra bien graduada tiene un peso volumtrico

inicial mayor.

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

0 4000 8000 12000 16000 20000 24000

Nmero de ciclos

Def

orm

aci

n pe

rman

ente

acu

mul

ada

%GW

Figura 5. Evolucin de la deformacin permanente en un material granular

sometido a carga repetida.

Figura 6. Comparacin de la acumulacin de la deformacin permanente de material

granular con granulometras diferentes y a mismo nivel de esfuerzos.

4. SOBRE COMPORTAMIENTO DE PAVIMENTOS

El mecanismo de acumulacin de la deformacin permanente es similar tanto en suelos

cohesivos como en materiales granulares y permite una reflexin muy interesante

cuando se extrapola al comportamiento de los pavimentos.

Tal y como se observa en las Figuras 2 y 5, la deformacin permanente se acumula

rpidamente en los primeros ciclos y luego tiende a un valor finito. Esto implica que en

0

20

40

60

80

100

0.01 0.1 1 10 100Tamao en mm

% q

ue p

asa

GPGW

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

0 20000 40000 60000 80000Nmero de ciclos

Def

orm

aci

n pe

rman

ente

ac

umul

ada

%

GW

GP

un pavimento, las capas de subrasante, subbase y base acumulan deformacin en los

primeros aos de servicio y al cabo del tiempo tienden a un valor finito.

Para un material granular, la magnitud de la deformacin permanente es muy

dependiente del nivel e historia de esfuerzos, tal y como se ilustra en las Figuras 7 y 8.

En esas Figura se aprecian dos fenmenos muy importantes:

1. La magnitud de la deformacin permanente alcanza un valor finito que

depende directamente del esfuerzo mximo aplicado. Si el esfuerzo se llegara a

incrementar, la acumulacin de la deformacin continuara nuevamente (Fig. 7).

2. Una vez alcanzado el valor finito de deformacin permanente, cualquier

nmero de repeticiones adicional de niveles de esfuerzo iguales o menores al

mximo aplicado ya no inducirn ninguna deformacin permanente adicional

(Fig. 8).

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000No. de ciclos

Def

orm

aci

n pe

rman

ente

ac

umul

ada

%

63 kPa

126 kPa

253 kPa

Figura 7. Acumulacin de la deformacin permanente de un material granular para

diferentes secuencias de aplicacin de la carga. Los escalones corresponden al

momento en que se incrementa el nivel de esfuerzo.

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

0 100000 200000 300000 400000 500000 600000

Nmero de ciclos

Def

orm

aci

n ac

umul

ada

% 1073 806 543 275 539 806 kPa

Figura 8. Acumulacin de la deformacin permanente en materiales granulares con

aplicacin de esfuerzos descendentes. Los nmeros indican el nivel de esfuerzo

aplicado en kPa.

Al menos tres implicaciones importantes se pueden deducir del anlisis de los

fenmenos mencionados. La primera es que el concepto de ejes equivalentes no es

aplicable en las capas de pavimento constituidas por suelos cohesivos materiales

granulares. En efecto, es el nivel de esfuerzo mximo el que controla la magnitud de la

deformacin acumulada.

La segunda implicacin es que una vez que esas capas de pavimento han alcanzado al

paso de los aos su valor finito de deformacin permanente, constituyen materiales

inmejorables para carreteras incluso si inicialmente presentaban desviaciones en

cuanto a sus caractersticas de calidad. En ese caso, la colocacin de una sobrecarpeta

disminuira an ms los niveles de esfuerzo antes soportados asegurando

prcticamente que ninguna acumulacin adicional de deformacin permanente se

presentar en esos materiales.

La tercera implicacin, an en fase de investigacin, es que parece muy posible que si

se controla el nivel de esfuerzo durante la compactacin, de manera que sea mayor al

esperado durante la vida de proyecto de un pavimento, se minimizara desde un inicio

la magnitud de la deformacin permanente que se pudiera presentar. Esto se ilustra en

la Figura 9 en donde se compara la magnitud final de la deformacin permanente, en

funcin del grado de saturacin, para el caso en que al suelo compactado inicialmente

por impactos se le compacta adicionalmente con 1000 repeticiones de un esfuerzo

mayor al esperado en campo. An para grados de saturacin mayores al

correspondiente ptimo de compactacin la mejora es evidente. Lo anterior es

igualmente aplicable a materiales granulares.

0.00

0.30

0.60

0.90

1.20

1.50

1.80

40 50 60 70 80 90 100

Grado de saturacin (%)

Def

orm

aci

n pe

rman

ente

(%)

Sin precarga

Precarga (1000 ciclos)

Figura 9. Efecto del nivel de esfuerzo de compactacin en la magnitud de la

deformacin permanente acumulada en un suelo cohesivo bajo carga repetida.

5. CONCLUSIONES

De acuerdo con lo presentado en este trabajo es evidente que las especificaciones de

calidad de materiales para construccin de pavimentos son una condicin necesaria

pero no suficiente para asegurar el buen comportamiento de una carretera, en trminos

de los niveles de deterioro esperados, especialmente en cuanto a deformaciones

permanentes se refiere.

Es fundamental mantener la interaccin entre las especificaciones de calidad de los

materiales y el comportamiento de los pavimentos de manera que se tenga una

retroalimentacin continua. Esto no ser posible sin un adecuado seguimiento de

nuestras carreteras que permita contar con un Banco de Informacin capaz de

proporcionar la informacin necesaria a nuestras actividades de proyecto, diseo,

construccin y conservacin de carreteras.

6. REFERENCIAS Garnica, A. P, et al (2000). Mdulos de resiliencia en suelos finos y materiales

granulares. Publicacin Tcnica No. 142. Instituto Mexicano del Transporte. Quertaro,

Mxico.

Garnica, A. P, et al (2001). Influencia de las condiciones de compactacin en las

deformaciones permanentes de suelos cohesivos utilizados en la construccin de

pavimentos. Publicacin tcnica No. 165. Instituto Mexicano del Transporte. Quertaro,

Mxico.

Gmez, L. J. A, et al (En proceso). Deformaciones permanentes en materiales

granulares. Instituto Mexicano del Transporte. Quertaro, Mxico.

Rico, R. A, et al (1991). Manual de calidad para materiales en la seccin estructural de

carreteras. Documento Tcnico No. 1. Instituto Mexicano del Transporte. Quertaro,

Mxico.

Secretara de Comunicaciones y Transportes (1986). Normas para muestreo y pruebas

de materiales, equipos y sistemas. Carreteras y aeropistas, materiales para terraceras.

Libro 6.01.01. Mxico.