Patologías en pavimentos asfálticos: Deformaciones plásticas

1 - Introducción

Una patología es el conjunto de señales que indican la presencia de un deterioro o daño sobre el cual hay que intervenir, para evitar que crezcan en extensión y severidad.  Las patologías se pueden clasificar según su tipología en:

·       Fisuras

·       Deformaciones plásticas

·       Desprendimiento.

·       Otras patologías: exudaciones, segregaciones, infiltraciones de agua, etc.

En este módulo nos centraremos en las patologías de tipo deformaciones plásticas.

2 - Deformaciones plásticas por daño en las mezclas asfálticas

2.1 – Clasificación del fenómeno

Además de las fisuras que se pueden observar en el tránsito por cualquier vía, hay otros deterioros que se puede encontrar, como las deformaciones plásticas. Existen dos tipos de deformaciones plásticas:

·       Ahuellamiento

·       Ondulaciones 

La primera hace referencia a la formación de surcos longitudinales en los sitios de las huellas de las ruedas y el segundo, a pequeñas áreas transversalmente onduladas que se localizan dónde se suelen producir las frenadas, en donde se producen mayores esfuerzos de corte o en sectores donde se tiene baja rigidez en la mezcla.

Las mezclas asfálticas son materiales elasto-viscoplásticos que acumulan deformaciones no recuperables (plásticas) al paso de cada ciclo de carga. La magnitud de tales deformaciones depende tanto de la mezcla asfáltica como de las condiciones de uso. Con respecto a lo primero se pueden mencionar los siguientes factores:

·       Tipo y calidad del asfalto

·       Granulometría

·       Tamaño máximo

·       Tipo y cantidad de llenante mineral

·       Contenido de vacíos

En lo que respecta a las condiciones de uso se pueden mencionar:

·       Velocidad y magnitud de las cargas

·       Temperatura del pavimento

Cuando el daño por deformación plástica se debe exclusivamente a la mezcla asfáltica, esto se origina porque la mezcla carece de suficiente rigidez. Este problema se hace más probable en zonas cálidas, y con cargas grandes y lentas. También se puede producir este problema en zonas de clima frío, en los que queda aún más en evidencia que la mezcla carece de rigidez debido a los materiales empleados.

Para que las mezclas tengan buena resistencia a las deformaciones plásticas, se necesita que las mismas tengan buena fricción interna y buena cohesión. La fricción interna depende de las propiedades físicas y de la disposición en la mezcla de los agregados gruesos (nivel de empaquetamiento, nivel de trituración, tamaño máximo, cantidad de vacíos y cantidad de ligante). La cohesión depende de la pasta asfáltica que se forma entre el ligante asfáltico y el llenante mineral. Esta pasta se dispone entre los agregados y hace que ellos se unan, es la que da la cohesión y por ello debe ser caracterizada correctamente.

Al fallar alguno de estos parámetros o ambos dentro de la mezcla asfáltica, se ve afectada la resistencia al corte de la mezcla, lo que origina una mayor magnitud de deformaciones plásticas.

Es por ello que se debe aclarar que, al estar relacionada la resistencia al corte de la mezcla, con los materiales que la componen, se evidencia que la calidad y la correcta selección de estos pueden proporcionar mejor comportamiento deformable de la mezcla.

2.2 - Factores implicados en las DPs en mezclas asfálticas

Las causas de las Deformaciones Plásticas en mezclas asfálticas pueden atribuirse a una combinación de factores internos o de la naturaleza de la mezcla, con factores o razones externas. Estas causas pueden combinarse debido a múltiples factores.  Entre ellos podemos encontrar:

Algunos comentarios acerca de los factores internos que inciden la aparición de deformaciones plásticas:

·       Un contenido de vacíos excesivo dentro de la mezcla (mayor a un 5%) conduce a una menor resistencia a la deformación plástica, debido a que esos vacíos permiten el reacomodo de los agregados dentro de la mezcla cuando las cargas ejercen presión al pasar por encima combinado esto con un clima cálido. Además, el ligante se comporta como un lubricante entre los áridos disminuyendo la fricción interna. Por otro lado, si el contenido de vacíos en la mezcla es muy bajo (menor al 3%), también es un factor que conduce a una mayor deformación plástica, porque el asfalto no encuentra vacíos para ocupar y un exceso del mismo redunda en exudaciones durante temporadas cálidas. El alto contenido de asfalto muchas veces es causante de las ondulaciones en la mezcla.

·       El contenido de vacíos en la mezcla está relacionado con los poros permeables que pueda tener el árido. El conocimiento del volumen del total de esos poros permeables permite ajustar con más precisión la cantidad de asfalto a emplear en la dosificación. En otras palabras, tiene que ser una cantidad de asfalto que no solo actúe como ligante sino que penetre en la piedra también a través de sus poros. En el caso de colocar la cantidad necesaria para que solamente el asfalto actúe como ligante, ocurrirá que en la realidad parte de éste va a ser absorbido por la piedra, y la cantidad que se pensaba que iba a actuar como ligante se va a ver reducida por esa absorción, quedando zonas con huecos o vacíos que hará que el porcentaje de vacíos estipulado en la mezcla resulte mayor al inicialmente diseñado.

Algunos comentarios acerca de los factores externos que inciden la aparición de deformaciones plásticas:

·       Procesos de compactación mal ejecutados. Si quedan zonas mal compactadas, en ella habrá una mayor cantidad de vacíos y, por ende, mayor deformación plástica producida en esas zonas.

·       Incremento de cargas no previstas en el diseño.

·       La aplicación de cargas lentas.

·       La generación de esfuerzos cortantes mayores a los admisibles (zonas de frenado).

2.3  - Efectos en la movilidad de los usuarios

Con la presencia de este fenómeno en la vía se reduce la movilidad acorde a la severidad del daño, viéndose este hecho reflejado fuertemente en el IRI si las huellas formadas son muy profundas. Es por ello que los umbrales de DPs máximas permitidas en las carreteras de diferentes países están entre los 10 y 20 mm, cuestión relacionada con la reglamentación y con el tipo de vía de cada región o país.

2.4 - Ensayos de laboratorio para determinar la resistencia a las DPs.

Se deben realizar las pruebas de laboratorio para determinar la susceptibilidad de una mezcla asfáltica a sufrir DPs. Una vez presentado el daño este ya no tiene solución, es por ello que resulta muy importante analizar bien las causas que puedan conducir a los problemas de DPs.

Algunos de los ensayos que se realizan en laboratorio son:

2.4.1 - Wheel Tracking Test (ensayo de pista):

Se aplica una carga de hasta 9 kg/cm2 durante 120 minutos a una mezcla que está a 60 grados Celsius. Esta prueba evalúa la velocidad de deformación en intervalos de 15 minutos (a los 30, 45, 60, 75, 90, 105 y 120 min), pero se considera en realidad como la velocidad real de deformación la registrada en el intervalo 105-120.

Dependiendo de la normativa que se trate, para que la mezcla se la denomine como resistente al fenómeno de deformación plástica, esta velocidad de deformación para la temperatura de ensayo de 24ºC deberá ser menor a los 15 mm/min, o 20 mm/min para temperaturas más bajas.   

Este ensayo se realiza sobre probetas moldeadas en laboratorio, no sobre muestras extraídas en la carretera misma.

La siguiente imagen muestra un ejemplo de los resultados de este tipo de ensayo:

 2.4.2 - Ensayo en pista de Hamburgo

  Se realiza este ensayos tanto en probetas de laboratorio como a en probetas extraídas de la carretera misma. Además, se puede realizar en condición seca como húmeda (en inmersión).

El ensayo va midiendo la profundidad de una huella al paso de una rueda, y va contando el número de pasadas. Cuando se llega al límite de deformación (20 mm) o al límite de ciclos (20.000), el ensayo se da por concluido en función de lo que ocurra primero. 

En realidad, la cantidad de ciclos a aplicar y la temperatura a la que se realice el ensayo está definido por el PG del ligante asfáltico empleado en la mezcla.

Mediante este ensayo también se puede evaluar la resistencia ante al humedecimiento, pudiendo determinarse el número de ciclos o ejes donde se inicia el Stripping, que es el punto de quiebre donde se presentan las mayores deformaciones en la mezcla. Se podría denominar también como el punto en el que se rompen los pétreos de la mezcla, a mayor cantidad de ciclos para alcanzar el punto de stripping se puede decir que la mezcla tiene mejor comportamiento ante la deformación.

Acciones preventivas

En función de los resultados obtenidos en estas pruebas se pueden tomar las acciones preventivas para evitar las deformaciones en la fase de mezcla. Las opciones pasan por:

Si tenemos que actuar en un tramo ya instalado, cuando el daño es menor a 20 mm se pueden realizar trabajos de fresado, y colocación de nuevas mezclas. En daños más severos habrá que reemplazar la totalidad de las mezclas afectadas y analizar las capas inferiores para examinar cualquier probabilidad de posterior daño.

2.5 - Medición de deformaciones asfálticas

La medición del daño se realiza determinando el área en metros cuadrados (m2) afectada por ahuellamiento u ondulaciones. Respecto al nivel de severidad, éste se determina según la profundidad media de la huella u ondulación. Para medir la severidad del daño podemos utilizar diferentes métodos que presentamos a continuación:

2.5.1 - Regla de 3 metros

Se emplea una regla de 3 metros que se coloca de manera transversal a la deformación y se mide la altura de deformación más elevada.

La principal ventaja de este método es su facilidad de ejecución y su bajo costo. Mientras que su mayor desventaja reside en ser una medición muy puntual donde el criterio de la persona que hace la medición juega un papel muy importante en el resultado final.

2.5.2 - Perfilómetro láser

Es un equipo de alto rendimiento que consta de sensores láser que permiten obtener el perfil transversal de una vía de manera continua, pudiendo además tener el perfil longitudinal en las huellas de los vehículos, haciendo de este un método de medición más preciso que el anterior.

Este dispositivo tiene la facilidad de instalarse en la parte frontal de un vehículo para así de una manera más rápida, fácil y segura realizar las mediciones en carreteras en operación.

Una vez se tenga los resultados, se compara con lo admisible y se toman las decisiones que correspondan.

3 - Deformaciones por daño en las capas inferiores

3.1 – Explicación del fenómeno

Un pavimento ante el efecto del tránsito está sometido a esfuerzos verticales y de tracción entre las diferentes capas que la componen, de igual manera existen deformaciones verticales y deformaciones a tracción en estos puntos, como se muestra en la siguiente figura:

Esto ocurre debido a una pérdida de la capacidad soporte del material. Cuando la deformación que produce el paso de los vehículos sobrepasa a la admisible del material (tanto en la capa de base como de subrasante), esto conducirá a su rotura o fallo produciendo DPs que luego se reflejarán en la superficie de rodadura.

 3.2 – Planteamiento de las causas

1) Baja capacidad estructural del pavimento. La capacidad estructural del pavimento depende directamente de las propiedades de los materiales empleados, a partir de los cuales se determinan los espesores de cada capa. Por tal motivo, es que el fenómeno se propicia cuando:

1. Se sobreestiman las propiedades de los materiales, causando la reducción de espesores de las capas y reduciendo la capacidad real del pavimento.

2. Fallas en el sistema de drenaje, esto debido a que los materiales en condiciones saturadas, reducen sustancialmente sus propiedades resistentes y más si los materiales granulares tienen algún porcentaje de plasticidad.

2) Cargas no previstas en el diseño. Pueden ser ocasionadas de dos maneras:

1. Las estructuras de pavimentos están diseñadas para soportar un cierto nivel de tránsito. En el caso de que existan cargas adicionales que no estuvieran contempladas, la resistencia del pavimento será rebasada y por lo tanto será susceptible a la presencia de deformaciones plásticas.

2. Por la presencia de suelos especiales en la subrasante, ya sean suelos colapsables y/o suelos dispersivos, los cuales ante el cambio de humedad reducen su resistencia y producen hundimientos.

3.3 – Métodos de estudio con pruebas de campo o de laboratorio

Existen métodos de campo para determinar el daño o propiedades de los materiales granulares como ser:

Calicatas

En problemas puntuales se obtienen calicatas de los materiales situados debajo de las capas asfálticas para luego ensayar en el laboratorio. Se evalúan sus propiedades, así como también se determina su humedad, espesor y/o algún otro parámetro de caracterización de suelos.

Deflectometría

Ahora bien, en problemas de mayor extensión superficial se emplean deflectómetros (como la viga Benkelman) o el deflectómetro de impacto FWD. Estos métodos no destructivos permiten evaluar las deflexiones que se originan, y determinar los módulos elásticos de la subrasante y de las capas granulares.

3.4 – Planteamiento de medidas correctivas o paliativas

Las medidas preventivas para evitar este daño pasan por:

·       Realizar buenos diseños estructurales.

·       Rigurosos procesos de construcción.

·       Construir adecuados sistemas de drenaje.

·      Cuando estamos en presencia de suelos inestables es necesario estabilizarlos o bien reemplazarlos, protegiendo en todo caso al suelo de los cambios de humedad mediante adecuados sistemas de drenajes.

Cuando el daño ya está presente y es muy puntual, se puede realizar un bacheo profundo cambiando el material granular y la carpeta de rodadura. Si el daño es más extenso, se debe hacer el cambio de estructura hasta el nivel en que se encuentre el daño, realizando de manera previa un diseño estructural utilizando parámetros adecuados que representen la realidad de los materiales que se empleen.