EVALUACIÓN Y PATOLOGÍA DE PAVIMENTOS DE CONCRETO Diego A. Jaramillo Porto

Director de Ingeniería - Asocreto Director de Pavimentos - FIHP

Ciudad de Guatemala, Agosto 2 de 2012

?

CONDICIÓN ESTRUCTURAL DEL PAVIMENTO

Período de diseño

Indice de servicio inicial

Indice de servicio final

AÑOS

Período de diseño

CONDICIÓN ESTRUCTURAL DEL PAVIMENTO

El mantenimiento y las reparaciones extienden la vida útil del pavimento.

Indice de servicio inicial

REPARACIÓN

Indice de servicio final VIDA UTIL ADICIONAL

AÑOS

Sistemas de rehabilitación Los procedimientos de rehabilitación son rápidos y le permiten al pavimento:  Mantener las condiciones de servicio  Restablecer el nivel de servicio cuando se ha reducido  Repotenciar un pavimento para soportar cargas y frecuencias mayores.

Siempre habrá una ventana de oportunidad para intervenir un pavimento. Desde el mantenimiento preventivo, hasta la reconstrucción cuando la vida útil se ha consumido. MANTENIMIENTO

REPARACIÓN

RECONSTRUCCIÓN

Primeros problemas Problemas se han presentado desde los primeros pavimentos construidos hace 100 años. La tecnología se fue desarrollando con el tiempo. Desde los años 20 se estudiaron las situaciones presentadas y se detectaron los siguientes problemas: 1. Fisuración  Muchos de los pavimentos se construyeron sin juntas, lo que generó fisuras longitudinales y transversales aleatorias.

2. Descascaramiento  Perdida de la capa superior del pavimento

3. Bombeo  Salida de agua por las juntas y fisuras y perdida de la capacidad de soporte

Primeros problemas Fisuración Los primeros pavimentos se construyeron sin juntas. En esos pavimentos se presentaron fisuras longitudinales y transversales aleatorias.

En los años 20 se inició la construcción de pavimentos con juntas longitudinales y transversales, para evitar la aparición de fisuras aleatorias.

Primeros problemas Descascaramiento Perdida de la capa superficial del pavimento. La PCA realizó una investigación y encontró que la causa era el ciclo de hielo-deshielo, acelerado por el uso de compuestos de remoción de nieve y hielo

Primeros problemas Bombeo Entre 1920 y 1930 los pavimentos normalmente se colocaban sobre el terreno original. Al final de los 30 se incrementó el volumen y peso de los camiones. En pavimentos de alto tráfico se comenzó a presentar el fenómeno del bombeo. Los estudios detectaron que debían existir 3 condiciones para que exista bombeo: 1. Base con finos 2. Agua atrapada 3. Cargas pesadas

Se recomendó el uso de una subbase debajo de las losas de concreto En 1940 se comenzaron a utilizar bases tratadas con cemento.

Tipos de daños 6

5

7

13 10

2

8

4

9

12

14

3 1

1. Fisura de esquina

8. Descascaramiento de la superficie

2. Fisura transversal

9. Pulimento de la superficie

3. Fisura longitudinal

10. Perdida de material puntual

4. Daño en los sellos de juntas

11. Segmentación de la losa

5. Desportillamiento de las juntas

12. Bombeo

6. Escalonamiento de las losas

13. Separación de la berma

7. Fisuras mapeadas

14. Escalonamiento de la berma

Tipos de daños Existen múltiples manuales de identificación de fallas:

De acuerdo con el manual de la FHWA, los daños se pueden agrupar en 4 familias: 1. Fisuras 2. Daños en las juntas 3. Deterioros superficiales 4. Deterioros avanzados

Fisuras Esquina

Durabilidad

Longitudinal

Transversal

Daños en juntas Sello en junta transversal

Desportillamiento transversal

Sello en junta longitudinal

Desportillamiento longitudinal

Deterioros superficiales Fisuras mapeadas

Pulimento

Descascaramiento

Perdida puntual

Deterioros avanzados Segmentación

Reparaciones deterioradas

Escalonamiento

Bombeo

Reparaciones deterioradas Se deben clasificar de manera independiente a los demás daños, ya que indican que la vía ya presentó daños, fueron reparados, pero los daños volvieron a surgir. Es una muestra de que la causa que provocó el daño original todavía está vigente.

Bombeo Cuidado con los drenajes de la vía. El problema se puede corregir en etapas iniciales. Si se deja avanzar, el problema provoca perdida de base, escalonamiento y fisuración. Así comienza

Bombeo avanzado

Clasificación de los daños Los daños se clasifican por su severidad. • Baja severidad • Media severidad • Alta severidad

Baja severidad

Media severidad

Fisuras por durabilidad

Alta severidad

Clasificación de los daños En la metodología de la FHWA, se contemplan 16 tipos de daños y cada uno tiene una simbología, que representa: • El tipo de daño • Grado de severidad

Clasificación de los daños Durante una inspección se localizan los tipos de daños y se clasifican de acuerdo con el tipo y grado de severidad

Porcentajes de daños En la etapa de construcción • Entre 1,5% y el 2,5% del área superficial, por errores de construcción. Se deben corregir antes de la entrega de la obra. No constituyen falla prematura.

Durante la operación • Entre 10% y 15% del área superficial • El % es un criterio de diseño

Surgen muchas preguntas Pero también tienen que surgir las respuestas • • • • •

Inspecciones Estudios Ensayos Revisión de documentos Análisis

Que no se debe hacer Reparar el daño sin haber detectado y corregido la causa que lo generó. Asignar culpas o responsabilidades sin analizar los hechos

Estudio de fallas en pavimentos de concreto Cuando el problema no es solo un daño individual, sino que se presentan daños mayores o generalizados, se deben seguir metodologías que permitan determinar:

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Tipos de daños y sus severidades Daño predominante Secuencia del daño Causa de los daños Sistemas de reparación Como prevenir el daño en el futuro

Los estudios de patología deben ser:

COMPLETOS

ARTICULADOS

DETALLADOS

Daños ocasionados por el diseño Situaciones del diseño que pueden ocasionar daños:

• • • • • • • • •

Utilización de criterios de diseño fuera de la realidad Desconocimiento del método de diseño Espesor insuficiente de las capas de base Espesor insuficiente de la losa de concreto Inadecuada selección de los materiales de base y concreto Modulaciones de las losas fuera de los rangos Diseño inadecuado del sistema de transferencia de carga Olvidarse del diseño de los drenajes Asumir un tráfico irreal

Criterio de erosión PCA

? Página 4

Página 116

? Página 13

Este diseño quedó con 5 cm menos de espesor

Reducción cercana al

70 %

Uso de bases asfálticas • • •

Uso generalizado desde el 2001 Motivado más por desconocimiento del Criterio de Erosión del método de la PCA que por necesidad de alta capacidad de soporte. Fuerte incidencia en la modulación de las losas.

Método de la PCA Criterio de erosión Limitar los efectos de la deflexión del pavimento en los bordes, juntas y esquinas, y así controlar la erosión de los materiales de base y berma.

No se puede confundir el criterio de erosión con erodabilidad

Daños ocasionados por construcción Situaciones de la construcción que pueden ocasionar daños : • • • • • •

Procedimientos que no se ajustan al estado del arte de construcción Uso de equipos de colocación que no se ajustan al tipo de construcción Eliminación de un paso del proceso de construcción Control de calidad deficiente o inexistente Abrir al tránsito de manera prematura Cambiar los materiales previstos en el diseño

Daños ocasionados por operación Situaciones de la operación que pueden ocasionar daños : • Utilización del pavimento en condiciones diferentes a lo que se diseño • Paso de vehículos que excedan las cargas de diseño • Ausencia o deficiencia en el mantenimiento

Secuencia de la investigación • • • • • • • • •

•

•

Visita de campo Revisión de antecedentes documentales Inspección visual Identificación y clasificación de fallas Hipótesis de daños Ensayos no destructivos Extracción y muestreo de materiales Ensayos de laboratorio Estudios – Tráfico – Hidráulico Modelación de comportamiento (desempeño) Conclusiones

Cuidado con los estudios incompletos Página final de un estudio de patología de un pavimento de concreto.

Antes de reparar hay que investigar 1. Identificación del daño

2. Clasificación 3. Registro 4. Definir causa 5. Definir la reparación adecuada 6. Diseño de la reparación 7. Reparación 8. Monitoreo y seguimiento

Sistemas y secuencia de reparación Se pueden desarrollar hasta 7 sistemas de reparación de manera individual o en conjunto.

Estabilización de losas

1

Reparación a profundidad parcial

2

Reparación a profundidad total

3

Inserción de barras de transferencia

4

Costura de fisuras

5

Fresado superficial

6

Resellado de juntas y fisuras

7

BOGOTÁ 1954

BOGOTÁ 2007

Julio 30 de 2002

Estudio Forense 1. Identificación del problema 2. Información Revisión de documentos de la obra Identificación y clasificación de daños

3. Matriz situación-causa (causas probables) 4. Ensayos de campo Extracción de núcleos Comprobación del sellado de las juntas Petrografía de muestras Excavaciones en el separador Saturación del separador Georadar

5. Estudios Estudio de tráfico Estudio hidrogeológico Fotointerpretación y análisis multi temporal Analisis de georeferenciación Estudio topográfico Estudio de patología

6. Conclusiones

JUNTA LONGITUDINAL ENTRE LOS CARRILES 1 Y 2

CARRIL 4

CARRIL 2 CARRIL 1

CARRIL 3

CARRIL 4 CARRIL 1

CARRIL 2

CARRIL 3

Revisión documental Revisión del diseño original:

• Nivelación de las losas mediante fresado de los puntos altos y nivelación con base asfáltica. • El muro de confinamiento lateral debía subir hasta el nivel superior de la estructura nueva. • Las losas antiguas que presenten daños se deben demoler y reponer con una estructura nueva. • El estudio de drenaje no lo hizo el diseñador, pero dejo una nota expresando que se requiere.

Revisión documental Revisión de documentos de la construcción • Los espesores se unificaron durante la obra por facilidad constructiva. • Los carriles 1 y 8 se construyeron con un espesor mayor a los demás, generando una diferencia de espesores (trampa de agua). • Estudio hidráulico y diseño de drenajes: • Aunque se dejaron constancias en el diseño y al inicio de la obra de que se requería un estudio hidráulico, este nunca se realizó. • La obra se terminó y se entregó sin drenajes. • En la obra se modificó la altura del muro de confinamiento lateral en el separador, dejando las losas sin soporte lateral ni confinamiento y expuesta contra el separador. • No se realizaron los ensayos de placa en las zonas con fallas. • Se colocó un material de nivelación diferente al especificado en el diseño original. (No existe un acta de cambio de especificaciones)

Identificación y clasificación de fallas

Bombeo Presencia de agua atrapada y bombeo en la junta longitudinal entre carriles 1 y 2

?

Matriz Situaciones-Causas Cada tipo de daño puede ser ocasionado por múltiples causas. Se deben identificar todas las causas posibles y realizar un programa de verificaciones y ensayos para confirmar o descartar cada posible causa. Falta de Falta de CAUSAS delimitación atención en de las juntas

SITUACION 1

Fisuras de esquina

2

Fisuras transversales en el centro de losa

3 Fisuras longitudinales en el centro de la losa 4

Fisuras en diagonal

5

Desportillamiento de la junta

6

Sello en mal estado

7

Salida de material por la juntas

8

Doble corte

9

Sobreanchos en el corte

10

Huellas

el corte

Corte Corte tardío Falta de prematuro drenajes

Sellado Saturación y Precarga de deficiente empozamie la losa nto lateral de agua

Transito Pasadores Falta de Rigidización Cavidades Consecuenc inadecuado de carga limpieza de de la junta por remate ia de otra de equipos desalineado juntas de fundida causa durante la s

1y4 1

Ensayos de campo EXCAVACIÓN DEL SEPARADOR PARA VERIFICACIÓN DEL SOPORTE LATEREAL Y DRENAJES

Ensayos de campo

VERIFICACIÓN DE LA BASE DE SOPORTE EN LOSAS FALLADAS

Ensayos de campo

AUSCULTACIÓN DE JUNTAS TRANSVERSALES EN LA ZONA DE BOMBEO

Extracción de núcleos en las juntas Al extraer núcleos de las juntas se debe encontrar la cavidad debajo del sello, sin ningún tipo de material. Se encontró material endurecido alojado en la cavidad debajo del sello

?

Análisis químico del material alojado en la junta El análisis de los núcleos arrojó lo siguiente: 1. Si existe la cavidad de corte a la profundidad de 1/3 del espesor. 2. El análisis químico del material alojado en la junta corresponde a un material con un contenido de cemento superior a los 400 kilogramos por metro cúbico.

Comprobación de filtración lateral de agua Comprobar si existía una conexión entre el separador central y el bombeo que se presenta en la vía. Se saturó el separador con agua mezclada con azul de metileno. El agua de color azul salió bombeada por las juntas transversales.

Estudio hidráulico El eje de la Autopista Norte coincide con el Sinclinal de Bogotá. En ese sitio confluyen las aguas de los cerros orientales de Bogotá y de los cerros de Suba. La vía requería el diseño de drenajes para controlar el ingreso y el atrapamiento de agua debajo del pavimento.

Estudio hidrogeológico

Perfil esquemático de la profundidad del nivel freático en una sección longitudinal a lo largo de la Autopista Norte N Calle 170

Calle 147 Calle 134 Calle 127

Canal rectificado Canal de Los Molinos

1 2 3 4 5 6 metros

Calle 100

a

•

pi st

•

Clara relación entre las zonas de daños y el agua subterránea El nivel freático se encuentra entre los 0,38 m y los 3,4 m Los niveles más superficiales se encuentran sobre el eje de la vía Al norte de la calle 127 los potenciales hidráulicos son mayores en el costado occidental Al sur de la calle 127 los potenciales hidráulicos son mayores en el costado oriental Se observa correspondencia entre los mayores potenciales hidráulicos y la ocurrencia de fallas en las losas

au to

• • • •

Río Negro Calle 80

Dirección del flujo subterráneo

1 2 3 4 5 6

Superficie freática

Ev exagerada Eh aproximada

Fotointerpretación y análisis multitemporal

1940 • • • •

Camino rural Dos canales laterales Tráfico muy bajo El futuro eje de la vía coincide con uno de los canales

Fotointerpretación y análisis multitemporal

1952 • • •

Ampliación de la vía a dos calzadas Se tapó el canal para hacer el separador Se construyó una nueva calzada con canal lateral

Fotointerpretación y análisis multitemporal

2000 • • •

Ampliación de la vía a 8 carriles Las estructuras antiguas desde el año 50 se encuentran debajo de la nueva estructura Los antiguos canales se encuentran debajo de la estructura nueva

Fotointerpretación y análisis multitemporal •

Los daños se observan casi exclusivamente de la calle 127 hacia el norte. Relacionado con la ausencia de drenajes y nivel freático muy superficial.

•

Coincidencia entre los daños del 2004 con los sitios de reparcheo de 1991, ubicados sobre los canales antiguos. 87% de losas reparadas en los carriles 1-2, 7-8

65% de losas reparadas están encima de canales antiguos Intersección de canales con placas reparadas

Ubicación de placas reparadas a mayo de 2005

25%

24% 35%

1940 1952 1973 no canal

Carriles 1 y 2 Carriles 3 y 4 Carriles 5 y 6 13% 0%

63%

Carriles 7 y 8 12%

28%

Estudio de tráfico TPD Buses • 1780 – carril occidental • 1721 – carril oriental Error: No se consideró en el diseño original, los ejes aportados por las troncales que se construyeron posteriormente. Los carriles 2 y 7 conducen entre el 40% y el 70% de los vehículos en cada calzada. Se presenta un incremento fuerte de vehículos pesados hacia el norte de la calle 127.

Análisis patológico 1.

Programa de pruebas

2.

Modelación de desempeño del pavimento

Se utilizó la nueva Guía de Diseño Mecanístico-Empírica de Pavimentos M-E PDG

Segmentación en tramos de estudio y muestreo Toda la vía se dividió en 15 tramos •

Cada unidad de muestreo tuvo 4 carriles de ancho por 20 losas de longitud.

Identificación y clasificación de fallas • Inspección basada en el Manual de Identificación de fallas de la FHWA

Inspección manual

• Inspección manual • En las 15 unidades de muestreo • Verificar los resultados de la inspección automatizada • Mediciones de escalonamiento e inspección de sello de juntas

Recolección automatizada de datos

• Inspección automatizada • Cámara digital de alta resolución (Geo-3D) • Toma imágenes del pavimento a intervalos seleccionados • Sistemas integrados de distancia lineal y Sistema de Posicionamiento Global (GPS)

Deterioro predominante El deterioro predominante es el agrietamiento transversal, seguido por el longitudinal. Se encontraron 112 losas que ya habían sido reparadas, la mayoría de ellas por agrietamiento transversal.

Fisuras transversales por carril Los carriles 2 al 7 tienen un espesor de concreto de 21 cm. Los carriles 1 y 8 tienen un espesor de concreto de 25 cm. Mayor cantidad de fisuras en los carriles que tienen espesor de 21 cm. Carriles 4 y 5 son los de transporte masivo, y los carriles 2 y 7, son los carriles centrales de tráfico mixto.

Deflexión en el centro de la losa El carril número 2 es el que presenta mayor variación. Este carril está ubicado sobre un antiguo canal de manejo de aguas.

Eficiencia en la transferencia de carga El mínimo permisible por la especificación era el 80%. Se presentaron valores entre 17% y 82%. Demasiado bajo y variable. La perdida de transferencia genera un aumento desmesurado en la relación de esfuerzos de la losa, provocando fisuración por fatiga temprana. La losa antes que escalonarse, se fisura.

Extracción de núcleos para determinar espesores La losas presentan una gran variación en el espesor construido.

Medición del IRI Valores entre 2,2 m/km y 4,2 m/km. La calzada oriental presenta mayores valores que el occidental

Modelación de la estructura

• • • •

TRAFICO CLIMA MATERIALES CONSTRUCCIÓN

Datos climáticos

Curvas de desempeño IRI esperado El IRI de construcción tuvo una variación importante entre las dos calzadas, siendo mejor en el carril occidental. Durante la construcción del carril oriental se tuvo una mayor variación de equipos entre pavimentadoras y rodillos. La perdida anual promedio de IRI varía entre 0,03 m/km y 0,1 m/km.

Curvas de desempeño Escalonamiento esperado Normalmente se utiliza en los diseños un valor de 6 mm como límite de escalonamiento para un período de 20 años. Los carriles que soportan buses de transporte masivo son lo que tendrán mayor escalonamiento.

Curvas de desempeño Agrietamiento esperado Agrietamiento generado por fatiga, en porcentajes que exceden los límites permitidos para pavimentos de concreto, que normalmente varían entre 10% y 15% para un período de 20 años. La proyección de agrietamiento es similar en los carriles correspondientes de cada calzada, debido a la similitud de estructuras y de tráficos.

Problema grave de FATIGA.

Sección transversal con diferentes estructuras 1952

1970

2000

•

•

•

•

•

Dos carriles de concreto sobre base granular Se taparon los dos canales laterales antiguos Se construyó un nuevo canal lateral

• •

CL

Ampliación de una carril y una berma en pavimento flexible Se taparon los carriles de concreto con una capa de asfalto Se tapo el canal del 52 y se construyó otro más alejado

• •

Se construyeron 4 carriles de concreto sobre la estructura existente Los canales del 40 y del 53 siguen debajo de la estructura nueva Cada uno de los carriles tiene un soporte diferente

Sección transversal con diferentes estructuras Carriles 4 - 5

Carriles 3 - 6

Carriles 2 - 7

Carriles 1 - 8

LOSA DE CONCRETO SOBRE CONCRETO NO ADHERIDA

LOSA DE CONCRETO SOBRE CONCRETO NO ADHERIDA

LOSA DE CONCRETO SOBRE PAV. FLEXIBLE

LOSA DE CONCRETO SOBRE BASES

• • • • • • •

• • • • • • • •

• • • • • • •

• • • • •

Losa de 4 m de ancho Espesor de 21 cm CLSM de nivelación 8 cm de asfalto 20 cm de concreto 20 cm de base granular No tiene confinamiento lateral • Buses con pesos de 32,5 y 40 toneladas

CL

Losa de 3,25 m de ancho Espesor de 21 cm CLSM de nivelación 8 cm de asfalto 20 cm de concreto 20 cm de base granular Confinamiento Tráfico mixto

Losa de 3,25 m de ancho Espesor de 21 cm CLSM de nivelación 15 cm de asfalto 30 cm de base granular Confinamiento Tráfico mixto

Losa de 3,25 m de ancho Espesor de 25 cm 15 cm de CLSM 15 cm de base granular No tiene confinamiento lateral • Tráfico mixto

Mecanismo de falla • • • • • • • •

CL

Bajo espesor (21 cm) Carriles mixtos angostos (3.25 m) Ausencia de transferencia de carga en la junta longitudinal entre carriles 1-2 y 7-8 Bloqueo de agua bajo la losa en junta longitudinal entre carriles 1-2 y 7-8 Llantas de Transmilenio muy cerca del borde contra el separador central Deficiencia de mecanismos de evacuación de agua (No drenajes) Sellado de juntas deficiente (Baja elongación y material extraño en las juntas) Respuesta estructural no homogénea bajo las losas (estructuras y situaciones diferentes en cada carril) BOMBEO Altura hasta 120 cm

Causas de los daños

Gracias [email protected]

Una fisura puede obedecer a diferentes causas Diseño: • •

Espesor insuficiente Mala modulación de juntas

Materiales: •

Baja resistencia del concreto

Construcción: • • •

Corte tardío Amarre por pasadores desalineados Apertura temprana

Operación: •

Sobrecarga de tránsito

Antes de lanzar hipótesis hay que responder: • • • • • • • •

Cuando se abrió la fisura Donde se abrió En que dirección va la fisura Está viva o muerta Solo es una fisura o existen varias Hay otras manifestaciones de daños cerca de la fisura Existen fisuras similares en losas vecinas Existe un patrón de daño

Pero no basta, hay que investigar • • • • • • • •

Estructura que se diseñó Estructura que se construyó Cumplimiento de calidad de los materiales Tráfico de diseño Tráfico actual Modulación de juntas Como se construyó Como se está operando

Estrategia para reparar daños Antes de reparar un daño, se debe analizar y definir: 1. El tipo de daño 2. La causa que lo provocó 3. El diseño de la reparación

Las reparaciones múltiples deben seguir una secuencia lógica. Después de reparar hay que monitorear.

JUNTA LONGITUDINAL ENTRE LOS CARRILES 8 Y 7

CARRIL 8

CARRIL 7

CARRIL 6

CARRIL 5

Distribución de tráfico