PUESTA EN PRACTICA DE EQUIPOS DE ALTO RENDIMIENTO PARA LA EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS EN LA RED OPERADA POR CAPUFE

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1 PUESTA EN PRACTICA DE EQUIPOS DE ALTO RENDIMIENTO PARA LA EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS EN LA RED OPERADA POR CAPUFE Rafael Soto E., Marcia Pérez M, Héctor Lechuga G. y José R. Vázquez G. Caminos y Puentes Federales de Ingresos y Servicios Conexos, Calzada de los Reyes 24, Col Tetela del Monte, Cuernavaca, Morelos, México. CP rsoto@capufe.gob.mx RESUMEN Las condiciones superficiales son una cualidad de todo pavimento y cada uno las presenta en distintos niveles, debido a la influencia del tránsito, métodos constructivos y otros. Una de las características funcionales que el usuario advierte cuando circula por una carretera es el estado de la superficie de rodamiento. De acuerdo a diversos estudios y experiencias se ha podido constatar la influencia significativa de la macrotextura en los resultados de fricción y distancia de frenado en presencia de agua, así como también en la emisión de ruido por la interacción de las ruedas y el pavimento. El futuro desempeño de los pavimentos está determinado por procesos principales como diseño, construcción, control de calidad y mantenimiento, dentro del mantenimiento un aspecto fundamental del desarrollo de las estrategias de mantenimiento es la evaluación del pavimento. En la actualidad CAPUFE viene aprovechando noveles tecnologías para la evaluación de pavimentos. Para el caso específico de este trabajo se presenta comparativa entre métodos convencionales como el círculo de arena para la medición de la macrotextura y el empleo de equipos de tecnología de vanguardia para este fin. Finalmente la importancia de contar con indicadores para evaluar el desempeño del pavimento y su tendencia, en la red operada por CAPUFE, incrementa la certeza para la toma de decisiones contando con datos objetivos, que permitan mantener las autopistas en condiciones aceptables. Palabras Claves: macrotextura, pavimento, círculo de arena. 1

2 1. INTRODUCCIÓN CAPUFE (Caminos y Puentes Federales de Ingresos y Servicios Conexos) es un Organismo descentralizado de la Administración Pública Federal con personalidad jurídica y patrimonio propio, que tiene una experiencia de más de 50 años y cuyas funciones básicas son las siguientes: 1) Conservar, reconstruir, mejorar, administrar y explotar por sí o a través de terceros los caminos y puentes a su cargo. 2) Administrar caminos y puentes federales concesionados mediante la celebración de los convenios correspondientes. 3) Coadyuvar a solicitud de la SCT en la inspección de carreteras y puentes federales concesionados y, en su caso, en la operación de estos últimos, así como en la ejecución y operación del programa de caminos y puentes concesionados. 4) Participar en los proyectos de inversión y coinversión con los particulares, para la construcción y explotación de vías generales de comunicación bajo el régimen de concesión. Al 31 de marzo de este año, la infraestructura propia de CAPUFE la conforman tres caminos directos con una longitud de kilómetros y 30 puentes (14 de ellos internacionales). Adicionalmente, el Organismo opera por contrato 4,188.8 kilómetros de autopistas y 6 puentes, incluidos 3,939.1 kilómetros de caminos y 3 puentes de la Red del Fondo Nacional de Infraestructura (FNI, antes FARAC). En su conjunto, la infraestructura que opera CAPUFE se traduce en una presencia institucional de alrededor del 56% de la Red Federal de Autopistas de Cuota, en 45 caminos con una longitud de 4,309.9 kilómetros y 36 puentes [1], que se integra de la siguiente manera: Tabla 1 Infraestructura de caminos y puentes operados por CAPUFE (Marzo 2009) Red Operada Longitud (km) Plazas de cobro Red Puentes Puentes Autopistas Autopistas Nacionales Internacionales de cobro Número Carriles Propia Contratada FNI , Total ,

3 El rápido crecimiento de la red de caminos y respondiendo a las necesidades crecientes de los usuarios en cuanto a la rapidez y seguridad en los desplazamientos, así como a la expansión del transporte por carretera, hace que esta superficie haya adquirido una importancia fundamental en la funcionalidad de la calzada, siendo responsable de la comodidad, seguridad y costo del usuario. En la actualidad, a fin de optimizar las dos funciones básicas de un pavimento (estructural y superficial), la tendencia es considerar parte del espesor del pavimento la función estructural y la capa de rodadura, que no tiene función estructural pues generalmente se construyen con espesores menores a cuatro centímetros, sobre carpetas de mezcla asfáltica o de concreto hidráulico [2], misma que dependen aspectos tan interesantes y preocupantes para los usuarios como los siguientes: La adherencia del neumático a la superficie (en seco y en mojado). Las proyecciones de agua en tiempo de lluvia (minimiza acuaplaneo). El desgaste de los neumáticos. Incrementa la fricción con la superficie de rodadura El ruido en el exterior y en el interior del vehículo. La comodidad y estabilidad en el camino. La resistencia a la rodadura (consumo de gasolina). El envejecimiento de los vehículos. Las propiedades ópticas (mejora visibilidad del señalamiento vertical) Estos aspectos funcionales del pavimento están asociados principalmente con la textura y la regularidad superficial del pavimento. Dentro de la textura, se suele realizar la siguiente clasificación basada en las longitudes de onda: Irregularidad superficial Está asociada con ondulaciones de longitudes de onda mayores de 500 mm debidas a la puesta en obra (tendido, compactación, etc.), a deformaciones del pavimento bajo tráfico o a deformaciones de la base. Estas irregularidades afectan a la comodidad de la rodadura por las 3

4 oscilaciones que producen, aumentan el consumo de combustible e influyen en la estabilidad de los vehículos. Las frecuencias de las oscilaciones de 1-10 Hz son las que más afectan a los usuarios; las más bajas pueden producir mareos y las más elevadas pueden afectar a órganos internos y a la columna vertebral. Además, cuanto mayor es la velocidad del usuario más le afectan las irregularidades de gran longitud de onda. Megatextura Corresponde a irregularidades de 50 a 500 mm, relacionadas con la puesta en obra y también con diversos tipos de fallos o deterioros (baches, agrietamiento, etc.) y sus reparaciones cuando no están bien realizadas. Esta gama de irregularidades aumenta en particular la resistencia a la rodadura y el nivel de ruido con frecuencias bajas. La rodadura es más incómoda, con vibraciones y dificultades para mantener la estabilidad en el camino, contribuyendo además al desgaste de los vehículos incluidos los neumáticos. Macrotextura Está relacionada con irregularidades de 0,5 a 50 mm [3]. Sirve para definir la rugosidad del pavimento y depende del tamaño máximo del pétreo y de la composición de la mezcla asfáltica. La macrotextura es necesaria para conseguir una adecuada resistencia al deslizamiento a altas velocidades o con el pavimento mojado. Por otra parte, mejora la visibilidad con pavimento mojado y la percepción del señalamiento horizontal, además de eliminar o reducir los fenómenos de reflexión de la luz que tienen lugar en los pavimentos lisos mojados. Por el contrario, los pavimentos con una macrotextura muy rugosa producen un mayor desgaste de los neumáticos y suelen resultar ruidosos e incremento del consumo de combustible (Figura 1). Figura 1 Esquema Macrotextura y Microtextura [4] 4

5 Microtextura Se trata de irregularidades superficiales del pavimento menores de 0,5 mm [3]. Sirve para definir la aspereza del pavimento y depende de la textura superficial de los pétreos y de la mezcla asfáltica. Es muy importante para la adherencia entre neumático y pavimento y, por tanto, para la resistencia al deslizamiento en todas las circunstancias. Influye en el desgaste de los neumáticos y algo en el ruido en las altas frecuencias del espectro acústico. En cualquier caso, las irregularidades de este tipo son siempre necesarias (Figura 1). Estas cuatro condiciones afectan directamente la seguridad del usuario por una baja resistencia al deslizamiento. Como pueden ser, la salida de un vehículo desde el camino en una curva y el deslizamiento ante una frenada de emergencia [4] En la Figura 3 se muestra una escala de valores de textura superficial, en la cual cada intervalo se le asigna la denominación por la cual se le conoce dentro de la ingeniería de pavimentos. A su vez se asocia la longitud de onda donde se evalúa la profundidad de la textura a los correspondientes aspectos de la interacción vehículo pavimento donde tendría efecto este valor de textura[5]. Figura 2 Intervalos de valores de la textura en términos de la longitud de onda y sus efectos [6] 5

6 2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL De la amplia gama de caminos que se tiene en la Red operada por Capufe se eligió un tramo de la Autopista Durango Mazatlán del kilómetro al , para realizar mediciones con equipo de alto rendimiento y mediante el método del círculo de arena, la cual cuenta con un ancho de corona de 12 m de ancho de los cuales 3.5 m corresponden al carril de circulación y 2.5 m para el acotamiento en cada sentido Medida de la textura superficial de un pavimento por el método del círculo de arena En general el ensayo es aplicable a cualquier tipo de pavimento, tanto asfaltico como de concreto hidráulico, y consiste en extender sobre su superficie un volumen determinado de arena fina; distribuyéndola y enrasándola posteriormente mediante un dispositivo adecuado. A partir del volumen de arena utilizado y del área cubierta por la misma sobre el pavimento, se calcula una profundidad media de los huecos rellenos por la arena, valor que puede utilizarse como medida de la rugosidad o textura superficial del pavimento, [7] Figura 3 Equipo necesario para realizar la prueba circulo o parche de arena 2.2. Mediciones dinámicas mediante equipo de alto rendimiento Las mediciones se realizaron con el equipo ARAN (Automatic Road Analyzer), que cuenta con un sistema avanzado de medición de una serie de parámetros de la superficie de rodamiento, en la parte delantera del equipo está integrado un perfilómetro láser el cual mide el IRI y 6

7 simultáneamente en dos perfiles, así como macrotextura en la rodada derecha mostrado en la figura 4, utiliza dos scanners láser para medir de forma precisa la profundidad de rodera y la sección transversal, con un número total de 2,560 lecturas. Figura 4 Esquema de la ubicación de los láseres utilizados para medir la macrotextura [8] Sistema Láser Este sistema está formado por tres emisores láser y sus correspondientes fotocaptores, dos son utilizados para obtener el IRI y uno para la textura. Los sensores láser están alojados en una barra de aluminio, la cual se encuentra en la parte frontal del vehículo de prueba. La función del sistema láser es medir dos perfiles longitudinales continuos y así calcular el valor de IRI en tiempo real. En la parte posterior del vehículo están alojados dos láser tipo scanners LRMS, (Laser Rut Measurement System) con los cuales se logra abarcar hasta m de ancho de carril, de tal manera que se puede medir la profundidad de rodera en las dos rodadas y se puede obtener una sección transversal de la superficie de rodamiento de manera precisa. Durante el recorrido los sensores delanteros y los dos scanner traseros tomarán lecturas a intervalos de distancia especificado por el usuario; esta información es enviada a varias computadoras instaladas dentro del vehículo de prueba. 7

8 Textura (mm) Textura (mm) VII CONGRESO DE MEXICANO DEL ASFALTO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN A continuación se presenta resultados obtenidos con el equipo ARAN para el tramo de la Autopista Durango Mazatlán del kilómetro al (Figuras 5 y 6) Figura 5 Grafica de macrotextura rodada izquierda km km Figura 6 Grafica de macrotextura rodada derecha 8

9 Textura (mm) Textura (mm) VII CONGRESO DE MEXICANO DEL ASFALTO Las Figuras 7 y 8 presentan resultados obtenidos mediante la metodología del Círculo de Arena, para el tramo de la Autopista Durango Mazatlán del kilómetro al km Figura 7 Grafica del círculo de arena de rodada izquierda km Figura 8 Grafica del círculo de arena de rodada derecha 9

10 4. CONCLUSIONES La utilización de la metodología volumétrica del Círculo o Parche de arena, resulta eficiente en caminos de bajo tránsito y con periodos de atención no críticos. En redes carreteras tan grandes como la que opera CAPUFE, la utilización de equipos de alto rendimiento, aumenta la rapidez para obtener datos, dichos equipos pueden realizar operaciones en carretera a velocidades promedio de 80 km/h. La información tiene una mayor certeza ya que se pueden realizar mayor cantidad de lecturas, ya que puede tomar lecturas a cada 20 m o a la distancia que se requiera. El empleo de un equipo láser aumenta considerablemente la precisión, ya que se pueden descartar omisiones de tipo humano, de percepción, o que influyan las condiciones climatológicas. En caminos con altos volúmenes de transito, se reduce la necesidad de realizar cierres parciales para aplicar métodos convencionales, por lo que se reduce el riesgo de accidente, tanto para los laboratorista como para los usuarios, y no se afectan los Niveles de Capacidad del camino. Otro aspecto es que los equipos de alto rendimiento permiten revisar los parámetros en tiempo real. Finalmente la importancia de contar con indicadores para evaluar el desempeño del pavimento y su tendencia, en la red operada por CAPUFE, incrementa la certeza para la toma de decisiones contando con datos objetivos, que permitan mantener las autopistas en condiciones aceptables 5. AGRADECIMIENTOS Los autores externan su agradecimiento a Ingeniero José Guadalupe Tarcisio Rodríguez Martínez, Director General de Caminos y Puentes Federales de Servicios e Ingresos Conexos. Un agradecimiento especial al Ingeniero Ricardo Torres de la empresa Evaluación Integral Obras Civiles S.A. de C.V. por su apoyo técnico. 6. REFERENCIAS [1] [2] SCT, N-CSV-CAR.14/10 Capas de Rodadura de granulometría discontinua tipo SMA (2010). 10

11 [3] Leonardo Benatov Vega, José Antonio Ramos García y Fernando Sánchez Domínguez Auscultación de las Características Estructurales y Superficiales de los Firmes con Equipos de Alto Rendimiento, Seminario internacional PIARC (2009). [4] Víctor Rocco, Claudio Fuentes y Sergio Valverde, Evaluación de la Resistencia al deslizamiento en pavimentos Chilenos, 6º Congreso ProVial, Chile (2000). [5] Erwin Kohler, Mauricio Salgado Torres y Susana Achurra Torres, Técnicas e Índices para la Evaluación de Macrotextura en Pavimentos, XVII Simposio Colombiano sobre Ingeniería de Pavimentos, (2009). [6] ISO/FDIS International Standart, Characterization of Pavement Texture by Use of Surfac Profiles, (2008). [7] ASTM E Standard Test Measuring Pavement Macrotexture Depth Using a Volumetric Technique (Reapproved 2001). [8] 11