3. Otras Técnicas no destructivas.

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1 3. Otras Técnicas no destructivas. Aparte de los sistemas para la medida de las deflexiones, descritos en el capítulo anterior, existen otros sistemas para caracterizar de manera no destructiva los firmes bituminosos en servicio. Ellos se pueden clasificar según las propiedades del firme que se miden con los equipos de prueba: Los espesores de las capas y discontinuidades del firme, mediante el uso del georradar. La respuesta elástica, mediante sistemas de propagación de ondas superficiales 3.1.-Uso del Georradar en la obtención de espesores Funcionamiento Georradar El georradar (GPR, por el acrónimo ingles de Ground Penetrating Radar) es una técnica que permite localizar objetos y discontinuidades dentro de un material, a través de la emisión de pulsos cortos de energía electromagnética de alta frecuencia, por medio de una antena montada en un vehículo en movimiento. Al ser propagada hacia abajo, parte de la energía es absorbida y parte reflejada hacia la superficie, con amplitudes y tiempos de llegada, los cuales dependen de las constantes dieléctricas de los materiales existentes (Figura 13). Al ser desplazado el radar a través de la superficie del firme, las ondas reflejadas se pueden usar para crear una imagen, en tiempo real, de las condiciones existentes en el subsuelo (espesores de capas, vacíos, humedad, etc.). figura 13 Funcionamiento Georradar (5) Los sistemas de georradar empleados para la determinación de espesores de capas usan dos tipos de antenas: de contacto con el terreno y de no contacto (fotos 6 y 7). Como indica su nombre, las antenas de contacto se emplean palpando la superficie, lo que genera una limitación obvia para evaluar firmes a alta velocidad, a menos que su regularidad sea casi perfecta. Pero, aún más importante, es el hecho de que para calibrar el sistema es necesario realizar medidas físicas de los espesores de la capas del firme; estos valores se deben introducir en el programa de análisis, para que la velocidad de la señal del radar a través de las capas del firme sea la leída, con objeto de obtener los espesores. Como la composición de un firme cambia con relativa frecuencia a lo largo de la traza, es preciso medir TRABAJO FIN DE MASTER Página [22]

2 físicamente los espesores a intervalos muy reducidos o, de lo contrario, se generan errores en las determinaciones realizadas con estas antenas. La antena del tipo de no contacto está adosada a la parte frontal o posterior del vehículo que la transporta, suspendida a unos 450 mm por encima de la superficie del firme, lo que impide que sea afectada por las irregularidades de la calzada. Además, su calibración no exige la ejecución de perforaciones en el pavimento, ya que ésta se realiza con una placa metálica que se coloca a diferentes alturas bajo la antena (foto 8). Antena de No contacto Antena de contacto foto 6 y foto 7 Vista de antena de contacto y de no contacto.( Fuente: elaboración propia) foto 8 Vista calibración de antena (5) Por otra parte, como trabaja en posición suspendida, la porción de energía que es radiada desde la antena emisora directamente a la receptora se produce en la misma antena y no en la superficie del firme como en el caso de la antena de contacto, lo que evita interferencias y le permite detectar espesores muy pequeños de capas bituminosas. Mientras una antena de no contacto de 2 GHz puede resolver con facilidad una capa de 25 mm de espesor, una antena acoplada al terreno de 1.5 GHz apenas puede revelar, de manera satisfactoria, espesores de 75 mm o mayores (19). Cuando la información obtenida con el georradar es interpretada con el fin de determinar los espesores de las capas de un firme, lo que se obtiene, en realidad, no es un perfil de éste, sino un perfil del tiempo que tarda el pulso electromagnético desde que fue emitido por la antena transmisora hasta que fue detectado por la receptora. Este tiempo puede ser convertido en espesores (Figura 14), si se estima apropiadamente la velocidad de propagación de la señal a través de cada uno de los materiales existentes, la cual está TRABAJO FIN DE MASTER Página [23]

3 determinada por la constante dieléctrica, que es una relación entre los cuadrados de las velocidades de propagación de la luz en el aire y en el medio que se evalúa. La Tabla 12 presenta algunos valores típicos de esta constante para distintos materiales (20) figura 14 Vista de la lectura del georradar.( Fuente: elaboración propia) La constante dieléctrica es un buen indicador de la resistencia y de las propiedades de deformación de los materiales granulares de un firme y de la explanada. Cada material tiene una relación única entre su constante dieléctrica y su contenido de agua. Valores de la constante por encima de 9 para estos materiales indican la existencia o problemas potenciales en la capa. Pero, también, valores demasiado bajos pueden indicar dificultades, en el sentido de que la granulometría sea muy abierta y el material sea susceptible a la deformación y a los hundimientos. La tabla 13 presenta una clasificación de los suelos y agregados granulares, a partir de su constante dieléctrica (21). TRABAJO FIN DE MASTER Página [24]

4 MATERIAL CONSTANTE DIELÉCTRICA VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN (m/ns) Aire Hielo (suelo congelado) Granito Caliza Arenisca Arena seca 4 a a 0.15 Arena húmeda Arcilla seca Arcilla húmeda Capas asfálticas 3 a a 0.17 Hormigón 9 a a 0.10 Agua Tabla 12 Constantes dieléctricas y velocidades de propagación en materiales típicos (5) CONSTANTE DIELÉCTRICA INTERPRETACIÓN PARA SUELOS CONSTANTE DIELÉCTRICA Suelos secos, en su mayoría con buena capacidad portante (excepto algunas arenas) < 5 Suelos húmedos, su capacidad portante puede ser baja pero, en general, es adecuada Suelo altamente susceptible al agua y de baja capacidad portante > 28 Suelo muy húmedo, plástico e inestable > 16 INTERPRETACIÓN PARA AGREGADOS Base seca y de granulometría abierta, con baja absorción de agua y alta relación de huecos. Baja resistencia a los esfuerzos y sensibilidad a las deformaciones permanentes Base seca, con baja absorción de agua, buenas propiedades de resistencia Base húmeda, pero con buena resistencia al corte debido a succión Base muy húmeda o casi saturada, con baja resistencia al corte Tabla 13 Clasificación de suelos y materiales granulares sobre el nivel freático en función de su constante dieléctrica (22) TRABAJO FIN DE MASTER Página [25]

5 Consideraciones al uso y normativa del Georradar La transformación de la señales eléctricas en espesores, no es algo sencillo, existen problemas en el uso de estos equipos cuando el terreno presenta una elevada humedad o bien existen sales, esto provoca que la conductividad eléctrica aumente haciendo que no sea visible la interfaz entre dos materiales distintos, en cualquier caso se debe complementar el uso del georradar con la toma de testigos en la carretera con objeto de verificar espesores y poder calibrar adecuadamente los perfiles obtenidos. La norma ASTM D4748 describe un procedimiento para determinar, mediante el GPR, los espesores de las capas ligadas con asfalto o con conglomerantes hidráulicos Sistemas de propagación de ondas superficiales para la determinación de la respuesta elástica de un firme bituminoso. La propagación de ondas es una técnica de monitoreo de las características dispersivas (cambio de velocidad con la frecuencia o con la longitud de onda) de ondas sísmicas superficiales en un firme, que sirve para predecir la condición estructural de éste. La técnica se basa en el concepto de que ondas con distintas frecuencias (o diferentes longitudes) viajan a través de las capas del firme con diferentes velocidades. La Figura 15 ilustra el proceso típico del sistema, el cual involucra tres pasos: (i) ensayo en el terreno; (ii) obtención de una curva experimental de dispersión de las ondas superficiales en el sitio y (iii) comparación de la curva con un modelo teórico, ajuste a través de un proceso inverso (calculo inverso) y establecimiento del perfil de espesores y de rigideces (23). figura 15 Sistema de propagación de ondas. (5) Los métodos que aplican esta técnica se pueden clasificar en dos tipos: (i) los de modo simple (ondas Rayleigh de régimen permanente; análisis espectral de ondas superficiales SASW ) y (ii) los de modo múltiple (análisis multicanal de ondas superficiales MASW ; simulación multicanal usando un receptor MSOR ; etc.). TRABAJO FIN DE MASTER Página [26]

6 Los equipos que operan con el sistema SASW han sido los más utilizados. El analizador sísmico de pavimentos (ASP) es un ejemplo de equipo que trabaja con este sistema (Foto 9). El uso del método de reflexión sísmica para investigaciones superficiales de poca profundidad está descrito en la norma ASTM D7128. foto 9 Analizador sísmico de firmes (ASP) (5) Propagación de ondas superficiales en firmes. En un evento sísmico se generan dos tipos de ondas: de cuerpo o internas y superficiales. Las ondas de cuerpo (que se desplazan por la masa del material, tienen menores amplitudes y menores longitudes de onda y viajan a mayor velocidad que las superficiales) incluyen las longitudinales de compresión (ondas P) y las transversales de corte (ondas S). Estas se propagan radialmente desde la fuente a lo largo del frente de onda hemisférico y son, esencialmente, no dispersivas. Las ondas superficiales, a saber, las de Rayleigh (ondas R) y las de Love (ondas L), tienen gran amplitud y se propagan a lo largo de un frente de onda cilíndrico, debido a que se desplazan únicamente cerca de la superficie. Las ondas de Love son polarizadas horizontalmente y no son registradas por sensores verticales. La teoría de las ondas elásticas predice que la velocidad a la cual se mueven las ondas sísmicas a través de un material está ligada directamente con las propiedades elásticas de éste. El significado de ello es que si se conoce la velocidad de propagación de una onda sísmica, es posible estimar las propiedades elásticas del material dentro del cual se propaga. Asumiendo que existen variaciones verticales de velocidad, cada componente de frecuencia de una onda superficial tiene una velocidad de propagación diferente (llamada velocidad de fase). Esta característica da como resultado una longitud de onda diferente por cada frecuencia propagada. Esta propiedad se denomina dispersión. En un semiespacio elástico y homogéneo, la velocidad de propagación de las ondas R (VR) es única e independiente de la frecuencia; sin embargo, en medios estratificados, las ondas R son fundamentalmente dispersivas y su velocidad de fase es específica para cada frecuencia. Este tipo de ondas hace que las partículas se desplacen según una trayectoria elíptica retrógrada (debido a que la componente vertical del desplazamiento de la onda es mayor que la horizontal en el límite de la superficie libre) en un plano vertical, dentro de una profundidad más o menos igual a una longitud de onda. Este movimiento es el que registran los métodos de propagación de ondas superficiales. TRABAJO FIN DE MASTER Página [27]

7 A medida que los diferentes componentes de la longitud de onda barren diferentes profundidades, las velocidades de fase correspondientes varían en las distintas capas de un medio estratificado. Para los materiales de los firmes, la velocidad de propagación de las ondas R (VR) está relacionada experimentalmente con la velocidad de las ondas S (VS), a través del coeficiente de Poisson ( ) (Tabla 14). Así, el espectro de las velocidades de fase se puede usar para desarrollar la función de dispersión para el sitio del ensayo, la cual relaciona VS con la componente de longitud de onda correspondiente. La curva experimental de dispersión es usada a continuación para determinar el perfil modular de la sección de ensayo, a través de un proceso de retrocálculo. De esta manera, las ondas R que se propagan en un medio de varias capas, suministran información sobre el perfil de rigideces, si las correspondientes velocidades de fase, que constituyen el objetivo del ensayo, son medidas. 2 1 (A) AUTOR RELACIÓN ENTRE V R Y V S OBSERVACIONES Nazarian y otros (1981) (24) V S = V R ( ) Usada para firmes Roesset y otros (1990) (25) V S = V R ( ) para 0.10 Sánchez Salinero y otros (1986) V S = V R ( ) Si ν =0.35, V R / V S =0.92 (26) Dennis y otro (2006) (27) Tabla 14 Relaciones entre V R y V S para materiales de firmes (5) Métodos de modo simple Inicialmente, consistían en un vibrador de estado fijo como fuente emisora de ondas R de frecuencia conocida (f). Un receptor de eje vertical era alejado de la fuente a intervalos pequeños, para detectar los puntos de movimiento superficial en fase con el vibrador. La distancia entre 2 puntos en fase, determinaba la longitud de onda (λ) a partir de la cual se calculaba la velocidad de fase (V = λ*f). Escogiendo una relación típica entre V R y V S (Tabla 14), junto con la ecuación (A) indicada anteriormente, se puede obtener el módulo de la capa (E), conociendo la densidad del material (ρ). El análisis espectral de ondas superficiales SASW constituyó un avance en estos sistemas. Su mayor éxito fue el uso de técnicas de análisis espectral para el procesamiento de señales, lo que permitió analizar un rango de frecuencias bajo una fuente de ondas constituida por el impacto de un martillo. El equipo hace uso de 2 receptores estacionarios, lo que eliminó la necesidad de desplazar el receptor único y redujo el tiempo de ejecución del ensayo (Figura 16 y foto 10). Los dos receptores pueden ser configurados tantas veces como sea necesario, para muestrear el rango de frecuencias deseado. Los receptores son sensores verticales de la velocidad de una partícula, así que los perfiles de velocidad de corte son analizados sobre la base de las velocidades de fase de las ondas R y transformados posteriormente en representaciones de módulo versus profundidad. Los métodos de modo simple presentan algunas limitaciones, entre ellas el hecho de utilizar sólo una velocidad de fase para cada frecuencia. Así mismo, es posible que la señal detectada se encuentre afectada por diversos tipos de ondas directas y reflejadas que no hayan sido consideradas en el análisis. Además, si el ruido externo en el lugar del ensayo sobrepasa la potencia de la fuente artificial, como puede suceder en áreas urbanas e industriales o donde las fases de las ondas de cuerpo sean más enérgicas que las superficiales, los resultados de los ensayos no son válidos. TRABAJO FIN DE MASTER Página [28]

8 figura 16. Esquema típico del montaje del sistema SASW (5) Métodos multimodales foto 10 Sistema SASW en operación (27) La técnica MASW, es similar en su ejecución a la SASW, fue desarrollada como solución a los defectos que ésta presentaba ante la existencia de ruido. Se emplea un elevado número de receptores (12 o más) colocados a distintas distancias partiendo de la fuente impulsiva, para detectar los modos más altos presentes en las ondas superficiales (Figura 14 y Foto 11). TRABAJO FIN DE MASTER Página [29]

9 foto 11. Instalación del sistema MASW (5) La Figura 18 muestra un ejemplo del procesamiento de una serie de ondas R de una prueba MASW, mediante el programa informático SURFSEIS (28). Otro método multimodal, mucho más sencillo y menos costoso, el MSOR, se basa en la técnica MASW y emplea sólo un receptor fijo y una fuente móvil (o viceversa) para disponer de una colección de golpes y hacer uso de ella para construir un registro multicanal simulado, combinando todas las medidas individuales (Figura 18). La rapidez del ensayo y del procedimiento de análisis, hace que este método sea mucho más eficiente que los métodos vistos previamente de propagación de ondas superficiales para estudios de firmes (29). figura 17. Procesamiento de la información de una prueba MASW (5) TRABAJO FIN DE MASTER Página [30]

10 figura 18. Esquema típico de simulación multicanal con un receptor (5) Comparación de las características de los distintos métodos En la Tabla 15 se muestran algunas de las características de los diferentes métodos de propagación de ondas superficiales para la evaluación de firmes. MÉTODOS DE MODO SIMPLE MÉTODOS DE MODO MÚLTIPLE CARACTERÍSTICA RÉGIMEN PERMANENTE SASW MASW MSOR Desarrollo 1950s Principios 1980s Finales 1990s Inicios 2000s Estado actual Obsoleto En uso En evolución En evolución Aplicabilidad Evaluación de la Evaluación de la Evaluación explanada y del capa superior completa manto rocoso Rango de frecuencia Fuente Receptores Adquisición de datos Generación de la curva de dispersión experimental Herramientas de análisis 1 Hz 1 khz 10 Hz 50 khz 1 Hz 2500 Hz 10 Hz 20 khz Electromecánica; monofrecuencia 1 geófono Analizador espectral Cálculo directo Tipo martillo; Electromecánica; multifrecuencia 2 acelerómetros de alta frecuencia Analizador espectral /tarjeta de adquisición de datos con PC Análisis espectral (manual) ASP, WinSASW, etc. Tipo martillo; Electromecánica; multifrecuencia Más de 2 geófonos Dispositivo multicanal de adquisición de datos con o sin PC Reconocimiento automático de patrones SURFSEIS, etc. Tabla 15. Características de los métodos de medida por ondas superficiales (5) Tipo martillo; multifrecuencia Un acelerómetro de alta frecuencia Dispositivo multicanal de adquisición de datos con PC Reconocimiento automático de patrones SURFSEIS, etc. TRABAJO FIN DE MASTER Página [31]