PAVIMENTACIÓN Y REPAVIMENTACIÓN CON GEOSINTÉTICOS

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1 MANUAL Y SOFTWARE DE DISEÑO C A P Í T U L O 7 PAVIMENTACIÓN Y REPAVIMENTACIÓN CON GEOSINTÉTICOS

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3 Uno de los campos de aplicación que ha tenido un mayor grado de desarrollo en la ingeniería vial, es la utilización de los geosintéticos en obras tales como construcción y la rehabilitación de pavimentos. Del correcto entendimiento sobre las propiedades de este tipo de materiales, de su aplicación, instalación, funciones a desempeñar, beneficios e incluso las mismas limitaciones que poseen, en buena parte dependerá el éxito que estos puedan tener, brindando de esta forma ahorros sustanciales en el mantenimiento de las obras viales que se ejecuten en nuestro país. 7.1 ANTECEDENTES La prolongación de la vida útil de las vías ha sido una permanente preocupación por parte de las entidades públicas a nivel nacional e internacional, que se encargan de la ejecución y del posterior cuidado de estas. Los ensayos realizados sobre nuevos materiales que racionalicen de alguna manera los costos de mantenimiento que la estructura de pavimento requiere, han traído nuevos horizontes. Con la aparición de los geosintéticos, los investigadores han hecho un aporte significativo a la ingeniería, aclarando el desempeño de estos en aplicaciones específicas, como lo es en este caso, la rehabilitación de pavimentos. A finales de la década de los sesenta, en el departamento de transporte de California, Caltrans, se comienza a experimentar con los geotextiles, teniendo en cuenta que la principal función con la que estos deberían cumplir, era la de evitar la reflexión o calcado de grietas reemplazando a sistemas tradicionales tales como las bases de gradación abierta. Después de casi dos décadas de ensayos en campo, laboratorio y de estudios se logró cuantificar el beneficio de los geotextiles en los proyectos de repavimentación, estos se han venido utilizando casi rutinariamente a lo largo y ancho de la Unión Americana y de Europa. El último avance mundial en tecnología de pavimentos, para el refuerzo de carpetas asfálticas, buscando minimizar los costos de mantenimiento, es el uso de geomallas de fibra de vidrio, cuya finalidad es la de reforzar las capas bituminosas, lo cual incrementa la resistencia a la fatiga y retarda la aparición y reflejo de las fisuras existentes en dichos materiales bituminosos. En resumen, el uso de geosintéticos entre las capas asfálticas (geomallas de fibra de vidrio, geotextiles de repavimentación), son usados dependiendo de la función del geosintético, como una barrera impermeable, como una provisión de refuerzo a la tensión y al mismo tiempo para reducir los efectos de la reflexión de fisuras. En Latinoamérica, desde hace varios años, la utilización de los geosintéticos (geomallas de fibra de vidrio, geotextiles de repavimentación) en repavimentación se ha convertido en otra de las alternativas a los sistemas habituales constructivos utilizados en este tipo de obras, los cuales por lo general no contemplan más que la utilización de un ligante asfáltico, colocado sobre la superficie de la carpeta asfáltica antigua de una manera poco ortodoxa. Además de la colocación de la nueva capa de rodadura, que en algunos casos no contempla tan siquiera el uso de modificadores elastoméricos para mejorar sus propiedades. 7.2 FUNCIONES DEL GEOTEXTIL Si se entiende por refuerzo como la redistribución de fuerza, debido a la inclusión de un material rígido de alta resistencia a la tensión cuyo módulo elástico sea mayor que el del material que irá a reforzar, al incluir un geotextil dentro de una estructura de pavimento, este no cumplirá con la definición de refuerzo, entonces se preferirá la utilización de otro término para definir su comportamiento en este tipo de estructuras, este es el de intercapa. Estas intercapas son usadas para prevenir o reducir el calcado de grietas, la aparición de grietas del tipo de piel de cocodrilo y los fenómenos de ahuellamiento y corrugamiento. Las dos funciones básicas que cumple el geotextil impregnado con asfalto para poder suministrar sus beneficios, son las de: PAVIMENTACIÓN Y REPAVIMENTACIÓN CON GEOSINTÉTICOS 165

4 7.2.1 Barrera Impermeabilizadora MANUAL DE DISEÑO CAPÍTULO 7 A pesar que el concreto asfáltico ha sido sometido a un proceso de compactación y que su relación de vacíos es muy baja, hay que considerársele como un elemento permeable, a través del cual se infiltrará un gran porcentaje del agua superficial que podrá llegar a las capas granulares y a la subrasante, ablandando estos suelos afectando los parámetros de resistencia y deformabilidad. Otro efecto igualmente adverso es el incremento de presiones de poros que reduce los esfuerzos efectivos del suelo, además se presentará el efecto prensa, que hace disminuir la disipación de los esfuerzos producidos por cargas de tráfico a través de las capas granulares, siendo estos transmitidos directamente por el agua que se encuentra entre las partículas de suelo a la subrasante. Con el fin de evitar las situaciones anteriores, es necesario la colocación de una barrera impermeabilizadora que detenga el proceso de infiltración, prolongando la vida útil del pavimento, disminuyendo los costos de mantenimiento y posponiendo un nuevo proceso de repavimentación. Tal barrera deberá estar conformada por un geotextil no tejido especial para aplicaciones de pavimentación y repavimentación, que servirá como medio para albergar una cantidad determinada de asfalto residual hasta lograr su saturación, además de una cantidad adicional para permitir la adhesión del geotextil a la superficie antigua (capa asfáltica inferior) y a la nueva capa de rodadura. La cantidad de cemento asfáltico a utilizar es uno de los puntos donde se debe tener un mayor cuidado. Una de las normas constructivas internacionales para repavimentación, (Task Force 25, compuesta por la AASHTO, la AGC y la ARTBA) que ha tenido la mayor aceptación por parte de los ingenieros viales en todo el mundo, exige que como mínimo la cantidad de cemento asfáltico para saturar el geotextil debe ser de 0.9 L/m2, esta es una de las razones por las cuales el geotextil a usarse debe ser un no tejido punzonado por agujas, gracias a su espesor y porosidad que le permiten alojar tal cantidad de asfalto. Se deben considerar otros factores adicionales para determinar la cantidad adecuada del cemento asfáltico o ligante a usarse, que contemplan el estado de porosidad del concreto asfáltico antiguo. Una cantidad insuficiente de ligante podría causar que el geotextil no se sature totalmente, perdiéndose el efecto de impermeabilidad o puede que la adhesión entre el geotextil y las capas de concreto asfáltico no sea suficiente, originando tiempo después una superficie potencial de falla por deslizamiento. Una cantidad excesiva de ligante originará un posible problema de exudación de asfalto Membrana Amortiguadora de Esfuerzos Cuando una capa de repavimentación es colocada sobre la superficie antigua, los esfuerzos incluidos por agrietamiento en la capa de concreto asfáltico antigua, pueden ser transmitidos hacia la nueva capa de repavimentación, originando un agrietamiento por reflexión temprana. Esto resulta del contacto entre agregados del pavimento antiguo y la capa nueva de repavimentación. Al instalar un geotextil para repavimentación entre las capas de concreto asfáltico nuevas y viejas ayuda a retardar el agrietamiento por reflexión, suministrando una capa flexible de espesor suficiente que absorbe parte de los esfuerzos entre la capa de pavimento antiguo y la capa de pavimento nuevo, permitiendo movimientos leves dentro de la intercapa del geotextil, sin tensionar la capa de repavimentación en concreto asfáltico. De esta forma se prolonga la vida de servicio de las capas repavimentadas. Los geotextiles no tejidos impregnados con asfalto tienen un módulo de elasticidad bajo y absorben las deformaciones sin transferirlas.

5 El geotextil para repavimentación alivia parcialmente la transferencia de esfuerzos inducidos por el tráfico en la cercanía de las grietas, actuando como una capa aliviadora de esfuerzos. La capa de base se protege de los esfuerzos cortantes generados por las cargas generadas por el tráfico y de aquí que sean toleradas deflexiones mayores. De estudios realizados se ha concluido que las 2/3 partes del alivio de esfuerzos se debe al cemento asfáltico que satura el geotextil y el resto es por el geotextil que funciona como contenedor. En el caso de que una estructura de pavimento en concreto tenga un espesor mayor, mayores serán los esfuerzos de tensión en la base cuando se deflecte debido a las cargas de tráfico. La mayoría de los agrietamientos en los pavimentos comienza en la base del pavimento debido a los esfuerzos de tensión, continuando hasta la superficie. Al colocar una capa de repavimentación sin una intercapa de geotextil se está incrementando el espesor total de la estructura del pavimento, aumentándose los esfuerzos a tensión en la base del pavimento promoviendo el agrietamiento. Mediante la colocación de una intercapa que absorba los esfuerzos inducidos por las cargas cíclicas de tráfico, las capas de concreto asfáltico experimentarán menos esfuerzos desarrolladores de grietas internas que aquellas secciones que no tengan intercapas. La resistencia a la fatiga de una capa de repavimentación dependerá de las características de la membrana amortiguadora de esfuerzos incluyendo su módulo de elasticidad, espesor y de la cantidad de modificadores del asfalto. 7.3 FUNCIONES DE LA GEOMALLA DE FIBRA DE VIDRIO Su principal función consiste en aumentar la resistencia a la tracción de la capa asfáltica y de garantizar bajo una carga vertical, la distribución uniforme de los esfuerzos horizontales en una mayor superficie, lo cual se traduce a una vía sin grietas por varios años. Las geomallas de fibra de vidrio, son geomallas flexibles que se utilizan entre capas de concreto asfáltico con el fin de controlar agrietamientos por reflexión, agrietamientos por fatiga y deformaciones plásticas, en los revestimientos de concreto asfáltico que se emplean en vías de alto y bajo tráfico, autopistas, aeropuertos, plataformas y parqueaderos entre otros. Los refuerzos de carpetas asfálticas con geomallas de fibra de vidrio son ideales para los pavimentos asfálticos nuevos y rehabilitaciones, ya que debido a las propiedades mecánicas de estas geomallas, como su alta resistencia a la tensión, alto módulo de elasticidad y baja elongación, son ideales para controlar la reflexión de fisuras en pavimentos asfálticos y pistas de aeropuertos, disminuyendo los costos de mantenimiento a largo plazo e incrementando la vida útil de estos. Las principales ventajas y beneficios de las geomallas de fibra de vidrio son: Reducir al mínimo el agrietamiento reflexivo por esfuerzos de tensión y cambios de temperatura en las carpetas asfálticas. Reducir las deflexiones de los pavimentos sujetos a grandes temperaturas ambiente e intensas repeticiones de carga. PAVIMENTACIÓN Y REPAVIMENTACIÓN CON GEOSINTÉTICOS Aumentar la resistencia a la fatiga de las capas bituminosas. Proporciona beneficios de costo aumentando el ciclo de vida del pavimento. Su estabilidad dimensional permite que las solicitaciones térmicas no la deformen. 167

6 Debido al recubrimiento bituminoso, su adherencia con las mezclas asfálticas es óptima. Su espesor homogéneo permite un apoyo continuo sobre la emulsión y por ende una mayor adherencia entre la nueva capa y el pavimento existente. MANUAL DE DISEÑO CAPÍTULO 7 Su gran resistencia a la fatiga permite mantener sus propiedades mecánicas originales bajo la acción de cargas cíclicas. Su escasa fluencia permite que sus deformaciones bajo cargas constantes y su resistencia se mantengan invariables en el tiempo. Reduce el mantenimiento periódico típico de los pavimentos flexibles. 7.4 TIPO Y NIVEL DE SEVERIDAD DE LAS FALLAS DEL PAVIMENTO Las fallas en los pavimentos contemplan los tipos que se enunciarán a continuación: Fallas Superficiales Agrietamiento en bloques, longitudinal y/o transversal. Las causas principales de estas son la contracción, endurecimiento por envejecimiento y condiciones ambientales donde las temperaturas son bajas. Deshilachamiento debido a una cantidad pobre de asfalto, envejecimiento y/o a la acción abrasiva del agua y las llantas de los vehículos. Arrugamiento debidos al exceso de asfalto, de agua y/o presencia de agregados muy blandos en la mezcla del concreto asfáltico Fallas por Adhesión Agrietamiento por corrimiento originados principalmente por una cantidad insuficiente de cemento asfáltico como ligante, superficie del pavimento demasiado delgada, cargas horizontales originadas por el tráfico Fallas Estructurales Agrietamientos transversales por fatiga debidos a deflexiones excesivas en el pavimento y/o a un diseño inadecuado de la sección. Ahuellamiento debidos a un contenido de humedad excesivo y/o a un diseño inadecuado de la sección. Deformaciones severas longitudinales debidas a una falta de soporte en las bermas a la sección estructural del pavimento. En el caso que se presente alguna de estas fallas estructurales, previamente al proceso de recuperación de la vía, deberán ejecutarse las medidas correctivas para subsanar todos los problemas que en el futuro éstas pudiesen generar. Sería ideal para la rehabilitación de este tipo de fallas tener en cuenta la utilización tanto de la geomalla de fibra de vidrio para refuerzo como del geotextil saturado de asfalto para generar una barrera impermeabilizadora.

7 7.5 EFECTOS DEL AGRIETAMIENTO Durante la vida de servicio de una estructura de pavimento, la superficie de ésta podrá sufrir defectos por las siguientes causas: Agrietamiento debido al envejecimiento de la capa de rodadura, movimientos por gradientes térmicos, movimientos relativos entre placas y por contracción. Inicialmente con la variación de temperaturas se presenta la propagación inicial de las grietas y posteriormente éste efecto se aumenta debido a la acción de las cargas generadas por el tráfico. Ahuellamiento debido a una falta de capacidad para resistir deformaciones. Agrietamiento por fatiga debido a efectos ambientales o a una falta de capacidad portante de la estructura. El agrietamiento reduce la resistencia estructural del pavimento y lleva a un rápido deterioro de la construcción. Para que este ocurra, primero debe haber sufrido un proceso de iniciación. Las grietas crecerán como resultado de las cargas de tráfico, temperatura, deformaciones y calcado de grietas. A través de las grietas el agua penetrará a las capas granulares y a la subrasante, reduciendo su capacidad portante, por esto debe prevenirse la infiltración, dando como posibles soluciones el sellamiento de las grietas o en casos más extremos la repavimentación. Para el último caso se utilizan geotextiles no tejidos impregnados con asfalto y/o geomallas de fibra de vidrio. Agrietamiento por fatiga Una grieta o fisura puede iniciarse y crecer como resultado de la repetición de cargas de tráfico. Cuando una rueda pasa, la abertura se flexa, suministrando esfuerzos de tensión en los extremos de la grieta haciéndola crecer. Agrietamiento por reflexión Si la capa de repavimentación se aplica sobre grietas, los movimientos horizontales en las grietas existentes también causarán deformaciones horizontales en la capa de repavimentación, llevando a la continuación del crecimiento de la grieta existente en la capa de repavimentación, que se conoce como flexión o calcado de grietas. Este agrietamiento ocurre debido a la diferencia de esfuerzos cortantes en ambos costados de la grieta. Pasa cuando una rueda pisa la grieta, cargando primero un borde de la grieta y posteriormente el otro. Para evitar o retardar el agrietamiento por reflexión y el control de la infiltración a través del pavimento, existen los siguientes sistemas que pueden ser utilizados de manera individual o conjunta: Geomallas de fibra de vidrio para refuerzo: combinación de geomalla y asfalto, en casos donde se presente fisuras de alta severidad. Geotextiles para repavimentación: combinación de geotextil y asfalto, en casos donde las grietas no sean por fallas estructurales. Membranas de intercapa absorbedoras de esfuerzos (SAMI): capas de cierto espesor con asfalto modificado. Sellos de arena-asfalto y sellos de asfaltos modificados: en procesos de agrietamiento incipiente. Para escoger entre las opciones mencionadas anteriormente, es necesario llegar a una aproximación de ingeniería para cada problema especifico, la cual debe incluir los siguientes ítems: PAVIMENTACIÓN Y REPAVIMENTACIÓN CON GEOSINTÉTICOS Identificación del problema. Evaluación de los factores y mecanismos involucrados. 169

8 Análisis de las posibles soluciones y sus respectivas limitaciones. Posibilidades en términos de la efectividad de cada solución versus los costos que acarrea. Análisis del proyecto y las consideraciones constructivas. MANUAL DE DISEÑO CAPÍTULO 7 Pero aparte de esto, se debe mantener en la mente que el momento propio para comenzar con las construcciones de un sistema que retarda la aparición de grietas, es indudablemente durante las primeras etapas de aparición de estas, cuando apenas se vislumbran grietas de líneas delgadas en el pavimento. En este punto, apenas poca agua se ha infiltrado a través de la estructura como para ablandar y debilitar el suelo de la subrasante. 7.6 ASFALTOS Cemento Asfáltico El asfalto es un material altamente impermeable, adherente y cohesivo, capaz de resistir altos esfuerzos instantáneos y fluir bajo la acción de cargas permanentes. Como aplicación de estas propiedades el asfalto puede cumplir, en la construcción de pavimentos, las siguientes funciones: Contribuir a impermeabilizar la estructura del pavimento, haciéndolo poco sensible a la humedad y eficaz contra la penetración del agua proveniente de la precipitación. Proporciona una íntima unión y cohesión entre agregados, capaz de resistir la acción mecánica de disgregación producida por las cargas de los vehículos. Igualmente mejora la capacidad portante de la estructura, permitiendo disminuir su espesor. El asfalto es un sólido o liquido viscoso, compuesto por una mezcla compleja de hidrocarburos, no volátiles, solubles en tricloroetileno, y que ablandan al aumentar la temperatura. El cemento asfáltico es un asfalto refinado o una combinación de asfalto refinado y aceite fluidificante de consistencia apropiada para trabajos de pavimentación. Estos asfaltos refinados son muy duros y se les da la consistencia, mezclándolos con aceites o residuos provenientes de la destilación del petróleo de base asfáltica. Los cementos asfálticos se dividen en grados según su dureza o consistencia, que es medida mediante el ensaye de penetración medido en 1/10 mm, valor que es inverso a la dureza. De acuerdo a esto, los cementos asfálticos más comúnmente usados son los siguientes: CA : Para sellado de juntas de pavimento de hormigón CA : En concreto asfáltico CA : En concreto asfáltico CA : Tratamientos superficiales Las dos cifras indican los límites máximos y mínimos de la penetración. Propiedades o características deseables del cemento asfáltico Para los estudios técnicos y la construcción hay tres propiedades o características del asfalto importantes:

9 Consistencia: término usado para describir el grado de fluidez o plasticidad del asfalto a cualquier temperatura dada, La clasificación de los cementos asfálticos se realiza con base al valor de la consistencia a una temperatura de referencia. Para especificar y medir la consistencia de un asfalto para pavimento, se usan ensayos de viscosidad, ensayos de penetración y/o punto de ablandamiento. Pureza: el cemento asfáltico se compone, casi totalmente de betunes (solubles en bisulfuro de carbono). Los asfaltos refinados son, generalmente, más de 99.5% solubles en bisulfuro de carbono y por lo tanto casi betunes puros. Las impurezas, si las hay, son inertes. Seguridad: el cemento asfáltico, si se lo somete a temperaturas suficientemente elevadas, despide vapores que arden en presencia de una chispa o llama. La temperatura a la que esto ocurre es más elevada que la temperatura normalmente usada en las operaciones de pavimentación. Sin embargo, para tener la certeza de que existe un adecuado margen de seguridad, se debe conocer el punto de inflamación del asfalto Emulsiones Asfálticas Son parte de los asfaltos líquidos. Es un sistema heterogéneo de dos fases normalmente inmiscibles, como son el asfalto y el agua, al que se le incorpora una pequeña cantidad de un agente activador de superficie, tensoactivo o emulsificante, de base jabonosa o solución alcalina, el cual mantiene en dispersión el sistema, siendo la fase continua el agua y la discontinua los glóbulos del asfalto, en tamaño, entre uno a diez micrones. Cuando la emulsión se pone en contacto con el agregado se produce un desequilibrio que la rompe, llevando a las partículas del asfalto a unirse a la superficie del agregado. El agua fluye o se evapora, separándose de las partículas pétreas recubiertas por el asfalto. Existen emulsificantes que permiten que esta rotura sea instantánea y otros que retardan éste fenómeno. De acuerdo con la velocidad de rotura, las emulsiones asfálticas pueden ser: De rompimiento rápido: la que se designa por las letras RS (Rapid Setting). Estas producen una capa relativamente dura y principalmente es usada para aplicaciones en spray sobre agregados y arenas de sello, así como penetración sobre piedra quebrada; que por ser de alta viscosidad sirve de impermeabilizante. De rompimiento medio: las que se designan con las letras MS (Medium Setting). De rompimiento lento: designada por las letras SS (Slow Seting). Son diseñadas para una máxima estabilidad de mezclado. Son usadas para dar un buen acabado con agregados compactos y asegurar una buena mezcla con éstos. El tipo de emulsión a utilizar depende de varios factores, tales como las condiciones climáticas durante la construcción, tipos de agregados disponibles, etc. Las emulsiones asfálticas deben ser afines a la polaridad de los agregados con el propósito de tener una buena adherencia. Esta cualidad se la confiere el emulsificante, el cual puede darle polaridad negativa o positiva, tomando el nombre de aniónicas, las primeras, afines a los áridos de cargas positivas y catiónica, las segundas, afines a áridos de cargas negativas; como son las de origen cuarzoso o silíceo. Las emulsiones catiónicas se designan con las mismas letras anteriormente dichas y anteponiéndoles la letra C, como por ejemplo las CRS-1 y CSS-1. Si el residuo asfáltico de las emulsiones medias y lentas es de penetración se le agrega la letra h (CSS-1h, MS-2h). PAVIMENTACIÓN Y REPAVIMENTACIÓN CON GEOSINTÉTICOS 171

10 Las especificaciones que deben cumplir los asfaltos líquidos están indicados en las tablas: Tabla 7.1 Asfaltos cortados de curado rápido AASHTO M 81 MANUAL DE DISEÑO CAPÍTULO 7 Tabla 7.2 Asfaltos cortados de curado medio AASHTO M 82

11 7.6.3 Asfaltos Modificados Los materiales asfálticos modificados son el producto de la disolución o incorporación en el asfalto de un polímero, sustancia que es estable en el tiempo y a cambios de temperatura que se añaden al material asfáltico para modificar sus propiedades físicas y reológicas disminuir su susceptibilidad a la temperatura y a la humedad, así como a la oxidación. El propósito de modificar el asfalto es el de incrementar su desempeño en términos de rangos de temperatura y tolerancia al esfuerzo, mediante la modificación del balance en su comportamiento visco-elástico a través del rango de temperaturas de aplicación y servicio. La modificación de asfalto es una nueva técnica utilizada para el aprovechamiento efectivo de asfaltos en la pavimentación de vías. Esta técnica consiste en la adición de polímeros a los asfaltos convencionales con el fin de mejorar sus características mecánicas, es decir, su resistencia a las deformaciones por factores climatológicos y del tránsito (peso vehicular). Con los asfaltos modificados se pretende contar con ligantes más viscosos a temperaturas elevadas para reducir las deformaciones permanentes (ahuellamiento), disminuir el fisuramiento por efecto térmico a bajas temperaturas y por fatiga, aumentando su elasticidad. Finalmente se debe contar con un ligante de mejores características adhesivas. El efecto principal de añadir polímeros a los asfaltos es el cambio en la relación viscosidad-temperatura (sobre todo en el rango de temperaturas de servicio de las mezclas asfálticas) permitiendo mejorar de esta manera el comportamiento del asfalto tanto a bajas como a altas temperaturas. Los asfaltos modificados se deben aplicar, en aquellos casos específicos en que las propiedades de los ligantes tradicionales son insuficientes para cumplir con éxito la función para la cual fueron encomendados, es decir, en mezclas para pavimentos que están sometidos a solicitaciones excesivas, ya sea por el tránsito o por otras causas como: temperaturas extremas, agentes atmosféricos, tipología del firme, etc. Si bien los polímeros modifican las propiedades reológicas de los asfaltos, estos deben mostrar ventajas en servicio. Se pueden enumerar una serie de ventajas y desventajas de los asfaltos modificados con polímeros. Ventajas: - Disminuye la susceptibilidad térmica. - Se obtienen mezclas más rígidas a altas temperaturas de servicio reduciendo el ahuellamiento. - Se obtienen mezclas más flexibles a bajas temperaturas de servicio reduciendo el fisuramiento. - Disminuye la exudación del asfalto: por la mayor viscosidad de la mezcla, su menor tendencia a fluir y su mayor elasticidad. - Mayor elasticidad: debido a los polímeros de cadenas largas. - Mayor cohesión: el polímero refuerza la cohesión de la mezcla. - Mejora la trabajabilidad y la compactación: por la acción lubricante del polímero o de los aditivos incorporados para el mezclado. - Mejor impermeabilización: en los sellados bituminosos, pues absorbe mejor los esfuerzos tangenciales, evitando la propagación de las fisuras. - Mayor resistencia al envejecimiento: mantiene las propiedades del ligante, pues los sitios más activos del asfalto son ocupados por el polímero. PAVIMENTACIÓN Y REPAVIMENTACIÓN CON GEOSINTÉTICOS 173

12 - Mayor durabilidad: los ensayos de envejecimiento acelerado en laboratorio, demuestran su excelente resistencia al cambio de sus propiedades características. - Mejora la vida útil de las mezclas: menos trabajos de conservación. MANUAL DE DISEÑO CAPÍTULO 7 - Permiten mayor espesor de la película de asfalto sobre el agregado. - Reduce el costo de mantenimiento. - Aumenta el módulo de la mezcla. - Permite la reducción de hasta el 20% de los espesores por su mayor módulo. - Mayor resistencia a la flexión en la cara inferior de las capas de mezclas asfálticas. - Permite un mejor sellado de las fisuras. Desventajas: - Alto costo del polímero. - Dificultades del mezclado: no todos los polímeros son compatibles con el asfalto base. - Deben extremarse los cuidados en el momento de la elaboración de la mezcla. - Los agregados no deben estar húmedos ni sucios. - La temperatura mínima de distribución es de 145ºC por su rápido endurecimiento. Naturaleza del Polímero Los polímeros son sustancias formadas por la unión, de cientos o miles de moléculas pequeñas, llamadas monómeros. La gran diversidad de materiales poliméricos hacen que su clasificación y sistematización sean difíciles, pero atendiendo a su estructura y propiedades, se clasifican para uso vial como se presentan a continuación: Figura 7.1 Clasificación de los Polímeros. Termo-Endurecibles: son polímeros formados por una reacción química de dos componentes (base y endurecedor), dando lugar a una estructura entrecruzada, por lo que no pueden ser recuperados para volver a transformarse.

13 Termoplásticos: son polímeros solubles que se reblandecen con la acción del calor y pueden llegar a fluir. Son generalmente, polímeros lineales o ligeramente ramificados. 7.7 PROCEDIMIENTO DE INSTALACIÓN Para que el desempeño del geosintético (geomalla de fibra de vidrio, geotextil de repavimentación) a utilizar en esta aplicación sea el correcto y su vida de servicio sea la esperada, deberá ceñirse al siguiente proceso de instalación: Condiciones y Limpieza de la Superficie Para garantizar que la adhesión del geosintético (geomalla de fibra de vidrio, geotextil de repavimentación) a la capa de rodadura vieja y a la de repavimentación sea la adecuada, deberá preverse que la superficie sobre la cual se colocarán los rollos del geosintético esté razonablemente libre de elementos tales como mugre, agua, vegetación y escombros que pudiesen entorpecer el contacto entre el ligante asfáltico y la carpeta vieja. Los equipos recomendables utilizados en este tipo de operaciones son compresores neumáticos con boquillas adecuadas para limpieza o incluso se permite la utilización de escobas. Cuando se trabaja sobre fresado se debe realizar una limpieza muy minuciosa, ya que la superficie debe quedar libre del polvillo que se genera durante el fresado, preferiblemente se debe realizar esta limpieza con aire comprimido o con agua dejando secar muy bien la superficie, como se observa en la Figura 7.2. Figura 7.2 Limpieza de la superficie Tratamiento de Fisuras Después de terminar el proceso de limpieza, todas las fisuras deberán ser sopleteadas y selladas con un llenante apropiado para tal fin, sin sobrepasar la cantidad por encima del nivel existente; dichas fisuras deberán recibir un tratamiento adecuado según su grado de deterioro. En el caso de que las grietas sean originadas por fallas estructurales, el pavimento será intervenido de la manera más adecuada dependiendo del tratamiento escogido, según sea el caso. PAVIMENTACIÓN Y REPAVIMENTACIÓN CON GEOSINTÉTICOS 175

14 7.7.3 Ligante Asfáltico MANUAL DE DISEÑO CAPÍTULO 7 El material que se utilizará para garantizar una adecuada adhesión del geosintético (geomalla de fibra de vidrio, geotextil de repavimentación) a la base granular, base estabilizada, losas de concreto o a la mezcla asfáltica existente, y a la capa superior (capa de refuerzo, o de mantenimiento), podrá ser un cemento asfáltico de penetración mm/10, emulsión catiónica de rompimiento rápido tipo 1 o una emulsión catiónica de rompimiento rápido tipo 1 modificada con polímeros de tal forma que se satisfaga la cantidad de asfalto mínima requerida como se verá más adelante. En el geotextil se debe garantizar la saturación del mismo para generar la membrana viscoelastoplástica, mientras que en la geomalla solo se necesitará garantizar la adhesión al sistema. El geosintético (geomalla de fibra de vidrio, geotextil de repavimentación) se podrá colocar solo después del correspondiente rompimiento de la emulsión en caso de que esa sea la elección a utilizar como ligante. Para esta aplicación no se podrán utilizar los asfaltos diluidos que contienen solventes. A continuación se relaciona un cuadro comparativo en cantidades a utilizar si se escoge cemento asfáltico y/o emulsión asfáltica, valor que debe estar acorde con la prueba que se realice en campo. Cuando se usen emulsiones solicitar inmediatamente la especificación técnica para determinar la dosificación de la misma. Para la escogencia definitiva de la emulsión se debe tener en cuenta las condiciones climáticas de la zona, influyentes en la aplicación de la misma. Las cantidades a utilizar de ligante dependerán de si se utiliza geotextil de repavimentación y/o geomalla de fibra de vidrio. Para el geotextil de repavimentación se debe garantizar que la cantidad a utilizar de ligante sea capaz de saturar el geotextil y dejar un adicional para que esta membrana se adhiera tanto a la superficie antigua como a la nueva rodadura, Tabla 7.3. Para la geomalla de fibra de vidrio solo se requiere garantizar la cantidad de ligante necesaria para generar una buena adherencia entre la superficie antigua y la carpeta nueva, Tabla 7.4. Tabla 7.3 Cantidad a utilizar de cemento asfáltico Vs. emulsión asfáltica para geotextil de repavimentación

15 Tabla 7.4 Cantidad a utilizar de cemento asfáltico Vs. emulsión asfáltica para geomalla de fibra de vidrio Se recomienda colocar la emulsión asfáltica siempre en dos etapas, en forma homogénea y uniforme, para evitar desplazamiento por efectos de la pendiente hacia las cunetas y/o bermas según sea el caso. En el caso del geotextil, se recomienda instalar el 50% de la cantidad total de emulsión, se espera a que rompa esta primera parte; luego, se instala el geotextil, y por último se aplica el 50% restante esperando un tiempo prudencial para que se evapore el agua y salga del geotextil para proceder a colocar la nueva carpeta asfáltica encima. En el caso de la geomalla, se recomienda instalar inicialmente 0,5 L/m 2 como mínimo de remanente de asfalto, se debe esperar a que rompa esta primera parte; luego, instalar la geomalla y posteriormente aplicar 0,2 L/m 2 como mínimo de remanente de asfalto, esperando un tiempo de rompimiento de esta última parte, instalar la nueva carpeta asfáltica Temperaturas de trabajo Las temperaturas del camión irrigador con cemento asfáltico no deben exceder los 150 C cuando se trabaja con asfaltos normalizados; ésta temperatura puede ser superada cuando sé esta trabajando con asfaltos modificados. Los patrones de riego con emulsiones asfálticas son mejorados con calentamiento. Es deseable un rango de temperaturas entre 55 C y 70 C. No debe excederse una temperatura de 70 C, puesto que a partir de esta puede romperse la emulsión. Si se trabaja con emulsiones deberá esperarse hasta que rompa y que el agua se evapore para proceder a colocar el geosintético que se este trabajando. La temperatura de la superficie de la carpeta asfáltica sobre la cual se instalará la geomalla de fibra de vidrio debe estar entre 5 C y 60 C Tasa de aplicación del ligante asfáltico teórica para cuando se utiliza geotextil de repavimentación La cantidad de ligante asfáltico a utilizar depende de la porosidad relativa del pavimento viejo y del geotextil a usarse en el proceso de repavimentación, siendo esta una de las consideraciones de mayor relevancia para garantizar el correcto desempeño de esta membrana de intercapa viscoelastoplástica impermeable. De un trabajo presentado por Button (1982), éste propone la siguiente ecuación para la determinación de la cantidad de ligante asfáltico: PAVIMENTACIÓN Y REPAVIMENTACIÓN CON GEOSINTÉTICOS 177

16 Q d = Q s + Q c (7.1) Donde: MANUAL DE DISEÑO CAPÍTULO 7 Q d = Cantidad de ligante según diseño. (L/m 2 ). Q s = Cantidad de ligante necesario para lograr la saturación del geotextil (L/m 2 ). Este dato es suministrado por el fabricante. Es importante tener en cuenta que según las recomendaciones de la Task Force 25 de la AASHTO-AGC-ARTBA, este no podrá ser inferior a los 0.9 L/m 2 para lograr formar una capa absorbedora de esfuerzos, además de la adhesión entre las capas de concreto asfáltico. Q c = Valor de corrección dependiendo de las condiciones de la superficie del concreto asfáltico de la capa vieja. Oscila entre 0.05 L/m 2 para superficies niveladas hasta 0.59 para superficies porosas y oxidadas. Sin embargo en varias obras los valores obtenidos de ensayos realizados en campos son bastante menores que los obtenidos en la fórmula de Button Tasa de aplicación del ligante asfáltico in situ si se emplea geotextil de repavimentación Es recomendable que antes de iniciar una repavimentación utilizando el geotextil se determine la cantidad óptima de ligante asfáltico a usarse y de esta forma se eviten posibles problemas de exudación e incluso la generación de una superficie de deslizamiento. Una manera rápida y sencilla es mediante la imprimación de un área determinada que se sugiere sea de 1.0 m*1.0 m, con diferentes cantidades de ligante, teniendo en cuenta que su distribución sobre la superficie debe ser uniforme. Una manera de verificar si la cantidad de ligante es la adecuada es intentando desprender manualmente el geotextil de la superficie, si esto no se logra y al pisar el geotextil se ve como este empieza a absorber el ligante y mediante esta presión este pasa hasta la cara superior, se puede pensar que se ha llegado el punto óptimo para la tasa de imprimación con ligante asfáltico. Usualmente la tasa de aplicación para el ligante asfáltico es mínimo de 1.3 L/m 2 (asfalto residual) incluida la cantidad necesaria para garantizar la adhesión del conjunto geotextil-asfalto al concreto asfáltico. La cantidad dependerá de la porosidad y oxidación relativa del pavimento existente (Ver tabla 7.3). Las técnicas de imprimación requieren que los equipos a usarse coloquen el ligante a una tasa uniforme, siendo conveniente el uso de quipos mecánicos, tales como los tanques o camiones irrigadores para este fin; teniendo en cuenta, que ésta debe ser homogénea y que cumpla con los requerimientos mínimos para lograr una correcta adhesión y evitar fallas por deslizamiento, corrimiento o exudación como se observa en la Figura 7.3.

17 Figura 7.3 Imprimación con Asfalto. Otro factor importante en el control de temperatura, pues se ha visto en varios casos una degradación del ligante que llega a cristalizarse, perdiéndose así al saturar al geotextil, su función de membrana viscoelastoplástica y no logrando un beneficio total Tasa de aplicación del ligante asfáltico in situ si se emplea geomalla de fibra de vidrio El riego de liga se debe aplicar de manera uniforme sobre toda la superficie asfáltica en dos partes. La primera antes de instalar la geomalla de fibra de vidrio sobre la carpeta asfáltica nueva o la capa de nivelación (dependiendo si es un pavimento flexible nuevo o una rehabilitación respectivamente) y la segunda posteriror a la instalación de la geomalla, antes de instalar la nueva carpeta. La primera dosis de riego de liga no debe ser inferior a 0,5 L/m 2 (asfalto residual) y debe ser la mínima que garantice una adherencia de la geomalla a la superficie de al menos 5 Kgf medido mediante el ensayo de adherencia. Se debe permitir que la emulsión rompa antes de instalar el refuerzo. La segunda dósis de riego de liga es para garantizar la debida impregnación de la cara superior de la geomalla y su adherencia a la nueva capa de concreto asfáltico. La cantidad del segundo riego de liga no debe ser menor a 0,2 L/m 2 (asfalto residual) si se utiliza emulsión. Se debe permitir que la emulsión rompa antes de instalar la capa de rodadura. El segundo riego de liga se aplicará después de estar la geomalla adherida a la superficie, posterior al paso del equipo de compactación. Al igual que en el geotextil, las técnicas de imprimación requieren que los equipos a usarse coloquen el ligante a una tasa uniforme, como se observa en la Figura 7.3. El ensayo de adherencia se ejecuta para determinar la dosis mínima del primer riego de liga. Las pruebas de adherencia se deben ejecutar en situ al menos cada 200 m de longitud teniendo en cuenta el siguiente procedimiento. Cortar una pieza de un (1) m 2 de geomalla e instalarla sobre la capa asfáltica nueva o de nivelación previa colocación y rompimiento de una cuantía establecida de riego de liga (se recomienda iniciar con la cuantía mínima de 0,5 L/m 2 ). La pieza de geomalla deberá someterse al paso de un equipo compactador para asegurar su adherencia. Una vez adherida la geomalla se inserta en la parte central el gancho de una balanza de resorte (Dinamómetro) por debajo de la geomalla. Halar el dinamómetro de un solo envión hasta que se desprenda la geomalla. La cantidad de emulsión será aquella para la cual la resistencia a la adherencia sea mayor a 5 Kg-f. PAVIMENTACIÓN Y REPAVIMENTACIÓN CON GEOSINTÉTICOS 179

18 7.7.4 Capa de Nivelación cuando se utiliza geomalla de fibra de vidrio MANUAL DE DISEÑO CAPÍTULO 7 Si la superficie no está nivelada, un espesor mínimo de 3 cm de concreto asfáltico como nivelación sobre la superficie de asfalto existente debe ser colocado. Si la vía es en concreto hidráulico el espesor mínimo de nivelación será de 4 cm. Es importante tener en cuenta un riego de liga entre la carpeta asfáltica antigua o sobre la losa de concreto antes de aplicar la capa de nivelación. La capa de nivelación debe proveer suficiente adhesivo a la geomalla. Aunque la geomalla de fibra de vidrio posee un recubrimiento bituminoso que garantiza la correcta adherencia de la geomalla a las capas de asfalto, se debe emplear un riego de liga entre las capas asfálticas para garantizar una completa adherencia entre estas. La geomalla de fibra de vidrio no debe ser instalada directamente sobre superficies fresadas. El mínimo tratamiento debe ser: limpiar, reparar las fisuras y baches y emplear una capa de nivelación de mínimo 3 cm Características del geotextil a instalar El geotextil que se emplea en pavimentaciones y repavimentaciones debe ser del tipo no tejido punzonado con agujas, los cuales deberán tener la capacidad de absorber la cantidad suficiente de ligante asfáltico; dichos geotextiles pueden ser de polipropileno o poliéster. El geotextil a ser empleado en pavimentación y repavimentación durante su proceso de instalación puede estar sometido a unos esfuerzos; para su supervivencia frente a dichos esfuerzos debe cumplir con las propiedades que se enuncian en la Tabla 7.5. Tabla 7.5 Requerimientos del geotextil. Especificaciones generales de construcción de carreteras AASHTO M288-05/Artículo 464 INVIAS (1) Los valores numéricos de la Tabla corresponden al valor mínimo promedio por rollo (VMPR). El valor mínimo promedio por rollo, es el valor mínimo de los resultados de un muestreo de ensayos de un proceso para dar conformidad a un lote que está bajo comprobación, el promedio de los resultados correspondientes de los ensayos practicados a cualquier rollo del lote que se está analizando, debe ser mayor o igual al valor presentado en esta especificación y corresponde a la traducción del nombre en Inglés Minimum Average Roll Value (MARV). Desde el punto de vista del productor, corresponde al valor promedio del lote menos dos (2) veces la desviación estándar de los valores de la producción. (2) La elongación 50% hace referencia a los geotextiles no tejidos. (3) La retención asfáltica mínima será de 0.9 L/m 2 ; sin embargo, la retención asfáltica medida en litros por cada metro cuadrado (L/m 2 ) para cada geotextil debe ser suministrada por el fabricante. El valor no indica la tasa de aplicación de asfalto requerido en la construcción, solamente indica el valor para saturar el geotextil. La retención asfáltica del producto, representa el VMPR suministrado por el fabricante. El valor de retención asfáltica esta dado en términos de asfalto residual en caso de trabajar con emulsiones asfálticas. (4) El punto de fusión del geotextil será 150 C cuando la nueva capa asfáltica sea preparada con asfalto tradicional. El punto de fusión del geotextil será 250 C cuando la nueva capa asfáltica sea preparada con asfaltos modificados con polímeros ó cuando la temperatura de compactación supere los 150 C.

19 7.7.6 Características de la geomalla de fibra de vidrio a instalar La geomalla de fibra de vidrio a ser empleada en pavimentación y repavimentación, es fabricada por un proceso de tejido de punto usando una serie de filamentos de fibra de vidrio que forman una estructura de rejilla. Estos filamentos están recubiertos con un polímero que permite que la geomalla posea una buena adherencia a las capas asfálticas. Cada filamento posee alta resistencia a la tensión y alto módulo de elasticidad (69,000 Mpa) para elongaciones bajas. Esta combinación hace a la geomalla de fibra de vidrio más fuerte que el acero libra por libra. Las principales características de la geomalla son las que se encuentran en la tabla 7.6. Tabla 7.6 Requerimientos de la geomalla de fibra de vidrio Instalación del geosintético La instalación del rollo del geosintético (geomalla de fibra de vidrio, geotextil de repavimentación) puede ser realizado manual o mecánicamente, existiendo equipos patentados para la colocación de los rollos. En nuestro medio la instalación se ha venido haciendo manualmente, siendo necesaria una cuadrilla de tres personas (dos manteniendo la alineación del rollo y desenrollándolo, y otra persona cepillando sobre el geosintético, eliminando al máximo las arrugas), sin necesidad de ser mano de obra capacitada ni especializada. Para esta aplicación, si se utiliza geotextil, se debe instalar siempre la parte sin termofundir en contacto directo con el ligante, sin arrugas. Figura 7.4 Instalación del geosintético. PAVIMENTACIÓN Y REPAVIMENTACIÓN CON GEOSINTÉTICOS Para facilitar un mayor contacto (adherencia) del geosintético (geomalla de fibra de vidrio, geotextil de repavimentación) con el ligante y con la capa antigua y eliminar en mayor proporción las arrugas del mismo, se podrán utilizar 181

20 equipos mecánicos como es el caso de un compactador de llantas en una pasada directamente sobre el geosintético transitando a bajas velocidades. No es necesario realizar la sujeción del geosintético a la capa vieja mediante clavos o puntillas, solo se permite utilizar puntillas al inicio del rollo de la geomalla de fibra de vidrio. MANUAL DE DISEÑO CAPÍTULO 7 Figura 7.5 Compactador de llantas sobre el geosintético. Cuando se esta en zona de curva, para instalar el geosintético (geomalla de fibra de vidrio, geotextil de repavimentación), éste se debe cortar en pequeñas secciones en forma rectangular como si se estuviera armando la curva por segmentos. Es importante tener en cuenta que se recomienda emplear guantes para manipular la geomalla ya que la fibra de vidrio al estar en contacto directo con la piel puede generar picazón. Se deben tener cuidados especiales con las condiciones climatológicas, pues nunca se podrá instalar el geosintético (geomalla de fibra de vidrio, geotextil de repavimentación) cuando la capa de pavimento antiguo esté en condiciones húmedas, en el caso de querer hacer grandes avances en la instalación del geosintético es necesario prever que no lloverá en la zona. Esta es la única condición que pudiera llegar a afectar el avance de la obra. Si durante la instalación inicia la lluvia cuando se utiliza geotextil y éste se encontraba extendido se moja completamente, entonces se debe secar totalmente antes de ser utilizado para esta aplicación. A manera de solución parcial para casos donde el geosintético (geomalla de fibra de vidrio, geotextil de repavimentación) se haya mojado con una llovizna superficial se podrá soplar con aire a presión para eliminar toda la humedad presente en el mismo. Si se llegase a realizar el proceso de instalación de la nueva carpeta sobre el geosintético en condiciones húmedas, no se logrará una buena adherencia de todo el sistema, generando posibles fallas posteriores en el funcionamiento del mismo. Como recomendación de trabajo en obra, solo se debe instalar la cantidad de geosintético que sé esta seguro quedará completamente cubierto al finalizar el día Tratamiento a las arrugas que se puedan formar Otra de las consideraciones críticas es la instalación correcta del geosintético (geomalla de fibra de vidrio, geotextil de repavimentación) sobre la superficie de la vía impregnada con ligante asfáltico, evitando al máximo la formación de arrugas ya que estas no permitirán que la absorción del asfalto líquido sea suficiente para la formación de la barrera impermeable cuando se usa geotextil, ni de una buena adherencia cuando se usa geomalla, reduciendo los beneficios a largo plazo de esta membrana de intercapa.

21 Figura 7.6 Formación de arrugas. En la Figura 7.6 se puede observar como en la zona de la arruga se genera tras capas del geosintético utilizado, haciendo imposible la saturación y/o adherencia con el ligante asfáltico. Es en estas pequeñas zonas, donde de no hacerse las correcciones en el momento preciso, no se logrará la impermeabilización esperada en el caso del geotextil, ni se generará una adhesión adecuada en el caso de la geomalla, generándose fisuras y desprendimientos en pequeños bloques tiempo después de la carpeta asfáltica que se encuentra justo encima de las arrugas excesivas. Los cuidados principales para el tratamiento de las arrugas incluyen los siguientes: Las arrugas y dobleces de más de 25 mm deberán cortarse con un bisturí y aplanarse siempre en el sentido del avance de los equipos utilizados en la pavimentación, para evitar levantamientos. En el caso de que la arruga o doblez sobrepase los 50 mm, este exceso deberá ser eliminado. Cuando se utiliza geotextil, en los traslapos necesarios en la reparación de arrugas deberá contemplar el uso de ligante adicional para saturar las dos capas de geotextil y formar una liga, evitando posibles planos de deslizamiento Traslapos o solapes Cuando se utiliza geotextil de repavimentación como regla general, se recomienda que los traslapos en cualquier dirección no deben exceder los 15 cm. En las zonas de traslapos se debe hacer una impregnación adicional con ligante asfáltico para garantizar la saturación total del geotextil. Cuando se utiliza geomalla, los traslapos en el sentido longitudinal deben ser como mínimo de 10 cm y en el sentido transversal como mínimo 15 cm. Los traslapos deben superponerse en el sentido de la colocación de la mezcla y deben impregnarse adicionalmente con ligante asfáltico para garantizar una completa adherencia de la geomalla en la zona de traslapos Separación de la geomalla a los bordes Perimetral a los bordes de la vía, en sardineles, pozos, cámaras y estructuras hidráulicas se debe dejar la geomalla de fibra de vidrio separada con un margen de 10 cm, para evitar absorción de agua por acción capilar Espesores mínimos de la capa de repavimentación cuando se utiliza geotextil de repavimentación PAVIMENTACIÓN Y REPAVIMENTACIÓN CON GEOSINTÉTICOS Se considera al igual que en cualquier procedimiento de repavimentación que el espesor mínimo constructivo de la nueva capa debe ser mínimo 5 cm para pavimentos flexibles hasta una pendiente máxima del 4% en sentido longitudinal, mínimo de 7 cm en pendientes longitudinales del 4% al 6%, por encima del 6% debe consultarse 183