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Pavimentos rígidos versus flexibles ¿Mitos o realidades?

Desde principios del siglo XX. los pavimentos han experimentado una evolución tecnológica continua impulsada por la necesidad de proveer vías de transporte eficientes. Durante este desarrollo el dilema de elegir entre un pavimento rígido o flexible ha sido materia de discusiones técnicas basadas en argumentos que también han evolucionado con el tiempo debido a la aparición de nuevos materiales, enfoques distintos en el diseño de pavimentos, y la implementación de técnicas constructivas más eficientes.

En esta evolución tecnológica hay argumentos que en la actualidad solo pueden sostenerse dentro de un determinado contexto pasando a ser mitos y no realidades. Este artículo presenta una perspectiva abierta con la intención de incentivar un diálogo proactivo que conduzca al diseño, construcción, y mantenimiento de pavimentos que tengan un desempeño superior y que sea concordante con los conocimientos técnicos modernos.

 

Carlos M. Chang (*)

 

Es conveniente recordar que el pavimento es una estructura sometida a cargas externas de tráfico y clima que generan esfuerzos y deformaciones internas en las capas que lo componen. El tipo de estructura de pavimento a emplear depende de la función a desempeñar y de los factores que los afectan durante el período de servicio para el cual se diseña. Entre estos factores, además del tráfico y el clima, se encuentran las propiedades de los materiales que conforman las capas del pavimento. El desempeño del pavimento está íntimamente ligado al comportamiento de los materiales que lo componen ante la acción de las cargas externas. Independientemente del tipo de pavimento, una adecuada respuesta estructural y funcional del pavimento depende de la calidad de los materiales, un proceso constructivo responsable, y un programa de mantenimiento oportuno.

En lo que respecta al diseño de pavimentos, es fundamental efectuar el análisis estructural y funcional empleando  modelos que representen en forma realista los efectos en el desempeño de la estructura de pavimento ante las solicitaciones de carga. Con este propósito, es recomendable utilizar métodos mecanísticos de diseño de pavimentos debidamente calibrados a las condiciones locales. Estos métodos, como por ejemplo el AASHTO 2008, simulan el efecto del medio ambiente en la estructura del pavimento como son los cambios de temperatura y humedad y las cargas de tráfico actuantes, considerando su impacto en  los niveles de serviciabilidad y la probabilidad de aparición de  fallas en el pavimento. Con el uso de modelos de desempeño integrados, se puede proyectar la condición del pavimento a lo largo de su vida en servicio, verificando si lo niveles de tolerancia son cumplidos satisfactoriamente. La estructura de pavimento que satisface los niveles de tolerancia estructural y funcional es seleccionada como una alternativa técnica viable.

En un enfoque integral de diseño de pavimentos se consideran objetivos múltiples, definiendo los niveles de aceptación para cada uno de los parámetros que intervienen en el proceso de acuerdo al grado de importancia que se les asigne. Entre estos objetivos se encuentran: brindar una adecuada serviciabilidad o comodidad a  los usuarios que transitan por el pavimento, la durabilidad de la estructura de pavimento en el tiempo, confiabilidad en que el pavimento se comporte como ha sido diseñado, seguridad ante el tránsito de los vehículos al brindar una buena fricción entre los neumáticos de los vehículos y la superficie de rodadura,  amistoso al medio ambiente, y  el minimizar los costos de construcción y mantenimiento durante su vida en servicio. Sin embargo, ¿será posible satisfacer estos objetivos múltiples y criterios de diseño en forma simultánea?  Bajo esta perspectiva procedemos a comparar los pavimentos rígidos con los flexibles.

 

Comparación de Pavimentos Rígidos y Flexibles

1.       Período de Diseño y Durabilidad: Tradicionalmente los períodos de diseño para los pavimentos flexibles son menores que para los pavimentos rígidos. Por ejemplo, el Manual Peruano 2014 de Carreteras, Suelos, Geotecnia y Pavimentos, Sección Suelos y Pavimentos, recomienda períodos de diseño de 10 a 20 años para pavimentos flexibles y de un mínimo de 20 años para pavimentos de concreto. Esta recomendación refleja la percepción de que los pavimentos rígidos tienen una vida más larga que los flexibles. Sin embargo, es posible diseñar pavimentos rígidos para 10 años. Restringir el uso de los pavimentos rígidos solo para proyectos con una vida en servicio de 20 años o más reduce aplicaciones que en la práctica son viables, como por ejemplo en los pavimentos urbanos en donde la alternativa de pavimentos de concreto es una posibilidad.

Por otro lado, es posible tener pavimentos flexibles diseñados para períodos de vida mayores a los 20 años, puesto que existen en la actualidad asfaltos de calidades superiores o modificadas, y con un adecuado diseño – al margen del tema de costos – pueden diseñarse pavimentos flexibles más longevos.

Es un mito definir el tipo de pavimento basado solamente en el período de diseño puesto que el avance tecnológico en los materiales y metodologías actuales permiten realizar diseños de pavimentos flexibles o rígidos para el período en servicio que se desee.

 

2.       Desempeño Estructural y Transmisión de Esfuerzos: Los pavimentos flexibles están compuestos por múltiples capas en donde los esfuerzos transmitidos por las cargas actuantes son distribuidos en forma gradual a través de la estructura del pavimento. Todas las capas que componen la estructura del pavimento flexible cumplen una función estructural.

En el caso de los pavimentos rígidos, es la losa de concreto la que trabaja estructuralmente y absorbe los esfuerzos producidos por las cargas actuantes. La losa puede inclusive colocarse directamente sobre la subrasante si ésta está compuesta por un suelo de buena calidad, sino se coloca una base granular que brinde una superficie uniforme sobre la cual apoyar la losa.

 

       Es una realidad que los pavimentos flexibles y los rígidos tienen un comportamiento estructural distinto debido a las propiedades de los materiales que los componen.

3.    Tipos de Falla: Los pavimentos flexibles presentan fallas por fatiga o por deformación de la subrasante u otra de las capas que la componen. Las fallas por fatiga se observan como fisuras longitudinales en la huella del neumático y con el tiempo de no ser debidamente tratadas se convierten en fallas tipo piel de cocodrilo. La deformación causada por deformaciones plásticas acumuladas no recuperables durante la acción cíclica de las cargas se manifiesta como ahuellamiento.

 

En el caso de los pavimentos rígidos las fallas típicas son por fatiga cuando los esfuerzos actuantes superan la resistencia de la losa de concreto y se presentan fisuras, o por bombeo de finos de la capa inferior donde se apoya la losa que con el tiempo se manifiesta como desniveles.

Es una realidad que los pavimentos flexibles y los rígidos tienen mecanismos de falla distintos puesto que su respuesta ante la acción de las cargas actuantes es distinta.

4.       Serviciabilidad:

El grado de comodidad que el pavimento brinda al usuario es un aspecto de gran importancia. Existen diferentes maneras para analizar y cuantificar el nivel de servicio. Un parámetro usado en el Manual de Diseño AASHTO 1993 es el Indice de Servicio (Present Serviciability Index – PSI), que establece una escala subjetiva de calificación de 0 a 5, siendo 5 la condición calificada como excelente. Otro indicador más objetivo es el Indice de Rugosidad Internacional (International Roughness Index - IRI) que es adoptado por el AASHTO 2008. Como referencia los pavimentos nuevos tienen valores de IRI de 2.0 m/Km, mientras que durante la vida en servicio puede incrementarse hasta un IRI de 3.5 m/Km. El Manual Peruano 2014 de Carreteras, Suelos, Geotecnia y Pavimentos, Sección Suelos y Pavimentos presenta el siguiente cuadro para valores admisibles con respecto al coeficiente de fricción.

 

Cuadro 1 Valores de Rugosidad Admisible (IRI) según tipo de Carretera

Tipo de Carretera

Rugosidad Característica Inicial Pavimento Nuevo IRI (M/KM)

Rugosidad Característica Inicial Pavimento Reforzado IRI (M/KM)

Rugosidad Característica Durante el Periodo de Servicio IRI(M/KM)

Observación

Autopistas: carretas de IMDA mayor de 6000 veh/dia, de calzadas separadas, cada una con dos o más carriles.

2.00

2.50

3.50

Rugosidad característica, para una Confiabilidad de 98%

Carreteras Duales o Multicarril: carreteras de IMDA entre 6000 y 4001 veh/dia, de calzadas separadas, cada una con dos o más carriles.

2.00

2.50

3.50

Rugosidad característica, para una Confiabilidad de 95%

Carreteras de Primera Clase: carretera con un IMDA entre 4000-2001 veh/dia, de una calzada de dos carriles.

2.50

3.00

4.00

Rugosidad característica, para una Confiabilidad de 95%

Carreteras de Segunda Clase: carreteras con un IMDA entre 2000-401 veh/dia, de una calzada de dos carriles.

2.50

3.00

4.00

Rugosidad característica, para una Confiabilidad de 90%

Carreteras de Tercer Clase: carreteras con un IMDA entre 400-201 veh/dia, de una calzada de dos carriles.

3.00

3.50

4.50

Rugosidad característica, para una Confiabilidad 90%

Carreteras de Bajo Volumen de Transito: carreteras con un IMDA ≤ 200 veh/dia, de una calzada.

3.00

3.50

4.50

Rugosidad característica, para una Confiabilidad de 85%

 

Fuente: Manual Peruano 2014

 

Debido al tipo de acabado o por falta de mantenimiento hay la percepción que los pavimentos flexibles brindan mayor comodidad al usuario que los pavimentos rígidos, sobre todo cuando se comparan con pavimentos rígidos con juntas en donde desniveles mínimos entre las losas se manifestarían como una mayor irregularidad o incremento en el valor de IRI. 

Un adecuado proceso constructivo y mantenimiento oportuno durante la vida en servicio permite que ambos pavimentos puedan brindar un mismo nivel de serviciabilidad. Es un mito que el tipo de pavimento defina el nivel de serviciabilidad. Más aún, el parámetro de serviciabilidad se emplea para definir a los pavimentos equivalentes que son aquellos que brindan el mismo nivel de servicio durante su vida útil para las acciones de carga a los cuales están sometidos.

 

5.       Efectos medio ambientales:

Ambos pavimentos flexibles y rígidos están sometidos y son afectados por el medio ambiente. En el caso de los pavimentos flexibles, el asfalto es un material termo-plástico que cambia sus propiedades de viscosidad y resistencia de acuerdo a las temperaturas y está sujeto al fenómeno de oxidación durante su vida útil. Con el paso del tiempo, el pavimento flexible es más sensible al fisuramiento, así mismo en climas fríos tiende a “rigidizarse” y pueden aparecer fisuras transversales debido a cambios en el gradiente térmico, mientras que en climas cálidos es más blando con tendencia a ahuellarse ante la acción del tráfico.

El pavimento rígido es también afectado por el medio ambiente y cambios de temperatura generan problemas de alabeo y esfuerzos de contracción, que de superar la resistencia del concreto se manifiesta en fisuras y problemas de transferencia de carga entre losas. Sin embargo, la percepción es que en términos generales, el pavimento rígido de concreto es menos sensible a los cambios medio ambientales.

En la actualidad hay una gran preocupación por el empleo de materiales y técnicas constructivas que mitiguen el impacto medio ambiental. En este sentido, los pavimentos de concreto son considerados como “pavimentos sostenibles” que reaccionan mejor ante los cambios climáticos y contribuyen a mitigar el calentamiento global al tener un albedo más alto o capacidad mayor para reflejar la luz, reducen la contaminación ambiental por una emisión de gases CO2 menor durante la producción y colocación y ahorran energía

Es una realidad que el pavimento rígido, en términos generales, es menos sensible a los efectos medio ambientales y se consideran más ecológicos. Sin embargo, es un mito que con los materiales bituminosos actualmente disponibles y las nuevas técnicas de construcción,  los pavimentos flexibles no puedan diseñarse considerando los efectos medio ambientales. La elección del tipo de asfalto adecuado a las condiciones climáticas actuantes – clasificación de asfalto basada en el desempeño PG (Performance Grade) -  y el uso de mezclas asfálticas en frío o en tibio, mezclas asfálticas porosas, e inclusive asfaltos de colores son opciones para el diseño de pavimentos flexibles sostenibles.

 

6.       Seguridad

El pavimento debe proveer una superficie de rodadura con la suficiente fricción al contacto con los neumáticos que evite la pérdida de control del vehículo por deslizamiento, especialmente cuando la superficie está húmeda. Un indicador empleado para medir este factor es el índice de deslizamiento, el cual se obtiene multiplicando el coeficiente de fricción por 100, y puede ser medido con el procedimiento descrito en la norma ASTM E 274. El Manual Peruano 2014 de Carreteras, Suelos, Geotecnia y Pavimentos, Sección Suelos y Pavimentos presenta el siguiente cuadro con valores admisibles para el coeficiente de fricción.

 

 

Cuadro 2. Textura Superficial

Textura Superficial

Superficie de Rodadura
 Tratamiento Superficial

Superficie de Rodadura
 Mezcla Asfáltica

Textura (MM)

Coeficiente de Fricción                  (SCRIM A 50KM/H)

Textura (MM)

Coeficiente de Fricción (SCRIM A 50KM/H)

Buena

1.5

0.6

0.7

0.5

Regular

0.7

0.45

0.5

0.4

Mala (superficie resbaladiza)

0.3

0.3

0.3

0.3

 

Fuente: Manual Peruano 2014

 

En situación similar a la serviciabilidad, hay la percepción que un tipo de pavimento brinda mayor seguridad que otro. Este es un mito, la realidad es que la seguridad depende del tipo de textura de la superficie de rodadura del pavimento y que con una técnica constructiva adecuada ambos pavimentos pueden satisfacer las exigencias de seguridad.

 

7.       Costos

Los costos son muy importantes al momento de seleccionar el tipo de pavimento. Considerando un enfoque integral, el análisis debe incluir todos los costos de inversión durante el ciclo de vida del pavimento: costos de construcción, costos de manteniendo, costo de rehabilitación, y valor remanente. Estos costos se utilizan en el análisis económico para estimar: relaciones beneficio / costo, calcular Tasas Internas de Retorno (TIR), y el Valor Presente (VP). En análisis complementarios se incluyen también los costos de operación vehicular, costos de tiempo de transporte, y costos de accidentes.

 

Tradicionalmente se tiene la percepción que los costos de los pavimentos flexibles son menores que los de pavimentos rígidos, especialmente los costos de construcción iniciales; mientras que los costos de mantenimiento son mayores comparados con los de un pavimento rígido. La realidad es que los costos dependen de las características del  proyecto, período de diseño, y condiciones del mercado. Inclusive a nivel de costo inicial, hay épocas en que el asfalto ha subido de sustancialmente precio que la diferencia en costo con los pavimentos rígidos de concreto puede ser no significativa. Otro mito es que los pavimentos rígidos de concreto no pueden entrar en servicio hasta después de 7 o 14 días por temas de fraguado y curado, la realidad es que existe el concreto tipo “fast track” o de “fraguado rápido” que permiten que el pavimento entre en servicio a las 24 horas.

Es por eso, que en los Estados Unidos de América varios Departamentos de Transportes  están incluyendo diseños equivalentes de pavimentos rígidos y flexibles en los expedientes de licitación pública. Entre los Estados que están empleando esta modalidad se encuentran: Carolina del Sur, California, Colorado, Louisiana, Pennsylvania, Washington y más recientemente Texas. La implementación de esta modalidad de licitación ha llevado a un ahorro sustancial en los costos de construcción y mantenimiento de pavimentos, y ha mejorado el desempeño a lo largo de su vida útil.

 

Reflexiones finales

Los pavimentos deben diseñarse para  las propiedades de subrasante, condiciones de tráfico, efectos medio ambientales a los que estará sometido durante su vida en servicio. Las propiedades de los materiales, técnicas de construcción, y políticas de mantenimiento afectan el desempeño del pavimento.  El estado del arte actual tiene por objetivo un desempeño integral del pavimento considerando aspectos funcionales y estructurales. Los criterios de desempeño y niveles de tolerancia considerados como aceptables son establecidos por el diseñador en coordinación con la agencia de transportes responsable de la red vial.

Aplicando una filosofía que enfatiza un desempeño integral, la elección del tipo de pavimento depende de un análisis costo-beneficio de las alternativas planteadas. Técnicamente, con el avance tecnológico en los materiales bituminosos y de concreto, así como de métodos constructivos más eficientes, la realidad es que ambos tipos de pavimento rígido y flexible pueden satisfacer los niveles de servicio exigidos. En los casos en que la diferencia en costos totales en términos de valor presente es mínima, se recomienda incorporar diseños alternativos de pavimentos rígido y flexible en los expedientes técnicos y que la definición se realice en el proceso de licitación.

 

(*) Ph.D., P.E.

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