El diseño de estructuras de pavimento es el proceso de desarrollar una estructura de pavimento nueva o existente que acomodará las necesidades de tráfico actuales y futuras al tiempo que proporciona un servicio seguro, duradero y rentable.
Los procedimientos de diseño estructural han progresado desde métodos empíricos hasta procedimientos basados en el mecanismo-empírico, basados en una mejor caracterización del tráfico y los materiales, los efectos climáticos mejorados en las propiedades del material y la predicción de rendimiento más confiable.
Subgradarse
La porción de subgrado de una estructura de pavimento realiza varias funciones que ayudan a garantizar la suavidad, la seguridad y la durabilidad de la superficie de la carretera. También proporciona una base para el resto del sistema de pavimento.
Debe soportar las cargas acumuladas en el pavimento de los vehículos, al tiempo que se asegura de que no se deforma bajo carga repetida. También debe proteger la estructura del pavimento del daño del agua y el debilitamiento debido a la lluvia y otros factores ambientales.
Una subgrado que no está diseñada correctamente puede dar lugar a una angustia significativa para la carretera sobre su vida útil del diseño, y esto puede causar problemas tanto para los vehículos como para los conductores. Los principales tipos de angustia de subgrado incluyen fallas estructurales y fallas funcionales.
Las fallas estructurales son aquellas que ocurren cuando el pavimento no puede sostener las cargas colocadas sobre él, y pueden conducir a un colapso completo del pavimento o al desglose de uno o más de sus componentes. Estos pueden ser causados por un mantenimiento inadecuado, cargas excesivas, condiciones climáticas, un drenaje deficiente que conduce a malas condiciones de subgrado y la desintegración de los materiales utilizados.
La rugosidad en la superficie del pavimento puede ser el resultado de varios factores, incluidas las deformaciones permanentes y las grietas a lo largo de la ruta de la rueda. Las características geotécnicas de los suelos, como la rigidez/resistencia y gradación, también pueden contribuir a la rugosidad de la superficie.
Una subgrados adecuadamente diseñada puede minimizar la cantidad de bosque y puede evitar el bombeo de suelos de grano fino en el material base desde los bordes, grietas y articulaciones. También puede minimizar los efectos de la acción de las heladas sobre el material base y proporcionar una buena capa de subbase de drenaje.
Es fundamental que los suelos subgrado estén bien compactados. Compactar los suelos puede aumentar su densidad y capacidad de carga, lo que mejorará la resistencia del subgrado.
Idealmente, los suelos deben compactarse a un grosor que sea adecuado para resistir toda la carga del tráfico y resistir cualquier meteorización o erosión causada por la lluvia. El suelo también debe drenarse lo suficiente como para no permitir que el agua se acumule en el subgrado y eventualmente llegar a la superficie de la carretera.
Capa base
En las estructuras de pavimento, la porción de la capa base es un componente crítico del diseño estructural general. Esto se debe a que esta capa transporta cargas de vehículos y transfiere las tensiones desarrolladas en los impactos del tráfico en el curso de la superficie y otras capas debajo de él.
La capa base generalmente está compuesta de materiales granulares o bituminosos. Está diseñado para poder transferir tensiones de manera uniforme y eficiente a las capas debajo, que son los cursos de uso (curso de superficie) y el curso de carpeta.
Debe proporcionar características como suavidad, fricción, resistencia a la rutina y drenaje. También debe minimizar la infiltración de agua superficial en la base subyacente, la subbase y el material de subgrado, y ser duradera contra la abrasión del tráfico y las condiciones ambientales.
Varios otros factores, como la meteorización y las variaciones climáticas, también afectarán la fuerza y el rendimiento de la capa base. Debe soportar variaciones geográficas, estacionales y diurnas (día nocturna) en la temperatura.
Esta capa también necesitará resistir el daño por congelación/descongelación, lo que puede provocar grietas y otras angustias. Afortunadamente, algunos tipos de capas base están diseñadas con un recubrimiento especial para proteger el agregado de la congelación y descongelación.
Hay muchos tipos diferentes de capas base, por lo que es importante elegir el adecuado para sus necesidades. Por ejemplo, si está en bicicleta en el invierno, necesita una capa base que ayude a regular la temperatura de su cuerpo y mantenerlo caliente mientras también le quita el sudor de la piel.
Al elegir una capa base, asegúrese de obtener una que esté hecha de fibras naturales o que tenga una tecnología seca rápida. Las telas sintéticas pueden ser buenas para climas moderadamente cálidos, pero no funcionarán bien en el clima frío y pueden ser duros para el medio ambiente.
También debe asegurarse de elegir una capa base que sea cómoda y que se adapte a su piel. También debe ser ligero, por lo que puede eliminar la humedad de su piel rápidamente y ayudar a regular la temperatura de su cuerpo.
Finalmente, debe asegurarse de que la capa base sea fácil de limpiar. Si no lo hace, puede obstruir la mugre y otras partículas. También debe ser lo suficientemente duradero como para durar mucho tiempo.
Capa superficial
Una estructura de pavimento consiste en capas de materiales procesados por encima del subgrado de suelo natural diseñado para distribuir cargas de vehículos aplicados y proporcionar una superficie de calidad de conducción aceptable, resistencia adecuada para el patín, características favorables de reflejo de luz y baja contaminación acústica. El diseño de la estructura del pavimento depende de una variedad de factores que incluyen requisitos de tráfico, condiciones climáticas, terreno, etc.
La porción de la capa superficial de una estructura de pavimento a menudo se construye con hormigón de asfalto (también llamado bituminoso). Proporciona una capa superior de material que resiste el deslizamiento y la abrasión, al tiempo que al mismo tiempo ofrece flexibilidad para acomodar las demandas de tráfico cambiantes. También evita la entrada de agua superficial en la base subyacente, subbase y subgrado.
Es importante tener en cuenta que el tipo de materiales utilizados en una capa de pavimento afectará su capacidad para mantener el estrés por tracción cíclica, lo que puede provocar grietas por fatiga. Para pavimentos flexibles, este estrés por tracción se distribuye en un área más amplia, reduciendo la cantidad de grietas de fatiga localizada que puede ocurrir en la capa superior.
Esto significa que deberá usarse un material de mayor calidad en la capa superior de un pavimento flexible que una de menor calidad para el pavimento rígido. Sin embargo, es posible reducir el costo de un pavimento flexible mediante el uso de materiales de menor calidad en las capas inferiores.
Para un pavimento flexible, la capa base generalmente se forma a partir de un agregado no unido compacto y de alta calidad. Algunos pavimentos flexibles se construyen a partir de una combinación de material agregado y bituminoso compactado.
Estos materiales pueden tratarse con mezclas estabilizantes, como el cemento Portland, el asfalto, la lima y el flyash. Esto puede mejorar su fuerza y rigidez, lo que puede dar como resultado un diseño de sistema de pavimento más económico.
También puede reducir el grosor total de la estructura del pavimento al eliminar algunos vacíos materiales y mejorar las propiedades de drenaje. Los aditivos estabilizadores también pueden minimizar el daño causado por las heladas, así como los problemas del suelo de caliche y karst.
Las estructuras del pavimento deben diseñarse para soportar repeticiones de carga durante un largo período de tiempo, así como variaciones geográficas y estacionales en la temperatura. Estos cambios climáticos varían desde períodos extremos de calor o frío hasta frecuentes lluvias fuertes, y pueden causar bosques y deterioro en la superficie de la carretera. Esto es especialmente cierto en regiones con climas cálidos y húmedos.
Capa de drenaje
En el diseño de estructuras de pavimento, el drenaje es una parte significativa del sistema, particularmente para pavimentos flexibles. Del mismo modo, en el diseño de pavimentos rígidos, el drenaje es una parte crítica de la estructura.
Los pavimentos rígidos, que se construyen a partir del concreto de cemento de Portland (PCC), consisten en una capa superficial y varias subcapas debajo de él. Estas capas ayudan a la distribución de la carga y también proporcionan una base estable para PCC.
Las subcapas inferiores a menudo son más flexibles que el concreto, pero aún bastante rígidos. Se utilizan para transferir la carga de las losas a la base, para evitar que los granos del suelo se entrometan en el concreto y para facilitar el drenaje.
Como resultado, estas subcapas inferiores deben cumplir ciertas propiedades de ingeniería y requisitos de durabilidad. En general, pueden resistir las altas cargas de tráfico y una amplia gama de tensiones ambientales.
Además, deben resistir el daño por congelación/descongelación y la migración del suelo de grano fino al material base. Estos factores son especialmente significativos cuando un pavimento está diseñado para acomodar el tráfico pesado de camiones, lo que tiende a crear un mayor nivel de estrés en la losa de concreto y las capas base que se encuentra con otros materiales de construcción de carreteras.
Sin embargo, estos factores deben mantenerse por debajo de los niveles permitidos de estrés para cada capa en la estructura del pavimento. De lo contrario, los materiales no unidos en cada capa comenzarán a perder su rigidez y fuerza.
En pavimentos flexibles, una serie de cursos de superficie unidos a asfalto y varias capas más bajas de agregado de calidad apropiado permiten que el pavimento “se dobla” o desvíe bajo carga, reduciendo la necesidad de reparación con el tiempo. La flexión de las capas del pavimento inferior les permite distribuir la carga de los neumáticos del vehículo de manera más uniforme sobre un área más grande debajo.