1 Estado Del Arte de Los PC - Diego Jaramillo Porto

Diego A. Jaramillo Porto

Director Ingeniería

Director de Pavimentos

Pavimentos de Concreto EVOLUCIÓN - Estado del Arte

Variables:

1. Instituciones

2. Infraestructura

3. Ambiente macroeconómico

4. Salud y educación primaria

5. Educación y formación superior

6. Eficiencia del mercado de bienes

7. Eficiencia del mercado laboral

8. Desarrollo del mercado financiero

9. Preparación tecnológica

10. Tamaño del mercado

11. Sofisticación de los negocios

12. Innovación

The Global Competitiveness Report 2011 - 2012

Participan 142 países.

Diferencia entre el 1° y el ultimo de AL: 1,19

Infraestructura

• Calidad de la infraestructura general

• Calidad de las vías

• Calidad de la infraestructura férrea

• Calidad de la infraestructura portuaria

• Calidad de la infraestructura aérea

• Disponibilidad de sillas aéreas

• Calidad del suministro de energía

• Líneas telefónicas fijas

• Suscriptores de teléfonos móviles

Infraestructura


El promedio global de calidad de vías es

de 4,0.

Francia ocupa el primer

lugar con 6,6

Solo 6 países de AL están

por encima del promedio

global de 4,0:

• Chile - puesto 22 5,7

• El Salvador - puesto 41 4,8

• México - puesto 55 4,3

• Panamá - puesto 60 4,2

• Ecuador – puesto 61 4,2

• Uruguay - puesto 65 4,0

Calidad de las vías


• Se construye el primer pavimento de concreto en

Inverness, Escocia

a orillas del Lago Ness.

• Teoría electromagnética de la luz

• “Leyes de Mendel” (Herencia)

• Convenio de la Unión Internacional de Telegrafía

• Se instaura el sistema métrico decimal en Chile

• Se publica “Alicia en el país de las maravillas”

Año 1865

• Termina la Guerra de Secesión, aboliendo la esclavitud

• Chile declara la guerra a España

• Ruptura de relaciones entre Perú y España

• Jerónimo Carrión asume la presidencia del Ecuador

• Nace el astrónomo Julio Garavito Armero

• Nace el poeta José Asunción Silva

• Es asesinado el presidente Abraham Lincoln

Los primeros pavimentos se construyeron

para el tránsito de carretas y caballos.

Los vehículos se consolidaron en 1908 con

el lanzamiento del modelo T de la Ford

Fuerte incremento en las cargas

Primeros pavimentos

Bellefountaine, Ohio - 1891

• Sección de 2,4 m metros de ancho

• En esa época no existía la palabra “concreto”.

• Resistencia inicial de 34,5 MPa (5.000 psi)

• Resistencia actual de 56 MPa (8.000 psi)

• Después de 121 años, todavía está en servicio.

1ª capa

3” de espesor. TMA de 40 mm

y relación a/c de 0,6.

2ª capa

3,5” de espesor. TMA de 15 mm

y relación a/c de 0,45

Pavimento Bi-capa

Primeros pavimentos

1909

Av. Woodward, Wayne County, MI

• Ancho de 7,2 m

• Pavimento Bi-capa

• Espesor total de 16,5 cm (6” ½). • 1ª capa: 4 in

• 2ª capa: 2 ½ in

Vía de acceso a la nueva planta del Ford T.

Se hicieron experimentos con juntas.

Primeros pavimentos

Los resultados conducen al uso de juntas

longitudinales en el centro para eliminar la fisuración

1912 - 1923

The Bates Test Road

Illinois

Pista de prueba de 4 km para

escoger el tipo de pavimento de

9000 millas de carreteras. Se

dividió en 3 materiales: • Ladrillo

• Asfalto

• Concreto

Se escogió el concreto.

Se determinó que el diseño

debe estar relacionado con

las cargas por eje.

Primeras pistas de prueba

Industrialización de la construcción

Av. Cervantes - Colombia

1928

Colombia

1937

El Salvador

1920

Av. Venezuela - Perú

1922

Estrada São Miguel – Brasil

1940

Sin juntas

Hasta 1922 los pavimentos se construían sin juntas y con el centro de la sección

con mayor espesor, para prevenir la formación de fisuras longitudinales erráticas.

1919 – Sunset Highway 1913 - Dollarway

La experiencia con los primeros pavimentos mostraron la necesidad de

una junta longitudinal central, en pavimentos con anchos de 3,6 m o más.

Evolución de las juntas

Juntas de expansión y contracción

Entre 1925 y 1945 se comenzaron a utilizar juntas

transversales de expansión y de contracción Se combinaban:

• Juntas transversales de expansión

• Entre 15 y 36 m

• Juntas transversales de contracción

• Entre 4,5 y 18 m

Se eliminaron las juntas de expansión cuando se utilizaban: Pavimentos con agregados normales

Condiciones normales de temperatura

Juntas de contracción entre 4,5 m y 18 m

Primeras juntas

En 1923 como resultado del Bates Test Road, se

comenzaron a utilizar juntas longitudinales

para evitar fisuras.

Evolución de las juntas

Una mixer moderna puede tener más de

350 caballos de fuerza

Pero su origen fue más modesto

1903

1928

Henry Ford construyó el primer aeropuerto de concreto

en Ford Field, Dearborn, Michigan

1908

Thomas Alva Edison diseñó casas de

concreto que se construían con

formaleta de piso a techo en 1 día. La

llamaban “Monolitic House”.

Curiosidades

También fue constructor de una milla de pavimento de

concreto cerca de New Village, Nueva Jersey.

Después de 147 años, se ha convertido

en un pavimento

Durable

Confortable

Rentable

Amigable

Madurez

Los primeros pavimentos han durado más de 100 años.

Las obras actuales durarán otros 100.

Como lograr Desempeño y durabilidad

Buen Diseño

Construcción ajustada al estado del arte

Mantenimiento y rehabilitación oportuna

Simple con juntas

Reforzado con juntas Refuerzo continuo

Sobrelosas

Tamaños de losas

Espesores

Concretos

Bases

Combinación de Variables

Acabados superficiales

Sobrelosas

Adherencia

Modulación

Transferencias

Refuerzo

La combinación permite diseñar y construir PC en todo el rango de usos:

Desde vías de bajo tráfico hasta carreteras y troncales de alto tráfico,

aeropuertos, túneles y puertos.

Sistemas estructurales

D e f l e c t i o n s

0 . 0 5 3 5

0 . 0 5 1 2

0 . 0 4 7 7

0 . 0 4 4 2

0 . 0 4 0 7

0 . 0 3 7 1

0 . 0 3 3 6

0 . 0 3 0 1

0 . 0 2 6 6

0 . 0 2 3 1

0 . 0 1 9 6

0 . 0 1 6 1

0 . 0 1 2 6

0 . 0 0 9 1

0 . 0 0 7 9

Transmisión de esfuerzos

Debido a la rigidez del concreto

y a los mecanismos de transferencia,

el PC distribuye las cargas de manera eficiente, reduciendo los

esfuerzos que las losas transmiten a su apoyo, a valores inferiores a

0,35 kg/cm2.

Funcionamiento estructural

Es el tipo de pavimento de concreto más utilizado en el mundo.

Losas rectangulares o cuadradas

Juntas con transferencia por agregados o barras

Simple con juntas (JPCP)

Pavimento con juntas y mallas internas de refuerzo. Se pueden especificar una o

dos mallas.

Control de esfuerzos de diseño

Modulación • Longitud superior a 24 veces el espesor

• Esbeltez superior a 1,4

• Forma irregular

• Elementos fijos o aberturas en el interior

• Las juntas no coinciden con las adyacentes

Malla paralela a la superficie del pavimento

• Se deben interrumpir a 10 cm de las juntas

Reforzado con juntas (JRCP)

Se utiliza en vías de tráfico muy pesado o con períodos de diseño muy

altos. No tiene juntas.

Refuerzo continuo (CRCP)

Rehabilitar y repotenciar un pavimento existente, flexible, rígido o compuesto, de

manera rápida, económica y durable.

Existen 6 tipos de sobrelosas. La más conocida es el Whitetopping.

Adheridas No Adheridas

Sobrelosas de concreto

La selección del método es una variable más de diseño.

Tráfico

30 cm

15 cm

PCA

Espesor

Métodos de diseño

30,0 29,0 29,0 29,0 29,0 29,0 29,0 29,0 29,0 29,0 29,0 29,0

37,0 36,0 36,0

37,0 37,0 37,0 36,0 36,0

37,0

35,0 36,0

37,0

20,0

22,0

24,0

26,0

28,0

30,0

32,0

34,0

36,0

38,0

40,0

Tramo 1

Tramo 2

Tramo 3

Tramo 4

Tramo 5

Tramo 6

Tramo 7

Tramo 8

Tramo 9

Tramo 10

Tramo 11

Tramo 12

Esp

eso

r

Troncal de Transporte MasivoComparación de espesores ASSHTO y PCA

PCA

AASHTO

En cargas altas se han encontrado mayores espesores por AASHTO

que por PCA

Métodos de diseño

Resistencia de diseño a Flexión

Valores de resistencia entre MR 42 y MR 50

Uso de cementos adicionados y por desempeño

Correlación Compresión-Flexión

Nueva tendencia: • Diseño a flexión

• Correlación compresión-flexión

• Control de calidad a compresión

• Extracción de núcleos

• Ensayo a compresión

• Correlación a flexión

Concreto

Modulación de juntas

Máxima longitud de la losa inferior a:

• 25 x e – Bases granulares

• 20 x e – Bases rígidas (losas + pequeñas)

• Factor de esbeltez (largo/ancho) máximo de 1,4

• Modulaciones ajustadas a los elementos fijos

• Continuidad de juntas transversales y

longitudinales. Las juntas deben entrar y salir.

Dos sistemas de transferencia

• Agregados

• Barras (Diámetros entre 25 mm (1”) y 38 mm (1 1/2”)

• Importante: Mínimo 15 cm de barra en cada losa

Transferencia de carga

Fricción Fricción + barra

Agregados Barras

Acabado superficial

Escobeado Cepillado

Estampado Agregado expuesto

Incluir la nueva generación de

acabado superficial

Construcción

1. Base

2. Formaleta

3. Concreto

4. Canastas

5. Barras

6. Conformación

7. Chequeo /Flotado

8. Microtextura

9. Macrotextura

10.Curado 11.Corte

12.Sello

13.Apertura

Uniforme Continuo

Permanente

2 Tipos de bases • Flexibles

• Granulares

• Rígidas • Cementadas • Concreto

• Magro • Poroso

• Asfalto

Control rápido de construcción • Uniformidad • Espesores • Soporte

Radares LWD

Base de soporte

Formaletas

• Rígidas, rectas y sin torceduras

• Bordes formando ángulos rectos

• Secciones no menores a 3 m de largo

• Altura igual al espesor de la losa

• Base con ancho igual o mayor al 80% del espesor y no menor de 20 cm

• Debe resistir • La presión del concreto,

• El peso y vibración del equipo

• La deformación por temperatura

Barra recta

Acero redondo liso

Extremos lisos y libres de rebabas

Diámetros usuales entre 25 y 38 mm

Separación promedio de 30 cm

Ubicación en la losa

Mitad del espesor de la losa

Mínimo 15 cm de barra en cada losa Tolerancia horizontal de 50 mm

Tolerancia vertical de 9 mm

Longitud mínima de barra de 40 cm

Existe gran desconocimiento sobre la

configuración de las canastas

ACI 360 – Design of slab on ground

• Soldadura alternada

• Engrase ligero de toda la barra

• Corte total de los atiesadores

Barras de transferencia de carga

• Centro de la canastilla alineada

con la marca de la junta

• Por lo menos 15 cm de barra

embebida en cada losa

• Anclajes en las dos secciones

de la canastilla hacia la

dirección de donde viene el

concreto

• Soldadura alternada

• Engrase total de cada barra

• Atiesadores cortados en su

totalidad

Transferencia de carga

FORMALETA

FIJA

FORMALETA

DESLIZANTE

NIVELACIÓN

LASER

Regla

vibratoria

Rodillos

vibratorios

Pavimentadora de

Formaleta

Deslizante

Laser Screed

Conformación de la losa

El PC se adapta a las necesidades de todos los rangos de pavimentos,

tanto urbanos como carreteros.

El estado del arte actual

permite construir:

Desde una losa individual, hasta una

tira de pavimento de más de 1 km de

longitud. Espesores desde 5 cm hasta más de 50 cm.

Anchos de pavimentación desde un carril de 3,65 m

hasta multicarriles de más de 18 m.

Volúmenes desde 3 m3 hasta 1.100 m3 /día.

Rendimientos

• Pequeños volúmenes de concreto.

• Espesores entre 5 cm y 18 cm.

• Fundidas desde una losa hasta 150

m/día.

• Se requiere vibración externa.

• Se recomiendan las reglas

vibratorias tipo cercha.

• Se debe garantizar la vibración

uniforme en la sección de fundida.

Formaleta fija con regla vibratoria

• Volúmenes de concreto cercanos a

los 250 m3/día.

• Espesores hasta 30 cm.

• Fundidas hasta 300 m/día.

• Se requiere vibración externa.

• Algunos rodillos permiten

ampliaciones.

Formaleta fija con rodillos vibratorios

• Grandes volúmenes de concreto, hasta

1.000 m3/día.

• Espesores desde 15 cm hasta más de 50

cm.

• Anchos desde 3,5 m hasta 18 m.

• Velocidades entre 1 y 2 m/min.

• Más de 1 km en una jornada de trabajo.

Pavimentadora de formaleta deslizante

• Uso en pisos industriales

• Regla móvil con sensores laser.

• Gran rendimiento.

• Buena planicidad.

• Fundidas de áreas grandes.

• Colocación en losas reforzadas.

• No requiere formaletas

• El brazo sale entre 1 y 5 metros.

Laser Screed

CCR Prensado PFD Regla

Vibratoria

Rodillos

Vibratorios

Rodillos

Tipo cercha

Laser Screed

0

25

50

75

100

125

150

CCR Prensados Formaleta deslizante

Regla Vibratoria Rodillos vibratorios

Rodillos tipo cercha

Laser screed

Ase

nta

mie

nto

(m

m)

Rangos de asentamiento por equipos Minimo

Máximo

Cada equipo requiere concretos diferentes

Buena práctica

En formaleta fija es necesario vibrar el concreto

antes del paso del equipo de colocación

Acabado Superficial 1

Chequeo de deformaciones

SUPER FLAT PAVERS STRAIGTHEDGES 3m


Flotado


Rebordeo longitudinal

BRILLANTE

MATE

COSTAL HÚMEDO


Microtextura


Macrotextura

• Se especifica el uso de compuestos curadores, preferiblemente blancos

• Se utilizan estaciones portátiles para monitorear las condiciones ambientales y

determinar tasas de evaporación

• Uso de retardantes de evaporación

• Desconocimiento de buenas prácticas

• Curado de lomos

• Dosificación y aplicación

Curado y protección

Se exige corte con disco

No se permite la inserción de láminas

El corte más común es el progresivo • Corte inicial de 3 mm a 1/3 del espesor

• Ensanchamiento a 6 mm para el sello

3 mm

25 - 30 mm

Corte de juntas

• Después del fraguado final y antes que los esfuerzos superen la

resistencia del concreto en las primeras horas.

• Ventanas de corte entre 6 y 14 horas.

• Demasiado rápido • Desportillamientos

• Demasiado tarde • Fisuras aleatorias

Ventana de corte

• Sellantes a base de siliconas o poliuretanos

• Sellado a 21 días. A edades tempranas se

utilizan imprimantes

• Factor de forma de 2:1 • Ancho de cavidad / Profundidad

• Cuidado con el % de elongación

Sellado de juntas

Los procedimientos de rehabilitación son rápidos y le permiten al pavimento:

Mantener las condiciones de servicio

Restablecer el nivel de servicio cuando se ha reducido

Repotenciar un pavimento para soportar cargas y frecuencias mayores.

Siempre habrá una ventana de oportunidad para intervenir un pavimento. Desde el

mantenimiento al inicio de su vida útil, hasta la reconstrucción cuando la vida útil se

ha consumido.

REPARACIÓN

RECONSTRUCCIÓN

MANTENIMIENTO

Sistemas de rehabilitación

En la etapa de construcción

• Entre 1,5% y el 2,5% del área superficial, por errores de construcción. Se

deben corregir antes de la entrega de la obra. No constituyen falla prematura.

Durante la operación

• Entre 10% y 15% del área superficial

• El % es un criterio de diseño

Porcentajes de daños

Si se repara sin corregir la causa del

daño, la losa volverá a fallar. 1. Identificación del daño

2. Clasificación

3. Registro

4. Definir causa

5. Definir la reparación adecuada

6. Diseño de la reparación

7. Reparación

8. Monitoreo y seguimiento

Estrategia para reparar daños

Se pueden desarrollar hasta 7

sistemas de reparación

de manera individual

o en conjunto.

Como y cuando reparar

En los últimos 40 años, el volumen

de vehículos se ha incrementado

84%, mientras que las vías solo

han crecido un 3%.

Promedio de 205 carros por cada

1.000 habitantes.

Carros x

1.000

Habitantes

225

186

240

221

98

126

147

285

73

64

150

144

133

87

Entornos de construcción

El problema tiende a agravarse

Uso de tecnologías para generar menor

impacto en los usuarios:

Alto rendimiento de construcción.

Concretos de resistencia temprana para

apertura rápida al transito.

Manejo adecuado de tráfico durante cierres

por construcción o reparación

Adaptación al entorno

Innovación

Tecnologías no convencionales

Sistema de junta transversal con planos inclinados

alternos, que genera engranaje y transferencia de carga

entre losas.

Substituye las barras de transferencia, el corte y el sello.

Junta tridimensional

Tecnología muy utilizada en pisos industriales, que ya se comienza a utilizar

en juntas longitudinales en pavimentos de concreto.

Brinda transferencia de carga en la junta longitudinal. No genera amarre.

Dovelas diamantadas

• Elípticas

• Otros materiales • Poliéster

• Epóxico

• Fibra de vidrio

• Fibra de carbono

• Acero inoxidable

• Acero microcompuesto

Dovelas no convencionales

Concreto fotocatalítico

La luz solar provoca una reacción entre

el dióxido de titanio y los contaminantes

como el NOx.

• Por cada 1.000 m2 de pavimento se

remueven cerca de 30 kg/NOx/año.

• Reducción cercana al 65% en dióxido de

nitrógeno y monóxido de carbono.

Concretos permeables

Permiten el paso del agua a través de la

losa de concreto. Alto porcentaje de

vacíos.

• Recargar niveles freáticos, captación de

agua lluvia, evitar hidroplaneo.

• Velocidad de drenaje entre 81 y 330

l/min/m2.

Concretos no convencionales

Sostenibilidad

Ambiental

1. Reciclaje de agregados

2. Menores excavaciones

3. Ahorro de combustible

4. Reducción de la isla de calor

5. Reducción del CO2 y NOx

6. Reabsorción del CO2 • Carbonatación

7. Resistencia a combustibles,

aceites, químicos, clima, etc.

8. Optimización del consumo de

energía.

Social

1. Larga vida útil

2. Confort

3. Seguridad • Tracción entre rueda y llanta

• Reflejo de la luz

• Visibilidad

• Juntas sirven de guía

• Distancia de frenado

• Agarre en las curvas

• Control del hidroplaneo

• Evacuación del agua superficial

• Resistente al fuego

4. Baja emisión de ruido

5. Menos cierres durante la vida útil

Económica

1. Costo de construcción

2. Costo del ciclo de vida

3. Costo de operación • Menor consumo de combustible

• Menor consumo de CO2

• Menor costo de iluminación

• Menos accidentes

Reciclaje de materiales

• Uso de agregados reciclados.

• Reúso y reciclaje de concretos

devueltos.

Menor consumo de materiales de cantera

Se requiere menor excavación y relleno. • Menor consumo de energía en excavación

• Menor uso de material de cantera

• Menor consumo de energía en compactación

• Menor impacto urbanístico

Sostenibilidad ambiental

Reducción del efecto Isla de calor

El Pavimento de concreto ayuda a

reducir el calentamiento urbano

• Mayor reflejo de la luz (+ Albedo)

• Menor temperatura de la losa de

concreto.

Altas temperaturas

Bajas temperaturas


Ahorro cercano a los 365 millones de dólares por año.

Ahorro de combustible

Reducción de consumo, sobretodo en vehículos

medianos y pesados.

Ahorros entre 10 y 20% en combustible y emisiones de CO2 en carreteras de concreto

Effect of Pavement Type on Fuel Consumption and Emissions in City Driving RMC Research & Education Foundation – University of Texas

Comparación entre PCC y AC en la región de Dallas-

Fort Worth a una velocidad de 30 mph.

Ahorro de combustible anual en el PCC de 177 millones

de galones al año.

Reducción de 0,62 millones de toneladas de CO2/año

Effect of Pavement Surface type on fuel consumption Dr. John Zaniewski


Mayor vida útil

• Períodos de diseño de 20 años hasta 100 años.

• Un pequeño espesor adicional puede duplicar la vida útil

Avenida Centenario, Bogotá

1937 – 2012 (75 años)

• Los pavimentos antiguos se

pueden utilizar como base

de los nuevos, y los

actuales como base de los

futuros.

Sostenibilidad social

Confort en la circulación

- ondulaciones = - sobrecargas

Diseño geométrico

Control de construcción

Seguridad

Combinación de reflectancia con micro y

macrotextura

Mayor visibilidad (+ Albedo)

Mayor adherencia llanta-superficie

Menor distancia de frenado

Menos accidentes

Sostenibilidad social

Costo inicial y del Ciclo de Vida

Nueva tendencia en las curvas de

costos.

Algunas variables han cambiado: • Períodos de diseño equivalentes.

• Optimización y racionalización en el uso de

materiales

• Optimización de los métodos de diseño

• Aumento del precio del petróleo

Estudio Ontario, Canadá 2011

“Como se muestra en este informe, el

pavimento de concreto ofrece un

atractivo costo inicial de

construcción y un costo del ciclo de

vida favorable, comparado con el

asfalto.”

Sostenibilidad económica

Mejoras en 13 puntos

1. Diseño de mezcla x desempeño

2. Guía de diseño x desempeño

3. Ensayos no destructivos

4. Optimización de la superficie

5. Automatización de equipos

6. Nuevo diseño de juntas

7. Rápida construcción y

rehabilitación

8. Larga vida útil

9. Datos a largo plazo

10. Control por desempeño

11. Análisis del modelo económico

12. Materiales avanzados

13. Pavimento de Concreto Sostenible

1. Concrete Materials Science

Platform

2. Concrete Building

Technology Platform

3. Concrete Econometrics

Platform of Sustainable

Development

The Edge of Concrete The Genesis of Concrete

Pasado – Presente - Futuro

Buenas Prácticas

Entender

Diseños

Especificaciones

Materiales

Personal

Estado del arte

Menor impacto

Entender la tecnología

Diseños completos y ajustados a la realidad

Especificaciones cumplibles

Materiales ajustados a especificaciones y diseños

Personal con competencias laborales

Estado del arte de los procedimientos de diseño y construcción

Menor impacto a los usuarios de la vía

Construcción Mantenimiento y

rehabilitación

Construcción

Sostenible

Buenas prácticas

Gracias [email protected]

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