experimentos viales (road tests)

Experimentos viales (Road Tests).

Referencia:

Yang H. Huang, Pavement Analysis and Design (2004).

Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales Facultad de Ingeniería y Arquitectura Departamento de Ingeniería Civil Pavimentos. Profesor: Luis Ricardo Vásquez Varela, M.Sc.

Experimentos, ensayos o pruebas viales.

• El criterio final para juzgar la calidad de un método de diseño es el comportamiento del pavimento bajo condiciones reales.

• La Highway Research Board adelantó tres experimentos viales entre los 1940 y 1960. – Maryland Road Test.

– WASHO Road Test.

– AASHO Road Test.

• Otras agencias viales alrededor del mundo también han hecho experimentos viales en escala real: – LCPC, Francia. Pistas de Nantes.

– TRL, Inglaterra. Ensayos viales.

– MnRoad y WesTrack en los EE.UU.

LUIS RICARDO VÁSQUEZ VARELA, M.Sc. 2

MARYLAND ROAD TEST

Road test One - MD Eastern and Mid-eastern States.

Maryland Road Test.

• Objetivo: evaluar el efecto de cuatro cargas diferentes.

• Longitud: 1.1 millas (1.76 Km.) de la U.S. 301.

• Ubicación: La Plata, Maryland, USA.

• Fecha de construcción: 1941.

• Subrasante: Suelo A-6.

• Periodo de funcionamiento: Junio a Diciembre de 1950.

• Costo: US$ 245,000.

• Patrocinado por 11 estados el este y medio este de los EE.UU..

• Dos carriles de pavimento rígido. – Ancho de carril: 12 pies (3.6 m.)

– Espesor de la losa: • Sección transversal variable: 9 – 7 – 9 pulgadas.

– Refuerzo: malla de acero.

• Distribución de cargas: – Ejes sencillos:

• Carriles del sur (0.5 millas): – Carril oeste: 18,000 libras.

– Carril este: 22,400 libras

– Ejes tándem: • Carriles del norte (0.6 millas):

– Carril oeste: 32,000 libras.

– Carril este: 44,800 libras.

Retorno

32 kips 44.8 kips

18 kips 22.4 kips

0.6 millas

0.5 millas

Retorno

12 pies 12 pies

6 LUIS RICARDO VÁSQUEZ VARELA, M.Sc.

Hallazgos del MRT.

• Incremento del agrietamiento y asentamiento de losas: – Sencillo de 18 kips. – Tándem de 32 kips. – Sencillo de 22.4 kips. – Tándem de 44.8 kips.

• Bombeo: – Se presentó en subrasantes de arcilla plástica. – No se presentó en subbases granulares con pocos finos. – Causa incrementos en los esfuerzos de tracción de las losas.

• Se presentaron mayores deflexiones en las esquinas de las losas que en los bordes con cargas de baja velocidad.

• Sin bombeo los esfuerzos se reducen con la velocidad. • Con bombeo se hacen indiferentes a la velocidad. • El alabeo por temperatura afecta de forma marcada los esfuerzos y

desplazamientos en la esquina.

WASHO ROAD TEST

Imágenes tomadas de: Manuel Velázquez, Revista de obras públicas, España, 1959.

WASHO Road Test.

• Replicar la experiencia del ensayo de Maryland en los estados del oeste.

• Fecha de construcción: 1952.

• Operación: Noviembre de 1952 a Mayo de 1954.

• Costo: US$ 840,000.

• Patrocinado por la Western Association of State Highway Officials.

• Dos circuitos idénticos de 580 metros. – Cinco secciones de pavimento de 92 metros separadas 30 metros

entre sí.

– Tangente 1:

• HMA: 4 pulgadas.

• Base granular triturada: 2 pulgadas.

– Tangente 2:

• HMA: 2 pulgadas.

• Base granular triturada: 4 pulgadas.

– Subbase de 0, 4, 8 y 12 pulgadas.

– Subrasante: Suelo A-4.

• Cargas: – Circuito 1:

• Carril interno: ejes sencillos de 18 kips.

• Carril externo: ejes sencillos de 22.4 kips.

– Circuito 2:

• Carril interno: eje tándem de 32 kips.

• Carril externo: eje tándem de 40 kips.

300 ft. h3=16 in.

h3=12 in.

h3=8 in.

h3=4 in.

h3=0 in.

100 ft.

300 ft.

100 ft.

300 ft.

100 ft.

300 ft.

100 ft.

300 ft.

h3=0 in.

h3=4 in.

h3=8 in.

h3=12 in.

h3=16 in.

18 kips

22.4 kips

300 ft. h3=16 in.

h3=12 in.

h3=8 in.

h3=4 in.

h3=0 in.

100 ft.

300 ft.

100 ft.

300 ft.

100 ft.

300 ft.

100 ft.

300 ft.

h3=0 in.

h3=4 in.

h3=8 in.

h3=12 in.

h3=16 in.

32 kips

44.8 kips

Hallazgos en el WRT.

• El daño se incrementa de la siguiente forma: – Sencillo de 18 kips.

– Tándem de 32 kips.

– Sencillo de 22.4 kips.

– Tándem de 40 kips.

• El pavimento con 4 in de HMA se comporta de forma muy superior al construido con 2 in de HMA.

• El daño en la huella exterior de los pavimentos fue mayor que en la huella interior, pero se redujo con la construcción de bermas (julio 1953).

• El daño se concentró en periodos críticos del año.

• La deflexión de los pavimentos bajo la carga depende de: – Magnitud de la carga.

– Velocidad (máxima bajo carga estática).

– Temperatura de la superficie (aumenta con el calor).

– Humedad de las bases y la subrasante (aumenta con la humedad).

• No se observó diferencia significativa en la magnitud de las cargas de la huella interna y externa.

AASHO ROAD TEST

American Association of State Highway Officials. Con información del Profesor Jorge Timaná (Perú).

Ensayo vial AASHO.

• Establecer una relación entre el número de repeticiones de carga y el comportamiento de pavimentos flexibles y rígidos.

• Se evaluaron numerosas secciones estructurales.

• Construcción: Agosto 1956 a Octubre 1958.

• Operación: Hasta Noviembre de 1960 (1,114,000 repeticiones de carga).

• Costo: US$ 27,000,000.

• Lugar: Interestatal 80, Ottawa, Illinois, USA.

http://training.ce.washington.edu/wsdot/Modules/06_structural_design/aasho_road_test.htm

Fuente: M.Sc. Jorge Timaná, Universidad de Piura.

Materiales ensayo vial AASHO.

• Circuitos: – Cuatro grandes (3 a 6).

• Dos tangentes (2 carriles) de 2,070 metros.

– Dos pequeñas (1 y 2).

• Dos tangentes (2 carriles) de 610 m (1) y 1,340 (2).

• Calzadas norte: – HMA.

• Calzadas sur: – PCC.

Características de los materiales.

• Pavimentos flexibles: – Subrasante A-6 (limo/arcilla).

• LL = 31%, IP = 16%., P200 = 82%

• CBR entre 1.9 y 3.5% (2.9%).

– Subbase, mezcla arena y grava.

• CBR ente 28 y 51%

– Base, agregado triturado.

• CBR 107.7% en promedio.

– Carpeta, HMA mezcla densa.

• Marshall (50 golpes).

• Asfalto PEN 85 – 100.

Características de los materiales.

• Pavimentos rígidos: – Concreto hidráulico:

• Cemento Tipo I.

• Resistencia a los 14 días:

– f’c= 3,500 psi (245 Kg./cm2).

– S’c = 550 psi (39 Kg./cm2).

• Tamaño máximo: 1.5 – 2.5 plg.

• Relación A/C: 0.47.

• Asentamiento: 1.5 – 2.5 plg.

– Subbase granular:

• Igual calidad que en pavimentos flexibles.

– Subrasante:

• Iguales características que en pavimento flexible.

Tráfico.

• Circuito 1. – Carril 1.

• Sin carga.

– Carril 2. • Sin carga.

• Sencillo de 2,000 libras.

– Carril 2. • Sencillo de 6,000 libras.

– Carril 2. • Tándem de 24,000 libras.

Tráfico.

Hallazgos del AASHO Road Test.

• Desarrollo del concepto de serviciabilidad.

http://training.ce.washington.edu/PGI/

• Pavimentos flexibles: – Orden de superioridad de las bases estudiadas:

• Tratada con asfalto.

• Tratado con cemento.

• Roca triturada.

• Grava. Muy inferior al material triturado.

– La huella exterior del pavimento es la zona crítica de deterioro.

– El ahuellamiento es una patología de TODA la estructura de pavimento, con un aporte menor de la subrasante. • Los materiales no se densifican si no que se desplazan lateralmente.

– La fisuración del pavimento es mayor en periodos fríos y aumenta con la profundidad del ahuellamiento.

– La deflexión máxima se presenta en primavera.

– La deflexión se reduce con la velocidad de aplicación de la carga.

• Pavimentos rígidos: – El espesor de la losa es la variable principal de comportamiento.

– Se observó escalonamiento de grietas pero no en las juntas con dovelas.

– No se pudo asociar el efecto del clima a las grietas en el circuito no cargado, pues sólo aparecieron años más tarde.

– El bombeo fue la principal patología de los pavimentos con subbase y se presentó de forma marcada en los bordes.

– Las deflexiones de esquina presentan un patrón dependiente de la temperatura horaria, aumentando en el transcurso de la tarde hasta la madrugada siguiente.

– Las deflexiones en las esquinas en los paneles reforzados fueron mayores que las de paneles no reforzados.

– Las deflexiones de borde no se ven afectadas por la presencia de refuerzo.

– Las deflexiones se reducen con la velocidad del vehículo.

STRATEGIC HIGHWAY RESEARCH PROGRAM (SHRP).

Programa Estratégico de Investigación de Carreteras.

Strategic Highway Research Program (SHRP).

• Aprobado por el Congreso de los EE.UU. En 1987. – Plazo: 5 años.

– Presupuesto: US$ 150 millones.

• Ley (Acta) de la Eficiencia del Transporte Intermodal de Superficie. – US$ 108 millones adicionales para la implementación del SHRP.

– Ampliación a 20 años del programa LTPP.

• Objetivos: – Mejorar las vías.

– Ofrecer mayor seguridad para los conductores y los trabajadores de las carreteras.

– Investigar aspectos poco estudiados de tecnologías básicas y propiedades de los materiales.

• La investigación fue adelantada por contratistas independientes.

• Áreas de estudio: • Operaciones de carreteras. • Concreto y estructuras (reacción álcali – sílice). • Asfalto.

– Tecnología SUPERPAVE (1998 – 2002).

• Comportamiento de pavimentos a largo plazo: Long-term Pavement Performance (LTPP). – Desde 1992 a cargo de la FHWA. – Programa de alcance internacional (15 países), 666 secciones de prueba

internacionales. – Base de datos nacional sobre comportamiento de pavimentos (NPPDB) a

cargo del TRB. – Inventarios, ensayos sobre materiales, perfilometría longitudinal,

deflectometría con FWD, estudio de la sección transversal, daños, fricción, mantenimiento, rehabilitación, clima y tráfico.

• Secciones de estudio:

• 777 para Estudios Generales de Pavimento (GPS). – GPS-1: Concreto asfáltico sobre base granular.

– GPS-2: Concreto asfáltico sobre base estabilizada.

– GPS-3: Concreto hidráulico simple con juntas.

– GPS-4: Concreto hidráulico reforzado.

– GPS-5: Concreto hidráulico continuamente reforzado.

– GPS-6: Sobrecapa de concreto asfáltico sobre pavimento asfáltico.

– GPS-7:Sobrecapa de concreto asfáltico sobre concreto hidráulico con juntas.

– GPS-8: Sobrecapa de concreto hidráulico con juntas y ligada a un pavimento de concreto.

– GPS-9: Sobrecapa de concreto hidráulico con juntas y no ligada a un pavimento de concreto.

• 234 para Estudios Específicos de Pavimentos (SPS). – SPS-1: Estudio estratégico de factores estructurales para pavimentos

flexibles.

– SPS-2: Estudio estratégico de factores estructurales para pavimentos rígidos.

– SPS-3: Efectividad del mantenimiento preventivo en pavimentos flexibles.

– SPS-4: Efectividad del mantenimiento preventivo en pavimentos rígidos.

– SPS-5: Rehabilitación de pavimentos de concreto asfáltico.

– SPS-6: Rehabilitación de pavimentos de concreto hidráulico con juntas.

– SPS-7: Sobrecapa de concreto ligada sobre pavimento de concreto.

– SPS-8: Estudio de los efectos ambientales en ausencia de cargas pesadas.

– SPS-9: Validación de las especificaciones SHRP para asfaltos y diseño de mezclas e innovaciones en pavimento asfálticos.

• El LTPP sigue en curso.

MNROAD. Minnesota Department of Transportation.

MnRoad. http://www.mrr.dot.state.mn.us

• Albertville, Minnesota.

• Cold region testing laboratory.

• Constructed in 1994 at a cost of $25 million of state and federal funding.

• A partnership between Minnesota Department of Transportation (Mn/DOT) and the Minnesota Local Road Research Board (LRRB).

• MnROAD consists of two road segments that are divided into 55 test cells, which represent varying combinations of road-building materials and designs.

– Mainline 3.5-mile Interstate-94 roadway.

– Low Volume Road 2.5-mile roadway that uses a controlled 5-axle semi tractor-trailer.

• Evaluate pavement performance under real conditions (traffic, environment, materials).

• Examine the way factors such as moisture, frost, traffic loading, construction, and materials interact through its extensive instrumentation and database.

• Design customized experiments for both interstate and low volume roads with experienced MnROAD staff and equipment to support unique researcher needs.

• Provide a safe work zone for testing due to its unique ability to remove traffic without disruption to the driving public.

• Validation of models with 14 years of performance data from the initial experiment.

WESTRACK.

Federal Highway Administration and the National Cooperative Highway Research Program.

WesTrack http://www.westrack.com

• WesTrack is a multimillion dollar accelerated pavement testing facility. – 100 km southeast of Reno, Nevada. – Sponsored by the Federal Highway Administration and the National

Cooperative Highway Research Program

• Objectives: – Development of performance-related specifications for hot mix asphalt. – Provide early field verification of Superpave volumetric mix design.

• 34 test sections were evaluated. • 4.8 million ESALs were applied since May 30, 1996. • Performance monitoring was supplemented by two comprehensive

laboratory testing programs: – Quality control/quality assurance testing. – Performance testing with primary emphasis on permanent deformation

and fatigue cracking.

• The WesTrack project has demonstrated the importance of supplementing full-scale testing and performance monitoring with a comprehensive laboratory testing program of component materials and analysis of pavement response to develop a performance related specification with realistic pay factors for hot mix asphalt.

WesTrack Findings.

• Pavement Construction. – Compact each mix type to specific air void contents: 4, 8, and 12%.

– This is achievable within close limits.

• Establishing roller patterns.

• Calibrating nuclear gauges for each mix type by the QC crew are key items.

– The most important aspect of pavement construction:

• Close coordination among the engineers, roller operators, and the QC crew.

• Daily meetings prior to the start of construction.

• Target density/air void content compaction was achieved by controlling the number of roller passes at specific mix temperatures.

• Quality Control / Quality Assurance (QC/QA). – Use of the ignition oven.

• Measure of binder content.

• Expedite the QC/QA process during construction.

• Careful calibration of the equipment is critical.

– For each mix, calibration is required over a range of binder contents.

– Extreme care must be taken when hydrated lime is used as an additive.

» Particulate nature.

» It is likely to be emitted in the exhaust draft of the oven.

• Vehicle Operations. – The roughness of the pavements increased due to structural damage from

traffic loading.

– Study vehicle operating costs due to increased roughness. • January/February 1998: the track reached its roughest condition.

– The ride would be intolerable after a few hours.

• The track was rehabilitated in March 1998.

• In this period truck operating costs versus pavement roughness were evaluated.

– Average fuel consumption before rehabilitation was 4.2 mpg, while afterwards it was 4.4 mpg.

– For 1,000,000 miles, this is a saving of 10,300 gallons for the truck.

» Significant cost savings and reduction of emissions to the environment.

– Failure of truck/trailer component parts.

» Trailer beams and spring failures.

» More frequent replacement of suspension springs.

• Superpave Volumetric Mix Design. – The rutting performance of mixes at WesTrack suggests some

difference in behavior between the coarse and fine mixes at high temperatures.

– The rutting rate increases beyond some critical high temperature regardless of mix type.

– The results underscore the importance of a performance test which quantifies resistance to shear deformation at a critical high temperature.

• Rehabilitation Techniques – Pavement roughness typically accompanies distress.

– Maintenance and rehabilitation to insure a smooth surface. • Minimize dynamics loads which would affect interpretation of the

performance results.

– Procedures: • For pavement rutting:

– Milling to a depth of 50-75 mm (2-3 in.).

– Replacing it with new HMA.

– This maintenance strategy in winter allows traffic to be carried until the construction season in late spring or summer.

• To repair extensive fatigue cracking: – “Deep T-patch”.

– If section is long enough this procedure could be accomplished with two passes of the milling machine.

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