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Introducción
El presente artículo se basa en el trabajo final de graduación titulado: “Evaluación del desempeño de los pavimentos rígidos en Costa Rica” (Montes de Oca, 2020). En este documento se abarcan los principales resultados de los deterioros encontrados en los siete proyectos de pavimento rígido que se evaluaron, los cuales fueron: Cañas - Liberia, San Francisco - La Colina, Zapote - San Francisco, Universal - La Salle, las losas cortas de Cartago, Guadalupe - El Alto y Limonal - Tempisque. La necesidad de la investigación nace a partir del aumento de pavimentos de concreto que se han construido tanto en la Red Vial Nacional, como en las vías municipales. Es importante mencionar que, para diseñarlos, se siguen utilizando metodologías extranjeras, las cuales no consideran las condiciones climáticas ni de tránsito propias de Costa Rica. Es por esto que instituciones como el LanammeUCR se han dado a la tarea desde hace varios años de ir generando los insumos necesarios para desarrollar una metodología de diseño mecanístico empírica aplicable a nuestro país.
En los últimos años se ha presentado una constante queja de la población costarricense con respecto al mal estado de los pavimentos de las vías nacionales. La presencia de deterioros y fallas tempranas se ha vuelto uno de los principales problemas a la hora de realizar un diseño de pavimentos, ya que los deterioros se toman en cuenta en los diseños a través de la aplicación de modelos de desempeño que no consideran las condiciones típicas del país y esto impide predecir con mayor precisión cuándo va a fallar el pavimento.
Existe un desconocimiento a nivel nacional de cuál es el tipo de deterioro típico en pavimentos rígidos para las condiciones climatológicas y de tránsito de Costa Rica, es por eso que no hay claridad si el modelo existente de fatiga para pavimentos rígidos es el adecuado para aplicarlo en la mayoría de los proyectos, puesto que, si no lo es, se debe desarrollar un modelo para otro tipo de deterioro y, en caso de que sí lo sea, puede requerir una calibración para que sea el adecuado. Al no contar con un modelo aplicable en Costa Rica, se presentan los deterioros y fallas tempranas que se mencionan con anterioridad, lo que genera un costo mayor a futuro por darle un mantenimiento anticipado a los pavimentos (LanammeUCR, 2017).
Metodología
Para el presente trabajo se utilizó la metodología de la norma ASTM D6433-20 (2020) para determinar el PCI (del inglés Pavement Condition Index) de los proyectos evaluados. Algunos de los levantamientos se realizaron mediante la auscultación visual mientras que otros se realizaron utilizando el Geo 3D. Sin embargo, en ambos casos se utilizaron sistemas de información geográfica para registrar los deterioros existentes en cada proyecto. Asimismo, es importante mencionar que se utilizaron los valores de temperatura y precipitación proporcionados por el Instituto Meteorológico Nacional (Instituto Meteorológico Nacional, 2020) y los valores del Tránsito Promedio Diario registrados en las bases de datos del Ministerio de Obras Públicas y Transportes del año 2020 (Ministerio de Obras Públicas y Transportes, 2020) para realizar las regresiones lineales y las correlaciones entre las variables. Por último, con el levantamiento de los deterioros y con la información de tránsito, clima y estimaciones recopilada, se procedió a analizar estadísticamente la información, y generar los modelos de regresión lineal que correlacionan cada una de las variables estudiadas con los deterioros observados.
A continuación, se ejemplifica la metodología que se utilizó para realizar el levantamiento de los deterioros en cada uno de los proyectos. El levantamiento de los deterioros en Universal - La Salle (Ruta Nacional 167) se realizó mediante la metodología de la norma ASTM D6433-20 de auscultación visual. En este proyecto se utilizaron 19 unidades de muestreo por sentido, cada una con 20 losas de 3,5 m de longitud, la ubicación de las unidades de muestreo se puede observar en la Figura 1. El total de deterioros se muestra en la Tabla 1.
Tabla 1. Total de deterioros en La Salle - Universal
| Losas evaluadas | - | - | 760 |
|---|---|---|---|
| - | Deterioro | Cantidad de deterioros | % |
| 22 | Grieta de Esquina | 3 | 0,4 |
| 26 | Daño en sello de junta | 330 | 43,4 |
| 28 | Agrietamiento Lineal | 3 | 0,4 |
| 29 | Parches (Grandes) | 3 | 0,4 |
| 31 | Pulimiento de Agregado | 167 | 22,0 |
| 32 | Desprendimiento de Agregado | 39 | 5,1 |
| 37 | Grietas por contracción | 1 | 0,1 |
| 38 | Fractura de junta | 27 | 3,6 |
| 39 | Fractura de esquina | 131 | 17,2 |
| - | Sin deterioro | - | 7,4 |
Evaluación del pavimento rígido
Para definir el número mínimo de unidades de muestreo a analizar para pavimentos rígidos se utilizó el método establecido en la norma ASTM D6433-20. Este proceso se realizó para todos los proyectos, sin embargo, es importante mencionar que los levantamientos de los deterioros de los proyectos Cañas - Liberia (Ruta Nacional 1), Zapote - San Francisco (Ruta Nacional 204) y San Francisco - La Colina (Ruta Nacional 211) fueron facilitados por la Unidad de Gestión y Evaluación de la Red Vial Nacional del LanammeUCR.
Datos obtenidos
A continuación, se muestra el total de deterioros registrados en todos los proyectos (Tabla 2). En la Figura 2, se muestra la distribución de los deterioros en cada uno de los proyectos.
Tabla 2. Total de deterioros registrados
| - | Deterioro | Bajo | Medio | Alto | N/A | Total de deterioros | % |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 22 | Grieta de Esquina | 97 | 33 | 13 | - | 143 | 0,71 |
| 23 | Losa Dividida | 8 | 71 | 134 | - | 213 | 1,06 |
| 25 | Escalonamiento entre calzada y juntas | 35 | - | 3 | - | 38 | 0,19 |
| 26 | Daño en sello de junta | 3155 | 1013 | 94 | - | 4262 | 21,22 |
| 27 | Escalonamiento entre calzada y espaldón | 6 | 6 | - | - | 12 | 0,06 |
| 28 | Agrietamiento lineal | 744 | 411 | 266 | - | 1421 | 7,08 |
| 29 | Parches (Grandes) | 28 | 32 | 16 | - | 76 | 0,38 |
| 30 | Parches (Pequeños) | 1266 | 23 | 8 | - | 1297 | 6,46 |
| 31 | Pulimiento de agregado | - | - | - | 2630 | 2630 | 13,10 |
| 32 | Desprendimiento de agregados | - | - | - | 2728 | 2728 | 13,58 |
| 34 | Punchout | 3 | 7 | 10 | - | 20 | 0,10 |
| 36 | Grietas en malla o Resquebrajadura | 169 | 4 | - | - | 173 | 0,86 |
| 37 | Grietas por contracción | - | - | - | 1341 | 1341 | 6,68 |
| 38 | Fractura de esquina | 108 | 24 | 25 | - | 157 | 0,78 |
| 39 | Fractura de junta | 518 | 53 | 47 | - | 618 | 3,08 |
| - | Sin deterioro | - | - | - | - | - | 24,67 |
| - | Total de losas auscultadas | - | - | - | - | 20084 | - |
Además, para cada proyecto se calculó el PCI de acuerdo con la metodología establecida en la norma ASTM D6433-20. A continuación, se muestran los resultados (Tabla 3).
Tabla 3. PCI de los proyectos
| Proyecto | PCI | Condición |
|---|---|---|
| Cañas - Liberia (Ruta Nacional 1) | 98 | Bueno |
| Zapote - San Francisco (Ruta 204) | 91 | Bueno |
| San Francisco - La Colina (Ruta 211) | 92 | Bueno |
| Universal - La Salle (Ruta Nacional 167) | 89 | Bueno |
| Guadalupe - El Alto (Ruta Nacional 218) | 81 | Satisfactorio |
| Losas cortas de Cartago (Ruta Nacional 2) | 81 | Satisfactorio |
| Limonal - Tempisque (Ruta Nacional 18) | 56 | Pobre |
Análisis de resultados
El proyecto más deteriorado es el de Limonal - Tempisque con un PCI de 56, esto no solo se debe a la falta de mantenimiento, también se pueden presentar estos deterioros por condiciones del suelo de la zona que no se consideraron de manera adecuada a la hora de diseñar la estructura de pavimento para esta sección de la Ruta Nacional 18. Luego, los proyectos de Cartago y Guadalupe - El Alto tienen el mismo valor de PCI, el cual es de 81, por lo tanto, el estado del pavimento es satisfactorio. Para el caso de las losas de Guadalupe - El Alto, es importante mencionar que tienen más de 18 años, por lo tanto, se les ha dado un mantenimiento adecuado y el diseño que se optó para estas losas fue el apropiado. Por otro lado, el caso de las losas de Cartago es bastante inferior de lo esperado, ya que estas losas son de las más nuevas en esta evaluación, tienen 8 años; sin embargo, están más deterioradas que otras losas de otros proyectos más antiguos. El proyecto de Universal - La Salle tiene un PCI 89, lo que indica que el pavimento está en buen estado, lo mismo para los pavimentos de los proyectos de Zapote - San Francisco y San Francisco - La Colina que tienen un PCI de 91 y 92, respectivamente. El resultado de PCI del proyecto ubicado en Cañas - Liberia era de esperarse, ya que es el proyecto más nuevo de los siete que se evaluaron. Este pavimento tuvo un PCI de 98 lo que indica que está en muy buen estado.
Como se observa en la Figura 2, los deterioros más frecuentes son daño de sello de junta, desprendimiento de agregados, pulimiento de agregados y agrietamiento lineal. El daño de sello de junta se relaciona con la falta de mantenimiento que se le ha dado a las losas de estos proyectos. El desprendimiento de agregados puede ser ocasionado por un uso inadecuado de agregados ya que, si se utilizaron agregados redondeados, estos pierden adherencia a la mezcla. El pulimiento de agregados se puede dar por la utilización de un concreto pobre y por una resistencia baja a la abrasión por parte de los agregados. Por último, el agrietamiento lineal podría estar asociado a la pérdida de soporte por erosión y por fisuras por fatiga, las cuales pueden ser causadas por un espesor de losa inadecuado para las condiciones de cada uno de los proyectos.
Caracterización de los proyectos
Cálculo de los ejes equivalentes
Primeramente, se realizó el cálculo de los ejes equivalentes, ESAL (del inglés Equivalent Single Axis Load) de cada uno de los proyectos. Para este cálculo se obtuvieron los datos de TPD del Ministerio de Obras Públicas y Transportes (Tabla 4).
Precipitación y temperatura
A continuación en la Tabla 5, se muestra el diferencial de temperatura y la precipitación registrada en cada uno de los proyectos, esto para poder realizar las correlaciones correspondientes.
Tabla 5. Datos climatológicos de los proyectos
| Proyecto | Estación Meteorológica | Precipitación (mm) | Temperatura máxima (oC) | Temperatura mínima (oC) | ΔT (oC) |
|---|---|---|---|---|---|
| Cañas - Liberia | 74051 | 1541,7 | 33 | 22,1 | 11 |
| Zapote - San Francisco | 84203 | 2299 | 26,7 | 17,3 | 9,4 |
| San Francisco - La Colina | 84203 | 2299 | 26,7 | 17,3 | 9,4 |
| Universal - La Salle | 84193 | 1576,3 | 27,1 | 18,7 | 8,4 |
| Guadalupe - El Alto | 84139 | 1834,5 | 25,3 | 16,6 | 8,7 |
| Cartago | 73129 | 1367,3 | 22,5 | 13,7 | 8,8 |
| Limonal - Tempisque | 74051 | 1541,7 | 33 | 22,1 | 11 |
Fuente: Instituto Meteorológico Nacional, 2020.
Correlaciones con precipitación, ESAL, ΔT y espesor de losa
Inicialmente, se calculó el coeficiente de correlación existente entre las variables precipitación, diferencial de temperatura (ΔT), ejes equivalentes, espesor de losa y los diferentes deterioros que se contabilizaron. Cabe mencionar que, para los casos de precipitación y ΔT únicamente, se consideraron coeficientes de correlación mayores de 0,6 puesto que si es menor, no existía una correlación tan clara, lo anterior se muestra en la Tabla 6 y en la Tabla 7. En el caso de los ejes equivalentes y espesor de losa, se utilizaron los deterioros que presentaron una correlación mayor a 0,7 como se muestra en la Tabla 8 y la Tabla 9. Los números indicados entre paréntesis en la Tabla 6, la Tabla 7, la Tabla 8 y la Tabla 9 corresponden a las designaciones indicadas en la Tabla 2.
Tabla 6. Correlación entre deterioros y precipitación
| Deterioro | Coeficiente de correlación |
|---|---|
| Losa dividida (23) | -1,00 |
| Daño de sello de junta (26) | 0,76 |
| Parches pequeños (30) | 0,93 |
| Escalonamiento entre calzada y juntas (25) | 0,60 |
| Grietas en malla (36) | -0,65 |
Tabla 7. Correlación entre deterioros y ΔT
| Deterioro | Coeficiente de correlación |
|---|---|
| Losa dividida (23) | 1,00 |
| Escalonamiento entre calzada y juntas (25) | -0,90 |
| Fractura de esquina (38) | -0,70 |
| Fractura de junta (39) | -0,72 |
| Agrietamiento Lineal (28) | 0,60 |
Tabla 8. Correlación entre deterioros y ESAL
| Deterioro | Coeficiente de correlación |
|---|---|
| Grieta de esquina (22) | 0,81 |
| Parche grande (29) | 0,88 |
| Grietas en malla (36) | 0,76 |
Modelos para la determinación de deterioros
Con las correlaciones obtenidas se calcularon modelos por medio del software Microsoft Excel para poder determinar el porcentaje de deterioro que se puede llegar a presentar en un pavimento rígido al tener el valor de las variables precipitación, ESAL, ΔT y espesor de losa. Es importante mencionar que para cada uno de los modelos se obtuvo una probabilidad inferior a 0,15. Por lo tanto, para todas las variables hubo una significancia estadística. Con lo anterior, se obtuvieron los siguientes modelos (ecuaciones 1 a 8).
Grieta de esquina
La relación de la ecuación 1 se puede explicar porque en las losas de concreto, las deflexiones mayores se dan en las esquinas y con el aumento de la carga de tránsito, las grietas en las esquinas van a ir a apareciendo.
Escalonamiento entre calzada y juntas
La relación encontrada en la ecuación 2 se puede explicar ya que conforme a las losas se les vayan haciendo grietas, el agua puede comenzar a infiltrarse a las subcapas del pavimento, lo que con el tiempo provoca que el soporte del pavimento se vaya perdiendo y se genera el escalonamiento.
Daño de sello de junta
En este caso, la relación hallada en la ecuación 3 se puede explicar por una pérdida de adherencia entre el material de la junta y la losa, por la presencia constante de agua.
Parches grandes
La relación de la ecuación 4 se puede explicar ya que, con el paso de las cargas de tránsito, las losas se van agrietando y cuando ya existen varias grietas interconectadas surge la necesidad de colocar un parche.
Parches pequeños
En este caso, la relación encontrada en la ecuación 5 se puede explicar porque con la presencia de precipitación, el agua se puede infiltrarse a capas inferiores del pavimento, lo que provoca que se pierda soporte. Al perder el soporte, aparecen grietas por el aumento de los esfuerzos al que está sometida la sección de la losa que perdió el soporte. Por lo tanto, al igual que en el caso anterior, se generan grietas interconectadas, que luego de un tiempo tienen que ser intervenidas mediante parches.
Grietas en malla
Al igual que los casos anteriores, la relación de la ecuación 6 se puede explicar por la infiltración del agua y la pérdida de soporte, ya que provocan la aparición de grietas interconectadas que, en este caso, serían grietas en malla. Con el caso de los ejes equivalentes, con el paso de la carga de los vehículos, en la losa se generan esfuerzos y deflexiones, por lo tanto, con el paso del tiempo, estas deflexiones y esfuerzos se ven reflejados en grietas.
Tanto el modelo de fractura de esquina (ecuación 7), como para el de fractura de junta (ecuación 8), se pueden explicar mediante la contracción y expansión térmica que sufre la losa. En el caso de estas fracturas, se pueden deber a que, si en la etapa constructiva las dovelas no fueron alineadas correctamente, conforme la losa se expande y se contrae en las zonas tanto de la junta como en las esquinas, se pueden llegar a generar esfuerzos muy altos, por lo que puede provocar la fractura.
Conclusiones
Los deterioros más frecuentes en los pavimentos rígidos evaluados son daño de sello de junta, desprendimiento de agregados, pulimiento de agregado y agrietamiento lineal.
Las losas más deterioradas son las del proyecto de Limonal - Tempisque ya que esta sección de la ruta obtuvo un PCI de 56, esto se puede deber a los problemas geotécnicos que existen en la zona.
Las losas cortas de Cartago son de las más recientes; sin embargo, son de las más deterioradas, presentan un PCI de 81. Una de las razones por las que se podría justificar dicha condición es que se ha evidenciado que en este sitio existen problemas con la calidad de los suelos y la evacuación de aguas, lo podría haber generado gran parte de los deterioros observados.
El PCI promedio de las losas es de 84, lo que indica que el estado de los pavimentos rígidos evaluados es satisfactorio.
En las losas cortas de Cartago es por donde circula una mayor cantidad de vehículos pesados en comparación a los demás proyectos, esto podría dar explicación a que el deterioro más frecuente sean las grietas en malla.
Los proyectos de San Francisco - La Colina y Zapote - San Francisco son los que presentan mayor cantidad que precipitación, se podría relacionar con el daño de sello junta por una pérdida de adherencia entre el material de la junta y la losa, por la presencia constante de agua.
Existe una relación entre los deterioros losa dividida, daño de sello de junta, parches pequeños, escalonamiento entre calzada y juntas y grietas en malla con la variable de precipitación.
Existe una relación entre los deterioros grieta de esquina, parches grandes y grietas en malla con la variable de ejes equivalentes.
Existe una relación entre la variable cambio de temperatura y los deterioros fractura de junta, fractura de esquina y agrietamiento lineal.
El R2 ajustado obtenido para los modelos de precipitación, ejes equivalentes y cambio de temperatura fue mayor a 0,9, lo que indica que existe un ajuste lineal casi perfecto y que se explica de manera adecuada la variación de la variable.
La variable espesor de losa se relaciona únicamente con el deterioro losa dividida, además se obtuvo un R2 ajustado de 0,54, lo que indica que existe un ajuste lineal moderado.
Los modelos de grieta de esquina y de parches grandes, únicamente se lograron relacionar con la variable de ejes equivalentes.
Los modelos de escalonamiento entre calzada y juntas, daño de sello de junta y parches pequeños, únicamente se relacionan con la variable de precipitación.
Los modelos de fractura de esquina y fractura de junta, únicamente se relacionan con la variable de cambio de temperatura.
El modelo de grietas en malla se relaciona con las variables precipitación y ejes equivalentes y se obtuvo un R2 ajustado de 0,996 lo que indica que existe un ajuste lineal perfecto.
