Comportamiento estructural de los pavimentos de adoquines de hormigón
Los pavimentos de adoquines en general poseen 3 a 4 capas de material: los adoquines mismos, cuyo espesor varía entre 60 mm y 100 mm, una cama de arena de espesor nominal de 25 mm, una base con espesores mínimos entre 100 y 150 mm y eventualmente una subbase con espesores mínimos que varían entre 100 y 150 mm. La Figura 3.1 ilustra una sección típica con características generales de cada componente.
Los primeros ensayos de comportamiento de adoquines
Hasta mediados de la década del 70, el diseño de pavimentos de adoquines se asimilaba casi completamente al diseño de pavimentos flexibles. Las propiedades mecánicas tomadas como un conjunto no habían sido consideradas, incluso en países que ya contaban con normas sobre pavimentos de adoquines como Alemania con su “Pflasters-teine aus Betón” (DIN 18501 de 1964) y Holanda con su norma “NEN 7000” de 1966. Ambas normas enfatizaban sólo las propiedades físicas de los adoquines, sin justificar con antecedentes tecnológicos los métodos de diseño
que proponían.
La experiencia holandesa demostró que los pavimentos de adoquines se van rigidizando con el tráfico, aumentando con ello su capacidad de disipación de carga y que las deformaciones permanentes se acumulan al principio de la vida del pavimento. Los ensayos japoneses, también mostraron que el comportamiento de los pavimentos depende de la forma de los adoquines (Miura et al., 1984).
Asimismo, la forma de los adoquines tiene una influencia significativa en la velocidad con que el pavimento alcanza el estado de trabazón total y determina la magnitud de carga por rueda que el pavimento puede resistir sin fallar.
Los resultados y conclusiones de estas experiencias han servido de base a los métodos de diseño utilizados en Australia, Sudáfrica, Holanda y otros países, y permitieron comprender mejor el comportamiento de los pavimentos de adoquines sometidos a tráfico (Morrish, 1980; Van der Heijden y Houben, 1985; Houben et al., 1986).
El ensayo de Knapton
Recién en 1976 Knapton (Knapton y Barber, 1980) investigó las propiedades mecánicas de estos pavimentos para establecer un método de diseño.
Para ello diseñó un aparato que simulaba la aplicación de cargas verticales estáticas sobre un pavimento de adoquines normalizado (véase Figura 3.2).
Los adoquines los asentó sobre una cama de arena, la que a su vez descansaba sobre una base de hormigón.
La carga vertical la aplicó mediante un gato hidráulico que presionaba una placa circular de 250 mm. Sobre el pavimento conformó una grilla de celdas de presión sobre la base de hormigón para medir la transmisión de tensiones inducidas por la placa de carga, espaciadas cada 250 mm x 100 mm. Knapton aplicó cargas de hasta 25 kN (presiones de hasta 510 kN/m²) y registró las presiones obtenidas en las celdas, correspondientes a cada carga aplicada.
Con ello construyó el gráfico de la Figura 3.3, en donde ilustró el cuenco de presiones bajo la cama de arena. Demostró que las presiones en las celdas aumentaban en menor proporción porcentual que las presiones aplicadas en la superficie (Figura 3.4), por lo que los adoquines efectivamente disipaban las tensiones.
Comparando estos resultados con la capacidad teórica de disipación de carga en pavimentos bituminosos, Knapton concluyó que una capa combinada de adoquines (80 mm) y arena (50 mm), era equivalente a una capa de 160 mm de material bituminoso. Esto le permitió establecer un método de diseño asimilado al
de pavimentos flexibles.
Los ensayos de Shackel Sin embargo, aún persistía la duda acerca de si estos métodos de diseño reflejaban el comportamiento real de los pavimentos de adoquines bajo cargas de tráfico. Por ello, la Concrete Masonry Association y
la Asociación del Cemento y Hormigón (Cement and Concrete Association, CCA) de Australia, patrocinaron en 1978 un exhaustivo programa de ensayos de pavimentos a escala natural sometidos a cargas móviles.
Este experimento fue dirigido por Shackel (1980), quien posteriormente realizó el mismo experimento con el apoyo del National Institute of Transport and Road Research de Pretoria, Sudáfrica, empleando un simulador de vehículos pesados (Heavy Vehicle Simulator).
Shackel (1980) realizó un experimento a escala real en la Universidad de Nueva Gales del Sur, Australia. El experimento consistió en aplicar 13.000 pasadas de ejes estándar sobre pavimentos de adoquines entre 60 y 100 mm y bases granulares desde 60 a 160 mm.
Probó además 3 formas distintas de adoquines. Los resultados del experimento de Shackel permitieron comprender el comportamiento estructural del pavimento y a su vez, desarrollar un método de diseño ara Australia.
El experimento de la ARRB
La ARRB (Australian Road Research Board) desarrolló entre los años 1980 y 1984 ensayos a escala real de pavimentos de adoquines de hormigón (Sharp y Armstrong, 1986). El objetivo de este ensayo era probar pavimentos que pudiesen ser utilizados en calles de bajo tráfico.
El ensayo consideró 3 tipos de secciones. Unas sub-dimensionadas, otras con CBR para tráfico mediano (aproximadamente 1,4×105 Ejes Equivalentes acumulados) y otras para tráfico un poco más liviano (4,5×104 Ejes Equivalentes acumulados). El largo de las secciones variaba entre 20 y 30 m.
Los principales resultados obtenidos de este ensayo mostraron la necesidad de establecer un espesor mínimo de base de 100 mm y la especificación del tráfico de diseño en términos de volumen diario de vehículos de más de 3 toneladas de peso bruto total. Asimismo, verificaron que las deformaciones permanentes ocurrían en todas las capas del pavimento.
El ensayo de Rotterdam
Hasta principios de 1980 el diseño de pavimentos de adoquines en Holanda estaba basado en la experiencia, y no se habían desarrollado experimentos importantes hasta 1981, año en que Houben et al. (1986), desarrollaron un experimento en conjunto con el Centre for Research and Contract Standardization in Civil and Traffic Engineering (CROW) (Sharp and Armstrong, 1986).
El estudio utilizó dos canchas de prueba sometidas a tráfico normal, emplazadas en sitios con distintos tipos de suelo. La primera, localizada en Alphen-on-Rhine, era de 30 m de largo y contaba con 2 secciones de 15 m. Estaba fundada sobre un suelo con material orgánico de baja capacidad de soporte. La segunda cancha estaba localizada en Rotterdam. Era de 6 sectores de 25 m cada uno y estaba fundada sobre suelos arcillosos y arenosos.
En cada pista de prueba hicieron seguimiento de tráfico, midieron deflexiones, ahuellamiento y estimaron la rigidez del pavimento a través de ensayos periódicos de deflectometría de impacto. Con los datos obtenidos en dichos ensayos desarrollaron uno de los primeros métodos de diseño basado en el comportamiento de los pavimento de adoquines.
Entre otros resultados, se obtuvo evidencia empírica de la teoría de rigidización progresiva del pavimento la cual involucra para una estructura de pavimento dada, las deformaciones permanentes, el efecto del tipo de suelo de fundación y el efecto de compactación de los materiales de base y subbase.
El experimento de Rotterdam continuó hasta 1997 y posteriormente Huurman et al. (2003) actualizaron los ensayos y perfeccionaron los métodos de diseño, hasta desarrollar procedimientos de diseño que actualmente se encuentran implementados en el programa computacional DELPAVE.
Otros estudios
Miura et al. (1984), desarrollaron un ensayo a escala real para estudiar las propiedades de los pavimentos de adoquines y actualizar el método de diseño usado en Japón. El experimento fue similar a los desarrollados por Knapton y Shackel unos años atrás, obteniendo resultados similares.
Desde fines de la década del 90, la mayoría de los estudios se han abocado a precisar comportamientos específicos de los pavimentos de adoquines, con el fin de optimizar métodos de diseño, especificaciones y ensayos, e incorporar nuevos materiales y fomentar el reciclado. Dentro de estos estudios se pueden citar:
Ghefoori y Mathis (1998), que estudiaron el comportamiento de los adoquines ante ciclos de hielo y deshielo. Así como el efecto del contenido de cemento, de la razón agua/cemento y de las características de los agregados en la resistencia de los adoquines. Aplicaron el ensayo estandarizado ASTM C666 para su análisis y determinaron que los bloques de hormigón con mayor contenido de cemento soportaban un mayor número de ciclos de hielo y deshielo, experimentando además una menor propagación de grietas. Determinaron que en zonas frías es recomendable utilizar adoquines con resistencias sobre los 55 MPa y absorciones máximas del 5%.
Panda y Gosh (2001), probaron el efecto de arenas provenientes de pozos lastreros, canteras y chancadoras en la resistencia al corte de la cama de arena de pavimentos de adoquines, encontrando relaciones entre la granulometría y la resistencia al corte producto de la aplicación de cargas verticales estáticas. Posteriormente, Panda y Gosh (2002a) encontraron una relación directa entre el potencial de deflexión del pavimento de adoquín y la granulometría de las arenas usadas en la cama de arena. Ese mismo año Panda y Gosh (2002b) estudiaron el efecto de la forma del adoquín, de su tamaño, resistencia a la flexión y espesor sobre la resistencia total del pavimento ante cargas estáticas. Posteriormente Ryntathang et al. (2005) replicarían dicho estudio aplicando cargas dinámicas, llegando incluso a proponer un método de diseño.
Poon y Lam (2008), estudiaron también el efecto de la razón agua/cemento y del tipo de agregados en las propiedades de adoquines de hormigón, pero bajo condiciones normales de operación. Evaluaron la resistencia a la compresión resultante, la absorción, abrasión, resistencia al deslizamiento y la resistencia al desprendimiento. Encontraron que en la medida que la razón agua/cemento aumenta, la resistencia disminuye y la absorción aumenta, ratificando el comportamiento ya comprobado del hormigón. La resistencia también aumenta cuando se eleva el porcentaje de finos al otorgarle una mayor densidad al adoquín. No encontraron relaciones explicitas con la resistencia al deslizamiento.
Soutsos et al. (2011), estudiaron el efecto del aparejo en el comportamiento estructural de los pavimentos de adoquines. El principal hallazgo fue la importancia de la trabazón rotacional, aspecto que también había estudiado previamente Shackel y Lim (2003), llegando a resultados similares. Asimismo, establecieron la necesidad de contar con un modelo matemático para describir este tipo de comportamiento.
Otros estudios se han abocado al uso de materiales reciclados para fabricar adoquines. Poon et al. (2002) y Poon y Chan (2006) estudiaron el uso de agregados reciclados de hormigón y de material chancado de desechos de ladrillos. Karasawa et al. (2003), estudiaron el uso de cenizas volantes en la fabricación de adoquines. Soutsos et al. (2011) estudiaron también el uso de agregados reciclados de demoliciones de edificios de hormigón y Ling et al. ( 2009) e l u so d e migas de caucho para fabricar bloques de hormigón y su desempeño funcional. Por su parte, Hosokawa et al. (2009), y Tomaru y Nakamura (2009), estudiaron el uso de escorias para fabricar adoquines de hormigón.
Estado de tensiones en pavimentos de adoquines
En pavimentos convencionales el estado de tensiones se obtiene con el modelo elástico multicapa de Boussinesq, el cual permite calcular el bulbo de tensiones y el estado de deformaciones en cualquier punto bajo la aplicación de una carga.
En pavimentos de adoquines, sin embargo, el modelo no resulta adecuado debido a la variabilidad de materiales, y a la rigidez de las capas constitutivas del pavimento, lo cual limita notablemente la aplicabilidad del modelo de Boussinesq.
Son pocos los modelos que describen la forma en que se disipan las tensiones en los pavimentos de adoquines. Soutsos et al. (2011), describieron y aplicaron experimentalmente el modelo desarrollado originalmente por Dutruel y Dardare (1984).
Debido a la presencia de la cama de arena, las tensiones en la parte superior de la base se ven reducidas por la disipación en los bloques y en la cama de arena debido al efecto de trabazón mecánica. Por tanto, si σ1 es la tensión en la superficie del adoquín inducida por una carga de rueda, la tensión en la parte superior de la base (σ0) queda determinada por la Ecuación 3.1, en donde ke es el factor de dispersión de tensiones en la cama de arena, el cual se determina experimentalmente dependiendo de la relación de radios de plato de carga (R0), del experimento de Dutruel y Dardare (1984) y el radio equivalente de carga de rueda (Re), en la fibra inferior del adoquín.
Si se aplica la regla de difusión trapezoidal de tensiones hasta la cama de arena, es posible deducir el radio equivalente Re, obteniéndose la expresión de Eissenman y Leykauf (1988):
Estudios experimentales realizados por Panda (2006) y otros investigadores, analizados por Soutsos et al. (2011), proponen un factor de disipación de tensiones entre 0,55 y 0,6. Es decir, la tensión disipada por el adoquín y cama de arena puede alcanzar hasta un 45% de la carga aplicada.
Eissenman y Leykauf (1988) llegaron a resultados similares aplicando el modelo de Westergaard, utilizando un área de aplicación de carga de rueda magnificada para considerar el efecto de trabazón mecánica, a través del espesor del adoquín y de la cama de arena.
Estos resultados permiten obtener el valor de la tensión en la parte superior de la base. Con este valor es posible, posteriormente, modelar mediante la ecuación de Boussinesq el estado tensional en la base, subbase o subrasante, con lo cual es posible contar indirectamente con un bulbo de presiones. La Figura 3.5 muestra un bulbo de presiones para un pavimento de adoquín típico como el de la Figura 3.1. La trabazón mecánica
La trabazón mecánica se define como “la inhabilidad de los adoquines de moverse aisladamente de sus vecinos y es en esencia un mecanismo de disipación de tensiones” (Vand de Vlist, 1980).
Es la principal característica que define el comportamiento de los pavimentos de adoquines.
El efecto de transferencia de carga entre adoquines permite que estos actúen de forma solidaria, más que como piezas rígidas aisladas, lo cual acerca a este tipo de pavimento hacia un comportamiento flexible.
La trabazón mecánica en los adoquines determina en buena parte la capacidad resistente del pavimento, su durabilidad y serviciabilidad. Depende principalmente de la forma del adoquín, del aparejo1 utilizado, de la dirección de las fuerzas aplicadas y del espaciamiento entre las juntas.
La trabazón de los adoquines se puede clasificar según Shackel y Lim (2003), en trabazón vertical, rotacional y horizontal, como lo muestra la Figura 3.6.
La trabazón vertical (Figura 3.6a) es importante, para la transferencia de carga hacia los adoquines adyacentes a través de las juntas. Se logra a través del diseño adecuado del espesor de junta y a la compactación adecuada del material de relleno de las juntas. Esto permite que una parte importante de la trabazón vertical se deba a la fricción.
La trabazón rotacional (Figura 3.6b) es necesaria para controlar deformaciones y desprendimiento o rotura de adoquines. Está relacionada con el espesor del pavimento, el espacio entre juntas y las restricciones de borde. Particularmente, las restricciones de borde limitan el “efecto de arco”, que corresponde al levantamiento de dos adoquines contiguos por rotación de los adyacentes (Sun, 1996).
La trabazón horizontal (Figura 3.6c), es necesaria para soportar las fuerzas de corte producidas en maniobras de frenado, giro y aceleración. La resultante de estas fuerzas es el desplazamiento de los adoquines, el cual se puede limitar utilizando formas irregulares y aparejos que minimicen estos desplazamientos.
Los principales efectos de la trabazón son pequeños desplazamientos individuales de los bloques, que en la mayoría de los casos son imperceptibles y sólo son detectables mediante perfilometría (Shackel y Lim, 2003). Una trabazón mecánica adecuada, permite controlar las deformaciones permanentes, el desprendimiento y fractura de los adoquines así como el lavado del material más fino de la cama de arena.
Por lo anterior, es conveniente revisar los factores que determinan la trabazón mecánica.
Efecto conjunto de la forma y aparejo del adoquín
Shackel y Lim (2003) analizaron extensamente el efecto del aparejo y forma del adoquín en la trabazón mecánica. Considérese dos tipos de adoquines: adoquines lisos y adoquines ondulados, y dos tipos de aparejos: aparejo lineal (linear layout) y aparejo “espina de pescado” (herringbone layout).
La Figura 3.7 muestra el efecto de la rotación del adoquín “B” sobre los adoquines adyacentes “A”, “C” y “D” para el caso del aparejo lineal y adoquines lisos y ondulados. Al someter a rotación al adoquín liso “B” (Figura 3.7a) este es libre de girar en torno a los adoquines “A” y “C”, perdiendo trabazón lateral y empujando al adoquín “D”. En este caso, se produce
un efecto de cuña en la dirección 1, la cual es la única que permite lograr trabazón entre los adoquines “B” y “D” por contacto directo.
En el caso del adoquín ondulado (Figura 3.7b), la misma ondulación genera trabazón del adoquín “B” con respecto a los adoquines “A” y “C”, impidiendo la rotación libre. Esto lleva a que el efecto de acuñamiento por empuje se produzca en las direcciones 1 y 2, aumentando la trabazón en dos sentidos y por consiguiente, aumentando la rigidez del conjunto de bloques.
Como se mencionó anteriormente, los mecanismos principales de contacto entre adoquines se producen por rotación y desplazamiento. Por un lado la rotación permite inducir el efecto de acuñamiento, lo cual comprime la arena intersticial y eventualmente permite el contacto directo entre adoquines. Por otro lado, el desplazamiento vertical (lipping) permite generar trabazón por fricción, y el desplazamiento horizontal por compresión de la arena intersticial. En ambos casos, la eficiencia de la trabazón está condicionada por el grado y número de ciclos de compactación de la cama de arena y de la arena de las juntas, como lo verificaron experimentalmente Shackel y Lim (2003).
El comportamiento a la fatiga
La principal variable que describe el comportamiento a la fatiga de los pavimentos de adoquines es la deformación permanente. La mayoría de los estudios del efecto de las variables de diseño (véase Tabla 3.1), utilizan como criterio de comparación las deformaciones permanentes. Conceptualmente, las deformaciones permanentes se acumulan en el tiempo en la medida que el pavimento recibe aplicaciones de carga, hasta llegar a un máximo y estabilizarse, de acuerdo por ejemplo al modelo de la Figura 3.9.
El proceso de acumulación de deformaciones está relacionado estrechamente con la compactación durante la construcción. La compactación proporciona una densificación inicial, a la cual posteriormente se le suma la deformación debido a las cargas de tráfico.
En esta segunda fase, los efectos combinados de carga y clima determinan el proceso de progresión de las deformaciones (Sharp y Armstrong, 1986).
Huurman et al. (2003) plantean que las deformaciones permanentes dependen de la aplicación de cargas repetitivas, del peso bruto total por eje, de la tensión transmitida a la base y de la tensión en la dirección principal, la cual es a su vez función de las propiedades mecánicas de los componentes del pavimento de adoquín. Indirectamente, en el modelo de Huurman et al. (2003) la condición climática está presente a través del efecto de la humedad sobre los parámetros mecánicos de la base, subbase y/o suelo de fundación.
Variables que describen el comportamiento de los pavimentos de adoquines
De acuerdo a Shackel (2003), los factores que afectan el desempeño de los pavimentos de adoquines de hormigón, se pueden clasificar según la Tabla 3.1.
Dicha Tabla no considera los aspectos relacionados con la calidad del adoquín, descritos en el capítulo 2 de este manual.
Adoquines de hormigón
La función de los adoquines es proporcionar una superficie de rodado resistente, durable y funcional, que permite transmitir y disipar tensiones a las capas inferiores y además evitar o limitar las deformaciones.
Para cumplir este objetivo es necesario conocer el comportamiento de los diversos factores que determinan el desempeño del pavimento. Si bien estos factores actúan en conjunto, aquí se presenta una discusión desagregada para fines ilustrativos, tomando como base la investigación realizada en los últimos 40 años en el mundo.
Espesor del adoquín: los ensayos de carga estática y dinámica realizados desde la década del 80 (véase por ejemplo a Shackel, 1980; Miura et al., 1984; Panda y Gosh, 2002b) son coincidentes en señalar que las deflexiones y las deformaciones permanentes en el pavimento son considerablemente menores con adoquines de 80 mm que con adoquines de 60 mm, a igualdad de condiciones. Con adoquines de 100 mm el beneficio adicional no es tan acentuado para solicitaciones de tránsito bajas, pero sí lo es para solicitaciones elevadas como en puertos, aeropuertos y sitios industriales. La Figura 3.10 resume los resultados obtenidos por Panda y Gosh (2002b). El efecto del espesor del adoquín tiene directa relación con la disipación de tensiones y con el ahuellamiento.
A mayor espesor, mayor disipación de las tensiones que alcanzan la parte superior de la base y menor ahuellamiento, de acuerdo a los resultados de Dutruel y Dardare (1984). Por otro lado, la mayor disipación de tensiones, explican Festa et al. (1996), es atribuible también a la mayor superficie de fricción entre las caras de los adoquines, lo cual favorece la trabazón mecánica.
Forma del adoquín: la forma del adoquín influye en la distribución de tensiones por trabazón mecánica.
Panda y Gosh (2002b) compararon adoquines lisos y ondulados, encontrando deflexiones menores en adoquines ondulados, lo cual es consistente con los conceptos de Shackel y Lim (2003). La Figura 3.11 muestra los resultados obtenidos por Panda y Gosh (2003).
Resistencia mecánica del adoquín: Shackel (1980) y Panda y Gosh (2002b) probaron que la resistencia a la compresión del adoquín no es determinante en el desempeño estructural del pavimento. Sin embargo, sí es determinante para controlar otros parámetros de desempeño, como son la resistencia a ciclos
hielo/deshielo y al ataque de sulfatos. La Figura 3.12 muestra los resultados obtenidos por Panda y Gosh (2002b) mediante ensayos de carga estática.
Aparejo: el aparejo (laying) constituye la forma en que se distribuyen los adoquines en el sentido predominante del tránsito. La Figura 3.13 muestra los cuatro aparejos típicos utilizados en Chile. Shackel y Lim (2003) fundamentan este hecho en los resultados experimentales de Shackel (1980), quien midió las deformaciones verticales para distintos aparejos y obtuvo las menores en tramas espina de pescado a 45° y las mayores con la trama de corredor. Este resultado se grafica en la Figura 3.14. Asimismo, la Figura 3.15 muestra el efecto del aparejo en los desplazamientos horizontales, que son propios de pavimentos en pendiente. La Figura 3.15 muestra que el aparejo espina de pescado a 45° es el más eficiente para limitar las deformaciones horizontales. Nor et al. (2006) encontraron resultados. Similares para ancho de juntas de 3 mm, 5 mm y 7 mm, para adoquines ondulados y bloques lisos de 60 mm.
Ancho de la junta: el ancho de las juntas y el material de sello tienen un importante rol en la transferencia de esfuerzos entre los adoquines. El rango de variación del ancho de juntas, dentro del cual la respuesta estructural del pavimento es óptima, está comprendido entre los 2 y los 7 mm. Cuando el ancho de junta es inferior a 2 mm, las juntas no quedan totalmente llenas de arena incluso después de la compactación (Nor et al., 2006). Cuando el ancho de junta es superior a 7 mm se pierde el efecto de trabazón mecánica, favoreciendo desplazamientos verticales, horizontales y rotaciones. Nor et al. (2006) encontraron experimentalmente que en la medida que el ancho de junta aumenta, las deflexiones aumentan también, independientemente del aparejo, del tipo y espesor del adoquín. Panda y Gosh (2002a) encontraron que para anchos de junta entre 2 y 4 mm, la ausencia de arena aumenta en un 200% las deflexiones. Por tanto, es recomendable utilizar por diseño un ancho de junta del orden de 3 mm.
Condición de borde: las condiciones de borde se clasifican en dos tipos. Una, el confinamiento lateral, que permite controlar las deformaciones en los bordes del pavimento producto de expansión térmica o por cargas de tráfico de borde (Bullen, 1994). Otra, los anclajes intermedios (anchor beams), que están destinados esencialmente a controlar los desplazamientos horizontales (creep) en grandes extensiones de pavimentos de adoquines (por ejemplo patios de carga y estacionamientos) o bien en calles o áreas con pendientes longitudinales pronunciadas (Nor et al., 2006).
Cama de arena
La función de la cama de arena es servir de base para la colocación de adoquines y permitir la consolidación producto de la compactación y paso del tráfico en los primeros años de vida del pavimento. Para que cumpla su función adecuadamente, la cama de arena debe caracterizarse en cuanto a su ancho y a sus propiedades físicas. Esto garantizará su durabilidad en el largo plazo, especialmente ante la aplicación de cargas pesadas repetidas como es el caso de buses y camiones (Beaty, 1996).
Espesor de la cama de arena: El espesor de la cama de arena está relacionado con su habilidad para controlar las deformaciones verticales. Esta habilidad queda determinada además, por la eficiencia de la compactación y por la uniformidad del espesor.
Panda y Gosh (2002a) observaron que usar espesores inferiores a 50 mm no afecta significativamente las deformaciones. Consistentemente con este resultado, Miura et al. (1984) (véase Figura 3.16) observaron que en la medida que el espesor de la cama de arena disminuye, disminuye también la deformación del pavimento. Es por este motivo que recomendó uso de espesores entre 20 y 40 mm.
Granulometría: la granulometría de la cama de arena determina su resistencia al corte. Panda y Gosh (2002a) señalaron que el uso de arenas gruesas aumenta la resistencia a los movimientos verticales, lo cual favorece su uso en pavimentos de alto tráfico.
En general, la práctica de diseño recomienda “usar arenas” con un porcentaje de finos de hasta un 5%. Shackel (1980) y Livneh et al. (1988) probaron que las arenas con porcentajes de finos superiores al 15% incrementan las deformaciones, por lo cual dicho valor representa el máximo porcentaje de finos recomendable. El control de finos, permite controlar la falla denominada “huella de elefante”, documentada originalmente por Lilley y Dawson (1988).
Angularidad: la angularidad tiene relación con el origen de las arenas. Esta propiedad determina la resistencia al corte. Panda y Gosh (2001) analizaron arenas de diversos orígenes, encontrando que las arenas provenientes del chancado ofrecen resistencias al corte significativamente mayores que las arenas de río. Esta diferencia se hace más notoria cuando la banda granulométrica de las arenas es más bien cerrada. En contraste, las arenas usadas en las juntas requieren una menor angularidad, un tamaño máximo menor y una capacidad de dilatancia mayor, a fin de lograr un mejor comportamiento friccional (Shackel, 1980; Panda y Gosh, 2001).
Dureza de la partículas: Lilley y Dawson (1988), argumentan que la propiedad física más relevante para lograr resistencia en la cama de arena es la dureza de las partículas, por lo cual es recomendable evitar arenas con partículas que se fracturan fácilmente. Karasawa et al. (2000) ratificaron estos resultados mediante ensayes de carga dinámica.
Humedad: la humedad de la cama de arena afecta directamente la resistencia al corte. La práctica común es limitar la humedad de las arenas hasta un 8% (Shackel, 1980), evitando que esta alcance la saturación (Beaty, 1992). Shackel (1980) explica que en un rango de humedad entre 4% y 8% se logra la mayor eficiencia en la compactación, siendo deseable un valor de 6%. Seddon (1980) postuló que para lograr una compactación adecuada es necesario que la humedad sea cercana a la saturación. Sin embargo, cuando las arenas poseen un contenido de finos superior al 15%, es posible que la compactación produzca deformaciones prematuras, afirma Shackel (1980).
Composición petrográfica: la composición pretrográfica de las arenas está relacionada con la dureza de los componentes minerales. Burak (2009), explica que las arenas con contenidos de cuarzo son las más adecuadas así como aquellas con sílice. El instituto de adoquines de hormigón de Estados Unidos, (Interlocking Concrete Pavement Institute, ICPI) desarrolló una serie de ensayos a arenas con distinta proporción de sílice, concluyendo que los mejores comportamientos se dan en aquellas que poseen un mayor porcentaje de sílice. No existen muchos estudios al respecto, y dado que las características de las arenas son locales, estos resultados no pueden extrapolarse a otros casos.
Base y subbase
Al igual que con otros tipos de pavimentos la base y subbase tienen por objetivo disipar las tensiones que recibe desde las capas superficiales y transmitirlas uniformemente al terreno de fundación, para así controlar las deformaciones en el tiempo.
La base y subbase pueden estar conformadas por suelos granulares o bien estar tratadas con asfalto o cemento. Los principales parámetros de desempeño son el espesor y la calidad, expresada en términos de granulometría, plasticidad y resistencia.
El espesor de base y subbase es una de las principales variables de diseño. Todos los métodos de diseño coinciden en que mayores espesores permiten lograr una mayor resistencia y durabilidad del pavimento.
Los primeros métodos de diseño utilizan espesores mínimos de base del orden de los 100 a 150 mm, con el fin de controlar las deformaciones permanentes (Livneh et al. 1988). Estos espesores mínimos asumen valores medios de capacidad de soporte medida con el ensayo CBR (California Bearing Ratio) de 40% para la subbase y 60 % para la base, asumiendo un CBR de la subrasante de entre 2% y 8%. Esto garantiza además un buen comportamiento resiliente de la base y sub base. Asimismo, con el fin de asegurar drenabilidad y resistencia a las heladas, diversas investigaciones recomiendan considerar bases y subbases con porcentaje de finos inferiores a 15%, baja plasticidad y espesores superiores a los 250 mm (Beaty, 2000). Puesto que la humedad afecta directamente la resistencia de las bases y subbases granulares, el control de la humedad durante la compactación también permite controlar la resistencia.
Subrasante
Para un cierto nivel de tráfico, la resistencia de la subrasante es la que determina la estructuración del pavimento y por consiguiente el espesor de cada una de sus capas constitutivas. La mayoría de los métodos de diseño utilizan para caracterizarla el valor CBR, aun teniendo en cuenta las limitaciones de este indicador. No obstante lo cual, existe una corriente creciente en la ingeniería de pavimentos y en particular en el caso de los pavimentos de adoquines, de estudiar más bien el comportamiento resiliente, puesto que permite caracterizar de una manera más precisa el comportamiento a la fatiga de la subrasante.
