Analizando la integridad del asfalto

La información en tiempo real de la densidad e uniformidad del asfalto puede aumentar considerablemente la calidad de la construcción. Por*Roger Roberts, GSSI

El asfalto correctamente compactado es uno de los principales factores en la vida operativa de una carretera ya que cuando se realiza de forma incorrecta suele deteriorarse con mayor rapidez. Con las cantidades ingentes de capital invertido en construcción y reparación de carreteras cada año, se ha convertido en una cuestión de urgencia encontrar nuevas tecnologías que puedan garantizar la integridad del asfalto en carreteras recién pavimentadas. La nueva tecnología de ondas de radio está disponible para determinar de una forma no destructiva la densidad del asfalto durante la aplicación.

El contenido de vacío de aire durante el asfalto varia en función de la cantidad de compactación durante el emplazamiento del asfalto y las variaciones en la composición de la mezcla del asfalto. El asfalto con demasiados vacíos de aire (a menudo considerado con más del 8%) se deteriora con mayor rapidez. Demasiado pocos vacíos de aire (menos del 3%) se produce por el asfalto sobre compactado, lo cual es también no deseable. En cualquier caso, el asfalto es sujeto a fallos tempranos y la vida útil de la carretera es menor que el asfalto que contiene el contenido óptimo de vacío de aire.

Los ingenieros civiles están buscando la forma de alcanzar el punto óptimo de la compactación del asfalto. Por lo general analizan el asfalto midiendo las variaciones de densidad que puede usarse para calcular el contenido de vacío de aire.

Para garantizar la compactación óptima, el asfalto debería mantenerse a un rango de temperaturas específicos al ser extendido. Si la extendedora y los vehículos de transferencia no realizan un buen trabajo manteniendo el material uniformemente caliente, puede haber áreas con parques en frío. Cuando se usa el rodillo en áreas fuera del rango de temperatura óptima, no puede compactar el material correctamente. Por ejemplo, esos parches fríos pueden darse si la extendedora de asfalto se rellenada desde volquetes con carga trasera, lo que enfría el asfalto más cerca de los laterales de metal y al final del camión más que en el medio. Algunas carreteras pobremente pavimentadas tienen defectos regularmente espaciados asociados con los camiones con volquete trasero.

Puede que no sea posible que notemos esas áreas al principio pero es muy probable que resulte obvio más adelante. De hecho, hay muchas carreteras donde es posible observar un parche frío cada cientos de metros que se está empezando a deteriorar. Si el personal no detecta el problema durante la pavimentación, puede que sea necesario repavimentar la carretera mucho antes de si aplicamos el material correctamente.
Otro problema de compactación sucede cuando el patrón establecido del rodillo no se sigue correctamente. El rodillo del patrón se refiere al número de veces, a la velocidad y el patrón que deberían emplear los rodillos cuando operan sobre asfalto nuevo y logran una compactación óptima. Si nos perdemos una sección y no compactamos el material con el número correcto de rodillos, se pueden crear áreas con una compactación defectuosa.

Descubrir y corregir cualquier patrón de rodillo durante los primeros días de un Proyecto de pavimentación beneficia tanto al propietario como al contratista ya que las especificaciones de los contratos pueden incluir requerimientos sobre cómo extender el asfalto en términos de contenidos de vacío aceptable. Los contratos también pueden incluir un bono por conseguir el contenido de vacío de asfalto específico o una penalización si el personal va más allá de esas especificaciones.

Existen diversos métodos disponibles que se pueden usar para medir las variaciones de densidad de asfalto, que luego se usan para calcular la variación de contenido de vacío. Un método de muestreo no destructivo es el medidor nuclear de densidad, que consiste en una Fuente de radiación que emite una nube de partículas y un sensor que cuenta las partículas recibidas que son esparcidas por el material de muestreo. Al calcular el porcentaje de partículas que vuelven al sensor, el medidor puede calibrarse para medir la densidad de la estructura interna del material de muestra.

Si bien es bastante preciso, el medidor nuclear de densidad tiene varias desventajas. El medidor es posicionado en el asfalto y toma medias en un periodo de tiempo específico, por lo general unos pocos minutos o menos. El método requiere contacto, lo que obliga al aparato a mantenerse estático en el punto de medición. Debido a la longitud del tiempo requerido para la medición, estas mediciones se toman de forma esparcida. La recogida de estas mediciones de ciertos puntos no capta de forma adecuada la variabilidad del asfalto.

Además, como usa material radioactivo, el medidor nuclear de densidad requiere un entrenamiento y almacenamiento seguro. También hay requisitos de transporte especiales. El re licenciamiento, mantenimiento y la re calibración requieren de tarifas que pueden ser de en torno a US$2.000 anuales.

Similar al medidor nuclear de densidad, el medidor de densidad no nuclear realiza la medición de la impedancia eléctrica. Se realiza un procedimiento de calibración para correlarlo a la densidad. Como el medidor nuclear de densidad, el método es bastante limitado ya que muestrea solo porciones muy pequeñas del asfalto.

Como los medidores de densidad nuclear y no nuclear pueden recoger solo un valor en un área grande, siendo incapaces de detectar todas las variaciones en contenido de vacío que pueden ser importantes para garantizar un trabajo de pavimentación de calidad.

Otra opción es el uso de ondas de radio que pueden permitir obtener mediciones de tiempo real sobre una gran porción del pavimento en cortos periodos de tiempo. Los reflejos de la onda de radio del asfalto pueden usarse para calcular directamente los valores dieléctricos del asfalto, los cuales son luego correlacionados con el contenido de vacío en el Nuevo pavimento, una indicación relativa de la densidad.

Otro método que deberíamos mencionar es la extracción de núcleos (coring, en inglés), cuando se extrae un núcleo del asfalto para medir sus propiedades. Este es un método primario de la evaluación de la compactación del asfalto que es apoyado por las mediciones de otros métodos. La extracción de núcleos se realiza de forma limitada ya que a menudo infrarrepresenta la verdadera variabilidad del contenido de vacío de asfalto.

La relación inicial entre el contenido de vacío y la condición de la carretera ha sido conocida por un largo tiempo. A finales de los 90 los investigadores del Instituto de Transporte de Texas descubrieron la relación entre el dieléctrico calculado por un radar de penetración de suelo, un uso específico de las ondas de radio y el contenido de vacío.

Los investigadores luego desarrollaron una metodología de trabajo para el uso de tecnologías infrarrojas y de ondas de radio para mejorar los resultados de la mezcla de asfalto y la calidad de la compactación. Luego buscaron una forma de comercializarlo para que los departamentos estatales de transporte pudieran usarlo fácilmente.

Con anterioridad, el uso de la tecnología GPR requería de equipos especializados, un montón de interpretación de datos y un número de pasos manuales. En 2013, este instituto texano comenzó a trabajar con GSSI para crear un aparato más amigable que proporcionara perfilado en tiempo real de la uniformidad de la mezcla de asfalto. El trabajo se hizo como parte del Programa Estratégico de Investigación de carreteras (Strategic Highway Research Program, en inglés) o SHRP 2, de la administración federal de autopistas estadounidense.

En los siguientes años, GSSI desarrolló la tecnología del PaveScan RDM que usó en diversos estudios. La tecnología sin contacto PaveScan utiliza un sensor que generalmente delinea una medición de cada 15 cm a lo largo del tramo viajado, por lo que 1.500 de datos incluye 10.000 mediciones por cada sensor usado.

La institución texana descubrió que PaveScan supera los problemas de maquinaria, proceso de datos y personal experto que existieron en el pasado. Por ello afirmó que “descubrimos la utilidad de GPR en todos los proyectos piloto, donde los resultados del radar proporcionaron mediciones cuantitativas de la densidad y uniformidad”.

GSSI desarrolló luego el Sistema de tres canales que puede ir montado sobre un vehículo para obtener mediciones de vacío en movimiento con un solo pase, cubriendo la ruta de la rueda y el espacio entre las rutas de la rueda. Un sensor está ubicado en una ruta de la rueda y el otro en la otra por lo que se consiguen datos de tres mediciones por cada 15 cm recorridos. De esta forma, 1.500 metros equivaldrán a 30.000 mediciones, todas recogidas en apenas 20 minutos.

El Sistema PaveScan RDM ofrece una serie de beneficios. En primer lugar garantiza la integridad del asfalto en carreteras recién pavimentadas. Ahora, cuando un contratista se hace cargo de una nueva carretera, se calcula con precisión el contenido de vacío de asfalto en una gran área. En Segundo lugar, el Sistema es fácil de usar, lo que reduce el nivel de experiencia necesaria a unos términos manejables.

En tercer lugar, es un método muy rápido que se puede adaptar a un vehículo. Los beneficios de la seguridad que implica no tener a alguien de pie en un carril junto al tráfico en movimiento son enormes.

Con anterioridad, el prototipo del PaveScan desarrollado por GSSI se usó en la evaluación como parte del proyecto SHRP 2. Este año, GSSI produjo una unidad de 3 canales de producción para TTI, que la está usando para ampliar su investigación. Otros departamentos de transporte estatales en EE.UU han adquirido unidades adicionales.

*Roger Roberts trabaja en GSSI