El escalonamiento es el desplazamiento vertical en una junta transversal o grieta en pavimento de concreto, creando un ’escalón’ sentido por los vehículos al cruzar la junta. Resulta de asentamiento diferencial, pérdida de soporte o bombeo. Abarca la medición FHWA LTPP (mm), la relación con la eficiencia de transferencia de carga en juntas, los efectos en la calidad de rodadura y la detección mediante LiDAR o imágenes estéreo.
El escalonamiento se define como el desplazamiento vertical o diferencia de elevación a través de una junta transversal o grieta en un pavimento de concreto Portland con juntas (JPCP). En el Manual de Identificación de Deterioros del Programa de Desempeño de Pavimentos a Largo Plazo de la FHWA (Quinta Edición Revisada, FHWA-HRT-13-092), el escalonamiento se clasifica dentro de Deterioros Misceláneos como tipo de deterioro número 12: “Escalonamiento de Juntas Transversales y Grietas”, medido en milímetros. La clasificación sitúa al escalonamiento junto con reventones, desnivel carril-hombro, separación carril-hombro, deterioro de parches y exudación/bombeo de agua como tipos de deterioros misceláneos que no encajan claramente en las categorías de agrietamiento, deficiencia de juntas o defectos superficiales. El escalonamiento se refiere específicamente a una condición donde la losa en el lado de aproximación de una junta está más alta que la losa en el lado de salida, creando lo que los ingenieros de pavimentos llaman un “escalón” o “labio” que los vehículos deben superar al viajar a través de la junta. Este escalón se siente como un golpe por los ocupantes del vehículo y se mide como un valor de escalonamiento positivo cuando la losa de aproximación está más alta. Cuando la losa de salida está más alta que la losa de aproximación, la lectura es negativa, aunque el escalonamiento positivo es mucho más común debido al mecanismo predominante de erosión impulsada por bombeo.
El instrumento principal utilizado para la medición en campo del escalonamiento en el programa FHWA LTPP es el Georgia Faultmeter (GFM). Desarrollado por la Oficina de Materiales e Investigación del Departamento de Transporte de Georgia, este dispositivo liviano pesa aproximadamente 3,2 kg y emplea un Transformador Diferencial de Variable Lineal (LVDT) para determinar la diferencia de elevación positiva o negativa en una junta o grieta. El procedimiento de medición está estandarizado: las patas de la base del GFM se colocan sobre la losa de salida en la dirección del tráfico, con la junta centrada entre las guías marcadas en el costado del medidor. La sonda de medición contacta la losa de aproximación, y el movimiento vertical de esta sonda se transmite al LVDT, produciendo una lectura digital en milímetros. Una lectura positiva indica que la losa de aproximación está más alta; una lectura negativa indica que la losa de salida está más alta. En cada junta o grieta, se toman tres mediciones, y se ingresa un valor representativo derivado de estas tres lecturas en la Base de Datos de Desempeño de Pavimentos del LTPP (PPDB). El proceso de medición manual, aunque preciso, requiere control de tráfico, cierres de carril, medidas de seguridad y personal dedicado. Los errores de medición pueden surgir por atascamiento vertical de la varilla de la sonda, no linealidad del LVDT cuando las losas de aproximación y salida no están en el mismo plano, baterías débiles, calibración inadecuada y errores de ingreso de datos con una resolución de lectura de aproximadamente ±1 mm.
El programa LTPP ha desarrollado un algoritmo de Medición Automatizada de Escalonamiento (AFM) para reducir la dependencia de mediciones manuales. Utilizando datos de perfil longitudinal de intervalo de 25 mm recolectados por perfiladores inerciales de alta velocidad (HSIP) como el ICC MDR 4086L3, el algoritmo AFM identifica las ubicaciones de juntas transversales y determina el escalonamiento en cada junta automáticamente. El algoritmo aborda varios desafíos inherentes a la detección automatizada de juntas, incluyendo el espaciamiento variable de juntas que complica las rutinas de búsqueda de patrones, la presencia de grietas que producen falsos positivos, juntas descascaradas que crean valles de elevación que se asemejan a juntas reales, juntas rellenas con selladores o materiales incompresibles que enmascaran la firma de la junta, juntas cerradas debido a la expansión térmica de las losas, juntas sesgadas que confunden los algoritmos de búsqueda de patrones y la deriva del instrumento de medición de distancia. Dos métodos existentes de escalonamiento automatizado AASHTO R 36-12 — ProVAL (desarrollado por el Grupo Transtec utilizando datos de perfilador de intervalo de 25 mm) y PaveSuite (desarrollado por FDOT utilizando datos HSIP de intervalo de 20,7 mm) — han sido evaluados junto con el algoritmo AFM del LTPP. La transición a la medición automatizada de escalonamiento elimina los cierres de carril y reduce la exposición del personal al tráfico, al tiempo que proporciona datos continuos de escalonamiento en secciones completas de pavimento en lugar de mediciones puntuales manuales discretas.
El mecanismo dominante responsable del escalonamiento en pavimentos de concreto con juntas es el bombeo — la eyección hidráulica de agua y material fino desde debajo de las losas de concreto bajo la acción de cargas repetidas de ruedas pesadas. Deben existir tres condiciones necesarias para que se inicie el bombeo: la presencia de agua libre debajo de la losa, un material de base, subbase o subrasante de grano fino o erosionable, y deflexiones frecuentes de la losa bajo cargas de eje pesadas que presurizan el agua atrapada. Cuando una rueda cargada se aproxima y cruza una junta transversal, la losa de aproximación se deflecta hacia abajo, comprimiendo cualquier agua presente en el espacio vacío entre el fondo de la losa y la base subyacente. Esta agua presurizada es forzada lateralmente hacia la abertura de la junta y hacia la superficie del pavimento, transportando partículas finas suspendidas del material de base, subbase o subrasante. A lo largo de miles de repeticiones de carga, este proceso elimina progresivamente material de soporte debajo de la esquina de la losa de aproximación mientras lo deposita debajo de la losa de salida. El resultado neto es una pérdida de soporte debajo de la losa de aproximación — causando que se asiente — y una acumulación de material debajo de la losa de salida — causando que se eleve en relación al lado de aproximación. Este movimiento vertical diferencial es lo que produce el característico escalón escalonado en la junta.
La erosión de los materiales de base y subbase es fundamental para el mecanismo de escalonamiento. Estudios documentados en el Transportation Research Record han demostrado que los finos se eliminan de los materiales no estabilizados principalmente a través de la acumulación de presión de agua intersticial durante la aplicación de carga. La erosionabilidad del material de base, la tasa de eyección de agua, la magnitud de la deflexión de la losa y el número de repeticiones de carga influyen en la tasa a la que se desarrolla el escalonamiento. Las bases tratadas con cemento, las bases de concreto magro y las bases permeables tratadas con asfalto exhiben tasas de erosión significativamente más bajas que las bases granulares no tratadas. El trabazón de agregados en las juntas — el mecanismo natural de transferencia de corte en pavimentos sin pasadores — se deteriora a medida que la erosión progresa, lo que a su vez aumenta las deflexiones de la losa y acelera el bombeo, creando un ciclo de deterioro auto-reforzante. Estudios de laboratorio en la Universidad de Texas y observaciones de campo del programa LTPP han confirmado que las tasas de escalonamiento en JPCP sin pasadores pueden ser de tres a cinco veces mayores que en pavimentos con pasadores con las mismas condiciones de base y tráfico.
El asentamiento diferencial de la subrasante representa una causa distinta pero relacionada de escalonamiento, particularmente en ubicaciones donde las condiciones del suelo cambian abruptamente debajo del pavimento, como en cruces de alcantarillas, accesos a puentes o transiciones entre secciones de corte y terraplén. El asentamiento diferencial difiere del escalonamiento inducido por bombeo en que resulta de la consolidación o compresión a largo plazo de los suelos subyacentes en lugar del transporte hidráulico de material. Sin embargo, los dos mecanismos a menudo interactúan: el asentamiento diferencial crea pequeñas diferencias de elevación iniciales que permiten que el agua se acumule e infiltre en las juntas, lo que luego inicia el bombeo. Además, el alabeo y curvatura de las losas de concreto debido a gradientes térmicos y de humedad contribuyen al desarrollo del escalonamiento. Durante las horas diurnas, la parte superior de la losa está más caliente que la inferior, causando que los bordes de la losa se curven hacia abajo y aumentando las demandas de transferencia de carga en la junta. Por la noche, el gradiente de temperatura se invierte y las esquinas de la losa se curvan hacia arriba, dejando la losa apoyada principalmente en su centro y aumentando el potencial de deflexiones de esquina bajo carga. Estos ciclos diarios de temperatura someten a la junta y a la base subyacente a tensiones cíclicas que aceleran la erosión.
La publicación de investigación de la FHWA Medición Automatizada de Escalonamiento en Pavimentos de Larga Duración (FHWA-HRT-14-092) identifica la combinación de factores que contribuyen al escalonamiento: transferencia de carga ineficiente en las juntas, bombeo de losa, asentamientos de losa, alabeo y curvatura, y condiciones inadecuadas de soporte de la base. El escalonamiento no es únicamente una falla estructural, sino un deterioro que se desarrolla a través de la interacción del diseño estructural, las propiedades de los materiales, las condiciones ambientales y la carga del tráfico a lo largo del tiempo.
El Manual de Identificación de Deterioros del FHWA LTPP clasifica el escalonamiento como un Deterioro Misceláneo (Tipo 12) para pavimentos de concreto Portland con juntas, medido estrictamente en milímetros, sin niveles de severidad definidos. Esto distingue al escalonamiento de los deterioros por agrietamiento como roturas de esquina, grietas longitudinales y grietas transversales, que tienen clasificaciones de severidad Baja, Moderada y Alta. Para el escalonamiento, el valor de medición bruto se registra directamente en la PPDB. Sin embargo, los umbrales de severidad del escalonamiento están implícitamente integrados en la clasificación de deterioros relacionados. Para roturas de esquina (Deterioro Tipo JCP 1), una rotura de esquina se clasifica como de severidad Moderada cuando el escalonamiento de la grieta o junta es menor de 13 mm, y de severidad Alta cuando el escalonamiento es igual o superior a 13 mm. Para grietas longitudinales (Deterioro Tipo JCP 3), los umbrales de escalonamiento se establecen en menos de 13 mm para severidad Moderada y 13 mm o más para severidad Alta. Para grietas transversales (Deterioro Tipo JCP 4), los umbrales son más estrictos: escalonamiento de hasta 6 mm corresponde a severidad Moderada, mientras que escalonamiento de 6 mm o más corresponde a severidad Alta. Estos umbrales integrados proporcionan un marco práctico para evaluar cuándo el escalonamiento ha alcanzado un nivel que, en conjunto con el agrietamiento, justifica una rehabilitación importante.
Dentro del protocolo de recolección de datos del LTPP, las mediciones de escalonamiento se registran en cada junta transversal y grieta en las secciones de prueba JCP durante cada ciclo de monitoreo. Los datos de perfil longitudinal recolectados por HSIP a lo largo de la huella de rueda izquierda, la huella de rueda derecha y el centro del carril desde 1995 proporcionan un registro continuo del cual pueden derivarse tanto el IRI como los valores de escalonamiento automatizado. El algoritmo AFM del programa LTPP procesa estos datos de perfil para calcular el escalonamiento en cada junta detectada, comparándose favorablemente con las mediciones manuales del GFM. La investigación documentada en FHWA-HRT-14-092 demuestra que la correlación entre los valores de escalonamiento del GFM y del AFM es más fuerte en secciones con juntas bien definidas y deterioro superficial mínimo. Las secciones con descascaramiento extenso, parches o sellado de grietas presentan mayores desafíos para la detección automatizada debido a la dificultad de distinguir entre firmas de juntas reales y valles de elevación relacionados con el descascaramiento.
El enfoque estandarizado del programa LTPP ha permitido el análisis a nivel nacional de la progresión del escalonamiento en función de variables de diseño, carga de tráfico, clima y tipo de subrasante. Este conjunto de datos longitudinales — que abarca más de tres décadas para algunas secciones de prueba — ha sido fundamental para calibrar los modelos de predicción de escalonamiento utilizados en el software AASHTOWare Pavement ME Design. El modelo de predicción de escalonamiento del ME Design para JPCP predice el escalonamiento incremental mensual en función del número de aplicaciones de carga de eje, las propiedades estructurales del pavimento, la eficiencia de transferencia de carga, la erosionabilidad de la base y las condiciones climáticas. El modelo distingue entre pavimentos con y sin pasadores, con secciones con pasadores que exhiben un escalonamiento previsto significativamente menor durante la vida útil de diseño debido al mantenimiento de una alta eficiencia de transferencia de carga mediante la acción mecánica de los pasadores.
La eficiencia de transferencia de carga (LTE) en juntas transversales es el porcentaje de una carga de rueda aplicada en un lado de la junta que se transfiere a la losa adyacente a través de la acción de corte. En pavimentos de concreto con juntas, la LTE puede ser proporcionada por el trabazón de agregados (la resistencia al corte natural entre las caras fracturadas del agregado a lo largo de la grieta debajo de la junta), por barras de pasadores de acero mecánicas, o por una base estabilizada que puentea la junta. La LTE se mide utilizando un Deflectómetro de Peso de Caída (FWD) o Deflectómetro de Peso Pesado (HWD), con sensores colocados en ambos lados de la junta. La deflexión en la losa no cargada dividida por la deflexión en la losa cargada, expresada como porcentaje, define la LTE. Una junta con 100 por ciento de LTE transfiere toda la carga; una junta con 0 por ciento de LTE no transfiere nada. Los criterios de aceptación típicos para construcciones nuevas especifican valores mínimos de LTE del 70 al 80 por ciento, mientras que valores por debajo del 50 por ciento generalmente indican deterioro significativo de la junta y desarrollo acelerado de escalonamiento.
El escalonamiento y la LTE comparten una relación recíproca de causa y efecto. Cuando la LTE es alta, las deflexiones de la losa en la junta se minimizan, lo que reduce la acción de bombeo y la erosión de los materiales de base que causan el escalonamiento. Cuando la LTE se degrada — ya sea porque el trabazón de agregados se deteriora debido al ensanchamiento de la grieta o porque las barras de pasadores se aflojan dentro del concreto — las deflexiones de la losa aumentan. Las deflexiones aumentadas amplifican la acción de bombeo hidráulico, acelerando la erosión y el escalonamiento. A medida que el escalonamiento aumenta, la geometría de la junta cambia, degradando potencialmente aún más la LTE al crear un escalón que obliga a las barras de pasadores a actuar en flexión en lugar de corte puro, o al abrir más la junta y reducir el trabazón de agregados. Este ciclo de retroalimentación explica por qué las secciones de JPCP sin pasadores con buen trabazón de agregados inicial pueden experimentar un escalonamiento que se acelera rápidamente una vez que comienza la erosión.
La investigación publicada por el Centro Nacional para la Preservación de Pavimentos y documentada en informes de la FHWA ha cuantificado la fuerte correlación entre LTE y escalonamiento. Los estudios muestran que una disminución del 10 por ciento en la LTE corresponde a un aumento aproximado del 20 al 30 por ciento en la tasa de desarrollo de escalonamiento en pavimentos sin pasadores. En pavimentos con pasadores, la relación es menos directa porque los pasadores de acero mantienen una transferencia de carga positiva incluso después de que ha ocurrido una erosión significativa de la base. Sin embargo, una vez que se desarrolla la holgura de los pasadores — a menudo detectable como un sonido “hueco” característico durante las pruebas con FWD o visible como anillos pulidos en los pasadores extraídos — el escalonamiento típicamente progresa rápidamente porque el pasador suelto proporciona una resistencia al corte reducida y permite que la losa de aproximación bombee y se asiente.
El diámetro de la barra de pasadores es la variable de diseño más importante que controla la LTE y, en consecuencia, el escalonamiento. Un estudio paramétrico de elementos finitos publicado en la revista Buildings (MDPI, 2024) encontró que aumentar el diámetro de la barra de pasadores produce aproximadamente un aumento del 3 por ciento en la LTE. Por el contrario, aumentar la abertura de la junta entre losas conduce a una disminución aproximada del 2,1 por ciento en la LTE. Los diámetros estándar de pasadores varían de 25 mm (1 pulgada) para carreteras de tráfico ligero a 38 mm (1,5 pulgadas) para autopistas interestatales, con pasadores de 50 mm (2 pulgadas) especificados para algunos pavimentos portuarios e industriales pesados. La guía de diseño AASHTO 1993 especifica el diámetro del pasador en función del espesor de la losa, con la regla general de que el diámetro del pasador debe ser un octavo del espesor de la losa. La alineación adecuada de los pasadores durante la construcción es esencial: los pasadores desalineados que bloquean la junta contra el movimiento horizontal pueden causar agrietamiento y descascaramiento, mientras que los pasadores demasiado sueltos o demasiado apretados en el concreto pueden reducir la LTE.
El escalonamiento degrada la calidad de rodadura al introducir una discontinuidad vertical periódica en el perfil longitudinal del pavimento. Cada vez que el eje de un vehículo cruza una junta escalonada, la suspensión experimenta un impulso que contribuye a la rugosidad general percibida por los ocupantes del vehículo. El Índice de Rugosidad Internacional (IRI) — la medida estandarizada globalmente de la rugosidad del pavimento expresada en metros por kilómetro (m/km) o pulgadas por milla (in/mi) — captura el efecto acumulativo de todas las irregularidades de la superficie en la respuesta de una simulación estandarizada de cuarto de carro. El escalonamiento aumenta directamente el IRI porque el escalón en cada junta se suma al desplazamiento acumulado de la suspensión a lo largo de la sección. La investigación publicada por la FHWA en Relacionando la Calidad de Rodadura y la Adecuación Estructural para la Rehabilitación y Gestión de Pavimentos demuestra una fuerte correlación lineal entre la tasa de cambio en los valores de escalonamiento y la tasa de cambio en el IRI en JPCP. En secciones con espaciamiento de juntas transversales de 4,6 metros (15 pies), los valores de escalonamiento de 2,5 mm en cada junta contribuyen aproximadamente 0,5 m/km (32 in/mi) al IRI total, mientras que el escalonamiento de 5 mm en cada junta contribuye aproximadamente 1,0 m/km (63 in/mi).
El Índice de Serviciabilidad Presente (PSI) — una escala de 0 a 5 desarrollada durante la Prueba de Carreteras AASHO (1958-1960) — sigue siendo la base para las decisiones de diseño y rehabilitación de pavimentos en los Estados Unidos. El PSI se deriva de mediciones físicas de rugosidad, agrietamiento, parches y ahuellamiento (para pavimentos flexibles) o escalonamiento y agrietamiento (para pavimentos rígidos). La ecuación del PSI para pavimentos rígidos incorpora el escalonamiento medio de juntas como una variable de entrada directa: los valores más altos de escalonamiento reducen el PSI calculado. Un PSI de 5,0 representa un pavimento perfecto; un PSI de 2,5 representa el nivel de serviciabilidad terminal en el cual se requiere rehabilitación importante. La relación entre el escalonamiento y el PSI es aproximadamente lineal en el rango de escalonamiento comúnmente encontrado en servicio, con cada milímetro adicional de escalonamiento medio de juntas reduciendo el PSI en aproximadamente 0,05 a 0,10 unidades, dependiendo de la forma específica de la ecuación y la contribución de otros deterioros.
Los valores umbral derivados de estudios de campo y encuestas de usuarios establecen límites de escalonamiento accionables para la gestión de pavimentos. El escalonamiento se vuelve perceptible para los ocupantes del vehículo a aproximadamente 2,5 mm (0,1 pulgada) de escalonamiento promedio en una sección de pavimento. A 4 mm (0,15 pulgada) de escalonamiento promedio, la calidad de rodadura se ha degradado suficientemente para que se considere el rectificado con diamante u otras medidas de rehabilitación. La Guía de Rectificado con Diamante de la FHWA (2001) y las actualizaciones posteriores identifican el escalonamiento como un candidato principal para el tratamiento de rectificado con diamante, que puede restaurar la suavidad del pavimento eliminando mecánicamente el escalón. Las implicaciones económicas de la rugosidad inducida por el escalonamiento son significativas: los aumentos en el IRI de 1 m/km se han correlacionado con aumentos en los costos operativos de los vehículos de aproximadamente 2 al 5 por ciento para camiones pesados, abarcando consumo de combustible, desgaste de neumáticos, mantenimiento de suspensión y daño a la carga. Durante la vida útil de diseño de una carretera principal que transporta 20.000 vehículos por día, la penalización acumulativa de costo para el usuario por escalonamiento no controlado puede ascender a decenas de millones de dólares.
Los umbrales de IRI para las calificaciones de condición del pavimento proporcionan orientación operativa. Según los estándares de la FHWA, un IRI menor de 1,50 m/km (95 in/mi) corresponde a una calificación “Buena”, IRI entre 1,50 y 2,68 m/km (95-170 in/mi) a “Regular”, e IRI superior a 2,68 m/km (170 in/mi) a “Mala”. En secciones de JPCP con escalonamiento severo, la contribución del escalonamiento por sí sola puede llevar un pavimento de Regular a Malo, activando la rehabilitación obligatoria bajo las políticas federales y estatales de gestión de pavimentos. Esta consecuencia financiera directa del escalonamiento — combinada con la fuerte percepción pública de la suavidad como un indicador de la calidad de la carretera — ha convertido el control del escalonamiento en un objetivo central de la práctica de diseño, construcción y preservación de pavimentos de concreto.
El escalonamiento en pistas de concreto de aeropuertos presenta un conjunto distinto de consideraciones de desempeño, seguridad e inspección que lo diferencian del escalonamiento en carreteras. Las consecuencias de incluso pequeños desplazamientos verticales se amplifican a las velocidades operativas de las aeronaves: una junta escalonada que produce un golpe apenas perceptible en un automóvil de pasajeros a 100 km/h se convierte en un impacto significativo a velocidades de contacto de aeronaves de 240 a 290 km/h (130 a 160 nudos). La Circular de Asesoramiento de la FAA 150/5320-6G (Diseño y Evaluación de Pavimentos Aeroportuarios) y los estándares de la ICAO establecen tolerancias más estrictas para las desviaciones de la superficie de la pista que para los pavimentos de carreteras. Las desviaciones verticales en las juntas deben monitorearse de cerca porque pueden desencadenar oscilaciones del tren de morro conocidas como “shimmy”, acelerar la fatiga del tren de aterrizaje y, en casos severos, contribuir a la pérdida de control direccional durante el despegue crítico.
El entorno de carga en las pistas de aeropuertos difiere fundamentalmente del de las carreteras. Las aeronaves aplican menos repeticiones de carga — un aeropuerto hub importante podría registrar de 1.000 a 2.000 salidas diarias en comparación con decenas de miles de pasadas de eje de camiones en una autopista interestatal — pero cada carga de aeronave es dramáticamente más pesada. Un Boeing 777-300ER completamente cargado aplica aproximadamente 34 toneladas por puntal del tren de aterrizaje principal, distribuidas a través de un bogie de seis ruedas, mientras que un Boeing 747-8 completamente cargado aplica aproximadamente 30 toneladas por puntal del tren de fuselaje y 22 toneladas por puntal del tren de ala. Estas cargas concentradas producen zonas de influencia de tensión más profundas dentro de la estructura del pavimento, movilizando potencialmente agua y material erosionable a mayores profundidades que las cargas de carretera. Los pavimentos de concreto de aeropuertos se diseñan en consecuencia con losas más gruesas — típicamente de 350 a 500 mm (14 a 20 pulgadas) — y capas de base estabilizada robustas para resistir las cargas pesadas del tren de aterrizaje y minimizar las deflexiones que impulsan el bombeo y el escalonamiento.
La inspección del escalonamiento en pistas de aeropuertos enfrenta restricciones prácticas que no están presentes en la inspección de carreteras. Los cierres de pista para la medición manual de escalonamiento utilizando dispositivos como el Georgia Faultmeter son extremadamente costosos en términos de interrupción operativa y deben programarse dentro de ventanas de tiempo muy estrechas, a menudo durante la noche o en períodos de bajo tráfico. Esto ha impulsado la adopción de tecnologías de inspección automatizada de alta velocidad que pueden recopilar datos de escalonamiento sin cierre de pista, utilizando vehículos que operan a velocidades de carretera en la pista durante breves períodos de acceso autorizado. El programa del Sistema de Gestión de Pavimentos Aeroportuarios (APMS) de la FAA y las directrices de Gestión de Pavimentos de Aeródromos de la ICAO enfatizan la necesidad de un monitoreo automatizado continuo de la condición de la superficie de la pista, con la detección de escalonamiento integrada en estudios más amplios del Índice de Condición del Pavimento (PCI).
La prevención del escalonamiento en pistas de aeropuertos se basa en los mismos principios fundamentales que los pavimentos de carreteras — transferencia de carga positiva a través de barras de pasadores o bases estabilizadas, drenaje subterráneo efectivo y materiales de base resistentes a la erosión — pero los estándares de ejecución son más altos. Las barras de pasadores en pistas de aeropuertos son típicamente de mayor diámetro y están más espaciadas que los pasadores de carreteras, reflejando las configuraciones más anchas del tren de aterrizaje de las aeronaves y la necesidad de transferir cargas entre paneles de losa de mayores dimensiones en planta. La FAA especifica pasadores recubiertos de epoxi resistentes a la corrosión para todas las juntas de pistas y calles de rodaje. Los sistemas de sellado de juntas deben mantenerse meticulosamente para prevenir la infiltración de agua, ya que las consecuencias del escalonamiento inducido por bombeo en una pista principal pueden requerir cierres de emergencia y una rehabilitación no planificada costosa. Algunos aeropuertos han adoptado barras de pasadores de acero inoxidable o pasadores de polímero reforzado con fibra (FRP) en entornos agresivos para eliminar los problemas de corrosión durante la vida útil de diseño del pavimento de 30 a 40 años.
La evolución de la tecnología de detección de escalonamiento ha progresado desde mediciones puntuales manuales hasta sistemas automatizados continuos de alta velocidad capaces de inspeccionar redes completas de aeropuertos y carreteras en una fracción del tiempo requerido por los métodos tradicionales. El perfilógrafo — originalmente una regla rodante con capacidad de registro — fue la primera herramienta sistemática para medir desviaciones del perfil longitudinal, incluyendo el escalonamiento. El Perfilógrafo de California, con su distancia entre ejes de 7,6 metros (25 pies) y una rueda de detección central conectada a un registrador gráfico, produce un trazado de perfil a partir del cual se pueden contar los golpes individuales que exceden una banda de supresión especificada (típicamente 5 mm por 0,1 km) para calcular un Índice de Perfil. Si bien los perfilógrafos pueden detectar juntas escalonadas como picos discretos en el trazado del perfil, no miden directamente la magnitud del escalonamiento y están siendo reemplazados cada vez más por perfiladores inerciales que registran datos de elevación real en lugar de desviaciones relativas.
Los perfiladores inerciales de alta velocidad (HSIP) se han convertido en la herramienta estándar para la medición automatizada de escalonamiento tanto en aplicaciones de carreteras como de aeropuertos. Un perfilador inercial utiliza un acelerómetro montado en la carrocería del vehículo para establecer un plano de referencia inercial, un sensor de distancia sin contacto (láser o infrarrojo) para medir la distancia desde el vehículo hasta la superficie del pavimento, y un instrumento de medición de distancia (DMI) para registrar la posición a lo largo del pavimento. Combinando los datos de aceleración vertical — doblemente integrados para obtener desplazamiento — con la medición de altura de la superficie, el perfilador calcula el perfil de elevación real del pavimento a intervalos de muestreo tan finos como 1 mm e intervalos de reporte de 25 mm o menos. El algoritmo AFM del programa LTPP procesa estos datos de perfil a través de una secuencia de operaciones: primero, las posibles ubicaciones de juntas se identifican detectando cambios de elevación localizados que exceden un umbral; luego, se analiza una región alrededor de cada junta candidata para calcular el escalonamiento característico en esa ubicación ajustando líneas a los perfiles de las losas de aproximación y salida y calculando el desfase vertical entre ellas. La norma AASHTO R 36-12 define dos métodos establecidos: ProVAL (Método A), que utiliza una línea base de 300 mm y regresión lineal a cada lado de la junta, y PaveSuite (Método B), que emplea un algoritmo de detección de pendiente optimizado para datos de perfil de FDOT.
La tecnología LiDAR (Detección y Medición por Luz) representa la frontera actual en la detección de escalonamiento en pavimentos. Los sistemas LiDAR móviles montados en vehículos de inspección emiten pulsos láser a velocidades de hasta 2 millones de puntos por segundo, registrando las coordenadas tridimensionales de cada punto reflejado con una precisión milimétrica. La nube de puntos 3D densa resultante captura la geometría completa de la superficie del pavimento, a partir de la cual el escalonamiento en las juntas puede extraerse algorítmicamente. La detección de escalonamiento basada en LiDAR ofrece varias ventajas sobre los métodos basados en perfiladores: captura el perfil transversal completo en lugar de huellas de rueda individuales, lo que permite la detección de escalonamiento diferencial a lo largo del ancho del carril; puede capturar simultáneamente otros deterioros del pavimento como ahuellamiento, agrietamiento y textura superficial; y la nube de puntos densa admite análisis retrospectivo y refinamiento de algoritmos sin requerir recolección adicional de datos de campo. La investigación publicada en el Journal of Infrastructure Systems y presentada en las reuniones anuales de la Junta de Investigación del Transporte ha demostrado que las mediciones de escalonamiento derivadas de LiDAR se correlacionan con las mediciones manuales del GFM con valores de R² que superan 0,90 en superficies de pavimento bien mantenidas. Las limitaciones principales del LiDAR son el costo y los requisitos de procesamiento de datos — un solo kilómetro-carril genera gigabytes de datos de nube de puntos que requieren software especializado y recursos computacionales para procesar.
Los sistemas de visión estéreo ofrecen un enfoque complementario al LiDAR para la detección automatizada de escalonamiento. Utilizando cámaras emparejadas montadas en un vehículo de inspección, la visión estéreo reconstruye la superficie tridimensional del pavimento mediante triangulación, similar al principio de la percepción de profundidad humana. Las implementaciones modernas combinan cámaras estéreo con módulos del Sistema de Posicionamiento Global (GPS) y unidades de medición inercial (IMU) para un georreferenciado preciso. Un estudio de 2024 publicado en la revista Results in Engineering (Implementación de un Sistema de Inspección Integral de Pavimentos de Bajo Costo) demostró que los sistemas de cámaras estéreo pueden lograr una precisión de detección de escalonamiento comparable a la de los perfiladores dedicados a una fracción del costo del equipo. Los algoritmos de aprendizaje profundo — particularmente las redes neuronales convolucionales (CNN) y las arquitecturas U-Net — entrenados en conjuntos de datos etiquetados de imágenes y nubes de puntos de pavimentos pueden identificar automáticamente las ubicaciones de las juntas, clasificar la severidad del escalonamiento y distinguir el escalonamiento de otras anomalías de elevación como descascaramiento, parches y escombros. La detección automatizada de deterioros de pavimento a nivel de píxel basada en visión estéreo y aprendizaje profundo, como se describe en la investigación de la Universidad de Monash, integra imágenes estéreo multivista con segmentación semántica para producir mapas completos de condición del pavimento que incluyen escalonamiento, agrietamiento y deformación superficial en una sola pasada.
La prevención efectiva del escalonamiento comienza en la etapa de diseño del pavimento con tres elementos interdependientes: transferencia de carga positiva a través de barras de pasadores, bases estabilizadas resistentes a la erosión y drenaje subterráneo integral. Las barras de pasadores son la contramedida más directa y efectiva contra el escalonamiento. Al proporcionar una transferencia de corte mecánica positiva a través de la junta, los pasadores mantienen una LTE alta durante toda la vida útil del pavimento, reduciendo drásticamente las deflexiones de la losa y la acción de bombeo que impulsa el escalonamiento. El diámetro, la longitud, el espaciamiento y la profundidad de empotramiento de las barras de pasadores son todos parámetros de diseño críticos. La práctica estándar para pavimentos de carreteras especifica barras de acero redondas lisas recubiertas de epoxi espaciadas a 300 mm (12 pulgadas) entre centros a través de la junta transversal. La longitud del pasador debe ser suficiente para transferir el corte mientras permite que la junta se abra y cierre con la expansión y contracción térmica — típicamente 460 mm (18 pulgadas) para espaciamiento de junta estándar de 4,6 metros (15 pies). Las barras de pasadores deben colocarse a la profundidad media de la losa (tolerancia de ±20 mm) y alineadas paralelamente tanto a la superficie del pavimento como a la línea central del carril (±10 mm horizontal y vertical). Los pasadores desalineados que restringen el movimiento de la junta causan agrietamiento y descascaramiento del concreto adyacente, mientras que los pasadores sueltos proporcionan una LTE reducida y pueden empeorar en lugar de prevenir el escalonamiento. Las cestas de barras de pasadores o los insertadores mecánicos (DBI) se utilizan durante la construcción para colocar las barras en la posición y alineación correctas antes de verter el concreto.
Las bases estabilizadas proporcionan una plataforma firme y resistente a la erosión debajo de la losa de concreto que resiste la acción de socavación hidráulica del bombeo. La Asociación Americana de Pavimentos de Concreto y la FHWA identifican las bases tratadas con cemento (CTB), las bases de concreto magro (LCB) y las bases permeables tratadas con asfalto (ATPB) como opciones efectivas de bases estabilizadas. Las bases tratadas con cemento con contenidos de cemento del 3 al 5 por ciento en peso desarrollan suficiente resistencia y cohesión para resistir la erosión mientras permanecen lo suficientemente flexibles para acomodar los movimientos de la losa. Las bases de concreto magro, con resistencias a la compresión de 5 a 10 MPa (700 a 1.500 psi), proporcionan la mayor resistencia a la erosión pero también son las más costosas. Las bases permeables tratadas con asfalto combinan drenaje y resistencia a la erosión en una sola capa: el esqueleto de agregado de gradación abierta estabiliza la base contra la erosión mientras que los vacíos interconectados permiten que el agua drene lateralmente hacia los drenajes de borde. Los datos del LTPP han demostrado de manera concluyente que las secciones de JPCP construidas sobre bases estabilizadas desarrollan escalonamiento a tasas 40 a 60 por ciento más bajas que aquellas sobre bases granulares no tratadas, manteniéndose iguales todos los demás factores. La diferencia de rendimiento es más pronunciada en rutas de alto tráfico y en climas húmedos donde el potencial de bombeo es mayor.
El drenaje subterráneo aborda la causa raíz del bombeo al eliminar el agua que hace posible el bombeo. Un sistema de drenaje de pavimento correctamente diseñado incluye una capa de drenaje permeable (ya sea una base permeable tratada o una capa de drenaje de gradación abierta separada), drenajes de borde longitudinales con tuberías colectoras perforadas y estructuras de salida positivas que descargan el agua a la superficie o a alcantarillas pluviales. La capa de drenaje debe tener una permeabilidad de al menos 300 m/día (1.000 pies/día) para conducir rápidamente el agua hacia los drenajes de borde, y debe estar protegida contra la obstrucción mediante un separador geotextil o un filtro de agregado graduado. Los drenajes de borde deben colocarse a una profundidad que permita el flujo por gravedad y deben inspeccionarse y mantenerse regularmente — un drenaje de borde obstruido no proporciona ningún beneficio y puede incluso atrapar agua debajo del pavimento. La investigación de la FHWA y los departamentos de transporte estatales ha demostrado que las secciones de JPCP con drenajes de borde funcionales desarrollan escalonamiento a tasas 30 a 50 por ciento más bajas que las secciones sin drenaje en entornos similares. En regiones con niveles freáticos altos, el sistema de drenaje puede necesitar incluir subdrenes que bajen el nivel del agua subterránea por debajo de la estructura del pavimento, ya que el agua que asciende desde abajo es tan dañina como la que se infiltra desde arriba.
El sellado de juntas es una medida de prevención complementaria que limita la cantidad de agua superficial que ingresa a la estructura del pavimento a través de las juntas. Si bien el sellador de juntas no previene directamente el escalonamiento — el agua ingresa a la estructura del pavimento a través de grietas, hombros y la acción capilar de la subrasante independientemente del sellado de juntas — los sellos de juntas bien mantenidos reducen el volumen de agua disponible para el bombeo y mantienen los materiales incompresibles (arena, piedras) fuera del reservorio de la junta, evitando el descascaramiento y los reventones relacionados con la presión. Los selladores de vertido en caliente, los selladores de silicona y los sellos de compresión preformados se utilizan según el clima, el tráfico y la preferencia de la agencia. El sellador de juntas debe reemplazarse periódicamente a medida que se oxida, se vuelve quebradizo y pierde adhesión — las vidas útiles típicas del sellador varían de 5 a 12 años según el material y el entorno.
Cuando el escalonamiento ya se ha desarrollado en un pavimento en servicio, dos técnicas de rehabilitación complementarias — la rehabilitación con barras de pasadores (DBR) y el rectificado con diamante — pueden restaurar la transferencia de carga, la calidad de rodadura y la integridad estructural sin reemplazo completo de la losa. El DBR es el proceso de instalar barras de pasadores a través de juntas o grietas existentes en un pavimento de concreto con juntas para restaurar la transferencia de carga positiva. El procedimiento comienza con el corte de ranuras de aproximadamente 100 a 150 mm (4 a 6 pulgadas) de ancho, 300 a 400 mm (12 a 16 pulgadas) de largo, que se extienden hasta la profundidad media de la losa a través de cada huella de rueda en ambos lados de la junta. Las ranuras se limpian de residuos de concreto y se inspeccionan para determinar la condición de la base — si es evidente una erosión significativa de la base, se debe realizar una inyección de lechada a presión o mudjacking para rellenar los vacíos debajo de la losa antes de colocar los pasadores. Las barras de pasadores de acero recubiertas de epoxi, típicamente de 32 mm o 38 mm (1,25 o 1,5 pulgadas) de diámetro y 460 mm (18 pulgadas) de largo, se colocan en las ranuras con tapas de extremo o agentes despegantes aplicados en un extremo para permitir que la junta se mueva libremente. Los pasadores deben colocarse a la elevación y alineación correctas utilizando sillas o soportes de posicionamiento, luego las ranuras se rellenan con un mortero cementoso de alta resistencia temprana sin retracción o un concreto polimérico. Después de un período de curado de 2 a 4 horas para materiales de fraguado rápido, el pavimento puede reabrirse al tráfico.
El DBR se ha utilizado ampliamente en los Estados Unidos desde finales de la década de 1980, con el Departamento de Transporte del Estado de Washington sirviendo como el estado líder en el desarrollo y refinamiento de la técnica. El Informe Técnico de la FHWA sobre DBR documenta datos de rendimiento que muestran que el DBR ejecutado correctamente restaura la LTE al 70 al 90 por ciento y reduce el desarrollo posterior de escalonamiento en un 60 al 80 por ciento en comparación con las juntas sin pasadores no tratadas. La longevidad del DBR depende críticamente de la condición de la losa y la base existentes: el DBR no debe instalarse sobre material de base severamente deteriorado, ya que los pasadores requieren concreto sólido y soporte de base adecuado para funcionar correctamente. Las ubicaciones con bombeo activo o pérdida significativa de base deben recibir tratamiento de estabilización de base antes o concurrentemente con el DBR. El DBR es apropiado para magnitudes de escalonamiento entre 3 mm y 12,5 mm (0,125 a 0,5 pulgadas). Por debajo de 3 mm, el escalonamiento no degrada significativamente la calidad de rodadura y no justifica el costo del retrofit. Por encima de 12,5 mm, el daño subyacente a la base y subrasante es típicamente demasiado extenso para un DBR efectivo, y se justifica la reconstrucción de profundidad completa.
El rectificado con diamante es una técnica de restauración superficial que elimina una capa delgada de concreto de la superficie del pavimento utilizando hojas de sierra impregnadas con diamante estrechamente espaciadas montadas en una máquina rectificadora autopropulsada. Las hojas típicamente están espaciadas de 2,5 a 3,2 mm (0,10 a 0,125 pulgadas) de distancia y cortan ranuras de 3 a 5 mm de profundidad en la superficie, produciendo una textura de pana característica. El propósito principal del rectificado con diamante es eliminar el escalonamiento de las juntas al rebajar la superficie elevada de la losa de aproximación hasta el nivel de la losa de salida, restaurando un perfil suave y continuo. El rectificado con diamante también elimina irregularidades superficiales menores, restaura el drenaje transversal al restablecer la pendiente transversal y proporciona una textura superficial silenciosa y resistente al deslizamiento. La Guía de Rehabilitación de Pavimentos de Concreto — Rectificado con Diamante de la FHWA (2001) especifica que el rectificado debe lograr un Índice de Perfil de menos de 160 mm/km (10 in/mi) utilizando un Perfilógrafo de California con una banda de supresión de 5 mm (0,2 pulgadas) — un estándar que equivale a un IRI de aproximadamente 1,6 m/km (100 in/mi) o mejor.
Cuando se combinan el DBR y el rectificado con diamante, proporcionan una estrategia integral de rehabilitación del escalonamiento. El DBR restaura el mecanismo subyacente de transferencia de carga para prevenir el desarrollo futuro de escalonamiento, mientras que el rectificado con diamante corrige el escalonamiento superficial existente y la rugosidad. La investigación publicada por la Asociación Internacional de Ranurado y Rectificado y la FHWA demuestra que el DBR seguido del rectificado con diamante puede extender la vida útil de un pavimento de concreto escalonado en 15 a 20 años, convirtiéndolo en uno de los tratamientos de preservación de pavimentos de concreto más rentables disponibles. Los datos de rendimiento a largo plazo de los experimentos de Estudios Específicos de Pavimentos (SPS) del LTPP muestran que las secciones de JPCP rectificadas con diamante con bases estabilizadas, drenajes de borde y espaciamientos de juntas adecuados mantienen tasas de escalonamiento más bajas después del rectificado en comparación con las secciones sin estas características, confirmando que el rectificado aborda el síntoma (escalonamiento superficial) mientras que el DBR y un buen diseño de base/drenaje abordan la causa (transferencia de carga inadecuada y bombeo).
La rentabilidad de la rehabilitación del escalonamiento debe evaluarse frente a la alternativa de la reconstrucción. Un proyecto típico de DBR y rectificado con diamante cuesta aproximadamente $25 a $45 por metro cuadrado ($3 a $5 por pie cuadrado) en dólares de 2024, en comparación con $80 a $150 por metro cuadrado ($10 a $15 por pie cuadrado) para la reconstrucción de profundidad completa. Esta diferencia de costo, combinada con la duración de construcción más corta (días en lugar de semanas por kilómetro-carril) y la reducida interrupción del tráfico, hace que el DBR y el rectificado sean el tratamiento preferido para pavimentos de concreto escalonados donde la losa y la base subyacentes permanecen estructuralmente adecuadas.
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