Superficies de Alta Fricción Antideslizamiento efectivo

Carlos Rafael Villar Gutiérrez

Marzo 2011

Introducción

En la Red federal de carreteras en México, se han registrado durante los últimos 15 años los siguientes promedios anuales:

62,000 Accidentes 40,000 Lesionados 5,300 Muertos $197, 400, 000 Daños Materialesi.

De manera comparada, se puede analizar el índice de mortalidad en la siguiente tabla:

Índices de muertes por cada 10,000 vehículos automotores

País 1990 1995 2000 2005 2006 2007 2008 2009

México 8.9 7.1 6.7 4.4 4.2 4.1 4.4 4

Canadá 2.3 1.9r 1.7 1.5 1.5 1.4

Estados Unidos 2.3 2 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 ND

Las autoridades tienen identificados los “Puntos negros”, o zonas con mayor siniestralidad en las carreteras. La resistencia al deslizamiento de un pavimento en contacto con los neumáticos de vehículos es uno de los elementos fundamentales de la seguridad en los caminos. Pensando en esto, iniciamos una investigación con el objeto de mejorar la resistencia al deslizamiento de los pavimentos, y se encontró que alrededor del mundo se han desarrollado con éxito varias tecnologías, sobre todo con el uso de agregados sintéticos. La idea original ha consistido en la tropicalización de esas tecnologías ya desarrolladas aunque, debido a que las Materias primas utilizadas se producen en Europa y Norteamérica y los agregados solo se encuentran en África y Asia, se vuelve incosteable su aplicación en México. Esta situación nos condujo a desarrollar localmente los diferentes ligantes con base en la experiencia europea. i Fuente: Policía Federal Preventiva.

Antecedentes: Las tecnologías para reducir el deslizamiento de los vehículos en los pavimentos, principalmente en condiciones húmedas, tuvieron su origen en Inglaterra a partir de 1966, en donde se utilizó por primera vez el concepto de Superficies de Alta Fricción. En 1974 se realizó un estudio en ese mismo país, que demostró una dramática reducción en el índice de accidentes por deslizamiento en un 70%, gracias al empleo de esta tecnología. En 1978 la Highways Agency - organismo homólogo de CAPUFE en UK – introdujo una norma referente al CRT (Coeficiente de Rozamiento Transversal). Ya entonces, se exigía un CRT de 55 en puntos de alto riesgo, como curvas peligrosas o aproximaciones a rotondas, pasos peatonales y cruces (ver tablas 1.1 y 1.2). En 1998, ante el riesgo que supone el uso de técnicas que no fueron diseñadas para este efecto (P.Ej. Morteros y selladores asfálticos, riegos de sello, entre otros), se introduce el un sistema de homologación denominado HAPAS (Highways Authorities Product Approval Scheme), el cual obliga a todas las Superficies de Alta Fricción a estar certificadas por el British Board of Agrement y con un CRT superior a 65 durante un mínimo de 5 años, incluso en zonas de poco tráfico.

Fundamentos: Resistencia a la Rodadura

La resistencia a la rodadura se presenta cuando un cuerpo rueda sobre una superficie, deformándose uno de ellos o ambos. Como veremos, no tiene sentido alguno hablar de resistencia a la rodadura en el caso de un sólido rígido (indeformable) que rueda sobre una superficie rígida (indeformable).

El Coeficiente de Fricción (CF) expresa la oposición al movimiento que ofrecen las superficies de dos cuerpos en contacto. Es un coeficiente adimensional. Usualmente se representa con la letra griega μ (mu).

La mayoría de las superficies, aún las que se consideran pulidas son extremadamente rugosas a escala microscópica. Cuando dos superficies son puestas en contacto, el movimiento de una respecto a la otra genera fuerzas tangenciales llamadas fuerzas de fricción, las cuales tienen sentido contrario a la fuerza aplicada. La naturaleza de este tipo de fuerza está ligada a las interacciones de las partículas microscópicas de las dos superficies implicadas.

El valor del coeficiente de fricción es característico de cada par de materiales en contacto; no es una propiedad intrínseca de un material. Depende además de muchos factores

como la temperatura, el acabado de las superficies, la velocidad relativa entre las superficies, etc.

El CF es un indicador de las condiciones objetivas de seguridad frente al deslizamiento de un pavimento; es por eso que las Administraciones de carreteras deben ocuparse de conocer los valores de CF en sus pavimentos.

En complemento, la medida de la macro textura proporciona una información bastante completa sobre la adherencia neumático-pavimento.

En México, existe un sistema de evaluación de pavimentos Versión 2.0, publicado por el Instituto Mexicano del Transporte de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes en 2004, donde se plantea un nuevo módulo, denominado Coeficiente de Fricción (CF), en el cual es obligatorio determinar valores para cada segmento que se evalúe dentro de la red federal y autopistas. “En lo que respecta a la fricción o resistencia al deslizamiento del pavimento, se considera la condición más desfavorable aquella en la que el pavimento se encuentra mojado. Su medida y estudio es fundamental, sobre todo en caminos de elevada intensidad de tránsito. La fricción se determina en forma indirecta midiendo el coeficiente de rozamiento entre el pavimento artificialmente mojado y una llanta especial. También se puede considerar de forma indirecta, al medir la textura del pavimento con ayuda de técnicas como el cono de arena”. “El valor del coeficiente de fricción para pavimento mojado depende de una serie de factores; algunos inherentes a la carretera, como el estado de la superficie de rodamiento, drenaje, etc; mientras que otros son responsabilidad del usuario (como la velocidad y el estado de las llantas), o de la naturaleza (lluvia, nieve, hielo sobre la carpeta, etc). El coeficiente de fricción está en función de la velocidad y cantidad de agua que exista sobre el pavimento, además del tipo y del estado de la carpeta”. “Al igual que otras características superficiales, los valores del coeficiente de fricción de un pavimento evolucionan con el tiempo, como consecuencia del pulido de la superficie por la acción repetida de las llantas de los vehículos. Esta acción será más o menos intensa dependiendo del tipo de agregado utilizado. Así por ejemplo, para agregados calizos el problema cobra indiscutible importancia, lo que quizá no sea tan marcado cuando se utilizan agregados de origen volcánico. Por tanto, es necesario determinar periódicamente de manera indirecta la resistencia al deslizamiento mediante equipos que determinen el coeficiente de fricción”. “Uno de los equipos más sencillos que proporcionan una medida adecuada del coeficiente de fricción, es el péndulo del TRRL (Transport and Road Research Laboratory), mostrado en la Fig 1.1 y que se describe a continuación”.

Fig 1.1 Péndulo de fricción del TRRL

“Este aparato sirve para obtener un coeficiente de fricción que mantiene correlación con la fuerza de fricción real, y ayuda a valorar las características deslizantes de la superficie de un pavimento”. “Este ensayo consiste en medir la pérdida de energía de un péndulo, cuyas características corresponden a ciertas especificaciones, provisto en su extremo de una zapata de caucho. La pérdida de energía se mide por el ángulo suplementario de la oscilación del péndulo. Los valores de fricción para un pavimento mojado (tabla 1.1) y seco (tabla 1.2), obtenidos con el péndulo TRRL, y producto de la experiencia europea, sirven como apoyo para sugerir un valor de referencia con respecto a la fricción”.

Tabla 1.1

Límites permisibles del coeficiente de fricción para pavimento mojado

Tabla 1.2

Límites permisibles del coeficiente de fricción para pavimento seco Con base en los valores recomendados en las tablas 1.1 y 1.2, para el caso de evaluación en carreteras mexicanas, se sugiere aplicar los siguientes valores mínimos del coeficiente de fricción:

a) Pavimentos flexibles en condiciones secas: 0,80 mín b) Pavimentos flexibles en condiciones húmedas: 0,50 mín

“Entre las acciones más comunes a recomendar para mejorar la fricción, se incluyen:

a) Para el caso de carreteras de la red federal, la aplicación de un tratamiento superficial mediante carpeta de un riego, con material pétreo y emulsión de liga. Para el caso de autopistas, se sugiere una microcarpeta.

b) Para el caso de autopistas con pavimentos rígidos de concreto hidráulico se

recomienda el ranurado longitudinal mediante una fresadora, con ranuras de 0,5 cm de ancho y 0,5 cm de profundidad, espaciamiento de 1 cm para un drenaje superficial eficiente y no permitir la acumulación”. 2

Este documento tiene como finalidad el proporcionar una opción más eficiente y durable para mejorar la fricción en la superficie de los pavimentos, tanto en pavimentos rígidos como para flexibles. 2 Sistema de evaluación de pavimentos versión 2.0. I.M.T. Publicación Técnica No 245

Superficies de Alta Fricción Un CF de 65 en pavimento mojado se podría conseguir temporalmente con agregados triturados naturales, pero el desgaste producido por las frenadas hace que los áridos se pulan rápidamente y la adherencia caiga muy pronto por debajo del mínimo exigido. Por este motivo en las superficies de Alta Fricción se deben utilizar agregados tratados de muy alta resistencia al pulimento, con un CPA (Coeficiente de Pulimento Acelerado) superior a 0,70. Los esfuerzos generados en esas Superficies son muy elevados y pronto se observó que era esencial la utilización de un ligante fuerte y duradero. Ligante La misión del ligante es fijar el Árido a la capa de rodamiento, y en este tipo de superficies donde se busca una alta fricción a largo plazo, es indispensable contar con un ligante durable ante la inclemencia del ambiente al que estará expuesto. La Primera generación de Superficies de Alta Fricción utilizaba ligantes bituminosos, después se concentraron en el uso de resinas sintéticas y a partir de ahí, el éxito de las Superficies de Alta Fricción fue tal que, hoy en día, las utilizan todas las autoridades de carreteras del Reino Unido. Constituyen una medida de bajo coste para aumentar la resistencia al deslizamiento, durante mucho tiempo, en zonas de alto riesgo y alta solicitación, como fuertes pendientes, curvas peligrosas y aproximaciones a rotondas, pasos peatonales, semáforos e intersecciones. En estos puntos, su utilización es obligatoria por normativa, lo que ha contribuido en gran medida a hacer de las carreteras británicas las más seguras del mundo.

La tercera generación de Superficies de Alta Fricción utiliza resinas de poliuretano, de aplicación en frío y no tóxicas, que posibilitan la introducción opcional de color como elemento adicional de señalización, lo que permite anticiparse al peligro y frenar antes. Estas resinas no desprenden vapores, por lo que también pueden aplicarse en túneles y subterráneos. Son resistentes a ácidos y disolventes y su aplicación no requiere maquinaria específica. Con estos ligantes de Poliuretano y un árido tratado adecuado se mantiene un CRT de 80 durante un mínimo de 5 años, con un tráfico de hasta 3.500 vehículos industriales por carril y día. La homologación también abarca su aplicación sobre hormigón por el hecho de conservar una textura superficial superior a 1.2 mm durante toda su vida útil. Árido Sintético Parte importante del éxito de este tipo de Superficies es el tener acceso a un agregado con alto coeficiente de pulimento acelerado (CPA) el cual indica la resistencia de un árido, sometido a ciclos de pulido, a perder aspereza en su textura superficial, comparándolo

con un árido patrón. Cuento mayor es este coeficiente mayor será la resistencia del árido al pulimento. Actualmente, en capas de rodadura, los áridos tienen que presentar un CPA mayor de 44, 50 ó 56, dependiendo de la categoría de tráfico pesado. El Árido deberá cumplir en cualquier caso con los siguientes requerimientos mínimos en cuanto a composición, temperatura de calcinación, resistencia al pulimento y durabilidad y resistencia a la abrasión bajo la acción del tráfico rodado:

- CPA ≥ 0.70 (Coeficiente de Pulimento Acelerado)

- AAV ≤ 4 (Índice de Abrasión del Árido, Aggregate Abrasion Value, según se define en la norma inglesa BS 812) 1990, Part 113 (10)

- % Al2O3 > 80 % (Porcentaje mínimo de alúmina en la composición del árido)

- TC ≥ 1500 ºC (Temperatura de calcinación)

- Humedad ≤ 0.4 % en el momento de la puesta en obra. Sistema: Superficie de Alta Fricción El Sistema estará compuesto por un ligante de poliuretano y un árido 100% Bauxita Calcinada de granulometría en el rango de 1 a 3 mm deberá ser adecuado para su aplicación como Riego Monocapa sobre pavimentos asfálticos o de concreto hidráulico y que presenten una textura superficial de entre 0.5 y 2 mm. ¿Por qué es tan Eficaz las Superficies con esta aplicación? Debido a que la microtextura del árido aumenta el CF de los pavimentos, y a que la macrotextura del revestimiento ayuda a evacuar el agua y evitar el acuaplaneo.

Fig 1.2 Micro y macro Textura de las Superficies de Alta Fricción

Las pruebas de reducción en las distancias de frenado que se realizaron en México arrojaron los datos expresados en las fig. 1.3. y 1.4.

Fig 1.3 Distancias de frenado a 50 km/h sobre carretera mojada

Fig 1.4 Disminución en distancias de frenado en Superficies de alta fricción vs Pavimento flexible convencional nuevo

Otras Cualidades de las superficies de Alta Fricción:

- Impermeable. - Buena resistencia a los hidrocarburos. - Bajo ruido de rodadura. - Durabilidad > 10 años en función del tráfico. - Ausencia total de exudaciones.

Pruebas

La Superficie De Alta Fricción resultante, aplicada sobre pavimentos de asfalto, deberá satisfacer las siguientes prestaciones, ensayadas en laboratorio: 1 Ensayo de desgaste “Wear Test” (método “TRL Report176 (1), Appendix H”)

- Inicial: Textura Superficial (6) 1.4 mm CRD (9) 65

- Tras 100000 ciclos: Textura Superficial (6) 1.2 mm CRD (9) 70 EI (11) (Índice de Erosión) 3

2 Ensayo de desgaste “Scuffing Test” (método “TRLReport 176 (1), Appendix G”) @ 45 °C

- Inicial: Textura Superficial (6) 1.4 mm CRD (9) 65

- Tras 500 ciclos: Textura Superficial (6) 1.2 mm EI (11) (Índice de Erosión) 3

- Después de envejecimiento durante112 días @ 70±3 °C, y tras 500 ciclos: Textura Superficial 1.2 mm EI (11) (Índice de Erosión) 5

3 Asimismo deberán obtenerse resultados satisfactorios tras los Ensayos de “Resistance to Freeze/Thaw” (Resistencia al hielo / deshielo), “Resistance to Diesel” (Resistencia al Gasóleo) y “Thermal Mouvement” (Expansión Térmica), según “TRL Report 176 (1) Appendix L,M,N” respectivamente. Normas Referidas: (1): “TRL (Transport Research Laboratory) Report 176: 1997 Laboratory Tests on High-Friction Surfaces for Highways (including any agreed amendments detailed in Appendix D of the Guidelines Document for the Assessment and Certification of High-Friction Surfaces for Highways (2) )” (2): “Guidelines Document for the Assessment and Certification of High-Friction Surfaces for Highways - HAPAS (Highway Authorities Product Approval Scheme)” / BBA (British Board of Agrément), 1998, rev. 2006” (3): BS 3900: Part F12:1985 (1991) - “Methods of tests for paints - Determination of Resistance to Neutral Salt Spray” (4): ASTM G53-96 Standard Practice for “Operating Light and Water - Exposure Apparatus (Fluorescent UV-Condensation Type) for Exposure of non-metallic materials” (6): NLT-335 Medida de la macrotextura superficial de un pavimento por la técnica volumétrica (7): UNE EN 1097-8 Determinación del Coeficiente de Pulimento Acelerado de los áridos UNE 146130 Áridos para mezclas bituminosas y tratamientos superficiales de carreteras, aeropuertos y otras áreas pavimentadas. (8): NLT-336 Determinación de la resistencia al deslizamiento con el equipo de medida del rozamiento transversal. (9): NLT-175 Medida del coeficiente de resistencia al deslizamiento con el péndulo del TRRL (10): BS 812 (1990), Part 113, “Methods for determination of the Aggregate Abrasion Value (AAV)”, BSI (11): EI, Erosion Index (Indice de Erosión), según se define en “TRL Report 176 (1), Appendix F”

Proceso de Aplicación del Sistema: Superficies de Alta Fricción Todo el material y las herramientas que se vayan a utilizar deben almacenarse y transportarse bajo cubierto, para asegurarse de que se mantienen secos. Entre otros datos, deberán figurar las mediciones de temperatura y humedad ambientales y de temperatura del pavimento, tomadas con instrumentos calibrados con la periodicidad especificada en ese documento. 1 Preparación De Superficies Y Delimitación De Áreas. 1.1 Antes de la aplicación, todas las superficies deben estar: 1.1.1 Completamente secas. 1.1.2 Limpias. Es preciso eliminar cualquier traza de aceite, suciedad o vegetación. 1.1.3 Firmes. Es preciso eliminar todo el material suelto y rellenar todos los huecos y

grietas La superficie de base y cualquier añadido o refuerzo tienen que haber sido aplicados con una antelación mínima de 28 días 1.2 Delimitar con cinta el área que se desee recubrir y proteger tapas, rejillas o cualquier elemento que deba quedar al descubierto al finalizar el trabajo. Se recomienda utilizar la cinta adhesiva de alta resistencia, de anchura 100 mm. 1.3 Colocar una marca sobre el pavimento para indicar el área máxima a recubrir con cada lote. De esta forma se asegurará un recubrimiento correcto.

Notas: • En el caso de aplicación en superficies distintas a pavimentos asfálticos, tales como hormigón, madera o acero, éstas requieren de una preparación adicional y el tratamiento previo con Primer. 2 Aplicación De La Resina Una vez mezclados los dos componentes de la resina, existe un tiempo limitado para finalizar su aplicación. Los pasos del 2.1 al 3.3 deben sucederse lo más rápidamente posible. 2.1 Añadir todo el Activador a la Resina Base. Mezclar los dos componentes de la Resina durante 3 minutos por lo menos, utilizando un taladro eléctrico con accesorio mezclador de pinturas. Es preciso conseguir una mezcla homogénea, asegurando que no quede sin mezclar la resina base que hay junto a las paredes o en el fondo del envase.

2.2 En cuanto se dé por terminada la mezcla, verter la resina en zig-zag sobre la zona delimitada en el pavimento (ver paso 1.3). 2.3 Esparcir la resina, con la llana de goma, sobre el área marcada, de manera que quede completamente recubierta, para áreas mayores se puede esparcir con equipos especializados. 2.4 Pasar el rodillo sobre la capa de resina, hasta conseguir un espesor uniforme de la misma. 2.5 Insistir con el rodillo sobre cualquier zona en la que se pueda ver la superficie de base, hasta que el área delimitada esté correctamente recubierta.

3 Aplicación Del Árido 3.1 Repartir uniformemente el árido sobre la resina, asegurándose de que toda la superficie queda cubierta. Si en alguna zona rezuma la resina, añadir más árido hasta cubrirla. No pasar el rodillo. 3.2 Después de aplicar el árido, no tocarlo mientras la resina no haya endurecido. 3.3 En cuanto la resina empiece a perder fluidez, eliminar la cinta que delimita el área recubierta y las protecciones instaladas sobre los elementos que no se deseaba recubrir. Es importante no demorar esta operación. Todas las herramientas deben limpiarse con un trapo antes de que la mezcla endurezca. Importante: Nunca debe añadirse el árido a la mezcla de resina, ni pasar el rodillo sobre él.

4 Barrido Y Apertura Al Tráfico 4.1 Cuando la superficie no ceda al presionarla firmemente con un dedo, se podrá barrer o aspirar el árido sobrante. No eliminarlo antes. Después de eliminar el árido sobrante, quedarán unos 7 kg/m2 de árido en la superficie acabada. 4.2 Cuando la superficie no ceda al presionarla con un punzón metálico o con un llavín, se podrá abrir al tráfico. No abrirla antes.

4.3 Durante las primeras semanas de operación, el propio tráfico rodado eliminará algunas partículas sobrantes de árido. Este hecho debe considerarse normal Importante: Para superficies >50 m2 debe utilizarse barredora mecánica para la satisfactoria eliminación de todo el árido sobrante tras la aplicación. En cualquier caso deberá barrerse de nuevo al día siguiente y después de una semana.

Conclusiones: Las Superficies de Alta Fricción pueden ser aplicadas en México y ser costeables para las autoridades ó concesionaros de las carreteras en México. El tener ubicadas las zonas con mayor siniestralidad nos permite colocar este tipo de aplicación superficial sin la necesidad de cambiar de manera significativa el trazo ó nivel de la Carretera. Esta aplicación reducirá significativamente los accidentes en Puntos negros. No existe otra alternativa que tenga la durabilidad de esta tecnología, que proporcione a mediano y largo plazo el Coeficiente de Fricción en los valores que las SAF presenta; derivándose en menor distancia de frenado y menor probabilidad de deslizamiento de los vehículos, en resumen mayor seguridad. El siguiente paso es aplicarla en estos Puntos negros y realizar la estadística que en otros países desarrollados han llevado, para verificar las enormes ventajas de contar con superficies de Alta Fricción.