En España, las centrales discontinuas fueron el método predominante para la producción de áridos mezclados con betún hasta los años 80. En ese momento, se introdujo la tecnología de la central continua de tambor secador-mezclador (drum-mixer), capaz de producir hasta 600 toneladas por hora. Esta innovadora planta cuenta con un tambor cilíndrico que se encarga de secar los áridos y mezclarlos con el betún. El tambor gira sobre su propio eje gracias a un motor reductor alimentado por un motor eléctrico.
Las plantas continuas de tambor secador-mezclador se dividen en dos secciones: la primera calienta los áridos, mientras que en la segunda se agregan el ligante y el filler para mezclar. Aunque la corriente de gases durante el proceso arrastra partículas de polvo mineral, el betún presente en la mezcla limita la extracción del filler al 20-25%. Los álabes del tambor se cierran en la zona del quemador para proteger los materiales de la llama, y se abren gradualmente para aumentar el contacto con los gases de la combustión sin oxidar excesivamente el ligante.
El proceso de producción de mezclas asfálticas con áridos fríos comienza en el extremo del quemador, donde los áridos se introducen en el tambor y se calientan para eliminar la humedad. En la sección inicial del tambor, los potentes ventiladores extraen el fíller y lo almacenan para su uso posterior. En la sección media, se pulveriza el betún y el polvo mineral de recuperación y aportación, logrando la mezcla final en la sección final con la ayuda de los álabes. Una variante del proceso utiliza dos tambores consecutivos para calentar los áridos y agregar el ligante. La emulsificación del betún mejora la trabajabilidad de la mezcla, que luego se vierte en camiones o se almacena en silos calorífugos, como en las plantas discontinuas.
Figura 2. Planta móvil de tambor secador-mezclador
La central de tambor secador-mezclador tiene como desventaja que se realiza una única dosificación de áridos en frío, lo que dificulta la obtención de una granulometría precisa, especialmente con arenas con exceso de finos. No obstante, esta planta presenta varias ventajas en comparación con las centrales tradicionales. Es más simple y consume menos energía, debido a que solo hay una dosificación, mientras que en las plantas discontinuas se efectúan varias dosificaciones en diferentes etapas. Además, es más pequeña y fácil de transportar y montar, y también más económica tanto en su adquisición como en su mantenimiento, lo que la hace más rentable económicamente. A pesar de estas ventajas, hay desventajas en que solo hay un proceso de dosificación, lo que puede resultar en dificultades para lograr la granulometría establecida si se utiliza arena con un exceso de polvo mineral. Sin embargo, es muy adecuada para procesos de reciclado en central, para los cuales se dispone en el tambor un anillo con una tolva para la introducción de los productos de reciclado.
Referencias:
KRAEMER, C.; PARDILLO, J.M.; ROCCI, S.; ROMANA, M.G.; SÁNCHEZ, V.; DEL VAL, M.A. (2010). Ingeniería de carreteras II. McGraw-Hill, Madrid.
YEPES, V. (2014). Maquinaria para la fabricación y puesta en obra de mezclas bituminosas. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 749.
Figura 1. Pavimentadora de lechada bituminosa/ micro aglomerado. http://dgroadmachinery.es/5-3-micro-surfacing-paver.html
La lechada bituminosa, también conocidas como slurry, consiste en la aplicación de una o varias capas de mortero bituminoso en frío sobre una superficie, utilizando áridos, emulsión bituminosa, agua y, eventualmente, polvo mineral de aportación y otros aditivos en menor proporción. Además de su uso en firmes, las lechadas bituminosas también son empleadas en tratamientos de sellado, mejora del deslizamiento y fines estéticos. Las lechadas tienen una amplia variedad de aplicaciones, incluyendo carreteras, aeropuertos, pistas deportivas, carriles para bicicletas, aparcamientos, vías urbanas, áreas peatonales, entre otros. En algunas situaciones, es necesario que la lechada tenga un color específico, para lo cual se utilizan pigmentos durante su fabricación.
Inicialmente, las lechadas se empleaban principalmente para la impermeabilización de suelos envejecidos y como tratamiento de sellado. Con granulometrías con un tamaño máximo de árido inferior a 6 mm, estas lechadas proporcionaron la textura adecuada requerida para el nivel de demanda de tráfico y se aplicaron en una sola capa con dosificaciones que oscilaron entre 5 y 8 kg/m².
Anteriormente, los áridos finos limitaban el grosor de las capas de lechada debido a su inestabilidad ante el tráfico. En años recientes, se ha mejorado la tecnología de los tratamientos para permitir el desarrollo de microaglomerados en frío que utilizan áridos de mayor tamaño. Los nuevos emulgentes y aditivos facilitan la producción de emulsiones con rotura controlada para aplicar los microaglomerados en zonas de tráfico rápido. La maquinaria avanzada produce texturas uniformes y las emulsiones modificadas con polímeros permiten áridos de hasta 12 mm, logrando texturas rugosas para aumentar la resistencia al deslizamiento y disminuir el desprendimiento de áridos. Las fibras sintéticas aumentan el contenido de ligante residual en las lechadas, otorgándoles mayor resistencia a la fatiga y al envejecimiento. Los microaglomerados en frío consisten en dos capas de lechada, la primera fina y la segunda más gruesa, y suelen emplear emulsiones modificadas como ligante.
La fabricación y aplicación de lechadas se realiza a través de mezcladoras móviles montadas en camiones que también se encargan de extenderlas. Estas unidades incluyen depósitos para los componentes de la mezcla y un mezclador helicoidal continuo para preparar el producto. Después, la lechada se distribuye mediante una caja repartidora o rastra, que se remolca sobre la superficie a tratar, y se termina con una maestra de goma graduable en altura. Para la compactación, se utilizan compactadores de neumáticos de alta presión, ya que solo se requiere un efecto superficial.
Os paso un vídeo explicativo del profesor Miguel Ángel del Val, de la Universidad Politécnica de Madrid, donde nos explica en detalle las lechadas bituminosas y microaglomerados en frío.
También os dejo un documento de la Asociación Técnica de Emulsiones Bituminosas (ATEB) al respecto. Espero que os sea de interés.
Figura 1. https://www.ibef.net/es/emulsions-3/tecnicas/riegos-de-adherencia/
Un riego sin gravilla estaría compuesto únicamente por ligantes bituminosos. El empleo de los riegos sin gravilla en la construcción de firmes suele reservarse con fines auxiliares o provisionales, nunca proporcionando unas características estructurales. Forman parte de las operaciones auxiliares en la construcción o conservación del firme. Estrictamente hablando, estos riegos no pueden considerarse superficiales, sino que se dividen en varios tipos:
Riegos en negro: se aplican sobre superficies de rodadura envejecidas como medida provisional para rejuvenecer el firme y mejorar su impermeabilidad.
Riegos antipolvo: se aplican en caminos rurales o de poco tráfico para minimizar la producción de polvo y proteger al firme de la erosión y la humedad.
Riego de imprimación: se aplica un ligante sobre una capa granular antes de colocar sobre ella una capa o tratamiento bituminoso. La imprimación penetra en la superficie de la base, sella los huecos, endurece la superficie y ayuda a unir la capa superior de asfalto. Este riego optimiza la transmisión de cargas, por lo que es importante barrer enérgicamente la superficie granular y regarla con agua antes de su aplicación.
Riego de adherencia: se aplica una emulsión bituminosa sobre una capa tratada con ligantes hidrocarbonados o conglomerantes hidráulicos antes de colocar cualquier tipo de capa bituminosa que no sea un tratamiento superficial con gravilla o una lechada bituminosa. Este riego mejora la adherencia entre las capas bituminosas.
Riego de curado: se aplica sobre capas tratadas con conglomerante para evitar la pérdida de humedad y lograr un curado adecuado. En la práctica, estos riegos también se pueden utilizar como riego de imprimación o como protección contra el tráfico rodado.
Os dejo a continuación un vídeo educativo del profesor Miguel Ángel del Val, de la Universidad Politécnica de Madrid, que espero que os sea de interés.
Referencias:
YEPES, V. (2014). Maquinaria para la fabricación y puesta en obra de mezclas bituminosas. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 749.
Para elaborar el cálculo de la compensación de tierras en un proyecto de infraestructura vial, se requiere de una metodología específica que comienza por la obtención de las mediciones de los volúmenes de tierras entre los perfiles transversales al eje de la vía.
En un artículo previo, se explicó cómo calcular el área de un polígono definido por las coordenadas de sus vértices. A partir de la superficie de los perfiles transversales, se puede proceder al cálculo del volumen de terraplén o de desmonte entre ellos. De esta manera, se podrá determinar el diagrama de masas y optimizar las distancias de transporte para calcular la compensación de tierras.
Sin embargo, se plantea un problema cuando un perfil está en desmonte y el otro en terraplén (Figura 1), o cuando un mismo perfil tiene tanto desmonte como terraplén debido a su ubicación a media ladera. En este artículo vamos a deducir una formulación aproximada para el cálculo de los volúmenes en el caso de que un perfil esté en desmonte y el otro en terraplén. La media ladera será un caso particular del anterior.
El problema que os doy resuelto proporciona una fórmula aproximada de cálculo que solo depende de las áreas de las secciones y de la separación entre ellas. Sin embargo, como podremos comprobar, esta simplificación a veces da errores. Evaluamos un caso concreto para ver hasta qué punto la aproximación es aceptable.
Figura 1. Aspecto de un diagrama de masas de Bruckner.
El diagrama de masas de Bruckner permite la optimización del transporte en el movimiento de tierras. De este tema ya hicimos un artículo anterior que os recomiendo repasar. En este vamos a centrarnos más en el proceso de cálculo.
Volviendo al contenido de este artículo, se trata de determinar los volúmenes a transportar, las distancias de acarreo, los vertederos y los préstamos. Este diagrama permite ajustar la compensación longitudinal y las distancias a las que trasladar los volúmenes de desmonte y terraplén (Figura 1).
Entre las propiedades más interesantes del diagrama, se tienen las siguientes:
La ordenada de un punto cualquiera mide el volumen acumulado desde el origen.
El volumen excedente acumulado en el origen es nulo, y la horizontal trazada por él, se llama fundamental.
La curva de volúmenes es ascendente para desmontes y descendente para terraplenes.
Un máximo o un mínimo de la curva, son puntos de paso entre terraplenes y desmontes.
La diferencia de ordenadas entre dos puntos mide el volumen a mover entre ambos.
Entre las secciones correspondientes a los puntos de intersección de una horizontal cualquiera con la curva de volúmenes, existe compensación entre desmonte y terraplén. El volumen total de tierra a transportar está dado por la ordenada máxima del arco de diagrama comprendido, con relación a la horizontal considerada (Figura 2).
Figura 2. Volúmenes de tierra a transportar en el diagrama de masas
El momento de transporte es el trabajo necesario para mover un volumen de suelo desde su posición original, una vez determinada la distancia, hasta la posición final de proyecto. Es el producto del volumen transportado (ordenada) por la distancia (abscisa).
El área de cada cámara de compensación respecto a una horizontal cualquiera mide el momento de transporte de la compensación entre las secciones correspondientes a la intersección de dicha horizontal con la línea del diagrama. El área dividida por la ordenada máxima es la distancia media de transporte. Existe entonces un rectángulo de área equivalente al área de la onda y que tiene por altura el volumen de tierra a transportar (Figura 3).
Figura 3. Distancia media de transporte en una cámara de compensación del diagrama de masas
Con respecto a una horizontal cualquiera, las ondas situadas por arriba, con el primer tramo ascendente (exceso de excavación) y el segundo descendente (exceso de terraplén) se llaman “montes”. Asimismo, las situadas por debajo con el primer tramo descendente y el segundo ascendente se llaman “valles”.
Para minimizar el coste, en el diagrama la suma de las bases de los valles debe ser igual a la suma de las bases de los montes (Figura 4).
Figura 4. La suma de las longitudes de valles y montes deben ser iguales para minimizar el coste.
Para optimizar el movimiento de tierras, se pueden seguir las denominadas reglas de Corini, que son las siguientes:
La longitud de distribución estará comprendida entre la fundamental y una horizontal trazada por la sección extrema.
Se trazarán diversas horizontales de compensación, comprendiendo cada una un monte y un valle de igual base.
De no ser posible la 2, se trazarán horizontales, en sentido ascendente o descendente, comprendiendo más valles y más montes, de modo que la suma de la base de los montes sea igual a la suma de la base de los valles.
La horizontal de distribución secundaria (dentro de una cámara autocompensada) debe ser tangente a la onda (Figura 5).
Figura 5. La horizontal de distribución secundaria debe ser tangente a la onda dentro de una cámara autocompensada
La obtención de las distancias medias de transporte se ha realizado apoyándose en las propiedades de la línea de volúmenes:
Cálculo de la diferencia entre dos ordenadas con respecto a una horizontal cualquiera. Esta diferencia da el volumen de desmonte o terraplén disponible entre ellas.
Entre las secciones correspondientes a los puntos de intersección de una horizontal con la línea de volúmenes existe compensación de desmonte y terraplén; el volumen total de tierras a mover entre esas dos secciones será la ordenada máxima con relación a la horizontal considerada.
Efectuando la compensación por horizontales, la tierra del punto N se arroja en el P, el área de cada cantera de compensación, correspondiente a una horizontal determinada, mide el momento de transporte de la compensación entre las secciones de intersección de la horizontal con la línea de volúmenes. El área ABC (Figura 2) mide el momento de transporte de la compensación entre A y C.
Figura 6. Obtención de las distancias de transporte
Los parámetros que intervienen en el cálculo de la distancia media de transporte de las compensaciones longitudinales son, básicamente, los volúmenes parciales y las áreas parciales entre perfiles, con cuya suma se obtiene el volumen transportado y la superficie total de cada área compensada denominada esencialmente cantera de compensación.
Considerando las propiedades analíticas de los diagramas de masas para la obtención del producto volumen por cada distancia de cada compensación longitudinal, la distancia media de transporte para cada área compensada que delimita el diagrama y el eje de abscisas, será el cociente entre el área y el volumen transportado de la misma.
Por último, la distancia media de transporte global de la compensación longitudinal se determina con la ponderación de los productos volumen por distancia media de las áreas compensadas existentes dividida por el volumen transportado total.
Referencias:
YEPES, V. (1995). Maquinaria de movimiento de tierras. Servicio de Publicaciones de la Universidad Politécnica de Valencia. SP.UPV-264. 144 pp.
Figura 1. Perfil del terreno y diagrama de masas (Bruckner)
Cuando todas las tierras a desmontar, después del oportuno estudio geotécnico, resultan aprovechables para la ejecución de los terraplenes, no es necesario desecharlas o llevarlas a vertederos o “caballeros”. Si todos los terraplenes necesarios pueden construirse con los productos obtenidos del desmonte, no será necesario recurrir a tierras de “préstamo”. Si ambas condiciones se cumplen simultáneamente, lo cual es difícil de lograr, se producirá una compensación total de tierras.
Para lograr este objetivo, no habrá que olvidar el “entumecimiento” que sufren las tierras excavadas al compactarlas. Además, para planificar el transporte de la tierra, es necesario contar con el “esponjamiento” que experimenta el terreno natural al excavarlo.
Figura 2. Compensación transversal
Si en una sección a media ladera se emplean los productos procedentes del desmonte en la ejecución del terraplén de dicho tramo, lograremos una compensación transversal (Figura 2) que es, en principio, la opción más económica, pues implica un menor costo de transporte. En este sentido, el buldócer suele ser la opción más adecuada. Sin embargo, también debemos analizar la compensación longitudinal de tierras, es decir, qué haremos con el excedente de tierra de cada desmonte para construir el terraplén requerido, así como el costo del transporte asociado a esta operación. Por tanto, es fundamental considerar los medios auxiliares necesarios para llevar a cabo la obra de manera eficiente.
En la planificación de obras de infraestructuras lineales, la elección de la maquinaria para el movimiento de tierras se basa en las condiciones del terreno y las distancias de transporte estimadas a partir de los volúmenes de excavación y relleno. Estos datos se representan en los diagramas de masas, también llamado diagrama de Bruckner, que permite ajustar la compensación longitudinal y las distancias de transporte de los volúmenes de desmonte y terraplén (Figura 1). En este diagrama, la diferencia de ordenadas entre dos puntos mide el volumen a mover entre ambos. Además, los puntos de corte del perfil del terreno con la rasante de la vía corresponden a máximos o mínimos en el diagrama de masas.
En ocasiones, la optimización técnica puede no ser rentable por los altos costos de combustible de maquinaria pesada, como las traíllas. Esto podría obligar a buscar préstamos o recurrir a vertederos, lo que implica gastos adicionales y la responsabilidad de rehabilitar y reforestar el área, además de pagar cánones a los propietarios. Es importante tener en cuenta la calidad de los materiales que se encuentren en el terreno, tanto dentro como fuera de la traza, a través de sondeos geotécnicos, pues esto afecta la distribución de las tongadas y las distancias de transporte, dependiendo de si se trata de pedraplenes, suelos seleccionados, etc.
La compensación adecuada de volúmenes se ve afectada significativamente por su impacto ambiental. Por lo tanto, se busca no solo igualar los volúmenes de desmonte y terraplén para minimizar los costos, sino también reducir el impacto ambiental. Esto implica evitar la construcción de terraplenes altos y prolongados que ocupen áreas de alto valor económico o ecológico, y en su lugar, construir viaductos. En algunos casos, los grandes costos de desmontes se evitan mediante la construcción de túneles o la implementación de permeabilidad territorial.
Sin embargo, todo esto puede aumentar significativamente los costos del proyecto, lo que requiere que el Director del Proyecto (representante de la propiedad) esté dispuesto a gastar el dinero. Por lo tanto, el autor del proyecto debe conocer las demandas y prioridades de la propiedad con respecto al impacto ambiental.
Algunas de las recomendaciones en la compensación de volúmenes son las siguientes:
Un factor importante que influye en la compensación de volúmenes son las obras de drenaje transversal, caños, estructuras, etc. que pueden requerir curvas y pendientes en las pistas de acarreo, lo que puede distorsionar las distancias teóricas.
Es fundamental considerar que los volúmenes de desmonte y terraplén dependen de la diferencia entre la cota del terreno y la del perfil de la obra. Por lo tanto, es posible modificar ambos volúmenes mediante la alteración del perfil de la obra.
Un aumento de las cotas del trazado reduce el volumen de desmonte y aumenta el de terraplenes, mientras que una disminución produce un aumento de desmontes y una disminución de terraplenes. De esta manera, ajustando la rasante, es posible lograr la compensación óptima entre ambos volúmenes.
Es recomendable buscar una compensación de volúmenes por tramos no demasiado largos, en lugar de referirse a la totalidad de la obra, pues puede generar distancias de transporte excesivamente largas.
Figura 1. Fratás automático http://www.imcyc.com/revistacyt/jul10/pavimentos.htm
La terminación o acabado final del hormigón es una tarea crítica en la construcción de un pavimento, pues tiene la importante misión de corregir las irregularidades o defectos producidos durante la colocación y compactación del material. Para lograr una superficie adecuada en el hormigón fresco, se pueden llevar a cabo diferentes trabajos, que van desde un ligero fratasado manual hasta intervenciones más significativas como reparaciones de bordes.
El fratasado es una técnica que se utiliza para nivelar la superficie del hormigón, eliminar la capa superficial de lechada, sumergir las partículas de árido más gruesas, remover y corregir pequeñas imperfecciones, y presentar mortero en la superficie para el texturizado. Esta técnica puede realizarse de forma manual o mecánica, y puede ser longitudinal o transversal.
En las carreteras de alta velocidad de España se logra una textura superficial longitudinal mediante el estriado del hormigón con cepillos metálicos o de plástico y una arpillera húmeda y lastrada para conseguir una microtextura áspera en toda la superficie. La arpillera también se emplea para eliminar las marcas de la bailarina. En los bordes de las carreteras se suele crear una textura transversal. En otros países, la macrotextura se logra mediante técnicas como la denudación química o la incrustación de gravilla en el hormigón fresco.
Una vez que la pavimentadora ha terminado su trabajo, el carro de texturizado y curado (Figura 2) se acerca para aplicar la textura deseada con un cepillo de cerdas o flejes, mientras que se rocía líquido de curado como última operación. Si se desea una textura de árido visto, el carro extiende el retardador de fraguado y, en algunos casos, el compuesto de curado. Algunos productos pueden realizar ambas funciones simultáneamente. En regiones lluviosas, el retardador de superficie se protege con una lámina de plástico desplegada desde un rollo montado en el carro. Una vez retirado el mortero sin fraguar, se aplica el producto de curado sobre el pavimento.
Figura 2. Equipo de texturizado y curado (Calo et al., 2015)
El curado del pavimento es esencial para evitar la pérdida de agua necesaria para el fraguado y endurecimiento del hormigón, así como la aparición de fisuras por retracción que pueden debilitar su resistencia. Aunque es posible usar agua para el curado en carreteras con poco tráfico, se recomienda utilizar productos de calidad que creen una capa impermeable sobre el pavimento para evitar la evaporación del agua. Estos productos suelen tener un pigmento blanco que, además de reducir la ganancia de calor por incidencia de la radiación solar, ayuda en la inspección visual de la uniformidad de la aplicación. Después, al sellar las juntas, es necesario volver a aplicar el producto en la ranura correspondiente.
Figura 3. Tren de curado (Calo et al., 2015)
Las membranas químicas de curado están formuladas a base de resinas y solventes de rápida evaporación que no son solubles en agua. Estas membranas pueden aplicarse inmediatamente después de las tareas de texturizado y terminación del hormigón, incluso si hay agua en la superficie. Al aplicarse por aspersión sobre la superficie del pavimento, se forma una película protectora en pocos minutos que impide la evaporación del agua de exudación y mejora su acción preventiva al adherirse a la superficie del hormigón. Debido a estas características, resultan especialmente útiles en la pavimentación con encofrados deslizantes.
Referencias:
CALO, D.; SOUZA, E.; MARCOLINI, E. (2015). Manual de diseño y construcción de pavimentos de hormigón. Instituto del Cemento Portland Argentino (ICPA).
IECA (2012). Firmes de hormigón en carreteras. Guías técnicas. Firmes y explanadas.
KRAEMER, C. (1965) Pavimentos de hormigón normal y pretensado. Experiencia española en el tramo de ensayo. Publicación n.º 18 del Laboratorio de Transporte y Mecánica del Suelo. Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX). Madrid.
KRAEMER, C.; MORILLA, I.; DEL VAL, M.A. (1999). Carreteras II. Explanaciones, firmes, drenaje, pavimentos. Universidad Politécnica de Madrid, Madrid.
RECUENCO, E. (2014). Firmes y pavimentos de carreteras y otras infraestructuras. Garceta grupo editorial, Colección Escuelas, Madrid.
Figura 1. Estructura típica de un pavimento rígido (Calo et al., 2015)
Una sección común de un pavimento rígido se compone de una capa superior, conocida como calzada de hormigón, que es responsable de proporcionar la mayor parte de la capacidad estructural del pavimento. Esta capa se apoya sobre una base de material seleccionado, que puede o no estar tratada con un ligante, y a su vez descansa sobre el suelo natural o la explanada (ver Figura 1).
Calzada de hormigón
La capa superior del pavimento está conformada por la calzada de hormigón, la cual tiene la responsabilidad de proporcionar tanto las características funcionales como gran parte de la capacidad estructural requerida. En cuanto a las características funcionales, es la encargada de brindar las condiciones superficiales necesarias, como el drenaje superficial, la fricción y la regularidad, de acuerdo con el tipo de vía y las condiciones de servicio, a fin de garantizar una conducción segura y cómoda. En lo que respecta a su capacidad estructural, debe ser lo suficientemente resistente para soportar las cargas durante el periodo de servicio y actuar como una barrera impermeable para las capas inferiores del pavimento, minimizando la entrada de agua desde la superficie hacia el interior de la estructura.
El espesor de la calzada dependerá en gran medida del nivel de tránsito pesado previsto, oscilando entre 15 cm y 20 cm para vías urbanas o de bajo tránsito pesado y de 20 cm a 30 cm en rutas de mayor volumen de vehículos pesados.
Base
La capa fundamental en el comportamiento del firme de un pavimento rígido es su base, pues proporciona un apoyo continuo, uniforme y estable a lo largo del tiempo. Si no se cumple esta condición, las losas del pavimento se ven sometidas a tensiones y deformaciones significativas debido a las cargas del tráfico. Esta capa se encuentra ubicada justo debajo de la calzada de hormigón y su función principal es prevenir la erosión en la interfaz entre la losa y el apoyo, lo que la convierte en un elemento obligatorio en las vías con tránsito pesado.
Además de esta función principal, la incorporación de la base en la estructura del pavimento ofrece varios beneficios, tales como mejorar la distribución de cargas, reducir las tensiones en las capas inferiores de la estructura, contribuir al drenaje subsuperficial del agua de infiltración, proteger los suelos de la explanada de la acción de las heladas, garantizar un soporte uniforme para la calzada de hormigón y proporcionar una plataforma de trabajo adecuada que no sea susceptible a las condiciones climáticas y sea apta para la circulación de vehículos de obra.
Una de las causas que puede provocar la falta de uniformidad en la base es lo que se conoce como bombeo de finos (pumping, en inglés): si hay agua debajo de la losa, la base contiene una proporción significativa de finos y la intensidad del tráfico pesado es relativamente alta, la circulación de estos vehículos y el paso de una losa a otra contigua puede provocar el bombeo de la mezcla de agua y finos en la zona de juntas o bordes del pavimento, lo que conduce a la erosión de la base y al descalce de las losas.
En el caso de tráficos medios y ligeros, se suelen utilizar las bases granulares tradicionales, como el macadam o la zahorra artificial (que consisten en gravas y arenas trituradas). No obstante, cuando se trata de tráficos pesados, es necesario emplear materiales granulares tratados con un ligante o conglomerante, como las bases de gravacemento.
Subbase
La subbase es una capa de firme que se ubica debajo de la base en la explanada, también conocida como subrasante. En algunos casos, esta capa puede no ser necesaria si la explanada ya cuenta con una elevada capacidad de soporte granular. Su principal función es proporcionar una base uniforme para la colocación y compactación de la capa de base, además de constituir una plataforma adecuada para su construcción. Es importante que esta capa tenga una función drenante, para lo cual es necesario que los materiales empleados no contengan finos. En cualquier caso, esta capa es generalmente necesaria como capa de transición. Las subbases granulares se componen de gravas y arenas naturales o trituradas, suelos estabilizados con cemento, gravaescoria, entre otros materiales.
Explanada
La subrasante o explanada es la superficie sobre la que se asienta la superestructura del pavimento. Es crucial que esta superficie tenga la resistencia y la regularidad geométrica adecuadas, pues es el soporte directo del pavimento. Además, la explanada puede estar compuesta por la capa superior del terraplén o el fondo de las excavaciones en terreno natural, y es responsable de soportar la estructura del pavimento. Para asegurar la estabilidad y el óptimo estado de la explanada, se seleccionan suelos con características aceptables y se compactan en capas para crear un cuerpo estable capaz de resistir la carga de diseño del tránsito.
Subdrenaje
En ciertas situaciones, es posible mejorar el sistema de drenaje de una estructura, incluyendo estructuras de subdrenaje. Esto permite eliminar rápidamente el agua que se filtra inevitablemente por las juntas y fisuras, evitando los efectos perjudiciales que podría causar su acumulación en la estructura del pavimento. Los subdrenes se componen de una red colectora de tuberías perforadas o ranuradas que se alojan en zanjas para recolectar el agua subterránea. El objetivo es controlar y retirar el agua, minimizando su efecto negativo en las capas estructurales del pavimento.
Juntas
Las juntas son cruciales para determinar las dimensiones de las losas del pavimento y controlar la formación de fisuras tanto en la etapa temprana como en servicio. Existen dos tipos de juntas: las de contracción, que implican debilitar la sección de hormigón, y las de construcción, que se moldean. La opción más común es utilizar el aserrado para crear las juntas, aunque también pueden formarse en fresco con la creación de surcos en el hormigón. En este último caso, puede haber manipulaciones posteriores que afecten la regularidad superficial, lo que limita su uso en juntas transversales en carreteras con tráfico intenso. El serrado de las juntas debe realizarse antes de que se formen las fisuras, pero no demasiado pronto, pues los bordes podrían dañarse. El momento adecuado depende del tipo de cemento y las condiciones de humedad y temperatura. Según el PG-3, se debe hacer el serrado de las juntas transversales dentro de las primeras 24 horas después de la puesta en obra del hormigón, mientras que para las longitudinales, el serrado debe hacerse entre 24 y 72 horas después. La profundidad mínima del corte debe ser de un tercio o un cuarto del espesor de la losa para las juntas longitudinales y transversales, respectivamente. Es recomendable sellar las juntas, especialmente en áreas con mucha lluvia, y para ello se utilizan productos de sellado, preferiblemente perfiles preformados de materiales elastoméricos que se introducen a presión.
Transferencia de carga
La transferencia de carga se refiere a la capacidad de una junta para transmitir una parte de la carga aplicada en una losa a la losa adyacente. Esta transferencia se puede lograr mediante la trabazón de áridos, que se produce entre las caras de la fisura que se desarrolla por debajo de la junta, o mediante el uso de pasadores. En algunos casos, se pueden emplear ambas técnicas en conjunto para lograr una transferencia de carga óptima.
Pasadores
Se trata de barras de acero lisas que se disponen en las juntas transversales para transferir cargas sin restringir el movimiento horizontal de las losas. Su función es reducir las tensiones y deflexiones en el hormigón, además de disminuir el riesgo de escalonamiento, bombeo y rotura en las esquinas de las losas.
Figura 2. Canastilla de pasadores (Calo et al., 2015)
Barras de unión
Se instalan en las juntas longitudinales para mantenerlas ancladas, garantizando así una transferencia de carga eficiente durante su periodo en servicio. La cantidad de acero necesaria se determina en función del espesor de la losa, la distancia al borde libre más cercano y la fricción en el plano de contacto con la base.
Figura 3. Barras de unión (Calo et al., 2015)
Arcenes
Aunque no forma parte de la estructura, la condición de soporte en los bordes de la calzada es fundamental en los pavimentos de hormigón. Si el arcén está pavimentado con una estructura de hormigón, la calzada puede transferir una parte de las cargas aplicadas a su estructura, lo que reduce las tensiones y deflexiones debidas a las cargas. Además, minimiza la infiltración de agua desde la superficie del pavimento. Además de los arcenes, existen otras alternativas estructurales, como la incorporación de bordillos (en pavimentos urbanos) o la ejecución de sobreanchos de calzada, que también contribuyen significativamente a mejorar la condición de soporte en los bordes.
Referencias:
CALO, D.; SOUZA, E.; MARCOLINI, E. (2015). Manual de diseño y construcción de pavimentos de hormigón. Instituto del Cemento Portland Argentino (ICPA).
IECA (2012). Firmes de hormigón en carreteras. Guías técnicas. Firmes y explanadas.
KRAEMER, C. (1965) Pavimentos de hormigón normal y pretensado. Experiencia española en el tramo de ensayo. Publicación n.º 18 del Laboratorio de Transporte y Mecánica del Suelo. Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX). Madrid.
KRAEMER, C.; MORILLA, I.; DEL VAL, M.A. (1999). Carreteras II. Explanaciones, firmes, drenaje, pavimentos. Universidad Politécnica de Madrid, Madrid.
RECUENCO, E. (2014). Firmes y pavimentos de carreteras y otras infraestructuras. Garceta grupo editorial, Colección Escuelas, Madrid.
Figura 1. https://blog.laminasyaceros.com/blog/hormigon-armado
El hormigón reforzado con fibras es aquel en el que se han incluido fibras en una proporción adecuada para mejorar alguna de sus propiedades respecto al hormigón convencional. Aunque el costo de este tipo de hormigón es alto, esto se compensa por sus características, como el aumento de la resistencia a la tracción y a la fatiga, un mejor comportamiento a flexotracción, la ductilidad, la resistencia al impacto y la durabilidad, así como la disminución y el control de la fisuración. La transmisión de esfuerzos fibra-matriz se produce por adherencia, superponiendo acciones que involucran fenómenos de adhesión, fricción y entrecruzamiento mecánico. Para asegurar una correcta utilización de fibras en el hormigón, es necesario seleccionar materiales con módulos de elasticidad comparables o superiores a los del hormigón.
El uso de hormigón con fibras en pavimentos no es algo nuevo. Durante la década de 1980, se popularizó su uso al reducir el espesor del pavimento, aumentar la distancia entre las juntas y aumentar su vida útil de cinco a ocho veces en comparación con los pavimentos tradicionales. Por desgracia, esta tendencia no se mantuvo y el hormigón con fibras desapareció silenciosamente del ámbito de la construcción de pavimentos. A pesar de esto, la investigación en la construcción de soleras industriales continuó, especialmente con el empleo de fibras de acero. En España, se han construido miles de metros cuadrados de pavimentos en naves industriales, talleres de mantenimiento de helicópteros, parques de contenedores, suelos de talleres de fábricas de automóviles, entre otros.
En los pavimentos de autopistas y carreteras, el consumo de hormigones reforzados con fibras se ha incrementado debido a su mayor resistencia a la flexotracción, al control de la fisuración, a su resistencia a la fatiga dinámica y a la posibilidad de realizar juntas cada 15 m o incluso de no realizarlas. Además, pueden utilizarse en la totalidad del espesor del pavimento o en forma de recrecidos sobre pavimentos rígidos o flexibles deteriorados. Como ventaja adicional, estos pavimentos solo requieren un espesor de 7 a 10 cm y se pueden colocar con cualquier extendedora tradicional o, simplemente, con reglas vibrantes. Sin embargo, su coste es más elevado y solo resulta justificado en aplicaciones como refuerzos adheridos a pavimentos ya existentes, pavimentos de puentes y pavimentos que soportan cargas muy pesadas, como las que se dan en puertos, aeropuertos y zonas industriales.
Para que las fibras cumplan su función correctamente, deben estar uniformemente distribuidas en la masa del hormigón. Por lo tanto, se recomienda aumentar la proporción de finos hasta llegar a proporciones de pasta del orden del 40 %, lo que supone un aumento del 10 % en comparación con las dosificaciones normales. También es importante limitar el tamaño máximo del árido a 20 mm. En el caso de los hormigones de pavimentos con áridos de 20 mm, el tamaño máximo debe ser inferior a 100 y la proporción en volumen de fibras debe ser de aproximadamente el 2% de la pasta o el 1% del volumen total. Es posible alcanzar resistencias a compresión de hasta 15 MPa con densidades de 2 t/m³. Sin embargo, es relevante saber que las fibras reducen la docilidad y la trabajabilidad al aumentar la proporción de fibras. Por lo tanto, es necesario incrementar la relación de cemento hasta 0,5-0,6, con dosificaciones entre 350 y 450 kg/m³, o bien emplear un plastificante.
Las fibras pueden ser de distintos materiales, desde microfibras plásticas de muy pequeño diámetro hasta fibras de acero, que es lo más habitual en pavimentos. Según su naturaleza, se puede controlar el proceso de formación de fisuras o mejorar su comportamiento estructural o su resistencia a la fatiga. La dosificación de microfibras oscila entre 0,6 kg/m³ y 1,0 kg/m³ y la de fibras de acero suele ser superior a los 30 kg/m³. Entre las características más importantes de las fibras metálicas se encuentran la forma de la fibra, que permite un buen anclaje en el hormigón, y la relación entre la longitud y el diámetro equivalente de la fibra. Esta relación es un factor clave que distingue a las fibras metálicas, ya que un valor mayor generalmente proporciona un mejor comportamiento, pero también dificulta la mezcla, el vaciado y el acabado del hormigón. Las fibras de acero mejoran las propiedades de ductilidad, dureza, resistencia al impacto y resistencia al desgaste, en función del tipo de fibra y su dosificación. Estas propiedades dependen de la longitud de las fibras, su diámetro, densidad, resistencia a la flexión y módulo de elasticidad. Por lo general, se utiliza acero de bajo contenido en carbono en forma de agujas o pequeños flejes arqueados en los extremos. Las dimensiones comunes son diámetros de 0,15 a 0,75 mm para agujas y anchuras de 0,25 a 0,90 mm con espesores de 0,15 a 0,40 mm para flejes. Las longitudes oscilan entre 6 y 70 mm, con dosificaciones de entre 20 y 80 kg/m³.
A continuación os dejo algún vídeo explicativo de este tipo de material.
Os dejo un artículo explicativo que, espero, os sea de interés.
IECA (2012). Firmes de hormigón en carreteras. Guías técnicas. Firmes y explanadas.
KRAEMER, C. (1965) Pavimentos de hormigón normal y pretensado. Experiencia española en el tramo de ensayo. Publicación n.º 18 del Laboratorio de Transporte y Mecánica del Suelo. Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX). Madrid
KRAEMER, C.; MORILLA, I.; DEL VAL, M.A. (1999). Carreteras II. Explanaciones, firmes, drenaje, pavimentos. Universidad Politécnica de Madrid, Madrid.
Figura 1. Pavimento postesado. VSL Sistemas Especiales de Construcción Argentina S.A.
Con objeto de evitar fisuras en el pavimento, las losas de hormigón se tesan para contrarrestar la tracción provocada por el tráfico, la retracción y los gradientes térmicos. El principio de diseño de un pavimento de hormigón pretensado consiste en comprimir el pavimento mediante el tesado de cables de acero insertos en la losa de hormigón. El tesado puede ser unidireccional o bidireccional, siendo este último aconsejable para pavimentos industriales, en cuyo caso, se recomienda que el nivel de tensión sea similar en ambas direcciones.
De esta manera, el hormigón comprimido permite espesores de losa menores que los pavimentos de hormigón en masa o armado. Además, es posible diseñar grandes áreas sin juntas o con juntas que pasan desapercibidas debido a la compresión que recibe el hormigón. De esta forma, se pueden distanciar las juntas hasta 150 m y se reduce el espesor de la losa en un 50 %, debido a la disminución de tensiones. Para ello, se han ensayado diversos sistemas de pretensado, tanto internos —con cables o alambres (postesado)— como externos —con gatos planos hidráulicos y juntas neumáticas—. Las juntas utilizadas están especialmente diseñadas para adaptarse a cambios máximos de apertura, pero en algunos sistemas los estribos están dispuestos para resistir el empuje horizontal.
Los pavimentos pretensados evitan las grietas de retracción y flexión, eliminando las juntas de contracción y reduciendo su mantenimiento. Además, minimizan el alabeo de las losas, ofrecen un comportamiento elástico cuando se sobrecargan y reducen espesores, a la vez que mejoran la planeidad con el tiempo. Sin embargo, su construcción requiere más cuidado y personal más especializado, además de una mayor supervisión para garantizar la adecuada colocación y tesado de los cables. En caso de que falle una zona, hay que sustituir toda el área construida unitariamente, por lo que resulta poco rentable en superficies pequeñas. La rentabilidad de los pavimentos pretensados requiere una longitud de pavimento superior a los 100 m o cuando los suelos tienen unas características mediocres. Se pueden conseguir pavimentos de 10 000 m² sin juntas.
Los requisitos de la plataforma de apoyo o superficie de subrasante son similares a los de los pavimentos de hormigón convencionales. Sin embargo, dado que los pavimentos postesados son más finos, el sistema es más flexible y se generan mayores esfuerzos verticales en la base. Por lo tanto, la calidad y resistencia de la base es aún más importante en este tipo de pavimentos que en los convencionales. Por esta razón, normalmente se especifica que el módulo de reacción de la base o la constante de balasto no sea inferior a 54 MPa/m.
Generalmente, los cables se postesan y anclan después de que el hormigón haya alcanzado una resistencia suficiente para soportar la fuerza del anclaje. El postesado puede ser adherido o no adherido. A pesar de lo anterior, el diseño de este tipo de pavimentos plantea algunas dificultades relacionadas con la reparación en caso de daños. Además, el diseño de las juntas entre las áreas donde se realiza el postesado no es un asunto trivial. Normalmente, se recomienda que el espaciamiento entre los cables longitudinales sea de entre 2 y 4 veces el espesor de la losa y de entre 3 y 6 veces el espesor de la losa para los cables transversales.
Figura 2. Sección de un pavimento de hormigón pretensado
Durante los años 60, varios países europeos desarrollaron técnicas de construcción mediante el pretensado en carreteras. Sinembargo, la geometría de las carreteras provoca más dificultades que ventajas, sobretodopor la dificultad de introducir el pretensado. En España se experimentó en 1963 en el tramo de pruebas de la N-II, pero no se continuó con el uso de esta técnica. Después de unos años de intenso tráfico, se dejó descomprimir y se reforzó con mezclas bituminosas.
Figura 3. Hormigonado de un pavimento postesado. VSL Sistemas Especiales de Construcción Argentina S.A.
La tecnología del hormigón pretensado se emplea sobre todo en pistas de aeropuertos y zonas industriales, donde se pueden encontrar grandes superficies continuas y casi horizontales, sin curvas en planta ni en alzado, como en las carreteras. Esto permite un menor espesor de la losa y una organización diferente de la conservación. La primera aplicación en un pavimento aeroportuario tuvo lugar en Francia, en la pista de Orly. Sin embargo, esta pista falló después de seis años en servicio debido a la rotura de los aceros pretensados por oxidación. Por otro lado, en el aeropuerto de Schiphol, en Ámsterdam, se construyeron más de 700 000 m² de pavimento pretensado a lo largo de 15 años con excelentes resultados.
Una alternativa viable es la construcción de pavimentos con losas pretensadas prefabricadas. En algunos países, especialmente en regiones con condiciones ambientales adversas, como el norte de la antigua Unión Soviética, se ha adoptado el método de las losas prefabricadas para evitar la complejidad de la colada «in situ» y los posibles errores asociados. De este modo, se logra industrializar el proceso, asegurar la calidad y reducir los plazos de obra. Además, esta técnica permite trabajar en cualquier época del año, incluso en condiciones de bajas temperaturas, donde no es posible utilizar hormigón o mezcla bituminosa debido a su enfriamiento instantáneo.
Figura 4. Losas prefabricadas pretensadas para pavimentos. https://www.concrete.org/portals/0/files/pdf/webinars/ws_2021_Snyder_Precast.pdf
Existen dos tipos de losas prefabricadas: las que tienen un pretensado longitudinal y transversal y las que solo tienen un pretensado longitudinal. Las dimensiones de las primeras pueden alcanzar los 3,50 m x 6,00 o 7,00 m. Para el pretensado se emplea acero de 3 a 5 mm en dos capas cercanas a cada cara. Los cantos resultantes varían de 14 a 22 cm y se requieren entre 2 y 3 MPa de tensión inicial. El tamaño está limitado por el peso para el posterior traslado y colocación. Por otro lado, las losas pretensadas axialmente son más sencillas y tienen menores dimensiones, de 1,75 o 2,00 m x 6,00 o 7,00 m. En este caso, se opta por un acero de diámetro mayor (14 a 16 mm) y un refuerzo transversal con armadura de barras de 5 a 7 mm. Además, los bordes llevan un armado suplementario.
En las losas se dejan abrazaderas para unirlas mediante soldadura in situ. Las juntas se rellenan dos tercios con un mortero pobre de arena y se sellan con un mástico anticarburante. Cada dos o tres juntas se dejan libres para permitir la dilatación, lo cual depende de la gama de temperaturas ambiente. Las bases en este tipo de pavimento son las tradicionales en los pavimentos rígidos, aunque se recomienda tratarlas con cemento. A veces, se extiende una capa de 3 a 6 cm de arena y cemento para asegurar una mejor superficie de apoyo, en función del tipo de base empleado.
Os dejo un artículo sobre pavimentos prefabricados de hormigón.
CALO, D.; SOUZA, E.; MARCOLINI, E. (2015). Manual de diseño y construcción de pavimentos de hormigón. Instituto del Cemento Portland Argentino (ICPA).
IECA (2012). Firmes de hormigón en carreteras. Guías técnicas. Firmes y explanadas.
KRAEMER, C. (1965) Pavimentos de hormigón normal y pretensado. Experiencia española en el tramo de ensayo. Publicación n.º 18 del Laboratorio de Transporte y Mecánica del Suelo. Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX). Madrid
KRAEMER, C.; PARDILLO, J.M.; ROCCI, S.; ROMANA, M.G.; SÁNCHEZ, V.; DEL VAL, M.A. (2010). Ingeniería de carreteras II. McGraw-Hill, Madrid.
RECUENCO, E. (2014). Firmes y pavimentos de carreteras y otras infraestructuras. Garceta grupo editorial, Colección Escuelas, Madrid.
