pasadores – El blog de Víctor Yepes

Preguntas sobre pavimentos de hormigón en carreteras

¿Cuáles son las propiedades clave que distinguen al hormigón para pavimentos de carreteras del hormigón estructural?

El hormigón destinado a pavimentos de carreteras debe ser capaz de soportar tanto el impacto del tráfico como las condiciones climáticas. A diferencia del hormigón estructural, que se centra principalmente en resistir la compresión, los pavimentos de hormigón requieren una alta resistencia a la flexotracción. Esto se debe a que están sometidos a cargas repetidas y a la restricción de contracción de su base, lo que provoca la aparición de fisuras. Por lo tanto, se deben realizar ensayos específicos de flexotracción para controlar su resistencia y la calidad del hormigón para carreteras debe ser superior a la del hormigón de edificación.

¿Qué requisitos de resistencia a la flexotracción y compresión se esperan generalmente para el hormigón de pavimentos?

Para pavimentar carreteras se utilizan hormigones con una resistencia característica a la flexotracción que generalmente se sitúa entre 3,5 y 4,5 MPa a los 28 días. Según la normativa española (PG-3), estos hormigones se designan como HF-3,5, HF-4,0 y HF-4,5. Estas designaciones corresponden aproximadamente a resistencias a la compresión de 25, 30 y 35 MPa a los 28 días, aunque la relación exacta varía en función de los materiales y la dosificación.

¿Qué tipo de cemento se utiliza típicamente en pavimentos de hormigón y qué consideraciones hay sobre su uso?

Generalmente, no se requieren cementos «especiales» para pavimentos de hormigón. Por lo general, se emplean cementos con una resistencia a la compresión de entre 30 y 40 MPa a los 28 días y una dosificación de entre 300 y 350 kg/m³. Se pueden utilizar cementos Portland o cementos con adiciones (como escorias, puzolanas o cenizas volantes), que suelen tener un fraguado más lento, un menor contenido energético y una menor calor de hidratación, por lo que resultan más económicos. Se recomienda utilizar cementos de la clase resistente más baja posible, preferiblemente de 32,5 con resistencia inicial normal (N) y con un alto porcentaje de adiciones activas. No obstante, si se requiere una apertura rápida al tráfico, se pueden utilizar cementos de mayor categoría (42,5 o 52,5) y con alta resistencia inicial (R). Es crucial controlar el uso de grandes volúmenes de adiciones y limitar su contenido al 20 % del cemento, sobre todo en climas fríos.

¿Cuáles son las principales recomendaciones para prevenir fisuras en el hormigón de pavimentos?

Para prevenir la aparición de fisuras en los pavimentos de hormigón, es fundamental tener en cuenta las siguientes recomendaciones:

Evitar relaciones agua/cemento inferiores a 0,40.
Impedir el intercambio de humedad con la base y el ambiente mediante una saturación temprana de la base y un curado adecuado.
Evitar condiciones de restricción elevadas con la base.
Usar áridos limpios, libres de polvo y saturados.
Diseñar las mezclas para asegurar una ganancia de resistencia temprana apropiada y una exudación adecuada.

¿Cuáles son los componentes principales de un pavimento rígido de hormigón y cuál es la función de cada uno?

Un pavimento rígido de hormigón se compone de varias capas esenciales:

Calzada de hormigón: Es la capa superior, que proporciona las características funcionales (drenaje, fricción y regularidad) y gran parte de la capacidad estructural. Actúa como barrera impermeable y su espesor varía en función del tránsito pesado.
Base: Ubicada debajo de la calzada, proporciona un apoyo continuo, uniforme y estable, que es crucial para la distribución de cargas y para prevenir la erosión en la interfaz losa-apoyo. Es obligatoria en vías con tráfico pesado.
Subbase: Situada debajo de la base, en la explanada, y su función principal es proporcionar una base uniforme para la colocación de la capa base y constituir una plataforma de construcción. Debe tener capacidad drenante y, por lo general, es necesaria como capa de transición.
Explanada (subrasante): Es la superficie sobre la que se asienta toda la superestructura del pavimento. Debe tener la resistencia y la regularidad geométrica adecuadas y debe compactarse para soportar la carga de diseño del tránsito.
Subdrenaje (opcional): Consiste en estructuras destinadas a eliminar rápidamente el agua que se filtra por juntas y fisuras para evitar efectos perjudiciales en la estructura del pavimento.
Figura 1. Estructura tipo de un pavimento rígido

¿Qué papel juegan las juntas en los pavimentos de hormigón y cómo se gestiona la transferencia de carga entre las losas?

Las juntas son esenciales para determinar las dimensiones de las losas del pavimento y controlar la aparición de fisuras en las etapas iniciales y durante su uso. Existen juntas de contracción, que debilitan la sección, y juntas de construcción, que se moldean. El aserrado es el método más común para crearlas y debe realizarse antes de que aparezcan las fisuras, pero no demasiado pronto para evitar daños. Se recomienda sellarlas.

La transferencia de carga, es decir, la capacidad de una junta para transmitir una parte de la carga aplicada de una losa a la adyacente, se logra principalmente de dos maneras:

Trabazón de áridos: Se produce entre las caras de la fisura que se desarrolla debajo de la junta.
Pasadores: Son barras de acero lisas que se colocan en las juntas transversales. Ayudan a disminuir tensiones y deflexiones, reducen el escalonamiento, el bombeo y la rotura de esquinas sin restringir el movimiento horizontal.

En algunos casos, es posible utilizar ambas técnicas conjuntamente para lograr una transferencia óptima.

Figura 2. Pasadores en una junta de construcción de un pavimento rígido

¿Por qué es importante el uso de inclusores de aire en el hormigón para pavimentos en ciertas zonas?

En zonas donde se producen nevadas o heladas, es obligatorio añadir un inclusor de aire al hormigón. Estos aditivos crean poros microscópicos que actúan como «cámaras de expansión». De este modo, el agua del hormigón puede congelarse y aumentar de volumen sin causar desconchados ni daños durante las heladas. Además de proteger contra el daño por hielo, los aditivos aireantes también tienen un efecto plastificante y mejoran la tixotropía del hormigón fresco, lo que ayuda a evitar el desgaste de los bordes del pavimento durante su construcción con encofrados deslizantes. Es crucial controlar el nivel de aire ocluido, que debe situarse entre el 4,5 % y el 6 % en volumen, para evitar pérdidas de resistencia.

¿Qué importancia tienen los arcenes en la estructura de un pavimento de hormigón y qué otras alternativas existen para mejorar el soporte en los bordes?

Aunque no forman parte de la estructura principal de la calzada, los arcenes son fundamentales para el soporte de los bordes de los pavimentos de hormigón. Si el arcén está pavimentado con hormigón, la calzada puede transferir parte de las cargas a su estructura, lo que reduce las tensiones y deflexiones del pavimento principal. Además, minimizan la infiltración de agua desde la superficie. Otras alternativas estructurales que también contribuyen significativamente a mejorar el soporte en los bordes son la incorporación de bordillos (especialmente en pavimentos urbanos) y la ejecución de sobreanchos de calzada.

Referencias:

IECA (2012). Firmes de hormigón en carreteras. Guías técnicas. Firmes y explanadas.

KRAEMER, C.; MORILLA, I.; DEL VAL, M.A. (1999). Carreteras II. Explanaciones, firmes, drenaje, pavimentos. Universidad Politécnica de Madrid, Madrid.

YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

Curso:

Curso de fabricación y puesta en obra del hormigón.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Componentes principales de un pavimento de hormigón

Figura 1. Estructura típica de un pavimento rígido (Calo et al., 2015)

Una sección común de un pavimento rígido está compuesta por una capa superior conocida como calzada de hormigón, que es responsable de proporcionar la mayor parte de la capacidad estructural del pavimento. Esta capa descansa sobre una base de material seleccionado, que puede estar tratada con un ligante o no, y a su vez descansa sobre el suelo natural o la explanada (ver Figura 1).

Calzada de hormigón

La capa superior del pavimento está formada por la calzada de hormigón, que es responsable de proporcionar las características funcionales y 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, la fricción y la regularidad, de acuerdo con el tipo de vía y las condiciones de servicio, con el 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 barrera impermeable para las capas inferiores del pavimento, de modo que se minimice 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, y oscilará entre 15 y 20 cm para vías urbanas o de bajo tránsito pesado, y entre 20 y 30 cm para rutas con mayor volumen de vehículos pesados.

Base

La base es la capa fundamental en el comportamiento del firme de un pavimento rígido, ya que 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 justo debajo de la calzada de hormigón y su función principal es prevenir la erosión en la interfaz entre la losa y el apoyo, por lo que es 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. Mejora la distribución de cargas y reduce las tensiones en las capas inferiores de la estructura. También facilita el drenaje del agua de infiltración y protege los suelos de las heladas. Además, garantiza un soporte uniforme para la calzada de hormigón y crea una plataforma de trabajo resistente al clima, apta para vehículos de obra.

La falta de uniformidad en la base puede deberse al bombeo de finos (pumping, en inglés). Si hay agua bajo la losa, la base contiene muchos finos y el tráfico pesado es intenso, el paso de vehículos entre losas puede causar el bombeo de agua y finos hacia juntas o bordes. Esto genera erosión de la base y 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 ubicada debajo de la base de la explanada, también conocida como subrasante. En algunos casos, puede no ser necesaria si la explanada ya cuenta con una gran 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 sean 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, ya que soporta directamente el pavimento. Además, la explanada puede estar compuesta por la capa superior del terraplén o por el fondo de las excavaciones en terreno natural y es responsable de soportar la estructura del pavimento. Para garantizar su estabilidad y buen estado, 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, incluidas las estructuras de subdrenaje. Esto permite eliminar rápidamente el agua que inevitablemente se filtra por las juntas y fisuras, y evitar así los efectos perjudiciales que podría causar su acumulación en la estructura del pavimento. Los subdrenes constan 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 determinan las dimensiones de las losas del pavimento y controlan la formación de fisuras tanto en la fase inicial 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 es posible formarlas en fresco con la creación de surcos en el hormigón. En este último caso, pueden producirse manipulaciones posteriores que afecten a la regularidad superficial, lo que limita su uso en juntas transversales en carreteras con mucho tráfico. 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 de las condiciones de humedad y temperatura. Según el PG-3, el serrado de las juntas transversales debe realizarse dentro de las primeras 24 horas después de la puesta en obra del hormigón, mientras que para las longitudinales, el serrado debe hacerse entre las 24 y las 72 horas siguientes. 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, como 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 parte de la carga aplicada en una losa a la losa adyacente. Esta transferencia puede lograrse 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 conjuntamente para lograr una transferencia de carga óptima.

Pasadores

Se trata de barras de acero lisas dispuestas en las juntas transversales para transferir cargas sin restringir el movimiento horizontal de las losas. Su función es reducir las tensiones y deflexiones del hormigón, además de disminuir el riesgo de escalonamiento, bombeo y rotura en las esquinas de las losas.

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.

Arcenes

Aunque no forma parte de la estructura, la función 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 dicha 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.

Curso:

Curso de fabricación y puesta en obra del hormigón.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Pavimentos de hormigón en masa con juntas para carreteras

Figura 1. Estructura tipo de un pavimento rígido

Existen varios tipos de pavimentos de hormigón, que se clasifican en función de la existencia o no de armaduras y de la disposición de las juntas (Figura 1). Los pavimentos de hormigón en masa o de hormigón armado con juntas, y los pavimentos continuos de hormigón armado, son los más comunes en carreteras, mientras que los pavimentos de hormigón pretensado, los de hormigón armado con fibras, los de hormigón compactado con rodillo, los de hormigón poroso, y los de elementos prefabricados (losas o adoquines) son menos frecuentes.

A continuación, se detallan los pavimentos de hormigón en masa con juntas, que se consideran los más económicos y sencillos de construir (Figura 2). Estos pavimentos son habituales en diversas categorías de tráfico y soportan un promedio de hasta 2000 vehículos pesados por carril y día. El control de la fisuración se logra mediante la inclusión de juntas, ya sean estas longitudinales o transversales, que pueden cumplir diferentes funciones, como juntas de construcción, de contracción o de dilatación, dependiendo de su diseño.

Figura 2. Pavimento de hormigón en masa con juntas.

La fisuración se controla dividiendo al pavimento en losas con una separación entre juntas transversales de 3,5 a 6,0 m, que depende, entre otros factores, del tipo de base, el espesor y el coeficiente de expansión térmica (Figura 3). La separación entre juntas en una losa está estrechamente relacionada con su espesor. Si no hay grandes gradientes de temperatura, la distancia entre las juntas no debería exceder 25-30 veces el espesor de la losa. Si hay gradientes importantes de temperatura, la separación entre juntas debe reducirse a 15-20 veces el espesor de la losa. Se recomienda colocar las juntas a distancias inferiores a 5 m, y si no hay pasadores, no deben superar los 4 m. Como regla general, las losas deben ser rectangulares, y la relación entre sus lados no debe ser superior a 1,5. En calzadas con un ancho mayor de 5 m, se deben disponer juntas longitudinales.

Figura 3. Esquema de un pavimento de hormigón en masa con juntas

La transferencia de carga a través de las juntas es un factor relevante que condiciona el rendimiento de los pavimentos. Una mala transferencia de carga puede provocar problemas como el escalonamiento de las juntas, la erosión de las bases debido a la eyección de agua con suelo fino (también conocido como «bombeo») y roturas de las esquinas. En este tipo de juntas, existen dos mecanismos de transferencia de carga: la trabazón entre los áridos y el uso de pasadores.

Con frecuencia, se colocan barras de unión de acero corrugado en las juntas longitudinales para mantener unidas las losas adyacentes. Estas barras permiten la deformación debida al gradiente térmico, pero evitan la separación de las juntas entre carriles de circulación y el escalonamiento causado por el tráfico. A pesar de ello, estos fenómenos suelen ocurrir con poca frecuencia en las juntas longitudinales.

Con tráficos medios (IMD entre 200 y 2000 vehículos pesados), suele ser común el empleo de pasadores en las juntas transversales para mejorar la transmisión de cargas entre las losas. Se trata de barras de acero lisas y no adheridas al hormigón, situadas en la mitad del espesor, paralelas entre sí y al eje de la vía. De esta manera, se garantiza que las losas a ambos lados de la junta tengan una deflexión similar al paso de los vehículos. A pesar de que el empleo de pasadores reduce el espesor de las losas y aumenta la separación entre las juntas, también se han logrado excelentes resultados en pavimentos sin pasadores cuando las juntas se han dispuesto a distancias inferiores a 4 m.

El diseño “californiano” prescinde de los pasadores (Figura 4), aunque solo se utiliza en España para el tráfico medio y ligero. Sin embargo, cuando se espera más de 200 vehículos pesados por carril y sentido, se adoptan medidas para prolongar la vida útil del pavimento. Estas incluyen bases resistentes al desgaste como el hormigón magro o el gravacemento con mayor contenido de conglomerante, sistemas de drenaje para evitar la acumulación de agua en las juntas y los bordes del pavimento (drenes laterales o bases porosas) y la construcción de losas cortas (de aproximadamente 4 m) con juntas inclinadas 1:6 para minimizar las tensiones.

Figura 4. Pavimento de hormigón en masa con juntas transversales inclinadas (Kraemer et al., 1999)

Hay que evitar los finos de los arcenes cercanos para prevenir el escalonamiento del pavimento. Se pueden aplicar soluciones como zanjas porosas o bases drenantes sin finos, o estabilizadas con gravacemento o suelocemento. Sin embargo, la opción más efectiva suele ser un arcén de hormigón en masa con barras de unión al carril adyacente y una junta longitudinal sellada. Se ha comprobado que, con estas medidas, los pavimentos de hormigón en masa con juntas sin pasadores soportan el tráfico pesado, siempre y cuando no llueva mucho. Además, es importante considerar el efecto positivo que tiene un arcén de hormigón en la estructura y en la prevención de la erosión. No obstante, en España, los pasadores son obligatorios para el tráfico pesado y medio-alto.

La técnica californiana se adapta bien a las pavimentadoras de encofrados deslizantes, pues no requiere pasadores. Antes de la década de 1980, los pasadores se introducían mediante vibración con una máquina que rodaba sobre encofrados fijos, o bien la pavimentadora debía detenerse en cada junta para colocar los pasadores con horquillas, lo que empeoraba la regularidad superficial. Actualmente, las pavimentadoras cuentan con dispositivos que introducen los pasadores sin interrupciones y sin afectar al hormigón de la junta, lo que simplifica el proceso y aumenta su eficiencia. Además, el sobrecoste de utilizar pasadores es mínimo, lo que hace que esta solución sea competitiva para tráficos pesados y medios-altos.

Os dejo un webinar, desarrollado en 2020, del Instituto del Cemento Portland Argentino, sobre la ejecución de pavimentos de hormigón con tecnología convencional. Espero que os sea útil.

También recomiendo la videoconferencia sobre diseño y ejecución de juntas en pavimentos de hormigón, cuyo ponente es César Bartolomé, director del Área de Innovación de IECA. Espero que os guste.

Referencias:

IECA (2012). Firmes de hormigón en carreteras. Guías técnicas. Firmes y explanadas.

KRAEMER, C.; MORILLA, I.; DEL VAL, M.A. (1999). Carreteras II. Explanaciones, firmes, drenaje, pavimentos. Universidad Politécnica de Madrid, Madrid.

Curso:

Curso de fabricación y puesta en obra del hormigón.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.