Comienzo con este una serie de artículos dedicados a una de las unidades de obra más utilizadas en los últimos tiempos en la construcción de carreteras de las redes gestionadas por las distintas administraciones públicas: el suelocemento. A lo largo de los mismos se tratarán diversas cuestiones relacionadas con dicho material y su caracterización a efectos de considerarlo en los métodos de dimensionamiento analítico de pavimentos.

El suelocemento es uno de los materiales que con mayor profusión se ha empleado en los últimos años como capa estructural en los pavimentos de nueva construcción de las carreteras españolas. La posibilidad de utilizar una amplia variedad de suelos en su fabricación, evitando, por tanto, la necesidad de sobreexplotación de yacimientos, junto con la capacidad estructural que aporta al pavimento, reduciendo en gran medida las tracciones en las capas bituminosas superiores, así como las deformaciones en la explanada en que se apoyan, ha hecho que prácticamente sea esta la única opción considerada por los proyectistas para las capas inferiores de los pavimentos.

De hecho, recuerdo que mis primeras experiencias laborales estuvieron relacionadas, casi exclusivamente, con la redacción de estudios de dimensionamiento y comprobación de secciones estructurales, en las que casi invariablemente lo que pretendía el cliente (casi siempre contratista) era justificar el cambio de la tipología del pavimento proyectado, pasando de una sección flexible a una semirrígida con una única capa tratada con cemento para, consecuentemente, poder reducir el espesor de mezcla bituminosa.

Aunque la justificación técnica para el cambio de sección flexible es, en principio, sencilla (sobre todo para el cliente, que evidentemente pretendía también pagar lo menos posible por el estudio), dado que bastaba con la selección de la alternativa semirrígida incluida en el catálogo de la Norma 6.1-IC "Secciones de firme", ya en ese momento existían publicaciones al respecto que confirmaban lo que, por otro lado, parecía evidente: las secciones estructurales del mismo grupo (correspondientes a la misma categoría de tráfico y explanada) sólo son equivalentes entre sí de manera aproximada (publicación de Medina, Pérez y Crespo "Comprobación estructural de las secciones de firme de la instrucción de carreteras 6.1 y 6.2-IC"), dado que el comportamiento a fatiga de las secciones depende en gran medida de su tipología, siendo, en ocasiones, muy notables las diferencias observadas, pudiéndose concluir que existen evidentes diferencias en la durabilidad de las mismas.

Además, se había puesto de manifiesto en el estudio de Kraemer y Albelda "Evaluación técnico-económica de las secciones de firme de la Norma 6.1-IC" que algunas de las secciones semirrígidas más utilizadas en las carreteras con tráficos moderados (en concreto, la 222 y la 232 del catálogo de la Norma 6.1-IC) estaban claramente infradimensionadas y alguna otra, para tráficos pesados intensos, en concreto la 0032, sobredimiensionada (si bien no comparto dicha opinión, tal y como expondré en un posterior artículo).

Por estos motivos, el estudio de justificación solía abordarse mediante técnicas de dimensionamiento analítico, con el objetivo no sólo de razonar el cambio de tipología en la sección, sino también de optimizar sus espesores, y en cualquier caso, evitar agotamientos prematuros.

el suelocemento en las referencias normativas

En aquel momento, las normativas de referencia en cuanto a pavimentos eran la ya mencionada Norma 6.1-IC "Secciones de firme" (2003), de la Dirección General de Carreteras y de ámbito estatal (y que las administraciones que no disponen de normativa propia suelen asumir para sus redes), las Recomendaciones de proyecto y construcción de firmes y pavimentos de la Junta de Castilla y León (1996 y actual revisión de 2004), y la Instrucción para el diseño de firmes de la Red de Carreteras de Andalucía (1999 y actual revisión de 2007). Actualmente, en España además se han desarrollado la Norma de secciones de firme de la Comunitat Valenciana (2009) y la Norma para el dimensionamiento de firmes de la Red de Carreteras del País Vasco (2007 y actual revisión de 2012). Además, el Manual de firmes con capas tratadas con cemento (2003), elaborado por el CEDEX e IECA se ha convertido desde su publicación en una referencia de diseño, si bien no supone obligaciones normativas.

En todas ellas, a efectos de su caracterización mecánica (módulo elástico y coeficiente de Poisson) y de la definición de las funciones de transferencia asociadas a su modo de fallo considerado (es decir, sus leyes de fatiga), se trata el suelocemento de una forma similar. En las normativas que indican rangos para el módulo de elasticidad, su valor máximo es de 8.000 MPa, y el mínimo, de 2.000 (Valencia). Los módulos de cálculo considerados son en todos los casos el correspondiente al máximo del rango, es decir, 8.000 MPa, excepto la norma de Valencia, que recomienda un valor de 6.000 MPa.


Las leyes de fatiga consideradas para el suelocemento, es decir, las relaciones determinadas entre la tensión crítica producida por la carga de tráfico tipo y la vida a fatiga del firme, responden en todos los casos a una expresión de la forma:


donde σ es la tensión a flexotracción que provoca la rotura del material por fatiga tras la aplicación de N ciclos de carga tipo, a es un coeficiente que se introduce para ajustar los resultados del modelo al comportamiento del firme (y que en realidad en la práctica supone un coeficiente de seguridad que minora la resistencia a flexotracción a largo plazo), RF,LP es la resistencia a flexotracción a largo plazo, y b es un coeficiente que depende de las características del material. Estos coeficientes no son exactamente iguales el todas las referencias.


el dimensionamiento de una capa de suelocemento

La reducida pendiente de la ley de fatiga de estos materiales, como puede verse en el gráfico adjunto, implica que una pequeña variación en la relación entre la tensión de cálculo y la resistencia a flexotracción (habitualmente denominado cociente tensional) supone un gran cambio en la vida a fatiga de la capa, es decir, en el número de aplicaciones de carga que es capaz de soportar. Por ello, las normativas recomiendan adoptar valores relativamente conservadores (bajos) para la resistencia a flexotracción de la capa respecto a lo que cabe esperar de estos materiales, con el objetivo de no infradimensionar las secciones.


Este es también el motivo por el cual en el dimensionamiento analítico se consideran según la mayoría de las normativas el extremo superior del rango para el módulo elástico de cálculo; de acuerdo con las leyes elementales de la elasticidad, a igualdad de carga, la tensión aumenta al aumentar el módulo elástico del material. Se trata, en definitiva, de un criterio conservador para evitar fallos prematuros.

En este punto aparece un resultado paradójico: si se realiza un estudio de sensibilidad de la vida a fatiga de la capa de suelocemento respecto al módulo de la misma, se observa que, como se ha indicado, a mayores módulos, mayor tensión de cálculo, y por consiguiente, menor vida a fatiga de la capa y por tanto de la sección. En definitiva, según este argumento, "cuanto mejor es el suelocemento, peor es el comportamiento de la sección". ¿Cuál es el error en este razonamiento? Evidentemente, que la resistencia a flexotracción del suelocemento está relacionada con el módulo del mismo, y que al aumentar éste, también aumenta aquélla en mayor medida que lo hace la tensión de cálculo, lo que concluye con una disminución del cociente tensional, y por tanto, un aumento de la vida a fatiga. En definitiva, cuando se realizan estudios de sensibilidad en capas de suelocemento, no debe adoptarse una elección fija de los valores de cálculo considerados, sino que debe tenerse presente las relaciones que existen entre ellos.

No obstante, el principio de intentar garantizar que las capas de suelocemento no se infradimensionan parece acertado, dado que, por lo general, se tiende al proyecto de capas de espesor insuficiente. Incluso, desde mi punto de vista, las capas que cumplen estrictamente el espesor mínimo especificado en las normativas son insuficientes, debido a que su comportamiento estructural es extremadamente sensible a diversos factores, como el propio espesor de la capa o la resistencia del material, cuya disminución puede reducir drásticamente la vida de la sección.

próximamente en PaveIng...

El próximo artículo de esta serie estará dedicado a la elección correcta de los parámetros mecánicos y de fatiga del suelocemento de cara a introducirlos en los modelos de dimensionamiento analítico. En particular, se indicarán algunas nociones para estimar el módulo y la resistencia a flexotracción a largo plazo del suelocemento a partir de la característica que habitualmente se conoce del mismo, ya que es la que se exige en las especificaciones de los Pliegos: la resistencia a compresión a 7 días.

4 comentarios:

  1. Excelente entrada Ricardo.
    Personalmente soy un gran defensor del uso de suelos estabilizados (yendo más allá que el PG3 y sus suelos-cemento).
    En mi experiencia profesional he constatado que empleando los aditivos adecuados (cemento, cal y productos de tipo polimérico) se puede convertir prácticamente cualquier suelo en un material apto para la construcción de un firme.
    Ahora bien, es de justicia reconocer que es un campo en el que falta mucha ciencia para justificar adecuadamente las dosificaciones de aditivos y las propiedades mecánicas.
    Si las leyes de fatiga de las mezclas son variables, cuando entramos a estimar los parámetros de comportamiento de un suelo-cemento o un suelo estabilizado, todo se vuelve sumamente movedizo.

    Saludos

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    1. Muchas gracias por tu comentario, Ruy.

      Efectivamente, una cosa es la estimación de las características mecánicas de los materiales, y otra su comportamiento real. Pero a veces, las diferencias entre su comportamiento estimado y el real se deben a errores de bulto en la caracterización, para la cual es imprescindible la realización de los ensayos oportunos.

      Recuerdo un caso en que para una obra, en su inicio, se habían realizado unos ensayos de caracterización, que indicaban una dosificación de cemento de X%. En la obra, las resistencias mínimas no se alcanzaban ni siquiera con 2·X% de cemento... y el problema era que en concreto en esa zona, que era un desmonte del orden de 5 m, se había caracterizado el suelo superficial, de modo que el suelo a 5 m era completamente diferente a aquel para el cual se había establecido la dosificación.

      Por eso entiendo los criterios sumamente conservadores de considerar el módulo máximo esperable junto con su resistencia a flexotracción relativamente baja; pero bajo mi punto de vista, lo que procede es caracterizar correctamente el material tratado y trabajar con los valores mecánicos con una seguridad razonable, pero no ser tan conservador sistemáticamente.

      Un saludo.

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  3. Interesante y claro el artículo. Me gustaría (si es posible), saber la fuente de las imágenes de este artículo.

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