el suelocemento en el dimensionamiento analítico (y III)

En esta última entrada de la serie dedicada al suelocemento y a cómo considerarlo en el dimensionamiento analítico de pavimentos se abordan las cuestiones de los mecanismos de deterioro y criterios de fatiga, así como de la evolución del comportamiento del material con el daño acumulado, distinguiendo las diferentes fases que presenta y cómo tener en cuenta este hecho en los cálculos.

En las entradas previas de la serie se ha analizado la consideración del suelocemento como material de pavimentos en las algunas referencias normativas y de diseño españolas, en lo que respecta a su caracterización mecánica y a la definición de su ley de fatiga, y también se han dado los criterios básicos para estimar los parámetros mecánicos del material a partir de su resistencia a compresión simple, que es el ensayo más habitual (por su sencillez) empleado para su caracterización y control.

En esta ocasión, me permito recomendar, antes de continuar con esta entrada, la lectura de un reciente documento, "A comprehensive overview on main distress mechanisms in composite pavements" preparado por los ingenieros David Hernando (@davhernando) y Miguel Ángel del Val (@delValMA), en que se trata ampliamente los modelos de deterioro de los pavimentos semirrígidos, y del que se han extraído algunos datos para la elaboración de este post.

Como ya se indicó, en las referencias españolas suele considerarse la caracterización del suelocemento mediante los parámetros correspondientes a largo plazo; por otro lado, en las técnicas básicas de dimensionamiento analítico se considera que dichos parámetros son constantes a lo largo del tiempo, incluso cuando las acciones del tráfico y climáticas van deteriorando el material (de hecho, esta simplificación se realiza habitualmente para todos los materiales que constituyen la sección).

Esta hipótesis simplificada es errónea; la realidad es que las características mecánicas de los materiales van cambiando conforme las cargas del tráfico (y las acciones meteorológicas) actúan, provocando un daño que se acumula durante la vida de la sección. En el caso del suelocemento, se pueden distinguir 3 fases diferenciadas de comportamiento:

• Fase 1, previa a la fisuración, en la que se pueden desarrollar microfisuras debidas a la retracción o a los efectos climáticos.
• Transición entre fases 1 y 2, en la que se comienzan a generar microfisuras ocasionadas por las cargas del tráfico, cuando se excede el 25% de la deformación de fallo (aproximadamente 36 με).
• Fase 2, posterior a la fisuración, cuando la deformación de tracción ocasionada por las cargas de tráfico aumenta hasta alcanzar sus valores límite (aproximadamente 145 με).
• Fase 3, de comportamiento granular, cuando, tras alcanzar el fallo, la capa tratada se asemeja a un mosaico de piezas encajadas de dimensiones reducidas cuyo conjunto se comporta como una capa granular.

En cualquier caso, parece razonable pensar que el comportamiento mecánico del suelocemento irá empeorando conforme avanza su estado de deterioro, pasando de una fase a otra. De hecho, esto es lo que ocurre. Tras un período inicial de ganancia de resistencias, una vez ejecutado, y una vez superada la Fase 1, el módulo del suelocemento comienza a disminuir conforme el material se va fisurando (durante la transición de la fase 1 a la fase 2, y durante esta última), hasta alcanzar un módulo estable correspondiente a un material granular de prestaciones relativamente elevadas (o dicho de otro modo, correspondiente a un suelocemento agotado).

Hay varios métodos para tener en cuenta esta degradación progresiva de las propiedades mecánicas, en términos de su módulo de elasticidad; por ejemplo, se presenta el modelo propuesto en la “Guide for mechanistic-empirical design of new and rehabilitated pavement structures”, base del actual "Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide, Interim Edition: A Manual of Practice". De acuerdo con este modelo, el módulo elástico de un material tratado con cemento disminuye desde su valor inicial E0 hasta un valor mínimo Ec, a partir del cual el material se comporta como un granular, cuando la capa se considera agotada, según la siguiente expresión:

donde los módulos elásticos se expresan en MPa. Para el caso de un suelocemento, considerando unos valores para el módulo inicial E0 de 6.000 MPa y para el módulo mínimo Ec, de 350 MPa, la evolución se recoge en la siguiente gráfica.

En la expresión anterior, F representa el daño acumulado de acuerdo a la Ley de Miner; según ésta, si la fatiga de un pavimento constituido por capas cuyas características mecánicas se definen por el estado i (Ei, νi), se produce por Ni aplicaciones de una carga Pi, el grado de fatiga producido por una única aplicación de la carga viene dado por la expresión:

El daño producido por diferentes cargas, o en diferentes condiciones, se acumula, de modo que el grado total de fatiga del firme, F, producido por un número ni de aplicaciones de la carga Pi, es igual a la suma de los grados de fatiga de cada una de ellas, es decir:

Para la determinación del número de aplicaciones que puede resistir en suelocemento en cada estado (Ni) se deben emplear las correspondientes leyes de fatiga, que como se indicó en entradas anteriores dependen de la resistencia a flexotracción del material.

El proceso de dimensionamiento analítico, teniendo en cuenta este concepto de daño acumulado, no consiste más que en la iteración de sucesivos cálculos tensionales del pavimento  teniendo en cuenta que, para cada uno de ellos, la capacidad mecánica de las capas que constituyen la sección se ha visto mermada respecto al inmediatamente anterior.

Por otro lado, y como alternativa, como puede deducirse de los criterios establecidos en función de las diferentes fases que experimenta el suelocemento a lo largo de su vida útil, se puede evitar su fisuración por fatiga dimensionando de modo que el mismo permanezca en la denominada fase 1, independientemente del módulo elástico que haya alcanzado inicialmente, para lo cual hay que asegurarse de que su deformación de tracción permanece por debajo de aproximadamente 36 με a lo largo de toda su vida de servicio.

Otros autores indican que se puede prevenir el deterioro por fatiga de las capas tratadas con cemento limitando su cociente tensional (que no es más que la relación entre la tensión máxima de tracción ocasionada por las cargas del tráfico y la resistencia a flexotracción del material): la Portland Cement Association (PCA) sugiere que para evitar la fatiga del suelocemento se debe limitar a valores máximos de 0,45, y el "Manual de firmes con capas tratadas con cemento" publicado CEDEX e IECA establece valores orientativos de entre 0,40 y 0,50.