IMPORTANCIA DE LA CALIDAD DE LAS TERRACERIAS Y BASES PARA PAVIMENTOS

Ing. Gabriel Gutiérrez Roch SCT. Dirección General de Servicios Técnicos LCP Nantes, Division Matériaux et Structures deAve. Coyoacán Núm. 1895 Col Acacias CP 03240 México, D. F. Tel: 55246309. Fax: 55247005. E mail: gagutier@sct.gob.mx

INTRODUCCIÓNEn México, la institución que ha sido pionera y que se ha encargado de la construcción de las vías terrestres más importantes del país, es la Secretaría de Comunicaciones y Transportes.

Esta dependencia tuvo a su cargo desde su creación hasta los años setenta del siglo pasado, la construcción de las carreteras, autopistas, vías de ferrocarril, aeropuertos y puertos, que propiciaron y actualmente continúan apoyando el desarrollo de nuestro país.

A partir de los años ochenta, la privatización y la descentralización de los ferrocarriles, aeropuertos y puertos marítimos, sólo dejó a cargo de esta dependencia la construcción y la conservación de la red federal de carreteras y autopistas de cuota, aunque por ser cabeza de sector del transporte nacional, continúa encargándose de las disposiciones normativas de todos los medios de transporte.

A todas y cada una de estas obras, las caracteriza el empleo de suelos y materiales pétreos para formar las terracerías y capas de desplante, así como las capas hidráulicas o granulares de los pavimentos o de las estructuras de la vía, para absorber los esfuerzos inducidos por el paso de las cargas del tránsito, aeronaves o trenes, según el tipo de obra.

Es indudable que el servicio que han estado prestando todas estas obras, ha sido influenciado por el comportamiento y durabilidad de las capas inferiores de apoyo, así como por las condiciones ambientales prevalecientes, principalmente de humedad.

El comportamiento de estas capas está definido por la calidad de los materiales utilizados, el cual generalmente es analizado a través de consideraciones efectuadas en el proyecto y de estudios de laboratorio. Sin embargo, la selección y aceptación de materiales para formar una determinada capa, en la práctica se realiza en función de los requisitos de calidad establecidos para una obra.

Para las obras de la SCT , en los proyectos se ha considerado como obligatorio la aplicación de los requisitos de calidad establecidos en su normativa vigente, salvo en proyectos muy especiales, por razones de uniformidad y por evitar mayores costos de las obras.

Los requisitos de calidad que generalmente se han estado aplicando para los materiales que se utilizan en terracerías y capas hidráulicas, son los que establecen las normas SCT vigentes contenidas en la edición 1986 de los libros "blancos", las cuales han tenido escasas modificaciones de la primera versión contenida en las Especificaciones Generales de Construcción de la extinta SCOP, editada en 1957.

Considerando que estos requisitos prácticamente no han variado para las obras desde los años cincuenta, con excepción de los correspondientes a la capa sub-rasante y base hidráulica de pavimento, modificados en los años noventa, puede afirmarse que se ha tenido un descuido en este aspecto, si se toma en cuenta que la demanda del servicio de transporte se ha multiplicado y las cargas actuantes en las obras han aumentado notablemente, en los últimos treinta años.

SITUACIÓN ACTUAL Y REPERCUSIONESTerracerías.Uno de los aspectos que mayor repercusión tiene en la planeación y desarrollo de una obra vial, es el costo.

Si se considera que en una obra vial, los mayores costos se presentan por el transporte de los materiales que conforman los mayores volúmenes de la estructura, los cuales son las terracerías, resulta lógico que en todos los casos se busque utilizar materiales que estén lo más cercano posible al lugar en donde se utilizarán.

Por este motivo, en las obras viales siempre se procura que en su proyecto geométrico se compensen los cortes y terraplenes para reducir lo más posible el acarreo de los materiales. Sin embargo, la calidad estipulada en un proyecto para los materiales de terracerías, condiciona en ocasiones que algunos volúmenes de material no puedan ser usados sobre todo en la capa sub-rasante, lo que da lugar a mayores distancias de acarreo y al desperdicio del material inadecuado.

SITUACIÓN ACTUAL Y REPERCUSIONESCuerpo de TerraplénDe acuerdo con la norma SCT vigente, los materiales para terraplén pueden ser los fragmentos de roca y los suelos cuya fracción que pase la malla núm. 40 en la prueba de Límite Líquido, no presente valores por arriba de 100 % y que no tengan un olor característico de suelo orgánico. Este valor de 100 % separa a los suelos de alta compresibilidad de los de mediana y baja compresibilidad.

De esta forma en terraplenes, prácticamente muchos tipos de material pueden ser usados, si tampoco existe limitación en su tamaño de fragmento, por la altura del terraplén.

Sin embargo, la limitación en el Límite Líquido de 100 % ha dejado que se usen materiales con valores entre 50 y 100 %, los cuales también presentan un elevado grado de plasticidad, lo cual es inapropiado sobre todo para aquellas obras importantes en las cuales es necesario asegurar un comportamiento más adecuado de las capas de asiento, como es el caso de carreteras troncales, autopistas y vías urbanas de alto tránsito.

Otro aspecto de interés es el que se refiere a la compactación o acomodo de los materiales en las terracerías. En el cuerpo del terraplén, dependiendo de su altura, ha sido costumbre la colocación de suelos y fragmentos de roca con tamaños máximos de fragmentos que son acordes con el espesor de la capa tendida.

A estos materiales se les ha denominado "no compactables", no porque no puedan acomodarse adecuadamente sino porque no se dispone de un procedimiento para poder medir su grado de acomodo. De hecho, en las normas de construcción de la SCT se indica la manera en que deben ser acomodados este tipo de materiales.

Sin embargo, es común observar durante la construcción de los terraplenes, que los fragmentos de roca no son suficientemente acomodados, dando lugar a que se presenten reacomodos con el tiempo, lo que se traduce en asentamientos, deformaciones y agrietamientos del pavimento.

Otros casos similares se presentan en las zonas de contacto de los aproches con las pilas de los puentes y en los materiales que envuelven a los tubos de alcantarilla, por la dificultad que tiene la compactación de esas zonas con el equipo normal de trabajo. Estas deficiencias en el acomodo también dan lugar a asentamientos y deformaciones posteriores de las estructuras.

Es importante por tanto, que las empresas constructoras y de consultoría atiendan oportunamente y con eficiencia estos defectos constructivos, para poder lograr un comportamiento uniforme de los materiales que forman el cuerpo del terraplén.

SITUACIÓN ACTUAL Y REPERCUSIONESCapa Sub-rasante Por lo que se refiere a la capa sub-rasante, en los proyectos se ha considerado un espesor de 30 cm para el caso de carreteras y de 50 cm para las aeropistas, con una calidad superior a la de los terraplenes, caracterizada por un Valor de Límite Líquido no mayor de 100 %, un Valor Relativo de Soporte estándar no menor de 10 %, una expansión en material saturado no mayor de 3 % y una compactación no menor de 95 %, con relación a la Prueba AASHTO Estándar.

Los requisitos de calidad para la capa sub-rasante, también han sido aplicados en forma general en todos los proyectos, independientemente del tipo o importancia de la obra, lo que ha dado lugar a conjeturar sobre un comportamiento adecuado de esta capa, sobre todo en carreteras troncales y en autopistas.

Como es de todos conocido, en el diseño de un pavimento es necesario determinar como requisito básico, la resistencia de la capa de material en donde se desplantará el pavimento, obtenida en una condición de acomodo y de humedad lo más cercana a las condiciones en que trabajará esta capa en el lugar de la obra.

Como una obra vial generalmente se desarrolla a lo largo de diversas zonas en que las condiciones pueden ser variables, se ha considerado razonable que el estudio para determinar la resistencia de la capa sub-rasante se efectúe en los materiales que sean más representativos del lugar, con la compactación que fije el proyecto y que la humedad del ensaye sea la que tenga el material en su condición más crítica, por lo que se ha manejado tradicionalmente la humedad de saturación.

Con estas consideraciones, en el laboratorio se reproducen especímenes del material en estudio y se determina generalmente su resistencia, aplicando la prueba internacionalmente conocida como CBR (California Bearing Ratio) y en nuestro medio como VRS (Valor Relativo de Soporte).

Como es de suponerse, si la calidad del material que se pretenda utilizar en la capa sub-rasante es deficiente porque los requisitos de calidad a cubrir no son muy estrictos, el VRS crítico para diseño generalmente tiende a ser bajo, lo cual da como resultado que para un determinado tránsito definido para un periodo de diseño, la estructura del pavimento sea mayor, si se compara con la que pudiera obtenerse con un material de mejor calidad en el que el VRS crítico para diseño sea más elevado.

Del razonamiento anterior se desprende que por una resistencia baja del material de la capa sub-rasante se eleva el costo del pavimento por requerirse una mayor estructura. Esta situación lleva a reflexionar que por un ahorro en la calidad de la capa de desplante del pavimento, se puede estar gastando más en las capas del pavimento que indudablemente son de mayor costo.

Por lo que se refiere al acomodo de los materiales "compactables", es decir aquellos materiales con un tamaño máximo de 7.5 cm ( 3" ) a los que se les puede medir su grado de acomodo, se ha estado aplicando en las obras viales el requisito de que los materiales se compacten a un porcentaje, como mínimo, de su peso volumétrico seco máximo obtenido con una prueba de laboratorio.

El dejar establecido un mínimo de compactación, ha generado que los materiales se sobrecompacten obteniéndose como resultado una heterogeneidad en el acomodo de los materiales y por lo tanto, un comportamiento variable de las capas.

Lo conveniente es que el proyectista de una obra vial estipule un determinado grado de compactación con una tolerancia arriba y debajo de ese valor, por ejemplo: 95 % mínimo ± 2%. De esta forma se lograría una uniformidad en el acomodo de los materiales y en su comportamiento.

SITUACIÓN ACTUAL Y REPERCUSIONESCapas Hidráulicas de Pavimento

A manera de introducción, se indica que en la mayor parte de las obras viales construidas en el país se han utilizado tradicionalmente pavimentos de tipo flexible, que se caracterizan por tener una estructura formada por una o más capas hidráulicas y una superficie de rodamiento en donde se utiliza como aglutinante un material asfáltico.

La razón básica de este mayor empleo del pavimento flexible desde las primeras obras viales construidas en México, es su menor costo, lo cual permitió un mejor aprovechamiento de los recursos destinados a la infraestructura del transporte.

Esta situación en su momento fue muy conveniente porque las demandas de volúmenes de tránsito y de cargas a satisfacer eran reducidas, lo que actualmente ha quedado rebasado y ha dado lugar a la utilización de otro tipo de pavimentos y de materiales.

Por lo que se refiere a los materiales que se utilizan en la construcción de las capas hidráulicas de pavimento, se comenta que se trata de materiales naturales seleccionados y generalmente con algún tratamiento, para lograr el cumplimiento de los requisitos de calidad estipulados en el proyecto.

Primeramente conviene distinguir tres clases de capas que en nuestro país son utilizada, de acuerdo al tipo de obra vial de que se trate: el revestimiento , la sub-base y la base .

El revestimiento se utiliza en caminos rurales o alimentadores como una capa de rodamiento y de protección de las terracerías y se ha considerado que esta capa es funcional para cuando el número de vehículos diarios que lo transitarán es bajo.

La sub-base es una primera capa de pavimento que se coloca en ocasiones entre la sub-rasante y la base hidráulica, como una transición de materiales generalmente finos de las terracerías y materiales granulares de la base.

Como la calidad es inferior a la de la base, la capa de sub-base tiene también un efecto en la economía de la obra; sin embargo, esta capa no necesariamente se considera en todos los diseños de un pavimento flexible, sino más bien sólo en aquellos cuya estructura es grande por la importancia de la obra.

La base hidráulica del pavimento es la capa tradicional de un pavimento flexible y es la que mejor calidad tiene de las otras dos comentadas. Se considera que esta capa, por estar inmediatamente abajo de la capa superficial de rodamiento, es la que absorbe y distribuye los esfuerzos provocados

por el paso de los vehículos. Para el caso de que en una obra vial se considere un pavimento de tipo rígido, esta capa de base suele denominarse "sub-base".

También ha sido considerada para efectos del diseño del pavimento, como referencia para definir los espesores de la estructura del pavimento, denominándose para este efecto como "grava equivalente".

SITUACIÓN ACTUAL Y REPERCUSIONESRevestimiento En el caso del revestimiento, los requisitos de calidad de la norma SCT vigente hasta el año próximo pasado, indicaban una graduación de tamaños comprendida dentro de tres zonas granulométricas, que adoptaran una de las curvas que limitan las zonas y sin cambios bruscos de pendiente, con un tamaño máximo de partículas de 7.6 cm ( 3" ).

La exigencia de que los materiales tengan una graduación de tamaños adecuada, permite asegurar que se logre un acomodo eficiente de sus partículas para generar la estabilidad y la resistencia de la capa.

También se pedía la aplicación de una prueba denominada "valor cementante", para que los materiales tuvieran una cohesión inducida por un fino de naturaleza plástica, a fin de lograr una cierta resistencia mínima a la compresión simple, en especímenes cúbicos.

Esta prueba se justificó en su momento, considerando que la capa de revestimiento colocada en una obra generalmente no se compacta sino únicamente se conforma y se espera que el tránsito de los vehículos con el tiempo acomode el material, por lo que se suponía como necesario darle una cohesión con un fino plástico y medir se efectividad con el procedimiento del valor cementante, a fin de asegurar una mayor "estabilidad".

En contraposición a la prueba antes comentada, también se pedía que los materiales para revestimientos cumplieran con una prueba denominada "contracción lineal" , la cual tenía el objetivo de limitar precisamente el uso de materiales muy plásticos que presentaran contracciones notables al perder humedad.

También se pedía que el revestimiento tuviera un Valor Relativo de Soporte Estándar de 30 % como mínimo, para asegurar que el material usado tuviera una resistencia adecuada al tipo y volumen de tránsito previsto en este tipo de obras. Sin embargo, también resulta incongruente que normalmente no se exigiera compactar los revestimientos, lo que no permitía lograr una buena resistencia de la capa para el paso de los vehículos.

Como se verá más adelante, la situación comentada sobre los revestimientos ya está siendo atendida por la SCT , a través de su nueva norma editada en el año 2002.

SITUACIÓN ACTUAL Y REPERCUSIONESSub-base y Base

Para la calidad de los materiales utilizados en las capas de sub-base y base de pavimento, la norma SCT vigente indica también que la granulometría debe ubicarse dentro de alguna de tres zonas, que tenga una forma semejante a una de las curvas que limiten la zona y un tamaño máximo de partículas de 5.1 cm ( 2" ) para la sub-base y de 3.8 cm ( 1.5" ) para la base. Las consideraciones sobre la graduación de partículas comentada para los revestimientos también son válidas para estas capas

También se estipula que la sub-base y la base cumpla con ciertos valores de contracción lineal y valor cementante, que dependen de la ubicación en que se aloje la curva granulométrica del material a emplear.

La exigencia del valor cementante en los materiales para sub-base y base hidráulica, provocó que en el medio de las vías terrestres se considerara como necesario en todos los casos que se buscara adicionar finos plásticos a los materiales granulares para asegurar la cohesión de las capas, lo cual a los constructores también les resultaba muy conveniente porque les facilitaba lograr la compactación de los materiales.

Esta situación propició que en el medio de la construcción se emplearan invariablemente materiales granulares con finos plásticos, proliferando empresas que hasta anunciaban la venta de "bases o gravas cementadas".

Como resultado de esta práctica apoyada por el cumplimiento de la norma SCT, puede decirse que en la mayor parte de los pavimentos construidos hasta los años ochentas, se colocaron capas de sub-base y de base con finos plásticos, los cuales con los cambios de humedad provocados por las condiciones ambientales afectaron su comportamiento de estabilidad y de resistencia, provocando con el paso del tiempo deformaciones e inestabilidades de estas capas.

La norma también indica que los materiales que se empleen en sub-base tengan un Valor Relativo de Soporte Estándar de 50 % como mínimo y un valor de Equivalente de Arena de 20 % como

mínimo, considerando este último valor como tentativo, es decir, que este requisito podría no considerarse como definitivo.

Para el caso de la base hidráulica, la norma estipulaba que los materiales tuvieran un Valor Relativo de Soporte Estándar de 80 % mínimo para carreteras con intensidad de tránsito hasta de 1 000 vehículos pesados al día o para aeropìstas con aeronaves hasta de 20 toneladas de peso, o un VRS Estándar de 100 % mínimo para carreteras con más de 1 000 vehículos pesados al día o para aeropistas con aeronaves de más de 20 ton de peso.

Para la prueba de equivalente de arena aplicada en materiales para bases, la norma indicaba valores tentativos de 30 % mínimo y 50 % mínimo para los dos casos comentados de carreteras, así como también de 35 % mínimo y de 50 % mínimo para los correspondientes a aeropistas.

Es conveniente mencionar que la prueba de "equivalente de arena" es una de las pruebas más confiables y rápidas de que se dispone para evaluar tanto el contenido de finos como el efecto perjudicial de estos finos en los materiales granulares.

Es una prueba ideal para estudio de los suelos y agregados, así como para realizar con eficiencia el control de calidad de los materiales pétreos durante los tratamientos a los que son sometidos a fin de que cumplan con una determinada calidad, de tal forma que la SCT ha decidido considerar únicamente esta prueba en sus nuevas normas de calidad de materiales, descartando la prueba de contracción lineal porque, además de ser poco confiable, requiere de mucho tiempo para su ejecución, lo que la hace inadecuada para el control.

Por lo que se refiere a la compactación, la norma SCT indicaba que tanto la sub-base como la base se compactaran al 95 % como mínimo del peso volumétrico seco máximo obtenido con la prueba de laboratorio de uno de los métodos citados en la propia norma.

Como en esta norma se consideraba que en materiales granulares era aplicable la prueba de compactación estática denominada "Porter", generalmente este tipo de prueba era con la se controlaba el acomodo de materiales en el campo.

Es necesario hacer notar que la prueba Porter tiene elevados índices de repetibilidad y reproducibilidad además de que provoca una degradación intensa en las partículas de los materiales modificando su granulometría, por lo que en muchos países fue desechada desde hace muchos años.

Una alternativa que ha resultado conveniente para evaluar el acomodo de materiales en el laboratorio ha sido el uso de compactadores dinámicos a través de impactos, los cuales tienen la ventaja de que permiten cambiar la energía de compactación para hacerla mas acorde con la que producen los equipos en el campo.

Conviene resaltar que en las propias normas SCT editadas en l981, se incluyen las pruebas de compactación dinámica AASHTO Estándar y Modificada para 3 y 5 capas . Sin embargo, el uso de la prueba Porter ha sido una costumbre que ha resultado difícil de erradicar en el medio nacional de las obras viales.

Las condiciones actuales de tránsito y las cargas actuantes en las carreteras y aeropistas, llevaron a la SCT a efectuar modificaciones en la norma de calidad para bases, lo cual se realizó a través de un oficio circular que dirigió el Subsecretario de Infraestructura de la SCT a todas las áreas encargadas de las obras de infraestructura del transporte, con fecha 23 de febrero de 1998. Copia de este oficio se incluye en este trabajo como Anexo Núm. 1 .

En este oficio se indicó que en lo sucesivo se debe aplicar en todas los proyectos de carreteras y aeropistas un Valor Relativo de Soporte Estándar de 100 % mínimo y un Equivalente de Arena de 50 % mínimo y que este último valor dejaba de ser tentativo, para los materiales que se utilicen para base hidráulica de pavimento.

Para el control de la compactación de las bases, el oficio indica que los materiales deben tener un 100 % como mínimo de su peso volumétrico seco máximo, determinado con la prueba AASHTO Modificada (5 capas).

Como resultado de estas modificaciones a la norma SCT de calidad para bases, se cuenta actualmente con mejores requisitos para que los materiales para bases hidráulicas tengan un mejor comportamiento en las obras.

Sin embargo, estas modificaciones no incluyeron a la sub-base ni tampoco descartaron la aplicación de las pruebas de contracción lineal y de valor cementante, por lo que si en los proyectos no se especifica claramente que no deben usarse, pueden causar confusiones y provocar alguna deficiencia de calidad.

SITUACIÓN ACTUAL Y REPERCUSIONESConclusionesa) El comportamiento de una obra vial en su conjunto se ve notablemente influenciado por la calidad y el acomodo de los materiales utilizados en las capas que le sirven de apoyo, como son el terraplén y la capa sub-rasante, considerando que por efecto de la humedad prevaleciente y la actividad plástica de los finos que contengan, se puede reducir la estabilidad y la resistencia de estas capas de desplante.

b) Existen muchas obras que por la calidad de los materiales utilizados en las terracerías y en las capas hidráulicas de pavimento, así como por haber sido construidas con deficiencias en su compactación, han presentado serios problemas de comportamiento, manifestados en asentamientos, deformaciones y baja resistencia de soporte, lo cual ha originado que se apliquen recursos para su rehabilitación o mantenimiento antes de haber concluido su periodo de servicio previsto en los proyectos.

c) Es necesario que los ingenieros proyectistas de estas obras les dediquen especial atención a la definición de los espesores y requisitos de calidad de las capas de terracerías y de las capas hidráulicas de pavimento, para garantizar que las inversiones de construcción y de conservación que se destinan a las capas de rodamiento, que generalmente son elevadas por el costo de los materiales empleados, sean óptimamente aprovechables.

d) Actualmente se cuenta con normas de calidad de materiales para terracerías y revestimiento y en este año se contará con las de sub-base y base hidráulica de pavimentos, que permitirán mejorar el comportamiento de las obras que se construyan a futuro, siempre y cuando sean utilizadas en los proyectos.