Uso de macrofibras sintéticas en pavimentos de hormigón: construcción de secciones experimentales en Olavarría

*Por el Ing. Carlos A. D’Alessandro, jefe de Proyectos Civiles, Cementos Avellaneda S.A. y el Ing. Mariano Pappalardi, jefe Corporativo Calidad de Producto, Cementos Avellaneda S.A.

El objetivo del presente trabajo consiste en avanzar y profundizar en el conocimiento, desarrollo y sostenibilidad de los pavimentos de hormigón con secciones alternativas, que permitan obtener una solución técnica, económica y durable para cada tipo de proyecto, incluidas las rehabilitaciones, que cada vez son más requeridas con el paso del tiempo y el propio incremento del tránsito que se produjo durante décadas en las rutas de nuestro país.

1. Introducción

El Hormigón Reforzado con Fibras (HRF) es un material compuesto que incorpora refuerzos con fibras estructurales discontinuas o discretas, las cuales son en general de acero o sintéticas, siendo éstas últimas las que se emplearon en esta experiencia y se denominan macrofibras. Según la dosis empleada de las mismas, se le concede al HRF una serie de propiedades especiales, entre las que se destacan la tenacidad y la respuesta post-fisuración del material.

1.1. Respuesta post-fisuración

La principal acción de las fibras comienza luego de la primera fisura, donde se inician los fenómenos de arrancamiento y deslizamiento fibra-matriz. Las fibras producen una acción de costura o puente a través de las fisuras, controlando su propagación y permitiendo la transmisión de esfuerzos al mantener limitado el ancho de la fisura. Esto le confiere una resistencia adicional al material (capacidad residual).

1.2. Ensayos para determinar el módulo de rotura y la respuesta post-fisuración

Existen diversos métodos para determinar el módulo de rotura y la respuesta post-fisuración del hormigón, entre los que se destacan la normativa europea (EN 14651) y la americana (ASTM C1609)(1). En ambos casos se requiere que el ensayo se desarrolle en forma estable durante el postpico, para lo cual se adopta un sistema de control de deformaciones por lazo cerrado, que mide según la norma, la flecha o apertura de fisura como señal de carga. Las fibras aportan la tenacidad del hormigón, que se representa por el área bajo la curva como la energía de deformación que es capaz de acumular el material.

2. Antecedentes

Para asegurar el desempeño de las capas de refuerzo de hormigón, al igual que cualquier pavimento, es fundamental disponer de un paquete estructural bien conformado, que sea firme y uniforme, manteniendo su estabilidad a lo largo del tiempo, con lo cual se requiere de una eficiente evacuación del agua, que involucre las subbases y las banquinas.
Dicho requerimiento, fue la esencia del camino “Eduardo Laporte” de acceso a la planta San Jacinto de Cementos Avellaneda en Olavarría, cuya pavimentación original se realizó en el año 1938, a partir de la puesta en marcha del primer horno rotativo horizontal “Lepol” en la planta “1”. Según testimonios locales, dicho pavimento tuvo un buen desempeño por 20 años, hasta que en 1958 se instaló el segundo horno rotativo horizontal “Humboldt” con intercambiador de calor, el primero de este tipo en el país. El crecimiento de la fábrica fue acompañado con la ampliación del camino de acceso, donde en 1966 se terminó de configurar el actual pavimento flexible de 2,5 km de longitud y 7 m de ancho, fundado sobre una subrasante de loam arenoso, y compuesto por una subbase granular mejorada con piedra partida calcárea (e = 15 cm), una base de concreto asfáltico (20 a 30 cm), y una carpeta de rodamiento asfáltica (5 a 7 cm), que cumplió un servicio satisfactorio durante varias décadas luego que se puso en marcha la planta “2” en 1974.

Fue recién en 2004 cuando se comenzó a deteriorar el camino con el incremento de la producción y los despachos de cemento que se produjeron luego de la puesta en marcha de una nueva planta “3” en el predio.
Como es habitual, el mayor daño del pavimento flexible existente se produjo en las zonas de frenado y aceleración, que en este caso correspondieron al cruce con las vías férreas, y el acceso a la fábrica.
Para entonces, ya se disponía en Olavarría de la principal experiencia de rehabilitación de un pavimento asfáltico mediante una capa de refuerzo con hormigón (tabla 1), que se realizó en el mismo año 2004, pero en ese momento no se consideró adherencia entre las capas y tampoco se emplearon fibras, por lo que se implementaron espesores tradicionales de entre 16 cm a 22 cm.

Para este caso en particular con el cruce del FFCC, cumpliendo el requisito de mantener la rasante del camino al mismo nivel que las vías férreas, el espesor existente del concreto asfáltico en dicha zona fue suficiente para poder fresar y construir un nuevo pavimento de hormigón simple de 21 cm de espesor, preservando el remanente de la capa asfáltica como una base negra de 15 cm (2).
Posteriormente, durante los años 2010 y 2011 se ponen en marcha un nuevo molino vertical de cemento y se amplía la planta “2” de clinker en un 75 % más de su capacidad, incrementándose el tránsito a los valores actuales, lo que ameritó la rehabilitación del sector de entrada y salida de los vehículos pesados a planta (3), y se aprovechó la oportunidad en febrero de 2013 para la construcción de las secciones experimentales que se exponen en el presente trabajo.

3. Diseño

Las secciones experimentales se diseñaron a partir de distintas metodologías, siendo el withetopping convencional el proyecto de referencia por los antecedentes probados de rehabilitación, y que en este caso resultó con 26 cm de espesor para una edad de diseño de 25 años (4).
Para las losas de geometría cuadrada de 1,75 m de lado (medio carril), se adoptaron los diseños a 10 años, con capas adheridas delgadas de HRF, que resultaron de 13 cm a 16 cm de espesor, y 20 cm de espesor en el caso que no se empleó las macrofibras sintéticas (5).

Por último, se realizó una sección experimental adicional a partir de los criterios de diseño de la PCA (6), manteniendo el espesor de 26 cm pero sin colocar los pasadores, y acortando las losas convencionales a una geometría cuadrada de 3,5 m de lado.

4. Materiales

Los materiales empleados en la obra fueron en su mayoría de origen local, salvo las macrofibras que además de las nacionales se evaluaron las importadas.
En la tabla 2 se indican las propiedades en estado fresco y endurecido de los HRF que fueron determinadas en laboratorio con 350 kg/m3 de cemento y 3 kg/m3 de macrofibras.
Dicha dosis constante por peso de fibras representa en cada caso una cantidad de unidades diferentes según su largo y relación de forma.

La primera observación que surgió al incorporar las macrofibras al hormigón, fue la reducción de la consistencia en cada uno de los pastones realizados, obteniéndose en promedio una caída de asentamiento de 5 cm. La misma es recuperada posteriormente mediante el uso de un aditivo superplastificante.
La caracterización de los HRF se realizó en el LEMIT, mediante la determinación de la resistencia residual fd150 ASTM C1609.

5. Construcción

La construcción de las secciones experimentales se realizó en febrero de 2013, e implicó en primer lugar el fresado de la capa asfáltica existente, respetando las transiciones de espesor en coincidencia con las juntas transversales de las losas de 1,75 m. Para asegurar la adherencia de la nueva capa de hormigón con el sustrato asfáltico existente, fue requisito limpiar la superficie mediante barrido e hidrolavado, y su posterior secado con aire comprimido libre de aceite. Para el whitetopping convencional se colocó un film de polietileno entre ambas capas para romper la adherencia (figuras 1 y 2).

Para el hormigonado, en base a las experiencias previas de laboratorio y considerando una mayor demanda de agua dado que la construcción se realizó en época estival, se incrementó el contenido de cemento en aproximadamente un 5 %, obteniéndose además una dosificación acorde al sistema de construcción que se adoptó (Tabla 3). Adicionalmente se empleó un aditivo superplastificante al pie de obra para ajustar el asentamiento del HRF.

Para dosificar las distintas macrofibras que se emplearon, en primer lugar se consideró el peso envasado en cada caso, que según la marca se proveyeron en unidades de 2,3 kg y 6 kg, colocándose de esta manera 8 y 3 bolsas respectivamente por cada mixer con 6 m3 de hormigón. Se evaluaron diferentes alternativas para agregar las fibras, entre las que se destacan la incorporación en planta en simultáneo por la cinta de carga de los agregados, como así también en boca de mixer con solo una parte del agua inicial, antes de la carga de los demás componentes del hormigón.
Se destaca que el hecho de emplear fibras no substituye las buenas prácticas constructivas de colocación, compactación, terminación, curado y aserrado del hormigón.
En las secciones que se consideró adherencia se torna aún más crítico el aserrado, dado que se incrementan las tensiones inducidas por la mayor restricción de la base, y aunque esto se compensa en parte por el menor espaciamiento de juntas, se debe realizar el mismo sin demoras y con un mínimo de dos aserradoras en simultáneo. Además se deben resolver correctamente las situaciones que se presentan, de manera de evitar el reflejo de las juntas (figura 3).

6. Control de Calidad

El primer ensayo que surge del HRF es el conteo (por su peso) de las fibras para evaluar su uniformidad en el hormigón fresco. Este método de sencilla aplicación, se toma a partir de la determinación del peso por unidad de volumen (PUV) del hormigón, que luego se lo somete a una agitación intensa en un recipiente con agua, de manera de separar las macrofibras sintéticas que emergen por flotación, y finalmente se determina el peso seco de las mismas.
Los demás ensayos en estado fresco no difieren de los habituales, con la consideración que las vigas son moldeadas tanto para la determinación del módulo de rotura como para la resistencia residual, que por su relevancia se empleó una mesa vibrante al pie de obra para su confección.
Por último, para este tipo de diseños que se considera la adherencia entre la nueva capa de refuerzo del HRF y el sustrato asfáltico, se verificó la misma mediante la evaluación de la resistencia al corte en el plano de la interface hormigón-asfalto (7), que resultó en promedio 1,4 MPa (Mínimo 1,2 y Máximo 1,6), la cual se puede considera como buena según la clasificación de la adherencia efectuada por la FHWA (8).

7. Seguimiento

Dada la ubicación estratégica de la obra sobre el camino de acceso a la planta San Jacinto, se tiene un conocimiento amplio respecto a las cargas del tránsito pesado existente, y además esto permite realizar en forma recurrente la inspección visual del pavimento en servicio (figura 4).
Para cada año que transcurre al finalizar el mes de agosto, luego que el pavimento de hormigón se sometió al frío del invierno, y se produjo la mayor contracción térmica en forma estacional, en esa época se realiza el relevamiento del trabajo de las juntas de contracción, preferentemente a la mañana temprano, donde también se favorece la visualización de cualquier fisura transversal si se produjera.
Bajo dicha situación, se evaluó entonces en una condición crítica la transferencia de carga de las juntas de contracción (9), que se materializaron con y sin pasadores.

8. Consideraciones

Las distintas secciones experimentales están siendo monitoreadas según un programa de trabajo preestablecido, el cual es limitado por el equipamiento de medición disponible.
Hasta el momento todos los casos evaluados muestran un muy buen desempeño, de acuerdo a lo esperado al transcurrir recién seis años desde su construcción.
Se espera a partir de esta experiencia poder adoptar la mejor solución técnico-económica para la futura rehabilitación del camino de acceso a la Planta San Jacinto.
En relación a las mediciones realizadas bajo carga en las juntas del pavimento de hormigón:
Al evaluar la transferencia de carga en las juntas transversales con el equipamiento disponible, aunque se observó cierta dificultad de aplicación, se pudo verificar una efectividad entre el 75 y 100 % cuando se emplearon pasadores.
En los casos de las losas experimentales sin pasadores y de geometría cuadrada de 3,5 m x 3,5 m, se observó en general una transferencia de carga por fricción entre agregados que se ubicó en un intervalo del 25 al 50 %, pero resultó prácticamente nula en una de las juntas que más se abrió.
Para los casos de los recubrimientos de hormigón adheridos, con losas de 1,75 m x 1,75 m, se registraron deflexiones de menor magnitud, y la transferencia de carga en las juntas se ubicó entre el 50 y 75 %.
La apertura de las juntas de contracción fue acotada y homogénea, obteniéndose solo un valor de mayor magnitud en coincidencia con una de las juntas transversales donde se planificó el cambio de espesor entre las diferentes secciones.
La disponibilidad de una cantidad suficiente de aserradoras para el corte en simultáneo de las juntas de contracción es clave para obtener un trabajo uniforme de las mismas.
Al construir por media calzada, de debe evitar el reflejo de las juntas transversales existentes mediante la colocación de un material aislante.
En relación al posible alabeo de las losas de dimensiones convencionales:
Las mediciones realizadas hasta el momento con el equipo de nivelación que se dispone para obra mecánica en fábrica, indican que en ningún caso se produjo el alabeo de las losas.
Este hecho podría estar atenuado además del espesor en cuestión, por las propias condiciones climáticas de esta subregión de la Pampa Húmeda.
Está pendiente realizar la misma medición con un equipo a fin de mayor precisión, como por ejemplo podría ser un perfilómetro pivotante
En relación a la adherencia entre la capa de hormigón y el sustrato asfáltico:
Con los testigos extraídos para evaluar la resistencia a la edad de 28 días, en los casos de las distintas secciones de Whitetopping delgado evaluadas, se verificó la adherencia del hormigón a la capa asfáltica, pudiéndose clasificar la misma como regular a buena, obteniéndose valores del orden de 1,4 MPa.
No se observaron diferencias significativas con los resultados de adherencia obtenidos entre los hormigones con y sin macro fibras.
Está pendiente volver a extraer testigos para evaluar la adherencia a una edad más avanzada.
En relación al uso de las macrofibras sintéticas:
La sola incorporación de fibras al hormigón genera una reducción de la trabajabilidad, la cual debe ser compensada mediante el uso correcto de un aditivo reductor de agua en planta y un superplastificante al pie de obra cuando corresponda, además de realizar el ajuste de la dosificación para incrementar levemente el volumen de arena.
La metodología empleada para la incorporación de las fibras es clave a fin de evitar la formación de erizos.
El hecho de emplear las fibras no significa descuidar las buenas prácticas constructivas de colocación, compactación, terminación, curado y aserrado.

CONSIDERACIÓN FINAL

Para los HRF de esta experiencia, se emplearon macro fibras sintéticas de producción nacional e internacional. Las fibras se seleccionaron a partir de los ensayos de laboratorio previos de resistencia residual, y se observó una mejora en las macro fibras de industria nacional, obteniéndose resultados similares a las fibras importadas.
En ningún caso se emplearon microfibras en esta experiencia, y nos queda pendiente el estudio de su efecto, más allá de su difundido uso para el control de la fisuración plástica.

Agradecimientos

El presente trabajo fue motivado por la Dirección y Gerencia de nuestra empresa, especialmente por los ingenieros Jorge Heller y Daniel Violini quienes nos alentaron a la idea de mantener un pensamiento abierto sobre las distintas posibilidades de diseño de los pavimentos de hormigón, valiéndonos de la oportunidad de construir el acceso a fábrica y poder medir en la obra. También agradecemos al personal de Cementos Avellaneda de la División de Ingeniería por su colaboración en el campo, junto a Marco Servim de la empresa constructora IMPO.