Avenida urbana con 8 años de servicio donde se empleó un geocompuesto para impedir el reflejo de fisuras

El Centro de Investigaciones Viales LEMaC, de la Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional La Plata; desde hace 20 años viene recorriendo el camino de la investigación de los materiales geosintéticos, especialmente de aquellos aplicados a las obras viales.

En particular, en esta oportunidad, se presenta el artículo referido al ensanche de una avenida urbana en el cual se empleó un geocompuesto para impedir el reflejo de las juntas del pavimento antiguo al pavimento nuevo. Se han efectuado valoraciones previas en laboratorio como comprobaciones posteriores sobre núcleos calados del pavimento. La obra ha sido ejecutada durante los primeros meses del año 2012 realizando predicciones con modelos de laboratorio y se ha planteado un seguimiento de su comportamiento en campo presentando su estado actual después de 8 años de servicio.

El objeto de la obra ha sido el mejoramiento del tránsito y de las vías de circulación vehicular en el casco urbano de la ciudad de La Plata.

Como capital de la provincia de Buenos Aires, La Plata posee 713.947 habitantes aproximadamente, y es un centro administrativo de importancia para la región. Debido al importante crecimiento del flujo vehicular dado en los últimos años, se ha hecho necesario que ciertas avenidas sean ensanchadas para brindar mayor capacidad y fluidez en el tránsito. La a

Avenida 60 es una arteria que no escapa a tal circunstancia, motivo por el cual el gobierno Municipal y los vecinos, han decidido su ensanche en el tramo que comprende desde la Avenida 7 (Plaza Rocha) hasta la Avenida 13 (Plaza Máximo Paz) (Ver Figura N° 1).

La obra consiste en la ampliación de las vías de circulación vehicular en un ancho de 2 metros, quedando dos calzadas de 8 metros entre cordones separadas por un cantero central de 4 metros.

El paquete estructural de pavimento existente está constituido por un antiguo pavimento adoquinado o granitullo sobre el cual existe una carpeta de rodamiento de mezcla asfáltica. Para equiparar paquetes estructurales el proyecto del ensanche contempló la ejecución de una base de hormigón (concreto hidráulico de cemento Portland), en comparación con el pavimento adoquinado, sobre la cual se ejecutó una carpeta de rodamiento de mezcla asfáltica de 5 cm de espesor para homogeneizar niveles de superficies de calzada con el pavimento existente.

En primera instancia se detectó que para salvar la junta de unión entre el pavimento de adoquines de base y la base de ensanche de hormigón, sería necesario interponer un producto capaz de absorber posibles movimientos diferenciales de esa junta constructiva. La solución encontrada a tal efecto ha sido fresar 50 cm de ancho de la mezcla asfáltica existente sobre los adoquines, y colocar un producto geocompuesto en un ancho de 100 cm, 50 cm a cada lado de la junta constructiva, capaz de retardar el reflejo de la junta constructiva en la nueva carpeta de rodamiento asfáltica. Previo a la aplicación del geocompuesto se aplicó un riego de imprimación a una tasa de 0,9 l/m2. Luego de su aplicaciónm, se administró un riego de liga a razón de 0,50 l/m2, sobre el cual se ejecutó la carpeta de rodamiento de mezcla asfáltica en caliente.

En conjunto con el ensanche la obra contempló diversos ítems conexos complementarios, los cuales no fueron motivo de estudio del presente artículo, como ser: demarcación horizontal, señalización vertical, semaforización, rampas para discapacitados e iluminación.

Previa a la ejecución de la obra y con motivo de conocer el comportamiento del geocompuesto como parte componente del paquete estructural del ensanche, se decidió valorar dos aspectos que se consideran fundamentales para el adecuado comportamiento del sistema de capas del pavimento:

a) La adherencia en la interfase, donde se aplica el geocompuesto u otros elementos como S.A.M.I. (Stress Absorber Membrane Interlayer).

En esta instancia se ha empleado el ensayo de adherencia LCB (sus siglas provienen del lugar donde ha sido desarrollado, Laboratorio de Caminos de Barcelona). El cual evalúa el esfuerzo cortante que se desarrolla en la interfase de unión de las capas de pavimento.

b) La eficiencia en el retardo de las fisuras. En este caso, donde existe un sustrato rígido de hormigón, la experiencia del LEMaC ha sido satisfactoria considerando la aplicación del modelo Ensayo de Flexión con cargas repetidas, mediante la adaptación del equipo de Módulo de Rigidez.

Dicho ensayo somete a testigos o probetas confeccionadas en laboratorio a un esfuerzo de corte por flexión y permite valorar la tensión de adherencia que se genera en el plano de discontinuidad (Ver Figura N° 2). A tal efecto se confeccionan probetas de 10,1 cm de diámetro con los paquetes estructurales a evaluar. De esta manera, se contempla la adherencia como una característica fundamental para el trabajo monolítico de la estructura.

Se han confeccionado las probetas, según el paquete estructural diseñado. Las probetas poseen dimensiones similares a las probetas Marshall (10,1 cm de diámetro) constituidas por: una capa de hormigón elaborado ad-hoc de 3 cm de espesor, un riego de imprimación de 0,9 l/m2 de dotación, el geocompuesto, un segundo riego de liga de 0,5 l/m2 de dotación y la capa de mezcla asfáltica en caliente. Los ensayos fueron realizados a una temperatura de 25ºC y los resultados obtenidos se presentan en la Tabla N° 1.

Dónde:

 = deslizamiento entre los planos de la interfase.

 = tensión de adherencia en el plano de la interfase.

Para estas determinaciones se adaptó el equipo de Módulo de Rigidez descripto en la Norma UNE EN 12697-26, el cual permite que la carga sea aplicada con distintas frecuencias de repetición.

El equipo empleado consta de un actuador neumático, que posibilita la variación de cargas en un rango de 0 a 500 kg, y a diversas frecuencias, desde 0,2 Hz a 20 Hz. Todo el equipo se encuentra en una cámara donde se mantiene constante la temperatura, la cual se puede configurar en un rango que varía entre 5 y 40 ºC, de esta manera se pueden eliminar las diferencias de comportamiento por susceptibilidad térmica de la mezcla asfáltica (Ver Figura N° 3).

Se ha adaptado el instrumental de laboratorio para ejercer una carga linealmente distribuida sobre una viga simplemente apoyada. De esta manera, el espécimen ensayado es sometido a flexión por cargas repetidas, generándose tracciones en su fibra inferior. En este caso, y luego de plantear distintos tipos de configuraciones, se ha desarrollado el ensayo con las siguientes condiciones de borde:

Carga Máxima : P = 400 kg

Frecuencia: F = 0,5 Hz *

Temperatura: T = 25 ºC ± 0.5 ºC

Distancia entre apoyos: D = 250 mm.

*Según curva de carga y descarga planteado en la Norma UNE EN 12697-26.

Se han confeccionado series de probetas según el paquete estructural indicado. Siendo en este caso el ancho y el largo de las probetas de 100 mm y 300 mm respectivamente. Las probetas se ubican sobre dos apoyos móviles en los extremos, materializados por barras de acero de 20 mm de diámetro. Los resultados obtenidos se presentan en la Tabla N° 2.

En otros trabajos de investigación realizados por el LEMaC, se han analizado paquetes estructurales similares al propuesto pero sin la aplicación de geocompuesto. En esos casos, la aparición de la primera fisura se ha dado en un número de 9 ciclos y la propagación total se ha alcanzado en sólo 12 ciclos. Esto denota que el geocompuesto tiene un valor cuantificable de aporte al retardo de la fisuración refleja, con lo cual se justifica su aplicación en una obra de las características de la analizada.

Las obras propuestas para el ensanche, se han clasificado en los siguientes ítems:

a) Aserrado de pavimento existente.

b) Retiro de cordón de granito existente y apertura de caja.

c) Corrección de subrasante con 4% C.U.V.

d) Sub base de suelo seleccionado e = 0,20 m.

e) Base de hormigón H-21.

f) Cordón central de Hº.

g) Fresado de carpeta asfáltica en ancho 0,50 m.

h) Riego de liga pre y pos aplicación del geocompuesto.

i) Geocompuesto para unión de pavimentos.

j) Carpeta Asfáltica e = 0,05 m.

A continuación se presenta una secuencia fotográfica de algunas etapas de la obra.

Durante el proceso constructivo se llevaron a cabo controles sobre los materiales y los procesos de ejecución.

A la cal empleada para corrección de la subrasante se le determinó el porcentaje de Cal Útil Vial (C.U.V), el ensayo arrojó como resultado un 45 %.

Para la subrasante tratada se determinó su clasificación por el sistema H.R.B. de muestras extraídas, su lisura general, y se determinó su DN con el método del Penetrómetro Dinámico de Cono (DCP). Los resultados de laboratorio arrojaron que las muestras se enmarcan en la clasificación A-6(9), la terminación de la capa posee una lisura aceptable y el promedio de DN ha sido de 13 mm/golpe, que satisface lo exigido por el Pliego DN ≤ 15 mm/golpe.

Del suelo seleccionado, previo a su empleo en la capa de sub base, se tomó una muestra representativa de acopio y se determinó su clasificación por el sistema H.R.B., arrojando cómo resultado una clasificación de A-4(7). Posteriormente, se controló la capa terminada de sub base determinando nuevamente su clasificación H.R.B. de muestras de obra, su lisura general, y se determinó su DN con el método del Penetrómetro Dinámico de Cono (DCP). Los resultados de laboratorio arrojaron que las muestras se enmarcan en la clasificación A-4(8), la terminación de la capa posee una lisura buena y el promedio de DN ha sido de 12 mm/golpe, que satisface lo exigido por el Pliego DN ≤ 15 mm/golpe.

De la ejecución de la base de hormigón H-21 se tomaron muestras representativas y se confeccionaron probetas cilíndricas de 0,15 m de diámetro y 0,30 m de altura. Dichas probetas se curaron en condiciones de humedad y temperatura controlada hasta que cumplieran la edad de 28 días, pasado dicho lapso se ensayaron a compresión simple. Los resultados de laboratorio arrojaron un promedio de 18,2 MPa, lo cual ha sido menor a la resistencia característica exigida en el pliego, Rk = 21 Mpa a los 28 días sobre probetas. Por lo tanto, se recomendó la extracción de testigos y su ensayo a compresión simple.

Se controló a nivel visual que la colocación del riego sea homogénea, como así también los anchos y profundidades de fresado. En determinados lugares se encontraron situaciones no deseables que fueron informadas.

El geocompuesto empleado está conformado por una membrana asfáltica modificada con polímero, la cual está adherida a un geotextil tejido de polipropileno en su proceso de fabricación. La caracterización del producto empleado, según la normativa vigente en Argentina, arrojó los siguientes resultados:

Masa por unidad de área (Norma IRAM 78002): 2019 gr/m2 (sin film protector) y 2107 gr/m2 (con film protector). Exigencia del Pliego > 2000 gr/m2.

Espesor a presión prefijada de 2 kPa (Norma IRAM 78004): 2,7 mm. Exigencia del Pliego > 2,00 mm.

Resistencia a penetración estática (Norma IRAM 78011): 8,6 kN (cara Geotextil) y 8,6 kN (cara Asfalto). Exigencia del Pliego > 7,0 kN.

Resistencia a la tracción, con probetas anchas (Norma IRAM 78012):

En dirección paralela al sentido de fabricación: Resistencia: 65,8 kN/m – Deformación: 19,8%.

En dirección perpendicular al sentido de fabricación: Resistencia: 78,1 kN/m – Deformación: 25,3%.

Exigencia del pliego:

Resistencia: > 40 kN/m – Deformación: < 30 %.

En algunas jornadas de trabajo se observaron ciertos defectos constructivos en la colocación del geocompuesto, como ser la presencia de agua de lluvia y de arrugas. Estos dos aspectos van en detrimento de la buena adherencia que se debe lograr entre las capas del refuerzo. En tales circunstancias se dio aviso a la empresa constructora para que procediera a subsanar esas situaciones.

Se observó que el material geocompuesto no fue colocado en correspondencia con las juntas ejecutadas en la base de hormigón, esto no estaba indicado en el pliego.

El material empleado como refuerzo y capa de uniformidad para toda la calzada, ha sido una mezcla asfáltica densa en caliente, de tamaño máximo de agregado 19 mm. Previo a la ejecución de la capa, se solicitó a la constructora que presente los materiales vírgenes con que conformaría la mezcla y la fórmula de obra con que procedería a su dosificación. Con dichos materiales y formulación se reprodujo en laboratorio las condiciones de fabricación de la mezcla por la metodología Marshall, detectándose valores de vacíos superiores a las exigencias del pliego y estabilidades que no superaban el límite inferior de la exigencia, por lo que se solicitó a la constructora que ajuste parámetros de la formulación para lograr una mezcla que se encuadre en dichas exigencias. Se aconsejó la incorporación de cal como filler de aporte, que hasta el momento no estaba siendo utilizada.

Presentada la nueva formulación, en la cual se incorporó cal, se procedió de la misma manera que la anteriormente descripta. Obteniéndose en ésta los siguientes parámetros que se encuadran en las exigencias del pliego:

Vacíos promedio: 3,6 %. Exigencia del pliego: 3 % – 5 %.

Estabilidad promedio: 816 kg. Exigencia del pliego: 800 kg – 1000 kg.

Fluencia promedio: 4,1 mm. Exigencia del pliego: 2,0 mm – 4,5 mm.

Relación Estabilidad / Fluencia promedio: 1990 kg/cm. Exigencia del pliego: 2100 kg/cm – 3600 kg/cm.

De la curva granulométrica conformada por los áridos de la mezcla se observa en la Tabla N° 3, que la misma cumple con las exigencias del pliego.

Finalizada la obra, se consensuó con la inspección la ubicación y cantidad del muestreo a efectuar, y de esos sectores se extrajeron testigos o especímenes calados del pavimento, tanto en zonas sin la aplicación del geocompuesto, como en zonas donde sí se incorporó el producto.

Los testigos calados fueron remitidos al LEMaC donde se le efectuaron determinaciones de adherencia LCB, y a posterior a sus partes componentes (mezcla asfáltica y hormigón) se les determinó espesores y densidades aparentes para los testigos de mezcla asfáltica, y espesores y resistencia a compresión simple para los testigos de hormigón.

De un total de 16 testigos, se sub dividieron en dos grupos de 10 testigos los cuales no incorporan un geocompuesto como capa intermedia, y 6 testigos los cuales si poseen geocompuesto como capa intermedia.

Los resultados de adherencia LCB en promedio para cada grupo han sido:

Testigos sin geocompuesto

Tensión de adherencia: 2,3 MPa

Deslizamiento entre capas: 1,4 mm

Testigos con geocompuesto

Tensión de adherencia: 0,4 MPa

Deslizamiento entre capas: 3,2 mm

Para el caso de los testigos de mezcla asfáltica, resultantes de la separación de los testigos extraídos en forma completa, el espesor se determinó con tres medidas por espécimen las cuales se promediaron para arrojar un valor individual de espesor por testigo. El promedio del espesor para todos los testigos evaluados ha sido de 43,9 mm. A su vez, a cada testigo se le efectúo la determinación del peso al aire y del peso sumergido para establecer su volumen y su densidad aparente. El promedio de la densidad aparente para el conjunto de todos los testigos de mezcla asfáltica ha sido de 2,295 gr/cm3.

En el caso de los testigos de hormigón, con el mismo procedimiento enunciado con anterioridad se determinó el espesor de los mismos, arrojando un valor promedio de 17,4 mm. Los mismos fueron luego ensayados a resistencia a compresión simple. El promedio de las determinaciones efectuadas en tal sentido ha arrojado el valor de 29,8 MPa, cuando la exigencia del pliego es > 21,0 MPa.

Dentro de los ensayos efectuados, se destacan las curvas carga versus deformación de los ensayos de Adherencia LCB efectuados sobre testigos calados del pavimento. A continuación, se presentan las curvas correspondientes para cada tipo de testigos, sin geocompuesto incorporado (Ver Figura N° 4) y con geocompuesto incorporado (Ver Figura N° 5).

Dentro de cada uno de los grupos analizados se observa que las curvas presentan cierta dispersión, propia de la metodología de ensayo.

Del análisis comparativo para el ensayo de LCB, las probetas moldeadas en laboratorio han presentado un mejor comportamiento en comparación con los núcleos calados del pavimento. Esto puede deberse a la heterogeneidad de los riegos aplicados en obra en cuanto a su dotación, y de los defectos detectados, mencionados con anterioridad.

Se adaptaron satisfactoriamente equipos de solicitación dinámica para predecir el comportamiento de los materiales ante la fisuración refleja. Los resultados obtenidos demostraron que el geocompuesto es un agente efectivo para el retardo de las fisuras. Además, el mismo actúa como un puente de transición entre dos sustratos diferentes sobre los cuales se desea aplicar una carpeta asfáltica en caliente.

La caracterización del material geocompuesto en laboratorio es de suma importancia, dado que se obtienen de esa manera parámetros confiables de sus propiedades. En el presente caso la caracterización fue efectuada bajo la normativa vigente en Argentina.

El tramo de vía ha sido auscultado a lo largo del tiempo, con el objeto de conocer el comportamiento real del refuerzo y luego ser comparado con el comportamiento predicho mediante el ensayo de flexión con cargas repetidas. Se presentan imágenes a marzo 2020 (8 años de servicio) del estado actual de la obra. En las mismas se aprecia que no hay fisura longitudinal en la zona de colocación del material geocompuesto, en cambio se aprecian las fisuras transversales correspondientes a las juntas del hormigón donde no se colocó el material geocompuesto. De esta manera, se puede dar un comportamiento exitoso al material geocompuesto en su función.

Las Figuras N° 6, 7 y 8 son de marzo 2020, luego de 8 años de servicio la obra.