AGRIETAMIENTO PREMATURO DE LA ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO DE HORMIGÓN EN LA CARRETERA TARIJA – POTO SÍ

Alberto Benítez Reynoso

Ingeniero Civil, M.Sc., M.E., Ph.D. Ciudad de Tarija (Bolivia)

− Ingeniero Civil, Máster en Ciencias, Magíster en Ingeniería, Doctor (Ph.D.) en

Ingeniería y en Formación e Investigación en Medio Ambiente. − Más de 25 años de experiencia como docente universitario (grado y posgrado) y

consultor de estudios y proyectos. − Decano de la Facultad de Ciencias y Tecnología (1992-1994) y Vicerrector

(1994-1997) de la Universidad Autónoma J.M. Saracho de Tarija (Bolivia). − Miembro Titular de la Academia Panamericana de Ingeniería y de varias

organizaciones profesionales, científicas y académicas.

RESÚMEN La carretera Tarija – Potosí, es la ruta nacional No.1 y pertenece a la red fundamental de carreteras de Bolivia. Comenzó a construirse con estructura de losa de hormigón o pavimento rígido en agosto de 2005. A partir del año 2006, la ejecución de la obra comenzó a ser cuestionada seriamente por los medios locales y nacionales debido a la aparición de grietas de considerable magnitud en una importante cantidad de losas de hormigón. El problema puede plantearse en términos de la siguiente pregunta: ¿Cuáles han sido las causas que han provocado el agrietamiento prematuro de las losas de hormigón en la carretera Tarija – Potosí?, siendo, en consecuencia, el objetivo : determinar las causas que han provocado las grietas prematuras de las losas de hormigón. La metodología utilizada ha tenido dos partes: una empírica o trabajo de campo y una racional. Los principales resultados de la investigación son: - Caracterización del proyecto de y de las patologías presentadas. - Análisis de las variables involucradas. La principal conclusión puede expresarse de la siguiente manera: las causas fundamentales del agrietamiento prematuro de las losas del pavimento rígido en la carretera Tarija – Potosí, están asociadas a cuestiones de diseño, concretamente a una insuficiencia en el espesor de las losas.

ABSTRACT PREMATURE CRACKING OF CONCRETE PAVEMENT STRUCTURE I N THE

TARIJA – POTOSÍ HIGHWAY

The Tarija – Potosí highway is the No. 1 national route and is a part of the highways fundamental network of Bolivia. The construction of the named highway started in august, 2005, with slabs concrete or rigid pavement. From 2006, the work began to

be criticized due to premature cracking in several concrete slabs. So, the problem can be stated by the question: What are the causes for the premature cracking on the concrete slabs in the Tarija – Potosí highway?. Then, the objective is: to determine the causes for the mentioned premature cracking. The methodology followed has two parts, an empirical and a rational. The main results are: − Characterization of the project and pathologies of concrete slabs. − Analysis of considered variables. The main conclusion can be stated as: the fundamental causes for the premature cracking of rigid pavement slabs in the Tarija – Potosí highway are related to design elements, specifically to the insufficient thickness of slabs. INTRODUCCIÓN La carretera Tarija – Potosí es la ruta nacional No.1, pertenece a la red fundamental de carreteras de Bolivia, es parte de la carretera Panamericana que vincula varios países del continente, conecta al departamento de Tarija con el norte de país y atraviesa tres regiones, a saber: Tarija, Potosí y Chuquisaca Esta carretera comenzó a construirse con estructura de losa de hormigón o pavimento rígido en agosto de 2005. Hasta principios del año 2007, un 37% de la obra ha sido ejecutada. Poco después de haberse materializado la construcción de una considerable parte de la ruta, empezaron a manifestarse patologías relativas a un agrietamiento exagerado en cantidad y prematuro en tiempo. A partir de estas manifestaciones patológicas del hormigón, las autoridades relacionadas con el tema expresan su preocupación, se generan conflictos de tipo técnico, social y hasta político, se emiten opiniones sobre la problemática, hasta llegar a la paralización de la obra con la intervención del gobierno nacional. La sociedad civil tarijeña, a través de sus principales dirigentes expresa su profunda preocupación y la Sociedad de Ingenieros de Bolivia – Departamental Tarija, única institución que regula y controla el ejercicio legal de la ingeniería en el país, decide intervenir sobre el tema, para lo cual encarga la realización de una investigación e informe sobre el tema, parte del cual se refleja en el presente artículo. En consecuencia, El problema se plantea mediante la siguiente pregunta: ¿Cuáles han sido las causas que han provocado el agrietamiento prematuro de las losas de hormigón en la carretera Tarija – Potosí?, siendo, por lo tanto, el objetivo: determinar las causas que han provocado las grietas prematuras de las losas de hormigón. La metodología utilizada ha tenido dos partes: una empírica o trabajo de campo y una racional. Los principales resultados de la investigación son: - Caracterización del proyecto y de las patologías presentadas. - Análisis de las variables involucradas. A la luz de los trabajos preliminares realizados, se formula la siguiente hipótesis, misma que será contrastada y, al final, expresada como conclusión: las causas fundamentales del agrietamiento prematuro de las losas del pavimento rígido en la

carretera Tarija – Potosí, están asociadas a cuestiones de diseño, concretamente a una insuficiencia en el espesor de las losas. EL AGRIETAMIETO EN PAVIMENTOS DE HORMIGÓN Son varias las causas que provocan el agrietamiento de las losas de hormigón apoyadas sobre el terreno o pavimento rígido. La tabla No. 1 presenta una síntesis de la caracterización de algunos tipos de grietas, así como las causas fundamentales posibles de las mismas1. En general, una grieta longitudinal, transversal, en esquina o intersección, que se extiende a través del espesor de la losa, es considerada una grieta de tipo estructural. Algunas de las causas del agrietamiento estructural son las cargas, espaciamiento entre las juntas, ejecución de las mismas, condiciones o restricciones de borde y cierre de las juntas2. PATOLOGÍAS DE LA CARRETERA TARIJA – POTOSÍ Tanto la fase empírica o trabajo de campo, como la etapa racional, correspondientes a este artículo, están centrados en aquellos elementos que son compatibles con la hipótesis planteada, es decir, asumimos como cierta la afirmación de que el agrietamiento prematuro se debe fundamentalmente a cuestiones de diseño, concretamente a una insuficiencia en el espesor de las losas de hormigón. En otros términos, si bien se reconoce la influencia de otros elementos en el agrietamiento prematuro, hacemos abstracción de los mismos con la finalidad de aportar argumentos conducentes a contrastar la hipótesis. Al respecto, se han realizado varios informes3, pero, en ninguno se hace referencia a la insuficiencia en el espesor de las losas de hormigón para las cargas excesivas que circulan por la carretera, como causa fundamental de las grietas. La fase empírica ha permitido establecer los siguientes aspectos: − El agrietamiento longitudinal de las losas es la patología predominante, aunque,

se han identificado grietas de dirección transversal. − Se han observado grietas longitudinales importantes en una gran cantidad de

losas. Estas grietas están ubicadas en el eje de cada carril, aproximadamente. − Las grietas longitudinales, en general, se inician en la cara superior de las losas y

se propagan, hacia abajo, a través del espesor de las mismas. − Las losas, identificadas con agrietamiento longitudinal, representan más de la

mitad en algunos casos y hasta un 75% a 80% en otros casos, con relación a las áreas pavimentadas por mes.

− Una importante cantidad de losas se encuentran con un agrietamiento que puede calificarse como grave.

− En la fotografía No 1 se presenta una grieta longitudinal típica. Se observa que grieta se desarrolla en el eje de uno de los carriles, aproximadamente, situación observada para ambos carriles, en la mayoría de los casos.

Tabla No. 1: Tipos y causas de grietas en pavimento s de hormigón

Tipo de grieta y descripción Causas posibles Grieta de esquina.- Grieta que origina un trozo de losa de forma triangular, al interceptar las juntas transversal y longitudinal y que forma un ángulo de unos 50º con la dirección del tránsito. La longitud de los lados del triángulo varía entre 300 mm y la mitad del ancho de la losa.

− Ausencia de apoyo de la losa. − Sobrecarga en las esquinas. − Deficiente transmisión de carga entre

las junas.

Grieta longitudinal.- Predominantemente paralela al eje de la calzada o que se extiende desde una junta transversal hasta el borde de la losa, pero, la intersección se produce a una distancia mayor que la mitad del ancho de la losa.

− Asentamiento de la base y/o subrazante.

− Losa de ancho excesivo. − Carencia de junta longitudinal. − Mala ubicación de las barras de

transferencia de carga. − Aserrado tardío de la junta.

Grietas transversales.- Con dirección perpendicular al eje de la calzada, Puede extenderse desde una junta transversal hasta el borde del pavimento.

− Losas de longitud excesiva. − Junta de contracción materializada

tardíamente. − Espesor de losa insuficiente para

soportar las solicitaciones. − Retracción térmica que origina

alabeos. Fisuras por retracción.- Grietas capilares (fisuras) limitadas solo a la superficie del pavimento. Frecuentemente las grietas de mayores dimensiones se orientan longitudinalmente y se conectan con grietas más finas distribuidas en forma aleatoria.

− Curado inapropiado del hormigón. − Exceso de amasado superficial y/o

adición de agua durante el alisado de la superficie.

− Acción del clima o de productos químicos en un hormigón mal construido.

− En la fotografía No. 2 se presenta una grieta transversal típica, que no es el tipo

predominante. EL DISEÑO DEL PROYECTO Una de las partes importantes de la etapa racional del trabajo ha consistido en la revisión de la documentación existente, la considerada más importante, tanto de la etapa de de planificación y diseño, como de la ejecución del proyecto. Con relación al diseño estructural del pavimento, se han identificado los siguientes puntos3: − El diseño final del proyecto fue contratado por el Servicio Nacional de Caminos

(ahora Administradora Boliviana de Carreteras: ABC).

Fotografía No. 1: Grieta longitudinal típica

Fotografía No. 2: Grieta transversal típica − El tipo de pavimento seleccionado fue el pavimento de hormigón o pavimento

rígido, cuya estructura fue diseñada usando el método AASHTO 1993. − La estructuración del pavimento consiste en losas de hormigón de 3,65 m de

ancho (dimensión transversal del carril), 4 m de longitud y 19 a 20 cm de espesor.

− Una sub base granular de 15 cm de espesor. − Juntas transversales con barras de acero de 25 mm de diámetro, espaciadas

cada 30 cm. − Barras de amarre a lo largo de la junta central longitudinal.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN Una de los principales elementos que han llamado la atención es el uso del método ASSHTO 1993 para el diseño estructural del pavimento. Este método ha sido desarrollado bajo condiciones climáticas y ambientales diferentes a las regiones por las cuales atraviesa la carretera Tarija – Potosí, que son, básicamente, altiplano con clima frío (área de influencia de Potosí y zona alta de Tarija), y valles con clima templado (parte del departamento de Chuquisaca y Tarija). Para aplicar apropiadamente el referido método, primero se debió calibrarse el modelo adecuándolo a las condiciones climáticas y ambientales de las zonas de influencia del proyecto. En otros países, como Estados Unidos, donde se ha desarrollado el método AASHTO, se tienen normas rígidas y mecanismos prácticos para el control de los pesos de los vehículos. De este modo, se evita la circulación de vehículos con pesos por eje, cuyos valores exceden los utilizados en el diseño. En Bolivia no existen instrumentos e instancias de control de cargas y no se puede asegurar que, en el caso que nos ocupa, no hayan circulado vehículos con pesos más grandes que los permitidos o usados en el diseño. Es más, como parte del trabajo de campo, en la carretera se ha verificado la circulación de camiones con pesos por eje de 19,25 toneladas que, evidentemente representa un exceso con relación a lo permitido, lo cual provoca esfuerzos de tracción y agrietamiento en el hormigón, con una o pocas pasadas por los carriles formados por las losas de ese material. Además, según la documentación revisada, para el cálculo de los ESALs (ejes equivalentes) se ha considerado un factor de camiones de diseño de 1,5, aproximadamente. Es decir, los excesos de peso que circulan por la carretera no han sido tomados en cuenta en el diseño, situación que debió considerarse, sobre todo al no haber mecanismos de control de cargas, cuya implementación es de responsabilidad de la Administradora Boliviana de Carreteras. En consecuencia, si se hubiese considerado un factor de camiones igual a 4, para tener un diseño más conservador, los espesores de las losas serían mayores a los construidos. Los elementos mencionados en los párrafos que anteceden han sido considerados como principales factores para contrastar la hipótesis planteada, lo cual se presenta, con cierto grado de detalle, en los párrafos siguientes. En primer lugar, la tabla No. 2 presenta los espesores de losa, calculados para los diferentes tramos de la carretera, según el número de ejes equivalentes (ESALs) del diseño utilizado en la ejecución física del proyecto.

Tabla No. 2 Espesores de losas según número de ESALs del diseño original

Tramo No. ESALs k (kPa/mm) h (mm) Cucho Ingenio – Lecori 2.351.037 61 191 Lecori – Camargo 2.026.819 57 187 Camargo – El Puente 2.112.660 65,15 186 El Puente – Iscayachi 2.339.301 65,15 190 Iscayachi – Santa Bárbara 3.137.455 67,86 199

Siendo k el modulo de reacción de la subrazante y h el espesor de losa. En tanto que, en la tabla No. 3 se muestran los resultados obtenidos utilizando los números de ejes equivalentes (ESALs) considerando un factor de camiones igual a 4, mismo que supone la circulación de camiones pesados y con pesos más grandes que el permitido.

Tabla No. 3 Espesores de losas según número de ESALs del diseño original

Tramo No. ESALs k (kPa/mm) h (mm) Cucho Ingenio – Lecori 6.269.432 61 226 Lecori – Camargo 5.404.851 57 222 Camargo – El Puente 5.633.760 65,15 221 El Puente – Iscayachi 6.238.136 65,15 225 Iscayachi – Santa Bárbara 8.366.547 67,86 236

En ambos casos se ha usado, para el cálculo, el método AASHTO4 (1993) y el programa Darwin (AASHTO Ware). Las otras entradas (inputs) al programa, comunes a todos los tramos, son: − Coeficiente de serviciabilidad inicial = 4,5 − Coeficiente de serviciabilidad final = 2,5 − Resistencia al tracción por flexión del hormigón (módulo de rotura) = 4500 kPa. − Módulo de elasticidad del hormigón = 26.000.000 kPa. − Confiabilidad = 85%. − Desviación típica = 0.39. − Coeficiente de transferencia de carga = 3,2. − Coeficiente de drenaje = 1. Dada la apreciable sensibilidad del espesor de losas con relación al número de ejes equivalentes (figura No. 1), los resultados de la tabla No. 3 eran previsibles. Adicionalmente, la figura No. 2 representa la sensibilidad del espesor de la estructura (losa) con relación al módulo de rotura o resistencia a la tracción por flexión del hormigón. Por su parte, en la figura No. 3 se representa la sensibilidad del espesor de losa respecto al valor efectivo del módulo de reacción k. En fin, en la figura No. 4 se muestra la sensibilidad del espesor de losa con relación al coeficiente de transferencia de carga. Otra forma de contrastar la hipótesis formulada radica en considerar un solo eje de 19,25 toneladas de peso que, como se ha mencionado más arriba, se ha verificado que circula por la carretera. Si tomamos en cuenta este valor y las demás variables que intervienen en el análisis, es fácil calcular el esfuerzo de trabajo actual (tracción) en las losas de hormigón.

2.00 2.80 3.60 4.40 5.20 6.00 6.80 7.60 8.40 9.20 10.00183.51

189.46

195.41

201.37

207.32

213.27

219.22

225.18

231.13

237.08

243.03

80-kN ESALs (Millones)

Espesor h

de lo

sa (m

m)

Figura 1: Espesor de losa – No. ESALs

3,000.00 3,700.00 4,400.00 5,100.00 5,800.00 6,500.00 7,200.00 7,900.00 8,600.00 9,300.00 10,000.00140.28

155.74

171.19

186.65

202.10

217.56

233.02

248.47

263.93

279.38

294.84

Módulo de rotura (kPa)

Espesor h

de lo

sa (m

m)

Figura 2: Espesor de losa – Módulo de rotura del hormigón

50.00 55.00 60.00 65.00 70.00 75.00 80.00 85.00 90.00 95.00 100.00229.53

230.61

231.69

232.77

233.85

234.93

236.01

237.09

238.17

239.25

240.33

Valor efectivo de k (kPa/mm)

Espesor h

de lo

sa (m

m)

Figura 3: Espesor de losa – Módulo de reacción k

2.00 2.30 2.60 2.90 3.20 3.50 3.80 4.10 4.40 4.70 5.00177.38

189.77

202.16

214.54

226.93

239.32

251.70

264.09

276.48

288.86

301.25

Coeficiente de transferencia de carga J

Espesor h

de lo

sa (m

m)

Figura 4: Espesor de losa – Coeficiente de transferencia de carga J

Para este fin, se han usado las ecuaciones de Westergaard5, mismas que tienen las siguientes características: − Permiten calcular el esfuerzo de trabajo actual, a la tracción, en las losas de

hormigón. − El mencionado esfuerzo de tracción se calcula en función de la carga por rueda

del vehículo, el espesor de la losa, el radio del área de contacto entre la rueda y la superficie del pavimento, el módulo efectivo k de reacción de la subrazante, el módulo de elasticidad del hormigón y la relación de Poisson del mismo.

− Consideran tres posiciones de la carga por rueda, a saber: 1. Carga de rueda cercana a la esquina de la losa. 2. Carga de rueda aplicada a una distancia considerable de los bordes de la

losa. 3. Carga de rueda en un borde de la losa aplicada a una distancia considerable

de las esquinas. Hay dos elementos más que se toman en cuenta6: • Si se usa un factor de seguridad igual a 2, se tiene que, el esfuerzo admisible a la

tracción, sería ftadm = 4,5 MPa/2 = 2,25 (50% del módulo de rotura del hormigón a la tracción por flexión).

• Además, se aplica, a la carga por rueda, un factor de magnificación o mayoración de 1,20.

Al calcular los esfuerzos de trabajo en las losas de hormigón, tomando en cuenta los elementos mencionados y considerando un espesor de 20 cm (el valor más grande usado en la construcción), la carga por rueda, extraída de la carga por eje de 19,25 toneladas, y demás variables, se han obtenido, para cada uno de los tres casos mencionados precedentemente, y, para el tramo Iscayachi – Santa Bárbara, los siguientes resultados:

1. Carga de rueda cercana a la esquina de la losa: ft = 2,12 MPa, siendo ft el esfuerzo actual a la tracción en la losa de hormigón.

2. Carga de rueda aplicada a una distancia considerable de los bordes de la losa: ft = 1,66 MPa.

3. Carga de rueda en un borde de la losa aplicada a una distancia considerable de las esquinas: ft = 2,42 MPa.

Esto significa que, en el tercer caso, el esfuerzo actual (2,42 MPa) supera el esfuerzo admisible (2,25 MPa). En consecuencia, la circulación de los camiones pesados (19,25 toneladas/eje), con ruedas cercanas a los bordes (caso 3.) es la que ha provocado la tracción excesiva y las grietas ubicadas en el eje longitudinal de cada carril, aproximadamente, fenómeno que se profundiza, aun más, si consideramos las repeticiones de carga. CONCLUSIONES − Tanto la fase empírica como la etapa racional, en la elaboración de la

investigación, han conducido a la consecución del objetivo propuesto. − Asimismo, mediante dos métodos diferentes, se ha contrastado y fundamentado

la hipótesis formulada, que, ahora se plantea como conclusión, a saber: las causas fundamentales del agrietamiento prematuro de las losas del pavimento rígido en la carretera Tarija – Potosí, están asociadas a cuestiones de diseño, concretamente a una insuficiencia en el espesor de las losas.

− Si a la insuficiencia en el espesor de las losas sumamos otros factores tales como las condiciones climáticas, alabeo, etc., todos actuando simultáneamente, el efecto, naturalmente, ha sido mucho más fuerte.

− Las grietas longitudinales presentadas son, indudablemente, de tipo estructural, dadas sus características más relevantes.

− No es recomendable ni prudente utilizar metodologías de diseño desarrolladas en otros países, bajo otras condiciones, sin, al menos, calibrarlas de modo que sean adecuadas a la realidad predominante en las zonas de aplicación.

− Asimismo, considerando que, en la ingeniería de pavimentos, ningún método arroja resultados absolutos e indiscutibles, es prudente usar más de un método a la hora de diseñar estructuras como las que nos ocupan.

REFERENCIAS 1. U.S. Department of Transportation, Federal Highway Adminisration (2002).

Integrated materials and construction practices for concrete pavement: A state-of-the-Practice Manual. National Concrete Pavement Technology Center, USA.

2. Consejo de Directores de Carreteras de Iberia a Iberoamérica (2002). Catálogo de deterioros de pavimentos rígidos. Colección de documentos, Vol. No 12 http:/www2.cedex.es/ceta/dircaibea/.

3. Hurtado, J.C. y Vargas, N.E. (2006). Informe especial – pavimento rígido; evaluación de causas de fisuras longitudinales – Carretera Potosí – Tarija, Potosí – Villazón. Asociación Accidental Ecoplan – Noronha.

4. Huang, Y.H. (1993). Pavement analysis and design. Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey.

5. Nilson, A. & Winter, G. (1991). Design of concrete structures. McGraw Hill, USA. 6. Rico, A. y Del Castillo, H. (2003). La ingeniería de los suelos en las vías

terrestres – carreteras, ferrocarriles y aeropistas, volumen 2. Limusa – Noriega Editores, México.