BASES HIDRÁULICAS VERSUS BASES ESTABILIZADAS
Ing. Tomás Antonio Ibarra García
Unidad General de Servicios Técnicos
Centro S.C.T. Veracruz
Antecedentes.
El estado de Veracruz, presenta una red federal de carreteras de 2, 535.0 km, así como una
red de autopistas de 495.0km.
Sobre estas sobre carpetas, circulan tránsitos con volúmenes vehiculares muy, variados,
estando la media alrededor de los 4,000 vehículos diarios, con una clasificación A,B,C, de
75, 6, y 19% respectivamente. Cabe mencionar también que en un 34% (equivalente a 1/3 de
la red), los volúmenes de tránsito son superiores a los 6,000 vehículos diarios; teniéndose el
caso que en algunas carreteras los vehículos pesados circulan en una proporción de hasta el
35% de total, con pesos que por lo general varían de 48 a 66 ton. por vehículo.
Por otra parte nuestra entidad, presenta en la mayor parte de su territorio, un clima tropical,
con abundantes precipitaciones pluviométricas en verano y otoño, estando la media
aproximadamente 2,000 mm anuales, lo que aunado a su topografía y geología origina una
gran diversidad de suelos; predominado los de tipo arcilloso.
Introducción
El tema que a continuación trataré de desarrollar sucintamente, se refiere a esa parte tan
importante de la estructura de un pavimento flexible comúnmente llamado comúnmente base
y que en la mayoría de los casos, se localiza bajo una carpeta.
Generalmente esta capa de base, se construyen con materiales pétreos seleccionados en el
espesor necesario y debidamente compactada.
Cuando un proyectista de caminos tiene ante sí, la necesidad de estructurar un pavimento
flexible, se le ocurre cualquier cantidad de alternativas, dependiendo de ello la complejidad o
no de la obra, escogiendo finalmente la que le parece más adecuada en razón a ciertas
variables importantes como el tránsito y su composición, las características de las terracerías
y del terreno natural, intensidad pluviométrica, disponibilidad de recursos, etc.
Cuando le toca pensar en la base, no debe hacerlo pensándola como si fuera solo un
concepto aislado; debe hacerlo pensando como lo que es, es decir una parte integrante de
un concepto estructural de un conjunto. Derivado de ello decidirá si dicha base es hidráulica
o estabilizada.
Creo que en función de las variables antes descritas, cuando el camino por construir o
reconstruir es de características modestas y no se prevé n el corto o mediano plazo, una
utilización más intensa del mismo, sobre todo en el aumento de vehículos pesados; la base
puede ser del tipo hidráulico ya que durante su vida útil no estará sujeta a grandes esfuerzos
y por lo tanto, no se requiere que su capacidad estructural sea muy alta, debiendo en
consecuencia manejarse la superficie de rodamiento para un concepto de flexibilidad.
Pero en cambio, cuando el camino por construir o reconstruir es de primer orden y con
crecimiento vehicular importante de vehículos pesados, combinando ello con muchas veces
sucede con terracerías y/o terreno natural de mala calidad, es decir de características
plásticas, húmedas, deformables y de poca resistencia; dicha base deberá ser proporcional a
la exigencia del trabajo, teniéndose para eso las bases estabilizadas, por su componente
adicional de cementación las hace más resistentes y muy poco deformables.
Para el escenario anterior, de volumen vehicular intenso y pesado, y considerando
secuencialmente en una estructura, el concepto de módulos de rigidez, al colocar una capa
asfáltica sobre una capa hidráulica y a su vez sobre las terracerías húmedas, plásticas y
deformables antes descritas, combinando con ello el efecto de las cargas de tránsito; se
presentan esfuerzos de tención en la zona inferior de la capa asfáltica, que ante la poca
capacidad de absorber dichos esfuerzos, aparecen grietas que tienden a reflejarse hacia
arriba, ocasionando con ello la falla de la capa asfáltica y eventualmente de todo el
pavimento.
Por otra parte, con una estructuración donde los módulos de rigidez tienden aumentar con la
profundidad, por el efecto de estabilización de las capas subyacentes, colocando capas
resistentes donde los esfuerzos son mayores, estas capas al ser rígidas o semirígidas,
tienden a no deformarse y consecuentemente los esfuerzos de tensión son mínimos,
repartiendo hacia las terracerías mejor las cargas de tránsito y evitando con ello la
destrucción del pavimento.
Cabe recordar en este momento, que los esfuerzos que trasmite el tránsito pesado, medido
este mediante coeficientes de daño; por ejemplo apara un T3 –S2 que es de los vehículos de
carga más usados, los esfuerzos a la profundidad de 15…60 cms, son mayores que en la
superficie del pavimento, así como que el daño que ocasiona este vehículo es equivalente al
de 1,250 vehículos ligeros.
Una aplicación clara del concepto antes descrito, es el de la metodología de la sección
invertida, estabilizando progresivamente hacia abajo con cemento Portland, las capas de
base y subbase; o el del CCR, que consiste en rigidizar en un espesor importante, una base
con alto contenido de cemento Portland.
Bases hidráulicas
En la estructura de un pavimento flexible de tipo tradicional, la capa de la base es la
encargada de soportar y resistir la mayoría de los esfuerzos que las cargas de tránsito
trasmiten, así como también de distribuir lo más adecuadamente posible hacia las capas
inferiores dichos esfuerzos.
Sus espesores varían por lo general de 158 a 30 cm, y se dice que son hidráulicas por que
son compactadas mediante un equipo mecánico, solamente con adición de agua. Sobre ellas
se coloca en la mayoría de los casos una carpeta de mezcla asfáltica alrededor de 5 cm,
concebida principalmente como superficie de rodamiento.
Cuando esta capa de base de tipo granular construida con materiales triturados total o
parcialmente y en algunos casos con solamente tratamiento de cribado, entra en contacto
con el agua durante su etapa de operación, con contenidos de humedad inferiores a la
óptima de compactación, su comportamiento estructural tiende a hacer aceptable.
Caso contrario sucede que cuando su contenido de agua es superior a la óptima, provocando
ello no solamente su destrucción sino también eventualmente la de todo el pavimento. Esto
es más notorio cuando esta capa de base presenta muchos finos y pero todavía cuando ellos
son del tipo plástico.
La afirmación anterior de que el agua juega un papel predominante en el comportamiento de
las bases hidráulicas puede evidenciarse muy fácilmente, sobre todo cuando se presenta la
temporada de lluvias, ya sea que este elemento se manifieste en forma gravitacional o en
forma subterránea en la mayoría de los casos, es la causante de la abundante aparición de
los conocidos baches.
No hay duda, sabemos bien que si el efecto de agua, se combina con carencia de
subdrenes, tránsito pesado y terracerías plásticas y deformables de alta calidad, el residuo
es el de un camino en malas condiciones.
Para explicarnos mejor este fenómeno, de por que cuando los suelos granulares o
friccionantes entran en contacto con el agua, su resistencia y por consiguiente su capacidad
estructural tiende a disminuir notoriamente; podemos remitirnos a la teoría de capacidad de
carga, por ejemplo la de Terzaghi en donde en cualquier ejercito sencillo, se puede apreciar
cuan sensibles son los suelos friccionates por la presencia del agua, en su comparación
contra los suelos cohesivos que prácticamente no lo son.
A continuación se presenta la influencia del agua mediante un ejemplo:
1-a) Suponiendo un suelo puramente friccionante y parcialmente seco, es decir con poco
contenido de agua.
⎧ N = 70
φ = 38º ⎨ q
⎩ N 'Y = 90
q c = cNc+ ' YDfN q + 0.5' YBN' Y
q c = 2(0.2)(70) + 0.5(2)(1)(90)
' Y = 2.0 ton/m 3
c=0
Df = 0.20m
q c = 118 ton/m 2 ;
q d = 39 ton/m 2
Suponiendo ahora, el mismo suelo friccionante, pero ahora bajo la presencia del agua.
('Y ' ='Ynat −'YW )
⎧ N = 70
φ = 38º ⎨ q
⎩ N 'Y = 90
q c = cNc+' YDfN q + 0.5' YBN' Y
q c = 1(0.2)(70) + 0.5(1.0)(1)(90)
' Y = 1.0 ton/m 3
c=0
Df = 0.20m
q c = 59 ton/m 2 ;
q d = 20 ton/m 2
1-b) Suponiendo un suelo puramente cohesivo y parcialmente seco, es decir con poco
contenido de agua.
⎧ Nc = 5.7
⎪
φ = 0º ⎨ Nq = 1.0
⎪ N' Y = 0
⎩
q c = 5.7c+' YDf
q c = (5.7)(250) + (2.2)(0.2)
' Y = 2.2 ton/m 3
c = 250ton/m 3
Df = 0.20m
q c = 1425.4 ton/m 2 ;
q d = 475.1 ton/m 2
Suponiendo ahora también, el mismo suelo cohesivo, pero ahora también bajo la presencia
del agua. (‘Y’ = ’Ynat-‘Yw)
⎧ Nc = 5.7
⎪
φ = 0º ⎨ Nq = 1.0
⎪ N' Y = 0
⎩
q c = 5.7c+' YDf
q c = (5.7)(250) + (1.2)(0.2)
' Y = 1.2 ton/m 3
c = 250ton/m 3
Df = 0.20m
q c = 1425.2 ton/m 2 ;
q d = 475.0 ton/m 2
De la comparación entre ambos casos a) y b), podemos fácilmente notar, que es fácilmente
notar, que es para el suelo friccionate donde la influencia del agua es mucho más importante
que para el suelo cohesivo, además que es superior a la capacidad de carga para ele suelo
cementado
RELATIVAMENTE SECO
(TON / M2)
RELATIVAMENTE
SATURADO (TON / M2)
Friccionante
39.0
20.0
Cohesivo
475.1
475.0
TIPO DE SUELO
¿Qué se siente razonable entonces que deberá hacerse?
La respuesta es: Tener bases cohesivas es ves de bases hidráulicas.
La Mecánica de Suelos nos ofrece también mediante las teorías de Resistencia al esfuerzo
constante de los suelos de Terzaghi, la posibilidad mediante otro ejemplo simplista, de
analizar la diferencia de resistencia que se presenta entre ambos suelos; los friccionantes y
los cohesivos:
Fórmula general: S = C + σtgϕ
2-a) Suponiendo un suelo puramente friccionante y parcialmente seco, es decir con poco
contenido de agua.
ϕ = 38º
σ = 58 ton/m 2
μ =0
σ =σ +μ
como μ = 0
S = σ tgϕ
σ =σ −μ
σ =σ
S = (58)tg38º = 45.3 ton/m 2
Suponiendo ahora, el mismo suelo friccionante, pero bajo la presencia del agua.
ϕ = 38º
σ = 58 ton/m
2
μ = 14.5 ton/m 2
σ = σ + μ = 58 - 14.5 = 43.5
S = σ tgϕ
S = (43.5)tg38º = 34 ton/m 2
2-b) Suelo puramente cohesivo y parcialmente seco.
C=250 ton/m2
S=c
S=250 ton/m2
Mismo suelo cohesivo y con la presencia del agua.
C=250 ton/m2
S=c
S=250 ton/m2
Hacemos la comparación:
RELATIVAMENTE SECO
(TON / M2)
RELATIVAMENTE
SATURADO (TON / M2)
Friccionante
45.3
34.0
Cohesivo
250.0
250.0
TIPO DE SUELO
Se observa también para el ejemplo anterior, que son los suelos friccionantes, los que
tienden a disminuir su resistencia del agua, permaneciendo prácticamente en variación para
el caso de los cohesivos y que además es también muy superior.
Queda pues manifiesto, con los sencillos ejemplos atrás mostrados, que se corroboran la
afirmación de que las bases hidráulicas cíclicamente por la presencia de la temporada de
lluvias, pierden resistencia y son por lo tanto, una de las causas principales por las que un
pavimento puede llegar a la falla.
Bases cohesivas
Para que una base sea verdaderamente cohesiva durante cualquier temporada del año
(lluvias y estiaje), es necesario que la cohesividad con que las dotemos sea real y no
aparente.
Es aparente, cuando recurrimos a la vieja y desastrosa práctica y que infortunadamente en
muchos caminos que se construyen todavía se utiliza, y que consisten en adicionarle durante
la construcción un cementante procedente de banco.
Dicho cementante generalmente en el mejor de los casos es un limo de características
plásticas, siendo por lo general simplemente arcilla.
¿Qué le ocurre a esta base? para comenzar, a algunos constructores por lo general les gusta
esta mezcla entresuelo friccionante y cementante de banco por que su mezclado y
compactación se da con más facilidad y además porque todavía en nuestras
especificaciones de Construcción vigentes, la norma marca un valor mínimo de cementación
en kg/cm2 dependiendo ello dónde queda alojada la curva granulométrica.
El efecto nocivo de lo que sucede, lo sabemos también, es que por una parte al agregarle
finos a la base, se provoca que el agua que posteriormente se atrape, sea ésta mayor y
permanezca durante más tiempo; y por la otra, el contrasentido que independientemente de
haber producido, por ejemplo un material caro totalmente triturado para haberlo finalmente
contaminado con arcilla,; el efecto cementante de esta arcilla es temporal, ya que la
resistencia de ésta no es la misma cuando está seca a cuando está húmedo o parcialmente
saturada, dependiéndose por lo tanto en gran medida, durante la temporada de lluvias,
subrayando también que con la variabilidad volumétrica que se presenta, al efecto final es el
de deformación permanente.
Cabe aquí hacer comentario, que la mejor manera de cumplir con la norma del valor
cementante, cuando se utiliza material procedente de banco, es precisamente no cumplirla, o
sea en vez de que se tenga un valor mínimo, que este tienda a cero.
Hablar entonces de una base cohesiva real y permanente, es hablar de bases estabilizadas.
Dicha estabilización ó cohesividad permanente, puede lograrse empleando productos
industrializados como el cemento Portland y en menor medida la cal, asfalto, aditivos u otros.
Es con el cemento Portland el producto con la que la expectativa de cementación más
permanente se puede dar, así también con el que se puede alcanzar las mayores
resistencias.
La estabilización con cal es buena alternativa, sobre todo cuando lo que se busca es abatir el
efecto nocivo de variaciones volumétricas constantes que en presencia de agua, provocan el
fenómeno de la plasticidad.
Y el asfalto, en cualquiera de sus manifestaciones, en la que depende de la calidad de
agregado pétreo y de su afinidad con el asfalto, es la resistencia y la calidad que de la
mezcla asfáltica puede obtenerse.
Resulta entonces atractiva la idea, de por ejemplo estabilizar las bases con cemento
Portland, ya que dependiendo del contenido porcentual que se utilice será la resistencia que
se alcance, todo ello claro está según sea el concepto de estructuración del pavimento que
estemos considerando y que si éste es el de contar con una base semirígida o rígida; no
cabe duda que el cemento Pórtland nos ofrece la mejor alternativa.
En algunos caminos que requieren ser reconstruidos, buena parte del problema que se les
presenta es que debido a la estructuración del pavimento, al tránsito, a las características de
las capas subyacentes y del subyacentes y del subdrenaje, la gran flexibilidad que tiene,
acaba por destruir a la carpeta con espesor tradicional entre 5 y 10 cm, por los esfuerzos por
tensión notablemente repetidos antes comentados, sobreviniendo de manera lógica el
colapso de la estructura, en la que previamente se observa abundancia de grietas reticulares
y deformación permanente.
En muchos casos, este efecto de flexibilidad que es nocivo y subrayo que lo es, cuando la
estructura del pavimento no está preparado para ello; se mida a través de deflexiones, las
que cuando son muy altas o exceden las tolerables, es síntoma inequívoco que la nueva
estructuración con que se le dote al pavimento por reconstruir, habrá que disminuir las
citadas deflexiones; una alternativa para lograrla es rigidizando mediante estabilización en el
espesor conveniente, la o las capas subyacentes a la carpeta.
Actualmente en la entidad, la S.C.T. reconstruyen el pavimento en las carreteras
Coatzacoalcos – Salina Cruz y Tuxpan – Tampico, los tamos Acayucan – Límite de Estados
Veracruz/Oaxaca y Naranjos – Ozuluama respectivamente, utilizado para ello, la metodología
de la sección invertida consiste fundamentalmente en estabilizar bajo la carpeta en los
espesores adecuados, tanto las capas de base como la de subbase mediante contenidos
porcentuales de cemento portland del 2.5 y 4%, aprovechando para ello los equipos de
recuperación de pavimentos.
Asimismo, está por iniciarse los trabajos de reconstrucción del pavimento para la carretera
Ciudad Valles – Tampico, Tramo Cacalilao – El Prieto, mediante la técnica del CCR y que
básicamente consiste en estabilizar la base en el espesor adecuado con un contenido de
cemento Portland del 19% en peso, utilizado también máquina recuperadora de pavimentos y
obteniéndose una mezcla rígida (f’c = 150 kg/cm2), revenimiento cero que se compacta
mediante rodillos vibratorios, la superficie de rodamiento consiste en una carpeta asfáltica
delgada y Open Graded. Esta misma carretera pero solo de lado de San Luís Potosí,
recientemente se construyo un tramo de manera similar.
Están también en proceso de reconstrucción tramos importantes de carretera Ciudad Alemán
– Sayula, mediante el sistema de “full depth” es decir colocar mediante la carpeta en el
espesor necesario, capas estabilizadas de bases asfálticas, que al igual que la carpeta son
también de planta en caliente.
Conclusiones
Como sugiere el título de este trabajo, se trata de hacer una comparación entre básicamente
dos alternativas diferentes que el proyectista tiene para la elección de la base en la
estructuración de un pavimento.
Cabe señalar que en la hipótesis anterior, se considera en principio a ala base, como el
elemento bajo una superficie de rodamiento encargada de soportar y trasmitir
adecuadamente los principales esfuerzos que se presentan y que para ello cumplen con
calidad y espesor.
Las dos alternativas de referencia tiene más o menos definido su propio campo de acción.
La primera, es decir la base hidráulica, puede en principio ser utilizada en caminos cuyas
características de bajo tránsito pesado, presente y futuro, no requiera de una base altamente
resistente; o bien en caminos, cuyas buenas terracerías y buen suelo de cimentación
permita manejar el concepto de flexibilidad sin deformación permanente, considerando para
ello preferentemente una carpeta delgada de buena calidad, como superficie de rodamiento.
Asimismo, en caminos ubicados en zonas con baja precipitación pluviométrica.
Las bases estabilizadas por su componente de cementación, puede elegirse para caminos
con volúmenes de transito pesado importante, cuya mayor resistencia con poco o nula
estabilidad, las hace más competentes para resistir y trasmitir la acumulación de esfuerzos.
Asimismo en caminos cuyas terracerías y terrenos de cimentación de características
plásticas, los hagan proclives a que con la presencia de humedad importante, sufran cambios
volumétricos y que por su baja resistencia deriven en deformación permanente, provocando
esto último por su puesto por la alta trasmisión de esfuerzos desde superficie.
Asimismo, en pavimentos apoyados sobre suelos blandos que hayan fallado por fatiga y que
en vez de colocar sobre carpetas, es más recomendable aprovechar el pavimento existente,
reforzándolo superficialmente para formar capas de base rígida de espesor robusto y capas
asfálticas delgadas como superficie de rodamiento.
Dentro de la alternativa de bases estabilizadas, la baja de posibilidades que se ofrece y cuyo
común denominador es el de contar con bases más resistentes, abarca de acuerdo a las
condiciones de la obra, desde estructurar conceptualmente pavimentos semiflexibles o
semirígidos según se quiera ver, hasta los prácticamente rígidos.
Algo que no puede soslayarse y que es muy importante para las futuras rehabilitaciones del
camino, es que un pavimento que ha sido construido o reconstruido, colocado en las capas
intermedias una estructuración resistente, la carpeta o superficie de rodamiento que protege
a la base y proporciona al usuario una superficie cómoda y segura, puede ésta sustituirse o
reciclarse cuando termine su vida útil, sin necesidad de efectuar trabajos onerosos en las
capas de apoyo, permitiendo de esta manera una reducción en los costos de conservación y
de operación.
