El bache, ¡firmes! (Stop Seguridad en Marcha, RTVE, 1991)

En los años 1990 y 1991 TVE emitió un programa semanal dedicado a la seguridad vial, denominado Stop Seguridad en Marcha. Aunque los contenidos habituales de este espacio se centraban en ofrecer consejos a los automovilistas, en algunas ocasiones se abordaron determinados temas relacionados con las infraestructuras viarias.

De esta manera, en 1991 se emitió un reportaje sobre los firmes de las carreteras, en el que se analizaba la inversión destinada para la conservación de los mismos por el MOPU, se describía su proceso de degradación y se exponían algunas de las acciones llevadas a cabo por la Dirección General de Carreteras para mejorar su calidad y durabilidad, con especial atención a los estudios desarrollados en la pista de ensayo acelerado de firmes a escala real del CEDEX, puesta en funcionamiento en enero de 1988. El contenido íntegro de este reportaje se puede ver en el siguiente vídeo.

El firme de una carretera es una estructura formada por un conjunto de capas ejecutadas con diferentes materiales, debidamente compactados, que conforma la superestructura de la plataforma y resiste las cargas del tráfico durante varios años, manteniendo su integridad y permitiendo la circulación en condiciones de seguridad y comodidad. El firme se apoya sobre la explanada, que le sirve de cimiento y está constituida por suelos granulares, resultado del movimiento de tierras, o por materiales tratados in situ. El firme deberá repartir las cargas verticales del tráfico, de manera que transmita a la explanada una presión compatible con su capacidad de soporte, además de protegerla de la acción de los agentes climáticos: agua de lluvia, hielo, etc.

En consecuencia, el firme deberá tener una serie de características estructurales y funcionales. Las primeras vienen determinadas por las propiedades mecánicas de los materiales y el espesor de las capas. Las funcionales, también denominadas superficiales por afectar a la capa de rodadura, son las que influyen principalmente en la seguridad y comodidad de los usuarios: resistencia al deslizamiento, textura, regularidad superficial, permeabilidad y drenabilidad, resistencia a la rodadura, ruido de rodadura, absorción acústica y reflexión luminosa.

Los principales materiales básicos utilizados en las capas del firme son los suelos granulares seleccionados, los áridos naturales o de machaqueo, los ligantes hidrocarbonados (betunes asfálticos, emulsiones bituminosas, etc), los conglomerantes hidráulicos y puzolánicos (cementos, escorias, cenizas volantes, etc), las cales aéreas y el agua. A éstos hay que añadir los áridos artificiales y marginales, además de los subproductos y desechos industriales y mineros, caucho procedente de neumáticos fuera de uso (NFU), etc.

La combinación de estos materiales forma las unidades de obra que constituyen las diferentes capas del firme, entre las que destacan las siguientes:

• Capas granulares: zahorras naturales y artificiales y macadam
• Materiales granulares tratados o estabilizados: suelos estabilizados con cal o cemento, gravacemento, suelocemento, etc
• Mezclas bituminosas en caliente o frío, con diferentes denominaciones en función de la granulometría de los áridos
• Tratamientos superficiales y riegos bituminosos: entre los que destacan los riegos de imprimación y adherencia, imprescindibles para asegurar la transmisión de esfuerzos tangenciales entre las distintas capas y, en consecuencia, el funcionamiento conjunto de las mismas
• Hormigones vibrados, magros, compactados con rodillo, etc

La tipología de firmes es muy variada. Tradicionalmente se han clasificado en dos grandes grupos: firmes flexibles y firmes rígidos. Los firmes flexibles están formados por varias capas con módulo de rigidez decreciente con la profundidad y cuentan en general con mezclas bituminosas de pequeño espesor o tratamiento superficial en su parte superior, sobre capas de materiales granulares no tratados.

Con el objeto de adaptar los firmes a las crecientes intensidades y cargas de tráfico, en la segunda mitad del siglo XX surgieron los firmes semirrígidos, constituidos por un pavimento bituminoso sobre capas tratadas con conglomerantes hidráulicos o por un espesor importante de mezclas bituminosas sobre capas granulares no tratadas. En este último caso se denominan también firmes semiflexibles. El comportamiento estructural de los firmes semirrígidos y semiflexibles es diferente al de los flexibles, dado que en este caso las capas inferiores tienen una rigidez similar o mayor que las superiores.

Tanto los firmes flexibles como los semirrígidos y semiflexibles están formados por varias capas denominadas pavimento, base y subbase. El pavimento es la parte superior y además de soportar las solicitaciones del tráfico aporta las características funcionales. A partir de un determinado espesor se ejecuta en dos capas de composición diferente, denominadas capas de rodadura e intermedia. La base tiene una función resistente y está constituida por diferentes materiales en función de la categoría de tráfico pesado, granulares cuando es ligero y con ligante bituminoso o conglomerante hidráulico cuando es pesado. La subbase se emplea sobre explanadas de baja capacidad portante para proporcionar a la base un cimiento uniforme.

Los firmes rígidos cuentan con un pavimento de hormigón y distribuyen las cargas verticales en una gran superficie, reduciendo las presiones transmitidas. Las deformaciones son muy reducidas excepto en los bordes de las losas y las juntas sin pasadores. Los diseños para tráficos pesados incluyen bases tratadas con cemento que proporcionan una plataforma de apoyo y trabajo estable no erosionable. En función de las características de la explanada cuentan con una subbase granular.

En zonas urbanas, donde la interferencia con las redes de servicios es mayor que en vías interurbanas, son muy frecuentes los denominados firmes mixtos, que constan de un pavimento bituminoso sobre una capa de hormigón de baja resistencia.

Por último, hay que mencionar los tradicionales firmes de piedra labrada en mayor o medida: adoquinado, mosaico y hormigón blindado. En la actualidad, es frecuente el uso de adoquines de hormigón sobre una capa de nivelación de arena de pequeño espesor. El adoquinado se denomina a veces firme articulado y se utiliza para tráfico muy pesado en puertos y para tráfico ligero en zonas peatonales.

A diferencia de otros tipos de elementos estructurales, el dimensionamiento de los firmes no viene en general determinado por un fallo bajo cargas máximas, sino por la degradación acumulada producida por el espectro de cargas de tráfico que va a circular por el mismo a lo largo de la vida útil o periodo de proyecto adoptado.

Por este motivo, los métodos analíticos de dimensionamiento suelen basarse en leyes de fatiga que determinan el número de ciclos o aplicaciones de carga "N_i" que puede soportar el material analizado si la carga aplicada en cada uno de ellos produjera una deformación (mezclas bituminosas, capas granulares y explanadas) o tensión (materiales tratados con conglomerantes hidráulicos). El efecto de cada una de las cargas se agrega por el procedimiento del daño acumulado, basado en el método de Palmgren-Miner para la comprobación de la fatiga. Según el mismo, el grado de fatiga producido por cada ciclo individual de carga será 1/N_i y el producido por las n_i cargas de la misma magnitud que circularán durante la vida útil será n_i/N_i. Acumulando los grados de fatiga correspondientes a cada nivel de carga se obtiene el grado total de fatiga debido a las cargas de tráfico "F", que deberá ser inferior a la unidad para que el dimensionamiento sea válido: F = ⅀ n_i/N_i ≤ 1.

El método habitual consiste en calcular las solicitaciones para un eje tipo, de 13 t en España, y establecer una equivalencia entre el espectro de tráfico de diseño y el número de aplicaciones de esta carga tipo que producen el mismo daño en el firme. Esta equivalencia se determina a partir de los resultados del ensayo realizado por la AASHO en Ottawa (Illinois) entre 1958 y 1960, referencia para los métodos de dimensionamiento de firmes desarrollados desde entonces, y es una función potencial de la relación entre cargas corregida con unos factores que dependen del tipo de eje (simple, tándem o trídem) y de ruedas (simples o gemelas). El exponente de esta potencia toma el valor de 4 en firmes flexibles, 8 en semirrígidos y 12 en rígidos, de lo que se deduce que el deterioro originado por los vehículos ligeros es despreciable frente al producido por los pesados, y que, por ejemplo, un aumento de carga del 5% implica un incremento del deterioro del 21%, 48% y 79%, respectivamente, según el tipo de firme. De ahí la importancia de vigilar el cumplimiento de los límites legales de carga máxima para prevenir un agotamiento estructural prematuro de los firmes.

En España, tanto la norma 6.1-IC "Secciones de firme" actualmente vigente como sus versiones anteriores, proponen un catálogo de secciones de firme con diferentes materiales para las distintas categorías de tráfico pesado y de explanada. El periodo de proyecto es en general de 20 años, salvo en las soluciones de hormigón vibrado para las que se incrementa a 30 años. La categoría de tráfico pesado se establece a partir de la IMD de vehículos pesados en el carril de proyecto y en el año de puesta en servicio, asumiendo una tasa de crecimiento anual del tráfico del 2% y un factor de equivalencia entre el vehículo pesado medio y el eje tipo de 13 t. La norma contempla la posibilidad de utilizar, para las categorías de tráfico pesado más bajas, materiales diferentes a los contemplados por razones técnicas o económicas, para lo que incluye el coeficiente de equivalencia entre espesores de los distintos materiales. El dimensionamiento analítico se admite excepcionalmente.

Existen además varias disposiciones y recomendaciones autonómicas adaptadas a las respectivas condiciones regionales en Andalucía, Aragón, Castilla y León, Extremadura, Comunidad Valenciana y País Vasco. En general ofrecen un catálogo de secciones estructurales, aunque en algunos casos también proporcionan al proyectista las directrices necesarias para la realización de un dimensionamiento análitico alternativo. La Junta de Andalucía ha desarrollado el programa de cálculo ICAFIR, que permite realizar el dimensionamiento analítico conforme a las especificaciones de la Instrucción para el Diseño de Firmes de la Red de Carreteras de Andalucía.

El reportaje dedica un espacio destacado a la Pista de Ensayo Acelerado de Firmes a Escala Real del CEDEX, situada en El Goloso (Madrid), en la autovía M-607. Como antecedente de ensayos de firmes a escala real en nuestro país hay que citar el tramo de ensayo con tráfico real construido en la N-II en 1963, bajo supervisión de la Dirección General de Carreteras y el Laboratorio de Transporte, aprovechando la actuación de duplicación de calzada en el acceso a Madrid por esta carretera, entre los pp.kk. 11,255 y 17,600. La nueva calzada incluyó diferentes tipos de firmes flexibles y rígidos, que fueron objeto de un plan de experimentación con una serie de estudios y observaciones de su comportamiento.

En enero de 1988, comenzó a funcionar la pista de ensayo del CEDEX, que cuenta con un circuito cerrado formado por dos tramos rectos de 75.0 m de longitud unidos por semicírculos de 24.6 m de radio. Los firmes se construyen en sendas cubetas estancas de hormigón situadas en los tramos rectos de 8.0 m de ancho y 2.1 m de profundidad. Las cargas son aplicadas por medio de un vehículo simulador que se desplaza por una viga carril de hormigón armado existente en el perímetro interior de la pista y consta de un carretón guía y otro tractor. El primero se apoya sobre la viga carril y sirve de guía al carretón tractor, que es el que actúa sobre el firme y permite la simulación de la carga de tráfico por medio de un semieje de 6.5 t con ruedas gemelas lastrado.

El primer ensayo se desarrolló entre esa fecha y junio de 1990 y tuvo por objeto el análisis de las secciones tipo 321, compuesta por 18 cm de mezclas bituminosas sobre 25 cm de zahorra natural, y 322, con 15 cm de mezclas bituminosas sobre 25 cm de zahorra artificial y otros 25 cm de zahorra natural, del catálogo entonces vigente. Se eligieron estas secciones, formadas exclusivamente por materiales bituminosos y capas granulares y con un nivel de tráfico de 200 vehículos pesados diarios en el carril de proyecto en el año de puesta en servicio, para que el ensayo no se prolongara mucho tiempo. Los objetivos principales del ensayo eran comparar el comportamiento de ambas secciones, estudiar su sensibilidad a la disminución del espesor de mezclas bituminosas y la puesta a punto del sistema de aplicación de cargas, auscultación, instrumentación y gestión de los resultados. El ensayo puso de manifiesto la insuficiencia de la sección tipo 321, que tras el paso de 500.000 ejes presentaba un 16% de longitud fisurada, incrementándose al 25% a los 800.000 ciclos. Esto revela la necesidad de frecuentes labores de conservación y rehabilitación. Por el contrario, la sección 322 soportó los 800.000 ejes sin deterioros significativos.

En sus primeros 25 años de funcionamiento los vehículos simuladores recorrieron 2.8 millones de kilómetros y aplicaron más de 56 millones de cargas, equivalentes cada una a un semieje de 13 t. La pista ha realizado varios ensayos de secciones de firme a escala real, a los que hay que añadir otro análisis sobre el comportamiento y caracterización de las explanadas.

Por último, el vídeo muestra imágenes de algunos ensayos que se realizan para la evaluación de la aptitud de los materiales que componen el firme. El Pliego de prescripciones técnicas generales para obras de carreteras y puentes define las especificaciones exigidas a los materiales y unidades de obra que constituyen los firmes y pavimentos de carreteras. Los procedimientos de ensayo quedaron establecidos inicialmente en las normas NLT, sustituidas por las normas UNE vigentes en la actualidad.

Última actualización: 25 de noviembre de 2019