Reparación y Conservación de los Puentes del Pedraplén Caibarién – Cayo Santa María, Cuba

Resumen

Al norte de la provincia de Villa Clara, Cuba, con el objetivo de enlazar la isla con los cayos de nuestra plataforma, se construyó entre 1988 y 1998, un pedraplén de 48.0 km de longitud, contando con 44 puentes en toda su extensión, 2 de los cuales son puentes inducidos en el Canal de Las Varas y el de La Sortija. Los mismos garantizan el intercambio de agua, para evitar la salinización de la costa y la migración de los peces.

La alta agresividad del medio marino, constituyó una preocupación constante de inversionistas, proyectistas y constructores. Transcurridos 10 años de terminados los primeros puentes, comienzan a aflorar deterioros en sus elementos estructurales, generados por la corrosión de sus armaduras, al estar expuestas a la acción de los iones cloruros en un medio de elevada concentración; estas causales constituyen unas de las patologías que destruye de forma acelerada los elementos estructurales de estas obras.

A partir de los años 2001 y 2003, se comienzan a realizar una serie de estudios de diagnósticos, partiendo de una revisión organoléptica de las condiciones en que se encontraban estos puentes

Al observar que el deterioro se acentúa, los especialistas de la Empresa de Proyectos de Villa Clara han emitido los informes correspondientes a la Unidad Inversionista, alertando el avanzado deterioro de estos puentes. Esto obligó a la parte inversionista a cerrar algunos puentes construyéndose desvíos para los mismos y facilitar los trabajos de reparación a las brigadas constructoras.

Introducción

La ejecución del Pedraplén Caibarién Cayo Santa María tuvo su inicio a finales del año 1989, el cual tiene una longitud total de 48.00 km, es una obra vial construida dentro de la Bahía de Buena Vista con el objetivo de enlazar la isla con los cayos de nuestra plataforma, en él se construyeron 44 puentes con una longitud total de 2235 metros, con 2 puentes inducidos en las zonas del Canal de Las Varas y el de La Sortija, estos puentes garantizarían el intercambio de agua para evitar la salinización de la zona costera y garantizar la migración de los peces.

En los citados puentes se emplearon dos tipos de superestructura, una formada por vigas y losa con vigas postensadas de 20.00 y 25.00 m con lositas prefabricadas y losa hormigonada "in situ", se construyeron 19 puentes de este tipo con una longitud total de 1785.00 m y otra compuesta por losas planas prefabricadas de 6.00 m de luz y 25 puentes construidos con una longitud de 450.00 m.

El primer puente, o Paso Superior en la Carretera Caibarién-Yaguajay se comenzó a ejecutar en el año 1990, y el último, el del "Canal de La Guasa" se terminó en 1998.

La subestructura para ambas soluciones fue similar con predominio de las cimentaciones indirectas, donde se emplearon:

• Pilotes hormigonados "in situ" del tipo pocero, con diámetros de 0.50 m y 0.60 m.

• Pilotes prefabricados de hormigón armado de 0.45 x 0.45 m de sección y longitudes de 10.00 a 15.00 m.

• Pilotes Benoto de 1.00 y 1.20 m de diámetro.

• Pilotes metálicos del tipo cajón Larssen V, empleados solamente en el puente sobre el "Canal de los Barcos".

Los cabezales en su mayoría fueron hormigonados en obra, a excepción de los puentes sobre el "Canal de Los Barcos", "La Guasa" y "Canal Ancha" que fueron prefabricados.

En el año 2001, se realiza por parte de especialistas de la EMPROY VC, una visita a todos estos puentes. De la inspección visual se concluyó que existe un grupo significativo de obras dañadas por la corrosión, afectando elementos principales como son, las vigas, columnas, cabezales y pilotes en los puentes de viga y losa, con mayor incidencia en los puentes de rasante baja, tales como los puentes Nro. 2, 3, 4, 5, 6, 8, 16 y 17 en los que se conjugan con mayor intensidad los factores desencadenantes de la corrosión.

Los puentes de losa se encuentran en mejores condiciones que los de viga y losa y sus reparaciones serán en áreas muy localizadas de los mismos.

Los cabezales y los pilotes prefabricados de hormigón han sido afectados en la parte coincidente con el cambio de mareas, y dado el grado de dificultad de estos elementos, el problema debe ser evaluado caso a caso, teniendo en cuenta factores tales como, su disposición, grado de corrosión y avance del deterioro con el transcurso del tiempo.

Las causas de dicho deterioro de los puentes e incidiendo con mayor afectación a los de viga – losa se deben a los siguientes señalamientos:

• Puentes con rasante baja, menor de 3.40 m, lo que propicia que sus elementos componentes estén en constante mojado y secado por el spray del mar.

• Construcción de taludes de derrames no conformados (hechos a volteo) de forma tal que las piedras propician el rompimiento de las olas sobre estas e incrementan el mojado en las luces extremas donde se localizan los daños más severos.

• Empleo de hormigones deficientes para este medio con alta porosidad, resultando pocos impermeables, deficiente recubrimiento del refuerzo estructural, mala ejecución de las juntas de unión entre losas, factores que propiciaron una rápida penetración de los iones cloruros desencadenando la corrosión y destrucción acelerada de dichos elementos.

• Falta de mantenimientos sistemáticos de estas obras desde que se ejecutaron factor que de haberse realizado hubiese prolongado la vida útil de los mismos. Más de 10 años construidos y de explotación sin recibir ningún tipo de mantenimiento.

• No se realizó su pavimentación en tiempo, coincidiendo con el período de mayor explotación pesquera.

• No se utilizaron aditivos en los hormigones, ni se le aplicó ningún tipo de impermeabilizante, ya que dichas obras se ejecutaron en un período con muchas limitaciones de recursos técnicos y se condicionaron los proyectos a los recursos existentes por citar uno de ellos, no se pudo ejecutar dichas losas pretensadas que son más eficientes y se adecuan más al medio marino.

Luego del análisis de las causales que han provocado el deterioro a los puentes se realizo una inspeccióna los puentes de rasante baja antes señalados, se determinó realizar un estudio diagnóstico.

A partir de los años 2001 y 2003, se realizan una serie de estudios de diagnóstico, a partir de una revisión organoléptica de las condiciones en que se encontraban afectados estos puentes.

Transcurridos unos años el Centro Provincial de Vialidad solicitó la actualización de estudios de diagnósticos más avanzados para lo cual contrató los servicios de un grupo especializado (Centro Técnico para el Desarrollo de los Materiales de Construcción) del MICONS. Este grupo entregó su informe a finales del mes de Julio/2003 y en el mismo, como resulta lógico, se reflejaron diferencias en cuanto al estado físico de las partes de los puentes en relación con el estado de dos años antes.

Se evaluaron algunas luces de estos puentes, de ahí se decide acometer los proyectos de reparación de algunas luces de estos puentes en dependencia del grado de deterioro considerado.

Los resultados de estos estudios, nos permitieron evaluar el estado técnico de algunos de estos puentes y a partir de ahí acometer los proyectos de reparación.

TABLA SÍNTESIS DE ESTUDIOS DE DIAGNÓSTICO DE ALGUNOS PUENTES

Los valores fronteras que determinan el comportamiento de los elementos han sido tomados de acuerdo a las mejores experiencias internacionales y estos son:

Para la absorción

• valores menores de un 6% son indicativos de hormigones homogéneos de buena calidad.

• valores mayores de un 6% indican hormigones de baja calidad.

Para la porosidad

• valores menores de un 10% corresponden a hormigones compactos de buena calidad.

• valores entre un 10% y un 15% indican hormigones permeables y no recomendados para medios marinos.

• valores mayores al 15% indican hormigones muy permeables e inadecuados para proteger las armaduras.

Para el PH

• valores de PH iguales o mayores de 12 indican buena basicidad para proteger los aceros excepto del ión cloruro.

Para los potenciales estacionarios de corrosión:

• valores más positivos que -200 mV indican un 90% de probabilidades de que no esté ocurriendo corrosión en el punto estudiado.

• valores entre -200 y -350 mV indican incierta actividad de corrosión en el punto estudiado.

• valores más negativos que -350 mV indican un 90% de probabilidades de ocurrencia de corrosión en el punto estudiado.

Los autores del estudio concluyeron:

• Todo el refuerzo de la parte fundida ¨in situ¨ de la losa en las luces primera y segundase encontraban en corrosión activa y en un 70% de la tercera se encontraban en corrosión activa, el 30% restante de esta última se encontraba en un estado de transición (valores entre -200 y -300 mV).

• Las losas prefabricadas de la losa tablero en todo el puente presentaban un mejor estado con pocas lecturas que indicasen corrosión activa o en transición (aceros embebidos en el hormigón prefabricado).

• En los seis metros iníciales de todas las vigas de la primera luz y en los dos metros finales de algunas de ellas existía corrosión activa o en transición.

• Los refuerzos de las vigas de la luz segunda se encontraban pasivados y solo puntualmente se encontraron indicios de corrosión en transición.

• En los tres últimos metros (más cerca del estribo hacia Santa María) de las vigas 1 y 9 de la tercera luz se encontró corrosión activa y en los mismos metros de las vigas 3 y 6 se encontró evidencia de corrosión en transición.

• El refuerzo estudiado en todos los cabezales (refuerzo exterior) se presentó despasivado con fuerte evidencia de corrosión activa.

Las reparaciones no se realizaron en el año 2003 ni el 2008 mientras que el deterioro de la obra continuó, llegando a detectarse un grupo significativo de vigas con cables pos tensados partidos.

Al observar que el deterioro se acentúa, los especialistas de la Empresa de Proyectos de Villa Clara emiten los informes correspondientes a la Unidad Inversionista alertando del avanzado deterioro de estos puentes.

Lo que obligó a la parte inversionista a cerrar algunos puentes construyéndose desvíos para los mismos.

En el año 2008 ante el deterioro de la obra, observado de forma visual, la Dirección Técnica de Vialidad emitió la Solicitud 4151/08 a la Empresa Nacional de Investigaciones Aplicadas, Unidad de Investigaciones para la Construcción Villa Clara, en la que se solicitaba realizar otros estudios de diagnóstico a varios puentes del Pedraplén Caibarién – Cayo Santa María.

Este centro realizó el estudio necesario, mediante el uso de la Esclerometría, Ultrasonido y el Corrosímetro, principalmente a vigas, cabezales y pilotes.

A mediados del año 2009 se acometieron algunos proyectos de reparación a los puentes más dañados en aquel entonces como por ejemplo el puente Nº 3, 4, 5 y otros, tomando como ejemplo, algunos de los puentes, a los cuales se les realizó la intervención de reparación, a partir de los estudios de diagnósticos más avanzados.

El proyecto de rehabilitación solo consideraba sustituir la losa del tablero, algunas vigas y proteger con productos de restauración de última generación los elementos de las vigas y losas, menos dañados.

Se pudo comprobar al trascurso del tiempo de reparadas las vigas a estos puentes, que se habían gestado las grietas típicas de corrosión, es decir, el tratamiento a estos elementos tan dañados no fue efectivo, además ya el ión cloruro permanecía en estos elementos reparados. Esto se corrobora en las fotos.

Ante tal situación y con las posibilidades actuales dada la entrada de la tecnología y los recursos para producir vigas se solicitó por la Dirección de Vialidad de Villa Clara como inversionista, realizar un nuevo proyecto de rehabilitación que tenga como principio básico completar la reparación de las vigas y el resto de los elementos como pilotes y taludes que no fueron tratados.

Por lo que se realizó una valoración económica, analizando que era más factible, reparar la superestructura de los puentes con los productos actuales teniendo encuenta los resultados de los estudios diagnósticos más profundos o sustituir todos los elementos de las superestructura completa por elementos con nuevos diseños y con la aplicación de las normas actuales, y así aprovechar y reparar los elementos de las subestructura, y conformar los taludes de derrames.

A continuación exponemos los valores de estas variantes para una luz de 20.00 m.

La variante de vigas armadas de sección rectangular es la más económica, pero desde el punto de vista técnico consideramos las vigas postensadas como la solución más adecuada.

También hay que evaluar que la rehabilitación, si funciona correctamente tomando como referencia la garantía de los productos que suministran los fabricantes, alcanza los 10 años cuando son correctamente aplicados. Esta garantía, para este medio, nos hace suponer que se reduce. Sin embargo, nuevos elementos de hormigón pos tensado o armado cumpliendo las nuevas especificaciones de la NC 250: 2005, supone una vida útil que debe sobrepasar varias veces esos plazos.

En lo referente al proyecto tenemos dos secciones transversales una correspondiente al proyecto original y otra para la nueva solución del tablero las que mostraremos a continuación.

La sección transversal original que conforman estos puentes esta formada por 11 vigas de sección rectangular de 20.00 m postensadas, espaciadas a 1.20 m de sus ejes, unidas a través de las lositas prefabricadas y como completamiento la losa hormigonada "in situ", para el desarrollo de los estudios diagnósticos, estas vigas fueron enumeradas de izquierda a derecha, en sentido hacia el Cayo Santa María. A esta solución se le adosó en el extremo derecho la conductora de agua de abasto a los hoteles de la cayería norte.

La nueva concepción del proyecto de reparación donde se plantea sustituir toda la superestructura por nuevos elementos, se ha utilizado para el mismo, las vigas de 20.00 m pos tensadas de sección T, conformando un tablero de 9 vigas espaciadas a 1.37 m que incluye sendos voladizos ha ambos extremos. Además se independiza la conductora de agua, del puente, donde esta se apoya sobre vigas de hormigón armado diseñadas para esta función.

Para acometer la reparación de los elementos inferiores de la superestructura y la subestructura fue necesario, crear la falsa obra adecuada para cada trabajo, que garantizara la seguridad al personal que acometería este trabajo, así como el no vertimiento de estos productos contaminante hacia el mar para conservar el medio ambiente. Además para facilitar el montaje y desmontaje de esta falsa obra, para ser trasladada, a las luces contiguas y con esto lograr una secuencia de trabajo.

Se ha previsto que todos los elementos que fueran desmolidos o extraídos deberán ser colocados en los extremos de los puentes en lugares de fácil acceso, que no obstruyeran el desarrollo de dicha actividad y que sean trasladados de forma inmediata hacia tierra firme.

Para el resto de los elementos de la subestructura que se plantean reparar, el método a seguir es el mismo ya definido en anteriores obras de este pedraplén, o sea:

• Remoción de todo el hormigón deteriorado descubriendo el acero hasta que éste quede libre en alrededor de 2.5 cm por todo su perímetro.

• En aquellos casos que pueden ocurrir, donde el acero tiene perdida de más del 20% de su área útil, se exige su sustitución en dicha área, realizándose por empalmes de no menos 40 veces el diámetro a empalmar. En algunos casos como los cercos, los empalmes pueden ser menores (15 diámetros).

• Limpieza del acero con chorros de arena a presión (Sand-blasting) e hidrolavado a presión de la zona removida. Inmediatamente después de secado el acero, se le aplica un compuesto protector contra la corrosión que contenga inhibidores de la misma y que sea compatible con los demás productos que se emplearán.

• Aplicación de un puente de adherencia, que facilite la unión entre hormigón o mortero viejo con el nuevo. Algunos productos no requieren de este puente pues en su fabricación ya incorporan los elementos necesarios para conseguirlo.

• Restauración de la sección mediante el empleo de morteros base, cemento con aditivos fluidificantes y agentes de control de la retracción u hormigón correctamente dosificado, como es el caso de la reparación de los pilotes.

• Para el caso de superficies verticales que sea necesario restaurar, se empleará un mortero tixotrópico el cual se aplicará como si fuera un repello grueso, compactándose con la cuchara o con la propia mano.

• Curado de la superficie tratada para lo cual debe emplearse alguna sustancia que forme una película antievaporante.

• Aplicación de un producto impermeabilizante de larga duración y que puede ser, o una pequeña película de un mortero con aditivos y fibras no metálicas para ser aplicado a la manera de un estucado, o también esmaltes apropiados.

• Pinturas de protección y acabado.

• Para los pilotes, en el proyecto se describen los trabajos a realizar, estos elementos requieren de una mayor atención debido a que se trabaja en zona bajo el nivel del mar, y susceptible a que se humedezcan.

Detalle del proyecto de reparación de pilotes

Imágenes donde se observan los pilotes dañados y aledaños a este, los reparados con la falda obra utilizada para la reparación.

• Para los nuevos elementos como vigas postensadas que requieren obtener resistencias altas de tres o cuatro días, se emplearán superfluidificantes acrílicos modificados, u otro producto que sea certificado por laboratorio, en los otros hormigones también deben usarse aditivos superfluidificantes acorde a su uso.

• Para tensar las vigas es requisito que el hormigón alcance el 90 % de su resistencia de diseño.

• Todas las vigas tanto postensadas como armadas, deben medirse su deflexión (Contra Flecha) una vez tensadas, a los 7 y 14 días, estos parámetros servirán para corregir posible espesor de la losa fundida in situ y tensión dada al elemento si es pos tensado.

Otro aspecto que se modifica son los taludes de los estribos, aspecto que consideramos de suma importancia pues es uno de los actuales daños que han ocurrido en los elementos principales como las vigas, el proceso de reparación se torna muy complejo pero hay que lograr tal objetivo de lo contrario no se resolverá la afectación aunque se produzcan buenos hormigones y cumplan los requisitos de la NC 250: 2005.

Se plantea emplear compresor y martillo y fracturar las grandes piedras colocadas en los taludes, retirar los volúmenes en exceso de estos que prolongan los daños hacia la zona central de las vigas o en su defecto propician la socavación de los taludes hasta alcanzar la zona posterior de los cabezales ( aproches ), Las piedras no deben superar los 0.50 m de diámetro y colocadas de forma manual, realizando un enrajonado uniforme por todo el perímetro, una vez logrado este trabajo esas piedras deben sellarse con hormigón, formándose así un hormigón ciclópeo que selle las posibles oquedades y salida de los materiales finos componentes de los taludes. Para la zona posterior del cabezal si existe socavación se rellenará con piedras y hormigón bombeado que cubra todas las oquedades que se han producido por la socavación que ocasionan las olas, este hormigón se puede colocar por la parte inferior del cabezal o por la parte superior de la vía cuando se extraigan las vigas como en la primera luz.

También el proyecto contempla el empleo de un elemento de hormigón masivo hormigonado "in situ" (rompe olas) ubicado al nivel inferior del cabezal, el cual prolonga hacia conos hasta la parte posterior de las defensas, para evitar las salpicaduras del mar sobre los elementos de hormigón, dicho elemento se ha ubicado muy próximo a los cabezales de estribos para eludir que las salpicaduras de las olas afecten zonas más cercanas al centro de las vigas donde se concentran la totalidad de los cables en la parte inferior de este elemento.

Sección transversal del detalle para la construcción del rompe olas y confección del talud.

Conclusiones

• 1. Todas las deficiencias señaladas y detectadas a través de los estudios de diagnósticos llevó a que se hicieran nuevos proyectos de reparación teniendo en cuenta las normas vigentes tales como:

• NC 250:2005.Requisitos de Durabilidad para el Diseño y Construcción de Edificaciones y Obras Civiles de Hormigón Estructural.

• NC 733:2009. Carreteras, Puentes y Alcantarillas. Requisitos Diseño y método de Cálculo.

• NC 355:2004. Inspección y Conservación de puentes. Código de buenas practicas.

• NC 207:2003. Requisitos Generales para el Diseño y Construcción de Estructura de Hormigón.

• NC 120:2007. Hormigón Hidráulico. Especificaciones.

Unido a éstos la utilización de productos restauradores y de protección a toda la superficie de los elementos para alargar su vida útil, estas estructuras se encuentran en un medio de alta corrosión.

• 2. Se corrobora con este trabajo que los puentes de rasante baja sufren mayor deterioro que los puentes ubicados con rasante alta, producto de la fructuación de marea, la penetración del ión cloruro es con mayor incidencia.

• 3. Los taludes de derrame de los estribos deben estar conformados adecuadamente para evitar la salpicadura producto del impacto de las olas, protegiendo los elementos estructurales como por ejemplo las vigas que son las más dañadas.

• 4. Se determinó crear una protección exterior a los elementos de la subestructura como por ejemplo, los pilotes que son los que están más expuestos al intercambio de la marea.

• 5. Como solución de tableros, se deben utilizar las nuevas vigas postensadas de sección T, donde se logra un mejor trabajo de la losa del tablero.

• 6. Otro factor incidente en el deterioro de los puentes son las juntas. En el nuevo diseño se ha concebido que se coloquen las juntas, más espaciadas teniendo en cuenta la longitud de los puentes, para los puentes de longitudes pequeñas se propones eliminar las juntas en las pilas.

• 7. Mantener un chequeo sistemático a todos los puentes y evaluar si se cumple la conservación de los mismos.

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Autor:

Ing. Yanexi Reguera Arboláez

Ing. Orestes Espinosa Castillo