O problema é que você não pode ter dois gateways 'padrão' por padrão. Como o kernel saberia qual interface usar se estiver sendo instruído a usar duas interfaces diferentes?
Uma pesquisa rápida on-line encontrou um post recente mostrando como fazer isso criando uma segunda tabela de roteamento .
Sem saber com quais limitações você pode estar trabalhando, por que usar duas interfaces separadas? Pelo que parece, esses dois IPS são na verdade parte do mesmo bloco. Por que não apenas usar um alias na eth0 para o segundo IP? Se for por razões de largura de banda, você deve considerar configurar a agregação de link (LACP, configurada com o módulo kernel de ligação) para que ambos os endereços possam aproveitar o nic extra (virtual). Supondo que cada nic virtual esteja conectado a uma NIC real separada (indo para o mesmo switch) você também obterá redundância para ambos os IPs, caso um dos cabos seja puxado ou uma placa fique ruim no host VMware.