EL PAVIMENTO URBANO DECONCRETO COMOESTRUCTURA SOSTENIBLE

25 de Junio del 2011

EL PAVIMENTO URBANO DE CONCRETO

COMO ESTRUCTURA SOSTENIBLE

25 de Junio del 2011

El Pavimento Urbano de Concreto como Estructura Sostenible

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El pavimento es un elemento de vital importancia en la red de infraestructura vial urbana. En las vías urbanas los pavimentos no solamente sirven para el transporte de personas y bienes sino que brindan un entorno físico y social en el cual el ciudadano desarrolla sus actividades cotidianas, influyendo en forma significativa en su calidad de vida. El primer pavimento urbano de concreto se construyó en la avenida principal de ciudad de Bellefontaine en Ohio, Estados Unidos en 1891. Al iniciarse el siglo XX el pavimento de concreto era predominante a escala internacional, por facilitar la comunicación y los negocios. En el Perú, en la década de 1920 se introduce el pavimento de concreto en Lima y en las principales capitales de provincia, manteniendo su hegemonía hasta fines de siglo.

El Concepto de Sostenibilidad

El aumento de tamaño y densidad de la población en zonas urbanas han generado nuevos requerimientos tecnológicos a los pavimentos. Las obras de infraestructura urbana son actualmente concebidas siguiendo los principios de sostenibilidad. Las obras de infraestructura sostenible, como es el caso del pavimento urbano, implican un equilibrio entre los aspectos sociales, medio-ambientales, y económicos. El objetivo de este equilibrio es el de crear las condiciones necesarias para mantener un desarrollo socio-económico sostenido que este en armonía con el entorno natural. El concepto de sostenibilidad se ilustra en la Figura 1.

Figura 1. El Concepto de Sostenibilidad

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El diseño, construcción, y preservación de pavimentos sostenibles requiere el empleo de materiales y técnicas constructivas que mitiguen el impacto medio ambiental, brinden mayor seguridad y comodidad al usuario, y minimicen los costos durante su ciclo de vida. La necesidad de dotar las ciudades de pavimentos urbanos sostenibles, como son los pavimentos de concreto, se ha vuelto más crítica en la actualidad en que los fenómenos de cambio climático como el calentamiento global, la contaminación ambiental por emisión de gases CO2, el ahorro de energía, y el reciclado de los materiales son considerados preferentemente, dado que el ignorarlos pone en peligro la salud de los ciudadanos.

El pavimento urbano de concreto es una estructura sostenible, por ser un material de larga vida útil, que en desuso puede ser reciclado. Permite un elevado ahorro de energía. Contribuye al confort urbano por ser amigable con el habitante, no tiene impactos negativos sobre el entorno ni contribuye a la contaminación atmosférica.

Las Ciudades, los Pavimentos, y el Efecto “Isla Calor”

En zonas urbanas densamente pobladas la temperatura del aire es mayor que en la periferia de la ciudad. Este fenómeno se conoce como “isla calor”. El fenómeno de “isla calor” aumenta con el tamaño de la ciudad y es directamente proporcional al tamaño del núcleo urbano. Las grandes ciudades acumulan grandes cantidades de calor durante el día y tienen dificultad para disiparlo durante la noche.

Figura 2. Efecto “Isla Calor” en Ciudades. (1)

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Las materiales utilizados en la construcción de viviendas y en la red vial urbana, así como el porcentaje de áreas verdes en la ciudad son factores que influyen en la acumulación y disipación del calor. En promedio, alrededor del 35% de la superficie total de una ciudad es ocupada por pavimentos, 25% por edificaciones, 20% por áreas verdes, y 20% por otros. Por lo tanto una reducción de las temperaturas de la superficie ocupada por los pavimentos es ciertamente significativa.

Las propiedades térmicas de los materiales de construcción influyen en forma significativa en la cantidad de calor a absorber. Los materiales con los que se construyen los pavimentos tienen una alta capacidad de absorción térmica y su superficie se mantiene más caliente que la temperatura del aire, emitiendo este exceso de calor al medio-ambiente. Propiedades termo-físicas de los materiales como el albedo tienen un fuerte impacto en el equilibrio termo-energético de las ciudades. Los pavimentos se construyen de asfalto o concreto y estos materiales tienen propiedades termo-físicas distintas.

Albedo es la capacidad de un material de reflejar la radiación de onda corta como es la luz El albedo es la relación, expresada en porcentaje, de la radiación que la superficie refleja con respecto a la radiación que incide sobre la misma. En general, el albedo se correlaciona con el color. Las superficies claras tienen valores de albedo mayor a las oscuras, y las brillantes más que las mates. Un material con un albedo más alto significa que tiene una capacidad mayor para reflejar la luz.

Los materiales utilizados en los pavimentos tienen albedos que van desde 0,05 a 0,40 cuando son nuevos. Pavimentos de asfalto nuevos tienen un albedo promedio de 0,10 y los pavimentos de concreto de 0,24. Pavimentos construidos con materiales de albedos más altos absorben menos calor y se mantienen más “frescos” mitigando el efecto de isla calor.

Los pavimentos urbanos de concreto tienen un albedo alto, debido al color claro del cemento y de los agregados utilizados en su fabricación. La Figura 3 muestra utilizando tecnología infraroja la comparación de temperaturas entre un pavimento de concreto y uno de asfalto. Comparados con los pavimentos de asfalto, los pavimentos de concreto permiten una disminución de la temperatura del aire entre 1a 3 ºC.

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Figura 3. Pavimentos “Frescos” de Concreto Mitigan el Efecto Isla Calor. (2)

Al igual que los pavimentos construidos con materiales con un albedo alto, los pavimentos porosos ayudan a mitigar el efecto isla calor. La permeabilidad en los pavimentos facilita que el agua y el vapor de agua almacenados dentro de los vacíos del concreto pasen a través de los poros permitiendo que el pavimento se enfrié por la evaporación y el flujo de aire por convección. Los pavimentos porosos contribuyen también a disminuir el ruido generado al transitar los vehículos.

Otros factores que influyen en la cantidad de calor a almacenar son: el espesor del pavimento, la conductividad, y la emisividad. La capacidad para almacenar calor es mayor a mayor espesor. Sin embargo, la conductividad mide la velocidad a la cual el calor se transfiere a través del pavimento, y un pavimento construido con materiales de baja conductividad calienta la superficie más rápido, pero no almacenan más calor que uno con mayor conductividad. Por otro lado, la emisividad es una medida de la velocidad a la que un objeto puede irradiar el calor de su superficie. Los objetos con mayor emisividad irradiaran el calor más rápido.

La Agencia de Protección Medio-Ambiental (EPA) de los Estados Unidos de América recomienda el uso de pavimentos “frescos” de concreto como parte de la estrategia a implementar para reducir el efecto isla calor: La reducción del efecto isla calor beneficia al medio ambiente, la salud y el nivel de confort de los ciudadanos

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Las Pavimentos Urbanos, Iluminación, Seguridad, y Ahorro de Energía

Mantener una buena iluminación en las zonas urbanas contribuye a brindar una mayor seguridad a los usuarios de las vías urbanas. La iluminación está relacionada con la reflectancia de los materiales. A mayor reflectancia de un material mayor es la iluminación. Los pavimentos se clasifican en cuatro categorías de reflectancia que varían desde R1 (alta reflectancia) a R4 (baja reflectancia):

R1: Pavimento de concreto de cemento Portland

R2: Pavimento de asfalto de 10 cm de espesor con 60% de agregado grueso

R3: Pavimento de asfalto con agregados de color obscuro y textura áspera después de unos cuantos meses de uso

R4: Pavimento de asfalto con una textura muy lisa.

Los pavimentos de concreto son más reflectantes que los pavimentos de asfalto teniendo una influencia directa en la seguridad vial de los peatones y de los vehículos que transitan las vías urbanas. La reflectancia en el pavimento de concreto de cemento Portland es de cuatro a cinco veces mayor que la del pavimento de asfalto. La visibilidad nocturna aumenta al aumentar la reflectancia, y con ella la seguridad de los transeúntes.

La reflectancia del pavimento tiene también una relación directa con el consumo de energía eléctrica en lo que a iluminación respecta. Para lograr el mismo nivel de iluminación en una calle, el pavimento de asfalto con un nivel de reflectancia R3 requiere de más de iluminación que el pavimento de concreto tipo R1. Debido a la mayor reflectancia de los pavimentos de concreto, se puede obtener el nivel especificado de luminancia con un número menor de luminarias. Es así que para obtener el mismo nivel de iluminación, los pavimentos de concreto requieren de menos instalaciones y por consiguiente menos gastos de instalación y operación. Así por ejemplo, el pavimento R1 de concreto requiere de 27 postes instalados por milla, mientras que el pavimento R3 de asfalto requiere de 39 postes para obtener un nivel de iluminación equivalente. Esta es una diferencia de 12 postes de iluminación por milla que implica ahorros del orden del 30% en

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promedio con respecto a los pavimentos asfálticos.

Costos Durante la Vida Útil del Pavimento

Los costos durante la vida útil del pavimento son utilizados en la evaluación económica de las alternativas desarrolladas durante la fase de diseño. Usualmente los costos se clasifican en costos de la agencia y costos del usuario.

Costos de la administración

Los costos de la administración son todos los costos directos efectuados por la administración durante el período de análisis incluyendo:

• Costode la construcción inicial: Estos costos representanentreun70a90% del costo total.

• Costosdemantenimientoa lo largodelperíododeanálisis:La incidenciade los costos de mantenimiento es significativa en el costo total en aquellas alternativas de pavimento que requieren de mantenimiento frecuente. Los costos de mantenimiento comprenden mantenimiento preventivo y correctivo.

• Costosderehabilitación:Estoscostosrepresentanentre10a25%delcostototal.

• Valorresidualoremanentealfinaldelperiododeanálisis.

Costos del Usuario

Los costos del usuario incluyen costos operativos del vehículo y costos por demoras. Estos costos se estiman de la siguiente manera:

• Costosoperativosdel vehículo: simulando lascaracterísticasgeométricasde la vía y de los vehículos que la transitan y su efecto en el consumo de combustible, lubricante, neumáticos.

• Costosdelusuario:estimandouncostoporhoradebidoademoras,paradas,y disminución de la velocidad en la zona donde se realizan las obras.

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Otros costos de usuario que pueden ser considerados en la evaluación de alternativas son los costos por accidentes, aunque en la práctica, estos costos son difíciles de cuantificar.

La Figura 3 muestra un análisis comparativo de costos totales durante la vida útil del pavimento. Los diseños corresponden a tres niveles de tráfico: bajo (ESAL= 5 x 106), intermedio (ESAL=1.5x107), y alto (ESAL=3x107).

178,732

244,607

391,701

185,437

235,683

385,988

0

50,000

100,000

150,000

200,000

250,000

300,000

350,000

400,000

450,000

Tráfico Bajo Tráfico Intermedio Tráfico Alto

Cost

os T

otal

es e

n Va

lor P

rese

nte

(US$

/car

ril-K

m

Pavimento Flexible Pavimento Rigido

Figura 4. Análisis Comparativo de Costos Totales. (4)

Los análisis comparativos de costos de pavimentos flexible y de concreto indican que el volumen y tipo de tráfico influyen significativamente en el diseño estructural y consecuentemente en los costos. Las diferencias de costos totales

Clasificación de Vehículo Costo por Hora (US$) Valor Rango

61$ a 21$ 69.31$ sorejasaP ed solucíheV 42$ a 02$ 43.22$ elpmiS sejE ed senoimaC 92$ a 52$ 98.62$ sodanibmoC sejE ed senoimaC

El cuadro 1 muestra los valores recomendados por la Federal Highway Administration (FHWA) en los Estados Unidos para los costos de usuario para distintas clases de vehículo. Estos valores son revisados por la agencias de transporte que recomiendan costos propios a las condiciones locales.

Cuadro 1. ValoresRecomendadosporlaFHWAparalosCostosdeUsuario. (3)

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Cuadro 2. Consumo de Combustible para la Construcción de Pavimentos. (5)

muchas veces no son significativas siendo difíciles de estimar con precisión por las agencias puesto que la estimación de costos está íntimamente ligada a los procesos constructivos empleados por el contratista. En el ejemplo mostrado anteriormente, el pavimento rígido es más ventajoso para tráficos intermedio y alto aunque las diferencias de costos totales son menores al 5%. Es por ello, que los departamentos estatales de carreteas en los EE.UU. muchas veces incorporan diseños equivalentes de pavimentos rígidos y flexibles en los expedientes de licitación. Cuando se tratan de “diseños equivalentes de pavimentos” se entiende que ambos diseños corresponden a estructuras de pavimento que ofrecen un servicio similar a lo largo de su vida útil siendo los costos de construcción y mantenimiento la diferencia entre ambos.

Ahorro en el Consumo de Combustibles y los Pavimentos

El consumo de combustibles debido al tipo de pavimento está asociado al proceso constructivo y a los costos de operación vehicular.

Consumo de Combustible durante la Construcción de Pavimentos

Durante la construcción de los pavimentos se consumen grandes cantidades de combustible. El tipo de pavimento a construir es un factor determinante para el consumo de combustible. En el Cuadro 2 se observa que de acuerdo a la Federal Highway Administration (FHWA) de los EE.UU. el combustible requerido para construir 1 Km de pavimento de concreto es menor a un quinto del combustible requerido para construir un pavimento de asfalto.

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Esta diferencia significativa en el consumo de combustible se debe a los procesos constructivos, puesto que los pavimentos de asfalto requieren de más maquinaria que los pavimentos de concreto como se puede apreciar en las Figuras 5 y 6.

Figura 5. Consumo de Combustible en la Construcción de un Pavimento de Concreto. (5)

Figura 6. Consumo Promedio de Combustible en la Construcción de Pavimentos. (5)

La Figura 6 muestra el consumo promedio comparativo de combustible estimado por tonelada de pavimento construído según investigaciones realizadas por la Federal Highway Administration (FHWA) de los EE.UU.

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Costos de Operación de Vehículos y el Consumo de Combustible

El combustible es el componente principal de los costos de operación vehicular. El consumo de combustible varía de acuerdo a la clase de vehículo, diseño geométrico de la carretera, tipo y condición de los pavimentos. Estudios realizados no han mostrado diferencias significativas en el ahorro de combustibles de los automóviles debido al tipo de pavimento.

Sin embargo, en el caso de vehículos pesados el consumo de combustible en los pavimentos de concreto es menor que en los pavimentos de asfalto. Las tasas de consumo de combustible indican que el ahorro de consumo de combustibles es de 3 a 17% en los pavimentos de concreto.

Emisión de Gases y otros Aspectos Medio Ambientales

El ahorro en el consumo de combustibles no solamente tiene un impacto económico sino que también influyen en la calidad del aire. El consumo combustible genera gases (CO2) estos gases incrementan el calentamiento global. Al utilizar una menor cantidad de combustible la emisión de gases CO2 a la atmósfera disminuye. El Cuadro 3 muestra un resumen del consumo de combustible y emisión de gases CO 2 de acuerdo estudios realizados por la Universidad de Texas en Arlington, EE.UU.

Cuadro 3. Consumo de Combustible y Emisión de Gases de acuerdo al Tipo de Pavimento. (5)

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La reducción en el consumo de combustibles se explica porque hay una mayor deformación debido al tránsito vehicular en los pavimentos flexibles que en los rígidos. La mayor deformación del pavimento flexible implica que el vehículo requiere más energía para circular y por consiguiente más combustible que se traduce en una mayor emisión de gases. El ahorro estimado en emisiones de CO2 es de 2,5 kg por m2 y es significativa a lo largo de la vida útil del pavimento. Al colocar un pavimento de concreto, la disminución media de CO2, es de 15.000 t. en un tramo de 10 Km considerando una vida útil de 30 años. Es así que el uso de pavimentos de concreto contribuye notablemente a reducir el consumo de carburantes y a la emisión de gases de efecto invernadero como elCO2.

Además de reducir la emisión de gases debido al menor consumo de combustibles, los pavimentos de concreto absorben CO2 durante su vida útil. Según investigaciones del Instituto Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja en España, el concreto es capaz de absorber a lo largo de su vida útil entre 2,1 a 3,4% del CO2 emitido durante la descarbonatación de la caliza durante el proceso de fabricación del cemento. Si consideramos el ciclo de vida útil del pavimento de concreto, es posible absorber entre 25 a 45 kg CO2/m3 que equivale entre 10 a 25% de la cantidad de CO2 liberado durante la producción.

El Concreto Fast Track y la Apertura al Tráfico

El pavimento de concreto tiene una larga vida útil y requiere de un mínimo de mantenimiento, por lo cual, no requiere limitar el tránsito cotidiano., característica de un pavimento sostenible. En casos extremos, que presenten deterioro severo, es posible su reconstrucción por métodos rápidos conocidos como fast track. Los pavimentos pueden ponerse en servicio a las 24 horas de construcción, utilizando en las mezclas aditivos reductores de agua y aceleradores de resistencia y aplicando en el curado mantas térmicas que aprovechen el calor de hidratación del cemento.

Cuando se realizan obras de rehabilitación en zonas urbanas es importante restablecer el flujo normal de tráfico lo antes posible. Con el concreto Fast Track (CFT), los pavimentos pueden ser abiertos al tráfico 12 horas después de haber sido colocados. El concreto Fast Track alcanza resistencias a la compresión que permiten la puesta en servicio del pavimento en un período de tiempo muy corto.

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El uso de CFT disminuye las pérdidas económicas que se producirían en los negocios ubicados en zonas afectadas por la construcción debido a un dilatado proceso de reparación si es que se utilizará concreto convencional. El pavimento de concreto Fast Track resultante es de excepcional calidad y con un costo relativamente bajo. En vías urbanas, en especial en aquellas que sirven de acceso a los sectores comerciales e industriales, en avenidas y calles, el CFT es la mejor alternativa.

El Reciclado

El pavimento de concreto, como estructura sostenible permite el reciclado al final de su vida útil. Esta alternativa es importante en localidades que carecen de fuentes de provisionamiento de agregados o cuando ellos deben ser transportados de distancia apreciables, con la correspondiente emisión de CO2 de los camiones

El concreto triturado y seleccionado permite la utilización o agregado en el relleno como sub-base o base del pavimento; también como agregado del concreto nuevo. Es posible utilizar en obras de importancia trituradoras móviles ubicadas en el sitio.

El pavimento de concreto es una obra con materiales reciclables. Al final de su vida útil, el concreto puede ser triturado y reutilizado de diversas formas: relleno, sub-base, o base. Se puede utilizar también como agregado para un pavimento nuevo. El uso de agregados reciclados disminuye la demanda de recursos naturales no renovables. También es posible utilizar en obra trituradoras móviles que permiten disminuir la distancia de transporte de agregados. Además, los agregados reciclados almacenados al aire libre pueden absorber entre 15 y 35 kg CO2/m3 en un período de 2 a 3 años.

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Referencias

1. SALGADO TORRES, Mauricio,

Tendencias Europeas en el desarrollo de los pavimentos de hormigón.Seminario Nuevos Desafíos y Tendencias en Pavimentos de Hormigón, “ Instituto del Cemento y del Hormigón de Chile (ICH), 9 de Noviembre del 2010.

2. AMERICANCONCRETEPAVEMENTASSOCIATION(ACPA),.

“Hot Pavement.” Boletín Técnico bajado del sitio web Pavements.4life.com el 15 de Marzo del 2011.

3. FEDERAL HIGHWAY ADMINISTRATION (FHWA)

“Life Cycle Cost Analysis in Pavement Design” Publicación No FHWA SA-98-079, Washington D.C., Septiembre 1998.

4. CHANG ALBITRES, Carlos.

Guia Metodológica de Diseños Equivalentes de Pavimentos Rígidos y Flexibles en los Procesos de Licitación, ASOCEM, Lima-Perú, Agosto del 2009.

5. AMERICANCONCRETEPAVEMENTASSOCIATION(ACPA),.

“Conserving Fuel in the Road” Boletín Técnico publicado el 2007 y bajado del sitio web Pavements.4life.com el 16 de Marzo del 2011.