Las emulsiones asfálticas en los Andes peruanos | Aspectos de la aplicación de BIM en proyectos de infraestructura vial | Análisis de fricción y macrotextura en diferentes superficies de rodadura | Señalización vial | Análisis de métodos químico-reológicos para la dosificación de aditivo rejuvenecedor en mezclas asfálticas recicladas | Análisis comparativo de indicadores de vulnerabilidad en carreteras inundadas | Los caminos de servicio en carreteras |
Aspectos de la aplicación de BIM en proyectos de infraestructura vial
APORTACIONES
Análisis de fricción y macrotextura en diferentes superficies de rodadura
ESPACIO SICT
Señalización vial
APORTACIONES
Análisis de métodos químico-reológicos para la dosificación de aditivo rejuvenecedor en mezclas asfálticas recicladas
APORTACIONES
Análisis comparativo de indicadores de vulnerabilidad en carreteras inundadas
COMITÉ SEGURIDAD VIAL
Los caminos de servicio en carreteras
EVENTOS
Destacando el éxito del curso: Diseño y evaluación de pavimentos flexibles
Pavimentando el camino hacia un futuro sostenible
ASFÁLTICA, año 19, núm. 79, julio-septiembre 2024, es una publicación trimestral editada por la Asociación Mexicana del Asfalto, A.C., Camino a Sta.Teresa 187, Parques del Pedregal,Tlalpan, 14010, Ciudad de México.Tel. +52 55 5606 7962, asfaltica@amaac.org.mx.
Editor responsable: Raúl Vicente Orozco Escoto. Reservas de Derechos al uso exclusivo Núm. 04-2013-012513385100-102, ISSN: 2007-2473. Licitud de Título Núm. 13611, Licitud de Contenido Núm. 11184, ambos otorgados por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. Permiso sepomex Núm. PP09-1532. Este número se terminó el 30 de junio de 2024 en su versión impresa y digital. • Las opiniones expresadas por los autores no necesariamente reflejan la postura del editor de la publicación. Queda estrictamente prohibida la reproducción total o parcial de los contenidos e imágenes de la publicación sin previa autorización.
Producción editorial CODEXMAS, S. de R.L. de CV.
EDITORIAL
Estimados amigos lectores de nuestra revista Asfáltica, ha concluido el primer semestre del 2024 en el cual sucedieron varios acontecimientos importantes en nuestro país. Destaca, entre ellos, la celebración de las elecciones para presidente, senadores y diputados. Estos resultados seguramente tendrán una influencia definitiva en el rumbo del país. Así, nuestro gremio deberá tener gran capacidad de adaptación para enfrentar los cambios que se vislumbran en el horizonte cercano.
La AMAAC sigue trabajando para ustedes; nuestros socios, autoridades y la sociedad en general. Una muestra de ello es el trabajo que se está desarrollando desde hace ya varias semanas en la organización del VIII Seminario Internacional del Asfalto, el cual tendrá lugar del 9 al 11 de octubre de 2024 en la ciudad de Monterrey, en el estado de Nuevo León; cuyo lema es: Estrategias para la sostenibilidad en la industria del asfalto. Este evento proporcionará a todos ustedes, como ya es costumbre, un interesante programa técnico, pero en esta ocasión se decidió ampliar la actividad comercial del evento mediante la denominada
Expo-Asfalto, un área de exposición de equipos, maquinaria y tecnología útil para el gremio. Adicionalmente, el seminario ofrecerá a sus asistentes actividades deportivas y sociales, y la oportunidad de ampliar su red de negocios.
El XIII Consejo Directivo ha desarrollado acciones de capacitación técnica a nuestros diferentes socios, como fue el curso denominado Las mejores prácticas para la conservación de pavimentos asfálticos en zona urbana, para la Planta Productora de Mezclas
Asfálticas de la Ciudad de México, que tuvo lugar en las instalaciones del Colegio de Ingenieros Civiles de México.
En relación con los cursos dirigidos a laboratoristas, en esta ocasión se llevó a cabo del 16 al 19 de abril, un curso en la Categoría
Asfaltos. Este curso contó con el apoyo y colaboración del Instituto Mexicano del Transporte de la Secretaría de Infraestructura, Comunicaciones y Transportes.
El 2 de mayo se llevó a cabo el curso en línea Fundamentos de sostenibilidad de pavimentos asfálticos, con el objetivo de proporcionar los principios fundamentales de sostenibilidad aplicados
específicamente a los pavimentos asfálticos, organizado por el Comité Técnico de Sostenibilidad y Descarbonización.
Durante los días 29, 30 y 31 de mayo del presente año, el Comité Técnico de Impulso Profesional de la Asociación Mexicana del Asfalto (AMAAC) organizó y realizó con gran éxito el curso presencial y gratuito titulado Diseño y evaluación de pavimentos flexibles
Para continuar con los cursos enfocados a laboratoristas, se realizó el curso en la Categoría Mezclas Asfálticas, los días 5, 6 y 7 de junio. Este curso contó, nuevamente, con el apoyo y colaboración del Instituto Mexicano del Transporte de la Secretaría de Infraestructura, Comunicaciones y Transportes.
Este Consejo tiene una visión colaborativa con las asociaciones hermanas de AMAAC, por lo que, a través de diferentes medios de comunicación, difunde los cursos, talleres, congresos y diversos eventos que son de interés para nuestro sector, como fue el webinar gratuito Principios BIM para ingenieros, organizado por la Sociedad Mexicana de Ingeniería y Administración, SMIA, y la plática en formato virtual Innovación y enseñanza en ingeniería civil: Una mirada desde las vías terrestres, organizada por el Colegio de Ingenieros Civiles de México A.C. y el Centro de Actualización Profesional e Innovación Tecnológica del CICM, CAPIT, entre otros. En esta edición, dentro del Espacio SICT, se difunden dos Normas Oficiales Mexicanas: NOM-034-SCT2/SEDATU-2022 Señalización y dispositivos viales para calles y carreteras y la NOM-086-SCT2-2023 Señalamiento y dispositivos para la protección en zonas de obras viales, con el objetivo de dar a conocer los criterios técnicos establecidos en ellas para su implementación en todo el territorio nacional. Nuestros lectores pueden encontrar en esta edición de Asfáltica, artículos de diferentes temáticas de interés para el sector. Uno de los artículos se refiere a un análisis de los indicadores de vulnerabilidad en carreteras inundadas, temática que tiene gran interés actualmente ante los efectos del cambio climático de nuestro planeta. También se presenta por parte del comité de Seguridad Vial una investigación relativa a los caminos de servicio en carreteras, los cuales ofrecen una gran cantidad de ventajas que deben puntualizarse para entender la importancia de contar con ellos para
mejorar el servicio hacia los usuarios. El comité de Materiales Asfálticos presenta un artículo donde analiza el uso de las emulsiones asfálticas en un caso muy específico, en los Andes Peruanos. Se demuestra que las tecnologías en frío son la respuesta adecuada para los caminos en situaciones poco favorecedoras. Otro de los artículos expuestos se centra en el análisis de fricción y macrotextura en diferentes superficies de rodadura, tema muy importante desde el punto de vista del servicio que presta la carretera a los usuarios. También se incluye un artículo donde se estudian los aspectos que deberían considerarse en la aplicación de BIM en proyectos de infraestructura vial. Finalmente, nuestros lectores encontrarán el artículo Análisis de métodos químico-reológicos para la dosificación de aditivo rejuvenecedor en mezclas asfálticas recicladas, una investigación de vanguardia que impulsa la tecnificación en el uso de rejuvenecedores. Como comentario final, quiero agradecer a todos nuestros lectores por su recurrente lectura y consulta a nuestra revista Asfáltica, sin ustedes esta revista técnica no tendría el éxito actual.
Atentamente,
Dr. Mauricio Centeno Ortiz Presidente del XIII Consejo Directivo
Pavimentando el camino hacia un futuro sostenible
LAS EMULSIONES ASFÁLTICAS EN LOS ANDES PERUANOS
Quimikao S.A. de C.V. Álvaro Gutiérrez Muñiz, agutierrez@kao.com
Rosita Martínez
Israel Sandoval
Adrián Ramírez
Aldo Salazar
Álvaro Gutiérrez
Andrés Guerrero
César Álvarez
Dulce Valeria Guzmán
Ernesto González
Francisco Javier Moreno Fierros
Gabriel Hernández Zamora
Jorge Isaac Díaz
Jorge Vázquez
Juan Daniel Ruvalcaba
Juan Manuel Zambrano
Karla Cecilia Camarena
Norberto Cano
Raymundo Benítez
Vanessa López
Es innegable que la historia y cultura del Perú tienen su origen, en gran medida, en los pueblos originarios que habitaron sus tierras desde hace siglos. Para tener un panorama más claro sobre qué es un pueblo indígena, se indica que es toda aquella civilización de descendientes de las culturas precolombinas, que a lo largo del tiempo mantuvieron sus rasgos sociales y culturales.
Al ser Perú un país pluricultural, es normal que en su territorio coexista un sinnúmero de civilizaciones, algunas que datan de más de cinco mil años de antigüedad. Actualmente, a través de la Base de Datos Oficial de Pueblos Indígenas u Originarios (BDPI) se puede saber con exactitud cuántas civilizaciones oriundas existen en el Perú. Desde que esta herramienta se creó en 2013, están registrados un total de 55 pueblos indígenas de la Amazonía y los Andes peruanos, con un total de 48 lenguas originarias.
Uno de los pueblos originarios mayoritarios del Perú son los quechuas, ya que cuentan con la mayor cantidad de integrantes en las diversas localidades indígenas de los Andes. En el último censo, realizado en 2017, se registraron más de dos millones de personas descendientes de este pueblo indígena, que cuenta con su propia lengua (el quechua). Algunos de los rasgos distintivos de este pueblo son que se desarrollaron en técnicas de cerámica, textil, metalurgia, arquitectura, medicina y agricultura. Fueron, además, parte central del Imperio Inca. Dentro de los quechuas encontramos a otros grupos con un conjunto de identidades,
como los chopccas, chankas, huaylas, huancas, kanas, cañaris y q’eros, que se localizan en los distritos de Colcabamba, Daniel Hernández, Pampas, Acraquia y Acostambo. La pobreza en estas comunidades es extrema, poseen pocas tierras y solo se dedican a la agricultura para poder subsistir mediante consumo local, pero no es suficiente para dedicarse al comercio. Según los dirigentes de la Asociación de Defensa y Desarrollo de las Comunidades Andinas del Perú “ADECAP” manifiestan que sus principales problemas [1] son:
Extrema pobreza económica: los que más sufren son niños, ancianos, enfermos, madres gestantes, lactantes y viudas. Existencia de desposeídos y pobres en relación con la tierra: minifundio.
Falta de trabajo remunerado.
Salarios bajos y no reconocimiento de beneficios sociales. Cuando se enferman, no tienen recursos para pagar la atención médica: marginalidad y pobreza vulneran su sanidad.
Su ropa es vieja y escasa, es decir, no tienen suficiente para cubrirse y abrigarse.
No poseen facilidades económicas para estudiar ni para que estudien sus hijos.
Monocultivo, uso de agroquímicos, existe mal manejo de recursos naturales.
No saben operar ni cuentan con maquinaria para elevar su producción de papa, maíz, cebada y otros.
El Ministerio de Agricultura proporciona un préstamo del cual los comuneros no se pueden beneficiar, pues no tienen conocimientos ni formación en gestión ni cuentan con garantías.
Los pobres no tienen acceso a créditos productivos ni garantías hipotecarias.
La presencia de factores ambientales adversos crea condiciones muy duras, como heladas, granizadas y sequías. La mayoría de las comunidades no cuentan con carreteras para desplazar sus productos agrícolas.
Para reducir la pobreza de estos pueblos, el Banco Interamericano de Desarrollo (BID), en conjunto con el gobierno de Perú, ha desarrollado un plan estratégico para construir carreteras de bajo costo y con durabilidad para que los indígenas de estos pueblos puedan comunicarse y comercializar sus productos agrícolas, tales como el plátano y la papa. En la Figura 1 se muestra una fotografía
de la cordillera de los Andes y de las carretas que comunican a estas comunidades.
Figura 1. Carreteras que comunican a los quechuas, uno de los pueblos originarios peruanos mayoritarios.
La estructura de estas económicas carreteras construidas a una altura de entre 4000 y 5000 metros sobre el nivel del mar, consta de una capa de 20 cm de suelo estabilizado con cemento y algunos aditivos químicos, a la que se le adiciona un riego de liga a razón de un litro por metro cuadrado de una emulsión lenta con una concentración de asfalto del 30%, para después colocar un microaglomerado (microsuperfcicie, microsurfacing) que debe de poder abrirse al tráfico después de una hora de ser colocado, dado que estas carreteras son muy estrechas y no se puede parar el tráfico, por lo que se aplica a la mitad de un carril y después a la otra mitad. Dada la importancia de la rápida apertura al tráfico, a continuación explicamos el mecanismo de rompimiento de una emulsión asfáltica en la aplicación de microaglomerado, que consiste en cuatro etapas, tal como lo ilustra la Figura 2
Observando la Figura 2, en la etapa uno, la emulsión tiene contacto con el agregado previamente humectado, y lo primero que ocurre es que el átomo de hidrógeno con carga positiva y el átomo de cloro con carga positiva provenientes del ácido clorhídrico [5] son atraídos por la carga eléctrica del agregado, que puede ser positiva si es un material netamente calizo o negativa si es
aditivo: solución de sulfato de aluminio al 10% aditivo: Cemento-Oxido de calcio (CaO) aportado por la cal. Dióxido de silicio (SiO2), el cual se encuentra en la arcilla junto con el óxido de aluminio (Al2O3) y el óxido de hierro (Fe2O3), y la adición del regulador del fraguado que es el yeso, el cual contiene trióxido de azufre (SO3)
Figura 2. Mecanismo de rompimiento de una emulsión asfáltica en un microaglomerado.
un material netamente silicoso (la mayoría de los materiales son mezclas de ambos). Esta atracción origina una disminución de la carga del agregado para atraer a las demás sustancias y, por esta razón, cuando disminuimos el pH de la emulsión, esta se hace más lenta, es decir, permite más tiempo de mezclado [2]. También nos permite entender que la adición del sulfato de aluminio en el agua de humectación del agregado aumenta el tiempo de mezclado de la emulsión con el mismo en la aplicación del microaglomerado, ya que el ion sulfato con carga negativa y el ion aluminio con carga positiva son atraídos por el agregado y le disminuyen su carga positiva. El otro aditivo es el cemento que, en esta etapa, comienza a hidrolizarse para que sus compuestos se ionizen y adquieran sus respectivas cargas.
En la etapa dos, el emulsificante libre (el que no se encuentra alrededor de glóbulos de asfalto, aproximadamente 0.2% de emulsificante cubre toda la superficie de los glóbulos de asfalto) con carga positiva es atraído por la carga eléctrica negativa del agregado. Así entendemos que, a mayor cantidad de emulsificante, mayor tiempo de mezclado de la emulsión con el agregado, pues el emulsificante libre reduce la carga eléctrica del agregado. Por este motivo, en las emulsiones para microaglomerados se utilizan dosis de emulsificante entre el 1.2 y 2.0% respecto al total de la emulsión.
En la etapa tres, los glóbulos de asfalto cargados positivamente son atraídos por la carga eléctrica negativa del agregado. Cuanta más carga eléctrica positiva tenga el glóbulo de asfalto, más rápido será atraído por el agregado. Esta carga eléctrica del glóbulo se debe a la composición química del emulsificante, cuanto más potencial Z tenga el emulsificante, este proporcionará mayor carga eléctrica positiva [2]
En la etapa cuatro, el emulsificante catiónico tipo amina grasa reacciona con el agregado formando silicato de amina, en el caso de un agregado silicoso, y carbonato de amina, en caso de un agregado calizo, lo que le da la propiedad de adhesividad, es decir, la capacidad del asfalto de quedar fijo en el agregado, y que, a nivel molecular, se ve como la formación de un puente químico entre el asfalto y el agregado [3]. Asimismo, los iones negativos de cementos
ya hidratados reaccionan con el emulsificante que quedó libre y proporcionan el rompimiento de la emulsión y la expulsión del agua.
La estructura de estas carreteras económicas se ilustra en la Figura 3, donde observamos la superficie del suelo estabilizado sobre el cual se aplicará el riego de liga y el microaglomerado. También se observa que, para evitar la entrada de agua al pavimento, se construyó una cuneta para desalojar el líquido.
Figura 3. Suelo estabilizado con cemento para la posterior aplicación del riego de liga y el microaglomerado en los caminos de los Andes.
Como podemos observar, la microsuperficie tiene un papel importantísimo en la construcción de estas carreteras, que soportan temperaturas de entre 5° y 20 °C a más de 4000 m sobre el nivel del mar. En estas condiciones y exigencias de apertura al tráfico, difícilmente podría aplicarse otra tecnología de construcción de pavimentos flexibles o rígidos, de ahí la importancia de un diseño de la emulsión y mezcla asfáltica correctos, y de ahí la precisión en la cantidad de emulsificante estrictamente catiónico, y siguiendo el diseño del microaglomerado conforme la guía de diseño ISSA A 143, así como sus respectivas especificaciones. En la Tabla 1 se muestra la distribución granulométrica del agregado, que en este caso fue tipo III.
Tabla 1. Distribución granulométrica el agregado empleado en esta aplicación.
La emulsión se fabricó en Lima, por lo que tuvo que viajar del nivel del mar hasta 5000 metros de altura para llegar al pueblo de Colcabamba, y sus condiciones de fabricación fueron las siguientes:
La emulsión se hizo en 3 grupos
Asfalto 60/70 de la refinería Petro Perú
Temperatura del asfalto: 139 °C, 140 °C, 140 °C
Temperatura de la solución jabonosa: 43.1 °C, 41.3 °C, 43.1 °C
pH: 2.02, 2.01,2.10
Temperatura de la emulsión: 86 °C, 85 °C y 87 °C
% de residuo: 62.1, 61.9,61.3 (antes de adicionar el látex)
Una vez fabricada la emulsión, se le adicionaron 600 kilos de látex
Kilos de poliamina de sebo: 160.5 kilos para cada grupo, en total 481.5 kilos
Kilos de agua: 3,400 litros por grupo
Ácido clorhídrico: 160.5 kg,160.5 kg,160 kg
Viscosidad de la emulsión: 21.92 y 22.0 ssf a 25 °C
Residuo final de la emulsión ya con el látex: 63.5 %
Las características del agregado son las siguientes:
Agregado chancado (triturado) cantera Churcampa km 15+420
Tipo III
Azul de metileno: 3.5 AASHTO TP 57
Equivalente de arena: 67%
Peso volumétrico seco suelto: 1640.9 kg/m3
Fuente de agua: km 11+680 lado izquierdo, pH 7.14, sólidos totales 410 ppm.
Características del diseño del microaglomerado:
12.2% de emulsión (1.6% de emulsificante catiónico)
10.0% de agua
0.8% de cemento Inka GU
Tiempo de mezclado 120 segundos
Temperatura mezclado: 25 °C (ambiente)
0.5% de solución de sulfato de aluminio al 10%, solo cuando no se cuente con el suficiente tiempo de mezclado.
Los resultados de las pruebas de WTAT (ISSA TB 100) y LWT (ISSA TB 109) se muestran en la gráfica de la Figura 4
Cuando se diseña un microaglomerado en Perú, se debe de pasar la prueba Schulze-Breuer ISSA TB 144 con al menos 11 puntos. Este
método de prueba cubre la determinación de la compatibilidad relativa existente entre el agregado fino de una gradación específica y el residuo asfáltico de la emulsión; el método proporciona una calificación de 4 puntos para cada uno de los tres factores: resistencia máxima a la abrasión, adhesión y cohesión, por lo que si un espécimen suma 12 puntos, se tiene la seguridad de que el microaglomerado será durable [4]. En este diseño, el resultado fue de 12 puntos.
En la Figura 5 se trata de describir la prueba ISSA TB 144. La central hidroeléctrica del Mantaro se ubica en el distrito de Colcabamba, provincia de Tayacaja, y constituye el punto de referencia fisiográfica determinante, ya que si no existiera el salto hidráulico de aproximadamente un kilómetro de altura, no habría central. Esta
abertura (mm)
0.600 a 2
0.300 a 0.600
0.075 a 0.300
0 a 0.075
granulometría del material pétreo malla cemento asfáltico=8.2%
designación
N°30 a N°10
N°50 a N°30
N°200 a N°50
0 a N°200
porcentaje
35 25 22 18
Prueba Schulze Breüer ISSA TB 144
abertura (mm)
0.600 a 2 0.300 a 0.600
0.075 a 0.300 0 a 0.075
granulometría del material pétreo malla cemento asfáltico=8.2%
designación
N°30 a N°10
N°50 a N°30
N°200 a N°50
0 a N°200
porcentaje
35 25 22 18
de la prueba ISSA TB 144.
6 días en agua 3 horas en agua agitación 20 RPM 30 min en agua hirviendo
Figura 4. Resultados de las pruebas de WTAT (ISSA TB 100) y LWT (ISSA TB 109).
Figura 5. Ilustración
altura permite la potencia de impresión hidráulica sobre las turbinas y, finalmente, produce energía que supera los mil megavatios; es un verdadero patrimonio nacional.
El plan de desarrollo de Electroperú prevé el incremento de su potencia en la denominada “curva de la guitarra” o IV etapa, mediante la construcción de una nueva central hidroeléctrica prevista a mediano plazo, denominada Mollepata, ubicada en el mismo distrito de Colcabamba, que constaría de cuatro unidades de generación de 150 MW cada una, con un total de 600 MW adicionales, y cuyo requerimiento de inversión es de 304 millones de dólares, para generar una potencia adicional de 220 MW que requieren una inversión de 600 millones de dólares, haciendo un total general de 904 millones de dólares, para una potencia eléctrica adicional total de 820 MW.
Es imperativo no concesionar, sino exigir la construcción de la IV etapa, defender el patrimonio de las generaciones venideras. En la provincia de Tayacaja, los pobladores de los distritos de San Marcos de Roccha, Salcahuasi, Surcubamba, Huachocolpa y Tintaypuncu, así como otras comunidades de la provincia, no cuentan con energía eléctrica, pese a tener los postes e instalaciones. Estos pueblos que, paradójicamente, se encuentran en la capital hidroenergética del Perú, viven usando velas [1].
El camino para entrar a esta central hidroeléctrica es un pavimento flexible que cuenta con una base, subbase y carpeta asfáltica, a la cual también se le aplicó el microaglomerado, y en la cual se utilizó el mismo diseño que en los caminos económicos anteriormente explicados. Este microaglomerado se aplicó por la tarde, utilizando cemento como aditivo en algunas secciones para favorecer la reacción química entre el agregado y el asfalto. Esa noche llovió intensamente por varias horas hasta después del amanecer, y al visitar el tramo el día siguiente nos dimos cuenta de que la sección en la que no se había aplicado el cemento tenía espuma en la superficie, lo cual indicaba la existencia de emulsificante libre. La sección donde se utilizó el cemento no presentaba espuma, por lo que la conclusión es siempre usar cemento si, después de aplicar un microaglomerado, existe la posibilidad de lluvia. La imagen de la Figura 6 muestra lo anterior.
Figura 6. Aspecto de la superficie del microaglomerado en la sección en la que no se utilizó cemento y en la que sí.
SIN CEMENTO
CON CEMENTO
CONCLUSIONES
Es posible aplicar un microaglomerado a alturas de 5000 metros sobre el nivel del mar, a temperaturas entre 5° y 20 °C.
El diseño de un microaglomerado debe de cumplir todos los requisitos de la guía de diseño ISSA A 143.
En un microaglomerado, la emulsión asfáltica debe de fabricarse con un emulsificante catiónico que proporcione una alta cohesión y adherencia entre el agregado y el asfalto residual de la emulsión; esta evaluación se debe de hacer con el ensayo ISSA TB 144. La adición de cemento en el microaglomerado debe ser obligatoria si existe la posibilidad de lluvia después de haber sido aplicado.
BIBLIOGRAFÍA
[1] Coexistencia conflictiva entre el derecho oficial y los pueblos indígenas en el Perú.
[2] Emulsiones Asfálticas. SFERB (Federación de Productores de Emulsiones Asfálticas para Caminos). ISBN: 978-607-8134-00-7.
[3] Moisture Sensitivity. Asphalt Institute. ISBN:1-93-4154-00-8.
[4] Emulsiones Asfálticas. Manual Básico de Emulsiones Asfálticas. Asphalt Institute.
[5] Química General Superior, Masterton Slowinski Stanitski. ISBN: 9788476053690.
ASPECTOS DE LA APLICACIÓN DE BIM EN
PROYECTOS DE INFRAESTRUCTURA VIAL
Instituto Mexicano del Transporte, San Fandila, México
José Ricardo Solorio Murillo, rsolorio@imt.mx
Agustín Sánchez Olguín, Agustin.Sanchez@imt.mx
Juan Fernando Mendoza Sánchez, jmendoza@imt.mx
APORTACIONES
RESUMEN
Este artículo tiene el objetivo de puntualizar algunas características de la infraestructura vial importantes para lograr una aplicación exitosa de la metodología BIM en el desarrollo de proyectos de carreteras. Para ello, en primer lugar, se introduce de manera general el contexto del tema. Más adelante, se abunda sobre los aspectos más relevantes de la BIM y sobre sus aportaciones al desarrollo y operación de proyectos de ingeniería y arquitectura. Enseguida, se describen las particularidades de la infraestructura vial que deberían tomarse en cuenta para el uso de la metodología BIM en este ámbito. El texto continúa con la descripción de un aspecto central del uso de BIM en proyectos de carreteras: la relación entre esta metodología y la gestión de infraestructura vial. En esta sección, se tratan también algunos elementos de la aplicación de BIM en las distintas fases del ciclo de vida de los proyectos viales. Finalmente, se enfatiza la importancia de diferenciar los tipos de modelos y los niveles de detalle de la información que se aplican predominantemente en las fases de suministro y operación de los proyectos.
1 INTRODUCCIÓN
BIM (siglas en inglés de Modelización de información para la construcción) es un proceso colaborativo para el suministro (proyecto, construcción) y operación de obras de ingeniería y arquitectónicas.
La cobertura de ambas fases de los proyectos implica que el proceso abarca la totalidad del ciclo de vida de los activos construidos. Hasta ahora, BIM se ha utilizado mayormente en obras individuales de tipo vertical (edificios, centros comerciales o plantas industriales), sin embargo, a nivel internacional, existe un interés creciente por ampliar la aplicación de esta metodología a obras públicas de infraestructura, incluyendo carreteras.
Si bien, en el contexto de BIM, algunos componentes de la infraestructura vial como puentes, cortes o túneles pueden recibir un tratamiento similar al de las obras verticales, en general las carreteras tienen rasgos tipológicos marcadamente distintos a los de las obras de edificación referidas, que harían necesarios esquemas de aplicación de BIM también distintos. Por una parte, en cuanto al aspecto geométrico, la dimensión longitudinal de las carreteras es siempre considerablemente mayor al ancho y al espesor del pavimento, lo que le da al conjunto de la obra una configuración de tipo horizontal y no vertical. Además, la gestión de las carreteras en la fase de operación se enfoca no solo en el nivel de proyecto, sino que exige también análisis a nivel de red que permita calcular, optimizar y distribuir los recursos necesarios para mantener estándares aceptables en lo relativo al estado físico y a los atributos operativos, así como programar adecuadamente las correspondientes obras de conservación y modernización.
Estos son rasgos que, de alguna forma, comparten otras obras de infraestructura como las vías férreas o las líneas de transmisión de energía eléctrica.
Aunque, conceptualmente, los proyectos pueden beneficiarse del uso de BIM en todo el ciclo de vida, en realidad, hasta la fecha, las aplicaciones de esta metodología se han concentrado preferentemente en la fase de suministro. En lo que respecta a las carreteras, los análisis a nivel de red durante la fase de operación implican un menor nivel de detalle en los datos, herramientas de cálculo muy distintas a las utilizadas en la fase de suministro y un modelo del objeto de estudio (la red) también muy diferente al de los objetos abordados en la fase inicial (tramos de carretera, puentes, etc.). Ambos factores complican la aplicabilidad de la metodología BIM en la fase de operación de los proyectos viales, que es la más relevante desde el punto de vista de las administraciones de carreteras.
Tomando en cuenta lo anterior, en este artículo se puntualizan algunos aspectos que podrían ser útiles para avanzar hacia la
cabal aplicación de BIM en el ciclo de vida de proyectos de infraestructura vial. Con este propósito se presenta, en primer lugar, el concepto general de la metodología, seguido por descripciones breves de sus principales atributos y elementos asociados. Más adelante, en la sección 3, se analizan las particularidades de la infraestructura vial relevantes para una aplicación diferenciada de BIM con respecto a su aplicación tradicional en proyectos de edificación. La sección 4 está dedicada a examinar posibles vertientes de la aplicación de BIM en las fases de suministro y operación de los proyectos de carreteras. En esta sección, además, se destaca la importancia de la interoperabilidad de los datos entre estas dos fases principales. Finalmente, en la sección 5 se resumen las conclusiones de este ejercicio de análisis.
2 ASPECTOS GENERALES DE BIM
El Ministerio de Negocios, Innovación y Empleo de Nueva Zelanda define BIM como un conjunto coordinado de procesos, basado en tecnología, que añade valor mediante el intercambio de información estructurada sobre edificaciones y activos de infraestructura [1]. Por otro lado, según la empresa AutoDesk, BIM es un proceso holístico y colaborativo para la generación y gestión de la información de un activo durante su ciclo de vida, que conduce a la integración y distribución de datos estructurados de distintas disciplinas para crear una representación digital del activo útil durante las fases de planeación, diseño, construcción y operación [2]
En los últimos años, el gobierno federal mexicano ha manifestado interés en la aplicación de la metodología BIM en el proyecto y construcción de obra pública. Como resultado, en el año 2019 la SHCP publicó su Estrategia para la implementación del modelado de información de la construcción (MIC) en México [3], donde se define BIM como una “metodología para solicitar, generar, intercambiar y gestionar información acordada entre los múltiples actores durante todo el ciclo de vida de un proyecto”. El mismo documento establece que BIM permite anticipar problemas o mitigarlos, reducir cambios en el proyecto, aumentar la productividad durante la etapa de construcción y reducir los costos.
Dada su naturaleza colaborativa, la aplicación de BIM en un entorno determinado debe sujetarse a un marco normativo. A este respecto, el Instituto Británico de Estandarización (British Standards Institution, BSI) realizó la contribución más significativa a nivel internacional para la estandarización de los procesos de creación, distribución y gestión de la información en el contexto de BIM mediante la serie de normas BS/PAS 1192, que han servido como base para el desarrollo gradual de su propio reemplazo global con la serie ISO 19650 [4]. En nuestro país, la estrategia de la SHCP para la implementación de BIM refiere que los gobiernos de México y el Reino Unido elaboraron coordinadamente un memorándum de entendimiento para “promover el intercambio de información y mejores prácticas sobre las estrategias para la implementación de BIM” [3]. El documento también señala su incorporación dentro del marco normativo en materia de contrataciones públicas para proyectos de infraestructura como una de las estrategias.
En los siguientes párrafos se complementan los aspectos generales de este modelo mediante la descripción de algunas de sus principales características y elementos relevantes.
2.1 Dimensiones
Tradicionalmente, los modelos utilizados en el diseño y construcción de edificaciones y activos de infraestructura se restringen a la vertiente geométrica y gráfica, representada en dos y tres dimensiones. Hasta la década de los ochenta del siglo pasado, estos modelos se crearon mediante la aplicación manual de técnicas de dibujo, sin embargo, con el advenimiento de aplicaciones CAD (siglas en inglés de diseño asistido por computadora) para computadoras de escritorio, el uso de herramientas de tecnología de la información se convirtió gradualmente en una práctica común.
Dado su carácter holístico, la metodología BIM aborda de manera integral otros componentes de la información de los proyectos a través de “dimensiones” adicionales a las de los modelos geométricos. Entre estas, se reconocen en forma generalizada las siguientes: i) Tiempos de ejecución y secuencia de actividades (4D), utilizados en la preparación de los programas de trabajo: ii) Costos de mano de obra, materiales, equipos, etc. (5D); iii) Sustentabilidad del activo construido (6D), evaluada a partir de comparaciones del consumo de energía con respecto a una línea de base; iv) Gestión del activo durante el ciclo de vida (7D), que comprende la planeación y programación de las actividades de mantenimiento durante la fase de operación [5]. La dimensión 7D cobra especial relevancia en el caso de la infraestructura vial y, en varios sentidos, debe homologarse con los procesos de gestión de carreteras de las organizaciones operadoras. Por otro lado, actualmente existe una amplia discusión sobre tres dimensiones adicionales: consideraciones sobre la seguridad de la obra durante el diseño y la construcción (8D), construcción optimizada o sin desperdicios (lean construction, 9D) e industrialización de la construcción (10D). Esta última dimensión integra los diversos aspectos de la digitalización de proyectos con miras a trasladar al ámbito de la construcción los avances de la industria manufacturera en términos de productividad.
2.2 Niveles de madurez
Para establecer el grado de asimilación y aplicación efectiva de la metodología BIM por parte de una organización, se recurre a los llamados niveles de madurez. Las normas PAS 1192 definen cuatro de estos niveles (Figura 1), vinculados al alcance de la colaboración entre los participantes en el proyecto [6]: Nivel 0 o de baja colaboración, en el cual la información se produce y comparte a través de documentos impresos (incluyendo planos CAD), lo que en realidad restringe el trabajo colaborativo; Nivel 1 o de colaboración parcial, que implica la transición de CAD a modelos digitales 2D y 3D y el establecimiento de un entorno común de datos (CDE por sus siglas en inglés) para el intercambio de información, limitado en este nivel a cada equipo de trabajo del proyecto; Nivel 2 o de colaboración total, caracterizado por la ampliación de la cobertura del intercambio de información a los diferentes equipos de trabajo, que se enfocan en la actualización progresiva de las partes del proyecto que les competen, incluyendo lo referente a las dimensiones 4D y 5D, mediante un uso generalizado del CDE; Nivel 3 o de integración total, correspondiente a una visión de futuro que persigue la integración completa de la información mediante un entorno residente en la nube.
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Archivos y bibliotecas
Datos transaccionales, interoperables
Servicios web integrados (Portal
CDE: Entorno común de datos
2.3 Interoperabilidad de los datos
Durante la fase de suministro de los proyectos, que comprende las etapas de planeación, diseño y construcción, es común que equipos de trabajo especializados en diferentes disciplinas (estructuras, geotecnia, etc.) produzcan sus propios modelos. La aplicación de BIM supone la combinación de estos modelos individuales en un modelo integrado [1], cuya creación debe ajustarse a especificaciones para el intercambio de información, compatibilidad e interoperabilidad de los formatos de archivo debidamente documentadas en el plan de ejecución de BIM del proyecto. Con el modelo integrado se busca garantizar la coordinación interdisciplinaria mediante el uso de formatos de archivo compatibles para el intercambio de datos geométricos y de los demás tipos.
La interoperabilidad de los datos se fundamenta en el uso de estándares de intercambio independientes de las aplicaciones empleadas en la construcción de cada modelo individual. En esta línea, la organización buildingSMART promueve desde hace más de dos décadas la utilización de un modelo universal de intercambio orientado a objetos, conocido como IFC por las siglas de Industry Foundation Classes. A fin de acelerar la aplicación de BIM en el dominio de la infraestructura vial, buildingSMART desarrolla actualmente el proyecto IFCroad, encaminado a producir variantes del modelo global apropiadas para las carreteras. Según esta organización, IFCroad tiene actualmente la categoría de estándar candidato, luego de haber producido un modelo conceptual y, actualmente, el proyecto se encuentra en la fase de pruebas e implementación de software [7].
2.4 Gemelos digitales
Esencialmente, un gemelo digital se refiere a una representación virtual de activos, procesos o sistemas completos creada con el propósito de visualizar el comportamiento de cualquiera de las entidades anteriores bajo una gran diversidad de condiciones de interés, lo que puede contribuir a mejorar la toma de decisiones y a optimizar los procesos organizacionales [8]
Según lo mencionado en la sección 1, las aplicaciones actuales de BIM se concentran principalmente en la fase de suministro de proyectos verticales. En este ámbito, por lo regular, los gemelos digitales se construyen a partir de modelos 3D (basados en toda la información geométrica y no geométrica relevante) que permiten simular el comportamiento del activo
Figura 1. Niveles de madurez de BIM según PAS 1192 (adaptada de [6]).
2D, 3D
(Soluciones puntuales)
en su conjunto o partes de él. Sin embargo, como se explica en el inciso 4.3, este modelo no resulta adecuado para representar los procesos vinculados a la infraestructura vial a nivel de red durante la fase de operación.
2.5 Nivel de definición del modelo (LOMD)
De acuerdo con NBS, que cita también las normas PAS 1192, la información de un proyecto y de un activo es una “combinación de datos gráficos, no gráficos y documentos relacionados con una edificación o un proyecto de construcción, todos ellos almacenados y gestionados en un entorno común de datos (CDE)” [9]. Como ha quedado esbozado en el inciso 2.2, el CDE es un repositorio central donde se almacena la información de un proyecto, a fin de proporcionar una fuente de datos única para favorecer la colaboración entre los involucrados, reducir los errores y evitar duplicidades.
NBS también describe el nivel de definición del modelo (“Level of Model Definition”, LOMD) como la combinación del nivel de detalle gráfico (“Level of Graphical Detail”, LOD) y el nivel de detalle no gráfico o nivel de información (“Level of Information”, LOI), necesarios en diferentes etapas del proyecto. La información gráfica puede ser 2D o 3D, pero, en cualquier caso, proporciona referencias visuales de posición y contexto de los diferentes componentes del proyecto e ilustra las relaciones entre ellos. Los datos no gráficos abarcan un amplio abanico de propiedades de los mismos componentes (dimensiones, tipos de material, propiedades mecánicas, etc.) que se vinculan al modelo para facilitar los procesos de búsqueda, recuperación y análisis.
Naturalmente, conforme se avanza en el desarrollo de los proyectos se incrementan
los requerimientos de LOD y LOI. Así, por ejemplo, el proyecto de una carretera que se inicia con el proceso de selección de ruta, debe eventualmente producir un conjunto de secciones longitudinales claramente diferenciadas en términos de sus atributos de alineamiento horizontal, alineamiento vertical y secciones transversales, que podrán representarse gráficamente con un nivel de detalle y una variedad de vistas cada vez mayores.
2.6 Beneficios
La experiencia mundial muestra que el uso de BIM en la fase de suministro genera beneficios como mejoras notables en la calidad de los proyectos y las obras terminadas, detección temprana de interferencias entre componentes, reducciones significativas de los riesgos de los proyectos y mayor conformidad con los tiempos de ejecución y los costos estimados. Respecto a la fase de operación, uno de los principales beneficios es la disponibilidad de información y procedimientos sobre el mantenimiento de los activos para las partes interesadas, que pueden gestionar estos elementos en forma conjunta. Considerando la totalidad del ciclo de vida, quizá el beneficio potencial más atractivo de BIM se refiere a la disminución drástica de las pérdidas de información que normalmente ocurren entre las etapas del ciclo (ver Figura 2).
3 PARTICULARIDADES DE LOS
PROYECTOS
DE CARRETERAS
Más allá de su configuración horizontal, las carreteras poseen una serie de particularidades respecto a las obras de edificación que deben tomarse en cuenta cuando se valora la aplicación de BIM. A continuación se examinan algunas.
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deseado
3.1 Activos viales
La infraestructura vial está compuesta por distintas clases de activos: pavimentos, puentes, estructuras de drenaje, señalamiento, dispositivos de seguridad, obras de tierra, etc. En muchos casos, el suministro de una clase determinada de activo supone el desarrollo de un proyecto específico, mientras que en otros, y dependiendo del nivel de detalle, el activo puede definirse a partir de un elemento de catálogo prefabricado o que se construye en sitio a partir de especificaciones preexistentes (barreras de seguridad, gaviones, obras menores de drenaje, etc.) De cualquier forma, todo proyecto de carreteras debe asegurar que el conjunto de activos viales se mantenga debidamente armonizado. Como se indicó al inicio de este documento, en lo relativo a la aplicación de BIM, algunos activos como los puentes o túneles pueden recibir un tratamiento similar al de los proyectos verticales de edificación, ya que, frecuentemente, su emplazamiento se limita a un sitio más o menos restringido. Sin embargo, lo anterior no es aplicable para el principal activo de la infraestructura vial, es decir, los pavimentos. En este caso, como también se ha mencionado, el tamaño del proyecto en la dirección longitudinal excede siempre por mucho al ancho de la carretera o a la profundidad de las capas, lo que obliga a tomar en cuenta dos aspectos fundamentales: por un lado, la necesidad de abordar los distintos componentes del diseño (geométrico, estructural, del drenaje, del señalamiento, etc.) a partir de la definición de cierto número (que puede ser muy importante) de segmentos homogéneos, esto es, unidades longitudinales de análisis que comparten características del medio físico o solicitaciones (orografía, escurrimientos, humedad, temperatura o demanda estimada). Evidentemente, los proyectos de puentes o túneles largos también ameritarían este tipo de segmentaciones. Por otro lado, dado el tamaño del proyecto en la
Figura 2. Pérdidas de información durante el ciclo de vida de un activo.
pérdida de datos
dirección longitudinal, las herramientas utilizadas en los diferentes aspectos del diseño de detalle pueden resultar imprácticas para la visualización y el análisis del proyecto en su conjunto, y hacer necesario el uso de herramientas adicionales, como los Sistemas de Información Geográfica (SIG).
3.2 Niveles de proyecto y de red
Las organizaciones responsables de la prestación de servicios de uso de carreteras para el transporte de pasajeros y carga en vehículos automotores, entre las cuales figuran principalmente entidades públicas, pero también empresas privadas, deben abordar la gestión de estos activos de infraestructura en los niveles de proyecto y de red. El nivel de proyecto comprende, en una primera fase, los procesos de suministro (anteproyecto, proyecto ejecutivo, licitación y ejecución de las obras) de tramos individuales nuevos o que han sido objeto de trabajos de rehabilitación o modernización.
Cuando los tramos se abren al tránsito, se inicia una segunda fase de operación, en la que las organizaciones se encargan de prestar los servicios referidos. Esto implica un seguimiento continuo de parámetros relacionados con el estado físico de los tramos y sus condiciones de operación, a fin de detectar cualesquier desviaciones de los niveles de desempeño reales con respecto a los considerados en el diseño y esperados por los usuarios. En esta fase se considera también la ejecución de los trabajos de mantenimiento rutinario y preventivo, de acuerdo con un régimen que, idealmente, formaría parte de las especificaciones del proyecto. En nivel de red también se abordan ambas fases, pero con tratamientos claramente distintos. Así, en este nivel, la fase
de suministro se enfoca principalmente en el seguimiento de los proyectos que conforman las carteras anuales y plurianuales vigentes. Se trata de una actividad esencialmente administrativa que tiene como propósito llevar a la práctica los proyectos, verificar que esto ocurra de acuerdo con los programas relacionados y, de ser necesario, aplicar medidas correctivas. En cuanto a la fase de operación, normalmente resultan de interés para las organizaciones procesos como: i) Evaluar el desempeño de la red en función de medidas vinculadas con atributos del servicio diversos como contribución a la movilidad, seguridad vial, sustentabilidad y estado físico; ii) Identificar las intervenciones necesarias en el mediano y largo plazos (junto con sus costos) para alcanzar o mantener determinados niveles de desempeño; iii) Estimar los niveles de desempeño que pueden lograrse en el mediano y largo plazos con diferentes escenarios de disponibilidad presupuestal; iv) Elaborar programas de conservación y modernización plurianuales y anuales en función de los procesos anteriores y de estimaciones de la disponibilidad presupuestal en el corto y mediano plazos.
Adicionalmente, cabe destacar que en el nivel de proyecto se utiliza información muy detallada y variada, a fin de reflejar fielmente en la obra terminada los requisitos físicos y funcionales especificados para los activos. Sin embargo, los procesos del nivel de red requieren normalmente datos de menor detalle y variedad, por lo que el empleo de información de proyecto en estos procesos no les confiere valor adicional. También debe advertirse que, debido a restricciones presupuestales y logísticas, resulta imposible llevar a cabo en un ejercicio fiscal determinado la totalidad de las intervenciones necesarias
para que el conjunto de los activos de una red alcance los niveles de desempeño deseados. Esto genera la necesidad de priorizar y optimizar los programas de obra a partir de criterios como la importancia socioeconómica de los tramos, el nivel de tránsito, la rentabilidad de las intervenciones o los niveles de riesgo que implica la posible falla de los activos. Igualmente, pueden aplicarse criterios basados en la contribución marginal de las intervenciones a la mejora de los indicadores ligados a los atributos del servicio, es decir, seguridad vial, movilidad, sustentabilidad, etc.
3.3 Ciclo de vida de las carreteras
Como cualquier producto de proyectos de ingeniería y arquitectura, los activos viales transitan por un ciclo de vida que comienza con una descripción general y análisis de factibilidad del proyecto, y concluye con la baja del servicio del activo, lo cual, en el caso de los principales componentes de las carreteras, marca más bien el inicio de un proyecto de reconstrucción o modernización. En la Figura 3 se muestra una versión modificada del ciclo de vida de los activos viales propuesta por la agencia de transporte de Escocia
identificación y factibilidad
del servicio operación, conservación y mejora: ciclo de deterioro/conservación
construcción
programación y proyecto
).
Figura 3. Ciclo de vida de la infraestructura vial (adaptada de [10]
(Transport Scotland), que aparece en su plan de gestión de activos 2007-2009 para las carreteras troncales de ese país.
Con referencia a la Figura 3, y según lo expresado en el inciso anterior, las etapas de identificación y factibilidad del primer bloque, así como la de programación del segundo, serían productos del análisis a nivel de red en el ciclo previo. Asimismo, la fase de suministro del nuevo ciclo quedaría integrada con la etapa de proyecto del segundo bloque (que a su vez puede dividirse en anteproyecto, proyecto ejecutivo, etc.), y la de construcción (que incluye la licitación de la obra y el proceso de entrega/recepción).
La frontera entre las fases de suministro y operación del proyecto se ubica entre los bloques de construcción y operación/conservación, y pone de manifiesto una característica peculiar de los proyectos de infraestructura vial: la ocurrencia de un ciclo de deterioro/conservación, anidado dentro del ciclo general, que se analiza mediante los procesos a nivel de red para determinar si cada tramo individual es sujeto de un proyecto candidato de conservación o mejora, y si este proyecto se integra a los programas de obra y se le asignan recursos.
Cuando los proyectos implican obras mayores de reconstrucción o modernización, podría asumirse que ocurre una salida de este ciclo secundario para dar lugar a una nueva instancia del ciclo principal. Los proyectos que comprenden únicamente obras de mantenimiento correctivo o rehabilitación podrían quedar en el ciclo secundario, que también abarcaría los trabajos de mantenimiento rutinario y preventivo.
4 APLICACIÓN EN CARRETERAS
Como quedó asentado en el documento de la SHCP sobre la implementación de BIM, esta metodología se sustenta en el trabajo colaborativo para la producción, intercambio y gestión de la información de los proyectos durante su ciclo de vida. Las especificidades de los proyectos de carreteras examinadas en la sección precedente y, en particular, la representada por el hecho de que la fase de operación de la infraestructura vial comprende análisis no solo a nivel de proyectos individuales, sino también a nivel de red, confieren también otras características especiales a la aplicación de BIM en este contexto. En los siguientes incisos se exploran algunas.
4.1 Relaciones entre BIM y gestión de infraestructura
Los procesos de suministro, operación, conservación y mejora de infraestructura vial se engloban en un área de trabajo institucional
que representa la principal función de las organizaciones de carreteras, esto es, la gestión de las redes a su cargo. Por otro lado, las bases conceptuales de gestión más avanzadas disponibles actualmente corresponden al marco de gestión de activos y, como se muestra en los siguientes párrafos, un desarrollo institucional maduro a este respecto puede facilitar de manera considerable la implementación de BIM.
Por lo general, se acepta que las organizaciones que optan por el marco de gestión de activos cuentan con los elementos de política y estrategia ilustrados en la parte izquierda de la Figura 4 [11] (gestión de activos), tienen planes que abarcan el ciclo de vida de los activos y procuran la implementación de herramientas de tecnología de la información apropiadas para dar soporte a los procesos de gestión. Con ello, las organizaciones estarán en condiciones de activar los flujos de datos necesarios para alimentar los procesos de BIM cuyas salidas se muestran en la parte derecha de la misma Figura 4 (BIM). Cabe mencionar que, aunque estas salidas corresponden a elementos definidos en las normas PAS 1192, la información que contienen se retoma en el nuevo marco ISO 19650. Por su importancia, es recomendable considerar la recopilación de información similar en los casos en que se decida utilizar algún otro marco normativo.
Los requisitos de información organizacional (OIR por sus siglas en inglés) describen, en términos llanos, la información que una organización necesita para llevar a cabo, entre otras funciones institucionales, aquellas de gestión de activos, [12]
De acuerdo con la misma Figura 4, los requisitos de información para el activo (AIR) se generan con base en los OIR y definen los requisitos de información de la organización con respecto a un activo o conjunto de activos específicos. A su vez, estos requisitos se utilizan en la definición del modelo de información del activo (AIM), entidad que representa la fuente única de información sobre uno o varios activos, con un nivel de detalle apropiado para su uso en los procesos de gestión de activos de la organización. A este respecto, cabe hacer notar que, en el caso de la infraestructura vial, se requieren modelos adecuados para los análisis a nivel de proyecto y de red,
Los AIR constituyen también la base para la preparación de los requisitos de información del empleador (EIR) con miras al desarrollo de nuevos proyectos. Los EIR contienen, probablemente, la especificación más importante para el desarrollo de proyectos en el contexto de
estrategias y planes de la organización
Políticas, estrategias y planes de la gestión de activos
de activos
Estrategias de información de los activos
Requisitos de información organizacional (OIR)
Requisitos de información para el activo (AIR)
Requisitos de información del empleador (EIR)
Modelo de información del proyecto (PIM) genera informa especifica
de suministro
).
Figura 4. Relación entre datos de gestión de activos y BIM (adaptada de [11]
Ciclo de vida del activo
Modelo de información del activo (AIM)
Gestión
Políticas,
BIM, ya que describen la información que debe ser entregada por las partes involucradas en el desarrollo del proyecto (proyectistas, constructores, asesores, etc.), así como las normas que regirán el intercambio de información durante el desarrollo del proyecto. De esta manera, los EIR definen los términos para la creación y gestión del modelo de información del proyecto (PIM), que describe el o los activos que se desarrollan durante las etapas de diseño y construcción. Eventualmente, el PIM se utiliza para actualizar el modelo de información del activo, un proceso que también debe considerar los niveles de detalle de la información necesarios para los análisis a nivel de proyecto y de red.
4.2 Fase de suministro
Al igual que con cualquier proyecto de ingeniería o arquitectura, la aplicación de BIM en esta fase conlleva la generación, distribución y validación de toda la información necesaria para la ejecución de las obras contempladas. Según la magnitud y el tipo de intervención (obra nueva, modernización, rehabilitación, etc.), el proyecto puede abarcar distintos subconjuntos de las clases de activos que componen la infraestructura vial. Por otra parte, el nivel jerárquico de la red (troncal, alimentadora, local), la importancia del proyecto per se y la singularidad del mismo condicionarán de manera importante el nivel de definición del modelo (LOMD) que se utilice. En forma similar a otros activos, los proyectos de carreteras implican el dimensionamiento detallado de los diferentes elementos y su correcta disposición en los sitios de obra, de manera que la componente geométrica del diseño y su representación gráfica mediante los modelos 3D característicos de BIM revisten gran importancia, al grado de que generalmente constituyen la base para la generación del gemelo digital correspondiente a la fase de suministro. Estos modelos 3D se deben complementar con toda la información técnica relevante estructurada en forma adecuada, que comprende aspectos como materiales, especificaciones y procedimientos constructivos. Debe tomarse en cuenta, además, la información relacionada con las dimensiones adicionales de BIM: costos, tiempos de ejecución, aspectos ambientales e, idealmente, programas de conservación. Por último, es menester insistir en que el rasgo esencial de la aplicación de BIM es el trabajo colaborativo, y que este se materializa mediante el intercambio de la información que reside de manera exclusiva en el entorno común de datos o CDE. Así, las
organizaciones interesadas en implementar esta metodología deben promover todas las acciones institucionales, legales, de capacitación y de cualquier otra índole necesarias para asegurar que las tecnologías vinculadas a BIM efectivamente se traduzcan en un entorno colaborativo para el desarrollo de proyectos, y que las organizaciones siempre tengan un acceso irrestricto a la información de los mismos.
4.3 Fase de operación
Los modelos detallados que se crearon en la fase de suministro pueden utilizarse como referencia para el seguimiento de algunos aspectos de la operación de activos individuales, principalmente los que tienen similitudes con las obras de edificación, así como para el diagnóstico y la toma de decisiones ante escenarios de desempeño deficiente enfocados también en activos específicos.
Sin embargo, de acuerdo con lo expresado en el inciso 3.2, una gran parte de los procesos que resultan de interés para las organizaciones durante la fase de operación están definidos en el nivel de red, y normalmente requieren colecciones de datos de una variedad y detalle que pueden ser considerablemente menores a los del nivel de proyecto. Una manera de obtener estas colecciones consiste en agregar la información de nivel de proyecto, lo que, por ejemplo, en el caso de los pavimentos, da lugar a segmentos homogéneos de mayor longitud, cuyo nivel de desempeño con respecto a determinadas medidas puede caracterizarse con descriptores del tipo bueno, regular y malo. En estas condiciones, los modelos 3D y los gemelos digitales del nivel de proyecto generados a partir de información geométrica resultan en general
excesivos para los análisis de nivel de red, dado el uso de información agregada. Tomando en cuenta lo anterior y la referencia obligada al espacio territorial de la infraestructura vial a nivel de red, actualmente se considera que los sistemas de información geográfica (SIG) constituyen una plataforma adecuada para la creación de modelos del comportamiento de las carreteras y gemelos digitales a nivel de red. Para determinadas condiciones, en el contexto de un SIG, los segmentos homogéneos de calzada podrían quedar representados gráficamente como líneas, y elementos del tipo de las estructuras de drenaje como puntos. Por supuesto, idealmente, una vista de este tipo debería poder “conectarse” con vistas correspondientes al nivel de proyecto (en caso de que existieran), como parte de las tareas propias de este, como la recuperación de información para el desarrollo de un nuevo proyecto.
En cualquier caso, este intercambio solo será posible si se contempla de origen en la preparación de los requisitos y modelos representados en la Figura 4
4.4 Consideraciones sobre interoperabilidad de datos
Como complemento de lo que se mencionó en el inciso 2.3, es necesario subrayar que la correcta aplicación de BIM para el ciclo de vida completo de las carreteras obliga también a garantizar la interoperabilidad de los datos entre las aplicaciones de las fases de suministro y operación.
Con respecto a las aplicaciones de la segunda fase, y a manera de ejemplo, durante los últimos quince años el sistema HDM-4 de la Asociación Mundial de la Carretera (PIARC) se ha posicionado como una de
las herramientas más utilizadas en la formulación de programas de conservación de pavimentos. Sin embargo, se trata de un producto cuya última actualización mayor data del año 2005, por lo que su uso por parte de una organización madura en lo que respecta a BIM obligaría a desarrollar herramientas adicionales para el intercambio de datos. Actualmente, el Banco Mundial trabaja en una versión actualizada del HDM-4 que podría estar disponible en el mediano plazo. Si, como se afirma con frecuencia, el uso generalizado de BIM en la industria de la construcción es una tendencia irreversible, quizá iniciativas como la actualización del HDM-4 debieran contemplar la interoperabilidad de los correspondientes desarrollos en un entorno de BIM.
5 CONCLUSIONES
Las principales conclusiones de este trabajo se resumen en los siguientes puntos:
El uso de BIM puede generar importantes beneficios en el desarrollo y operación de proyectos, principalmente en lo relativo al apego a presupuestos y tiempos de ejecución estimados, identificación temprana de anomalías y reducción de pérdidas de información entre las etapas del ciclo de vida. Existen dos aspectos fundamentales que deben tomarse en cuenta al considerar la aplicación de BIM en proyectos de infraestructura vial: por una parte, su carácter horizontal debido al tamaño considerablemente mayor de la dimensión longitudinal con respecto a las otras dos dimensiones y, por otra, el predominio de los análisis a nivel de red en la fase de operación.
La madurez de las organizaciones de carreteras en lo que respecta a la implementación del marco de gestión de activos puede facilitar en forma notable la implementación de BIM. En términos generales, la fase de suministro del ciclo de vida de los proyectos de infraestructura vial se caracteriza por el uso de información muy detallada que se procesa y representa mediante modelos 3D. En contraste, en la fase de operación, resulta más conveniente utilizar una plataforma tecnológica con cobertura territorial, como la de los sistemas de información geográfica, dado que, en esta fase, la información tiene un nivel de detalle considerablemente menor por la naturaleza de las herramientas de análisis características de la misma.
6 REFERENCIAS
[1] MBIE, «The New Zealand BIM Handbook: A Guide to Enabling BIM on Built Assets,» Ministry of Business, Employment and Innovation (MBIE), 2019.
[2] Autodesk, «What is BIM - Building Information Modeling,» 2022. https://www.autodesk.com/industry/aec/bim.
[3] SHCP, Estrategia para la implementación del modelado de información de la construcción (MIC) en México, Secretaría de Hacienda y Crédito Público (SHCP), 2019.
[4] REBIM, «Will ISO 19650 replace BS 1192?,» 2019. https://rebim.io/goodbye-bs1192-hello-iso19650/.
[8] Royal HaskoningDHV, «Digital twins: where physical meets digital,» Royal HaskoningDHV, s.f. https://www.royalhaskoningdhv.com/en/challenges/digital-transformation/digital-twins.
[10] Transport Scotland, Road Asset Management Plan for Scottish Trunk Roads: April 2007 – March 2009, Edimburgo: The Scottish Government, 2007.
[11] I. Miskimmin, Plain Language BIM: Experiences and Lessons Learned from the BIM Advancement Academy, Exton, Pennsylvania: Bentley Institute Press, 2017.
Durante la evaluación de características de seguridad de la superficie de rodadura, los niveles óptimos de fricción y macrotextura son algunas de las preocupaciones fundamentales en los procesos de gestión de pavimentos. Con el objetivo de comparar el desempeño e identificar la naturaleza de la relación entre ambos parámetros, este trabajo analizó datos de fricción (CF) y macrotextura (PMTE, mm), evaluados con equipo de alto desempeño, en cuatro casos de superficies de rodadura nueva; carpeta asfáltica superficial altamente adherida (CASAA), Stone Mastic Asphalt (SMA), riego de sello premezclado (RSP) y carpeta asfáltica de granulometría densa (CAGD), existentes en seis segmentos carreteros en una misma región de México. Se analizaron 440 secciones de 200 m cada una.
En el análisis de cada indicador bajo criterios de la normativa mexicana, los segmentos con capa de rodadura tipo CASAA y RSP mostraron el mejor desempeño. El análisis de regresión lineal simple PMTE vs. CF, incluyendo todas las secciones, mostró una relación negativa y de efecto prácticamente nulo. El análisis por tipo de superficie de rodadura sólo fue positivo y de pequeño efecto en un caso de RSP cuando los valores de PMTE fueron mayores a 2 mm. Los resultados podrían orientar la toma de decisiones en procesos de gestión de pavimentos respecto al empleo de capas de rodadura.
1 INTRODUCCIÓN
La seguridad al conducir en carretera se relaciona con distintos factores, entre los que pueden incluirse el vehículo, el factor humano, condiciones ambientales y el propio estado de la superficie del pavimento.
Desde esta última perspectiva, se sabe que la correcta interacción neumático-superficie de rodamiento está altamente determinada por la fricción del pavimento, es decir, la fuerza que resiste el movimiento relativo entre el neumático de un vehículo y una superficie de pavimento. Este aspecto se evalúa mediante un coeficiente de fricción (CF) adimensional que se define como la fuerza que resiste el movimiento dividido por la carga vertical [1]
La fricción del pavimento en condiciones secas es generalmente alta, pero la presencia de una película de agua incluso muy delgada reduce drásticamente el CF. Por lo anterior, la fricción en los pavimentos se evalúa en condiciones de superficie húmeda. Entre otros factores, la fricción depende de condiciones ambientales, características del neumático, parámetros operativos del vehículo, así como de las características de la superficie del pavimento, entre las cuales, la textura superficial que se refiere a las irregularidades de la superficie del pavimento respecto a una superficie plana verdadera es el parámetro más importante [2]
PIARC establece tres niveles de textura: micro, macro y megatextura, de los cuales, los dos primeros niveles definen la fricción. La microtextura se refiere a la que tiene longitudes de onda menores a 0.5 mm, y corresponde particularmente a la textura superficial de los agregados, mientras que la macrotextura considera longitudes de onda entre 0.5 y 50 mm, y depende de las propiedades de la mezcla, principalmente la forma, tamaño y proporción de agregados y la ubicación de estos en relación con la superficie del pavimento [1]
El efecto de la textura en la fricción se entiende a partir de dos fenómenos: adherencia e histéresis. La primera depende de la microtextura y resulta de la unión a pequeña escala del caucho del neumático del vehículo y los agregados, es una función de la resistencia al corte de la interfase y del área de contacto, su efecto en la fricción es mayor a bajas velocidades, en superficies húmedas o secas y de textura suave [3]
Por otra parte, la histéresis depende de la macrotextura y resulta de la perdida de energía del caucho del neumático cuando se desgasta sobre y alrededor de los agregados. Ésta tiene un efecto mayor
a velocidades altas y en superficies húmedas y de textura rugosa [3]. La histéresis aumenta exponencialmente con la velocidad y a velocidades superiores a 105 km/h, puede representar más del 95 por ciento de la fricción [1]. Adicionalmente, la macrotextura reviste gran importancia porque, a velocidades altas, facilita el drenaje del agua permitiendo restablecer condiciones de adherencia [1], lo cual contribuye a reducir el acuaplaneo, que ocurre a altas velocidades cuando la película de agua que cubre la superficie del pavimento supera los 0.5 mm. Este fenómeno es peligroso, pues hace que el conductor pierda el control del vehículo y puede sufrir un accidente de tránsito [4].
Desde la gestión de pavimentos, los niveles de fricción y macrotextura son preocupaciones fundamentales en la evaluación de características de seguridad de la superficie de rodadura. En este sentido, entender la forma en que los dos parámetros se relacionan y desempeñan en diversos tipos de capa de rodadura comunes, permite ampliar la comprensión de su naturaleza.
En general, se ha reportado que la relación macrotextura-fricción puede ser positiva [3], es decir, a mayor macrotextura, mayor fricción. Sin embargo, esta relación también depende de otros factores como la velocidad [2] y el sentido de la relación puede variar según las características del pavimento en diferentes escenarios [5]
Un estudio en superficies de carpeta asfáltica [6] analizó secciones de control en carreteras de Louisiana, y halló que la influencia de la macrotextura sobre la fricción era más fuerte (R2=0.38) a velocidades altas (>70 km/h) en contraste con velocidades bajas (R2=0.15), y el sentido de la relación resultaba tanto positivo como negativo.
En esta línea, se identificó [7] que la correlación entre fricción, reportada a partir de skid number (SN40R), y macrotextura, reportada mediante Mean Profile Depth (MPD), en cinco superficies de rodadura asfálticas con menos de cinco años, en Nueva Jersey, resultaba positiva para valores de MPD inferiores a 0.75 mm, hasta alcanzar un valor máximo de SN40R en MPD=0.8; luego, la correlación era negativa a medida que aumentaba el MPD hasta que este era cercano a 1.1 mm.
En [5], se evaluaron superficies de rodadura de carpeta asfáltica en Texas, tanto el efecto de la micro como de la macrotextura. Los resultados mostraron que no existía una relación única textura-fricción. En el análisis relativo a macrotextura, cuando los datos se evaluaron en conjunto, la relación fue negativa y de efecto muy pobre (R2=0.05), sin embargo, cuando los datos se evaluaron en subgrupos con iguales características de mezcla asfáltica, las relaciones fueron todas positivas y mejoraron ampliamente su efecto (R2=0.39-0.64).
En este mismo contexto, evaluaciones en secciones de carreteras de Croacia [8] contrastaron coeficiente de fricción longitudinal y MPD antes y después de tratamientos de conservación, y el análisis de los datos conjuntos mostró una relación positiva pero débil; al separarlos, los datos antes del tratamiento mostraron una relación negativa y moderada, mientras que, después del tratamiento, mostraron una relación positiva pero muy débil.
Trabajos como los referidos han ampliado el conocimiento sobre la relación macrotextura-fricción bajo consideraciones específicas, sin embargo, considerando las limitaciones en cada caso, señalan la pertinencia de considerar otros casos de estudio, lo que,
de hecho, es una necesidad latente, en especial cuando los hallazgos posibilitan orientar decisiones en los procesos de gestión de pavimentos y comprender la naturaleza de parámetros que influyen en la seguridad vial.
Por lo anterior, a fin de comparar los indicadores referidos e identificar la naturaleza de la relación entre ambos, este trabajo analiza datos de fricción (CF) y macrotextura (PMTE, mm) obtenidos mediante equipos de alto desempeño, en cuatro tipos de superficies de rodadura nuevas, en seis casos de segmentos carreteros de México.
2 METODOLOGÍA
2.1 Segmentos carreteros de estudio
El análisis considera datos de macrotextura y fricción de seis segmentos carreteros cuya superficie corresponde a alguna capa de rodadura de tipo CASAA, SMA, RSP o CAGD.
Los segmentos son de longitud variable y corresponden a autopistas en una misma región de México. Los datos analizados correspondieron a valores promedio de macrotextura, expresada mediante PMTE (mm), y fricción, expresada mediante CF, medidos en el carril de baja, en secciones consecutivas de 200 metros. A lo largo de toda su longitud, cada segmento presentaba condiciones homogéneas de capas de rodadura y de condiciones superficiales durante la evaluación de los parámetros. Todos los segmentos presentaban de uno a tres meses de apertura al tránsito durante la evaluación de los parámetros. La medición de los parámetros en campo se realizó entre 2021 y 2023. La Tabla 1 muestra un resumen de los segmentos.
Tabla 1. Relación de segmentos de análisis.
2.2 Medición y evaluación de parámetros en las superficies de rodadura
2.2.1 Medición y evaluación de la fricción
La medición y evaluación de la fricción se llevó bajo lineamientos de la norma SICT aplicable [9], que también establece los criterios para la clasificación de la condición superficial del pavimento, en función de los valores de CF obtenidos en cada sección (Tabla 2).
La medición del CF se realizó con equipo de alto rendimiento, verificado, del tipo rueda oblicua (Mu Meter), según la norma SICT aplicable [10]
Tabla 2. Clasificación de condición superficial de la superficie de rodadura en función del CF.
Condición de la superficie
Autopistas, corredores carreteros, red básica libre y red secundaria
No satisfactorio (pulido) 0 a 0.40
Aceptable 0.41 a 0.60
Bueno
0.61 a 0.90
No satisfactorio (áspero) > 0.90
2.2.2 Medición y evaluación de la macrotextura
: [9]
La medición y evaluación de la macrotextura se llevó bajo los lineamientos de la norma SICT aplicable [11], que establece los criterios para la clasificación de la condición superficial del pavimento en función de los valores promedio de PMTE obtenidos en cada sección (Tabla 3). Para la clasificación de las secciones de análisis, se consideró la categoría autopistas de cuota.
La medición de la PMTE se hizo con equipo de alto rendimiento, verificado, del tipo perfilómetro inercial láser, según la norma SICT aplicable [12]
Tabla 3. Clasificación de condición superficial de la superficie de rodadura en función de la PMTE.
Condición superficial
Rango de valores PMTE (mm)
Autopistas de cuota y corredores carreteros Red básica libre y red secundaria
Fuente: [11]
Fuente
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2.3 Análisis de los datos
Con los datos de CF y la PMTE se realizó análisis gráfico y estadística descriptiva. Para analizar la relación PMTE-CF e identificar el efecto del primero sobre el segundo indicador, se hizo regresión lineal múltiple, considerando tanto la totalidad de secciones como subgrupos por cada segmento.
3 RESULTADOS
3.1 Desempeño de la fricción y macrotextura en las superficies de rodadura
Al comparar los resultados de CF en los segmentos evaluados (Figura 1), la mayoría se desempeñó en una categoría aceptable. Los segmentos 2, 3, 4 y 5 reportaron valores cercanos al umbral mínimo aceptable, el segmento 6 se desempeñó en rango pulido-no satisfactorio (N.S.) y el segmento 1_CASAA de mejor desempeño presentó valor promedio al centro del intervalo aceptable.
En la Figura 2 se observa que el segmento 6_CAGD presentó el mayor porcentaje de secciones con CF no satisfactoria por su condición pulida. Por su parte, 2_SMA y 4_RSP presentaron alrededor del 50% de secciones pulidas y el otro 50% aceptable. Sólo 1_CASAA, 3_SMA Y 5_RSP, presentaron un 100% de secciones con clasificación aceptable, de las cuales 1_CASAA obtuvo el mejor desempeño de CF, pero sin llegar a ser bueno.
Únicamente 4_RSP presentó un porcentaje mínimo de secciones con clasificación buena, y las superficies 3_SMA y 5_RSP presentaron ligeramente mejores condiciones respecto a sus homólogos 2_SMA y 4_RSP.
Como antecedente, vale la pena señalar que en todos los segmentos evaluados, las distintas mezclas emplearon materiales pétreos de los mismos bancos, por lo que esta condición sugeriría condiciones similares de microtextura en los diferentes tipos de capa de rodadura. Dicho antecedente, sumado a otras condiciones homogéneas en la evaluación de fricción, como velocidad, equipo de medición y temporada de evaluación, indiciaría otras variables que influirían en la variabilidad de CF en segmentos con el mismo tipo de capa de rodadura.
Figura 1. Desempeño del CF por cada tipo de superficie de rodadura.
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Al respecto, es probable que la diferencia, incluso mínima, de meses de puesta en operación y la variación de ESALS registrada en cada caso influyeran en las variaciones de resultados en segmentos con el mismo tipo de capa de rodadura. Otras variables podrían incluir controles de calidad diferenciados tanto en procesos constructivos como en calidad de mezclas y materiales.
Sobre el desempeño, en general aceptable, de la mayoría de las capas, debe tenerse en cuenta que las mediciones se realizaron en promedio a dos meses de su puesta en operación, por lo que puede asumirse que los valores máximos y estables de CF aún no se habían alcanzado.
de la superficie
Figura 2. Porcentaje de secciones por estado de la superficie de rodadura según el CF.
Respecto a la macrotextura evaluada, la Figura 3 compara el desempeño de la PMTE (mm) en los segmentos, y la Figura 4 mejora la escala de visualización para los segmentos 1, 2, 3 y 6. De acuerdo con las figuras, sólo los 4 y 5 mostraron un buen desempeño, de los cuales el 4_RSP fue el de mejor valor promedio. El desempeño de los segmentos 1 y 2 alternó entre los intervalos regular y bueno, pero sin que en este último superara un promedio de 1.1 mm. Los segmentos 3 y 6 mostraron desempeño en el intervalo malo
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Figura 3. Desempeño de la PMTE por cada tipo de superficie de rodadura.
La Figura 5 muestra que el segmento 6_CAGD presentó la totalidad de secciones con PMTE mala, seguida de la superficie 3_SMA, que presentó más del 90% de secciones en la misma categoría. Los segmentos 4_RSP y 5_RSP mostraron la totalidad de secciones con PMTE buena, seguidas de 1_CASAA y 2_SMA, que también reportaron más del 50% de secciones en la misma categoría.
En el análisis se observó que, entre 2_SMA y 3_SMA, los resultaron eran opuestos, y entre 4_RSP y 5_RSP, los resultados eran buenos, pero con diferencias en los promedios generales de PMTE, de 3.82 mm y 1.74 mm, respectivamente. Los hallazgos muestran que, en los casos de estudio, segmentos con un mismo tipo de capa de rodadura pueden contrastar ampliamente en los resultados de PMTE. Otras variables no consideradas también pudieron influir altamente en las diferencias identificadas, tal es el caso del TDPA y tiempo de apertura al tránsito, además de las que corresponden a los procedimientos constructivos y controles de calidad.
3.2 Análisis de la relación macrotextura-fricción
3.2.1 Relación macrotextura-fricción en la totalidad de secciones
La Figura 6 presenta la regresión lineal simple entre macrotextura (PMTE) y fricción (CF), considerando la totalidad de secciones (440), sin considerar diferencias por tipo de superficie de rodadura. El resultado sugiere una relación negativa, pero de efecto (R2) prácticamente nulo.
Figura 4. Desempeño de la PMTE en superficie de rodadura 1, 2, 3 y 6.
Figura 5. Porcentaje de secciones por estado de la superficie de rodadura según PMTE.
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Mediante estadística descriptiva, se identificó que en el 23% de todas las secciones la PMTE era mala (PMTE< 0.75 mm), y de estas, el 54.5% eran secciones con CF no satisfactorio (CF< 0.41). Además, en 58.41% de todas las secciones la PMTE era buena (PMTE> 0.90 mm) y de estas, al menos el 87.5% eran secciones con CF aceptable (CF= 0.41-0.60).
La Figura 6 muestra picos de valores de CF en el intervalo de PMTE de 0.75 a 1 mm, y después, los valores de CF disminuyen a medida que incrementa la PMTE, hasta que esta alcanza un valor de 2 mm, a partir de donde la CF se mantiene prácticamente constante hasta el máximo valor de PMTE observado (4.7 mm).
Para profundizar el análisis de la relación PMTE-CF en las secciones, estas se evaluaron en tres grupos separados, para lo cual se consideraron tres categorías que se homologaron con las correspondientes a PMTE. Las gráficas por categoría de secciones se muestran en la Figura 7
Los resultados muestran que, en el grupo de secciones a) PMTE< 0.75 y b) PMTE>0.90mm, la relación PMTE-CF resulta positiva y negativa respectivamente, y de efecto (R2) mediano. En el caso del grupo b) PMTE=0.75-0.90 mm, la relación es positiva, pero de efecto casi nulo.
La relación, sentido y fuerza del efecto observados en cada grupo fue un comportamiento similar al reportado en [7], donde se sugirió que la naturaleza de la relación PMTE-CF observada en dichos casos podría explicarse por el efecto sealed water pool. Este se refiere al efecto del agua atrapada en los valles que conforman la macrotextura de una superficie de rodadura, y que, bajo ciertas condiciones, impide que el neumático penetre en el valle, eliminando la contribución de los agregados en el valle a la fricción [13].
Figura 6. Relación de PMTE y CF considerando 440 secciones totales.
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Figura 7. Relación PMTE-CF en tres categorías de secciones; a) PMTE< 0.75mm, b) PMTE 0.75-0.90 y c) PMTE > 0.90.
De acuerdo con [7], la relación que se observó en casos como el a) y b) de este análisis, se explica por el efecto suave de la macrotextura, por debajo del umbral 0.8 mm, que no implica una disminución del área de contacto entre la superficie de agregados y el neumático y, por lo tanto, la contribución de la macrotextura a CF ocurre de forma normal.
En casos como el c), se sugiere que la relación negativa puede deberse a que el incremento promedio de macrotextura por arriba del umbral regular (0.8 mm) ocasiona un incremento del efecto sealed water pool y, consecuentemente, una disminución del área de contacto entre superficie y neumático. Dicha condición reduce la contribución de la macrotextura a CF, la cual tiende a bajar [7]. Análisis futuros podrían confirmar en casos particulares la influencia del efecto mencionado e identificar valores críticos de PMTE.
Para complementar el análisis de relación PMTE-CF, el siguiente nivel de análisis consideró la diferenciación por segmento particular.
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3.2.2 Relación macrotextura-fricción por segmento
La Figura 8 agrupa las distintas rectas de regresión para cada grupo de secciones asociadas a cada segmento. Se observa que salvo el segmento 4_RSP, donde la relación es positiva y de pequeño efecto, el resto de las relaciones resultaron negativas con efecto variable desde nulo hasta pequeño.
Los segmentos con R2 >0.05 correspondieron a 1_CASAA, 4_RSP y 5_RSP, de los cuales este último fue el mayor (R2=0.124). El segmento 2_SMA mostró la relación con el efecto más deficiente (R2=0.005).
De la regresión lineal por cada segmento, resalta que la relación PMTE-CF que se observa difiere de la identificada en el análisis general según los intervalos de PMTE, así como la observada en [6], donde el análisis de secciones con condiciones homogéneas de superficie de rodadura identificó relaciones positivas y de efecto moderado. Si bien las relaciones identificadas en los casos de este análisis son de un efecto prácticamente nulo, indicando que la PMTE simplemente no explica a CF, es probable que la diferencia con [6] se deba a que, en este último, las evaluaciones de CF se realizaron a velocidades mayores a 72km /h, rangos en los cuales la macrotextura ejerce mayor efecto en la fricción. Para mejorar la comprensión de la relación PMTE-CF, análisis futuros podrían considerar la variable velocidad en la medición de CF e incluso los ESALS asociados al periodo de evaluación.
3 CONCLUSIONES
Del análisis de macrotextura y fricción de 440 secciones distribuidas en seis segmentos carreteros con capas de rodadura de tipo CASAA, SMA, RSP y CAGD, se obtuvieron las siguientes conclusiones:
Bajo criterios de normativa mexicana, las superficies de rodadura 1_CASAA y 5_RSP mostraron el mejor desempeño combinado de CF y PMTE. La superficie 6_CAGD mostró el desempeño combinado más deficiente.
Figura 8. Relación PMTE-CF por segmento.
Al analizar todas las secciones de estudio, la relación PMTE-CF mediante regresión lineal simple fue negativa y de efecto prácticamente nulo. Al agrupar las secciones, la relación fue positiva y de efecto nulo a pequeño para valores de PMTE < 0.9 mm, mientras que fue negativa y de efecto mediano para PMTE > 0.90. El efecto sealed water pool ofrece una explicación a la naturaleza de la relación observada.
En el análisis de secciones por segmento, la mayoría de los casos mostró relación negativa pero, el efecto prácticamente nulo sugiere que PMTE no explica CF en el conjunto de datos analizados.
Los hallazgos en este trabajo deben considerar las limitaciones de la metodología y características particulares de los segmentos de análisis.
4 REFERENCIAS
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[3] Siyu C., Xiyin L., Haoyuan L., Jiangmiao Y., Fuda C., Yang Z., Tao M., Xiaoming H. (2022). A state of the art review of asphalt pavement surface texture and its measurement techniques, Journal of Road Engineering, Volume 2, Issue 2, Pages 156-180, ISSN 2097-0498, doi.org/10.1016/j.jreng.2022.05.003.
[4] Vaiana, R., Capiluppi, G. F., Gallelli, V., Iuele, T., & Minani, V. (2012). Pavement Surface Performances Evolution: an Experimental Application. Procedia - Social and Behavioral Sciences, 53, 1149–1160. doi:10.1016/j.sbspro.2012.09.964.
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[6] Kargah-Ostadi, N., & Howard, A. (2015). Monitoring Pavement Surface Macrotexture and Friction. Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, 2525, 111–117. doi:10.3141/2525-12.
[7] Meegoda, J. N., & Gao, S. (2015). Evaluation of pavement skid resistance using high speed texture measurement. Journal of Traffic and Transportation Engineering (English Edition), 2(6), 382–390. doi:10.1016/j.jtte.2015.09.001.
[8] Pranjić, I., Deluka-Tibljaš, A., Cuculić, M., & Šurdonja, S. (2020). Influence of pavement surface macrotexture on pavement skid resistance. Transportation Research Procedia, 45, 747–754. doi:10.1016/j.trpro.2020.02.102.
[9] N-CSV-CAR-1-03-007/20. Determinación del coeficiente de fricción (CF). Secretaría de Infraestructura Comunicaciones y Transportes.
[10] M-MMP-4-07-010/17. Determinación del coeficiente de fricción con equipo de rueda oblicua. Secretaria de Infraestructura, Comunicaciones y Transportes.
[11] N-CSV-CAR-1-03-006/20. Determinación de la Macrotextura (MAC). Secretaría de Infraestructura, Comunicaciones y Transportes.
[12] M-MMP-4-07-008-16. Determinación de la Profundidad Media de la Macrotextura con Perfilómetro Laser. Secretaría de Infraestructura, Comunicaciones y Transportes.
[13] Persson, B. N. J., Tartaglino, U., Albohr, O., & Tosatti, E. (2005). Rubber friction on wet and dry road surfaces: The sealing effect Physical Review B, 71(3). doi:10.1103/physrevb.71.035428
De conformidad con lo establecido en la Ley de Infraestructura de la Calidad, las Normas Oficiales Mexicanas (NOM’s) son regulaciones técnicas de observancia obligatoria en el territorio nacional.
Las NOM’s establecen reglas, denominaciones, especificaciones o características aplicables a un tema en particular, por ejemplo, la señalización vial.
La NOM-034-SCT2/SEDATU-2022 Señalización y dispositivos viales para calles y carreteras, así como la NOM-086-SCT2-2023 Señalamiento y dispositivos para protección en zonas de obras viales establecen los requisitos que deben considerarse para diseñar e implementar la señalización y los dispositivos de seguridad en calles, carreteras y zonas de obras viales de jurisdicción federal, estatal y municipal.
El pasado 19 de septiembre de 2023 el Comité Consultivo Nacional de Normalización de Transporte Terrestre (CCNN-TT), del que forma parte la Secretaría de Infraestructura, Comunicaciones y Transportes, publicó en el Diario Oficial de la Federación la NOM-034-SCT2/SEDATU-2022, en donde se establece la señalización y dispositivos de seguridad que deben implementarse en calles y carreteras, para brindar seguridad vial a todos los usuarios. Asimismo, el 14 de noviembre de 2023, dicho Comité publicó la NOM-086-SCT2-2023, que establece los requisitos generales que deben considerarse para señalizar las zonas de obras viales, ordenar el tránsito en torno a ellas y salvaguardar la integridad de los usuarios y del personal que trabaja en la construcción, conservación y operación de nuestras vías de comunicación.
En el caso particular de la NOM-034-SCT2/SEDATU-2022, se destaca la participación de dos Secretarías del Gobierno Federal, que actualmente trabajan en armonía para lograr un objetivo común: disminuir los siniestros de tránsito, las fatalidades y las lesiones graves que derivan de ellos .
La elaboración, publicación y difusión de estas NOM’s forma parte de las líneas de acción que la Secretaría de Infraestructura, Comunicaciones y Transportes (SICT) y la Secretaría de Desarrollo Agrario, Territorial y Urbano (SEDATU) tienen como encomienda al formar parte del Sistema Nacional de Movilidad y Seguridad Vial, el cual es un mecanismo de coordinación entre las autoridades competentes en materia de movilidad y seguridad vial, de los tres órdenes de gobierno, así como con los sectores de la sociedad en la materia, con el objetivo de dar cumplimiento a lo establecido en la Ley General de Movilidad y Seguridad Vial.
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Referencias:
Ley de Infraestructura de la Calidad, DOF 01-07-2020. NOM-034-SCT2/SEDATU-2022 Señalización y dispositivos viales para calles y carreteras. NOM-086-SCT2-2023 Señalamiento y dispositivos para protección en zonas de obras viales.
PARA LA DOSIFICACIÓN DE ADITIVO
REJUVENECEDOR
EN MEZCLAS ASFÁLTICAS RECICLADAS
Quimi-Kao, El Salto, Jalisco, México
Daniela Bocanegra Martínez, dbocanegra@kao.com
Leonardo Ambrosio Ochoa Ambriz, lochoa@kao.com
Álvaro Gutiérrez Muñiz, agutierrez@kao.com
Raymundo Benítez López, rbenitez@kao.com
APORTACIONES
RESUMEN
El pavimento asfáltico recuperado (RAP) es un material que se transforma física y químicamente debido al proceso de envejecimiento. El uso de aditivos rejuvenecedores ha sido una alternativa eficiente para restaurar ciertas propiedades del RAP, sin embargo, aún no se cuenta con una metodología clara y bien definida para su dosificación en mezclas asfálticas.
En este estudio se utilizó la espectroscopía infrarroja (FTIR) y métodos reológicos para investigar el efecto del rejuvenecedor en las propiedades químicas y reológicas del asfalto, y así, restaurar el asfalto envejecido (combinación 70% virgen-30% envejecido) a la condición del asfalto virgen, según el parámetro representativo de cada ensayo. Se consideraron metodologías que evalúan el comportamiento del asfalto ante el fenómeno de agrietamiento, ya que es el principal deterioro que pueden presentar las mezclas con RAP.
Se utilizó el FTIR para cuantificar los cambios en los grupos funcionales e igualar el índice de envejecimiento. En las pruebas reológicas, se observó la evolución del grado de desempeño, los parámetros Glover-Rowe y la energía de fractura.
Las dosis obtenidas de cada metodología a nivel asfalto se validaron a partir de ensayos de energía de fractura en viga semicircular y ahuellamiento en rueda cargada de Hamburgo para comparar el desempeño de las mezclas recicladas con incorporación de aditivo rejuvenecedor.
Los resultados demuestran que las mezclas recicladas en caliente que incluyen aditivo rejuvenecedor dosificado de manera adecuada pueden sufrir menor degradación y su desempeño no se ve comprometido.
1 INTRODUCCIÓN
El uso de pavimento asfáltico recuperado (RAP) ha ganado reconocimiento en la industria de la pavimentación como un enfoque sostenible prometedor para reducir costos de fabricación de mezcla, reducción de consumo de energía, así como ahorro en el uso de recursos naturales. Sin embargo, la principal preocupación respecto a la incorporación del RAP en mezclas asfálticas radica en las propiedades del asfalto envejecido presente en el material recuperado, ya que generalmente presenta una rigidez elevada, lo que resulta en mezclas sensibles al agrietamiento y con baja trabajabilidad [1]. Con el fin de maximizar la incorporación de RAP en mezclas asfálticas en caliente, la solución más prometedora y estudiada se refiere a la utilización de aditivos rejuvenecedores. A pesar de que los proveedores de aditivo rejuvenecedor suelen recomendar un rango para la dosis, la cantidad que se añade a una mezcla depende del nivel de envejecimiento del asfalto presente en el RAP, así como de las propiedades del asfalto base y el criterio seleccionado para la determinación de la dosis óptima de rejuvenecedor. Por lo anterior, el contenido de aditivo debe determinarse cuidadosamente, ya que una dosis inadecuada de aditivo puede provocar una falta de activación del asfalto envejecido del RAP y generar problemas de agrietamiento en la mezcla o, por otro lado, un exceso de aditivo podría llevar a un detrimento en la resistencia a la deformación permanente [2]
Lo anterior nos llevó a investigar sobre diferentes formas de dosificación del aditivo, por ejemplo, algunas investigaciones consideran la restauración de propiedades físicas de una mezcla de asfaltos hasta conseguir las mismas características que el asfalto virgen. A. Ongel y M. Hugener (2015) consideran la selección de la dosis utilizando los valores de penetración de los asfaltos estudiados; M. Chen et. al. (2014) se basan en otros parámetros como la viscosidad, punto de reblandecimiento y ductilidad o en los últimos reportes del NCAT (National Center for Asphalt Technology) en donde exponen que la dosis de aditivo puede determinarse al restablecer las temperaturas del grado PG del asfalto virgen (NCHRP, 2014). Estos y otros estudios demuestran que es
indispensable la correcta selección del índice reológico, físico o químico del asfalto para obtener una dosis óptima de aditivo rejuvenecedor. Por tal motivo, en esta investigación se toman en cuenta diferentes criterios de optimización, considerando el tipo de deterioro predominante en las mezclas recicladas, el agrietamiento.
2 OBJETIVOS
Proponer una metodología para la dosificación de aditivo rejuvenecedor en el diseño de mezclas asfálticas en caliente que incorporan RAP mediante la restauración de propiedades específicas (reológicas y químicas) del asfalto envejecido.
Con este fin se definieron los siguientes objetivos particulares: Identificación de las propiedades adecuadas a utilizarse como objetivo para la optimización de la dosificación de aditivo rejuvenecedor.
Comparar las dosis óptimas de aditivo rejuvenecedor obtenidas mediante diferentes índices reológicos y químicos.
Evaluar la capacidad del aditivo para restaurar las propiedades tanto del asfalto envejecido como de las mezclas con alta tasa de RAP.
3 MÉTODOS Y RESULTADOS
Para el estudio se utilizaron materiales provenientes de bancos de agregados localizados en el estado de Jalisco, material reciclado obtenido de los trabajos de reparación de la carretera MaravatíoZapotlanejo y cemento asfáltico de la refinería de Salamanca.
3.1 Cemento asfáltico virgen y pavimento asfáltico recuperado (RAP)
El cemento asfáltico base utilizado fue un EKBÉ® PG 64-22, de acuerdo con su clasificación por desempeño, cuya temperatura crítica de falla se presenta en la Tabla 1
Se seleccionó una única fuente de RAP, de la cual se obtuvo el material necesario para los experimentos. Las muestras de RAP se obtuvieron de trabajos de fresado que contemplan material de carpeta y base asfáltica, que fue homogeneizado y caracterizado de acuerdo con los estándares que se especifican en la Tabla 1 El asfalto de RAP se obtuvo a partir de un proceso de extracción centrífuga y destilación acorde con las normas ASTM2172 Standard Test Methods for Quantitative Extraction of Bitumen From Bituminous Paving Mixtures y ASTM D5404 Standard Practice for Recovery of Asphalt from Solution Using the Rotary Evaporator,
1. Características del asfalto base y pavimento asfáltico recuperado (RAP).
CEMENTO ASFÁLTICO BASE
Reómetro de corte dinámico (DSR) - AASHTO T315 Condición original
MATERIAL RAP
Propiedad Método de ensayo Resultado
Contenido de asfalto, % ASTM D2172 6
Distribución granulométrica - AASHTO T27
Designación
Reómetro de corte dinámico (DSR) - AASHTO T315 Condición original
respectivamente, y se determinaron las propiedades reológicas del asfalto envejecido en el reómetro de corte dinámico.
Debido a que el proceso de extracción del asfalto de RAP es un tanto complejo para obtener muestras significativas, en este trabajo se fabricó un asfalto envejecido a largo plazo, cuya condición reológica fuera análoga a la del asfalto obtenido de RAP. Este procedimiento consistió en someter el asfalto base a los procesos de envejecimiento en laboratorio: RTFO y PAV. En la Tabla 2 se presentan las temperaturas críticas de falla del asfalto en los diferentes estados de envejecimiento y se observa que la condición que más se asemeja al asfalto de RAP es la que corresponde al cemento asfáltico sometido a cuatro ciclos de envejecimiento en el horno PAV, por lo cual, se considera que la condición del asfalto extraído de RAP será equivalente a la condición de aquel envejecido en laboratorio. En adelante se hará referencia a este último como asfalto RAP’.
Tabla 2. Temperatura crítica de falla del asfalto base y a diferentes condiciones de envejecimiento. Condición
Tabla
3.2 Agregado pétreo
Para esta investigación se utilizaron agregados pétreos de naturaleza basáltica, 100% producto de trituración que consisten en arena de cono y grava de 3/4”. Los agregados minerales cumplen con todas las características físicas y resistentes para ser considerados en el diseño de mezclas de alto desempeño.
3.3 Aditivo rejuvenecedor y procedimiento de incorporación en el cemento asfáltico
En este estudio se utilizó un aditivo líquido que es un aceite derivado de amina grasa, un material orgánico capaz de alterar la viscosidad del asfalto envejecido presente en el RAP, mejorar la trabajabilidad de la mezcla y ralentizar el endurecimiento del asfalto, es decir, funciona como un rejuvenecedor, lo cual favorece a alcanzar las características óptimas de la mezcla reciclada.
La preparación de las mezclas de aglutinantes asfálticos con aditivo rejuvenecedor se realizó siguiendo los pasos descritos a continuación:
I. El cemento asfáltico base se precalentó a 150 °C hasta obtener una consistencia fluida y se vertió en un recipiente la cantidad correspondiente al 70% del total de la mezcla (asfalto base más asfalto RAP’).
II. Se agregó la dosis necesaria de aditivo rejuvenecedor (de acuerdo con cada método analizado) al asfalto base. Se colocó sobre una plancha a 150 °C y se agitó manualmente utilizando una varilla durante un minuto. La cantidad de aditivo que se añade es respecto al peso del asfalto base.
III. A continuación, se añadió el asfalto RAP’ previamente calentado en cantidad correspondiente al 30% respecto al peso total de la mezcla de asfaltos (base más asfalto RAP’) y se llevó nuevamente a agitación manual durante aproximadamente cinco minutos, manteniendo la temperatura de 150 °C para asegurar que se mezclaran adecuadamente.
IV. Por último, se colocó la mezcla de asfaltos en el horno por cinco minutos para la preparación de las muestras.
Es recomendable realizar los ensayos de ligante asfáltico en las mezclas inmediatamente después de su preparación para evitar calentamiento adicional que podría provocar un mayor envejecimiento y producir una condición diferente a la que se desea estudiar.
3.4 Métodos de optimización de aditivo rejuvenecedor
En esta investigación, la dosis de aditivo rejuvenecedor (en peso del asfalto base) se optimiza cuando la mezcla (70% asfalto base y 30% asfalto RAP’) alcanza una propiedad reológica o química similar a la del asfalto base. Para este propósito, se seleccionaron diferentes parámetros relacionados con el fenómeno de agrietamiento del cemento asfáltico por tres razones: 1) el agrietamiento es el principal deterioro que presentan las mezclas asfálticas recicladas debido al asfalto envejecido presente en el RAP, 2) fenómenos relacionados con agrietamiento (fatiga y agrietamiento térmico) se deben entre 60 y 80% al efecto del cemento asfáltico en la mezcla de acuerdo con el Strategic Highway Research Program
(1994), y 3) generalmente la optimización de rejuvenecedor se hace directamente en la mezcla asfáltica una vez que se evalúan sus propiedades mecánicas, sin embargo, este proceso puede resultar muy largo y además consume grandes cantidades de material para lograr un diseño adecuado.
Por ese motivo, en esta investigación se propone realizar el proceso de optimización de la dosis de aditivo a nivel asfalto, utilizando la mezcla que represente la proporción de cemento asfáltico virgen (de aportación) y asfalto de RAP, buscando que fueran métodos representativos, cuyo procedimiento fuese sencillo, aplicable y con tiempos de ensayo reducidos para agilizar el proceso de diseño de una mezcla asfáltica reciclada.
Los índices reológicos y químicos elegidos como criterios para la determinación de la dosis óptima de aditivo rejuvenecedor son: metodología propuesta en el reporte No. 927 del NCHRP, donde se incluyen implícitamente las cartas de mezclado, parámetro Glover-Rowe determinado a partir de curvas maestras elaboradas a cinco temperaturas de prueba, energía de fractura obtenida de la curva fuerza-desplazamiento de un barrido de deformación en un ensayo de análisis de agrietamiento en el cemento asfáltico, y el índice de envejecimiento basado en el nivel de variación del grupo carbonilo, obtenido de la prueba de espectroscopía infrarroja. Como parámetro adicional, se eligió el ensayo de penetración en el cemento asfáltico, una prueba física utilizada principalmente en Europa para la dosificación de aditivo rejuvenecedor.
Los procesos de optimización seguidos en este estudio buscan que las mezclas de ligante rejuvenecidas preparadas con la dosificación óptima determinada cumplirán o superarán los requisitos reológicos/químicos del asfalto base que se utilice.
3.4.1 Dosis inicial de rejuvenecedor: formulación propuesta en el reporte No. 927 NCHRP
El programa de investigación de carreteras desarrolló una serie de formulaciones con las cuales es posible obtener la dosis inicial de aditivo rejuvenecedor, que tiene como propósito restaurar las propiedades del asfalto envejecido. Es decir, con la dosis de aditivo rejuvenecedor obtenida se pretende alcanzar el grado de desempeño del asfalto base una vez que se combina con el cemento asfáltico proveniente del RAP, como se proponía anteriormente con el método consolidado conocido como cartas de mezclado, para estimar el desempeño de una muestra de ligante mediante
regresión lineal a partir del porcentaje de RAP, el PG crítico del asfalto extraído de RAP y el PG crítico del ligante mezclado.
A continuación, se presentan las fórmulas para la obtención de la dosis inicial de aditivo rejuvenecedor.
����������������������������������������������������������������: alta temperatura crítica de falla del asfalto en la mezcla reciclada (teórica)
����������������������������������������: relación de asfalto oxidado respecto al asfalto total en la mezcla reciclada calculado como:
���������������������������������������� = (%
������������������������������������������������: alta temperatura crítica de falla del asfalto extraído del RAP
������������������������ : proporción de asfalto nuevo en la mezcla reciclada calculado como:
������������������������ = (1
)
��������������������������������������������������������: temperatura crítica de falla alta del asfalto base
%
Donde:
�������������������������������������������������������� : definido anteriormente, ������������������������������������������������������������������������: temperatura crítica de falla alta del asfalto deseado en el proyecto ��������������������������������: efectividad del aditivo rejuvenecedor que se calcula como: ��������������������������������
Donde: ������������������������ ��������
: alta temperatura crítica de falla del asfalto base
������������������������ : alta temperatura crítica de falla del asfalto base con aditivo rejuvenecedor
De acuerdo con las características de los materiales utilizados, para esta metodología se obtuvo el siguiente porcentaje de aditivo recomendado para la fabricación de mezclas con 30% de RAP:
El parámetro Glover-Rowe (G-R) se empleó para valorar la durabilidad y propensión al agrietamiento de los ligantes con y sin rejuvenecedor. Para su obtención, se calculó mediante la ecuación |G*| ⋅ (Cos δ )2/Sen δ , fue necesario monitorear las propiedades viscoelásticas lineales de módulo complejo de corte (|G*|) y ángulo de fase ( δ) a partir de un barrido de frecuencias y temperaturas empleando un reómetro de corte dinámico. El comportamiento mecánico global fue capturado mediante la función de distribución CAM y con el principio de superposición tiempo-temperatura (PsTT), se ajustaron los datos del barrido de frecuencia isotérmico a una curva única de referencia de 15 °C (curva maestra), tal como se muestra en la Figura 1
Figura 1. Curva maestra ajustada a una temperatura de 15 °C.
La curva maestra anterior nos muestra la relación de rigidez de los asfaltos evaluados en un amplio espectro de frecuencias. No obstante, para fines de esta investigación nos centraremos en el valor de módulo complejo de corte (|G*|) y ángulo de fase (δ) a la frecuencia de 0.005 rad/s. Los datos anteriores nos permiten utilizar la herramienta de análisis conocida como diagrama de espacio negro y el cálculo de parámetro Glover-Rowe. En este diagrama de interacción reológico podemos rastrear el impacto del aditivo en la restauración de las propiedades mecánicas, tal como se aprecia en la Figura 2
módul o c ompl ejo de c ort e (G*), kP a
kPa
RAP S/A, G-R=692 kPa
8% aditivo, G-R=65 kPa
10% aditivo, G-R=30 kPa
14% aditivo, G-R=8 kPa
20 30 40 50 60 70
ángulo de desfase (δ)
2. Diagrama de espacio negro (G* vs. δ).
A partir del diagrama anterior es posible observar la disminución del módulo complejo de corte (G*) y el incremento en el ángulo de fase (δ) conforme la participación de aditivo crece en el sistema. Lo anterior indica la recuperación del balance entre la componente elástica y viscosa, lo cual, de acuerdo con esta técnica de análisis, se relaciona con mejoras en las propiedades de relajación, disipación de esfuerzos de tensión, ductilidad y adhesión. Como era de esperarse, la mezcla 70% asfalto nuevo y 30% RAP’ se encuentra en la zona de daño debido a la fragilidad conferida por el asfalto
Figura
DINosaur Book 7pt 20 15 10 5 0 DINosaur Medium 6pt DINosaur Book 6pt
DINosaur Medium 7pt
oxidado. Por otro lado, la incorporación de 10% de aditivo ofreció características similares a la respuesta en el parámetro G-R obtenido en el asfalto de control, por lo que este porcentaje de aditivo fue seleccionado para la fabricación de mezclas asfálticas.
3.4.3 Potencial de fractura en el ligante asfáltico
Para esta investigación se ha propuesto el uso de un ensayo reológico que permite determinar el potencial de fractura del cemento asfáltico, cuyo método fue desarrollado por Gutiérrez Muñiz A. (2021).
A través de este método de prueba es posible calcular la energía de fractura (Gf ) obtenida de la curva fuerza-desplazamiento, parámetro principal que se tomará en cuenta para el cálculo de la dosis de aditivo rejuvenecedor. Sin embargo, derivado de la misma curva, es posible obtener otras características relevantes como la pendiente (m) posterior al pico de carga máxima y el índice de flexibilidad (IF) para predecir la resistencia al agrietamiento del cemento asfáltico.
El ensayo consiste en un barrido de deformación, la cual aumenta linealmente a una temperatura intermedia (para esta investigación se utilizó 20 °C) y frecuencia constante (20 Hz).
En la Figura 3 se muestra la curva característica de fuerza vs. desplazamiento, y en la Tabla 3 se presentan los valores correspondientes a cada parámetro obtenido de la misma curva. Como se mencionó, el parámetro de referencia que se consideró para este método fue el área bajo la curva y, en segundo lugar, la pendiente después del pico máximo, para lo cual se ajustó una ecuación donde se iguala la energía de fractura Gf y se obtiene la mejor pendiente. Por lo tanto, el porcentaje de aditivo ideal para empatar la condición del asfalto base de acuerdo con este método fue de 5%.
70 Base - 30 RAP'
70-30-4
70-30-5.3
70-30-7
70-30-10
70-30-14 Asfalto base
Figura 3. Curva fuerza-desplazamiento método de potencial de fractura en el ligante asfáltico.
Tabla 3. Parámetros de la curva fuerza-desplazamiento en el cemento asfáltico.
Utilizando la ecuación ajustada:
3.4.4 Índice de envejecimiento – Espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier
El proceso de oxidación del cemento asfáltico, visto desde el punto de vista químico, se refiere a la generación de grupos funcionales, que incluyen los ácidos carboxílicos y los sulfóxidos. Los enlaces químicos de los grupos carbonilo (C=O) y sulfóxido (S=O) pueden identificarse por espectroscopía infrarroja de transformada de Fourier (FTIR), mediante el análisis de las intensidades de absorción del infrarrojo y las vibraciones moleculares presentes en el material. La formación de grupos carbonilo y sulfóxido durante el proceso de envejecimiento afecta al endurecimiento del asfalto, lo que los convierte en indicadores fiables del envejecimiento. Con esta información es posible crear espectros como el que se observa en la Figura 4, y revelan los detalles de la estructura química del asfalto, esencial para comprender su comportamiento. En los espectros, la vibración de estiramiento del C=O se define comúnmente como la banda alrededor del pico 1700 cm-1, mientras que el área del grupo sulfóxido es la banda en torno a la longitud de onda 1030 cm-1
El análisis espectral se llevó a cabo utilizando el método de integración que tiene en cuenta el área situada por debajo del espectro de absorbancia en torno a un máximo de banda que comprende los grupos funcionales de interés, y se utilizó una línea base absoluta en un valor de absorbancia de cero.
Las integrales se calcularon como se indica en la siguiente ecuación:
Donde:
a(w) = valor de absorbancia en el número de onda w, wu,i = límite superior del número de onda para el grupo estructural i, wl,i = límite inferior del número de onda para el grupo estructural i, Ii = área integrada a partir de la línea de base absoluta para el grupo estructural Ii
(6)
Es importante mencionar que los límites de onda inferior y superior para cada grupo de interés no son absolutos y se producen alrededor de los picos mencionados y dependen completamente del material (Barghabany P., Zhang J., et. al., 2022).
Una vez calculadas las áreas correspondientes a cada grupo funcional, se calcularon los índices de envejecimiento tomando en cuenta únicamente el grupo carbonilo, ya que se ha encontrado en diferentes investigaciones que el comportamiento de este grupo funcional ante efecto de oxidación presenta menor coeficiente de variación. El índice de oxidación se refiere al aumento del grupo funcional (en este caso C=O) tomando como referencia el área correspondiente obtenida para el asfalto base, como se expresa en la ecuación 7.
Donde i representa el asfalto analizado que puede ser la mezcla de asfalto (70% asfalto base y 30% asfalto RAP’) o el asfalto rejuvenecido con aditivo.
El objetivo, entonces, fue obtener un índice de oxidación igual a cero, que indicará una condición similar al asfalto base. Para lograr lo anterior se ajustó una ecuación a partir de las mediciones realizadas en las mezclas de asfaltos y utilizando diferentes dosis de aditivo. En la Tabla 4 se engloban los resultados de las áreas obtenidas para el grupo carbonilo y el índice de envejecimiento. Se observa que con 9% de aditivo rejuvenecedor se alcanza un valor igual a cero, lo que indica una condición equivalente al asfalto base, un material que no ha pasado por proceso de oxidación.
Figura 4. Espectros obtenidos del infrarrojo con detalle del grupo carbonilo.
(7)
Utilizando la ecuación ajustada:
3.4.5 Penetración
La prueba de penetración es la prueba de asfalto más antigua, cuyo principio básico es determinar la profundidad a la que una aguja penetra una muestra de asfalto bajo condiciones específicas de carga (100 g), tiempo (5 s) y temperatura (25 °C). El método estándar de prueba se describe en la norma ASTM D5-06 Standard Test Method for Penetration of Bituminous Materials y en este estudio se utilizó esta propiedad física para determinar la dosis adecuada de aditivo rejuvenecedor necesario para igualar el valor de penetración obtenido de la mezcla de ligantes (base y envejecido), al valor de penetración deseado, que para esta investigación es la misma consistencia del asfalto base.
En la Tabla 5 se presentan los valores obtenidos de penetración para las dosis de aditivo ensayadas y se determinó que, de acuerdo con este método, el 5% de aditivo es el porcentaje adecuado para conseguir la condición del asfalto original.
5. Dosificación de aditivo rejuvenecedor a partir del método de penetración.
Tabla
Tabla
3.5 Diseño y evaluación de desempeño de mezclas asfálticas
La estructura del agregado mineral se definió a partir del ajuste de la curva combinada de los pétreos dentro de los parámetros establecidos para mezclas Superpave.
Se determinó el contenido de asfalto para cada una de las mezclas control (sin aditivo) con el objetivo de alcanzar un volumen de vacíos de aire de 4% ± 0.5, posteriormente, estos contenidos se utilizaron también para la fabricación de especímenes con aditivo rejuvenecedor.
Para el análisis de desempeño de las mezclas asfálticas, se evaluó la propensión a la deformación permanente y el fenómeno de agrietamiento a partir de los ensayos de rueda cargada de Hamburgo y del ensayo semicircular SCB I-FIT, respectivamente. Para dichos análisis se fabricaron cuatro réplicas de geometrías distintas según el ensayo, todas con un porcentaje de vacíos de aire objetivo del 7% ± 0.5, y fueron ensayadas tras ser sometidas a un proceso de envejecimiento a corto plazo indicado de acuerdo con la absorción del agregado pétreo. Se fijaron temperaturas de mezclado y compactación de 165 °C ± 5 y 155 °C ± 5, respectivamente, para todas las mezclas con y sin rejuvenecedor.
3.5.1 Deformación permanente
Para identificar fallas prematuras debidas a la susceptibilidad a la formación de roderas en mezclas asfálticas, una rigidez inadecuada, daño por humedad, debilidad en la estructura del agregado pétreo o adhesión inadecuada entre el asfalto y el agregado, se llevó a cabo la prueba de rueda cargada de Hamburgo, de acuerdo con lo establecido en el procedimiento
AASHTO T 324 Standard Method of Test for Hamburg Wheel-Track Testing of Compacted Asphalt Mixtures. La Figura 5 muestra el avance de la deformación en función del número de pasadas.
A partir de este gráfico es posible observar la influencia tanto del pavimento asfáltico recuperado (RAP) como del aditivo rejuvenecedor en el desempeño de las mezclas analizadas. Por un lado, la elevada rigidez que aporta la participación de 30% de RAP disminuyó aproximadamente 80% el potencial de deformación en comparación con la mezcla asfáltica de control y, por otro, se aprecia una fuerte relación entre la cantidad de aditivo presente y la deformación obtenida al final del ensayo, ya que conforme aumentó la concentración de aditivo, de igual manera se acumuló mayor deformación permanente.
En este sentido, se obtuvieron valores de ahuellamiento entre 3-5 milímetros bastante aceptables para las mezclas asfálticas con aditivo que fueron fabricadas con las dosis seleccionadas con base en las metodologías FTIR, G-R, potencial de fractura y penetración. No obstante, cuando se incorporó un 14% de rejuvenecedor proveniente del método NCHRP, resultó en roderas excesivas y un cambio en la pendiente de deformación (punto de inflexión) indicando el desgranamiento o stripping, y exhibiendo un comportamiento similar a la mezcla de control, la cual también falló al acumular más de 10 milímetros de deformación después de 15 mil pasadas. Lo anterior podría ser atribuible a una sobredosificación de aditivo. Esta situación podría convertir al sistema en un material bastante inestable con rigidez inadecuada.
Df=4.23, PI=N.P
1.53, PI=12300 (5%), Df=3.37, PI=N.P
Control, Df=13.85, P.I=8700
30% RAP S/A, Df=2.81, PI=N.P
P. fractura/penetración (5%), Df=3.37, PI=N.P
FTIR (9%), Df=3.84, PI=N.P
Glover-Rowe (10%), Df=4.23, PI=N.P
NCHRP (14%), Df=11.53, PI=12300
Df= deformación final (mm)
PI= punto de desgranamiento (pasadas)
N.P= no presentó desgranamiento
Figura 5. Curva característica de deformación permanente para las mezclas estudiadas.
3.5.2 Índice de flexibilidad de Illinois (I-FIT)
Siguiendo el método de ensayo AASHTO TP124 Standard Method of Test for Determining the Fracture Potential of Asphalt Mixtures
Using the Flexibility Index Test (FIT), se llevó a cabo el análisis del comportamiento mecánico relacionado con la resistencia al agrietamiento a través del cálculo de la energía disipada durante el proceso de fractura por flexión en probetas semicirculares ranuradas en la parte inferior, para finalmente obtener un índice de flexibilidad (FI). De acuerdo con la metodología de prueba antes mencionada, el índice de flexibilidad recomendado tiene un valor mínimo de 8 para mezclas envejecidas a corto plazo. No obstante, en 2020, el NCHRP propuso utilizar mínimo 7 cuando se añade RAP en las mezclas asfálticas.
En la Figura 6 se muestra el avance de la grieta en la longitud total de cada elemento analizado, mientras que, en la Tabla 6 se comparan los indicadores de resistencia obtenidos en este ensayo.
Control
30% RAP S/A
Potencial fractura/penetración (5% ADT)
FTIR (9% ADT)
Glover-Rowe (10% ADT)
NCHRP (14% ADT)
desplazamiento, mm
Figura 6. Curva carga-desplazamiento de las mezclas evaluadas.
Control
30% RAP S/A
K AO/penetración (5%)
FTIR (9%)
Glover-Rowe (10%)
NCHRP (14%)
En primer lugar, se puede apreciar que la mezcla asfáltica con 30% de RAP incrementó notablemente su rigidez, ya que exhibe la carga pico y el módulo secante más elevado de todo el estudio. Sin embargo, las características anteriores estuvieron acompañadas de fuertes descensos de la curva carga-desplazamiento en la región postpico, lo cual causó aumentos significativos en el valor de la pendiente e índice de flexibilidad hasta un 55% menor en comparación con el resultado obtenido en la mezcla de control.
Esta información advierte sobre la fragilidad e insuficiente capacidad para soportar el agrietamiento, así como mayor velocidad de propagación de fisuras en mezclas asfálticas con altos porcentajes de material reciclado. Si bien añadir aditivo rejuvenecedor provocó un aumento en la flexibilidad, el desempeño conseguido con la dosis propuesta por los métodos P. agrietamiento/penetración fue muy bajo.
El descubrimiento anterior quizás no es tan sorprendente, dada la altísima rigidez/ fragilidad exhibida por el asfalto envejecido en las pruebas de reología, la cual no termina por compensarse con la participación de 5% de aditivo rejuvenecedor. En este orden de ideas, las mezclas recicladas que incorporan mayor cantidad de rejuvenecedor presentan índices de flexibilidad muy cercanos entre sí y, en el caso de la dosis calculada mediante el método FTIR (9%), el desempeño de la mezcla reciclada fue superior respecto a su versión equivalente sin RAP.
No obstante, al analizar el proceso de rotura (disipación de la energía) se observan diferencias importantes en la forma de la curva carga-desplazamiento cuando fue añadido 14% de aditivo. Por un lado, la energía de fractura es 580, 340, 228 J/m² menor en comparación con las otras mezclas asfálticas con 10, 9 y 0% de aditivo, respectivamente. Además, su capacidad de deformarse valorada mediante el desplazamiento crítico no se modificó. Finalmente, los métodos de dosificación de aditivo rejuvenecedor que lograron balancear de mejor manera los seis indicadores de resistencia al agrietamiento fueron los métodos químicos FTIR y reológicos Glover-Rowe.
Tabla 6. Parámetros de resistencia obtenidos de la curva carga-desplazamiento ensayo I-FIT.
4 CONCLUSIONES
A partir de los resultados que se obtuvieron en las diferentes etapas de esta investigación se tienen las siguientes conclusiones: Es posible reconocer que la selección del método para la dosificación/optimización de aditivo rejuvenecedor es crucial, pues las diferencias en las dosis que arroja cada procedimiento pueden llevar a resultados desfavorables o, en el mejor caso, lograr el contenido adecuado que permita obtener mezclas recicladas de alto desempeño.
De acuerdo con los resultados en la mezcla, el método de dosificación que tuvo mejores resultados fue el de espectroscopía infrarroja, con el cual se logró una dosis óptima de rejuvenecedor, sin embargo, deberá utilizarse con cautela puesto que utilizar diferentes tipos de aditivos puede causar diferencias en la dosificación debido a la química del producto que se utilice. Debe analizarse cuidadosamente la composición química del aditivo para no confundir el fenómeno de oxidación (aumento en el grupo carbonilo) con la presencia de compuestos que aumenten la concentración de los grupos funcionales de interés.
El FTIR es una metodología sencilla que requiere una muestra muy pequeña para su análisis, lo que representa una ventaja para simplificar el proceso de optimización de la dosis de aditivo, ya que se necesita menor cantidad de muestra extraída del RAP, lo cual implica menor uso de solventes.
Con el método Glover-Rowe fue posible obtener también una dosis de aditivo que proporcionó buenos resultados en la mezcla asfáltica muy cercana a la dosis obtenida con el infrarrojo, sin embargo, aunque es un ensayo sencillo de realizar, representa más tiempo para la elaboración de las curvas maestras y se basa en el análisis de un solo punto de la curva.
Para la dosificación de aditivo por medio del método de potencial de fractura, es posible considerar otros parámetros de la curva que mejor ejemplifiquen el comportamiento de la mezcla, por lo que se sugiere analizar otros parámetros diferentes a la energía de fractura. Es un método que puede resultar más preciso debido a que es un barrido de 1010 puntos, lo cual da un panorama completo de lo que sucede en el asfalto. Es de destacar que la optimización de la dosificación de rejuvenecedor en la etapa de prueba de asfalto que se llevó a cabo en esta investigación, asume un escenario de mezcla completa, en donde se toma en cuenta el porcentaje de RAP a utilizar en la mezcla final, por lo que se recomienda que en el análisis de cualquier método para dosificar se considere la “mezcla de asfaltos” (virgen más envejecido), pues esto ayudará a crear una condición similar a la mezcla asfáltica reciclada que se fabrique. Los protocolos de envejecimiento de laboratorio usados pueden no ser lo suficientemente rigurosos para simular el asfalto envejecido del RAP, no obstante, la facilidad de realización de los ensayos seleccionados para la optimización de aditivo permite realizar las pruebas con el material extraído de RAP sin que esto implique un esfuerzo mayor. La eficacia a largo plazo de la dosis de aditivo determinada se debe evaluar en estudios futuros.
5 REFERENCIAS
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[2] W. S. Mogawer, A. J. (January 2016). Using Polymer Modification and Rejuvenators to Improve. Transportation Research Record 2575, No. 1, 10-18.
[3] A. Ongel and M. Hugener. (September 2015). Impact of Rejuvenators on Aging Properties of Bitumen. Construction and Building, 467-474.
[4] M. Chen, B. Leng, S. Wu, and Y. Sang. (September 2014). Physical, Chemical and Rheological Properties of Waste Edible Vegetable Oil Rejuvenated Asphalt Binders. Construction and Building Materials 66, 286-298.
[5] National Center for Asphalt Technology. (2014). NCAT Researchers Explore Multiple Uses of Rejuvenators. Asphalt Technology, 7-16.
[6] Gutiérrez Muñiz A., Benítez López R. (2021). Nuevo método de prueba para determinar el potencial de fractura del ligante asfáltico. Carreteras, 30-40.
[7] Barghabany P., Zhang J., Mohammad L. N.,B. Cooper III S. and B. Cooper Jr S. (2022). Chemical and Rheological Characterization of Asphalt Binders: A Comparison of Asphalt Binder Aging and Asphalt Mixture Aging. Transportation Research Record, Vol. 2676(5), 147-157.
La Asociación Mexicana del Asfalto A.C. (AMAAC) se complace en felicitar a los distinguidos profesionales que han sido galardonados con el “Premio Fundadores” en su quinta edición, en el marco del XXII Congreso Ibero Latinoamericano del Asfalto (CILA). Este reconocimiento honra su destacado trabajo técnico-científico desarrollado en México, titulado: Análisis de métodos químico-reológicos para la dosificación de aditivo rejuvenecedor en mezclas asfálticas recicladas. Extendemos nuestras más sinceras felicitaciones a:
» La M.I. Daniela Bocanegra Martínez, coordinadora del Comité de Impulso Profesional de la AMAAC.
» El M.I. Leonardo Ambrosio Ochoa Ambriz, asociado adicional de la AMAAC.
» El Ing. Álvaro Gutiérrez Muñiz, miembro activo del Comité Técnico de Materiales Asfálticos de la AMAAC.
» El Ing. Raymundo Benítez López, presidente del Décimo Consejo Directivo de la AMAAC.
Su dedicación y excelencia en el campo del asfalto son un ejemplo inspirador para la comunidad profesional. Felicitaciones por este merecido reconocimiento y por su invaluable contribución al avance de la ingeniería en el uso de los asfaltos en México.
¡Un fuerte aplauso por su éxito y por representar lo mejor de nuestra industria!
ANÁLISIS COMPARATIVO DE INDICADORES DE VULNERABILIDAD EN CARRETERAS
INUNDADAS
Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Querétaro, Querétaro, México
Ana Cristel Muñoz Gómez, Amunoz73@uaq.mx
Saúl Antonio Obregón Biosca, saul.obregon@uaq.mx
José Luis Reyes Araiza, lreyes@uaq.mx
APORTACIONES
RESUMEN
El cierre de carreteras puede tener consecuencias económicas, sociales y de seguridad; la inaccesibilidad a las carreteras inundadas durante las actividades puede causar daños a la movilidad de las personas. En los estudios de transporte, el concepto de vulnerabilidad se utiliza para reconocer que la susceptibilidad no es uniforme. Contar con una red fiable significa que es menos vulnerable y más resiliente a los desastres naturales. La identificación de los elementos importantes o más vulnerables en una red vial implica que pueden tomarse medidas focalizadas para reducir el riesgo de interrupciones en esas ubicaciones. El presente artículo se centra en el análisis comparativo de los diferentes índices de vulnerabilidad presentados en la literatura ante impactos de eventos hidrometeorológicos, mediante el uso del software transCAD, con la incorporación de variables como el tiempo de viaje, el flujo de tráfico, capacidad vial, las poblaciones afectadas por inundación, oportunidades y el índice de accesibilidad.
1 INTRODUCCIÓN
Durante los fenómenos meteorológicos extremos, la infraestructura de transporte puede sufrir daños directos o indirectos, lo que representa una amenaza para la seguridad humana y provoca impactos económicos y sociales (Pregnolato et al., 2017). Por lo tanto, es de interés estudiar la magnitud y distribución de los
impactos de las interrupciones en diferentes partes de la red, de modo que se puedan asignar adecuadamente los recursos para la prevención, mitigación y restauración (Gradilla et al., 2011; Jenelius,2019).
Debido a que varios desastres naturales crearon conciencia de que la sociedad es vulnerable a las interrupciones en estas infraestructuras, se han desarrollado investigaciones en el tema de vulnerabilidad, el cual, enfocado en la protección de la infraestructura vial, despertó mayor interés a principios de la década de los 2000 (Jenelius, 2019).
Para evaluar las consecuencias de las interrupciones graves en un sistema de transporte por carretera, Berdica (2002) propone el empleo de los métodos cuantitativos. Sin embargo, otros autores como Jenelius et al. (2006), Chen et al. (2007), Gradilla et al. (2011) y Alabbad et al. (2021) proponen diferentes métodos para evaluar la vulnerabilidad, mediante la exploración de diferentes perspectivas y métricas. No obstante, no es el único enfoque que se le ha dado, pues otros estudios se centran en los aspectos computacionales y el modelado del análisis (Erath et al., 2009; Knoop et al., 2008; Luathep et al., 2011). El análisis de la vulnerabilidad de las redes viales ha sido un campo de investigación durante la última década y, de acuerdo con Balijepalli y Oppong (2014), mencionan que varios investigadores han formulado métodos que resultan de la combinación de una serie de variables que miden la vulnerabilidad de las redes viales.
Actualmente, se han utilizado estas métricas para evaluar el comportamiento en las interrupciones viales de diferentes niveles administrativos, como carreteras
federales, vías urbanas y vías rurales. Por ejemplo, Gradilla et al. (2011) identificaron los puntos críticos en redes carreteras mediante la evaluación de la vulnerabilidad en México, en donde considera la capacidad de los diferentes tramos. Taylor y Susiliwati (2012) evaluaron la vulnerabilidad de las áreas rurales utilizando una medida de accesibilidad. Balijepalli y Oppong (2014) utilizaron un nuevo índice de vulnerabilidad considerando la capacidad de servicio de los enlaces viales y aplicándola a una red urbana. A diferencia de los estudios anteriores, Papilloud y Keiler (2021) evaluaron la vulnerabilidad de una región tomando en cuenta índices de accesibilidad, que incluye áreas urbanas, periurbanas y rurales. Autores como Berdica (2002), Jenelius et al., (2006) y Gradilla-Hernández et al. (2011) analizan la vulnerabilidad en redes carreteras con diversas variables como los cambios de accesibilidad, tiempo de viaje, costo generalizado de viaje, demanda, conectividad de pares origen-destino y tasa de retraso.
En estos análisis, las inundaciones son una de las causas principales de la interrupción en el sector del transporte (Pregnolato et al., 2020). Algunos estudios evalúan el impacto de las inundaciones en la infraestructura (Singh et al., 2018 ; Papilloud et al., 2020). Papilloud y Keiler (2021) en su estudio analizan el índice de vulnerabilidad debido a inundaciones, e incluyen variables como las poblaciones afectadas por inundación, oportunidades y tiempo de promedio de viaje más corto.
En materia de implementación, el presente trabajo pretende profundizar en el conocimiento de la vulnerabilidad ante impactos de eventos hidrometeorológicos mediante el análisis de diferentes indicadores
que incorporan variables como el tiempo de viaje, el flujo de tráfico o la capacidad vial.
2 MARCO TEÓRICO
2.1 La inundación en la infraestructura vial
Los eventos de lluvia se han vuelto más frecuentes y pueden provocar inundaciones extremas, que perjudican en gran medida la capacidad de servicio del sistema de transporte y generan interrupciones en el desplazamiento (Liu et al., 2022). El sistema de transporte recibe el impacto inmediato de las inundaciones, pues se convierte en el camino preferencial para las aguas pluviales debido al drenaje inadecuado (Singh et al., 2018).
El análisis de la exposición de la infraestructura vial a las inundaciones es un primer e importante paso para el análisis de riesgos, porque puede proporcionar información crucial para la toma de decisiones sobre dónde priorizar las medidas de reducción de riesgos en la infraestructura vial (Papilloud et al., 2020). La mayoría de los estudios previos incluyen este examen en el análisis de vulnerabilidad.
2.2 Teoría de grafos
Los grafos son diagramas, dibujos, o, desde una perspectiva algebraica, un par de conjuntos. Un grafo es un conjunto de puntos en el espacio, algunos de los cuales están unidos entre sí. En conclusión, se puede definir como un conjunto de puntos y líneas conectadas a alguna otra pareja de puntos (Menéndez,1998).
La teoría de grafos permite asociar a redes de transporte o de circulación una estructura de nodos y arcos conectados, y sus elementos pueden asociarse fácilmente a objetos geográficos. Los nodos pueden representar
ciudades, paradas o estaciones, cruces de carretera, aeropuertos, puertos, centroides de zona o lugares de referencia, mientras que los arcos se consideran carreteras, líneas de ferrocarril, tendido de cables, canales, cauces, calles, rutas aéreas o marítimas (Cardozo et al., 2009).
2.3 La asignación de tráfico en el modelo de cuatro etapas en la planificación del transporte
Los modelos matemáticos que se utilizan para analizar el tráfico reciben el nombre de “modelos de planificación del transporte”, y siguen cuatro etapas (Zargari et al., 2009):
I. Generación de viajes: en la que se identifica el número de viajes para cada una de las zonas en las que se divide el área de estudio (Zargari et al., 2009).
II. Distribución zonal: en la que se obtiene la matriz de viajes del área, así como una función decreciente del costo (Zargari et al., 2009). Es una matriz bidimensional donde las filas y columnas representan cada una de las zonas del área de estudio.
III. Distribución modal: en esta se distribuye el total de viajes que se producen entre las zonas por modo de transporte utilizado (Zargari et al., 2009). Se obtienen los porcentajes del uso de determinados modos por medio de funciones probabilísticas que consideran una utilidad asociada a cada modo de transporte, dependiendo de varios atributos como el tiempo de viaje, el confort o el costo del modo (Herce, 2009).
IV. Asignación: tiene como objetivo estimar el flujo resultante en la red de transporte. Una de sus limitaciones es el aspecto subjetivo de la ruta, el factor
de desconocimiento de la red, la congestión y la experiencia del usuario en el uso de ciertas rutas (Flores, 2017). Uno de los métodos más usados es el del equilibrio del usuario, y se basa en el primer principio de Wardrop, que establece que la trayectoria elegida por un conductor en una red congestionada, en condiciones de equilibrio, es tal que su tiempo de viaje hasta el punto de destino será mínimo (Cortínez y Domínguez, 2018).
2.4 Sistemas de Información Geográfica (SIG)
Los sistemas de información geográfica se pueden definir en términos simples como la unión de dos ciencias: la geográfica y la informática; son una herramienta informática que ayuda al trabajo en el ámbito geográfico. Se componen de cinco piezas fundamentales: datos, tecnología, análisis, visualización y factor organizativo (Olaya, 2014).
2.4.1
SIG aplicada al transporte
En la actualidad, la tecnología de los SIG está ampliamente desarrollada, y sigue avanzando en diversos campos como en la gestión del transporte. Existe una gran cantidad de herramientas disponibles, que se pueden utilizar en la evaluación ambiental de infraestructuras del transporte, desde las más básicas como las reclasificaciones, la superposición o las operaciones de vecindad, a otras más avanzadas como la modelización cartográfica (Malczewski, 2004).
Para evaluar una situación en el área de transporte es necesario utilizar un análisis espacial en un SIG, y para ello es necesario la topología. La topología se define como el conjunto de relaciones espaciales entre diferentes elementos gráficos (puntos, líneas y áreas), es decir, la posición relativa de cada elemento gráfico en relación con el restante. Aunque las aplicaciones del análisis espacial en SIG son limitadas, estos sistemas tienen varias funciones analíticas que sirven al paso exploratorio o descriptivo del proceso (Cruz y Campos, 2009).
2.4.2 SIG aplicada a las inundaciones
Los SIG han impactado fuertemente el desarrollo de los modelos hidrológicos, análisis de datos y la comunicación de temas de hidrología e hidráulica (Korres y Schneider, 2018).
En hidrología, los SIG permiten llevar a cabo la caracterización espacio-temporal de las propiedades fisiográficas de las cuencas.
Son una herramienta eficaz en el procesamiento, análisis y visualización espacial de parámetros para modelos hidrológicos (Ramírez et al., 2016).
2.5 La vulnerabilidad de la infraestructura vial
La detección de la vulnerabilidad es uno de los pilares de diseño de resiliencia en los sistemas de transporte (Jenelius y Mattsson, 2006). El análisis de la vulnerabilidad tiene un alcance diverso, ya que los diferentes tipos de crisis afectan a la red de diferente manera (Morelli, 2021). La exposición de inundaciones se toma como un factor principal para la evaluación de la vulnerabilidad de la movilidad del transporte (Singh et al., 2018). Diversos autores sugieren que no existe una definición adecuada de vulnerabilidad (Balijeopalli y Oppong, 2014), pero según Berdica (2002), es “la susceptibilidad a incidentes que pueden resultar en reducciones considerables en la capacidad de servicio de la red vial”, mientras que Taylor (2008) la define en función de la accesibilidad vial a las actividades desde diferentes lugares dentro de una red regional. El análisis de vulnerabilidad de la red encuentra los componentes vulnerables en una red de transporte y se aplica para identificar los nodos críticos en el sistema para mantener su robustez.
La vulnerabilidad en la infraestructura vial se mide para proporcionar información sobre las áreas que necesitan priorizar el mantenimiento y rehabilitación de los tramos críticos.
2.5.1 Indicadores de vulnerabilidad
Hay pocos estudios que evalúan la vulnerabilidad de las redes de transporte relacionados con la gestión de emergencias, la resiliencia y la accesibilidad (Hassan et al., 2022). Algunos autores analizan las formas de evaluar la vulnerabilidad de un arco carretero. Scott et al (2006) evaluaron la robustez mediante un índice que permite medir los cambios en el tiempo de viaje para identificar los arcos críticos de una red carretera (Ecuación 1).
NRIa = índice de robustez de la red ca= tiempo de viaje de todo el sistema cuando está inhabilitado el arco a a= tiempo de viaje de todo el sistema cuando está presente la totalidad de los arcos (condiciones normales)
Por otra parte, Jenelius et al. (2006) implementaron un nuevo índice que mide la importancia de un arco K (Ecuación 2):
Importancia
Donde:
������������������������ (��������) = costo de viaje, del nodo i al j cuando el arco k ha fallado
������������������������ (0) = costo de la red inicial sin daño alguno
������������������������ = demanda de viajes utilizada como peso para denotar la importancia del par origen-destino.
Taylor et al. (2004) propusieron la siguiente ecuación (Ecuación 3) para evaluar la vulnerabilidad, que toma en cuenta los cambios del costo generalizado de viaje entre dos localidades si un arco carretero falla.
Donde:
Vrs = pérdida para una región provocada por la falla del arco “rs”, dij = demanda de viajes entre dos localidades (i, j), vijrs =cambio del costo generalizado de viajar entre dos puntos o localidades (i, j) si un determinado arco (ers) falla
2 METODOLOGÍA
Con el fin de comparar diversos índices de vulnerabilidad propuestos en la literatura, se desarrolla una red carretera hipotética en el software TransCAD para obtener los flujos de tráfico en las vialidades analizadas, mediante la siguiente metodología (Figura 1).
creación de la red vial
ingreso de datos viales
ingreso de matriz O-D
cálculo en condiciones normales
cálculo con interrupciones
definición de la red, nodos, zonas y centroides (ver anexo A)
velocidad, tiempo, capacidad, núm. de carriles (ver anexo B)
viajes producidos y atraídos (ver anexo C)
flujo vehicular en cada uno de los arcos
flujo vehicular después de la inundación
Figura 1. Proceso metodológico en el software TransCAD.
Se ubican los puntos críticos de inundación en la red vial ficticia y se evalúa el desempeño general del sistema de transporte vial. Este análisis se realiza antes y después de la interrupción de un arco carretero por inundación. Seguidamente, se aplican los índices de vulnerabilidad antes citados para evaluar el desempeño de la red.
(3)
3 RESULTADOS
De acuerdo con la revisión de los índices de vulnerabilidad de la red, se llevó a cabo un análisis en TransCAD para obtener las variables que requieren los índices. En la red A, la cual se considera completa (Figura 2), se simularon los flujos de tráfico en cada uno de los arcos. De la misma manera se obtienen los flujos para la red B, que presenta arcos cortados (Figura 3). El cambio de los flujos al cortar o interrumpir los arcos hace que los usuarios se redireccionen y tomen rutas alternas para llegar a sus destinos, debido a que se utilizó el método de asignación del equilibrio del usuario.
Figura 2. Red A.
Figura 3. Red B.
La aplicación TransCAD nos proporciona la matriz de costo mínimo antes y después de la interrupción del arco, y a partir de esto se determinan los índices de vulnerabilidad presentados en la Tabla 1. El primer índice de vulnerabilidad es en función del costo mínimo, propuesto por Taylor et al., (2003) y es donde se obtuvo la pérdida para una región provocada por la falla en los arcos inundados. El índice NRI es más preciso, ya que toma en cuenta el flujo vehicular de cada arco cuando está interrumpido, a diferencia de los otros dos índices que consideran los viajes cada par origen-destino y no toman en cuenta la variación del tiempo de viaje.
Al comparar el índice NRI en ambas redes, se puede resaltar que la A es más robusta al no tener ningún arco cortado, mientras que la robustez de la red B es menor, con un valor de 8.553. De igual manera, se analizó la relación v/c, de la cual se obtuvo una media mayor en la red A (Tabla 2).
El índice Vrs tiene como objetivo identificar los arcos críticos, sin embargo, el análisis aún debe emplearse en métodos basados en accesibilidad.
En las Figuras 4 y 5 se observan dos diagramas de dispersión entre el NRI y la relación v/c promedio. Una relación lineal entre las dos medidas sugeriría que sus respectivas soluciones para la identificación de infraestructura crítica son similares. De acuerdo con la dispersión de los puntos se puede deducir que no es el caso. Esta comparación nos señala que, a mayor relación v/c, mayor es la robustez de la red.
Tabla 1. Índices de evaluación.
Índice de vulnerabilidad Taylor et al., 2003
Índice de robustez Scott et al., 2006
Importancia de la red Jenelius et al., 2006
Demandas de viaje Costo generalizado Vrs= 24.25 miles/min
Demandas de viaje Tiempo de viaje K=17.840 miles/min
Tabla 2. Comparación entre el NRI y el v/c
4 DISCUSIÓN
El primer índice de vulnerabilidad propuesto por Taylor et al 2003 identifica los enlaces críticos y evalúa la diferencia entre el camino de menor costo con la red intacta y con la red interrumpida. El índice de Scott et al (2006), en cambio, evalúa la vulnerabilidad de la red mediante la relación de la demanda de viajes y el tiempo antes y después de que un arco falle. Además, analiza tres redes con diferente grado de fallo, el cual les da un mayor nivel de robustez cuando la red no tiene los arcos completos, a diferencia de nuestros resultados, que arrojan un mayor nivel de robustez cuando la red esta completa y ninguno de sus arcos falla. Finalmente, Jenelius et al (2006) proporcionan un modelo que evalúa la importancia de la red y la denomina K
5 CONCLUSIÓN
Se compararon y analizaron los diferentes índices de vulnerabilidad propuestos en la literatura, y se utilizaron tres de estos en función del costo y el tiempo en una red vial.
Los resultados muestran que, al evaluar el sistema de transporte, los usuarios optan por tomar rutas alternas para llegar a su destino.
Los índices muestran la pérdida de una región provocada por la falla de los arcos a causa de una inundación, la robustez, y de igual manera, se mide la importancia que tiene el arco que falla en todo el sistema.
El índice NRI toma en cuenta las relaciones espaciales y, de acuerdo con la topología de la red, existe la posibilidad de redireccionar el flujo. Además, evalúa la importancia de un
Figura 4. Relación entre el NRI y el v/c de la red A para ambos sentidos A y B.
Figura 5. Relación entre el NRI y el v/c de la red B para ambos sentidos 1 y 2.
determinado arco, tomando en cuenta el tiempo de viaje y el flujo de tráfico para cada uno de estos y para los dos diferentes casos (red completa y red cortada). Este índice se diferencia de los otros, que evalúan la vulnerabilidad de cada par origen-destino, pero solo consideran la demanda de viajes para ambos casos. Mientras tanto, el Vrs toma en cuenta la diferencia ente la ruta de menor costo con la red intacta y la ruta de menor costo con los arcos cortados. Cuando ocurren avenidas extraordinarias y causan inundaciones, se afecta la red vial. En ocasiones hay rutas alternas para poder llegar a nuestros destinos, sin embargo, no siempre sucede así; entonces se dice que la red ha perdido accesibilidad, lo que indica que la red es más vulnerable.
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7 ANEXOS ANEXO A
ANEXO B
ANEXO C
Matriz O-D
LOS CAMINOS DE SERVICIO EN CARRETERAS
Grupo Consultor Infrasset
E. Muñoz García, infrasset@grupoinfrasset.com
COMITÉ SEGURIDAD VIAL
Grissel Abril Rojas Guerrero
Alejandro Alfonso Jiménez Cabrera
Dante Alejandro Díaz Orta
Emmanuel Muñoz García
José Rafael Bernal Padilla
Emilio Abarca Pérez
Juan Manuel Mares Reyes
Apolinar Bañuelos Cabrera
Luis Francisco Silva Hernández
1 INTRODUCCIÓN
Los caminos de servicio, también conocidos como calles de acceso o vías de servicio, han sido parte fundamental en el diseño de autopistas. Estos caminos paralelos presentan una relevancia significativa en la gestión del tránsito y en el desarrollo de las comunidades locales.
La primera razón por la cual los caminos de servicio son importantes radica en su capacidad para mejorar la fluidez del tránsito en las autopistas o carreteras. Con base en estudios llevados a cabo por los departamentos de transporte de diversos países, los caminos de servicio reducen la congestión en las vías principales al proporcionar una alternativa para los viajes de corto itinerario en sus distintas modalidades de transporte. Lo anterior evita que los conductores tengan que entrar o salir de la autopista directamente, lo que podría causar demoras y/o dificultades para los demás usuarios. Al desviar el tránsito local hacia los caminos de servicio, se logra una mayor eficiencia en el flujo vehicular y se reducen los tiempos de viaje.
Además de mejorar la fluidez del tránsito, los caminos de servicio tienen un impacto positivo en el desarrollo económico y social de las áreas circundantes. Estos caminos han resultado eficientes en entornos, facilitando el acceso a propiedades comerciales y residenciales ubicadas cerca de las autopistas, como es el caso, en entornos desarrollados. Esto significa que los negocios locales, como
restaurantes, estaciones de servicio y hoteles, pueden beneficiarse de una mayor visibilidad y accesibilidad. Asimismo, los residentes de las comunidades adyacentes pueden disfrutar de un acceso sencillo y conveniente, coadyuvando en la disminución de la congestión del tránsito de la autopista principal. Tal y como se mencionaba, esto contribuye al crecimiento económico y al bienestar general de las áreas locales.
Adicionalmente, los caminos de servicio han servido de manera eficaz para gestionar el tránsito en diferentes modalidades de transporte, (ejemplo: autobús, bicicleta, tren ligero), lo cual logra la separación efectiva de interacción de los viajes de largo y corto itinerario, para diferentes entornos ya sean urbanos o rurales, como se muestra en las Figuras 1 y 2
2 CONCEPTO
En general, el camino de servicio consiste en una vía paralela a una carretera o autopista, la cual se suele alojar en ambos sentidos
Figura 1. Vialidad urbana en Ámsterdam, Holanda.
Figura 2. Carretera en Ámsterdam, Holanda.
para brindar accesibilidad al entorno. Este, a su vez, debe cumplir con ciertos requisitos para garantizar su efectividad y seguridad:
En primer lugar, con base en estudios, se deben de determinar, los patrones y dinámicas de transporte de la zona, para identificar el tipo y modalidad de camino de servicio acorde a las necesidades de los usuarios.
Es esencial que estas vías auxiliares estén debidamente conectadas con las calles y carreteras existentes para facilitar el acceso y la circulación fluida de los vehículos. Además, deben contar con una señalización vial adecuada que indique claramente su función y sus restricciones, como límites de velocidad y prohibiciones de ciertos movimientos.
Asimismo, en el caso de los caminos de servicio vehiculares, es necesario que estos sean lo suficientemente largos para alojar tránsito esperado y que su diseño garantice una visibilidad adecuada.
3
TIPOS DE CAMINO
Dentro del concepto de camino de servicio, existe una clasificación de acuerdo a la ubicación o alojamiento del mismo, y que obedece a las condiciones del entorno a la cual se desea brindar mayor accesibilidad (ya sea residencial, comercial, turístico y/o industrial).
La primera de ellas denominada en inglés frontage road, o en español, vía frontal, la cual consiste en aquel camino de servicio en el cual el acceso a la zona lo tiene del lado de la carretera o autopista, como se muestra en la Figura 3
De manera inversa, la segunda de ellas, denominada en inglés backage road, o en español, vía trasera, consiste en aquel camino de servicio el cual el acceso a la zona lo tiene por detrás de la zona adyacente a la carretera o autopista.
A pesar de presentar diversas ventajas la incorporación de este tipo de vías en autopistas o carreteras, la literatura y la experiencia de otros países indican algunas de las limitantes, mismas que se enlistan a continuación:
Figura 3. Carretera I-35 SB con esquema Frontage Road.
La adquisición de derecho adicional en entornos densamente poblados, donde el costo y la variable de gestión del uso de suelo, puede llegar a requerir tiempo para su liberación. La expropiación de terrenos y la reubicación de propietarios, lo cual puede generar conflictos y retrasos en los proyectos viales.
El incremento de kilómetros a cargo de la red federal, lo que representa mayor recurso para el mantenimiento de estas.
4 PUNTOS DE REFLEXIÓN
En general, la implementación de vías de acceso o caminos de servicio en las carreteras ha demostrado ser un enfoque efectivo para mejorar la movilidad en el ámbito carretero para la correcta interacción de las autopistas y entornos urbanos y/o en desarrollo. Elevando los niveles de seguridad vial por la interacción de los diferentes tipos de vehículos y la operación en la propia carretera, y a su vez, reduciendo niveles de congestión mediante el control de los accesos.
Por otra parte, en países como México, donde se cuenta con diversos entornos con diferente grado de desarrollo, la tendencia histórica ha sido, permitir el acceso directo a la carretera, a través de tratamientos de carriles de cambio de velocidad, tal y como lo estipula el Manual de Proyecto Geométrico de la SICT, sin la correcta distinción de necesidades de los viajes de largo, mediano y corto itinerario.
Sin embargo, con el enfoque presentado, la adopción de este tipo de esquemas de accesibilidad en carreteras podría beneficiar en gran medida la planeación y operación de las carreteras mexicanas, fomentando el desarrollo económico del país, para diversos sectores, donde por mencionar alguno, el industrial lo que busca es la conectividad de vías carreteras para el traslado efectivo de mercancías.
En conclusión, la implementación inteligente y planificada de los Caminos de Servicio, sería esencial para garantizar una gestión eficiente del tránsito y un crecimiento equilibrado de las áreas circundantes.
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Instituto de Transporte de Texas. Estudio sobre el impacto de las vías de acceso en la movilidad y la seguridad vial
DESTACANDO EL ÉXITO DEL CURSO: DISEÑO Y EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
Cristina Nájera Montiel, ctecnica@amaac.org.mx
Del 29 al 31 de mayo del presente año, el Comité Técnico de Impulso Profesional de la Asociación Mexicana del Asfalto (AMAAC) organizó y llevó a cabo con gran éxito el curso presencial y gratuito titulado Diseño y evaluación de pavimentos flexibles. Este evento tuvo lugar en el Auditorio Antonio Alatorre, ubicado en la Universidad de Guadalajara, en la ciudad de Guadalajara, Jalisco, México.
El curso estuvo especialmente dirigido a estudiantes de los últimos semestres de carreras relacionadas con la ingeniería civil y carreras afines en el uso de los asfaltos en la construcción de infraestructura vial. La iniciativa tuvo como objetivo principal difundir y promover el conocimiento y las mejores prácticas en el uso de asfalto en la industria de la construcción de carreteras.
El programa abarcó una amplia gama de temáticas relevantes, desde los fundamentos teóricos del diseño de pavimentos flexibles hasta la evaluación práctica de su desempeño en diversas condiciones y contextos, con la presentación de los siguientes temas:
Generalidades de diseño de pavimentos
Métodos de diseño de pavimentos
Métodos de diseño de mezclas asfálticas
Selección de cementos asfálticos
Emulsiones asfálticas
Ejemplo: Introducción a la obtención de datos para el diseño de un pavimento.
Análisis de agregados pétreos
Fabricación y evaluación de mezclas asfálticas
Análisis de sensibilidad de los parámetros de diseño de mezclas
Taller: Métodos de prueba para mezclas asfálticas
Se contó con la participación de los miembros del comité de Impulso Profesional, expertos y profesionales del sector, quienes compartieron sus conocimientos y experiencias para enriquecer la formación de los futuros ingenieros.
Además de las sesiones teóricas, se llevaron a cabo actividades en campo, que permitieron a los participantes familiarizarse con las herramientas y metodologías utilizadas en el diseño y la evaluación de pavimentos flexibles.
La iniciativa no solo brindó una invaluable oportunidad de aprendizaje para los estudiantes, sino que también contribuyó al fortalecimiento y la actualización de habilidades de los profesionales en formación, preparándolos para enfrentar los desafíos y exigencias del campo laboral relacionado con la infraestructura vial y el uso adecuado del asfalto.
El compromiso de la AMAAC con la educación y la capacitación continua se refleja en este tipo de eventos, que promueven el desarrollo profesional y la excelencia en la industria de los asfaltos en México. Esta iniciativa forma parte de los esfuerzos continuos de la asociación para fomentar la investigación, la innovación y la excelencia técnica en el sector de la construcción de carreteras, con el objetivo de mejorar la calidad y la sostenibilidad de la infraestructura vial en el país.
Una muestra del desarrollo de la parte teórica del curso Diseño y evaluación de pavimentos flexibles en el auditorio Antonio Alatorre, ubicado en la Universidad de Guadalajara, en la ciudad de Guadalajara, Jalisco, México.
Actividades prácticas del curso de Diseño y evaluación de pavimentos flexibles
