Cómo fallan las carreteras... y por qué van a empeorar

¿Estás harto de los baches? Gracias al cambio climático y los camiones pesados, es probable que veamos más de ellos en el futuro

Los baches y otras fallas en el pavimento van en aumento (Foto AP/Charles Rex Arbogast)

¿Cómo son las vías públicas pavimentadas en tu ciudad más cercana? ¿Son lisos y oscuros, con una capa superior de asfalto? Quizás sean de color gris pálido, hechos de hormigón. Independientemente de su composición, es poco probable que estén impecables. En cambio, la mayoría de las carreteras están cubiertas de defectos. Grietas, depresiones, baches, baches, parches de betún de reparaciones anteriores… todas estas cicatrices en la superficie cuentan una historia del uso de esa carretera y su estructura interna. En el lenguaje de la ingeniería, estas cicatrices se denominan "fallas del pavimento", y "pavimento" es el término formal para "cualquier superficie del terreno preparada para el transporte". Según esa definición, incluso un campo de fútbol cuenta como acera, pero en la mayoría de los casos estamos hablando de una carretera.

A pesar de lo que pueda pensarse, las carreteras (o aceras) son estructuras bastante complejas, formadas por múltiples capas. En el fondo está la subrasante: este es el suelo existente. Además, colocan una o más capas gruesas de un material granular, a menudo piedra triturada o agregados. Esto forma la subbase. Después de eso, las cosas varían, dependiendo del tipo de superficie utilizada.

Si está construyendo una carretera de hormigón rígido (muy utilizada en EE. UU.), el siguiente paso es colocar una losa de hormigón armado o no reforzado encima de la subbase. La rigidez del hormigón actúa para transferir la carga del tráfico que eventualmente lo recorrerá hacia la subbase. En muchos casos, incluida la autopista alemana, se colocan varias capas de hormigón armado una encima de otra. También hay juntas en el hormigón para minimizar el agrietamiento.

Si estás construyendo una carretera de asfalto flexible (típica de las que se encuentran en el Reino Unido, Nueva Zelanda y otras partes del mundo), a la subbase le sigue una capa de agregado más fino que se compacta y actúa como base. En este diseño de pavimento, la función de la base es distribuir las tensiones inducidas por el tráfico. El agregado de esta capa se puede mezclar con betún o dejarlo sin aglutinar. El siguiente es el curso de carpetas. Como su nombre indica, es una capa intermedia que se sitúa entre la capa base y la superficial, uniéndolas. Está hecho de árido recubierto de betún y, al igual que la base, juega un papel importante en el fortalecimiento de la carretera, proporcionando soporte estructural y distribuyendo la carga del tráfico. La capa superficial, la parte de la carretera por la que se conduce o se va en bicicleta, también está hecha con una mezcla de pequeñas piedras y betún. Si primero se coloca betún caliente y luego una capa de piedras de tamaño similar, la superficie resultante se llama chipseal. Si el betún se mezcla primero con piedras que se encuentran dentro de un rango de tamaños y luego se coloca esa mezcla, la superficie se llama asfalto.

Cuando se ve un bache o una falla en el pavimento de cualquier tipo, es porque algo ha sucedido que comprometió una o más de las capas de la vía. Resulta que la terminología para describir la falla del pavimento es un rico tapiz. Algunos de mis términos favoritos nuevos para mí incluyenen celo(ranuras de ruedas visibles en el pavimento causadas por cargas de tráfico pesado y repetitivo),empujando(la formación de ondulaciones a través de un pavimento como resultado de tensiones horizontales), ydesmoronándose (desprendimiento de partículas de árido de la superficie, dejando una textura rugosa y suelta). Las causas de estas fallas son amplias y variadas e incluyen suelos pobres, materiales inadecuados y diseños deficientes. Sin embargo, hay dos factores principales que contribuyen a las fallas del pavimento y, desafortunadamente, ambos empeorarán en los próximos años.

El agua puede filtrarse en la estructura subyacente de una carretera y provocar su erosión.

Primero esclima y medio ambiente.

Se sabe que la humedad y la temperatura tienen un efecto significativo en el desempeño del pavimento. Los baches, por ejemplo, suelen ser el resultado de una infiltración prolongada de agua a través de la superficie, lo que debilita las capas subyacentes. El agua puede atravesar incluso los huecos más pequeños. Aunque el betún es hidrofóbico (repelente al agua), las piedras mezcladas con él no lo son y la interfaz entre esos materiales es débil. El peso de los vehículos también provoca que se formen grietas más grandes, lo que da al agua aún más oportunidades de filtrarse a través de la estructura del pavimento, erosionando los materiales a lo largo del camino. En climas fríos, el agua puede congelarse y expandirse debajo de la superficie, provocando tensiones adicionales en el pavimento y provocando que se formen baches más rápidamente.

El invierno de 2022 aquí en Aotearoa, Nueva Zelanda, fue excepcionalmente húmedo; la más húmeda desde 1971. La lluvia, combinada con una histórica 'congelación' de ocho años en los presupuestos de mantenimiento de carreteras, resultó en un número récord de baches en nuestra red de carreteras. Las observaciones y proyecciones de cambio climático para Nueva Zelanda sugieren que los patrones de precipitación cambiarán significativamente en las próximas décadas, y algunas partes del país verán menos lluvia, mientras que otras verán aguaceros más extremos. A nivel mundial, las implicaciones del cambio climático para la infraestructura vial son crudas.

Donde las lluvias se volverán más frecuentes e intensas, veremos un aumento de las inundaciones y una humedad del suelo muy elevada. Esto puede reducir la integridad estructural del suelo subyacente, provocando que la carretera se hunda. En algunos casos, la subrasante puede ser arrastrada por las inundaciones, provocando que el pavimento colapse desde dentro. En otros, los deslizamientos de tierra causados ​​por suelos saturados bloquearán las carreteras. Las inundaciones (así como las nevadas extremas) también ejercen una presión adicional sobre el pavimento: con sistemas de drenaje sobrecargados, las aguas de las inundaciones permanecen en la carretera; ese peso adicional puede causar grietas en la superficie y comprometer las capas base.

Las carreteras en las zonas costeras son particularmente vulnerables a las inundaciones provocadas por las marejadas ciclónicas y el aumento del nivel del mar. Según el Programa de Investigación sobre el Cambio Global de Estados Unidos, más de 60.000 millas de carreteras costeras ya están en riesgo, y en la costa del Golfo, “2.400 millas de carreteras principales podrían quedar permanentemente inundadas por el aumento del nivel del mar en los próximos 50 a 100 años”. La salinidad del agua de mar significa que las inundaciones costeras no sólo causan daños estructurales; también pueden provocar la degradación química de los materiales de las carreteras.

Donde se pronostican más condiciones similares a las de sequía, podría haber una contracción del suelo debajo de la infraestructura vial, amenazando su integridad. Los incendios forestales hacen que el betún de la superficie se derrita, se deforme y se agriete. Pero incluso aumentos de temperatura menos extremos harán que el pavimento se ablande y se expanda, lo que puede provocar surcos. El permafrost, que sustenta carreteras, ferrocarriles y pistas de aeropuertos en regiones de altas latitudes en Alaska, Noruega y China, ya está comenzando a derretirse. Esto hace que la subrasante se hunda, lo que distorsiona las capas de pavimento, agrieta la superficie y provoca desmoronamiento y formación de baches.

Los costos que implica responder a estos riesgos son significativos. El proyecto WEATHER, financiado con fondos europeos, estimó que en 2010 el coste total de los fenómenos meteorológicos extremos para la red de carreteras europea fue de 1.800 millones de euros al año. Los investigadores también concluyeron que para 2040, el cambio climático habría aumentado esos costos en un 20%. Un estudio independiente afirma que las tensiones climáticas representan entre el 30% y el 50% de los costes actuales de mantenimiento de carreteras en Europa; equivalente a entre 8.000 y 13.000 millones de euros cada año.

Podría seguir, pero lo entiendes. El cambio climático es un proceso costoso y disruptivo.

Los camiones causan más desgaste en las carreteras que los vehículos más livianos (Foto AP/Noah Berger, Archivo)

Pasemos ahora a analizar el segundo factor importante que contribuye a la falla del pavimento.El tráfico que utiliza la vía.

En la década de 1950, la Asociación Estadounidense de Funcionarios Estatales de Carreteras y Transporte (AASHTO) llevó a cabo una serie de ambiciosos experimentos para explorar “el desempeño de estructuras de pavimentos y puentes de características conocidas bajo cargas en movimiento de magnitud y frecuencia conocidas”. Conocida coloquialmente como prueba en carretera de AASHO, implicó la construcción de seis circuitos de pistas de prueba de dos carriles a lo largo de un segmento de lo que más tarde se convertiría en la Interestatal 80. El diseño del pavimento varió a lo largo de cada pista. Por ellas circulaban repetidamente vehículos de diferentes pesos y número de ejes para comprobar el comportamiento de la carretera y controlar su degradación a lo largo del tiempo.

Descrita como la “investigación sobre pavimentos más grande y sustantiva realizada en el siglo XX”, y con un costo de 27 millones de dólares en 1960 (equivalente a casi 279 millones de dólares en la actualidad), la prueba en carretera de la AASHO estableció muchos de los estándares para la construcción de carreteras que todavía se utilizan en la actualidad. particularmente en Estados Unidos. Entre muchos otros hallazgos, la prueba demostró que la vida útil y el estado de una carretera dependen del espesor del pavimento, el número de vehículos que pasan por ese pavimento (es decir, el tránsito de la carretera) y la carga por eje de los vehículos que la utilizan. . La relación entre estos factores es la llamada "ley del cuarto poder". Aunque es más una regla general que una verdadera ley científica, nos dice que los vehículos pesados, como los camiones de varios ejes, tienen un impacto mucho mayor en el desempeño de una carretera que los vehículos más livianos, como los automóviles o las bicicletas.

Para darle un ejemplo de ese impacto, hagamos un cálculo rápido. Aquí en Nueva Zelanda, el vehículo más pesado permitido en (algunas de) nuestras carreteras es el camión 50MAX. Tiene nueve ejes y un peso total de 50 toneladas, por lo que la carga por eje es de 5,55 toneladas. El coche más vendido en Nueva Zelanda en 2022 fue el Mitsubishi Outlander. Pesa 1,76 toneladas, por lo que su carga por eje es de 0,88 toneladas. La ley de la cuarta potencia dice que para calcular la tensión relativa que estos dos vehículos aplican a una carretera, se toma la relación de sus cargas por eje y se eleva el resultado a la cuarta potencia. En este caso, (5,55 / 0,88)4 = 1582. En términos prácticos, significa que un camión 50MAX aplica tanta tensión a una carretera como 1.582 automóviles (o literalmente miles de millones de bicicletas).

Este análisis no es exacto. En realidad, el exponente no siempre es cuatro (puede oscilar entre 3 y 6), y factores como la rigidez de la carretera o, como hemos visto, la climatología, contribuyen a su deterioro. No obstante, la “ley” es una directriz que se cita con frecuencia; uno que pueda informar políticas y regulaciones. En parte, es por eso que los camiones pagan más en términos de impuestos de circulación que los automóviles (aunque no pagan 1582 veces más…).

Como era de esperar, los ingenieros de pavimentos utilizan un enfoque mucho más detallado para diseñar y construir una carretera, eligiendo los materiales que mejor puedan soportar las cargas que experimentará durante su vida útil. Debido a que los camiones ejercen fuerzas considerablemente mayores (y causan más desgaste) que cualquier otra cosa en las redes de carreteras, el número de camiones que se espera que utilicen una carretera (y la frecuencia de los viajes) es lo que definirá el diseño de esa carretera. Factores como el espesor de la base, la dureza y durabilidad del agregado y el material de la superficie se pueden ajustar para producir una carretera adecuada para su propósito. Por lo tanto, las carreteras y otras carreteras por las que circulan numerosos camiones se construyen para poder transportarlos. Las carreteras en áreas de poco tráfico o vecindarios residenciales se pueden construir con materiales de base más delgados y menos costosos, lo que refleja las menores cargas que experimentan. Si los camiones circulan por carreteras no diseñadas para ellos, esas carreteras se degradarán más rápidamente de lo previsto.

Según el Ministerio de Transporte de Nueva Zelanda, en 2021 había 15.357 camiones que pesaban más de 30 toneladas en las carreteras del país. Y la distancia anual recorrida por estos camiones de transporte de mercancías sigue aumentando año tras año. La Asociación Europea de Fabricantes de Automóviles anunció recientemente que las matriculaciones de camiones nuevos aumentaron un 20% en el primer semestre de 2023, lo que equivale a casi 180.000 camiones adicionales en uso. Sorprendentemente, más de una quinta parte de la distancia total recorrida por vehículos de carga por carretera en Europa en 2020 fue “kilometraje muerto”: los camiones no transportaban carga alguna (lo que a menudo refleja el tramo de regreso de un viaje). Tener una flota cada vez mayor de camiones –así como camiones cada vez más pesados– en nuestras carreteras sin duda tendrá un impacto en la estructura de las carreteras. Las tensiones aumentarán, las fallas serán más frecuentes y el mantenimiento será más crítico. Además, el transporte por carretera es un negocio con altas emisiones. Actualmente genera el 15 % de las emisiones de CO2 europeas y es la causa del 80 % del aumento mundial del consumo de diésel desde el año 2000…. pero ese es un artículo en sí mismo.

El transporte por carretera es uno de los principales contribuyentes a la huella de emisiones de la humanidad y, como tal, es un importante impulsor del cambio climático. También es uno de los sectores más susceptibles a los efectos del cambio climático. Esperemos que surja un sentido de autoconservación, más temprano que tarde.