CÓMO AFECTA EL ESTADO DE NUESTRAS CARRETERAS AL CONSUMO DE COMBUSTIBLE?

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1 CÓMO AFECTA EL ESTADO DE NUESTRAS CARRETERAS AL CONSUMO DE COMBUSTIBLE? Autor DAVID ALMAZÁN CRUZADO Director del Departamento de Firmes y Pavimentos de Eptisa GIANNI ROVITO SCANDIFFIO Consultor Independiente

2 RESUMEN La actual crisis económica y financiera que azota a la mayor parte de países europeos y traspasa continentes, está afectando seriamente a las inversiones en conservación y mantenimiento de las carreteras existentes. Esta situación está generando que se adquieran menos vehículos nuevos, que se reduzcan las inversiones en mantenimiento por parte de los usuarios, y que en paralelo las carreteras se vayan deteriorando paulatinamente. De esta manera se está iniciando una decadencia de los niveles de eficiencia general que se habían alcanzado en los últimos años, aumentando a su vez los consumos de combustible. Mediante este artículo se pretende concienciar a los Gestores de Infraestructuras, resto de profesionales del sector y por supuesto, a todos los usuarios, de la influencia que tiene el estado de las infraestructuras viarias en el consumo de combustible, entre otros aspectos. INTRODUCCIÓN El consumo de combustible de cualquier vehículo que circule por una carretera va a depender de múltiples factores. Los principales serían los que se relacionan a continuación, aunque también pueden tener influencia otros parámetros, pero en menor medida, como el ancho, temperatura y la composición de los neumáticos, la estructura del firme o la temperatura del pavimento: - El estado de conservación de la capa de rodadura - La resistencia al deslizamiento (rolling loss) en la interacción neumático-pavimento, donde el coeficiente de rozamiento transversal, el estado de los neumáticos y la presión del inflado del vehículo representan un papel fundamental. - La eficiencia termodinámica del motor del vehículo (Thermodinamic loss) - El efecto aerodinámico del vehículo en función de su diseño (Air drag loss) - La pendiente longitudinal y el peso del vehículo - Tipo de vía: Secuencias de arranques-paradas, especialmente en zonas urbanos (Climbing/Accerelation) - Pérdidas de transmisión en el motor (Driveline loss) - Velocidad de circulación o rpm del motor durante la circulación. - Climatología - Tipo de combustible (gasolina, gasóleo, ) - Circulación con aire acondicionado conectado - Tipo de conducción (relajada/agresiva)

3 Estos factores a su vez pueden influir de manera diferente según la geometría de la vía. Para demostrar este hecho se pueden observar las Figuras 1 y 2, donde se presenta para un mismo tipo de vehículo pesado y velocidad constante, 80 Km/h, circulando por un pavimento en buen estado, cómo se repartiría el gasto energético teórico por consumo de combustible para un tramo en pendiente y un tramo recto, respectivamente. Figura 1. Diagrama de distribución de la energía por consumo de combustible para un vehículo pesado de 40 Tm, circulando a velocidad constante de 80Km/h por un tramo en pendiente. Fuente: Linköping University (Suecia) Figura 2. Diagrama de distribución de la energía por consumo de combustible para un vehículo pesado de 40 Tm, circulando a velocidad constante de 80Km/h por un tramo recto. Fuente: Linköping University (Suecia) 2.- EXPERIENCIAS ACUMULADAS A NIVEL INTERNACIONAL En el presente apartado se pretenden poner de manifiesto distintos casos de estudio realizados a nivel internacional, donde se puede apreciar la influencia de algunos de los factores anteriormente mencionados y el consumo de combustible LA INFLUENCIA DE LA REGULARIDAD SUPERFICIAL INTRODUCCIÓN A nivel internacional se puede cuantificar y comparar la regularidad superficial de un firme mediante el empleo de aparatos de auscultación que miden el IRI. Este índice fue en su día propuesto por el Banco Mundial y de hecho sigue vigente para caracterizar el estado superficial del pavimento. En 1982 se realizó en Brasil una investigación a nivel internacional para llegar a establecer unos umbrales de IRI en diferentes condiciones (aeropuertos y autopistas, pavimentos de nueva construcción, pavimentos envejecidos, firmes no pavimentados en buenas condiciones de conservación, firmes deteriorados y firmes y medidos con distintos equipos de auscultación). El resultado al que se llegó queda reflejado en la figura 3.

4 Figura 3. Escalas orientativas de Índices de Regularidad Internacional, según Sayers 1986 Como norma general, la irregularidad de los pavimentos produce una resistencia al deslizamiento, y por ende un aumento en el consumo de combustible, como se demostrará en las investigaciones que a continuación se describen de manera muy sintética. LA EXPERIENCIA AMERICANA CASO 1: ESTUDIO REALIZADO POR FHWA Sobre una pista de ensayos normalizada y debidamente instrumentada (WestTrack), en base al ensayo acelerado en pista, la Federal Highway Administration en Nevada (EEUU), realizó en un estudio con el objetivo de acumular datos de comportamiento de una capa de rodadura de tipo hormigón bituminoso. Este estudio contemplaba asociar los consumos de combustible según la evolución de las degradaciones superficiales de la pista durante un periodo de dos años y medio. Al final del estudio se pudo establecer una clara correlación entre el estado del pavimento y los consumos de combustible, demostrando que se producían ahorros de combustible si la regularidad superficial era la adecuada. CASO 2: ESTUDIO REALIZADO POR MoDOT En Mayo del año 2005, el Departamento de Transportes de Missouri (MoDOT) quiso llevar a la práctica estudios a escala real sobre el consumo de combustible relacionado con el estado del pavimento. Para ello tomó un tramo de autopista, I-70, de 22 millas, en malas condiciones de regularidad superficial, previamente cuantificados mediante vehículo ARAN. Por él se hicieron circular 4 camiones idénticos debidamente instrumentados, a una velocidad constante de 60 millas/h, con los mismos conductores y la misma climatología durante 25 horas de conducción. Sobre esta fase se acumularon datos de consumo asociados a su regularidad superficial.

5 Figura 4. Detalle de un tramo de la Autopista I-70 antes (izquierda) y después (derecha) de la rehabilitación del firme Posteriormente, en Septiembre, se procedió a rehabilitar superficialmente este tramo de firme. Para los cual se decidió fresar 8 cm de aglomerado existente, con su posterior reposición con mezcla de tipo Superpave 190, y posteriormente otros 4 cm de rodadura de tipo SMA. Una vez realizada la mejora del pavimento, se volvieron a tomar datos de regularidad superficial en ambas calzadas. Los resultados obtenidos de manera comparativa se muestran en la figura 5. Como se puede observar, tras la actuación se obtuvo una mejora de un 53% en la regularidad superficial comparando las medidas de IRI antes y después de la rehabilitación. Figura 5. Datos de IRI obtenidos en ambas calzadas, antes (Before) y después (After) de la rehabilitación del firme. Para la interpretación de resultados entiéndase que un IRI de 100 in/mile se corresponde con 1.5 m/km aprox, y que un IRI de 200 in/mile se corresponde con 3 m/km aprox.

6 Posteriormente se volvieron a hacer pasar los 4 camiones instrumentados durante otras 25 horas y en las mismas condiciones que antes de la intervención. Durante este proceso se hizo pasar un vehículo tipo SUV (Todo-Terreno) para tomar datos de temperatura del pavimento, temperatura ambiente, humedad relativa, velocidad del viento y dirección del viento (cada hora, durante las horas de circulación de los 4 camiones) A pesar de que hay una amplia gama de pruebas y estudios de investigación similares realizados en esta misma zona, donde los más relevantes trabajos científicos realizados por el National Center for Asphalt Technology (NCAT) de EEUU, coinciden en que por cada 10% de mejora de la regularidad superficial de un pavimento, se genera un ahorro del 4.5% en el consumo de combustible, en esta ocasión los resultados de estudio arrojaron un ahorro de combustible de entorno al 3%. Esta circunstancia puede explicarse desde el punto de vista del estado de conservación de cada vehículo y su eficiencia tractora, pues son factores con cierta repercusión sobre los consumos de combustible LA INFLUENCIA DE LA REGULARIDAD SUPERFICIAL Y LA CAPACIDAD PORTANTE DEL FIRME Estudios recientes demuestran que las carreteras con una deficiente regularidad superficial aumentan la resistencia al deslizamiento de manera similar a cuando se circula soportando fuertes vientos azotando sobre el frontal del vehículo. De esta forma es necesario un mayor consumo de combustible para mantener constante la velocidad en esas condiciones. El nivel de eficiencia en el consumo de combustible está íntimamente relacionado con el estado superficial del pavimento y el IRI es uno de los parámetros principales para cuantificar el indicador de la comodidad durante la conducción de los usuarios y la eficiencia en el consumo de combustible. En la actualidad existen varios modelos para estimar el consumo de combustible bajo diferentes condiciones de conservación y mantenimiento del firme y climatología. El modelo más utilizado es el Highway Design and Maintenance Standard Model (HMD-4) elaborado por el Banco Mundial, que permite correlacionar el estado superficial del pavimento con el consumo de combustible. Este modelo, que fue recientemente adaptado por Zaabar y Chatti en el año 2010 en EEUU, trabaja con cinco tipos de categoría de vehículos (coche medio, SUV-Todo-Terreno, furgoneta, Camión ligero y Camión articulado), combinados con distintas condiciones de estado del firme y climatologías. A través de este modelo se han obtenido unas curvas de incrementos en el consumo de combustible, en función del valor del IRI (m/km) y de la categoría del vehículo, como se puede observar en la Figura 6.

7 Figura 6. Influencia de la regularidad superficial en el consumo de combustible, para distintas categorías de vehículos. Con objeto de tener un marco de comparación en relación con los resultados alcanzados en este estudio, merece la pena citar un estudio similar realizado por Desconert, en 1990, donde por una parte, se estima un aumento entre 3 a 6% de resistencia al deslizamiento por el aumento de cada unidad de IRI, y por otra, que cuando la resistencia al deslizamiento aumenta en un 5%, el consumo de combustible aumenta en 1% para vehículos ligeros y 5% en vehículos pesados. Finalmente, para poner en evidencia nuevamente los incrementos de combustible debidos al estado del firme, se presenta en la figura 7 un gráfico donde se relacionan los consumos acumulados de combustible por efecto de la evolución de la capacidad portante del firme (deflexiones) y de su nivel de regularidad superficial (IRI), desde 1990 a Como se puede observar los incrementos de consumos de combustible son mucho más sensibles al estado de la regularidad superficial, que a la capacidad portante del firme. Figura 7. Incrementos de consumos acumulados de combustible en función de la evolución de un pavimento, a nivel de capacidad portante (deflections) y de regularidad superficial (Roughness) durante los años 1990 y Fuente LTPP database

8 2.3- LA INFLUENCIA DE LA MICROTEXTURA, MACROTEXTURA, MEGATEXTURA Y LA REGULARIDAD SUPERFICIAL En la década de los noventa se realizó en Suecia un estudio de la influencia de la megatextura, sobre el consumo de combustible. Para ello el Swedish Road and Traffic Research Institute habilitó veinte tramos de prueba con distintas características superficiales, sobre las que hizo circular un vehículo tipo turismo debidamente monitorizado a varias velocidades, todas ellas, inferiores a 70 Km/h. Previamente al paso del citado vehículo se realizó una auscultación de los tramos de prueba, mediante perfilómetro láser para cuantificar la regularidad superficial de cada uno de ellos, mediante el parámetro IRI. Figura 8. Efecto de las características superficiales sobre las cualidades funcionales de los firmes. Fuente: Vademecum de Pavimentación Cepsa-Proas Pues bien los resultados obtenidos permitieron concluir, en primer lugar que existe una muy buena correlación entre los resultados de regularidad superficial de longitud de onda corta, y buena entre los de onda larga, y los consumos de combustible. Y en segundo lugar, que una carretera con una mala regularidad superficial puede llegar a incrementar el consumo de combustible hasta en un 12%, con respecto a una carretera en buen estado superficial, es decir, en adecuadas prestaciones de seguridad y comodidad LA INFLUENCIA DE LA MACROTEXTURA Y EL TIPO DE FIRME En esta ocasión el estudio fue llevado a cabo por De Graaff, D.F en Holanda, en 1999, donde al igual que en el caso anterior se hizo pasar un vehículo, tipo turismo, debidamente monitorizado a 90 km/h sobre seis tramos de prueba, con distintos estados de conservación, de los cuales cuatro eran firmes flexibles (con diferentes texturas en la capa de rodadura: dos abiertas-pa; una cerrada-ac; una rugosas-sma), uno de hormigón y uno semi-rígido.

9 Los resultados de este experimento permiten concluir lo siguiente: - No se observan diferencias significativas entre las distintas texturas superficiales de los pavimentos ensayados y el consumo de combustible - No se observa una diferencia apreciable entre los distintos tipos de firme y el consumo de combustible - Se demuestra la elevada influencia que posee el estado superficial del firme de los tramos ensayados con los consumos de combustible. A peor estado de conservación del firme, mayores consumos LA INFLUENCIA DE LA COMPACTACIÓN DE LA MEZCLA BITUMINOSA La evolución acelerada de una mala regularidad superficial, depende, entre otros factores de una compactación heterogénea del pavimento durante su fase de extendido y compactación. Las diferencias de temperatura de la mezcla presentes en el mismo tramo de extendido no permiten obtener una densidad uniforme de la capa de rodadura. Mediante el uso de una cámara infrarroja se pudo observar, en un tramo de prueba, el significativo diferencial de temperaturas que se generaba durante el proceso de extendido de una determinada mezcla bituminosa. Los efectos perjudiciales del proceso de compactación a bajas temperaturas han sido documentados en los últimos 12 años por La Dirección de Transportes (DOT) del Estado de Washington, Research Report Este Ente estudió en 1996 los efectos que se producían en el pavimento a escala real, en zonas previamente localizadas con bajas compactaciones y medidas con aparato nuclear previamente calibrado con densidades de testigos tomados en obra. Tras este estudio se llegó a la conclusión de que en las zonas que se compactaron a menor temperatura existía una menor densidad que en el resto de la capa. Figura 9. Localización, mediante cámara infrarroja de zonas con temperaturas de compactación de aglomerado en capa de rodadura inferiores a las adecuadas (izquierda) y su repercusión en la explotación, tras un año de puesta en servicio (derecha).

10 Los puntos de la mezcla con temperaturas inferiores a 79ºC presentan mayor rigidez y resistencia a la compactación. Su resultado son densidades inferiores a las zonas con mayor temperatura, y por lo tanto zonas propensas a fallos prematuros del firme. En la figura 9 se observan puntos de baja temperatura, menores a 106ºC, que se correlacionan perfectamente con los puntos más oscuros en de la misma carretera, un año después de su puesta en servicio, donde se manifiestan degradaciones superficiales. 3.- CONCLUSIONES A pesar de la gran complejidad que presentan este tipo de estudios, queda perfectamente demostrado que uno de los efectos que más influencia tiene en el consumo de combustible, es el estado de conservación de las carreteras, y en especial la regularidad superficial de las mismas, donde también se incluiría la presencia de degradaciones superficiales que sobre ella influyan, tales como los baches, los firmes ondulados, los firmes rizados, los hundimientos, los arroyamientos, los cordones longitudinales o las protuberancias, por poner algunos ejemplos. Esta circunstancia vuelve a poner de manifiesto la importancia de invertir en la rehabilitación de las carreteras en España, no sólo desde el punto de la conservación para evitar mayores pérdidas de valores patrimoniales, que también, sino para mejorar las condiciones de seguridad y comodidad de los usuarios, que en definitiva también va a traducir en considerables ahorros de combustible y menores costes de mantenimiento de los vehículos que circulan por la infraestructura. 4.- BIBLIOGRAFÍA Pavement Smoothness and Fuel efficiency (2006). Missouri Department of Transportation Greene, S., Akbarian M, Gregory J., Ulm F., Pavement Roughness and Fuel Consumption (2013). Environmental Impacts and Fuel Efficiency of Road Pavements (2004). EAPA. Eurobitume. Lavaud P., Importancia de la Regularidad Superficial (IRI) en la Construcción de Pavimentos Asfálticos en Caliente (2011)

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