Un viaje más suave

Los estándares sobre concreto y asfalto apoyan la innovación y la infraestructura

Por Jack Maxwell

Si conduce un vehículo, probablemente esté familiarizado con el problema del deficiente mantenimiento de la infraestructura de transporte. Lo siente en cada depresión y cada hueco de las pistas. Le causa muchas molestias cada vez que cierran de improviso un puente local para reparaciones urgentes. Y le frustra el ritmo aparentemente lento de las mejoras.

Con millones de kilómetros de carreteras pavimentadas en todo el mundo, no debería sorprender que hubieran algunos baches aquí y allá. Una mirada a la longitud acumulada estimada de las vías pavimentadas en países principales nos da una idea del gran alcance de este problema:

• Brasil: 212.798 Km
• China: 4.046.300 Km
• Francia: 1.028.446 Km
• Sudáfrica: 158.952 Km
• Estados Unidos: 6.500.000 Km

Y aunque más carreteras se construyen cada día, de acuerdo con el aumento de la población, la permanente necesidad de incrementar la construcción y el mantenimiento de carreteras y puentes, se ha convertido en un desafío mundial urgente. Ya sea que esté hablando de una carretera agrícola de dos carriles en Provenza, Francia o de una autopista interestatal de 16 carriles en California, la reparación y el reemplazo de una gran cantidad de antiguas carreteras requerirán compromisos masivos y sostenidos por parte de los gobiernos.

Y además están los puentes. Solamente en los Estados Unidos, la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles estima que cerca del 40 por ciento de los más de 614.000 puentes del país tienen al menos 50 años de antigüedad. Más de 55.000, o algo más del 9 por ciento, se consideraron estructuralmente deficientes en 2016.

El concreto y el asfalto son elementos clave en la construcción de carreteras y puentes y en proyectos de reparación. Los comités sobre Cemento (C01), Concreto y aditivos para concreto (C09) y Materiales para calles y pavimentos (D04) de ASTM International han desempeñado - y continúan haciéndolo - funciones importantes en la evolución de la infraestructura.

La innovación en la tecnología de concreto y asfalto, tales como las formulaciones avanzadas de material, están siendo apoyadas por actualizaciones regulares de los estándares mundialmente aceptados en lugares como ASTM International. Juntos, los nuevos estándares y enfoques de infraestructura están creando una ruta de avance para el transporte y la infraestructura.

Unas cuantas verdades sobre el concreto

El concreto, generalmente, es reconocido como el material artificial más ampliamente usado en el mundo. Es engañosamente simple, con sólo unos pocos ingredientes básicos, agua y cemento Portland (que se mezclan para crear una pasta), y agregados gruesos y finos (que son partículas de refuerzo). El endurecimiento de la pasta para convertirse en concreto obedece a una reacción química entre el agua y el cemento.

En el concreto se utilizan comúnmente materiales cementosos adicionales, típicamente subproductos de otros procesos de fabricación. Estos incluyen cenizas volantes procedentes de la quema de carbón, cemento de escoria de la fabricación de hierro y humo de sílice de la fabricación de silicio o metal de fierro-silicio. La sílice amorfa (no cristalina) en estos materiales proporciona al concreto la resistencia y durabilidad a largo plazo.

Las proporciones típicas en volumen son de aproximadamente 10 a 15 por ciento de materiales cementosos, 15 a 20 por ciento de agua y 60 a 75 por ciento de agregados. Se incorporan pequeñas burbujas de aire (aproximadamente del 5 al 8 por ciento) para mejorar la resistencia a los ciclos de congelación y descongelación.

El comportamiento del concreto se determina esencialmente a nivel microscópico. Atributos como resistencia y durabilidad son rastreables hasta las propiedades de la pasta de silicato de calcio hidratado, formada por la reacción del agua y el cemento Portland, que une los componentes del concreto entre sí. Los materiales para el concreto se están ajustando continuamente para refinar su estructura microscópica y mejorar su rendimiento a largo plazo.

De acuerdo con Colin Lobo, Ph.D., PE, vicepresidente ejecutivo de ingeniería de la Asociación Nacional de Concreto Mezclado, en Estados Unidos se produjeron alrededor de 344 millones de metros cúbicos de concreto en 2016, siendo utilizado alrededor del 15 por ciento de este total, para proyectos de infraestructura de carreteras y puentes. Paul Tennis, Ph.D., director de estándares y tecnología de la Portland Cement Association, señala que alrededor del 30 por ciento del cemento Portland producido anualmente en Estados Unidos se convierte en un componente del concreto utilizado en estos proyectos.

Un mayor enfoque en los impactos ambientales de los materiales utilizados en la construcción de carreteras y puentes, así como la dificultad de financiar la enorme cantidad de trabajo necesario, han creado un fuerte incentivo para desarrollar alternativas al cemento y concreto convencionales que cuesten menos, tengan un mayor rendimiento y sean más sostenibles. Afortunadamente, están surgiendo varias opciones prometedoras.

Sílice coloidal

Una de estas opciones es la sílice coloidal, un material suplementario (como la ceniza volante y el humo de sílice) que reacciona para formar compuestos que mejoran las propiedades del concreto. La sílice coloidal es una evolución reciente que permite ajustar las propiedades a nivel microscópico.

La sílice coloidal se ofrece como una suspensión líquida que contiene partículas de sílice extremadamente pequeñas, tan pequeñas que se miden en nanómetros, que equivalen a una milmillonésima de un metro. Un estudio de 2012 publicado en la revista Construction and Building Materials encontró que “se observó una mejora significativa en las mezclas que incorporan nano-sílice en términos de reactividad, desarrollo de resistencia, refinamiento de la estructura de poros y densificación de la zona de transición de la interfaz”.

El material se ha utilizado como una mezcla en los densificadores de concreto que llenan los poros, aumentan la densidad superficial, y pulen los pisos y mesadas de concreto.  Jon Belkowitz, director de investigación y desarrollo de Intelligent Concrete (una empresa de consultoría), señala que también es un aditivo común para el "torcreto", un tipo de concreto que se rocía a alta velocidad con una manguera sobre una superficie de construcción.

Sin embargo, Belkowitz cree que la falta de estándares está impidiendo el uso más extendido de este aditivo. “A pesar del aumento en la popularidad del uso de sílice coloidal en concreto, el principal obstáculo que impide su aplicación en el concreto de forma cotidiana es la falta de una especificación estándar de ASTM International”, dice Belkowitz. “Ingenieros, superintendentes, arquitectos y productores de concreto no se sienten cómodos utilizando un producto de concreto, a menos que haya una especificación de ASTM International que rija su aplicación en el ámbito del concreto”.

La buena noticia es que se está desarrollando un estándar para ello - una especificación propuesta para la sílice coloidal (WK53768) - que apoyará su uso.

Energía integrada y reciclaje

La fabricación de cemento requiere mucha energía. El carbonato de calcio, en su mayoría de piedra caliza minada, es la materia prima principal. Los componentes que incluyen piedra caliza, arcilla, hierro y aluminio se calientan a más de 1500 °C para crear el clinker, una sustancia similar a la roca que se muele para reducirla a un polvo fino y utilizarla como cemento en una mezcla de concreto.

El proceso de calcinación descompone el carbonato de calcio en la mezcla de cemento, generando dióxido de carbono. El combustible utilizado en el proceso de fabricación también contribuye a las emisiones de CO2. Al decir esto, Colin Lobo de NRMCA señala que el cemento Portland representa sólo el 10 por ciento del peso del concreto utilizado en la construcción.

Para muchos materiales de construcción, el reciclaje de productos que ya han pasado por el proceso de fabricación requiere menos energía que hacerlos desde cero. Richard Szecsy, Ph.D., P.E., es presidente y CEO de la Texas Aggregate and Concrete Association, y se ha desempeñado en el Comité sobre Concreto de ASTM International en varias de sus competencias durante 15 años. Señala que un desarrollo particular será crucial en el futuro: la introducción de concreto "devuelto" y de un nuevo estándar (C1798) que podría ayudar a ampliar su uso. Esto tiene el potencial de reducir los residuos asociados con la producción de concreto y la construcción, así como la energía necesaria para producir el concreto y sus ingredientes.

"El desarrollo del C1798 tiene el potencial de tener un impacto enorme", dice Szecsy.  "El estándar permite el uso de concreto devuelto, en un estado no endurecido, en la producción de nuevo concreto. Considera al concreto residual o no utilizado en el tambor mezclador como una fuente de material potencial al igual que los agregados, los materiales cementosos o el agua. Antes de este estándar, el material se eliminaba generalmente en un vertedero. Con esta especificación, el concreto devuelto se puede utilizar en lugar de terminar como un material de desecho".

"Comenzamos a trabajar en el C1798 hace unos 12 años, porque sabíamos que el concreto regresaba al productor y que la carga se realizaba sobre los residuos y se enviaba nuevamente a la obra", añade Chris Slate, director de servicios técnicos de Alamo Concrete Products Co. y miembro del comité. "Queríamos aplicar algo que pudiera proteger tanto al comprador como al productor, así como orientar a un productor que quisiera iniciar un programa de manejo de concreto fresco devuelto".

Slate señala que el estándar C1798 está en uso, pero que la especificación para mezclas de concreto (C94), todavía necesita modificaciones que permitan que el concreto fresco devuelto sea utilizado en la producción de concreto fresco. Espera que el trabajo se complete este año.

Reciclaje del asfalto

Cualquier discusión acerca de la infraestructura de carreteras y puentes debe tomar en consideración el asfalto.
En Estados Unidos, por ejemplo, las cifras de la Administración Federal de Carreteras (Federal Highway Administration) indican que de las carreteras pavimentadas (1.533.705 Km), solamente 254.276 Km son de concreto; el resto, cerca de 1.287.475, son de asfalto.

¿Quién decide qué material utilizar? De acuerdo con Colin Lobo de NRMCA, "Generalmente, la agencia estatal de carreteras de Estados Unidos establece una preferencia por asfalto o por concreto.  En algunos estados del Medio Oeste, el concreto es el material principal utilizado para pavimentar las carreteras, mientras que en otros estados se utiliza concreto en las interestatales de tráfico intenso con volúmenes más grandes de tránsito de camiones". También se toman en consideración otros factores, como el costo inicial y el costo de ciclo de vida, los gastos de mantenimiento y la velocidad con la que se puede completar un proyecto.

Enfoques híbridos: asfalto utilizado como recubrimiento aplicado sobre un pavimento de concreto antiguo que ha comenzado a deteriorarse o, inversamente, capas de concreto colocadas sobre pavimento de asfalto cuando las cargas de tráfico han cambiado, son bastante comunes también.

"Superpave" es un método común de diseño de mezcla de asfalto, utilizado en países como Estados Unidos. También se conoce como mezcla caliente de asfalto, mezcla de asfalto y concreto asfáltico.

Rebecca McDaniel, Ph.D., P.E., es Directora técnica del North Central Superpave Center y Vicepresidenta del Comité sobre Materiales de carreteras y pavimentación (D04). Ha trabajado en la industria del asfalto por más de 20 años. "Cada año se producen alrededor de 350 millones de toneladas de pavimento asfáltico para carreteras, aeródromos, estacionamientos, etc.", señala.  Y "cuando esos pavimentos necesitan rehabilitación o reemplazo, se recicla el 99 por ciento del material retirado (conocido como pavimento asfáltico recuperado o RAP por las siglas en inglés de "Reclaimed Asphalt Pavement") y la gran mayoría se reutiliza en nuevas mezclas de asfalto".

RAP es, de lejos, la forma más común de asfalto reciclado, pero otro enfoque también está ganando terreno en la industria. En la "recuperación completa" (o FDR por las siglas en inglés de "full-depth reclamation"), el material de la carretera de asfalto deteriorado y el material de la base granular subyacente, se incorporan en un nuevo material de base más resistente. La FDR con base de cemento es más fuerte y duradera, así como más rápida y menos costosa para su construcción que las técnicas tradicionales de retiro y reemplazo. También es muy sostenible, ya que la mayoría del material existente se recicla en el lugar. El subcomité sobre Estabilización con aditivos mediante mezcla (D18.15) desarrolla y mantiene los estándares relacionados con FDR.

Otros materiales también están encontrando aplicación en el asfalto utilizado para la construcción de carreteras. "El caucho de neumáticos está disponible en grandes cantidades, al menos en algunas áreas, y se utiliza cada vez más en el asfalto. El caucho aporta cierta flexibilidad adicional a la mezcla. Algunos estados de Estados Unidos, como California, Arizona y Florida, entre otros, usan ampliamente el caucho de neumáticos molidos", dice McDaniel.

¿El huevo o la gallina?

Desde el concreto de ultra-alto rendimiento y autoconsolidado, hasta los nuevos cementos mezclados y el uso aún más extendido del pavimento asfáltico recuperado, hay muchos desarrollos interesantes en las industrias de concreto y asfalto que podrían tener un impacto positivo en los esfuerzos futuros de rehabilitación de la infraestructura de carreteras y puentes. La palabra clave en esa declaración es "podrían", y la gran pregunta es qué se necesita para que estas nacientes tecnologías amplíen su cuota de mercado.

Varios de los expertos de la industria contactados para este artículo citaron la importancia crucial de estándares de consenso y métodos de prueba que apoyen las tecnologías existentes, las nuevas y las que se encuentran en evolución. Por ejemplo, Richard Szecsy dijo: "Es un poco como la analogía de "el huevo o la gallina", en términos de cuál apareció primero. En lo que respecta a las comunidades de ingeniería y de especificaciones, no existe ninguna nueva tecnología antes de que exista un estándar o especificación de ASTM International que la reconozca. Pero para desarrollar el estándar o la especificación, alguien tiene que desarrollar una tecnología que no está siendo reconocida por los estándares o especificaciones actuales. En mi experiencia, siempre ha sido el desarrollo de la tecnología el que precede al desarrollo de los estándares".

Szecsy también señala el desfase de tiempo entre el desarrollo de estándares y su implementación. "El desarrollo de estándares está ocurriendo más rápido, aunque su adopción en los documentos reales de construcción se está moviendo al mismo paso histórico - es decir, demasiado lento. Tenemos nuevos documentos de ASTM que pueden y mejoran la calidad o los materiales utilizados en proyectos de infraestructura, pero las especificaciones de construcción continúan haciendo referencia a los documentos de ASTM de hace una década".

Tal vez Whitney Belkowitz, presidenta y CEO de Intelligent Concrete, lo expresó mejor en un comentario que una vez hizo acerca de que, aunque se centra específicamente en la industria del concreto, ciertamente podría aplicarse al problema más amplio de la rehabilitación de la infraestructura: "Estamos solucionando los problemas de hoy con tecnologías de ayer". Los muchos profesionales dedicados que colaboran en los comités sobre Concreto y asfalto de ASTM International están trabajando muy fuerte para cerrar esta brecha.

Jack Maxwell es un escritor independiente que vive en Westmont, Nueva Jersey.