Comparación de los costos del ciclo de vida de tres alternativas de mantenimiento y rehabilitación de pavimentos

*Por los Ings. Gerardo W. Flintsch y Wilmar Fernández-Gómez

 

La carretera estudiada corresponde a un segmento de la inter-estatal de 5.9 Km en el Estado de Virginia en Estados Unidos, la que se reconstruyó en el año 2011 y el periodo de análisis fue de 50 años. Se estudiaron tres alternativas: un mantenimiento correctivo, una reconstrucción tradicional, y una rehabilitación basada en reciclaje. Como resultado, se encontró que la alternativa basada en reciclaje es la más ventajosa desde el punto de vista económico dado que se realiza menor inversión en compra de materiales vírgenes y el tiempo de ejecución es menor siempre y cuando se cuente con el equipamiento necesario para fabricar las mezclas en sitio.

INFRAESTRUCTURA SOSTENIBLE

La infraestructura es la oferta de cada gobierno para proveer calidad de vida a sus habitantes y que conecta el ambiente natural, la sociedad y la economía. La infraestructura de transporte permite el movimiento de bienes, servicios y personas, y por lo tanto es un motor de desarrollo. En efecto, la calidad de la infraestructura está directamente relacionada con el desarrollo económico, la calidad del medio ambiente y la equidad social. Por su parte, la línea base de la sostenibilidad esta cimentada sobre el balance que debe existir entre el desarrollo económico y los impactos sobre el medio ambiente y sobre la sociedad. Por esta razón, la función objetivo de una infraestructura de transporte sostenible puede ser vista como aquella que maximice la calidad de vida de la sociedad y su beneficio económico y minimice los impactos negativos sobre el ambiente natural (Flintsch and Bryce, 2014). La gestión sostenible de pavimentos es, entonces, la aplicación de los conceptos de sostenibilidad a las prácticas tradicionales de la gestión de pavimentos. El mismo es un procedimiento sistemático, objetivo y consistente para evaluar la condición actual del pavimento y predecir la condición futura dadas ciertas limitaciones (ej. presupuesto) y las opciones de mantenimiento y rehabilitación (Shanin 2005). La gestión de pavimentos es una herramienta para apoyar la toma de decisiones a distintos niveles de gestión, incluyendo el nivel estratégico, el nivel de red y el nivel de proyecto.
Cada nivel debe atender diferentes funciones. El nivel estratégico es donde se proponen metas y objetivos de carácter amplio e incluye diferentes activos de la red de pavimentos y así destinar el presupuesto a diferentes políticas. A manera de ejemplo, las políticas pueden ser: “Mantener el pavimento en condición buena” o “Incrementar la seguridad para el viajero”.
El siguiente nivel con mayor grado de detalle es el nivel red, aquí es donde se distribuye el presupuesto y se seleccionan los proyectos a incluir en los planes de obra. La información requerida es usualmente menor que la requerida en la etapa de diseño y generalmente se representa por indicadores globales de la condición del pavimento.
El último nivel corresponde al nivel proyecto en donde el grado de detalle de la información es mucho más detallado, ya que debe contener la información necesaria y suficiente para realizar el diseño técnico de las intervenciones de mantenimiento o rehabilitación del pavimento. En complemento de lo anterior es necesario determinar los impactos económicos y medioambientales de las políticas de las intervenciones y de la gestión de pavimentos.
Para los impactos económicos, básicamente existen dos métodos: el Análisis de Costos del Ciclo de Vida (LCCA) y el Análisis de Costo Beneficio (CBA).
El LCCA es un método económico para comparar las opciones de inversión a largo plazo. Para desplegar un LCCA es necesario proponer diferentes alternativas de mantenimiento en un marco de tiempo y activar para cada una los umbrales de condición del pavimento deseado. Después, se deben estimar los costos en que incurrirán tanto la agencia como los usuarios en el marco de tiempo escogido. Finalmente, se desarrolla el flujo de gastos y se determinan los costos descontados en el tiempo para calcular el valor presente neto para cada alternativa. En el caso de la evaluación ambiental el método ampliamente aceptado es la evaluación de ciclo de vida (LCA), en la se realiza la estimación de todos los impactos ambientales generados a lo largo del ciclo de vida del pavimento.

EVALUACIÓN DEL CICLO DE VIDA DE LOS PAVIMENTOS

Generalmente, el ciclo de vida de los pavimentos considera cinco etapas o fases (Harvey et al, 2010):

  1. Diseño del pavimento.
  2. Extracción y producción de materiales.
  3. Construcción, mantenimiento y rehabilitación (M&R).
  4. Uso.
  5. Finalización de la vida útil.

Para efectos de este análisis, el modelo de ciclo de vida propuesto parcialmente amplía este esquema y contiene seis etapas que son las siguientes:

  1. Producción de materiales.
  2. Construcción y M&R.
  3. Transporte de materiales.construcción.
  4. Manejo de la zona de trabajo.
  5. Uso.
  6. Finalización de la vida útil.

Dado que la vía fue objeto de una rehabilitación, la etapa de diseño no se tuvo en cuenta y se adicionaron dos etapas que tienen una gran influencia en los costos, el transporte de materiales y el manejo de la zona de trabajo (Ver tabla 1).

Las herramientas para la toma de decisiones deben responder a las siguientes preguntas: ¿cómo se está deteriorando el pavimento?, ¿cuánto tiempo o qué vida remanente hay para tener unas condiciones de calidad adecuadas para el tránsito?, ¿qué acción de mantenimiento debo realizar y en qué momento?
Para responder la primera pregunta es necesario conocer periódicamente el estado del pavimento, lo que permite comprender la manera de cómo se están deteriorando. El estado, usualmente, se mide a partir de indicadores de calidad como el Índice de Servicio Presente (PSI), o Índices de Deterioro como el Critical Condition Index (CCI), utilizado en Virginia (McGhee 2002). Las acciones de mantenimiento a realizar dependen del estado en que se encuentre el pavimento, éstas puedenser: no hacer nada (mantenimiento rutinario), mantenimiento preventivo, mantenimiento correctivo, rehabilitación, o reconstrucción. Finalmente, el momento para hacerlo depende el umbral en el cual la agencia considera que se requiere una intervención, es decir, que las acciones de mantenimiento o rehabilitación se realizarán cuando alguno de los indicadores mencionados alcance un umbral de acción o de falla, como se muestra esquemáticamente en la figura 1.

En el caso de estudio, la figura 2 muestra dos curvas de deterioro de una sección de pavimento de la Interestatal I-81 en el Estado de Virginia. El proyecto tiene una longitud de 5.9 Km, la vía tiene 2 carriles por sentido, y el Periodo de Análisis del Proyecto (PAP) es de 50 años contando a partir del 2011, fecha en la que se rehabilitó la estructura existente. El tráfico promedio diario del primero se estimó en 25.000 vehículos con 28% de camiones y la tasa de crecimiento en 3% (Diefenderfer et al 2012). Los puntos para la construcción de las curvas se obtuvieron de datos históricos de las secciones viales. La figura 2(a) corresponde al estado y la predicción del deterioro por medio de la estimación del CCI (McGhee 2002), índice que relaciona los daños en un pavimento asociados y no asociados a las cargas del tránsito. La zona sombreada representa el momento aproximado en el cual es necesario realizar acciones de mantenimiento. La curva 1(b) muestra el estado y proyección del Índice de Regularidad Internacional (IRI). Las líneas de proyección representan los valores esperados del IRI en el tiempo de acuerdo con el tipo de intervención y las deflexiones medidas. Si las proyecciones exceden los umbrales de acción, debe hacerse una intervención.

Determinados los momentos de las intervenciones para las distintas estrategias, se propone el tipo de actividades iniciales y futuras a realizar. En la tabla 2 se presentan tres alternativas de ejecución, comparando una intervención basada en reciclaje, una intervención tradicional y un mantenimiento correctivo, que era lo que se venía realizando hasta el momento en el tramo en cuestión. Según los datos históricos de desempeño del departamento de Transporte de Virginia (VDOT), se requieren 5 cm de fresado y recapado, incluyendo parcheo de mayor profundidad en los sitios que lo necesiten, para mantener una adecuada capacidad estructural del pavimento. Sin embargo esta política requiere intervenciones frecuentes (Ver tabla 2).

COSTO TOTAL DEL CICLO DE VIDA

La figura 3 muestra el Valor Presente Neto (VPN) de las tres estrategias de mantenimiento, teniendo en cuenta cada una de las fases dentro del ciclo de vida a lo largo del periodo de análisis. Como se aprecia, en todas las etapas del ciclo de vida, la alternativa de menor costo corresponde a la basada en reciclaje, lo que puede asegurar grandes ahorros para las agencias frente a las otras opciones de mantenimiento.
En los costos asociados a la producción de materiales, entre un 80 y 90% corresponde a la adquisición de materiales crudos y el resto corresponde a costos fijos y variables de las plantas de concreto asfáltico y consumo de energía. Para el caso del transporte de materiales, los costos de transporte para este ejemplo en particular se reducen radicalmente cuando se utiliza la alternativa basada en reciclaje.
Debido al alto nivel de tráfico en la carretera estudiada, los costos asociados con el manejo de la zona de trabajo (WZ) son los más altos. Estos incluyen los costos de operación del vehículo y los costos del tiempo por los retrasos ocasionados. El primero, que tiene asociados los costos de combustibles, grasas, desgaste de llantas, mantenimiento y reparación, puede ser de un 10%, así como el valor de la depreciación del vehículo por el tiempo de espera y por el kilometraje adicional (en el caso de desvíos) puede ser otro 10% y el segundo, que es el 80% restante, corresponde al costo del tiempo de retraso de los ocupantes de los vehículos. Los costos de combustible oscilan entre un 30% (opción basada en reciclaje) y un 59% (las otras dos alternativas de M&R). Según Chatti & Zaabar (2012), cuando el IRI de la carretera es menor al 3 m/km, no existen efectos directos sobre los vehículos en términos de mantenimiento y reparación. Según las proyecciones de IRI en este proyecto, no se alcanzará este umbral por lo que ese costo es tomado como 0%. Además el VDOT considera como umbral final de la vida útil de un pavimento un IRI de 3.16 m/Km. Por último, el costo del finde la vida útil se estimó calculando el valor residual de la estructura del pavimento y es dado por el potencial valor del servicio que presta en su estado final, lo que se convierte en un ahorro para la agencia en vez de ser un gasto, por esa razón el valor es negativo (el detalle de todos estos costos se puede consultar en Santos et al. 2015).

El análisis de costos del ciclo de vida también puede dar una mejor percepción de la distribución de  costos entre la agencia y los usuarios. La figura 4 muestra el Valor Presente Neto (VPN) de cada uno de los costos del ciclo de vida, frente a las tres estrategias de mantenimiento estudiadas. En ella, se observa que la reconstrucción tradicional es más costosa para la agencia que las acciones de mantenimiento correctivo y tanto para la agencia como para los usuarios la alternativa basada en reciclaje es la menos costosa. Además, si bien los efectos de la rugosidad en el costo para los usuarios son similares en las tres alternativas de mantenimiento, los efectos de la zona de trabajo en los costos es significativa entre el 73 y 81%, quizás por el menor tiempo en la ejecución de las obras y por el número de intervenciones a realizar en el período de análisis.

CONCLUSIONES

El trabajo ilustra cómo el análisis de costos del ciclo de vida de los pavimentos puede ser una herramienta útil para apoyar la toma de decisiones sobre las inversiones a realizar en una agencia vial. Sin embargo, se requiere que:

  1. Las agencias se establezcan políticas y objetivos claros.
  2. Se realicen mediciones del estado de pavimento periódicamente.
  3. Se validen y actualicen periódicamente los costos de insumos, maquinaria y equipo con el fin de tener datos plausibles para la toma de decisiones.  Además, muestra los beneficios económicos que se pueden lograr con el reciclado en sitio de pavimentos.

En el caso de estudio particular, la alternativa basada en reciclaje resultó beneficiosa tanto para la agencia como para los usuarios. Esto es debido a los ahorros en materiales y transporte y a que la regularidad del pavimento en todo el ciclo de vida es inferior al umbral que genera consumo adicional a los vehículos. Además, el análisis permite determinar que la fase del ciclo de vida que tiene mayor impacto en los costos para las agencias es la adquisición de materiales, en las tres alternativas estudiadas. No obstante, en la alternativa basada en reciclaje este ítem puede reducirse hasta en un 50% comparado con las otras dos alternativas. Para el caso de los usuarios, el costo con mayor impacto corresponde al manejo de la zona de trabajo, por la cantidad de tiempo que se cierra la carretera y por los desvíos que tienen que tomar los usuarios.

Referencias:

Chatti, K., & Zaabar, I. (2012). Estimating the effects of pavement condition on vehicle operating costs (National Cooperative Highway Research Program Report No. 720). Transportation Research Board, Washington, D.C. Retrieved from Transportation Research Board website: http://www.trb.org/Main/Blurbs/166904.aspx.

Diefenderfer, B. K., Apeagyei, A. K., Gallo, A. A., Dougald, L. E. & Weaver, C. B. (2012). “In-place pavement recycling on I-81 in Virginia.” Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, 2306, 21-27.

Flintsch G., Bryce J. (2014) “Sustainable Pavement Management.” In Gopalakrishnan K, JvdM Steyn W. and Harvey J (Eds). Climate Change, Energy, Sustainability and Pavements. (pp 373-392) Springer.

Harvey, J., Kendall, A., Lee, I.-S., Santero, N., Van Dam, T. & Wang, T. (2010). Pavement life cycle assessment workshop: discussion summary and guidelines (Technical Memorandum: UCPRC-TM-2010-03). Retrieved from University of California Pavement Research Center website: http://www.ucprc.ucdavis.edu/PublicationsPage.aspx
n
McGhee K. (2002).  Development and implementation of pavement condition indices for the Virginia Department of Transportation. Phase I flexible pavements. VDOT

Santos, J., Bryce, J., Flintsch, G., Ferreira, A., & Diefenderfer, B. K. (2015). “A life cycle assessment of in-place recycling and conventional pavement construction and maintenance practices.” Structure and Infrastructure Engineering. 11(9), 1199-1217. http://dx.doi.org/10.1080/15732479.2014.945095

Santos, J., Bryce, J., Flintsch, G. & Ferreira, A. (2015) “A comprehensive life cycle costs analysis of in-place recycling and conventional pavement construction and maintenance practices.” Proceedings of the 9th International Conference on Managing Pavement Assets, Alexandria, Va, May 2015.

Shahin, M. (2005). Pavement management for airports, roads, and parking lots. New York: Springer.