Descripción general
La construcción, el mantenimiento y la rehabilitación de la red mundial de carreteras utilizando las prácticas actuales generarán importantes emisiones de gases de efecto invernadero (GEI).
En este artículo, demostraremos el potencial para reducir significativamente las emisiones de GEI de la industria de la construcción de carreteras mediante la transición a la estabilización in situ/reciclaje en frío utilizando aglutinantes bajos en carbono y la mezcla de nanopolímeros Renolith 2.0.
Problema
La construcción de carreteras tiene una gran huella de carbono.
Las carreteras desempeñan un papel fundamental en el transporte de mercancías y personas, pero su producción requiere grandes cantidades de materiales que emiten gases de efecto invernadero. Estimamos que las existencias de materiales para carreteras ascienden a 254 Gt. Si construyéramos estas carreteras desde cero, la producción de materia prima emitiría 8,4 Gt de CO₂.2-equivalente.
Existencias de materiales y emisiones de gases de efecto invernadero incorporadas en el pavimento de carreteras urbanas y globales, Ciencia y Tecnología Ambiental 2022 56 (24), 18050-18059, DOI: 10.1021/acs.est.2c05255
La red vial está creciendo.
…Se prevé que el mundo necesitará añadir casi 25 millones de carriles de carretera pavimentados.‐kilómetros (km) y 335 000 kilómetros de vía férrea (vía)‐km), o un aumento de 60% con respecto a la longitud combinada de la red de carreteras y ferrocarriles de 2010 para 2050. Además, se espera que se agreguen entre 45 000 kilómetros cuadrados (km²) y 77 000 km² de nuevos espacios de estacionamiento para dar cabida al crecimiento del parque de vehículos de pasajeros.
Dulac, J., 2013. Requisitos de infraestructura de transporte terrestre a nivel mundial.París: Agencia Internacional de Energía, 20, pág. 2014.
Las carreteras requieren mantenimiento y renovación.
Los países asiáticos suelen adoptar una política que promueve una vida útil de diseño corta (alrededor de 10 años) para ahorrar en costos de construcción y debido a la incertidumbre asociada con la predicción de los volúmenes de tráfico a largo plazo. Sin embargo, el ahorro inicial de costos bajo esta estrategia a menudo se ve contrarrestado por los costos a mediano y largo plazo necesarios para el mantenimiento y la rehabilitación, lo que puede resultar en un aumento de las emisiones de GEI. Si bien la sobrecarga vehicular es un problema importante en Asia, rara vez se ha considerado en la etapa de diseño. Esto ha resultado comúnmente en el fin prematuro de la vida útil del pavimento. Los vehículos sobrecargados afectan negativamente y de manera significativa las emisiones de GEI, no solo porque reducen la vida útil de las carreteras, sino también por el aumento resultante en los costos de mantenimiento, los costos operativos de los vehículos y la seguridad vial.
Transporte – Mitigación de las emisiones de gases de efecto invernadero en la construcción y rehabilitación de carreteras: un conjunto de herramientas para países en desarrollo (inglés). Washington, DC: Grupo del Banco Mundial. pág. 2012. (En adelante: kit de herramientas para la mitigación de emisiones de GEI)
Modelo
El análisis del ciclo de vida (ACV) es una metodología para detallar los flujos de recursos y los impactos ambientales asociados. El ACV se utiliza a menudo para evaluar el impacto climático de un producto o servicio, como la infraestructura de transporte, desde su origen hasta su desecho. Existen diversas herramientas de software de ACV para estimar las emisiones de GEI de los proyectos viales. El ACV requiere datos específicos del proyecto para obtener resultados significativos, pero en general, para minimizar las emisiones totales de GEI de la construcción de carreteras, buscamos:
- Minimizar las emisiones de la etapa de construcción de carreteras y
- Minimizar la frecuencia de reparación/rehabilitación de carreteras (o bien, maximizar la vida útil del pavimento).
Para nuestro modelo, utilizaremos un método sencillo para estimar las emisiones de GEI de un pavimento granular no ligado frente a un pavimento ligado que incorpora la adición de Renolith.
Etapa de construcción
Enfoque simplificado
Un enfoque simplificado para estimar las emisiones de GEI durante la construcción se estima utilizando el modelo y los datos de la kit de herramientas para la mitigación de emisiones de GEI. Solo se consideran las emisiones de materiales y transporte.
En las autopistas y carreteras nacionales, las emisiones de gases de efecto invernadero derivadas de la fabricación y extracción de materiales de construcción son el principal factor contribuyente, representando alrededor del 90 por ciento de las emisiones totales; son menos importantes en las carreteras provinciales y rurales, donde representan alrededor del 80 por ciento.
El transporte de materiales representa aproximadamente el 30 por ciento de las emisiones de gases de efecto invernadero de un proyecto vial. De esa cantidad, cerca del 50 por ciento está relacionado con el transporte local (a menos de 25 km).
Por lo tanto, la extracción y el transporte de materiales son las principales actividades que deben tenerse en cuenta para mejorar significativamente el impacto de los gases de efecto invernadero de un proyecto de construcción de carreteras.
Pavimento granular sin ligar
Para construir un kilómetro de carretera de dos carriles se necesitan aproximadamente 14.000 toneladas (o 400 camiones) de áridos para la construcción.
Una carretera típica de dos carriles con asfalto y base de áridos puede requerir hasta 25 000 toneladas de material por kilómetro.
SBEnrc, “Reducción del impacto ambiental de la construcción de carreteras,Centro Nacional de Investigación sobre el Entorno Construido Sostenible (SBEnrc), Perth, Australia Occidental, 2013
Para nuestro modelo, asumiremos un requerimiento de 7000 toneladas de agregados por kilómetro de carril (excluyendo la capa de asfalto) y una intensidad de emisiones de 8 kg eq CO₂e/tonelada. Se supone que el transporte de materiales agregados representa el 30 por ciento de las emisiones totales de GEI.
Pavimento aglomerado con cemento y renolito
En el Proyecto de rehabilitación de la autopista del Brenner, Se aplicó un aglutinante de cemento a razón de 25 kg/m² (88 toneladas por kilómetro de carril), lo que equivale aproximadamente a 41 TP3T de peso de pavimento a 30 cm de profundidad. El proyecto utilizó cemento CEM 32.5, similar al cemento GP según la norma AS 3972, con una intensidad de emisiones estimada de 670 kg CO₂e/tonelada. Se asumió que el transporte se realizaría mediante camiones pesados (diésel), con una intensidad de emisiones de 1,58 kg CO₂e/veh.km.
Pavimento ligado con aglutinante cementoso y Renolith
El cemento tiene una alta energía incorporada y una huella de carbono elevada. Por consiguiente, existe un gran interés en sustituir el cemento por aglutinantes con menor contenido de carbono. Austroads AGPR4L-09, Guía de tecnología de pavimentos, parte 4L: ligantes estabilizadores, Ed1.1 La Tabla 5.2 enumera la gama típica de mezclas de puzolanas y ligantes cementicios comerciales disponibles para la construcción de pavimentos en Australia. Estas mezclas contienen materiales cementicios suplementarios (SCM) reciclados (escoria y/o cenizas volantes), con una intensidad de emisiones correspondientemente menor. Renolith es compatible con todas las mezclas enumeradas en Austroads AGPR4L-09. Por lo tanto, se considera un tercer enfoque de diseño, que asume los mismos parámetros que el estudio de caso de Brenner pero sustituye el cemento por un ligante de menores emisiones. Se supone que la mezcla de ligante tiene una intensidad de emisiones de 335 kg eq CO₂ eq / tonelada, que es la mitad que la del cemento Portland ordinario (OPC). Tenga en cuenta que Austroads AGPR4L-09 enumera docenas de mezclas con contenido de SCM reciclado que va desde 10% hasta 80%. En general, cuanto mayor sea el contenido de SCM reciclado, menores serán las emisiones de la mezcla. Sin embargo, el rendimiento de las mezclas con un contenido muy alto de SCM puede diferir del de las mezclas con un contenido bajo o medio.
Comparación
El gráfico a continuación muestra las emisiones estimadas del componente de materiales y transporte de la construcción para los tres diseños. Se logra una reducción significativa de las emisiones de GEI utilizando un aglutinante de cemento/SCM de rango medio en combinación con Renolith. Potencialmente (sujeto a pruebas), las emisiones podrían reducirse aún más mediante el uso de un aglutinante cementicio de muy bajas emisiones, como un cemento de alta composición con contenido reducido de clínker.
Consideraciones para toda la vida
Las consideraciones (en cursiva) en la tabla siguiente se derivan de la kit de herramientas para la mitigación de emisiones de GEI A continuación se enumeran las ventajas asociadas al pavimento Renolith.
El reciclaje en frío con aglutinante cementicio y Renolith produce una capa de pavimento rígida y compacta a un costo mucho menor que los métodos de construcción granulares convencionales sin aglutinante. La mejora en la rentabilidad de la construcción puede reducir la presión sobre el proyecto para diseñarlo con una vida útil corta.
La resistencia a la fatiga de las capas cementicias es muy sensible al espesor y a la rigidez de la capa. A modo de aproximación, una reducción de 10% en el espesor o la rigidez de una capa cementicia podría conllevar una reducción de aproximadamente 90% en la vida útil a la fatiga.
AustStab TN05, “Nota técnica n.º 5 de AustStab, Práctica de estabilización del cemento,” AustStab, Sídney, 2012.
Consideremos la inversa de esta heurística: un aumento de 11% en el espesor, con un costo de construcción adicional inferior a 11%, puede producir un aumento masivo de 900% en la vida útil a la fatiga.
Las ventajas de los pavimentos Renolith en cuanto a emisiones a lo largo de su ciclo de vida son claramente sustanciales, pero difíciles de cuantificar. Estudio de caso de la autopista Brenner Esto sugiere que se puede lograr una larga vida útil del pavimento a pesar de las difíciles condiciones ambientales (flujo lateral de agua, heladas) y la alta carga de tráfico (>2.000.000 de vehículos pesados al año). Por el contrario, las inundaciones de 2022 en Australia pusieron de manifiesto la susceptibilidad de los diseños de pavimento convencionales a los daños causados por el agua, provocando daños por valor de $3.8B. A medida que aumenta el ritmo y la intensidad de los fenómenos meteorológicos extremos, las carreteras dañadas por el agua necesitarán reparaciones y reconstrucción, con las consiguientes emisiones de GEI derivadas de esta actividad. Este problema perpetuo podría ser Suficientemente mitigado con Renolith, ya que el compuesto unido es esencialmente impermeable.
Conclusión
Existe potencial para reducir significativamente las emisiones de GEI de la industria de la construcción de carreteras mediante la transición a la estabilización in situ / reciclaje en frío utilizando aglutinantes bajos en carbono y Mezcla de nanopolímeros Renolith 2.0 como método principal de construcción de pavimentos. Este potencial surge de una economía atractiva, una baja huella de carbono durante la construcción, además de una larga vida útil y durabilidad del pavimento.
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