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Jun 19, 2023

Los conocedores del hormigón modifican mezclas y métodos para carreteras y puentes

En la autopista de peaje Jane Addams Memorial Tollway en Illinois, los camiones vierten mezclas de concreto optimizadas con un contenido reducido de cemento portland. FOTOS CORTESÍA DE LA AUTORIDAD DE AUTOPISTAS DE PEAJE DEL ESTADO DE ILLINOIS Alto rendimiento

En la autopista de peaje Jane Addams Memorial Tollway en Illinois, los camiones vierten mezclas de concreto optimizadas con un contenido reducido de cemento portland.

FOTOS CORTESÍA DE LA AUTORIDAD DE PEAJE DEL ESTADO DE ILLINOIS

En un nuevo puente de peaje se utilizan hormigón de alto rendimiento y acero inoxidable.

FOTOS CORTESÍA DE LA AUTORIDAD DE PEAJE DEL ESTADO DE ILLINOIS

Los adoquines sin hilos son una tendencia constante.

FOTO CORTESÍA DE ACPA

Un trabajador (izquierda) prepara una mezcla que gana resistencia mediante la carbonización, en lugar de la hidratación, pero que es similar al cemento Portland.

FOTO CORTESÍA DE SOLIDIA

Los nuevos puentes lucen nuevas proporciones de mezcla de concreto.

FOTO CORTESÍA DE FIGG BRIDGE GROUP

Las cuadrillas pavimentan un segmento de carretera en St. Louis, Missouri, utilizando un producto de concreto italiano "ahumado".

FOTO CORTESÍA ITALCEMENTI

Los investigadores están utilizando tendones plásticos con memoria de forma en pruebas de hormigón autorreparable.

FOTO CORTESÍA DE LA UNIVERSIDAD DE CARDIFF

Al igual que los chefs modernos que modifican técnicas clásicas, los expertos de la industria del hormigón están experimentando de nuevo con ingredientes (aditivos y agregados como cenizas volantes, escorias y desechos de cantera) y "enchapado", que incluye métodos como la pavimentación en dos capas y el monitoreo de suavidad en tiempo real. Y como muchos chefs que enfatizan los aspectos saludables de los alimentos, los profesionales concretos están reorientando sus objetivos desde la resistencia del material hasta su longevidad y durabilidad.

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"En esencia, estamos tratando de cambiar la base fundamental sobre la cual diseñamos pavimentos de concreto", dice Gerald Voigt, presidente y director ejecutivo de la Asociación Estadounidense de Pavimentos de Concreto. "Estamos tratando de diseñar nuevas mezclas y realizar pruebas de calificación basadas en la durabilidad química, la resistencia a la congelación, etc., en lugar de en la resistencia".

El impulso para crear estándares para que el concreto fragüe más rápido y soporte condiciones climáticas extremas y productos químicos surge en parte de consideraciones de resiliencia, dice Michelle Wilson, directora de conocimiento del concreto de la Portland Cement Association. “Los estándares actuales ofrecen códigos específicos, pero no hay un modelo único que sirva para todos”, señala.

Los esfuerzos de investigación a nivel nacional, incluso en la Administración Federal de Carreteras (FHWA) y en el Centro Nacional de Tecnología del Concreto (CP Tech Center) de la Universidad Estatal de Iowa, están trabajando en nuevos estándares para "identificar lo que es crítico, cómo medirlo y cómo especificarlo". añade Voigt. "Realmente está ganando impulso y hemos estado elaborando estrategias sobre cómo abordarlo durante los últimos dos años".

Peter Taylor, director del CP Tech Center, dice que se han desarrollado parámetros críticos. "La siguiente etapa es encontrar métodos de prueba para medir estas propiedades, y gran parte de este trabajo está completo, incluida la evaluación de campo en siete estados el verano pasado", afirma. "Luego viene la selección de límites de aprobación-reprobación para regiones y climas". El equipo espera desarrollar este otoño una especificación para que la revisen los funcionarios de transporte estatales, añade.

La industria ahora se da cuenta de que las buenas mezclas no necesitan tanto material cementoso como se pensaba anteriormente, dice Tom Van Dam, director de la consultora de ingeniería NCE. "Las cenizas volantes y la escoria, que tienen propiedades puzolánicas, pueden hacer que el concreto sea más duradero cuando se usan adecuadamente y reducen drásticamente la huella de carbono".

A su vez, debido a la menor necesidad de material cementoso, el proceso reduce los costos, dice Steve Gillen, gerente de materiales de la Autoridad de Autopistas de Peaje del Estado de Illinois. “Estamos aumentando el uso de cenizas volantes y escorias en nuestras mezclas. El treinta y cinco por ciento es nuestro mínimo para el reemplazo del cemento portland, pero puede llegar hasta el 50%”.

El programa de capital de 12 mil millones de dólares de 15 años de duración de la autoridad de autopistas de peaje sirve como un escaparate de pruebas de campo continuo para una variedad de investigaciones concretas en conjunto con la academia y la industria, dice Gillen. La agencia ha probado la pavimentación de dos capas; agregados de desechos de cantera, como arenas superfinas en mezclas; y losas de acceso prefabricadas y de hormigón resistente a grietas, que reducen las juntas en las cubiertas. Otros esfuerzos incluyen la reingeniería del pavimento de hormigón armado continuo (CRCP), como la optimización de sus cantidades y aplicaciones. La autoridad también está utilizando un sistema automatizado de prueba de carga de placas que es capaz de medir, en tiempo real, las propiedades geotécnicas de la subrasante del pavimento (ver página 27).

El programa de capital anual de la autoridad asciende actualmente a unos mil millones de dólares, con inversiones en investigación de unos cinco millones de dólares, afirma el ingeniero jefe Paul Kovak. "Los ahorros han sido de decenas de millones [de dólares]", dice Gillen.·

La autoridad también ha utilizado pavimento de dos capas que incluye, en la losa inferior, materiales reciclados como agregado asfáltico recuperado y, en la losa superior, agregados de mayor calidad, dice Gillen. Otros estados también están experimentando con la pavimentación de dos capas, añade.

Tyler Ley, profesor asociado de ingeniería civil en la Universidad Estatal de Oklahoma, plantea preocupaciones como si los contratistas querrán asumir el costo adicional asociado con dos máquinas pavimentadoras. Además, añade: “La idea es colocar material menos deseable en la capa inferior, pero ¿hasta dónde se puede llegar? ¿Cuánto cartílago le pones a la hamburguesa?

Ley lideró el desarrollo del Super Air Meter (SAM), una herramienta portátil que, en aproximadamente 10 minutos, mide el espacio entre los huecos de aire y el volumen de aire en el concreto fresco, lo que permite la resolución de problemas en tiempo real. "La forma antigua era cortar el hormigón después de que se hubiera endurecido", dice. En los últimos 18 meses, junto con la FHWA, su equipo ha demostrado SAM en todo el país. Veintinueve estados y dos provincias canadienses lo están utilizando, dice Ley.

Probar concreto de manera más rápida y precisa está impulsando una tendencia hacia más pruebas de resistividad, dice Ley. "Se toma hormigón y se envía una carga a través de él para medir la conductividad", dice, prediciendo que este tipo de pruebas se generalizarán en los próximos años.

Las pruebas de suavidad en tiempo real, junto con la pavimentación computarizada sin hilos, también se generalizarán, afirma Voigt. "Se cuelgan sensores en la parte trasera de una pavimentadora que pueden rastrear la superficie con láseres", dice. “Los equipos que pavimentan a dos o tres pies detrás de la máquina pueden tratar un punto irregular en el mismo momento”.

Gary Fick, vicepresidente de Trinity Construction Management Services, dice que la tecnología, estudiada en un esfuerzo del Programa 2 de Investigación Estratégica de Carreteras, se encuentra en la fase de implementación. "Lo que estamos tratando de hacer es prestar equipos a contratistas para que puedan probarlos", dice. “Un contratista que compró el equipo el año pasado comentó que se amortizó en una temporada”. Los préstamos, la retroalimentación y los talleres sobre pruebas de suavidad en tiempo real continuarán hasta 2017, añade.

Aunque una huella de carbono neta cero para el hormigón puede no ser todavía económicamente viable, Solidia Technologies ha dado un gran paso en esa dirección, simplemente moviendo algunas moléculas. La investigación realizada por la empresa Piscataway, Nueva Jersey, sobre los procesos que afectan a los minerales de silicato de calcio que son químicamente similares al cemento Portland ha llevado al desarrollo del cemento Solidia, que gana resistencia mediante la carbonización, en lugar de la hidratación.

Nick DeCristofaro, director de tecnología de Solidia, dice que el proceso patentado para fabricar cemento Solidia no es diferente al del cemento Portland, lo que significa que una planta puede producir ambos. Debido a su composición molecular, Solidia Cement se forma a temperaturas más bajas del horno, lo que reduce las emisiones de CO2 hasta en un 30%, según la empresa. El curado del hormigón elaborado con Solidia Cement reduce aún más la huella de carbono de la cadena de fabricación, secuestrando CO2 equivalente al 5% de su peso. La huella de carbono total asociada a la fabricación se reduce hasta en un 70%. El proceso también permite recuperar entre el 60% y el 100% del agua de mezcla utilizada para fabricar productos de hormigón. Las pruebas realizadas por la consultora CTLGroup han verificado que el material cumple con las especificaciones de la industria en cuanto a resistencia y durabilidad. Las inversiones de capital más importantes implican la cámara de curado de CO2 y tener a mano cantidades suficientes de gas.

Para el equipo de Ley en la Universidad de Oklahoma, un enfoque importante es cómo optimizar los tamaños y volúmenes de agregados para el concreto, no solo para pavimentación sino también para tableros de puentes. "La diferencia en el tablero de un puente es que lo que se desea es que [el concreto] sea más fluido", dice Ley. Con socios como la FHWA, Georgia Tech y el Cuerpo de Ingenieros del Ejército, el equipo está utilizando un sistema a gran escala de tuberías y bombas para estudiar alternativas al cemento Portland, como la sílice cálcica y los aluminatos.

El equipo también ha desarrollado una alternativa a la arpillera voluminosa para proteger la plataforma de un puente de concreto recién vertido mientras se cura, dice Ley. "Desarrollamos un material biodegradable a partir de periódicos, hierbas, especias y agua reciclados", afirma. “Podemos hacerlo fluir como agua o pegajoso, para el curado del hormigón proyectado. Lo colocas con un grosor de un cuarto de pulgada y una lámina de plástico encima”. El producto se probó recientemente en tres puentes de Oklahoma y se realizarán más pruebas por venir. "Aplicarlo rápidamente sin dañar la superficie requirió algo de esfuerzo", dice.

Los expertos en puentes de hormigón coinciden con los adoquines en la tendencia de realizar ajustes en las mezclas. El nuevo puente I-35W en Minneapolis utilizó una mezcla de superestructura de 6.500 psi con cemento Portland que comprende un 77% de material cementante, junto con cenizas volantes y humo de sílice, dice Alan Phipps, vicepresidente senior de Figg Bridge Group. Hasta la fecha, “el puente ha mostrado resultados de resistencia y permeabilidad muy bajos que excedieron las expectativas, con una resistencia promedio de 28 días de alrededor de 8.000 psi, un 23% por encima de los requisitos de diseño”, dice.

El puente Dresbach de la I-90 y el puente Winona, ambos actualmente en construcción sobre el río Mississippi entre Minnesota y Wisconsin, utilizan mezclas de concreto de superestructura diseñadas para una resistencia de 7000 psi y 8000 psi, siendo aproximadamente el 70% del material cementante cemento portland. y el resto comprende cenizas volantes y escoria, añade Phipps.

Hacer hincapié en el diseño de vida útil a través de la anticorrosión y la durabilidad más que en códigos rígidos es tan cierto para los puentes de hormigón como para la pavimentación de carreteras, dice David Goodyear, ingeniero jefe de puentes de TY Lin International en América del Norte. “Una de las cosas que suceden en Estados Unidos es el enfoque en un diseño racional de la vida útil. Con suerte, en los próximos años podremos alcanzar una esperanza de vida de más de 150 años”.

Según el principal fabricante de hormigón de Italia, podría ser posible reducir a la mitad la contaminación del aire en Milán incorporando productos "devoradores de smog" en sólo el 15% de las zonas de superficie dura de la ciudad. Estos avances a gran escala son sólo una visión por ahora, pero los defensores del hormigón fotocatalítico (PC) señalan su potencial.

Cada año se ventilan hasta 2 millones de metros cuadrados de superficies fotocatalíticas con aditivos de la empresa ltalcementi SpA, con sede en Bergamo, afirma el director de proyectos de la línea de productos, Gian Luca Guerrini. Los proyectos consumen alrededor de la mitad de la producción de PC de la empresa, pero los altos costos limitan su uso en autopistas, añade.

El hormigón que consume smog utiliza un catalizador sólido, normalmente dióxido de titanio anatasa. Bajo la luz ultravioleta, estos químicos oxidan los contaminantes presentes en las emisiones de los automóviles, explica Jos Brouwers, profesor de materiales de construcción en la Universidad Tecnológica de Eindhoven, Países Bajos. Los óxidos de nitrógeno (NOx), por ejemplo, se convierten en nitratos menos nocivos. Un equipo dirigido por Brouwers registró importantes reducciones de NOx en una calle holandesa pavimentada con bloques de hormigón que contienen material fotocatalítico, afirma. La prueba en Hengelo, finalizada en 2012, es el resultado de una década de pruebas de laboratorio, añade.

Para las pruebas, Brouwers dice que los investigadores pavimentaron 150 m de una calle residencial con bloques de concreto y la monitorearon en la Universidad Tecnológica de Eindhoven, Países Bajos. Los óxidos de nitrógeno (NOx), por ejemplo, se convierten en nitratos menos nocivos. Un equipo dirigido por Brouwers registró importantes reducciones de NOx en una calle holandesa pavimentada con bloques de hormigón que contienen material fotocatalítico, afirma. La prueba en Hengelo, finalizada en 2012, es el resultado de una década de pruebas de laboratorio, añade.

Para las pruebas, Brouwers dice que los investigadores pavimentaron 150 m de una calle residencial con bloques de hormigón y los monitorearon durante más de un año. Sólo los 0,6 a 0,8 centímetros superiores de los bloques del tamaño de un ladrillo de 10 cm de profundidad contenían, alrededor del 5% de la mezcla, los ingredientes activos.

Durante un período de 24 horas, los niveles de NOx estuvieron típicamente un 20% por debajo de los de una calle de control sin tratamiento, dice Brouwers. Sin embargo, las autoridades públicas siguen siendo escépticas sobre el uso de la tecnología debido a que otras pruebas fracasaron, añade. Pero esos fracasos se produjeron porque otros investigadores seleccionaron sitios de ensayo deficientes, afirma. El interés también se ve reprimido debido a la penalización del coste de los PC, que es entre un 5% y un 10% superior a la construcción convencional, añade.

Guerrini coincide en que es necesario reducir los costes antes de que Italcementi pueda impulsar las ventas de su aditivo para PC patentado, TX Active, que la empresa lanzó hace 10 años en Italia y Francia y un año después en EE.UU. Procesa el material en esos países y ha acuerdos de licencia en otros 12. Protegido por una veintena de patentes, el producto tiene poca competencia, afirma Guerrini.

En el sector de carreteras, “estamos trabajando con ingenieros para diseñar la estratificación completa del pavimento para evaluar cuál podría ser la mejor solución”, añade. Guerrini espera reducir costos reduciendo la proporción de concreto colado in situ de los 10 cm utilizados en una prueba en Estados Unidos.

La prueba realizada hace cuatro años en 460 metros de una autopista de St. Louis utilizó encofrado deslizante de dos etapas “húmedo sobre húmedo” para demostrar una mayor eficiencia en la construcción de PC, dice Guerrini. Patrocinado por la filial estadounidense de Italcementi, el Departamento de Transporte de Missouri, la Administración Federal de Carreteras y otros, ese trabajo implicó colar una subbase de cemento de 25 cm de espesor rematada por una capa de rodadura más delgada que contenía TX Active.

El arquitecto de un proyecto de renovación de un puente en Barcelona, ​​España, no sólo aprovecha las propiedades de limpieza del aire sino que también lo hace brillar. Y una renovación de 550.000 dólares en 2007 del túnel Umberto One en Roma incluyó recubrir el revestimiento de 9.000 metros cuadrados con pintura TX Active. En un proyecto de 1,6 millones de dólares que finalizará pronto, se está ampliando, ajardinando y pavimentando el puente Sarajevo de 60 m de largo sobre la Avinguda Meridiana con baldosas de cerámica, asfalto y hormigón, cubriendo alrededor del 40% de la plataforma, dice Manel Peribáñez, un director con Baena Casamor Arquitectes BCQ SLP Mientras estaba húmeda, la superficie de concreto colada en el lugar fue infundida con un material fotocatalítico y un agregado fotoluminiscente, destinado a brillar por la noche.

Después de una década de investigación sobre el hormigón autorreparable, los ingenieros holandeses planean iniciar este año la producción comercial de los agentes bacterianos necesarios. Pero con una economía incierta y un desarrollo aún por hacer, la escala de producción y ventas sigue sin estar clara.

"Estamos construyendo una fábrica que puede producir una gran cantidad del agente autocurativo", afirma Erik Schlangen, profesor de micromecánica experimental en la Universidad Técnica de Delft (DUT). La universidad comenzó la investigación hace 10 años, después de la aparición en Estados Unidos de polímeros autocurativos, dice, y añade: “Una de las primeras cosas que hice fue contratar a un microbiólogo”.

El hormigón autorreparable contiene bacterias resistentes a los álcalis, que permanecen latentes como semillas. También se incluyen nutrientes vitales, como el lactato de calcio. Si se protegen con un revestimiento, las bacterias pueden vivir 200 años después de mezclarse con el hormigón. Cuando se producen grietas, las bacterias se activan mediante la exposición al aire y la humedad. Consumen el lactato y el oxígeno, produciendo silicatos que rellenan las grietas. Los investigadores del DUT observaron grietas de aproximadamente 0,5 milímetros que casi desaparecen en menos de dos meses.

Hace dos años, el equipo del DUT realizó pruebas a gran escala utilizando un pequeño canal de riego en Ecuador. Los ingenieros aún no han informado sobre el desempeño del canal ecuatoriano de 3 m de largo y 1 m de profundidad.

En el Reino Unido, este verano, las universidades de Cambridge, Cardiff y Bath completarán un programa de investigación de tres años y 2,9 millones de dólares financiado por el gobierno, dice Robert Lark, profesor de la Universidad de Cardiff. "Somos los primeros en implementar la técnica en una estructura completa y abierta", observa.

Las pruebas están probando tres opciones para aplicar bacterias, incluida la mezcla directa con el concreto; encerrar agentes bacterianos en microcápsulas, que se rompen cuando es necesario, y cargar cápsulas con nutrientes para las bacterias; y, en la estructura, utilizar un sistema de tubos vasculares a través del cual pueden viajar las bacterias. Este sistema incluye tendones de plástico con memoria de forma en el hormigón para cerrar suficientemente las grietas.

Estas ideas se están probando en un conjunto de seis muros de tierra de hormigón de 2 m de alto, 1 m de ancho y 25 cm de espesor, construidos recientemente por el contratista Costain Group plc, con sede en Maidenhead. en uno de sus contratos de autopista, cerca de Abergevenny, a 50 km de la universidad. A la espera de observar cómo funcionan las distintas opciones, el equipo aún tiene que romper las paredes bajo cargas de tierra simuladas.

Aileen Cho, editora senior de transporte de ENR, es nativa de Los Ángeles y neoyorquina en recuperación. Estudió inglés y teatro en Occidental College, donde un periodista que impartía el único curso de periodismo existente la animó a postularse para el Programa de capacitación en edición minoritaria del LA Times. Su formación en periodismo la llevó a escribir sus primeras historias sobre transporte, trabajando como reportera novato en el Greenwich Time. Su trabajo ha aparecido en Los Angeles Times y New York Times. Muchas de sus experiencias con ingenieros y contratistas le han inspirado material para sus producciones de teatro alternativo muy, muy lejos de Broadway. Para ENR, Aileen ha viajado por todo el mundo, trepando puentes en China, recorriendo un aeropuerto en Abu Dhabi y descendiendo a oscuros túneles del metro en la ciudad de Nueva York. Asiste regularmente a conferencias sobre transporte, donde descubre que los ingenieros de aeropuertos y transporte público realmente saben cómo divertirse. Aileen siempre está ansiosa por tomar otro vuelo porque hay muchos proyectos y personas interesantes, y se cansa de tirar a sus gatos de su computadora en la oficina de su casa en Long Beach, California. Ella es una fanática muy conflictiva de los Mets y los Dodgers.

Jim Parsons es un escritor independiente que cubre la industria desde el área metropolitana de Washington, DC.

Peter Reina es corresponsal en Londres, Reino Unido