Avances “concretos” para vías más resistentes

Avances “concretos” para vías más resistentes

Una de las quejas más recurrentes de los ciudadanos frente al tema de movilidad es el mal estado de las vías. Este reclamo es escuchado en grandes capitales, ciudades intermedias y áreas rurales. Es una problemática que afecta gran parte de las carreteras del país. ¿Es posible construir vías más resistentes que mejoren la movilidad?

Hermes Ariel Vacca es profesor del Departamento de Ingeniería Civil de la Pontificia Universidad Javeriana y actualmente hace su doctorado en Ingeniería en el mismo centro educativo. Su proyecto de investigación se centra en aportar una solución a la movilidad a través de un material que ofrece mejores resultados para las vías vehiculares. Estos materiales son los Concretos de Ultra Alto Desempeño (UHPC por sus siglas en inglés). Son una familia de concretos de uso relativamente reciente en el mundo de la construcción.

Desde la década de los noventa, avances científicos han permitido crear materiales como estos, que son más resistentes y de mayor durabilidad. Durante los últimos años se han usado en infraestructura general: edificios y puentes en su mayoría, pero el profesor Vacca está investigando su aplicación en pavimentos.

Lo primero que hay que aclarar es qué son pavimentos para carreteras. Son estructuras de varias capas compuestas de materiales seleccionados para soportar las cargas vehiculares y las diversas condiciones climáticas. Cada vez que un vehículo pasa, los ejes (en este caso las llantas) transmiten unos esfuerzos al suelo, especialmente en los arranques y frenados. “Cada capa hacia arriba tiene mayor rigidez y condiciones mucho más acertadas de desempeño mecánico para soportar las cargas de los vehículos”, explica el investigador.

A partir de dicha situación, la rama de la ingeniería que se dedica al diseño de pavimentos debe analizar el tipo de suelo, las cargas proyectadas, condiciones ambientales y proyectar el tipo de materiales que requiere esa vía para que funcione durante un tiempo determinado.

 

Los UHPC como alternativa para rehabilitar pavimentos

Las necesidades de la infraestructura son cada vez más exigentes. Se hacen edificios más altos, puentes con más capacidad y vías que resistan mayor cantidad de vehículos y altas velocidades. Es por esto que desde hace algunas décadas se vienen desarrollando materiales de mayor resistencia. De allí surgen los concretos de ultra alto desempeño, que se diferencian de los concretos convencionales en su composición y comportamiento mecánico.

De forma general, los concretos se componen de mezcla de agregados naturales, procesados o artificiales, agua y algunos aditivos que le dan características específicas dependiendo las necesidades de la obra. En un concreto convencional, los materiales de la mezcla suelen tener un tamaño de hasta dos centímetros y se usa más cantidad de agua. Los UHPC usan materiales mucho más finos que permiten mayor compactación. En estas mezclas los agregados son arenas tienen tamaños de máximo un milímetro. Adicionalmente requiere menos agua porque se agrega un aditivo súperplastificante que hace que toda la mezcla sea más fluida.

 

Los resultados

La investigación doctoral del profesor Vacca va en su cuarto año y muestra mejores rendimientos de este tipo de concreto cuando se compara con uno convencional. Una de las principales características es su resistencia a la presión y en este aspecto el UHPC lo demuestra. “Un concreto convencional puede tener una resistencia a la compresión entre 20 y 30 megapascales (unidad de medida para calcular cimentaciones y secciones resistentes en estructuras)”, explica el investigador. Adiciona que “cuando hablamos de un UHPC, hoy en día puede tener un valor de 150 megapascales (MPa) de resistencia, que es un comportamiento mecánico mucho más avanzado.” agrega.

Por ejemplo, las losas del sistema de transporte Transmilenio pueden tener en promedio unos 30 centímetros de espesor y un módulo de rotura del orden de 4.0 o 4.5 megapascales. Con los UHPC se cuadruplica este valor, es decir, 16 o 20 MPa de resistencia a la flexión. Esta investigación propone sustituir parte de la última capa del pavimento (llamada de rodadura) e instalar una sobrecarpeta de UHPC buscando aumentar la vida útil del pavimento.

“Nosotros venimos instalando entre tres y cinco centímetros de UHPC, que es un espesor óptimo en las diferentes pruebas que hemos hecho a lo largo de esta investigación”, detalla el especialista. Agrega que “si ya tienes de entrada una resistencia mecánica muy alta y durabilidad, seguramente tu desempeño mecánico en función del tiempo va a ser mucho mejor y va a soportar un mayor volumen de vehículos”.

Según el estudio, estas sobrecapas podrían aumentar en gran medida la vida útil de las vías pues es un material que soporta mejor el paso de los vehículos y hace más lejanos los periodos de arreglo. “El mantenimiento o rehabilitación de pavimento consiste en quitar parte de la capa de rodadura del existente y poner una nueva, que puede durar uno o dos años. Al comparar la metodología convencional con esta nueva, estamos buscando aumentar la vida de servicio de ese pavimento. Que no se tengan que hacer intervenciones cada dos o tres años, sino en lo posible buscar diez o más años”, complementa.

En términos de precio, si se comparan los valores iniciales, usar UHPC puede ser dos o tres veces más costoso que un concreto convencional. Sin embargo, para el investigador se debe hacer otro análisis para ver el valor agregado de esta propuesta. “Si se evita realizar una intervención que comúnmente se hace cada dos años, ahora se puede extender a 10 años, el beneficio no es solamente para el constructor sino también para el usuario”, sostiene Vacca. Además manifiesta que a pesar de la diferencia de precios, la durabilidad del material y su desempeño mecánico lo hace competitivo frente al concreto convencional.

Si bien podría ser una alternativa para las vías del país, Vacca todavía no lo ve como una opción global. “Si una comunidad tiene vías con bajos volúmenes de vehículos, yo diría que esta no es la solución. Quizás con la misma inversión podría pavimentar tres vías más. Pero si son vías de altos volúmenes vehiculares, por ejemplo, las hoy denominadas de cuarta o quinta generación, y que no se puede estar cerrando cada año o cada dos años para hacer una intervención, es ahí donde entra a funcionar este material”, reitera.

En el marco de esta investigación se han hecho pruebas en laboratorio y a escala real de este material, y se han instalado secciones de prueba en Medellín y Girardota (Antioquia) y en Facatativá (Cundinamarca). Adicionalmente, está en curso la construcción de un laboratorio-equipo de pista en los laboratorios de ingeniería de la Javeriana. Este es una fosa de diez metros de largo por cuatro de ancho y cuatro de profundidad, que permite hacer simulaciones de suelo y estructuras de pavimento y validar el desempeño de nuevos materiales en la construcción. En el país sólo hay dos laboratorios de este tipo.

Si bien el profesor Hermes Vacca sostiene que estas aplicaciones de concretos son recientes, reconoce que aún faltan ajustar detalles para que pueda pasar del laboratorio a la vida real. “Hay que capacitar al personal, calibrar los equipos para optimizar los procesos. Todo esto es nuevo, pero estamos a la vanguardia de cómo se está haciendo en otros países y estamos sacando provecho a los nuevos equipos que ha traído la universidad”, concluye. A finales de este año se espera que se puedan iniciar las evaluaciones de pavimentos en el equipo de pista.

 

*Esta investigación es financiada por el Ministerio de Ciencia, Tecnología e Investigación, y en ella participan la Pontificia Universidad Javeriana y la empresa Argos.

El secreto de las estructuras de acero

El secreto de las estructuras de acero

Imagínese un examen de sangre sin agujas. Así se podría explicar lo que hace Federico Núñez. No tiene que ver con personas, sino con edificios, puentes y demás estructuras. Mientras estudiaba Vulnerabilidad Sísmica de las Construcciones, junto con otros colegas, se encontró con un antiguo fenómeno denominado ‘fatiga en acero’. “Yo pienso que ese puede ser el futuro del monitoreo de estructuras metálicas”, dice, explicando que, a través de sensores magnéticos, es posible determinar si la estructura está operando en rangos seguros o inseguros o si, por ejemplo, hay presencia de fisuras.

Para realizar el monitoreo de una estructura, los sensores clásicos requieren estar en contacto con ella, lo que implica raspar la superficie, quitar la pintura, dejar el acero desnudo y colocar el sensor, mientras que los sensores magnéticos no perjudican de ninguna manera las estructuras y ni siquiera es necesario estar en contacto con ellas para examinarlas.

Cuando era niño, a Federico le gustaban los edificios y decía que quería entender matemáticamente una estructura mil veces más grande que él. Este año, en colaboración con el ingeniero Camilo Otálora del Departamento de Ingeniería Electrónica, empezará desde casa y montarán en el edificio de Ingeniería de la Pontificia Universidad Javeriana sensores clásicos y magnéticos para monitorearlo por primera vez. Deseo cumplido.


Su puerta de entrada a la investigación

“Hay unas estructuras a las que no les puede pasar nada durante un sismo”, dice Federico, refiriéndose principalmente a los hospitales. “Esa fue una de las lecciones del terremoto de México de 1985”. Si un hospital se cae, se forma el caos absoluto. Pensando en eso, empezó una investigación como tesis de pregrado sobre la confiabilidad del Hospital Universitario San Ignacio en la que, a partir de la recolección de documentación, planos, geometría detallada y demás datos, concluyó que no estaba en las mejores condiciones para resistir un sismo.

“Yo no me atrevo a decir que el edificio va a colapsar, porque es difícil aseverar eso, pero sí es claro que después de un sismo fuerte ese edificio tal vez no se podrá utilizar como antes”, dice, comentando también que la Universidad Javeriana es consciente de ello y que cuenta con un plan –ya en acción– de renovación de los edificios del campus. Esta investigación fue reconocida como su tesis de grado y con ella empezó su vida como investigador. “Desde ahí me quedó gustando la investigación, tomar información, extrapolarse y sacar una conclusión a partir de datos”, dice.

La pasión de Federico Núñez por las estructuras viene desde su infancia.
La pasión de Federico Núñez por las estructuras viene desde su infancia.

Después del hospital la siguiente parada fueron los puentes colombianos. Participó, como joven investigador en 2004, junto con profesores del Departamento de Ingeniería Civil y con la dirección del ingeniero Édgar Muñoz en el estudio de vulnerabilidad sísmica del puente César Gaviria Trujillo y el puente de Cajamarca. Mientras que vieron que el primero estaba muy bien, el segundo presentaba algunos problemas que en el futuro imposibilitarían el creciente tráfico cotidiano. Gracias a eso, el Instituto Nacional de Vías(INVIAS) tomó la decisión de hacer otro puente allado. Posteriormente escribieron un libro llamado Ingeniería de puentes ganador en 2013 del Premio Nacional de Ingeniería Diódoro Sánchez, y aunque el diploma original reposa en algún lado de la Universidad que Federico desconoce, él guarda con orgullo una copia en su oficina.

La vida de Federico ha continuado como una constante suma de esfuerzos y triunfos, en la que también llegó a la docencia. “La academia siempre ha sido cercana a mí, porque mis papás son profesores y yo he visto en ellos ekgozo de enseñar”. Ese gozo se manifestó en el reconocimiento que sus estudiantes le otorgaron como profesor destacado en 2016. De su receta del éxito revela cuatro ingredientes: fe; paciencia infinita, pues, como aprendió de uno de sus profesores, la ciencia es quisquillosa; prudencia, porque es mejor reportar resultados probables que absolutos, y liberación de egos, porque considera que para hacer investigación y avanzar es importante ayudarse de otros.