Desarrollo de Nuevos Materiales Inteligentes para ... · 25 de octubre de 2016 MESA DE PROYECTOS DE...

25 de octubre de 2016

MESA DE PROYECTOS DE INNOVACIÓN

Desarrollo de Nuevos Materiales Inteligentes para

Pavimentos del Futuro

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016

Fernando Moreno NavarroDr. Ingeniero de Caminos, C y P

Profesor de Materiales

Subdirector LabIC.UGR

ETSICCP. Universidad de Granada

[email protected]

1. Introducción

2. Nuevos Materiales:

Mechanomutable Asphalts

3. Próximos pasos

LabIC.UGR

4. Conclusiones

CONTENIDOS

Laboratorio de Ingeniería de la Construcción

E.T.S.de Ingeniería de Caminos, C y P

Universidad de Granada

1. Introducción

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1. Introducción

4

A lo largo de los años las carreteras han ido evolucionando…

1. Introducción

5


CARRETERAS de 1ª GENERACIÓN: Las calzadas y caminos

1. Introducción

6



CARRETERAS de 2ª GENERACIÓN: Los caminos asfaltados (carreteras)

1. Introducción

7




CARRETERAS de 3ª GENERACIÓN: Las carreteras de alta capacidad

(autovías)

1. Introducción

8



CARRETERAS de 4ª GENERACIÓN: Las carreteras/autovías sostenibles

REUTILIZACIÓN DE RESIDUOS (RAP, PNFU, ETC.) MEZCLAS DE BAJA TEMPERATURA

PAVIMENTOS DESCONTAMINANTES PAVIMENTOS REDUCTORES DE RUIDO



(autovías)

1. Introducción

9



CARRETERAS de 5ª GENERACIÓN: Las carreteras/autovías inteligentes

CARRETERAS de 4ª GENERACIÓN: Las carreteras/autovías sostenibles



(autovías)

1. Introducción

10

Las carreteras ya no se conciben únicamente como infraestructuras garantizar la accesibilidad territorial de bienes y personas…

1. Introducción

11

…además han de aportar un valor añadido que optimice la

inversión realizada y el espacio ocupado


1. Introducción

12


…además han de aportar un valor añadido que optimice la

inversión realizada y el espacio ocupado

En los próximos años las necesidades socio-ecocómicas

asociadas a las infraestructuras de carreteras van a cambiar…

Las carreteras son el elemento fundamental para canalizar los cambios globales que

estamos sufriendo

Las carreteras deben de integrarse en el entorno y de utilizar su tecnología para mejorar la eficiencia del servicio que presta y cubrir

mejor las necesidades de los usuarios

1. Introducción

13

Futuras necesidades de la carretera…

1. Introducción

14


DURABILIDAD/ MINIMIZAR

COSTES DE MANTENIMIENTO

1. Introducción

15




MAXIMIZAR

SEGURIDAD VIAL

1. Introducción

16




CONTROL TRÁFICO/

ESTADO DEL FIRME

MAXIMIZAR

SEGURIDAD VIAL

1. Introducción

17




CONTROL TRÁFICO/

ESTADO DEL FIRME

AUTOSUFICIENCIA

ENERGÉTICA

MAXIMIZAR

SEGURIDAD VIAL

1. Introducción

18




CONTROL TRÁFICO/

ESTADO DEL FIRME

AUTOSUFICIENCIA

ENERGÉTICACIRCULACIÓN DE

VEHÍCULOS AUTÓNOMOS

MAXIMIZAR

SEGURIDAD VIAL

1. Introducción

19




CONTROL TRÁFICO/

ESTADO DEL FIRME

AUTOSUFICIENCIA



COMUNICACIÓN CON

USUARIOS

MAXIMIZAR

SEGURIDAD VIAL

1. Introducción

20




CONTROL TRÁFICO/

ESTADO DEL FIRME

AUTOSUFICIENCIA



COMUNICACIÓN CON

USUARIOS

MAXIMIZAR

SEGURIDAD VIAL

Necesidad de empezar a desarrollar nuevos materiales

adaptados a dichas necesidades...

1. Introducción

21

Nueva generación de materiales inteligentes…

1. Introducción

22


MATERIALES AUTO-

REPARABLES

1. Introducción

23


MATERIALES AUTO-

REPARABLES

MATERIALES PARA

SEGURIDAD VIAL

1. Introducción

24


MATERIALES AUTO-

REPARABLES

SENSITIVE MATERIALS

(SENSORIZACIÓN)MATERIALES PARA

SEGURIDAD VIAL

1. Introducción

25


MATERIALES AUTO-

REPARABLES

ENERGY HARVESTING MATERIALS

(GENERACIÓN DE ENERGÍA)

SENSITIVE MATERIALS

(SENSORIZACIÓN)MATERIALES PARA

SEGURIDAD VIAL

1. Introducción

26


MATERIALES AUTO-

REPARABLES

MATERIALES DE GUIADO DE

VEHÍCULOS

SENSITIVE MATERIALS

(SENSORIZACIÓN)



MATERIALES PARA

SEGURIDAD VIAL

1. Introducción

27


MATERIALES AUTO-

REPARABLES

SISTEMAS DE COMUNICACIÓN

INTEGRADOS

SENSITIVE MATERIALS

(SENSORIZACIÓN)

MATERIALES DE GUIADO DE

VEHÍCULOS



MATERIALES PARA

SEGURIDAD VIAL

1. Introducción

28

Importante reto para el futuro… (que llegará más pronto que tarde, y si no empezamos ahora perderemos la oportunidad)

1. Introducción

29


Los avances en los materiales han de ser poco invasivos

1. Introducción

30


Los materiales han de ser fáciles de instalar y utilizar


1. Introducción

31


Han de actuar de forma remota y a

voluntad



1. Introducción

32


…explotar la tecnología para hacer nuestras

carreteras más seguras y eficientes

Han de actuar de forma remota y a

voluntad



1. Introducción

33

En este contexto…

Mechanomutable Asphalts

El Laboratorio de Ingeniería de la Construcción de la Universidad de Granada esta desarrollando un nuevo proyecto de investigación…




2. Nuevos Materiales: Mechanomutable Asphalts

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2. Nuevos Materiales

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Los Mechanomutable Asphalts son capaces de modificar sus propiedades o transmitir información a través de la acción de campos magnéticos…


36

Antecedentes…

La concepción de esta nueva generación de materiales utiliza un concepto similar al aplicado en fluidos magneto-reológicos, utilizados en otros campos de la ciencia como la

medicina o la ingeniería aeroespacial…

Compuestos por una matriz aceitosa y partículas magnetizables dispersas, la

acción del campo magnético es capaz de incrementar su viscosidad y

modificar su comportamiento pasando de ser Newtoniano a visco-elástico.

Estos cambios se producen en ms y son completamente reversibles


37

Mechanomutable Asphalts…

Los materiales asfálticos mecanomutables están compuestos por una matriz bituminosa la cual es modificada con nano y micro partículas magnetizables homogéneamente distribuidas…

Polvo de hierro carbonilo con geometría

esférica y un tamaño entre 0.5 μm y 3 μm


38

Mechanomutable Asphalts…

…que pueden ser activadas en mayor o menor medida

mediante la acción de diferentes intensidades de campo

magnético

Los materiales asfálticos mecanomutables están compuestos por una matriz bituminosa la cual es modificada con nano y micro partículas magnetizables homogéneamente distribuidas…


39

Análisis del comportamiento mecánico…

Estudio de la respuesta mecánica mediante un magneto reómetro, provisto de una bobina que permite inducir un campo magnético variable de entre 0 y 430 mT

ENSAYOS DE BARRIDO DE FRECUENCIA A DIFERENTES TEMPERATURAS (35, 45, 55, 65 y 75 °C)


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41


Ángulos de fase altos y

módulos bajos… Materiales

viscosos/ensayados a elevadas

temperaturas


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Ángulos de fase altos y

módulos bajos… Materiales

viscosos/ensayados a elevadas

temperaturas

Menores ángulos de fase y

mayores módulos… Materiales

más elásticos/ensayados a

menores temperaturas


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Disminución del ángulo de

fase… RESPUESTA MÁS

ELÁSTICA ante las mismas

condiciones


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fase… RESPUESTA MÁS

ELÁSTICA ante las mismas

condiciones

Incremento considerable

del módulo… MAYOR

CONSISTENCIA


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50



fase de hasta el 80% a

elevadas temperaturas y del

20% a bajas

Incrementos del módulo

de hasta 80 veces más

a elevadas temp. Y de 2

veces más a bajas…

Posibilidad de modificar considerablemente la respuesta mecánica de

los materiales, especialmente a elevadas temperaturas


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fase del 20-30% e incremento

del módulo entre 1.5 y 3 veces

Disminución del ángulo

de fase del 30-80% e

incremento del módulo

entre 1.5 y 18 veces

El tipo de matriz bituminosa utilizada y la concentración de partículas influyen en la

respuesta mecánica… Posibilidad de diseñar MATERIALES MECANOMUTABLES a la carta


58



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Ligantes tipo B50/70 pueden comportarse como betunes de alto módulo,

independientemente de la temperatura de servicio


60


Partiendo de matrices de alto módulo, pueden conseguirse ligantes con

una capacidad portante muy elevada


61


Dado que las cargas de tráfico son cíclicas, con periodos de descanso entre ellas y actúan en intervalos de tiempo muy cortos, es necesario analizar los ligantes mecanomutables

bajo estas consideraciones…

El campo magnético es aplicado

únicamente en el instante en el que está soportando la

carga, y después desaparece hasta que no pase otra

nueva


62


Ensayo de tipo “creep and recovery” a 60 ⁰C, en el que se aplicaron 30 ciclos de carga consecutivos con una tensión sobre el material durante 1 segundo y posteriormente se

deja un periodo de descanso de 9 segundos…


63


Disminución de

la deformación

en un 34%

Disminución de

la deformación

en un 42%

La activación del ligante reduce las deformaciones plásticas acumuladas

por el material. Conforme se incrementa el contenido de partículas, mayor

es su resistencia


64


El empleo de matrices bituminosas más duras y el mayor contenido de

partículas, incrementa la resistencia a las deformaciones plásticas

Disminución de

la deformación

en un 26%

Disminución de

la deformación

en un 74%


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Otras aplicaciones…

Materiales Auto-

Reparables



Materiales Auto-

Reparables


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Materiales Auto-

Reparables


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Materiales Auto-

Reparables


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Materiales Auto-

Reparables


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Materiales Auto-

Reparables


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Materiales Auto-

Reparables


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Materiales Auto-

Reparables


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Incremento de

capacidad portante


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Incremento de

capacidad portante


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Incremento de

capacidad portante


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Incremento de

capacidad portante


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Sistemas Anti-hielo


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Sistemas Anti-hielo


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Sistemas Anti-hielo


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C P U


Sistemas Auto-guiado

de vehículos/ Mejora

de Seguridad Vial


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C P U

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de Seguridad Vial


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C P U

80

C P U




de Seguridad Vial

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C P U




de Seguridad Vial

80


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C P UReducir la Velocidad




de Seguridad Vial


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de Seguridad Vial


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0 10 20 30 40 50 60 70 80

1,0002

1,0008

1,0014

time [ms]

No

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lize

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ign

al

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132a

123a

111a

102a

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51a

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31a

21a

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All data

Normalized



de Seguridad Vial




3. Próximos pasos LabIC.UGR

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CARRETERAS de 2ª GENERACIÓN: Los caminos asfaltados

CARRETERAS de 3ª GENERACIÓN: Las autovías

CARRETERAS de 4ª GENERACIÓN: Las autovías sostenibles

CARRETERAS de 5ª GENERACIÓN: Las autovías sostenibles e inteligentes

3. Próximos pasos

3. Próximos pasos

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Proyectos LabIC.UGR …



• MECHANOMUTABLE ASPHALTS

• SMARTI: Sustainable Multi-functional AutomatedResilient Transport Infrastructures

• NARESPAV: Materiales Nano-modificados Resilientes, Sostenibles e Inteligentes para Pavimentos del Futuro

• UGRASPHENER: University of Granada Asphalt-Graphene Research

• Pinturas para la mejora de la sostenibilidad y la seguridad vial

• Firmes Asfálticos para Temperaturas Extremas

• Desarrollo de Pavimentos Reciclados de Larga Duración

• Desarrollo de técnicas avanzadas sostenibles para la rehabilitación de pavimentos de carretera

• Soluciones de Pavimentación Ecológicamente sostenibles

• Estudio del Comportamiento Mecánico de Ligantes y Mezclas Bituminosas Modificadas con PNFU

• Estudio de la resistencia a fisuración de mezclas bituminosas fabricadas con PNFU

• Desarrollo de mezclas bituminosas sostenibles

3. Próximos pasos

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Proyectos LabIC.UGR …



• Firmes Asfálticos para Temperaturas Extremas

• Desarrollo de Pavimentos Reciclados de Larga Duración

• Desarrollo de técnicas avanzadas sostenibles para la rehabilitación de pavimentos de carretera

• Soluciones de Pavimentación Ecológicamente sostenibles

• Estudio del Comportamiento Mecánico de Ligantes y Mezclas Bituminosas Modificadas con PNFU

• Estudio de la resistencia a fisuración de mezclas bituminosas fabricadas con PNFU

• Desarrollo de mezclas bituminosas sostenibles

• MECHANOMUTABLE ASPHALTS

• SMARTI: Sustainable Multi-functional AutomatedResilient Transport Infrastructures

• NARESPAV: Materiales Nano-modificados Resilientes, Sostenibles e Inteligentes para Pavimentos del Futuro

• UGRASPHENER: University of Granada Asphalt-Graphene Research

• Pinturas para la mejora de la sostenibilidad y la seguridad vial

3. Próximos pasos

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SMARTI: Sustainable Multi-functional Automated ResilientTransport Infrastructures

• Aplicación de tecnología de Nanosensores para pavimentos de carretera para el conteo de vehículos, la detección de vehículos sobrecargados, o la evaluación del estado de degradación del firme

• Pavimentos de carretera capaces de capturar la energía solar o producir energía a partir del paso de los vehículos

• Sistemas de fibra óptica para la monitorización de pavimentos

• Sistemas de monitorización vía satélite de infraestructuras

3. Próximos pasos

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NARESPAV: Materiales Nano-modificados Resilientes, Sostenibles e Inteligentes para Pavimentos del Futuro

• Diseño y fabricación de ligantes bituminosos resilientes con propiedades químicas mejoradas

• Estudio de la aplicación de nano-partículas en el betún para inducir procesos de reversión de daño

• Estudio de nuevos aditivos sostenibles rejuvencedores y procesos de liberación gradual durante la vida de servicio del ligante bituminoso

3. Próximos pasos

99

UGRASPHENER: University of Granada Asphalt-Graphene Research

Análisis del comportamiento mecánico de ligantesbituminosos modificados con grafeno

3. Próximos pasos

100

Pinturas para la mejora de la sostenibilidad y la seguridad vial

Estudio de pinturas acrílicas al agua y su efecto en la respuesta del pavimento desde el punto de vista de la seguridad vial




4. Conclusiones

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4. Conclusiones

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- Las carreteras son un eje fundamental de nuestra sociedad, y por ello es necesariodesarrollar nuevos materiales inteligentes adaptados a sus futuras necesidades.

- Los nuevos materiales asfálticos mecanomutables desarrollados por el LabIC.UGRpermiten concebir pavimentos asfálticos inteligentes capaces de modificar suspropiedades mecánicas, adaptándose a cargas excesivamente elevadas o reduciendolas deformaciones sufridas bajo carga cíclica.

- Estos nuevos materiales abren las puertas a un nuevo campo de investigación en elámbito de los materiales bituminosos, con múltiples aplicaciones potenciales:incremento de resistencia, sensorización, posicionamiento, auto-reparables,disminución del impacto de los agentes climáticos (deshielo), etc.

- A pesar de que es necesario seguir trabajando para implementar tecnologíassostenibles (mezclas de baja temperatura, el uso del RAP, PNFU, etc.), es hora deempezar a desarrollar los materiales del futuro para la carretera (sensores, sistemasde captación de energía, grafeno, etc.).




MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN

Fernando Moreno Navarro

Dr. Ingeniero de Caminos, C y P

Subdirector LabIC.UGR

ETSICCP. Universidad de Granada

[email protected]

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