Armadura compuesta: Protegiendo infraestructura futura contra estrés climático

En todo el mundo, las estructuras de hormigón están bajo ataque como nunca antes. No solo ha aumentado el tráfico en carreteras, puentes y viaductos, sino que el cambio climático ha aumentado eventos climáticos extremos, incluyendo tormentas violentas y lluvias torrenciales que resultan en inundaciones repentinas y otros eventos destructivos. Bajo tal estrés, el hormigón puede agrietarse. Esto permite deterioro rápido en entornos agresivos través de exposición a elementos como agua salada, que es corrosiva para la armadura de acero.

"Las grietas crean caminos para que los agentes de los entornos agresivos alcancen el refuerzo y/o pretensado de acero e inicien el proceso de oxidación corrosiva", explica el sitio web de innovación de estructuras del Departamento de Transporte de Florida (FDOT, Tallahassee, Florida, EE. UU.). "Un enfoque innovador para combatir este problema mayor es reemplazar la armadura tradicional de barra y cordón de acero con polímero reforzado con fibra (PRF)." FDOT ha sido líder en uso y pruebas de armadura PRF, así como en desarrollo de estándares de diseño y uso, como los emitidos por el American Concrete Institute (ACI, Farmington Hills, Michigan, EE. UU.). Aunque la armadura compuesta se hace principalmente con fibra de vidrio (PRFV o GRP), también se han desarrollado productos usando basalto (BFRP) o fibra de carbono (CFRP).

"Con una historia larga y costosa de corrosión mundial, el acero ya no se ve como opción rentable en entornos agresivos", dice Nick Crofts, CEO de fabricante de armadura PRFV Mateenbar (Dubái, EAU y Concord, NC, EE. UU.), proveedor principal para el mayor proyecto de armadura PRFV del mundo. Este proyecto es el canal de mitigación de inundaciones de 23 kilómetros de largo y hasta 80 metros de ancho en Jizan, Arabia Saudita. Aunque la armadura PRFV lleva 30-40 años, dice Crofts, proyectos clave como el Canal de Inundación Jizan la están impulsando ahora a infraestructura principal. Este crecimiento ya justifica las nuevas fábricas de Mateenbar en Arabia Saudita y EE. UU.

Pioneros en tecnología de armadura PRFV

La armadura PRFV Mateenbar fue desarrollada por Pultron Composites (Gisborne, Nueva Zelanda), pionero y especialista en tecnología de pultrusión e innovación de producto. Mateenbar aborda los desafíos únicos del mercado de armadura, que no solo exige alto volumen y precios bajos, sino que también requiere que el producto sea especificado por arquitectos y/o ingenieros del proyecto. Así, la primera fábrica de Mateenbar en 2008 se construyó cerca de clientes potenciales y firmas de ingeniería de proyectos en Dubái, Emiratos Árabes Unidos, una región conocida por grandes proyectos de infraestructura y uso pionero de compuestos en construcción. Pultron sigue siendo un socio estratégico de Mateenbar y proveedor clave de tecnología y desarrollo de producto a medida.

Pasos de fabricación

La fábrica de Mattenbar usa la tecnología avanzada de Pultron para producir armadura pultruida muy consistente a alto rendimiento sin emisiones de compuestos orgánicos volátiles (COV). "Inyectamos resina y curamos dentro del troquel de pultrusión de acero diseñado", dice Crofts.

"Esta armadura es un producto diseñado con rendimiento dimensional mejor que ±1%", añade. "No hay excusa para ver resina en el suelo o polvo en el aire. La fibra usada es vidrio ECR resistente a corrosión de Owens Corning (Toledo, Ohio, EE. UU.) y la resina es nuestra propia variante de un éster vinílico con backbone epoxi. Maximiza tenacidad, resistencia y durabilidad, y es muy superior a un backbone de poliéster con terminaciones epoxi".

Las varillas redondas pultruidas se mecanizan para crear un perfil espiral que permite adhesión portante dentro del hormigón. "Esa también es una operación cerrada", señala Crofts, "usando cabinas de mecanizado equipadas con sistemas de filtración de aire Donaldson (Bloomington, Minnesota, EE. UU.). Luego aplicamos una película de resina en el exterior para mejorar la manipulación". La armadura Mateenbar se produce en longitudes de hasta 80 pies, cortada a medida según requerido. "Es típico ver longitudes de 40 pies para la mayoría de proyectos de infraestructura y construcción", dice Crofts.

"Nuestra armadura recta promedio es de 0,75 pulgadas de diámetro, con módulo de tracción de 8.700 ksi (60 GPa) hecha de fibra de vidrio de 11.600 ksi (80 GPa); así, el contenido de fibra es muy alto —más de 80% en peso. No hay forma de doblar esto, así que nuestra armadura PRFV curvada se hace usando un proceso y resina diferentes, con tecnología propietaria".

El mayor proyecto de armadura PRFV del mundo

Jizan (también deletreado Jazan) es la capital de la Región de Jizan, que yace en la esquina suroeste de Arabia Saudita, al norte de la frontera con Yemen. Desastrosas inundaciones repentinas ocurren durante lluvias periódicas intensas debido a escorrentía de montañas cercanas. El canal de drenaje de aguas pluviales de hormigón armado de 23 kilómetros se construyó para proteger una gran zona industrial que incluye una refinería de petróleo para Saudi Aramco (Dhahran, Arabia Saudita).

Hasta la pandemia COVID-19, Saudi Aramco era la empresa más grande del mundo en términos de ingresos. Maneja todo el negocio de petróleo y productos derivados del Reino y también representa el 10% de toda la construcción en Arabia Saudita. "Saudi Aramco se dio cuenta de que un enorme porcentaje de su presupuesto anual se gastaba reemplazando estructuras de hormigón", dice Crofts. "La alta salinidad en la arena de la región y el alto delta de temperatura de día a noche causa agrietamiento más rápido en el hormigón. Saudi Aramco comenzó a buscar tecnologías alternativas, y, como miembros de ACI, tomaron su estrategia de los estándares de armadura PRF desarrollados, adaptándolos y refinándolos más como estándares de Saudi Aramco. La empresa entonces mandató uso de armadura PRFV en ciertos entornos de alta corrosión".

Saudi Aramco pidió ofertas para el proyecto del canal de inundación Jizan y luego seleccionó tres proveedores de armadura PRFV. Mateenbar recibió el 50% del contrato. "Esperamos varios meses mientras el proyecto se preparaba", recuerda Crofts, "y luego, de repente, todos los materiales fueron necesarios inmediatamente. La fábrica de Dubái pasó a estar a pleno rendimiento en el espacio de una semana y produjo casi 6.000 kilómetros de armadura PRFV en siete meses".

Una vez entregada, la armadura fue instalada por el contratista del proyecto, Al Yamama Group (Dammam, Arabia Saudita). "Pensamos que necesitaríamos proporcionar mucha asistencia durante la instalación, pero no fue necesario", dice Crofts. "La encontraron mucho más rápida de instalar que la armadura de acero". Con un peso del 25% del acero, la armadura PRFV permite manipular longitudes mayores con menos gente y es más fácil de mover y posicionar. "También se requieren menos tubos de posicionamiento", añade. "Estas secciones redondas de tubo se usan para soportar la armadura a la altura correcta dentro del hormigón".

Después de colocar la armadura, atada con alambres de acero inoxidable e inspeccionada, está lista para verter hormigón encima. El equipo de instalación de armadura se movió tan rápido, señala Crofts, que estaban realmente un kilómetro abajo del canal de 40-80 metros de ancho antes de darse cuenta de que las operaciones de vertido de hormigón no podían seguir el ritmo. "Así que se detuvieron y dejaron que el hormigón alcanzara", añade. "Esto es importante porque si vienen lluvias intensas, la inundación llena el canal de arena. Esto pasó en un par de ocasiones, causando retrasos, pero también destacando la importancia de este canal de drenaje".

Después de verter el hormigón sobre la armadura, el equipo de instalación apisona y compacta para eliminar burbujas de aire, y luego cura durante los siguientes días y semanas. "No hay diferencia entre armadura PRFV y acero para estos pasos", dice Crofts. "Terminamos de suministrar armadura en enero 2020, y el canal acaba de completarse".

Diseño, coste y futuro del PRFV

Crofts señala que la armadura PRFV no es un reemplazo directo del acero. "La armadura PRFV tiene propiedades diferentes a la de acero. Estas diferencias deben acomodarse en el diseño. Así que mientras el hormigón reforzado con acero se diseñaría típicamente a ACI 318, esto no sería adecuado para armadura PRFV, que se basa en la guía de diseño ACI 440 en su lugar. Como ejemplo, la armadura PRFV tiene mayor resistencia a tracción que el acero, pero menor módulo de tracción. También es elástica hasta el punto de fallo". Crofts señala que en un diseño de acero, la cantidad de armadura se determinaría típicamente por la resistencia a tracción. Sin embargo, para PRFV, el módulo es típicamente el factor que determina la cantidad de armadura requerida. Cumplir este requisito típicamente resulta en una estructura que superará los requisitos de resistencia última. También asegura un modo de fallo deseable en la estructura reforzada con armadura PRFV.

Otra consideración es la producción de curvas y formas. Crofts señala la proporción de armadura curvada a recta en proyectos es, en promedio, aproximadamente 30%. Con armadura de acero, esta fabricación a menudo se completa en obra. "Las barras curvadas de Mateenbar se producen en nuestra fábrica de entorno controlado y se entregan directamente a obra sin pasos intermedios de fabricación", explica. "Esto puede ser un desafío desde un punto de vista de suministro ya que las necesidades cambian de una semana a la otra. Hemos encontrado que la flexibilidad y tener una fábrica en la misma región son muy importantes".

"El coste de la armadura PRFV es 3-4 veces mayor que el acero si se calcula en dólares por libra", dice Crofts, "porque nuestro producto es un cuarto de la densidad. La medida apropiada es dólares por pie porque la armadura se especifica y compra como fracción del volumen de hormigón. Cuando mides su coste por volumen, la armadura PRFV es competitiva en coste con el acero".

"Jizan fue el primer mega-proyecto en no permitir acero", dice Crofts. "Tenían un equipo para diseñar las estructuras requeridas con vida útil de más de 100 años. Varios productores de armadura PRFV buscan ubicarse en Arabia Saudita ahora que crece la demanda". Mateenbar también está construyendo una nueva fábrica allí, así como una en Concord, N.C., EE. UU., para servir Norteamérica, que es el segundo mayor mercado después de Oriente Medio. Ambas nuevas fábricas son instalaciones modernas de 100.000 pies cuadrados, usando la tecnología avanzada de pultrusión de Pultron. Para ambas, el equipamiento se entregó en octubre 2020, y se espera que la producción comience a principios de 2021.

Mientras la demanda de armadura PRFV aumenta en Oriente Medio, el mercado en Norteamérica sigue madurando. "Actualmente, las mayores aplicaciones de armadura PRFV en Norteamérica son muros de mar y puentes a lo largo de la costa o donde las carreteras tienen mucha sal", dice Croft. "Sin embargo, DOTs y propietarios de activos buscan ahora mejorar el coste sobre la vida útil de las estructuras [CW está de acuerdo, ver "El papel creciente de los compuestos en infraestructura"], lo que incluye reducir la necesidad de mantenimiento y construir infraestructura que sea duradera y sostenible. Ingenieros consultores y usuarios finales están viendo el valor de la tecnología de armadura PRFV y los productores de armadura PRFV están cooperando en estándares de calidad y rendimiento. También hay usuarios líderes, como FDOT, que están promoviendo la tecnología y asistiendo a otros DOTs, lo que ha ayudado a extender el conocimiento".

Crofts señala que FDOT recientemente organizó un webinar sobre diseño de hormigón reforzado PRFV con 200 asistentes. En otro webinar, el Dr. Antonio Nanni, uno de los investigadores clave en Universidad de Miami (Miami, Florida, EE. UU.) trabajando con FDOT declaró: "La armadura PRF está lista para el prime time". Eso ha sido probado, dice Crofts. "El trabajo ahora es que más empresas la especifiquen y los contratistas la usen".