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Geoceldas de aleación nano polimérica (NPA): última generación de geosintéticos aplicados a refuerzos de suelos en obras viales

Evolución de las geoceldas desde sus primeros usos militares hasta llegar a las grandes obras civiles.
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EDITORIAL

*Por el Ing. Diego Skok, gerente técnico de SKOK INGENIERÍA SRL. (Ver nota con figuras completa aquí)

INTRODUCCIÓN
Se tratará la evolución de las geoceldas desde sus primeros usos militares hasta llegar a las grandes obras civiles. Asimismo, se describe el avance tecnológico de sus materiales desde las primeras geoceldas fabricadas con tubos de plástico hasta llegar a las modernas geoceldas fabricadas a partir de una aleación nano polimérica NPA (nano-polymeric alloy), que se presentan como una tecnología de geosintéticos de última generación y el más prometedor refuerzo de suelos para grandes proyectos de infraestructura vial, portuaria y ferroviaria.
Cabe destacar que en los países desarrollados estos productos se utilizan desde hace varios años, donde los ingenieros experimentaron con estos materiales en diferentes tipos de suelos; mientras que, en nuestro país, recién comienzan a proyectarse algunas obras que presentaremos en diferentes artículos de esta revista.
El avance tecnológico de las geoceldas de NPA, es el fundamento para su utilización masiva como refuerzo de bases de pavimentos, puesto que su utilización refleja un fuerte aumento de la capacidad de carga del paquete estructural que soportan los caminos pavimentados y sin pavimentar y, por otra parte, logran una importante economía, tanto por la optimización de los tiempos y materiales de construcción, así como también al lograr una mayor vida útil del camino.

ANTECEDENTES DE GRANDES PROYECTOS DE INFRAESTRUCTURA QUE UTILIZAN GEOCELDAS DE NPA

Foto 1: Caminos de accesos al Nuevo Aeropuerto International, México.
Estabilización del suelo para caminos asfaltados construidos en condiciones extremas del suelo (arcilla muy blandas con CBR <0,6%) para instalaciones aeroportuarias. La solución redujo el peso del paquete estructural en un 60%, el tiempo y los costos de construcción. (Haga click aquí)

Foto 2: Estabilización de suelo para operaciones de trenes de pasajeros de alta velocidad, Amtrak, Estados Unidos.
Se realizó la estabilización de suelo de la vía de alta velocidad en sub rasantes arcillosas blandas. La solución redujo la presión del subsuelo en un 50% y los ciclos de mantenimiento de vía en un factor de 6.7x. (Haga click aquí)

Foto 3: Plataformas de transferencia de carga, Puerto Manzanillo, México.
Se reforzó con geoceldas de NPA, la plataforma de transferencia de carga (LTP) cimentada en arenas limosas saturadas muy sueltas, reduciendo el espesor del pavimento en un 49%, así como el número de pilotes y costos de construcción.  (Haga click aquí)

RESEÑA HISTÓRICA

En 1977, en la Estación Experimental de Vías Fluviales del US Army Corps of Engineers, en Vicksburg-Misisipi, comenzaron a realizar una investigación innovadora sobre el uso de lo que posteriormente se convertiría en la Geocelda. Se buscaba específicamente, una alternativa moderna a las planchas de acero perforadas PSP (Pierced-Steel planks), que se hicieron famosas en ambos frentes durante la Segunda Guerra Mundial, para la construcción rápida de caminos temporales y pistas de aterrizaje.
El material también se usó en las guerras de Corea y Vietnam, en donde un pequeño equipo de ingenieros podía construir una pista de 60 m de ancho y 1500 m de largo, en dos días.
Las planchas de acero perforadas (PSP), tenían dimensiones de 3 m de largo, 15” de ancho y 30 kg aproximadamente de peso, y podían vincularse mecánicamente entre sí. Las pistas de aterrizaje soportaban a diario aeronaves que pesaban aproximadamente 28 Tn. (ACÁ VAN FOTOS 4 y 5)
La investigación se centró específicamente en mejorar los caminos de aproximación de puentes tácticos, en terrenos de muy baja consistencia.
Se construyó una ruta militar alternativa a gran escala y luego se ejecutaron ciclos de pasadas de equipos militares pesados. Las secciones de prueba estaban formadas por segmentos de tubos de plástico corrugados, que se mantenían verticales en el suelo natural ligados a un geotextil, (foto 9). Las secciones de tubos de plástico se unieron mecánicamente y luego se rellenaron con arena. La capacidad de las geoceldas para limitar los desplazamientos del camino superaba ampliamente los simples geotextiles de separación que se habían investigado anteriormente.(ACÁ VAN FOTOS 6 y 7)
Paralelamente, el US Army Corps of Engineers se contactó con un fabricante de plásticos, para obtener asistencia en el desarrollo de una estructura tridimensional que mantuviera vinculados los tubos de plástico bajo cargas de vehículos pesados.
La compañía ideó un método para soldar tiras de polietileno de alta densidad (HDPE), formando una estructura celular que se conoció como \»Sand grid\» y fue utilizado por los militares para aplicaciones en caminos debido a su resistencia, bajo costo y facilidad de fabricación. Era el mejor material disponible en ese momento.
El US Army Corps of Engineers, ha utilizado geoceldas para otras aplicaciones de estabilización del suelo, incluida la construcción rápida de muros fortificados en las zonas de combate en el Medio Oriente, comenzando con la Operación Tormenta del Desierto a principios de los años noventa.
El HDPE tiene una resistencia a la tracción teóricamente moderada (hasta 15 MPa), pero este es un valor a corto plazo, por el fenómeno de fluencia lenta que presenta. Si bien tiene una excelente resistencia química y a la corrosión, ofrece una muy pobre resistencia a los factores ambientales tales como los rayos UV y a los agentes oxidantes, lo que le provoca un envejecimiento acelerado. Por otra parte, el HDPE tiende a perder el módulo elástico (rigidez) a lo largo del tiempo, particularmente bajo cargas dinámicas y cíclicas, que le ocasionan cambios geométricos o la pérdida de estabilidad dimensional. Debemos tener presente que una geocelda utilizada como refuerzo, trabajando con deformaciones del orden del 2% al 3%, puede tener consecuencias críticas como: pérdida de confinamiento y compactación, lo que a la vez puede invalidar los parámetros de diseño y causar fatiga o falla del material.
En virtud de los problemas presentados en cuanto a la baja resistencia de las geoceldas de HDPE a los fenómenos reológicos, cuando se implementaron para soluciones de estabilización del suelo en caminos civiles, las utilizaron normalmente según su intención original, para carreteras de bajo volumen de tránsito.

APARICIÓN DE LOS NANO COMPUESTOS POLIMÉRICOS

A comienzos del Siglo XXI, una empresa de origen israelí, profesionales de la industria y expertos geotécnicos de diferentes países, iniciaron investigaciones y desarrollos para avanzar en la tecnología de las geoceldas.
El objetivo de la investigación se centró en comprender los mecanismos y los factores que influyen en las geoceldas proyectadas como refuerzo del paquete estructural de caminos pavimentados y sin pavimentar, evaluar su efectividad para mejorar el rendimiento y vida útil, desarrollar un nuevo material polimérico más estable frente a los fenómenos reológicos que presentaba el HDPE, y calibrar los métodos de diseño.
Las pruebas experimentales, numéricas, analíticas y de campo, se llevaron a cabo en la Universidad de Kansas (Estados Unidos), la Universidad de Columbia (Estados Unidos), la Universidad de Delaware (Estados Unidos), el Instituto Indio de Tecnología de Madras, el Instituto Indio de Ciencia, la Universidad Clausthal (Alemania) y el Instituto Kiwa KOAC (Países Bajos), entre otros.
Los investigadores concluyeron que la estabilidad dimensional era un factor clave para mantener la geometría de la geocelda y prevenir el cambio volumétrico. En definitiva, el material utilizado para la fabricación de las mismas, debía mantener la geometría para mantener el confinamiento y su funcionamiento como refuerzo. Esto requería que el material polimérico utilizado tuviera una mayor rigidez axial (mayor módulo elástico y mayor resistencia a tracción) y una mayor resistencia a la deformación. Sin embargo, en términos de rendimiento a largo plazo se consideró necesario que el polímero presentara propiedades viscoelásticas bajo carga dinámica y tuviera resistencia a la fluencia lenta (creep). Al mismo tiempo, la durabilidad ambiental seguía siendo una preocupación.
Reconociendo las limitaciones del material de HDPE, la cooperación entre químicos de polímeros e ingenieros civiles, resultó en la creación de una Aleación Nano Polimérica (NPA) para geoceldas, que se presenta como una aleación de polímero compuesto que consta de, un termoplástico de ingeniería de alto rendimiento con una mezcla de poliolefinas (PP, PE). La mezcla es inmiscible con un compuesto de nanopolímero de alto rendimiento (copolímeros, copolímeros de bloques, mezclas y otras combinaciones) y se dispersa en una matriz de poliolefina.
Los resultados de estos estudios validaron que las geoceldas de NPA se encontraron significativamente mejores en la capacidad de carga final, la rigidez y el refuerzo en relación con las geoceldas de HDPE. Asimismo, mostraron una mejor resistencia a la fluencia y una mejor rigidez, particularmente a temperaturas elevadas, verificadas mediante pruebas de carga de placas, modelos numéricos y pruebas de tráfico a gran escala. El nuevo material también resultó resistente a los fenómenos meteorológicos y rayos UV.

MÉTODO ISOTÉRMICO ESCALONADO SIM (STEPPED ISOTHERMAL METHOD)
El Método Isotérmico Escalonado (SIM), se desarrolló para predecir la fluencia acelerada de los polímeros durante una vida útil de 50 a 100 años (ASTM D6992). El SIM mide la distorsión plástica acumulada del producto polimérico sometiéndolo a la carga constante de diferentes temperaturas durante un tiempo específico y permite simular más de 10.000 horas de fluencia en menos de 24 horas.
En esta prueba, el final de la vida del producto no se basa en la rotura de la pared celular o la costura, sino más bien, en la deformación plástica permanente, superior al 10%. La poliolefina (PE, PP) tiende a fallar inesperadamente por encima del 10% de deformación, debido al \»agrietamiento\» en la estructura del polímero, lo que lleva a la pérdida de confinamiento y posteriormente a la falla. Las geoceldas de NPA tienen deformaciones 9 veces menores que la muestra de HDPE. (ACÁ VAN FOTOS 8 Y 9)

FUNCIONAMIENTO DE LA GEOCELDA COMO REFUERZO
Las geoceldas son sistemas de confinamiento celular de suelos tridimensionales. Varias tiras de NPA, de pared delgada, están soldadas y conectadas a una distancia fija. Al separar estas tiras y apretarlas in situ, se crea una estructura llamada panal. Los paneles se comercializan aplastados, pero se expanden y se posicionan rápidamente.

Dependiendo de la aplicación, se pueden utilizar varios tipos de materiales de relleno, tales como, gravas, arenas, limos de baja plasticidad, material reciclado, etc. Las geoceldas no dependen mucho del tamaño de grano y del agregado mineral, siempre que el grano más grande sea más pequeño que el 33% de la superficie celular y no se coloquen suelos activos. El material de relleno queda atrapado en la geocelda y queda imposibilitado de desplazarse horizontalmente bajo carga.
Cuando se aplican cargas verticales, se originan tensiones hacia los laterales (radiales) que se convierten en tensiones tangenciales (radiales) en las paredes celulares, y las celdas circundantes proporcionan una contrapresión estática. El efecto principal consiste en un confinamiento mejorado del esqueleto del grano y la limitación del movimiento lateral a través de una contención eficiente del agregado mineral en las aberturas de la base de refuerzo. Como resultado, las distorsiones por corte en el agregado mineral se reducen o evitan y toda la construcción del pavimento se comporta de manera más rígida. (Ver Figura 1 A y Figura 1 B)
Por otra parte, el efecto losa que se produce en las geoceldas, permite que una gran parte de las fuerzas verticales aplicadas, por ejemplo, los neumáticos de un vehículo, se distribuyan lateralmente produciendo un achatamiento del bulbo de tensiones verticales originadas por la carga.
El achatamiento del bulbo de tensiones verticales de un paquete estructural reforzado, respecto al bulbo de tensiones de un paquete estructural sin reforzar, tiene efectos favorables desde el punto de vista de las deformaciones, dado que la redistribución de tensiones verticales, produce menores deformaciones elásticas y por consolidación, lo que permite optimizar los espesores, tanto de los pavimentos flexibles, como de los pavimentos rígidos. Las tensiones típicas ejercidas en una celda se muestran en la Figura 2.
La altura de una geocelda, es normalmente 0,10 m a 0,20 m. Si se utiliza como refuerzo de estructuras que están cimentadas en suelos arcillosos blandos o suelos arenosos sueltos, debe utilizarse conjuntamente un geotextil como elemento separador. Las geoceldas se producen en varias versiones y niveles de calidad dependiendo del tipo de carga a la que se someta.

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