Estudio de pre factibilidad para la aplicación de nano fibras y nanotubos de carbono (CNTF) en pavimentos de concreto asfálticos e hidráulico.

Abstract

Esta investigación impulsa la nanotecnología aplicada a estructuras de la ingeniería civil, en este caso se elige una estructura de pavimento por el volumen de material utilizado, esto permite tener mayores beneficios empleando nano-materiales como modificadores. Como objetivo principal, se evalúan dos tipos de estructuras de pavimento con diferentes capas de rodadura, el primero con capa de rodadura de concreto asfáltico y el segundo con capa de rodadura de concreto hidráulico. Adicionalmente, se realiza la comparación en términos estructurales de ambas capas de rodadura modificadas con nanotubos y nano fibras de Carbono (CNTF) y las convencionales. Así mismo, se presenta un análisis de variabilidad en costos y durabilidad de los dos tipos de pavimentos para determinar si existe rentabilidad en el uso de nano materiales como modificadores de las mezclas. Se hizo una investigación previa sobre la morfología y características físicas de los nanotubos y nano fibras de carbono para entender la influencia en las propiedades mecánicas de las mezclas convencionales. Luego de estudiar las características mecánicas de los materiales modificados, se procedió a la investigación de los métodos de producción o síntesis de los CNTF. Para la síntesis de las alotropías de carbono se estudió el método de la descomposición catalítica del metano, el cual es un método económico y de baja energía que permite controlar variables de producción. Luego de conocer la teoría del método y el procedimiento de síntesis, también se estudió la posibilidad de utilizar nano fibras de carbono provenientes de los subproductos de la industria para la modificación, esto con el fin de optimizar costos de aplicación. Con relación a la etapa de diseño, se desarrollaron cuatro diseños estructurales de pavimentos, dos con mezclas convencionales y dos con mezclas modificadas. La metodología de diseño se basó en las especificaciones de AASHTO 1993 agregando algunos parámetros mecanicistas como la medición de la serviciabilidad del pavimento con un perfilómetro inercial y el cálculo del módulo de pavimento combinado con el deflectómetro de impacto. El suelo de subrasante para el diseño se tomó en campo y se evaluó en laboratorio, se hizo un conteo de tránsito para calcular la carga en ejes equivalentes con una proyección de 20 años como vida útil del pavimento. Se evaluó literatura para estudiar los beneficios que pueden tener las mezclas de concreto asfáltico en términos de módulos de elasticidad, ahuellamiento y fatiga, y concreto hidráulico en términos de módulo de ruptura y fatiga, siendo estas propiedades variables de ingreso para el diseño estructural, específicamente para aportes estructurales en cada capa del pavimento (Carpeta Asfáltica, Losa de Concreto, Base y Sub-base). Conociendo la capacidad estructural de ambos tipos de pavimento (modificado y convencional), más el impacto de los materiales modificadores y su procedimiento de síntesis, se puede realizar la evaluación y análisis de ahorro y costos que puede generar la construcción de un pavimento modificado con CNTF, y además contar con los beneficios que se obtienen con el ambiente o con la producción de hidrógeno. Así como se analizan los costos que se generan en la producción de las CNTF y el ahorro que presentan en la construcción de los pavimentos con mezclas modificadas, se puede enfatizar las ventajas que tienen las estructuras modificadas en términos de durabilidad y calidad del pavimento que son factores de evaluación complementarias a la rentabilidad inmediata.