Un nuevo invento de Purdue, un sensor que permite que el concreto ‘hable’, se probará en un número creciente de carreteras de EE. UU. y promete reducir el tiempo de construcción, la frecuencia de reparación y la huella de carbono de las carreteras.
El invento de Purdue para reducir las reparaciones en las carreteras se ve en las carreteras de los Estados Unidos.
Un número creciente de carreteras de EE. UU. está listo para probar un dispositivo innovador de la Universidad de Purdue que podría ahorrarles millones de dólares a los contribuyentes y reducir drásticamente la congestión del tráfico.
El dispositivo es un sensor que permite que el hormigón «hable», reduciendo así el tiempo de construcción y la frecuencia de mantenimiento de los pavimentos de hormigón. Esta innovación mejora la durabilidad de la carretera y reduce considerablemente sus emisiones de carbono.
Incrustado directamente en un vertido de hormigón, el sensor envía a los ingenieros datos más precisos y consistentes sobre la resistencia del hormigón y la necesidad de reparación de lo que es posible con las herramientas y los métodos utilizados actualmente.
Luna Lu, investigadora de la Universidad de Purdue, ha desarrollado una tecnología que podría reemplazar los métodos que la industria de la construcción ha utilizado durante más de cien años para probar cuándo las estructuras de hormigón están listas para soportar una carga externa. Crédito: Universidad Purdue/Rebecca McElhoe
«Los atascos de tráfico causados por las reparaciones de la infraestructura han desperdiciado 4 mil millones de horas y 3 mil millones de galones de gasolina por año. Esto se debe principalmente al conocimiento y la comprensión insuficientes de los niveles de resistencia del concreto», dijo Luna.Lu, profesora Reilly y directora interina de la Escuela Lyles de Purdue. de Ingeniería Civil, que ha liderado el desarrollo de sensores desde 2017. tráfico inmediatamente después de la construcción El concreto puede fallar prematuramente, lo que lleva a reparaciones frecuentes.
Según datos de la Administración Federal de Carreteras, el pavimento de hormigón representa menos del 2 % de las carreteras de EE. UU., pero alrededor del 20 % del sistema interestatal de EE. UU. La investigación de Lu se centró inicialmente en mejorar las condiciones del pavimento de hormigón, ya que es el material de carretera más difícil de reparar. La calzada interestatal de concreto también debe soportar gran parte del tráfico de la nación.
Más de la mitad de los estados de EE. UU. con carreteras interestatales de hormigón se han inscrito para participar en un estudio de fondos comunes de la Administración Federal de Carreteras para implementar los sensores. Los estados participantes son Indiana, Missouri, Dakota del Norte, Kansas, California, Texas, Tennessee, Colorado y Utah.
Se espera que otros estados se unan al lanzamiento del estudio en los próximos meses. Dos estados, Indiana y Texas, ya han comenzado a probar los sensores en proyectos de pavimentación de carreteras.
Los sensores desarrollados por Luna Lu y su equipo están instalados en el encofrado de la Interestatal 35 en Texas. 1 crédito
La tecnología también está en camino de llegar al mercado a finales de este año como el sistema de detección de resistencia del concreto REBEL, un producto de WaveLogix. Lu fundó WaveLogix en 2021 para fabricar la tecnología a mayor escala. La empresa obtiene la licencia de la tecnología de la Oficina de Comercialización de Tecnología de la Purdue Research Foundation, que ha solicitado la protección de patentes de propiedad intelectual.
La revista Fast Company nombró la invención como una de sus Próximas grandes cosas en tecnología para 2022, que reconoce proyectos que ya han tenido un impacto en un problema del mundo real y prometen tener un mayor impacto en los años venideros. El Boletín de calificaciones de 2021 para la infraestructura de Estados Unidos de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles también seleccionó la tecnología como uno de sus «cambios de juego» para el año. Otras organizaciones, como la Asociación Estadounidense de Funcionarios de Transporte y Carreteras Estatales, han rastreado los desarrollos en la tecnología desde su introducción inicial en 2019.
Reemplazo de estándares industriales centenarios para prolongar la vida útil de las carreteras
El invento de Purdue se está consolidando gradualmente como una mejor alternativa a las pruebas que han sido el estándar de la industria desde principios del siglo XX.
Lu y su laboratorio comenzaron a desarrollar la tecnología en 2017, cuando el Departamento de Transporte de Indiana solicitó ayuda para eliminar las fallas prematuras del pavimento de concreto recién reparado al determinar con mayor precisión cuándo el pavimento está listo para abrirse al tráfico.
Después de incorporar un prototipo inicial del sensor en secciones de varias carreteras de Indiana, INDOT agregó la tecnología del sensor a su índice de métodos de prueba de Indiana. Este índice enumera las pruebas que los contratistas y trabajadores de la construcción deben usar para garantizar la calidad del pavimento.
Desde debajo de un vertido de hormigón, este sensor circular negro transmite datos sobre los niveles de resistencia del hormigón a través de un cable conectado a un dispositivo portátil sobre el suelo llamado registrador de datos. Los ingenieros reciben datos en tiempo real de este dispositivo a través de una aplicación para teléfonos inteligentes. Crédito: Universidad Purdue/Rebecca McElhoe
Los métodos utilizados por la industria durante más de un siglo requieren probar grandes muestras de hormigón en un laboratorio o en una instalación in situ. Usando estos datos, los ingenieros estiman el nivel de resistencia que logrará una mezcla de concreto en particular después de verterla y dejarla curar en un sitio de construcción. Si bien la industria comprende bien estas pruebas, las variaciones entre las condiciones de laboratorio y las exteriores pueden dar lugar a estimaciones imprecisas de la resistencia del concreto debido a las diferentes composiciones del cemento y las temperaturas del área circundante.
Gracias a la tecnología que inventaron Lu y su equipo, los ingenieros ya no necesitan depender de muestras de concreto para estimar cuándo el concreto fresco está lo suficientemente maduro. En cambio, pueden monitorear directamente el concreto fresco y medir con precisión muchas de sus propiedades a la vez.
El sensor se comunica con los ingenieros a través de una aplicación de teléfono inteligente exactamente cuando el pavimento es lo suficientemente fuerte para soportar el tráfico pesado. Cuanto más resistente sea el pavimento antes de ser utilizado por los vehículos, menos será necesario repararlo. La capacidad de recibir información instantánea sobre los niveles de resistencia del hormigón también permite que las carreteras se abran al tráfico a tiempo o antes después de un nuevo vertido.
Los trabajadores de la construcción pueden instalar los sensores simplemente arrojándolos al piso del encofrado de concreto y cubriéndolos con concreto. Luego, conectan el cable del sensor a un dispositivo de mano reutilizable que automáticamente comienza a registrar datos. Con la aplicación, los trabajadores pueden recibir información sobre los cambios en tiempo real en la resistencia del hormigón siempre que se necesiten datos de resistencia.
Reducir las emisiones de carbono reduciendo el tráfico y el cemento
Al reducir los tiempos de reparación y construcción de carreteras, esta tecnología podría reducir el dióxido de carbono que los vehículos habrían emitido mientras esperaban en el tráfico para pasar por alto un sitio de construcción.
La startup de Lu, WaveLogix, también está desarrollando una forma de reducir las emisiones de carbono al reducir la cantidad de cemento necesaria en las mezclas de concreto. La fabricación de cemento es responsable del 8% de la huella de carbono global. WaveLogix ha avanzado en una solución que utiliza inteligencia artificial para optimizar el diseño de mezclas de concreto en función de los datos que recopilarían los sensores en las carreteras de todo el país.
Los códigos de construcción requieren un mayor contenido de cemento en las mezclas de concreto para garantizar que las pruebas de muestras de concreto cumplan con los umbrales de resistencia requeridos. El exceso de cemento puede provocar grietas prematuras en el pavimento. Con base en los requisitos de estos códigos y los datos de la Asociación Global de Cemento y Concreto, Lu estima que el diseño excesivo de la mezcla de concreto genera más de mil millones de toneladas de emisiones de carbono por año.
“El mayor problema con las mezclas de concreto es que usamos más cemento para aumentar la resistencia del concreto. No ayudará a abrir la carretera al tráfico antes”, dijo Lu.
Estos códigos se basan en cómo se hacían las mezclas de concreto a principios de la década de 1900, es decir, antes de que se desarrollara un equipo capaz de moler cemento en un polvo más fino en la década de 1950. Dado que las mezclas de concreto usan este polvo más fino hoy en día, deben tener diferentes niveles de agua a -relaciones de cemento que hace cien años. Los códigos tampoco tienen en cuenta el impacto de las condiciones climáticas en diferentes estados en una mezcla de concreto. Un vertido de hormigón en medio de un invierno de Indiana, por ejemplo, requiere diferentes mezclas de hormigón para lograr el nivel correcto de resistencia que si el hormigón se vierte durante el invierno de California.
Lu estima que este nuevo método que utiliza inteligencia artificial podría reducir potencialmente la cantidad de cemento utilizado en las mezclas de concreto en un 20-25% y, al mismo tiempo, hacer que el pavimento sea más duradero y menos costoso.
“Siento un fuerte sentido de la responsabilidad de impactar nuestra infraestructura mediante el desarrollo de nuevos tipos de tecnologías. En el campo de la ingeniería civil, si no impactamos al mundo, no habrá mundo de qué preocuparse», dijo Lu.
La investigación fue financiada por el Departamento de Transporte de Indiana y la Administración Federal de Carreteras.