sábado, 24 de agosto de 2019

Sensores para la Determinación de la Durabilidad de Construcciones de Hormigón Armado.



La durabilidad de las construcciones de hormigón armado está gravemente afectada por los fenómenos de corrosión. Este problema supone un gran coste económico en los países desarrollados debido a la gran infraestructura construida en ellos, tanto vial como edificatoria. En esta revisión se exponen las distintas técnicas disponibles actualmente para monitorizar y controlar mediante sensores las estructuras de hormigón armado. Mediante estos tipos de control existentes es posible obtener información relevante sobre los factores que favorecen los procesos corrosivos, cuya información es de gran utilidad para poder predecir la vida útil de las estructuras y optimizar las estrategias de reparación. Se han comparado entre sí los distintos sistemas de sensores y sus aplicaciones, teniendo en cuenta los factores de ubicación, calibración y evaluación de datos. Finalmente, se presentan varios ejemplos de aplicaciones de sistemas y diversas estrategias a seguir en el desarrollo de nuevos sensores.
Palabras clave: Sensor; hormigón armado; corrosión; durabilidad; estructuras

1. INTRODUCCIÓN
El estudio de la durabilidad de las estructuras de hormigón reforzado con acero estructural ha ganado relevancia desde los años 90 en la normativa europea (Richardson 2002). Las acciones que condicionan la durabilidad de las estructuras son las derivadas de los procesos químicos, físicos y biológicos de deterioro que actúan constantemente sobre ellas. Ejemplos de estos procesos son la acción de los oxidantes, los ácidos, las sales o las bacterias. Estos procesos de deterioro modifican su resistencia, rigidez y aspecto, y por tanto, condicionan su seguridad y funcionalidad (Garcés et al. 2008).
Estudios económicos mundiales recientes llevados a cabo por la Asociación Nacional de Ingenieros de Corrosión Internacional sitúan el coste directo global de la corrosión entorno al 3-4% del Producto Interior Bruto mundial. De este coste, se estima un posible ahorro del 20-35% (375-875 mil millones de dólares) si se hiciera uso de la tecnología existente de control de corrosión (Koch et al. 2016).
La forma tradicional de conocer la magnitud del deterioro de un hormigón armado dañado se fundamenta en ensayos obtenidos mediante técnicas destructivas en los que se extraen muestras de estructuras en servicio que son posteriormente repuestas mediante morteros especiales de reparación (Sing et al. 2016). Sin embargo, es importante conocer el estado de las armaduras para poder minimizar los costes de intervención. Por este motivo, se han desarrollado nuevas tecnologías, como son los sensores, para monitorizar el estado de las armaduras con precisión y rapidez (Almeraya et al. 1998), (Song y Saraswathy 2007).
De este modo, en el presente trabajo, se muestra una revisión del estado del arte de los sensores para la determinación de la durabilidad de este tipo de construcciones. Finalmente, se exponen unos ejemplos de aplicación relevantes de sensores y diversas estrategias a seguir en su desarrollo.

2. Medidas requeridas para el estudio de la durabilidad
Actualmente, las metodologías más ampliamente utilizadas para la determinación de los procesos de corrosión son las electroquímicas ). Sin embargo, todavía se siguen utilizando las técnicas destructivas tradicionales para el control de la corrosión con el objetivo de contrastar resultados (González y Miranda 2007). La información que se necesita conocer para el estudio y evaluación de la durabilidad se resume en la (Tabla 1) (Broomfield et al. 2002), (Yoo el at. 2003).

Tabla 1 Tabla resumen de las medidas habitualmente empleadas para el estudio de la durabilidad de estructuras de hormigón armado (Broomfield et al. 2002), (Yoo el at. 2003).

Respecto a las medidas que se realizan en las armaduras, el potencial de corrosión (Ecorr) se mide determinando la diferencia de potencial entre un electrodo de referencia y el acero de las armaduras (Song y Saraswathy 2007). Estos resultados proporcionan valores orientativos de calificación de riesgo de corrosión de acuerdo con la norma americana ASTM C-876-99 y la española UNE 112083:2010 (Tabla 2).

Tabla 2 Riesgo de corrosión en tanto por cien estimado en función del potencial de corrosión utilizando un electrodo saturado de calomelanos (SCE) de referencia.

La velocidad de corrosión, medida en µm/año, proporciona información sobre el efecto de la corrosión por unidad de tiempo y se determina de forma indirecta mediante técnicas potenciométricas como son la resistencia a la polarización (Rp) (Duffó y Farina 2009) o el método de extrapolación de Tafel (Arva y Duffó 2009). La densidad de corriente galvánica (Icorr) registrada por el proceso de reducción en el cátodo también da información de la actividad corrosiva (González et al. 2004).
Por otro lado, respecto a las medidas requeridas para el estudio de la durabilidad que se llevan a cabo en el hormigón que recubre las armaduras, los factores que controlan la velocidad de corrosión y que pueden ser monitorizados son la resistividad eléctrica del hormigón y el transporte de oxígeno (Yoo et al. 2003) (Duffó y Farina 2009). La conductividad o resistividad del hormigón en la zona de actividad de corrosión proporciona también información del riesgo general de corrosión (Arva 2002), (González 2004), (Langford y Broomfield 1987) ver (Tabla 3). Respecto al transporte de oxígeno, éste puede medirse en disolución mediante una combinación de dos electrodos metálicos y un electrodo de referencia (Correia et al. 2006) (Castañeda y Corvo 2004).

Tabla 3 Riesgo de corrosión estimado en función la resistividad eléctrica del hormigón (Langford y Broomfield 1987), (Alonso et al. 1988), (Sagoe-Crentsil y Glasser 1989), (López y González 1993), (Broomfield 2006).


martes, 21 de mayo de 2019

TUNNELLING Diseñar una cámara de refugio Tuneleria

Crescent Design Refuge Chamber for Tunnelling

Desarrollar una cámara de refugio para una emergencia en construcción de túneles exigía satisfacer necesidades específicas de la industria y de las condiciones de cada proyecto. La construcción de una cámara de refugio para un túnel presentaba muchos desafíos: mantener una atmósfera respirable y también regular la temperatura y la humedad.

Al desarrollar las cámaras de refugio TunnelSAFE de MineARC, nuestros ingenieros pudieron pulir y perfeccionar los componentes especializados para soporte de vida con el fin de superar las condiciones de confinamiento en el ambiente de un túnel.

Crescent Design Refuge Chamber for Tunnelling

¿Por qué la industria de la tunelería necesita cámaras de refugio?

Las cámaras de refugio son contenedores de acero sellados y con una atmósfera artificialmente controlada. Mantienen un ambiente habitable para conservar la vida durante una emergencia en proyectos de túneles bajo tierra.

Los principios para el soporte de vida tienen como objetivo controlar los siguientes factores:

  • Un volumen interno sellado, seguro y con presión positiva para asegurar que los contaminantes no puedan ingresar en el espacio ocupado.
  • Aire respirable con varios sistemas redundantes; requisito indispensable dentro de un dispositivo de respiración en circuito cerrado como es una cámara de refugio.
  • Temperatura y humedad ambiente.
  • Redundancia eléctrica, con el empleo de un sistema importante de alimentación ininterrumpida durante 24 horas, para energizar los equipos de depuración, aire acondicionado, iluminación y monitoreo de gases

Los métodos que se utilizan para logran estos factores son comparables con los que se aplican en los submarinos sumergidos y se utilizan desde hace bastante tiempo. Sin embargo, las cámaras de refugio para la industria de la tunelería presentan algunos desafíos únicos que exigen desarrollar más detenidamente algunas características especiales en todas las áreas clave

¿Sabía que...? Las temperaturas pueden aumentar dentro de la cámara debido al calor del ambiente y también por la actividad metabólica de sus ocupantes. El enfriamiento de la cámara es esencial para reducir los efectos potencialmente letales del estrés térmico.

Desafíos de diseño y soluciones para cámaras de refugio para tunelería

Desafío: Atmósfera respirable

El aire comprimido externo generalmente es la fuente primaria de aire respirable dentro de una cámara de refugio TunnelSAFE. MineARC Systems investigó los patrones operativos de los compresores bajo tierra como fuente primaria de aire respirable; los riesgos por potencial contaminación del suministro de aire comprimido, tanto en hipótesis de cámara ocupada y no ocupada; y los métodos para el monitoreo y control remoto del aire contaminado para impedir su ingreso al espacio sellado. Teniendo en cuenta que el incendio bajo tierra es una de las principales fuentes de contaminantes de la respiración y una de las razones primarias para evacuar hacia una cámara de refugio, se tomó en consideración la presencia de aire comprimido, la falta de oxígeno, el alto nivel de monóxido de carbono y la alta temperatura para comenzar el trabajo de diseño de este sistema de soporte de vida.

Solución: Sistema de optimización y control de aire comprimido (CAMS)

Una característica clave de la cámara de refugio TunnelSAFE de MineARC es el sistema de optimización y control de aire comprimido (CAMS), una función diseñada específicamente para enfrentar el desafío de conservar una atmósfera respirable dentro de un espacio encerrado. Un sensor de oxígeno monitorea el aire comprimido que ingresa y desactiva un solenoide normal cerrado en caso de detectar un bajo nivel de oxígeno. El aire proveniente de un área donde existe un incendio o de un ambiente que es probable que contenga monóxido de carbono, como resultado de una combustión incompleta, también tendrá bajos niveles de oxígeno. Este sistema permite que el volumen interno de una cámara de refugio permanezca en condiciones respirables con o sin ocupantes.

Además, las cámaras de refugio exigen que el volumen interno tenga presión positiva para impedir el ingreso de contaminantes respirables. Esto normalmente se logra descargando hacia la cámara, y en forma continua, la misma fuente de aire comprimido respirable mientras está en modo latente (fuera de una emergencia). Para evitar desperdiciar en exceso el aire comprimido, se emplea un controlador por diferencial de presión para activar el ingreso de aire comprimido solamente cuando se requiere; reduciendo así de manera considerable la demanda sobre los compresores que se utilizan para proveerlo.

Desafío: Temperatura y humedad

En aplicaciones de tunelería, con frecuencia pretende aplicar las condiciones ambientales elevadas de las unidades de aire acondicionado convencionales. La mayoría de los intercambiadores de los aires acondicionados no tienen capacidad de repeler un calor ambiente superior a una temperatura de 47°C. Los equipos para "altas temperaturas" en general están diseñados para 60°C pero exigen un mayor consumo de energía y brindan una menor capacidad de enfriamiento efectivo.

Solución: Dinámica de fluidos computacional (CFD)

MineARC cuenta con diseños para alta temperatura y con aislación que calculados según estudios de modelación y análisis mediante dinámica de fluidos computacionales (CFD) para garantizar la seguridad de los ocupantes. Más aún, MineARC tiene la capacidad de utilizar MARCiS (dióxido de carbono líquido) y métodos de refrigeración por almacenamiento de energía térmica en atmósferas de hasta 300°C.

Ejemplos de dinámica de fluidos computacional

Primero se debe establecer una línea de base para identificar si se requiere aire acondicionado o aislación. La generación de calor metabólico está cuantificada en 117W, sin embargo, para estas condiciones se aplica un valor de 130W. En la figura 1.0 a continuación, se observa claramente que la cámara ya está alcanzando condiciones ambientales de inhabitabilidad dentro de los primeros 30 minutos de encierro. Si la cámara detallada en la figura 1.0 alcanzara el punto de saturación, el índice térmico superaría los límites de supervivencia dentro de los 30 minutos.

tunnelling-air-conditioning-exampleFigure 1: Cross section: Scenario: Air Conditioning – No Insulation
at 16 minutes.

Figura 2.0 y figura 3.0: Calculado a partir de nuestras condiciones de operación estándar, se muestra la gran capacidad de mezcla al extraer el aire contaminado a través de los cartuchos de depuración química. Si bien este escenario no contempla temperaturas ambiente elevadas, da mayor peso a la capacidad de mezcla y refrigeración para una cámara de refugio en condiciones de altas temperaturas.

tunnelling-standard-temperature-scenario-air-conditioning-scrubbing-fanFigure 2: Cross section: Standard Temperature Scenario: Air
Conditioning – Scrubbing Fan Mixture.

tunnelling-iso2- standard-temperature-scenario-air-conditioning-scrubbing-fanFigure 3: ISO2: Standard Temperature Scenario: Air Conditioning –
Scrubbing Fan Mixture.

Via MINEARC

martes, 26 de marzo de 2019

Biorremediación

Se define como biorremediación a cualquier proceso que utilice microorganismos, hongos, plantas o las enzimas derivadas de ellos para retornar un medio ambiente alterado por contaminantes a su condición natural.
La biorremediación puede ser empleada para atacar contaminantes específicos del suelo, por ejemplo en la degradación bacteriana de compuestos organoclorados o de hidrocarburos.
Ejemplo de un tratamiento más generalizado es el de la limpieza de derrames de petróleo por medio de la adición de fertilizantes con nitratos o sulfatos para estimular la reproducción de bacterias nativas o exógenas (introducidas) y de esta forma facilitar la descomposición del petróleo crudo.
Inspección y aplicaciones
Los procesos naturales de biorremediación y fitorremediación (remediación por plantas) se han usado desde hace siglos; tal es el caso de la desalinización de terrenos agrícolas por la acción de plantas capaces de extraer las sales. La biorremediación usando microorganismos fue inventada por el científico George M. Robinson, trabajó como ingeniero petrolero y se dedicó a experimentar con una serie de microbios en frascos contaminados de petróleo.
Se puede clasificar a la biorremediación como in situ o ex situ, consiste en tratar el material contaminado en el lugar en que se encuentra sin trasladarlo a otra parte. Algunos ejemplos de estas tecnologías radica en operaciones de compostaje, la ventilación biológica, la utilización de biorreactores, la filtración por raíces o la estimulación biológica.
En los procesos ex situ el material contaminado es trasladado a otro lugar para realizar o completar su descontaminación.
No todos los contaminantes son fáciles de biorremediar por medio de microorganismos. Por ejemplo, los metales pesados como el cadmio, el plomo y el mercurio no son absorbidos o capturados por estos organismos. La incorporación de algunos de estos metales dentro de la cadena alimentaria (bioacumulación) agrava el problema. Se puede usar la remediación por medio de plantas o fitorremediación, es muy útil en estos casos porque es posible usar plantas transgénicas que concentren estas toxinas en sus partes aéreas (sobre la tierra), las cuales pueden ser cosechadas y eliminadas.Los metales pesados obtenidos de esta cosecha pueden ser concentrados aun más por incineración para ser desechados o bien reciclados para usos industriales.
La eliminación de una gran variedad de contaminantes del medio ambiente requiere un conocimiento creciente de la relativa importancia de sus ciclos químicos y redes de regulación del ciclo del carbono en diversos ambientes y para cada compuesto en particular.
"Con seguridad que esta tecnología se desarrollará aun más en el futuro".
Tecnologias de ingeniería genética

El uso de la ingeniería genética para crear organismos específicamente diseñados para la biorremediación tiene gran potencial. La bacteria Deinococcus radiodurans (el organismo más resistente a la radiación que se conozca) ha sido modificado para que pueda consumir el tolueno y los iones de mercurio de desperdicio nuclear altamente radioactivo.
Microrremediación 
Se llama micorremediación a una forma de remediación en que se usan hongos para descontaminar suelos. Este término fue usado por primera vez por Paul Stamets y se refiere al uso de micelios fungales para la biorremediación.
Uno de los principales papeles de los hongos en los ecosistemas es el de descomposición, que es efectuado por los micelios. Éstos segregan enzimas extracelulares y ácidos que sirven para degradar la lignina y la celulosa, los dos componentes principales de la pared celular de las células de plantas. Estos compuestos están formados de largas cadenas de carbono e hidrógeno con uniones químicas muy fuerte que le dan la robustez a las fibras vegetales y a la madera. Estas estructuras químicas son muy similares a las de muchos contaminantes actuales. Lo fundamental en la microrremediación es identificar la cepa de hongos más apropiada para tratar cada tipo específico de contaminante. Algunas cepas dan buenos resultados para degradar gases neurotóxicos como el agente VX y el gas sarín.

Ventajas
La biorremediación tiene una serie de ventajas sobre otros métodos. En el caso que la contaminación esté en lugares inaccesibles se puede realizar sin necesidad de cavar. Por ejemplo en el caso de derrames de petróleo que hayan penetrado en el suelo y amenacen contaminar a la capa de agua. Esto resulta mucho menos costoso que el proceso de excavación e incineración que sería la otra alternativa.
Supervisión
El proceso de biorremediación puede ser supervisado usando métodos como la medición del potencial de reducción-oxidación (también llamado redox) en el suelo o el agua junto con la medición del pH, temperatura, contenido de oxígeno, concentraciones de productos de degradación (como el anhidrido carbónico)
¿Qué tipos de contaminantes se pueden eliminar por biorremediación?
Todos aquellos contaminantes que puedan ser degradados o transformados por los seres vivos son susceptibles de ser eliminados mediante procesos de biorremediación. Los compuestos orgánicos suelen ser degradados total o parcialmente y eliminados por completo del ecosistema. Por ejemplo, compuestos contaminantes tales como el tolueno, el fenol o los polibifenilos clorados (PCBs) pueden ser utilizados como fuente de carbono por bacterias, tanto en condiciones aeróbicas como anaeróbicas. Bacterias de los géneros Pseudomonas, Ralstonia, Burkholderia o Mycobacterium pueden eliminar hidrocarburos aromáticos como el tolueno o el naftaleno, pesticidas como las atrazinas, aditivos de la gasolina como el tricloruro de etilo o sustancias venenosas como el cianuro potásico, tanto de ambientes sólidos (suelos) como líquidos (rios y mares).
Pero, además muchas bacterias son capaces de modificar sustancias químicas peligrosas, transformándolas en otras menos tóxicas. Así, algunas bacterias pueden reducir la biodisponibilidad (hacerla menos accesible y por tanto menos tóxica) de metales pesados tales como el mercurio, el arsénico, el cromo, el cadmio, el zinc o el cobre.