Construcción ‘in-situ’ de sifón de agua potable con fibra de carbono mediante infusión y vacío, bajo las vías del ferrocarril de Madrid
(Artículo publicado en la Revista Obras Urbanas número 99)
Francesc Robles (Grupo Navec); Ingeniero Industrial -Director de División de Ingeniería Aplicada
Mario Losañez (Grupo Navec); Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos -Director de Desarrollo de Negocio de Ingeniería Aplicada
En este artículo se explica el sistema consistente en fabricar una tubería con fibra de carbono in situ por vía húmeda mediante la tecnología de infusión y vacío.
1 Introducción
Debido a la extensión de las grandes ciudades y al complejo entramado de redes de transporte de agua que existe, y que interfiere con otras infraestructuras como autovías o ferrocarriles, o incluso edificaciones emblemáticas, se producen hoy en día situaciones que imposibilitan el reacondicionamiento de estas conducciones mediante métodos tradicionales.
Por esta razón y con la apuesta de una economía circular para conservar y alargar el valor de las redes de distribución de agua, en los últimos años se ha acentuado el uso de las tecnologías sin zanja, las cuales suponen una alternativa segura y eficaz para aquellas conducciones que presentan excesivas complejidades de actuación, como profundas excavaciones, interferencias con instalaciones o servicios cercanos e interrupciones de tráfico y/o suministros.
Dentro de las diferentes soluciones de tecnología sin zanja, destaca por su innovación la fabricación “in-situ” de tuberías mediante fibra de carbono con tecnología de infusión y vacío. Esta tecnología, importada del sector aeronáutico y adaptada al mundo del agua potable, permite restaurar la integridad estructural, proporcionando las propiedades mecánicas requeridas en cualquier punto de la superficie, pudiendo, incluso, soportar caudales y presiones mayores a las originales de diseño sin modificar la instalación.
2. Diseño, fabricación e instalación
Una rehabilitación estructural con fibra de carbono es una alternativa a la rehabilitación tradicional con materiales como el acero y el hormigón, pero con un peso similar al del plástico. Además, es inmune a la corrosión, y tiene dos materiales constituyentes principales:
- El refuerzo o fibra, formado por tejidos con filamentos de carbono, el cual aporta rigidez y resistencia, y soporta los esfuerzos mecánicos.
- Y la matriz o resina polimérica líquida, la cual aporta geometría y cohesión, y transmite los esfuerzos de unas fibras a otras para comportar-se como un conjunto.
La rehabilitación de una conducción debe tener en cuenta, entre otras, cuatro cargas principales: tensión / tracción, compresión, cizallamiento y flexión. Para cumplir con el escenario de cargas, el diseño de la fibra de carbono tiene 3 parámetros clave:
- La definición del tipo de material
- La configuración o arquitectura del tejido
- El proceso de implantación
Tanto el tipo de material como la configuración del tejido son factores clave, sin embargo, el proceso de implantación es determinante. Existen tres procesos de implantación reconocidos:
- Manual por contacto
- Manual con presión de vacío
- Automatizado con infusión y vacío (objeto del presente artículo)
Los procesos manuales deben lidiar con el cansancio de los trabajadores, la maestría, la gravedad y, en consecuencia, con la irregularidad del resultado final y el error humano. Esta situación, a lo largo de la historia, ha generado en la sociedad importantes dudas acerca de la seguridad y fiabilidad de estas intervenciones, limitándose a ser utilizadas en fallas puntuales o en situaciones de bajo riesgo.
La solución a estas inseguridades se encuentra en la automatización del proceso mediante infusión y vacío. Esta tecnología, proveniente del sector aeronáutico y perfectamente adaptada al mundo del agua potable, elimina de la ecuación el factor humano, las condiciones adversas, y garantiza una homogeneidad de propiedades mecánicas, así como la regularidad de los resultados, llevando a la práctica de forma precisa las hipótesis de cálculo teóricas.
Ventajas con respecto a las aplicaciones manuales:
- Mejores prestaciones mecánicas en un procesado in-situ. Hasta 10 veces más resistencia que la misma aplicación realizada a mano.
- Pueden realizarse espesores de grandes dimensiones de forma homogénea, obteniendo las mayores fracciones de volumen de fibra posibles y el mismo peso.
- Bajo contenido de resina y alta reducción de huecos de aire. Los porcentajes en peso están en torno a 60% fibra y 40% resina.
- No depende de las habilidades de los trabajadores, eliminando el factor humano de cansancio, rapidez, falta o exceso de impregnación, falta de compactación entre capas, insuficiente adherencia sobre el sustrato o mala adaptación a la geometría existente.
- Homogeneidad de propiedades mecánicas a lo largo de todo el sistema, estructura o pieza. Ideal para geometrías complejas, tramos verticales o inclinados, zonas superiores, grandes alcances y generatriz superior de cualquier tubería o equipo a presión.
- Ausencia de volátiles en la atmósfera. Sistema respetuoso con el medio ambiente y con los trabajadores, eliminando el contacto directo con fibra húmeda y resina, así como la inhalación de vapores procedentes de la resina.
- Posibilidad de realización de trabajo a medida, metro a metro, en función de necesidad en cada tramo.
- Garantía del contacto con agua potable al no haber migración de estirenos y cumplir con el reglamento RD 140/2003.
3. Caso de éxito: sifón de DN 1600mm bajo ferrocarril, Madrid
Tal y como se menciona en la introducción, se ha detectado la necesidad de reforzar un sifón de hormigón pretensado con camisa de chapa de 1.600 mm de diámetro y presión de 7 bar, que discurre bajo las líneas de ferrocarril que dan acceso a la estación de Chamartín, por donde circulan más de 900 trenes al día.
El tramo de tubería a reforzar tiene una longitud de ± 380 m y unas inclinaciones máximas de 60º, que requieren de la necesidad de afrontar la obra con especialistas en trabajos verticales.
Para el diseño de la nueva conducción se considera un espesor de refuerzo con fibra de carbono de ± 8mm, trabajando simultáneamente con 4 equipos distintos, que acceden a través de dos ventosas en los puntos altos del sifón y desde una boca de hombre en la mitad del tramo horizontal, todas de 600 mm de diámetro.
La intervención ha consistido en:
- Limpieza, eliminación de contaminantes visibles, lodos y hormigón no adherido firmemente mediante agua a presión.
- Instalación de sistema de ventilación para garantizar oxígeno (tiro natural/forzado) en el interior de la tubería durante los trabajos, así como vigilancia en los puntos de acceso
- Deshumidificación y atemperado con calentadores de aire forzado y ventiladores.
- Preparación de la superficie mediante herramientas manuales, cepillos de alambres y lijas abrasivas. Aspiración de polvo, partículas sueltas y residuo generado.
- Inspección de calidad de la preparación superficial según ICRI Guideline 310.2R.
- Comprobación de humedad superficial con medidor en contacto sin agujas.
- Inspección de condiciones ambientales de forma continuada durante todo el proceso con higrómetros electrónicos.
- Imprimación del sustrato tratado mediante resina epoxi y tejido de protección temporal.
- Realización in-situ de refuerzo estructural monolítico mediante fibra de carbono y matriz epoxídica empleando tecnología de infusión y vacío, manteniendo una presión de vacío homogénea y constante hasta la finalización del ciclo de curado.
- Aplicación de recubrimiento de acabado para agua potable.
4. Conclusiones
En definitiva, en este artículo se explica el sistema consistente en fabricar una tubería con fibra de carbono in situ por vía húmeda mediante la infusión de una resina epoxi de alta resistencia y su posterior consolidación a presión de vacío mantenida hasta la finalización del ciclo de polimerización.
El conjunto resultante, homogéneo en toda la superficie, resuelve las carencias e incertidumbres generadas por las aplicaciones manuales derivadas del factor humano, como son la falta de impregnación o exceso de resina, oclusiones de aire, sensibilidad a la delaminación, falta de compactación entre capas de fibra, insuficiente adherencia sobre el sustrato o mala adaptación a la geometría existente. Se absorbe únicamente la cantidad de resina necesaria en función del gramaje utilizado en la fibra de carbono, obteniendo las propiedades mecánicas óptimas extraídas en las hipótesis de cálculo.
Esta metodología supone una alternativa segura, fiable y eficaz para todas aquellas conducciones cuya reparación supone un importante desafío debido a la complejidad de actuación por medios tradicionales.
