Polimeros Usados en Ingenieria Civil

La construcción es uno de los mayores mercados para los polímeros. Una gran variedad de plásticos y cauchos encuentran una multitud de usos. Entre las más importantes se encuentran las tuberías, geosintéticos, revestimientos y adhesivos.

Introducción
Los polímeros generalmente no compiten con los principales materiales metálicos y cerámicos resistentes establecidos, pero, sin embargo, en las últimas décadas se han vuelto indispensables en la ingeniería de la construcción. Ofrecen una gran gama de propiedades materiales valiosas, son generalmente más blandos en comportamiento y pueden tolerar tensiones grandes. Su distintiva tecnología de fabricación, utilizando procesos de moldeo y extrusión, abre nuevas posibilidades en el diseño de productos y componentes, a veces sorprendentemente (Figura 1). Los materiales a base de polímeros tienen atributos de durabilidad y desempeño que contrastan fuertemente con los de los metales y la cerámica. Por lo general son resistentes a daños por el agua, pero son propensos a la oxidación por aire y tienen un desempeño pobre ante el fuego. Aquí examinamos brevemente sus usos en ingeniería civil.

Figura 1. Techo de tela tensionada

Plásticos estructurales y compuestos
Aparte de las tuberías, raramente se encuentran grandes componentes portadores de carga de polímeros sólidos no reforzados debido a la baja rigidez de estos materiales. Los termoplásticos amorfos (PMMA, PC y PVC rígido) se utilizan para formar paneles de tejado y pared y como acristalamiento. Las tensiones son bajas y se puede conseguir cierta rigidez por medio de bandas y nervaduras, o perfiles abovedados. Los termoplásticos son ampliamente utilizados para fabricar tanques de almacenamiento duradero hasta dimensiones de 5m, particularmente para agua potable y agua de lluvia. Estos son más comúnmente moldeado a partir de polietileno de alta densidad (PEAD), polipropileno (PP), cloruro de polivinilo (PVC) o fluoruro de polivinilideno (PVDF). Los tanques más grandes y los recipientes de formas complejas se hacen frecuentemente de plásticos reforzados con fibra de vidrio (principalmente materiales de poliéster no saturados). Tales construcciones complejas también pueden estar hechas de termoplásticos por moldeo, o por extrusión y soldadura (Figura 2). Los polímeros también se utilizan para paneles de construcción, a menudo de la construcción de sándwich de múltiples capas para proporcionar rigidez y aislamiento térmico.

Figura 2 Cámara de inspección fabricada de polipropileno por extrusión y soldadura (cortesía de Pipex Ltd) 

Cuerdas y barras
Los polímeros alcanzan la máxima rigidez cuando son estirados para extender y orientar las cadenas macromoleculares primarias. También puede conseguirse un cierto endurecimiento por estiramiento en dos direcciones en ángulos rectos (orientación biaxial). Muchos termoplásticos semicristalinos son buenos formadores de fibras, especialmente las poliamidas (PA), algunos poliésteres, poliacrilonitrilo (PAN) y polipropileno (PP). El módulo de tracción se puede incrementar en un factor de 10 o más por estiramiento de las fibras. Dichas fibras poliméricas pueden ser entonces agrupadas en hilos para formar cuerdas fuertes.

Las fibras poliméricas más duras y rígidas son las poliaramidas. Éstos se utilizan ahora como cable de suspensión para puentes y como aparejo de techo, y como tendones de pretensado para hormigón. Estas cuerdas de poliaramida tienen módulos de tracción de hasta 120 GPa y resistencias de aproximadamente 2 GPa. La durabilidad de estos materiales en ambientes húmedos trae conspicuos beneficios sobre el acero. Las fibras de poliaramida pueden proporcionar refuerzo de alto desempeño tanto en compuestos de polímero reforzados con fibra como también en cementos reforzados con fibra. Hay alguna fluencia y relajación al esfuerzo. La viscoelasticidad de las fibras de aramida ha sido caracterizada recientemente (Burgoyne y Alwis, 2008).

Tuberías
Las tuberías de polímero de gran diámetro se usan ampliamente para la distribución de agua y gas, drenaje y alcantarillado, y para el manejo de efluentes industriales y lodos (Moser, 2008, Sixsmith y Hanselka, 1997, Smith y Trew et al. Los polímeros también se utilizan como forros para la reparación de alcantarillado y renovación de tuberías. Las tuberías de menor diámetro se utilizan en sistemas de agua de lluvia y desagüe, y para los servicios de agua. Los sistemas de gran diámetro para sistemas de agua y desagüe son predominantemente de polietileno PEAD y de PVC, con algún uso de tubos de poliéster y fibra de vidrio. Los sistemas de agua de menor diámetro emplean una mayor variedad de materiales, incluyendo PE, PP, PE clorado, PVC (PVC rígido y PVC-C clorado), ABS y PVDF. La rigidez y la temperatura de trabajo de la tubería de PEAD pueden aumentarse por reticulación química o por haz de electrones durante o después de la extrusión. (El PE reticulado se denomina comúnmente PEX).

Los métodos de fabricación de termoplásticos también permiten producir tuberías de doble pared o multicapa. La selección de materiales se basa principalmente en resistencia a largo plazo y resistencia a la fluencia, temperatura de servicio y durabilidad. Por lo tanto el PVC-C se puede utilizar para servicios de agua caliente hasta 90 °C, y el ABS se puede utilizar a temperaturas tan bajas como -40 °C. En todos los casos, se plantean consideraciones especiales cuando se especifican sistemas de tuberías para su uso en tierras contaminadas, ya que pueden ocurrir ataques externos y penetración por productos químicos.

Los polímeros también se pueden combinar en construcción compuesta con otros materiales establecidos de tubería . Por ejemplo, se utilizan tuberías de acero/plástico para proporcionar sistemas térmicamente aislados para agua refrigerada o caliente (BS 7572: 1992, BS EN 253: 2009). Una construcción típica es una tubería de servicio de acero con capa intermedia de poliuretano espumado PUR y una carcasa de polietileno PEAD. Para tuberías de agua potable en tierra contaminada, se ha desarrollado una tubería multicapa en la que se incorpora una capa barrera de aluminio en PEAD. El refuerzo de aluminio también proporciona clasificaciones de presión mejoradas (Bowman, 1993).

Debido a la relajación viscoelástica al esfuerzo, las tuberías de polímero son tolerantes a deflexiones y deformaciones causadas, por ejemplo, por movimientos de tierra. Sin embargo, están sujetos a fatiga estática. Para tuberías con presión interna sostenida, el esfuerzo a largo plazo es una consideración importante del diseño.

En los últimos 30 años, se han logrado aumentos sustanciales en la resistencia a largo plazo. Por ejemplo en polietileno, las resistencias a largo plazo han aumentado de 6 a 10 MPa, siendo las mas altas resistencias proporcionadas por los grados bimodales de polietileno PEAD. Estas son las resistencias mínimas requeridas, medidas a partir de los datos de fallo obtenidos a 20 °C bajo estrés hidrostático y extrapolados a 50 y (BS EN ISO 9080: 2003). Los materiales de PE son susceptibles al crecimiento lento de grietas, lo que es evaluado por la prueba de tracción con muesca de PENT (BS ISO 16241: 2005), desarrollado originalmente para los tubos de gas de gran diámetro. La vida útil de la falla PENT se ha incrementado en un factor de 10 o más a medida que los materiales de polietileno han evolucionado.

Las fallas en servicio de las tuberías plásticas directamente atribuibles a los materiales incluyen rotura por esfuerzo ambiental (Environmental Stress Cracking, ESC), que puede rastrearse hasta la exposición a sustancias químicamente activas en el medio ambiente o en el fluido circulante, a menudo a bajas concentraciones (Wright, 2001). Los termoplásticos semicristalinos (tales como las poliolefinas) son menos susceptibles a ESC que los polímeros amorfos (tales como PMMA o PC).

Membranas y Geosintéticos
Los polımeros se forman fácilmente en membranas continuas, láminas, mallas y textiles, cuyo uso en la ingeniería civil ha sido un área reciente de innovación importante (Koerner, 2000; Sarsby, 2000, 2006). En términos generales, podemos distinguir entre membranas impermeables simples formadas por extrusión de termoplásticos y elastómeros y utilizadas principalmente para contener agua como forros, como materiales para techos, y como barreras para el movimiento del agua capilar en la construcción de pisos y paredes; y textiles y mallas termoplásticas utilizadas principalmente como refuerzo del suelo (geotextiles). También se está expandiendo el uso de polímeros en los techos soportados por aire y tracción. Estos materiales se basan generalmente en termoplásticos reforzados con mallas textiles de fibra de vidrio.

Una lámina plástica simple está hecha de polietileno de alta densidad (HDPE), polipropileno (PP), cloruro de polivinilo (PVC), o elastómeros tales como PE clorosulfonado, caucho butilo o caucho EPDM . Estas láminas pueden ser no reforzadas, o reforzadas con una tela o malla. Las aplicaciones geotécnicas son como reservorios, tanques, túneles y forros de rellenos sanitarios, para contención de agua y desechos químicos (Sarsby, 2000, 2006). Aspectos importantes de la especificación se refieren a la resistencia a la perforación, resistencia al desgarre y durabilidad. Debajo del suelo, el PE y el PP tienen una excelente resistencia a la descomposición biológica, aunque el daño puede ser causado por animales e insectos (como en cualquier membrana polimérica).

Para la contención química, se seleccionan polímeros tales como cauchos de epiclorhidrina (ECO). Éstos tienen buenas propiedades de barrera contra el transporte difusivo de productos químicos no acuosos (tales como aceites y gases). Normalmente es necesario que las láminas continuas (que pueden ser tan anchas como 10 m) se unan en el sitio mediante soldadura u ocasionalmente, por unión adhesiva.

La película tubular de polietileno (PE) de ajuste suelto tiene un uso bien establecido y eficaz para proteger la tubería de hierro dúctil enterrada, de la corrosión (BS 6076: 1966).

Los geosintéticos (geotextiles, geomallas y geomembranas) son ahora ampliamente utilizados para la estabilización de suelos, la separación y para drenaje y filtración (Carter y Dixon, 1995). Éstos se hacen comúnmente del polietileno, del poliester y del polipropileno, en formas numerosas y con resistencia y ​​permeabilidad controladas. Por ejemplo, las geomallas PP y PETP se utilizan como refuerzo de base en la construcción de carreteras. Los geosintéticos encuentran usos similares en la construcción de vías férreas para estabilizar y separar el cascajo.

Las estructuras tejidas proporcionan un buen medio para encerrar o cubrir grandes áreas techadas (Huntington, 2004). Las primeras estructuras tensionadas para techos fueron construidas en los años setenta. El material original, un tejido de fibra de vidrio recubierto de politetrafluoretileno PTFE, ha demostrado su durabilidad en esa aplicación durante más de 30 años. El material puede considerarse igualmente como una membrana de PTFE reforzado con fibra de vidrio .

Otros materiales menos duraderos para membrana de techos son tela de poliéster y varias telas de silicona y poliolefinas recubiertas con PVC . Las telas de PTFE para estructuras tensadas tienen un tejido plano de hilado de fibra de vidrio (el hilo tiene aproximadamente 200 filamentos, cada uno de 3,8 mm de diámetro) recubierto con PTFE para producir un tejido impermeable de 0,8 a 1,0 mm de espesor. Las propiedades mecánicas de los materiales de fibra de vidrio PTFE están controlados en gran parte por la tela de vidrio, y son fuertemente direccionales ya que la tela está compuesto de conjuntos de fibras en ángulo recto. Se requiere una prueba biaxial completa para determinar el comportamiento complejo no lineal de esfuerzo-deformación (Bridgens et al., 2004).

Recubrimientos o pinturas
Los recubrimientos superficiales (pinturas) son ampliamente utilizados en la industria de la construcción para proteger las superficies de madera y para prevenir o reducir la corrosión de los metales. Los revestimientos pueden aplicarse en el sitio o durante la manufactura o fabricación. En casi todas estas aplicaciones, los polímeros proporcionan la película de recubrimiento y unen a los pigmentos funcionales o decorativos que pueden estar presentes. Si la película es no pigmentada y más o menos transparente, el recubrimiento se describe a menudo como un barniz.

Una gran variedad de polímeros se utilizan ahora en la formulación de pinturas y recubrimientos (Lambourne y Strivens, 1999, Bentley y Turner, 1997, Stoye y Freitag, 1998). Podemos basar una amplia clasificación de tipos de recubrimientos sobre el mecanismo de formación o secado de la película. En algunos recubrimientos (tales como caucho clorado (CR), PVC y pinturas bituminosas), el polímero se disuelve en un solvente volátil y el recubrimiento aplicado se seca simplemente por evaporación del solvente.

En los últimos años se han producido fuertes presiones ambientales y de seguridad para reducir las cantidades de solventes orgánicos volátiles liberados en operaciones de pintura. Sin embargo, los polímeros utilizados en los recubrimientos son insolubles en agua (como deben ser por razones de desempeño), de modo que el agua no se puede usar directamente como solvente. Sin embargo, se puede utilizar agua en un medio dispersante para partículas finas de polímeros para hacer pinturas en emulsión o látex. Las pinturas en emulsión se secan por evaporación de agua seguido por la coalescencia de las partículas de polímero para formar una película continua. Este proceso es irreversible y el aglutinante polimérico no se redispersa en contacto con el agua.

Otras pinturas se secan por reacción química, ya sea con oxígeno del aire o entre componentes de la pintura. Por lo tanto, las pinturas oleosas o oleorresinosas tradicionales pierden solvente por evaporación pero absorben entonces oxígeno que forma reticulaciones entre cadenas poliméricas para crear una red tridimensional dentro del recubrimiento. Otras pinturas de secado al aire contienen aglutinantes de resinas alquídicas, alquídica-uretano o ésteres epoxicos. Un importante grupo en el que la formación de la película es por reacción entre dos componentes premezclados son las pinturas basadas en dos paquetes de aglutinantes epoxicos. Estos secan y curan por el mismo mecanismo de los adhesivos epóxicos. Las pinturas de poliuretano de dos componentes también secan y curan químicamente.

Algunos recubrimientos, aplicados principalmente durante la fabricación, se forman a partir de un polvo seco que se deposita (generalmente electrostáticamente) y posteriormente fundido para formar y curar una película continua. Los recubrimientos en polvo pueden estar basados ​​en termoendurecibles (tales como poliésteres o epóxicos) o termoplásticos (por ejemplo acrílicos). Los procesos en polvo no usan solvente y producen revestimientos duros y gruesos de cuerpo fuerte (Grainger y Blunt, 1998).

Para las estructuras de acero, BS 5493: 1977 y su sucesor EN BS EN ISO 12944-5: 2007 proporcionan orientación técnica. Los sistemas de pintura protectora consisten invariablemente en dos o más capas, incluyendo una imprimante aplicado directamente a la superficie de metal preparada, que normalmente contiene polvo de zinc como un pigmento metálico, Figura 3.

Figura 3 Una sección a través de un revestimiento rico en zinc para protección contra la corrosión, que muestra una alta concentración de partículas de metal de zinc en el aglutinante (reimpreso de M. Morcillo, Journal of Materials Science # 1990 Springer)

Un sistema tipo de pintura protectora para acero al carbono de baja aleación podría consistir de un imprimante epóxico de dos partes rico en zinc, seguido de dos capas de pintura de caucho clorado para formar una película seca acabada de 160 micrones de espesor. los El sistema general de pintura proporciona protección electroquímica (catódica) a través de las partículas metálicas de zinc y una barrera contra el ingreso de agua y oxígeno. También se usan recubrimientos de PVC y epoxicos para proteger el refuerzo de acero contra la corrosión cuando el hormigón se utiliza en entornos difíciles (Andrade et al., 1992; ISO 14656, 1999).

Adhesivos y sellantes
Los polímeros son la base de todos los adhesivos de ingeniería (Adams et al., 1997, Institution of Structural Engineers, 1999, Mays y Hutchinson, 1992, Packham, 2005). Los adhesivos de alto desempeño están formulados para fijar y desarrollar resistencia por reacciones químicas y por eso son materiales termoestables. Hay por lo tanto semejanzas entre los adhesivos y el componente matriz de los plásticos reforzados compuestos (y también entre adhesivos y pinturas). Por lo tanto, la madera laminada estructural (o incluso el contrachapado) puede considerarse como un compuesto de madera pegada con adhesivo.

Los epóxicos son especialmente versátiles y pueden formularse para su aplicación en muchos sustratos. Otros adhesivos estructurales están basados ​​en polímeros de poliéster, poliuretano, acrílico y cianoacrilato. Para la madera laminada y otros productos de madera, tales como tableros de partículas fabricados en condiciones de fábrica, son ampliamente usados los adhesivos largamente establecidos basados ​​en sistemas de resinas de urea formaldehído (UF) (aminoplástico), fenol-formaldehído (PF), o fenol-resorcinol-formaldehído. Estas resinas proporcionan una excelente adherencia a la madera y un desempeño comprobado (Dunky, 1998). UF tiene poca resistencia al agua y los adhesivos fenólicos PF y fenol resorcinol-formaldehído se usan para exteriores o de otro modo condiciones severas.

También hay adhesivos termoplásticos que se fijan simplemente por evaporación del solvente. Éstos son la base de los bien conocidos adhesivos comerciales que se formulan de poliestireno o elastómeros. Éstos no desarrollan la alta resistencia sino son materiales convenientes de un solo paquete, que son fáciles de aplicar y pueden proporcionar pegado rapido como adhesivos de impacto. Muy estrechamente relacionados a los simples adhesivos en solvente están los adhesivos de látex en los que el aglutinante polimérico está presente como una emulsión de polímero en agua.

Los más importantes son los adhesivos de madera de látex de uso general que contienen poli (acetato de vinilo) PVAC o sus copolímeros como componente principal. Ellos carecen de resistencia en húmedo y no son suficientemente fuertes bajo carga sostenida para ser considerados como adhesivos estructurales.

Mencionamos brevemente que otro subconjunto de polímeros encuentra aplicaciones como sellantes de relleno de juntas, necesarios en una construcción mas moderna que necesita protección de agua de lluvia en grandes cantidades. Estos materiales se formulan para resistir la contracción, para ser duraderos y para proporcionar una buena adherencia a una variedad de superficies relativamente no preparadas. Los sellantes de construcción (tipo F) se clasifican (BS EN 11600: 2003) de acuerdo con su capacidad para acomodar el movimiento (los selladores de acristalamiento forman un grupo separado, tipo G). Estos sellantes están basados ​​en una variedad de polímeros, más comúnmente elastómeros tales como policloropreno (CR) y caucho nitrilo (NBR), siliconas (SI) (elastómeros de grupo 'Q'), polisulfuros, poliuretanos y acrílicos. Algunos de estos sellantes se curan por reacción con la humedad o la luz ultravioleta.

Rodamientos de expansión y soportes antivibración
Un menor pero técnicamente exigente uso de los polímeros está en los cojinetes de expansión para la construcción del puente y ductos. Estos pueden ser fabricados con un caucho sintético duradero como el policloropreno CR (neopreno) o con un termoplástico de baja fricción, usualmente politetrafluoroetileno (PTFE). En el cojinete deslizante, la almohadilla de PTFE, típicamente de 5 mm de espesor, está unida a una placa de sustrato de acero. Durante el uso, esta se desliza sobre una contra superficie de contorno pulida de acero inoxidable, sobre la cual tiene baja fricción (coeficiente de fricción de aproximadamente 0,05). Para cargas elevadas, puede sustituirse un material más rígido de PTFE cargado con fibra de vidrio .

Una aplicación especializada relacionada de elastómeros está en los soportes antivibración para el control de vibraciones y choques en estructuras, por ejemplo generadas por bombas, ventiladores y otras maquinarias. El caucho natural se elige comúnmente para esta función.

Lechadas químicas para suelos
Los polímeros basados principalmente en monómeros de acrilamida solubles en agua han desempeñado un rol menor pero establecido desde hace tiempo en la estabilización de los suelos o en la reducción de la permeabilidad al agua (Karol, 2009). En gran medida, esta tecnología ha sido reemplazada por el uso de geosintéticos. También se han utilizado lechadas químicas para controlar la infiltración de agua en desagües y pozos de inspección. La acrilamida se disuelve en agua y se mezcla con un agente reticulante y un retardante químico. El fluido mixto de baja viscosidad se inyecta en el suelo inestable, y después de alcanzar su objetivo, forma un gel de unión débil a medida que progresa la reacción retardante de reticulación. Han habido preocupaciones de salud sobre el manejo de acrilamida u otros monómeros, y la posible presencia de acrilamida sin reaccionar en la lechada.

Referencias

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Lectura Adicional

• Beasley J. L. Selecting Buildings Sealants with ISO 11600, Digest 463, 2002, Watford: BRE.
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Chapter 49 - Polymer uses in civil engineering
Christopher Hall School of Engineering, The University of Edinburgh, UK
ICE Manual of Construction Materials # 2009 Institution of Civil Engineers