¿Podría el refuerzo de basalto sustituir al acero en la construcción de infraestructuras?

El acero ha sido durante mucho tiempo la columna vertebral de la construcción, pero con el aumento de los precios y la presión sobre los objetivos de carbono incorporado, las barras de refuerzo de basalto podrían convertirse en una alternativa.

El refuerzo de basalto como refuerzo de hormigón alternativo al acero o la fibra de vidrio no es una tecnología nueva. Algunos países del mundo, sobre todo Estados Unidos, lo han estado utilizando durante décadas. En el Reino Unido sigue siendo una opción emergente, pero está ganando importancia a medida que se intensifican los esfuerzos de descarbonización.

Las aplicaciones en High Speed ​​2 (HS2) y un importante proyecto en la M42 están ayudando a elevar el perfil de las barras de refuerzo de basalto y resaltar su potencial.

El refuerzo está hecho de lo que se llama polímero reforzado con fibra de basalto (BFRP). Para crear las fibras, se recoge roca basáltica volcánica, se tritura en trozos pequeños y se funde a 1.400°C. Los silicatos en su formación permiten que el basalto derretido se convierta en un líquido que puede estirarse por gravedad a través de una placa especial para formar largas hebras de filamentos. Estos filamentos pueden tener miles de metros de largo y pueden enrollarse hasta que estén listos para formar un refuerzo.

La conversión de las barras de refuerzo se realiza mediante pultrusión, donde las fibras se tensan y luego se sumergen en resina epoxi líquida. La resina es un aglutinante polimérico que se calienta hasta obtener una forma líquida en la que se sumergen los hilos. Luego cura en cuestión de minutos para convertirse en la barra terminada.

Se utilizaron barras de refuerzo de basalto en los muros guía para la construcción del muro pantalla en HS2

Los beneficios del BFRP sobre el acero son numerosos, según Malcolm Newton, director del fabricante de barras de refuerzo de basalto Bastech. Es más fácil trabajar con él durante la construcción porque, en comparación con el acero, es 4,5 veces más ligero y tiene 2,5 veces más resistencia a la tracción.

Como material inerte, el basalto es resistente a los álcalis y ácidos, lo que lo hace ideal para estructuras expuestas a condiciones húmedas, ya que no se corroe.

Su resistencia a la corrosión contribuye a una reducción de la huella de carbono del hormigón armado. Como la entrada de agua no es un problema, las barras de refuerzo de basalto requieren un 20% menos de cobertura de concreto en una losa en comparación con las barras de acero, según Newton.

La huella de carbono de las barras de refuerzo de basalto también es significativamente menor que la del acero. Esto puede parecer contrario a la intuición, dado que la roca debe importarse de los Estados Unidos y calentarse a altas temperaturas. Pero Newton dice que el análisis del ciclo de vida de la Universidad de Kingston ha demostrado que utiliza al menos un 70% menos de carbono durante el proceso de producción que el refuerzo de acero y un 22% menos que el acero reciclado.

Hay zonas donde el basalto no coincide con el acero. No se puede doblar como el acero y, a pesar de su mayor resistencia a la tracción, tiene menor elasticidad. Estos son factores que significan que es poco probable que los contratistas lo utilicen en estructuras verticales altas.

Newton cree que el precio ha sido la razón principal de la lenta adopción del BFRP en el Reino Unido, pero espera que baje si se produce más. Si bien los precios del acero están aumentando, el del basalto se ha mantenido estable hasta el punto de que ahora es casi comparable al del acero.

“Así que durante mucho tiempo nadie pensó en utilizar alternativas al acero porque era barato, fácil de usar y fácil de aprobar como indemnización profesional”, dice Newton.

Tampoco existe un Eurocódigo para polímeros reforzados con fibras de ningún tipo, incluidas las barras de refuerzo de basalto, porque el conocimiento de las pruebas es limitado y la industria es "conservadora por definición", según Newton. Como resultado, los ingenieros se muestran reacios a especificarlo.

"Sin embargo, los ingenieros estructurales de Bastech pueden proporcionar un diseño asistido por pruebas", dice Newton. "Con una combinación de pruebas y cálculos realizados en nuestros laboratorios, nuestros ingenieros pueden proporcionar diseños aceptables con los Eurocódigos y, lo que es más importante, ofrecer a los diseñadores una indemnización profesional".

Un proyecto del Reino Unido ha demostrado los beneficios del uso de basalto, respaldados por análisis a largo plazo. La plataforma del Puente Thompson, un puente de carretera en Irlanda del Norte que se inauguró en 2011, se construyó utilizando BFRP en lugar de refuerzo de acero. El proyecto, dirigido por un equipo de la Escuela de Planificación, Arquitectura e Ingeniería Civil de la Universidad Queen de Belfast, fue financiado por el Departamento de Transporte.

El puente Thompson de Irlanda del Norte fue uno de los primeros en adoptar barras de refuerzo de basalto y proporciona datos a largo plazo.

Su Taylor, directora del grupo de infraestructura inteligente y sostenible de la Universidad de Queen, dice que su equipo ha estado monitoreando el estado del puente utilizando cables de fibra óptica integrados en él. Estos se insertaron entre los hilos de fibra antes de sumergirlos en resina, algo que es imposible de hacer con el acero porque el calor de su producción es demasiado alto.

Los resultados han sido mejores de lo esperado. "Los niveles de tensión en el BFRP se han mantenido constantemente bajos", dice Taylor. Añade que las tensiones medidas bajo tráfico real también son mucho más bajas que las predichas por pruebas de carga estática más onerosas.

Skanska también está poniendo a prueba barras de basalto, aunque hasta el momento sólo en trabajos temporales. Ha trabajado con Carreteras Nacionales en una prueba de su uso en una vía de acceso a obras temporales y como parte de Skanska Costain Strabag JV en muros guía temporales para trabajos de muro pantalla en HS2.

Para la prueba de Carreteras Nacionales, Skanska construyó una carretera de acceso temporal a la salida 6 de la M42 utilizando varias combinaciones de losas de hormigón. La prueba probó BFRP en combinación con concreto tradicional y concreto con bajo contenido de carbono, en comparación con acero en las mismas condiciones.

"La combinación de hormigón bajo en carbono con refuerzo de fibra de basalto fue una innovación que no se había hecho antes", explica el ingeniero jefe de Skanska y líder de pruebas, Paul Cole.

Durante el transcurso de la prueba, se monitoreó la resistencia a la flexión, la resistencia al corte y la extracción de las distintas losas del camino de acceso temporal. En todos los casos, las losas de BFRP superaron las expectativas y produjeron "resultados impresionantes y comparables" a los de las losas reforzadas con acero, según Cole.

En términos de resistencia al corte, las losas de BFRP resistieron mejor la carga aplicada que las losas reforzadas con acero. El hormigón armado BFRP alcanzó una resistencia máxima de 141,5 kN con hormigón clásico y 106,1 kN con hormigón bajo en carbono, mientras que el hormigón armado con acero alcanzó 110,1 kN y 97,5 kN, respectivamente.

Combinar hormigón bajo en carbono con refuerzo de fibra de basalto fue una innovación que no se había hecho antes.

Esto fue una sorpresa para Cole, quien dijo que era el área que más le preocupaba. Explica: “El acero es un producto homogéneo, pero la fibra de basalto no lo es: todas las hebras están alineadas en una dirección. Es dos veces más fuerte si intentas sacarlo, pero su rendimiento es peor que el acero si intentas cortarlo”. Si bien los resultados del corte son "brillantes", a Cole le gustaría realizar más pruebas en esa área.

Su uso en las paredes guía HS2 reveló otros beneficios. El director del proyecto Skanska, Deon Louw, explica: "No es necesario un permiso de trabajo en caliente para cortarlo, porque es como cortar roca: no produce chispas".

Louw y Cole dicen que existen beneficios musculoesqueléticos para los trabajadores del sitio, así como ganancias de velocidad y eficiencia, ya que el refuerzo de basalto es mucho más liviano que materiales comparables.

Louw dice que las paredes guía se terminaron en la mitad de tiempo porque las barras se podían levantar a mano.

Existen enormes beneficios potenciales al utilizar BFRP y el esquema del Puente de Thompson los ha demostrado a largo plazo. No obstante, se necesitan más pruebas para permitir que el material se convierta en algo tan común como el acero en el Reino Unido.

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