HORMIGONES PROYECTADOS CON CARACTERÍSTICAS AUTOLIMPIANTES Y DESCONTAMINANTES PARA RECUBRIMIENTOS DE...

ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 11. CURSO 2011-2012

HORMIGONES PROYECTADOS CON CARACTERÍSTICAS AUTOLIMPIANTES Y DESCONTAMINANTES PARA

RECUBRIMIENTOS DE TÚNELES

Rafael Muñoz Estévez / Ricardo Mateo SantanaUniversidad Politécnica de Cataluña / Ingenieros Civil

Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Caminos Canales y Puentes [email protected] /[email protected]

Resumen: La utilización generalizada del hormigón proyectado, como elemento fundamental tanto en el sostenimiento como en el revestimiento de túneles y obras subterráneas, ha motivado un continuo desarrollo tecnológico, tanto en los materiales componentes del hormigón (cemento, áridos y aditivos) y en la maquinaria, como en su aplicación y control de calidad. Este trabajo tiene como propósito la utilización de cementos fotocatalíticos (autolimpiantes y descontaminantes) en hormigones proyectados en túneles, así como también su funcionamiento, factor ambiental y económico. Esta tecnología para la degradación fotocatalítica de agentes contaminadores orgánicos es apuntada al mantenimiento de las características estéticas de estructuras y de este modo reducir su costo de vida útil en el proceso de servicio.

Palabras clave: Hormigones proyectados, recubrimientos en túneles, hormigones autolimpiantes y descontaminantes, cementos fotocatalíticos.

1. Introducción

El ser humano ha tenido un gran desarrollo y progreso tecnológico como respuesta a las necesidades del hombre pero la implementación de nuevas tecnologías y técnicas tiene como costo el aumento la contaminación de nuestro hábitat, lo que causa efectos nocivos en el hombre, en los animales, en la vegetación y en los materiales. En vista a todos los problemas que hemos ocasionado, el ser human busca la manera de reducir la contaminación eliminando o evitando la generación elementos no presentes en la composición natural atmosférica o al menos no en las cantidades que las producimos. La manera mas prudente de eliminar los ya aportados es fijándonos en como lo hace la naturaleza misma ya que no produce residuos que resulten nocivos, basado en esto se evalúan en laboratorios de todo el mundo los conocidos materiales inteligentes (Smart material).

El presente documento trata de un material en específico como respuesta a la contaminación urbana, ocasionada principalmente por el tráfico vehicular. El desarrollo que ha tenido el cemento fotocatalítico y como es capaz de ayudar al medio ambiente en la lucha contra la contaminación, abordando temas que

van desde la fotocatálisis como proceso hasta un enfoque especial a la proyección de hormigones fotocatalícos en túneles.

2. Hormigón Proyectado

El hormigón proyectado es un proceso por el cual el hormigón comprimido es proyectado a alta velocidad por medio de una manguera sobre una superficie (Figura 1), para conformar elementos estructurales y no estructurales en una construcción. La mezcla que se utiliza para este tipo de hormigón es relativamente seca y se consolida por la fuerza del impacto, a la vez que desarrolla una fuerza de compresión similar al hormigón normal o al hormigón de alta resistencia dependiendo de la dosificación usada. En la actualidad el hormigón proyectado es indispensable en los procedimientos de sostenimiento y revestimiento estructural de túneles y taludes.

Fig. 1: Aplicación de Hormigón Proyectado en Túneles

2.1. Propiedades

Son más o menos parecidas a las del hormigón clásico, notablemente en lo que respecta a la densidad aparente, a la resistencia a la compresión, a la tracción y al cizallamiento. En cambio, gracias a su estructura particular, el hormigón proyectado es más impermeable y más resistente a las heladas que un hormigón tradicional de la misma composición. Además, el hormigón proyectado presenta una característica notable; se adhiere a la superficie de

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aplicación y permite obtener la forma de superficie deseada.

2.2. Sistemas de Proyección

Existen tres procesos distintos de proyección del hormigón, que son: Mezcla Seca, Mezcla Húmeda y Mezcla Semi-húmeda.

Sistema de Mezcla Seca: El sistema de mezcla seca consta de una serie de fases, y requiere unos equipos especializados. Es un procedimiento mediante el cual todos los componentes del hormigón se mezclan previamente, excepto el agua, que se añade en la boquilla antes de la proyección de la mezcla, transportándose la mezcla en seco a través de mangueras de forma neumática hasta la boquilla (Figura 2); un operario debe controlar el paso del agua en la boquilla continuamente.

La utilización de hormigones proyectados por el sistema de vía seca esta prohibido en obras subterráneas.

Sistema de Mezcla Húmeda: En el sistema de mezcla húmeda, se impulsa el hormigón por la manguera mediante una bomba de hormigón hasta la boquilla, donde se le incorpora un chorro de aire a presión y el aditivo acelerante en el caso que se precise (Figura 3). Las condiciones de ejecución son mucho más controladas, con lo que se consigue una mayor uniformidad del paramento proyectado.

El proceso de mezcla húmeda conlleva el empleo de más servicios, pero su uso está generalizado para grandes aplicaciones.

Sistema de Mezcla Semi-húmeda: En el sistema de mezcla húmeda, que consiste en la dosificación del agua aproximadamente 5 m antes de la boquilla, es un proceso que evita fundamentalmente que la mezcla seca se disperse (especialmente el cemento) a la hora de hacer la proyección. Este sistema idéntico en sus primeras fases al de la mezcla seca, únicamente difiere de él en la adición del agua, y que se puede humedecer los áridos, hasta un 10 %, por lo que se mejoran las propiedades de la mezcla al llegar a la boquilla, de la que saldrá el mortero u hormigón proyectado (Figura. 4).

2.3. Usos

El hormigón proyectado ha sido utilizado desde su invención en 1911, con éxito para una amplia variedad de usos en la edificación, tanto en edificaciones residenciales y obras civiles como: revestimiento de túneles, puentes, sistemas de contención y estabilización en taludes y túneles, silos de depósitos, piscinas, presas y canales, rehabilitación de estructuras en general, protección ignifuga para el acero, en superficies, horizontales, verticales o estructuras curvas.

Aunque su uso apenas se esta conociendo

mundialmente, ya lleva varias décadas en algunos países y con mucho éxito, ya que no necesita encofrados y las superficies sobre las que puede ser aplicado pueden ser uniformes o irregulares.

Fig. 2: Sistemas de proyección vía seca

Fig. 3: Sistemas de proyección vía húmeda

Fig. 4: Sistemas de proyección vía semi-húmeda

2.4. Forma de Aplicación

Normalmente se necesitan 2 o 3 operarios, uno que sostiene el inyector o cabeza de la manguera y decide hacia que lado se proyecta, otro que ayuda a sostener la manguera y un tercero que vigila la hormigonera, en caso que la mezcla sea preparada en el sitio, la manguera debe ser colocada haciendo ángulo recto con la superficie a proyectar, a una distancia entre 100 y 150cm (Figura 5). En la mayoría de los casos, el hormigón puede ser proyectado en una sola fase o pasada, su máximo grueso puede variar entre 2.5 y 5cm, una vez proyectado el hormigón puede llevar diferentes acabados, incluyendo el rústico que seria el natural que se forma al proyectarlo, acabado con escoba o cepillo lo cual daría una superficie como de paja, semi rustico pasándole o paleta o liso, usando los métodos convencionales para alisar la superficie de un mortero.

Realizar una buena aplicación del hormigón

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proyectado es requisito esencial la correcta organización del trabajo. Esta corre a cargo del capataz o jefe de equipo que dispondrá los trabajos y observará que todos los equipos funcionen correctamente, tomando para ello, las precauciones necesarias y adoptando las correspondientes medidas preventivas.

Fig. 5: Forma de aplicación del hormigón proyectado

Para la aplicación en túneles, la instalación de la planta de mezclado deberá ser exterior, y por medio del transporte elegido se introducirá la mezcla dentro del túnel hasta la zona de proyectar (Figura 6). En este tipo de trabajo conviene eliminar toda la mano de obra posible, automatizando los sistemas de recepción de mezcla, así como los de proyección.

3. Contaminación Atmosférica

Antes de abordar la fotocatálisis hablemos un poco de contaminación y contaminantes. Definimos contaminación atmosférica como “toda modificación de la composición normal o del estado físico del aire atmosférico debida a la presencia en el propio aire de una o de varias sustancias con calidades y características tales que alteren las condiciones medioambientales normales y de salubridad del aire; que constituyan peligro, es decir, daños directos o indirectos para la salud del hombre; que comprometan las actividades recreativas y los demás usos legítimos del medio ambiente; que alteren los recursos biológicos y los bienes materiales públicos y privados” [1]. No es secreto que las actividades humanas son productores mayoritarios de contaminantes arrojados a la biosfera. Teniendo como actores principales, los vehículos de combustión, las centrales térmicas, las calefacciones domesticas, y las explotaciones agrícolas y ganaderas. Resulta especialmente interesante el hecho de que la contaminación atmosférica también puede tener causas naturales; por ejemplo, puede derivarse del polvo resultante de los fuertes vientos que soplan sobre los desiertos, de la arena, la ceniza y los gases procedentes de las erupciones volcánicas.

Los principales contaminantes son el dióxido de azufre (SO2), los óxidos de nitrógeno (NOx), el monóxido de carbono (CO), el ozono, el benceno, los hidrocarburos policíclicos aromáticos (HPA), las PM10 (partículas con un diámetro inferior a 10 micras/millonésimas de metro).

Fig. 6: Aplicación en túneles

3.1. Tipos de Contaminantes

Los contaminantes primarios tienen su origen en procesos de combustión de cualquier naturaleza, que dan lugar a hidrocarburos inquemados, monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno (principalmente bajo forma de monóxido) y partículas sólidas, son los responsables de la emisión de los principales contaminantes primarios. En los combustibles que contienen azufre, también se emite anhídrido sulfuroso. A consecuencia de la emisión a la atmósfera, los contaminantes primarios están sujetos a procesos de difusión, transporte y deposición, así como a procesos de transformación fisicoquímica que pueden provocar la formación de nuevos agentes contaminantes, que a menudo resultan ser más tóxicos en elevadas concentraciones y tener un radio de acción mayor que los contaminantes originarios.

Son contaminantes secundarios los agentes contaminantes que se forman como consecuencia de las transformaciones físico-químicas de los contaminantes primarios. Entre los procesos de formación de contaminantes secundarios, son especialmente importantes las distintas reacciones provocadas entre los óxidos de nitrógeno y los hidrocarburos en presencia de luz solar. Esta cadena de reacciones lleva a la oxidación del monóxido de nitrógeno (NO) a dióxido de nitrógeno (NO2), a la producción de ozono (O3) y a la oxidación de los hidrocarburos, con formación de ácido nítrico, nitratos y nitroderivados en fase de partículas, y otros cientos de agentes químicos menores. El uso del término “niebla contaminante” (smog) hace referencia a la fuerte reducción de la visibilidad que

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se determina en el transcurso de los episodios de contaminación fotoquímica y que se debe a la formación de un gran número de partículas de notables dimensiones. Para la activación de un proceso de niebla contaminante fotoquímica es necesario que haya luz solar, óxidos de nitrógeno y compuestos orgánicos volátiles; además, el proceso se ve favorecido por una temperatura atmosférica alta. [2]

4. Fotocatálisis en la Construcción

En la naturaleza, la fotoquímica desempeña un importante papel en los procesos biológicos, la fotocatálisis es un fenómeno natural parecido a la fotosíntesis de las plantas (Figura 7), funciona cuando una sustancia llamada fotocatalizador activa un fuerte proceso de oxidación mediante la acción de la luz natural o artificial que provoca la transformación de sustancias orgánicas e inorgánicas nocivas en compuestos totalmente inocuos.

En otras palabras, la fotocatálisis acelera los procesos de oxidación que existen en la naturaleza. Favorece una descomposición más rápida de los contaminantes y evita su acumulación.[3]

La tecnología fotocatalítica aplicada a los materiales de construcción, en este caso al cemento, fue desarrollada por la empresa italiana italcementi, presentado 9 patentes sobre fotocatálisis aplicada a materiales cementicios.

Fig. 7: Proceso de fotosíntesis de las plantas

4.1. Uso del Dióxido de Titanio (TiO2) como Fotocatalizador

El dióxido de titanio es un producto muy utilizado como pigmento, bloqueador solar, en cosmética, como rellenante en comprimidos vitamínicos, etc.

El TiO2 es el fotocatalizador más usado por sus excepcionales propiedades ópticas y electrónicas, estabilidad química y bajo coste. Además presenta la ventaja de no ser tóxico.

Existen en tres formas cristalográficas, anatasa, rutilo y brookita, pero en fotocatálisis sólo se

emplean la anatasa y el rutilo. El valor de energía de “band gap” de la anatasa (3.23 eV, 384 nm) y del rutilo (3.02 eV, 411 nm), unido a la posición de la banda de valencia permite que se generen huecos muy energéticos en el semiconductor, lo que incrementa la facilidad para que se den reacciones de oxidación. La anastasa es termodinámicamente menos estable que el rutilo, pero su formación se ve cinéticamente favorecida a temperaturas más bajas (<600º C), lo que explica su mayor superficie activa y su mayor densidad de sitios activos para la adsorción de sustancias y la catálisis.

Según pruebas comparativas efectuadas, se ha demostrado que el TiO2 es el material semiconductor más resistente a la corrosión química y a la fotocorrosión. Además, este semiconductor tiene un interés especial, ya que, debido a sus características propias, puede aprovechar los rayos ultravioleta naturales.

4.2. Cemento Fotocalítico

El principio fotocatalítico TX Active, es la base de los cementos y de los conglomerantes hidráulicos fotoactivos que ha formulado y patentado Italcementi. Se utiliza en la elaboración de productos de cemento muy variados (desde las pinturas a los morteros o los prefabricados de hormigón) con los que se llevan a cabo trabajos de pavimentación, enlucido y todo tipo de estructuras o revestimientos horizontales y verticales. Los cementos fotocatalíticos también resultan eficaces en el campo de la arquitectura de prestigio; muchas obras se han valido de sus propiedades de autolimpieza y luminosidad, que conservan el valor estético inalterado con el paso del tiempo.

El cemento fotocatalítico incorpora Dióxido de Titanio (TiO2) que absorbe radiación ultravioleta (UV) cercano (λ<380 nm) generando pares electrón/hueco, tal y como se indica en la ecuación

TiO2 h ∙ v→

TiO2¿ (1)

En presencia de especies redox adsorbidas en la partícula del semiconductor y bajo iluminación, se producen simultáneamente reacciones de oxidación y de reducción en la superficie del semiconductor; los huecos fotogenerados dan lugar a las reacciones de foto-oxidación, mientras que los electrones de la banda de conducción dan lugar a las reacciones de foto-reducción. Los electrones que han sido promovidos a la banda de conducción y los huecos formados en la banda de valencia migran hacia la superficie del catalizador Los huecos, después de migrar a la superficie, reaccionan con sustancias adsorbidas, en particular con agua (ecuación 2) o con iones OH- (ecuación 3), generando radicales OH+

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TiO2 ¿(2)

TiO2 ¿ (3)

En otras palabras, el Dióxido de Titanio (TiO2), al ser activado con luz absorbe las emisiones toxicas y las transforma en sustancias inofensivas. La frecuencia lumínica que activa el proceso de oxidación está en torno a 380 nm, y se encuentra en los rayos UV (Figura 8). Incluso con presencia de nubes, se obtiene suficiente actividad foto-catalítica, ya que aun con poca luz, se obtiene un máximo de eficiencia del proceso. En vista a que el fotocatalizador no es consumido en la reacción química este proceso debería poder ejecutarse de forma permanente en el tiempo.

En todos los casos se ha demostrado la eficacia de los materiales de cemento fotocatalítico, que han revelado un auténtico valor ecosostenible. Las pruebas de laboratorio han demostrado que puede bastar una radiación de solo tres minutos para conseguir una reducción de los agentes contaminantes de hasta el 75 %; las comprobaciones experimentales a gran escala han confirmado valores de reducción incluso superiores.

Fig. 8: El mecanismo de la fotocatálisisaplicada a los materiales de cemento

Las patentes presentadas por Italcementi sobre la fotocatálisis aplicada a los materiales de cemento se resumen en lo siguientes grupos:

Sobre los Conglomerantes: conglomerante hidráulico y composición cementicia conteniendo partículas de fotocatalizador.

Sobre las Aplicaciones: adoquines prefabricados, materiales de construcción para revestimiento en general, enlucidos, morteros y pinturas con base de cal y cemento, pavimentos de hormigón.

La fotocatálisis puede reducir sustancias de compuestos tanto orgánicos como inorgánicos, así como los que mencionaremos a continuación:

Compuestos inorgánicos: Óxidos de Nitrógenos (NOX); Óxidos de Azufre (SOX); Monóxido de Carbono (CO); Amoniaco (NH3); (CH3S); Sulfuro de Hidrógeno (H2S).

Compuestos orgánicos clorados: Cloruro de Metileno (CH2Cl2); Tricloruro de Metilo (CHCl3);

(CCl4); (1,1-C2H4Cl2); (1,2-C2H4Cl2); (1,1,1-C2H3Cl3); (1,1,2- C2H3Cl3); (1,1,1,2-C2H2Cl4); (1,1,2,2-C2H2Cl4); (1,2- C2H2Cl2); Tricloroeteno (C2HCl3); Tetracloroeteno (C2Cl4); Dioxinas; Clorobenceno; Clorofenol.

Compuestos orgánicos: Metanol (CH3OH); Etanol (C2H5OH); Acido Acético (CH3COOH); Metano (CH4); Etano (C2H6); Propano (C3H8); Etileno (C2H4); Propileno (C3H6); Benceno (C6H6); Fenol; Tolueno; Etilbenceno; O-xileno; M-xileno; Fenantreno.

Pesticidas: Triadimefon; Pirimicarb; Asulam; Diazinon; MPMC; Atrazina.

Otros compuestos: Bacterias; Virus; Células Cancerígenas, PM.

4.3. Efectos Descontaminantes

Las pruebas de laboratorio destinadas a evaluar las características descontaminantes de las construcciones realizadas con cementos TX Active, se han llevado a cabo con aparatos especiales y con métodos de prueba desarrollados a tal efecto.

Eficacia contra los óxidos de nitrógeno (NOX): La comprobación de la eficacia contra los óxidos de nitrógeno (NOX) se lleva a cabo con una cámara de volumen conocido en la que se insufla dióxido de nitrógeno (NO2) que, diluido con el aire contenido, alcanza una concentración contaminante predefinida.

En el interior hay un analizador de dióxido de nitrógeno (NO2), (analizador por quimioluminiscencia) una lámpara UV (fuente de energía luminosa) y un material de muestra (de superficie conocida y regular) elaborado con cemento TX Active. Se llevan a cabo varias pruebas con una intensidad luminosa definida y se miden las concentraciones de contaminantes dentro de la cámara tras la reacción de fotocatálisis que experimenta la muestra como se muestra en (Figura 9).

Fig. 9: Comprobación de la eficacia del cemento fotocatalítico contra los óxidos de nitrógeno

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Mortero fotocatálitico

Mortero no fotocatálitico

Tiempo


En determinadas condiciones de laboratorio se ha registrado una reducción de hasta el 91 % de dióxido de nitrógeno (NO2). Se han obtenido resultados extremadamente interesantes con procedimientos experimentales que han aplicado expertos en fotocatálisis (Universidad de Ferrara), en calidad del aire (Centro de investigación de ISPRA y CNR de Roma) y en emisiones contaminantes por materiales (ITC-Instituto para las tecnologías de la construcción).

Eficacia contra PM: El departamento de química de la universidad de Florencia ha llevado a cabo una comprobación de la eficacia de los materiales de cemento fotocatalítico en la reducción de los compuestos orgánicos contenidos en las partículas totales en suspensión (PTS). Para la prueba de reducción en presencia de un flujo de aire constante se ha utilizado un equipo que consiste en una cámara de reacción construida en plexiglás cuya superficie superior está blindada internamente por una hoja de aluminio de la que la separa un intersticio de aire (Figura 10). Su función consiste en evitar un calentamiento excesivo de la superficie de plexiglás próxima a la lámpara (L). La fuente luminosa, localizada en una posición intermedia con respecto a la longitud de la cámara, es una lámpara fotoquímica de vapores de mercurio, con potencia de 125 W y espectro de 180 a 400 nm. La bombilla de la lámpara es de cuarzo permeable a las radiaciones UVA, UVB y UVC. Mediante una bomba de membrana (P), con una velocidad de aspiración regulada a 2 M3/hora, y un contador (M) se puede hacer transitar un volumen conocido de aire atmosférico en el interior de la cámara.

Fig. 10: Esquema del equilibrio de prueba

4.4. Efecto Autolimpiante

Las superficies expuestas a la atmósfera experimentan el depósito de compuestos orgánicos pigmentados (gases producidos por los tubos de escape de los vehículos, agentes contaminantes orgánicos procedentes de actividades industriales y domésticas, moho, etc.) responsables de su manchado. La fotocatálisis actúa eliminando las moléculas orgánicas pero, indirectamente, también permite reducir el efecto negativo de la suciedad que representa el polvo simple. De hecho, este último explota las moléculas orgánicas para aferrarse a las superficies; cuando no las hay, se minimiza el aferramiento y se facilita su sustracción. Para

optimizar el efecto de autolimpieza resulta útil disponer de superficies lisas y con una porosidad mínima.

Las pruebas de laboratorio que han demostrado el efecto de autolimpieza se han basado en experimentaciones prácticas: se han ensuciado baldosas con contaminantes coloreados (rodamina y bromocresol) y se han sometido a una fuente luminosa durante un periodo de 100 horas desde las primeras horas se han podido apreciar los resultados de la acción fotocatalítica; tras 30 horas, las superficies devuelven un índice igual al de la muestra de referencia (Figura 11). Estos resultados abren el camino al desarrollo extendido de paredes autolimpiadoras concretas y cubiertas por mortero. TiO2/cemento compuestos se esperan mantener sus características estéticas inalteradas con el tiempo, en particular el color, aún en la presencia de entornos agresivos urbanos.

4.5. Experimentaciones in situ

Un experimento in situ es el denominado Canyon Street. se ha construido en una zona adyacente a los laboratorios CTG de Guerville, en Francia. El experimento es fruto de un proyecto de investigación europeo, el Proyecto PICADA (Aplicaciones innovadoras de recubrimientos fotocatalíticos para la evaluación de la descontaminación) en el que han colaborado organismos de investigación europeos y consorcios de empresas privadas, entre las que se encuentra Italcementi, que ya tenía una larga experiencia en este campo con estudios de investigación, patentes y aplicaciones. La finalidad del experimento consistía en comprobar la eficacia de las propiedades fotocatalíticas sobre un modelo que reproduce las condiciones medioambientales de una calle situada entre dos bloques de una zona urbana genérica. Se han reproducido dos calles, cada una con una longitud de unos 18 m, anchura de 2,5 m y altura de unos 5 m. Las paredes de los callejones han sido enlucidas, una con un mortero de revestimiento con base TX Active® y la otra con un enlucido con base de aglutinante de cemento tradicional.

Para simular las condiciones de contaminación derivadas del tráfico urbano se ha extendido un tubo perforado por toda la longitud de las calles del que salían los gases de escape producidos por un motor que estaba en funcionamiento durante 7 horas conectado al tubo.

Se han colocado sensores para la medición de la humedad, temperatura, radiación solar, y anemómetros para medir la velocidad y la dirección del viento, a 3 m, a 5 m de altura y a intervalos regulares por toda la longitud de la calle. Además, en los extremos superiores y laterales se han instalado medidores de NOx y de VOC. También se han

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vigilado los gases de descarga con la medición tanto de la velocidad como de la temperatura y composición.

Fig. 11: Evolución de cambio en color contra tiempo para los materiales a base de cemento

Se ha utilizado un modelo de cálculo tridimensional para reproducir los flujos de aire y de polvo que presentan diferentes condiciones atmosféricas. Mediante una simulación numérica se ha reproducido analíticamente la dispersión del polvo teniendo en consideración la inclinación de las superficies con respecto a los flujos de aire y del efecto de la radiación solar (Figura 12).

Fig. 12: Descripción Experimento In Situ

Los resultados: La acción descontaminante de las paredes con TX está ligada a importantes variables que dependen de la concentración de polvo, de las condiciones meteorológicas y de la radiación solar; los primeros resultados obtenidos son interesantes. La concentración de NOx entre los dos cañones varía notablemente. Se ha podido evaluar el efecto fotocatalítico en relación con la orientación de los flujos de viento de las superficies. La reducción del polvo en función de la orientación del viento puede llegar hasta el 80 %.

5. Aplicación del Cemento Fotocatalítico en Túneles

En la investigación realizada los referentes de aplicaciones en túneles encontrados se basan en pavimentos. Como es el caso del túnel de vía porpora, situado bajo la vía férrea en la calle Porpora, Milán, supuso la aplicación de materiales fotocatalíticos. Para tal fin, Italcementi utilizó un pavimento para carreteras de hormigón de alto rendimiento patentado

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para el túnel, mientras que otra empresa de fabricación fue la encargada de tratar el techo del túnel con una pintura fotocatalítica no cementosa. El túnel, con una longitud de 104 m y una anchura de 7 m, está situado en las cercanías de la estación de Milán Lambrate y conecta Via Porpora con Piazza Monte Titano. Con doble sentido de circulación, está situado a lo largo de un eje viario de primera categoría que conecta el centro de Milán con la carretera de circunvalación este y presenta flujos de tráfico diario de hasta 30.000 vehículos. Las mediciones de tráfico que ha llevado a cabo la agencia de movilidad y medioambiente, con el apoyo de la policía municipal, pusieron de manifiesto la alta densidad de tráfico a la que está expuesta la calle. Las campañas de medición y procesamiento de datos, llevadas a cabo por ARPA Lombardia, han demostrado una reducción del 22,7 % respecto a las concentraciones de óxido de nitrógeno (NOx) que se detectan normalmente en el interior del túnel, incluso en ausencia de las mejores condiciones de exposición del producto a la luz. Para los ambientes sin iluminación natural, como este túneles, existen lámparas especiales que emiten la frecuencia lumínica necesaria, tanto con luz visible (luz blanca), como con luz ultravioleta (luz negra).

Otro referente de aplicación de materiales fotocatalíticos en túneles es el túnel Umberto 1 en Roma debajo de la colina de Quirilane y cerca del edificio presidencial de la republica italiana. Tiene una longitud de 347.70 m, un ancho de 17 m y una altura de 8.50 m (Ver figura 13). Debido a la necesidad de cambio del sistema de alumbrado, en el proceso de inspección se observo que la gran acumulación de la capa de smog que cubría el túnel no cumplía con los criterios de seguridad actuales, por lo que se implemento la renovación del túnel y el monitoreo del mismo.

Fig. 13: Túnel de Umberto 1 luego de su apertura

La solución empleada fue la siguiente: luego de ser removido el sistema antiguo se lavaron las paredes del túnel y se aplicó una pintura fotocatalítica de base cementicia dando una capa de color gris hasta

una altura de 1.80 a ambos lados del túnel y blanco hasta completar el resto de la superficie. Fue importante el diseño de un sistema de iluminación que consto de la combinación lámparas de luz ultravioleta para la activación de los procesos fotocatalíticos y luces blancas para iluminación del túnel. Al término de esta compaña se obtuvo que la reducción de óxido de nitrógeno (NOx) en el túnel fue de 20% y la reducción de los trabajos de mantenimiento.

6. Análisis Económico

Desde el punto de vista económico de los hormigones fotocatalíticos tienen un costo mayor que los hormigones tradicionales. Pero dado que la parte que interactúa con la atmósfera es sólo la superficie, el principio fotocatalítico no se utiliza en aplicaciones estructurales, sino únicamente donde resulta posible mantener un espesor limitado. En esta misma línea, si el cemento que contiene TX Active® tiene un precio aproximado de 1 Euro por kilo, la cifra a tener en cuenta sería el coste por metro cuadrado de superficie fotocatalítica. De esta manera, el coste es sorprendentemente bajo, tal y como puede apreciarse en algunos ejemplos. Para transformar la fachada de un bloque de 5 pisos en una superficie fotocatalítica, tan sólo hay que sumar unos 100 euros al coste de un mortero de revestimiento tradicional. Pavimentar con bloques fotocatalíticos cuesta una media de entre un 10% y un 20% más que con un pavimento tradicional.

Además de su alto rendimiento supone un ahora a futuro debido a la reducción del mantenimiento. Si centramos en un túnel, el mantenimiento necesita supone un alto costo debido a la necesidad de cerrar total o parcialmente el mismo para operar. Además de que el cierre de un túnel supone el desvió del transito que pasa por este conlleva a un embotellamiento de otras vías de circulación, embotellamientos, consumo de combustible, entre otros.

Por otro lado si comparamos a la hora de la aplicación queda en evidencia que la aplicación mediante proyección resulta factible debido a su velocidad, la menor cantidad de personal necesario y el poco desperdicio en comparación con métodos tradicionales.

Si comparamos con las pinturas, es bien conocido por todos que la pintura ha de recibir un mayor mantenimiento y es más vulnerable frente el ambiente caliente y húmedo que suponen los túneles.

7. Influencia Medioambiental

La exigencia de un medio ambiente más limpio y la necesidad de una calidad de vida mejor hacen que

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resulte indispensable; por lo que la tecnología fotoquímica aplicada a los materiales de construcción puede ser una buena solución. Una mezcla o revestimiento de Dióxido de Titanio (TiO2) en el hormigón puede generar una purificación del aire.

El real desafío es precisamente alcanzar un mayor progreso y crecimiento con balance en el desarrollo ambiental.

En teoría una superficie de 1.000 metros cuadrados tratado con hormigón fotocatalíticos capaz de purificar unos 200.000 metros cúbicos de aire en 10 horas de sol.

Las pruebas que se han llevado a cabo en laboratorios y campo abierto nos muestran que los materiales con cementos fotocatalíticos, irradiados con la luz adecuada, aumentan la eficacia de degradación de las sustancias orgánicas e inorgánicas con las que entran en contacto.

Estas experimentaciones nos permiten afirmar que una construcción fabricada con cemento fotocatalítico puede mantener inalterado su aspecto estético durante un largo periodo de tiempo así como contribuir a la reducción de muchas de las sustancias nocivas responsables de la contaminación atmosférica, tales como: NOx, SOx, NH3, CO, tolueno, compuestos orgánicos, volátiles, etc.

Las tendencias mundiales están principalmente dirigidas promover e incentivar el uso de tecnologías que hagan las construcciones sustentables, hecho que conlleva a que los criterios de decisión modernos están por encima de una simple ponderación de su costo inicial; por lo tanto, las tendencias están dirigidas tener una conciencia de uso eficiente de los recursos físicos y monetarios en el largo plazo, garantizando al mismo tiempo un nivel de calidad superior para la generación actual y las futuras.

8. Conclusiones

Luego de la investigación realizada y descrita en este documento hemos llegado a las siguientes conclusiones:1. Todos los métodos de proyección actuales

pueden realizan la aplicación de cementos fotocatalíticos aunque consideramos que por vía seca tendremos una menor homogeneidad en la capa aplicada.

2. Los principales contaminantes atmosféricos son producto de la mano del ser humano, en vista a esto y al mejoramiento del entorno se necesitan desarrollar métodos de descontaminación que no agreguen nuevos materiales nocivos y sean capaces de reducir los actuales siendo los materiales fotocatalíticos una alternativas viable.

3. Los cementos Catalíticos incorporan Dióxido de Titanio que reaccionan con luz ultra violeta y

convierten las sustancias toxicas en sustancias inofensivas obteniendo así sus efectos autolimpiantes y descontaminantes, las que deberían tender a no degradarse debido a que el catalizador no se consume en la reacción.

4. En los túneles la aplicación mediante proyección no es muy explotada aunque supone una forma efectiva de realizar el recubrimiento ya que incorpora velocidad y buen rendimiento de los morteros.

5. En vista al aumento de más de un 20% en los costos de fabricación, entendemos que los constructores no lo tomarían como una primera opción de fabricación a menos que las evaluaciones de mantenimiento corroboren el ahorro a futuro.

6. La implementación de estos materiales supone una mejora significativa en la calidad del aire ya que pueden purificar grandes volúmenes de aire por hora de exposición a la luz.

Agradecimientos

Agradecemos a nuestro tutor de tema Ignacio Segura por su apoyo y colaboración en la investigación realizada.

Referencias

[1] E. Borgarello, TX Active Principio Activo Fotocatalítico Introducción Técnica, FyM, Madrid, pp. 6.

[2] E. Navarro, Guía Técnica Revestimientos Catalíticos, Consorcio FEC, Roma 2011, pp. 2.

[3] E. Borgarello, TX Active Principio Activo Fotocatalítico Introducción Técnica, FyM, Madrid, pp. 9

[4] Gian Luca Guerrini. “Photocatalytic performances in a city tunnel in Rome: NOx monitoring results”, Construction and building materials, nº 27, Agosto 2011, pp. 165-175.

[5] Angel Fernández Carazo. “Cementos autolimpiantes y descontaminantes”, Especial Prefabricados de Hormigón, Cementos y Morteros, nº 71, Marzo 2008, pp. VI-VII

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HORMIGONES PROYECTADOS CON CARACTERÍSTICAS AUTOLIMPIANTES Y DESCONTAMINANTES PARA RECUBRIMIENTOS DE...

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