Investigadores de Cambridge ayudan a desarrollar un muro de hormigón inteligente impreso en 3D para el proyecto de Carreteras Nacionales

La estructura impresa en 3D, un tipo de muro de contención conocido como muro de cabecera, se instaló en la A30 en Cornualles, donde proporciona información en tiempo real gracias a los sensores diseñados por Cambridge integrados en su estructura. Los sensores proporcionan mediciones actualizadas que incluyen temperatura, tensión y presión. Este ‘gemelo digital’ de la pared podría ayudar a detectar y corregir fallas antes de que ocurran.

Las estructuras de muros de cabecera normalmente se fabrican en formas limitadas de hormigón prefabricado, lo que requiere encofrado y refuerzo de acero extensivo. Pero al utilizar la impresión 3D, el equipo, incluidos especialistas de Costain, Jacobs y Versarien, pudo diseñar y construir una pared hueca curva sin encofrado ni refuerzo de acero. El muro obtiene su fuerza no del acero, sino de la geometría.

El muro, que tardó una hora en imprimirse, tiene aproximadamente dos metros de alto y tres metros y medio de ancho. Se imprimió en Gloucestershire en la sede de la empresa de ingeniería avanzada Versarien, utilizando una impresora de hormigón basada en un brazo robótico. Hacer la pared con impresión 3D ahorra significativamente costos, materiales y emisiones de carbono.

Durante los últimos seis años, el equipo del profesor Abir Al-Tabbaa en el Departamento de Ingeniería ha estado desarrollando nuevas tecnologías de sensores y explorando la eficacia de los sensores comerciales existentes para obtener información de mejor calidad de la infraestructura. Su equipo también ha desarrollado varios hormigones autorregenerables ‘inteligentes’. Para este proyecto, suministraron sensores para medir la temperatura durante el proceso de impresión.

Las variaciones de temperatura en diferentes capas de la pared impresa en 3D se monitorearon continuamente para detectar posibles puntos calientes, gradientes térmicos o anomalías. Los datos de temperatura se correlacionarán con el perfil de imagen térmica correspondiente para comprender el comportamiento térmico de la pared impresa en 3D.

“Dado que se necesita un cemento de fraguado extremadamente rápido para la impresión 3D, también genera una enorme cantidad de calor”, dijo Al-Tabbaa. “Incrustamos nuestros sensores en la pared para medir la temperatura durante la construcción, y ahora estamos obteniendo datos de ellos mientras la pared está en el sitio”.

Además de la temperatura, los sensores miden la humedad relativa, la presión, la tensión, la resistividad eléctrica y el potencial electroquímico. Las mediciones brindan información valiosa sobre la confiabilidad, robustez, precisión y longevidad de los sensores.

También se utilizó un sistema LiDAR para escanear la pared mientras se imprimía para crear una nube de puntos 3D y generar un gemelo digital de la pared.

“Hacer que el muro sea digital significa que puede hablar por sí mismo”, dijo Al-Tabbaa. “Y podemos usar nuestros sensores para comprender mejor estas estructuras impresas en 3D y acelerar su aceptación en la industria”.

El equipo de Cambridge desarrolló un tipo de sensor, conocido como sensor PZT (Piezoceramic Lead-Zirconate-Titanate), que mide la respuesta de impedancia electromecánica y monitorea los cambios en estas mediciones a lo largo del tiempo para detectar cualquier posible daño. Estos sensores inteligentes pueden mostrar cómo el mortero impreso en 3D se endurece con el tiempo, al mismo tiempo que monitorean la salud de la estructura anfitriona.

Se incrustaron ocho sensores PZT dentro de las capas de la pared en diferentes posiciones durante el proceso de impresión 3D para capturar la presencia de carga y tensión, tanto durante el proceso de construcción como durante la vida útil después de la instalación en el campo.

El equipo, que incluía expertos en materiales inteligentes, automatización y robótica y ciencia de datos, también desarrolló un sistema de adquisición de datos inalámbrico a medida. Esto permitió la recopilación de datos de respuesta electromecánica multifrecuencia de los sensores integrados de forma remota desde Cambridge.

“Este proyecto servirá como un laboratorio viviente, generando datos valiosos durante su vida útil”, dijo Al-Tabbaa. «Los datos del sensor y el ‘gemelo digital’ ayudarán a los profesionales de la infraestructura a comprender mejor cómo se puede usar y adaptar la impresión 3D para imprimir materiales a base de cemento más grandes y complejos para la red estratégica de carreteras».

Los miembros del equipo incluyeron al Dr. Sripriya Rengaraju, el Dr. Christos Vlachakis, el Dr. Yen-Fang Su, el Dr. Damian Palin, el Dr. Hussam Taha, el Dr. Richard Anvo y la Dra. Lilia Potseluyko de Cambridge; así como la jefa de materiales de Costain, Bhavika Ramrakhyani, estudiante de doctorado a tiempo parcial en el Departamento de Ingeniería, y Ben Harries, líder de innovación arquitectónica en Versarien, quien también comenzará un doctorado a tiempo parcial en el Departamento de Ingeniería en octubre.

El trabajo del equipo de Cambridge es parte del Programa Materiales Resilientes para la Vida y la Iniciativa Caminos Digitales del Futuro. La investigación cuenta con el apoyo parcial del Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas (EPSRC), parte de Investigación e Innovación del Reino Unido (UKRI) y la Unión Europea.