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Jornada Técnica de la PTFE:

INVESTIGACIÓN E INNOVACIÓN EN MATERIALES

CON APLICACIÓN EN EL ÁMBITO FERROVIARIO Madrid, 26 de febrero de 2015

Ref. PTR-2014-0351

Financiado por:

NUEVOS MATERIALES APLICADOS A LA INFRAESTRUCTURA

FERROVIARIA

Miguel del Sol Sánchez Dr. Ing. Caminos, Canales y Puertos

Responsible sección FF.CC. en LabIC.UGR

ETSICCP. Universidad de Granada

[email protected]

ETSICCP. UNIVERSIDAD DE GRANADA

Financiado por:

Ref. PTR-2014-0351

CONTENIDO

1. ANTECEDENTES: PRINCIPALES PROBLEMAS ASOCIADOS A LOS COMPONENTES FERROVIARIOS

Nuevos Materiales Aplicados a la Infraestructura Ferroviaria

2. DESARROLLO DE NUEVOS MATERIALES

• Elementos elásticos a partir de capas de NFU

• Capa de balasto con partículas de NFU

• Mezclas asfálticas sostenibles para su uso como subbalasto bituminoso

• Materiales para climas extremos

• Componentes ferroviarios para producir energía

3. PROYECTOS DE INVESTIGACIÓN DESARROLLADOS EN LabIC.UGR

4. CONCLUSIONES


Financiado por:

Ref. PTR-2014-0351

1. ANTECEDENTES


Tipos de infraestructuras Vía tradicional sobre capa balasto

Vía en placa sobre losa de hormigón

Vía con capa(s) de mezcla bituminosa

Principalmente 3 sistemas

En general, mismos componentes de la

superestructura (con distintas características)

-Carril

-Sistema de sujeción

-Traviesas

-Elementos elásticos (placa asiento, suela

bajo traviesa, etc.)

…pero diferente subestructura

Superestructura

Subestructura:

Capa granular

Subestructura:

Losa hormigón

Subestructura:

Mezcla bituminosa

Distintas exigencias para los diversos

materiales de la vía de ferrocarril


Financiado por:

Ref. PTR-2014-0351

CONTENIDO 1. ANTECEDENTES


Fallo por fatiga:

-Soldadura del carril.

-Componentes de la sujeción.

-Fisuración traviesa / losa hormigón.

-Pérdida elasticidad.

Deterioro:

-Desgaste carril / defectos.

-Traviesa: zona asiento del carril.

-Por acciones climáticas.

-Desgaste / rotura balasto.

Principales problemas y formas de fallo no resueltas


Defecto de carril

Desgaste zona asiento

traviesa Contaminación balasto

Fatiga sujeción Fisuración traviesa

Fisuración losa Degradación placas

Financiado por:

Ref. PTR-2014-0351

-Elevado precio

+ Carril (aprox. 100 mil €/km vía simple)

+ Traviesa (aprox. 200 mil €/km vía)

+ Balasto y subbalasto (aprox. 85 mil €/km vía)

+ Acero (aprox. 120 t/km; carril)

+ Áridos/cemento (aprox. 580 t/km traviesas hormigón)

+ Polímeros altas prestaciones (E. Elásticos)

+ Balasto y subbalasto (aprox. 5000 m3 áridos)

-Alto consumo mat. prima

+ Amolado carril

+ Reemplazamiento traviesas / sujeción / E. elásticos

+ Bateo / limpieza balasto

-Costoso mantenimiento



Problemas socio-económicos


Financiado por:

Ref. PTR-2014-0351

Nuevas exigencias para los materiales:

- Incremento de la velocidad de los trenes.

- Aumento de la carga transportada.

- Mayor tráfico.

- Nuevos retos (internacionalización de empresas).

- Compromiso medioambiental.

- …

Materiales SMART

- Producción de energía.

- Auscultación de vía.

- Respuesta de la vía en tiempo real.



Además…


Financiado por:

Ref. PTR-2014-0351

Necesidad de desarrollar materiales:

Más duraderos (alargar la vida de servicio de la vía).

A menor coste.

Más sostenibles (optimización de recursos).

Que respondan a las exigencias actuales.

Que permitan mejorar la calidad del servicio

(SMART).




Financiado por:

Ref. PTR-2014-0351

CONTENIDO










4. CONCLUSIONES


Financiado por:

Ref. PTR-2014-0351

- Condiciones de carga: simular las solicitaciones esperadas en vía.

Movimientos en vía

Reproducción en laboratorio

Técnicas de construcción

Tareas de mantenimiento

Solicitaciones de servicio

CONTENIDO 2. DESARROLLO DE NUEVOS MATERIALES


Importante tener en cuenta


Financiado por:

Ref. PTR-2014-0351

- Condiciones de ensayo: reproducir condiciones de trabajo. -Monitorización.

Control de

movimientos.

LVDTs

Control de tensiones.

Células de presión





Permeámetro

Lámparas térmicas de

infrarrojos

Financiado por:

Ref. PTR-2014-0351

- Factor escala.





Escala 1:10

Escala 1:1 Escala real

Financiado por:

Ref. PTR-2014-0351

CONTENIDO










4. CONCLUSIONES


Financiado por:

Ref. PTR-2014-0351

Proyecto I+D+i 1:

Elementos elásticos a partir de capas de NFU

CONTENIDO 3. PROYECTOS DE INVESTIGACIÓN DESARROLLADOS EN LABIC.UGR



Proyecto INNPACTO de la convocatorio 2011

Financiado por:

Financiado por:

Ref. PTR-2014-0351

Deconstrucción de neumáticos usados:


Rodadura Fibras

metálicas

Carcasa

Carcasa Fibras Rodadura

Se evita triturar el neumático




Financiado por:

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Placas de

asiento

Suelas bajo

traviesa

Mantas bajo

balasto



Deconstrucción de neumáticos usados:


Rodadura Fibras

metálicas

Carcasa

Carcasa Fibras Rodadura

Se evita triturar el neumático


Financiado por:

Ref. PTR-2014-0351

Estudio en laboratorio:

Análisis de distintos factores de

diseño

-Espesor

-Efecto del tipo neumático

-Tratamiento del material

Diseño óptimo para su

uso en vías ferroviarias

Ensayos:

Estáticos (diversas cargas)

Dinámicos (distintas frecuencias)

Estudio de la resistencia del material

-Fatiga

-Deterioro climático (calor, hielo-

deshielo, acción del agua, frío-calor)

Determinación de la

aptitud de los

elementos

Efecto de los elementos

en la respuesta de la vía




Estudio en cajón de balasto


Financiado por:

Ref. PTR-2014-0351

Efecto del espesor

y = 3307,1x-1,724 R² = 0,8308

y = 0,4547x1,7437 R² = 0,7193

0

10

20

30

40

50

0

100

200

300

400

500

4,0 6,0 8,0 10,0 12,0

Ene

rgía

dis

ipad

a (J

)

Rig

ide

z e

stát

ica

(kN

/mm

)

Espesor (mm)

Stiffness Dissipated energyRigidez Energía disipada

0,13

0,15

0,17

0,19

0,21

0,23

0,25

5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0

Mó

du

lo d

inám

ico

(N

/mm

3 )

Espesor (mm)

Cdyn 5Hz

Cdyn 10 Hz

y = 49x-1,628 R² = 0,8447

y = 69,085x-1,694 R² = 0,828

y = 83,248x-1,711 R² = 0,8466

0,000

0,400

0,800

1,200

1,600

2,000

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46

Mó

du

lo d

inám

ico

(N

/mm

3)

Espesor (mm)

C 1 Hz

C 5 Hz

C 10 Hz

Amplio rango de soluciones

elásticas

Placas de asiento Suelas

Mantas





Financiado por:

Ref. PTR-2014-0351

Resistencia de los elementos

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0,2 0,4 0,6

Car

ga (

kN)

Desplazamiento vertical (mm)

Static stiffness. Before fatigue testStatic stiffness. After fatigue test

Rigidez estática antes fatiga

Rigidez estática después fatiga

Resistencia a la fatiga de placas

-5

0

5

10

15

20

Cstat Cdin 5Hz

Var

iaci

ón

(%

) Acción del agua Env. Térmico Ciclos Hielo-deshielo

Resistencia a agente climáticos, mantas

Variaciones de rigidez y energía disipada inferiores a 25%





Financiado por:

Ref. PTR-2014-0351

Efecto en el comportamiento del sistema

0

10

20

30

40

50

60

70

0 50000 100000 150000 200000

Rig

ide

z ve

rtic

al d

el c

on

jun

to

(kN

/mm

)

Ciclos Placa rígida de referencia Placa NFUPlaca NFU+Suela NFU Placa NFU+manta NFU

0

5

10

15

20

25

0 50000 100000 150000 200000

E. d

isip

ada

(J)

Ciclos Placa rígida de referencia placa NFU

Placa NFU+Suela NFU Placa NFU+manta NFU

0

10

20

30

40

50

60

0 50000 100000 150000 200000Asi

en

to d

el c

on

jun

to (

mm

)

Ciclos Placa rígida de referencia Placa NFU

Placa NFU+Suela NFU Placa NFU+manta NFU

Se obtiene un sistema más

flexible





Financiado por:

Ref. PTR-2014-0351

Proyecto I+D+i 2:

Capa de balasto con partículas de NFU




Proyecto en colaboración con la Universidad de

Nottingham (Reino Unido)

Financiado por:

Ref. PTR-2014-0351

Balasto natural NFU triturado

Capa de balasto elástica

«Ballastic» Análisis de su efecto ante cargas desfavorables

>300 kPa bajo

traviesa





Financiado por:

Ref. PTR-2014-0351

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0 20000 40000 60000 80000 100000

Asi

en

to (

mm

)

Ciclos Balasto Balasto + manta Balasto + 5% C.

Balasto + 10% C. Balasto + 20% C. Balasto + 30% C.

0

20

40

60

80

100

120

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

Balasto Balasto +manta

Balasto +5% C.

Balasto +10% C.

Balasto +20% C.

Balasto +30% C.

Ene

rgía

dis

ipad

a (J

/m3)

Mó

du

lo d

e r

igid

ez

(N/m

m3)

Módulo de rigidez Energía disipada





Financiado por:

Ref. PTR-2014-0351

Balasto + 10% caucho

Material % pasa

Incremento (%) (en

referencia al balasto original)

31,5 mm 0,063 mm 31,5 mm 0,063 mm

Balasto 9,71 0,70 41,1 480,9

Balasto + manta 10,15 0,37 47,6 208,7

Balasto + 10% C, 7,74 0,25 12,5 107,2

Mayor efecto beneficioso bajo

condiciones de carga

desfavorables



0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0 20000 40000 60000 80000 100000

Asi

en

to (

mm

)

Ciclos Balasto Balasto + manta Balasto + 5% C.

Balasto + 10% C. Balasto + 20% C. Balasto + 30% C.

0

20

40

60

80

100

120

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

Balasto Balasto +manta

Balasto +5% C.

Balasto +10% C.

Balasto +20% C.

Balasto +30% C.

Ene

rgía

dis

ipad

a (J

/m3)

Mó

du

lo d

e r

igid

ez

(N/m

m3)

Módulo de rigidez Energía disipada



Financiado por:

Ref. PTR-2014-0351

Proyecto I+D+i 3:

Mezclas asfálticas sostenibles para su uso

como subbalasto bituminoso




Proyecto europeo SUP&R ITN

Financiado por:

Financiado por:

Ref. PTR-2014-0351

Reutilización de NFU para reducir espesor de subbalasto bituminoso

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

BBTM 11A(BM 3c)

BBTM 11A(BMAVC)

BBTM 11A(0,5% PNFU)

BBTM 11A(1% PNFU)

BBTM 11A1,5% PNFU)

De

form

ació

n p

erm

ane

nte

(%

)

Muestra 1

Muestra 2

0

1000

2000

3000

4000

5000

10 30 50 70

Mó

du

lo d

e R

igid

ez

(MP

a)

Temperatura (ºC)

BBTM 11A (BM 3c) BBTM 11A (BMAVC)

BBTM 11A (0,5%PNFU) BBTM 11A (1% PNFU)



Mezclas asfálticas sostenibles para su uso como subbalasto bituminoso


Financiado por:

Ref. PTR-2014-0351

Firmes de carreteras deteriorados

RAP

Mezcla bituminosa con

RAP

Subbalasto

bituminoso

Reutilización de firmes asfálticos en la fabricación de subbalasto bituminoso





Financiado por:

Ref. PTR-2014-0351

Mezcla con RAP

en caliente

Mezcla con RAP

en frío

Diseño y caracterización

de las mezclas Comportamiento

mecánico de las mezclas

Estudio en cajón de

balasto

Rigidez

Punzonamiento

Fisuración

Fatiga



Reutilización de firmes asfálticos en la fabricación de subbalasto bituminoso



Permeabilidad

Financiado por:

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Proyectos I+D+i 4 y 5:

Materiales para climas extremos

Componentes ferroviarios para producir

energía




Financiado por:

Ref. PTR-2014-0351

Materiales para climas extremos Componentes ferroviarios para producir energía

Estudio del comportamiento de la sujeción bajo

condiciones esperadas en la línea Medina-La Meca.

Análisis de nuevas soluciones

Diseño de elementos de neumáticos con piezoeléctricos

para producir energía.




Financiado por:

Ref. PTR-2014-0351

CONTENIDO










4. CONCLUSIONES


Financiado por:

Ref. PTR-2014-0351

El aumento de exigencias mecánicas, así como el desafío de nuevos retos ingenieriles, llevan a la

necesidad de desarrollar nuevos materiales que permitan mejorar la durabilidad y calidad de la vía, de

una forma segura, económica y sostenible.

Desarrollo de nuevos elementos elásticos a partir de neumáticos deconstruidos (sin trituración del

material), ofreciendo una amplia gama de soluciones elásticas con adecuada resistencia y durabilidad

que permiten mejorar el comportamiento de la vía ferroviaria.

«Ballastic» se presenta como un material alternativo con gran potencial para mejorar la respuesta y vida

de servicio de la infraestructura ferroviaria.

Nuevos materiales bituminosos están siendo desarrollados a partir de materiales reciclados para

aumentar la capacidad portante de la vía de una forma eficiente y más sostenible.

Estudio de nuevos materiales para su aplicación en vías ferroviarias sometidas a condiciones extremas.

Desarrollo de componentes ferroviarios con capacidad para producir energía eléctrica.

CONTENIDO 4. CONCLUSIONES



Financiado por:

Ref. PTR-2014-0351

CONTENIDO PUBLICACIONES


Sol-Sánchez, M., Moreno-Navarro, F., Rubio-Gámez, M. C. (2014). Viability of

using end-of-life tire pads as under sleeper pads in railway. Journal of

Construction and Building Materials, Vol. 64, pp. 150-156.

Sol-Sánchez, M., Moreno-Navarro, F., Rubio-Gámez, M. C. An Analysis of the

Performance of Deconstructed Tires for Use as Pads in Railroad Tracks.

Journal of Civil Engineering and Management. Accepted in-press.

Sol-Sánchez, M., Rubio-Gámez, M.C., Moreno-Navarro, F. (2014). Soluciones

elásticas para infraestructuras ferroviarias: Paneles anti-vibración

fabricados con material procedente de nfu / Ballastic. 7° Foro PTEC de

debate: La I+D+i en la mejora de las infraestructuras del transporte. Málaga,

España.

Sol-Sánchez, M., Moreno-Navarro, F., Rubio-Gámez, M.C. (2014). Análisis del

comportamiento mecánico de neumáticos usados para su empleo como

elementos elásticos en vías de alta velocidad. VIII Jornadas Internacionales de

Ingeniería para Alta Velocidad. Fundación Caminos de Hierro, Córdoba, España.

Sol-Sánchez, M., Moreno-Navarro, F., Rubio-Gámez, M.C. (2014). Design of

elastic pads from deconstructed tyres to be used in railroad tracks.

Transportation Research Board. 93rd Annual Meeting. European Asphalt

Technology Association, Washington, U.S.A.

Financiado por:

Ref. PTR-2014-0351

CONTENIDO PUBLICACIONES


Sol-Sánchez, M., Moreno-Navarro, F., Rubio-Gámez, M.C. (2014). The

use of elastic elements in railway tracks: A State of the art review.

Journal of Construction and Building Materials, 75, pp. 293-305.

Sol-Sánchez, M., Thom, N., Moreno-Navarro, F., Rubio-Gámez, M. C.,

Airey, G (2014). A study into the use of crumb rubber in railway

ballast. Journal of Construction and Building Materials, 75, pp. 19-24.

Sol-Sánchez, M., Moreno-Navarro, F., Rubio-Gámez, M. C. (2014).

Viability analysis of deconstructed tires as material for rail pads in

high-speed railways. Materials & Design, Vol. 64, pp. 407-414.

Sol-Sanchez, M., Moreno-Navarro, F., Rubio-Gámez, M.C. (2014). The

use of deconstructed tire rail pads in railroad tracks, impact of pad

thickness. Materials and Design, Vol. 58, pp. 198-203.

Sol-Sánchez, M., Moreno-Navarro, F., Rubio-Gámez, M. C. (2014). The

Use of Deconstructed Tires as Elastic Elements in Railway Tracks.

Materials, Vol. 7, pp. 5903-5919.

www.ptferroviaria.es

Financiado por:

Ref. PTR-2014-0351 ETSICCP. UNIVERSIDAD DE GRANADA

CONTACTO:

Miguel del Sol Sánchez

ETSICCP. Universidad de Granada

Email: [email protected]

Tlf: +34 958249445

Web: labic.ugr.es

mailto:[email protected]

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