Aleaciones que 'recuerdan' su forma podrían prevenir daños en ferrocarriles

En las vías de ferrocarril, los durmientes sostienen los rieles en su lugar y aseguran que su separación no cambie. Sin embargo, los durmientes de concreto modernos tienden a deformarse y agrietarse con el uso repetido, lo que genera preocupaciones de seguridad, incluyendo el riesgo de descarrilamientos si no se mantienen adecuadamente.

Un estudio realizado por el Grainger College of Engineering de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign demostró que el daño en los durmientes de concreto puede ser mitigado mediante el uso de aleaciones con memoria de forma (SMAs), metales que tienen la capacidad de regresar a su forma original después de ser deformados.

El profesor Bassem Andrawes, líder del estudio, mostró que los durmientes deformados por el tráfico ferroviario simulado podían volver a su estado original con la ayuda de SMAs activados por calentamiento por inducción. El trabajo, titulado "Experimental Testing of Concrete Crossties Prestressed with Shape Memory Alloys", fue publicado en el Journal of Transportation Engineering, Part A: Systems.

"Estamos haciendo algo que creo que es sin precedentes en la ingeniería del transporte ferroviario", afirmó Andrawes. "Estamos trabajando con un proveedor comercial de durmientes de concreto para implementar y probar nuestros diseños. Para nuestra publicación, fuimos más allá de los experimentos de laboratorio y demostramos el cumplimiento con los estándares de la industria ferroviaria. Estamos muy emocionados de continuar nuestra asociación industrial y desarrollar un diseño práctico y funcional".

La degradación en el concreto se previene tradicionalmente mediante un proceso de pretensado, en el que se insertan varillas de acero pretensadas para ejercer fuerzas que contrarrestan los efectos de las cargas pesadas. Aunque esta técnica se aplica en los durmientes, la dificultad radica en que diferentes partes del durmiente experimentan diferentes tensiones. Además, los durmientes se desplazan a medida que el balasto, la grava que distribuye el peso y proporciona drenaje, se asienta en respuesta al tráfico.

Andrawes considera que las SMAs son una solución ideal porque pueden ser insertadas en los durmientes y controladas de manera independiente con fuentes de calor autónomas. El refuerzo que proporcionan podría adaptarse rápidamente a las circunstancias específicas que el durmiente experimenta en diferentes ubicaciones de su estructura.

"Las SMAs son ejemplos de lo que llamamos 'materiales inteligentes'", explicó Andrawes. "Puedes deformarlas, torcerlas en formas nuevas y salvajes, pero retienen la memoria de su estado original en la estructura molecular. Cuando aplicas calor, saben que deben regresar a ese estado. Así que, si solo tienes una fuente de calor, la SMA puede guiar una estructura de concreto de vuelta a la forma deseada almacenada en la memoria de la aleación".

Trabajando con el estudiante de posgrado en ingeniería civil y ambiental Ernesto Pérez-Claros, Andrawes decidió utilizar el calentamiento por inducción, en el que el calor para restaurar las SMAs a su forma original es proporcionado por un campo electromagnético variable en el tiempo. Esto se hizo para asegurar que el hardware eléctrico no necesitara ser insertado dentro del durmiente.

La investigación se llevó a cabo en tres fases. Primero, los investigadores trabajaron con Rocla Concrete Tie, Inc. para fundir su diseño en durmientes de concreto disponibles comercialmente. En segundo lugar, realizaron experimentos de laboratorio para cuantificar los impactos de diferentes longitudes de SMAs en los durmientes. Finalmente, los durmientes fueron sometidos a pruebas de estrés simulando el tráfico ferroviario, y los prototipos superaron los estándares de la American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association (AREMA).

"Era importante para nosotros que realmente hiciéramos algo que saliera del laboratorio y se aplicara en la práctica", dijo Andrawes. "Demostrar que nuestro diseño cumple e incluso supera las especificaciones de AREMA significa que no es solo investigación académica. Esto es algo que los ferrocarriles pueden usar, y tenemos la intención de guiarlo hasta el punto en que pueda ser adoptado".

Los investigadores planean continuar trabajando con Rocla para comercializar la tecnología. También planean enviar sus prototipos para pruebas completas con tráfico ferroviario real en el Federal Railroad Administration Transportation Technology Center en Pueblo, Colorado.