Desarrollo de Nuevos Materiales Inteligentes para ... · 25 de octubre de 2016 MESA DE PROYECTOS DE...

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25 de octubre de 2016

MESA DE PROYECTOS DE INNOVACIÓN

Desarrollo de Nuevos Materiales Inteligentes para

Pavimentos del Futuro

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016

Fernando Moreno NavarroDr. Ingeniero de Caminos, C y P

Profesor de Materiales

Subdirector LabIC.UGR

ETSICCP. Universidad de Granada

fmoreno@ugr.es

1. Introducción

2. Nuevos Materiales:

Mechanomutable Asphalts

3. Próximos pasos

LabIC.UGR

4. Conclusiones

CONTENIDOS

Laboratorio de Ingeniería de la Construcción

E.T.S.de Ingeniería de Caminos, C y P

Universidad de Granada

1. Introducción

29ª

Se

ma

na

de

la

Ca

rre

tera

Inn

ova

ció

n p

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un

a M

ovilid

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1. Introducción

4

A lo largo de los años las carreteras han ido evolucionando…

1. Introducción

5

A lo largo de los años las carreteras han ido evolucionando…

CARRETERAS de 1ª GENERACIÓN: Las calzadas y caminos

1. Introducción

6

A lo largo de los años las carreteras han ido evolucionando…

CARRETERAS de 1ª GENERACIÓN: Las calzadas y caminos

CARRETERAS de 2ª GENERACIÓN: Los caminos asfaltados (carreteras)

1. Introducción

7

A lo largo de los años las carreteras han ido evolucionando…

CARRETERAS de 1ª GENERACIÓN: Las calzadas y caminos

CARRETERAS de 2ª GENERACIÓN: Los caminos asfaltados (carreteras)

CARRETERAS de 3ª GENERACIÓN: Las carreteras de alta capacidad

(autovías)

1. Introducción

8

A lo largo de los años las carreteras han ido evolucionando…

CARRETERAS de 1ª GENERACIÓN: Las calzadas y caminos

CARRETERAS de 4ª GENERACIÓN: Las carreteras/autovías sostenibles

REUTILIZACIÓN DE RESIDUOS (RAP, PNFU, ETC.) MEZCLAS DE BAJA TEMPERATURA

PAVIMENTOS DESCONTAMINANTES PAVIMENTOS REDUCTORES DE RUIDO

CARRETERAS de 2ª GENERACIÓN: Los caminos asfaltados (carreteras)

CARRETERAS de 3ª GENERACIÓN: Las carreteras de alta capacidad

(autovías)

1. Introducción

9

A lo largo de los años las carreteras han ido evolucionando…

CARRETERAS de 1ª GENERACIÓN: Las calzadas y caminos

CARRETERAS de 5ª GENERACIÓN: Las carreteras/autovías inteligentes

CARRETERAS de 4ª GENERACIÓN: Las carreteras/autovías sostenibles

CARRETERAS de 2ª GENERACIÓN: Los caminos asfaltados (carreteras)

CARRETERAS de 3ª GENERACIÓN: Las carreteras de alta capacidad

(autovías)

1. Introducción

10

Las carreteras ya no se conciben únicamente como infraestructuras garantizar la accesibilidad territorial de bienes y personas…

1. Introducción

11

…además han de aportar un valor añadido que optimice la

inversión realizada y el espacio ocupado

Las carreteras ya no se conciben únicamente como infraestructuras garantizar la accesibilidad territorial de bienes y personas…

1. Introducción

12

Las carreteras ya no se conciben únicamente como infraestructuras garantizar la accesibilidad territorial de bienes y personas…

…además han de aportar un valor añadido que optimice la

inversión realizada y el espacio ocupado

En los próximos años las necesidades socio-ecocómicas

asociadas a las infraestructuras de carreteras van a cambiar…

Las carreteras son el elemento fundamental para canalizar los cambios globales que

estamos sufriendo

Las carreteras deben de integrarse en el entorno y de utilizar su tecnología para mejorar la eficiencia del servicio que presta y cubrir

mejor las necesidades de los usuarios

1. Introducción

13

Futuras necesidades de la carretera…

1. Introducción

14

Futuras necesidades de la carretera…

DURABILIDAD/ MINIMIZAR

COSTES DE MANTENIMIENTO

1. Introducción

15

Futuras necesidades de la carretera…

DURABILIDAD/ MINIMIZAR

COSTES DE MANTENIMIENTO

MAXIMIZAR

SEGURIDAD VIAL

1. Introducción

16

Futuras necesidades de la carretera…

DURABILIDAD/ MINIMIZAR

COSTES DE MANTENIMIENTO

CONTROL TRÁFICO/

ESTADO DEL FIRME

MAXIMIZAR

SEGURIDAD VIAL

1. Introducción

17

Futuras necesidades de la carretera…

DURABILIDAD/ MINIMIZAR

COSTES DE MANTENIMIENTO

CONTROL TRÁFICO/

ESTADO DEL FIRME

AUTOSUFICIENCIA

ENERGÉTICA

MAXIMIZAR

SEGURIDAD VIAL

1. Introducción

18

Futuras necesidades de la carretera…

DURABILIDAD/ MINIMIZAR

COSTES DE MANTENIMIENTO

CONTROL TRÁFICO/

ESTADO DEL FIRME

AUTOSUFICIENCIA

ENERGÉTICACIRCULACIÓN DE

VEHÍCULOS AUTÓNOMOS

MAXIMIZAR

SEGURIDAD VIAL

1. Introducción

19

Futuras necesidades de la carretera…

DURABILIDAD/ MINIMIZAR

COSTES DE MANTENIMIENTO

CONTROL TRÁFICO/

ESTADO DEL FIRME

AUTOSUFICIENCIA

ENERGÉTICACIRCULACIÓN DE

VEHÍCULOS AUTÓNOMOS

COMUNICACIÓN CON

USUARIOS

MAXIMIZAR

SEGURIDAD VIAL

1. Introducción

20

Futuras necesidades de la carretera…

DURABILIDAD/ MINIMIZAR

COSTES DE MANTENIMIENTO

CONTROL TRÁFICO/

ESTADO DEL FIRME

AUTOSUFICIENCIA

ENERGÉTICACIRCULACIÓN DE

VEHÍCULOS AUTÓNOMOS

COMUNICACIÓN CON

USUARIOS

MAXIMIZAR

SEGURIDAD VIAL

Necesidad de empezar a desarrollar nuevos materiales

adaptados a dichas necesidades...

1. Introducción

21

Nueva generación de materiales inteligentes…

1. Introducción

22

Nueva generación de materiales inteligentes…

MATERIALES AUTO-

REPARABLES

1. Introducción

23

Nueva generación de materiales inteligentes…

MATERIALES AUTO-

REPARABLES

MATERIALES PARA

SEGURIDAD VIAL

1. Introducción

24

Nueva generación de materiales inteligentes…

MATERIALES AUTO-

REPARABLES

SENSITIVE MATERIALS

(SENSORIZACIÓN)MATERIALES PARA

SEGURIDAD VIAL

1. Introducción

25

Nueva generación de materiales inteligentes…

MATERIALES AUTO-

REPARABLES

ENERGY HARVESTING MATERIALS

(GENERACIÓN DE ENERGÍA)

SENSITIVE MATERIALS

(SENSORIZACIÓN)MATERIALES PARA

SEGURIDAD VIAL

1. Introducción

26

Nueva generación de materiales inteligentes…

MATERIALES AUTO-

REPARABLES

MATERIALES DE GUIADO DE

VEHÍCULOS

SENSITIVE MATERIALS

(SENSORIZACIÓN)

ENERGY HARVESTING MATERIALS

(GENERACIÓN DE ENERGÍA)

MATERIALES PARA

SEGURIDAD VIAL

1. Introducción

27

Nueva generación de materiales inteligentes…

MATERIALES AUTO-

REPARABLES

SISTEMAS DE COMUNICACIÓN

INTEGRADOS

SENSITIVE MATERIALS

(SENSORIZACIÓN)

MATERIALES DE GUIADO DE

VEHÍCULOS

ENERGY HARVESTING MATERIALS

(GENERACIÓN DE ENERGÍA)

MATERIALES PARA

SEGURIDAD VIAL

1. Introducción

28

Importante reto para el futuro… (que llegará más pronto que tarde, y si no empezamos ahora perderemos la oportunidad)

1. Introducción

29

Importante reto para el futuro… (que llegará más pronto que tarde, y si no empezamos ahora perderemos la oportunidad)

Los avances en los materiales han de ser poco invasivos

1. Introducción

30

Importante reto para el futuro… (que llegará más pronto que tarde, y si no empezamos ahora perderemos la oportunidad)

Los materiales han de ser fáciles de instalar y utilizar

Los avances en los materiales han de ser poco invasivos

1. Introducción

31

Importante reto para el futuro… (que llegará más pronto que tarde, y si no empezamos ahora perderemos la oportunidad)

Han de actuar de forma remota y a

voluntad

Los materiales han de ser fáciles de instalar y utilizar

Los avances en los materiales han de ser poco invasivos

1. Introducción

32

Importante reto para el futuro… (que llegará más pronto que tarde, y si no empezamos ahora perderemos la oportunidad)

…explotar la tecnología para hacer nuestras

carreteras más seguras y eficientes

Han de actuar de forma remota y a

voluntad

Los materiales han de ser fáciles de instalar y utilizar

Los avances en los materiales han de ser poco invasivos

1. Introducción

33

En este contexto…

Mechanomutable Asphalts

El Laboratorio de Ingeniería de la Construcción de la Universidad de Granada esta desarrollando un nuevo proyecto de investigación…

Laboratorio de Ingeniería de la Construcción

E.T.S.de Ingeniería de Caminos, C y P

Universidad de Granada

2. Nuevos Materiales: Mechanomutable Asphalts

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2. Nuevos Materiales

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Los Mechanomutable Asphalts son capaces de modificar sus propiedades o transmitir información a través de la acción de campos magnéticos…

2. Nuevos Materiales

36

Antecedentes…

La concepción de esta nueva generación de materiales utiliza un concepto similar al aplicado en fluidos magneto-reológicos, utilizados en otros campos de la ciencia como la

medicina o la ingeniería aeroespacial…

Compuestos por una matriz aceitosa y partículas magnetizables dispersas, la

acción del campo magnético es capaz de incrementar su viscosidad y

modificar su comportamiento pasando de ser Newtoniano a visco-elástico.

Estos cambios se producen en ms y son completamente reversibles

2. Nuevos Materiales

37

Mechanomutable Asphalts…

Los materiales asfálticos mecanomutables están compuestos por una matriz bituminosa la cual es modificada con nano y micro partículas magnetizables homogéneamente distribuidas…

Polvo de hierro carbonilo con geometría

esférica y un tamaño entre 0.5 μm y 3 μm

2. Nuevos Materiales

38

Mechanomutable Asphalts…

…que pueden ser activadas en mayor o menor medida

mediante la acción de diferentes intensidades de campo

magnético

Los materiales asfálticos mecanomutables están compuestos por una matriz bituminosa la cual es modificada con nano y micro partículas magnetizables homogéneamente distribuidas…

2. Nuevos Materiales

39

Análisis del comportamiento mecánico…

Estudio de la respuesta mecánica mediante un magneto reómetro, provisto de una bobina que permite inducir un campo magnético variable de entre 0 y 430 mT

ENSAYOS DE BARRIDO DE FRECUENCIA A DIFERENTES TEMPERATURAS (35, 45, 55, 65 y 75 °C)

2. Nuevos Materiales

40

Análisis del comportamiento mecánico…

2. Nuevos Materiales

41

Análisis del comportamiento mecánico…

Ángulos de fase altos y

módulos bajos… Materiales

viscosos/ensayados a elevadas

temperaturas

2. Nuevos Materiales

42

Análisis del comportamiento mecánico…

Ángulos de fase altos y

módulos bajos… Materiales

viscosos/ensayados a elevadas

temperaturas

Menores ángulos de fase y

mayores módulos… Materiales

más elásticos/ensayados a

menores temperaturas

2. Nuevos Materiales

43

Análisis del comportamiento mecánico…

2. Nuevos Materiales

44

Análisis del comportamiento mecánico…

2. Nuevos Materiales

45

Análisis del comportamiento mecánico…

Disminución del ángulo de

fase… RESPUESTA MÁS

ELÁSTICA ante las mismas

condiciones

2. Nuevos Materiales

46

Análisis del comportamiento mecánico…

Disminución del ángulo de

fase… RESPUESTA MÁS

ELÁSTICA ante las mismas

condiciones

Incremento considerable

del módulo… MAYOR

CONSISTENCIA

2. Nuevos Materiales

47

Análisis del comportamiento mecánico…

2. Nuevos Materiales

48

Análisis del comportamiento mecánico…

2. Nuevos Materiales

49

Análisis del comportamiento mecánico…

2. Nuevos Materiales

50

Análisis del comportamiento mecánico…

Disminución del ángulo de

fase de hasta el 80% a

elevadas temperaturas y del

20% a bajas

Incrementos del módulo

de hasta 80 veces más

a elevadas temp. Y de 2

veces más a bajas…

Posibilidad de modificar considerablemente la respuesta mecánica de

los materiales, especialmente a elevadas temperaturas

2. Nuevos Materiales

51

Análisis del comportamiento mecánico…

2. Nuevos Materiales

52

Análisis del comportamiento mecánico…

2. Nuevos Materiales

53

Análisis del comportamiento mecánico…

2. Nuevos Materiales

54

Análisis del comportamiento mecánico…

2. Nuevos Materiales

55

Análisis del comportamiento mecánico…

2. Nuevos Materiales

56

Análisis del comportamiento mecánico…

2. Nuevos Materiales

57

Análisis del comportamiento mecánico…

Disminución del ángulo de

fase del 20-30% e incremento

del módulo entre 1.5 y 3 veces

Disminución del ángulo

de fase del 30-80% e

incremento del módulo

entre 1.5 y 18 veces

El tipo de matriz bituminosa utilizada y la concentración de partículas influyen en la

respuesta mecánica… Posibilidad de diseñar MATERIALES MECANOMUTABLES a la carta

2. Nuevos Materiales

58

Análisis del comportamiento mecánico…

2. Nuevos Materiales

59

Análisis del comportamiento mecánico…

Ligantes tipo B50/70 pueden comportarse como betunes de alto módulo,

independientemente de la temperatura de servicio

2. Nuevos Materiales

60

Análisis del comportamiento mecánico…

Partiendo de matrices de alto módulo, pueden conseguirse ligantes con

una capacidad portante muy elevada

2. Nuevos Materiales

61

Análisis del comportamiento mecánico…

Dado que las cargas de tráfico son cíclicas, con periodos de descanso entre ellas y actúan en intervalos de tiempo muy cortos, es necesario analizar los ligantes mecanomutables

bajo estas consideraciones…

El campo magnético es aplicado

únicamente en el instante en el que está soportando la

carga, y después desaparece hasta que no pase otra

nueva

2. Nuevos Materiales

62

Análisis del comportamiento mecánico…

Ensayo de tipo “creep and recovery” a 60 ⁰C, en el que se aplicaron 30 ciclos de carga consecutivos con una tensión sobre el material durante 1 segundo y posteriormente se

deja un periodo de descanso de 9 segundos…

2. Nuevos Materiales

63

Análisis del comportamiento mecánico…

Disminución de

la deformación

en un 34%

Disminución de

la deformación

en un 42%

La activación del ligante reduce las deformaciones plásticas acumuladas

por el material. Conforme se incrementa el contenido de partículas, mayor

es su resistencia

2. Nuevos Materiales

64

Análisis del comportamiento mecánico…

El empleo de matrices bituminosas más duras y el mayor contenido de

partículas, incrementa la resistencia a las deformaciones plásticas

Disminución de

la deformación

en un 26%

Disminución de

la deformación

en un 74%

2. Nuevos Materiales

65

Análisis del comportamiento mecánico…

2. Nuevos Materiales

66

Análisis del comportamiento mecánico…

2. Nuevos Materiales

67

Análisis del comportamiento mecánico…

2. Nuevos Materiales

68

Análisis del comportamiento mecánico…

2. Nuevos Materiales

69

Análisis del comportamiento mecánico…

2. Nuevos Materiales

70

Análisis del comportamiento mecánico…

2. Nuevos Materiales

71

Otras aplicaciones…

Materiales Auto-

Reparables

2. Nuevos Materiales

Otras aplicaciones…

Materiales Auto-

Reparables

2. Nuevos Materiales

73

Otras aplicaciones…

Materiales Auto-

Reparables

2. Nuevos Materiales

74

Otras aplicaciones…

Materiales Auto-

Reparables

2. Nuevos Materiales

75

Otras aplicaciones…

Materiales Auto-

Reparables

2. Nuevos Materiales

76

Otras aplicaciones…

Materiales Auto-

Reparables

2. Nuevos Materiales

77

Otras aplicaciones…

Materiales Auto-

Reparables

2. Nuevos Materiales

78

Otras aplicaciones…

Materiales Auto-

Reparables

2. Nuevos Materiales

79

Otras aplicaciones…

Incremento de

capacidad portante

2. Nuevos Materiales

80

Otras aplicaciones…

Incremento de

capacidad portante

2. Nuevos Materiales

81

Otras aplicaciones…

Incremento de

capacidad portante

2. Nuevos Materiales

82

Otras aplicaciones…

Incremento de

capacidad portante

2. Nuevos Materiales

83

Otras aplicaciones…

Sistemas Anti-hielo

2. Nuevos Materiales

84

Otras aplicaciones…

Sistemas Anti-hielo

2. Nuevos Materiales

85

Otras aplicaciones…

Sistemas Anti-hielo

2. Nuevos Materiales

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C P U

Otras aplicaciones…

Sistemas Auto-guiado

de vehículos/ Mejora

de Seguridad Vial

2. Nuevos Materiales

87

C P U

80

Otras aplicaciones…

Sistemas Auto-guiado

de vehículos/ Mejora

de Seguridad Vial

2. Nuevos Materiales

88

C P U

80

C P U

Otras aplicaciones…

Sistemas Auto-guiado

de vehículos/ Mejora

de Seguridad Vial

80

2. Nuevos Materiales

89

C P U

Otras aplicaciones…

Sistemas Auto-guiado

de vehículos/ Mejora

de Seguridad Vial

80

2. Nuevos Materiales

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C P UReducir la Velocidad

Otras aplicaciones…

Sistemas Auto-guiado

de vehículos/ Mejora

de Seguridad Vial

2. Nuevos Materiales

91

Otras aplicaciones…

Sistemas Auto-guiado

de vehículos/ Mejora

de Seguridad Vial

2. Nuevos Materiales

92

Otras aplicaciones…

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1,0008

1,0014

time [ms]

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123a

111a

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31a

21a

62a

62B

All data

Normalized

Sistemas Auto-guiado

de vehículos/ Mejora

de Seguridad Vial

Laboratorio de Ingeniería de la Construcción

E.T.S.de Ingeniería de Caminos, C y P

Universidad de Granada

3. Próximos pasos LabIC.UGR

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A lo largo de los años las carreteras han ido evolucionando…

CARRETERAS de 1ª GENERACIÓN: Las calzadas y caminos

CARRETERAS de 2ª GENERACIÓN: Los caminos asfaltados

CARRETERAS de 3ª GENERACIÓN: Las autovías

CARRETERAS de 4ª GENERACIÓN: Las autovías sostenibles

CARRETERAS de 5ª GENERACIÓN: Las autovías sostenibles e inteligentes

3. Próximos pasos

3. Próximos pasos

95

Proyectos LabIC.UGR …

CARRETERAS de 4ª GENERACIÓN: Las autovías sostenibles

CARRETERAS de 5ª GENERACIÓN: Las autovías sostenibles e inteligentes

• MECHANOMUTABLE ASPHALTS

• SMARTI: Sustainable Multi-functional AutomatedResilient Transport Infrastructures

• NARESPAV: Materiales Nano-modificados Resilientes, Sostenibles e Inteligentes para Pavimentos del Futuro

• UGRASPHENER: University of Granada Asphalt-Graphene Research

• Pinturas para la mejora de la sostenibilidad y la seguridad vial

• Firmes Asfálticos para Temperaturas Extremas

• Desarrollo de Pavimentos Reciclados de Larga Duración

• Desarrollo de técnicas avanzadas sostenibles para la rehabilitación de pavimentos de carretera

• Soluciones de Pavimentación Ecológicamente sostenibles

• Estudio del Comportamiento Mecánico de Ligantes y Mezclas Bituminosas Modificadas con PNFU

• Estudio de la resistencia a fisuración de mezclas bituminosas fabricadas con PNFU

• Desarrollo de mezclas bituminosas sostenibles

3. Próximos pasos

96

Proyectos LabIC.UGR …

CARRETERAS de 4ª GENERACIÓN: Las autovías sostenibles

CARRETERAS de 5ª GENERACIÓN: Las autovías sostenibles e inteligentes

• Firmes Asfálticos para Temperaturas Extremas

• Desarrollo de Pavimentos Reciclados de Larga Duración

• Desarrollo de técnicas avanzadas sostenibles para la rehabilitación de pavimentos de carretera

• Soluciones de Pavimentación Ecológicamente sostenibles

• Estudio del Comportamiento Mecánico de Ligantes y Mezclas Bituminosas Modificadas con PNFU

• Estudio de la resistencia a fisuración de mezclas bituminosas fabricadas con PNFU

• Desarrollo de mezclas bituminosas sostenibles

• MECHANOMUTABLE ASPHALTS

• SMARTI: Sustainable Multi-functional AutomatedResilient Transport Infrastructures

• NARESPAV: Materiales Nano-modificados Resilientes, Sostenibles e Inteligentes para Pavimentos del Futuro

• UGRASPHENER: University of Granada Asphalt-Graphene Research

• Pinturas para la mejora de la sostenibilidad y la seguridad vial

3. Próximos pasos

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SMARTI: Sustainable Multi-functional Automated ResilientTransport Infrastructures

• Aplicación de tecnología de Nanosensores para pavimentos de carretera para el conteo de vehículos, la detección de vehículos sobrecargados, o la evaluación del estado de degradación del firme

• Pavimentos de carretera capaces de capturar la energía solar o producir energía a partir del paso de los vehículos

• Sistemas de fibra óptica para la monitorización de pavimentos

• Sistemas de monitorización vía satélite de infraestructuras

3. Próximos pasos

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NARESPAV: Materiales Nano-modificados Resilientes, Sostenibles e Inteligentes para Pavimentos del Futuro

• Diseño y fabricación de ligantes bituminosos resilientes con propiedades químicas mejoradas

• Estudio de la aplicación de nano-partículas en el betún para inducir procesos de reversión de daño

• Estudio de nuevos aditivos sostenibles rejuvencedores y procesos de liberación gradual durante la vida de servicio del ligante bituminoso

3. Próximos pasos

99

UGRASPHENER: University of Granada Asphalt-Graphene Research

Análisis del comportamiento mecánico de ligantesbituminosos modificados con grafeno

3. Próximos pasos

100

Pinturas para la mejora de la sostenibilidad y la seguridad vial

Estudio de pinturas acrílicas al agua y su efecto en la respuesta del pavimento desde el punto de vista de la seguridad vial

Laboratorio de Ingeniería de la Construcción

E.T.S.de Ingeniería de Caminos, C y P

Universidad de Granada

4. Conclusiones

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4. Conclusiones

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- Las carreteras son un eje fundamental de nuestra sociedad, y por ello es necesariodesarrollar nuevos materiales inteligentes adaptados a sus futuras necesidades.

- Los nuevos materiales asfálticos mecanomutables desarrollados por el LabIC.UGRpermiten concebir pavimentos asfálticos inteligentes capaces de modificar suspropiedades mecánicas, adaptándose a cargas excesivamente elevadas o reduciendolas deformaciones sufridas bajo carga cíclica.

- Estos nuevos materiales abren las puertas a un nuevo campo de investigación en elámbito de los materiales bituminosos, con múltiples aplicaciones potenciales:incremento de resistencia, sensorización, posicionamiento, auto-reparables,disminución del impacto de los agentes climáticos (deshielo), etc.

- A pesar de que es necesario seguir trabajando para implementar tecnologíassostenibles (mezclas de baja temperatura, el uso del RAP, PNFU, etc.), es hora deempezar a desarrollar los materiales del futuro para la carretera (sensores, sistemasde captación de energía, grafeno, etc.).

Laboratorio de Ingeniería de la Construcción

E.T.S.de Ingeniería de Caminos, C y P

Universidad de Granada

MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN

Fernando Moreno Navarro

Dr. Ingeniero de Caminos, C y P

Subdirector LabIC.UGR

ETSICCP. Universidad de Granada

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