The function of the secondary lining in the New Austrian Tunnelling Method

The decision to build the Secondary Lining in Route Tunnels which are perforated using the New Austrian Tunnelling Method does not generally depend on reasons of structural strength. The paper discusses the implications of the issue as well as the pros and cons of the current alternative courses of action.

Contribución al conocimiento de los primeros geotécnicos del siglo XX

Leyendo distintos artículos en la Revista de Obras Públicas (Jiménez Salas, 1945) uno recuerda a las grandes figuras como Coulomb (1773), Poncelet (1840), Rankine (1856), Culmann (1866), Mohr (1871), Boussinesq (1876) y otros muchos, que construyeron la base de un conocimiento que poco a poco irían facilitando la complicada tarea que suponía la construcción. Pero sus avances eran aproximaciones que presentaban notables diferencias frente al comportamiento de la naturaleza. Esas discrepancias con la naturaleza llegó un momento que se hicieron demasiado patentes. Importantes asientos en la construcción de los modernos edificios, rotura de presas de materiales sueltos y grandes corrimientos de tierras, por ejemplo durante la construcción del canal de Panamá, llevaron a la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles (ASCE) a crear un comité que analizase las prácticas de la construcción de la época. Hechos similares se producían en Europa, por ejemplo en desmontes para ferrocarriles, que en el caso de Suecia supusieron unas cuantiosas perdidas materiales y humanas. El ingeniero austriaco-americano Karl Terzaghi (1883) había podido comprobar, en su práctica profesional, la carencia de conocimientos para afrontar muchos de los retos que la naturaleza ofrecía. Inicialmente buscó la respuesta en la geología pero encontró que ésta carecía de la definición necesaria para la práctica de la ingeniería, por lo que se lanzó a una denodada tarea investigadora basada en el método experimental. Comenzó en 1917 con escasos medios, pero pronto llegó a desarrollar algunos ensayos que le permitieron establecer los primeros conceptos de una nueva ciencia, la Mecánica de Suelos. Ciencia que ve la luz en 1925 con la publicación de su libro Erdbaumechanik auf bodenphysikalischer Grundlage. Rápidamente otras figuras empezaron a hacer sus contribuciones científicas y de divulgación, como es el caso del ingeniero austriaco-americano Arthur Casagrande (1902), cuya iniciativa de organizar el primer Congreso Internacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Cimentaciones proporcionó el altavoz que necesitaba esa nueva ciencia para su difusión. Al mismo tiempo, más figuras internacionales se fueron uniendo a este período de grandes avances e innovadores puntos de vista. Figuras como Alec Skempton (1914) en el Reino Unido, Ralph Peck (1912) en los Estados Unidos o Laurits Bjerrum (1918) en Noruega sobresalieron entre los grandes de la época. Esta tesis investiga las vidas de estos geotécnicos, artífices de múltiples avances científicos de la nueva ciencia denominada Mecánica de Suelos. Todas estas grandes figuras de la geotecnia fueron presidentes, en distintos periodos, de la Sociedad Internacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Cimentaciones. Se deja constancia de ello en las biografías que han sido elaboradas a partir de fuentes de variada procedencia y de los datos cruzados encontrados sobre estos extraordinarios geotécnicos. Así, las biografías de Terzaghi, Casagrande, Skempton, Peck y Bjerrum contribuyen no solo a su conocimiento individual sino que constituyen conjuntamente un punto de vista privilegiado para la comprensión de los acontecimientos vividos por la Mecánica de Suelos en el segundo tercio del siglo XX, extendiéndose en algunos casos hasta los albores del siglo XXI. Las aportaciones científicas de estos geotécnicos encuentran también su lugar en la parte técnica de esta tesis, en la que sus contribuciones individuales iniciales que configuran los distintos capítulos conservan sus puntos de vista originales, lo que permite tener una visión de los principios de la Mecánica de Suelos desde su mismo origen. On reading several articles in the journal, Revista de Obras Públicas (Jiménez Salas, 1945), one recalls such leading figures as Coulomb (1773), Poncelet (1840), Rankine (1856), Culmann (1866), Mohr (1871) and Boussinesq (1876) among many others, who created the basis of scientific knowledge that would make the complicated task of construction progressively easier. However, their advances were approximations which suffered considerable discrepancies when faced with the behaviour of the forces of nature. There came a time when such discrepancies became all too evident. Substantial soil settlements when constructing modern buildings, embankment dam failures and grave landslides, during the construction of the Panama Canal for example, led the American Society of Civil Engineers (ASCE) to form a committee in order to analyse construction practices of the time. Similar incidents had taken place in Europe, for example with railway slides, which in the case of Sweden, had resulted in heavy losses in both materials and human lives. During the practice of his career, the Austrian-American engineer Karl Terzaghi (1883) had encountered the many challenges posed by the forces of nature and the lack of knowledge at his disposal with which to overcome them. Terzaghi first sought a solution in geology only to discover that this lacked the necessary accuracy for the practice of engineering. He therefore threw himself into tireless research based on the experimental method. He began in 1917 on limited means but soon managed to develop several tests, which would allow him to establish the basic fundamentals of a new science; Soil Mechanics, a science which first saw the light of day on the publication of Terzaghi’s book, Erdbaumechanik auf bodenphysikalischer Grundlage. Other figures were quick to make their own scientific contributions. Such was the case of Austrian-American engineer, Arthur Casagrande (1902), whose initiative to organize the first International Congress of Soil Mechanics and Foundation Engineering provided the springboard that this science needed. At the same time, other international figures were becoming involved in this period of great advances and innovative concepts. Figures including the likes of Alec Skempton (1914) in the United Kingdom, Ralph Peck (1912) in the United States, and Laurits Bjerrum (1918) in Norway stood out amongst the greatest of their time. This thesis investigates the lives of these geotechnical engineers to whom we are indebted for a great many scientific advances in this new science known as Soil Mechanics. Moreover, each of these eminent figures held the presidency of the International Society of Soil Mechanics and Foundation Engineering, record of which can be found in their biographies, drawn from diverse sources, and by crosschecking and referencing all the available information on these extraordinary geotechnical engineers. Thus, the biographies of Terzaghi, Casagrande, Skempton, Peck and Bjerrum not only serve to provide knowledge on the individual, but moreover, as a collective, they present us with an exceptional insight into the important developments which took place in Soil Mechanics in the second third of the 20th century, and indeed, in some cases, up to the dawn of the 21st. The scientific contributions of these geotechnical engineers also find their place in the technical part of this thesis in which the initial individual contributions which make up several chapters retain their original approaches allowing us a view of the principles of Soil Mechanics from its very beginnings.

Recubrimientos autolubricantes cuasicristalinos tipo composite depositados mediante proyección térmica para aplicaciones espaciales y de alta temperatura

Los recubrimientos lubricantes sólidos son requeridos para reducir la fricción y prevenir el desgaste en componentes que operan a altas temperaturas o en vacío (vehículos espaciales, industria química, motores diésel, turbinas aeronáuticas y de generación de energía…). Los lubricantes líquidos pierden sus características cuando las condiciones de presión, temperatura o ambientales son severas (oxidación, inestabilidad térmica, volatilidad,…), por ejemplo los aceites minerales convencionales se descomponen a temperaturas próximas a 200 ºC. Por tanto, la única manera de poder conseguir una adecuada lubricación a temperaturas extremas es por medio de sólidos, que cada vez más, se aplican en forma de recubrimientos. Estos recubrimientos podrían ser empleados en componentes de vehículos espaciales reutilizables, donde se pueden alcanzar, en la reentrada en la atmósfera, temperaturas de 700 ºC (bisagras, rodamientos, articulaciones y zonas de sellado en las superficies de control, y rodamientos de las turbobombas y las cajas de engranajes). Dichos recubrimientos también deberían ser capaces de proporcionar una lubricación efectiva a bajas temperaturas para las operaciones en tierra, para las operaciones de arranque en frío, incluso en el espacio. El conjunto de requisitos que tendrían que satisfacer las capas tribológicas relacionadas con estas condiciones extremas es muy diverso, lo que hace que el concepto de capas tipo composite (aquéllas constituidas por varios componentes) sea, en principio, muy adecuado para estas aplicaciones. Recubrimientos composite proyectados térmicamente constituidos por una matriz dura y conteniendo lubricantes sólidos pueden ser una buena solución desde el punto de vista tribológico. El “Lewis Research Centre” de la NASA ha estado desarrollando recubrimientos autolubricantes tipo composite, constituidos por la combinación de materiales duros como el carburo de cromo, junto con lubricantes sólidos como plata o la eutéctica de fluoruros de calcio y bario, en una matriz de NiCr, para su uso en aplicaciones terrestres a alta temperatura. Estos recubrimientos han sido aplicados mediante proyección térmica, siendo denominados como series PS100, PS200, PS300 y PS400, reduciendo de forma significativa el coeficiente de fricción y mejorando la resistencia al desgaste en un amplio margen de temperaturas. Otra nueva familia de materiales con comportamiento tribológico prometedor son las aleaciones cuasicristalinas (QC). Presentan características muy atractivas: alta dureza, baja fricción, alto límite elástico de compresión... Son muy frágiles como materiales másicos, por lo que se intentan aplicar en forma de recubrimientos. Se pueden depositar mediante proyección térmica. Algunos de estos materiales cuasicristalinos, como AlCoFeCr, poseen coeficientes de dilatación próximos al de los materiales metálicos, alta estabilidad térmica, baja conductividad térmica y una elevada resistencia a la oxidación y a la corrosión en caliente. En esta tesis se han desarrollado recubrimientos tipo composite conteniendo cuasicristales como componente antidesgaste, NiCr como componente tenaz, y Ag y la eutéctica de BaF2-CaF2, como lubricantes sólidos. Estos recubrimientos han sido depositados con diferentes composiciones (denominadas TH100, TH103, TH200, TH400, TH600…) mediante distintos procesos de proyección térmica: plasma en aire (PS), plasma en baja presión (LPPS) y combustión a alta velocidad (HVOF). Los recubrimientos se han generado sobre el sustrato X-750, una superaleación base níquel, endurecible por precipitación, con muy buena resistencia mecánica y a la oxidación hasta temperaturas de 870 ºC y, además, es empleada en aplicaciones aeroespaciales e industriales. Los recubrimientos han sido caracterizados microestructuralmente en INTA (Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial), mediante SEM-EDS (Scanning Electronic Microscopy-Energy Dispersive Spectroscopy) y XRD (X-Ray Diffraction), y tribológicamente mediante medidas de microdureza y ensayos en tribómetro POD (Pin On Disc) para determinar los coeficientes de fricción y de desgaste. Los recubrimientos han sido ensayados tribológicamente a alta temperatura en INTA y en vacío en AMTTARC (Aerospace and Space Materials Technology Testhouse – Austrian Research Centres), en Seibersdorf (Austria). Se ha estudiado la influencia de la carga normal aplicada, la velocidad lineal y el material del pin. De entre las diferentes series de recubrimientos cuasicristalinos tipo composite desarrolladas, dos de ellas, TH100 y TH103 han presentado una excelente calidad microestructural (baja porosidad, distribución uniforme de fases…) y se han mostrado como excelentes recubrimientos antidesgaste. Sin embargo, estas capas presentan un pobre comportamiento como autolubricantes a temperatura ambiente, aunque mejoran mucho a alta temperatura o en vacío. Los resultados del trabajo presentado en esta tesis han proporcionado nuevo conocimiento respecto al comportamiento tribológico de recubrimientos autolubricantes cuasicristalinos tipo composite depositados por proyección térmica. Sin embargo, dichos resultados, aunque son muy prometedores, no han puesto de manifiesto el adecuado comportamiento autolubricante que se pretendía y, además, como ocurre en cualquier trabajo de investigación, durante el desarrollo del mismo siempre aparecen nuevas dudas por resolver. Se proponen nuevas líneas de trabajo futuro que complementen los resultados obtenidos y que puedan encaminar hacia la obtención de un recubrimiento que mejore su comportamiento autolubricante. ABSTRACT Solid lubricant coatings are required to reduce friction and prevent wear in components that operate at high temperatures or under vacuum (space vehicles, chemical industry, diesel engines, power generation turbines and aeronautical turbines, for instance). In these cases neither greases nor liquid lubricants can be employed and the only practicable approach to lubrication in such conditions is by means of solids. These are increasingly applied in the form of coatings which should exhibit low shear strength, whilst maintaining their chemical stability at extremes temperatures and in the space environment. In the space field, these coatings would be employed in re-usable space plane applications, such as elevon hinges, where temperatures of 700 ºC are reached during re-entry into the Earth’s atmosphere. These coatings should also be capable of providing effective lubrication at lower temperatures since “cold start” operation may be necessary, even in the space environment. The diverse and sometimes conflictive requirements in high temperature and space-related tribological coatings make the concept of composite coatings highly suitable for these applications. Thermal-sprayed composites containing solid lubricants in a hard matrix perform well tribologically. NASA‘s Lewis Research Centre had developed self-lubricating composite coatings for terrestrial use, comprising hard materials like chromium carbide as well as solid lubricant additives such as silver and BaF2-CaF2 eutectic on a Ni-Cr matrix. These coatings series, named PS100, PS200, PS300 and PS400, are applied by thermal spray and significantly reduce friction coefficients, improving wear resistance over a wide temperature range. Quasicrystalline alloys (QC) constitute a new family of materials with promising tribological behaviour. Some QC materials exhibit a combination of adequate antifriction properties: low friction coefficient, high hardness and high yield strength under compression, and can be easily produced as coatings on top of metallic and non-metallic materials. Among these QC alloys, AlCoFeCr has high hardness (700 HV0.1), a thermal expansion coefficient close to that of metals, high thermal stability, low thermal conductivity and good oxidation and hot corrosion resistance. However most QC materials have the disadvantage of being very brittle. In order to take advantage of the excellent tribological properties of QCs, thick composite lubricant coatings were prepared containing them as the hard phase for wear resistance, Ag and BaF2-CaF2 eutectic as lubricating materials and NiCr as the tough component. These coatings were deposited in different composition mixtures (named TH100, TH103, TH200, TH400, TH600…) by different thermal spray processes: air plasma spray (PS), low pressure plasma spray (LPPS) and high velocity oxy-fuel (HVOF), on X-750 substrates. X-750 is an age-hardenable nickel-base superalloy with very good strength and a good resistance to oxidising combustion gas environments at temperatures up to about 870 ºC and it is widely used in aerospace and industrial applications. Coatings have been characterized microstructurally, at INTA (National Institute for Aerospace Technology), by means of SEM-EDS (Scanning Electronic Microscopy- Energy Dispersive Spectroscopy) and XRD (X-Ray Diffraction), and tribologically by microhardness measurements and pin-on-disc testing to determine friction coefficients as well as wear resistance. The coatings were tested tribologically at high temperature at INTA and under vacuum at AMTT-ARC (Aerospace and Space Materials Technology Testhouse – Austrian Research Centres), in Seibersdorf (Austria). Different loads, linear speeds and pin materials were studied. TH100 and TH103 QC alloy matrix composite coatings were deposited by HVOF with excellent microstructural quality (low porosity, uniform phase distribution) and showed to be excellent wear resistant coatings. However these QC alloy matrix composite coatings are poor as a self-lubricant at room temperature but much better at high temperature or in vacuum. The results from the work performed within the scope of this thesis have provided new knowledge concerning the tribological behavior of self-lubricating quasicrystalline composite coatings deposited by thermal spraying. Although these results are very promising, they have not shown an adequate self-lubricating behavior as was intended, and also, as in any research, the results have in addition raised new questions. Future work is suggested to complement the results of this thesis in order to improve the selflubricating behaviour of the coatings.