Estudio de la función de prevención y curación de heladas ... · cuando me lo ofreció era ......
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ESTUDIO DE LA FUNCIN DE PREVENCIN Y CURACIN DE HELADAS EN PASTAS Y
HORMIGONES CONDUCTORES MEDIANTE LA ADICIN DE MATERIALES CARBONOSOS
Luis Ban Blzquez
www.ua.eswww.eltallerdigital.com -
universidad de alicante departamento de ingeniera civil
tesis doctoral
estudio de la funcin de prevencin y curac in de he ladas en pastas y hormigones conductores mediante la adi cin de material es carbonosos
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DEPARTAMENTO DE INGENIERA CIVIL
ESCUELA POLITCNICA SUPERIOR
ESTUDIO DE LA FUNCIN DE PREVENCIN Y
CURACIN DE HELADAS EN PASTAS Y
HORMIGONES CONDUCTORES MEDIANTE LA
ADICIN DE MATERIALES CARBONOSOS
Autor:
LUIS BAN BLZQUEZ Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos e Ingeniero Gelogo
Tesis presentada para aspirar al grado de DOCTOR POR LA UNIVERSIDAD DE ALICANTE
PROGRAMA DE DOCTORADO EN INGENIERA DE MATERIALES, ESTRUCTURAS Y TERRENO: CONSTRUCCIN SOSTENIBLE
Dirigida por:
DR. PEDRO GARCS TERRADILLOS Catedrtico de Universidad. Doctor en Ciencias Qumicas
DR. SCAR GALAO MALO Doctor en Ingeniera de Materiales, Agua y Terreno
La presente tesis doctoral ha sido desarrollada dentro del proyecto PROMETEO/2013/035: MATERIALES
CEMENTANTES CONDUCTORES MULTIFUNCIONALES INTELIGENTES, dirigido por el Dr. Pedro Garcs
Terradillos y financiado por la Generalitat Valenciana
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A mi familia y a mis amigos: pasados, presentes y futuros
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Un viaje de mil millas comienza con un paso
Lao-Tse
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AGRADECIMIENTOS
La tesis doctoral suele definirse como un trabajo cientfico original realizado
individualmente que suponga una aportacin al conocimiento en un campo cientfico
concreto.
Creo humildemente que esta definicin no es del todo correcta, ya que si bien la autora del
trabajo y el grado acadmico alcanzado se atribuyen a una nica persona el doctorando
es categricamente falso que ste haya elaborado el trabajo de forma individual. Es ms, si
as fuera, la realizacin de este ejercicio acadmico carecera de sentido alguno.
Una tesis doctoral la escriben muchas ms personas, y cada una de ellas desempea un
importante cometido. Sin su concurso, este documento incluidas las lneas que usted est
leyendo en este mismo instante no hubiera sido posible. Por ello, creo que es de justicia
acordarme de todas ellas y agradecerles el haber dedicado parte de su valioso tiempo y su
decidido apoyo a esta noble causa.
El estricto protocolo acadmico me obliga a empezar por agradecer sinceramente al
tribunal acadmico el tiempo e inters que con toda seguridad han dedicado a leer este
trabajo y a preparar las siempre oportunas preguntas, correcciones y sugerencias que
recibir tras mi disertacin.
A continuacin, me referir a mis compaeros, amigos y a la sazn directores de esta tesis,
los doctores Pedro Garcs y scar Galao. A Pedro, cuya humanidad, oficio y buen hacer en
esto de la investigacin est fuera de toda duda, le agradezco enormemente la oportunidad
que me ha brindado al proponerme desarrollar esta lnea de investigacin, sobre todo por
el delicado momento personal que acababa de atravesar. Una de las razones que me dio
cuando me lo ofreci era que quera contribuir a mi recuperacin anmica e intelectual, y
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ciertamente lo ha logrado. Desde el fondo de mi corazn, muchsimas gracias por hacerlo
posible.
De scar puedo asegurar que de malo slo tiene su segundo apellido. Sus buenos
consejos y su dilatada experiencia en el campo de la investigacin con materiales
multifuncionales han sido muy importantes durante todo este tiempo, pero an ms
decisivas han sido su actitud, su constancia, su paciencia y su comprensin cuando me
fallaban las fuerzas. Y los siempre socorridos cafelitos que tanto me ayudaban a relajarme,
y tambin a procrastinar. Por ello tambin le estar eternamente agradecido.
Tambin me gustara citar a Csar Garca, actual director de mi departamento, que deposit
su confianza en m como secretario y con el que compart cuatro productivos aos de
gestin departamental. Gracias por apoyar y alentar mis iniciativas, por la comprensin a la
hora de compaginar las obligaciones del cargo con la realizacin de este trabajo, y por
intentar reunir voluntades para entre todos hacer un departamento, una escuela y una
universidad mejor.
Muchos otros compaeros y amigos con los que comparto el da a da en la universidad
tambin forman parte indisoluble de este autor y de esta tesis. Gracias Borja, Luis, Salva,
Ana, Antonio, Jos Miguel, Enrique, Javi, David, Esther, Isabel, Roberto, Miguel, Javier,
Adrin, Miguel ngel, Vicente, Beln, Marcos, Emilio, Victoriano, Pilar, Pedro, Gabi y otros
muchos que me dejo en el tintero. En cualquier caso, sabis que os aprecio y os agradezco
vuestro incondicional apoyo.
Como colofn de estas lneas de agradecimiento, me gustara reconocer la impagable e
inconmensurable labor de mi familia y mis amigos por su paciencia durante estos aos de
tesis y por todo el apoyo y cario recibido durante los ya cuarenta aos que me adornan. Y
por qu no, gracias tambin a Pupi, una perrita muy buena y muy guapa que encontr
abandonada hace ya 10 aos, y que con su maravillosa forma de ser me da constantemente
lecciones de vida. Las que verdaderamente importan.
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I
RESUMEN
Los materiales multifuncionales, tambin denominados materiales activos o materiales
inteligentes, poseen atributos ms all de la primordial resistencia y rigidez, que tpicamente
conduce la ciencia y la ingeniera en los materiales para sistemas estructurales. As, los
materiales estructurales pueden ser rediseados para tener integracin elctrica,
magntica, ptica, trmica y posiblemente otras funcionalidades, que trabajan en sinergia
para proporcionar ventajas ms all de la suma de las capacidades individuales, y con las
cuales es posible desarrollar un sinfn de aplicaciones, que van desde las militares hasta las
ms convencionales en la vida diaria. Este tipo de materiales son capaces de responder de
modo reversible y controlable ante diferentes estmulos fsicos o qumicos externos,
modificando alguna de sus propiedades.
En las ltimas dcadas se han presentado a la comunidad cientfica un nmero significativo
de estudios sobre distintas matrices con adicin de fibras de carbono, polvo de grafito o
fibras de acero, como elemento conductor. Por otra parte, ms recientemente la
nanotecnologa ha experimentado tremendos avances en muy distintos mbitos
cientficos. Dentro de este campo destacan especialmente los nanotubos de carbono (NTC)
y las fibras y nanofibras de carbono (NFC) por sus apreciables cualidades mecnicas,
trmicas y elctricas. Sin embargo, a pesar de la gran cantidad de avances en muy diversos
materiales compuestos y aplicaciones prcticas componentes electrnicos, sensores,
matrices polimricas, metlicas o cermicas, etc. se ha prestado escasa atencin al
potencial uso de aquellos en matrices cementicias. Es ms, la mayora de estos trabajos se
han centrado ms en la utilizacin de NTC que en la de NFC.
Muchos mtodos y tcnicas que han sido investigadas para la eliminacin del hielo en
carreteras causan enormes prdidas en vidas humanas, infraestructuras y materiales. Los
mtodos mecnicos de eliminacin de la nieve son los ms usados, pero, a su vez, son
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costosos, caros y lentos. Adems, no se elimina la totalidad de la nieve en la va, dejando
una delgada capa que afecta muy negativamente a la friccin entre neumtico y pavimento.
Otra de las formas de eliminacin de hielo en carreteras o aeropuertos es empleando
agentes qumicos, siendo muchos de ellos perjudiciales tanto para el hormign armado
como para las estructuras metlicas viaductos, obras de paso, pistas de aeropuertos, as
como nocivos para el medio ambiente.
El objetivo fundamental de este trabajo puede ser resumido como el estudio de la funcin
de calefaccin en distintos materiales en base cemento mediante la adicin de materiales
carbonosos. Para ello, se realizarn diversos estudios experimentales encaminados a
valorar el comportamiento de los citados materiales modificados, as como sus posibles
aplicaciones en la explotacin de determinadas infraestructuras de transporte.
La presente tesis doctoral se estructura en tres partes bien diferenciadas, junto con las
pertinentes conclusiones generales y futuras contribuciones previstas, as como de las
referencias empleadas para su elaboracin. Tambin consta de un anexo en el que se
incluyen los datos experimentales obtenidos en los ensayos con pastas conductoras de
cemento y que, por su extensin, no se ha considerado oportuno incluir en el cuerpo del
documento.
La primera parte se centra en analizar el estado del arte en materia de compuestos
cementicios multifuncionales, comprendiendo los materiales carbonosos que los integran,
las tcnicas empleadas para su dispersin en la matriz cementicia, las propiedades
termoelctricas de los materiales y las aplicaciones trmicas de los materiales cementicios
conductores de la electricidad.
En la segunda parte se aborda el estudio experimental de la funcin de calefaccin en
pastas de cemento conductoras, realizando diversos ensayos especficos para determinar
su viabilidad, as como el ajuste a modelos fsico-matemticos de los resultados obtenidos.
Por ltimo, se lleva a cabo un estudio experimental de deshielo mediante calefaccin
En la tercera y ltima parte se aborda la caracterizacin de hormigones conductores
multifuncionales y su estudio como elementos de calefaccin empleados en la prevencin
de la formacin de hielo y el deshielo de pavimentos. Tambin se aplica el modelo fsico-
matemtico previamente empleado en pastas con el fin de validar su utilidad en
hormigones y se plantea un anlisis de viabilidad preliminar sobre la posibilidad de aplicar
esta tcnica en pavimentos de puentes y pistas aeroportuarias, as como su coste
energtico estimado.
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I I I
NDICE DE CONTENIDOS
RESUMEN .......................................................................................................................................................... I
NDICE DE CONTENIDOS .............................................................................................................................. III
NDICE DE FIGURAS ...................................................................................................................................... VII
NDICE DE TABLAS ......................................................................................................................................... XI
CAPTULO 1 INTRODUCCIN .................................................................................................................... 1
1.1 ALCANCE DE LA INVESTIGACIN ................................................................................................ 2
1.2 ESTRUCTURA DE LA TESIS DOCTORAL ...................................................................................... 3
1.3 PRINCIPALES CONTRIBUCIONES DE LA TESIS DOCTORAL ..................................................... 4
PARTE I ESTADO DEL ARTE .................................................................................................................... 7
CAPTULO 2 COMPUESTOS CEMENTICIOS MULTIFUNCIONALES ........................................................ 9
2.1 MATERIALES CARBONOSOS ADICIONADOS A COMPUESTOS CEMENTICIOS ................... 11
2.1.1 Polvo de grafito .................................................................................................................. 11
2.1.2 Fibra de carbono ................................................................................................................. 13
2.1.3 Nanomateriales de carbono .............................................................................................. 16
2.2 PROPIEDADES FUNCIONALES DE LOS MCCM ........................................................................ 21
2.2.1 Posibles aplicaciones en Ingeniera Civil .......................................................................... 22
CAPTULO 3 DISPERSIN DE MATERIALES CARBONOSOS EN MATRICES CEMENTANTES............ 29
3.1 NANOMATERIALES ..................................................................................................................... 29
3.2 FIBRAS DE CARBONO ................................................................................................................. 31
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IV
CAPTULO 4 PROPIEDADES TERMOELCTRICAS DE LOS MATERIALES CEMENTICIOS
CONDUCTORES .......................................................................................................................................... 35
4.1 RESISTIVIDAD ELCTRICA .......................................................................................................... 35
4.1.1 Efecto Joule ........................................................................................................................ 38
4.2 TRANSFERENCIA DE CALOR ...................................................................................................... 40
4.2.1 Conduccin. Ley de Fourier............................................................................................... 40
4.2.2 Conveccin. Ley del enfriamiento de Newton ............................................................... 41
4.2.3 Radiacin. Ley de Stefan-Boltzmann ............................................................................... 44
4.3 CONDUCTIVIDAD TRMICA Y CALOR ESPECFICO ................................................................. 45
CAPTULO 5 APLICACIONES TRMICAS DE LOS MATERIALES CEMENTICIOS ................................. 49
5.1 FUNCIN DE CALEFACCIN Y DESHIELO ................................................................................ 50
5.2 MEDIDA DE LA TEMPERATURA ................................................................................................. 54
PARTE II ESTUDIOS REALIZADOS EN PASTAS DE CEMENTO ........................................................... 57
CAPTULO 6 ESTUDIO DE LA FUNCIN DE CALEFACCIN EN PASTAS DE CEMENTO
CONDUCTORAS .......................................................................................................................................... 59
6.1 MATERIALES ................................................................................................................................ 59
6.1.1 Cemento .............................................................................................................................. 59
6.1.2 Materiales carbonosos ....................................................................................................... 60
6.2 FABRICACIN DE LAS PROBETAS ............................................................................................ 60
6.2.1 Dispersin del material carbonoso .................................................................................. 61
6.2.2 Amasado de la pasta .......................................................................................................... 62
6.2.3 Proyeccin en los moldes .................................................................................................. 62
6.3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ........................................................................................... 63
6.3.1 Acondicionamiento de la probeta para el ensayo.......................................................... 64
6.3.2 Realizacin del ensayo de calefaccin ............................................................................. 66
6.3.3 Otros ensayos efectuados ................................................................................................ 67
6.4 RESULTADOS Y DISCUSIN ....................................................................................................... 69
6.4.1 Variacin de la resistencia elctrica con la humedad .................................................... 71
6.4.2 Homogeneidad de la temperatura de la superficie de la probeta .............................. 73
6.4.3 Influencia del contenido de adiciones y del potencial aplicado en la variacin de
temperatura de la pasta ..................................................................................................................... 75
6.4.4 Curvas de variacin de temperatura frente al tiempo .................................................. 78
6.4.5 Influencia del contenido de humedad en el comportamiento de las probetas ......... 82
6.4.6 Repetitividad ....................................................................................................................... 83
6.5 CONCLUSIONES .......................................................................................................................... 84
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V
6.5.1 Relativas a las caractersticas de las probetas ................................................................. 85
6.5.2 Relativas a los ensayos de calefaccin ............................................................................. 85
CAPTULO 7 MODELO TERICO DE LA FUNCIN DE CALEFACCIN EN PASTAS DE CEMENTO
CONDUCTORAS .......................................................................................................................................... 87
7.1 SUPUESTOS PARA LLEVAR A CABO LA MODELIZACIN ....................................................... 88
7.2 MODELO MATEMTICO ............................................................................................................. 89
7.2.1 Modelizacin de la subetapa 1.a de calentamiento ....................................................... 90
7.2.2 Modelizacin de la subetapa 1.b de calentamiento ...................................................... 93
7.2.3 Modelizacin de la etapa 2 de enfriamiento .................................................................. 94
7.3 VALIDACIN EXPERIMENTAL DEL MODELO PROPUESTO ................................................... 96
7.3.1 Anlisis de sensibilidad....................................................................................................... 98
7.4 CONCLUSIONES ......................................................................................................................... 100
CAPTULO 8 APLICACIN DE LA FUNCIN DE DESHIELO EN PASTAS DE CEMENTO
CONDUCTORAS ........................................................................................................................................ 101
8.1 MATERIALES Y FABRICACIN DE LAS PROBETAS ................................................................ 101
8.2 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL .......................................................................................... 103
8.3 RESULTADOS Y DISCUSIN ..................................................................................................... 104
8.3.1 Caractersticas de las probetas ....................................................................................... 104
8.3.2 Ensayos de deshielo a temperatura ambiente ............................................................. 105
8.3.3 Ensayos de fusin de hielo a -20C ................................................................................. 109
8.4 CONCLUSIONES ......................................................................................................................... 110
PARTE III ESTUDIOS REALIZADOS EN HORMIGONES ...................................................................... 113
CAPTULO 9 ESTUDIO DE LA FUNCIN DE CALEFACCIN EN HORMIGONES CONDUCTORES .. 115
9.1 MATERIALES ............................................................................................................................... 115
9.1.1 Cemento ............................................................................................................................ 115
9.1.2 Fibras de carbono ............................................................................................................. 116
9.1.3 ridos ................................................................................................................................. 116
9.1.4 Humo de slice ................................................................................................................... 116
9.1.5 Aditivos .............................................................................................................................. 118
9.2 FABRICACIN DE PROBETAS .................................................................................................. 119
9.3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL .......................................................................................... 121
9.3.1 Ensayos en condiciones ambientales ............................................................................. 122
9.3.2 Ensayos de prevencin y curacin .................................................................................. 122
9.4 RESULTADOS Y DISCUSIN ..................................................................................................... 123
9.4.1 Condiciones ambientales durante los ensayos ............................................................. 124
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VI
9.4.2 Ensayos de prevencIn .................................................................................................... 127
9.4.3 Ensayos de curacin ......................................................................................................... 128
9.5 CONCLUSIONES ........................................................................................................................ 130
CAPTULO 10 ESTUDIO ENERGTICO Y ECONMICO .................................................................... 131
10.1 VALORES DE REFERENCIA ....................................................................................................... 131
10.2 CASOS ANALIZADOS ................................................................................................................ 132
10.3 CARACTERSTICAS DEL MATERIAL CONDUCTOR EMPLEADO ........................................... 133
10.4 TIPO DE ACTUACIONES SELECCIONADAS ............................................................................. 133
10.4.1 Condiciones atmosfricas ............................................................................................... 134
10.5 CLCULOS EFECTUADOS ......................................................................................................... 134
10.5.1 Actuaciones curativas ...................................................................................................... 134
10.5.2 Actuaciones preventivas ................................................................................................. 136
10.6 RESULTADOS Y DISCUSIN ..................................................................................................... 137
10.7 CONCLUSIONES ........................................................................................................................ 139
PARTE IV OBSERVACIONES FINALES .................................................................................................. 141
CAPTULO 11 CONCLUSIONES GENERALES ..................................................................................... 143
CAPTULO 12 FUTURAS CONTRIBUCIONES ...................................................................................... 147
CAPTULO 13 REFERENCIAS ............................................................................................................... 149
ANEXO RESULTADOS EXPERIMENTALES Y MODELIZACIN DE ENSAYOS CON PASTAS ............... 157
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VII
NDICE DE FIGURAS
Figura 1. Fundamento estructural de las principales tecnologas del hormign. a) Hormign
armado; b) Hormign pretensado ............................................................................................. 2
Figura 2. Pasarela peatonal sobre el Barranco de las Ovejas (Alicante), de 43.5 metros de luz,
realizada con UHPFRC .............................................................................................................. 10
Figura 3. Estructura laminar hexagonal del grafito .............................................................................. 12
Figura 4. Aspecto visual del mineral de grafito, masivo y con brillo metlico (izquierda) y del
polvo de grafito, ms oscuro y mate (derecha) .................................................................... 12
Figura 5. Microestructura de una fibra de carbono (izquierda) y comparacin al microscopio
con un cabello humano (derecha) .......................................................................................... 13
Figura 6. Diferentes estructuras carbonosas: A) Fullerenos C60; B) Negro de carbono; C)
Nanotubos (NTC); D) Nanofibras (NFC); E) Grafeno ............................................................. 17
Figura 7. Clases de nanotubos de carbono segn su geometra: A) de pared simple (SWCNT);
B) de pared mltiple (MWCNT) ............................................................................................... 18
Figura 8. Aspecto al microscopio electrnico de barrido (SEM) de formaciones de nanotubos
en haces: A) de pared simple (SWNTC); B) de pared mltiple (MWNTC) (Holzinger
et al, 2012) ................................................................................................................................. 19
Figura 9. Esquema de distintas estructuras de NFC cuya orientacin vara respecto al eje de
las lminas grafnicas y comparacin con los NTC (Bulushev & Yuranov 2004) ............... 20
Figura 10. Configuracin para el ensayo de monitorizacin del trfico: A) vista tridimensional
y contactos elctricos; B) Mecanismo de carga; C) Montaje de los cepillos de carbn
de los sensores. Dimensiones en pulgadas. (Chung 2003) .................................................. 23
Figura 11. Efecto de la tensin en la resistencia elctrica para un hormign con fibra de
carbono en cantidades del (a) 0.5% y (b) 1.0% en masa de cemento(Chung 2003) ........ 24
Figura 12. Efecto de la velocidad del vehculo en la resistencia elctrica para una tensin
constante en hormign con fibra de carbono en cantidades del (a) 0.5% y (b) 1.0%
en masa de cemento (Chung 2003) ........................................................................................ 25
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VIII
Figura 13. Dispersin de NFC en medio acuoso con surfactante (fotografa SEM a la
izquierda) y efecto de los granos de cemento en la dispersin de NFC y NTC en el
que los granos mayores crean zonas en las que no se encuentran nanofilamentos
incluso despus de la hidratacin (esquema centro y derecha) (Tyson et al. 2011) ......... 30
Figura 14. Deteccin del umbral de percolacin a travs de la resistividad en una pasta de
cemento con fibra de carbn de 3 mm. empleando DC medida de 4 puntas (Baeza
2011) ........................................................................................................................................... 32
Figura 15. Esquema del proceso de conveccin en la capa de contorno sobre una placa plana:
a) Transicin del flujo; b) Transicin de la temperatura ....................................................... 43
Figura 16. Dispositivo de ultrasonidos modelo Hielscher UP200S empleado para la
dispersin de las fibras ............................................................................................................. 62
Figura 17. Proceso de proyeccin de la pasta conductora: a) Pistola para proyeccin
empleada; b) Proyeccin del material cementicio conductor previamente
amasado; c) y d) Desmoldado de las probetas una vez endurecidas .................................. 63
Figura 18. Detalle del contacto electrodo-probeta empleado para realizar los ensayos de
calefaccin en pastas conductoras ......................................................................................... 64
Figura 19. Esquema de la preparacin de la probeta de pasta de cemento conductora para
la realizacin del ensayo de calefaccin ................................................................................. 65
Figura 20. Ubicacin de los sensores de temperatura Pt100, adheridos a la superficie de la
probeta de pasta de cemento conductora en su cara superior .......................................... 65
Figura 21. Montaje experimental llevado a cabo, indicndose: 1) fuente DC; 2) multmetro
digital; 3) mdulo de adquisicin de datos; 4) probeta y conexiones (detalle a la
derecha); 5) equipo de toma de datos con software especfico ......................................... 66
Figura 22. Cmara termogrfica FLIR E30 (izquierda) e imagen termogrfica obtenida
(derecha) ..................................................................................................................................... 67
Figura 23. Recipiente en el que se introdujeron las probetas de pasta de cemento para lograr
su saturacin en agua ............................................................................................................... 68
Figura 24. Relacin entre la densidad de la probeta seca y la relacin agua/cemento
empleada en el amasado (R2=0.78) ......................................................................................... 71
Figura 25. Lecturas de temperatura a lo largo del tiempo obtenidas en ensayo de calefaccin
a 100 V DC, pasta 1% NTC y HR 100%: sensores y ambiente (arriba) y temperatura
media de la probeta (abajo) ..................................................................................................... 74
Figura 26. Imagen termogrfica de la probeta de pasta de cemento sometida a ensayo de
calefaccin a 100 V DC, 1% NTC y HR 100% .......................................................................... 75
Figura 27. Curvas de temperatura y potencia frente al tiempo para ensayo de calefaccin
sobre pastas de cemento, 0% NFC a 100 V DC y HR 100% .................................................. 75
Figura 28. Curvas de temperatura y potencia frente al tiempo para ensayo de calefaccin
sobre pastas de cemento, 1% NFC a 100 V DC y HR 100% .................................................. 76
Figura 29. Curvas de temperatura y potencia frente al tiempo para ensayo de calefaccin
sobre pastas de cemento, 2% NFC a 100 V DC y HR 100% .................................................. 76
Figura 30. Curvas de temperatura y potencia frente al tiempo para ensayo de calefaccin
sobre pastas de cemento, 5% NFC a 100 V DC y HR 100% .................................................. 77
Figura 31. Comparativa de curvas de calentamiento para las distintas dosificaciones de NFC
empleadas en el estudio, realizadas a 100 V DC y HR 100% ................................................ 77
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IX
Figura 32. Mximo incremento de temperatura alcanzado por la probeta en los ensayos de
calefaccin realizados en pastas de cemento, para los diferentes voltajes y
dosificaciones empleados ........................................................................................................ 78
Figura 33. Ejemplos significativos de curvas de variacin de la temperatura y potencia
elctrica aplicada frente al tiempo: a) PG 5%, a/c = 1, 50 V; b) Patrn 0%, a/c = 0.35,
100 V; c) PG 5%, a/c = 0.5, 150 V ; d) NFC 2%, a/c = 0.5, 100 V ; e) NTC 2%, a/c = 0.8,
50 V ; f) NFC 5%, a/c = 0.85, 150 V .......................................................................................... 80
Figura 34. Variacin experimental de la temperatura con el tiempo, con diferentes
contenidos de humedad (mayor en el ensayo 1 y menor en el ensayo 3) para
probetas con 5% NFC a 150 V DC ........................................................................................... 82
Figura 35. Variacin experimental de la potencia con el tiempo con diferentes contenidos
de humedad (mayor en el ensayo 1 y menor en el ensayo 3) para probetas con 5%
NFC a 150 V DC.......................................................................................................................... 83
Figura 36. Comparacin de los resultados experimentales obtenidos en dos ensayos
efectuados sobre la misma probeta (100 V DC, pasta 1% NTC y HR 100%) ..................... 84
Figura 37. Curvas experimentales de variacin de la temperatura y la potencia en el tiempo
obtenidas sobre probeta de pasta de cemento 1% NFC, a/c = 0.42 a 100 V DC .............. 88
Figura 38. Correlacin lineal obtenida en la etapa inicial de calentamiento..................................... 91
Figura 39. Relacin entre la cp del material de la probeta y su humedad ......................................... 92
Figura 40. Representacin de la potencia aplicada frente al incremento de temperatura
producido cuando se ha alcanzado el rgimen estacionario en pastas conductoras
de cemento ................................................................................................................................ 94
Figura 41. Correlacin del enfriamiento y obtencin del valor de la pendiente hA/(mcp) para
el supuesto estudiado .............................................................................................................. 95
Figura 42. Modelizacin del ensayo ejemplo y comparacin con el experimental .......................... 97
Figura 43. Influencia en la temperatura del voltaje aplicado sobre la probeta ................................ 98
Figura 44. Influencia en la temperatura de la resistencia elctrica de la probeta ............................ 99
Figura 45. Influencia en la temperatura alcanzada del producto de la masa de la probeta por
el calor especfico del material que la constituye ................................................................. 99
Figura 46. Proceso de fabricacin de la placa de hielo sobre la probeta ......................................... 102
Figura 47. Esquema de las probetas empleadas para ensayos de deshielo tras su fabricacin
y acondicionamiento .............................................................................................................. 102
Figura 48. Esquema del montaje de las probetas empleadas para ensayos de deshielo .............. 103
Figura 49. Colocacin de la probeta de pasta conductora de cemento para la realizacin del
ensayo de deshielo ................................................................................................................. 103
Figura 50. Montaje del experimento de deshielo de pastas de cemento conductoras, en
condiciones laboratorio (izquierda) y en congelador (derecha) ....................................... 104
Figura 51. Variacin experimental del hielo fundido frente al tiempo a temperatura
ambiente, sin aplicar corriente elctrica sobre la probeta ................................................ 106
Figura 52. Variacin experimental del hielo fundido acumulado frente al tiempo a
temperatura ambiente, aplicando 125 V en los extremos de la probeta de NFC 5% ... 106
Figura 53. Variacin experimental del hielo fundido acumulado frente al tiempo a
temperatura ambiente, aplicando 90 V en los extremos de la probeta de NTC 1% ...... 107
Figura 54. Variacin experimental del hielo fundido acumulado frente al tiempo a
temperatura ambiente, aplicando 50 V en los extremos de la probeta de NTC 2% ...... 107
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X
Figura 55. Variacin de la temperatura superficial de la probeta de 2% de NTC con una capa
de hielo de 5 mm sobre sus caras al aplicarle 50 V DC .......................................................108
Figura 56. Comparacin entre las velocidades de fusin de las diferentes probetas ....................109
Figura 57. Variacin experimental de potencia y masa de hielo fundido acumulada frente al
tiempo a -20 C en la probeta de pasta de cemento NTC 2% ...........................................110
Figura 58. Formacin de estalactitas de hielo en la probeta durante el ensayo de deshielo a
temperatura exterior de -20 C .............................................................................................110
Figura 59. (a) Geometra de las probetas y posicin de los sensores de temperatura Pt100;
(b) Configuracin experimental para ensayos de calefaccin y deshielo ........................120
Figura 60. Aspecto de las probetas de hormign conductor tras su fabricacin: (a) vista
superior; (b) detalle del espesor ............................................................................................121
Figura 61. Temperatura superficial de una de las probetas de hormign conductor durante
ensayo controlada con cmara termogrfica FLIR E30 ......................................................122
Figura 62. Variacin de la resistividad elctrica frente a la temperatura: (a) 20 V y 25 V, AC y
DC, en ensayos de prevencin; (b) 20 V y 25 V, AC y DC, en ensayos de curacin ..........124
Figura 63. Ensayos en condiciones ambientales a diferentes voltajes: a) 10 V AC; b) 10 V DC;
c) 20 V AC; d) 20 V DC; e) 25 V AC; f) 25 V DC ......................................................................125
Figura 64. Comparacin de la temperatura entre los resultados experimentales y el modelo
matemtico propuesto para ensayos en CL a diferentes tipos de voltaje: a) 20 V AC;
b) 20 V DC .................................................................................................................................126
Figura 65. Ensayos de prevencin realizados a voltajes prefijados de: a) 20 V AC; b) 20 V DC;
c) 25 V AC; d) 25 V DC .............................................................................................................128
Figura 66. Ensayos de curacin realizados a voltajes constantes: a) 20 V AC; b) 20 V DC; c) 25
V AC; d) 25 V DC .......................................................................................................................129
-
XI
NDICE DE TABLAS
Tabla 1. Propiedades del grafito a temperatura ambiente (Kirk-Othmer 2007) .............................. 13
Tabla 2. Propiedades de distintos tipos de fibras de carbono (Kirk-Othmer 2007) ......................... 16
Tabla 3. Resistividades habituales de algunos materiales conductores ............................................ 37
Tabla 4. Rango de valores habituales del coeficiente de conveccin en distintos medios ............ 44
Tabla 5. Valores habituales de conductividad trmica de diversos materiales de
construccin, ordenados decrecientemente ........................................................................... 46
Tabla 6. Valores orientativos del calor especfico en diferentes materiales habitualmente
empleados en construccin........................................................................................................ 47
Tabla 7. Resumen de las caractersticas principales de varios fundentes como elemento de
accin contra heladas (Yehia & Tuan 1999) .............................................................................. 51
Tabla 8. Ejemplos de sistemas de calefaccin (Yehia & Tuan 1999) ................................................... 52
Tabla 9. Comparacin de la eficiencia de distintas adiciones para conseguir calentar pastas
de cemento a partir de una temperatura ambiente de 19 C (Chung 2004c) ..................... 53
Tabla 10. Anlisis qumico del cemento Portland EN 197-1 CEM I 52,5 R utilizado en el
estudio .......................................................................................................................................... 60
Tabla 11. Dosificaciones empleadas para la confeccin de probetas de pasta de cemento
conductora .................................................................................................................................... 61
Tabla 12. Caractersticas fsicas de las probetas ensayadas: patrn 0%: sin adiciones; PG:
polvo de grafito; FCP: fibra de carbono en polvo; NFC: nanofibras de carbono; NTC:
nanotubos de carbono ................................................................................................................ 70
Tabla 13. Resistencia elctrica de las probetas ensayadas. 0%: sin adiciones; PG: polvo de
grafito; FCP: fibra de carbono en polvo; NFC: nanofibras de carbono; NTC:
nanotubos de carbono ................................................................................................................ 72
Tabla 14. Ensayos realizados y resumen de resultados. Se presenta a/c, voltaje aplicado,
potencia media, mxima e inicial, mximo incremento de temperatura y la prdida
-
XII
de masa. 0%: sin adiciones; PG: polvo de grafito; FCP: fibras de carbono en polvo;
NFC: nanofibras de carbono; NTC: nanotubos de carbono; (R): repeticin .......................... 81
Tabla 15. Pendientes de enfriamiento, calentamiento (hA/mcp) y cp obtenidas a partir de
los ensayos efectuados en pastas conductoras de cemento ................................................. 92
Tabla 16. Resistencia elctrica de las probetas de pasta de cemento congeladas a -20C y
comparacin con los valores obtenidos a temperatura ambiente ......................................105
Tabla 17. Propiedades de las fibras de carbono empleadas en el estudio.......................................116
Tabla 18. Propiedades del humo de slice empleado en el estudio ..................................................118
Tabla 19. Dosificacin del hormign empleado para la fabricacin de las probetas ......................119
Tabla 20. Resumen de los resultados obtenidos en los ensayos de calefaccin en placas de
hormign conductor ..................................................................................................................123
Tabla 21. Resumen de los requerimientos energticos y econmicos para los distintos
casos analizados .........................................................................................................................138
-
LUIS BAN BLZQUEZ 1
CAPTULO 1 INTRODUCCIN
La Ingeniera Civil es la disciplina de la Ingeniera que aplica de forma combinada
conocimientos de diversas ciencias, tales como las Matemticas, la Mecnica, la Hidrulica
y la Fsica, para encargarse del diseo, construccin y mantenimiento de las infraestructuras
emplazadas en el entorno, incluyendo carreteras, ferrocarriles, puentes, canales, presas,
puertos, aeropuertos, diques y otras construcciones relacionadas, siendo asimismo una
prctica inherente al inicio de las primeras civilizaciones. Las prcticas ms tempranas se
remontan al periodo comprendido entre los aos 4000 y el 2000 a. C. en el Antiguo Egipto
y Mesopotamia, cuando los humanos comenzaron a abandonar la existencia nmada y
empezaron a asentarse en el territorio. En aquel tiempo, la necesidad de transportar bienes
y personas empez a acrecentar su importancia, lo que llev al desarrollo de
infraestructuras cada vez ms complejas para permitir el uso de los vehculos primigenios.
Desde entonces, la tecnologa de la construccin no ha dejado de perfeccionarse,
aprovechndose del avance general de la ciencia y de la tcnica, empleando materiales cada
vez ms elaborados que mejoraban y aumentaban las prestaciones que ofreca cualquier
infraestructura.
Hoy en da, los productos derivados del cemento son, junto con el acero, materiales
fundamentales en la edificacin y en la prctica totalidad de construcciones civiles. Los
sucesivos avances efectuados en ciencia y tecnologa del hormign han ido incrementando
progresivamente sus cualidades estructurales, primero con la combinacin del hormign
con el acero -hormign armado- y ms tarde con las tcnicas de pretensado (Figura 1) que
le permitan afrontar con toda eficacia nuevos diseos ms exigentes dotados de grandes
-
CAPTULO 1
2 TESIS DOCTORAL
luces. Todo ello sin olvidar las mejoras efectuadas por la creciente calidad y optimizacin de
la dosificacin de componentes, as como el empleo de aditivos que proporcionan las
cualidades y ventajas necesarias para cada caso particular.
Figura 1. Fundamento estructural de las principales tecnologas del hormign.
a) Hormign armado; b) Hormign pretensado
No obstante, la industria de la construccin contina apostando por la innovacin y el
desarrollo de nuevas tecnologas. As, en los ltimos aos, adems de los considerables
avances a nivel de exigencia estructural, ha tomado un papel muy destacado la necesidad
de que las estructuras aporten funciones no estructurales de valor aadido sin menoscabar
su cometido primordial, la resistencia mecnica. El tipo de materiales empleados en estas
estructuras de nueva generacin se denominan genricamente materiales multifuncionales.
1.1 ALCANCE DE LA INVESTIGACIN
En las ltimas dcadas, la industria de la construccin ha continuado apostando por la
innovacin y el desarrollo de nuevas tecnologas. As, adems de los considerables avances
experimentados a nivel de exigencia estructural, ha tomado un papel muy destacado la
necesidad de que las estructuras aporten funciones no estructurales de valor aadido sin
afectar negativamente a su resistencia mecnica. Esta multifuncionalidad se consigue
incorporando al material compuesto de matriz en base cemento distintas adiciones que
deben conferir un nuevo y amplio rango de aplicaciones. Una de estas aplicaciones es la
funcin trmica, que consiste en el calentamiento que puede conseguirse al hacer pasar
una corriente elctrica a travs del material cementante, si este posee suficiente
conductividad elctrica.
Muchos mtodos y tcnicas que han sido investigadas para la eliminacin del hielo en
carreteras causan enormes prdidas en vidas humanas, infraestructuras y materiales. Los
mtodos mecnicos de eliminacin de la nieve son los ms usados, pero, a su vez, son
costosos, caros y lentos. Adems, no se elimina la totalidad de la nieve en la va, dejando
ARMADURA ACTIVA
ARMADURA PASIVA
ACCIN SOBRE LA ESTRUCTURA
ACCIN SOBRE LA ESTRUCTURA
SECCIN
SECCIN
FT
FP
a)
b)
-
INTRODUCCIN
LUIS BAN BLZQUEZ 3
una delgada capa que afecta muy negativamente a la friccin entre neumtico y pavimento.
Otra de las formas de eliminacin de hielo en carreteras o aeropuertos es empleando
agentes qumicos, siendo muchos de ellos perjudiciales tanto para el hormign armado
como para las estructuras metlicas viaductos, obras de paso, pistas de aeropuertos, as
como nocivos para el medio ambiente.
El objetivo fundamental de este trabajo puede ser resumido como el estudio de la funcin
de calefaccin en distintos materiales en base cemento mediante la adicin de materiales
carbonosos. Para ello, se realizarn diversos estudios experimentales encaminados a
valorar el comportamiento de los citados materiales modificados, as como sus posibles
aplicaciones en la explotacin de determinadas infraestructuras de transporte.
A continuacin se enumeran los diferentes objetivos especficos planteados para completar
el alcance propuesto:
Estudiar el efecto de diferentes adiciones de carbono en la resistencia elctrica de las pastas de cemento.
Evaluar la influencia de la humedad y otros factores extrnsecos sobre el rendimiento de este tipo de materiales cementicios.
Analizar la funcin de calefaccin en pastas conductoras mediante ensayos de larga duracin, empleando diferentes proporciones de adiciones y voltajes.
Observar la distribucin y homogeneidad de la temperatura en las probetas calefactadas, as como la consistencia de los resultados en el tiempo.
Plantear y validar un modelo fsico-matemtico que se ajuste al comportamiento observado experimentalmente en los ensayos de calefaccin.
Comprobar la capacidad de deshielo mediante calefaccin de los materiales cementicios conductores en situaciones de baja temperatura ambiental.
Extender los ensayos de calefaccin a hormigones conductores aditivados con fibras de carbono, y analizar su viabilidad como elementos a emplear en la
prevencin y curacin de heladas.
Analizar de forma preliminar la viabilidad tcnica y econmica de este tipo de sistemas para su aplicacin en diversas infraestructuras de transporte.
1.2 ESTRUCTURA DE LA TESIS DOCTORAL
La presente tesis doctoral se estructura en tres partes bien diferenciadas, junto con las
pertinentes conclusiones generales y futuras contribuciones previstas, as como de las
referencias empleadas para su elaboracin. Tambin consta de un anexo en el que se
-
CAPTULO 1
4 TESIS DOCTORAL
incluyen los datos experimentales obtenidos en los ensayos con pastas conductoras de
cemento y que, por su extensin, no se ha considerado oportuno incluir en el cuerpo del
documento.
La primera parte se centra en analizar el estado del arte en materia de compuestos
cementicios multifuncionales, comprendiendo los materiales carbonosos que los integran,
las tcnicas empleadas para su dispersin en la matriz cementicia, las propiedades
termoelctricas de los materiales y las aplicaciones trmicas de los materiales cementicios
conductores de la electricidad.
En la segunda parte se aborda el estudio experimental de la funcin de calefaccin en
pastas de cemento conductoras, realizando diversos ensayos especficos para determinar
su viabilidad, as como el ajuste a modelos fsico-matemticos de los resultados obtenidos.
Por ltimo, se lleva a cabo un estudio experimental de deshielo mediante calefaccin
En la tercera y ltima parte se aborda la caracterizacin de hormigones conductores
multifuncionales y su estudio como elementos de calefaccin empleados en la prevencin
de la formacin de hielo y el deshielo de pavimentos. Tambin se aplica el modelo fsico-
matemtico previamente empleado en pastas con el fin de validar su utilidad en
hormigones y se plantea un anlisis de viabilidad preliminar sobre la posibilidad de aplicar
esta tcnica en pavimentos de puentes y pistas aeroportuarias, as como su coste
energtico estimado.
1.3 PRINCIPALES CONTRIBUCIONES DE LA TESIS DOCTORAL
A continuacin se resumen las principales contribuciones al estado actual del conocimiento
aportadas por el presente trabajo de investigacin:
Se han caracterizado las propiedades termoelctricas de pastas de cemento con diferentes adiciones carbonosas, valorando su viabilidad como elementos
calefactantes en diferentes condiciones de humedad y temperatura.
Se ha analizado la validez de dichos materiales conductores para producir suficiente energa como para provocar la fusin de una placa de hielo sobre su superficie en
diferentes condiciones ambientales.
Se han diseado y caracterizado probetas de hormign conductor con fibras de carbono, verificando su idoneidad como elemento de calefaccin en situaciones de
prevencin de formacin de hielo superficial y de curacin en temperaturas por
debajo de cero grados centgrados.
Se ha planteado y validado un modelo fsico-matemtico que se ajusta al comportamiento observado experimentalmente en los ensayos de calefaccin.
-
INTRODUCCIN
LUIS BAN BLZQUEZ 5
Se han realizado estudios concluyentes de carcter preliminar sobre la viabilidad tcnica y econmica de la aplicacin de esta tecnologa para la eliminacin de nieve
y hielo en diversas infraestructuras de transporte.
Fruto de los estudios realizados en esta tesis doctoral ha derivado una primera publicacin
cientfica en la revista Materials MDPI, con factor de impacto de 2.728 y situada en el primer
cuartil JCR (Q1) en la categora Materials Science, Multidisciplinary:
Galao, O.; Ban, L.; Baeza, F.J.; Carmona, J.; Garcs, P. Highly Conductive Carbon Fiber Reinforced Concrete for Icing Prevention and Curing. Materials 2016, 9, 281. DOI: 10.3390/ma9040281
http://dx.doi.org/10.3390/ma9040281 -
PARTE I ESTADO DEL ARTE
-
LUIS BAN BLZQUEZ 9
CAPTULO 2 COMPUESTOS CEMENTICIOS
MULTIFUNCIONALES
Los materiales multifuncionales, tambin denominados materiales activos o materiales
inteligentes, poseen atributos ms all de la primordial resistencia y rigidez, que tpicamente
conduce la ciencia y la ingeniera en los materiales para sistemas estructurales. As, los
materiales estructurales pueden ser rediseados para tener integracin elctrica,
magntica, ptica, trmica y posiblemente otras funcionalidades, que trabajan en sinergia
para proporcionar ventajas ms all de la suma de las capacidades individuales, y con las
cuales es posible desarrollar un sinfn de aplicaciones, que van desde las militares hasta las
ms convencionales en la vida diaria. Este tipo de materiales son capaces de responder de
modo reversible y controlable ante diferentes estmulos fsicos o qumicos externos,
modificando alguna de sus propiedades.
Por su sensibilidad y el control en la modificacin de alguna de sus propiedades, dichos
materiales pueden ser utilizados para el diseo y desarrollo de sensores, actuadores y
productos multifuncionales, as como poder tambin llegar a configurar estructuras y
sistemas inteligentes de aplicaciones mltiples. Las llamadas estructuras inteligentes son
aquellas que, gracias a la combinacin de materiales que las integran, son capaces de
automodificarse y autorregularse para adaptarse a las condiciones que se les ha marcado
como ptimas.
Los materiales de base cemento presentan de forma general un buen comportamiento
mecnico. Tradicionalmente, las lneas de investigacin de los materiales cementicios
empleados en edificacin y obra civil han estado fundamentalmente orientadas al estudio
-
CAPTULO 2
10 TESIS DOCTORAL
de sus propiedades mecnicas y su durabilidad, debido que las exigencias prestacionales se
focalizaban en el correcto desempeo de la funcin estructural a lo largo de la vida til del
elemento a construir. Fruto de estos esfuerzos, actualmente se dispone de hormigones de
alto rendimiento (UHPC) capaces alcanzar resistencias a compresin simple superiores a los
150 MPa, empleando en ocasiones para tal finalidad adiciones de fibras de materiales
metlicos o polimricos. Un ejemplo reciente del empleo de hormigones de muy alto
rendimiento con fibras (UHPFRC) podemos encontrarlo en la propia ciudad de Alicante,
concretamente en la pasarela peatonal que atraviesa la desembocadura del Barranco de las
Ovejas (Lopez et al. 2014; Serna et al. 2015), actualmente en servicio, tal y como se observa
en la Figura 2.
Figura 2. Pasarela peatonal sobre el Barranco de las Ovejas (Alicante), de 43.5
metros de luz, realizada con UHPFRC
En la actualidad, la demanda de estructuras inteligentes, capaces de detectar determinados
estmulos y responder a ellos de forma adecuada, ha provocado que la industria de la
construccin ya no se plantee nicamente emplear materiales estructurales con excelentes
propiedades mecnicas y de durabilidad, sino que adems persigue que incorporen otras
funciones aadidas. Por ello, hoy en da numerosas lneas de investigacin trabajan en el
desarrollo de materiales multifuncionales que combinen propiedades estructurales y
funcionales (Chen & Chung 1993; Chung 2001a; Chung 2000a; Chung 2004a; Chung 2002a;
Chung 2001c; Muthusamy et al. 2010; Zornoza et al. 2010; Baeza 2011), aportando as un
valor aadido a la construccin de la que forman parte.
En los ltimos aos ha surgido una tendencia en esta lnea que persigue la mejora de
algunas propiedades intrnsecas del material principalmente elctricas que deriven en
nuevas funciones complementarias de carcter no estructural. El carcter dielctrico que
los materiales cementicios poseen de manera natural puede ser modificado
sustancialmente mediante la adicin de materiales conductores de la electricidad tales
-
COM PUESTOS CEM ENTICIOS M ULTIFUNCIONALES
LUIS BAN BLZQUEZ 11
como los materiales carbonosos o las fibras de acero obtenindose as compuestos
conductores con un nuevo y extenso rango de aplicaciones, manteniendo o incluso en
algunos casos mejorando sus caractersticas estructurales. De este modo, se est
transformando un material cementicio convencional en un material cementicio conductor
multifuncional (MCCM).
2.1 MATERIALES CARBONOSOS ADICIONADOS A COMPUESTOS CEMENTICIOS
Como se ha comentado anteriormente, la conductividad natural de la matriz de un cemento
es muy baja, pero al aadirle una adicin conductora el compuesto de matriz cementante
resultante puede presentar una conductividad elctrica mucho mayor.
Los materiales carbonosos poseen una alta conductividad trmica aunque no tan elevada
como los metales, un bajo coeficiente de expansin trmica, inferior al de los metales,
siendo adems altamente resistentes a la corrosin (Garcs et al. 2012; Garcs et al. 2005;
Garcs et al. 2007), lo cual hace de ellos candidatos idneos para aplicaciones trmicas en
compuestos cementicios multifuncionales, como puede ser la calefaccin en viviendas o el
deshielo de pavimentos.
Entre las posibles adiciones que pueden incrementar la conductividad elctrica estn los
compuestos carbonosos, tales como el polvo de grafito, las fibras de carbono y los
nanomateriales de carbono (nanofibras y nanotubos). A continuacin, se detallarn los
aspectos ms destacados de cada uno de los compuestos anteriormente mencionados.
2.1.1 POLVO DE GRAFITO
El grafito es una de las formas alotrpicas en las que se puede presentar el carbono, junto
al diamante, los fullerenos, los nanotubos y el grafeno. A presin atmosfrica y temperatura
ambiente es termodinmicamente ms estable que el diamante, sin embargo, la
descomposicin del diamante es tan extremadamente lenta que slo es apreciable a escala
geolgica. Fue denominado as por Abraham Gottlob Werner en el ao 1789, derivndolo
del griego (graphein), que significa escribir.
Como se observa en la Figura 3, el grafito presenta una estructura laminar. En cada capa,
los tomos de carbono estn dispuestos conformando una red hexagonal, con una
separacin entre ellos de 0.142 nm, y una distancia entre capas de 0.335 nm, valor que es
ms del doble del correspondiente al radio de Van der Waals de un tomo de C, de modo
que la atraccin existente entre las capas es muy dbil. Cada una de estas capas se
denomina grafeno, por lo que el grafito puede considerarse como un apilamiento de un
gran nmero de lminas de grafeno superpuestas. Es precisamente esta estructura laminar
la que confiere al grafito un marcado carcter anistropo.
-
CAPTULO 2
12 TESIS DOCTORAL
La estructura laminar interna del grafito explica una de sus propiedades ms interesantes:
su capacidad para conducir la electricidad. Una situacin semejante se observa en el caso
del mdulo elstico y la resistencia, siendo estos valores en la direccin axial de 1020 GPa y
98 GPa respectivamente, frente a los 34 GPa de mdulo que se obtienen en el plano
transversal, ya que los enlaces que se forman en esta direccin son de tipo Van der Waals.
Figura 3. Estructura laminar hexagonal del grafito
El grafito, al igual que el diamante, es un mineral semimetlico. Su aspecto es de color negro
con brillo metlico, refractario y se fcilmente exfoliable (Figura 4). En la direccin
perpendicular a las capas presenta una conductividad de la electricidad baja, que aumenta
con la temperatura. A lo largo de las capas la conductividad elctrica es mucho mayor y
tambin es directamente proporcional a la temperatura. En la Tabla 1 se presentan algunas
de sus propiedades.
Figura 4. Aspecto visual del mineral de grafito, masivo y con bril lo metlico
(izquierda) y del polvo de grafito, ms oscuro y mate (derecha)
El grafito se encuentra en yacimientos naturales y se puede extraer, pero tambin se
produce artificialmente. Se consume sobre todo para materiales refractarios, para bateras,
en la fabricacin de lpices, para zapatas de frenos, en las aceras y como lubricante. Su
aplicacin en compuestos conductores se realiza en forma de polvo finamente molido (PG).
-
COM PUESTOS CEM ENTICIOS M ULTIFUNCIONALES
LUIS BAN BLZQUEZ 13
Tabla 1. Propiedades del grafito a temperatura ambiente (Kirk-Othmer 2007)
Propiedad En la direccin de las capas Perpendicular a
las capas
Resistividad (m) 0.40 60 Mdulo de elasticidad (GPa) 1020 36.5 Resistencia a la traccin (GPa) 96 34 Conductividad trmica (W/(mK)) 2000 10 Coeficiente de expansin trmica (C-1) -0.5 10-6 27 10-6
2.1.2 FIBRA DE CARBONO
La fibra de carbono (FC) es un es una fibra sinttica constituida por finos filamentos en
forma de tubo de entre 5 y 10 m de dimetro (Figura 5), compuestos fundamentalmente
de tomos de carbono enlazados entre s con una microestructura similar a la estructura
hexagonal de grafito, y que estn ms o menos alineados paralelamente a su eje
longitudinal. Sin embargo, las FC no son totalmente cristalinas, sino que se componen tanto
de regiones grafticas como no cristalinas, estas ltimas sin la disposicin ordenada
tridimensional de las redes hexagonales de carbono (Callister 2009). Esta caracterstica no
cristalina hace que las hojas grafticas de tomos de carbono estn al azar, integrando las
hojas, previniendo su corrimiento entre capas e incrementando considerablemente su
resistencia. Varios miles de FC enrolladas entre s dan lugar a una trenza que se puede
utilizar por s misma o tejer en una tela.
Figura 5. Microestructura de una fibra de carbono (izquierda) y comparacin al
microscopio con un cabello humano (derecha)
Las FC se obtienen por carbonizacin a 12001400 C de fibras orgnicas naturales o
sintticas, o de fibras procedentes de precursores orgnicos. Las primeras FC utilizadas
industrialmente se deben a Edison, el cual prepar FC por carbonizacin de filamentos de
fibras de bamb (celulosa) y que fueron utilizadas en la preparacin de filamentos para
lmparas incandescentes. Habra que esperar hasta 1960 para que Union Carbide
-
CAPTULO 2
14 TESIS DOCTORAL
desarrollara un procedimiento industrial de obtencin de fibras continuas de carbono de
alto mdulo de Young a partir de fibras de rayn. En 1966, FC de alto mdulo y tensin de
ruptura fueron obtenidas a partir de fibras de PAN (poliacrilonitrilo). En esta poca tambin
se desarrollaron FC obtenidas a partir de breas de carbn y petrleo y de resinas fenlicas;
sin embargo, estas FC presentan propiedades mecnicas inferiores y se comercializan como
fibras de carbono de uso general.
El primer estudio realizado sobre hormign reforzado con fibras de carbono (HRFC) fue
publicado por Ali, empleando fibras de carbono continuas basadas en poliacrilonitrilo
(PAN), que no llegaron a derivar en aplicaciones prcticas por ser muy caras, aunque s se
avanz en el conformado de las mismas (Ali et al. 1972). Ya en los aos 80, se desarroll en
Japn el HRFC usando fibras de carbono cortas basadas en breas (pitch-based), ms
asequibles econmicamente, lo que implic un crecimiento en el empleo de las mismas en
la industria de la construccin.
En estos estudios iniciales ya se esbozaba la problemtica de la dispersin de las fibras con
una elevada relacin de aspecto (longitud/dimetro), que impeda una distribucin
uniforme de las fibras en la matriz cementicia. Con el propsito de garantizar la dispersin
uniforme de las fibras en la matriz cementicia y una buena interaccin entre ambas, las
partculas de cemento deban introducirse entre las fibras de carbono. En este sentido,
Briggs recomendaba el uso de cementos con un tamao de partcula inferior a 45 m
(Briggs 1977). En el caso de cementos con tamao de partcula mayor, como el cemento
Portland ordinario, se recomendaba incluir en la dosificacin adiciones de pequeo tamao
de partcula, como la escoria de alto horno o el humo de slice. Igualmente, se recomienda
el uso de aditivos, como la metilcelulosa, que actan como dispersantes de la fibra de
carbono. Este tipo de aditivos funcionan incrementando la viscosidad de la matriz
cementicia, lo que mantiene dispersa la fibra de carbono en la matriz.
Katz y Bentur estudiaron el efecto del uso de humo de slice y fibra de carbono en pastas
de cemento, y valoraron las propiedades mecnicas y microestructurales del compuesto a
corto plazo (Katz & Bentur 1994). En sus conclusiones se aseveraba que el aumento del
contenido de humo de slice mejoraba la trabajabilidad de la pasta fresca y permita
incrementar la fraccin volumtrica de fibras de carbono.
Posteriormente, analizaron la evolucin de la resistencia a flexin y la ductilidad de pastas
de cemento, para edades comprendidas entre 24 horas y 300 das (Katz & Bentur 1995). Se
compararon distintas proporciones de humo de slice y agua, en distintas condiciones de
curado. Las muestras reforzadas con fibras de carbono incluan una fraccin volumtrica fija
de stas del 6%, y se contrast su respuesta frente a otras muestras sin reforzar. Los
resultados mostraron que los compuestos de cemento reforzados con fibras de carbono,
bajo ciertas condiciones, presentaban una mejora en su resistencia hasta las 4 semanas,
aunque a edades mayores se produca una reduccin de hasta el 65% de dicho valor. Los
patrones sin fibra no mostraron esta prdida de propiedades. Por ello, se analizaron todas
-
COM PUESTOS CEM ENTICIOS M ULTIFUNCIONALES
LUIS BAN BLZQUEZ 15
las muestras mediante microscopa SEM y porosimetra de intrusin de mercurio,
observndose una densificacin en el tiempo de la matriz o de su interfase con la FC si la
hubiera debido al humo de slice. Las fibras de carbono no presentaron ningn tipo de
ataque qumico que justificase la cada de prestaciones, por lo que los autores concluyen
que debe existir algn otro tipo de mecanismo responsable de las tendencias observadas,
diferente de un deterioro en la interfase entre ambos materiales.
Chen y Chung realizaron uno de los primeros estudios que sentaron las bases del futuro
desarrollo de los hormigones conductores multifuncionales (Chen & Chung 1995).
Demostraron que se podan obtener compuestos con una conductividad elctrica
mejorada, gracias a la adicin de partculas conductoras (fibras de carbono) en una matriz
cementicia no conductora, con otra adicin de humo de slice (relleno no conductor a su
vez). Para alcanzar la mayor efectividad posible, la fraccin de fibra (partculas conductoras)
deba ser pequea y el tamao de las partculas no conductoras lo ms pequeo posible.
Esta optimizacin surga como el resultado de la mejora en la dispersin de las fibras debido
a la presencia del humo de slice, debido al efecto filler. Por lo tanto, el descenso en la
resistividad del compuesto se atribuy directamente a una mejora de la distribucin de las
fibras dentro de la matriz. Un efecto adicional es la mejora de la resistencia a flexin del
compuesto.
Pigeon et al. estudiaron el efecto del uso de fibras de carbono en la retraccin por secado
de morteros de cemento (Pigeon et al. 1996). Tambin estudiaron su accin frente a la
helada. Los resultados mostraron que el uso de estas mismas fibras mejoraba la respuesta
de los morteros, en parte condicionado por la capacidad de aumentar el nivel de oclusin
de aire por parte de estas fibras.
La FC tiene propiedades mecnicas similares al acero y es tan ligera como la madera o el
plstico. Estas propiedades, unidas a su elevado mdulo de traccin y elevada resistencia a
la traccin a temperaturas elevadas, mdulo de elasticidad elevado, baja densidad, alta
resistencia qumica, tolerancia a alta temperatura y expansin trmica baja la hacen muy
popular en la industria aeroespacial y automovilstica, ingeniera civil y militar, as como para
la fabricacin de material deportivo.
Adems, la FC tiene una elevada conductividad elctrica y una baja conductividad trmica,
caractersticas muy valoradas para aplicaciones termoelctricas. Algunas propiedades para
distintos tipos de fibras se muestran en la Tabla 2.
La fibra de carbono es, por tanto, uno de esos materiales que, aadido en proporciones
reducidas a pastas de cemento, morteros u hormigones, puede transformar su gran
resistencia hmica hasta convertirlos en materiales conductores elctricos, como por
ejemplo, el hormign armado con fibra de carbono (CRFC).
-
CAPTULO 2
16 TESIS DOCTORAL
Tabla 2. Propiedades de distintos tipos de fibras de carbono (Kirk-Othmer 2007)
Propiedad PAN estndar De breas de carbn
Densidad (kg/m3) 1770 1810 2000 2200 Resistividad axial (m) 14 18 7 8.5 Mdulo de elasticidad (GPa) 230 240 160 800 Resistencia a la traccin (GPa) 3.5 4.8 1.4 3.0 Conductividad trmica axial (W/(mK)) 8 14 22 120 Coeficiente de expansin trmica axial (C-1) -0.610-6 -1.310-6 % de carbono 92 - 96 > 99
2.1.3 NANOMATERIALES DE CARBONO
Las posibilidades de la Nanociencia y Nanotecnologa fueron introducidas a la comunidad
cientfica por el premio Nobel Richard P. Feynman en 1959, en un discurso titulado En el
fondo hay espacio de sobra (There's Plenty of Room at the Bottom), impartido el 29 de
diciembre de 1959 en Caltech (Instituto Tecnolgico de California). En l, describa la
posibilidad de la sntesis va la manipulacin directa de los tomos. El trmino
nanotecnologa tal y como se concibe actualmente fue empleado por primera vez por Norio
Taniguchi en el ao 1974, aunque este hecho no es ampliamente conocido.
Desde entonces ha habido tremendos avances en los campos de la qumica, la fsica y la
biologa a nivel molecular y atmico, es decir, en la nanoescala. Aunque el trmino
nanotecnologa se utiliza hoy en da indiscriminadamente para referirse a cualquier rama
de la ciencia en la que intervienen partculas de muy pequeo tamao, comnmente se
define como la comprensin, control y restructuracin de materia en el orden del
nanmetro generalmente menos de 100 nm para crear materiales con nuevas
propiedades y funciones fundamentales (Sanchez & Sobolev 2010; Raki et al. 2010).
Hasta la fecha, los avances y aplicaciones nanotecnolgicas en el campo de los materiales
de construccin han sido heterogneos. Los principales logros vienen de la mano de la
nanociencia de los materiales cementicios, con un sustancial incremento en el
conocimiento y la comprensin de su comportamiento en la nanoescala, como son las
propiedades mecnicas y estructurales de las principales fases hidratadas del cemento, el
origen de la cohesin del cemento, la hidratacin del cemento, interfases en el hormign o
sus mecanismos de degradacin. Los sucesivos progresos en instrumentacin para la
observacin y medida en escalas nanomtricas tales como microscopio de fuerza atmica
(Atomic Force Microscope, AFM) o el microscopio de efecto tnel (Scanning Acoustic
Microscope, SAM) estn proporcionado nueva informacin sobre el hormign, e incluso
en algunos casos rebatiendo creencias previas. Como ejemplo ilustrativo, mediante
microscopa de fuerza atmica se ha podido demostrar que el gel C-S-H no es una fase
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amorfa, sino una estructura bien ordenada de nanopartculas cuya formacin se produce a
partir de la aglomeracin de porciones elementales con tamaos del orden de 60305
nm3 (Sanchez & Sobolev 2010).
Entre los distintos tipos de potenciales nanoadiciones, las nanoestructuras de carbono se
consideran candidatos especiales por sus cualidades nicas, entre otras, excelente rigidez,
resistencia y conductividad elctrica (Thostenson et al. 2001; Endo et al. 2001). Las
nanoestructuras de carbono engloban diferentes materiales carbonosos (Figura 6): los
fullerenos, los nanotubos de carbono (NTC), las nanofibras de carbono (NFC), el negro de
carbono y el grafeno.
Figura 6. Diferentes estructuras carbonosas: A) Fullerenos C60; B) Negro de
carbono; C) Nanotubos (NTC); D) Nanofibras (NFC); E) Grafeno
2.1.3.1 Nanotubos y nanofibras de carbono
Los nanotubos y las nanofibras de carbono son materiales filamentosos que presentan
diferentes estructuras, a pesar de que los mecanismos de formacin son similares. La
separacin existente entre los NTC y las NFC no est del todo clara, pero la tendencia es a
considerar las NFC como materiales intermedios entre las fibras micromtricas y los NTC.
Los NTC fueron descubiertos y desarrollados por grupos de investigacin que trabajaban
sintetizando fullerenos macromolculas de carbono individuales, con estructuras cerradas
formadas por varias decenas de tomos de carbono nicamente vaporizando grafito. Por
otro lado, las NFC fueron desarrolladas con objeto de producir unas fibras de carbono
alternativas y ms econmicas que las obtenidas por hilado, utilizando para ello precursores
hidrocarburos en forma de vapor, motivo por el cual estas fibras son denominadas fibras de
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carbono crecidas en fase de vapor (VGCF, del ingls Vapor-Grown Carbon Fiber; o bien s-
VGCF, sub-micron VGCF, para el caso de filamentos con dimetros inferiores a la micra).
Los nanotubos de carbono (NTC) fueron inicialmente descubiertos por Radushkevich
(Radushkevich 1952). El trmino nanotubo se debe a Sumio Iijima en 1991, ao en el que
comenz su desarrollo (Iijima 1991). Se componen nicamente por carbono y son, por
tanto, una forma alotrpica del mismo. En cuanto a su geometra, estn constituidos por
una o varias lminas grafnicas enrolladas formando uno o varios cilindros concntricos. En
el primer caso reciben el nombre de nanotubos de carbono de capa simple (SWCNT, del
ingls Single-Walled Carbon NanoTube) y en el segundo nanotubos de carbono de capa
mltiple (MWCNT, del ingls Multi-Walled Carbon NanoTube). El dimetro de los SWCNT se
encuentra normalmente entre 1 y 2 nm y su relacin de aspecto suele ser superior a 100.
Los dimetros habituales de los MWCNT suelen variar entre 2 y 25 nm (Figura 7 y Figura 8).
Figura 7. Clases de nanotubos de carbono segn su geometra: A) de pared simple
(SWCNT); B) de pared mltiple (MWCNT)
Las nanofibras de carbono (NFC) son filamentos submicromtricos generados
catalticamente, obtenidas por la interaccin de distintos catalizadores con hidrocarburos
gaseosos cuyo crecimiento se produce en fase de vapor con un tamao que las sita entre
los NTC y las FC comerciales, si bien el lmite entre NFC y MWCNT no est claramente
definido. La disposicin de los planos de grafeno es diferente a los NTC, siendo necesario
el hidrgeno para la estabilizacin de estas estructuras. Al igual que los NTC, debido a su
estructura altamente graftica, a sus caractersticas morfolgicas y a sus excepcionales
propiedades mecnicas y de transporte tanto elctrico como trmico, tienen un potencial
excelente como material ingenieril.
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Figura 8. Aspecto al microscopio electrnico de barrido (SEM) de formaciones de
nanotubos en haces: A) de pared simple (SWNTC); B) de pared mltiple (MWNTC)
(Holzinger et al, 2012)
La estructura interna de los NTC y de las NFC es similar a la del grafito, lo que confiere a
estas fibras propiedades como alta conductividad elctrica y trmica, baja densidad,
propiedades anticorrosivas, gran capacidad de adsorcin y de lubricacin, bajo coeficiente
de expansin trmica y elevadas propiedades mecnicas. Estas propiedades, unidas a su
elevada relacin de aspecto, convierten a las nanofibras y nanotubos en un material ideal
para la fabricacin de materiales compuestos.
Las nanofibras de carbono (NFC) se diferencian esencialmente de los nanotubos por la
orientacin de las lminas grafnicas respecto al eje longitudinal: mientras que en los
nanotubos, por su disposicin en cilindros concntricos, las lminas grafnicas son paralelas
al eje principal, en las nanofibras presentan una orientacin diferente. As, puede haber un
amplio rango de orientaciones respecto al eje, que proporcionan una gran variedad de
estructuras algunas de las cuales son mostradas en la Figura 9. Las NFC no pueden
considerarse formas alotrpicas del carbono, porque las lminas grafnicas poseen
extremos, que necesitan saturarse de otros elementos (hidrgeno u otros grupos
funcionales) para estabilizarse. Presentan dimetros semejantes a los de los MWNTC, entre
15 y 100 nm (Endo et al. 2001), y longitudes que oscilan entre 50 y 100 m (Rodriguez 1993),
pudiendo clasificarlas en funcin de la disposicin de las capas de grafeno de las que estn
constituidas: disposicin perpendicular con respecto a la direccin longitudinal de las NFC,
disposicin paralela y disposicin oblicua. Las NFC del primer tipo se conocen como platelet
o nanowires, las del segundo tipo se denominan ribbon o cinta y las del tercer tipo son
llamadas fishbone o raspa de pescado (Martin-Gullon et al. 2006).
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Figura 9. Esquema de distintas estructuras de NFC cuya orientacin vara respecto al
eje de las lminas grafnicas y comparacin con los NTC (Bulushev & Yuranov 2004)
Se han investigado NFC cuyo mdulo de elasticidad era de 400 GPa, con una resistencia a
traccin de 7 GPa (Zhou et al. 2009). Por otro lado, se han desarrollado NTC con mdulo de
elasticidad de 1 TPa, resistencia a traccin de 60 GPa y deformacin ltima de rotura del
12% (Yu 2000). Algunas de estas cualidades han sido ampliamente investigadas y
desarrolladas en matrices polimricas y cermicas, al actuar como refuerzo de la matriz y
aportar al material compuesto sus propiedades trmicas y elctricas, con excelentes
resultados y aplicaciones prcticas de uso extendido en la actualidad.
Actualmente los sectores industriales potenciales, dentro del campo de matrices
polimricas con nanofibras y nanotubos son el automvil, la aeronutica, el deportivo, la
defensa, las telecomunicaciones, el de piezas sometidas a rozamiento o el de turbinas de
energa elica.
Los principales problemas a la hora de fabricar materiales compuestos con adicin de
nanofilamentos de carbono son: la dbil unin entre nanomaterial y matriz, la trabajabilidad
frente al amasado de las pastas y la dispersin del nanomaterial en la matriz. Adems, como
ya se ha comentado, su elevado coste hace inviable hoy en da muchas aplicaciones
prcticas. En cualquier caso, las NFC son mucho ms baratas que los NTC, sin un detrimento
excesivo de sus cualidades, por lo que aquellas son excelentes candidatas para sustituir
parcialmente a las fibras de carbono convencional y a los NTC. Se espera que a medio plazo
puedan suponer una alternativa viable a la mucho ms extendida utilizacin de las
tradicionales fibras de carbono micromtricas, obtenidas mediante hilado de un precursor
de carbono, tpicamente un polmero como el rayn, poliacrilonitrilo (PAN), o brea (pitch),
y posteriores tratamientos trmicos en distintas atmsferas.
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2.2 PROPIEDADES FUNCIONALES DE LOS MCCM
Los materiales cementicios han resultado fundamentales en la industria de la construccin
actuando como materiales estructurales a consecuencia de sus buenas propiedades
mecnicas, lo que ha supuesto una fuente constantes investigaciones. Sin embargo,
actualmente se demanda a los materiales estructurales la capacidad de desarrollar nuevas
funciones, obviamente sin menoscabo de sus propiedades estructurales. Si se obtienen las
mismas prestaciones con un nico material multifuncional que con una combinacin de
materiales estructurales y funcionales, se estarn reduciendo costes de manera
instantnea, mejorando la durabilidad del conjunto, aumentando el volumen funcional,
puesto que la funcin la lleva a cabo toda la estructura, reduciendo la degradacin de las
propiedades mecnicas del material por el uso de dispositivos embebidos y simplificando
el diseo (Garcs et al. 2005; Garcs et al. 2007; Alcaide et al. 2007; Ivorra et al. 2010).
La multifuncionalidad en MCCM consiste por tanto en aprovechar el propio material
estructural para realizar otras funciones no estructurales, sin la necesidad de ningn tipo
de dispositivo externo. Como se ha comentado anteriormente, ello puede lograrse
combinando un material cementicio con diferentes adiciones, que proporcionan al material
resultante un nuevo abanico de aplicaciones (Chung 2003; Prez et al. 2010; Moral et al.
2012; Lu et al. 2015; Wang et al. 2013; Sun et al. 2014; Baeza et al. 2011; F. J. Baeza et al.
2013; Materazzi et al. 2013; Ubertini et al. 2014), manteniendo o incluso mejorando sus
caractersticas resistentes (Catal et al. 2011; Garcs et al. 2005; Garcs et al. 2012; Garcs
et al. 2007; Galao et al. 2012; Konsta-Gdoutos et al. 2010b; Sanchez & Ince 2009).
Las propiedades funcionales aportadas ms reseables incluyen su uso como nodo para
extraccin electroqumica de iones cloruro (Prez et al. 2010; Moral et al. 2012) o como
electrodo en proteccin catdica (Chen & Chung 1995; Bertolini et al. 2004), el
apantallamiento de ondas electromagnticas (Wu & Chung 2005; Zornoza et al. 2010; Wang
et al. 2013), la percepcin de deformaciones (Chen & Chung 1996), sensor de tensiones (F.
J. Baeza et al. 2013; Sun et al. 2014; Baeza et al. 2011), deteccin de daos y monitorizacin
dinmica (Giner et al. 2012; F. J. Baeza et al. 2013; Ubertini et al. 2014), reduccin de
vibraciones (Zornoza et al. 2010; Chung 2001c; Muthusamy et al. 2010), sensor de
temperatura (Wen & D D L Chung 1999) o el control trmico por resistencia tanto para
calefaccin como para deshielo (Chung 2001b; Yehia & Tuan 1999; Chung 2004c; Yehia et
al. 2000; Tuan 2004; Galao et al. 2014a; Gomis et al. 2015).
En conclusin, partiendo de un excelente material estructural como indudablemente es el
hormign pero que se comporta como un dielctrico, esto es, un mal conductor de la
electricidad, y gracias a la adicin de otro material que en este caso s es conductor
(materiales carbonosos o fibras de acero), se obtienen materiales compuestos con un
nuevo y amplio rango de aplicacin. Por tanto, se consigue transformar un hormign
convencional en un hormign conductor multifuncional.
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22 TESIS DOCTORAL
2.2.1 POSIBLES APLICACIONES EN INGENIERA CIVIL
La percepcin de deformaciones que est ntimamente relacionada con la percepcin de
tensiones, pero es diferente a la percepcin de daos resulta importante en aspectos
como el control de vibracin estructural o la monitorizacin y control del trfico. Las
aplicaciones convencionales de los sensores de tensin o deformacin abarcan desde
sensores para componentes de la industria aeronutica o del automvil, hasta sensores
para estructuras de ingeniera civil, como los viaductos, incluso sensores de control de peso
del trfico en autopistas sin necesidad de detener los vehculos (Garcs et al. 2010).
Tambin podra ser de gran utilidad la deteccin y control de presencia de los usuarios en
una edificacin, con el propsito de monitorizar la ocupacin de las habitaciones por
motivos de seguridad, pudiendo asimismo emplear dicha informacin en sistemas
domticos de control ptimo de iluminacin, ventilacin o climatizacin del edificio, con el
correspondiente ahorro energtico aparejado.
Tal y como se ha planteado, la monitorizacin del trfico es parte esencial de la gestin y
control cualquier red viaria, e implica la toma de datos precisos en tiempo real, mediante
dispositivos de control de tipo ptico, elctrico, magntico o acstico. Habitualmente,
dichos sensores se encuentran adheridos o embebidos en las vas de transporte que se
quieren monitorizar, teniendo como principales limitaciones su un alcance limitado, una
vida til relativamente escasa, y un coste demasiado elevado como para permitir un uso
extensivo de los mismos. Gracias a las tecnologas aportadas por los MCCM se puede
emplear el propio pavimento como sensor, sin necesidad de elementos adheridos o
embebidos. Al ser el propio material estructural el dispositivo de toma de datos, se puede
controlar la infraestructura completa, con una mayor durabilidad y un incremento asumible
de coste, solucionando las tres limitaciones expuestas anteriormente para los sensores
tradicionales.
En este sentido, se ha conseguido reproducir en laboratorio el uso de hormign
autosensible para cuantificar cargas en movimiento (Shi & Chung 1999). El montaje, tal
como se ilustra en la Figura 10, consiste en una rueda vertical simulando el neumtico de
un vehculo que gira sobre la superficie de dos cilindros horizontales de hormign, que
hacen el papel del firme. Se variaron tanto la carga aplicada peso del vehculo como la
velocidad de rotacin velocidad de