ES2353544B2 - Composite cementicio con nanofibras de carbono para monitorización de deformaciones. - Google Patents
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Abstract
Composite cementicio con nanofibras de carbono
para monitorización de deformaciones.
Esta invención plantea la viabilidad del uso de
nanofibras de carbono en matrices cementicias: pastas, morteros y
hormigones, a fin de usar dichos composites en la monitorización de
deformaciones para detectar su propia deformación al verse sometidos
a acciones externas sin ningún tipo de sensor embebido o
adherido.
El procedimiento se basa en el cambio en la
resistencia eléctrica del material cementicio con adición de
nanofibras de carbono al ser sometida a tensiones. Se realiza un
cambio proporcional a la resistencia de contacto de la matriz con la
nanofibra con el nivel de tensiones a que es sometida, lo cual es
indudablemente interesante a la hora de hablar de una estructura
inteligente.
Este composite puede aplicarse para control de
vibraciones estructurales, monitorización de tráfico pesado,
detección de movimiento en estancias y seguridad de edificios, en
tiempo real, entre otros.
Description
Composite cementicio con nanofibras de carbono
para monitorización de deformaciones.
La presente invención se encuadra en el campo de
la construcción, y más particularmente se refiere a tecnología de
los materiales y nanotecnología.
La función de percepción de la deformación fue
desarrollada inicialmente utilizando fibras de acero y fibras de
carbono de uso general, siendo objeto de estudio con creciente
interés hasta el presente con la introducción de nuevos
parámetros.
En la década de los noventa se patentaron
diversos procedimientos para aplicar esta técnica. Entre los
antecedentes conocidos destacan las patentes americanas US5817944 y
US6079277. Tales invenciones consisten en el uso de fibras de
carbono dispersadas en matrices de cemento para medir la deformación
que sufren al ser sometidas a un esfuerzo externo sin necesidad de
llevar ningún sensor embebido o adherido, mediante la medida de las
variaciones de su resistencia eléctrica durante el proceso.
Los principales inconvenientes que plantean
estos antecedentes son:
- \bullet
- La dispersión de estas adiciones en la matriz cementicia es una labor compleja y muy delicada a la hora de obtener los resultados deseados ya que implica el uso de aditivos adicionales y varias etapas previas a la propia incorporación a la matriz.
- \bullet
- La fibra de carbono ofrece una moderada área de contacto con la matriz cementicia, propiedad que es importante a la hora de que el material funcione.
\vskip1.000000\baselineskip
Con la intención de mejorar tales inconvenientes
surge esta invención que ofrece las siguientes mejoras respecto a
los materiales que emplean fibras de carbono:
- \bullet
- La incorporación de nanofibras en la matrices cementicias es un proceso sencillo y reproducible ya que su dispersión en la matriz es directa, lo cual garantiza poder llevar a cabo la monitorización de la deformación de forma óptima.
- \bullet
- El área de contacto matriz-nanofibra es muy superior a la que presenta el material con fibra de carbono, lo cual se traduce en una mayor sensibilidad del composite.
Tradicionalmente la línea de investigación de
los materiales cementicios empleados en obra civil y edificación ha
estado orientada al estudio de sus propiedades mecánicas debido a su
principal y única función estructural. No obstante, últimamente ha
surgido una nueva tendencia en esta línea; la integración de otras
propiedades que le permitan tener funciones complementarias,
convirtiéndose en materiales "multifuncionales".
Existen diversas categorías dentro de los
materiales cementicios "multifuncionales"; una de ellas son los
materiales cementicios conductores.
Las propiedades eléctricas se consiguen mediante
adiciones conductoras como los materiales carbonosos (por ejemplo,
polvo de grafito, fibras de carbono o nanofibras de carbono).
Esta invención plantea la viabilidad del uso de
nanofibras de carbono en matrices cementicias: pastas, morteros y
hormigones, a fin de usar dichos composites en la monitorización de
deformaciones, es decir de detectar su propia deformación al verse
sometidos a acciones externas sin ningún tipo de sensor embebido o
adherido.
Este procedimiento innovador se basa en el
cambio en la resistencia eléctrica del material cementicio con
adición de nanofibras de carbono al ser sometida a tensiones. De
este modo, se realizar un cambio proporcional de la resistencia de
contacto de la matriz con la nanofibra con el nivel de tensiones a
que es sometida, lo cual es indudablemente interesante a la hora de
hablar de una estructura inteligente.
La función de percepción de la deformación
mediante adición de nanofibras de carbono consiste en que al someter
al material a una compresión, esta resistencia de contacto entre la
matriz cementicia y la nanofibra disminuye, produciendo a su vez el
descenso de la resistencia eléctrica global en la dirección del
esfuerzo. Mientras que si la tensión aplicada es de tracción el
fenómeno generado es el contrario.
Si la tensión aplicada sobrepasa el límite
elástico del material se observan efectos irreversibles en la
respuesta de su resistencia eléctrica. En ese caso, la capacidad de
percibir la deformación del material no es capaz de recuperar
totalmente su valor inicial de resistencia ya que en ese nivel tan
elevado de tensión ya se han producido dos cambios irreversibles, el
fallo del anclaje nanofibra-matriz y la rotura de
algunas de las nanofibras.
El desarrollo de este composite cementicio
permite diferentes aplicaciones prácticas: control de vibraciones
estructurales, monitorización de tráfico pesado, detección de
movimiento en estancias y seguridad de edificios, en tiempo real,
entre otros.
En la Figura 1 se representa una probeta
prismática de dimensiones 4x4x16 cm. Esta probeta utilizada en la
invención esta fabricada con pasta de cemento Pórtland y nanofibra
de carbono del tipo stacked-cup, con un diámetro
exterior que varía entre los 20 y 80 nm y un gran hueco central.
Dichas nanofibras presentan una relación de aspecto muy alta, con
una longitud de varias micras. El método de medida consiste en
introducir la corriente por la cara superior 1 y la cara inferior 2
de la probeta y la diferencia de potencial se tomó entre los puntos
3 y 4. A partir de los valores de caída de potencial entre los
puntos 3 y 4, se calcula la variación de las resistividades
correspondientes.
En la Figura 2 se representa un ejemplo del
comportamiento de la invención donde se muestra la evolución de la
resistencia eléctrica en función de la deformación durante un ensayo
de compresión axial. Probeta 4x4x16 cm de pasta de cemento con
adición 5% de nanofibra de carbono, amplitud de carga de 4000 N y
velocidad 100 N/s.
En la Figura 3 se recoge la relación entre el
incremento unitario de resistencia eléctrica y la deformación
unitaria en un ensayo de compresión axial. Probeta 4x4x16 cm de
pasta de cemento con adición 5% de nanofibra de carbono, amplitud de
carga de 4000 N y velocidad 100 N/s.
Esta realización se proporciona a modo de
descripción detallada para cubrir completamente el alcance de la
invención para los expertos en la técnica.
La invención consiste en el uso de nanofibras de
carbón en matrices cementicias: pastas, morteros y hormigones, con
el objetivo de desarrollar la función de percepción de la
deformación y así poder detectar su propia deformación al verse
sometidos a acciones externas sin ningún tipo de sensor embebido o
adherido.
En cuanto a los materiales utilizados y
preparación de las probetas, se han considerado probetas prismáticas
de dimensiones 4x4x16 cm con pasta de cemento Pórtland y nanofibra
de carbono del tipo stacked-cup, con un diámetro
exterior que varía entre los 20 y 80 nm y un gran hueco central.
Dichas nanofibras presentan una relación de aspecto muy alta, con
una longitud de varias micras.
Los componentes básicos utilizados han sido:
- \bullet
- Cemento tipo CEM I 52.5 R.
- \bullet
- Relación agua cemento a/c=0.5.
- \bullet
- Cantidad nanofibra de carbono añadida a la mezcla: 5% respecto masa de cemento.
- \bullet
- Plastificante (SIKA) en proporción variable.
\vskip1.000000\baselineskip
Las probetas se curaron sumergidas en agua
durante 28 días antes de ser ensayadas.
Después se montaron los componentes eléctricos.
Se pintaron bandas de pintura de plata 5 alrededor de las probetas
para lograr un buen contacto eléctrico entre el monitor de potencial
y la probeta del composite, entonces se rodearon con hilo de cobre 6
firmemente para tener un punto claro de anclaje entre el monitor de
potencial y la probeta y que asegure además el contacto eléctrico
entre el monitor de potencial y la pintura de plata. La cara
superior 1 y la cara inferior 2 también se cubrieron con pintura de
plata.
En cuanto a los instrumentos de ensayo, la carga
de las probetas se realizó mediante una prensa electromecánica
modelo EMI/100/FR, suministrada por Microtest S.A. La resistencia
eléctrica se midió gracias a un multímetro digital Keithley 2002
suministrado por National Instruments Inc. La intensidad de
corriente fue aplicada mediante una fuente externa Keithley 6021
suministrada por National Instruments Inc.
Los diferentes ensayos realizados consistieron
en monitorizar la resistencia eléctrica de la probeta en la
dirección longitudinal mientras se aplicaban ciclos de compresión
también longitudinalmente. El valor máximo de carga aplicado en cada
ciclo fue de 4 kN, este valor corresponde a menos de un 25% de la
carga de rotura del material compuesto, situándose en un punto
intermedio dentro de la zona de deformación elástica del composite,
en la cual el comportamiento es óptimo y reversible. La velocidad de
carga y descarga fue de 100 N/s ya que se evita que una carga más
acelerada produzca efectos similares a impactos, lo cual se
traduciría en daños irreversibles al composite. Valores menores de
velocidad de carga alargan en exceso el ensayo del material. La
intensidad de corriente aplicada fue de 0.1 mA ya que valores
superiores producirían la polarización de la disolución intersticial
del composite (lo cual enmascara la medida), evitando asimismo
reacciones electroquímicas indeseables sobre los electrodos que
también afectan al composite y a la monitorización de la
deformación. Valores menores de corriente reducían
significativamente la sensibilidad del composite al ensayo
realizado.
El nivel de percepción de la deformación viene
caracterizado por el factor de galga (FG). Este parámetro se define
como el cambio fraccional de la resistividad por unidad de
deformación (\varepsilon). La siguiente ecuación muestra tal
relación:
En donde FG es el factor de galga,
\Delta\rho es al variación de resistividad [ohm\cdotcm],
\rho es la resistividad inicial [ohm\cdotcm], y \varepsilon es
la deformación aplicada (\varepsilon = \DeltaL/L, siendo L la
longitud de la probeta).
Según las referencias consultadas, la magnitud
de las deformaciones es muy pequeña, midiéndose por este motivo la
resistencia eléctrica en lugar de la resistividad. Las medidas de
deformación se realizaron utilizando galgas extensométricas sobre la
superficie de las probetas.
El método de medida consiste en introducir la
corriente entre las cara superior 1 y la cara inferior 2 de la
probeta y la diferencia de potencial se tomó entre los puntos 3 y 4.
A partir de los valores de caída de potencial entre los puntos 3 y
4, se calcula la variación de las resistividades correspondientes.
La deformación se calculó como la media de los valores registrados
por cuatro galgas extensométricas que se situaron en el punto
central de cada una de las caras laterales de las probetas, para de
esta forma, tener un valor más fiable de la deformación real durante
el ensayo de carga.
Las probetas usadas en estos ensayos se
almacenaron en un ambiente con humedad relativa del 100% hasta que
se estabilizó su peso. La resistividad inicial de las probetas
(empleando un método de cuatro puntas) fue aproximadamente de 1575
ohm\cdotcm.
A continuación se muestran los resultados
obtenidos después del curado en cámara húmeda.
En la Figura 2 se muestra la evolución de la
resistencia eléctrica de una probeta de pasta de cemento con un 5%
de adición de nanofibra de carbono con la deformación que sufre
dicha probeta al ser sometida a un esfuerzo de compresión axial. Se
usó esta proporción de nanofibra ya que tras estudios iniciales, el
comportamiento óptimo del composite desde el punto de vista de la
monitorización de la deformación se obtenía para esta cantidad.
Deformaciones negativas se corresponden con compresiones de la
probeta. Como se puede observar, existe una clara relación entre
ambos parámetros, a medida que se comprime la probeta se produce una
disminución de su resistencia eléctrica, lo cual permite la
posibilidad de establecer una relación entre ambos parámetros.
Por otra parte, también se puede apreciar una
reversibilidad del comportamiento entre los distintos ciclos de
carga a los que es sometida la probeta. Cuando cesa el estado de
carga, la resistencia eléctrica de la probeta recupera su valor
inicial. Este comportamiento es crítico a la hora de poder tener una
buena fiabilidad en la función de percepción de la deformación. La
probeta utilizada es 4x4x16 cm de pasta de cemento con adición 5% de
nanofibra de carbono, amplitud de carga de 4000 N y velocidad 100
N/s.
En la Figura 3 se muestra la relación entre el
incremento unitario de resistencia eléctrica y la deformación
unitaria en un ensayo de compresión axial. Probeta de pasta de
cemento con 5% de adición de nanofibra de carbono. De la pendiente
de dicha relación se obtiene el parámetro que caracteriza la
sensibilidad de la función de percepción de la deformación.
Claims (3)
1. Un composite cementicio con adición de
nanofibras de carbono que comprende:
- a.
- Una matriz cementicia basa en la mezcla de cemento, agua y áridos, presentando esta matriz durante las primeras horas naturaleza plástica, lo que permite darle forma, y que tras un determinado tiempo de varias horas (fraguado) se transforma en un material rígido sensible a las deformaciones.
- b.
- Un 5% de nanofibra de carbono respecto a la masa de cemento que se adiciona a los componentes de la matriz cementicia previamente a su amasado.
- c.
- Dos contactos eléctricos de pintura de plata aplicada en los extremos de la probeta de composite endurecida que permiten la aplicación de una corriente eléctrica.
- d.
- Dos contactos eléctricos de pintura de plata e hilo de cobre situados perimetralmente en la probeta de composite que permiten la monitorización de la caída de potencial, y en consecuencia de la resistencia eléctrica.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Un composite cementicio según la
reivindicación 1 para monitorizar deformaciones.
3. Uso del composite según la reivindicación 1
para control de vibraciones estructurales, monitorización de tráfico
pesado, detección de movimiento en estancias y seguridad de
edificios en tiempo real.
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