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Desarrollo de materiales cementantes conductores multifuncionales mediante

adición de nanotubos de carbono

María del Carmen Camacho Ballesta

www.ua.es

www.eltallerdigital.com

Departamento de Ingeniería Civil

Escuela Politécnica Superior

Desarrollo de materiales cementantes

conductores multifuncionales mediante

adición de nanotubos de carbono

María del Carmen Camacho Ballesta

Tesis presentada para aspirar al grado de

DOCTORA POR LA UNIVERSIDAD DE ALICANTE

Dirigida por:

Pedro Garcés Terradillos

Emilio M. Zornoza Gómez

Programa de Doctorado: Ingeniería de los materiales, agua y terreno

Trabajo financiado por el proyecto “PROMETEO 2013/035. Materiales cementantes

conductores multifuncionales inteligentes”

3

AGRADECIMIENTOS

En primer lugar, deseo expresar mi más sincero agradecimiento a mis directo-

res de tesis, los profesores Pedro Garcés y Emilio Zornoza, por darme la oportunidad

de formar parte integrante de su equipo investigador a lo largo de estos tres años. El

apoyo y dedicación prestados por ambos han nutrido permanentemente mi curiosidad

científica, constituyendo la mejor guía en el trazo de los caminos de la investigación.

De gran valor es para mí también, la ayuda y colaboración del personal técnico

de los laboratorios del Departamento de Ingeniería Civil: Gabi Sánchez, Victoriano

Rodrigo, Pedro Arias, y especialmente, Antonio Peinado, cuya implicación ha facilita-

do la ejecución práctica de muchos de los diseños experimentales. El esfuerzo con

ellos compartido pone en valor la definición de lo que significa el trabajo en equipo.

Tampoco olvidaré nunca todos los momentos compartidos con mis compañeros

de laboratorio: Hebé, Carlos, Rubén, Fran, Pilar y José Marcos. Todos ellos forman

parte del trayecto, y su complicidad ha sido el mejor acompañante de viaje. Tam-

bién he podido contar con los consejos de dos de mis referentes más cercanos: Javier

Baeza y Óscar Galao; estimo valiosas sus aportaciones siempre disponibles.

Es difícil no olvidar a nadie de las muchas personas que merecen mención al

momento de concluir esta etapa doctoral; y por ello, extiendo mi agradecimiento al

personal PAS y PDI del Departamento de Ingeniería Civil de la Escuela Politécnica, a

los Servicios Técnicos de Investigación y al Departamento de Ingeniería Química de la

Facultad de Ciencias. Todos estos centros forman parte de la Universidad de Alican-

te, en la que he forjado una gratificante etapa universitaria.

He de agradecer al órgano institucional de la Consellería de Educación, Forma-

ción y Empleo de la Generalitat Valenciana, la financiación de los trabajos que inte-

gran este documento a través del proyecto Prometeo 2013/035.

Finalmente, y en el sentido más personal de la palabra, agradezco a mi familia,

su soporte tan fundamental en los momentos necesarios. Y cómo no, a Javier, la más

férrea razón de mi persona en una nueva faceta de mi vida.

Resumen de la Tesis

5

RESUMEN DE LA TESIS

La tecnología del hormigón, el material de construcción por excelencia de

nuestros tiempos, continúa recibiendo un importante interés científico. Una de las

actuales líneas de investigación se halla en el desarrollo de su multifuncionalidad,

que consiste en dotar al hormigón de múltiples funciones distintas a su función prin-

cipal, la estrictamente estructural, lógicamente sin perjudicar a ésta última. Un tipo

de material cementicio multifuncional son los materiales cementicios eléctricamente

conductores, que se obtienen al introducir partículas conductoras, como adiciones

carbonosas, en la matriz cementicia tradicional.

De otra parte, los avances en el más reciente campo de la nanotecnología han

propiciado el descubrimiento de nuevas nanopartículas conductoras; una de estas

partículas son los nanotubos de carbono (NTC). Su interés radica en sus excelentes

características mecánicas, eléctricas, térmicas y de estabilidad química.

Confluyendo el desarrollo de los citados ámbitos en una nueva vía de investiga-

ción, la incorporación de nanotubos de carbono en matrices de cemento Portland se

eleva con el potencial de conformar una nueva generación de composites cementi-

cios multifuncionales de altas prestaciones. Con ello, el propósito de esta tesis es

profundizar en el conocimiento del comportamiento sinérgico que ambos materiales

pueden proporcionar al trabajar conjuntamente como uno sólo.

El documento queda estructurado en siete capítulos, constituyendo el primero

de ellos una progresiva toma de contacto a través del Estado del Arte y la revisión de

la literatura relacionada más reciente. En primer lugar, se proporciona una descrip-

ción de los tipos y propiedades de los NTC, para tratar a continuación los aspectos ya

abordados sobre composites que incorporan esta adición; en particular, el problema

de la dispersión. De igual manera, se hace un repaso de los estudios disponibles en

relación a las tres funciones que se analizarán dentro del programa experimental.

En el Capítulo II se realiza una doble caracterización: mecánica por un lado,

mediante ensayos sobre morteros, y de durabilidad en términos de resistencia a la

corrosión, en pastas con armaduras de acero embebidas. Se incluye como estudio

previo, los análisis sobre efectividad de diferentes técnicas de dispersión propuestas

por diversos autores. Al final, también se aportan ensayos complementarios, efec-

tuados por medio de las técnicas SEM y EDX.

El Capítulo III aborda la primera función investigada: la extracción electroquí-

mica de cloruros (EEC). Consta de dos estudios paralelos realizados sobre probetas de

hormigón armado que fueron sometidas a diferentes métodos de ataque con cloruros:

interno (agua de amasado) y externo (contaminación desde la superficie). El objetivo

es indagar la viabilidad de emplear un sistema anódico basado en pastas de cemento

conductoras con adición de NTC, cuando se aplica la técnica de EEC en elementos

estructurales contaminados con cloruros.

En el Capítulo IV se estudia el nivel de apantallamiento de ondas electromagné-

ticas (EMI) de pastas de cemento con adición de diferentes dosificaciones de NTC, e

Resumen de la Tesis

6

incluyendo también su combinación con fibra de carbono. El comportamiento de es-

tos composites frente a apantallamiento EMI se evalúa a través del parámetro de

apantallamiento S, obtenido mediante un analizador espectral para dos frecuencias

de ensayo.

El Capítulo V se compone de los cuatro estudios sobre percepción de la defor-

mación llevados a cabo. En el primero de ellos se analiza la viabilidad de emplear un

tipo de NTC como adición conductora para obtener composites capaces de desempe-

ñar la función de percepción. Ello se evalúa a través de la influencia de distintas va-

riables de ensayo: edad de curado, intensidad de corriente eléctrica, carga máxima y

velocidad en la aplicación de dicha carga.

En el segundo estudio del capítulo se analiza la respuesta de la función de per-

cepción de la deformación frente a las condiciones de ataque más habituales, carbo-

natación y cloruros. Para los dos primeros estudios citados se utilizaron probetas

prismáticas, con la misma geometría (4x4x16 cm3). Supone una novedad reseñable la

inclusión de una armadura en el caso de las probetas destinadas al estudio con cloru-

ros. Al final del capítulo, también se incluye un estudio derivado en relación a la in-

fluencia del contenido en humedad.

Los estudios tres y cuatro constituyen aplicaciones prácticas de la función de

percepción mediante sensores de deformación implementados bajo tres formas prin-

cipales: embebidos, prefabricados y aplicados in situ. Concretamente el tercer estu-

dio reproduce un elemento estructural a escala real —dos pilares de hormigón arma-

do— en los que se evalúan las tres formas de implementación indicadas, mientras que

el cuarto se realiza exclusivamente con sensores embebidos en probetas de hormigón

en masa.

En último lugar, el Capítulo VI pone fin al trabajo presentando las conclusiones

generales y las vías de trabajo futuras que se proponen a la luz del conjunto de resul-

tados reportado. Para su consulta se incluyen en el Capítulo VII la bibliografía de re-

ferencia y los índices de búsqueda.

7

Antes y por encima de todo cálculo está la idea,

moldeadora del material en forma resistente,

para cumplir su misión.

Eduardo Torroja

Índice de contenido

9

ÍNDICE DE CONTENIDO

AGRADECIMIENTOS ........................................................................ 3

RESUMEN DE LA TESIS ..................................................................... 5

ÍNDICE DE CONTENIDO .................................................................... 9

CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ............................................ 15

1. INTRODUCCIÓN Y ESTADO DEL ARTE ............................................ 17

1.1. NANOTUBOS DE CARBONO ...................................................... 18

Tipos de NTC ...................................................................... 19

Propiedades de los NTC ......................................................... 21

1.2. COMPOSITES CEMENTICIOS CON ADICIÓN DE NANOTUBOS DE CARBONO . 22

1.2.1. Fabricación de composites cementicios con NTC ...................... 24

Técnicas de dispersión .......................................................... 24

1.2.2. Hidratación de composites cementicios con NTC ...................... 30

1.2.3. Propiedades mecánicas de composites cementicios con NTC ........ 32

1.2.4. Propiedades eléctricas de composites cementicios con NTC ......... 37

1.2.5. Durabilidad de composites cementicios con NTC ...................... 42

1.2.6. Corrosión de armaduras en composites adicionados con NTC ........ 45

1.3. FUNCIONES DE LOS COMPOSITES ............................................... 46

1.3.1. Función de extracción electroquímica de cloruros .................... 46

EEC mediante composites cementicios con adición de materiales

carbonosos ......................................................................... 47

1.3.2. Función de apantallamiento de ondas electromagnéticas ............ 48

Efectividad del apantallamiento (SE) ......................................... 51

Técnica de ensayo: Método de pérdidas por inserción ..................... 52

Apantallamiento de composites cementicios con adición de NTC ........ 54

1.3.3. Función de percepción de la deformación .............................. 56

Método de medida de la resistencia eléctrica ............................... 58

Piezorresistividad de composites cementicios con adición de NTC ....... 60

2. OBJETIVOS .......................................................................... 64

CAPÍTULO II: CARACTERIZACIÓN INICIAL DE LOS COMPOSITES ..................... 67

3. TRATAMIENTOS DISPERSANTES .................................................. 69

3.1. Procedimiento experimental ................................................... 70

3.1.1. Materiales .................................................................... 70


10

3.1.2. Preparación de las muestras .............................................. 71

3.1.3. Descripción del ensayo ..................................................... 72

3.2. Resultados y discusión ........................................................... 72

3.3. Conclusiones ...................................................................... 75

4. PROPIEDADES MECÁNICAS ........................................................ 75


4.1.1. Materiales .................................................................... 76

4.1.2. Dispersión de NTC .......................................................... 77

4.1.3. Dosificación y preparación de probetas ................................. 77

4.1.4. Descripción de ensayos .................................................... 78

Velocidad de propagación de ultrasonidos (VPU) ............................ 78

Ensayo de resistencia a flexotracción ......................................... 78

Ensayo de resistencia a compresión ........................................... 79

Densidad en balanza hidrostática .............................................. 80

Porosidad .......................................................................... 81


4.3. Conclusiones ...................................................................... 84

5. NIVELES DE CORROSIÓN .......................................................... 85


5.1.1. Materiales y preparación de probetas ................................... 85

5.1.2. Descripción de la técnica experimental ................................. 86

5.1.3. Descripción de los ensayos ................................................ 87


5.3. Conclusiones ...................................................................... 92

6. ANÁLISIS MEDIANTE SEM y EDX................................................... 93


6.1.1. Materiales y preparación de muestras ................................... 93

6.1.2. Descripción de los ensayos ................................................ 93


6.3. Conclusiones ...................................................................... 98

CAPÍTULO III: FUNCIÓN DE EXTRACCIÓN ELECTROQUÍMICA DE CLORUROS ..... 101

7. FUNCIÓN DE EEC MEDIANTE PASTAS CON NTC ............................... 103

7.1. Procedimiento experimental ................................................. 103

7.1.1. Fabricación y ataque de probetas de hormigón armado ............ 103

7.1.2. Caracterización del hormigón ........................................... 105


11

7.1.3. Preparación de los sistemas anódicos .................................. 106

Serie 1: Ataque interno ....................................................... 107

Serie 2: Ataque externo ....................................................... 109

7.1.4. Aplicación de la técnica de EEC ........................................ 109

7.1.5. Descripción del análisis del contenido en cloruros ................... 110

7.2. Resultados y discusión ......................................................... 111

Caracterización previa del hormigón ........................................ 111

Evolución experimental – Serie 1: Ataque interno ........................ 111

Perfiles de cloruros - Serie 1: Ataque interno ............................. 113

Evolución experimental – Serie 2: Ataque externo ........................ 115

Perfiles de cloruros - Serie 2: Ataque externo ............................. 117

7.3. Conclusiones .................................................................... 119

CAPÍTULO IV: FUNCIÓN DE APANTALLAMIENTO DE INTERFERENCIAS

ELECTROMAGNÉTICAS ......................................................................... 121

8. FUNCIÓN DE APANTALLAMIENTO EMI MEDIANTE PASTAS CON NTC ....... 123


8.1.1. Fabricación de probetas ................................................. 123

8.1.2. Dispositivo de medida .................................................... 125

8.1.3. Ensayo de probetas ....................................................... 126


8.3. Conclusiones .................................................................... 130

CAPÍTULO V: FUNCIÓN DE PERCEPCIÓN DE LA DEFORMACIÓN ................... 131

9. E-1: PERCEPCIÓN EN PROBETAS 4x4x16 cm3 ................................. 133


9.1.1. Fabricación de probetas ................................................. 134

9.1.2. Ensayos de caracterización complementaria ......................... 134

Velocidad de propagación de ultrasonidos (VPU) .......................... 134

Resistencia a flexotracción ................................................... 135

Resistencia a compresión ..................................................... 135

Densidad y porosidad (balanza hidrostática) ............................... 135

Porosimetría por intrusión de mercurio (PIM) .............................. 135

9.1.3. Descripción del ensayo de percepción ................................. 136


9.2.1. Ensayos de caracterización complementaria ......................... 139

9.2.2. Resultados previos al ensayo de percepción .......................... 141

9.2.3. Ensayos de percepción de la deformación ............................ 146


12

Influencia de la edad y condiciones de curado ............................ 146

Influencia de la intensidad de corriente aplicada ......................... 149

Influencia de la velocidad de aplicación de la carga ..................... 153

Influencia de la carga máxima aplicada .................................... 154

Análisis de FG como parámetro representativo de la percepción de la

deformación ...................................................................... 159

9.3. Conclusiones del Estudio-1 ................................................... 160

10. E-2: DURABILIDAD DE LA PERCEPCIÓN ........................................ 161

10.1. Procedimiento experimental ................................................ 161

10.1.1. Fabricación y acondicionamiento de probetas ...................... 161

10.1.2. Descripción del ensayo de percepción ............................... 163

10.1.3. Registro de niveles de corrosión ...................................... 163

10.2. Resultados y discusión ....................................................... 164

10.2.1. Resultados del estudio preliminar .................................... 164

10.2.2. Ataque por carbonatación .............................................. 166

10.2.3. Ataque por cloruros externos .......................................... 170

10.2.4. Ataque por cloruros internos .......................................... 173

10.2.5. Estudio derivado: Influencia del contenido en humedad .......... 178

Resultados de subestudio 1 (patrones) ...................................... 179

Resultados de subestudio 2 (control de humedad) ........................ 182

10.3. Conclusiones del Estudio-2 .................................................. 188

11. E-3: MONITORIZACIÓN DE UN PILAR DE HA .................................. 189


11.1.1. Fabricación de sensores embebibles (prefabricados) .............. 189

11.1.2. Fabricación de los pilares .............................................. 191

11.1.3. Fabricación de sensores externos (in situ|prefabricados) ......... 193

Sensores del Pilar 1 (In situ) .................................................. 193

Sensores del Pilar 2 (Prefabricados) ......................................... 195

11.1.4. Descripción de los ensayos ............................................. 196

Caracterización del hormigón en masa ..................................... 196

Ensayos de percepción de la deformación .................................. 197


11.2.1. Resultados relativos al Pilar 1 ......................................... 198

11.2.2. Resultados relativos al Pilar 2 ......................................... 204


12. E-4: SENSORES EMBEBIDOS EN PROBETAS CILÍNDRICAS DE HM ............ 210


13


12.1.1. Fabricación de sensores ................................................ 210

12.1.2. Fabricación de probetas de hormigón ................................ 212

12.1.3. Descripción de los ensayos ............................................. 213


12.2.1. Caracterización previa de sensores ................................... 215

12.2.2. Ensayos de probetas con sensores embebidos ....................... 216


CAPÍTULO VI: CONCLUSIONES GENERALES Y FUTURAS VÍAS DE INVESTIGACIÓN223

13. CONCLUSIONES GENERALES .................................................... 225

14. FUTURAS VÍAS DE INVESTIGACIÓN ............................................. 227

CAPÍTULO VII: REFERENCIAS E ÍNDICES .............................................. 229

15. BIBLIOGRAFÍA .................................................................... 231

16. ÍNDICE DE FIGURAS .............................................................. 241

17. ÍNDICE DE TABLAS ............................................................... 250

18. ÍNDICE DE ACRÓNIMOS Y ABREVIATURAS ..................................... 251

15

CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN Y

OBJETIVOS

Introducción y objetivos

17

1. INTRODUCCIÓN Y ESTADO DEL ARTE

Tras el agua, el hormigón es el segundo recurso más empleado en el mundo.

Aunque requiere un consumo intensivo de energía y materias primas en su proceso de

fabricación, se trata de un material con un perfil ecológico más sostenible que otros

materiales de construcción como la cerámica, el vidrio, los polímeros o el propio

acero, que habitualmente le acompaña en su diseño estructural (Han, Ding y Yu

2015). Ello unido a constantes investigaciones llevadas a cabo para mejorar su índice

de sostenibilidad, auguran por delante mucho tiempo al hormigón como material

predominante en la industria de la construcción. La ciencia por tanto, continúa pres-

tando gran atención al avance en el conocimiento de su comportamiento y sus distin-

tas aplicaciones.

Una de las actuales líneas de investigación en la tecnología del hormigón se

halla en el desarrollo de su multifuncionalidad, que consiste en dotar al hormigón de

múltiples funciones distintas a su función principal, la estrictamente estructural,

lógicamente sin perjudicar a ésta última. Entre las funciones que puede desarrollar

esta generación de materiales se encuentran: la percepción de la deformación y el

daño estructural, el apantallamiento de ondas electromagnéticas, la función de cale-

facción, y su empleo como ánodo en las técnicas de extracción electroquímica de

cloruros y de protección catódica (Garcés et al. 2010).

El logro de un material estructural multifuncional en lugar de una combinación

de materiales estructurales no funcionales y materiales funcionales no estructurales

conllevaría una reducción de costes, una mejora de la durabilidad y la capacidad de

reparación, el aumento del volumen funcional, la simplificación del diseño y evitaría

la degradación de las propiedades mecánicas. No obstante, en la fase actual de desa-

rrollo, la tendencia investigadora se orienta hacia el empleo de los materiales multi-

funcionales no tanto con un requerimiento estructural sino con un carácter auxiliar

respecto del elemento estructural, con el fin de optimizar las distintas funciones

solicitadas en cada caso.

Una de las categorías de materiales cementicios multifuncionales son los mate-

riales cementicios eléctricamente conductores (Chung 2002a). De acuerdo con la lite-

ratura científica disponible, son varias las partículas conductoras que se pueden in-

troducir en la matriz cementicia tradicional (de base cemento Portland) al objeto de

obtener y estudiar las diferentes funciones que los nuevos materiales multifunciona-

les son capaces de desarrollar. Entre estas partículas se encuentran los materiales

carbonosos, que incluyen las fibras de carbono y el polvo de grafito.

Por su parte, el avance de la nanotecnología (término empleado para referirse

a las ciencias y técnicas que se aplican en el nivel de la nanoescala, <100 nm) ha

permitido el descubrimiento de nuevas nanopartículas conductoras, como son las

nanofibras de carbono (NFC) y los nanotubos de carbono (NTC). En síntesis, la nano-

ciencia conduce a la posibilidad de fabricar materiales y máquinas a partir del reor-

denamiento de átomos y moléculas. Por sus excelentes características mecánicas,

eléctricas, térmicas y de estabilidad química, estas nuevas nanopartículas carbonosas

Capítulo I

18

ofrecen la posibilidad de conformar una innovadora generación de composites ce-

menticios multifuncionales de altas prestaciones.

Es por ello que durante los últimos años, se vienen invirtiendo considerables es-

fuerzos encaminados al estudio y desarrollo de nuevos composites cementicios adi-

cionados con nanomateriales carbonosos. Concretamente, el grupo de investigación

en Hormigones Conductores Funcionales de la Universidad de Alicante continúa avan-

zando en esta línea tras la experiencia acumulada en numerosas investigaciones rea-

lizadas con la distinta tipología de partículas conductoras. Es en este marco, donde la

presente Tesis define como objetivo principal el desarrollo de distintas funciones por

medio de composites cementicios que incorporan la adición hasta ahora menos inda-

gada, los nanotubos de carbono.

1.1. NANOTUBOS DE CARBONO La nanotecnología se caracteriza por ser un campo esencialmente multidiscipli-

nar, y cohesionado exclusivamente por la escala de la materia con la que trabaja

(rango inferior a 100 nm). Análogamente a otras industrias, la nanociencia también

ofrece un amplio abanico de aplicaciones a la industria de la construcción, pudiendo

mejorar las propiedades de materiales tradicionales como el hormigón, añadir fun-

cionalidades a otros materiales existentes (por ejemplo, ofreciendo las propiedades

de autolimpieza, antibacterias y de reducción de los efectos contaminantes en pintu-

ras, recubrimientos y vidrios), o introduciendo nuevos materiales para cubrir nuevas

necesidades detectadas, como los aerogeles de silicio para aislamiento, o los inhibi-

dores de corrosión nanoencapsulados para la protección del acero. Esta ciencia por

tanto se dibuja con un gran potencial para reducir el impacto medioambiental de las

estructuras así como para disminuir los costes asociados a las infraestructuras civiles

(Hanus y Harris 2013).

Entre los materiales nanocarbonosos conocidos hasta la fecha se encuentran las

nanofibras de carbono (NFC), los nanotubos de carbono (NTC) y los nanoplatelets de

grafito (NPG). Por ser el empleo de la adición de NTC el objeto de estudio de este

trabajo nos centramos a continuación en la definición de sus características.

Hasta mediados de la década de los 80, se creía que el carbono puro en estado

sólido sólo existía en dos formas físicas (alótropos): el diamante y el grafito, que tie-

nen diferentes propiedades aunque sus átomos se encuentran enlazados por medio de

redes covalentes. En 1985, un grupo de investigadores dirigido por Richard Smalley y

Robert Curl en la Rice University (Houston), y Harry Kroto en la University of Sussex

(Inglaterra) llevaron a cabo un interesante descubrimiento. Vaporizaron una muestra

de grafito con luz láser y usaron un chorro de gas helio para introducir el carbono

vaporizado en un espectrómetro de masas. Los resultados mostraron picos asociados

a clusters de átomos de carbono, con un pico particularmente pronunciado corres-

pondiente a moléculas compuestas por 60 átomos de carbono. Esta molécula C60

(Figura 1), con forma de balón de fútbol, fue denominada buckerminsterfullerene o

buckyball abreviado (Siddique y Mehta 2014).


19

Figura 1. Buckminsterfullereno («BUCKMINSTER FULLERENE» 2002)

Las propiedades geométricas únicas del nuevo alótropo del carbono no eran ex-

clusivas del C60, posteriormente se descubrió que los átomos de carbono también

pueden formar estructuras cilíndricas tubulares, llamadas originalmente buckytubes,

y conocidas actualmente como nanotubos de carbono (NTC, o CNT de carbon nanotu-

bes en inglés). En conjunto, esta nueva tipología de alótropos del carbono se conoce

hoy con el término de fullerenos. Fue en 1991 cuando el científico japonés Sumio

Iijima observó por primera vez los NTC, que aparecieron depositados en el cátodo de

un arco de descarga empleado para la producción de fullereno (Iijima 1991). Aquellos

productos constaban de varias láminas de grafeno tubulares dispuestas en forma co-

axial (se trataba de NTC multicapa, en inglés multi-walled carbon nanotubes o

MWCNT), con una longitud de 1 µm y un diámetro de entre 4 y 30 nm. Dos años más

tarde, Bethune et al. e Iijima e Ichihashi observaron de manera independiente NTC

monocapa (single-walled carbon nanotubes o SWCNT) con un diámetro en torno a 1

nm, cuando experimentaban con partículas metálicas (polvo de cobalto y hierro, res-

pectivamente) en un arco de descarga. En torno a esa fecha se descubrieron las pro-

piedades singulares, de superconductividad y ferromagnetismo, que presentan los

fullerenos (See y Harris 2007).

Tipos de NTC

Como ya se ha apuntado, distinguimos dos tipos principales de nanotubos de

carbono: los NTC monocapa (SWCNT) y los NTC multicapa (MWCNT); véase la Figura

2. Un SWCNT es una estructura formada por una única lámina de grafito (también

llamada lámina o plano de grafeno) enrollada en forma de cilindro hueco continuo.

Su diámetro se halla en torno a 1 nm y poseen una relación de aspecto (relación lon-

gitud/diámetro) típicamente en torno a 1000 (aunque puede ser mucho mayor, su-

perando la ratio 107), por lo que pueden considerarse estructuras prácticamente uni-

dimensionales.

Capítulo I

20

(a)

(b)

Figura 2. Representación de: (a) SWCNT (Odom et al. 2000), (b) MWCNT (Siddique y Mehta 2014).

En un SWCNT, el ángulo quiral (θ) define el “grado de helicoicidad” (o quirali-

dad) con el que la lámina de grafito se enrolla para conformar la estructura del nano-

tubo. Puede definirse gráficamente a partir del llamado vector quiral (ver Figura 3):

Ecuación 1

Donde y son los vectores unitarios de la célula hexagonal de grafito y

(n,m) son dos números enteros que definen las coordenadas del vector. Los valores

de n y m determinan la estructura del nanotubo, dando lugar a los siguientes tipos:

‒ Zig-zag, cuando m = 0

‒ Armchair, cuando n = m

‒ Quiral, el resto de configuraciones

Además de la estructura del nanotubo, el vector quiral también determina su

diámetro e influye directamente en sus propiedades eléctricas como se verá más

adelante.

Figura 3. Representación del vector quiral (See y Harris 2007) y tipos de SWCNT según su estructura (Grobert 2007).

Por su parte, los MWCNT se pueden entender como estructuras formadas a par-

tir de varios SWCNT concéntricos con diferentes diámetros. La distancia interlaminar

es similar a la distancia entre los planos de grafeno en el grafito, aproximadamente

3.3 Å. En general, cada capa tendrá una quiralidad diferente, por lo que se pueden


21

alternar aleatoriamente capas conductoras y capas semiconductoras. La longitud y

diámetro de los MWCNT difieren en gran medida de los SWCNT, y en consecuencia,

muestran propiedades diferentes. Un caso particular de MWCNT son los DWCNT (dou-

ble-walled carbon nanotubes, NTC de doble capa), que tienen una morfología y pro-

piedades muy similares a los SWCNT.

Propiedades de los NTC

En la escala nanométrica las propiedades de la materia vienen determinadas

por la mecánica cuántica. La disposición y comportamiento de los átomos de carbono

en la estructura constituyente de los NTC se traduce macroscópicamente en una se-

rie de propiedades singulares. No obstante, conviene indicar que en las aplicaciones

actuales de los NTC no es posible hacer uso de sus propiedades como partículas indi-

viduales, sino que todos los avances implementados en productos comerciales se ba-

san en las propiedades de los NTC como conjunto de partículas. Los datos reportados

en la bibliografía sobre propiedades eléctricas y mecánicas varían significativamente

de unos autores a otros (Grobert 2007), lo que se explica por la diferente tipología de

NTC ensayada para la obtención del valor experimental. Esto resulta un escollo para

las aplicaciones prácticas que requieren de propiedades uniformes, incluyendo los

aspectos característicos mencionados: dimensiones (longitud y diámetro), quiralidad

y número de capas. Por otro lado, los diferentes métodos de síntesis de NTC desarro-

llados producen nanotubos con distinto grado de impurezas y defectos en su estructu-

ra.

Con todo ello, no puede detallarse una exhaustiva caracterización de los NTC

de manera general. Sólo es posible dar una descripción de las propiedades eléctricas,

mecánicas y térmicas, en términos de órdenes de magnitud, que globalmente carac-

terizan a los NTC. Describimos estas propiedades a continuación:

Conductividad eléctrica

Dependiendo de las coordenadas del vector quiral (n,m) los SWCNT pue-

den exhibir propiedades conductoras o semiconductoras. Cuando el valor de

2n + m resulta un múltiplo de 3, el nanotubo exhibe un comportamiento

metálico o conductor; en otro caso, el SWCNT presenta propiedades semicon-

ductoras. Así, la estructura armchair siempre es conductora, y cualquier otra

estructura será semiconductora. En una distribución aleatoria, puede esperar-

se que 1/3 del total de SWCNT sean conductores, y los 2/3 restantes semi-

conductores (Bandaru 2007). En la Tabla 1 se incluyen los órdenes de magni-

tud de resistividad eléctrica de los NTC comparados con otras nanoadiciones

carbonosas.

Propiedades mecánicas

Los NTC poseen propiedades de elevada rigidez y resistencia axial gra-

cias a los enlaces sp2 que unen los átomos de carbono. De hecho, en términos

de resistencia a tracción y módulo de elasticidad, son el material más resis-

tente y rígido conocido hasta la fecha. En ensayos realizados sobre MWCNT

individuales se han obtenido resistencias en el orden de los 50 GPa. Como va-

Capítulo I

22

lor comparativo puede tomarse el del acero con una resistencia a tracción de

1-2 GPa.

Propiedades térmicas

Como resultado de los fuertes enlaces atómicos, los NTC no sólo resisten

altas temperaturas (hasta 750 °C en condiciones normales, y 2800 °C al vac-

ío), sino que presentan una elevada conductividad térmica. El valor de con-

ductividad térmica se halla en torno a los 2000 W/m/K, cinco veces mayor

que el del cobre (400 W/m/K) y situado en el mismo orden de magnitud que

el valor propio del diamante (Eatemadi et al. 2014).

La Tabla 1 resume las propiedades representativas de los NTC, comparadas con

las de los otros nanomateriales carbonosos también usados como adición en la fabri-

cación de composites cementicios.

Tabla 1. Propiedades de nanomateriales carbonosos (Han et al. 2015).

Propiedad MWCNT SWCNT CNF NGP

Módulo de elasticidad (TPa) 0.3-1 1 0.4-0.6 1 (en el plano)

Resistencia (GPa) 10-60 50-500 2.7-7.0 10-20

Resistividad eléctrica (µΩ·cm) 5-50 55 50 (en el plano)

Dimensiones (D: diámetro externo, L: longitud)

D: 2-30 nm L: 0.1-50 µm

D: 0.75-3 nm L: 1-50 µm

D: 50-200 nm L: 50-100 µm

D: 1-20 µm Espesor: ~30 nm

Área superficial (m2/g) >400 ~200 ~2630

Relación de aspecto ~1000 100-500 50-300

1.2. COMPOSITES CEMENTICIOS CON ADICIÓN DE NANOTUBOS DE CARBONO

Los materiales cementicios (pastas, morteros y hormigones) presentan, en me-

nor o mayor grado, un buen comportamiento mecánico. Tradicionalmente, las inves-

tigaciones de los materiales cementicios empleados en obra civil y edificación han

estado orientadas al estudio de sus propiedades mecánicas y durabilidad, debido a su

única función estructural. No obstante, en los últimos años se viene trabajando en

una nueva línea dentro de este campo: la mejora de algunas propiedades (eléctricas

principalmente) que permitan su aplicación en nuevas funciones complementarias

(no estructurales), convirtiéndose en materiales multifuncionales. La elevada resis-

tencia eléctrica de los materiales cementicios puede ser modificada mediante la adi-

ción de un material conductor (materiales carbonosos o fibras de acero), obteniéndo-

se materiales compuestos conductores con un nuevo y amplio rango de aplicaciones,

es decir, con un valor añadido. De esta manera se está transformando un material

cementicio convencional en un material cementicio conductor multifuncional

(MCCM).

Actualmente la demanda de estructuras llamadas inteligentes, capaces de de-

tectar determinados estímulos y responder a ellos de forma adecuada, ha impulsado


23

la búsqueda de materiales de construcción con no sólo buenas propiedades mecáni-

cas y de durabilidad, sino además con otras funciones añadidas. Por ello en los últi-

mos años muchos grupos de investigación trabajan en el desarrollo de materiales

multifuncionales que combinen propiedades estructurales y funcionales.

La multifuncionalidad consiste en aprovechar el propio material estructural pa-

ra realizar otras funciones no estructurales, sin necesidad de ningún tipo de disposi-

tivo externo. De esta forma se reduce el coste, se simplifica el diseño, mejora la

durabilidad, aumenta el volumen funcional, puesto que la función la lleva a cabo

toda la estructura, y se minimiza la degradación de las propiedades mecánicas que

normalmente se produce al usar dispositivos embebidos.

No obstante, dejando a un lado las funciones estructurales, también es posible

crear MCCM (pastas o morteros) que sean capaces de llevar a cabo múltiples funcio-

nes sin necesidad de aportar propiedades resistentes. Estos materiales compuestos

podrían ser adheridos a las estructuras convencionales (mediante proyección, exten-

dido o adhesión con resinas) para dotarlas de nuevas propiedades. Esta nueva vía de

trabajo es, por supuesto, complementaria a la anterior, permitiéndonos avanzar tec-

nológicamente por dos frentes distintos.

Las propiedades funcionales incluyen la función de percepción de la deforma-

ción, percepción del daño, sensor de temperatura, control térmico, reducción de

vibraciones, apantallamiento de ondas electromagnéticas y como ánodo para extrac-

ción electroquímica de cloruros, entre otras. La multifuncionalidad se consigue in-

corporando a la matriz cementicia una adición conductora, como pueden ser los ma-

teriales carbonosos conductores, que deben conferirle propiedades funcionales man-

teniendo o incluso mejorando sus características estructurales y que sean compati-

bles con una amplia variedad de matrices cementicias.

Por sus excelentes propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas, los nanotubos

de carbono (NTC) se vienen utilizando extensamente en el desarrollo de una amplia

gama de materiales compuestos (composites) basados en polímeros. Constituyen por

tanto una adición con análogo potencial para el desarrollo de una nueva generación

de materiales de construcción multifuncionales, con mejoradas prestaciones y pro-

piedades. El estudio y desarrollo de los materiales compuestos de matriz cementicia

que contienen NTC abre una nueva vía para la obtención de MCCM, posiblemente más

eficaces y con ampliados campos de aplicación respecto a los empleados actualmen-

te.

Aunque comunes a la mayoría de matrices, los problemas de estos compuestos

cementicios adicionados con partículas conductoras se han centrado en tres aspectos

básicos: la unión entre ambas fases (nanomaterial y matriz), la trabajabilidad de las

mezclas en estado fresco y la dispersión de la adición en la matriz. La unión nanoma-

terial-matriz se ha venido mejorando básicamente con el tratamiento superficial de

las fibras, mediante calor, ozono, silano, etc., o bien mediante la adición de látex,

metilcelulosa o humo de sílice. En cuanto a la trabajabilidad, su disminución suele

compensarse con el uso de superplastificantes. La mejora en la dispersión de estos

nanomateriales con la matriz es quizás el aspecto clave aún por solventar; se discu-

tirá sobre este factor más adelante.

Capítulo I

24

1.2.1. FABRICACIÓN DE COMPOSITES CEMENTICIOS CON NTC

Tras décadas de desarrollo, el método de fabricación de los materiales de cons-

trucción basados en cemento Portland tradicional, como es el hormigón armado, está

bien definido y es ampliamente conocido. Sin embargo, la incorporación de NTC en la

matriz cementicia conlleva nuevas interacciones en el seno de la matriz. En base a

ello, es necesario considerar ciertos factores que tendrán influencia sobre las propie-

dades del composite resultante. Estos factores incluyen:

a) Tipo de NTC usados.

b) Técnica adoptada para dispersar los NTC en la matriz cementicia.

c) Trabajabilidad de la mezcla en estado fresco.

En relación al primer aspecto apuntado, algunos investigadores han estudiado

los composites adicionados con SWCNT (Makar 2011), pero la mayoría de investiga-

ciones se centran en el estudio de composites a partir de MWCNT, con diámetros

típicamente en el rango entre 10 y 80 nm, longitudes que oscilan entre 10 y 100 µm,

y una pureza por encima del 90% (Konsta-gdoutos y Aza 2014). Existen dos razones

principales que explican esta tendencia: la primera es el coste de producción, mucho

más elevado para los SWCNT, lo que hace de los MWCNT una elección más económica

tanto para la investigación como para las aplicaciones prácticas. En segundo lugar, el

mayor diámetro de los MWCNT hace que sean más fáciles de dispersar gracias a su

menor área superficial.

En cuanto al segundo punto señalado, la dispersión de los NTC, al igual que su-

cede con las NFC, es difícil en la mayoría de medios acuosos debido a las elevadas

fuerzas de atracción (enlaces de Van de Waals) entre las partículas, que tienden a

causar aglomeraciones. El grado de dispersión logrado constituye un factor clave en

el desempeño de los composites resulantes, ya que una mala dispersión de las partí-

culas da lugar a la formación de defectos en el material y limita sus propiedades

mecánicas. Por el contrario, una buena dispersión de los NTC puede resultar en una

mayor área de contacto interfacial entre las nanopartículas y la matriz, además de

distribuir más uniformemente las tensiones en el composite. Resulta esencial, por

tanto, integrar técnicas de dispersión en el proceso de fabricación de los composites

con adición de NTC, para un uso más efectivo de sus propiedades.

Técnicas de dispersión

El problema de la dispersión es ampliamente reconocido, por lo que existen en

la literatura trabajos orientados al desarrollo de diferentes técnicas de dispersión. En

general, la dispersión puede ocurrir por la separación abrupta de los aglomerados en

fragmentos más pequeños (ruptura) o bien, debido a un continuo desprendimiento de

los fragmentos (erosión) que tiene lugar bajo una tensión relativamente menor. El

comportamiento de los nanomateriales frente a su dispersión dependerá de distintas

propiedades características como son: longitud de las partículas, densidad del mate-

rial, viscosidad de la mezcla y concentración de la adición.


25

Hasta la fecha, son múltiples los métodos químicos que se han empleado para

lograr una dispersión homogénea de los nanomateriales en distintas matrices polimé-

ricas, incluyendo el uso de disolventes, surfactantes y otras técnicas como funciona-

lización con ácidos y funcionalización no-covalente. Por otro lado, la aplicación de

ultrasonidos constituye la técnica física básica empleada habitualmente en combina-

ción con alguno de los métodos anteriores. La apuntada es la clasificación habitual-

mente establecida, distinguiendo técnicas físicas y métodos químicos (Parveen, Rana

y Fangueiro 2013).

La opción de dispersar las nanopartículas directamente en el amasado de la

pasta de cemento no es un método factible en la práctica puesto que el cemento

fragua en poco tiempo una vez en contacto con el agua. Por otro lado, el proceso de

mezclado habitualmente llevado a cabo en una amasadora automática, tampoco ase-

gura una adecuada dispersión de los NTC en la matriz cementicia. La estrategia

comúnmente empleada en la fabricación de los composites, consiste en realizar pri-

meramente la dispersión del nanomaterial en el agua de amasado, y a continuación

amasar la suspensión obtenida en una amasadora convencional. Sin embargo, el

método de dispersión de los nanomateriales en fase acuosa debe ser cuidadosamente

seleccionado para que no interfiera en el proceso de hidratación y propiedades de-

seables del material resultante. Por ejemplo, algunos surfactantes se han visto con

buena capacidad dispersante en matrices poliméricas, mientras que su uso ha repor-

tado problemas en la hidratación del cemento, oclusión de aire en la pasta de ce-

mento o reacción con las adiciones reductoras de agua.

Podemos decir que la dispersión de los nanomateriales en matrices cementicias

resulta incluso más complicada que en las matrices poliméricas. Una de las razones

es atribuible al tamaño de los granos de cemento. Al estar los nanomateriales sepa-

rados por granos de cemento, la eventual presencia de granos mayores conlleva la

ausencia de nanopartículas en algunas áreas, mientras que pueden presentarse en

mayor concentración en aquellas otras áreas donde los granos de cemento sean de

menor tamaño.

A continuación, se realiza una revisión de las técnicas dispersantes (técnicas

físicas y métodos químicos) halladas en la bibliografía. Cabe notar que los métodos

químicos no pueden directamente dispersar los nanomateriales en agua, sino que

actúan como facilitadores del proceso de dispersión. De ahí, que los métodos quími-

cos siempre sean utilizados en combinación con la aplicación de ultrasonidos.

Técnicas físicas: ultrasonidos

En un aparato de ultrasonidos, la diferencia de potencial eléctrica se

convierte en vibraciones mecánicas, que se transfieren al medio líquido y

conducen a la formación y desprendimiento de burbujas microscópicas (pro-

ceso de cavitación). Durante este proceso, se transmiten millones de ondas

con un gran aporte de energía a la suspensión, logrando así la dispersión del

nanomaterial en el medio acuoso. Yazdanbakhsh et al. (2010) obtuvieron bue-

nos resultados aplicando un tratamiento de ultrasonidos sobre una suspensión

de CNF (frecuencia de 20 kHz, amplitud al 50 %) durante 15 min con una pun-

ta de titanio.

Capítulo I

26

Sin embargo, el empleo de esta técnica no asegura una distribución

homogénea de las nanopartículas en el cemento, lo que quiere decir que la

consecución de una dispersión homogénea del nanomaterial en agua, no ga-

rantiza de la misma manera la obtención de una buena dispersión en el com-

posite final. Este hecho obliga al uso de técnicas químicas combinadas con ul-

trasonidos para mejorar la estabilidad de la dispersión, preservando así la dis-

persión del nanomaterial hasta la obtención del composite final.

Métodos químicos

Uso de surfactantes. Los surfactantes pueden mejorar la dispersión

acuosa de los nanomateriales reduciendo la tensión superficial del agua.

Además, favorecen la estabilidad de la dispersión como resultado de repulsio-

nes electrostáticas y/o estéricas entre las moléculas de surfactante absorbi-

das en la superficie del nanomaterial. No obstante, su capacidad dispersante

depende en gran medida de su concentración, y debe encontrarse la propor-

ción óptima para su empleo con matrices cementicias. Entre las concentra-

ciones estudiadas, Konsta-Gdoutos, Metaxa y Shah (2010) observaron la ido-

neidad de ratios surfactante/NTC de 4.0 y 6.25 en peso, para preparar disper-

siones acuosas homogéneas con 0.16 % en peso de MWCNT. El tratamiento de

ultrasonidos consistió en este caso, en un procesado a 500 W, amplitud al 50 %

y energía 1900 – 2100 J/min, aplicado en ciclos de 20 segundos.

Además de la concentración, se ha visto que el tipo y estructura del sur-

factante tiene también una influencia significativa en la dispersión resultante.

Entre los diferentes surfactantes utilizados como dodecilbencenosulfonato de

sodio (SDBS), sodio desoxicolato (NaDC), Triton X-100 (TX100), Goma Arábi-

ga (GA) y bromuro de hexadeciltrimetilamonio (CTAB), el primero de ellos

(aniónico) proporcionó la mejor dispersión acuosa de MWCNT, preparada con

una concentración de 2 % en peso de surfactante, y aplicando agitación

magnética (durante 10 min a 300 rpm) en combinación con ultrasonidos a 40

W durante 90 ciclos a intervalos de 90 segundos con 10 s de parada interme-

dia (Luo, Duan y Li 2009). Los resultados obtenidos fueron incluso mejores pa-

ra la combinación de los surfactantes SDBS y TX100, en la proporción 3:1 (en

peso). La capacidad dispersante observada sigue, en orden decreciente, la se-

cuencia siguiente: SDBS+TX100 > SDBS > NaDC+TX100 > NaDC > AG > TX100 >

CTAB.

El surfactante dodecilsulfato de sodio (SDS) (aniónico) también se ha re-

portado como un dispersante efectivo en la fabricación de composites cemen-

ticios adicionados con NTC (Yu y Kwon 2009). Sin embargo, uno de los incon-

venientes del uso de surfactantes como dispersante es la disminución de la

conectividad entre las nanopartículas dentro de la matriz, debida al bloqueo

que producen las moléculas del surfactante. Este hecho afecta negativamente

a las propiedades eléctricas y piezorresistivas de los composites resultantes.

La dispersión de nanomateriales carbonosos por medio de surfactantes

poliméricos también produjo dispersiones homogéneas (Cwirzen, Habermehl-

Cwirzen y Penttala 2008). La superficie de MWCNT pudo recubrirse con acido


27

acrílico mediante aplicación de ultrasonidos en medio acuoso. La metilcelulo-

sa es otro de los polímeros utilizados para preparar suspensiones estables de

NTC (Azhari y Banthia 2012).

Uso de aditivos y adiciones. Se ha visto que el uso de ciertos aditivos,

como los superplastificantes basados en policarboxilatos, también pueden

contribuir de manera efectiva a la dispersión de los NTC (Collins, Lambert y

Duan 2012). Entre los distintos aditivos empleados para el cemento, se obtu-

vieron dispersiones también estables con un agente oclusor de aire (ácido al-

quilbenceno sulfónico) y lignosulfonato. Sin embargo, el uso de un oclusor de

aire producía una disminución en la consistencia y la resistencia de los com-

posites resultantes. Por otro lado, la dosificación de lignosulfonato requerida

para lograr una adecuada dispersión resulta muy superior a los valores reco-

mendados por el fabricante, produciendo un retraso en el fraguado y endure-

cimiento de las mezclas de cemento, con el consiguiente detrimento en las

resistencias iniciales. El policarboxilato resultó ser el dispersante con mejores

resultados, así como el aditivo más compatible con el cemento en cuanto a

propiedades reológicas y resistentes.

El humo de sílice es una adición puzolánica común en la fabricación de

hormigones. Se trata de un polvo extremadamente fino de sílice amorfa, for-

mado por partículas esféricas de diámetro medio 150 nm (tamaño unas 100

veces inferior al cemento Portland). Chung (2005) y Toutanji, McNeil y Bayasi

(1998) encontraron que el uso de esta adición mejoraba la dispersión de mi-

crofibras en el cemento. Sanchez e Ince (2009) también estudiaron su efecti-

vidad en nanopartículas carbonosas (NFC), observando una influencia positiva

del humo de sílice en la dispersión de las nanofibras, aunque seguían existien-

do aglomeraciones de CNF en la mezcla final. La mejor dispersión conseguida

al adicionar humo de sílice se atribuye al menor tamaño de sus partículas res-

pecto al cemento, explicando la ruptura de las fuerzas de Van der Waals en-

tre NFCs. Así, sería posible lograr su separación mecánica durante el proceso

de amasado y reducir los clusters de NFC. Adicionalmente, las partículas de

humo de sílice presentes entre las nanofibras podrían también actuar como

precursor silíceo en la formación de fases ricas en Ca y Si y los granos de nu-

cleación para su crecimiento.

Funcionalización covalente. Otro de los métodos ampliamente utilizados

para mejorar la dispersión de los NTC y las NFC en agua o en matrices polimé-

ricas es la funcionalización covalente. Este método incluye el tratamiento de

los nanomateriales carbonosos con ácidos fuertes, como el ácido nítrico o una

mezcla de ácidos sulfúrico y nítrico (proporción en volumen 3:1) para oxidar

la superficie de las partículas y crear grupos funcionales como el carboxilo. Es

esta última opción, la mezcla de ácidos, la que ha ofrecido mejores resulta-

dos en composites cementicios con NTC. Li, Wang y Zhao (2007) observaron

que los NTC quedaban firmemente ligados a la fase C-S-H del cemento, debi-

do a los enlaces covalentes entre los grupos carboxilos (-COOH) o hidroxilos (-

Capítulo I

28

OH) unidos a los NTC y el C-S-H. No obstante, aunque los NTC funcionalizados

superficialmente pueden dispersarse homogéneamente en la matriz cementi-

cia, este tratamiento también puede dificultar la formación de una red con-

ductora tridimensional bien conectada a través de los NTC. Esta interconexión

entre los nanotubos es la que se requiere para lograr una buena conductividad

eléctrica y el desarrollo de propiedades piezorresistivas (Li, Wang y Zhao

2005).

Nasibulina et al. (2012) vieron que la funcionalización de NTC con ácidos

fuertes formaba fragmentos carbonosos carboxilados, que consistían en molé-

culas orgánicas formadas por anillos aromáticos condensados con varios gru-

pos funcionales. Aunque esos fragmentos tienen grupos funcionales que pue-

den reaccionar con el cemento, no contribuyen a las propiedades mecánicas

del composite puesto que sólo son pequeños fragmentos sin la estructura ne-

cesaria para resistir cargas mecánicas. Dichos fragmentos podrían eliminarse

mediante lavado con acetona, pero ello no solventa un segundo escollo: los

NTC floculan en la dispersión al añadir hidróxido cálcico, indicando la reac-

ción entre los grupos funcionales ligados a los NTC y los iones Ca2+.

Combinación de varios métodos químicos. Cwirzen, Habermehl-Cwirzen

y Penttala (2008) encontraron que la combinación del método de funcionali-

zación con el empleo de polímeros proporcionaba dispersiones de NTC en

agua más estables que cada una de las técnicas aplicadas por separado. Las

dispersiones de MWCNT (sin funcionalizar) usando ácido acrílico o goma arábi-

ca resultan estables durante dos horas, pero transcurrido ese tiempo tienden

a sedimentar. De manera análoga, las dispersiones de nanotubos funcionaliza-

dos ofrecen poca estabilidad en el largo plazo. Sin embargo, la sinergia de

ambos tratamientos simultáneos produce dispersiones estables durante más

de 2 meses. Esto se explica por la absorción del polímero en la superficie de

los nanotubos funcionalizados, y el consiguiente aumento de la barrera estéri-

ca que impide su reaglomeración.

De una manera similar, Han et al. (2012) encontraron muy efectiva la

capacidad dispersante de un surfactante (dodecilbencenosulfonato de sodio)

sobre una matriz cementicia adicionada con MWCNT funcionalizados con gru-

pos carboxilos.

Nuevas vías para la dispersión de NTC. Al objeto de evitar la problemá-

tica y el tiempo invertido en la dispersión de los nanomateriales carbonosos,

Nasibulin et al. (2009) propusieron un nuevo método de fabricación de los

composites por medio del crecimiento de las nanomateriales (NTC y NFC) so-

bre las partículas de cemento. La conceptualización de este método se repre-

senta esquemáticamente en la Figura 4. Las nanopartículas son generadas en

un reactor por deposición química de vapor (CVD) a 400-700 °C empleando

acetileno como precursor de carbono y monóxido y dióxido de carbono como

aditivos para aumentar el rendimiento. El reactor se alimenta continuamente

con cemento en polvo a razón de 30 g/h, actuando los óxidos (Fe2O3) presen-


29

tes en el cemento como catalizadores para el crecimiento de los nanomate-

riales, sin la necesidad de un catalizador soporte inicial (como sucede en el

proceso CVD convencional).

Figura 4. Representación del método de fabricación de nanocomposites propuesto por Nasibulin et al. (2009).

El mismo grupo de investigadores también logró el crecimiento de NTC

sobre partículas de humo de sílice, impregnadas con sal de hierro y usando

acetileno como precursor de carbono (Mudimela et al. 2009). A 600°C obtu-

vieron NTC con 5-10 capas y diámetros de 10-15 nm, como puede apreciarse

en la Figura 5. Como restricción a este método, también encontraron que las

partículas de cemento a esas temperaturas sufren cambios químicos y físicos.

Figura 5. Imágenes: (a) SEM de partículas de humo de sílice, (b) SEM de NTC crecidos sobre las partículas silíceas tratadas en las condiciones de síntesis, (c) TEM de los NTC obtenidos a 600°C sobre la superficie de las partículas

silíceas (Mudimela et al. 2009).

Producción de dispersiones de NTC a gran escala. Metaxa et al. (2012)

propusieron un proceso para la producción a gran escala de suspensiones de

MWCNT en medio acuoso. En este proceso, los NTC se dispersan homogénea-

mente en agua utilizando un surfactante (ratio en peso MWCNT/surfactante =

4.0) y un sonicador de punta. Cuando la dispersión preparada se centrifuga a

28000 rpm, los NTC comienzan a precipitar, teniendo lugar una completa se-

Capítulo I

30

dimentación tras 11 horas. La disolución de la fase superior es decantada has-

ta recuperar un 20 % del volumen inicial, y los NTC son redispersados en esta

disolución concentrada aplicando ultrasonidos durante 40 minutos. La medida

de la absorbancia óptica con espectroscopio revela una concentración 5 veces

superior respecto a la disolución original. Esta disolución concentrada puede

ser diluida para su posterior aplicación en composites cementicios.

1.2.2. HIDRATACIÓN DE COMPOSITES CEMENTICIOS CON NTC

Las reacciones de hidratación que tienen lugar en el seno de las matrices ce-

menticias adicionadas con partículas conductoras son, esencialmente, las mismas que

se producen en la hidratación del cemento base del composite. El cemento constitu-

ye a día de hoy el conglomerante por excelencia en la industria de la construcción, a

partir de la generalización del cemento Portland, desde que Joseph Aspdin lo paten-

tara en 1824. El cemento Portland se produce moliendo clínker, el cual se obtiene

por sinterización de una mezcla de caliza y arcilla, junto con algún componente adi-

cional como es el yeso, para el ajuste composicional del producto final.

El cemento Portland contiene fundamentalmente cuatro fases:

Silicato tricálcico, 3CaO·SiO2 (C3S).

Silicato bicálcico, 2CaO·SiO2 (C2S).

Aluminato tricálcico, 3CaO·Al2O3 (C3A).

Ferrito aluminato tetracálcico, 4CaO·Al2O3·Fe2O3 (C4AF).

Al amasar el cemento con agua, los primeros componentes que reaccionan son

los aluminatos, principales responsables del fraguado (solidificación de la pasta). La

hidratación del C3A y del C4AF, en presencia de yeso, da lugar principalmente a sul-

foaluminatos hidratados de calcio. El endurecimiento de la pasta de cemento, es

decir, el desarrollo de resistencia que sigue a la solidificación, está gobernada por la

hidratación de los silicatos. La hidratación del C3S y del C2S da lugar a silicatos hidra-

tados de calcio formando un gel rígido que se indica como C-S-H. Estas reacciones de

hidratación se pueden ilustrar de la siguiente forma:

Donde CH representa la portlandita (Ca(OH)2) y H el agua de amasado H2O.

El llamado gel C-S-H está compuesto de partículas extremadamente pequeñas

con una estructura laminar que tienden a aglomerarse en formaciones de unas pocas

micras de tamaño, caracterizadas por espacios interlaminares de pequeñas dimensio-

nes (< 2 nm) y por una gran área superficial (100-700 m2/g). La Figura 6 muestra un

modelo propuesto para describir esta estructura. Debido a la gran área superficial, el

gel C-S-H puede dar una resistencia considerable a la pasta de cemento. Su composi-

ción química no está bien definida pero una vez completada la hidratación, tiende a

corresponderse a la fórmula C3S2H3. El C-S-H representa aproximadamente el 50-60%

del volumen de la pasta de cemento completamente hidratada.


31

De acuerdo con las reacciones indicadas, la hidratación de los silicatos de cal-

cio también produce cristales hexagonales de hidróxido de calcio (Ca(OH)2, portlandi-

ta). Éstos tienen dimensiones del orden de unas pocas micras y ocupan entre el 20 y

el 25% del volumen de sólidos. No contribuyen a la resistencia de la pasta de cemen-

to. Sin embargo, el Ca(OH)2, así como el NaOH y el KOH que están presentes en pe-

queñas cantidades, son muy importantes en relación con la protección de las arma-

duras, porque dotan de un pH alcalino de hasta 13,5 a la disolución de los poros.

Figura 6. Modelo Feldman-Sereda para el gel C-S-H (Neville 2011).

Una vez que se incluye la nanoadición carbonosa en el seno de la matriz ce-

menticia, persiguiendo idealmente su distribución homogénea por medio de las

técnicas dispersantes descritas en el apartado 1.2.1, algunos autores han discutido la

influencia de su inclusión sobre la velocidad de las reacciones. Makar, Margeson y Luh

(2005) fueron los primeros en reportar una cierta aceleración en el progreso de las

reacciones de hidratación. Encontraron que la adición de SWCNT al cemento Portland

producía un aumento en la dureza Vickers hasta 6 veces superior al control, lo que

explicaban por una mejor hidratación del cemento. Sin embargo, este incremento

sólo se apreciaba a edades tempranas del composite, con una variación inexistente

tras 14 días. Los autores sugirieron que los SWCNT actúan como puntos de nucleación

para el crecimiento de los productos de hidratación (Figura 7). También apuntaban a

la diferente morfología de hidratación, que se produce en forma de estructuras reti-

culares en las que los SWCNT van siendo recubiertos por el gel C-S-H.

Luo, Duan y Li (2009) encontraron resultados similares en ensayos realizados

sobre MWCNT dispersados mediante la adición de surfactantes. Concluyeron que los

productos de hidratación del composite presentaban una estructura homogénea y

densa, formada a partir del recubrimiento de los MWCNT por el gel C-S-H. En este

proceso se genera una distribución en forma reticular que puentea las microfisuras

de la matriz cementicia.

Kowald y Trettin (2009) también investigaron el comportamiento de hidratación

de los composites adicionados con MWCNT. Sus ensayos se concentraron en el estudio

de la mezcla de silicato tricálcico puro y los MWCNT a partir de dispersiones que ob-

tenían por tratamiento combinado de ultrasonidos y adición de un superplastificante

basado en policarboxilato. Utilizando la técnica de análisis por termogravimetría

(TGA) analizaron la cantidad de Ca(OH)2 presente en las pastas endurecidas. Sus re-

Capítulo I

32

sultados concluían que los MWCNT tienen cierto efecto en la cantidad total de

Ca(OH)2 generada durante la hidratación, disminuyendo la proporción de Ca(OH)2

cristalina. Dado que la acumulación de la fase Ca(OH)2 cristalina contribuye a reducir

la resistencia y permeabilidad en la zona de transición interfacial árido-pasta de ce-

mento, la inclusión de los MWCNT podría conducir a una mejora de las propiedades

mecánicas y la durabilidad.

Figura 7. Formación del C-S-H sobre la red de NTC durante el proceso de hidratación a los (a) 60 min, (b) 135 min, (c) 180 min y (d) 240 min (Makar y Chan 2009).

1.2.3. PROPIEDADES MECÁNICAS DE COMPOSITES CEMENTICIOS CON NTC

Una buena parte de los trabajos publicados sobre NTC se refieren al uso de esta

adición como nanorrefuerzo de la matriz, con el propósito de obtener composites de

mejores prestaciones mecánicas. Las propiedades mecánicas caracterizadas incluyen

el módulo de Young, resistencias a compresión y flexión y el módulo de rotura, entre

otras. Uno de los estudios preliminares en esta línea, es el realizado por Campillo,

Dolado y Porro (2004), quienes estudiaron la influencia de adicionar los dos tipos de

NTC, MWCNT y SWCNT, en pastas de cemento. Los resultados obtenidos con MWCNT

ofrecían una significativa mejora de la resistencia a compresión en comparación con

los composites adicionados en igual proporción de SWCNT. Los autores atribuían esta

diferencia a la mejor dispersión lograda con la tipología MWCNT, gracias a la presen-

cia de defectos en su estructura que mejoran el anclaje (puntos de interacción) de

los nanotubos en el seno de la matriz.


33

En adelante, en la práctica totalidad de los estudios reportados en la literatura

domina la tipología MWCNT, adoptando un variado catálogo de técnicas dispersantes.

En la Tabla 2 se realiza una recopilación de los principales resultados obtenidos por

diferentes autores, especificando la técnica de dispersión utilizada en cada caso.

Inicialmente, el método de funcionalización covalente era una de las técnicas más

frecuentes en la fabricación de los composites para ensayos mecánicos. Posterior-

mente, se han usado con mayor profusión los surfactantes y polímeros con acción

fluidificante, mostrando estos últimos la mejor compatibilidad con las mezclas a base

de cemento Portland.

Tabla 2. Resumen de las mejoras logradas en las propiedades mecánicas de composites adicionados con NTC, por diferentes autores según las técnicas dispersantes adoptadas.

Tipo y % NTC* Técnica de dispersión Efecto en las propiedades mecánicas Autores

SWCNT, 1.0%; MWCNT, 1.0%

Agitación magnética y ultrasonidos

Resistencia a compresión aumenta un 6% y un 30% para SWCNT y MWCNT res-pectivamente

(Campillo, Dolado y Porro 2004)

MWCNT, 0.5% Funcionalización con mezcla de HNO3/H2SO4 y mezcla directa con cemento

Resistencia a compresión aumenta un 19% y resisten-cia a flexión un 25%. Porosi-dad total se reduce un 64% y los poros con diáme-tro>50nm se reducen un 82%

(Li, Wang y Zhao 2005)

MWCNT, 0.045% Funcionalización car-boxílica, ultrasonidos y ácido poliacrílico

Resistencia a compresión aumenta un 50%

(Cwirzen, Habermehl-Cwirzen y Penttala 2008)

MWCNT, 0.2% Agitación magnética, ultrasonidos y surfactan-te (NaDC)

Resistencia a compresión aumenta un 29.5% y resis-tencia a flexión un 35.4%

(Luo, Duan y Li 2009)

MWCNT, 0.5% Solvente (acetona) y ultrasonidos

Resistencia a compresión aumenta un 11% con NTC sin tratar, y 17% con NTC trat.

(Musso et al. 2009)

Partículas híbridas NTC-cemento

Crecimiento de NTC sobre las partículas de cemento

Resistencia a compresión más de 2 veces superior.

(Nasibulin et al. 2009)

NTC, 1.0%, con ceniza volante

Ultrasonidos Resistencia a compresión aumenta un 10%

(Chaipanich et al. 2010)

MWCNT, 0.08% Ultrasonidos y surfac-tante

Módulo de Young aumenta un 45% y resistencia a flexión un 25%

(Konsta-Gdoutos, Metaxa y Shah 2010a)

NTC, 0.02% Nano metacaolín, 6%

Mezcla en seco con el cemento

Resistencia a compresión aumenta un 11% respecto al mortero con metacaolín

(Morsy, Alsayed y Aqel 2011)

MWCNT, 1.0% Ultrasonidos Porosidad total disminuye un 16%, y área superficial un 23%

(Nochaiya y Chaipanich 2011)

MWCNT cortos, 0.2%

Ultrasonidos y super-plastificante

Resistencia a flexión mejora un 269% y ductilidad un 81%

(Abu Al-Rub, Ashour y Tyson 2012)

MWCNT, 0.5% Agitación magnética, ultrasonidos y adición de policarboxilato

Resistencia a compresión aumenta un 25%

(Collins, Lambert y Duan 2012)

Mezcla de SWCNT y MWCNT;

2 tipos de surfactantes (SDS y Brij 35) y ultraso-

Apenas existe variación en composites con 0.05% NTC.

(Sobolkina et al. 2012)

Capítulo I

34

MWCNT dopados con nitrógeno, 0.05% y 0.25%

nidos Tampoco con 0.25% NTC (ver Figura 10)

MWCNT, 0.1% Mezcla en seco/ en húmedo

Resistencia a compresión aumenta hasta un 8.5% con mezclado en seco y un 22% con mezclado en húmedo.

(Bharj et al. 2014)

MWCNT, 0.15 y 0.3% Con humo de sílice

Mezcla en seco. Adición de plastificante (basado en ácido policarboxílico)

Resistencia a compresión aumenta 20-30%

(Kim, Nam y Lee 2014)

*: % referido a masa de cemento Como se desprende de la Tabla 2, los resultados obtenidos carecen de homoge-

neidad entre el conjunto de investigadores que han tratado de caracterizar las pro-

piedades mecánicas de los composites adicionados con NTC. Esto se puede explicar

por las diferentes dosificaciones de NTC seleccionadas, incluyendo aquí la tipología

de NTC empleada y su caracterización estructural, así como la técnica dispersante

utilizada en cada caso para la elaboración de los composites. En última instancia

también se debe considerar el método de ensayo, adoptando diferentes procedimien-

tos (normativas) según la procedencia de los investigadores.

De entre los últimos estudios, Sobolkina et al. (2012) ensayaron dos tipos de

NTC: el primero consistía en una mezcla de NTC de tipo monocapa, doble capa y

multicapa (designados como mixed CNTs); el segundo es de tipo MWCNT dopados con

nitrógeno (identificados por N-CNTs). La metodología dispersante adoptada por estos

autores combina la aplicación de ultrasonidos con la reducción de la tensión superfi-

cial mediante el empleo de dos surfactantes: uno aniónico, el dodecilsulfato de sodio

(SDS), y otro no iónico, el Polioxietilen-23-lauril éter (Brij 35). La técnica utilizada

para evaluar las dispersiones fue la espectroscopía ultravioleta-visible, tomando el

valor de absorbancia para cuantificar el grado de dispersión. La Figura 8 reproduce

estos resultados.

Figura 8. Representación de la absorbancia en dispersiones de mezcla de NTC, en función de la concentración de surfactante y el tiempo de sonicado para (a) SDS, (b) Brij 35. Los valores en cursiva son los valores experimen-

talmente obtenidos; entre paréntesis se indican las ratios NTC:surfactante (Sobolkina et al. 2012).

En su interpretación, los autores identifican tres áreas: en el área I, el tiempo

de sonicado no tiene influencia significativa sobre la absorbancia; en el área II, al

aumentar la concentración de surfactante también aumenta la absorbancia (y por

tanto la dispersión de los NTC) aunque la aplicación de ultrasonidos pierde efectivi-


35

dad a medida que aumenta el tiempo de sonicado; y el área III, donde la mayor con-

centración de surfactante no aumenta la absorbancia, aunque sí se observa la in-

fluencia del tiempo de sonicado. Este comportamiento puede ser explicado por la

teoría de la formación de micelas, según la cual las moléculas de surfactante exhiben

un extremo hidrofílico y otro extremo hidrofóbico (Figura 9). Así, las partes hidrofó-

bicas son adsorbidas en la superficie del nanotubo y las hidrofílicas quedarían apun-

tando al exterior, derivándose la existencia de un valor de concentración crítico, de

equilibrio, que se corresponde con la situación II.

Figura 9. Representación esquemática de la disposición de las moléculas de surfactante absorbidas en la superfi-cie de los NTC: (I) baja concentración de surfactante, (II) concentración de equilibrio, (III) concentración sobre-

saturada de surfactante (Sobolkina et al. 2012).

Apoyándose en el estudio de dispersión descrito, para la elaboración de las pas-

tas de cemento adoptaron una ratio NTC:surfactante igual a 1:1, y 120 min como

tiempo de sonicado. Las dosificaciones de NTC estudiadas fueron 0.05 y 0.25% res-

pecto a masa de cemento, y la relación agua/cemento de 0.5. Dado que el uso de

estos surfactantes va acompañado de la formación espuma, también se añadió un

agente reductor de espuma en proporción 0.5 respecto a la masa de surfactante. Con

las mezclas preparadas se obtuvieron cilindros de diámetro 2 mm, que se ensayaron a

compresión tras 28 de curado. Los resultados obtenidos son los incluidos en la Figura

10.

Figura 10. Resultados de resistencia a compresión y resistencia a tracción obtenidos a 28 días por Sobolkina et al. (2012). Las barras de error indican la desviación estándar.

En las muestras de referencia, sin NTC y con 0.25% de surfactante respecto ma-

sa de cemento, puede observarse cómo el SDS conlleva una disminución apreciable

en la resistencia mecánica. En general, no puede con este estudio atribuirse una me-

Capítulo I

36

jora de las propiedades mecánicas a las dosificaciones de NTC estudiadas, notándose

la gran influencia de los parámetros de trabajo señalados, especialmente en relación

a las técnicas de dispersión.

Los estudios más recientes hallados en la literatura son los llevados a cabo por

Bharj et al. (2014) y por Kim, Nam y Lee (2014). El primero de ellos, empleó NTC de

tipo MWCNT con dosificación de 0.1% NTC respecto a masa de cemento con dos me-

todologías de preparación: una mediante mezclado en polvo de los NTC con el ce-

mento (powder mixing method, PMM), y otra mediante mezclado de los NTC en fase

acuosa (aqueous mixing method, AMM). La relación agua/cemento es de 0.425. En la

segunda metodología la dispersión se preparó aplicando 15 min de agitación magnéti-

ca y 90 min de ultrasonidos. De dimensiones 40 mm × 40 mm × 160 mm, los especí-

menes fabricados se curaron en agua hasta la edad de ensayo. La Figura 11 muestra

la evolución de la resistencia a compresión obtenida con los dos métodos de fabrica-

ción, respecto a la pasta referencia (sin NTC). Aun tratándose de un cemento base de

baja resistencia, la ganancia relativa de resistencia a compresión es patente para los

dos métodos estudiados, ofreciendo mejores resultados el mezclado en fase acuosa

(hasta un 22% de incremento, frente a un 8% para el método PMM).

Figura 11. Resistencia a compresión a diferentes edades de composites adicionados con 0.1% MWCNT. PMM: método de mezclado en polvo; AMM: método de mezclado en fase acuosa (Bharj et al. 2014).

Por su parte, los investigadores Kim, Nam y Lee (2014) obtuvieron composites

adicionando MWCNT a un mortero basado en cemento Portland con distintas dosifica-

ciones de humo de sílice. Realizaron un total de 12 mezclas, considerando adiciones

de 0%, 0.15% y 0.3% de NTC y 0%, 10%, 20% y 30% de humo de sílice. La proporción de

arena respecto al peso de cemento era del 110%, y también se utilizó un aditivo plas-

tificante (basado en ácido policarboxílico) dosificado al 1.6% respecto al peso de ce-

mento, minimizando el agua de amasado hasta el 25% respecto al peso de cemento.

Los materiales indicados se mezclaron primero en seco en una amasadora automática

(sin aplicar técnica dispersante). Con el mortero resultante se fabricaron especíme-

nes cilíndricos de 100 x 200 mm, que se curaron en condiciones de laboratorio hasta

su rotura a 14 días, siguiendo la norma ASTM C 39.

Los resultados obtenidos en este estudio son los reproducidos en la Figura 12,

en donde las muestras que no incorporan humo de sílice no se ven influenciadas por

la adición de NTC. En los composites adicionados con humo de sílice, la inclusión de


37

NTC parece mejorar la resistencia a compresión de la muestra patrón, aunque su

influencia no es proporcionalmente dependiente de la dosificación de NTC.

Figura 12. Resultados de resistencia a compresión a 14 días de composites adicionados con NTC y con distinta proporción de húmo de sílice (SF), obtenidos por Kim, Nam y Lee (2014).

De la revisión de los resultados reportados en la bibliografía, se desprende lo

imprescindible de especificar detallada y exhaustivamente la caracterización de los

NTC empleados, así como las técnicas dispersantes adoptadas para su homogeneiza-

ción en el composite resultante y, naturalmente, el método –normalizado o no- se-

guido para determinar la propiedad objeto de estudio. Aun con todo ello, la compa-

ración y discusión de resultados entre diferentes investigaciones habrá de realizarse

prudencialmente.

1.2.4. PROPIEDADES ELÉCTRICAS DE COMPOSITES CEMENTICIOS CON NTC

La inclusión de adiciones conductoras como son los NTC, con resistividades en

el orden de los 50 µΩ·cm, confiere nuevas propiedades eléctricas a los composites

resultantes, produciendo cambios en su conductividad así como en las propiedades

piezorresistivas de los mismos. El primer estudio reportado sobre resistividad eléctri-

ca en este tipo de composites fue el realizado por Wansom et al. (2006). En este es-

tudio los investigadores combinaron las técnicas de espectroscopía de impedancia AC

y reflectometría de dominio de tiempo para analizar la respuesta a edades tempra-

nas de composites basados en cemento portland con adición de MWCNT. Cabe notar

las dosificaciones empleadas, superiores respecto al resto de estudios hasta ahora

descritos, con adiciones del 0.75% y 1% en volumen. Los resultados muestran para los

nanocomposites estudiados una respuesta similar a la de los microcomposites de es-

tudios previos (reforzados con microfibras, fibras de carbono), observando una dismi-

nución tanto en la resistencia AC como en la resistencia DC del composite al aumen-

tar el contenido de MWCNT.

Seis años más tarde, Han et al. (2012) determinaron las características eléctri-

cas de composites con MWCNT funcionalizados con grupos carboxilo. Sus resultados

indicaban que estos composites tienen características resistivas y capacitativas, aun-

Capítulo I

38

que la capacitancia se observó insensible al fenómeno piezorresistivo. En la prepara-

ción de las muestras se utilizó el dodecilbencenosulfonato de sodio (SDBS, en concen-

tración 1.4 × 10-2 mol/L) como agente dispersante y fosfato de tributilo (0.25 vol.%)

como agente desespumante, en combinación con ultrasonidos (3h). Los especímenes

de ensayo eran cubos de lado 5.08cm, y los electrodos (malla de acero inoxidable de

la misma dimensión) se embebieron separados 1.5 cm. Se incluyen en la Figura 13 los

resultados de resistividad y capacitancia obtenidos con dos dosificaciones distintas:

0.1% y 0.5% MWCNT.

Figura 13. (a) Resistividad eléctrica y (b) capacitancia, a diferentes frecuencias, de composites cementicios adicionados con 0.1 y 0.5% MWCNT carboxilados. Medidas realizadas a 88 días, tras 60 días de acondicionamien-

to a 20°C y 48% HR (Han, Zhang, et al. 2012).

Según el gráfico (a) de la Figura 13 la resistividad de los dos composites dismi-

nuye al aumentar la frecuencia de ensayo. Los autores atribuían este efecto al com-

portamiento capacitativo asociado, que muestra el gráfico (b) de la misma figura. En

este caso, y de manera análoga, un aumento en la frecuencia de ensayo conduce a

una disminución en la capacitancia. Se proponía un modelo conductor para los com-

posites estudiados según el circuito equivalente indicado en la Figura 14. De acuerdo

con este modelo los composites adicionados con 0.5% NTC presentan una mejor red

conductora (menor Rc) y mayor número de interfaces capacitativas (mayor Cint) res-

pecto a los composites adicionados con 0.1% NTC.

Figura 14. Circuito equivalente para los composites adicionados con MWCNT carboxilados (Han, Zhang, et al. 2012). RC es la resistencia de los NTC en los composites, Rint y Cint son la resistencia en la interfaz y la capaci-

tancia en la interfaz de los composites, respectivamente.

El efecto reductor de la adición conductora (NTC) en la resistividad eléctrica de

los composites cementicios se debe a la formación de una red tridimensional conduc-


39

tora en el seno de la matriz. La resistencia eléctrica del composite resultante depen-

derá en gran medida de la red conductora establecida, y por tanto, la consecución de

una dispersión adecuada de los NTC en la matriz tiene un papel determinante en el

establecimiento de un entramado de NTC continuo y uniforme en el interior del com-

posite.

En ese mismo estudio los autores también reportaban el comportamiento repre-

sentado en la Figura 15, por el cual la resistencia medida en corriente continua (DC)

exhibía una variación en el tiempo, con tres escalones diferenciados: en primer lu-

gar, se produce un brusco incremento de la resistencia, seguido de un rápido aumen-

to (aunque no tan pronunciado) y finalmente un pequeño incremento que parece

tender a un valor estabilizado. Los autores atribuían la tendencia descrita al proceso

de carga del condensador, que sería más rápido en la etapa inicial para ir disminu-

yendo progresivamente. Este comportamiento ha sido reportado anteriormente por

otros autores (Cao y Chung 2004; Baeza 2011; Galao 2012), y suele aparecer referido

en la literatura como fenómeno de polarización cuando se atribuye a la redistribu-

ción de las cargas bajo la aplicación de un campo eléctrico.

Figura 15. Variación de la resistencia medida con el transcurso del tiempo (Han, Zhang, et al. 2012).

En otro estudio llevado a cabo por Singh et al. (2013), se realizó la caracteriza-

ción de la conductividad eléctrica obtenida en composites adicionados con elevadas

dosificaciones de NTC, hasta un 15% en masa de MWCNT. Los resultados indicados en

la Figura 16 fueron obtenidos a temperatura ambiente (27°C) con la técnica de 4

puntas sobre muestras rectangulares fabricadas al comprimir la pasta fresca en pe-

llets, hasta 5 t en un molde rectangular de 13 x 7 mm. Se observa cómo la conducti-

vidad va disminuyendo a medida que aumenta el contenido en NTC, existiendo una

diferencia de hasta 109 órdenes de magnitud entre la muestra patrón y el composite

con 15% NTC.

Capítulo I

40

Figura 16. Conductividad eléctrica de composites adicionados con distinta dosificación de NTC (Singh et al. 2013).

En el trabajo de Kim, Nam y Lee (2014) sobre el efecto de incorporar el humo

de sílice (HS) en composites adicionados con NTC, también se analizaron las propie-

dades eléctricas de los morteros de estudio. Con las mezclas obtenidas siguiendo el

mismo procedimiento indicado en la página 37, se fabricaron probetas de las dimen-

siones especificadas en la Figura 17, embebiendo cuatro electrodos de cobre (10 × 46

mm).

Las muestras se secaron en estufa (120°C) para eliminar el efecto del agua en

la conductividad eléctrica y se determinó la resistencia DC con el método de dos

puntas, según la configuración indicada en la misma figura. Dado que estos autores

también observaron el fenómeno de polarización, tomaron como valor de resistencia

DC característico el que se registraba tras 2 horas de conexión en el circuito alimen-

tado por el multímetro digital. Estos autores explicaban la polarización observada

por el desplazamiento de cargas positivas y negativas a través de la red de poros del

composite bajo la imposición del campo eléctrico establecido por la fuente de ali-

mentación.

Figura 17. Representación esquemática de la configuración empleada para obtener las lecturas de resistencia eléctrica (Kim, Nam y Lee 2014). Medidas expresadas en milímetros.

En la Figura 18 se representan los valores de resistencia eléctrica volumétrica

de los morteros adicionados con distintas dosificaciones de NTC y humo de sílice.

Según estos resultados, en ausencia de humo de sílice los NTC tenían una escasa in-

fluencia en la disminución de la resistencia eléctrica, oscilando sus valores en el in-

tervalo 106 – 108 Ω. Sin embargo, al aumentar el contenido en humo de sílice, parece


41

que la adición de NTC adquiere un mayor impacto en las propiedades eléctricas del

composite. El mayor descenso de resistencia eléctrica se obtuvo para el mortero con

0.3% NTC y 30% HS, con 104 Ω, lo que supone una disminución en 4 órdenes de magni-

tud respecto al mortero sin NTC y sin humo de sílice. Los autores explican estos re-

sultados por la mejor conectividad en la red de NTC lograda con la acción dispersan-

te del humo de sílice.

Figura 18. Resistencia eléctrica de composites adicionados con NTC y con distinta proporción de humo de sílice (SF) (Kim, Nam y Lee 2014)

Recientemente, también Konsta-gdoutos y Aza (2014) realizaron medidas de re-

sistividades sobre composites adicionados con NTC y NFC (dosificaciones 0.1% y 0.3%

respecto masa de cemento). La tipología de NTC utilizada fue MWCNT, y la técnica

de dispersión empleada se basa en la combinación de un surfactante (Glenium 3030)

y la posterior aplicación de ultrasonidos. Con una relación a/c de 0.3, la pasta ama-

sada (según ASTM 305) conforma especímenes de 20 × 20 × 80 mm³ instrumentados

con cuatro electrodos embebidos. Con el objeto de eliminar el efecto de polariza-

ción, una vez concluido el curado de 28 días, las muestras se secaron en estufa (3d a

60°C más 3d a 95°C). Las medidas se realizaron con el método de cuatro puntas

(Figura 19), aplicando una intensidad de corriente entre los electrodos externos, se-

parados 60 mm, y registrando el potencial entre los electrodos internos, distanciados

30 mm.

Figura 19. Montaje experimental para medida de resistividad en composites cementicios adicionados con NTC y NFC empleado por Konsta-gdoutos y Aza (2014).

Capítulo I

42

El efecto de adicionar diferentes dosificaciones puede observarse en la Figura

20. Además de las muestras descritas, los autores también incluyeron dos amasadas

de referencia dosificadas al 0.1% en las que la adición conductora no se sometía a

ningún tipo de tratamiento dispersante. Los valores representados se obtuvieron a

partir del promedio de lecturas registradas durante 25 min (cuando el efecto de pola-

rización se minimiza y las resistencias medidas se estabilizan). Los autores sugieren

que la mayor resistividad obtenida para las muestras con mayor contenido en nanoa-

dición es atribuible a una insuficiente dispersión de las nanopartículas, formando

aglomerados.

Figura 20. Resistividad media de pastas cementicias adicionadas con CNT y CNF, dosificadas al 0.1% y 0.3% res-pecto masa de cemento (Konsta-gdoutos y Aza 2014).

1.2.5. DURABILIDAD DE COMPOSITES CEMENTICIOS CON NTC

Nos referimos a la durabilidad de un material cementicio como a su capacidad

de resistencia frente a ambientes agresivos. Su durabilidad dependerá por tanto, de

la interconexión de la red de poros capilares y poros de mayor tamaño, lo que define

las propiedades de transporte del composite. Cuanto más permeable sea el material,

mayor facilidad tendrán los agentes agresivos para penetrar en su interior, generando

daños potenciales en su estructura interna o en las armaduras que se encuentren

embebidas.

Efectivamente, la pasta de cemento Portland formada por las reacciones de

hidratación contiene una red de poros de distinto tamaño, desde pocos nanómetros

hasta el orden del centímetro, parte de los cuales se hallan interconectados. La IU-

PAC realiza la clasificación de los poros atendiendo a su tamaño, como se muestra en

la Tabla 3 (Rouquerol et al. 1994).

Tabla 3. Clasificación de los poros según la IUPAC.

Tipo de poro Diámetro (nm)

Microporos <2 Mesoporos 2-50 Macroporos 50-10000

Aire atrapado, ocluido >10000


43

Los microporos, también llamados poros de gel, tienen un volumen aproxima-

damente igual al 30% del volumen de gel, y presentan el menor tamaño de poro clasi-

ficado. Éstos no afectan a la durabilidad del hormigón y su acción protectora sobre

las armaduras porque son demasiado pequeños para permitir un transporte significa-

tivo de especies químicas agresivas. Sin embargo, la presencia de tamaños de poro

iguales o superiores a los poros capilares, es decir, los huecos no rellenados por los

productos sólidos de la pasta de cemento endurecida, sí tendrán gran relevancia en

la durabilidad y protección de las armaduras. Los poros capilares comprenden los

mesoporos y los macroporos, con dimensiones que van desde los 10 nm hasta las 3-5

μm si el hormigón se prepara usando altas relaciones a/c o si no está bien hidratado.

Los poros de tamaño mayor, del orden de algunos mm, son el resultado del aire atra-

pado durante el amasado y no eliminado mediante la compactación del composite en

estado fresco. Mediante aditivos aireantes, también pueden introducirse intencio-

nalmente burbujas de aire con diámetros de aproximadamente 0,05-1 mm, de forma

que se produzca cierta resistencia a los ciclos de hielo-deshielo.

En vista de la gran influencia de la porosidad sobre las propiedades durables,

así como también sobre las características resistentes de los composites cementicios,

algunos autores han investigado la influencia de adicionar NTC en la estructura poro-

sa del material resultante y sus propiedades de transporte. Uno de los primeros estu-

dios hallados es el realizado por Li, Wang y Zhao (2005), quienes adicionaron morte-

ros con 0.5% MWCNT funcionalizados con una mezcla de ácido sulfúrico y ácido nítri-

co, y analizaron su porosidad mediante porosimetría por intrusión de mercurio (PIM).

Su estudio también incluyó un composite adicionado con 0.5% fibra de carbono sin

tratar, y la relación agua/cemento/arena común para los tres (incluyendo el patrón)

fue 0.45:1:1.5. Observaron que la adición de NTC disminuía la porosidad respecto al

mortero patrón. La Figura 21(a) muestra los resultados de PIM obtenidos, donde las

muestras con NTC presentan un comportamiento similar al patrón, con tendencia a

reducir el tamaño de poro. Estos resultados se hallan en coherencia con los ensayos

mecánicos realizados sobre las mismas dosificaciones (Figura 21(b)).

(a)

(b)

Figura 21. (a) Resultados de PIM a 28 días representando dV/dlogR versus radio de poro. (b) Típica curva tensión-deformación en los ensayos de rotura. PCC: Composite de Cemento Portland, PCCF: Composite con fibra de

carbono, PCNT: Composite con NTC (Li, Wang y Zhao 2005).

Más recientemente, Nochaiya y Chaipanich (2011) también emplearon la técni-

ca PIM para cuantificar la porosidad de pastas adicionadas con 0.5% y 1% MWCNT

Capítulo I

44

(dispersados aplicando ultrasonidos durante 1h) y con relación a/c igual a 0.5. El en-

sayo de porosimetría por intrusión de mercurio se realizó a 28 días, obteniendo los

resultados indicados en la Figura 22. De acuerdo con estas gráficas, la porosidad de

las pastas adicionadas tiende a reducirse con el contenido en NTC, lo que estaría

indicando la actuación de los NTC como filler interlaminar, situado entre los meso-

poros, y el consiguiente aumento en la densidad de la microestructura respecto a la

pasta de cemento control.

Figura 22. Análisis PIM de pastas con NTC: (a) volumen total de poros y (b) distribución de tamaño de poro (Nochaiya y Chaipanich 2011).

Otra de las técnicas empleadas para caracterizar la porosidad en estos compo-

sites es la nanoindentación (Konsta-Gdoutos, Metaxa y Shah 2010b). Con esta técnica

los autores pudieron diferenciar dos fases en el gel C-S-H, una de elevada rigidez y

otra menos rígida, así como una fase porosa, y encontraron que las muestras adicio-

nadas con MWCNT (en proporciones desde 0.025% hasta 0.08%) podían reducir la fase

porosa de los composites y aumentar la fase rígida principal (Figura 23). Además de

la nanoidentación, los autores también estudiaron la retracción autógena de las

muestras. Dado que este tipo de retracción es proporcional a la cantidad de poros de

diámetro inferior a 20nm, la detección de variaciones en la retracción autógena im-

plicaría un cambio en la estructura porosa del material. Los autores midieron reduc-

ciones de este tipo de retracción hasta de un 30%, lo que resulta atribuible a un me-

nor número de mesoporos en los compuestos que incorporan NTC.

Figura 23. Resultado del análisis de nanoindentación a 28 días, realizado sobre composites adicionados con dos tipos de MWCNT (diferente longitud) (Konsta-Gdoutos, Metaxa y Shah 2010b).


45

En un estudio sobre las propiedades de transporte de los composites adiciona-

dos con NTC, los autores Han et al. (2013) contribuyeron a un mejor conocimiento de

su microestructura y su durabilidad. Ensayaron morteros que incorporaban un 0.2%

MWCNT carboxilados, dispersados utilizando dos tipos de surfactantes (SDS y SDBS)

en combinación con ultrasonidos y determinaron la absorción de agua, la permeabili-

dad al agua y la permabilidad a gases. Observaron que, con independencia del sur-

factante empleado, los tres coeficientes obtenidos (absorción, permeabilidad al agua

y permeabilidad a gases) se veían reducidos en los composites que incorporaban NTC.

1.2.6. CORROSIÓN DE ARMADURAS EN COMPOSITES ADICIONADOS CON

NTC

Durante la hidratación de un cemento Portland se obtiene una disolución en los

poros altamente alcalina, con un pH superior a 13. Cuando se embeben armaduras de

acero como refuerzo del hormigón, en su superficie se forma una fina capa de óxido

protectora (capa pasivante), de escasos nanómetros de espesor. Sin embargo existen

ambientes agresivos o sustancias añadidas durante el amasado que pueden provocar

el inicio y avance de la corrosión del armado. Las causas por las que se puede des-

truir la capa pasivante son fundamentalmente dos:

La disminución de la alcalinidad del hormigón por reacción con sustancias áci-

das del medio, destacando el gas CO2 que da lugar a la carbonatación del

hormigón.

La presencia de iones despasivantes, esencialmente cloruros, que en cantidad

suficiente (superado el umbral crítico) pueden destruir localmente las capas

pasivantes. Estos iones pueden penetrar desde el exterior, o también podrían

haber sido añadidos durante el amasado.

Junto a estos factores desencadenantes existen otros que pueden acelerar la

velocidad de corrosión, tras la despasivación:

La humedad en el interior del hormigón, responsable por un lado de la compo-

sición de la disolución intersticial y de la resistividad eléctrica del hormigón, y

por otra, de la disponibilidad de oxígeno (sin la presencia simultánea de oxí-

geno y de humedad la corrosión no puede desarrollarse y sin una cantidad

mínima no puede desarrollarse a velocidades apreciables). Las velocidades de

corrosión son máximas cuando los poros contienen un grado de humedad alto,

pero sin llegar a la saturación (Andrade, Alonso y Sarria 1998).

La temperatura a la cual esté sometido el hormigón. Es conveniente destacar

que la humedad, el oxígeno y la temperatura pueden tener efectos

contrapuestos ya que una humedad elevada facilita la corrosión pero puede

llegar a impedir el acceso de oxígeno, o bien un incremento de temperatura

acelera el movimiento de los iones pero disminuye la condensación.

Influyen además otros factores, como los propios productos de corrosión, la

composición del hormigón, la orientación y tamaño de las fisuras, y los macropares

galvánicos (pilas de corrosión generadas entre dos áreas distanciadas unos pocos

decímetros, donde una de ellas actúa como ánodo, se corroe, y la otra actúa como

Capítulo I

46

cátodo, permanece pasiva). En el caso de estructuras de hormigón, y cuando se da la

combinación de las circunstancias indicadas, sucede la transición del estado pasivo al

activo y como consecuencia, el periodo de vida útil se puede reducir rápidamente.

En la cinética de este proceso, intervienen de manera relevante tanto la estructura

de la red de poros del material como el estado de fisuración.

La corrosión de las armaduras de acero embebidas en el hormigón representa

hoy en día uno de los principales problemas de durabilidad de los edificios y

estructuras actualmente en servicio. A pesar de ello, el comportamiento de lo

composites adicionados con nanomateriales apenas ha sido estudiado. El estudio más

exhaustivo fue el realizado por Galao (2012) sobre composites adicionados con

distinta dosificación de NFC, encontrando que la incorporación de esta adición podía

implicar un aumento de los niveles de corrosión en las condiciones agresivas más

habituales (carbonatación del recubrimiento e ingreso de iones cloruro).

1.3. FUNCIONES DE LOS COMPOSITES El requerimiento de una estructura que sea capaz de aportar funciones no es-

tructurales manteniendo unas buenas propiedades estructurales es una realidad que

está siendo reconocida de forma creciente (Chung 2001). Entre las funciones no es-

tructurales capaces de ser desarrolladas por los materiales cementicios conductores

multifuncionales (MCCM) se encuentran la función de sensor, función de calefacción,

de protector frente a la corrosión, de autorreparación, de aislamiento térmico, de

retención de calor y de protección frente a interferencias electromangéticas (Chung

2003).

La conductividad eléctrica de los MCCM es también interesante para tomas de

tierra, protección antirrayos, calefacción por resistencia (por ejemplo deshielo y ca-

lentamiento de edificios), disipación de carga estática, autopistas inteligentes, gene-

ración de energía termoeléctrica y para contactos eléctricos usados en la protección

de las armaduras del hormigón armado (Garcés et al. 2010).

En los siguientes apartados profundizamos sobre las tres funciones principales

que serán objeto de estudio en la presente tesis.

1.3.1. FUNCIÓN DE EXTRACCIÓN ELECTROQUÍMICA DE CLORUROS

El uso de técnicas electroquímicas, diferentes a la protección catódica, para

detener o prevenir la corrosión en las armaduras del hormigón armado comenzó en

los años 70 (Slater, Lankard y Moreland 1976) adquiriendo un creciente interés hasta

la actualidad. Una solución válida si la corrosión no se encuentra muy avanzada, es la

técnica de extracción electroquímica de cloruros (EEC), que consiste en eliminar los

cloruros presentes en el hormigón a través del paso de corriente entre la armadura,

que actúa como cátodo (polo negativo), y un sistema anódico externo (polo positivo),

forzando a los iones cloruro a migrar hacia el exterior. Esta técnica podría sustituir a


47

los métodos tradicionales de reparación de estructuras de hormigón armado, consis-

tentes en reemplazar el hormigón contaminado y efectuar una exhaustiva limpieza

de las armaduras afectadas (Sánchez, Garcés y Climent 2006).

El método tradicional de aplicación de esta técnica utiliza como ánodo una ma-

lla de Titanio-Dióxido de Rutenio (Ti-RuO2) que rodea perimetralmente al elemento a

tratar, e interponiendo un electrolito (como el agua) que facilita la migración de los

cloruros por la acción del campo eléctrico establecido. Una vez extraído el contenido

crítico en cloruros, la EEC permite alargar la vida útil de la estructura, al restable-

cerse la protección de las armaduras, es decir, al restituir su pasivación. Sin embar-

go, es frecuente usar la técnica repetidas veces con el paso del tiempo, sobre todo si

las estructuras a tratar tienen importancia económica relevante. Resulta por ello

interesante una disposición anódica que pueda quedar fijada en el hormigón facili-

tando el montaje y puesta en obra del dispositivo.

Durante los últimos años, la línea de investigación en materiales cementicios

conductores multifuncionales (MCCM) viene estudiando su viabilidad para el desem-

peño de la función EEC descrita, es decir, para su empleo como ánodo en la aplica-

ción de la técnica. Esta opción presenta ventajas frente al empleo de ánodos tradi-

cionales, como es la posibilidad de proyectarlo en una fina capa, adaptándose a

cualquier geometría de superficie y la posibilidad de reutilización, lo que en definiti-

va dota a este sistema de una mayor versatilidad (Pérez, Climent y Garcés 2010).

Los primeros indicios prácticos de la aplicación de los MCCM con esta función

fueron desarrollados por Hou y Chung (1997) en ensayos experimentales de protec-

ción catódica. Tanto la protección catódica como la EEC son métodos de prevención

o protección de la corrosión en el hormigón armado y su puesta en práctica es similar

aunque difieren en el tiempo e intensidad aplicados. Posteriormente han sido nume-

rosos los estudios que han profundizado en este campo (Garcés, Sánchez De Rojas y

Climent 2006; Pérez, Climent y Garcés 2010; Cañón et al. 2013; Carmona, Garcés y

Climent 2015) mediante el estudio de distintos diseños anódicos empleando funda-

mentalmente polvo de grafito como adición conductora.

En la práctica, una vez aplicado el tratamiento, se extraen muestras pulveriza-

das a partir de testigos perforados en el elemento de estudio y se obtiene la eficien-

cia del tratamiento mediante el balance de masas del porcentaje de cloruros que

permanece en el hormigón, en el ánodo y el electrolito. Para ello se compara el aná-

lisis por valoración potenciométrica de suspensiones a partir de las muestras antes y

después del tratamiento, una vez atacadas con ácido nítrico (Climent et al. 1999). La

representación gráfica de la concentración de cloruros en función de la profundidad

(referida al espesor que recubre la armadura) permite obtener los perfiles de distri-

bución de cloruros.

EEC mediante composites cementicios con adición de materiales

carbonosos

En referencia al empleo de las nanoadiciones conductoras encontramos el tra-

bajo de del Moral et al. (2013) en el que compararon la eficiencia de pastas anódicas

adicionadas con NFC, frente a la adición de otras partículas carbonosas: polvo de

grafito (PG), fibra de carbono de 3 mm (FC3) y negro de carbono (NC). La Figura 24

Capítulo I

48

muestra la similitud de resultados obtenidos para los distintos sistemas anódicos, aun

teniendo en cuenta las diferentes dosificaciones empleadas en cada caso, que referi-

das a masa de cemento, son 20% sustitución para las NFC, 50% sustitución para el PG,

1% adición para la FC3 y 5% adición para el NC. La relación a/c difiere también para

cada dosificación, siendo 1.7, 0.8, 0.5 y 0.9, respectivamente, en el mismo orden

expresado.

Figura 24. Contenido de cloruros antes (patrón) y después de la aplicación de la EEC en bloques de hormigón contaminados con 2% Cl- (respecto masa de cemento) utilizando ánodos con diferentes materiales carbonosos.

Densidad de carga aplicada: 5x106 C/m2 (del Moral et al. 2013).

Aparte del estudio citado, las contribuciones halladas en la literatura para la

función de EEC empleando este tipo de nanoadiciones carbonosas son muy escasas, y

en concreto, no se ha reportado ningún trabajo que estudie la eficiencia de sistemas

anódicos con adición de NTC.

1.3.2. FUNCIÓN DE APANTALLAMIENTO DE ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

El apantallamiento de ondas electromagnéticas (EMI, del inglés electromagne-

tic interference) se refiere a la capacidad de los materiales para la protección de la

radiación electromagnética, evitando que éstas atraviesen el material o disminuyen-

do su potencia. Este tipo de aplicaciones están adquiriendo gran relevancia en la

sociedad actual ya que en los últimos años se ha incrementado de forma muy signifi-

cativa el uso de dispositivos electrónicos sensibles a las interferencias de radiaciones

ambientales (particularmente las radiofrecuencias, como las producidas por la tele-

fonía móvil), las cuales también han incrementado su presencia en el entorno debido

a la proliferación de dispositivos inalámbricos. El apantallamiento es particularmente

necesario en construcciones subterráneas, que contengan transformadores y otros

componentes electrónicos importantes para las centrales eléctricas y las telecomuni-

caciones (Chung 2004).

Se ha de distinguir entre apantallamiento EMI y apantallamiento magnético,

siendo eficaz este último con campos magnéticos de baja frecuencia (60 Hz, por

ejemplo), ya que los materiales a emplear en cada caso serán distintos. Para el caso


49

de apantallamiento de radiaciones electromagnéticas de alta frecuencia es posible

adicionar un material carbonoso (conductor) que dote al cemento Portland, que se

comporta como un dieléctrico, de mejores propiedades eléctricas, con la consiguien-

te función de apantallamiento.

El apantallamiento de ondas electromagnéticas (EMI) tiene lugar gracias a la re-

flexión y absorción de radiación de alta frecuencia por un material que actúa como

escudo frente a la penetración de radiación a través del mismo. La medida en que un

material apantalla la radiación aumenta cuando se incrementa la frecuencia de dicha

radiación y se ve mejorada por los dipolos eléctricos y magnéticos del material,

siempre que el material tenga conductividad electrónica a esas frecuencias (Chung

2000; Wu y Chung 2005). Existe otro mecanismo de apantallamiento que son las re-

flexiones múltiples en las superficies interiores y las posibles interfases de materia-

les.

El primer mecanismo por el que se produce el apantallamiento EMI es la re-

flexión de las ondas EM. Las pérdidas por reflexión en la frontera entre los dos me-

dios (aire y blindaje) están relacionadas con las impedancias características de cada

uno de ellos. La reflexión de una onda en un blindaje EM se produce como conse-

cuencia del salto de impedancia existente en la frontera de los dos medios. Para on-

das planas, podemos expresar la impedancia (Z) del medio por el que viaja según:

Ecuación 2

Donde ω es la frecuencia angular de la onda electromagnética, μ, ε y σ son la

permeabilidad magnética, la permitividad y la conductividad eléctrica del medio por

el que viaja la onda EM, respectivamente, y j2 = -1.

La reflexión es el principal mecanismo apantallante en la mayoría de materia-

les, pero es especialmente significativo en los materiales con alta conductividad

eléctrica, como los metales. En el caso de los composites adicionados con partículas

conductoras, no es necesaria alcanzar la conectividad del material conductor (perco-

lación en el caso de fibras conductoras discontinuas, como son los NTC).

El segundo mecanismo de apantallamiento EMI es la absorción de la radiación.

Cuando una onda electromagnética pasa a través de un blindaje, su amplitud decrece

exponencialmente con la distancia recorrida en el medio, debido a las corrientes

inducidas en el mismo. La absorción en un blindaje transforma la energía EM en

energía térmica. Para conseguir dicha absorción el material debe tener dipolos

magnéticos y/o eléctricos, que interactúen con los campos electromagnéticos. Los

dipolos eléctricos permiten obtener un elevado valor de la constante dieléctrica del

material (ε), mientras que los magnéticos (como el Fe3O4) permiten alcanzar un gran

valor de permeabilidad magnética (μ).

La absorción es el principal mecanismo apantallante de los materiales magnéti-

cos. La pérdida por absorción aumenta al crecer el espesor de la barrera así como

con el aumento de la frecuencia de la onda EM.

Capítulo I

50

Además de la reflexión y la absorción, se puede producir el mecanismo de

apantallamiento por reflexiones múltiples, el cual hace referencia a las reflexiones

en varias superficies o caras internas en el material. Este mecanismo requiere la pre-

sencia de una gran superficie específica del material. Un ejemplo de un material de

esta naturaleza sería un material poroso o un compuesto que contenga una adición

de gran superficie específica. No obstante, este mecanismo de apantallamiento se

considera prácticamente despreciable en la mayoría de los materiales, incluidos los

materiales compuestos con nanoadiciones de carbono.

Se define la profundidad de penetración (o efecto piel) (Chung 2004) como la

distancia a la que la amplitud de la onda incidente disminuye en un factor de e

(2.718), es decir, la profundidad que debe penetrar la onda dentro del material para

que su amplitud sea 1/e veces su valor inicial. La intensidad del campo eléctrico

disminuye exponencialmente dentro de un material conductor. Por otra parte, la

profundidad de penetración disminuye cuando aumenta la frecuencia, la permeabili-

dad magnética o la conductividad eléctrica, como se muestra a continuación:

Ecuación 3

Donde δ es la profundidad de penetración (m), f es la frecuencia de la radia-

ción (Hz), μ es la permeabilidad magnética del conductor (H/m) y σ es la conductivi-

dad eléctrica del material (Ω-1m-1). Una menor profundidad de penetración se tradu-

ce en una mejor respuesta del material, es decir, en una mayor capacidad de apanta-

llamiento.

En cualquier caso, las longitudes de onda analizadas en este estudio son muy

superiores al tamaño de partículas (NTC) que pudieran producir reflexiones múlti-

ples, por lo que la influencia de éstas tiende a ser obviada.

En trabajos previos realizados sobre composites adicionados con NFC (Galao

2012) se definía la zona objeto de estudio en la banda de «Ultra alta frecuencia» (en

inglés ultra high frequency, UHV), con frecuencias dentro del espectro de radiofre-

cuencias en el intervalo 300 – 3000 MHz, y longitudes de onda entre 1 m y 100 mm.

Para su contextualización dentro del espectro electromagnético, se incluye la Figura

25, donde se muestra el espectro electromagnético completo con la parte visible

ampliada. Asimismo, en la Figura 26 se muestra el espectro electromagnético para

las telecomunicaciones.


51

Figura 25. Espectro electromagnético completo con la parte visible ampliada.

Figura 26. Espectro electromagnético para las telecomunicaciones.

Efectividad del apantallamiento (SE)

Las pérdidas, ya sean debidas a reflexión, absorción o reflexiones múltiples, se

expresan normalmente en decibelios (dB). En general, la potencia de la onda trans-

mitida será la incidente menos la reflejada y menos la absorbida. La suma de todas

las pérdidas es la efectividad de apantallamiento (abreviado SE, del inglés, shielding

effectiveness), o apantallamiento total (se utilizan aquí ambos términos indistinta-

mente). La efectividad del apantallamiento puede expresarse en función de la rela-

ción entre la potencia EM incidente y la transmitida, en dB, de acuerdo con la expre-

sión:

Ecuación 4

Capítulo I

52

Donde representa la potencia de la onda EM incidente y la transmitida. La

SE también se puede expresar por la atenuación de los campos eléctricos y magnéti-

cos:

Ecuación 5

Donde y son la intensidad del campo eléctrico y magnético incidente, res-

pectivamente, y y son las intensidades correspondientes de los campos transmi-

tidos a través del dispositivo de apantallamiento o blindaje.

Definiendo reflectancia (R), como la fracción de energía incidente reflejada por

el material; absorción (A), como la fracción de la radiación incidente absorbida por

el material; y transmitancia (T), como la fracción de la radiación incidente transmi-

tida a través del material, y mediante un balance de energía, se llega a la siguiente

ecuación:

Ecuación 6

De donde se obtiene directamente el apantallamiento por reflexión ( ), y el

apantallamiento total o apantallamiento SE ( ), ambos en dB:

Ecuación 7

Ecuación 8

Normalmente, el valor objetivo de efectividad de apantallamiento EMI necesa-

rio para aplicaciones comerciales es de unos 20 dB (Yang, Gupta y Dudley 2007). No

obstante, para otras aplicaciones civiles y militares se requieren materiales con

apantallamientos superiores del orden de los 80 dB.

Técnica de ensayo: Método de pérdidas por inserción

El llamado método de pérdidas por inserción (insertion-loss method, en inglés)

mide las pérdidas por reflexión y absorción de ondas EM, gracias a la inserción de una

probeta en un dispositivo de guiado de ondas EM o célula de medida de apantalla-

miento EMI (CMA), conectado mediante cables coaxiales a un analizador espectral.

El cable coaxial es un medio de guiado de ondas EM (por contraposición a los

medios no guiados, como las antenas) que está formado por dos conductores parale-

los separados por un material dieléctrico, permitiendo operar sobre un amplio rango

de frecuencias. La CMA es un dispositivo simétrico que prolonga los conductores del

cable coaxial al tiempo que aumenta, de forma proporcional, la distancia entre los

mismos, con el fin de permitir introducir probetas de tamaño suficiente para que el

material de estudio pueda ser analizado. La CMA confina la propagación de la onda

en una dimensión, por lo que en condiciones ideales la onda no pierde energía en su

propagación.


53

La efectividad del apantallamiento de una probeta se obtiene mediante el aná-

lisis de las pérdidas por reflexión y absorción de ondas EM en un analizador de redes

(que también actúa como fuente emisora de la onda). El esquema del dispositivo de

medida queda representado en la Figura 27. Las probetas, fabricadas en moldes de

cobre, se anclan en el centro de la CMA y son sometidas al paso de una radiación

emitida por uno de los puertos del analizador de redes. La onda alcanza la superficie

de la probeta (donde cierta fracción de intensidad se pierde por reflexión), atraviesa

la probeta (donde otra parte de intensidad se pierde por absorción) y finalmente, la

radiación se recibe en el otro puerto del analizador.

Figura 27. Esquema del dispositivo de medida de apantallamiento EMI (Zornoza et al. 2010).

Para que las medidas obtenidas por dicho método sean precisas se deben cum-

plir las siguientes condiciones:

La medida debe llevarse a cabo en el modo de propagación transversal de on-

das electromagnéticas (T-EM), de forma que se simule una fuente de ondas

EM de campo lejano, es decir, una fuente a una distancia d > λ/2π o una

fuente de ondas EM planas. De este modo se garantiza la inexistencia de cam-

pos magnéticos o eléctricos en la dirección de propagación de las ondas EM y

que ambos campos sean perpendiculares a esta dirección.

La CMA ha de tener una configuración similar a la de los cables coaxiales, de-

biendo ser la impedancia de la CMA, de los cables coaxiales y del analizador

de redes, prácticamente idéntica.

Las frecuencias analizadas deben ser inferiores al valor de la denominada fre-

cuencia de corte (cut-off frequency, en inglés), para impedir otros modos de

propagación distintos del modo T-EM. La frecuencia de corte queda definida:

Ecuación 9

Donde c es la velocidad de la luz, D es el diámetro interior del conductor ex-

terno de la CMA, d es el diámetro exterior del conductor interno de la CMA, y y

son la permeabilidad magnética relativa y la permitividad magnética relativa, del

material que separa los dos conductores de la CMA, respectivamente.

Los datos registrados en el analizador de redes son los llamados parámetros S

(del inglés, scattering parameters), empleados para evaluar la transmisión y re-

flexión de las ondas EM en el material. Se definen por la relación entre dos números

Capítulo I

54

complejos y contienen información sobre la amplitud y la fase de la señal de voltaje.

Un analizador con N puertos tiene N2 parámetros S. Así un dispositivo con dos puertos

tiene cuatro parámetros S, a los que se les añaden subíndices identificativos, como

se indica en la Figura 28. El primer subíndice representa el puerto al que llega la se-

ñal y el segundo representa el puerto del que sale. Así S21 representa la medida de la

señal que llega al puerto 2 y sale del puerto 1, y representa la medida de la transmi-

sión de la onda. Por otro lado S11 representa la medida en reflexión, es decir, la me-

dida de la señal que sale y llega al puerto 1. Los términos a1 y a2 representan los vol-

tajes incidentes o de entrada, y los términos b1 y b2 los voltajes reflejados o de sali-

da. Así, para a2=0 y a1≠0, el puerto 1 emitirá una señal a1 que se reflejará y regis-

trará como b1 y se transmitirá a través del material de ensayo hasta el puerto 2 don-

de será registrada como b2.

Figura 28. Definición del parámetro S para un analizador de dos puertos (Galao 2012).

A partir de esta definición de los parámetros S para un analizador de redes de

dos puertos, se puede definir la reflectancia (R) y la transmitancia (T) según las

ecuaciones:

Ecuación 10

Ecuación 11

Donde representa la magnitud del parametro .

Así, se puede definir la efectividad del apantallamiento por reflexión (SER) y del

apantallamiento total (SET), en dB, según las ecuaciones siguientes:

Ecuación 12

Ecuación 13

Apantallamiento de composites cementicios con adición de NTC

Existen algunos estudios de apantallamiento EMI realizados sobre composites

cementicios con distintas adiciones conductoras. Zornoza et al. (2010) investigaron la

influencia de incorporar diferentes tipos de materiales carbonosos (polvo de grafito y

3 tipos de fibra de carbono) sobre la capacidad de apantallar interferencias electro-


55

magnéticas en pastas de cemento Portland. Las variables de estudio incluían el tipo

de adición y su relación de aspecto, el espesor del composite y la frecuencia de la

radiación electromagnética incidente. Encontraron que la capacidad de apantalla-

miento era superior en el caso de las fibras, y que ésta mejoraba al aumentar la re-

lación de aspecto. En cuanto al espesor, observaron que un aumento del grosor de la

probeta producía un aumento del apantallamiento. Por último, vieron que la eficien-

cia de apantallamiento era mayor cuando aumentaba la frecuencia de la radiación.

En relación al empleo de nanoadiciones carbonosas, abundan los estudios de

apantallamiento realizados sobre matrices de base polimérica (Yang, Gupta y Dudley

2007), pero no así en el caso de los composites basados en cemento Portland. Fu y

Chung (1998) vieron que los composites de matriz cementicia apantallan más que los

correspondientes composites de matriz polimérica en los que ésta actúa de aislante.

Uno de los últimos trabajos es el realizado por Galao (2012), que efectuó un estudio

similar al de Zornoza et al. (2010) pero adicionando distintos porcentajes de NFC

para dos frecuencias de estudio: 1.0 GHz y 500 MHz. Encontró que el apantallamiento

aumentaba ligeramente con el contenido en adición hasta el 2%, dosificación a partir

de la cual el incremento se hacía más significativo.

Estudios anteriores (Fu y Chung 1996, 1998) mostraron que el diámetro de las

partículas que componen el filler es inverso al nivel de apantallamiento, es decir,

cuanto menor es el diámetro mayor es el apantallamiento. Sin embargo esta relación

no se verifica cuando se comparan diámetros y conductividad, de lo que se concluye

que la efectividad del apantallamiento no sólo depende de la conductividad del ma-

terial. Un mayor área superficial (debido al efecto piel) de la adición implica un ma-

yor apantallamiento. En definitiva, se buscarán adiciones con la mayor relación de

aspecto posible.

En la línea de investigación de los composites cementicios adicionados con NTC,

se han encontrado dos estudios referentes a la función apantallante de estos mate-

riales. Wang et al. (2013) investigaron la influencia del contenido en MWCNT (0.1%-

0.9%) y el espesor de distintos morteros en la eficiencia de apantallamiento. Los ran-

gos de frecuencia establecidos fueron 2-8 GHz y 8-18 GHz. En la Figura 29 se mues-

tran los resultados obtenidos para el rango 2-8 GHz. El mayor nivel de apantallamien-

to (28 dB) se obtuvo para los morteros adicionados con 0.6% MWCNT a la frecuencia

de 2.9 GHz.

El segundo trabajo disponible es el realizado por Singh et al. (2013), en el que

evaluaron la efectividad de apantallamiento de pastas adicionadas con MWCNT, pero

con dosificaciones muy superiores (1, 2, 3, 4, 5, 10 y 15%). El rango de frecuencias

estudiado en este caso es 8.2–12.4 GHz, y los resultados obtenidos son los reflejados

en la Figura 30. El máximo nivel de apantallamiento es el que ofrece la pasta con un

15% NTC, que ofrece un SE de 28 dB y presentando un mecanismo de apantallamiento

dominado por el efecto de absorción.

Capítulo I

56

Figura 29. Influencia del contenido en MWCNT (% referido a masa de cemento) en la reflectancia en el rango de frecuencia 2-8 GHz (Wang et al. 2013).

Figura 30. Influencia del contenido en NTC en la SE, en el rango 8.2-12.4 GHz (Singh et al. 2013). El número expresado en la leyenda indica el % de MWCNT adicionado.

1.3.3. FUNCIÓN DE PERCEPCIÓN DE LA DEFORMACIÓN

Se denomina piezorresistividad a la propiedad de ciertos materiales por la cual

su resistividad varía cuando experimentan una deformación. Algunos materiales natu-

rales como los cristales de cuarzo presentan esta propiedad espontáneamente, mien-

tras que otros producidos artificialmente como los piezocerámicos deben ser primero

fuertemente polarizados bajo la acción de campos eléctricos. En el caso de los mate-

riales de construcción, es este fenómeno electromecánico el que subyace en el des-

empeño de una interesante función para las estructuras de hormigón armado: la per-

cepción de su propia deformación. Desempeñando esta función, el composite actuará

como un sensor que informa, en tiempo real, del estado tensional al que está some-

tido el elemento constructivo en cuestión.

En matrices cementicias se ha visto necesaria la adición de partículas conduc-

toras para dotar al composite de piezorresistividad en magnitud suficiente y con


57

comportamiento reversible. De esta manera, cuando el material es sometido a un

esfuerzo de compresión, su resistividad eléctrica en la dirección de la carga dismi-

nuirá. En el caso contrario, bajo esfuerzos de tracción se obtiene el efecto opuesto,

aumentando la resistividad en la misma dirección. Cuando estas cargas tienen lugar

dentro del régimen elástico del material estudiado, ambas respuestas son reversibles

de manera que la resistividad eléctrica tiende a recuperar su valor inicial al cesar el

esfuerzo aplicado.

Para cuantificar el nivel de percepción de la deformación que presenta un ma-

terial se utiliza el factor de galga (FG), un parámetro adimensional que relaciona la

variación unitaria de la resistividad eléctrica con la deformación unitaria:

Ecuación 14

Donde es la variación de la resistividad eléctrica, es la resistividad eléc-

trica inicial, y es la deformación unitaria , donde designa la variación

de la longitud y la longitud inicial. El FG es el parámetro también empleado para

indicar el factor de sensibilidad en galgas extensométricas comerciales, situado habi-

tualmente en torno a 2 (y representado en estos casos por la constante K).

En un principio podría pensarse que los cambios dimensionales que se producen

en el material son los responsables de las variaciones en la respuesta eléctrica. Efec-

tivamente, estas variaciones dimensionales tienen cierta influencia, pero su magni-

tud resulta despreciable en comparación con la magnitud del referido efecto piezo-

eléctrico (Baeza 2011). Por tanto, el FG puede igualmente expresarse según:

Ecuación 15

Donde es la variación de la resistencia eléctrica medida en el material, y

su resistencia eléctrica inicial, a partir de la cual podemos calcular la resistividad

eléctrica intrínseca del material:

Ecuación 16

Siendo A la sección del material considerada, y L la distancia entre los electro-

dos entre los que se mide la diferencia de potencial.

Típicamente los ensayos de percepción de la deformación consisten en la moni-

torización de la diferencia de potencial (V) obtenida al aplicar una corriente eléctri-

ca preestablecida (I), en corriente continua, al tiempo que se aplica una carga

mecánica sobre la probeta objeto de estudio. La Ley de Ohm permite deducir inme-

diatamente la resistencia eléctrica volumétrica (R) en cada instante:

Ecuación 17

Cabe recordar que esta ecuación no es una ley fundamental de la naturaleza,

sino más bien una descripción empírica de una propiedad compartida por los mate-

riales óhmicos. Al aplicarla asumimos que el composite se comporta como tal, es

Capítulo I

58

decir, que su resistencia R no depende de la corriente I (Tipler 1996). Con ello se

puede obtener la resistividad eléctrica volumétrica de acuerdo con la Ecuación 16, y

por tanto calcular su variación unitaria (Δρ/ρo). Gracias a la colocación de galgas

extensométricas en la probeta se obtiene además la deformación unitaria en cada

instante (ε). La relación entre estos dos parámetros define el factor de galga (FG)

según la Ecuación 15. Si en un gráfico representamos el primero en el eje de ordena-

das y el segundo en el de abscisas, el FG quedará definido por la pendiente resultan-

te del análisis de regresión.

Wen y Chung (2006) propusieron una explicación al mecanismo de percepción

de la deformación que tiene lugar en matrices cementicias adicionadas con fibras de

carbono. Según su hipótesis, el comportamiento piezorresistivo, y por ende, la per-

cepción de la deformación, se debe al incremento en la resistividad eléctrica de con-

tacto partícula-matriz en las fibras que puentean las fisuras al abrirse éstas cuando el

material es traccionado, y viceversa cuando el material es comprimido. En la escala

de las nanopartículas, Xiao, Li y Ou (2010) ofrecieron otra interpretación basada en

la teoría del efecto túnel aplicada a composites cementicios adicionados con negro

de carbono. En este caso la concentración de la adición estaba próxima al umbral de

percolación, que se define como el mínimo contenido de adición conductora para

establecer un camino conductor continuo a través del material, es decir, para asegu-

rar el contacto entre las partículas conductoras sin que existan discontinuidades.

Cuando se sobrepasa el umbral de percolación, la resistencia eléctrica del compuesto

disminuye muy significativamente, alcanzando resistividades del orden de unos pocos

Ω·cm. Sin embargo, en la práctica se ha visto que no es necesario alcanzar este um-

bral para que la percepción de la deformación sea efectiva (Chung 2002b).

Método de medida de la resistencia eléctrica

La resistencia eléctrica del hormigón se ha venido estudiando desde muchos

años atrás (Hammond y Robson 1955). Se puso claramente de manifiesto que el hor-

migón se comporta como un dieléctrico cuando está completamente seco y el mismo

presenta resistividades en el rango de las ofrecidas por semiconductores cuando está

húmedo o saturado de agua. Se averiguó que la conducción se llevaba a cabo a través

de la red de poros (Monfore 1968), y que por tanto podía comportarse como un con-

ductor electrolítico. Esto es, que bajo la influencia de un campo eléctrico tendrá

lugar la migración de los iones de la disolución intersticial a través de los poros. Es-

tudios posteriores pusieron de manifiesto que los niveles de resistividad en el hor-

migón se encuentran íntimamente relacionados con otros parámetros como el co-

mienzo del fraguado y el progreso de la hidratación (Li, Xiao y Wei 2007), y que tam-

bién puede ser un parámetro controlador del proceso de corrosión de las armaduras

(Alonso, Andrade y González 1988) debido precisamente a que la resistividad es di-

rectamente proporcional al grado de saturación.

Además del conjunto de variables ya señaladas relacionadas con la resistividad,

la inclusión de una adición conductora también tendrá influencia en la resistividad

eléctrica del composite. En presencia de estas partículas eléctricamente conductoras

cabe considerar dos tipos de conducción: electrolítica, debida al movimiento de los


59

iones a través de la red de poros, y electrónica, debida al movimiento de los electro-

nes a través de la adición carbonosa (Andrade et al. 2015). La mayor o menor contri-

bución de un mecanismo u otro dependerá de la proporción y distribución de la adi-

ción conductora en la estructura matricial del composite. Así, cuando la dosificación

de material conductor supera el umbral de percolación la resistividad experimenta

una reducción significativa. Por otro lado, como ya se ha indicado, la distribución

homogénea y uniforme de la adición (adecuada dispersión) en el composite es esen-

cial para extraer el mejor rendimiento de sus propiedades, tanto eléctricas como

mecánicas.

Bajo la consideración de los dos mecanismos de conducción indicados, la co-

nexión de contacto entre el composite estudiado y el electrodo de medida resulta un

aspecto esencial a la hora de establecer el diseño experimental para estudiar la fun-

ción de percepción. En la literatura existen ciertas disposiciones frecuentemente

empleadas por diferentes investigadores (Figura 31). En todas ellas, la conexión es

electrónica, evitando el uso de esponjas humedecidas (método tradicional de medida

de la resistividad mediante sonda Wenner). Básicamente, puede distinguirse entre el

método de dos puntas, y el método de cuatro puntas. Aunque el primero aparenta

ser un circuito simplificado del segundo, es preferible utilizar el método de cuatro

puntas porque con esta disposición se elimina la resistencia de contacto entre el

electrodo y el material (Chiarello y Zinno 2005). También se ha visto que los resulta-

dos de resistencias medidos pueden variar en función de la configuración de los elec-

trodos, como su área, luz de malla o el espaciado entre ellos (Zhu y Chung 2007).

Figura 31. Posibles configuraciones empleadas para medir la resistencia eléctrica (Han, Ding y Yu 2015).

En el ámbito de la presente tesis la configuración de medida adoptada ha sido

el método de cuatro puntas, referido como (b) en la Figura 31, utilizando pintura de

Capítulo I

60

plata como adhesivo conductor sobre cuatro cables de cobre perimetralmente dis-

puestos en el sensor de estudio. Este diseño ha sido ampliamente empleado por otros

autores (Chung 2002b; Xiao, Li y Ou 2010; Baeza 2011; Galao 2012).

Piezorresistividad de composites cementicios con adición de NTC

En general, la percepción de la deformación es una de las funciones más profu-

samente estudiadas en la literatura. Algunos de los diseños experimentales más ex-

haustivos se han llevado a cabo dentro del grupo de investigación que viene estu-

diando los materiales cementicios conductores multifuncionales (MCCM) en la Univer-

sidad de Alicante. Los trabajos más cercanos incluyen el empleo de fibras de carbono

de distinto tamaño (Baeza 2011) y nanofibras de carbono (Galao 2012) en diferentes

dosificaciones. En cuanto a las matrices cementicias con adición de NTC, también es

posible encontrar algunas referencias en la bibliografía. En uno de los primeros tra-

bajos reportados se indagaban las propiedades piezoresistivas de pastas adicionadas

con 0.5% MWCNT tratadas con ácido y sin tratar, observándose este fenómeno en

ambos casos (Figura 32).

Figura 32. Cambio fraccional en la resistividad de pastas con 0.5% MWCNT, bajo carga cíclica de compresión (9.4 MPa). SPCNT: NTC tratados con ácido; PCNT: NTC sin tratar (Li, Wang y Zhao 2007).

Posteriormente Yu y Kwon (2009) compararon la percepción de composites con

NTC tratados también con ácido y con surfactantes, obteniendo mejor respuesta pie-

zorresistiva en el primer caso. Las dosificaciones estudiadas fueron 0.06% y 0.1% NTC.

El mismo grupo de investigadores, puso a prueba en ensayos de campo los composites

previamente investigados en laboratorio. Comprobaron de esta manera su viabilidad

para la monitorización del tráfico. La dosificación seleccionada para estos ensayos

fue del 0.1% MWCNT, usando el SDBS como surfactante en la dispersión (Han, Yu y

Kwon 2009).

Asimismo, en un estudio posterior también indagaron el efecto de variar la con-

centración de NTC en el composite y la relación a/c. Las dosificaciones estudiadas

fueron 0.05, 0.1 y 1%, encontrando que la sensibilidad piezorresistiva primero au-

mentaba con el contenido en NTC y luego disminuía (Figura 33). Respecto a la rela-


61

ción a/c obtuvieron una mejor respuesta para 0.6 que para 0.45 (Han, Yu, et al.

2012).

(a)

(b)

(c)

Figura 33. Piezorresistividad de composites con tres % MWCNT (referido a masa de cemento): (a) 0.05%, (b) 0.1%, y (c) 1% (Han, Yu, et al. 2012).

Otra de las contribuciones del mismo grupo es el reporte de las propiedades no

sólo resisitivas, sino también capacitativas de estos composites (Han, Zhang, et al.

2012). Aunque la capacitancia no interviene en el comportamiento piezorresistivo, la

polarización registrada en las medidas sí sería atribuible al proceso de carga del con-

densador. Para asegurar la reversibilidad de la respuesta resistiva los autores propon-

ían extraer el fenómeno capacitativo corrigiendo la línea base del ensayo de percep-

ción. Otra opción también sugerida es la de efectuar el diseño experimental en co-

rriente alterna.

Por su parte, los investigadores Azhari y Banthia (2012) ensayaron el compor-

tamiento de un tipo de sensor híbrido, que incluía adición de FC (fibra de carbono,

15% en volumen) y NTC (1% en volumen). Encontraron que el sensor híbrido ofrecía

mejores resultados que el sensor de referencia, adicionado sólo con FC, pero vieron

que en ambos casos la respuesta piezorresistiva no era lineal y que además dependía

de la velocidad. A la luz de sus resultados, parte de ellos reflejados en la Figura 34,

los autores cuestionaban la idoneidad de utilizar el factor de galga como parámetro

característico de la sensibilidad piezorresistiva.

Capítulo I

62

Figura 34. Respuesta piezorresistiva del sensor híbrido (15% en vol. FC + 1% en vol. MWCNT). (a) Cambio frac-cional en la resistividad (CFR) vs. carga; (b) CFR vs. deformación unitaria; (c) correlación CFR-carga; y (d) corre-

lación CFR-deformación (Azhari y Banthia 2012).

Más recientemente, Konsta-gdoutos y Aza (2014) compararon el fenómeno de

percepción entre pastas adicionadas con NTC y NFC, en concentraciones 0.1% y 0.3%

en masa para ambos casos. En los dos tipos de nanoadición obtuvieron un mayor

cambio fraccional de la resistividad para la dosificación del 0.1%, siendo los valores

de las muestras con NTC y las muestras con NFC muy similares entre sí. En la Figura

35 se muestran los resultados proporcionados por los composites con NTC.

(a) (b)

Figura 35. Comportamiento piezorresistivo de pastas de cemento con adición de NTC: (a) 0.1%; (b) 0.3% (Konsta-gdoutos y Aza 2014).


63

Además de la aplicación de estos sensores para la monitorización del tráfico,

otros investigadores han buscado aplicar la percepción de estos sensores en elemen-

tos estructurales a escala real. Ubertini et al. (2014) apoyándose en sus trabajos pre-

vios (Materazzi, Ubertini y D’Alessandro 2013) propusieron la aplicación de los nano-

composites como sensores para la monitorización del estado de la estructura por con-

trol vibracional. Para ello, los autores ahondaron en el comportamiento dinámico de

sensores adicionados con NTC (2% en masa), que habían sido previamente anclados a

una viga de hormigón armado. Concluyeron que el sensor propuesto ofrecía una res-

puesta comparable con las tecnologías disponibles para la monitorización (aceleró-

metros), siendo capaz de detectar altas frecuencias gracias a la buena relación ruido-

señal. En la Figura 36 se presenta el registro de la señal correspondiente a un impac-

to de martillo, siendo la resistencia inicial del orden de 170 kΩ.

(a)

(b)

Figura 36. Monitorización de la viga de HA con un sensor de NTC colocado en el centro del vano: (a) Variación de resistencia eléctrica del sensor; (b) Registro de la galga extensométrica (Ubertini et al. 2014).

Figura 37. Posibles aplicaciones de los sensores de percepción para la monitorización de la salud estructural (Han, Ding y Yu 2015).

Capítulo I

64

De la revisión de la literatura hasta aquí realizada, cabe destacar que la sensi-

bilidad piezorresistiva suele estudiarse fundamentalmente sobre pastas, aunque

también se ha reportado su investigación en morteros adicionados con NTC (Kim,

Park y Lee 2014). Esta alternativa da pie al conjunto de disposiciones indicado en la

Figura 37, como posibles formas de implementar los sensores de percepción en ele-

mentos estructurales.

2. OBJETIVOS Las líneas de investigación orientadas al desarrollo de la multifuncionalidad

constituyen actualmente uno de los campos más activos en la tecnología del hor-

migón. El nivel de prestaciones exigidas a este material de construcción tradicional

es cada vez mayor, y es por ello que la ciencia trata de avanzar en dar respuesta a

esos nuevos requerimientos. Más allá de su función estrictamente estructural, la in-

novación en composites cementicios capaces de realizar funciones adicionales supone

una puerta a la invención de nuevas generaciones de materiales constructivos.

Los composites estudiados hasta ahora contemplan la adición de una variedad

de partículas conductoras, incluyendo fibras de acero, fibras de carbono, polvo de

grafito y negro de carbono. El avance más reciente de la nanotecnología ha incorpo-

rado a esta relación las nanofibras de carbono y los nanotubos de carbono (NTC).

Avanzando en las funcionalidades del hormigón, lo que se pretende con este

trabajo es profundizar en el conocimiento del comportamiento sinérgico que los

composites de matriz cementicia pueden ofrecer por la inclusión de nanotubos de

carbono. Esta interrelación entre materiales es la que en su día se halló en el hor-

migón armado como solución optimizada entre las armaduras de acero y el hormigón

en masa.

Constituyendo los nanotubos de carbono la nanoadición más reciente conocida,

se propone como objetivo general de la presente tesis el estudio de materiales ce-

mentantes conductores multifuncionales (MCCM) con adición de nanotubos de

carbono en su aplicación a diferentes funciones. En base a este objetivo general se

han propuesto los siguientes objetivos específicos:

1) Caracterización físico-química de composites cementicios con adición de NTC:

Estudio previo: tratamientos para la dispersión de NTC.

Estudio 1: Propiedades mecánicas de morteros de cemento Portland con adi-

ción de NTC en distintas proporciones.

Estudio 2: Niveles de corrosión en barras de acero embebidas en pastas de

cemento con diferentes proporciones de NTC expuestos al ataque por carbo-

natación y por ingreso de cloruros.

2) Desempeño de pastas cementicias con adición de NTC en el desarrollo de tres

funciones distintas:

Extracción electroquímica de cloruros en bloques de hormigón contamina-

dos con cloruros por dos métodos: interna y externamente.


65

Apantallamiento de ondas electromagnéticas (EMI) en el intervalo de fre-

cuencias entre 500 MHz y 1.0 GHz.

Percepción de la deformación, para lo que se han abordado cuatro estu-

dios diferentes:

‒ Probetas normalizadas de 4 x 4 x 16 cm³.

‒ Durabilidad de la percepción (probetas 4 x 4 x 16 cm³).

‒ Sensores embebidos y adheridos a un elemento estructural (pilar

de hormigón armado).

‒ Sensores embebidos en hormigón en masa (probetas cilíndricas Ø15

cm x 30 cm).

67

CAPÍTULO II: CARACTERIZACIÓN

INICIAL DE LOS COMPOSITES

Caracterización inicial de los composites

69

3. TRATAMIENTOS DISPERSANTES

Tal como se ha remarcado en el capítulo anterior, la consecución de una ade-

cuada dispersión de la adición conductora resulta esencial para el óptimo aprove-

chamiento de sus propiedades cuando actúa integrada en el seno de la matriz ce-

menticia. Al igual que sucede con otras adiciones conductoras, el despliegue de pres-

taciones que los nanotubos de carbono pueden proporcionar potencialmente al com-

posite resultante viene en la práctica altamente condicionado por el grado de disper-

sión logrado en el proceso de fabricación.

Es por este motivo que la primera variable de análisis en la que centramos

nuestra atención sea el grado de dispersión. A la hora de abordar el estudio de esta

variable se pueden considerar dos subniveles: primeramente, y según el procedimien-

to habitual de fabricación, se evalúa el grado de dispersión en la suspensión acuosa:

En segundo lugar, cabe evaluar la distribución finalmente obtenida en el com-

posite ya fraguado y endurecido:

Este segundo nivel tendría un carácter de comprobación respecto del primero,

es decir, aquellas técnicas que se demuestren efectivas en la dispersión acuosa

habrán de ser posteriormente evaluadas para verificar que se logra la distribución

homogénea y uniforme de las partículas en todo el material, una vez desarrolladas

las reacciones de hidratación del cemento. No obstante, parece lógico pensar, dada

la estandarización de los procedimientos de amasado —tanto en pastas como en mor-

teros—, que aquellas suspensiones que ofrezcan el mejor grado de dispersión serán

las que producirán los composites de mejores prestaciones. En efecto, el indicado es

el criterio más extendido entre los investigadores que han abordado el problema de

la dispersión en NTC (Collins, Lambert y Duan 2012; Nasibulina et al. 2012;

Marcondes y Medeiros 2016).

En cuanto a las técnicas experimentales empleadas para evaluar el grado de

dispersión, las halladas en la bibliografía se pueden clasificar básicamente en cuatro

procedimientos diferentes: evaluación de las dispersiones en suspensión acuosa, ob-

servación de la mezcla en estado fresco, observación de la microestructura mediante

técnicas microscópicas (composites fraguados) y medida de la resistencia eléctrica de

los composites resultantes (Han, Ding y Yu 2015). Será la primera de ellas la que

aplicaremos en el ámbito de la presente tesis, ya que su realización se corresponde

con la fase preliminar del programa experimental.

Capítulo II

70

3.1. Procedimiento experimental

3.1.1. MATERIALES

Los materiales empleados en este estudio son básicamente tres: nanotubos de

carbono, agua destilada y el dispersante seleccionado en cada caso.

Los NTC, identificados como BAYTUBES C70P y facilitados por Bayer Material

Science A.G. (Leverkusen, Alemania), son de tipología MWCNT y fueron producidos

mediante un proceso catalítico por deposición química de vapor. Las características

tipificadas para estos NTC son las indicadas en la Tabla 4. En cuanto al grado de

aglomeración puede apreciarse en la Figura 38-izda. el tamaño de los clusters de

NTC, con dimensiones en el rango 0.05 – 1.5 mm. Visualmente poseen el aspecto de

un fino polvo negro muy liviano, cuyo manejo se recomienda realizar en campana

extractora para evitar ser respirado.

Tabla 4. Características de los NTC BAYTUBES C70P, proporcionadas por el fabricante.

Propiedad Valor

Pureza en carbono (% en peso) ≥95

Carbono libre amorfo No detectable

Diámetro externo (nm) ~13

Diámetro interno (nm) ~4

Longitud (µm) >1

Densidad (kg/m³) 45-95

Figura 38. Imágenes SEM de los NTC facilitadas por el fabricante.

Los dispersantes seleccionados para su estudio se eligieron teniendo en cuenta

los resultados obtenidos por otros investigadores, así como el criterio de su compati-

bilidad físico-química con el cemento. Se escogieron cuatro dispersantes:

Surfactante 1 (S1): Dodecilbencenosulfonato de sodio (SDBS)

Surfactante 2 (S2): Triton X-100 (TX100)

Policarboxilato 1 (P1): Sika ViscoCrete-20 HE, suministrado por Sika España

S.A.U., un superplastificante de tercera generación indicado para hormigón

prefabricado y autocompactante.


71

Policarboxilato 2 (P2): Glenium ACE 425, suministrado por Basf Construction

Chemicals España S.L., un superplastificante/reductor de agua de alta activi-

dad para aplicaciones en hormigón prefabricado.

3.1.2. PREPARACIÓN DE LAS MUESTRAS

Se prepararon suspensiones acuosas con distinta dosificación de dispersante,

para una proporción fija de NTC del 0.05% respecto masa de cemento, adoptando una

relación a/c = 0.5. Aunque se trata de suspensiones acuosas, la dosificación de NTC

está referida a cemento en previsión de la continuidad del estudio hacia los composi-

tes de base cemento que incorporan dicha adición conductora. Una vez pesada la

cantidad establecida de NTC en un vaso de precipitados, se añaden 500 ml de agua

destilada seguido del dispersante correspondiente en su caso y se agita manualmente

con varilla de vidrio. Las suspensiones así preparadas fueron sometidas en cada caso

al tratamiento físico/químico correspondiente según la secuencia indicada en la Ta-

bla 5. Finalmente de cada una de las dispersiones se extrajeron 10 ml aproximada-

mente que constituirán la muestra lista para su análisis. El resto de la suspensión se

reservó en su recipiente, situándolo en una mesa estable libre de movimientos y vi-

braciones para observar la existencia o no de procesos de sedimentación.

Tabla 5. Batería de muestras preparadas en suspensión acuosa. Adición 0.05% NTC respecto masa de cemento para una dosificación de pasta con relación a/c = 0.5.

Nº muestra 10 min mezcladora

(M) 5 min ultrasonidos

de punta (U) Dispersante*

Baño ultrasonidos, 5 min (B)

0 (Ref) 1 x 2 x 3 0.25% S1 4 0.25% S2 5 0.25% P1 6 0.25% P2 7 x x 8 x x 0.25% S1 x 9 x x 0.5% S1 x 10 x x 1% S1 x 11 x x 0.25% S2 x 12 x x 0.5% S2 x 13 x x 1% S2 x 14 x x 0.25% P1 x 15 x x 0.5% P1 x 16 x x 1% P1 x 17 x x 0.25% P2 x 18 x x 0.5% P2 x 19 x x 1% P2 x 20 x x x

*La dosificación del dispersante, en %, está referida a masa de cemento. P1: policarboxilato 1, P2:

policarboxilato 2, S1: surfactante 1, S2: surfactante 2.

La primera muestra es la de referencia (sin tratamiento adicional de los NTC).

La mezcladora consiste en un robot de aspas planas, y la punta de ultrasonidos es un

Capítulo II

72

modelo Hielschier UP200S utilizado en modo de potencia máxima (200 W), que actúa

dando lugar a procesos de cavitación en el seno de la suspensión produciendo la dis-

persión de las partículas. Las últimas muestras indicadas en la Tabla 5 recibieron un

tratamiento adicional en baño de ultrasonidos para garantizar la total disolución del

dispersante previamente dosificado.

3.1.3. DESCRIPCIÓN DEL ENSAYO

El equipo seleccionado para evaluar el grado de dispersión de las muestras fue

un Coulter LS230, un analizador de tamaño de partícula que mide dimensiones en el

intervalo 0.04 – 2000 µm. Su funcionamiento está basado en el fenómeno de difrac-

ción de un haz de luz láser que incide sobre la muestra de estudio, en nuestro caso

los “aglomerados” o clusters de NTC, que resultarán tanto más pequeños cuanto ma-

yor sea la eficacia dispersante de la técnica aplicada.

Figura 39. Equipo analizador de tamaño de partícula.

Por medio de su modulo para fluidos, permite obtener la distribución de tama-

ño de partícula en muestras suspendidas en medio líquido. El equipo dispone de una

bomba que hace recircular la muestra añadida y calcula automáticamente la canti-

dad de muestra requerida para registrar la señal. La medida se produce cuando la luz

pasa a través de la muestra y el software proporciona los resultados en base al mode-

lo óptico seleccionado.

3.2. Resultados y discusión Comenzando por las técnicas de dispersión de tipo físico, se presentan en la Fi-

gura 40 los resultados de la distribución de tamaño de partícula obtenida para las

muestras tratadas por medios exclusivamente mecánicos. Se observa cómo la mues-

tra de referencia (sin ningún tipo de tratamiento) presenta su pico máximo bastante

próximo al valor de 1 mm, mientras que la aplicación de cualquiera de los tres tra-

tamientos hace disminuir apreciablemente el tamaño de partícula identificado por


73

los máximos relativos de las curvas de distribución obtenidas. Sin embargo, no se

aprecian diferencias significativas entre la muestra sometida a ultrasonidos y la que

además de ultrasonidos recibió un tratamiento previo en la mezcladora. Por tanto,

puede concluirse que la eficacia dispersante de la mezcladora queda anulada cuando

se aplica un tratamiento de ultrasonidos, prevalencia que explicamos por el superior

aporte de energía que el aparato de ultrasonidos transfiere a las suspensiones (en la

unidad de tiempo, mayor potencia).

En cuanto a los métodos químicos seleccionados (dos tipos de policarboxilatos y

dos tipos de surfactantes), los resultados obtenidos son los recogidos en la Figura 41.

Análogamente al caso anterior, las muestras que esta gráfica presenta son aquellas

tratadas por medios exclusivamente químicos. Los dispersantes basados en policar-

boxilatos carecen de un efecto dispersante apreciable. En cambio los surfactantes sí

parecen tener una acción dispersante sobre los NTC, particularmente en el caso del

surfactante 1, el dodecilbencenosulfonato de sodio, que consigue reducir el pico

máximo en un orden de magnitud.

Figura 40. Tamaño de partícula en muestras dispersa-

das mediante tratamientos mecánicos.

Figura 41. Tamaño de partícula en muestras dispersa-

das mediante tratamientos químicos.

Las cuatro gráficas siguientes (Figura 42, Figura 43, Figura 44, Figura 45) mues-

tran los resultados correspondientes a las técnicas de tipo combinado, empleando

mezcladora y ultrasonidos como medios mecánicos, seguido de la administración de

un agente dispersante particular en cada caso: policarboxilato 1 (Sika), policarboxila-

to 2 (Basf), surfactante 1 (SDBS) y surfactante 2 (TX100) respectivamente. Para cada

gráfica, el parámetro que varía es la concentración del dispersante (0%, 0.25%, 0.50%

y 1% respecto masa de cemento) y puede observarse nítidamente la nula influencia

de aumentar dicha dosificación en los cuatro dispersantes estudiados. Sí pareciera

que con la mínima dosificación de dispersante (0.25%) se hubiera reducido el tamaño

máximo de partícula en algo más de un orden de magnitud, dando lugar a una nueva

familia de menor tamaño, bien definida aunque de menor intensidad. No obstante, el

análisis de la Figura 46 nos hace rehusar esta primera explicación para concluir que

el tratamiento principalmente responsable de la disminución del tamaño de las partí-

culas indicado ha de ser el baño de ultrasonidos. Si bien es cierto que la potencia de

la punta de ultrasonidos es superior al baño, introducimos la variable “tiempo de

reaglomeración” como nuevo factor a considerar. Desde que la suspensión fue prepa-

rada hasta que fue ensayada existió un breve espacio temporal, el necesario para el

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Tamaño de partícula (µm)

Ref Mezcladora

Ultrasonidos Mezclad.+ultras.

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l (%

)


Ref 0.25%P1 0.25%P2

0.25%S1 0.25%S2

Capítulo II

74

traslado de las muestras, que pudo permitir la reaglomeración de los clusters de

NTC. Esa reaglomeración fue revertida al aplicar el baño de ultrasonidos, ubicado

como parte del propio módulo para fluidos del equipo analizador.

En efecto, son varios los autores que han abordado el problema de la dispersión

evaluando la estabilidad de las suspensiones (Shah, Konsta-Gdoutos y Metaxa 2009;

Luo, Duan y Li 2009; Metaxa et al. 2012; Sobolkina et al. 2012; Collins, Lambert y

Duan 2012). En nuestro caso, las dispersiones reservadas para observación visual a

largo plazo mostraron una absoluta estabilidad durante más de 30 días de observa-

ción, con la excepción de los tratamientos exclusivamente químicos (sin ultrasoni-

dos). En estos casos —correspondientes a las muestras 3, 4, 5 y 6, y representados en

la Figura 41— los procesos de decantación de los NTC, que no han sido sonicados,

comienzan inmediatamente, es decir, son muestras totalmente inestables; al contra-

rio de lo que sucede con cualquiera de las muestras que recibió el tratamiento de

ultrasonidos, plenamente estables durante un periodo de tiempo superior a los tres

meses. Aun con esta apreciación macroscópica, la reaglomeración parcial de los clus-

ters de NTC pudo tener lugar en la microescala sin ser posible su detección de visu,

fenómeno que sí pudimos concluir a la luz de los resultados comentados en relación a

la Figura 46.

Figura 42. Tamaño de partícula en muestras disper-

sadas mediante tratamiento mecánico combinado con policarboxilato 1.

Figura 43. Tamaño de partícula en muestras dispersadas mediante tratamiento mecánico combinado con policar-

boxilato 2.

Figura 44. Tamaño de partícula en muestras disper-

sadas mediante tratamiento mecánico combinado con surfactante 1.

Figura 45. Tamaño de partícula en muestras dispersadas mediante tratamiento mecánico combinado con surfac-

tante 2.

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M+U+0.50%P1+B M+U+1%P1+B

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M+U+0.50%S2+B M+U+1%S2+B


75

Figura 46. Comparativa entre los cuatro dispersan-tes utilizados para la dosificación de 0.25%.

Figura 47. Batería de dispersiones preparadas, reservadas para observación visual de procesos de sedimentación.

3.3. Conclusiones Como conclusiones de este estudio preliminar sobre dispersión de los NTC en

medio acuoso podemos extraer las siguientes:

De todas las dispersiones estudiadas, el tratamiento dispersante más efectivo

para los NTC resultó ser el de ultrasonidos, siendo su efecto maximizado

cuando se minimiza la posibilidad de reaglomeración.

En relación a los tratamientos puramente mecánicos, el efecto dispersante de

la mezcladora queda anulado por completo cuando va seguido del tratamiento

con punta de ultrasonidos, debido a la mayor transferencia energética de este

último.

Los tratamientos exclusivamente químicos carecen de un adecuado efecto

dispersante. Se observa la decantación inmediata de los NTC.

Los tratamientos combinados (aplicando conjuntamente técnicas físicas y

químicas) han mostrado los mejores resultados, pero en ellos claramente pre-

valece el poder dispersante de los ultrasonidos frente a la acción de los poli-

carboxilatos o los surfactantes.

En los tratamientos combinados el comportamiento de los cuatro dispersantes

es idéntico. Por otro lado, el aumento de la dosificación del dispersante no

produce cambios perceptibles.

4. PROPIEDADES MECÁNICAS

Desde su descubrimiento, y tras años de minuciosa caracterización, los NTC han

pasado de ser un material soñado por sus propiedades, a encontrar su aplicación en

numerosos campos e industrias como en el sector de la energía, en medicina o en

electrónica (Siddique y Mehta 2014). La capacidad de fabricación también viene en

aumento durante los últimos años, lo que se traduce en una disminución del coste

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ncia

l (%

)


M+U+B M+U+0.25%P1+B

M+U+0.25%P2+B M+U+0.25%S1+B

M+U+0.25%S2+B

Capítulo II

76

económico de los NTC. Dada su extraordinaria resistencia mecánica, usualmente es-

timada en torno a los 50 GPa (unas 50 veces la del acero pero con la sexta parte de

su peso), entre otras atractivas propiedades, los NTC se presentan con potencial

aplicación igualmente en el ámbito de la ingeniería civil. Sin embargo, esta incursión

en el sector de la construcción encuentra ciertas reticencias por la propia inercia de

la industria y la negativa percepción de la nanotecnología por parte de clientes y

promotores (Hanus y Harris 2013).

A pesar de este aparente rechazo inicial, las aplicaciones de los NTC en el cam-

po de la ingeniería civil están siendo estudiadas por diferentes grupos de investigado-

res pertenecientes a varias universidades y centros de investigación de todo el mun-

do. En este sentido, la literatura publicada muestra la disponibilidad de efectuar la

inclusión de los nanotubos de carbono en los procesos de fabricación de hormigones y

morteros. Atendiendo al estado del arte en torno a este nuevo material carbonoso

cabe esperar la obtención de una mejora de las propiedades de las matrices cemen-

ticias adicionadas con NTC.

En base a lo indicado, el propósito de este apartado es el de caracterizar las

propiedades mecánicas de morteros de cemento Portland con distintas dosificaciones

de NTC. Las propiedades determinadas para esta caracterización han sido: velocidad

de propagación de ultrasonidos, resistencias a flexotracción y a compresión, porosi-

dad y densidad.


4.1.1. MATERIALES

Se fabricaron probetas prismáticas normalizadas (4x4x16 cm³) de morteros de

cemento Portland, según la normativa española UNE-EN 196-1:2005. Los materiales

empleados para estas amasadas fueron:

Cemento Portland gris de alta resistencia inicial tipo UNE-EN 197-1 CEM I 52.5

R, suministrado por Cemex España S.A. (Alicante). La composición química de

este material se muestra en la Tabla 6.

Nanotubos de carbono, del tipo BAYTUBES C70P (MWCNT) facilitados por Ba-

yer Material Science A.G. (Leverkusen, Alemania). Sus características son las

indicadas en la Tabla 4 (en apartado 3).

Agua destilada.

Arena silícea normalizada según DIN EN 196-1, y conforme a la ISO 679.

Superplastificante Sikament FF, suministrado por Sika España S.A.U. (Alco-

bendas).

Tabla 6. Análisis químico del cemento Portland utilizado, UNE-EN 197-1 CEM I 52.5-R.

CaO (Cal)

SiO2 (Sílice)

Al2O3 (Alúmina)

MgO (Óxido de magnesio)

Fe2O3 (Óxido de

hierro)

SO3-

(Anhídrido sulfúrico)

S2- Na2O

(Álcalis) P.F.

* R.I. **

61.51 19.76 3.66 2.07 4.73 3.03 - 0.12 2.52 0.66

*P.F.: Pérdida al fuego; R.I.: Residuo insoluble


77

4.1.2. DISPERSIÓN DE NTC

Para todas las dispersiones de NTC de este estudio se adoptó un procedimiento

previamente utilizado en la dispersión de NFC en matriz cementicia con resultados

satisfactorios (Galao 2012; Galao et al. 2012, 2014), y de eficacia contrastada en

nuestro apartado previo sobre dispersión. Los NTC se vertieron junto con el agua de

amasado en una mezcladora de aspas planas. Tras 10 minutos de mezclado, la sus-

pensión fue sometida a un tratamiento de sonicado aplicado con una punta de ultra-

sonidos modelo Hielschier UP200S a potencia máxima (200 W) con una duración de 5

minutos. Finalmente la dispersión resultante se vertió en una amasadora automática

estándar, añadiendo la arena y el plastificante correspondiente según el caso, así

como el cemento.

Li, Wang y Zhao (2007) emplearon un procedimiento muy parecido en la elabo-

ración de composites cementicios con adición de NTC para caracterizar su microes-

tructura y sus propiedades piezorresistivas. Empleando una amasadora de palas pla-

nas, los NTC se amasaron previamente con agua y se sonicaron para conseguir una

dispersión uniforme. Posteriormente la suspensión agua-NTC, el cemento y un agente

reductor de agua, se amasaron durante 3 minutos. Seguidamente se añadió un anti-

espumante y se amasó todo durante otros 5 minutos.

4.1.3. DOSIFICACIÓN Y PREPARACIÓN DE PROBETAS

Para los ensayos mecánicos se fabricaron probetas de mortero de 4x4x16 cm³

mediante compactación mecánica en dos capas. Las probetas se curaron bajo agua y

se ensayaron mecánicamente a 7 y 28 días de edades de curado, según lo establecido

en la norma UNE-EN 196-1:2005.

La relación agua/cemento (a/c) fue siempre de 0.5 y la relación are-

na/cemento (ar/c) de 3:1. Los NTC fueron, previamente al amasado, dispersados en

agua destilada siguiendo el procedimiento del apartado anterior, siendo las propor-

ciones en masa respecto a la masa de cemento de 0, 0.05, 0.10, 0.25 y 0.5% NTC. De

cada dosificación se prepararon 6 probetas.

Para el estudio de la cantidad de plastificante a utilizar en cada dosificación,

con el objetivo de obtener la misma trabajabilidad en los morteros, se utilizó el

método de la mesa de sacudidas, de acuerdo con la norma UNE 83258:2005. Se obtu-

vieron valores medios de escurrimiento para muestras diferentes de la misma dosifi-

cación. La desviación estándar relativa entre las distintas muestras con adición de

NTC fue siempre inferior al 5%.

Las proporciones de plastificante así obtenidas fueron 0, 0.4, 0.5, 0.9 y 2.2%

respecto masa de cemento para las dosificaciones respectivamente indicadas de 0,

0.05, 0.10, 0.25 y 0.5% NTC. Los morteros se amasaron en condiciones de laboratorio,

con un tiempo establecido de mezclado en la amasadora de 5 minutos, asegurando la

homogeneidad de la mezcla.

Capítulo II

78

4.1.4. DESCRIPCIÓN DE ENSAYOS

Velocidad de propagación de ultrasonidos (VPU)

Se fundamenta en la relación que existe entre la velocidad de propagación de

una onda a través de un medio continuo y las constantes elásticas del material que a

su vez están ligadas a la resistencia del mismo. Consiste en medir el tiempo emplea-

do por un impulso ultrasónico en recorrer la distancia existente entre un transductor

emisor y un transductor receptor, situados en contacto con el material que se ensaya

(modo de transmisión directa). La onda recorre una distancia conocida a través de la

masa del material hasta alcanzar al transductor receptor. Un circuito electrónico

mide el tiempo de tránsito “t” empleado por la onda para recorrer la distancia “L”,

que en este caso fue la longitud de la probeta, es decir, 16 cm.

El ensayo está normalizado según la UNE-EN 12504-4, obteniéndose la velocidad

de propagación de ultrasonidos (VPU) mediante la Ecuación 18:

Ecuación 18

Donde VPU: velocidad de propagación de ultrasonidos (m/s), L: distancia entre

emisor y receptor (m), t: tiempo que tarda la onda en atravesar la probeta desde el

extremo emisor hasta el extremo receptor (µs).

Mediante este ensayo puede determinarse el módulo dinámico de elasticidad,

que está relacionado con la resistencia a compresión, la existencia de fisuras y co-

queras, así como la uniformidad del material. En términos generales, a mayor veloci-

dad de propagación se obtienen mayores resistencias mecánicas.

El equipo empleado en este trabajo para la medida del tiempo de propagación

de las ondas sónicas a través de las probetas de mortero fue un equipo Ultrasonic

Tester BP-5, marca Steinkamp. Previamente a los ensayos el equipo se calibró me-

diante dos cilindros patrón, uno de PVC y otro de nylon.

Ensayo de resistencia a flexotracción

El ensayo de resistencia a flexotracción consiste en someter a flexión una pro-

beta prismática, aplicando mediante una prensa una fuerza transversal respecto al

eje longitudinal de la misma, de acuerdo con la norma UNE-EN 196-1:2005.

El mecanismo para la aplicación de las cargas consistió en dos rodillos para

apoyo de la probeta, separados una distancia de 100 mm, y un rodillo para la aplica-

ción de la carga, equidistante a los otros dos. Los tres rodillos fueron de acero, con

un diámetro de 10 mm. Uno de los rodillos de apoyo permaneció fijo mientras que el

resto pudieron girar ligeramente para permitir una distribución uniforme de la carga

sobre el ancho de la probeta sin que esté sometida a esfuerzos de torsión.

La probeta se colocó en la máquina de ensayo centrada y con las caras laterales

de moldeo en contacto con los rodillos. Seguidamente se aplicó la carga incre-


79

mentándola de forma continua a una velocidad de 50 N/s hasta su rotura. Se tomó

como carga de rotura la aplicada en el medio de la probeta en el momento de rotura.

Para que el ensayo sea considerado válido la probeta ha de romperse en cualquier

rebanada de la zona central. La prensa utilizada fue un modelo ME-402/20, de Servo-

sis, S.A.

La resistencia a flexotracción se calculó mediante la Ecuación 19:

Ecuación 19

Siendo:

Rf: resistencia a flexotracción de la probeta (MPa)

Ff: carga aplicada en la rotura (N)

l: distancia entre soportes (mm)

b: lado de la sección cuadrada de la probeta (mm)

Una vez ensayadas las probetas a flexotracción, éstas quedaron divididas en dos

mitades que posteriormente se ensayaron a compresión simple.

Ensayo de resistencia a compresión

El ensayo de rotura a compresión simple se llevó a cabo sobre las dos mitades

resultantes del ensayo de flexotracción y consistió en aplicar mediante una prensa (la

misma que en el apartado anterior) un par de fuerzas axiales de igual módulo y di-

rección pero de sentido contrario y convergente, según la norma UNE EN 196-1:2005.

La carga aplicada fue aumentando uniformemente a una velocidad de 2400 N/s

hasta la rotura de la probeta. Se tomó como carga de rotura la máxima alcanzada. La

resistencia a compresión se obtuvo dividiendo la carga de rotura entre el área de la

sección, según la Ecuación 20:

Ecuación 20

Siendo:

Rc: resistencia a compresión de la probeta (MPa)

Fc: carga máxima de rotura (N)

1600 = 40·40: superficie de los platos o placas auxiliares (mm²)

El valor de Rc se calculó como la media aritmética de seis resultados individua-

les (tres probetas). Si alguno de los resultados de las seis determinaciones variaba en

más de ±10% respecto a la media, se descartaba ese resultado y se calculaba la me-

dia aritmética de los cinco resultados restantes.

Tras la realización de este ensayo se guardó un fragmento de cada probeta rota

para calcular la densidad y porosidad de los morteros mediante balanza hidrostática.

Capítulo II

80

Densidad en balanza hidrostática

De los fragmentos de cada probeta rota a compresión se realizaron medidas del

peso seco, el peso saturado y el peso en balanza hidrostática, empleando una balan-

za de precisión modelo XS403S METTLER TOLEDO, con precisión de 1 mg, para deter-

minar su densidad.

Las muestras se desecaron previamente en estufa a 100 ºC, hasta pesada cons-

tante, para evaporar la humedad natural del material y poder medir la masa seca

(ms), la cual se determinó pesando la muestra en la balanza tras mantenerse en de-

secador hasta alcanzar la temperatura de laboratorio.

Posteriormente se introdujeron las muestras en agua destilada, de forma que la

totalidad de los poros accesibles fueran rellenados por dicho líquido. Una vez alcan-

zado un peso constante, se determinó la masa de las muestras saturadas en la balan-

za (msat) y en la balanza hidrostática (mBH). El método se fundamenta en el Principio

de Arquímedes, midiendo el peso del agua desalojada que es igual al volumen de la

muestra. De esta manera, la densidad aparente se calcula como la relación existente

entre la masa seca y el volumen aparente de la muestra, según la Ecuación 21:

Ecuación 21

Siendo:

D: densidad de la muestra (g/cm³)

ms: masa seca de la muestra (g)

Vap: volumen aparente (cm³);

ρ: densidad del agua (1 g/cm³)

msat: masa de la muestra saturada en balanza convencional (g)

mBH: masa de la muestra saturada en balanza hidrostática (sumergido) (g)

El procedimiento habitualmente seguido para saturar las muestras viene reco-

gido en diferentes normas, difiriendo ligeramente la definición dada según se indica

a continuación. En el apartado de resultados se especifica la norma correspondiente

utilizada en cada caso:

‒ Densidad aparente:

. Según UNE-EN 1097-6:2001, la masa sa-

turada sumergida se obtiene dejando la muestra sumergida en la cesta

durante 24 horas con una capa de agua que la recubra al menos 5 cm.

‒ Densidad global (o bruta). Además de la densidad aparente anterior, la

norma ASTM C 642-13 incluye la definición de densidad bruta

y satura hirviendo el recipiente con la muestra sumergida duran-

te 5 horas.

‒ Densidad aparente:

. Según UNE-EN 1936:2007, la masa sa-

turada se obtiene efectuando y manteniendo el vacío en un recipiente se-

co con una bomba durante 2 horas, para seguidamente añadir agua hasta


81

dejar sumergidas las probetas. Una vez esto se restablece la presión at-

mosférica en el recipiente y se dejan bajo agua otras 24 horas. La misma

norma indica que para elementos densos y de baja porosidad las diferen-

cias entre la densidad aparente y la densidad real son muy pequeñas. Por

su parte, la norma UNE-EN 993-1:1996 también satura las muestras some-

tiéndolas a un proceso de vacío.

Porosidad

Siguiendo un procedimiento análogo al de determinación de la densidad y em-

pleando las mismas muestras de ensayo se determinó la porosidad de los morteros

según la Ecuación 22:

Ecuación 22

Siendo:

P: porosidad de la muestra (%)

msat: masa de la muestra saturada en balanza convencional (g)

ms: masa seca de la muestra (g)

mBH: masa de la muestra saturada en balanza hidrostática (sumergido) (g)

4.2. Resultados y discusión

Los resultados de este apartado se presentan en el orden en que se obtuvieron,

comenzando por el valor de velocidad de propagación de ultrasonidos (VPU). Estos

resultados se muestran en la Figura 48, donde se compara el valor a las edades de 7 y

28 días para cada una de las cinco dosificaciones de estudio. Se observa que la inclu-

sión de NTC en los morteros aumenta considerablemente su VPU característica en

general y particularmente a la edad de 28 días de curado. No obstante, no se aprecia

proporcionalidad entre los resultados obtenidos y el contenido en NTC.

Figura 48. VPU en morteros con diferente dosificación de NTC a 7 y 28 días de curado. Las barras de error indi-can la desviación estándar.

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

6500

0% 0.05% 0.10% 0.25% 0.50%

VPU

(m

/s)

Contenido NTC

VPU 7d VPU 28d

Capítulo II

82

Las dos figuras siguientes (Figura 49 y Figura 50) muestran las resistencias a

flexotracción y compresión para cada dosificación a las dos edades de curado estu-

diadas. Si nos fijamos en la primera, observamos que todos los morteros con NTC

presentan Rf inferiores a la muestra de referencia a la edad de 7 días. Por su parte,

el incremento en el contenido de NTC no afecta significativamente a la Rf a 28 días

de curado. En cuanto a la Figura 50, tampoco nos permite atribuir variaciones signifi-

cativas al diferente contenido en NTC de los morteros. Lo que sí podemos observar

de forma más evidente en ambas gráficas es la ganancia de resistencias mecánicas

con la edad de curado. Esto se halla en coherencia con el desarrollo de las reacciones

de hidratación del cemento que se prolongan en el tiempo, teniendo especial activi-

dad a edades tempranas.

Figura 49. Resistencia a flexotracción de morteros con diferente dosificación de NTC a 7 y 28 días de curado. Las barras de error indican la desviación estándar.

Figura 50. Resistencia a compresión de morteros con diferente dosificación de NTC a 7 y 28 días de curado. Las barras de error indican la desviación estándar.

Las Figura 51 y Figura 52 presentan la influencia de la cantidad de NTC dosifi-

cados en la densidad aparente y la porosidad respectivamente, siguiendo el procedi-

miento de la UNE-EN 1097-6:2001, de los morteros ensayados a 7 y 28 días de curado.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0% 0.05% 0.10% 0.25% 0.50%

Rf

(MPa)

Contenido NTC

Rf 7d Rf 28d

0

10

20

30

40

50

60

70

0% 0.05% 0.10% 0.25% 0.50%

Rc (

MPa)

Contenido NTC

Rc 7d Rc 28d


83

La densidad no presenta cambios apreciables con el contenido en NTC. En cambio, sí

parece registrarse un ligero aumento en la porosidad de las muestras adicionadas con

NTC (entre un 6.8% y un 13.1% respecto a la muestra patrón). Respecto a la evolución

temporal, en el caso de la densidad apenas puede apreciarse un ligero aumento del

dato a 28 días respecto del de 7 días. En el caso de la porosidad su disminución se

hace más evidente para todos los morteros con la excepción del mortero con 0.5%

NTC. Esta excepción podría explicarse por la mayor proporción de plastificante dosi-

ficada para el mortero 0.5% NTC en relación al resto de morteros, que fue bastante

superior.

Figura 51. Densidad aparente de morteros con diferente dosificación de NTC a 7 y 28 días de curado. Las barras de error indican la desviación estándar.

Figura 52. Porosidad de morteros con diferente dosificación de NTC a 7 y 28 días de curado. Las barras de error indican la desviación estándar.

Como resumen de los cambios en las propiedades características producidos por

la diferente dosificación de NTC, se incluyen en la Tabla 7 los incrementos experi-

mentados por cada una de las magnitudes caracterizadas, para los morteros con NTC

respecto del mortero de referencia (sin NTC). Se aprecia la mayor variación positiva

en el dato correspondiente a la VPU, tanto a 7 como a 28 días, aunque como indicá-

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4

0% 0.05% 0.10% 0.25% 0.50%

Dap (

g/c

m³)

Contenido NTC

Dap 7d Dap 28d

10

12

14

16

18

20

0% 0.05% 0.10% 0.25% 0.50%

P (

%)

Contenido NTC

P 7d P 28d

Capítulo II

84

bamos anteriormente no existe una linealidad en los resultados. Por el contrario, la

propiedad que más disminuye es la resistencia a flexotracción a 7 días. Del compor-

tamiento global del conjunto de valores presentados en la tabla, cabe pensar que los

resultados no sólo vengan influidos por el contenido en NTC, sino también por la dife-

rente dosificación fijada para el plastificante.

Tabla 7. Variación porcentual de las propiedades mecánicas y físicas de los morteros con adición de NTC respec-to del mortero patrón (sin NTC).

% NTC VPU

Resistencia a flexotracción

Resistencia a compresión

Densidad aparente

Porosidad

7 d 28 d 7 d 28 d 7 d 28 d 7 d 28 d 7 d 28 d

0.05 46.8 32.8 -15.4 1.3 -2.1 7.3 0.2 -1.5 5.0 8.1

0.10 42.1 32.4 -21.4 -4.3 -5.5 2.6 0.1 -2.3 5.9 13.1

0.25 13.6 33.9 -25.0 -5.1 -1.7 4.2 0.2 -1.7 1.4 6.8

0.50 9.9 34.4 -12.3 -3.4 -10.7 2.3 0.6 -2.2 -0.7 11.0

4.3. Conclusiones Las conclusiones que podemos extraer de este apartado de caracterización

mecánica de morteros adicionados con NTC son las siguientes:

Los valores de resistencias mecánicas (Rc y Rf) aumentan con la edad de cura-

do de 7 a 28 días debido a la evolución de las reacciones de hidratación.

Un comportamiento similar (aumento con el tiempo) se observa en la veloci-

dad de propagación de ultrasonidos y muy ligeramente en la densidad aparen-

te. Coherentemente la porosidad presenta una tendencia a disminuir.

Los morteros con NTC en contenidos hasta el 0.5% presentan resistencias a

flexotracción inferiores a la muestra de referencia, particularmente a la edad

de 7 días. Por su parte, el incremento en el contenido de NTC no afecta signi-

ficativamente a la resistencia a compresión.

La densidad no presenta cambios apreciables al variar el contenido en NTC hasta do-

sificaciones del 0.5%. En cambio, sí se observa un ligero aumento en la porosidad de

las muestras adicionadas con NTC.


85

5. NIVELES DE CORROSIÓN

Se analiza en este estudio la cinética de corrosión del acero de refuerzo embe-

bido en pastas de cemento con adición de diferentes porcentajes de NTC, frente a

las dos condiciones de ataque principales: carbonatación y ataque por cloruros. Con

tal objeto, las pastas se sometieron, por un lado, a una carbonatación acelerada, y

por otro, a la acción despasivante de los iones cloruro introduciendo parcialmente las

probetas en una disolución con cloruros, simulando el agua de mar. Se utilizó pasta

de cemento a fin de maximizar la influencia de la matriz cementicia en el proceso de

corrosión.


5.1.1. MATERIALES Y PREPARACIÓN DE PROBETAS

Se fabricaron probetas prismáticas de dimensiones 80x55x20 mm³, de pastas de

cemento Portland UNE-EN 197-1 CEM I 52.5 R, cuya composición química queda refle-

jada en la Tabla 6 (pág. 76), con adición de diferentes porcentajes de nanotubos de

carbono (NTC) facilitados por la compañía Bayer Material Science A.G. (Leverkusen,

Alemania). Los NTC, identificados como BAYTUBES C70P, son de tipología MWCNT y

sus características están indicadas en la Tabla 4 (pág. 70). Se empleó plastificante

Sikament FF, suministrado por Sika España, S.A.U. (Alcobendas).

Las proporciones de NTC y plastificante utilizadas en este estudio son las mis-

mas del apartado anterior: 0, 0.05, 0.10, 0.25 y 0.50% NTC, y 0, 0.4, 0.5, 0.9 y 2.2 %

plastificante, respectivamente (referidos los porcentajes a la masa de cemento). Se

fabricaron dos series de probetas, que tras un acondicionamiento previo serán some-

tidas al tipo de ataque correspondiente (carbonatación para la serie 1, y cloruros

para la serie 2). Se empleó agua destilada con relación a/c de 0.5.

Cada probeta contenía dos electrodos cilíndricos de 8 mm de diámetro de acero

al carbono y un contraelectrodo de grafito en el centro de la probeta. El espesor de

recubrimiento resultante fue de 6 mm. La Figura 53 muestra un esquema de las pro-

betas utilizadas para las medidas de corrosión, similares a las utilizadas en estudios

precedentes (Alcocel et al. 2006; Zornoza, Payá y Garcés 2008). El área de acero

expuesta al contacto con la pasta atacada fue de 16.3 cm².

El método para dispersar los NTC en la suspensión acuosa es el mismo descrito

en el apartado 4.1.2 (pág. 77) y el amasado se realizó en amasadora automática si-

guiendo el procedimiento UNE-EN 196-3. La pasta fresca se vertió en los moldes,

compactando con una serie de golpes sobre la base de apoyo. El curado se realizó en

cámara húmeda al 100% HR y 20ºC durante 28 días. Desde el primer día se llevó a

cabo el seguimiento de los parámetros de corrosión, estableciendo tras el primer

curado, un periodo de acondicionamiento en condiciones de laboratorio previo a los

ataques correspondientes en cada caso.

Capítulo II

86

Figura 53. Esquema de las probetas utilizadas en el estudio de corrosión.

5.1.2. DESCRIPCIÓN DE LA TÉCNICA EXPERIMENTAL

La corrosión sucede gracias a la formación y movimiento de partículas con car-

ga eléctrica, y a los procesos parciales anódico y catódico les corresponde una inten-

sidad proporcional a la velocidad del fenómeno (González 1989). Este hecho posibili-

ta la estimación de la velocidad de corrosión midiendo magnitudes eléctricas; la

técnica empleada en este estudio es el método de resistencia de polarización.

El método de ensayo adoptado se recoge en la norma UNE 112072:2011. El

procedimiento de la técnica se basa en que las curvas de polarización son práctica-

mente rectas en un pequeño entorno del potencial de corrosión (Ecorr), y su pendiente

está relacionada con la velocidad de corrosión. Esta relación se expresa a través de

la fórmula de Stern y Geary (Stern y Geary 1957), indicada en su forma más sencilla:

Ecuación 23

Siendo,

Icorr: intensidad de corrosión (µA/cm²).

B: constante cuyo valor para el acero en el hormigón oscila entre 13-52 mV.

Rp: resistencia de polarización (kΩ·cm²). Es igual al cociente ΔE/ΔI, donde ΔI

(µA) es la intensidad de corriente registrada al aplicar una polarización ΔE

(mV).

En la práctica se aplica una pequeña polarización ∆E, de ± 10 mV, y se mide el

∆I correspondiente. El valor de la constante B oscila entre 13-52 mV, optando nor-

malmente por tomarlo igual a 26 mV (así se hace en este estudio) y aceptar que exis-


87

te un error de factor 2 en las medidas realizadas (Andrade y González 1978). Los va-

lores de potencial están referidos a un electrodo de calomelanos saturado (ECS).

En este trabajo se hablará indistintamente de intensidad de corrosión o de ve-

locidad de corrosión al referirse al parámetro Icorr; aunque la velocidad de corrosión

del acero normalmente se expresa como la velocidad de penetración de la corrosión

generalizada medida en μm/año (espesor del material convertido en óxido por uni-

dad de tiempo), con frecuencia, especialmente en ensayos de laboratorio, se expresa

en unidades electroquímicas, como mA/m² o μA/cm². Así, valores de Icorr inferiores a

0.1 μA/cm² se asocian con niveles de corrosión despreciables, entre 0.1 y 0.5 con

niveles bajos, entre 0.5 y 1 con niveles moderados, y superiores a 1 μA/cm² con nive-

les de corrosión altos (UNE 112072:2011).

La ventaja esencial de este método reside en que sólo se requiere la aplicación

de polarizaciones tan pequeñas que no se altera prácticamente el electrodo durante

el proceso de medida y una misma probeta permite innumerables determinaciones de

Icorr en el tiempo. Se trata de un procedimiento extraordinariamente sensible, rápido,

cuantitativo, no destructivo y de fiabilidad comparable a los métodos gravimétricos

clásicos de medida directa de la corrosión.

En cualquier caso, siempre es posible verificar el método con la técnica no

electroquímica de la pérdida de masa gravimétrica, al término del periodo de ensa-

yo. El método gravimétrico es una técnica destructiva que consiste básicamente en la

medida precisa de la variación del peso de la barra de acero estudiada antes del en-

sayo (completamente sana y libre de cualquier impureza) y al finalizar completamen-

te el mismo, tras la retirada de cualquier resto de los productos de corrosión.

Por su parte, la pérdida electroquímica se estima en base a la integración de

las curvas de Icorr en función del tiempo. Concediendo como se ha dicho, un margen

de error de factor 2, la concordancia entre las técnicas gravimétrica y electroquímica

dará validez al valor de B empleado.

5.1.3. DESCRIPCIÓN DE LOS ENSAYOS

En cada probeta, a lo largo del tiempo de experimentación, se midió el valor de

velocidad de corrosión instantánea (Icorr) y potencial de corrosión (Ecorr) para cada

electrodo de acero y se tomó como resultado el valor medio de ambos electrodos

para cada uno de los parámetros. La duración del proceso de medida fue el tiempo

suficiente hasta conseguir valores de Icorr estables.

Una vez curadas y acondicionadas en laboratorio hasta alcanzar un régimen es-

tacionario, la primera serie de probetas se atacó mediante un proceso de carbonata-

ción acelerada en una atmósfera del 100% de CO2 y una humedad relativa del 65±5%.

La segunda serie se sometió a inmersión parcial en disolución de NaCl 0.5 M que si-

mula el agua de mar. En este caso, las probetas estuvieron parcialmente sumergidas

en el agua, dejándose en su parte superior 1 cm de las mismas por encima del agua,

para evitar el contacto directo de los electrodos con la disolución, según se muestra

en la Figura 54.

Capítulo II

88

La técnica electroquímica usada para medir la velocidad de corrosión instantá-

nea, Icorr, fue la resistencia de polarización (Rp), descrita en el apartado anterior.

Durante el tiempo del experimento se midió periódicamente el valor de Icorr y Ecorr.

Todos los valores de potencial fueron referidos al electrodo de calomelanos saturado

(ECS). Se usó un potenciostato 362 EG&G distribuido por Princeton Applied Research.

La pérdida electroquímica estimada de la integración de las curvas de Icorr en función

del tiempo fue comparada con la pérdida gravimétrica correspondiente (obtenida

directamente mediante pesada). La buena concordancia obtenida entre ambas validó

el valor de B empleado.

Figura 54. Esquema de probeta sometida al proceso de ataque por cloruros.


La Figura 55 presenta la evolución del potencial de corrosión (Ecorr) y la veloci-

dad de corrosión (Icorr) de aceros embebidos en pastas de cemento con NTC sometidas

a un proceso de carbonatación acelerada mediante exposición continuada a una

atmósfera de CO2. Cada serie representada indica una dosificación de NTC diferente

en relación al peso de cemento (0%, 0.05%, 0.10%, 0.25% y 0.50%). La banda rayada,

marcada en el intervalo de velocidades de corrosión entre 0.1 y 0.2 µA/cm², señala

el umbral que separa una corrosión activa (por encima de 0.2 µA/cm²) de una corro-

sión despreciable (inferior a 0.1 µA/cm²) (Andrade y González 1978). Dado que las

edades de las probetas difieren en algunos días, se ha unificado su representación

respecto al momento de iniciar el ataque.

Durante el período de curado realizado en cámara húmeda, la tendencia habi-

tual es a que la velocidad de corrosión del acero se vaya reduciendo a medida que se

consigue pasivar, situándose de manera estable por debajo del umbral de corrosión.

Observamos efectivamente el fenómeno de pasivación que tiene lugar a las primeras

edades en todas las pastas estudiadas (área del gráfico indicada con “100% HR”).

Durante el periodo de acondicionamiento en laboratorio previo al ataque (área de-

signada por “Lab.”) los parámetros de corrosión se mantienen estables en la franja

de corrosión despreciable.


89

Al iniciarse el proceso de carbonatación, se observa un acusado aumento de la

velocidad de corrosión. Dicho fenómeno se debe a la despasivación de la superficie

del acero a consecuencia del descenso del pH que produce la carbonatación del re-

cubrimiento. La rapidez con que ello sucede se explica por el bajo espesor de este

recubrimiento. El aumento de la velocidad de corrosión está acompañado por un

marcado descenso del potencial de corrosión. Una vez superado el repunte de los

primeros 20 días de ataque, los valores de Icorr y Ecorr muestran tendencia a estabili-

zarse (al final del área denominada “Carbonatación”), y — exceptuando la serie del

0.5% NTC — las curvas se ordenan por orden creciente del contenido en NTC. Salvan-

do dicha excepción, desde el inicio del ataque se puede apreciar que a mayor por-

centaje de NTC, mayor es la velocidad de corrosión registrada y más negativos los

valores de Ecorr correspondientes.

0% 0.05% 0.10% 0.25% 0.50% NTC

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

0.01

0.1

1

1065±5 % HR

100% CO2

50±10 %HR

Ico

rr (A

/cm

2)

100 % HR Lab. Carbonatacion

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

-400

-300

-200

-100

0

Ecorr

(m

V v

s S

CE

)

Tiempo (dias)

Figura 55. Evolución de potencial de corrosión (Ecorr) e intensidad de corrosión (Icorr) de aceros embebidos en pastas de cemento con diferentes % NTC sometidas a un proceso de carbonatación acelerada.

Los resultados discutidos sobre carbonatación se pueden resumir refundiendo el

conjunto de valores para cada dosificación en torno a las dos condiciones principales:

curado y ataque por carbonatación. Así, a partir de los datos disponibles se ha calcu-

lado el valor medio de Icorr y Ecorr para cada periodo homogéneo de tiempo. El resul-

tado es el que se incluye en la Figura 56, donde efectivamente se comprueba la co-

rrespondencia entre ambos parámetros. También se verifica el citado aumento de

velocidad de corrosión y disminución del potencial de corrosión, a medida que se

incrementa el contenido en NTC.

Capítulo II

90

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

-280

-260

-240

-220

-200

-180

-160

-140

Eco

rr m

ed

io (

mV

vs

EC

S)

Contenido NTC (%)

Periodo de curado Carbonatación

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

0.01

0.1

1

Ico

rr m

ed

ia (

µA

/cm

²)

Contenido NTC (%)

Periodo de curado Carbonatación

Figura 56. Potencial de corrosión medio (Ecorr medio) e intensidad de corrosión media (Icorr medio) de aceros embebi-dos en pastas de cemento sometidas a carbonatación, según el contenido en NTC.

Por su parte, la Figura 57 muestra la evolución de los potenciales (Ecorr) y la

velocidad de corrosión (Icorr) de aceros embebidos en pastas de cemento con NTC

sumergidas parcialmente en disolución simulando agua de mar. Los porcentajes de

NTC añadidos a la pasta, respecto a la masa de cemento, fueron: 0%, 0.05%, 0.10%,

0.25% y 0.5%. De manera semejante a la primera serie, las probetas de la segunda

serie se mantuvieron en cámara húmeda hasta comprobar su estabilización. Al igual

que en la serie 1, se aprecia que los aceros embebidos en todas las pastas logran pa-

sivarse correctamente durante su etapa de curado en cámara húmeda. Una vez com-

pletada ésta, las probetas acondicionadas en ambiente de laboratorio se mantienen

estables en la zona de pasivado, análogamente al caso anterior.

Es en la tercera etapa (área indicada como “Agua de mar”), cuando los aceros

embebidos en las pastas parcialmente sumergidas en disolución de NaCl 0.5 M acusan

claramente el ataque por cloruros. De manera evidente, también en este caso, se

puede apreciar el desplazamiento de los potenciales de corrosión hacia valores más

negativos, así como un aumento de la Icorr registrada en cada caso. No es posible sin

embargo, apreciar una ordenación clara de las velocidades de corrosión en relación

al contenido en NTC.

La lectura realizada puede complementarse con la Figura 58, donde se propor-

ciona el valor medio de Icorr y Ecorr para las condiciones homogéneas de curado y ata-

que por cloruros externos. Puede apreciarse en el caso de la pasta patrón una menor

afección del ataque por ingreso de cloruros respecto al resto de pastas dosificadas

con NTC. Si relacionamos estos datos con los datos de porosidad ofrecidos por los

morteros de dosificaciones proporcionales, es posible atribuir la menor velocidad de

corrosión de la pasta sin NTC (único dato de Icorr media dentro de la banda rayada) a

su menor porosidad, lo que deriva en una menor permeabilidad del agente agresivo.


91

0% 0.05% 0.10% 0.25% 0.50% NTC

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

0.01

0.1

1

1050±10%HR

Ico

rr (A

/cm

2)

100 % HR Lab. Agua de mar

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

Ecorr

(m

V v

s E

CS

)

Tiempo (dias)

Figura 57. Evolución de potencial de corrosión (Ecorr) e intensidad de corrosión (Icorr) de aceros embebidos en pastas de cemento con diferentes % NTC sometidas a un ataque simulando agua de mar.

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

-450

-400

-350

-300

-250

-200

-150

-100

Eco

rr m

ed

io (

mV

vs

EC

S)

Contenido NTC (%)

Periodo de curado Agua de mar

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

0.01

0.1

1

Ico

rr m

ed

ia (

µA

/cm

²)

Contenido NTC (%)

Periodo de curado Agua de mar

Figura 58. Potencial de corrosión medio (Ecorr medio) e intensidad de corrosión media (Icorr medio) de aceros embebi-dos en pastas de cemento sometidas a ataque simulando agua de mar, según el contenido en NTC.

Los resultados obtenidos se hallan globalmente en congruencia con los reporta-

dos por Galao (2012) para el caso de pastas adicionadas con NFC. En su estudio con

NFC, considera necesario tener en cuenta dos aspectos a la hora de explicar el dife-

rente comportamiento de las pastas: el descenso progresivo de la resistividad eléc-

trica de la matriz cementicia (que contribuye al desarrollo de la pila de corrosión), y

el par galvánico establecido entre el acero y las NFC. Según esta última explicación,

la unión de dos elementos conductores con diferente nivel de nobleza implica que el

menos noble (acero) desarrolle unos niveles de corrosión superiores a los que regis-

traría en el mismo ambiente sin estar en contacto con el otro elemento más noble

Capítulo II

92

(NFC). Aunque coherente, esta línea argumentativa no es la de mayor peso a la hora

de analizar los resultados de nuestro estudio, debido al muy inferior contenido rela-

tivo de la adición conductora que no produce variaciones significativas en la resistivi-

dad del material como veremos en capítulos posteriores. En su lugar, resulta más

probable la atribución de los diferentes comportamientos a la citada magnitud de

porosidad, relacionada estrechamente con la permeabilidad (existencia de poros in-

terconectados), que determinará en cada caso una particular velocidad de penetra-

ción del agente agresivo en cuestión.

Atendiendo conjuntamente a los resultados obtenidos de las dos condiciones de

ataques más habituales (carbonatación y cloruros) se desprende la diferente optimi-

zación de las mezclas no sólo por la dosificación de NTC sino también por su conteni-

do en plastificante. La combinación de ambas variables da lugar a porosidades carac-

terísticas para cada composite, obteniendo niveles de permeabilidad o tortuosidad

tanto menores cuanto más optimizada sea la mezcla resultante, no sólo en estado

fresco (trabajabilidad) sino también una vez ya fraguadas y curadas en el tiempo.

5.3. Conclusiones En base al estudio de corrosión sobre aceros embebidos en pastas con diferente

contenido en NTC podemos extraer las siguientes conclusiones:

Los aceros embebidos en pastas adicionadas con NTC dosificadas hasta un

0.5% presentan una tendencia a pasivarse durante su periodo de curado aná-

loga a la pasta patrón (sin NTC).

Todo los aceros embebidos en las pastas estudiadas aumentan significativa-

mente su velocidad de corrosión cuando son sometidos a las dos condiciones

de ataque, tanto carbonatación como cloruros. Simultáneamente se produce

una notable disminución de sus respectivos potenciales de corrosión.

Ante los ataques indicados, no se desprende una relación proporcional entre

el contenido en NTC y los niveles de corrosión registrados. La pasta patrón es

la que proporcionó una mejor protección frente a la corrosión de sus aceros

embebidos al ser atacada por CO₂ o por Cl-. Se apunta a la diferente optimi-

zación de las mezclas dosificadas (acción combinada de NTC y plastificante)

como principal explicación de las variaciones observadas.


93

6. ANÁLISIS MEDIANTE SEM y EDX

Al objeto de proporcionar una caracterización complementaria, de tipo micro-

estructural, se prepararon muestras para su observación al microscopio electrónico

de barrido (SEM, de Scanning Electron Microscopy), así como para microanálisis por

dispersión de energías de Rayos-X (EDX, de X-Ray Energy Dispersive Spectrometry).


6.1.1. MATERIALES Y PREPARACIÓN DE MUESTRAS Las muestras elaboradas para este estudio fueron pastas a base de cemento

Portland gris UNE-EN 197-1 CEM I 52.5 R, cuya composición química queda reflejada

en la Tabla 6 (pág. 76). Las dosificaciones de NTC — facilitados por la compañía Ba-

yer Material Science A.G. (Leverkusen, Alemania) —, así como las relaciones a/c em-

pleadas son las recogidas en la Tabla 8. Los NTC, identificados como BAYTUBES C70P,

son de tipología MWCNT y sus características están indicadas en la Tabla 4 (pág. 70).

Se fabricaron probetas de dimensiones 10x10x1 cm³, siguiendo el procedimien-

to de dispersión y amasado indicado en el apartado 5.1.1 (pág. 85). Las probetas,

desmoldadas a las 24 h, se guardaron en cámara húmeda durante 7 días. Tras el cu-

rado, se obtuvieron pequeñas muestras en forma de lámina (1-2 mm de espesor y 1

cm² de superficie) mediante cortadora de disco automática. La cara del corte (cara

fresca) será la empleada en las observaciones al microscopio. Antes del análisis, se

introdujeron 24 h en estufa a 50ºC para su secado.

Tabla 8. Dosificaciones de las pastas analizadas al microscopio (% referido a masa de cemento).

Id. muestra % NTC a/c

1 0.1 0.5

2 1 0.6

3 5 1.5

4 10 2

Para la observación SEM se aprovecharon algunas de las muestras acuosas utili-

zadas en el estudio de dispersión inicial, concretamente las identificadas con los

números 10, 13, 16 y 19 (véase la Tabla 5, pág. 71). La única preparación adicional

que requirieron estas suspensiones fue su colocación con un cuentagotas en el por-

tamuestras para su completo secado. También se observaron los NTC tal cual son

suministrados (aglomerados, sin ningún tipo de tratamiento).

6.1.2. DESCRIPCIÓN DE LOS ENSAYOS En primer lugar se obtuvieron los espectros de las pastas de cemento. El ele-

mento cuya presencia interesa cuantificar es el carbono (constituyente de los NTC en

más de un 95%). Para ello se realizó un mapeo uniforme sobre la muestra, registran-

do 5 espectros diferentes para las tres primeras muestras de la Tabla 8. El equipo

Capítulo II

94

SEM empleado fue un Hitachi modelo S-3000N, que tiene acoplado un espectrómetro

por dispersión de energía de rayos X (EDS) Bruker modelo XFlash-3001.

A continuación, todas las muestras ya preparadas (sin humedad), fueron recu-

biertas con oro mediante metalizador marca Balzers modelo SCD 004. Esta prepara-

ción es necesaria para lograr un recubrimiento que sea eléctricamente conductor

dado que de esta forma se pueden acelerar los electrones desde el cátodo hasta la

muestra donde deben impactar con la misma. Este recubrimiento permite obtener

una mayor resolución en las fotografías. El equipo SEM utilizado en este caso fue un

Jeol modelo JSM-840.

6.2. Resultados y discusión La Figura 59 presenta los resultados promediados de los cinco espectros EDX

obtenidos para las pastas adicionadas con un 0.1%, 1% y 5% NTC. Las barras de error

representan la desviación estándar de los valores que cuantifican el porcentaje en

peso del elemento carbono. La curva resultante muestra la proporcionalidad existen-

te entre la presencia de dicho elemento y la dosificación de NTC en las pastas, como

cabía esperar. Cabe apreciar en las barras de error una magnitud cuantitativa del

grado de homogeneidad de los composites resultantes. En efecto, cuanto mayor sea

la desviación estándar significará que las diferencias entre distintos puntos de una

misma muestra son más acusadas, situación que podría corresponderse a espectros

de puntos de pasta hidratada por un lado, y espectros de aglomerados de NTC por

otro. Por el contrario, cuanto menor sea la desviación estándar menor será la disper-

sión entre los espectros correspondientes a una misma muestra.

Figura 59. Presencia relativa del elemento Carbono en las pastas analizadas mediante EDX. Las barras de error

indican la desviación estándar.

Seleccionando muestras representativas de las pastas de estudio, y optimizando

el diseño experimental para las dosificaciones analizadas, se apunta al empleo de

esta técnica de análisis como un posible método para evaluar de manera cuantitativa

el grado de homogeneidad final alcanzado en composites de base cemento con adi-

ción de NTC. Dado que el logro de una adecuada dispersión en la fase acuosa inicial

no es garante de una uniforme distribución de los NTC en el seno de la matriz cemen-

ticia, proponemos con el fin de efectuar esta comprobación, sumar el microanálisis

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0

inte

nsi

dad C

(u.a

.)

Contenido NTC


95

por EDX indagado en el presente estudio, a las técnicas reportadas por otros investi-

gadores (Nam y Lee 2015). Dichas técnicas incluyen el análisis de imagen y medidas

de conductividad en corriente continua.

En cuanto a las fotografías obtenidas al microscopio, la Figura 60 muestra el

tamaño medio de los clusters de NTC (gránulos formados a partir de la aglomeración

de muchos NTC) según son suministrados por el fabricante, y una vez dispersados en

etanol aplicando un tratamiento de ultrasonidos. La tendencia de los NTC a su aglo-

meración da lugar a partículas macroscópicas con tamaños en el orden hasta de 1

mm, según se aprecia en la escala.

(a)

(b)

Figura 60. Imágenes SEM de los BAYTUBES C70P: (a) según son recepcionados (sin ningún tratamiento dispersan-te); (b) dispersos con ultrasonidos en etanol.

Para poder distinguir los NTC como partículas individuales, y apreciar con cierta

nitidez sus dimensiones características (diámetro y longitud) es preciso que las mues-

tras se hallen bien dispersadas. Concretamente en las Figura 61 y Figura 62 es posible

detectar NTC individuales con un intervalo de aumentos de entre 5000 y 50000, que

nos permiten aproximar el diámetro de la estructura tubular al orden de los 100 nm

— difiriendo en un orden de magnitud respecto al valor característico proporcionado

por el fabricante —, aunque no así su longitud. Estas dos imágenes se corresponden

con las muestras 10 y 13, cuyos tratamientos dispersantes incluyeron la aplicación

conjunta de ultrasonidos y dos policarboxilatos diferentes (P1: Sika ViscoCrete-20 HE,

y P2: Glenium ACE 425, respectivamente).

En el caso de las muestras 16 y 19, dispersadas aplicando conjuntamente ultra-

sonidos y dos surfactantes (SDBS y TX100, respectivamente) no fue posible la obser-

vación de NTC individuales. Tampoco se apreciaron en su forma granulada; por tanto,

estas imágenes fueron descartadas.

Capítulo II

96

Figura 61. Imagen SEM de NTC dispersos aplicando ultrasonidos + 1% P1.

Figura 62. Imagen SEM de NTC dispersos aplicando ultrasonidos + 1% P2.

En las cuatro figuras siguientes (Figura 63, Figura 64, Figura 65, Figura 66) se

incluyen imágenes SEM representativas de las pastas adicionadas con 0.1%, 1%, 5% y

10% NTC respectivamente. Efectivamente, a medida que aumenta la dosificación en

NTC, su presencia y detección al microscopio se hace más clara y evidente. El puen-

teo de las fisuras citado de manera recurrente en la bibliografía (Makar, Margeson y

Luh 2005; Abu Al-Rub, Ashour y Tyson 2012; Chen et al. 2014; Hanus y Harris 2013) no

se atisba tan claramente en las fotografías capturadas en el presente estudio. Ello

puede explicarse por la ausencia de fisuras en las muestras adecuadamente curadas y

acondicionadas.

Merece la pena notar el engrosamiento aparente experimentado por los NTC de

la muestra adicionada al 10% (Figura 66). Otros autores también realizaron esta apre-

ciación (Makar, Margeson y Luh 2005; Luo, Duan y Li 2009). Teniendo en cuenta que


97

la concentración de esta muestra es inusualmente elevada, apenas se observan es-

tructuras asociadas al gel C-S-H. En su lugar, los NTC presentan un recubrimiento que

puede asociarse con el crecimiento de las fases hidratadas en torno al perímetro cir-

cundante de las estructuras tubulares. Sin embargo, la disminución relativa del gel C-

S-H tan acusada se traduce en una abrupta disminución de la resistencia mecánica de

esta muestra, mucho más frágil que las tres anteriores.

Al aumentar la dosificación de NTC hasta concentraciones tan elevadas se hace

necesario recurrir a relaciones a/c también muy superiores. La combinación de am-

bos incrementos, en la práctica, equivale a reducir el contenido de cemento, el aglu-

tinante base de estos composites, con lo que su capacidad cohesiva se ve seriamente

mermada. En este sentido, consideramos esta dosificación máxima el valor límite

susceptible de ser estudiado para las aplicaciones y funciones que solicitamos a estos

composites en el marco de la presente tesis.

Figura 63. Imagen SEM de la pasta adicionada con 0.1% NTC (respecto masa de cemento).

Figura 64. Imagen SEM de la pasta adicionada con 1% NTC (respecto masa de cemento).

Capítulo II

98



6.3. Conclusiones

Del estudio de caracterización microestrucutral mediante EDX y SEM es posible

extraer las siguientes conclusiones:

En pastas de cemento portland adicionadas hasta el 5% NTC se aprecia una li-

nealidad entre el porcentaje del elemento carbono y el contenido en NTC. Es-

ta presencia de C se asocia fundamentalmente a la detección de NTC.

La optimización del análisis por EDX y su análisis de dispersión (desviación

estándar por ejemplo) puede constituir un método cuantitativo válido para

evaluar la homogeneidad de los composites adicionados con NTC.


99

Se verifica la efectividad de los tratamientos por ultrasonidos en suspensiones

líquidas, tanto en agua como en etanol.

En cuanto a las pastas analizadas, fijamos como límite superior para el conte-

nido en NTC el valor del 10%. La microestructura de la pasta así dosificada es

significativamente diferente a las demás, presentando una proporción de ge-

les C-S-H muy inferior. Ello se traduce en una notable merma de su cohesión.

101

CAPÍTULO III: FUNCIÓN DE EXTRACCIÓN

ELECTROQUÍMICA DE CLORUROS

Función de EEC

103

7. FUNCIÓN DE EEC MEDIANTE PASTAS CON NTC

Este capítulo recoge el estudio realizado sobre probetas de hormigón armado

que fueron sometidas a dos métodos diferentes de ataque con cloruros: interno (agua

de amasado) y externo (contaminación desde la superficie). El objetivo de este estu-

dio es indagar la viabilidad de emplear un sistema anódico basado en pastas de ce-

mento conductoras con adición de NTC, cuando se aplica la técnica de EEC en ele-

mentos de hormigón armado contaminados con cloruros. El sistema de aplicación de

las pastas anódicas ha sido el extendido, también llamado enlucido, de la superficie

a tratar. Finalmente el rendimiento del sistema estudiado será comparado con la

eficiencia del ánodo de referencia tradicional (malla de Ti-RuO2).


7.1.1. FABRICACIÓN Y ATAQUE DE PROBETAS DE HORMIGÓN ARMADO

Para el desarrollo de esta investigación se elaboraron dos series de 4 probetas

prismáticas de hormigón armado, de dimensiones 18x18x8 cm³. La primera serie fue

sometida a una contaminación por cloruros internos, añadiendo NaCl en el agua de

amasado en concentración del 2% Cl- respecto masa de cemento (3.3% NaCl respecto

masa de cemento). Con una relación agua/cemento de 0.65, la dosificación del hor-

migón es la indicada en la Tabla 9. La relación a/c empleada, en el límite de lo ad-

misible por la EHE-08, permite obtener un hormigón de alta porosidad reproduciendo

un material de menores prestaciones, más expuesto al ataque por cloruros. El ce-

mento es un Portland gris UNE-EN 197-1 CEM I 42.5 R suministrado por Cementos Por-

tland Valderrivas S.A. (Pamplona). La arena (granulometría 0-4 mm) y la gravilla (4-

12 mm) son áridos de naturaleza caliza, procedentes de canteras locales. Como plas-

tificante para mejora de la trabajabilidad se utilizó Sikament 200 R, suministrado por

Sika España S.A.U. (Alcobendas), dosificado al 1% respecto masa de cemento.

Tabla 9. Dosificación del hormigón empleado.

Material Dosificación

Cemento CEM I 42.5 R 250 kg/m³

Agua destilada 162.5 kg/m³

Arena 890 kg/m³

Árido 4/12 1000 kg/m³

Plastificante Sikament 200 R 2.50 kg/m³

NaCl* 2% Cl- respecto

masa de cemento*

* Sólo añadido en la serie 1 (amasada contaminada internamente)

El armado consiste en un emparrillado de 16x16 cm² compuesto por 6 varillas

de acero al carbono liso de 5 mm de diámetro, soldadas perpendicularmente y dis-

tantes 50 mm entre sí. Se ataron dos cables de cobre macizo a la armadura embebida

para posibilitar posteriormente su conexión eléctrica durante el tratamiento de EEC.

Capítulo III

104

Para proteger la conexión se recubrió la unión con una resina bicomponente de rápi-

da acción (Nural 27, de Pattex). Lo indicado puede apreciarse en la Figura 67.

Los moldes de encofrado fueron diseñados al efecto, compuestos por piezas de

madera contrachapada atornilladas entre sí. Se les practicaron dos pequeños taladros

en caras opuestas para permitir la salida del cableado y otros cuatro taladros auxilia-

res para posibilitar el correcto posicionamiento de la armadura mediante cuatro tu-

bos telescópicos que la mantienen fija durante el hormigonado, asegurando así un

recubrimiento de espesor 2 cm respecto de la base inferior (superficie donde se apli-

cará el tratamiento de EEC). Este diseño experimental está basado en el descrito por

Carmona (2014) en uno de sus estudios con pasta de grafito-cemento en este mismo

campo de investigación.

Figura 67. Disposición de la armadura en el encofrado, preparado para su hormigonado.

Se llevaron a cabo dos amasadas (una por cada serie, la primera con NaCl, la

segunda sin NaCl). La mezcla de los componentes se realizó en hormigonera conven-

cional de motor eléctrico, con una capacidad de uso óptima en torno a los 50 l.

Además de las 4 probetas prismáticas de estudio, se hormigonaron 2 probetas prismá-

ticas de 10x10x40 cm³ y 4 probetas cilíndricas de Ø15cm x 30 cm para realizar una

caracterización complementaria del hormigón, así como el ensayo del cono de

Abrams para determinación de su consistencia en estado fresco.

La compactación se realizó mediante mesa vibradora. Los elementos fueron

desmoldados al día siguiente, y una vez identificados, se conservaron en cámara

húmeda (100 % HR, 20ºC) durante un mínimo de 28 días. Aunque las dos amasadas

(con y sin NaCl) se realizaron en la misma fecha, los tratamientos no se realizaron

simultáneamente: en primer lugar se ensayó la serie 1, contaminada internamente

por adición de NaCl en el agua de amasado, teniendo lugar el ataque por cloruros

desde el primer contacto de la armadura con la matriz cementicia. La serie segunda,

por su parte, se sometió a un proceso de ataque externo durante dos meses, consis-

tente en la adición semanal de 65 ml de NaCl 1 M, sin retirar los cristales de NaCl

formados en la superficie del hormigón por evaporación del líquido. Al efecto de con-

tener la disolución indicada se adhirió provisionalmente, a modo de piscina, un cubo

Función de EEC

105

sin fondo de PVC en la cara superior de la probeta empleando pistola de cola. La cola

permite un adecuado sellado de las juntas PVC-hormigón, y se elimina fácilmente al

término del periodo de ataque, momento en el que se retira la piscina, así como los

cristales de sal acumulados (Figura 68).

Figura 68. Formación de cristales de NaCl en la superficie de las probetas atacadas externamente.

Así preparadas, las probetas se dejaron acondicionar en ambiente de laborato-

rio durante dos días previo a la aplicación de la pasta anódica, cuya preparación se

detalla más adelante.

7.1.2. CARACTERIZACIÓN DEL HORMIGÓN

La determinación de la consistencia en estado fresco se realizó mediante el en-

sayo de asentamiento (conocido como cono de Abrams), según UNE-EN 12350-2:2009.

Los ensayos de caracterización mecánica se realizaron a la edad de 28 días, en

base a las normas UNE-EN 12390-5:2009 y UNE-EN 12390-3:2009 para las roturas a

flexotracción y compresión, respectivamente. La resistencia a flexión se obtiene

según la fórmula:

Ecuación 24

Donde:

fcf: resistencia a flexión (MPa)

F: carga máxima (N)

l: distancia entre los rodillos soportes (mm)

Capítulo III

106

d: dimensión lateral de la probeta (mm)

La resistencia a compresión viene dada por la Ecuación 25:

Ecuación 25

Donde:

fc: resistencia a compresión (MPa)

F: carga máxima de rotura (N)

Ac: área transversal de la probeta (mm²)

El equipo empleado para estos ensayos fue una prensa modelo CMP-150 t, de

Servosis, S.A. A partir de los fragmentos de las probetas rotas se obtuvieron las

muestras necesarias para determinar la densidad y porosidad siguiendo el procedi-

miento ya descrito en el apdo. 4.1.4 (pág. 78).

También se caracterizó la resistencia a la penetración de agentes externos me-

diante el coeficiente de permeabilidad al aire, obtenido siguiendo el procedimiento

recogido en la norma UNE 83981:2008 (empleando aire comprimido en nuestro caso).

La expresión empleada para el cálculo de este coeficiente es la siguiente:

Ecuación 26

Donde:

K: coeficiente de permeabilidad (m²)

Q: flujo de aire que atraviesa la probeta (m³/s)

pa: presión atmosférica (N/m²)

p: presión aplicada en el ensayo (N/m²)

El equipo de permeabilidad empleado es un permeabilímetro modelo 58-E0031

de CONTROLS. Para realizar este ensayo se obtuvieron 4 discos de espesor 5 cm a

partir del corte de la probeta cilíndrica restante de cada serie. Las bases superior e

inferior se descartaron y las probetas así cortadas se acondicionaron siguiendo el

procedimiento acelerado (método de Parrott) descrito en la UNE 83966:2008. El

propósito de este acondicionamiento es establecer una humedad relativa uniforme en

el interior de la probeta entre el 65% y el 75%, lo que permite estandarizar los resul-

tados.

7.1.3. PREPARACIÓN DE LOS SISTEMAS ANÓDICOS

Para la elaboración de las pastas de cemento conductoras se empleó el mismo

cemento Portland UNE-EN 197-1 CEM I 52.5 R ya utilizado anteriormente como base

de los composites conductores, cuya composición química queda reflejada en la Ta-

bla 6 (pág. 76). Los NTC por su parte, fueron suministrados por Nanocyl S.A. (Sam-

breville, Bélgica), también de tipología MWCNT, denominados NANOCYLTM NC7000

Función de EEC

107

(pueden verse en la Figura 69). Sus propiedades características se pueden consultar

en la Tabla 10.

Figura 69. Imagen TEM de los NTC NANOCYLTM NC7000, facilitada por el fabricante.

Tabla 10. Características de los NTC NANOCYLTM NC7000, proporcionadas por el fabricante.

Propiedad Valor

Pureza en carbono (%) 90

Óxido metálico (%) 10

Diámetro medio (nm) 9.5

Longitud media (µm) 1.5

Densidad (kg/m³) 45-95

Área superficial (m²/g) 250-300

Serie 1: Ataque interno

En la serie 1, las proporciones de NTC utilizadas para las pastas anódicas fueron

1%, 5% y 10% NTC respecto masa de cemento. Las dosificaciones de estas pastas, in-

dicadas en la Tabla 10, han sido establecidas teniendo en cuenta los requerimientos

de dispersión de los nanotubos de carbono en el agua de amasado (realizada siguien-

do el mismo procedimiento detallado en el apartado 4.1.2, pág. 77) así como la ade-

cuada trabajabilidad de las pastas para su aplicación en el hormigón. Los componen-

tes indicados se amasaron con agua destilada en amasadora automática bajo el pro-

cedimiento descrito en la norma UNE-EN 196-3:2005. Cada pasta se extendió median-

te llana sobre la superficie del bloque de hormigón dando un espesor de 2 mm en un

área de 16x16 cm²; nos ayudamos de un marco metálico del espesor necesario que

actuó de molde (Figura 70-a). Para posibilitar la conexión eléctrica del ánodo se em-

bebieron en la pasta cuatro barras de grafito de diámetro 4 mm (Figura 70-b). El cu-

rado de las pastas se realizó introduciendo las probetas nuevamente en cámara

húmeda durante un periodo de 7 días.

Capítulo III

108

Tabla 11. Dosificación de las pastas de cemento conductoras, aplicadas en probetas contaminadas internamente.

Material Ánodo 1% NTC Ánodo 5% NTC Ánodo 10% NTC

NTC* 1% 5% 10%

Relación agua/cemento 0.5 1.25 2.5

Plastificante Sikament 200 R* 1.25% 1.50% 2.22%

* % respecto masa de cemento

(a)

(b)

Figura 70. (a) Marco de espesor 2 mm fijado en la probeta, y (b) colocación de las barras de grafito en la pasta fresca.

Con el fin de contener el electrolito inicial —agua de grifo— sobre la pasta de

cemento conductora, a modo de piscina, se pegó un cubo sin fondo de PVC en la cara

superior del hormigón; se empleó en este caso silicona de poliuretano que asegura un

completo sellado y dota a la unión de la rigidez suficiente para la manipulación de

las probetas con sus piscinas. La disposición final del elemento preparado para iniciar

el tratamiento de EEC es la representada en la Figura 71.

Figura 71. Vista superior (izda.) y frontal (dcha.) del bloque de hormigón y el montaje para los ensayos de EEC (Medidas expresadas en mm).

Como sistema anódico de referencia, la cuarta probeta de hormigón fue ins-

trumentada utilizando como ánodo una malla de Ti-RuO2, disponiendo centrado en la

superficie del hormigón un cuadrado de malla de 16x16 cm² con un pequeño saliente

para su conexión eléctrica. Igualmente, se adhirió en su cara superior un cubo sin

fondo de PVC para contener el electrolito.

Función de EEC

109

Serie 2: Ataque externo

Todo el procedimiento de preparación es análogo al descrito para la serie de

probetas 1. La diferencia reside en las dosificaciones de las pastas estudiadas para

esta segunda serie, que fueron establecidas según la Tabla 12 una vez conocidos los

resultados obtenidos tras el ensayo de la primera serie.

Tabla 12. Dosificación de las pastas aplicadas en probetas contaminadas externamente.

Material Ánodo 0.5% NTC Ánodo 1% NTC

NTC* 0.5% 1%

Relación agua/cemento 0.5 0.5

Plastificante Sikament 200 R* 0% 1.25%

* % respecto masa de cemento

En este caso, a la tercera probeta no se le aplicó ningún sistema anódico puesto

que es la que nos servirá para obtener el perfil de cloruros resultante del ataque (sin

aplicación del tratamiento de EEC, perfil control). Por último, sobre la cuarta probe-

ta se colocó el ánodo de referencia en nuestro estudio (malla de Ti-RuO2), al igual

que en la serie 1.

Los siguientes pasos seguidos en el procedimiento experimental son iguales pa-

ra ambas series.

7.1.4. APLICACIÓN DE LA TÉCNICA DE EEC

Previo al inicio del ensayo se llenaron las piscinas de PVC con agua de grifo

(electrolito), y se realizaron las conexiones eléctricas mediante pinzas de tipo coco-

drilo: el ánodo (pasta de cemento conductora o malla Ti-RuO2) se conecta al polo

positivo de la fuente de alimentación y el cátodo (armadura) a su polo negativo. En

la Figura 72 se puede ver una instantánea del tratamiento ya en marcha.

Figura 72. Montaje experimental para la aplicación del tratamiento de EEC (serie 1).

Capítulo III

110

Para llevar a cabo la EEC cada probeta de hormigón armado se conectó indivi-

dualmente a una fuente de corriente continua, suministrando permanentemente una

intensidad de corriente prefijada. Las cuatro fuentes empleadas son modelos EV261 y

EV202, de Consort. Éstas fueron configuradas para alimentar el circuito con una den-

sidad de corriente de 2 A/m², relativa a la superficie de hormigón sobre la que se

sitúa el ánodo (0.16x0.16 m²), lo que supone una intensidad de corriente de 51 mA.

La tensión de alimentación para cada probeta se estableció en consecuencia según su

resistencia eléctrica. Tal como reporta la literatura, en el transcurso del tiempo que

dura el tratamiento, normalmente se observa un incremento de la tensión para man-

tener la densidad de corriente establecida. No obstante, se procuró no superar en

ningún momento el umbral de 40 V que la literatura aconseja considerar para preve-

nir la degradación de la pasta anódica (Carmona 2014).

Se adoptó como criterio de finalización del tratamiento de EEC el paso de una

densidad de carga de 3 MC/m² para cada una de las probetas. La duración de la ex-

periencia fue en consecuencia de 417 horas. Para tener un registro de la cantidad de

carga pasada se incluyeron dos columbímetros en dos de los circuitos. Así, en caso de

fallo del sistema de alimentación general (lo que da lugar a la parada de las fuentes)

puede saberse exactamente cuánta carga pasó hasta la parada y recalcular el tiempo

restante hasta la finalización del tratamiento.

7.1.5. DESCRIPCIÓN DEL ANÁLISIS DEL CONTENIDO EN CLORUROS

Para conocer el contenido inicial de cloruros presentes en el hormigón se extra-

jeron muestras del hormigón sin tratar, previamente a la aplicación de la técnica de

EEC. Una vez finalizado el tratamiento, se midieron las reducciones del contenido de

Cl- en el hormigón. Para ello se obtuvieron muestras de hormigón pulverizado en ca-

pas de espesor 2 mm, desde la superficie sólida en contacto con el electrolito. El

equipo utilizado en esta operación fue el Profile Grinder (Vennesland et al. 2013).

La determinación del contenido de Cl- soluble en ácido de las muestras de hor-

migón obtenidas e identificadas individualmente en el paso anterior, se realizó me-

diante valoración potenciométrica (Climent et al. 2004); el equipo de valorado auto-

mático es un titroprocesador de METROHM, modelo 794 Basic Titrino, que lleva aco-

plado un procesador multimuestras de la misma casa METROHM 778 Sample Proces-

sor. El procedimiento seguido en la preparación, tratamiento y valoración de las

muestras ha sido bien establecido por autores con amplia experiencia en este tipo de

análisis (Climent et al. 1999), y aparece detalladamente descrito en la reciente tesis

de Carmona (2014).

Todas las concentraciones de Cl- del hormigón se refieren a Cl- soluble en áci-

do, y se expresan como porcentajes relativos a masa de cemento dosificado para el

hormigón (no para la pasta). Por integración de los perfiles de contenido de Cl- del

hormigón y la pasta cementicia conductora, se pueden calcular las cantidades de

cloruro presentes en cada una de estas fases antes y después de la EEC. Esto permite

calcular directamente la eficiencia en la reducción del contenido de cloruro inicial.

Función de EEC

111


Caracterización previa del hormigón

La primera propiedad caracterizada, en estado fresco, fue la consistencia cuyo

resultado mediante cono de Abrams produjo un asentamiento de 1 cm en las dos

amasadas (con y sin NaCl). Se trata por tanto en ambos casos de hormigones de con-

sistencia seca, aptos para su compactación mediante mesa vibradora.

Las siguientes propiedades se obtuvieron del hormigón ya fraguado y endureci-

do, a partir de su rotura en prensa en el caso de su caracterización mecánica, o bien

a partir de su corte y acondicionamiento previo para caracterizar su permeabilidad.

Tabla 13. Resumen de propiedades caracterizadas sobre el hormigón.

Propiedad Amasada 1 (sin NaCl) Amasada 2 (con NaCl)

Resistencia a compresión (MPa) 35.5±1.5 32.5±0.2

Resistencia a flexotracción (MPa) 7.1±0.1 6.8±0.4

Densidad (g/cm³) 2.29±0.12 2.32±0.07

Porosidad (%) 6.9±1.3 7.8±1.2

Coeficiente permeabilidad al aire (m²) (0.30±0.06)·10-16 (0.27±0.03)·10-16

Seguido del dato característico se indica la desviación estándar.

La Tabla 13 recopila los resultados de caracterización del hormigón en masa de

las dos amasadas, realizados antes de iniciar la operativa para la aplicación propia-

mente de la técnica de EEC. Se desprende de la comparativa entre ambas amasadas

una gran similitud de sus valores para cada una de las propiedades estudiadas, con-

cluyendo, para la dosificación empleada, que la adición de un 3.3% NaCl respecto

masa de cemento reduce ligeramente el nivel de prestaciones mecánicas y de durabi-

lidad respecto al mismo hormigón en masa sin NaCl.

Evolución experimental – Serie 1: Ataque interno

Como parámetro de control, una vez conectadas las probetas a sus respectivas

fuentes de alimentación, se efectuó el seguimiento representado en la Figura 73 a

partir de los datos de tensión que cada probeta refleja en el display de su fuente de

alimentación en función de su resistencia eléctrica. Se observa que la tendencia ge-

neral es de suave incremento, con un promedio total de unos 13 V en los 17 días que

duró el tratamiento. Cabe notar ciertos picos que se producen aisladamente, y que

son debidos a algún tipo de incidencia o anomalía puntual, como puede ser el des-

prendimiento de alguna conexión por rotura del cocodrilo o una interrupción fortuita

del sistema de alimentación general por motivos ajenos al ensayo.

Capítulo III

112

Figura 73. Evolución de la tensión en las cuatro probetas a lo largo del tratamiento de EEC.

Por otro lado, al objeto de conocer la evolución que experimentan las armadu-

ras embebidas, se monitorizó su estado de corrosión mediante un corrosímetro portá-

til modelo Gecor8, de GEOCISA. En este caso, sólo fue posible registrar el dato de

potencial de corrosión, dado que el valor de intensidad de corrosión leído carece de

consistencia debido a la geometría de la probeta. La Figura 74 muestra la evolución

del potencial de corrosión Ecorr, en mV referido al electrodo Cu/CuSO4. Se aprecia

cómo tras la aplicación del tratamiento de EEC los potenciales de corrosión de las

probetas tienden a valores menos negativos, lo que supone una menor probabilidad

de procesos corrosivos en las armaduras.

Figura 74. Evolución del potencial de corrosión al aplicar el tratamiento de EEC.

0

10

20

30

40

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Tensi

ón (

V)

Tiempo (días), desde inicio EEC

1%NTC 5%NTC 10%NTC Malla

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

0 10 20 30 40 50

Ecorr

(m

V)


1%NTC 5%NTC 10%NTC Malla

Aplicación del tratamiento

Función de EEC

113

Perfiles de cloruros - Serie 1: Ataque interno

Tras la determinación del contenido en Cl- de las muestras de hormigón corres-

pondientes a las distintas profundidades, obtenidas en capas de 2 mm, se obtuvieron

los perfiles de concentración de iones cloruro (ver Figura 75 - Figura 78). En el eje de

abscisas se representa la profundidad de extracción de la muestra analizada. En

todos los casos, el origen de los datos de profundidad ha sido tomado desde la

superficie del hormigón y no desde la superficie de la pasta de cemento conductora

situada sobre éste, lo que da lugar a profundidades negativas en el caso de las

muestras de pasta anódica.

En línea discontinua se representa el contenido inicial de cloruros obtenido co-

mo el promedio de tres muestras de hormigón no tratado mediante EEC (control).

Este dato, asumido constante para todo el hormigón, habría de coincidir teóricamen-

te con el 2% dosificado inicialmente; la leve desviación observada podría atribuirse a

cambios de humedad por secado del hormigón, lo que arrastra los cloruros hacia el

exterior disminuyendo el contenido inicial, particularmente en las partes más super-

ficiales como es la zona de recubrimiento de las armaduras.

La segunda serie en color negro representa el perfil de concentración final de

cloruros, obtenido tras aplicar la técnica de EEC. Por último, en rojo se indican las

eficiencias locales del tratamiento en cada caso (disminución del contenido de Cl-).

Las Figura 75, Figura 76 y Figura 77 presentan el perfil de concentración de clo-

ruros de las probetas de hormigón tratadas mediante EEC con ánodos de pasta de

cemento adicionadas al 1%, 5% y 10% NTC, respectivamente. La eficiencia promedio

de dichos ánodos es de 51.8 %, 50.1% y 50.6%, respectivamente. Este valor está refe-

rido al contenido total de Cl- presentes en el hormigón en la zona de recubrimiento.

Como se ve, existe una gran similitud entre los tres resultados de eficiencias.

Figura 75. Perfil de concentración de cloruros y eficiencia para la pasta de cemento con adición 1%NTC.

Por último en la Figura 78 se representa el perfil de concentración de cloruros

de la probeta de hormigón tratada mediante EEC con el ánodo de referencia tradi-

cional de malla de Ti-RuO2. La eficiencia media obtenida en esta probeta ha sido de

50.3%, valor muy semejante a los indicados para los ánodos en base cemento adicio-

nados con NTC.

0

20

40

60

80

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

-2 2 6 10 14 18 22 26 30

Efi

cie

ncia

(%)

Conte

nid

o e

n C

l¯ (

%)

Profundidad (mm)

C. Final Cl- C. Inicial Cl- Eficiencia 1% NTC

Capítulo III

114



Figura 78. Perfil de concentración de cloruros y eficiencia para el ánodo de referencia (malla de Ti-RuO2).

Comparando los perfiles de distribución de cloruros, la aplicación de la técnica

ha demostrado su efectividad en los cuatro ánodos empleados, dado que en todos los

casos el contenido de cloruros final es considerablemente inferior al contenido de

cloruros inicial. No obstante, para el caso de un ataque por contaminación interna de

cloruros no es posible atribuir una mejor eficiencia a un mayor contenido en NTC,

0

20

40

60

80

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

-2 2 6 10 14 18 22 26

Efi

cie

ncia

(%)

Conte

nid

o e

n C

l¯ (

%)

Profundidad (mm)


0

20

40

60

80

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

-2 2 6 10 14 18 22 26

Efi

cie

ncia

(%)

Conte

nid

o e

n C

l¯ (

%)

Profundidad (mm)


0

20

40

60

80

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

0 4 8 12 16 20 24 28

Efi

cie

ncia

(%)

Conte

nid

o e

n C

l¯ (

%)

Profundidad (mm)

Cont. Final Cl- C. Inicial Cl- Eficiencia Malla

Función de EEC

115

obteniéndose con los sistemas anódicos en estudio valores muy parecidos al ánodo de

referencia desde la más baja dosificación de NTC, con una adición del 1%. Esto supo-

ne un resultado a remarcar, teniendo en cuenta el coste de este material carbonoso.

A la hora de interpretar los niveles de eficiencia hay que recordar que los iones

cloruro reaccionan con los aluminatos tricálcicos, presentes en la composición del

cemento, formando la denominada “Sal de Friedel”. Por tanto, estos cloruros no se

pueden eliminar mediante EEC debido a que no se ven afectados por la acción del

campo eléctrico impuesto. Esta, además de otras razones, puede explicar por qué las

eficiencias en la extracción de cloruros distan en una cierta cantidad del 100%. No

obstante, un descenso del pH en la pasta cementicia, debido, por ejemplo, a la car-

bonatación del hormigón, invertiría este proceso de fijación de cloruros, liberándolos

de nuevo. Otra posible razón podría radicar en la densidad de carga aplicada, esta-

blecida como criterio de finalización del tratamiento, fijada en esta investigación en

3 MC/m². En otros trabajos fueron fijadas densidades de carga tanto superiores como

inferiores (Sánchez, Garcés y Climent 2006; Pérez, Climent y Garcés 2010; Cañón

et al. 2013; del Moral et al. 2013).

La Tabla 14 recopila los resultados de eficiencias medias mostrando que el nivel

de extracción obtenido por los ánodos de pasta con distinta adición de NTC es muy

parecido entre sí, así como su similitud respecto del ánodo de malla tradicional.

También se aprecia en esta tabla el menor efecto de retención de cloruros que se

produce en las pastas con mayor contenido en NTC. Este comportamiento puede atri-

buirse a la mayor relación a/c de los ánodos con % superiores de NTC, lo que se tra-

duce en una mayor porosidad y permeabilidad del ánodo que permitiría a los iones

cloruro atravesar más fácilmente la capa anódica para pasar al electrolito superior,

contenido en la piscina de PVC.

Tabla 14. Resumen de eficiencias medias y contenido de cloruros presente en los ánodos al término del ensayo.

Propiedad Eficiencia media (%) % Cl- de la pasta anódica (respecto a

masa de cemento del hormigón)

Ánodo 1%NTC 51.8±3.0 3.7

Ánodo 5%NTC 50.1±3.8 3.3

Ánodo 10%NTC 50.6±2.9 2.8

Malla de Ti-RuO2 50.3±4.3 -

Evolución experimental – Serie 2: Ataque externo

De manera análoga al seguimiento efectuado para la serie 1, la Figura 79 mues-

tra la evolución del parámetro de tensión registrado para las tres probetas sometidas

al tratamiento de EEC en esta segunda serie. Se aprecia un comportamiento seme-

jante, de constante subida en el tiempo, con un incremento total en el orden de los

8 V; si bien, la probeta con ánodo de 0.5% NTC presenta la pendiente más pronuncia-

da de las tres, con un aumento total de 12 V.

Capítulo III

116


Igualmente, también se controló el potencial de corrosión de las armaduras

embebidas mediante corrosímetro portátil. La Figura 80 muestra la evolución del

potencial de corrosión Ecorr, en mV también referido al electrodo Cu/CuSO4. La lectu-

ra de esta gráfica es idéntica: tras la aplicación del tratamiento de EEC los potencia-

les de corrosión de las probetas tienden a valores menos negativos, lo que se asocia a

un mejor estado de conservación de las armaduras embebidas. Por el contrario, la

probeta no tratada, indicada en la figura como “Ref”, presenta la tendencia contra-

ria, evolucionando su Ecorr hacia valores más negativos, comportamiento indicativo de

mayor probabilidad de corrosión de la armadura embebida.

Figura 80. Evolución del potencial de corrosión al aplicar el tratamiento de EEC.

0

5

10

15

20

25

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Tensi

ón (

V)


0.5%NTC 1%NTC Malla

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 20 40 60 80 100 120 140

Ecorr

(m

V)

Tiempo (días) desde inicio EEC

Ref 0.5%NTC 1%NTC Malla

Aplicación del tratamiento

Función de EEC

117

Perfiles de cloruros - Serie 2: Ataque externo

A continuación, se presentan los perfiles de concentración de iones cloruro pa-

ra esta segunda serie, atacada externamente con disolución de NaCl 1 M (ver Figura

81 – Figura 83). La interpretación de estos resultados se realiza a continuación, si-

guiendo los mismos criterios ya apuntados para la serie 1. La línea discontinua, que

representa el perfil de cloruros inicial —previo al tratamiento—, se obtuvo a partir de

la probeta designada como “Ref” (de referencia) que fue sometida al ataque externo

pero no se le aplicó el tratamiento de EEC.

Se incluyen los perfiles en el orden en que fueron aplicados los respectivos tra-

tamientos. En concreto, el sistema anódico con malla y el ánodo con 1% NTC, fueron

ensayados simultáneamente en una primera etapa. Dicha dosificación se seleccionó a

partir de los resultados proporcionados por la primera serie, en la que la eficiencia

del tratamiento no se incrementaba al aumentar el contenido en NTC. Una vez efec-

tuados los análisis de estos dos sistemas anódicos, se decidió adoptar una dosifica-

ción inferior para el ánodo restante, que se ensayaría individualmente en una última

etapa.

La Figura 81 refleja el perfil de concentración de cloruros de la probeta de

hormigón tratada mediante EEC con ánodo de pasta de cemento adicionada al 1%

NTC. La eficiencia promedio de este ánodo es de 79.5 %. Al igual que para la serie 1,

este valor está referido al contenido total de Cl- presentes en el hormigón en la zona

de recubrimiento. A pesar del gran contenido de cloruros inicial, especialmente acu-

sado en los 3 mm más superficiales, la eficiencia alcanzada es elevada, demostrando

su efectividad incluso en las zonas más superficiales, donde se acumulaban los crista-

les de NaCl por efecto del proceso de contaminación salina acelerada. El resultado se

traduce en un contenido en cloruros muy por debajo del 1 % en prácticamente todo

el espesor del recubrimiento.

Figura 81. Perfil de concentración de cloruros y eficiencia para el ánodo con 1%NTC — Cont. externa.

La Figura 82 muestra el perfil de concentración de cloruros de la probeta de

hormigón tratada mediante EEC con el ánodo de referencia tradicional de malla de

Ti-RuO2. La eficiencia media obtenida en esta probeta es de 95.9%, 16 puntos por

0

20

40

60

80

100

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

-2 2 6 10 14 18 22

Efi

cie

ncia

(%)

Conte

nid

o e

n C

l¯ (

%)

Profundidad (mm)


Capítulo III

118

encima del ánodo 1% NTC. El tratamiento demuestra su efectividad en todas las pro-

fundidades del recubrimiento.

Figura 82. Perfil de concentración de cloruros y eficiencia para el ánodo de referencia (malla de Ti-RuO2). — Cont. externa.

En base a los resultados discutidos, la selección del ánodo adicionado al 0.5%

NTC permitió obtener el perfil incluido en la Figura 83. Con una eficiencia media

para esta probeta de 56.2%, no sólo resulta inferior al ánodo 1% NTC, sino que

además se aprecia una cierta dependencia de la eficiencia con los valores de profun-

didad mayores. Este comportamiento puede explicarse por la menor conductividad

del ánodo 0.5% NTC que se traduciría en el establecimiento durante el tratamiento

de un campo eléctrico de menor intensidad, proporcionando una migración de los

cloruros hacia el exterior más débil.

Figura 83. Perfil de concentración de cloruros y eficiencia para el ánodo con 0.5%NTC — Cont. externa.

Por último, La Tabla 15 recopila los resultados de eficiencias medias mostrando

que el nivel de extracción obtenido por los ánodos sí varía en este caso con el conte-

nido adicionado de NTC. Así mismo, también se aprecia un rendimiento más optimi-

zado del ánodo de malla tradicional para la condición de contaminación externa. En

cuanto al efecto de retención de cloruros en la pasta anódica, se observa nuevamen-

te un menor contenido en el caso de la pasta con mayor dosificación de NTC. En

efecto, este hecho resulta atribuible al empleo de plastificante, para la misma rela-

0

20

40

60

80

100

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

0 4 8 12 16 20

Efi

cie

ncia

(%)

Conte

nid

o e

n C

l¯ (

%)

Profundidad (mm)

Cont. Final Cl- C. Inicial Cl- Eficiencia Malla

0

20

40

60

80

100

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

-2 2 6 10 14 18 22 26

Efi

cie

ncia

(%)

Conte

nid

o e

n C

l¯ (

%)

Profundidad (mm)

C. Final Cl- C. Inicial Cl- Eficiencia 0.5% NTC

Función de EEC

119

ción a/c, que exige el logro de una adecuada trabajabilidad a la hora de aplicar la

pasta anódica más adicionada sobre la probeta de hormigón. Aun tratándose de la

misma relación a/c, es coherente obtener una mayor porosidad en la pasta que in-

corpora 1.25 % plastificante, respecto de la que no lleva plastificante.

Tabla 15. Resumen de eficiencias medias y contenido de cloruros presente en los ánodos al término del ensayo — Contaminación externa.

Ánodo Eficiencia media (%) % Cl- de la pasta anódica (respecto a

masa de cemento del hormigón)

Ánodo 1%NTC 79.5±5.9 5.0

Ánodo 0.5%NTC 56.2±28.9 5.3

Malla de Ti-RuO2 95.9±3.6 -

7.3. Conclusiones

En este capítulo se ha puesto a prueba la viabilidad de los composites cemen-

ticios adicionados con nanotubos de carbono en su aplicación como sistemas anódicos

en el tratamiento de EEC sobre elementos de hormigón armado. En base al estudio

desarrollado, las principales conclusiones que pueden extraerse son:

Para la dosificación de hormigón empleada, la adición de un 3.3% NaCl

respecto masa de cemento empeora ligeramente las propiedades de re-

sistencia a compresión y flexotracción, porosidad y coeficiente de per-

meabilidad al aire.

En el caso de un ataque por contaminación de cloruros internos, los cua-

tro ánodos ensayados (1%, 5% y 10% NTC, y malla Ti-RuO2) han demos-

trado su eficacia, proporcionando eficiencias todas ellas muy similares

entre sí, en torno al 50-52%. No puede, por tanto, asociarse una mejor

eficiencia a un mayor contenido en NTC.

En el caso de un ataque por contaminación de cloruros externos, se ha

aplicado la técnica de EEC utilizando pasta de cemento con 0.5% y 1% de

NTC como ánodo junto con el ánodo de referencia (malla Ti-RuO2), los

cuales sí presentan en este caso diferentes eficiencias. El ánodo de me-

jor rendimiento ha resultado ser la malla tradicional con una eficiencia

media del 96%, seguido del ánodo 1% NTC (80%) y el ánodo 0.5% NTC

(56%).

En cuanto al efecto retenedor de cloruros de los sistemas cementicios

anódicos, se ha observado un menor contenido en cloruros para las pas-

tas dosificadas con una mayor relación a/c, o para la misma cantidad de

agua, mayor relación plastificante/cemento.

121

CAPÍTULO IV: FUNCIÓN DE

APANTALLAMIENTO DE INTERFERENCIAS

ELECTROMAGNÉTICAS

Función de apantallamiento EMI

123

8. FUNCIÓN DE APANTALLAMIENTO EMI ME-DIANTE PASTAS CON NTC

En este capítulo se estudia el nivel de apantallamiento de ondas electromagné-

ticas (EMI) de pastas de cemento con adición de diferentes dosificaciones de NTC, e

incluyendo también su combinación con fibra de carbono. El comportamiento de es-

tos composites frente a apantallamiento EMI se evaluó a través del parámetro de

apantallamiento S, obtenido mediante un analizador espectral en el rango de fren-

cuencias entre 500 MHz y 1.0 GHz.


8.1.1. FABRICACIÓN DE PROBETAS Se fabricaron pastas de cemento tipo EN 197-1 CEM I 52.5 R, con adición de

NTC en diferentes proporciones. Los NTC empleados fueron BAYTUBES C70P, facilita-

dos por Bayer Material Science A.G. (Leverkusen, Alemania). Las características tipi-

ficadas para estos NTC, de tipo MWCNT, son las indicadas en la Tabla 4 (pág. 70).

También se elaboraron pastas dosificadas con fibras de carbono (FC), y con incorpo-

ración simultánea de ambas adiciones carbonosas. La FC empleada, de base poliacri-

lonitrilo (PAN), es del tipo Hextow AS4, suministrada en rollo de haz continuo por

Hexcel Corporation. La longitud de estas fibras es de 10 mm, obtenida a partir de su

corte en laboratorio. Su caracterización se incluye en la Tabla 16.

Tabla 16. Propiedades físico-químico-mecánicas de la FC Hextow AS4.

Propiedad Valor

Contenido en carbono 94%

Diámetro 7.1 µm

Resistencia a tracción 4480 MPa

Módulo de elasticidad 231 GPa

Resistividad 1.52·10-3 Ω·cm

Densidad 1.79 g/cm³

La FC recibió un tratamiento de oxidación adicional previo a su inclusión en la

matriz cementicia. Este tratamiento se llevó a cabo introduciendo las fibras en un

horno a 400ºC durante 4 horas, con un flujo constante de aire de 10ml/min. Con ello

se persigue un doble objetivo: eliminar el recubrimiento existente en la FC (si lo

hubiera) exponiendo el carbono de las mismas; y conseguir, por oxidación, formar

grupos funcionales oxigenados en la superficie de las fibras, mejorando así la mojabi-

lidad de las fibras en agua y la fuerza de la unión fibra-matriz (Catalá et al. 2011;

Baeza 2011). La Figura 84 muestra dos imágenes de la FC empleada, antes y después

de someterse al tratamiento de oxidación descrito.

Capítulo IV

124

Figura 84. Imágenes SEM de la FC Hextow AS4. Izda.: tal cual recibida (sin tratamiento). Dcha.: tras tratamiento de oxidación a 400ºC durante 4 horas (Baeza 2011).

Los moldes empleados son específicos para este estudio, fabricados en bronce,

formados por dos anillos concéntricos entre los cuales se vertieron las pastas amasa-

das. Las probetas conformadas tuvieron un diámetro exterior de 120 mm e interior

de 50 mm, con dos espesores de estudio: 10 mm y 40 mm. Las dosificaciones estable-

cidas en este diseño experimental son las indicadas en la Tabla 17.

Tabla 17. Dosificación de las pastas de cemento estudiadas frente a apantallamiento EMI.

% NTC % FC a/c

0 0 0.5

0.5 0 0.55

1 0 0.6

0 0.5 0.5

0 1 0.5

0.5 1 0.55

1 1 0.6

* % referidos a masa de cemento.

La técnica de dispersión empleada fue la aplicación de ultrasonidos en el agua

de amasado según el procedimiento descrito en el apartado 4.1.2, para ambos tipos

de adición carbonosa, por separado, y también para el caso de su combinación. El

amasado de la mezcla se realizó con espátula manual, se vertió sobre los moldes de

bronce y se aplicaron varios golpes de compactación. Este proceso se realizó en con-

diciones de laboratorio, y a continuación las probetas se guardaron en cámara húme-

da (100 % HR) para su curado durante 28 días. Nótese que las probetas no se desmol-

dan, sino que se mantienen en todo momento soportadas en sus respectivos moldes,

que serán los que permiten su posterior acoplamiento a la célula de medida. A los 7

días se extrajeron de cámara húmeda para un primer ensayo, finalizado el cual fue-

ron retornadas nuevamente a cámara húmeda. A los 28 días de curado las probetas se

ensayaron otra vez.


125

8.1.2. DISPOSITIVO DE MEDIDA La célula de medida de apantallamiento EMI, o de guiado de ondas electro-

magnéticas (CMA), empleada en este estudio consta básicamente de dos partes simé-

tricas, en cuya parte central se coloca la probeta objeto de estudio. Cada una de

estas dos partes permite el guiado de las ondas EM entre los puertos emisor y recep-

tor. Este sistema de guiado permite dar continuidad a los conductores interior y ex-

terior desde el puerto 1 del analizador de redes, pasando por los cables coaxiales y

llegando al puerto 2 del mismo, y a la inversa.

La efectividad del apantallamiento de una probeta se obtiene mediante el aná-

lisis de las pérdidas por reflexión y absorción de ondas EM en un analizador vectorial

de redes. La norma ASTM D4935-10 describe dicho método, cuyo esquema de funcio-

namiento queda reflejado en la Figura 85, en la que se muestra el analizador de re-

des (en cuyo interior se encuentra la fuente generadora de ondas EM), la CMA (com-

puesta por dos partes simétricas y encargada de guiar las ondas conservando su plani-

tud así como de sostener firmemente la probeta objeto de estudio) y los cables co-

axiales de conexión entre cada uno de los dos puertos del analizador con la CMA.

El analizador de redes fue un equipo Agilent Technologies modelo E5062A ENA

Series Network Analyzer, de dos puertos e impedancia característica de 50 Ω, con un

rango de frecuencia entre 300 kHz y 3 GHz (longitudes de onda, λ, entre 1 km y 0.1

m, respectivamente).

Se utilizaron cables coaxiales de 50 Ω de impedancia característica y aproxima-

damente 1.5 m de longitud, para conectar la CMA a cada puerto del analizador de

redes. La CMA disponía en ambas partes de conectores tipo N igualmente de 50 Ω de

impedancia característica para el acople de los cables coaxiales.

Figura 85. Configuración del ensayo de apantallamiento EMI (Galao 2012).

Capítulo IV

126

8.1.3. ENSAYO DE PROBETAS

Previo a cada grupo de medidas se realizó una completa calibración del siste-

ma. Para ello se utilizó un kit de calibración Agilent modelo 85032E, con adaptador,

conexión en abierto y cerrado, y una carga de 50 Ω. Se calibraron ambos puertos

desde el extremo de los cables coaxiales, conectados a cada uno de los dos puertos

del analizador (circuito abierto, circuito cerrado y carga de 50 Ω). Posteriormente se

conectaron los cables coaxiales a los conectores tipo N de cada extremo de la CMA,

con un molde vacío del espesor de las probetas a analizar y se calibró mediante el

paso de ondas EM en ambos sentidos (through).

De esta manera se consiguió calibrar no sólo los cables, sino también la CMA. La

forma de comprobar que la CMA funcionaba correctamente fue cerciorarse de que

tanto a circuito abierto como a cerrado las pérdidas —o ganancias— en dB debían ser

muy próximas a cero, y que la impedancia característica de la conexión debía ser lo

más parecida posible a la del sistema, es decir, 50 Ω.

Las probetas se ensayaron a dos edades de curado: 7 y 28 días. El ensayo se

efectúa situando la probeta entre las dos partes simétricas de la CMA, perfectamente

alineadas gracias a arandelas de fijación entre ambas partes, consiguiéndose un aco-

ple perfecto. Además, las dos mitades de la CMA junto con la probeta quedan firme-

mente unidas mediante tornillos y tuercas.

Derivado de este procedimiento, el único inconveniente radica en que las pro-

betas deben permanecer entre los anillos interior y exterior, según fueron fabrica-

das, hasta la medición; la planificación experimental queda, en consecuencia, limi-

tada por la disponibilidad de estos moldes. Por otro lado es necesario eliminar los

posibles restos de óxido de los moldes si las probetas se conservan en ambientes

húmedos.

Las medidas de apantallamiento fueron determinadas mediante los datos regis-

trados por el analizador en base a los parámetros S11, S22, S12 y S22. A partir de estos

cuatro parámetros, descritos en el apartado 1.3.2 (pág. 48), se calcularon los valores

de efectividad de apantallamiento, en dB, tanto por reflexión (SER), como total (SET),

según la Ecuación 12 y la Ecuación 13, respectivamente (pág. 54). El comportamiento

de los composites se evaluó a partir del resultado promedio de los valores obtenidos

en ambos sentidos de incidencia de la radiación sobre las probetas.

La frecuencia máxima de utilización de la CMA funcionando como onda plana, o

frecuencia de corte (fc), se calculó mediante la Ecuación 9, teniendo en cuenta que

para los materiales compuestos estudiados μr=εr=1, cálculo que se desarrolla en la

Ecuación 27:

Ecuación 27

Siendo c la velocidad de la luz, D el diámetro interior del conductor exterior de

la CMA, d es el diámetro exterior del conductor interior de la CMA, y μr y εr la per-


127

meabilidad magnética relativa y la permitividad magnética relativa del material que

separa los dos conductores de la CMA, respectivamente.

Así pues, 1.0 GHz fue la frecuencia máxima analizada en este estudio, fijándo-

se la frecuencia mínima en 500 MHz (según recomendaciones debe estar en torno al

50% de la de corte); lo que corresponde a longitudes de onda, λ, de 0.3 m y 0.6 m,

respectivamente.


Con el diseño experimental hasta aquí descrito, cabe diferenciar tres variables

principales sobre las que en este apartado se discutirá su influencia; a saber, la dosi-

ficación del composite (0% NTC, 0.5% NTC y 1% NTC; 0.5% FC y 1% FC; [0.5% NTC + 1%

FC] y [1% NTC + 1% FC]), el espesor de la probeta (10 y 40 mm), y por último, la edad

de curado (7 y 28 días de curado). Como ya se ha indicado, la efectividad del apanta-

llamiento se evaluará a través de SET, y en su caso, también de SER, para las dos fre-

cuencias establecidas (500 MHz y 1 GHz).

La Figura 86 presenta la influencia de la dosificación sobre el apantallamiento

por reflexión (SER, en color naranja) y el apantallamiento total (SET, en color negro).

La adición de NTC mejora los valores de apantallamiento total entre 1.3 y 2.5 veces

respecto de los obtenidos para la pasta patrón (0% de adición conductora); estos fac-

tores están incluidos en la Tabla 18. Por su parte, la inclusión de un 0.5% FC se tra-

duce en un incremento más acusado de SET para ambas frecuencias de ensayo (10.3 y

3.3 veces, respectivamente para 500 MHz y 1 GHz). Para las dosificaciones más adi-

cionadas también se aprecia una mejora en la efectividad del apantallamiento total

al aumentar el porcentaje de adición conductora, tanto en la pasta con sólo FC, co-

mo en la pasta que combina NTC con FC.

Figura 86. Influencia de la dosificación de adición conductora sobre el apantallamiento total (SEt) y el apanta-

llamiento por reflexión (SEr) — 28 días de curado, espesor de probeta 10 mm.

0

10

20

30

40

0% 0.5 1 0.5 1 0.5 1

(Ref.) % NTC %FC %NTC[+1%FC]

Apanta

llam

iento

(dB)

Dosificación

SEt-500 MHz SEt-1 GHz

SEr-500 MHz SEr-1 GHz

Capítulo IV

128

El apantallamiento por reflexión muestra también un comportamiento similar

para el caso de la inclusión de NTC, con factores de aumento similares al SET. No

obstante, en el caso de la adición FC los valores de SER alcanzados son notablemente

inferiores a SET para ambas frecuencias. Este comportamiento se reproduce de mane-

ra similar para las pastas con adición híbrida NTC-FC.

Tabla 18. Efectividad de apantallamiento total y apantallamiento por reflexión según dosificación, y factor de aumento respecto a la pasta patrón (Δ). — 28 días de curado, espesor de probeta 10 mm.

DOSIFICACIÓN

SET (dB) SER (dB)

500 MHz 1 GHz 500 MHz 1 GHz

SET Δ SET Δ SER Δ SER Δ

(Ref.) 0% 2.4 1 8.7 1 2.2 1 0.9 1

% NTC 0.5 5.1 2.1 10.9 1.3 4.4 2 1.3 1.6

1 6.0 2.5 12.6 1.4 6.4 2.9 1.3 1.5

%FC 0.5 25.0 10.3 28.5 3.3 8.2 3.7 3.8 4.4

1 27.6 11.3 33.0 3.8 6.2 2.8 4.5 5.2

%NTC[+1%FC] 0.5 29.1 12 36.2 4.2 6.9 3.1 3.8 4.4

1 33.1 13.6 39.1 4.5 7.2 3.2 4.3 5

La Figura 87 presenta la influencia del espesor sobre el apantallamiento total

(SET) a la edad de 28 días. En este caso las curvas en color negro se refieren al espe-

sor de probeta 10 mm, y las de color naranja a las probetas de 40 mm. Tal como se

esperaba, un mayor espesor de probeta proporciona en todas las dosificaciones una

efectividad de apantallamiento superior, para las dos frecuencias ensayadas.

Figura 87. Influencia del espesor sobre el apantallamiento total (SEt) — 28 días de curado.

Al igual que ocurre en la Figura 86, el incremento de SET más significativo se

produce al adicionar 0.5% FC. También análogamente, la pasta que mejor efectividad

0

10

20

30

40

50

60

70

0% 0.5 1 0.5 1 0.5 1


Apanta

llam

iento

(dB)

Dosificación

10mm-500 MHz 10mm-1 GHz

40mm-500 MHz 40mm-1 GHz


129

de apantallamiento ofrece es el composite híbrido [1% NTC + 1% FC], alcanzando un

SET de hasta 46 dB y 72 dB para 500 MHz y 1 GHz en las probetas de 40 mm. Los valo-

res expresados quedan detallados en la Tabla 19, junto con los incrementos experi-

mentados por cada composite respecto a la pasta patrón (Ref.).

Tabla 19. Efectividad de apantallamiento total según espesor de probeta, y factor de aumento respecto a la pasta patrón (Δ) — 28 días de curado.

DOSIFICACIÓN

10 mm 40 mm

500 MHz 1 GHz 500 MHz 1 GHz

SET Δ SET Δ SET Δ SET Δ

(Ref.) 0% 2.4 1 8.7 1 9.0 1 13.3 1

% NTC 0.5 5.1 2.1 10.9 1.3 12.3 1.4 20.9 1.6

1 6.0 2.5 12.6 1.4 13.1 1.5 23.8 1.8

% FC 0.5 25.0 10.3 28.5 3.3 36.9 4.1 49.4 3.7

1 27.6 11.3 33.0 3.8 42.3 4.7 57.5 4.3

%NTC [+1%FC] 0.5 29.1 12.0 36.2 4.2 43.4 4.8 59.7 4.5

1 33.1 13.6 39.1 4.5 46.3 5.1 72.1 5.4

Por último, la Figura 88 muestra la influencia de la edad de curado sobre el

apantallamiento total para el espesor de probeta 10 mm. Siendo esperable que la

evolución en términos de apantallamiento total no sería muy significativa desde los 7

hasta los 28 días de curado, se confirma dicha hipótesis para todas las dosificaciones

ensayadas en las frecuencias establecidas. En efecto, si la posición de las unidades

conductoras (NTC y FC), así como la distribución lograda con el procedimiento de

dispersión, no cambia significativamente durante el proceso de hidratación, en con-

secuencia, tampoco lo hará el nivel de apantallamiento registrado.

Figura 88. Influencia de la edad de curado sobre el apantallamiento total (SET) – espesor de probeta 10 mm.

0

10

20

30

40

0% 0.5 1 0.5 1 0.5 1


Apanta

llam

iento

(dB)

Dosificación

500 MHz-7d 500 MHz-28d

1GHz-7d 1GHz-28 d

Capítulo IV

130

Tal como sucede en las gráficas anteriores, el composite que mejor efectividad

de apantallamiento proporciona es el que incorpora la dosificación híbrida [1% NTC +

1% FC]; si bien, como se viene indicando, relativamente, la FC presenta una contri-

bución superior al nivel de apantallamiento total, que el que resulta atribuible a la

adición NTC. Pueden consultarse en detalle los valores de apantallamiento total y sus

incrementos respecto a la pasta patrón en la Tabla 20.

Tabla 20. Efectividad de apantallamiento total según edad de curado, y factor de aumento respecto a la pasta

patrón (Δ) — espesor de probeta 10 mm.

DOSIFICACIÓN

500 MHz 1 GHz

7 d 28 d 7 d 28 d

SET Δ SET Δ SET Δ SET Δ

(Ref.) 0% 2.6 1 2.4 1 8.1 1 8.7 1

% NTC 0.5 6.0 2.3 5.1 2.1 11.9 1.5 10.9 1.3

1 6.3 2.5 6.0 2.5 12.2 1.5 12.6 1.4

% FC 0.5 25.0 9.7 25.0 10.3 30.4 3.7 28.5 3.3

1 26.8 10.4 27.6 11.3 32.3 4.0 33.0 3.8

%NTC [+1%FC] 0.5 30.1 11.7 29.1 12.0 35.6 4.4 36.2 4.2

1 34.8 13.5 33.1 13.6 40.0 4.9 39.1 4.5

8.3. Conclusiones En este capítulo se ha estudiado el nivel de apantallamiento de tres tipos de

composites cementicios obtenidos por adición de: sólo NTC, sólo FC, combinación FC-

NTC (dosificación híbrida). En base al estudio desarrollado, las conclusiones más re-

levantes que pueden extraerse son:

La inclusión de ambas adiciones conductoras por separado, tanto NTC

como FC, mejora la efectividad del apantallamiento total en las dos fre-

cuencias ensayadas. Para una misma dosificación, la FC por separado

proporciona valores de SET significativamente superiores a los propor-

cionados por los NTC por separado.

Bajo los parámetros de estudio, el mayor nivel de apantallamiento se

alcanza con la dosificación del composite híbrido [1% NTC + 1% FC]: 46 y

72 dB, para las frecuencias 500 MHz y 1 GHz, respectivamente (Estos va-

lores se han obtenido con las probetas de espesor 40 mm). No obstante,

se atribuye a la FC una mayor contribución en la capacidad apantallante

del composite híbrido.

Se comprueba que un espesor mayor del material apantallante incre-

menta la efectividad del apantallamiento en todas las dosificaciones.

Este comportamiento se verifica en las dos frecuencias ensayadas.

La influencia de la edad de curado sobre SET se ha visto sin grado de sig-

nificatividad apreciable. Los valores de apantallamiento a los 28 días de

curado varían muy poco respecto de los obtenidos a 7 días.

131

CAPÍTULO V: FUNCIÓN DE

PERCEPCIÓN DE LA DEFORMACIÓN

Función de percepción de la deformación

133

En este capítulo se estudia la función de percepción de la deformación en com-

posites cementicios adicionados con nanotubos de carbono. Dicha percepción se con-

sigue gracias a los cambios en la resistencia eléctrica detectados —y que están rela-

cionados con las deformaciones registradas mediante galgas extensométricas de uso

común— cuando el material es sometido a ciclos de carga y descarga dentro del

régimen elástico (con el fin de obtener resultados reversibles y reproducibles).

El punto de partida se apoya sobre dos elementos de base: por un lado, el esta-

do del arte, cuyas principales directrices ya se han integrado en el Capítulo II (esta-

bleciendo dosificaciones, entre otras variables), y por otro lado, técnicamente, sobre

la experiencia acumulada por el grupo de investigación en Hormigones Conductores

Multifuncionales de la Universidad de Alicante, con otros composites cementicios en

torno a la función de percepción.

El capítulo se compone de diferentes estudios que se presentarán siguiendo la

lógica secuencial bajo la cual se han llevado a cabo, lo que facilitará al lector su

aproximación a la evolución del programa experimental establecido:

E-1: Percepción de la deformación en probetas 4x4x16 cm3.

E-2: Respuesta de la función de percepción de la deformación frente a

diversas condiciones de ataque (probetas 4x4x16 cm3).

E-3: Monitorización de un elemento estructural (pilar de hormigón ar-

mado) mediante sensores internos y externos.

E-4: Sensores embebidos en probetas cilíndricas (Ø15cm x 30cm).

La materialización práctica de todos estos estudios se ha llevado a cabo emple-

ando diferentes dosificaciones para los composites con NTC, tratándose de pastas en

todos los casos. En los ensayos realizados los composites de estudio han sido someti-

dos a esfuerzos de compresión, tratando de evitar en todo momento la aparición de

esfuerzos de tracción. El criterio general adoptado es el de considerar esfuerzos de

compresión y sus deformaciones inducidas (acortamientos) con signo negativo.

Por otro lado, dado que las variaciones dimensionales en las probetas ensaya-

das producen efectos despreciables sobre la percepción de la deformación (Baeza

2011), se tratarán indistintamente las variaciones unitarias de resistividad eléctrica

(Δρ/ρ0) y las variaciones unitarias de resistencia eléctrica (ΔR/R0), de acuerdo con lo

indicado en el apartado 1.3.3 (pág. 56).

9. E-1: PERCEPCIÓN EN PROBETAS 4x4x16 cm3

En este primer estudio (Estudio-1) se analiza la viabilidad de emplear un tipo

de NTC (de tipología MWCNT) como adición conductora para obtener composites ca-

paces de desempeñar la función de percepción. Ello se pretende evaluar a través de

la influencia de distintas variables de ensayo: edad de curado, intensidad de corrien-

te eléctrica aplicada, carga máxima a la que es sometida la probeta en la prensa y

velocidad en la aplicación de dicha carga.

Capítulo V

134


9.1.1. FABRICACIÓN DE PROBETAS

Se fabricaron probetas prismáticas normalizadas de dimensiones 4x4x16 cm³

con pastas basadas en cemento Portland, según la normativa española UNE-EN 196-

3:2005. Los materiales empleados en su preparación fueron los siguientes:




Nanotubos de carbono, del tipo BAYTUBES C70P (MWCNT) facilitados por Ba-

yer Material Science A.G. (Leverkusen, Alemania). Sus características son las

indicadas en la Tabla 4 (pág. 70).

Agua destilada.

Superplastificante Sikament 200-R, suministrado por Sika España S.A.U. (Alco-

bendas).

La relación agua/cemento (a/c), igual a 0.5, se mantuvo invariable para las dis-

tintas dosificaciones de NTC. Los porcentajes de NTC adicionados fueron los ya traba-

jados en el Capítulo II (apartado 4.1.3): 0%, 0.05%, 0.10%, 0.25% y 0.50% NTC (% refe-

rido siempre a masa de cemento). Igualmente se adoptó el criterio de emplear las

dosificaciones de plastificante ensayadas en el mismo apartado: 0%, 0.4%, 0.5%, 0.9%

y 2.2% para las adiciones de NTC respectivamente indicadas.

El procedimiento de dispersión de los NTC se efectuó siguiendo lo descrito en el

apartado 4.1.2 (pág. 77; en síntesis, aplicando 10 min en mezcladora y 5 min de ul-

trasonidos). Las pastas se amasaron en amasadora automática y se vertieron en el

molde aplicando compactación mecánica en dos capas. De cada dosificación se ela-

boraron 3 probetas. Recién enrasada la pasta fresca en los moldes, se introdujeron

en cámara húmeda hasta el día siguiente (24 h), cuando se extrajeron para su des-

moldado y correcto etiquetado. Posteriormente se sumergieron en agua destilada

para su curado hasta la fecha de primer ensayo (14 ó 28 días, según el caso). Para

ese primer ensayo las probetas se sacaron del agua, se secaron superficialmente y se

instrumentaron según se detallará más adelante. Una vez sometidas al primer ensayo

de percepción, las probetas continuaron curando en cámara húmeda (100 % HR). Tras

el ensayo a 28 días las probetas se dejaron secar a temperatura ambiente en labora-

torio durante un mes, y volvieron a ser ensayadas nuevamente a la edad de 60 días.

9.1.2. ENSAYOS DE CARACTERIZACIÓN COMPLEMENTARIA

De las probetas fabricadas para cada dosificación, se empleó un espécimen pa-

ra obtener una caracterización físico-mecánica complementaria a los ensayos de per-

cepción de la deformación que constituyen el objetivo de este estudio. Estos ensayos

comprenden la determinación de:

Velocidad de propagación de ultrasonidos (VPU)


135

Resistencia a flexotracción

Resistencia a compresión

Densidad y porosidad (balanza hidrostática)

Estos cuatro ensayos ya han sido descritos en el Capítulo II, concretamente en

el apartado 4.1.4 (págs. 78-81). Se remite a dicho apartado para su consulta en deta-

lle. A continuación describimos la única técnica no descrita.

Porosimetría por intrusión de mercurio (PIM)

La porosimetría por intrusión de Hg es una técnica indirecta utilizada para la

caracterización del sistema poroso de distintos materiales, incluyendo pastas y mor-

teros de cemento fraguado. Su fundamento se basa en los fenómenos de capilaridad

generados por los líquidos que no mojan a los sólidos con los que están en contacto.

Así, un líquido como el mercurio que no penetra espontáneamente en los conductos

capilares, precisa una presión p para su intrusión en el sólido, que es inversamente

proporcional al radio r de los mismos. Se conoce como ley de Washburn a esta expre-

sión:

Ecuación 28

Donde es la tensión superficial del mercurio, y es el ángulo de contacto en-

tre el líquido y el sólido.

Según la Ecuación 28, a mayor presión requerida, menor es el tamaño de poro

de la muestra. Por tanto, midiendo el volumen de mercurio introducido (volumen de

intrusión) a cada presión de valor predefinido se obtendrá el volumen de poros de

cada diámetro específico.

En la aplicación de la técnica, tras el proceso de intrusión de mercurio hasta la

presión máxima, se lleva a cabo el proceso de extrusión, en el que se va disminuyen-

do progresivamente la presión aplicada, permitiendo la salida de mercurio (volumen

de extrusión). La diferencia entre las curvas de intrusión y extrusión proporciona in-

formación adicional sobre la tortuosidad de la porosidad de la muestra.

El equipo empleado para la realización de estos ensayos fue un Autopore IV

9500 V1.05 de la empresa Micromeritics Instrument Corporation. Las muestras, frag-

mentos de aproximadamente 1 cm³, se tomaron de las pastas sometidas a ensayos

mecánicos, a la edad de 28 días. Antes de su ensayo las muestras fueron secadas en

estufa a 50ºC durante dos días.

Los análisis se realizaron en el intervalo de presiones desde 0.5 a 30 psia (3 a

207 kPa), lo que proporciona datos de poros de entre 360 y 6 μm (baja presión) y en

el intervalo desde 30 psia a 33000 psia (207 kPa a 228 MPa), proporcionando informa-

ción sobre poros entre 6 μm y 5 nm (alta presión).

Capítulo V

136

9.1.3. DESCRIPCIÓN DEL ENSAYO DE PERCEPCIÓN

Previo a los ensayos las probetas deben ser instrumentadas para posibilitar el

registro de medidas, en nuestro caso con el método de cuatro puntas. Esta instru-

mentación consiste en el pintado de cuatro bandas perimetrales con pintura de plata

(Pelco Conductive Silver 187, suministrada por Ted Pella Inc., USA), sobre cuatro

cables de cobre, previamente enrollados perimetralmente según el esquema de la

Figura 89. Los electrodos así fijados constituyen las conexiones eléctricas para la

aplicación de una corriente eléctrica predefinida entre los puntos exteriores —① y

②— al tiempo que se registra la diferencia de potencial medida entre los puntos

interiores —③ y ④—. En esta fase también se adhirió una galga extensométrica de

20 mm (modelo 20/120 LY41-3L-1M, suministrada por HBM GmbH) empleando resina

de unión bicomponente de la misma casa.

Figura 89. Esquema de instrumentación de probetas 4x4x16 cm³ para ensayos de percepción de la deformación.

Como se describe en 1.3.3 (pág. 56) el procedimiento de ensayo consiste en la

monitorización de la resistencia eléctrica volumétrica de la probeta en la dirección

longitudinal de la misma al aplicar ciclos de compresión (carga – descarga) en dicha

dirección. La resistencia eléctrica se obtiene a partir del registro de la diferencia de

potencial al aplicar una corriente eléctrica en corriente continua, por el indicado

método de las cuatro puntas.

Los ensayos de percepción de la deformación se llevaron a cabo en una prensa

electromecánica modelo EMI/100/FR, de Microtest, S.A., controlando la carga y la

velocidad de aplicación de la misma. La corriente eléctrica fue aplicada mediante

una fuente digital Keithley 6220, de National Instruments Inc. La diferencia de po-

tencial se midió con un multímetro digital Keithley 2002, de National Instruments

Inc. La deformación unitaria de las probetas se registró conectando la galga a un ex-

tensómetro Vishay P3, de Vishay Micro-Measurements. Se representa la configuración

de medida en el esquema de la Figura 90 (Camacho-Ballesta, Garcés y Zornoza 2016).


137

Figura 90. Esquema de configuración del ensayo de percepción de la deformación.

Cada ensayo consta de un mínimo de 4 ciclos consecutivos, durante los cuales

se registra simultáneamente, con una frecuencia de una lectura por segundo, el valor

de la carga aplicada, el voltaje y la deformación unitaria. El ensayo total tiene una

duración de entre 120 y 720 segundos, dependiendo de la carga máxima alcanzada y

de la velocidad de carga-descarga. Finalmente, se calcula el valor del factor de galga

(FG) de cada fase de carga y de descarga, para cada ciclo, según la Ecuación 15. Las

variables de este estudio fueron:

Dosificación de las pastas: 0%, 0.05%, 0.10%, 0.25% y 0.50% NTC respecto masa

de cemento.

Edad de curado: 14 y 28 días (curando en ambientes saturados), 60 días (cu-

radas a partir del primer mes en condiciones de laboratorio), 200 y 260.

Intensidad de corriente aplicada: 0.1, 1 y 10 mA.

Carga máxima: 3, 6 y 9 kN, correspondientes a tensiones máximas de 1.9, 3.8

y 5.6 MPa, esta última inferior en todos los casos al 15% de la carga de rotura.

Velocidad de aplicación de la carga:

‒ 50, 100 y 200 N/s para carga máxima de 3 kN

‒ 100, 200 y 400 N/s para cargas máximas de 6 y 9 kN.

A título ilustrativo, la Figura 91 muestra el resultado de un ensayo tipo de per-

cepción. En este ensayo se representan tres ciclos de carga y descarga consecutivos,

establecida la carga máxima en 9 kN (lo que equivale a una tensión de 5.6 MPa), y la

velocidad de carga en 200 N/s. Como puede verse en la gráfica superior las variacio-

nes de carga son seguidas por cambios proporcionales en la resistencia eléctrica de la

probeta. Llevado a la práctica, es este efecto por el que, controlando las variaciones

en la resistencia eléctrica de un elemento estructural, sería posible conocer su nivel

de deformación, y por ende su estado tensional. En el gráfico central se representan

la deformación unitaria y la resistividad (obtenida a partir de la resistencia y de las

dimensiones de la probeta). Si a continuación se representa la variación de la resisti-

vidad frente a la deformación se obtiene una función prácticamente lineal (gráfico

Capítulo V

138

inferior). Si se ajustan los datos a una ecuación de primer orden, la pendiente de la

misma se corresponde con el factor de galga (FG) característico del ensayo.

a)

b)

c)

Figura 91. Medidas registradas durante un ensayo de percepción de la deformación tipo. a) Resistencia eléctrica y tensión frente al tiempo. b) Resistividad y deformación unitaria frente al tiempo. c) Variación unitaria de la

resistividad frente a la deformación.

Antes de iniciar cada serie de ensayos y al acabar, se pesaron las probetas con

el objetivo de comprobar la estabilidad en las condiciones de humedad de las probe-

tas. Se verificó en todos los casos que las pérdidas de masa (por secado de la probe-

ta) eran inferiores al 1%, lo que permite considerar un grado de saturación constante

para cada serie de ensayos (normalmente 27 ensayos más la calibración inicial de la

probeta).

-4

-3.5

-3

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

1090

1095

1100

1105

1110

1115

1120

1125

1130

0 30 60 90 120

Tensi

ón (

MPa)

Resi

stencia

(Ω

)

Tiempo (s)

Resistencia eléctrica Tensión

-500

-400

-300

-200

-100

2180

2190

2200

2210

2220

2230

2240

2250

2260

0 30 60 90 120

Defo

rmació

n u

nit

ari

a (

με)

Resi

stiv

idad (

Ω·c

m)

Tiempo (s)

Resistividad Deformación

ΔR/R₀ = 68.3·ε + 0.008 R² = 0.993

-0.03

-0.025

-0.02

-0.015

-0.01

-0.005

2E-17

0.005

-0.0005 -0.0004 -0.0003 -0.0002 -0.0001 0

ΔR/R₀

Deformación unitaria (ε)


139

A modo de calibrado previo, cada ensayo comenzó con la medida de la resis-

tencia eléctrica de la probeta sin carga, por el método de las cuatro puntas, aplican-

do una corriente fija por los electrodos exteriores y midiendo la diferencia de poten-

cial por los electrodos interiores. Con ambos parámetros se monitorizó la resistencia

eléctrica volumétrica instantánea de la probeta hasta medida constante. Tras lo an-

terior se aplicó una precarga de 500 N (que no aparece en el registro de la prensa ya

que el software pone a cero la carga al inicio del ensayo), e igualmente se monitorizó

la resistencia eléctrica volumétrica en la dirección longitudinal de la misma durante

la aplicación de los ciclos de carga y descarga.


9.2.1. ENSAYOS DE CARACTERIZACIÓN COMPLEMENTARIA

La Tabla 21 recopila los resultados de velocidad de propagación de ultrasoni-

dos, resistencia a compresión, resistencia a flexotracción, porosidad y densidad, ob-

tenidos tras 28 días de curado bajo agua. Para cada magnitud se incluye también la

variación porcentual, %Δ, de los datos proporcionados por los composites en estudio

respecto de la pasta patrón (0% NTC). En general, se pueden apreciar ligeras varia-

ciones pero que no se producen de manera proporcional al contenido en adición con-

ductora, exceptuando la resistencia a flexotracción. En efecto, en el dato de Rf se

obtienen mejoras incrementales al aumentar el contenido en NTC, tal como sucede

con otros tipos de adiciones fibrosas, las cuales actúan de refuerzo ante esfuerzos

tensionales de tracción. Por otro lado, a la hora de interpretar estos resultados tam-

bién hay que tener en cuenta que en la dosificación de cada pasta, no sólo aumenta

el contenido en NTC, sino también el porcentaje de plastificante.

Tabla 21. Resumen de resultados de caracterización complementaria de las pastas fabricadas para ensayos de percepción de la deformación, edad 28 días. %Δ se refiere al incremento porcentual respecto a la pasta patrón.

% NTC VPU Rc Rf Porosidad Densidad

(s/ masa cemento)

(Km/s) %Δ (N/mm²) %Δ (N/mm²) %Δ (%) %Δ (g/cm³) %Δ

0.00 3.46

49.2

3.07

44.2

1.43

0.05 3.55 2.7 51.2 4.1 3.15 2.8 43.5 -1.6 1.50 5.1

0.10 3.51 1.5 52.4 6.5 3.36 9.6 44.2 0.0 1.45 1.6

0.25 3.52 2.0 53.0 7.7 3.42 11.6 44.7 1.1 1.45 1.3

0.50 3.40 -1.7 49.0 -0.4 3.70 20.6 44.7 1.1 1.44 0.8

Poniendo el foco en la resistencia a compresión —la propiedad más relevante

en el ensayo de percepción—, se observa cómo la resistencia se incrementa en las

tres primeras dosificaciones y disminuye en la última. Como decimos, estas diferen-

cias podrían atribuirse a la diferente optimización de la mezcla considerando la rela-

ción entre el contenido en NTC y la cantidad de plastificante adicionada en cada pas-

Capítulo V

140

ta. En cualquier caso, para todos los valores de Rc obtenidos se verifica que las car-

gas máximas establecidas en el programa experimental se sitúan dentro del régimen

elástico (inferiores al 30% de Rc, según UNE-EN 12390-13:2014).

En cuanto a los resultados de porosimetría por intrusión de mercurio, la Figura

92 presenta el volumen de mercurio por intrusión incremental según diámetros de

poro para las cinco pastas ensayadas (a 28 días de curado). En coherencia con los

datos de la tabla anterior, los valores de intrusión apenas experimentan ligeras va-

riaciones entre las distintas dosificaciones. La Figura 93 ofrece una interpretación

complementaria elaborada a partir de la gráfica anterior; de la porosidad total regis-

trada para cada dosificación, se ha desglosado en porcentajes según intervalos de

diámetro de poro. El comportamiento observado es muy similar para todas las pastas.

El rango de mayor peso es el de 10-100 nm, que supone prácticamente el 70% de los

poros detectados en el ensayo PIM —para todas las pastas—, seguido del rango <10 nm

(aproximadamente un 20%, en las cinco pastas).

Figura 92. Resultados de PIM según diámetro de poro para las pastas de estudio, a 28 días de curado.

0 % 0.05 % 0.10 % 0.25 % 0.50 % 0

10

20

30

40

50

60

70

80

% r

esp

ecto

al

tota

l d

e p

oro

s

Contenido NTC

<10nm 100nm-1µm >10µm

10nm-100nm 1µm-10µm

Figura 93. Distribución de tamaños de poro en pastas con distinta adición de NTC, a 28 días de curado.

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

1 10 100 1000 10000 100000 1000000

Intr

usi

ón H

g incre

menta

l (m

l/g)

Diámetro de poro (nm)

0% 0.05% 0.10% 0.25% 0.5% NTC


141

Por último, en la Figura 94 se incluye una comparativa entre los resultados de

porosidad obtenidos por dos métodos diferentes: la técnica de balanza hidrostática, y

porosimetría por intrusión de mercurio. Según estos resultados los valores de porosi-

dad registrados difieren considerablemente según la técnica empleada. La diferencia

podría explicarse por la limitación del porosímetro a un intervalo de diámetros insu-

ficiente, que probablemente esté obviando los poros de mayor tamaño. No obstante,

comparando los datos proporcionados por cada técnica de manera individual, la va-

riación apreciada entre las cinco pastas resulta poco significativa.

Figura 94. Comparativa de las porosidades registradas por dos técnicas (método de balanza hidrostática, y PIM) a

la edad de 28 días.

9.2.2. RESULTADOS PREVIOS AL ENSAYO DE PERCEPCIÓN

La comparativa de la Figura 95 representa los valores de resistividad obtenidos

por las cinco dosificaciones en el calibrado de la primera tanda de ensayos realizada

(a la edad de 14 días). Los datos corresponden a una intensidad de corriente aplicada

de 1 mA. Es posible apreciar claramente dos aspectos: por un lado, el fenómeno de

polarización, asociado al desplazamiento y distribución de cargas eléctricas a través

de la disolución contenida en la red de poros, que sucede al someter la probeta a la

acción de un campo eléctrico. En efecto, se observa para cada serie una cierta varia-

ción inicial en la resistividad pero que tiende a estabilizarse con el tiempo.

Por otro lado, en cuanto a la ordenación de las distintas series, las tres prime-

ras presentan valores de resistividad menores según aumenta el contenido en NTC,

pero no así para las pastas dosificadas con 0.25% y 0.50% NTC, que presentan resisti-

vidades muy similares entre sí, mayores a la de la pasta 0.10% NTC. En cualquier ca-

so, las dosificaciones ensayadas en este estudio se han visto insuficientes para alcan-

zar el umbral de percolación, lo que, en su caso, se detectaría por la disminución de

los valores de resistividad en varios órdenes de magnitud.

Recordemos que estas probetas están siendo medidas con un grado de satura-

ción muy elevado, dado que se acaban de extraer del curado por inmersión en agua y

sólo se han secado superficialmente con papel seca manos (no en estufa). Esta pun-

tualización resultará relevante a la hora de explicar el comportamiento piezorresisti-

0%

10%

20%

30%

40%

50%

0.00 0.05 0.10 0.25 0.50

Poro

sidad (

%)

% NTC

Balanza hidrostática PIM

Capítulo V

142

vo que presentan los composites adicionados con NTC. Se deberá tener presente el

doble mecanismo conductor que ocurre en las pastas diseñadas: conducción electró-

nica (asociada a la adición conductora) y conducción electrolítica (asociada a las car-

gas presentes en la disolución intersticial de los poros, y por ende, fuertemente liga-

da a la tortuosidad de la red porosa y su contenido en humedad).

Figura 95. Resistividad de pastas ensayadas a 14 días, probetas altamente saturadas.

Dado que el valor de resistividad inicial ρ₀ interviene en el cálculo del factor de

galga según la expresión

, conviene indagar más sobre el valor caracterís-

tico de las pastas dosificadas. A tal efecto se ha estimado como dato representativo

el correspondiente al promedio del calibrado registrado durante 10 minutos (en las

probetas descargadas) para cada intensidad de corriente eléctrica aplicada (0.1 mA,

1 mA y 10 mA). La resistividad de la pasta será entonces la media aritmética de los

tres valores de resistividad obtenidos para cada intensidad. El valor así calculado es

el que se representa en la Figura 96 para la serie 1 (S-1), que fue ensayada a dos

edades: 14 y 28 días de curado. Las barras de error representan la desviación están-

dar de las resistividades propias de cada probeta. Como se aprecia, los resultados

arrojan gran dispersión para las medidas registradas, lo que se interpreta en estrecha

relación con la variable de contenido en humedad. Aunque cuantitativamente la

pérdida de humedad durante la realización del ensayo no llega a superar el 1% en

masa, la película más externa de la probeta experimenta un proceso de secado natu-

ral. Según la velocidad con que se produjese este proceso, la variación entre medidas

consecutivas será mayor o menor.

Cabe por otro lado, aportar para esa dispersión otra posible interpretación

complementaria, no excluyente, relacionada con el hipotético fenómeno de polariza-

ción, por la cual, intensidades de corriente diferentes podrían dar lugar a polariza-

ciones más o menos acusadas, en función de la intensidad del campo eléctrico esta-

blecido en el seno de las probetas. Según esto, la resistividad de las probetas sería

susceptible de experimentar cambios según la respuesta propia de cada composite a

la acción de los distintos campos eléctricos impuestos por la fuente de alimentación

según la intensidad de corriente prefijada.

900

1100

1300

1500

1700

0 100 200 300 400 500 600

Resi

stiv

idad (

Ω·c

m)

Tiempo (s)

0% 0.05% 0.10% 0.25% 0.50% NTC


143

Considerando la relevancia de la conducción electrolítica en la resistividad de

las pastas, el aumento observado de 14 a 28 días se explica fundamentalmente por

una mayor dificultad de los iones para desplazarse a través de la red porosa (Zornoza

2007). En efecto, la resistencia electrolítica viene determinada por el volumen, la

conectividad y la tortuosidad de los poros de la matriz cementante. Dado que en ese

periodo de diferencia el progresivo curado de las pastas produce una disminución de

su porosidad, la resistencia electrolítica aumenta, lo que implica un aumento en la

resistencia eléctrica del material. Como factor influyente en el incremento registra-

do, también se puede apuntar a la posible disminución en el contenido en humedad.

Figura 96. Resistividad media de la serie de probetas 1, ensayada a dos edades de curado: 14 y 28 días. Las

barras de error indican la desviación estándar.

El razonamiento en torno al diferente contenido de humedad referido para la

Figura 96 resulta también de aplicación al comportamiento de las series 1 y 2 en la

Figura 97. En efecto, la serie 2 (S-2), que se ensaya por vez primera a la edad de 28

días, acaba de ser extraída del agua de curado (estado de sobresaturación, lo que se

traduce en una mayor movilidad de las cargas eléctricas), mientras que la serie 1 (S-

1), se ha conservado durante los últimos 14 días en ambiente 100 % HR (su película

de humedad externa ofrece, relativamente, una movilidad de las cargas eléctricas

inferior). La consideración de ambas figuras conjuntamente no permite concluir que

se produzca una variación proporcional de la resistividad con el porcentaje de NTC

adicionados.

Por último, cabe explicar aumentos de resistividades, cuando se producen so-

bre probetas individuales (no sobre todas las probetas de la misma dosificación —

series diferentes), como por ejemplo sucede en el caso de la dosificación 0.05% NTC-

Figura 96, por la aparición de alguna microfisura que pudiese tener su origen en las

acciones mecánicas del propio ensayo de carga-descarga en la prensa.

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

-0.10 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50

Resi

stiv

idad (

Ω·c

m)

% NTC

14 d

28 d

Capítulo V

144

Figura 97. Comparativa de resistividades entre las probetas de la serie 1 (ensayada a 14 y 28 días), y la serie 2

(ensayada a 28 días). Las barras de error indican la desviación estándar.

Continuando con el análisis previo de los parámetros que definen el Factor de

Galga (FG), se procede a analizar el comportamiento de los módulos de elasticidad

(E) de cada dosificación que determinarán la deformación unitaria ε, dentro del

régimen elástico, según la Ecuación 29:

Ecuación 29

Donde σ es la tensión mecánica a la que se somete la probeta, y E, el módulo

de elasticidad o módulo de Young. Cuanto mayor es este módulo, menos se defor-

mará la probeta para un mismo estado tensional.

La Figura 98 representa los módulos de elasticidad de cada dosificación, a par-

tir de la caracterización de la primera serie de probetas, ensayada como ya se ha

dicho, a dos edades de curado: 14 y 28 días. El dato de E, con su desviación estándar,

se ha obtenido como el promedio de la primera tanda de 9 ensayos realizada sobre la

probeta a la edad correspondiente. Según se observa, tal como sucede con el valor

de resistividad, no es posible establecer una relación de proporcionalidad entre el

módulo de elasticidad y el contenido en NTC adicionado.

Por su parte, la Figura 99 compara los módulos elásticos de las dos series de

probetas a la edad de 28 días. Aun procediendo ambas series de la misma amasada, y

siendo ensayadas bajo las mismas condiciones a igual edad de curado, se detectan

diferencias entre las curvas no menospreciables. En un principio, habría cabido espe-

rar que las curvas de ambas figuras describiesen comportamientos similares (obte-

niendo curvas más o menos paralelas), aunque los resultados no se ajustan a esta

hipótesis. Además, los datos reflejan una desviación estándar bastante elevada, y en

algunas probetas, como la dosificada al 0.50%, el módulo de elasticidad experimenta

variaciones significativas de una curva respecto a la otra.

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

-0.10 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50

Resi

stiv

idad (

Ω·c

m)

% NTC

S-1 (28d)

S-2 (28d)


145

Figura 98. Módulo de elasticidad medio de la serie de probetas 1, ensayada a dos edades de curado: 14 y 28

días. Las barras de error indican la desviación estándar.

Figura 99. Comparativa de módulos de elasticidad entre las probetas de la serie 1 (ensayada a 14 y 28 días), y la

serie 2 (ensayada a 28 días). Las barras de error indican la desviación estándar.

Al objeto de complementar esta lectura, se incluyen en la Tabla 22 los resulta-

dos de módulo de elasticidad promedio, con la desviación estándar relativa y el co-

eficiente R², correspondiente al ajuste de la regresión lineal obtenida a partir de las

curvas tensión-deformación de cada ensayo.

Siempre que el material se encuentre dentro del régimen elástico, se espera

que la deformación producida sea proporcional a la tensión aplicada, donde la cons-

tante de proporcionalidad coincide en este caso con el módulo de elasticidad, según

la Ecuación 29. Por tanto, esta constante, E, propia del material, habría de ser inde-

pendiente del ensayo realizado, pues los tres niveles de carga se hallan dentro del

régimen elástico y en consecuencia, la DER debiera ser bastante inferior (próxima a

cero). Por otro lado, el coeficiente R² es indicativo de la precisión con que se ha eje-

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

22000

24000

-0.10 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50

Módulo

de e

last

icid

ad,

E (

MPa)

% NTC

S-1 (14 d)

S-1 (28 d)

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

-0.10 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50

Módulo

de e

last

icid

ad,

E (

MPa)

% NTC

S-1 (28 d)

S-2 (28 d)

Capítulo V

146

cutado el ensayo. La desviación de dicho coeficiente de la unidad es reflejo de ano-

malías indeseadas en el ensayo, como por ejemplo, que el estado de carga de la pro-

beta no es perfectamente uniaxial, lo que supone un estado tensional no uniforme y

en consecuencia, diferentes lecturas de deformación unitaria para una misma carga.

Debe notarse la elevada esbeltez de las probetas en estudio (16:4), geometría

que puede propiciar el fenómeno de pandeo en el caso de que la carga no se produ-

jese de manera estrictamente uniaxial. La comprobación de esta anomalía podría

efectuarse adhiriendo tres galgas extensométricas en las restantes caras de la probe-

ta y registrando simultáneamente la deformación unitaria en las cuatro caras. Esta

comprobación se efectuó en una probeta patrón inicial, obteniendo diferencias to-

talmente despreciables, por lo que en la práctica el resto de ensayos se realizaron

con una sola galga.

En síntesis, cuanto mayores sean las desviaciones indicadas mayor es la proba-

bilidad de que en el ensayo se introdujesen variables no controladas que repercutirán

negativamente en la posterior interpretación de los FG característicos de cada dosifi-

cación. Por ello, a la hora de evaluar la función de percepción, se adopta para esos

casos, el criterio de prevalencia del parámetro eléctrico sobre el mecánico ε,

toda vez que los niveles de carga predefinidos (σ máxima) se mantienen constantes a

lo largo del programa experimental.

Tabla 22. Resultados de módulos de elasticidad promedio (MPa), desviación estándar relativa y coeficiente R².

S-1 (14 d) S-1 (28 d) S-2 (28 d)

% NTC E prom DER Coef. R² E prom DER Coef. R² E prom DER Coef. R²

0.00 12110 12.1% 0.992 16960 10.3% 0.995 12655 2.4% 0.994

0.05 10663 5.2% 0.995 11145 2.7% 0.995 13813 3.9% 0.998

0.10 8179 24.3% 0.980 10069 10.8% 0.995 12245 14.3% 0.992

0.25 8497 11.9% 0.993 10407 7.8% 0.994 10847 6.1% 0.996

0.50 22254 4.8% 0.984 11520 1.9% 0.995 14461 9.1% 0.992

9.2.3. ENSAYOS DE PERCEPCIÓN DE LA DEFORMACIÓN

Influencia de la edad y condiciones de curado

La Figura 100 presenta los resultados de percepción de la deformación de las

probetas ensayadas a 14 y 28 días de curado (dosificaciones de 0%, 0.05%, 0.10%,

0.25% y 0.50% NTC). La tensión máxima aplicada en este ensayo es 3.75 MPa, corres-

pondiente a la carga máxima de 6000 N, y la velocidad de carga es constante, 200

N/s. La intensidad de corriente es de 1 mA. Se representan los cambios fraccionales

de resistencia eléctrica a 14 y 28 días (eje primario), y la tensión mecánica aplicada

(eje secundario) frente al tiempo.

En todos los casos existe una evidente correlación entre ambas magnitudes,

igualmente detectada en el resto de ensayos realizados desde la edad más temprana

(14 d), con cualquiera de las intensidades de corriente aplicadas. Sin embargo, bajo

los parámetros de ensayo señalados el fenómeno piezorresistivo resulta más sensible

a la edad de 28 días para las pastas adicionadas con NTC, ocurriendo lo contrario en

el caso del patrón. En efecto, la reversibilidad de las medidas y la correlación entre


147

el parámetro eléctrico y el mecánico es mejor en los composites adicionados a 28

días que en los mismos a 14 días. El cambio fraccional de resistencia eléctrica pre-

senta diferente amplitud según la dosificación, si bien ésta no es proporcional al con-

tenido en NTC. La dosificación que mayor ΔR/R₀ presenta es la del 0.05%, seguida del

0.10% NTC.

Figura 100. Ensayos de percepción de la deformación a 14 y 28 días de curado para la serie 1. En naranja se representa ΔR/R₀ a 14 días y en azul ΔR/R₀ a 28 días. Datos correspondientes al ensayo realizado aplicando una

intensidad de corriente de 1 mA, 6000 N de carga máxima y velocidad de carga 200 N/s.

-4

-3

-2

-1

0

-10

-8

-6

-4

-2

0

0 60 120 180

Tensi

ón,

σ (

MPa)

ΔR/R₀

(%)

Tiempo (s)

0% NTC

14d 28d σ

-4

-3

-2

-1

0

-10

-8

-6

-4

-2

0

0 60 120 180

Tensi

ón,

σ (

MPa)

ΔR/R₀

(%)

Tiempo (s)

0.05% NTC

14d 28d σ

-4

-3

-2

-1

0

-10

-8

-6

-4

-2

0

0 60 120 180

Tensi

ón,

σ (

MPa)

ΔR/R₀

(%)

Tiempo (s)

0.10% NTC

14d 28d σ

-4

-3

-2

-1

0

-10

-8

-6

-4

-2

0

0 60 120 180 Tensi

ón,

σ (

MPa)

ΔR/R₀

(%)

Tiempo (s)

0.25% NTC

14d 28d σ

-4

-3

-2

-1

0

-10

-8

-6

-4

-2

0

0 60 120 180

Tensi

ón,

σ (

MPa)

ΔR/R₀

(%)

Tiempo (s)

0.50% NTC

14d 28d σ

Capítulo V

148

Las dos figuras siguientes (Figura 101 y Figura 102) presentan los factores de

galga obtenidos para la serie 1 y la serie 2 respectivamente. Las barras representan

los FG a distintas edades para las cinco dosificaciones estudiadas, mientras que las

curvas indican el coeficiente R² referido al ajuste lineal del FG. En la Figura 101 el

FG más elevado, 491, ha sido el ofrecido por la pasta adicionada al 0.05% NTC, en el

ensayo a 60 días, proporcionando así mismo uno de los mejores coeficientes R². Las

barras de error facilitan también información complementaria sobre la confiabilidad

del composite como sensor piezorresistivo, pues cuanto menor sea la desviación

estándar registrada mejor será la repetibilidad de los ensayos. Una barra de error

anormalmente alta puede ser debida a una acusada polarización mantenida durante

el ensayo (esto sucede cuando el calibrado inicial no es suficiente para estabilizar la

lectura del potencial eléctrico).

De la consideración conjunta de ambas gráficas cabe concluir la gran variación

de factores de galga obtenidos para una misma probeta cuando se somete a diferen-

tes condiciones de curado. En su interpretación ha de tenerse en cuenta que las pro-

betas a 14 y 28 días se han conservado en un estado de saturación prácticamente

total, y de ese momento en adelante se han mantenido en ambiente de laboratorio.

Según la tendencia temporal observada, y al objeto de lograr medidas estables, pa-

rece más conveniente mantener la probeta en unas condiciones de curado similares

al entorno en el que será ensayada, evitando así las diferencias de resistividad que se

producen al variar el contenido en humedad de la red de poros. La estabilidad de la

medida no sólo significa su repetibilidad (cualidad deseable para su desempeño como

sensor piezorresistivo), sino que además debe ir acompañada de una baja desviación

estándar así como un coeficiente R² muy próximo a la unidad. Lo descrito puede

apreciarse más claramente en la Figura 102 para los ensayos a 200 y 260 días.

En cuanto a la relación entre FG y el contenido en NTC adicionado, en general,

no es posible hallar un patrón de comportamiento bien definido. No obstante, en el

caso de los ensayos más estables, los efectuados a 200 y 260 días, sí se puede apre-

ciar una cierta proporcionalidad entre el FG promedio y la dosificación en NTC. Se

comprueba además que, en esas condiciones, las desviaciones estándar se minimizan

y los coeficientes R² se maximizan.

Por último, resultó ciertamente inesperado que probetas de idéntica dosifica-

ción, fabricadas en la misma amasada reportasen resultados dispares entre sí. La

explicación más plausible se halla en las posibles diferencias en el contenido de

humedad de las probetas, que al verse sometidas a diferentes condiciones de curado

verían alterada la movilidad de las cargas eléctricas a través de la red de poros, con

la consiguiente variación en los fenómenos piezorresistivos experimentados durante

el ensayo. Bajo este razonamiento la conductividad electolítica se postularía en clara

dominancia sobre la conductividad electrónica atribuida a los NTC.


149

Figura 101. Comparativa de factores de galga medios (barras) resultantes del ensayo de percepción para la serie 1 a cinco edades de ensayo: 14, 28, 60, 200 y 260 días, incluyendo desviaciones estándar. Las curvas (eje se-cundario) representan el coeficiente R² promedio del ensayo para las mismas edades. Los parámetros bajo los

que se han obtenido estos resultados son: I=0.1 mA, carga máxima=6000 N y velocidad de carga=200 N/s.

Figura 102. Comparativa de factores de galga medios (barras) resultantes del ensayo de percepción para la serie 2 a cuatro edades de ensayo: 28, 60, 200 y 260 días, incluyendo desviaciones estándar. Las curvas (eje secunda-rio) representan el coeficiente R² promedio del ensayo para las mismas edades. Los parámetros bajo los que se

han obtenido estos resultados son: I=0.1 mA, carga máxima=6000 N y velocidad de carga=200 N/s.

Influencia de la intensidad de corriente aplicada

A diferencia de los resultados reportados por Galao (2012) sobre pastas adicio-

nadas con NFC, y siguiendo un plan de trabajo muy similar, en nuestro caso sí se han

podido detectar fenómenos piezorresistivos bajo la aplicación de las tres intensida-

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

0

100

200

300

400

500

600

0 0.05 0.10 0.25 0.50

R²

FG

% NTC

14d

28d

60d

200d

260d

R²(14)

R²(28)

R²(60)

R²(200)

R²(260)

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

0

100

200

300

400

500

600

0 0.05 0.10 0.25 0.50

R²

FG

% NTC

28d

60d

200d

260d

R²(28)

R²(60)

R²(200)

R²(260)

Capítulo V

150

des de corriente establecidas (0.1, 1 y 10 mA) para todas las pastas y probetas ensa-

yadas. El resultado de los ensayos efectuados a la edad de 28 días se incluye en las

figuras Figura 103 y Figura 104 para las series 1 y 2, respectivamente. Según se des-

prende de estas dos gráficas no es posible extraer una pauta de comportamiento ge-

neral, si bien la tendencia más repetida —sucede en 6 de 10 probetas— es la que ex-

perimenta incrementos de factor de galga al aumentar la intensidad de corriente. Tal

como refleja la Figura 105 este incremento es coherente con mayores cambios frac-

cionales en la resistencia eléctrica. De hecho, tratándose de la misma probeta (mis-

ma respuesta mecánica), son directamente proporcionales a ΔR/R₀. Para facilitar la

comparativa de ΔR/R₀ mostrada en dicha gráfica, las curvas han sido corregidas sus-

trayendo la pendiente de polarización detectada en cada ensayo.

Figura 103. Resultados del ensayo de percepción de la serie 1 a 28 días. Se representan los factores de galga medios (barras) de cada probeta para las tres intensidades de corriente aplicadas: 0.1, 1 y 10 mA, incluyendo

desviaciones estándar. Las curvas (eje secundario) representan el coeficiente R² promedio del ensayo. Paráme-tros con los que se han obtenido estos resultados: carga máxima=6000 N y velocidad de carga=200 N/s.

Figura 104. Resultados del ensayo de percepción de la serie 2 a 28 días. Se representan los factores de galga medios (barras) de cada probeta para las tres intensidades de corriente aplicadas: 0.1, 1 y 10 mA, incluyendo

desviaciones estándar. Las curvas (eje secundario) representan el coeficiente R² promedio del ensayo. Paráme-tros con los que se han obtenido estos resultados: carga máxima=6000 N y velocidad de carga=200 N/s.

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 0.05 0.10 0.25 0.50

R²

FG

% NTC

0.1mA

1mA

10mA

R²(0.1)

R²(1)

R²(10)

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 0.05 0.10 0.25 0.50

R²

FG

% NTC

0.1mA

1mA

10mA

R²(0.1)

R²(1)

R²(10)


151

Figura 105. Ensayos de percepción de la deformación a 28 días de curado sobre la probeta con 0.50% NTC de la serie 1. En línea continua se representa ΔR/R₀ para tres intensidades de corriente; la línea punteada indica la

deformación unitaria de la probeta, registrada mediante la galga extensométrica. Los parámetros bajo los que se han obtenido estos resultados son: carga máxima=9000 N y velocidad de carga=200 N/s.

Una restricción experimental ha sido la limitación de edades ensayadas para la

intensidad de 10 mA, a un máximo de 28 días. Esto es debido a la imposibilidad por

parte de la fuente de alimentación de aplicar tal magnitud cuando la resistencia

eléctrica es superior a cierto umbral definido por sus especificaciones técnicas. Como

ya se ha indicado anteriormente, la resistividad del material varía significativamente

en función de su grado de saturación, y en consecuencia, una vez que las probetas

son expuestas al ambiente de laboratorio, extrayéndolas de condiciones 100% HR,

pierden parte de su contenido en humedad y experimentan un notable incremento en

la resistencia eléctrica. Cuando ese aumento ha sido acusado, también ha limitado

las medidas para I=1 mA. Por el contrario, sí ha sido posible registrar exitosamente

todas las medidas del programa experimental para la intensidad de 0.1 mA.

Cabe comentar un detalle de la Figura 105, se trata de la ligera distorsión pro-

ducida al descargar la probeta, coincidiendo con deformaciones por debajo de las

200 µε (en valor absoluto). Para facilitar su descripción se incluye en la Figura 106 la

representación gráfica de ΔR/R₀ frente a ε, donde la pendiente de la recta coincide

con el factor de galga característico para cada ensayo de la probeta 0.5% (serie 1).

Como ya se ha indicado, se verifica en este caso que, bajo las mismas condiciones de

carga, a mayor intensidad de corriente se obtienen FG mayores. La distorsión indica-

da se aprecia en el rango de deformaciones por debajo de las 200 µε; se trata éste de

un intervalo de deformaciones inicial (cuando la probeta está prácticamente descar-

gada) en el que el material no presenta sensibilidad piezorresistiva. Es al superar el

umbral de 200 µε cuando el composite presenta un comportamiento piezorresistivo

caracterizable por una función de tipo lineal, con FG = pendiente. A pesar de la des-

viación inicial, en general, se pueden obtener buenos coeficientes R², superiores en

este caso a 0.95.

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

-10

-8

-6

-4

-2

0

0 90 180 270 360

Defo

rmació

n u

nit

ari

a,µ

ε

ΔR/R₀

(%)

Tiempo (s)

0.50% NTC (serie 1)

0.1mA 1mA 10mA ε

Capítulo V

152

Figura 106. Cambio fraccional de resistencia eléctrica (ΔR/R₀) frente a deformación longitudinal unitaria (ε)

correspondiente a la Figura 105 (pasta 0.50% NTC de la serie 1). Se incluye la regresión lineal de cada curva, donde el valor de la pendiente indica el factor de galga característico de cada ensayo. Los parámetros bajo los

que se han obtenido estos resultados son: carga máxima=9000 N y velocidad de carga=200 N/s.

Para complementar la lectura del análisis global del ensayo con el análisis par-

cial según semiciclos de carga-descarga, se incluye en la Tabla 23 a título ilustrativo

el análisis tipo a partir del cual se obtiene el FG característico del ensayo, con sus

parámetros estadísticos DE y R², que dan idea de la estabilidad de la medida y de la

calidad del ajuste, respectivamente. Por criterio de homogeneidad, en todos los en-

sayos se decidió descartar los datos correspondientes al ciclo 1. Las desviaciones que

se observan entre el FG de carga y el FG de descarga se atribuyen a la ligera polari-

zación ya comentada, que en los análisis numéricos no se corrige para no desvirtuar

la desviación estándar real del ensayo. Dada la similitud entre semiciclos de carga y

de descarga se ha considerado representativo el estudio de ciclos completos, apre-

ciando innecesario el desglose de los FG correspondientes a cada semiciclo.

Tabla 23. Obtención de resultados a 28 días de la probeta 0.50% NTC-Serie 1, para las tres intensidades de co-rriente en estudio. Parámetros de ensayo: carga máxima=9000 N y velocidad de carga=200 N/s.

0.1 mA 1 mA 10 mA

Carga Descarga Carga Descarga Carga Descarga

FG R² FG R² FG R² FG R² FG R² FG R²

Ciclo 1 121 0.981 111 0.972 149 0.978 124 0.968 182 0.990 178 0.982

Ciclo 2 114 0.973 116 0.977 140 0.973 135 0.971 171 0.988 180 0.983

Ciclo 3 114 0.969 118 0.980 139 0.966 143 0.973 172 0.984 186 0.986

Ciclo 4 110 0.960 122 0.981 138 0.959 146 0.978 171 0.980 186 0.989

Promedio 113 0.967 119 0.979 139 0.966 141 0.974 171 0.984 184 0.986

FGensayo 116 140 178

DE 3.9 4.1 7.3

DER 3.4% 2.9% 4.1%

R²ensayo 0.973 0.970 0.985

E (Mpa) 11610 R²(E)= 0.999 11482 R²(E)= 0.997 12231 R²(E)= 0.997

ρ₀(Ω·cm) 1733 1723 1832

ΔR/R₀ = 112ε + 0.01 R² = 0.968

ΔR/R₀ = 132ε + 0.01 R² = 0.956

ΔR/R₀ = 170ε + 0.02 R² = 0.983

-0.08

-0.07

-0.06

-0.05

-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

0

-0.0008 -0.0007 -0.0006 -0.0005 -0.0004 -0.0003 -0.0002 -0.0001 0.0000

ΔR/R₀

Deformación unitaria, ε

0.50% NTC (serie 1)

0.1mA 1mA 10mA


153

Influencia de la velocidad de aplicación de la carga

Se evalúa en adelante la influencia de las condiciones de carga de las probetas,

particularizando en este apartado en la variable “velocidad de aplicación de la car-

ga”. Recordemos que el programa experimental fijaba tres velocidades de carga para

cada rango de carga máxima fijada. Al objeto de analizar esta variable se han fijado

otras según los criterios siguientes. La edad de referencia ha sido 200 días, de los

cuales los últimos 5.5 meses se han conservado en ambiente de laboratorio; por tan-

to, se encuentran con un contenido en humedad estacionario, lo que permitirá obte-

ner lecturas más estables que a 28 días, por ejemplo. La intensidad de corriente

aplicada ha sido de 0.1 mA, garantizando la exitosa ejecución del ensayo sin el impe-

dimento de que la fuente no pudiese aplicar corrientes mayores. Por último, la carga

máxima de referencia se ha establecido en el valor intermedio, 6000 N.

Las gráficas de la Figura 107 y la Figura 108 presentan los resultados de los en-

sayos de percepción bajo las condiciones indicadas, para las series 1 y 2 respectiva-

mente. A priori, puede parecer que por el hecho de aumentar la velocidad de carga

se consiguen factores de galga ligeramente mayores, sin embargo en un análisis más

pormenorizado de los parámetros que definen dicho FG esta conclusión resulta preci-

pitada. Por un lado, el parámetro mecánico, es decir, la deformación unitaria ε

(ε=E/σ) se mantiene constante para un nivel de carga dado (tensión constante). Sin

embargo, como ya se ha dicho, la resistencia eléctrica experimenta una variación

temporal —a lo largo de toda la tanda de ensayos— atribuible a fenómenos de polari-

zación, de manera que la disminución registrada en la resistividad inicial podría ser

la causante del ligero aumento de los FG. En efecto, esta hipótesis pudo contrastarse

repitiendo la tanda de ensayos en orden inverso (orden decreciente de velocidades

de carga); en dicha repetición la ordenación de las series fue la contraria. En base a

ello se puede concluir que la velocidad de aplicación de la carga no ejerce influencia

significativa en la percepción de la deformación.

Figura 107. Resultados del ensayo de percepción de la serie 1 a 200 días. Se representan los factores de galga medios (barras) de cada probeta para tres velocidades de carga: 100, 200 y 400 N/s, incluyendo desviaciones

estándar. Las curvas (eje secundario) representan el coeficiente R² promedio del ensayo para las mismas veloci-dades de carga. Los parámetros bajo los que se han obtenido estos resultados son: carga máxima=6000 N e in-

tensidad de corriente=0.1 mA.

0.500

0.550

0.600

0.650

0.700

0.750

0.800

0.850

0.900

0.950

1.000

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 0.05 0.10 0.25 0.50

R²

FG

% NTC

100N/s

200N/s

400N/s

R²(100)

R²(200)

R²(400)

Capítulo V

154

Figura 108. Resultados del ensayo de percepción de la serie 2 a 200 días. Se representan los factores de galga medios (barras) de cada probeta para tres velocidades de carga: 100, 200 y 400 N/s, incluyendo desviaciones

estándar. Las curvas (eje secundario) representan el coeficiente R² promedio del ensayo para las mismas veloci-dades de carga. Los parámetros bajo los que se han obtenido estos resultados son: carga máxima=6000 N e in-

tensidad de corriente=0.1 mA.

En cuanto al patrón de comportamiento de los FG según dosificación de NTC

cabe constatar una ordenación parecida entre la serie 1 (Figura 107) y la serie 2

(Figura 108). En ambos casos, el contenido en NTC que menor factor de galga presen-

ta es el 0% NTC, y viceversa para las pastas adicionadas al 0.50% NTC. En cuanto a la

magnitud de dichos FG, por el contrario, se aprecian diferencias muy notables de una

serie a la otra. Según esta observación, la obtención de sensores idénticos obtenidos

a partir de una misma amasada no eximiría a ninguno de ellos de una completa ca-

racterización inicial que cubriese el espectro de condiciones en el que el material

estuviese destinado a desempeñar su función de percepción de la deformación.

Por último, cabe apuntar los elevados coeficientes R² obtenidos para ambas se-

ries, superiores a 0.95 en todo caso. Ello es indicativo de la linealidad existente en-

tre el numerador del FG (parámetro eléctrico) y el denominador (parámetro mecáni-

co), lo que constituye un fenómeno piezorresistivo de calidad —sin distorsiones—,

siendo la sensibilidad del material mejor cuanto mayor es su FG.

Influencia de la carga máxima aplicada

Continuando con el análisis de las condiciones de carga, se aborda en último lu-

gar el estudio de la variable “carga máxima aplicada”. Análogamente, el programa

experimental establece tres niveles de carga máxima, cuya influencia sobre el pará-

metro FG es el objeto principal de este apartado. El resto de variables se han fijado

aplicando los mismos criterios del apartado anterior: la edad de referencia es 200

días, la intensidad de corriente es 0.1 mA, y la velocidad de carga-descarga adoptada

como referencia es 200 N/s.

Las gráficas de la Figura 109 y Figura 110 presentan los resultados de los ensa-

yos de percepción bajo las condiciones indicadas, para las series 1 y 2 respectiva-

0.500

0.550

0.600

0.650

0.700

0.750

0.800

0.850

0.900

0.950

1.000

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 0.05 0.10 0.25 0.50

R²

FG

% NTC

100N/s

200N/s

400N/s

R²(100)

R²(200)

R²(400)


155

mente. De su análisis no es posible concluir una relación matemática que permita

predecir comportamientos piezorresistivos en base al nivel de carga aplicado, dado

que para unas probetas el FG aumenta con la carga, lo contrario sucede para otras,

ocurriendo también otras casuísticas intermedias. Con la intención de arrojar luz

sobre los fenómenos piezorresistivos que proporcionan los resultados indicados, se

han realizado dos subanálisis de las probetas más adicionadas: 0.25% y 0.50% NTC. El

detalle de estas comparativas se incluye en la Figura 111 y en la Figura 112 para cada

dosificación respectivamente. Para facilitar la interpretación relativa de las cuatro

probetas se mantienen las mismas escalas en todas las gráficas de ambas figuras.

Si observamos la Figura 111, centrándonos en la serie 1 (color azul), se obtiene

en los tres ensayos una pendiente (FG) muy similar. Con algo más de variación entre

ensayos, la serie 2 (color naranja) ofrece un comportamiento parecido. Considerando

las regresiones lineales representadas, y hallándonos en todo momento dentro del

régimen elástico, se entiende que los distintos FG que adopta una misma probeta

deben deberse a una falta de linealidad en la respuesta piezorresistiva, es decir, pa-

ra un mismo incremento de deformaciones se producen cambios fraccionales de re-

sistencia diferentes, según el estado tensional de la probeta.

Lo indicado para la Figura 111, resulta también manifiesto en la Figura 112.

Aun presentando coeficientes R² propios del ajuste lineal bastante aceptables, las

funciones obtenidas no se pueden considerar, estrictamente, como tales. Tomando

como ejemplo la serie 1 (azul) resulta evidente que la pendiente que define el factor

de galga en cada ensayo dependerá del rango de deformaciones alcanzado. Por lo

tanto, podemos concluir que la función de percepción de la deformación se verá in-

fluida por el nivel de carga aplicado en tanto en cuanto el comportamiento piezorre-

sistivo de la probeta se aleje de la linealidad.

Figura 109. Resultados del ensayo de percepción de la serie 1 a 200 días. Se representan los factores de galga medios (barras) de cada probeta para tres niveles de carga máxima: 3000 N, 6000 N y 9000 N, incluyendo des-

viaciones estándar. Las curvas (eje secundario) representan el coeficiente R² promedio del ensayo para los mismos niveles de carga máxima. Los parámetros bajo los que se han obtenido estos resultados son: velocidad

de carga-descarga=200 N/s e intensidad de corriente=0.1 mA.

0.500

0.550

0.600

0.650

0.700

0.750

0.800

0.850

0.900

0.950

1.000

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 0.05 0.10 0.25 0.50

R²

FG

% NTC

3000 N

6000 N

9000 N

R²(3000)

R²(6000)

R²(9000)

Capítulo V

156

Figura 110. Resultados del ensayo de percepción de la serie 2 a 200 días. Se representan los factores de galga medios (barras) de cada probeta para tres niveles de carga máxima: 3000 N, 6000 N y 9000 N, incluyendo des-

viaciones estándar. Las curvas (eje secundario) representan el coeficiente R² promedio del ensayo para los mismos niveles de carga máxima. Los parámetros bajo los que se han obtenido estos resultados son: velocidad

de carga-descarga=200 N/s e intensidad de corriente=0.1 mA.

Una última apreciación respecto de la Figura 112 es la diferente deformación

registrada por dos probetas de la misma dosificación cuando son sometidas a la mis-

ma tensión. Desechando la hipótesis de que sus módulos elásticos fuesen diferentes,

entran en juego las observaciones relacionadas a partir de la Tabla 22. Existiendo

una diferencia entre probetas de 200 µε en el ensayo hasta 9000 N, habría sido con-

veniente disponer de la lectura de, al menos, una galga adicional adherida en la cara

opuesta. Con ello se podría confirmar si, como pensamos, esa diferencia es atribuible

a un estado tensional no uniforme, en exclusiva, o si por el contrario, las probetas

pueden haber sufrido un proceso de deterioro a nivel mecánico (y también piezorre-

sistivo) por la reiteración de ensayos a lo largo del tiempo.

0.500

0.550

0.600

0.650

0.700

0.750

0.800

0.850

0.900

0.950

1.000

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 0.05 0.10 0.25 0.50

R²

FG

% NTC

3000 N

6000 N

9000 N

R²(3000)

R²(6000)

R²(9000)


157

Probetas 0.25 % NTC – Serie 1 y Serie 2

Figura 111. Detalle del ensayo de percepción a 200 días para la dosificación 0.25% NTC, comparando la serie 1 (S1) y serie 2 (S2) para tres niveles de carga máxima: 3000 N, 6000 N y 9000 N. Las gráficas de la izquierda representan el cambio fraccional de resistencia y la deformación longitudinal unitaria frente al tiempo. Las

gráficas de la derecha representan el cambio fraccional de resistencia frente a la deformación longitudinal uni-taria. Parámetros de ensayo: velocidad de carga-descarga=200 N/s e intensidad de corriente=0.1 mA.

-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0 -16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

0 30 60 90

Defo

rmació

n u

nit

ari

a,µ

ε

ΔR/R₀

(%)

Tiempo (s)

3000 N

S1 S2 ε (S1) ε (S2)

y = 103.48x + 0.0039 R² = 0.9319

y = 56.989x + 0.0025 R² = 0.9678

-0.09

-0.08

-0.07

-0.06

-0.05

-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

-2E-17

-0.0008 -0.0006 -0.0004 -0.0002 -1E-18

ΔR/R₀


3000 N

S1 S2

-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0 -16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

0 60 120 180

Defo

rmació

n u

nit

ari

a,µ

ε

ΔR/R₀

(%)

Tiempo (s)

6000 N

S1 S2 ε (S1) ε (S2)

y = 109.14x + 0.0044 R² = 0.993

y = 64.473x + 0.0024 R² = 0.9932

-0.09

-0.08

-0.07

-0.06

-0.05

-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

-2E-17

-0.0008 -0.0006 -0.0004 -0.0002 -1E-18

ΔR/R₀


6000 N

S1 S2

-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0 -16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

0 60 120 180 240

Defo

rmació

n u

nit

ari

a,µ

ε

ΔR/R₀

(%)

Tiempo (s)

9000 N

S1 S2 ε (S1) ε (S2)

y = 105.19x + 0.0029 R² = 0.9891

y = 67.523x + 0.0001 R² = 0.991

-0.09

-0.08

-0.07

-0.06

-0.05

-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

2E-17

-0.0008 -0.0006 -0.0004 -0.0002 -1E-18

ΔR/R₀


9000 N

S1 S2

Capítulo V

158

Probetas 0.50 % NTC – Serie 1 y Serie 2

Figura 112. Detalle del ensayo de percepción a 200 días para la dosificación 0.50% NTC, comparando la serie 1 (S1) y serie 2 (S2) para tres niveles de carga máxima: 3000 N, 6000 N y 9000 N. Las gráficas de la izquierda representan el cambio fraccional de resistencia y la deformación longitudinal unitaria frente al tiempo. Las

gráficas de la derecha representan el cambio fraccional de resistencia frente a la deformación longitudinal uni-taria. Parámetros de ensayo: velocidad de carga-descarga=200 N/s e intensidad de corriente=0.1 mA.

-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0 -16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

0 30 60 90

Defo

rmació

n u

nit

ari

a,µ

ε

ΔR/R₀

(%)

Tiempo (s)

3000 N

S1 S2 ε (S1) ε (S2)

y = 85.305x + 0.0005 R² = 0.9773

y = 176.29x + 0.0046 R² = 0.9794

-0.09

-0.08

-0.07

-0.06

-0.05

-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

-2E-17

-0.0008 -0.0006 -0.0004 -0.0002 -1E-18

ΔR/R₀


3000 N

S1 S2

-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0 -16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

0 60 120 180

Defo

rmació

n u

nit

ari

a,µ

ε

ΔR/R₀

(%)

Tiempo (s)

6000 N

S1 S2 ε (S1) ε (S2)

y = 136.86x + 0.0054 R² = 0.9645

y = 169.49x + 0.0009 R² = 0.9919

-0.09

-0.08

-0.07

-0.06

-0.05

-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

-2E-17

-0.0008 -0.0006 -0.0004 -0.0002 -1E-18

ΔR/R₀


6000 N

S1 S2

-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0 -16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

0 60 120 180 240

Defo

rmació

n u

nit

ari

a,µ

ε

ΔR/R₀

(%)

Tiempo (s)

9000 N

S1 S2 ε (S1) ε (S2)

y = 149.05x + 0.006 R² = 0.9889

y = 149.68x - 0.0032 R² = 0.9723

-0.09

-0.08

-0.07

-0.06

-0.05

-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

1E-17

-0.0008 -0.0006 -0.0004 -0.0002 -1E-18

ΔR/R₀


9000 N

S1 S2


159

Análisis de FG como parámetro representativo de la percepción

de la deformación

Tal como se cuestionase Galao (2012) en su estudio de percepción, comparti-

mos un razonamiento análogo en este último apartado. La Figura 113 presenta los

resultados del ensayo de percepción realizado a 200 días sobre la serie de probetas

2. Tal como se viene realizando a lo largo del estudio, para cada curva ΔR/R₀ vs ε se

incluye la recta resultante de su ajuste lineal, definida por su ecuación y su paráme-

tro estadístico R². Se observa que la correspondencia de resultados es bastante acep-

table, obteniendo R² superiores a 0.97.

Figura 113. Ensayos de percepción a 200 días para la serie 2. Se presenta la variación unitaria de resistencia eléctrica (ΔR/R₀) frente a la deformación longitudinal unitaria (ε), así como sus respectivos ajustes lineales y,

para el caso de la probeta 0.50%, también su ajuste polinomial de grado 2. Parámetros de ensayo: carga máxima aplicada=9000 N, velocidad de carga-descarga=400 N/s e intensidad de corriente=0.1 mA.

Si nos fijamos en la curva con el menor R², correspondiente a la probeta 0.50%

NTC, comprobamos que la percepción de la deformación no cumple una tendencia

estrictamente lineal, tal como queda definido el parámetro factor de galga. En efec-

to, existe un rango de deformaciones, prácticamente hasta las 300 µε, en el que el

comportamiento piezorresistivo sí tiene lugar de manera lineal, pero no así el rango

de deformaciones superior (entre 300 y 400 µε). Se verifica que el ajuste de la men-

cionada curva a un polinomio de segundo grado, como el indicado en la Figura 113

(en color rojo) proporcionaría una función más precisa del comportamiento piezorre-

sistivo de la probeta. Pareciera adecuado, por tanto, parametrizar la percepción de

la deformación, para el caso de pastas adicionadas con NTC, más que mediante el

FG, mediante polinomios de grado superior a uno o funciones sigmoideas, que pro-

porcionarían ajustes más precisos que los ofrecidos por el FG, a pesar de la más com-

pleja interpretación física del fenómeno.

y = 32.67x - 0.0009 R² = 0.9848

y = 60.11x - 0.0005 R² = 0.9783

y = 47.088x - 0.0003 R² = 0.9907

y = 70.499x - 0.0009 R² = 0.9927

y = 152.64x - 0.005 R² = 0.9755

y = 207896x2 + 234.48x - 0.0003 R² = 0.9974

-0.07

-0.06

-0.05

-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

2E-17

-0.0006 -0.0005 -0.0004 -0.0003 -0.0002 -0.0001 2E-18

ΔR/R₀


0% 0.05% 0.10% 0.25% 0.50% NTC

Capítulo V

160

En cualquier caso, a lo largo del estudio realizado el FG ha demostrado una

precisión aceptable para el conjunto de probetas ensayadas en todo el espectro de

condiciones estudiadas. En todo caso, como se ha visto, las mayores desviaciones se

producen en el entorno de los valores límite de deformación: en algún caso cuando la

probeta está prácticamente descargada, y el caso contrario, cuando se aproxima al

10% de su carga de rotura (9000 N, carga equivalente a la tensión de 5.6 MPa).

9.3. Conclusiones del Estudio-1

El presente estudio aborda la influencia de diferentes variables de análisis so-

bre la función de percepción de la deformación de cinco pastas: 0%, 0.05%, 0.10%,

0.25% y 0.50% adición de NTC respecto a masa. Las conclusiones más relevantes que

pueden extraerse son las siguientes:

Los resultados de caracterización complementaria (velocidad de propagación

de ultrasonidos, resistencia a compresión, resistencia a flexotracción, porosi-

dad y densidad) de las cinco pastas son bastante homogéneos. En todo caso,

las variaciones obtenidas no se producen de manera proporcional al % NTC.

De los análisis previos de los parámetros que definen el FG, se desprende la

gran variabilidad de la resistividad del material en función del contenido en

humedad. Por otro lado, se obtuvieron módulos elásticos diferentes para las

distintas pastas, cuyo comportamiento tampoco varía en proporción a la dosi-

ficación de NTC.

El fenómeno piezorresistivo tiene lugar en todas las pastas desde la primera

edad ensayada (14 días) bajo las tres intensidades de corriente aplicadas. No

obstante el grado de correlación mejora para edades superiores (a partir de

28 días), y sobre todo, cuando las probetas se dejan secar en laboratorio,

lográndose la mayor estabilidad y repetibilidad de las medidas.

En cuanto a la influencia de la intensidad de corriente aplicada no ha sido po-

sible extraer una pauta generalizada, aunque la tendencia más repetida (6

casos de 10) es la que experimenta incrementos de factor de galga al aumen-

tar la intensidad de corriente.

La velocidad de aplicación de la carga se ha visto una variable sin influencia

significativa en la percepción de la deformación.

La función de percepción de la deformación se verá influenciada por la carga

máxima aplicada en tanto en cuanto el comportamiento piezorresistivo de la

probeta se aleje de la linealidad.

El análisis de regresión mediante funciones diferentes al FG (parámetro line-

al), a pesar de la más compleja interpretación física, permite aproximarse al

fenómeno piezorresistivo con mayor precisión. En todo caso, asumiendo com-

portamientos lineales los ajustes obtenidos resultan aceptables para el pro-

grama experimental realizado.


161

10. E-2: DURABILIDAD DE LA PERCEPCIÓN

En este segundo estudio (Estudio-2) se analiza la respuesta de la función de

percepción de la deformación frente a las condiciones de ataque más habituales,

carbonatación y cloruros. Se mantiene la misma geometría de probetas, pastas dosi-

ficadas con distintos porcentajes de NTC de dimensiones 4x4x16 cm3. También de

tipología MWCNT, se emplearán en este caso un segundo tipo de NTC, por lo que

habrá de comprobarse previamente el desempeño de estos composites como sensores

piezorresistivos. A tal efecto, se ha estructurado un programa experimental en forma

similar al desarrollado en el Estudio-1.


10.1.1. FABRICACIÓN Y ACONDICIONAMIENTO DE PROBETAS

Se fabricaron probetas prismáticas normalizadas de dimensiones 4x4x16 cm³

con pastas basadas en cemento Portland, según la normativa española UNE-EN 196-

3:2005. Los materiales empleados en su preparación fueron los siguientes:




Nanotubos de carbono, denominados NANOCYLTM NC7000 (de tipología

MWCNT) suministrados por Nanocyl S.A. (Sambreville, Bélgica). Sus propieda-

des características se indican en la Tabla 10 (pág. 107).

Agua destilada.

NaCl, sólo en las probetas sometidas a un ataque por cloruros internos.

Barras de acero B 500 SD, de diámetro 8 mm y longitud 80 mm, sólo en el caso

de probetas armadas.

No se empleó plastificante en este estudio, y las relaciones a/c utilizadas fue-

ron de 0.35 para las pastas patrón (0% NTC) y 0.5 para las pastas adicionadas con

NTC. Dado que el desempeño de los NTC aquí utilizados no ha sido previamente tes-

tado en cuanto a la función de percepción de la deformación se refiere, se ideó un

pequeño estudio preliminar a fin de verificar la sensibilidad piezorresistiva de estos

composites. Se evaluaron tres dosificaciones: 0%, 0.05% y 0.50% NTC, cuya percep-

ción fue ensayada según los parámetros de ensayo definidos en el apartado siguiente.

Tras esta comprobación previa, se perfiló el plan experimental correspondiente

propiamente al estudio de durabilidad de la percepción. En este caso las dosificacio-

nes evaluadas se establecieron en los dos porcentajes extremos: 0% y 0.50% NTC. Las

condiciones de ataque contempladas suponen la fabricación de las siguientes amasa-

das de probetas (cada serie consta de 3 probetas):

Carbonatación (probetas sin armar): 3 series 0% NTC, 0.5% NTC, repetición

de 0.5% NTC.

Capítulo V

162

Ataque por cloruros externos (probetas armadas): 2 series 0% NTC, 0.5%

NTC.

Ataque por cloruros internos (probetas armadas): 4 series

o Sin cloruros: 0% NTC y 0.5% NTC.

o Con 3% cloruros respecto masa de cemento: 0% NTC y 0.5% NTC.

La dispersión de los NTC se efectuó, en todos los casos, siguiendo un procedi-

miento simplificado respecto del indicado en el apartado 4.1.2 (pág. 77). Teniendo

en cuenta las conclusiones extraídas del estudio de dispersión se decidió suprimir el

tratamiento de 10 min en mezcladora, aplicando únicamente 5 min de ultrasonidos.

En el caso de las probetas atacadas con cloruros internos se disolvió en el agua de

amasado la cantidad de NaCl necesaria para obtener una concentración de 3 % de

cloruros respecto masa de cemento.

Las pastas se mezclaron en amasadora automática y se vertieron en el molde

aplicando compactación mecánica en dos capas. En el caso de las probetas armadas,

previamente fue necesario preparar los moldes según la disposición mostrada en la

Figura 114. Se logró situar los aceros en el centro geométrico de la probeta gracias al

sistema auxiliar de alambres y cordeles fotografiado. Además, se ató a la armadura

un cable de cobre que permitiese posteriormente realizar el seguimiento de los nive-

les de corrosión del acero.

Figura 114. Preparación de los moldes para probetas armadas.

Recién enrasada la pasta fresca, se introdujeron los moldes en cámara húmeda

hasta el día siguiente (24 h), cuando se extrajeron para su desmoldado y correcto

etiquetado. El curado se efectuó en cámara húmeda hasta el primer ensayo (caracte-

rización habitual a 28 días). Posteriormente se acondicionaron durante un mes

dejándolas secar en ambiente de laboratorio.

Exceptuando el ataque por cloruros internos, que tiene lugar desde el primer

contacto de la pasta con la armadura, es en este punto donde se da inicio a los ata-

ques por carbonatación y por cloruros externos (ver Figura 115). El primero de ellos

se realizó mediante un proceso de carbonatación acelerada en una atmósfera del

100% de CO2 y una humedad relativa del 75±5%. El segundo ataque tuvo lugar me-

diante ciclos semanales de mojado-secado sumergiendo las probetas durante 3 días


163

en disolución NaCl 1M y dejando secar en laboratorio durante 4 días. A lo largo de los

procesos de ataque se efectuó el seguimiento de la evolución del comportamiento

piezorresistivo.

Figura 115. Detalle de los ataques externos. Izda.: Carbonatación; dcha.: Inmersión en disolución NaCl 1 M.

10.1.2. DESCRIPCIÓN DEL ENSAYO DE PERCEPCIÓN

La instrumentación de las probetas así como los procedimientos operativos y los

equipos empleados en los ensayos de percepción son todos ellos iguales a los descri-

tos en el apartado 9.1.3 (pág. 136). Se remite a dicho apartado para su consulta en

detalle. Se especifica a continuación los parámetros de ensayo, que en este segundo

estudio se han limitado a un menor número de variables:

Tras 28 días de curado en cámara húmeda, se acondicionaron durante un mes

en ambiente de laboratorio. Se realizaron ensayos al término de cada etapa

de acondicionamiento, además de un seguimiento periódico de la evolución

de la piezorresistividad una vez iniciados los procesos de ataque.

Intensidad de corriente eléctrica aplicada: 0.1 mA.

Condiciones de carga:

‒ Carga máxima: 3 kN (1.9 MPa), velocidad de carga-descarga: 200 N/s



10.1.3. REGISTRO DE NIVELES DE CORROSIÓN

En el caso de las probetas armadas, simultáneamente con el seguimiento de los

ensayos de percepción se efectuó el registro de los parámetros de corrosión, con una

periodicidad semanal. La técnica experimental empleada consiste en el método de

Capítulo V

164

resistencia de polarización, ya descrito en el apdo. 5.1.2 (pág. 86). La diferencia en

el caso de estas probetas es que el contraelectrodo en vez de ser interno (barra de

grafito embebida) ha de ser externo, para lo cual en cada medida se procedía a en-

volver la probeta con una malla de acero inoxidable intercalando una capa interme-

dia de bayeta humedecida. El electrodo de referencia hacía contacto a través de la

misma membrana apoyándose sobre la cara superior de la probeta, y el contacto

eléctrico con el acero embebido se efectuaba pinzando el cable que a tal efecto se

ató al electrodo previo al amasado. Puede verse un detalle de lo indicado en la Figu-

ra 116.

Figura 116. Detalle del montaje adoptado para las medidas de corrosión en probetas de percepción.


10.2.1. RESULTADOS DEL ESTUDIO PRELIMINAR

La Figura 117 presenta los resultados correspondientes a las tres dosificaciones

establecidas en esta fase preliminar: 0%, 0.05% y 0.50% NTC, tras un mes en labora-

torio. Se incluyen los tres niveles de carga máxima: 3 kN, 6 kN y 9 kN, manteniendo

constantes las escalas de los ejes para facilitar su comparación. Como se observa,

desde la menor carga máxima aplicada las tres dosificaciones ensayadas han demos-

trado su capacidad para percibir su propia deformación. No obstante, el fenómeno

piezorresistivo detectado en estas probetas parece alejarse de la linealidad a partir

de un cierto valor de deformaciones, sobre todo en la dosificación mayor.


165

Figura 117. Ensayos de percepción del estudio preliminar, comparando tres dosificaciones (0%, 0.05% y 0.50% NTC) para tres niveles de carga máxima: 3000 N, 6000 N y 9000 N. Las gráficas de la izquierda representan el

cambio fraccional de resistencia y la deformación longitudinal unitaria frente al tiempo. Las gráficas de la dere-cha representan el cambio fraccional de resistencia frente a la deformación longitudinal unitaria.

-900

-700

-500

-300

-100

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

0 30 60 90

Defo

rmació

n u

nit

ari

a,µ

ε

ΔR/R₀

(%)

Tiempo (s)

3000 N

0% 0.05% 0.50%

ε (0%) ε (0.05) ε (0.50)

-0.07

-0.06

-0.05

-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

-2E-17

-0.0005 -0.0003 -1E-04

ΔR/R₀


3000 N

0% 0.05% 0.50%

-900

-700

-500

-300

-100

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

0 30 60 90

Defo

rmació

n u

nit

ari

a,µ

ε

ΔR/R₀

(%)

Tiempo (s)

6000 N

0% 0.05% 0.50%

ε (0%) ε (0.05) ε (0.50)

-0.07

-0.06

-0.05

-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

-2E-17

-0.0005 -0.0003 -1E-04

ΔR/R₀


6000 N

0% 0.05% 0.50%

-900

-700

-500

-300

-100

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

0 30 60 90 120

Defo

rmació

n u

nit

ari

a,µ

ε

ΔR/R₀

(%)

Tiempo (s)

9000 N

0% 0.05% 0.50%

ε (0%) ε (0.05) ε (0.50)

-0.07

-0.06

-0.05

-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

-2E-17

-0.0005 -0.0003 -1E-04

ΔR/R₀


9000 N

0% 0.05% 0.50%

Capítulo V

166

10.2.2. ATAQUE POR CARBONATACIÓN

Una vez ratificada la viabilidad de emplear nanotubos de carbono de diferente

procedencia, en la fabricación de sensores piezorresistivos, se inició el estudio en

torno al primero de los ataques. Constando el programa inicialmente de tres probetas

por serie (2 series: 0% y 0.5% NTC), la primera probeta de la serie se mantuvo en am-

biente de laboratorio como probeta de referencia (Ref) y las otras dos (A1, A2, B1 y

B2) fueron atacadas en cámara de carbonatación acelerada, según ya se mostró en la

Figura 115.

La Figura 118 incluye dos caracterizaciones de las probetas antes de iniciar el

ataque, correspondientes a la edad de 28 días (izda.), periodo en el que las probetas

se han curado en cámara húmeda, y a 60 días (dcha.), acondicionándose tras el cura-

do inicial en ambiente de laboratorio durante un mes adicional. En todos estos ensa-

yos se ha detectado el fenómeno piezorresistivo, observándose que, al igual que su-

cedía a los composites del Estudio-1, todas las probetas aumentan significativamente

su factor de galga cuando pierden parte de su contenido en humedad. Además, dicho

secado también disminuye el efecto de polarización en las probetas 0.50% NTC, gra-

cias a lo cual se reduce la desviación estándar, al producirse medidas más estables.

En cuanto a los coeficientes R² obtenidos, se aprecian en ambos casos suficien-

temente elevados como para no desestimar la bondad del ajuste lineal. Cabe indicar

que, a efectos comparativos, se han tomado como parámetros característicos de las

probetas los correspondientes al nivel de carga intermedio: máximo 6000 N (3.75

MPa), velocidad de carga-descarga 400 N/s.

Figura 118. Factores de galga antes de someter a las probetas al ataque por carbonatación. El gráfico de la iz-quierda se obtuvo tras 28 días de curado al 100% HR; el gráfico de la derecha se corresponde con las mismas

probetas tras un 1 mes en condiciones de laboratorio. Las barras de error indican la desviación estándar de FG, y la curva punteada el coeficiente del ajuste lineal R². Condiciones de carga: 6000 N, velocidad 400 N/s.

El ataque se dio por concluido a las 20 semanas de ataque con CO₂, garantizán-

dose la plena carbonatación de las muestras mediante el revelado con fenoftaleína

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

0

5

10

15

20

25

Ref A1 A2 Ref B1 B2

0% NTC 0.50% NTC

R²

FG

Antes del ataque - 100% HR

R²

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

0

50

100

150

200

250

300

Ref A1 A2 Ref B1 B2

0% NTC 0.50% NTC

R² FG

Antes del ataque - Cond. Lab.

R²


167

de muestras en polvo que fueron extraídas practicando un taladro que atraviesa el

centro de la probeta. Continuando con el seguimiento periódico efectuado, es a esta

edad cuando se obtuvo el último registro de percepción sobre estas probetas. Los

resultados obtenidos al término del ataque son los que se representan en la Figura

119. Para facilitar la comparación con el momento previo al ataque se ha mantenido

la misma escala de la Figura 118-dcha. Como se observa, a pesar del ataque todas las

probetas siguen presentando un cierto comportamiento piezorresistivo, si bien la

sensibilidad de las probetas 0% NTC se ha visto seriamente mermada, así como la

estabilidad de la medida y sus coeficientes R². Por el contrario, las probetas con

0.50% NTC logran mantener su función de percepción de la deformación mostrando

parámetros bastante aceptables, incluso superiores a la probeta de referencia (no

sometida al ataque).

Figura 119. Factores de galga al concluir el ataque por carbonatación. El proceso tuvo lugar durante 20 semanas en cámara de carbonatación; mientras, las probetas de referencia (Ref) se mantuvieron en condiciones de labo-ratorio. Las barras de error indican la desviación estándar de FG, y la curva punteada el coeficiente del ajuste

lineal R². Condiciones de carga: 6000 N, velocidad 400 N/s.

Profundizando sobre la influencia que los procesos de carbonatación ejercen

sobre la percepción de la deformación, se incluye en la Figura 120 una comparativa

más en detalle de los ensayos realizados antes de iniciar el ataque y al término del

mismo para las probetas 0.50% NTC. Una de las diferencias más notables detectadas

es el aumento de la deformación longitudinal unitaria de las dos probetas que han

sido carbonatadas, mientras que el cambio fraccional de resistencia se mantiene

prácticamente en su valor original. El incremento detectado resulta indicativo de una

disminución del módulo de elasticidad. Si bien los procesos de carbonatación natural

suponen una densificación del material por efecto del CaCO₃ generado (disminuyendo

su porosidad y aumentando su resistencia), en condiciones de carbonatación muy

agresivas puede ocurrir lo contrario, es decir, que los productos C-S-H sean también

atacados, degradando la rigidez de la probeta y su capacidad portante (Zornoza

2007). Una posible explicación adicional es atribuir parte de esa disminución de rigi-

dez al desgaste del material por acción de los múltiples ensayos de seguimiento que

con periodicidad semanal o quincenal se realizaron.

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

0

50

100

150

200

250

300

Ref A1 A2 Ref B1 B2

0% NTC 0.50% NTC

R²

FG

Después del ataque (CO₂)

R²

Capítulo V

168

Figura 120. Ensayos de percepción de probetas 0.50% NTC antes (arriba) y después (abajo) del ataque por car-bonatación, comparando la probeta de referencia (Ref) con las dos probetas destinadas al ataque (B1 y B2). Las gráficas de la izquierda representan el cambio fraccional de resistencia y la deformación longitudinal unitaria

frente al tiempo. Las gráficas de la derecha representan el cambio fraccional de resistencia frente a la deforma-ción longitudinal unitaria. Condiciones de carga: 6000 N, velocidad 400 N/s.

Un último aspecto destacable es la disminución, sin causa aparente, del cambio

fraccional de resistencia eléctrica (ΔR/R₀) experimentada por la probeta de referen-

cia (Ref). Acondicionada durante un mes en condiciones de laboratorio, cabía esperar

para las probetas mantenidas en laboratorio una cierta estabilidad de sus propieda-

des piezorresistivas. Sin embargo, la variación acusada pareciera deberse a la in-

fluencia de otra variable alterada y no considerada. Bajo la hipótesis de que es el

contenido en humedad la variable que con más probabilidad explica este cambio, se

resolvió repetir la serie 0.50% NTC y seguir el mismo plan experimental pero conser-

vando, en este caso, las tres probetas en las mismas condiciones de temperatura y

humedad relativa. Ello se realizó manteniendo las probetas en un recipiente cerrado

con ambiente controlado (75-80% HR), en lugar de bajo condiciones de laboratorio

-1300

-1100

-900

-700

-500

-300

-100

-10

-8

-6

-4

-2

0

0 30 60 90

Defo

rmació

n u

nit

ari

a,µ

ε

ΔR/R₀

(%)

Tiempo (s)

Ref B1 B2

ε (Ref) ε (B1) ε (B2)

-0.06

-0.05

-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

0

-0.0007 -0.0005 -0.0003 -0.0001

ΔR/R₀


Ref B1 B2

-1300

-1100

-900

-700

-500

-300

-100

-10

-8

-6

-4

-2

0

0 30 60 90

Defo

rmació

n u

nit

ari

a,µ

ε

ΔR/R₀

(%)

Tiempo (s)

Ref B1 B2

ε (Ref) ε (B1) ε (B2)

-0.06

-0.05

-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

0

-0.0007 -0.0005 -0.0003 -0.0001

ΔR/R₀


Ref B1 B2

Antes del ataque (condiciones de laboratorio)

Después del ataque (tras carbonatación)


169

como se hizo en ocasiones anteriores. Dicho ambiente se acondicionó a partir de una

disolución saturada de NaCl introducida en el mismo recipiente sellado.

Como resultado de la serie 0.50% NTC repetida, se presenta en la Figura 121 la

comparativa de factores de galga entre los momentos anterior y posterior a la carbo-

natación de las probetas. El primer aspecto que se ha podido constatar, en virtud de

la hipótesis adoptada, es la efectiva influencia del grado de saturación en la función

de percepción de la deformación. Se ha visto que al imponer unas condiciones de

curado controladas la estabilidad de la medida mejora notablemente. Ello es conse-

cuencia de la menor variabilidad de la resistencia eléctrica, muy estrechamente liga-

da al contenido en humedad de la probeta.

Por otra parte, se confirma nuevamente que las probetas adicionadas al 0.50%

NTC son capaces de mantener su capacidad piezorresistiva tras el carbonatado de la

matriz cementicia. En efecto, los FG característicos de las probetas atacadas se man-

tienen al término del ataque en un orden comparable, aumentando ligeramente su

sensibilidad. Dicho aumento, se debe en este caso a un ligero aumento del módulo de

elasticidad (una vez carbonatadas, estas probetas se volvieron más rígidas), lo que

implica un menor intervalo de deformaciones longitudinales unitarias. Manteniéndose

relativamente constante el cambio fraccional de resistencia eléctrica para una menor

deformación, se traduce ello en el aumento experimentado por FG.

Figura 121. Factores de galga antes y después del ataque por carbonatación para la serie repetida (0.50% NTC). Todas las probetas se mantuvieron bajo las mismas condiciones de HR y temperatura (75±5 % HR, 20±5 0C). Ref designa la probeta de referencia, C1 y C2 las probetas carbonatadas. Las barras de error indican la desviación

estándar de FG, y la curva punteada el coeficiente del ajuste lineal R². Condiciones de carga: 6000 N, velocidad 400 N/s.

Cabe concluir este apartado recopilando dos aspectos recurrentes en el conjun-

to de ensayos de percepción hasta ahora realizados, y que quedan bien patentes en

la misma Figura 121. Se trata de dos observaciones que no se pueden obviar y cuyo

estudio deberá acometerse al objeto de perfeccionar los sensores de percepción de

la deformación hipotéticamente derivables en una futura aplicación práctica. Por un

lado, se tiene el amplio rango de FG que se obtienen para idénticas probetas, con la

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

0

50

100

150

200

250

300

350

Ref C1 C2 Ref C1 C2

Pre-ataque Después

R² FG

Serie repetida (0.50% NTC)

R²

Capítulo V

170

misma dosificación y procedentes de la misma amasada. La explicación puede venir

relacionada con una ineficiente dispersión de los NTC en el seno de la matriz, lo que

daría lugar a diferentes comportamientos piezorresistivos.

Por otro lado, se ha visto que ninguna probeta está exenta de los fenómenos de

polarización, si bien estos ocurren con diferente magnitud variando con la probeta y

las condiciones de curado. Detectada la gran influencia del grado de saturación sobre

la percepción de la deformación, se postula también esta variable como posible fac-

tor clave en la explicación del efecto de polarización. Este razonamiento dio pie a la

propuesta de un nuevo estudio sobre la influencia del grado de saturación que poste-

riormente se presentará.

10.2.3. ATAQUE POR CLORUROS EXTERNOS

El apartado experimental correspondiente al ataque por cloruros externos, rea-

lizado con probetas armadas, se llevó a cabo en paralelo con el correspondiente al

ataque por carbonatación. Siguiendo los mismos criterios, el programa consta de dos

series (0% y 0.5% NTC), con tres probetas por serie. Análogamente, la primera probe-

ta de la serie se mantuvo en ambiente de laboratorio como probeta de referencia

(Ref) y las otras dos (X1, X2, Y1 e Y2) fueron atacadas sometiéndolas a ciclos de mo-

jado-secado con disolución NaCl 1 M, según se mostraba en la Figura 115.

Para la caracterización piezorresistiva de las probetas armadas, tanto en el

ataque por cloruros externos como por cloruros internos, se decidió emplear un nue-

vo parámetro, una redefinición del factor de galga hasta ahora utilizado. Las razones

son básicamente dos: i) las galgas extensométricas se deterioraron por acción de los

ciclos mojado-secado, imposibilitando el seguimiento de las deformaciones unitarias

en las probetas atacadas externamente, y ii) en las probetas armadas, una vez ex-

traídas a ambiente de laboratorio tras su curado inicial en cámara húmeda, se ob-

servó la aparición de pequeñas fisuras en sus caras laterales (fisuras atribuidas a re-

tracción); según la posición de esas fisuras respecto de la galga se registraron en al-

gunos casos deformaciones positivas, indicando tracciones, producidas al abrirse y

cerrarse dichas fisuras. Como resultado de dichos registros, el cálculo del FG resulta-

ba incoherente e imposibilitaba la comparación de resultados.

Para salvar estos escollos se optó por una redefinición del factor de galga, de-

signada por la letra K para evitar confusiones, que relaciona igualmente un paráme-

tro eléctrico en el numerador, con uno mecánico en el denominador:

Ecuación 30

Siendo R: la resistencia eléctrica medida para un estado de carga dado, R0: la

resistencia eléctrica inicial de la probeta, y σ la tensión mecánica a la que está sien-

do sometida la probeta en ese momento. Así como el FG era una magnitud adimen-

sional, el parámetro K tiene unidades de Ω/MPa.


171

La Figura 122 presenta los resultados del factor K antes y después del ataque

por cloruros externos. La gráfica de la izquierda corresponde a la edad de 60 días,

cuando las probetas han pasado por su curado inicial (28 días en cámara húmeda)

más un mes adicional de acondicionamiento en ambiente de laboratorio. La gráfica

de la derecha representa el momento final del ataque, tras 30 ciclos de inmersión-

secado. A efectos comparativos, se han seguido tomando como parámetros carac-

terísticos de las probetas los correspondientes al nivel de carga intermedio: máximo

6000 N (3.75 MPa), velocidad de carga-descarga 400 N/s.

En ambos casos las probetas designadas por Ref, de referencia, se mantuvieron

de forma permanente en condiciones de laboratorio. Como se aprecia, en todos los

casos las probetas fueron capaces de percibir su estado de carga, incluso tras el pro-

ceso de ataque sufrido, si bien, las probetas atacadas han visto su sensibilidad nota-

blemente mermada, especialmente la dosificación 0% NTC. Por su parte las probetas

0.50% NTC consiguen mantener un cierto nivel de K, cuyo valor también se ha reduci-

do pero conservando su ensayo un buen ajuste R² (definido en forma análoga al R² de

FG) y una aceptable estabilidad en la medida.

Es posible notar, nuevamente, la variación experimentada por las probetas de

referencia, cuya conservación se pretendía fuera estable a lo largo del proceso. Este

comportamiento ya se pudo observar en los resultados del ataque por carbonatación,

y se apunta nuevamente a la influencia del contenido en humedad como posible fac-

tor cuya variación explicaría los cambios registrados en estas probetas. Tampoco se

considera desestimable el desgaste al que todas las probetas fueron sometidas duran-

te el periódico seguimiento llevado a cabo. Se ha de tener en cuenta la reiteración

de ensayos semanal/quincenalmente, no sólo de carga sino también del estado de

corrosión de las armaduras embebidas. Todas ellas, suman una multitud de manipu-

laciones en cierto modo contrapuestas a la estabilidad inicialmente deseada para

estas probetas de referencia.

Figura 122. Factores K antes y después de someter las probetas al ataque por cloruros externos. El gráfico de la izquierda se obtuvo tras 1 mes en condiciones de laboratorio; el gráfico de la derecha se obtuvo tras 30 ciclos de

inmersión-secado en NaCl 1M. Las barras de error indican la desviación estándar de K, y la curva punteada el coeficiente del ajuste lineal R². Condiciones de carga: 6000 N, velocidad 400 N/s.

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

0

50

100

150

200

250

300

350

Ref X1 X2 Ref Y1 Y2

0% NTC 0.50% NTC

R²

K (

Ω/M

Pa)

Antes del ataque - Cond. Lab.

R²

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

0

50

100

150

200

250

300

350

Ref X1 X2 Ref Y1 Y2

0% NTC 0.50% NTC

R²

K (

Ω/M

Pa)

Después del ataque (Cl-)

R²

Capítulo V

172

Proporcionando un mayor nivel de detalle, se incluye en la Figura 123 una com-

parativa de los ensayos realizados antes de iniciar el ataque por cloruros externos y

al término del mismo para las probetas 0.50% NTC. En ella es posible apreciar la co-

rrelación entre el parámetro eléctrico ΔR y el parámetro mecánico σ tanto en el

momento anterior al ataque como al término del mismo. Sin embargo la sensibilidad

piezorresistiva se ha visto bastante reducida tras el ataque. Dado que el parámetro

mecánico se mantiene constante en todo momento, la disminución se atribuye exclu-

sivamente a una disminución de ΔR. En todo caso, la respuesta de Y1 e Y2 se ha visto

muy homogénea aun después del ataque.

Figura 123. Ensayos de percepción de probetas 0.50% NTC antes (arriba) y después (abajo) del ataque por cloru-ros externos, comparando la probeta de referencia (Ref) con las dos probetas destinadas al ataque (Y1 e Y2). Las gráficas de la izquierda representan la variación de resistencia eléctrica y la tensión mecánica frente al tiempo. Las gráficas de la derecha representan la variación de resistencia eléctrica frente a la tensión mecánica. Condi-

ciones de carga: 6000 N, velocidad 400 N/s.

Como dato complementario a los factores K obtenidos se presentan en la Figura

124 los niveles de corrosión correspondientes a las dosificaciones 0% y 0.50% NTC

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0 -1600

-1400

-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0

0 30 60 90

Tensi

ón,

σ (

MPa)

ΔR (

Ω)

Tiempo (s)

Ref Y1 Y2 σ

-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

-4 -3 -2 -1 0

ΔR (

Ω)

Tensión, σ (MPa)

Ref Y1 Y2

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0 -1600

-1400

-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0

0 30 60 90

Tensi

ón,

σ (

MPa)

ΔR (

Ω)

Tiempo (s)

Ref Y1 Y2 σ

-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

-4 -3 -2 -1 0

ΔR (

Ω)

Tensión, σ (MPa)

Ref Y1 Y2

Antes del ataque (condiciones de laboratorio)

Después del ataque (cloruros externos)


173

durante el periodo de ataque. La gráfica superior representa la velocidad de corro-

sión, y la inferior el potencial de corrosión, para el dato promedio de dos probetas en

su caso bajo las mismas condiciones. Según se interpreta en esta figura, el hecho de

que algunas de las probetas que están siendo atacadas se hallen en la zona de corro-

sión activa es indicativo de que la penetración de los cloruros hasta el nivel de la

armadura resultó efectiva desde los primeros ciclos de ataque. Ello se explica muy

probablemente por las fisuras iniciales que habrían facilitado el acceso hasta el acero

del agente agresivo. Por otro lado, la periodicidad de las medidas de corrosión toma-

das al momento previo de iniciar el siguiente ciclo de inmersión-secado da lugar a

unas velocidades de corrosión bastante estables en el tiempo, aunque los potenciales

de corrosión se vieron algo más influenciados por posibles fluctuaciones en el conte-

nido en humedad de la probeta. Por último, como cabía esperar, las probetas de re-

ferencia se han mantenido en la zona de corrosión despreciable tal como sucedía en

el estudio de niveles de corrosión inicial (Camacho et al. 2014).

0% NTC-Ref 0% NTC-Cloruros

0.5% NTC-Ref 0.5% NTC-Cloruros

90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

1E-3

0.01

0.1

1

10

Icorr

(A

/cm

2)

90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

-400

-300

-200

-100

0

Ecorr

(m

V v

s EC

S)

Edad (días)

Figura 124. Evolución de la velocidad de corrosión Icorr (arriba), y del potencial de corrosión Ecorr (abajo) a lo largo del periodo de ataque por cloruros externos. Resultados obtenidos de las mismas probetas de percepción.

10.2.4. ATAQUE POR CLORUROS INTERNOS

El último estudio acometido en torno a la durabilidad de la función de percep-

ción es el correspondiente al ataque por cloruros internos, en contacto con la arma-

dura desde el vertido de la pasta en estado fresco sobre los moldes. Este estudio

cuenta con cuatro series de probetas, dos con adición del 3% de cloruros respecto

masa de cemento y dos sin cloruros. Las dosificaciones de NTC continúan siendo 0% y

0.5% NTC. La tipificación que se ha dado a estas probetas es la siguiente:

‒ Serie 1: 0% Cl-, 0% NTC probetas P1, P2 y P3.

‒ Serie 2: 0% Cl-, 0.50% NTC probetas Q1, Q2 y Q3.

‒ Serie 3: 3% Cl-, 0% NTC probetas E1, E2 y E3.

‒ Serie 4: 3% Cl-, 0.50% NTC probetas I1, I2, I3.

Capítulo V

174

Dado que el agente agresivo se encuentra en el seno de la matriz desde el prin-

cipio, los momentos interesantes para la caracterización de las probetas son básica-

mente tres: al término del periodo de curado inicial (28 días), tras el acondiciona-

miento adicional en ambiente de laboratorio por periodo de un mes (60 días) y a

edad de 150 días, considerado el fin de dicho estudio. Tal como se indicaba en el

apartado anterior, se ha utilizado el factor K definido según la Ecuación 30, como

parámetro representativo de la percepción de estas probetas.

Comenzando por la primera condición susceptible de ser caracterizada, la Figu-

ra 125 muestra los factores K que fue posible obtener para las doce probetas armadas

conservadas hasta ese momento en cámara húmeda. Se desprende de esta gráfica un

comportamiento piezorresistivo poco sensible y de escasa fiabilidad. Atribuimos esta

deficiente percepción al elevado contenido en humedad de las probetas en este mo-

mento, lo que también restaría estabilidad a las medidas por efectos de polarización.

De hecho, en algunas de las probetas la magnitud de esa polarización supera al

fenómeno piezorresistivo. En otras, directamente no se ha llegado a detectar piezo-

rresistividad alguna. En este sentido, la influencia de las diferentes dosificaciones en

NTC y en Cl- se ha visto sin efecto aparente.

Figura 125. Factores K a los 28 días de curado en cámara húmeda de probetas armadas con y sin cloruros para 0% NTC y 0.50% NTC. Las barras de error indican la desviación estándar de K, y la curva punteada el coeficiente

del ajuste lineal R². Condiciones de carga: 6000 N, velocidad 400 N/s.

En cambio, las dos gráficas siguientes, la Figura 126 y la Figura 127, que refle-

jan dos situaciones de curado con un contenido en humedad bastante inferior, de-

muestran la detección sistemática de propiedades piezorresistivas en todas las pro-

betas del estudio. Las diferencias entre ambas en cuanto al factor K, se aprecian de

manera bastante significativa, pues en su evolución los valores han aumentado consi-

derablemente, multiplicándose de media por factores de entre 3 y 8. El aumento

experimentado, promediado según dosificación, se representa gráficamente en la

Figura 128. El coeficiente R² por su parte apenas presenta variaciones apreciables,

manteniéndose de media su valor por encima de 0.95. Por lo tanto, la comparativa

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0.75

0.8

0.85

0.9

0.95

1

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

P1 P2 P3 Q1 Q2 Q3 E1 E2 E3 I1 I2 I3

0%NTC 0.5%NTC 0%NTC 0.5%NTC

Sin cloruros Con cloruros

R²

K (

Ω/M

Pa)

28 días - 100% HR

R²


175

entre situaciones, con espacio de tres meses adicionales mantenidas las probetas en

ambiente de laboratorio, no permite concluir consistentes diferencias atribuibles al

contenido dosificado del 3% en cloruros. Únicamente, a modo de hipótesis explicati-

va, cabe estimar el carácter higroscópico de la sal presente en la red de poros de los

composites como el probable responsable de que las probetas con Cl- retuvieran más

humedad contribuyendo posiblemente al menor incremento relativo de la piezorre-

sistividad de estas probetas, según lo mostrado en la Figura 128.

Figura 126. Factores K a los 60 días de edad (tras un mes en condiciones de laboratorio) de probetas armadas con y sin cloruros para 0% NTC y 0.50% NTC. Las barras de error indican la desviación estándar de K, y la curva

punteada el coeficiente del ajuste lineal R². Condiciones de carga: 6000 N, velocidad 400 N/s.

Figura 127. Factores K a los 150 días de edad (conservadas en condiciones de laboratorio) de probetas armadas con y sin cloruros para 0% NTC y 0.50% NTC. Las barras de error indican la desviación estándar de K, y la curva

punteada el coeficiente del ajuste lineal R². Condiciones de carga: 6000 N, velocidad 400 N/s.

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

P1 P2 P3 Q1 Q2 Q3 E1 E2 E3 I1 I2 I3



R²

K (

Ω/M

Pa)

60 días - Cond. laboratorio

R²

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

P1 P2 P3 Q1 Q2 Q3 E1 E2 E3 I1 I2 I3



R²

K (

Ω/M

Pa)

150 días - Fin ataque

R²

Capítulo V

176

Figura 128. Promedio de la relación entre el factor K obtenido a 150 días y el factor K a 60 días. Las barras de error indican la desviación estándar de la relación entre factores.

Como aspecto valorable, cabe notar que el hecho de armar la probeta, embe-

biendo una barra de acero en su interior no ha supuesto una alteración o distorsión

aparente de las propiedades piezorresistivas de las pastas. Ello se puede apreciar en

la Figura 129, donde se comparan dos ejemplos de probetas dosificadas al 0.5% NTC,

una con sal y otra sin sal, en las dos últimas condiciones descritas (a 60 y 150 días de

acondicionamiento en laboratorio). Tampoco se han dejado notar a través del factor

K evidencias o síntomas de los procesos de corrosión que se han desarrollado (según

se podrá constatar en la gráfica de la Figura 130). Esto, en principio, es razonable,

pues aunque mecánicamente la armadura y la matriz sí trabajan conjuntamente, la

piezorresistividad es una propiedad atribuida en nuestro caso exclusivamente a los

composites cementicios. Por lo tanto, para el intervalo temporal cubierto en este

estudio no es posible derivar proposiciones de valor concluyente. Una mayor conti-

nuidad en el tiempo podría quizás reportar la influencia de aumentos en el estado de

fisuración que habitualmente acompañan a niveles de corrosión en estadios más

avanzados.

0

2

4

6

8

10

0% NTC 0.5% NTC 0% NTC 0.5% NTC


K150 d/K

60 d

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0 -1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0

0 30 60 90

Tensi

ón,

σ (

MPa)

ΔR (

Ω)

Tiempo (s)

Q1 I1 (Cl-) σ

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

-4 -3 -2 -1 0

ΔR (

Ω)

Tensión, σ (MPa)

Q1 I1 (Cl-)

Edad 60 días (1 mes 100% HR + 1 mes laboratorio)


177

Figura 129. Ensayos de percepción de dos probetas 0.50% NTC tras un mes en condiciones de laboratorio (arriba) y tras 150 días bajo las mismas condiciones, comparando una de las probetas con Cl- (I1) con otra sin Cl- (Q1). Las gráficas de la izquierda representan la variación de resistencia eléctrica y la tensión mecánica frente al

tiempo. Las gráficas de la derecha representan la variación de resistencia eléctrica frente a la tensión mecánica. Condiciones de carga: 6000 N, velocidad 400 N/s.

Por último, se acompañan los resultados de percepción discutidos con el regis-

tro de los niveles de corrosión promediados para cada dosificación. Estos datos de

velocidad de corrosión y potencial de corrosión quedan representados en la Figura

130. Resumidamente, la tendencia obtenida se corresponde con el comportamiento

esperado, presentando las probetas atacadas velocidades de corrosión dentro de la

zona activa, y reflejando lo contrario aquellas otras sin cloruros en su dosificación.

0% NTC-Ref 0% NTC-Cl

0.5% NTC-Ref 0.5% NTC-Cl

0 30 60 90 120 150 180

1E-3

0.01

0.1

1

10

Icorr

(A

/cm

2)

0 30 60 90 120 150 180

-600

-400

-200

0

Ecorr

(m

V v

s EC

S)

Tiempo (dias)

Figura 130. Evolución de la velocidad de corrosión Icorr (arriba), y del potencial de corrosión Ecorr (abajo) a lo largo del periodo de ataque por cloruros internos. Resultados obtenidos de las mismas probetas de percepción.

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0 -5500

-4500

-3500

-2500

-1500

-500

0 30 60 90

Tensi

ón,

σ (

MPa)

ΔR (

Ω)

Tiempo (s)

Q1 I1 (Cl-) σ

-4000

-3500

-3000

-2500

-2000

-1500

-1000

-500

0

-4 -3 -2 -1 0

ΔR (

Ω)

Tensión, σ (MPa)

Q1 I1 (Cl-)

Edad 150 días (1 mes 100% HR + 4 meses laboratorio)

Capítulo V

178

10.2.5. ESTUDIO DERIVADO: INFLUENCIA DEL CONTENIDO EN HUMEDAD

A lo largo de los estudios sobre durabilidad de la percepción que preceden al

presente apartado se ha dado a la influencia del contenido en humedad un papel muy

relevante en las discusiones descriptivas, y de manera especial, en el planteamiento

de nuevas hipótesis. Con este estudio derivado se pretende seguir indagando en el

comportamiento piezorresistivo de los composites de base cementicia, y en la medi-

da de lo posible, arrojar luz sobre algunas de las cuestiones más recurrentes surgidas

en el transcurso de las investigaciones. Entre ellas, cabe destacar dos:

¿Podrían funcionar pastas de cemento Portland, sin ninguna adición conducto-

ra, como sensores de la deformación? Esta cuestión resultaba consecuente a

la luz de los FG y factores K proporcionados por las probetas patrón.

¿En qué medida interviene el grado de saturación en los fenómenos piezorre-

sistivos? Cualitativamente su influencia resulta innegable, pero nos pregunta-

mos si las diferencias atribuidas al contenido en humedad se pueden evaluar

también cuantitativamente.

En la búsqueda de respuesta a la primera pregunta se planteó ensayar una nue-

va tanda de patrones, a lo que se ha llamado Subestudio 1. Se trata de 6 probetas sin

adición de NTC, relación a/c 0.35, sin armar, fabricadas y curadas bajo la operativa

común al estudio en el que se enmarcan, ya detallada en el punto 10.1.1 (pág. 161).

El programa de ensayos establece la caracterización de las probetas según las cuatro

fases de curado y acondicionamiento indicadas en el diagrama de la Figura 131. Las

condiciones de laboratorio se hallan aproximadamente en torno a los valores de

50±10% HR y 20°C de temperatura.

Figura 131. Diagrama de las fases de curado y acondicionamiento para el Subestudio 1 (patrones).

En relación al segundo interrogante, el programa experimental propuesto cons-

ta de otras 6 probetas sin armadura, tres patrones (0% NTC, a/c=0.35) y tres adicio-

nadas (0.50% NTC, a/c=0.5). Ello constituye el Subestudio 2. Todos los materiales,

equipos y procedimientos seguidos en la fabricación de estas dos nuevas series se

atienen, igualmente, a lo descrito en el punto 10.1.1 (pág. 161). El programa expe-

rimental fija las condiciones para el ensayo de estas probetas de acuerdo con el dia-

grama de la Figura 132:

Figura 132. Diagrama de las fases de curado y acondicionamiento para el Subestudio 2 (control de humedad).

1) 28 d 100% HR

2) 7 d laboratorio

3) 3 d estufa 500C

4) 3 meses laboratorio

1) 7, 14 y 28 d 100% HR

2) 2 semanas laboratorio

3) 2 semanas estufa 500C

4) 3 d cámara de vacío, 500C


179

Dado que lo que se pretende con este estudio es ahondar, específicamente, en

la componente eléctrica del comportamiento piezorresistivo, se adopta como pará-

metro de caracterización el factor K, definido según la Ecuación 30. De esta manera,

obviamos las diferencias mecánicas (de módulo de elasticidad, y por tanto, de de-

formaciones), evaluando en términos de percepción, cuánto varía la resistencia eléc-

trica para una tensión dada. Durante el programa de ensayos se realizó el seguimien-

to para los tres niveles de carga definidos en 10.1.2. No obstante, para la discusión

de resultados se ha resuelto tomar como parámetros de referencia la carga máxima

de 6000 N (3.75 MPa) y velocidad de carga-descarga 400 N/s. La intensidad de co-

rriente se fijó en 0.1 mA, aunque en el segundo subestudio a partir de la etapa 3) fue

necesario, por restricción de la fuente de alimentación, disminuir el valor de intensi-

dad hasta 0.005 mA; esto sucede cuando las probetas están muy secas (aumentando

significativamente su resistencia eléctrica).

Resultados de subestudio 1 (patrones)

Las 6 probetas de este subestudio se dividieron en dos series de tres probetas,

de manera que todas las probetas siguieron estrictamente las mismas condiciones en

todas sus etapas, excepto en la tercera condición, donde la primera serie se introdu-

jo efectivamente en estufa a 500C, pero la segunda se mantuvo fuera en condiciones

de laboratorio como referente a efectos comparativos.

Tomando como probeta representativa la primera de la serie —identificadas in-

dividualmente como SI y SII—, se grafican en la Figura 133 los ensayos de percepción

realizados en las etapas 1 y 2. Puede observarse para la primera condición (100% HR)

la muy débil, o prácticamente nula, respuesta eléctrica de las probetas patrón. Tras

su acondicionamiento en laboratorio durante una semana, dejando evaporar libre-

mente parte de su contenido en humedad, el comportamiento piezorresistivo parece

activarse, aunque de manera bastante inestable por efecto de polarización. En am-

bas condiciones se detectó, reiteradamente, el citado fenómeno de polarización por

el que la resistencia eléctrica medida sobre las probetas experimenta una variación

más o menos constante sin presentar relación aparente alguna con las acciones

mecánicas a las que está siendo sometida. Por ejemplo, en la etapa 2, la polarización

puede estimarse en unos 20 Ω por ciclo (30 s), mientras que la variación de resisten-

cia máxima del ciclo se halla en los 30 Ω aproximadamente. Cuando estos valores son

tan próximos entre sí, la calidad de la respuesta piezorresistiva se considera muy

pobre, y no es posible la percepción de la deformación con parámetros estadísticos

aceptables (el coeficiente R² se aleja mucho de la unidad, y la desviación estándar se

dispara).

Capítulo V

180

Figura 133. Ensayos de percepción en etapas 1 y 2 (condiciones pre-estufa) de dos probetas representativas de cada serie. Las gráficas de la izquierda representan la variación de resistencia eléctrica y la tensión mecánica

frente al tiempo. Las gráficas de la derecha representan la variación de resistencia eléctrica frente a la tensión mecánica. Condiciones de carga: 6000 N, velocidad 400 N/s.

El resultado interesante se ha obtenido tras la etapa 3, cuyos ensayos se

muestran en la Figura 134. Las tres probetas de la serie I, secadas en estufa a 500C

durante 3 días, experimentaron dos mejoras sustanciales en cuanto a su función pie-

zorresistiva: por un lado, la polarización se redujo considerablemente (en la figura se

ve de unos 10 Ω, prácticamente la mitad), y por otro, la variación piezorresistiva ΔR

aumentó también significativamente (alcanzando un máximo por ciclo de 135 Ω

aprox.). En este caso sí sería posible obtener para las probetas de la serie I un factor

de galga aceptablemente caracterizado. No ocurre lo mismo, sin embargo, para

aquellas probetas que no se introdujeron en estufa, el nivel de polarización en rela-

ción a su respuesta piezorresistiva es demasiado alto y por tanto no se puede consi-

derar una señal estable. Los resultados hallados tras tres meses adicionales en condi-

ciones de laboratorio (etapa 4) reproducen cualitativamente los obtenidos para la

etapa 3. A nivel cuantitativo la percepción de la serie I se ha magnificado, casi dupli-

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0 -55

-45

-35

-25

-15

-5

0 30 60 90

Tensi

ón,

σ (

MPa)

ΔR (

Ω)

Tiempo (s)

SI SII σ

-40

-30

-20

-10

0

-4 -3 -2 -1 0

ΔR (

Ω)

Tensión, σ (MPa)

SI SII

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0 -180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 30 60 90

Tensi

ón,

σ (

MPa)

ΔR (

Ω)

Tiempo (s)

SI SII σ

-120

-110

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

-4 -3 -2 -1 0

ΔR (

Ω)

Tensión, σ (MPa)

SI SII

[Etapa 1] 28 días – 100% HR

[Etapa 2] 7 días - laboratorio


181

cando su ΔR respecto a la etapa 3; también aumenta ligeramente su polarización. La

serie II por su parte, sigue presentando una respuesta muy inestable.

Figura 134. Ensayos de percepción en etapas 3 y 4 (condiciones post-estufa) de dos probetas representativas de cada serie. Las gráficas de la izquierda representan la variación de resistencia eléctrica y la tensión mecánica

frente al tiempo. Las gráficas de la derecha representan la variación de resistencia eléctrica frente a la tensión mecánica. Condiciones de carga: 6000 N, velocidad 400 N/s.

En la Figura 135 puede observarse cómo varía la resistencia eléctrica para cada

una de las etapas. Según esta gráfica, la resistencia mínima de las probetas patrón es

aquella que presentan cuando su contenido en humedad es máximo (saturadas), y

según se van secando, ya sea libremente o en estufa, su resistencia tiende a aumen-

tar. El aumento de resistencia registrado de la etapa 3 a la 4 parece más significativo

que lo explicable solamente por pérdidas de humedad. Una explicación más plausible

puede ser una mayor velocidad de corrosión de los contactos eléctricos, pintura de

plata y cable de cobre, favorecida su cinética por la temperatura de la estufa. En la

misma gráfica también puede encontrarse cierta correlación con el fenómeno de po-

larización (obtenida a partir de la pendiente media de la resistencia), a mayor resis-

tencia se registra mayor polarización; y lo más destacable, las probetas que han es-

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0 -280

-240

-200

-160

-120

-80

-40

0

0 30 60 90 Tensi

ón,

σ (

MPa)

ΔR (

Ω)

Tiempo (s)

SI SII σ

-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

-4 -3 -2 -1 0

ΔR (

Ω)

Tensión, σ (MPa)

SI SII

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0 -500

-450

-400

-350

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

0 30 60 90

Tensi

ón,

σ (

MPa)

ΔR (

Ω)

Tiempo (s)

SI SII σ

-350

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

-4 -3 -2 -1 0

ΔR (

Ω)

Tensión, σ (MPa)

SI SII

[Etapa 3] 3 días – SI en estufa 500C|SII permaneciendo en laboratorio

[Etapa 4] 3 meses - laboratorio

Capítulo V

182

tado en estufa tienden a presentar una menor polarización que sus homólogas con-

servadas en condiciones de laboratorio.

Figura 135. Resistencia eléctrica promedio (en línea continua) de las series I y II para las cuatro condiciones de estudio. Las barras de error indican la desviación estándar. En el eje secundario (curvas discontinuas) se repre-senta la variación de R atribuida a polarización para las mismas series. Las medidas se han tomado con I=0.1 mA.

Resultados de subestudio 2 (control de humedad)

Con este subestudio se ha pretendido efectuar el control más exhaustivo posi-

ble sobre el contenido en humedad de las probetas. En todo caso, la limitación a una

mayor precisión viene impuesta por la propia realización del ensayo, en el que las

probetas siempre se miden en condiciones de laboratorio. Por ello se ha intentado

que las probetas estuvieran fuera de su estado de conservación el mínimo tiempo

indispensable para su correspondiente tanda de ensayos. Las dos series del estudio,

identificadas como s1 (0% NTC) y s2 (0.50% NTC), han seguido estrictamente las mis-

mas etapas de curado y acondicionamiento en todas sus probetas. Éstas se identifican

como sigue: 1a, 1b, 1c para la dosificación 0% NTC, y 2a, 2b, 2c para la dosificación

0.50% NTC.

La Figura 136 muestra el comportamiento tipo presentado por las dos series

cuando se hallan conservadas al 100% HR, es decir, durante el curado de las mismas.

En esta etapa las probetas se encuentran con un grado de saturación muy elevado, y

con el tiempo experimentan un ligero aumento de masa según se verá más adelante

(Tabla 24). Según se aprecia, este estado de saturación casi total inhibe los meca-

nismos piezorresistivos de las dos dosificaciones. En su lugar, únicamente es posible

detectar fenómenos de polarización, los cuales se han visto más acusados en el caso

de la serie s1.

-3

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

28d-100%HR 7d-Lab 3d-(SI estufa|SII lab) 3m-Lab

Pola

rizació

n (

Ω/s

)

Resi

stencia

elé

ctr

ica,

R₀

(Ω)

R(I) R(II)

Pol.(I) Pol.(II)


183

Figura 136. Ensayos de percepción a 7, 14 y 28 días en la etapa 1 (100% HR) de probetas 1a (0% NTC) y 2a (0.50% NTC). Las gráficas de la izquierda representan la variación de resistencia eléctrica y la tensión mecánica frente al tiempo. Las gráficas de la derecha representan la variación de resistencia eléctrica frente a la tensión

mecánica. Condiciones de carga: 6000 N, velocidad 400 N/s.

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0 -45

-35

-25

-15

-5

5

0 30 60 90

Tensi

ón,

σ (

MPa)

ΔR (

Ω)

Tiempo (s)

7 d - 100% HR

1a 2a σ

-40

-30

-20

-10

0

-4 -3 -2 -1 0

ΔR (

Ω)

Tensión, σ (MPa)

7 d - 100% HR

1a 2a

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0 -25

-20

-15

-10

-5

0

0 30 60 90

Tensi

ón,

σ (

MPa)

ΔR (

Ω)

Tiempo (s)

14 d - 100% HR

1a 2a σ

-20

-15

-10

-5

0

-4 -3 -2 -1 0

ΔR (

Ω)

Tensión, σ (MPa)

14 d - 100% HR

1a 2a

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0 -15

-10

-5

0

5

10

0 30 60 90

Tensi

ón,

σ (

MPa)

ΔR (

Ω)

Tiempo (s)

28 d - 100% HR

1a 2a σ

-5

0

5

10

-4 -3 -2 -1 0

ΔR (

Ω)

Tensión, σ (MPa)

28 d - 100% HR

1a 2a

Capítulo V

184

Sin embargo, el libre secado de las probetas durante dos semanas de acondi-

cionamiento en laboratorio, permitió activar la percepción de la deformación en la

forma representada en la Figura 137. En esta segunda etapa las probetas perdieron

un 1.4 y 3.9 % de humedad para las dosificaciones 0 y 0.50 % NTC respectivamente,

mientras que la resistencia de ambas prácticamente se duplicó (incrementos del 94 y

93 % respectivamente, véase la Tabla 24). Este comportamiento piezorresistivo se

puede caracterizar por medio del factor k y sus parámetros estadísticos según la Fi-

gura 138.

Figura 137. Ensayos de percepción en la etapa 2, tras 2 semanas en condiciones de laboratorio, de dos probetas representativas de cada serie. Condiciones de carga: 6000 N, velocidad 400 N/s.

Figura 138. Factores K al término de la etapa 2 (tras dos semanas en condiciones de laboratorio) de probetas 0% NTC y 0.50% NTC. Las barras de error indican la desviación estándar de K, y la curva punteada el coeficiente del

ajuste lineal R². Condiciones de carga: 6000 N, velocidad 400 N/s.

Si bien tras el acondicionamiento de la etapa 2 las seis probetas han demostra-

do un nivel de piezorresistividad comparable, situadas todas ellas en un mismo orden

de magnitud, será en la siguiente etapa cuando se detecta un comportamiento to-

talmente diferente. Lo descrito se observa en la Figura 139, donde, de manera ines-

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0 -80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

0 30 60 90

Tensi

ón,

σ (

MPa)

ΔR (

Ω)

Tiempo (s)

2 semanas - laboratorio

1a 2a σ

-50

-40

-30

-20

-10

0

-4 -3 -2 -1 0

ΔR (

Ω)

Tensión, σ (MPa)


1a 2a

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

1a 1b 1c 2a 2b 2c

0% NTC 0.50% NTC

R²

K(Ω

/MP

a)


R²


185

perada, tras el periodo de dos semanas de secado en estufa a 500C, la probeta patrón

presenta lo que parece ser un fenómeno piezorresistivo invertido. Este inesperado

comportamiento se obtuvo consistentemente en las tres probetas de la serie, y en

repeticiones de comprobación realizadas al día siguiente. No fue posible encontrar

una explicación a este fenómeno aparentemente incoherente.

Según la Figura 143 (más adelante), es al término del periodo en estufa cuando

se produce la mayor disminución de masa por pérdida de humedad, así como el in-

cremento más pronunciado de resistencia, aumentando en varios órdenes de magni-

tud. Esta circunstancia obligó a bajar la intensidad de corriente aplicada a 0.01 mA

para que la fuente de alimentación permitiera controlar el paso de corriente.

En la Figura 140 se ha desestimado la representación de factores k negativos,

incluyendo por ello, solamente, los resultados obtenidos para la serie 0.50% NTC. Si

se comparan los valores obtenidos en esta etapa con los propios de la anterior etapa,

se encuentra un incremento muy significativo en la sensibilidad del composite, pa-

sando del orden de los 10 Ω/MPa al orden de los 5000 Ω/MPa. Igualmente los paráme-

tros de ajuste R² y DE se siguen manteniendo en valores aceptables.

Figura 139. Ensayos de percepción al término de la etapa 3, tras 2 semanas en estufa a 500C, de dos probetas representativas de cada serie. Condiciones de carga: 6000 N, velocidad 400 N/s.

Figura 140. Factores K al término de la etapa 3 (tras dos semanas en estufa a 500C) de probetas 0.50% NTC. Las barras de error indican la desviación estándar de K, y la curva punteada el coeficiente del ajuste lineal R². In-

tensidad de corriente aplicada 0.01 mA. Condiciones de carga: 6000 N, velocidad 400 N/s.

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0 -70000

-50000

-30000

-10000

10000

30000

0 30 60 90

Tensi

ón,

σ (

MPa)

ΔR (

Ω)

Tiempo (s)

2 semanas - estufa 50°C

1a 2a σ

-30000

-10000

10000

30000

50000

-4 -3 -2 -1 0

ΔR (

Ω)

Tensión, σ (MPa)


1a 2a

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

2a 2b 2c

0.50% NTC

R²

K(Ω

/MP

a)


R²

Capítulo V

186

Con la última etapa de secado prácticamente total se quería comprobar si los

composites seguirían manteniendo su propiedad piezorresistiva en ausencia práctica

de humedad. Los resultados presentados en la Figura 141, interpretados conjunta-

mente con la Figura 142, indican que la señal eléctrica en ese estado se vuelve por

momentos inestable, lo que empeora consecuentemente los parámetros del ajuste.

Aunque el factor K no experimentó variaciones tan abruptas como en la etapa prece-

dente, la fiabilidad de la medida evaluada a través de R² y DE se ha visto bastante

mermada.

Figura 141. Ensayos de percepción en la etapa 4, tras 3 días a vacío a 500C, de dos probetas representativas de cada serie. Condiciones de carga: 6000 N, velocidad 400 N/s.

Figura 142. Factores K al término de la etapa 4 (tras 3 días a vacío y 500C de temperatura) de probetas 0.50% NTC. Las barras de error indican la desviación estándar de K, y la curva punteada el coeficiente del ajuste lineal

R². Intensidad de corriente aplicada 0.005 mA. Condiciones de carga: 6000 N, velocidad 400 N/s.

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0 -90000

-70000

-50000

-30000

-10000

10000

30000

50000

70000

90000

0 30 60 90

Tensi

ón,

σ (

MPa)

ΔR (

Ω)

Tiempo (s)

3 d - vacío 50°C

1a 2a σ

-40000

-20000

0

20000

40000

60000

80000

100000

-4 -3 -2 -1 0

ΔR (

Ω)

Tensión, σ (MPa)

3 d - vacío 50°C

1a 2a

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

2a 2b 2c

0.50% NTC

R²

K(Ω

/MP

a)

3 días- vacío 50°C

R²


187

Por último, como variables directamente relacionadas y que informan comple-

mentariamente de la evolución seguida por las dos series, se han recopilado en la

Figura 143 y la Tabla 24 los registros efectuados sobre la resistencia eléctrica inicial

de las probetas, el seguimiento de sus masas el término de cada etapa, y por último,

la variación de resistencia atribuida al efecto de polarización (obtenida a partir de la

pendiente media de la resistencia). Como ya se ha comentado, las variaciones más

bruscas se producen tras el secado en estufa por dos semanas. Por otro lado, se ha

visto que es el acondicionamiento en laboratorio la etapa que ofrece la mayor estabi-

lidad de la señal eléctrica, pues es aquella que minimiza los fenómenos de polariza-

ción en términos absolutos.

Figura 143. Resistencia eléctrica promedio (en línea continua) de las series s1 y s2 para las cuatro condiciones de estudio. Las barras de error indican su desviación estándar. En el eje secundario (curvas discontinuas) se representa la masa promedio de cada serie. Las medidas se han tomado con I=0.1 mA, excepto la penúltima

(0.01 mA) y la última (0.005 mA).

Tabla 24. Resultados promedio de resistencia eléctrica (R₀), masa y efecto de polarización para las dos dosifica-ciones estudiadas, 0% y 0.50% NTC, según la condición de acondicionamiento. El incremento de masa está refe-

rido al primer valor obtenido, la pesada a 7 días.

0% NTC 0.50% NTC

R₀ (kΩ) m (g) Δm (%) Pol. (Ω/s) R₀ (kΩ) m (g) Δm (%) Pol. (Ω/s)

7d-100%HR 0.656 532.3

-0.139 0.591 465.7

0.011

14d-100%HR 0.847 538.1 1.1

-0.051 0.686 471.4 1.2 0.051

28d-100%HR 1.021 541.6 1.7

0.046 0.793 477.3 2.5 0.024

14d-lab 1.984 534.0 0.3 -0.008 1.529 458.7 -1.5 0.017

14d-50°C 351.746 482.1 -9.4 -35.756 2540.025 395.7 -15.0 266.437

3d-vacío 50°C 1040.383 478.5 -10.1 263.655 4353.388 392.1 -15.8 -62.447

350

400

450

500

550

600

100

1000

10000

100000

1000000

10000000

7d 14d 28d 14d 14d 3d

100%HR lab. 50°C vacío 50°C

masa

(g)

Resi

stencia

elé

ctr

ica,

R₀

(Ω)

R(0% NTC) R(0.50% NTC)

m(0% NTC) m(0.50% NTC)

Capítulo V

188


Con el desarrollo de los trabajos que componen este segundo estudio se ha que-

rido poner a prueba la durabilidad de la función de percepción frente a los medios

agresivos más habituales (carbonatación y cloruros), así como contrastar la influencia

del contenido en humedad. Los composites de referencia han sido pastas dosificadas

al 0% y 0.50% NTC. En virtud de esta investigación, extraemos las siguientes conclu-

siones:

Las probetas adicionadas al 0.50% NTC son capaces de mantener su capacidad

piezorresistiva tras el carbonatado de la matriz cementicia, incluso aumen-

tando ligeramente su factor de galga (cambio atribuido a una variación de la

respuesta mecánica más que eléctrica). Por el contrario, la piezorresistividad

de las probetas patrón se ve seriamente mermada.

Ante un ataque por cloruros externos todas las probetas (armadas) continúan

percibiendo su estado de carga, si bien su sensibilidad se ha visto bastante re-

ducida, especialmente en la dosificación patrón, cercana ya a su agotamien-

to.

En cuanto al ataque interno por cloruros, la evolución registrada por las pro-

betas para el periodo de estudio no permite concluir consistentes diferencias

atribuidas al contenido en masa del 3% de cloruros. En ese tiempo no se de-

tectaron a través del parámetro k (análogo a FG) evidencias del desarrollo de

la pila de corrosión, revelado por el reporte de las correspondientes velocida-

des de corrosión de las armaduras.

Los ensayos realizados exclusivamente con patrones sólo proporcionan una

sensibilidad caracterizable cuando las probetas son sometidas a un acondicio-

namiento de 3 días en estufa a 50°C. De otro modo, los efectos de polariza-

ción tienden a predominar sobre la percepción de la deformación.

Ante el más estricto control de humedad realizado, se ha visto que las probe-

tas bajo su más elevado grado de saturación (prácticamente total) ven inhibi-

do su mecanismo piezorresistivo, independientemente de la adición en NTC.

La pérdida libre de parte de su contenido en humedad bajo condiciones de la-

boratorio permite activar la percepción de la deformación. Si se continúa se-

cando a mayor temperatura, las probetas con 0.50% NTC alcanzarán su factor

k máximo para un determinado contenido en humedad, superado el cual la

piezorresistividad del composite se ve sometida a distorsiones si se sigue ex-

trayendo humedad de su interior.


189

11. E-3: MONITORIZACIÓN DE UN PILAR DE HA

El desarrollo efectivo de la función de percepción dentro del extenso campo de

la ingeniería civil, rápidamente conduciría a la monitorización de elementos estruc-

turales de hormigón armado, entre otras aplicaciones. Las propiedades piezorresisti-

vas demostradas por los composites adicionados con nanotubos de carbono, unidas a

su versatilidad de implementación técnica permiten un variado espectro de solucio-

nes para llevar a cabo el seguimiento del elemento en estudio. Entre ellas, destaca-

mos las tres que se analizarán en este estudio: en forma de sensores prefabricados

embebidos, quedando el material totalmente integrado en el interior de la estructu-

ra, en forma de sensores prefabricados externamente fijados al elemento (mediante

un agente de unión), o bien, una tercera opción es la aplicación externa, in situ, del

propio composite en estado fresco sobre la superficie del hormigón que se pretende

monitorizar. Ésta última admite variantes en cuanto al modo de aplicación, según el

cual podrá efectuarse por extendido o por proyectado.

En esta línea de trabajo se han reportado algunos estudios realizados con fibras

y nanofibras de carbono (Baeza et al. 2013) y también con fibras de acero (Sun et al.

2014). Sin embargo, son muy pocas las investigaciones que han efectuado ensayos

sobre elementos estructurales a escala real incluyendo los NTC como filler funcional

de los sensores piezorresistivos (Saafi 2009). Por ello, lo que se pretende con este

tercer estudio es proporcionar un conocimiento práctico sobre esta potencial aplica-

ción de los composites con NTC en su función de percepción de la deformación.

11.1. Procedimiento experimental El programa experimental de este estudio consta de dos pilares de hormigón

armado, ejecutados y ensayados en diferentes escenarios temporales a lo largo del

periodo vigente de esta investigación. Se ha dado en llamar Pilar 1 al primer elemen-

to construido y ensayado, y Pilar 2 al segundo. Para cada uno de ellos se fabricó su

propia serie de sensores con distintas geometrías y características. A continuación se

detallan los pasos seguidos en la preparación de los especímenes a ensayar.

11.1.1. FABRICACIÓN DE SENSORES EMBEBIBLES (PREFABRICADOS)

Dentro de cada pilar deberán ir embebidos dos sensores, situados en el centro

de la sección a diferentes alturas. Dado que esa posición se asegura antes de hormi-

gonar el pilar, sus respectivos sensores habrán de haber sido fabricados y testados

previamente. Es por ello que pueden llamarse sensores prefabricados.

Los sensores diseñados para ser embebidos dentro de los pilares de hormigón

armado comparten la geometría de probetas estudiada en los dos estudios preceden-

tes. Se trata de probetas prismáticas normalizadas de 4x4x16 cm³, con pastas basa-

das en cemento Portland, según la normativa española UNE-EN 196-3:2005. Los mate-

riales empleados en su preparación fueron los siguientes:

Capítulo V

190




Nanotubos de carbono, del tipo BAYTUBES C70P para el Pilar 1, y del tipo

NANOCYLTM NC7000 para el Pilar 2. Ambos NTC se clasifican como MWCNT, y

ya han sido empleados en los estudios de percepción de la deformación E-1 y

E-2. Sus características pueden consultarse en la Tabla 4 (pág. 70) y en la Ta-

bla 10 (pág. 107) respectivamente.

Agua destilada.

La relación a/c es de 0.5, y la dosificación de NTC adoptada es del 0.50% NTC

respecto masa de cemento. La dispersión de los NTC se efectuó en el agua de amasa-

do, aplicando 5 min de ultrasonidos. Las pastas se mezclaron en amasadora automá-

tica y se vertieron en el molde aplicando compactación mecánica en dos capas.

Para obtener los dos sensores requeridos para cada pilar, bastó con dos amasa-

das estandarizadas de 3 probetas. Recién enrasada la pasta fresca en los moldes, se

introdujeron en cámara húmeda hasta el día siguiente, cuando se extrajeron para su

desmoldado y correcto etiquetado. Posteriormente se introdujeron en cámara húme-

da para su curado durante 28 días. Terminado ese periodo, se extrajeron de la cáma-

ra para su instrumentado (según idéntica instrumentación a la indicada en la Figura

89) y su primer testeo. A continuación se dejaron acondicionar en ambiente de labo-

ratorio, durante al menos un mes, realizando ensayos periódicos hasta el momento

de su emplazamiento en el encofrado del pilar.

Previo al momento de ser embebidas se realizó una prolongación de los contac-

tos eléctricos mediante el empalme con soldadura de cuatro cables de cobre de

aproximadamente un metro, protegiendo la unión con funda termorretráctil. Tam-

bién se tomó la precaución de proteger los electrodos perimetrales de cobre y pintu-

ra de plata mediante su sellado con silicona. Finalmente, para permitir su preciso

posicionamiento y asegurar su verticalidad se ideó un sistema auxiliar compuesto de

dos varillas de PVC rígidas que permiten su moldeado al aplicarles calor. Estas vari-

llas se pegaron a la probeta en dos de sus caras opuestas con masilla epoxi, atando

sus extremos libres a los cercos de la ferralla. La Figura 144 muestra su detalle.

Figura 144. Detalle frontal y lateral del sistema de fijación de los sensores embebibles a la ferralla del pilar.


191

11.1.2. FABRICACIÓN DE LOS PILARES

Los dos pilares conformados son iguales en cuanto a su geometría y sus demás

características constituyentes (mismo armado y mismo hormigón). Únicamente varían

los sensores que en cada uno monitorizan su deformación.

El diseño del pilar prototipo se realizó garantizando la homogenidad de estados

tensionales en todo el intervalo de secciones —rebanadas— que estarán en contacto

directo con el sensor y de cuya interacción se espera un trabajo mecánico plenamen-

te solidario. Las dimensiones obtenidas resultan en una sección cuadrada de 24 cm

de lado y una longitud de 104 cm. La posición exacta de los sensores queda especifi-

cada en la Figura 145. (izda.).

Figura 145. Izda.) Modelo del pilar armado (dimensiones en cm). Dcha.) Fotografía de la ferralla con los sensores embebibles ya fijados y el encofrado preparado para el hormigonado.

Tal como se indica en la misma figura anterior, la armadura longitudinal consta

de 4 redondos de Ø12 dispuestos en las cuatro esquinas y cercos de Ø8 dispuestos

cada 18 cm. Se utilizaron separadores tipo rueda de 2 cm para asegurar el espesor de

recubrimiento de las armaduras. El conjunto así conformado (ferralla con sensores)

fue posicionado en el interior del molde listo para su hormigonado.

La dosificación del hormigón se obtuvo en base a un trabajo de Alberti,

Enfedaque y Gálvez (2014), realizando las modificaciones oportunas al objeto de lo-

grar un hormigón autocompactante. Dicha dosificación queda definida en la Tabla 25.

El amasado de los componentes se efectuó en hormigonera convencional de motor

eléctrico, y la mezcla resultante se vertió en el encofrado. Para prevenir su rotura,

se trató de evitar la caída directa del hormigón sobre el cableado de los sensores,

que se hicieron pasar al exterior a través de sendos taladros practicados en el molde.

Puede verse un detalle de esta disposición en la Figura 146.

Capítulo V

192

Tabla 25. Dosificación del hormigón autocompactante empleado para los pilares 1 y 2.

Material Kg/m3

Cemento UNE-EN 197-1 CEM II/B-M 42,5 R* 375

Filler calizo 150

Agua de grifo 187.5

(a/c) (0.50)

Arena 918

Gravín 367

Grava 245

Superplastificante Sika Viscocrete-20 HE 5.625

(% respecto masa de cemento) (1.50 %)

* Pilar 1: CEM II/B-M (S-L) 42,5 R Pilar 2: CEM II/B-M (V-L) 42,5 R

Figura 146. Vista superior del encofrado con los sensores instalados, listo para su hormigonado.

Adicionalmente, para cada pilar, de su misma amasada se obtuvieron 5 probe-

tas cilíndricas de Ø15 cm x 30 cm de altura para la caracterización mecánica del

hormigón en masa. Los elementos se desmoldaron al día siguiente y se dejaron curar

en cámara húmeda por un periodo de al menos 28 días.

Superado el tiempo de curado, los pilares se extrajeron de cámara húmeda, de-

jando acondicionar en ambiente de laboratorio por espacio de un día para el secado

de sus superficies, que han de ser tratadas en la zona que recibirá los distintos senso-

res. Dicho tratamiento consiste en el raspado con cepillo de cerdas metálicas para

asegurar la adecuada adherencia de la unión sensor-hormigón. La superficie resultan-

te, más rugosa, es limpiada de polvo con aire comprimido. Por último, si instalaron

galgas extensométricas de 50 mm (HBM) en el centro geométrico de cada una de las

caras del pilar —cuatro galgas por pilar— utilizando resina bicomponente de la misma

casa.


193

11.1.3. FABRICACIÓN DE SENSORES EXTERNOS (IN SITU|PREFABRICADOS)

Sensores del Pilar 1 (In situ)

El instrumentado del Pilar 1 consta de tres sensores por cada cara del pilar. Es-

ta instrumentación se acometió en cuatro jornadas diferentes (una cara por día),

asegurando al detalle la correcta manipulación y acabado de todos los dispositivos.

En las caras paralelas 1 y 3, los sensores se aplicaron por extendido —también

llamado enlucido—, y en las caras paralelas 2 y 4, los sensores fueron proyectados

con pistola de proyección. En ambos casos se emplearon moldes de PVC, fijados al

pilar mediante sargentas, para delimitar las dimensiones propias de cada sensor. La

geometría específica de los dispositivos, así como el resto de características se resu-

men en la Tabla 26.

Tabla 26. Características de sensores (dosificación 0.50% NTC constante) implementados en el Pilar 1.

Pilar (cara)

a/c Id. Dimensiones

(cm³) Forma de

implementación Contactos eléctricos

Distancia entre contactos (cm)

Interior Exterior

1(int.) 0.5 P13 4×4×16 embebido cable Cu + Ag 8 12


1(1) 0.5 1G 18×10×1 extendido con p.u.1* FC enrollada 5 7.5

1(1) 0.5 1PI 3.3×10×1 extendido FC enrollada 5 7.5

1(1) 0.5 1PD 3.3×10×1 extendido FC embebida 5 7.5

1(2) 0.45 2G 18×10×1 proyectado a.i. enrollado** 5 7.5

1(2) 0.45 2PI 3.3×10×1 proyectado a.i. enrollado 5 7.5

1(2) 0.45 2PD 3.3×10×1 proyectado a.i. embebido 5 7.5

1(3) 0.5 3G 18×10×1 extendido a.i. enrollado 5 7.5

1(3) 0.5 3PI 3.3×10×1 extendido a.i. enrollado 5 7.5

1(3) 0.5 3PD 3.3×10×1 extendido a.i. embebido 5 7.5

1(4) 0.45 4G 18×10×1 proyectado con p.u.1 FC enrollada 5 7.5

1(4) 0.45 4PI 3.3×10×1 proyectado FC enrollada 5 7.5

1(4) 0.45 4PD 3.3×10×1 proyectado FC embebida 5 7.5

*p.u.1: puente de union 1 (Sikadur 32N Fix).

**a.i.: acero inoxidable

Los contactos eléctricos se realizaron mediante dos configuraciones distintas:

enrollados y embebidos, empleando a su vez dos materiales conductores diferentes:

fibra de carbono continua (FC, del tipo Hextow AS4, de Hexcel Corp) y cables de ace-

ro inoxidable. Se adoptaron estos elementos de conexión para prevenir su corrosión

al aplicar la pasta fresca in situ. Puede verse un momento del proceso de instalación

en la Figura 147.

Las pastas, dosificadas todas ellas al 0.50% NTC y con la relación a/c indicada

en la Tabla 26, se prepararon en cuatro amasadas (una por cada cara a monitorizar)

utilizando los mismos componentes y procedimientos de los sensores embebidos ya

descritos. Es decir, para el Pilar 1 se utilizaron NTC del tipo BAYTUBES C70P, y el

mismo tipo de cemento (UNE-EN 197-1 CEM I 52.5 R). La dispersión con el tratamien-

to simplificado de 5 min de ultrasonidos y el mezclado en amasadora automática.

Capítulo V

194

Figura 147. Instalación de los contactos eléctricos del Pilar 1. La instantánea captura el trabajo sobre la cara 1, instrumentada mediante fibra de carbono continua.

La aplicación de la pasta en forma extendida se realizó utilizando espátula y

llana y el proyectado mediante pistola de proyección (equipo que condicionó la rela-

ción a/c, reduciéndola a 0.45, para un mejor acabado). En dos de los sensores, espe-

cificados en la Tabla 26, se aplicó previamente sobre el hormigón una fina capa de

Sikadur 32N Fix como puente de unión.

Figura 148. Disposición de los sensores externos en el Pilar 1 (fabricados in situ). Cotas expresadas en cm.


195

Tras el minucioso desmoldado al día siguiente (para evitar la rotura de los con-

tactos eléctricos o el daño a la matriz cementicia) se aseguró un correcto curado

cubriendo con paños humedecidos todos los sensores y previniendo su secado me-

diante un plástico protector que a su vez cubría todo el pilar. Para mantener una

buena estanqueidad del sistema se utilizaron gomas elásticas que limitaban las

pérdidas de humedad. Así, las condiciones de curado se preservaron durante los pri-

meros 28 días de edad de los sensores ejecutados in situ. La ubicación precisa de

cada uno de los sensores queda definida en la Figura 149.

Sensores del Pilar 2 (Prefabricados)

En cuanto a los sensores del Pilar 2, el modus operandi resultó más sencillo, fa-

bricando todas las pastas en una misma amasada (igualmente dosificadas al 0.50%

NTC). El proceso de fabricación es muy similar al de los sensores embebibles, tam-

bién prefabricados. La principal diferencia radica en el molde utilizado, que en este

caso es de dimensiones 10x40x1cm³, efectuando su compactación de manera manual

mediante golpes en la mesa. Se desmoldaron al día siguiente, día en que se procedió

también al corte con cortadora eléctrica obteniendo los sensores de las dimensiones

detalladas en la Tabla 27.

Tabla 27. Características de sensores (dosificación 0.50% NTC constante) implementados en el Pilar 2.

Pilar (cara)

a/c Id. Dimensiones

(cm³) Forma de

implementación Contactos eléctricos

Distancia entre contactos (cm)

Interior Exterior



2(1) 0.5 1I 3×10×1 pegado con p.u.2*** cable Cu + Ag 5 7.5

2(1) 0.5 1D 2×10×1 pegado con p.u.2 cable Cu + Ag 5 7.5

2(2) 0.5 2I 3×10×1 pegado con p.u.2 cable Cu + Ag 5 7.5






***p.u.2: Puente de union 2 (Nural 27).

Se dejaron curar en cámara húmeda durante 28 días. Al término de este perio-

do se extrajeron para su acondicionamiento a condiciones de laboratorio por un mes.

Seguidamente se procedió a su instrumentado mediante pintura de plata y cables de

cobre. Se instaló también una galga extensométrica de 20 mm (HBM) en algunos de

los sensores. El resultado son los sensores ya terminados de la Figura 149.

Capítulo V

196

Figura 149. Sensores prefabricados listos para su unión al Pilar 2.

El último paso, es su instalación empleando como puente de unión una soldadu-

ra metálica en frío bicomponente (Nural 27, de Pattex). Tal como se indicaba en la

Figura 148 para el Pilar 1, en este caso los sensores también se posicionaron verti-

calmente alineados en sus caras (en la misma dirección en la que se producirá la car-

ga), a la mitad de la altura del pilar, de manera que la deformación que perciban los

sensores será, idealmente, homogénea y uniformemente distribuida. Puede verse el

estado final de los sensores una vez instalados en la fotografía de la Figura 150.

Figura 150. Detalle de la instalación de los dispositivos, listos para su ensayo.


Caracterización del hormigón en masa

Antes de los ensayos de percepción de la deformación, se caracterizaron las

propiedades mecánicas del hormigón en masa con el que los pilares fueron hormigo-

nados. Se ensayaron las probetas cilíndricas de Ø15 x 30 cm a tal efecto fabricadas,

obteniendo la velocidad de propagación de ultrasonidos, el módulo elástico y la resis-


197

tencia a compresión. Los ensayos se realizaron a la edad de 28 días, siguiendo las

normas UNE-EN 12504-4, UNE-EN 12390-13:2014 y UNE-EN 12390-3:2009, respectiva-

mente.

Ensayos de percepción de la deformación

Los sensores embebibles prefabricados fueron caracterizados por medio del

factor de galga (FG) antes de ser introducidos en los pilares. El programa experimen-

tal seguido para ello se basa en los tres niveles de carga establecidos en los estudios

precedentes, siempre dentro del régimen elástico: 3 kN (1.9 MPa), 6 kN (3.8 MPa) y 9

kN (5.6 MPa). Las velocidades de carga-descarga fueron 200 N/s para la carga máxi-

ma de 3 kN, y 400 N/s para las cargas máximas de 6 y 9 kN. La intensidad de corrien-

te aplicada entre los contactos externos fue de 0.1 mA. Los equipos y procedimientos

empleados son los mismos descritos en el apartado 9.1.3 (pág. 136). Los momentos

definidos para el ensayo de las probetas fueron fundamentalmente tres: a 28 días de

curado (conservadas en cámara húmeda), tras un mes en condiciones de laboratorio y

tras dos meses conservadas en el mismo ambiente de laboratorio. Adicionalmente, se

hizo algún ensayo de seguimiento intermedio.

Los ensayos de percepción propiamente sobre los pilares se llevaron a cabo si-

guiendo un programa muy similar. También dentro del régimen elástico, se realizaron

ciclos de carga-descarga bajo tres niveles de carga máxima: 14.7 t (2.5 MPa), 29.4 t

(5 MPa) y 44 t (7.5 MPa). Las velocidades de carga-descarga fueron 0.5 t/s para las

cargas máximas de 14.7 t y 29.4 t, y 1 t/s para la carga máxima de 44 t. Adicional-

mente, al término de las tandas de ensayos programadas se estimó probar cargas

superiores, alcanzando como máximo el 25% de la carga de rotura del hormigón en

masa.

Figura 151. Ensayo del Pilar 1 en marcha.

La prensa utilizada para estos ensayos, de mayor envergadura, fue una prensa

pórtico electromecánica modelo PCI-250 (Servosis). La corriente eléctrica fue aplica-

Capítulo V

198

da mediante una fuente digital Keithley 6220, de National Instruments Inc. La dife-

rencia de potencial se midió con un multímetro digital Keithley 2002, de National

Instruments Inc. La deformación unitaria de las probetas se registró conectando hasta

cuatro galgas a un extensómetro Vishay P3, de Vishay Micro-Measurements. Se repre-

senta un momento del ensayo en la Figura 151.

La configuración de medida sólo permitió registrar los parámetros de un único

sensor por cada ensayo, lo que obligó a repetir las tandas de ensayos previstas tantas

veces como número de sensores dispone el pilar. A pesar de la multitud de ciclos de

carga-descarga soportados por los dos pilares, ninguno de ellos mostró signo o sínto-

ma alguno de alteración o deterioro.


La caracterización mecánica a 28 días de los hormigones en masa, para cada

uno de los pilares fabricados, arroja los resultados presentados en la Tabla 28. La

velocidad de propagación de ultrasonidos, ensayo no destructivo, se obtuvo a partir

del promedio de las 5 probetas fabricadas en cada caso, el dato de resistencia a

compresión del promedio de dos roturas, reservando tres probetas para la determi-

nación del módulo de elasticidad.

Tabla 28. Propiedades mecánicas a 28 días del hormigón en masa de los pilares.

Propiedad Pilar 1 Pilar 2

Resistencia a compresión (N/mm2) 49.9 ± 0.4 60.6 ± 3.6

Módulo de elasticidad (N/mm2) 30384 ± 1427 37267 ± 2188

Velocidad de propagación de ultrasonidos (m/s) 4606 ± 37 5836 ± 143

*Acompañando al valor medio se indica la desviación estándar

11.2.1. RESULTADOS RELATIVOS AL PILAR 1

Se presentan en primer lugar los resultados correspondientes a la caracteriza-

ción inicial de los sensores embebibles, antes de ser introducidos en el pilar. La Figu-

ra 152 incluye los factores de galga obtenidos para los tres niveles de carga máxima

establecidos (3, 6 y 9 kN, equivalentes a 1.9, 3.8 y 5.6 MPa), acompañados de sus

parámetros estadísticos, desviación estándar y R². Puede observarse para los dos

sensores la evolución experimentada desde el dato a 28 días, conservadas las probe-

tas en cámara húmeda, a los correspondientes tras su acondicionamiento en ambien-

te de laboratorio por uno y dos meses. En coherencia con los resultados obtenidos en

los estudios precedentes, la más notable variación apreciada de la primera a la se-

gunda condición es atribuida a la disminución del contenido en humedad, que hace

aumentar la sensibilidad piezorresistiva de los sensores. Una vez alcanzado un grado

de humedad estacionario, la respuesta eléctrica tiende a estabilizarse, ofreciendo FG


199

más o menos constantes. En cuanto a la calidad del ajuste, se obtienen coeficientes

R² bastante altos, superiores a 0.95 una vez ya estabilizadas las probetas.

Figura 152. Factores de galga de los sensores que serán embebidos en el Pilar 1, caracterizados para los tres niveles de carga máxima (1.9, 3.8 y 5.6 MPa). Las barras de error indican la desviación estándar del FG. En el eje secundario se representa el parámetro R² para cada nivel de carga. Datos obtenidos aplicando I=0.1 mA.

Se procede ahora al análisis de la respuesta dada por los mismos sensores (de-

signados de manera abreviada P1.1 y P1.2) desde el interior del pilar. Se identifican

los tres niveles de carga en la forma en la que fueron determinados, referidos a la

carga de rotura del hormigón en masa previamente ensayado: 5% fc, 10% fc y 15% fc,

lo que equivale a las tensiones máximas 2.5 MPa, 5 MPa y 7.5 MPa. Se incluye el de-

talle de estos resultados en la Figura 153.

Según la respuesta eléctrica registrada, los dos sensores fueron capaces de de-

tectar los ciclos de carga-descarga para los tres niveles de carga máxima ensayados.

Sin embargo, a partir de la tensión del 10% fc (5 MPa) la linealidad de la respuesta

comienza a alterarse. En los ciclos de mayor tensión se produce una distorsión con

efecto inverso cuando el pilar se encuentra sometido a las deformaciones más bajas.

Dicho efecto, incipiente para la tensión 10% fc, se vuelve más pronunciado al alcan-

zar la tensión del 15% fc. La explicación más probable de esta alteración en la piezo-

rresistividad de los composites resulta achacable a algún tipo de deterioro que los

sensores han podido sufrir al incrementarse la carga paulatinamente sobre el pilar.

En base al comportamiento piezorresistivo hallado se ha estimado caracterizar

mediante el FG únicamente el primer estado tensional de la Figura 153. Se incluye

dicho parámetro, obtenido para los dos sensores en la Figura 154. Como se desprende

de su comparativa con los FG obtenidos previos a ser embebidos (Figura 152), la res-

puesta eléctrica ha variado considerablemente para un estado tensional comparable.

Asumiendo un comportamiento mecánico igualmente dentro del régimen elástico,

dicho aumento de FG, en un orden de magnitud, es entonces explicado por el incre-

mento de la variación unitaria de resistencia eléctrica en la misma proporción.

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

0

50

100

150

200

250

28d 1m 2m

100%HR Laboratorio

R²

FG

Sensor Pilar1-1

1.9 MPa 3.8 MPa 5.6 MPa

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

0

50

100

150

200

250

28d 1m 2m

100%HR Laboratorio

R²

FG

Sensor Pilar1-2

R²(1.9) R²(3.8) R²(5.6)

Capítulo V

200

Figura 153. Ensayos de percepción de los sensores embebidos en el Pilar 1, para los tres niveles de carga máxi-ma (2.5, 5 y 7.5 MPa). Las gráficas de la izda. representan la variación de resistencia eléctrica y la deformación unitaria frente al tiempo. Las gráficas de la dcha. representan la variación de resistencia eléctrica frente a la

deformación unitaria.

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0 -10

-8

-6

-4

-2

0

0 40 80

Defo

rmació

n u

nit

ari

a,µ

ε

ΔR/R₀

(%)

Tiempo (s)

5% fc (2.5 MPa)

P1.1 P1.2 ε

-0.06

-0.05

-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

0

-5E-05 -3E-05 -1E-05

ΔR/R₀


5% fc (2.5 MPa)

P1.1 P1.2

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0 -30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 100 200

Defo

rmació

n u

nit

ari

a,µ

ε

ΔR/R₀

(%)

Tiempo (s)

10% fc (5 MPa)

P1.1 P1.2 ε

-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

-0.00012 -8E-05 -4E-05 0

ΔR/R₀


10% fc (5 MPa)

P1.1 P1.2

-400

-300

-200

-100

0 -30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

0 100 200 300

Defo

rmació

n u

nit

ari

a,µ

ε

ΔR/R₀

(%)

Tiempo (s)

15% fc (7.5 MPa)

P1.1 P1.2 ε

-0.15

-0.1

-0.05

-2E-16

0.05

0.1

-0.0002 -1E-04 2E-18

ΔR/R₀


15% fc (7.5 MPa)

P1.1 P1.2


201

Figura 154. Factor de galga de los sensores embebidos en el pilar para la carga máxima correspondiente a 2.5

MPa. Las barras de error representan la desviación estándar, y la línea punteada el parámetro R².

En cuanto a los sensores externos se refiere, comencemos por la forma de im-

plementación (aplicación del composite sobre el hormigón) como primera variable a

considerar. La Figura 155 compara los ensayos 5% y 15% fc para los sensores 1G y 3G

(de dimensiones 18x10x1 cm³) que fueron aplicados in situ extendiendo la pasta so-

bre el hormigón. Puede verse la mayor sensibilidad, en términos de variación de re-

sistencia unitaria, obtenida en el ensayo bajo mayor carga. Esta apreciación implica

que la deformación experimentada por el pilar está siendo transferida a los sensores

externos, implementados en su superficie. En el caso del sensor 1G, el mayor cambio

de resistencia fraccional es atribuible al puente de unión imprimado sobre el hor-

migón antes de su enlucido, lo que revertiría en una mejor transferencia de carga.

Este fenómeno de transferencia no pareció ocurrir en los sensores proyectados 2G y

4G, pues su capacidad perceptiva no fue detectada.

La siguiente variable a evaluar es la configuración de los contactos eléctricos.

La Figura 156 muestra los resultados obtenidos por los sensores con contactos enro-

llados, mientras que la Figura 157 presenta los propios de los sensores con contactos

embebidos, ambos referidos al ensayo bajo tensión máxima de 15% fc (7.5 MPa). A

pesar de que los sensores de la cara 3 (3PI, 3PD, indicando la nomenclatura: cara 3,

sensor pequeño, izquierda o derecha, respectivamente) presentan una baja sensibili-

dad, todos ellos fueron capaces de percibir la deformación del pilar al actuar sobre

él una carga mecánica variable. De esta manera, ambas configuraciones del electro-

do se demostraron válidas para detectar la señal eléctrica del composite actuando

como sensor piezorresistivo. En cualquier caso, la mayor variación de resistencia uni-

taria se registró para los sensores 4PI (Figura 156) y 2PD (Figura 157), los cuales fue-

ron ambos implementados por el método de proyección aunque utilizando diferente

material como contacto eléctrico (fibra de carbono y acero inoxidable, respectiva-

mente). Con ello, puede por tanto concluirse la aptitud de las diferentes combina-

ciones entre configuraciones eléctrica y formas de implementación.

Tratando de dilucidar la diferente magnitud en la respuesta eléctrica hallada

para cada sensor individual, reparamos nuevamente en el proceso de transferencia

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

0

500

1000

1500

2000

P1.1 P1.2

R²

FG

2.5 MPa (5% fc)

R²

Capítulo V

202

de carga como factor clave probablemente responsable. Para que el sensor sea capaz

de percibir eléctricamente la deformación del pilar, la propia deformación del sensor

debe producirse solidariamente con aquél. Ello sólo es posible si existe un perfecto

agarre del sensor al hormigón, es decir, si su adherencia está garantizada. La manera

de asegurar la correcta unión de los sensores (o en caso contrario, comprobar si se

hubieran despegado) es mediante el registro de la deformación longitudinal unitaria

del propio sensor y su contraste con el dato propio del pilar, específicamente en la

cara donde se encuentre el sensor para mayor precisión. Esta verificación se efectuó

para el caso del sensor 2PD, colocando una galga extensométrica de 20 mm en el

centro geométrico de su cara externa y obteniendo una estricta coincidencia entre

los datos del pilar y los propios del sensor, en los distintos niveles de carga. Además,

este registro adicional permite un análisis más detallado del comportamiento especí-

fico de dicho sensor, incluido en la Figura 158.

Figura 155. Ensayos de percepción de los sensores externos 18x10x1 cm³ (extendidos), para los niveles de carga 5% y 15% fc (2.5 y 7.5 MPa). Las gráficas de la izda. representan la variación de resistencia eléctrica y la defor-

mación unitaria frente al tiempo. Las gráficas de la dcha. representan la variación de resistencia eléctrica frente a la deformación unitaria.

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0 -0.65

-0.55

-0.45

-0.35

-0.25

-0.15

-0.05

0 40 80

Defo

rmació

n u

nit

ari

a,µ

ε

ΔR/R₀

(%)

Tiempo (s)

5% fc (2.5 MPa)

1G 3G ε

-0.004

-0.003

-0.002

-0.001

1E-17

0.001

-5E-05 -3E-05 -1E-05

ΔR/R₀


5% fc (2.5 MPa)

1G 3G

-400

-300

-200

-100

0 -4.5

-4

-3.5

-3

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0 100 200 300

Defo

rmació

n u

nit

ari

a,µ

ε

ΔR/R₀

(%)

Tiempo (s)

15% fc (7.5 MPa)

1G 3G ε

-0.03

-0.025

-0.02

-0.015

-0.01

-0.005

0

0.005

-0.0002 -1E-04 2.1E-18

ΔR/R₀


15% fc (7.5 MPa)

1G 3G


203

Figura 156. Ensayos de percepción de los sensores externos 3.3x10x1 cm³ (contactos enrollados), para el nivel de carga 15% fc (7.5 MPa). Dato de deformación unitaria corresponde al promedio de las cuatro caras del pilar.

Figura 157. Ensayos de percepción de los sensores externos 3.3x10x1 cm³ (contactos embebidos), para el nivel de carga 15% fc (7.5 MPa). Dato de deformación unitaria corresponde al promedio de las cuatro caras del pilar.

Es posible apreciar en la Figura 158 cómo ha sido el comportamiento piezorre-

sistivo frente a los distintos escalones de tensión máxima aplicada sobre el pilar.

Aunque a primera vista de la gráfica izquierda, la respuesta eléctrica puede parecer

más o menos lineal, el análisis detallado por semiciclos de cada uno de los ensayos

ofrece los factores de galga presentados en la gráfica derecha. Esta caracterización

según el parámetro FG —cuya definición, recordemos, es también lineal— desmiente

la linealidad inicialmente asumida para este sensor. En efecto, para la menor tensión

correspondiente al 5% fc (2.5 MPa) ofrece un factor de galga de 79, el menor valor

obtenido, y para cargas superiores se va incrementando hasta alcanzar un FG de 563

en el máximo escalón de tensiones ensayado. Aun asumiendo la aproximación reali-

zada en el cálculo de FG, su ajuste R² tampoco se ha visto demasiado desvirtuado.

-650

-550

-450

-350

-250

-150

-50

-8

-6

-4

-2

0

0 100 200 300

Defo

rmació

n u

nit

ari

a,µ

ε

ΔR/R₀

(%)

Tiempo (s)

3.3x10x1 cm³ - contactos enrollados

1PI 2PI 3PI 4PI ε

-0.06

-0.04

-0.02

0

-0.0002 -1E-04 2.1E-18

ΔR/R₀


3.3x10x1 cm³ - contactos enrollados

1PI 2PI 3PI 4PI

-650

-550

-450

-350

-250

-150

-50

-8

-6

-4

-2

0

0 100 200 300

Defo

rmació

n u

nit

ari

a,µ

ε

ΔR/R₀

(%)

Tiempo (s)

3.3x10x1 cm³ - contactos embebidos

2PD 3PD 4PD ε

-0.06

-0.04

-0.02

0

-0.0002 -1E-04 2.3E-18

ΔR/R₀


3.3x10x1 cm³ - contactos embebidos

2PD 3PD 4PD

Capítulo V

204

Figura 158. Izda.) Variación unitaria de resistencia frente a deformación unitaria del sensor 2PD, bajo diferentes niveles de tensión máxima: 5%, 10%, 15% y 25% fc, equivalentes a tensiones de 2.5, 5, 7.5 y 12.5 MPa respecti-vamente. Dcha.) Factores de galga resultantes para esos cuatro niveles de tensión máxima, con sus parámetros

de ajuste R² (línea punteada) y DE (representada mediante barras de error).

11.2.2. RESULTADOS RELATIVOS AL PILAR 2

Siguiendo un desarrollo análogo para el Pilar 2, nos centramos en primer lugar

en el análisis de sus sensores embebidos. Desafortunadamente, al introducirlos en el

pilar la señal de uno de los sensores, el P2.1, se perdió, por lo que sólo fue posible el

registro correspondiente al sensor P2.2. Atribuimos esta pérdida a la rotura de alguno

de los cables embebidos durante el proceso de hormigonado. No obstante, por su

valor comparativo con la probeta homóloga, se incluye en la Figura 159 la caracteri-

zación mediante el factor de galga de ambos sensores antes de ser introducidos en el

pilar. Se indican igualmente los tres niveles de carga máxima, por medio de sus res-

pectivos estados tensionales máximos (1.9, 3.8 y 5.6 MPa) con el fin de homogeneizar

el dato mecánico y facilitar así la interpretación conjunta del plan experimental.

La lectura de la evolución experimentada por ambos sensores confirma el com-

portamiento ya descrito, con una tendencia muy similar a los sensores del Pilar 1.

Nuevamente la disminución del contenido en humedad gracias a su acondicionamien-

to en ambiente de laboratorio ha revertido en un incremento de la sensibilidad pie-

zorresistiva. Análogamente el mantenimiento de unas condiciones de humedad esta-

bilizadas permite la repetibilidad de las medidas en torno a unos valores semejantes.

Por su parte, el ajuste R² se ha visto bastante elevado en ambos sensores.

Un último aspecto a notar respecto de las probetas en su fase previa al embe-

bido, se encuentra al comparar los resultados de FG para los composites fabricados

con NTC del tipo BAYTUBES C70P (Figura 152) con los del tipo NANOCYLTM NC7000

(Figura 159) y es la similitud entre los valores obtenidos, experimentando, dentro del

mismo orden de magnitud, una evolución con variaciones equiparables. Se desprende

de esa comparativa una sensibilidad ligeramente superior para los sensores del Pilar

2. Habrá que comprobar si se reproduce el mismo al embeber estas probetas en el

seno del hormigón.

-0.16

-0.12

-0.08

-0.04

0

-0.0004 -0.0003 -0.0002 -0.0001 0

ΔR/R₀


Sensor externo 2PD

25% 15% 10% 5% fc

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

0

100

200

300

400

500

600

700

5%fc 10%fc 15%fc 25%fc

R²

FG

Sensor externo 2PD

R²


205

Figura 159. Factores de galga de los sensores que serán embebidos en el Pilar 2, caracterizados para los tres niveles de carga máxima (1.9, 3.8 y 5.6 MPa). Las barras de error indican la desviación estándar del FG. En el eje secundario se representa el parámetro R² para cada nivel de carga. Datos obtenidos aplicando I=0.1 mA.

Proseguimos con el análisis de los sensores internos, restringidos ahora los en-

sayos al sensor P2.2, tras la pérdida del P2.1. Se incluyen los resultados de los ensa-

yos acometidos sobre este sensor en la Figura 160 para tres niveles de carga. En este

caso, se decidió mantener fijas las mismas cargas máximas utilizadas para el Pilar 1,

por lo que al tratarse de un hormigón diferente, su relación respecto a la carga de

rotura queda relativizada como sigue: 8% fc, 12% fc y 25% fc. Estos niveles de carga

equivalen a tensiones máximas de 5 MPa, 7.5 MPa y 15 MPa, respectivamente. Se

ensayó también la tensión máxima de 2.5 MPa (4% fc) pero no se obtuvo respuesta

perceptiva. De esto, puede desprenderse que el sensor P2.2 requiere de un cierto

estado de carga mínimo a partir del cual se activa el mecanismo piezorresistivo.

La interpretación de la Figura 160 indica que conforme se va incrementando la

tensión máxima alcanzada en el ensayo, la señal eléctrica se va volviendo más esta-

ble. De hecho, los dos primeros niveles de tensión ofrecen una respuesta muy inesta-

ble. Además, la magnitud del parámetro variación unitaria de resistencia eléctrica

resulta bastante reducida para los tres niveles de carga. Coherentemente con la ines-

tabilidad de los registros eléctricos, se ha obtenido un R² de peor calidad.

A pesar del elevado ruido presentado por la señal en los tres ensayos, se ha

hallado el factor de galga característico del sensor en cada uno de los niveles tensio-

nales. Dicho resultado se muestra en la Figura 161, donde queda patente el pobre

comportamiento piezorresistivo del sensor P2.2 dentro del Pilar 2. Comparando con

los sensores del Pilar 1, que vieron significativamente incrementada su respuesta al

ser embebidos, sucede en este caso el efecto contrario, reduciéndose considerable-

mente su sensibilidad cuando es sometido a estados tensionales comparables. La

principal hipótesis que explicaría esa reducción de sensibilidad es la atribuida a un

incremento en el contenido de humedad de la probeta por captación del propio hor-

migón al momento de hormigonar. Dada la imposibilidad de contrastar esta hipótesis

se propuso un nuevo diseño experimental que permitiera aclarar este interrogante.

Ello constituye el Estudio-4 del presente capítulo, que se presentará más adelante.

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

0

50

100

150

200

250

300

28d 1m 2m

100%HR Laboratorio

R²

FG

Sensor Pilar2-1

1.9 MPa 3.8 MPa 5.6 MPa

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

0

50

100

150

200

250

300

28d 1m 2m

100%HR Laboratorio

R²

FG

Sensor Pilar2-2

R²(1.9) R²(3.8) R²(5.6)

Capítulo V

206

Figura 160. Ensayos de percepción del sensor embebido en el Pilar 2, para tres niveles de carga máxima (5, 7.5 y 15 MPa). Las gráficas de la izda. representan la variación de resistencia eléctrica y la deformación unitaria

frente al tiempo. Las gráficas de la dcha. representan la variación de resistencia eléctrica frente a la deforma-ción unitaria.

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0 -0.12

-0.1

-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0

0.02

0 100 200

Defo

rmació

n u

nit

ari

a,µ

ε

ΔR/R₀

(%)

Tiempo (s)

8% fc (5 MPa)

P2.2 ε

-0.0006

-0.0004

-0.0002

0

0.0002

-0.00012 -8E-05 -4E-05 0

ΔR/R₀


8% fc (5 MPa)

P2.2

-400

-300

-200

-100

0 -0.1

-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0

0 100 200

Defo

rmació

n u

nit

ari

a,µ

ε

ΔR/R₀

(%)

Tiempo (s)

12% fc (7.5 MPa)

P2.2 ε

-0.0005

-0.0004

-0.0003

-0.0002

-0.0001

0

0.0001

-0.0002 -1E-04 2E-18

ΔR/R₀


12% fc (7.5 MPa)

P2.2

-700

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0 -0.18

-0.16

-0.14

-0.12

-0.1

-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0

0 100 200

Defo

rmació

n u

nit

ari

a,µ

ε

ΔR/R₀

(%)

Tiempo (s)

25% fc (15 MPa)

P2.2 ε

-0.001

-0.0008

-0.0006

-0.0004

-0.0002

0

0.0002

-0.0004 -0.0003 -0.0002 -0.0001 0

ΔR/R₀


25% fc (15 MPa)

P2.2


207

Figura 161. Factor de galga del sensor embebido en el Pilar 2 para tres niveles de carga máxima (8, 12 y 25% fc, equivalentes a 5, 7.5 y 15 MPa). Las barras de error representan la desviación estándar, y la línea punteada el

parámetro R².

En cuanto a los sensores externos, distinguimos en este caso únicamente entre

dos tipos, cuya diferencia sólo estriba en su dimensión. En cada cara del Pilar 2 se

pegaron dos sensores, uno de ancho 3 cm —identificados con el número de la cara y

la letra I, porque están situados a la izda. de la galga central— y otro de ancho 2 cm

—nombrados con el mismo número y la letra D, colocados a la derecha de la galga—.

Se tienen por tanto un total de 8 sensores externos. En la Figura 162 se recopilan sus

resultados, agrupados según su tamaño, para el nivel de carga máxima 12% fc (7.5

MPa). En todos los casos se pudo constatar la percepción de los ciclos de carga-

descarga a los que se sometió el pilar. El registro de las galgas colocadas en cuatro

de los sensores (1I, 2D, 3I y 4D) confirmó la correcta adherencia de los sensores al

pilar, dada la plena coherencia entre sus lecturas y las galgas propias del pilar, colo-

cadas en el centro geométrico de las cuatro caras.

La comparativa entre ambas geometrías (entre sensores “I” y sensores “D”) re-

vela unos valores de sensibilidad muy similar para seis de los ocho sensores. Consti-

tuyen la excepción los dos sensores de la cara 4, el 4D y especialmente el 4I, los cua-

les han presentado un cambio de resistencia unitaria inferior a los demás. Lo indica-

do queda reflejado en la Figura 163, que incluye el cálculo de los factores de galga

correspondientes a los ensayos de la Figura 162. La citada comparativa, evaluada a

través de estos FG no permite concluir diferencias atribuibles al diferente ancho de

los sensores, por tanto ambos se consideran con la misma aptitud para desempeñar la

función de percepción, pero sin llegar a descifrar la causa que les hace ofrecer dis-

tinta sensibilidad piezorresistiva.

Cabe notar también la comparabilidad entre estos sensores externos, los del Pi-

lar 2 y los homólogos del Pilar 1, de geometría 3.3x10x1 cm³. Sin desestimar las dife-

rencias evidentes en cuanto a la forma de implementación —y con diferentes NTC,

también—, las variaciones unitarias de resistencia eléctrica máximas alcanzadas en

cada pilar se hallan en el mismo orden de magnitud. En efecto, de manera aproxima-

da, los sensores del Pilar 2 ofrecen una |ΔR/R₀| máxima de entre 1 y 5 %, mientras

que los sensores del Pilar 1 proporcionaron valores entre 1 y 6%. En ambos casos el

máximo de |ΔR/R₀| más frecuente se sitúa en torno al 3%.

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

8% fc 12% fc 25% fc

R²

FG

Sensor interno P2.1

R²

Capítulo V

208

Figura 162. Ensayos de percepción de los sensores externos, para el nivel de carga máxima 12% fc (7.5 MPa). Dato de deformación unitaria corresponde al promedio de las cuatro caras del pilar.

Figura 163. Factores de galga de los sensores “I” (izda. 3x10x1 cm³) y de los sensores “D” (dcha. 2x10x1 cm³) adheridos externamente al Pilar 2, para el nivel de carga máxima 12% fc (equivalente a 15 MPa). Las barras de

error representan la desviación estándar, y la línea punteada el parámetro R².

-400

-300

-200

-100

0 -8

-6

-4

-2

0

0 100 200

Defo

rmació

n u

nit

ari

a,µ

ε

ΔR/R₀

(%)

Tiempo (s)

Sensores 3x10x1 cm³

1I 2I 3I 4I ε

-0.05

-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

0

0.01

-0.0002 -1E-04 2.1E-18

ΔR/R₀



1I 2I 3I 4I

-400

-300

-200

-100

0 -9

-7

-5

-3

-1

0 100 200

Defo

rmació

n u

nit

ari

a,µ

ε

ΔR/R₀

(%)

Tiempo (s)


1D 2D 3D 4D ε

-0.06

-0.05

-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

0

0.01

-0.0002 -1E-04 2.3E-18

ΔR/R₀



1D 2D 3D 4D

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

0

100

200

300

400

500

1I 2I 3I 4I

R²

FG


R²

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

0

100

200

300

400

500

1D 2D 3D 4D

R²

FG


R²


209

Figura 164. Izda.) Variación unitaria de resistencia frente a deformación unitaria del sensor 3I, bajo diferentes niveles de tensión máxima: 4%, 8% y 12% fc, equivalentes a tensiones de 2.5, 5 y 7.5 MPa respectivamente.

Dcha.) Factores de galga resultantes para esos cuatro niveles de tensión máxima, con sus parámetros de ajuste R² (línea punteada) y DE (representada mediante barras de error).

Finalmente, el último paso de la discusión nos lleva al análisis del comporta-

miento piezorresistivo frente a los distintos escalones de tensión máxima aplicada

sobre el pilar. Esto es los que se representa en la Figura 164 para el sensor 3I bajo los

tres niveles de carga ensayado: 4, 8 y 12% fc, equivalente a 2.5, 5 y 7.5 MPa de ten-

sión. Según el cálculo de FG detallado por semiciclos la respuesta de este sensor

tampoco resulta lineal, pues su valor aumenta para cada intervalo de tensión incre-

mental. Aun así, la aproximación del ajuste ofrece R² superiores a 0.95, con unos

datos de FG de 239, 293 y 325 para cada uno de los intervalos de tensión respectivos.

Como se aprecia el incremento tampoco se produce en forma lineal.


Con este tercer estudio se ha investigado la viabilidad de monitorizar el estado

de deformaciones de un elemento estructural a escala real, una de las aplicaciones

más inmediatas de la función de percepción. Para ello se han ensayado diferentes

tipologías de sensores basadas en la dosificación del 0.50% NTC, obteniendo como

principales conclusiones las siguientes:

Las tres formas de implementación de los sensores: embebidos, externos in si-

tu y externos prefabricados, se han visto válidas para desempeñar la función

de percepción. Sin embargo, al ser embebido en el hormigón el primer tipo de

sensor presenta un comportamiento diferente a su caracterización previa al

hormigonado.

Los dos modos de aplicación in situ (extendido y proyectado), en combinación

con los dos tipos de electrodos (fibra de carbono y acero inoxidable) se de-

muestran aptos para la instrumentación de sensores piezorresistivos. El aspec-

-0.05

-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

2E-17

0.01

-0.00015 -0.0001 -5E-05 0

ΔR/R₀


Sensor externo 3I

12% 8% 4% fc

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

0

100

200

300

400

4%fc 8%fc 12%fc

R²

FG

Sensor externo 3I

R²

Capítulo V

210

to clave que cualquiera de ellos debe garantizar es la perfecta adherencia al

elemento en estudio; para ello, resulta conveniente el uso de un puente de

unión.

Los sensores externos de los dos pilares, aun fabricados con NTC de distinta

procedencia, han reportado valores de sensibilidad piezorresistiva compara-

bles para los mismos estados tensionales. La diferente geometría no se ha vis-

to con influencia significativa en su respuesta eléctrica.

En cuanto al comportamiento perceptivo de los sensores externos, se ha podi-

do constatar su carácter no lineal en un sensor tipo de cada pilar. No obstan-

te, el FG supone una aproximación que permite su descripción sin gran des-

viación del ajuste R².

12. E-4: SENSORES EMBEBIDOS EN PROBETAS CILÍNDRICAS DE HM

A la luz de los resultados reportados por tres de los cuatro sensores embebidos

en los pilares del Estudio-3, no resulta posible predecir comportamientos semejantes

en base a su reproducibilidad. Por ello, a fin de obtener un conocimiento más pro-

fundo de la forma de implementación por embebido, actuando el sensor desde el

seno del elemento, se resolvió acometer un estudio complementario que incluyese un

mayor número de sensores a testar. En pro de una mejor manejabilidad de los ele-

mentos de hormigón, se optó en este caso por fabricar probetas de geometría cilín-

drica Ø15 cm x 30 cm, sin armar. En consonancia con el redimensionamiento del

elemento a monitorizar, también fue redimensionada la geometría del sensor, igual-

mente prismática pero de menores proporciones. Por último, estimando la versatili-

dad de este diseño simplificado se decidió introducir una nueva variable hasta ahora

no explorada: la impermeabilización del sensor. Veamos en detalle cómo se des-

arrolló este cuarto estudio.


12.1.1. FABRICACIÓN DE SENSORES

La propia forma de implementación de los sensores embebidos requiere que

éstos sean prefabricados e instrumentados en una fase previa al hormigonado del

elemento a monitorizar, lo que a su vez permite su caracterización específica. El

diseño de las probetas a ensayar incluye un único sensor por probeta. Por tanto,

constando el programa experimental de un total de 8 probetas, serán 8 los sensores

requeridos para el estudio. La geometría prismática adoptada es de 2.5x2.5x10 cm³,

obtenida a partir del corte de probetas originariamente de 2.5x2.5x30 cm³. Estas


211

probetas se fabricaron con pastas basadas en cemento Portland. Los materiales em-

pleados en su preparación fueron los siguientes:




Nanotubos de carbono, denominados NANOCYLTM NC7000 (de tipología

MWCNT) suministrados por Nanocyl S.A. (Sambreville, Bélgica). Sus propieda-

des características se indican en la Tabla 10 (pág. 107).

Agua destilada.

La relación agua/cemento (a/c) es de 0.5, y la dosificación de NTC toma dos

porcentajes de NTC: 0.25% y 0.50% NTC respecto masa de cemento. La mitad de las

probetas adopta la primera dosificación, y la otra mitad la segunda. La dispersión de

los NTC se efectuó en el agua de amasado, aplicando 5 min de ultrasonidos. Las pas-

tas se mezclaron en amasadora automática (según los pasos de la norma UNE-EN 196-

3:2005) y se vertieron en el molde aplicando compactación manual en dos capas.

Por cada dosificación se efectuó una amasada con la que se obtuvieron cuatro

probetas de 2.5x2.5x30 cm³. Recién enrasada la pasta fresca en los moldes, se intro-

dujeron en cámara húmeda hasta el día siguiente, cuando se extrajeron para su des-

moldado y correcto etiquetado. En este momento se procedió a su corte mediante

cortadora de disco automática, obteniendo dos sensores por cada probeta.

Posteriormente se introdujeron en cámara húmeda para su curado durante 28

días. Terminado ese periodo, se extrajeron de la cámara, se dejaron acondicionar en

ambiente de laboratorio por seis semanas y se procedió a su instrumentado mediante

pintura de plata y cable de cobre, según la disposición indicada en la Figura 165.

Figura 165. Instrumentación de los sensores embebidos en probetas cilíndricas.

En los terminales de los cables (①, ②, ③ y ④) se realizó una prolongación

de los contactos eléctricos mediante empalme con soldadura de cuatro cables de

cobre de aproximadamente medio metro, protegiendo la unión con funda termo-

rretráctil. Es en este momento cuando tuvo lugar la caracterización específica de los

ocho sensores mediante los parámetros de ensayo que se describirán más adelante.

Capítulo V

212

Concluida esta fase, resta su preparación última para ser embebidos en las pro-

betas de hormigón. Ello incluye el montaje de dos varillas auxiliares de PVC fijadas

con soldadura metálica en frío bicomponente (Nural 27, de Pattex); este montaje

auxiliar, centrado en dos caras opuestas, servirá para el correcto posicionamiento del

sensor en el centro geométrico de la probeta. Finalmente, de los 8 sensores, cuatro

fueron completamente impermeabilizados (2 de dosificación 0.25% NTC, y 2 de dosi-

ficación 0.50%). Se empleó como impermeabilizante un revestimiento elástico (Sika-

fill, de Sika), puede verse el acabado resultante en la Figura 166. Por su parte, los

contactos eléctricos de los cuatro sensores no impermeabilizados fueron protegidos

mediante su sellado con silicona.

Figura 166. Sensor impermeabilizado, preparado para su embebido en el hormigón.

12.1.2. FABRICACIÓN DE PROBETAS DE HORMIGÓN

Los elementos que se pretenden monitorizar con los sensores son probetas de

hormigón en masa de 15 cm de diámetro y 30 cm de altura (típica geometría de pro-

betas fabricadas para rotura a compresión). Con el fin de facilitar el adecuado posi-

cionamiento de los sensores en el centro de la probeta, asegurando asimismo su ver-

ticalidad, se emplearon moldes desechables de cartón con base metálica. En ellos se

practicaron cuatro taladros a través de los cuales se hicieron pasar las cuatro varillas

de PVC. Lograda la total simetría, se bloqueó el movimiento de las varillas aplicando

en su extremo exterior una masilla epoxi de rápida acción (Nural 27, de Pattex). Para

extraer el cableado se practicó un último taladro a media altura. La disposición final,

a expensas del hormigonado es la reflejada en la Figura 167.

En cuanto a la dosificación del hormigón, se utilizó la misma empleada en los

pilares del Estudio-3 (hormigón autocompactante). Dicha dosificación queda definida

en la Tabla 29. El amasado de los componentes se efectuó en hormigonera conven-

cional de motor eléctrico, y la mezcla resultante se vertió en las probetas directa-

mente. Para prevenir su rotura, se trató de evitar la caída directa del hormigón sobre

el cableado de los sensores, que por precaución fueron protegidos mediante un tubo

de plástico (Ø10 mm).


213

Figura 167. Moldes con sensores instalados, listos para recibir el hormigón.

Tabla 29. Dosificación del hormigón autocompactante empleado en las probetas cilíndricas a monitorizar.

Material Kg/m3

Cemento UNE-EN 197-1 CEM II/B-M (V-L) 42,5

R

375

Filler calizo 150

Agua de grifo 187.5

(a/c) (0.50)

Arena 918

Gravín 367

Grava 245

Superplastificante Sika Viscocrete-20 HE 5.625

(% respecto masa de cemento) (1.50 %)

Sin necesidad de compactación por tratarse de un hormigón autocompactante,

las probetas se enrasaron con llana y se cubrieron con una lámina de plástico, deján-

dolas fraguar hasta el día siguiente, cuando se desmoldaron y se identificaron conve-

nientemente. A continuación se dejaron curar en cámara húmeda por un periodo de

28 días.

Superado el tiempo de curado, las probetas se extrajeron de cámara húmeda y

se sometieron al pulido de su cara superior mediante pulidora automática (en susti-

tución del antiguo refrentado). Con este último tratamiento, las probetas se dejaron

acondicionar una semana en laboratorio previo al comienzo de los ensayos de carga-

descarga bajo monitorización con sus sensores.


Los sensores prefabricados embebibles fueron caracterizados por medio del

factor de galga (FG) antes de ser introducidos en las probetas de hormigón, concre-

tamente tras seis semanas de acondicionamiento en laboratorio (contenido en hume-

dad plenamente estabilizado). El programa experimental seguido para ello se basa en

tres niveles de tensión máxima establecidos de manera homogénea con los ensayos

Capítulo V

214

subsiguientes sobre las probetas de hormigón. Así, los intervalos de tensión —siempre

dentro del régimen elástico— alcanzaron los valores máximos de: 2 MPa (1250 N), 4

MPa (2500 N) y 6 MPa (3750 N). Las velocidades de carga-descarga fueron 100 N/s,

200 N/s y 300 N/s respectivamente.

Los ensayos se llevaron a cabo en una prensa electromecánica modelo

EMI/100/FR, de Microtest, S.A. La corriente eléctrica, de intensidad 0.1 mA, fue

aplicada mediante una fuente digital Keithley 6220, de National Instruments Inc. La

diferencia de potencial se midió con un multímetro digital Keithley 2002, de National

Instruments Inc. La deformación unitaria de cada sensor se registró conectando su

galga a un extensómetro Vishay P3, de Vishay Micro-Measurements. Se representa un

momento del ensayo de caracterización previa en la Figura 168. (izda.).

Figura 168. Izda.) Caracterización previa del sensor. Dcha.) Monitorización de la probeta a través del sensor embebido.

Los ensayos de percepción propiamente sobre las probetas de hormigón se lle-

varon a cabo siguiendo un programa muy similar. También dentro del régimen elásti-

co, se realizaron ciclos de carga-descarga bajo los mismos tres niveles de tensión

máxima: 2 MPa (35 kN), 4 MPa (70 kN) y 6 MPa (105 kN). La velocidad de carga-

descarga se tomó constante para los tres niveles de carga e igual a 1 kN/s. La opera-

tiva del ensayo es idéntica a la seguida en la fase previa de caracterización, aplican-

do entre los contactos externos una intensidad de corriente de 0.1 mA, y registrando

la diferencia de potencial entre los contactos internos, así como el dato de deforma-

ción unitaria proporcionado por la galga del sensor (también embebida). Puede verse

un momento de este ensayo en la Figura 168. (dcha.).


215


12.2.1. CARACTERIZACIÓN PREVIA DE SENSORES

Los ocho sensores prefabricados, cuatro dosificados con adición del 0.25% NTC y

cuatro adicionados al 0.50% NTC, fueron individualmente ensayados bajo los tres ni-

veles de tensión máxima a los que serán sometidos una vez se hallen embebidos en

sus respectivas probetas cilíndricas. Los cuatro primeros se identificaron con una

letra mayúscula (A, B, C y D) y los cuatro últimos con un número (5, 6, 7 y 8). La de-

signación de los dos últimos sensores de cada serie se acompañará posteriormente de

la indicación “(i)”, refiriéndose a la capa impermeabilizante aplicada previamente al

embebido. No obstante, en esta fase de caracterización previa no se hace tal distin-

ción ya que todos los sensores se hallan en idénticas condiciones.

Los resultados de esta caracterización se presentan en la Figura 169 para los

sensores con 0.25% NTC, y en la Figura 170 para los sensores con 0.50% NTC. Como

parámetro representativo de su sensibilidad se incluye el factor de galga (FG), com-

plementado por los valores estadísticos de desviación estándar y R²; las escalas de

las dos figuras se mantienen constantes para facilitar la comparativa entre ellas. De

su análisis conjunto, cabe notar el amplio rango de FG adoptado por el conjunto de

sensores, sin encontrar una relación clara entre dicho parámetro y el contenido en

NTC adicionado, tal y como ya sucediera en los estudios anteriores con probetas de

4x4x16 cm³.

Figura 169. Caracterización de los sensores embebibles adicionados con 0.25% NTC para tres niveles de tensión (2, 4 y 6 MPa). Las barras de error indican la desviación estándar de FG, y las curvas el parámetro de ajuste R².

Un comportamiento sistemáticamente observado en los ocho sensores es la

disminución del factor de galga al aumentar la tensión máxima aplicada en el ensayo.

En la mayoría de los casos, además, esa disminución va acompañada de una bajada

de su R². La confluencia de estas dos apreciaciones es indicativo de un comporta-

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

A B C D

R²

FG

Id. sensor

Sensores embebibles 0.25% NTC

2 4 6 MPa

R²(2) R²(4) R²(6 MPa)

Capítulo V

216

miento que se aleja de la linealidad conforme aumenta el nivel de tensión máxima.

Relativamente, de entre todos los sensores, el que mejor respuesta perceptiva ofre-

ció en esta primera fase, fue el sensor “A” (0.25% NTC), presentando los mayores FG

para los tres niveles de tensión máxima, acompañados de un aceptable ajuste lineal

evaluado a través de R². A continuación, le seguiría el sensor “5” (0.50% NTC), con

valores de FG algo inferiores pero presentando también un buen R².

Figura 170. Caracterización de los sensores embebibles adicionados con 0.50% NTC para tres niveles de tensión (2, 4 y 6 MPa). Las barras de error indican la desviación estándar de FG, y las curvas el parámetro de ajuste R².

12.2.2. ENSAYOS DE PROBETAS CON SENSORES EMBEBIDOS

En la segunda fase del programa experimental, las probetas cilíndricas de hor-

migón fueron monitorizadas por medio de sus sensores embebidos, al tiempo que

eran sometidas a ciclos de carga-descarga bajo la misma tensión máxima alcanzada

en la fase previa de caracterización. Los resultados de estos ensayos se muestran en

la Figura 171 para las probetas que albergan los sensores 0.25% NTC, y en la Figura

172 para las probetas que embeben los sensores 0.50% NTC. La primera apreciación

inesperada es la nula influencia atribuible al efecto de la capa impermeabilizante

aplicada a la mitad de los sensores.

En su análisis conjunto, se detecta en general un acusado aumento del ruido de

la señal eléctrica en relación a la respuesta piezorresistiva. En realidad, este efecto

es una magnificación del gran decremento de sensibilidad experimentado por todos

los sensores. Tómese como ejemplo ilustrativo el sensor “A”, el que presenta nueva-

mente la mejor respuesta piezorresistiva ante los tres niveles de tensión máxima

ensayados. Se incluyen sus valores de FG calculados en esta segunda fase del estudio

en la Figura 173 (izda.), donde puede notarse la disminución experimentada por

comparación con sus valores previos, representados en la Figura 169. El descenso de

FG se cuantifica aproximadamente en un 90% para los tres niveles de tensión. Análo-

gamente a lo que se observó en la fase previa, en este caso también sucede que los

valores de FG disminuyen al aumentar la tensión máxima aplicada.

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

5 6 7 8

R²

FG

Id. sensor

Sensores embebibles 0.50% NTC

2 4 6 MPa

R²(2) R²(4) R²(6 MPa)


217

Figura 171. Ensayos de percepción de sensores embebidos dosificados al 0.25% NTC, para tres niveles de tensión máxima (2, 4 y 6 MPa). Las gráficas de la izda. representan la variación de resistencia eléctrica y la tensión

mecánica frente al tiempo. Las gráficas de la dcha. representan la variación de resistencia eléctrica frente a la deformación unitaria.

-8

-6

-4

-2

0 -1.4

-1.2

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0 70 140 210

Tensi

ón,

σ (

MPa)

ΔR/R₀

(%)

Tiempo (s)

2 MPa

A B C(i) D(i) σ

-0.01

-0.008

-0.006

-0.004

-0.002

2E-17

-8E-05 -4E-05 1E-19

ΔR/R₀


2 MPa

A B C(i) D(i)

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0 -2

-1.6

-1.2

-0.8

-0.4

0

0 140 280 420

Tensi

ón,

σ (

MPa)

ΔR/R₀

(%)

Tiempo (s)

4 MPa

A B C(i) D(i) σ

-0.012

-0.01

-0.008

-0.006

-0.004

-0.002

3E-17

-0.00015 -0.0001 -5E-05 3E-19

ΔR/R₀


4 MPa

A B C(i) D(i)

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0 -2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0 196 392 588

Tensi

ón,

σ (

MPa)

ΔR/R₀

(%)

Tiempo (s)

6 MPa

A B C(i) D(i) σ

-0.014

-0.012

-0.01

-0.008

-0.006

-0.004

-0.002

3E-17

-0.00025 -0.00015 -5E-05

ΔR/R₀


6 MPa

A B C(i) D(i)

Capítulo V

218

Figura 172. Ensayos de percepción de sensores embebidos dosificados al 0.50% NTC, para tres niveles de tensión máxima (2, 4 y 6 MPa). Las gráficas de la izda. representan la variación de resistencia eléctrica y la tensión

mecánica frente al tiempo. Las gráficas de la dcha. representan la variación de resistencia eléctrica frente a la deformación unitaria.

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 -0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0 70 140 210

Tensi

ón,

σ (

MPa)

ΔR/R₀

(%)

Tiempo (s)

2 MPa

5 6 7(i) 8(i) σ

-0.003

-0.002

-0.001

0

-8E-05 -5E-05 -2E-05

ΔR/R₀


2 MPa

5 6 7(i) 8(i)

-10

-8

-6

-4

-2

0 -0.6

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

-1E-15

0 140 280 420

Tensi

ón,

σ (

MPa)

ΔR/R₀

(%)

Tiempo (s)

4 MPa

5 6 7(i) 8(i) σ

-0.003

-0.002

-0.001

0

-0.00014 -1E-04 -6E-05 -2E-05

ΔR/R₀


4 MPa

5 6 7(i) 8(i)

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0 -0.7

-0.6

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

-1E-15

0 196 392 588

Tensi

ón,

σ (

MPa)

ΔR/R₀

(%)

Tiempo (s)

6 MPa

5 6 7(i) 8(i) σ

-0.004

-0.003

-0.002

-0.001

1E-17

-0.0002 -0.00014 -8E-05 -2E-05

ΔR/R₀


6 MPa

5 6 7(i) 8(i)


219

En la Figura 173 (dcha.) se ha incluido también el cálculo de FG para el caso

del sensor “5”, que nuevamente y de manera relativa, vuelve a presentar la mejor

respuesta perceptiva de entre los sensores dosificados al 0.50% NTC. Se acusa tam-

bién en esta figura una disminución del factor de galga de entre 95-98% con respecto

a los valores ofrecidos en la fase previa de caracterización (Figura 169). No se apre-

cia, sin embargo, la disminución de FG al aumentar la tensión máxima, probablemen-

te debido a la menor sensibilidad de este sensor. Se constata así, la mejor respuesta

perceptiva del sensor “A” sobre el sensor “5”, como se viera en la fase previa.

Figura 173. Factor de galga de los sensores A (0.25% NTC) y 5 (0.50% NTC), una vez embebidos en hormigón.

La explicación a la acusada disminución de la respuesta perceptiva de los sen-

sores en la fase de post-embebido, con respecto al momento pre-embebido viene

dada por la compatibilidad de deformaciones que, según teoría de la elasticidad, ha

de cumplirse en todo el contorno del sensor una vez embebido. En efecto, dada la

mayor rigidez del hormigón que rodea al sensor, éste ve restringido su rango de de-

formaciones a un intervalo menor. Lo indicado puede apreciarse con nitidez en la

Figura 174 para el caso del sensor A en el ensayo de hasta 4 MPa de tensión. Al ser

embebido, éste sensor ve disminuida la amplitud de su deformación unitaria a menos

de la mitad de la deformación original, cuando no estaba embebido.

El comportamiento descrito se ha podido constatar para todos y cada uno de los

sensores, por comparación de los módulos elásticos obtenidos antes y después de ser

embebidos. Véase su reporte en la Tabla 30 para los sensores con adición de 0.25%

NTC, y en la Tabla 31 para los sensores dosificados al 0.50% NTC. En estas tablas se

indica para cada sensor su módulo de elasticidad obtenido como valor medio de las

tres curvas tensión-deformación bajo los tres niveles de tensión máxima de cada en-

sayo; se indica asimismo la desviación estándar y el coeficiente del ajuste lineal R².

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0

20

40

60

80

100

120

2 MPa 4 MPa 6 MPa

R²

FG

Sensor embebido A (0.25% NTC)

R²

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0

10

20

30

40

2 MPa 4 MPa 6 MPa

R²

FG

Sensor embebido 5 (0.50% NTC)

R²

Capítulo V

220

Figura 174. Deformaciones longitudinales unitarias registradas por el sensor A (0.25% NTC) ante el mismo estado tensional (tensión máxima 4 MPa), en la fase de pre-embebido (izda.) y una vez ya embebido (dcha.).

A través de la relación σ=E·ε, y para un mismo estado tensional, la deformación

longitudinal unitaria registrada en el ensayo post-embebido disminuirá en la misma

proporción en la que aumente el módulo de elasticidad E. Cabe aclarar que el módu-

lo E reflejado en la fase de post-embebido no es el propio del sensor —aunque sea su

galga adherida la que registra el dato de ε—, sino que se trata de una caracterización

del hormigón que le rodea, cuya rigidez es la que prevalece en el estado de deforma-

ciones del sistema conjunto.

Tabla 30. Comparativa de módulos elásticos obtenidos antes y después del embebido de los sensores 0.25% NTC en probetas de hormigón.

Pre-embebido Post-embebido

Id. sensor Módulo E (MPa) DE R² Módulo E (MPa) DE R²

A 12935 510 0.994 30122 85 0.998

B 12445 769 0.992 31368 506 0.995

C 19163 564 0.995 30815 19 0.999

D 16793 331 0.993 27998 152 0.999

Promedio 15334 544 0.993 30076 190 0.998

Tabla 31. Comparativa de módulos elásticos obtenidos antes y después del embebido de los sensores 0.50% NTC en probetas de hormigón.

Pre-embebido Post-embebido

Id. sensor Módulo E (MPa) DE R² Módulo E (MPa) DE R²

5 13501 689 0.986 32372 196 0.999

6 12919 834 0.984 29531 177 0.999

7 20827 586 0.992 32018 110 0.999

8 10484 950 0.979 30635 262 0.998

Promedio 14433 765 0.985 31139 186 0.999

-10

-8

-6

-4

-2

0 -600

-500

-400

-300

-200

-100

0

0 25 50 75

Tensi

ón,

σ (

MPa)

Defo

rmació

n u

nit

ari

a,

µε

Tiempo (s)

Sensor A, pre-embebido

ε σ

-10

-8

-6

-4

-2

0 -600

-500

-400

-300

-200

-100

0

0 140 280 420

Tensi

ón,

σ (

MPa)

Defo

rmació

n u

nit

ari

a,

µε

Tiempo (s)

Sensor A, post-embebido

ε σ


221

Aunque no se disponen de medidas experimentales que lo verifiquen, cabe pos-

tular —análogamente a lo descrito en la dirección longitudinal (acortamiento en el

eje X)— también un diferente comportamiento en las direcciones transversales (alar-

gamiento en los ejes Y y Z). La consideración de diferentes deformaciones transver-

sales para el sensor y para el hormigón, en base a diferentes coeficientes de Poisson,

supone una hipótesis complementaria que podría estar contribuyendo en esa dismi-

nución detectada en la capacidad perceptiva de los sensores al ser embebidos.

Tras esta descripción del diferente comportamiento mecánico descrito por el

sensor en las fases de pre-embebido y post-embebido, es razonable que la respuesta

eléctrica también sea diferente. Si el sensor una vez embebido se deforma menos, el

fenómeno piezorresistivo que se produce por un acercamiento de las partículas con-

ductoras en el seno del composite será también más débil, máxime cuando la propia

respuesta piezorresistiva del sensor ya era, originalmente, dependiente del nivel de

tensión aplicada, y por ende del estado de deformaciones.


En este último estudio del capítulo de función de percepción de la deformación

se ha profundizado en el comportamiento de una de las posibles formas de imple-

mentación de los composites cementicios adicionados con NTC: el embebido de sen-

sores prefabricados. Las conclusiones más relevantes que pueden extraerse de este

estudio son las siguientes:

Para las dosificaciones del 0.25% y 0.50% no se observa una relación definida

entre el contenido en adición y la sensibilidad perceptiva de los composites.

La geometría de sensores 2.5x2.5x10 cm³, ensayada por primera vez, da lugar

a un comportamiento piezorresistivo no lineal. En una aproximación, la carac-

terización mediante el factor de galga indica una menor sensibilidad a medida

que aumenta el nivel de tensión máxima aplicada (2, 4 y 6 MPa).

Los sensores embebidos, de ambas dosificaciones, son capaces de percibir la

aplicación de ciclos de carga-descarga en los tres niveles de tensión máxima

especificados (2, 4 y 6 MPa). Sin embargo, no se obtienen diferencias de com-

portamiento atribuibles a la capa impermeabilizante en los casos en que fue

aplicada.

Los sensores actuando desde el interior del hormigón (una vez embebidos) su-

fren una importante merma en su sensibilidad perceptiva. Su caracterización

a través del parámetro FG presenta disminuciones del orden del 90%.

Se ha visto en la compatibilidad de deformaciones una importante variación

del comportamiento mecánico del sensor embebido, que constituye la princi-

pal hipótesis explicativa de la disminución de FG detectada. La mayor rigidez

del hormigón que le rodea, restringe su amplitud de deformaciones, y con ello

su respuesta perceptiva.

223

CAPÍTULO VI: CONCLUSIONES

GENERALES Y FUTURAS VÍAS DE

INVESTIGACIÓN

Conclusiones generales y futuras vías de investigación

225

13. CONCLUSIONES GENERALES

A partir del conjunto de resultados experimentales presentado, se pueden es-

tablecer las siguientes conclusiones generales:

Entre las técnicas disponibles para la dispersión de los NTC, es el tratamiento

combinado (aplicación conjunta de técnicas físicas y químicas) el que muestra

los mejores resultados, prevaleciendo la capacidad dispersante de los ultraso-

nidos frente a la acción de policarboxilatos o surfactantes. Además, el efecto

óptimo se logra al término del tratamiento, evitando la posibilidad de re-

aglomeración.

Los morteros con NTC en contenidos hasta el 0.5% no experimentan variacio-

nes muy significativas en sus características mecánicas respecto a los morte-

ros patrón (sin NTC). En general, tomando como referencia la edad de 28 días,

la resistencia a compresión y VPU aumentaron en los morteros adicionados,

mientras que la resistencia a flexotracción y densidad disminuyeron ligera-

mente; en todo caso, en esas variaciones no se observa proporcionalidad con

el porcentaje de NTC dosificado.

La adición de NTC a la matriz cementicia puede implicar un aumento del nivel

de desarrollo de la pila de corrosión en condiciones agresivas, como la carbo-

natación del recubrimiento y el ingreso de iones cloruro.

Ante un ataque de contaminación por cloruros internos, los tres ánodos de es-

tudio (1%, 5% y 10% NTC) en la técnica de EEC han demostrado su eficacia,

proporcionando eficiencias muy similares entre sí, en torno al 50-52%, al igual

que el ánodo de referencia (malla Ti-RuO2). No puede, por tanto, asociarse

una mejor eficiencia a un mayor contenido en NTC.

En el caso de un ataque por contaminación de cloruros externos, los ánodos

de estudio (1% y 0.5% NTC) sí presentan en este caso diferentes eficiencias. El

ánodo de mejor rendimiento es el de referencia, con una eficiencia media del

96%, seguido del ánodo 1% NTC (80%) y el ánodo 0.5% NTC (56%).

En cuanto a la función de apantallamiento EMI, la inclusión de dos tipos de

adiciones conductoras por separado, NTC y FC, mejora la efectividad del

apantallamiento total en las dos frecuencias ensayadas (500 MHz y 1 GHz).

Siendo el composite híbrido más adicionado [1% NTC + 1% FC] el que mayor

nivel de apantallamiento ofrece, se atribuye a la FC una mayor contribución

en la capacidad apantallante del material resultante.

Sobre la función de percepción de la deformación, el primer estudio reveló el

fenómeno piezorresistivo en todos los composites —contenidos en NTC: 0.05,

0.10, 0.25 y 0.50% NTC— desde la primera edad ensayada (14 días) bajo las

tres intensidades de corriente aplicadas —0.1, 1 y 10 mA—. No obstante el

grado de correlación mejora para edades superiores (a partir de 28 días), y

Capítulo VI

226

sobre todo, cuando las probetas se dejan secar en laboratorio, lográndose la

mayor estabilidad y repetibilidad de las medidas.

Evaluando los parámetros de carga, la velocidad de aplicación de la misma se

ha visto una variable sin influencia significativa en la sensiblidad perceptiva.

En cambio, sí se verá influenciada por la carga máxima aplicada en tanto en

cuanto el comportamiento piezorresistivo de la probeta se aleje de la lineali-

dad. En todo caso, asumiendo comportamientos lineales los ajustes obtenidos

resultan aceptables en la práctica totalidad de los ensayos de laboratorio.

Las probetas adicionadas al 0.50% NTC son capaces de mantener su capacidad

piezorresistiva tras el carbonatado de la matriz cementicia, incluso aumen-

tando ligeramente su factor de galga (cambio atribuido a una variación de la

respuesta mecánica más que eléctrica). Por el contrario, la piezorresistividad

de las probetas patrón se ve seriamente mermada.

Ante un ataque por cloruros externos todas las probetas (armadas) continúan

percibiendo su estado de carga, si bien su sensibilidad se ve bastante reduci-

da, especialmente en la dosificación patrón, cercana ya a su agotamiento.

En cuanto al ataque interno por cloruros, la evolución registrada para el pe-

riodo de estudio no permite concluir consistentes diferencias atribuidas al

contenido en masa del 3% de cloruros. En ese tiempo no se detectaron a

través del parámetro k (análogo a FG) evidencias de los procesos de corrosión

activos, revelados por sus correspondientes velocidades de corrosión.

Los ensayos realizados exclusivamente con patrones sólo proporcionan una

sensibilidad caracterizable cuando las probetas son sometidas a un acondicio-

namiento previo (estufa 500C). De otro modo, los efectos de polarización

tienden a predominar sobre la percepción de la deformación.

Ante el más estricto control de humedad realizado, las probetas bajo satura-

ción prácticamente total ven inhibido su mecanismo piezorresistivo, indepen-

dientemente de la adición en NTC. La pérdida libre de parte de su contenido

en humedad bajo condiciones de laboratorio permite activar la percepción de

la deformación. Si se continúa secando a mayor temperatura, las probetas con

0.50% NTC alcanzarán su factor k máximo para un determinado contenido en

humedad, superado el cual la piezorresistividad del composite se ve sometida

a distorsiones si se sigue extrayendo humedad de su interior.

Las tres formas de implementación de sensores: embebidos, externos in situ y

externos prefabricados, resultan válidas para desempeñar la función de per-

cepción de la deformación en un elemento estructural. Sin embargo, al ser

embebido en el hormigón el primer tipo presenta un comportamiento diferen-

te a su caracterización previa al hormigonado.

Los dos modos de aplicación in situ (extendido y proyectado), en combinación

con los dos tipos de electrodos (fibra de carbono y acero inoxidable) se de-

muestran aptos para la instrumentación de sensores piezorresistivos. El aspec-

to clave que cualquiera de ellos debe garantizar es la perfecta adherencia al

elemento en estudio; para ello, se recomienda el uso de un puente de unión.

Conclusiones generales y futuras vías de investigación

227

Los sensores externos de los dos pilares, aun fabricados con NTC de distinta

procedencia, han reportado valores de sensibilidad piezorresistiva compara-

bles para los mismos estados tensionales. La diferente geometría no se ha vis-

to con influencia significativa en su respuesta eléctrica.

En cuanto al comportamiento perceptivo de los sensores externos, se ha podi-

do constatar su carácter no lineal en un sensor tipo de cada pilar. No obstan-

te, el FG supone una aproximación que permite su descripción sin gran des-

viación del ajuste R².

Pequeños sensores embebidos en probetas de hormigón en masa, adicionados

al 0.25% y 0.50% NTC, son capaces de percibir la aplicación de ciclos de carga-

descarga en los tres niveles de tensión máxima especificados (2, 4 y 6 MPa).

Sin embargo, al ser embebidos sufren una importante merma en su sensibili-

dad perceptiva, respecto de su sensibilidad original. La disminución de FG de-

tectada se explica por la compatibilidad de deformaciones del sistema hor-

migón-sensor, en el que la mayor rigidez del hormigón restringe el nivel de

deformaciones del sensor, y con ello su respuesta perceptiva.

14. FUTURAS VÍAS DE INVESTIGACIÓN

Con el fin de avanzar en la ciencia y tecnología de los composites cementicios

con adición de NTC, y considerando las experiencias desarrolladas en el presente

trabajo, se proponen las líneas de investigación siguientes:

Continuar indagando en el problema de la dispersión. El logro de un material

homogéneo es clave para un buen comportamiento mecánico, así como para

el desempeño de las distintas funciones solicitadas en cada caso.

» Optimizar la energía aplicada por ultrasonidos y su efectividad resul-

tante. Para una potencia de sonicador dada, hallar el tiempo requeri-

do para la correcta dispersión en una determinada cantidad de disolu-

ción.

» Profundizar en el estudio de la dispersión de los NTC en el seno de la

matriz cementicia (composite resultante). Se apunta aquí la técnica

EDX como una posible herramienta cuantitativa válida para evaluar la

homogeneidad lograda.

Caracterización mecánica de morteros adicionados con NTC sin adición de

plastificante. Sólo así se pueden dilucidar variaciones plenamente atribuibles

al contenido creciente en NTC. Manteniendo relación a/c constante, la traba-

jabilidad, junto con el resto de propiedades, variará con la dosificación; todas

las modificaciones serán inducidas por la misma variable.

Avanzar en el conocimiento de los mecanismos de corrosión de armaduras

embebidas en composites cementicios con NTC. Los resultados obtenidos

Capítulo VI

228

muestran ciertos incrementos en los niveles de corrosión de las armaduras.

Siendo éste el fundamental mecanismo de deterioro de elementos estructura-

les, deberá ser objeto de nuevos estudios que corroboren los datos aquí obte-

nidos. Se propone también en este caso la restricción al uso de plastificantes,

al objeto de facilitar la interpretación en relación al contenido en NTC.

En cuanto a la función de EEC, existe margen para profundizar en la optimiza-

ción de las eficiencias alcanzadas. En el caso de una contaminación interna se

pueden estudiar dosificaciones inferiores al 0.5% NTC y comparar con los re-

sultados aquí reportados. Otra variable susceptible de tratamiento de cara a

la optimización del recurso energético —no sólo de la adición incorporada— es

la densidad de carga aplicada.

En relación a la función de apantallamiento EMI cabe también la búsqueda de

dosificaciones optimizadas, apuntando los resultados en la dirección de las

adiciones híbridas. Para aplicaciones específicas sería interesante ampliar el

rango de frecuencias y evaluar en él el nivel de apantallamiento que los com-

posites híbridos pueden proporcionar.

Respecto de la función de percepción de la deformación queda aún camino

por recorrer para la perfecta comprensión del mecanismo piezorresistivo:

» En primer lugar, se debe continuar indagando en la piezorresistividad

mostrada por las pastas patrón (sin adición) en determinadas condicio-

nes. El mejor entendimiento de su comportamiento con toda probabi-

lidad aportaría luz al modelo perceptivo de los composites adicionados

con NTC, u otras adiciones carbonosas.

» En estrecha relación con lo anterior, abordar nuevamente la influencia

del grado de saturación en la capacidad perceptiva de los composites y

el fenómeno de polarización. En el desarrollo de sensores se busca la

obtención de respuestas estables, repetibles y reproducibles.

» Profundizar en las causas de la no-linealidad cuando se produce esta

respuesta piezorresistiva. Bajo ensayos de laboratorio, donde la carga-

descarga es plenamente controlada, el factor K propuesto puede facili-

tar la comprensión del fenómeno.

» Perfeccionar las formas de implementación de sensores en elementos

estructurales. La experiencia con los dos pilares haría decantarse por

la instalación de dispositivos prefabricados que aseguren la correcta

transmisión de deformaciones del elemento al sensor.

» Acometer nuevos diseños experimentales con sensores embebidos,

donde se profundice en la influencia de la diferente rigidez relativa

entre el sensor y el material en el que se halle embebido.

229

CAPÍTULO VII: REFERENCIAS E

ÍNDICES

Referencias e índices

231

15. BIBLIOGRAFÍA

ABU AL-RUB, R.K., ASHOUR, A.I. y TYSON, B.M., 2012. On the aspect ratio effect of multi-walled carbon nanotube reinforcements on the mechanical properties of cementitious nanocomposites. Construction and Building Materials, vol. 35, pp. 647-655. ISSN 09500618. DOI 10.1016/j.conbuildmat.2012.04.086.

ALBERTI, M.G., ENFEDAQUE, A. y GÁLVEZ, J.C., 2014. On the mechanical properties and fracture behavior of polyolefin fiber-reinforced self-compacting concrete. Construction and Building Materials, vol. 55, pp. 274-288. ISSN 09500618. DOI 10.1016/j.conbuildmat.2014.01.024.

ALCOCEL, E.G., GARCES, P., MARTINEZ, J.J., PAYA, J. y ANDION, L.G., 2006. Effect of sewage sludge ash (SSA) on the mechanical performance and corrosion levels of reinforced Portland cement mortars. Materiales de Construcción, vol. 56, no. 282, pp. 31-43. ISSN 0465-2746.

ALONSO, C., ANDRADE, C. y GONZÁLEZ, J.A., 1988. Relation between resistivity and corrosion rate of reinforcements in carbonated mortar made with several cement types. Cement and Concrete Research, vol. 18, no. 5, pp. 687-698. ISSN 0008-8846. DOI http://dx.doi.org/10.1016/0008-8846(88)90091-9.

ANDRADE, C., ALONSO, M.C. y SARRIA, J., 1998. Influencia de la humedad relativa y la temperatura en las velocidades de corrosión de estructuras de hormigón. Materiales de Construcción, vol. 48, no. 251, pp. 5-17.

ANDRADE, C., GARCÉS, P., BAEZA, F.J., GALAO, Ó. y ZORNOZA, E., 2015. Electronic and Electrolytic Conduction of Cement Pastes with Additions of Carbonaceous Materials. Durability of Reinforced Concrete from Composition to Protection. S.l.: Springer, pp. 169-178. ISBN 978-3-319-09920-0.

ANDRADE, C. y GONZÁLEZ, J.A., 1978. Quantitative measurements of corrosion rate of reinforcing steels embedded in concrete using polarization resistance measurements. Materials and Corrosion, vol. 29, no. 8, pp. 515-519. ISSN 0947-5117.

ASTM D4935-10. Standard Test Method for Measuring the Electromagnetic Shielding Effectiveness of Planar Materials, 2010. 2010. West Conshohocken, PA: ASTM International.

AZHARI, F. y BANTHIA, N., 2012. Cement-based sensors with carbon fibers and carbon nanotubes for piezoresistive sensing. Cement and Concrete Composites, vol. 34, no. 7, pp. 866-873. ISSN 09589465. DOI 10.1016/j.cemconcomp.2012.04.007.

BAEZA, F.J., 2011. Función de percepción de la deformación en matrices cementicias conductoras mediante adición de fibras de carbono. S.l.: Universidad de Alicante.

BAEZA, F.J., GALAO, O., ZORNOZA, E. y GARCÉS, P., 2013. Multifunctional cement composites strain and damage sensors applied on reinforced concrete (RC) structural elements. Materials, vol. 6, no. 3, pp. 841-855. ISSN 19961944. DOI 10.3390/ma6030841.

BANDARU, P.R., 2007. Electrical Properties and Applications of Carbon Nanotube Structures. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, vol. 7,

Capítulo VII

232

no. 3, pp. 1-29. ISSN 15334880. DOI 10.1166/jnn.2007.307. BHARJ, J., SINGH, S., CHANDER, S. y SINGH, R., 2014. Experimental study on

compressive strength of cement-CNT composite paste. INDIAN JOURNAL OF PURE & APPLIED PHYSICS, vol. 52, no. 1, pp. 35-38. ISSN 0019-5596.

BUCKMINSTER FULLERENE. [en línea], 2002. [Consulta: 11 abril 2016]. Disponible en: http://www.chm.bris.ac.uk/webprojects2002/knowles/.

CAMACHO, C., GALAO, O., BAEZA, F.J., ZORNOZA, E. y GARCÉS, P., 2014. Mechanical properties and durability of CNT cement composites. Materials, vol. 7, no. 3, pp. 1640-1651. ISSN 19961944. DOI 10.3390/ma7031640.

CAMACHO-BALLESTA, C., GARCÉS, P. y ZORNOZA, E., 2016. Performance of cement-based sensors with CNT for strain sensing. Advances in Cement Research, vol. 28, no. 4, pp. 274-284.

CAMPILLO, I., DOLADO, J.S. y PORRO, A., 2004. High-Performance Nanostructured Materials for Construction. Nanotechnology in Construction. S.l.: The Royal Society of Chemistry, pp. 215-225. ISBN 978-0-85404-623-2.

CAÑÓN, A., GARCÉS, P., CLIMENT, M.A., CARMONA, J. y ZORNOZA, E., 2013. Feasibility of electrochemical chloride extraction from structural reinforced concrete using a sprayed conductive graphite powder-cement paste as anode. Corrosion Science, vol. 77, pp. 128-134. ISSN 0010938X. DOI 10.1016/j.corsci.2013.07.035.

CAO, J. y CHUNG, D.D.L., 2004. Electric polarization and depolarization in cement-based materials, studied by apparent electrical resistance measurement. Cement and Concrete Research, vol. 34, no. 3, pp. 481-485. ISSN 00088846. DOI 10.1016/j.cemconres.2003.09.003.

CARMONA, J., 2014. Pasta de grafito-cemento como ánodo en tratamientos electroquímicos contra la corrosión causada por cloruros en estructuras de hormigón armado. S.l.: Universidad de Alicante.

CARMONA, J., GARCÉS, P. y CLIMENT, M.A., 2015. Efficiency of a conductive cement-based anodic system for the application of cathodic protection, cathodic prevention and electrochemical chloride extraction to control corrosion in reinforced concrete structures. Corrosion Science, vol. 96, pp. 102-111. ISSN 0010938X. DOI 10.1016/j.corsci.2015.04.012.

CATALÁ, G., RAMOS-FERNÁNDEZ, E. V, ZORNOZA, E., ANDIÓN, L.G. y GARCÉS, P., 2011. Influence of the oxidation process of carbon material on the mechanical properties of cement mortars. Journal of Materials in Civil Engineering, vol. 23, no. 3, pp. 321-329. ISSN 0899-1561. DOI 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0000175.

CLIMENT, M.A., DE VERA, G., VIQUEIRA, E. y LÓPEZ-ATALAYA, M.M., 2004. Generalization of the possibility of eliminating the filtration step in the determination of acid-soluble chloride content in cement and concrete by potentiometric titration. Cement and Concrete Research, vol. 34, no. 12, pp. 2291-2295. ISSN 00088846. DOI 10.1016/j.cemconres.2004.04.012.

CLIMENT, M.A., VIQUEIRA, E., DE VERA, G. y LÓPEZ-ATALAYA, M.M., 1999. Analysis of acid-soluble chloride in cement, mortar, and concrete by potentiometric titration without filtration steps. Cement and Concrete Research, vol. 29, no. 6, pp. 893-898. ISSN 00088846. DOI 10.1016/S0008-8846(99)00063-0.

COLLINS, F., LAMBERT, J. y DUAN, W.H., 2012. The influences of admixtures


233

on the dispersion, workability, and strength of carbon nanotube-OPC paste mixtures. Cement and Concrete Composites, vol. 34, no. 2, pp. 201-207. ISSN 09589465. DOI 10.1016/j.cemconcomp.2011.09.013.

CWIRZEN, A., HABERMEHL-CWIRZEN, K. y PENTTALA, V., 2008. Surface decoration of carbon nanotubes and mechanical properties of cement/carbon nanotube composites. ADVANCES IN CEMENT RESEARCH, vol. 20, no. 2, pp. 65-73. ISSN 0951-7197. DOI 10.1680/adcr.2008.20.2.65.

CHAIPANICH, A., NOCHAIYA, T., WONGKEO, W. y TORKITTIKUL, P., 2010. Compressive strength and microstructure of carbon nanotubes–fly ash cement composites. Materials Science and Engineering: A, vol. 527, no. 4-5, pp. 1063-1067. ISSN 09215093. DOI 10.1016/j.msea.2009.09.039.

CHEN, S.J., ZOU, B., COLLINS, F., ZHAO, X.L., MAJUMBER, M. y DUAN, W.H., 2014. Predicting the influence of ultrasonication energy on the reinforcing efficiency of carbon nanotubes. Carbon, vol. 77, pp. 1-10. ISSN 00086223. DOI 10.1016/j.carbon.2014.04.023.

CHIARELLO, M. y ZINNO, R., 2005. Electrical conductivity of self-monitoring CFRC. Cement and Concrete Composites, vol. 27, no. 4, pp. 463-469. ISSN 09589465. DOI 10.1016/j.cemconcomp.2004.09.001.

CHUNG, D.D.L., 2000. Materials for electromagnetic interference shielding. Journal of Materials Engineering and Performance, vol. 9, pp. 350-354. ISSN 00945765. DOI 10.1016/j.actaastro.2011.06.004.

CHUNG, D.D.L., 2001. Functional properties of cement-matrix composites. Journal of Materials Science, vol. 36, no. 6, pp. 1315-1324. ISSN 1573-4803. DOI 10.1023/A:1017522616006.

CHUNG, D.D.L., 2002a. Electrical conduction behavior of cement-matrix composites. Journal of Materials Engineering and Performance, vol. 11, no. April, pp. 194-204. ISSN 1059-9495. DOI 10.1361/105994902770344268.

CHUNG, D.D.L., 2002b. Piezoresistive cement-based materials for strain sensing. JOURNAL OF INTELLIGENT MATERIAL SYSTEMS AND STRUCTURES, vol. 13, no. 9, pp. 599-609. ISSN 1045-389X. DOI 10.1106/104538902031861.

CHUNG, D.D.L., 2003. Composite Materials: Functional Materials for Modern Technologies. book. S.l.: Springer London. Engineering Materials and Processes. ISBN 9781447137320.

CHUNG, D.D.L., 2004. Multifunctional cement-based materials. New York: Marcel Dekker Inc. ISBN 0824746104.

CHUNG, D.D.L., 2005. Dispersion of short fibers in cement. JOURNAL OF MATERIALS IN CIVIL ENGINEERING, vol. 17, no. 4, pp. 379-383. ISSN 0899-1561. DOI 10.1061/(ASCE)0899-1561(2005)17:4(379).

DEL MORAL, B., GALAO, Ó., ANTÓN, C., CLIMENT, M.A. y GARCÉS, P., 2013. Usability of cement paste containing carbon nanofibres as an anode in electrochemical chloride extraction from concrete. Materiales de Construcción, vol. 63, no. 309, pp. 39-48. ISSN 0465-2746. DOI 10.3989/mc.2012.03111.

EATEMADI, A., DARAEE, H., KARIMKHANLOO, H., KOUHI, M. y ZARGHAMI, N., 2014. Carbon nanotubes  : properties, synthesis, purification, and medical applications. Nanoscale Research Letters, vol. 9, no. 1, pp. 393. DOI 10.1186/1556-276X-9-393.

EHE-08. Instrucción de Hormigón Estructural, 2008. 2008. S.l.: Ministerio de

Capítulo VII

234

Fomento. FU, X. y CHUNG, D.D.L., 1996. Submicron carbon filament cement-matrix

composites for electromagnetic interference shielding. Cement and Concrete Research, vol. 26, no. 10, pp. 1467-1472. ISSN 00088846. DOI 10.1016/0008-8846(96)00146-9.

FU, X. y CHUNG, D.D.L., 1998. Submicron-diameter-carbon-filament cement-matrix composites. 1Carbon, vol. 36, no. 4, pp. 459–462.

GALAO, Ó., 2012. Matrices cementicias multifuncionales mediante adición de Nanofibras de Carbono. S.l.: Universidad de Alicante.

GALAO, O., BAEZA, F.J., ZORNOZA, E. y GARCÉS, P., 2014. Strain and damage sensing properties on multifunctional cement composites with CNF admixture. Cement and Concrete Composites, vol. 46, pp. 90-98. ISSN 09589465. DOI 10.1016/j.cemconcomp.2013.11.009.

GALAO, O., ZORNOZA, E., BAEZA, F.J., BERNABEU, A. y GARCÉS, P., 2012. Efecto de la adición de nanofibras de carbono en las propiedades mecánicas y de durabilidad de materiales cementantes. Materiales de Construcción, vol. 62, no. 307, pp. 343-357. ISSN 0465-2746. DOI 10.3989/mc.2012.01211.

GARCÉS, P., SÁNCHEZ DE ROJAS, M.J. y CLIMENT, M.A., 2006. Effect of the reinforcement bar arrangement on the efficiency of electrochemical chloride removal technique applied to reinforced concrete structures. Corrosion Science, vol. 48, no. 3, pp. 531-545. ISSN 0010938X. DOI 10.1016/j.corsci.2005.02.010.

GARCÉS, P., ZORNOZA, E., GARCÍA, L., BAEZA, F.J. y GALAO, Ó., 2010. Hormigones Conductores Multifuncionales. 1a ed. S.l.: Editorial Club Universitario. ISBN 9788499480800.

GONZÁLEZ, J.A., 1989. Control de la corrosión: estudio y medida por técnicas electroquímicas. S.l.: CSIC. ISBN 84-00-6990-0.

GROBERT, N., 2007. Carbon nanotubes - becoming clean. Materials Today, vol. 10, no. 1-2, pp. 28-35. ISSN 13697021. DOI 10.1016/S1369-7021(06)71789-8.

HAMMOND, E. y ROBSON, T.D., 1955. Comparison of electrical properties of various cements and concretes. The Engineer, vol. 199, pp. 78-80, 114-115.

HAN, B., DING, S. y YU, X., 2015. Intrinsic self-sensing concrete and structures: A review. Measurement, vol. 59, pp. 110-128. ISSN 02632241. DOI 10.1016/j.measurement.2014.09.048.

HAN, B., SUN, S., DING, S., ZHANG, L., YU, X. y OU, J., 2015. Review of nanocarbon-engineered multifunctional cementitious composites. COMPOSITES PART A, vol. 70, pp. 69-81. ISSN 1359-835X. DOI 10.1016/j.compositesa.2014.12.002.

HAN, B., YANG, Z., SHI, X. y YU, X., 2013. Transport properties of carbon-nanotube/cement composites. Journal of Materials Engineering and Performance, vol. 22, no. 1, pp. 184-189. ISSN 10599495. DOI 10.1007/s11665-012-0228-x.

HAN, B., YU, X. y KWON, E., 2009. A self-sensing carbon nanotube/cement composite for traffic monitoring. Nanotechnology, vol. 20, no. 44, pp. 445501. ISSN 1361-6528. DOI 10.1088/0957-4484/20/44/445501.

HAN, B., YU, X., KWON, E. y OU, J., 2012. Effects of CNT concentration level and water/cement ratio on the piezoresistivity of CNT/cement


235

composites. Journal of Composite Materials, vol. 46, no. 1, pp. 19-25. ISSN 0021-9983. DOI 10.1177/0021998311401114.

HAN, B., ZHANG, K., YU, X., KWON, E. y OU, J., 2012. Electrical characteristics and pressure-sensitive response measurements of carboxyl MWNT/cement composites. Cement and Concrete Composites, vol. 34, no. 6, pp. 794-800. ISSN 09589465. DOI 10.1016/j.cemconcomp.2012.02.012.

HANUS, M.J. y HARRIS, A.T., 2013. Nanotechnology innovations for the construction industry. Progress in Materials Science, vol. 58, no. 7, pp. 1056-1102. ISSN 0079-6425. DOI 10.1016/j.pmatsci.2013.04.001.

HOU, J. y CHUNG, D.D.L., 1997. Cathodic protection of steel reinforced concrete facilitated by using carbon fiber reinforced mortar or concrete. Cement and Concrete Research, vol. 27, no. 5, pp. 649–656.

IIJIMA, S., 1991. Helical microtubules of graphitic carbon. Nature, vol. 354, no. 6348, pp. 56-58. ISSN 0028-0836. DOI 10.1038/354056a0.

KIM, H.K., NAM, I.W. y LEE, H.K., 2014. Enhanced effect of carbon nanotube on mechanical and electrical properties of cement composites by incorporation of silica fume. Composite Structures, vol. 107, pp. 60-69. ISSN 02638223. DOI 10.1016/j.compstruct.2013.07.042.

KIM, H.K., PARK, I.S. y LEE, H.K., 2014. Improved piezoresistive sensitivity and stability of CNT/cement mortar composites with low water-binder ratio. Composite Structures, vol. 116, no. 1, pp. 713-719. ISSN 02638223. DOI 10.1016/j.compstruct.2014.06.007.

KONSTA-GDOUTOS, M.S. y AZA, C.A., 2014. Self sensing carbon nanotube (CNT) and nanofiber (CNF) cementitious composites for real time damage assessment in smart structures. Cement & Concrete Composites, vol. 53, pp. 162-169. ISSN 0958-9465. DOI 10.1016/j.cemconcomp.2014.07.003.

KONSTA-GDOUTOS, M.S., METAXA, Z.S. y SHAH, S.P., 2010a. Highly dispersed carbon nanotube reinforced cement based materials. Cement and Concrete Research, vol. 40, no. 7, pp. 1052-1059. ISSN 00088846. DOI 10.1016/j.cemconres.2010.02.015.

KONSTA-GDOUTOS, M.S., METAXA, Z.S. y SHAH, S.P., 2010b. Multi-scale mechanical and fracture characteristics and early-age strain capacity of high performance carbon nanotube/cement nanocomposites. Cement and Concrete Composites, vol. 32, no. 2, pp. 110-115. ISSN 09589465. DOI 10.1016/j.cemconcomp.2009.10.007.

KOWALD, T. y TRETTIN, R., 2009. Improvement of Cementitious Binders by Multi-Walled Carbon Nanotubes. En: BITTNAR, Z AND BARTOS, PJM AND NEMECEK, J AND SMILAUER, V AND ZEMAN, J (ed.), NANOTECHNOLOGY IN CONSTRUCTION 3, PROCEEDINGS. inproceedings. HEIDELBERGER PLATZ 3, D-14197 BERLIN, GERMANY: SPRINGER-VERLAG BERLIN, pp. 261-266. ISBN 978-3-642-00979-2. DOI 10.1007/978-3-642-00980-8_34.

LI, G.Y., WANG, P.M. y ZHAO, X., 2005. Mechanical behavior and microstructure of cement composites incorporating surface-treated multi-walled carbon nanotubes. Carbon, vol. 43, no. 6, pp. 1239-1245. ISSN 00086223. DOI 10.1016/j.carbon.2004.12.017.

LI, G.Y., WANG, P.M. y ZHAO, X., 2007. Pressure-sensitive properties and microstructure of carbon nanotube reinforced cement composites. Cement and Concrete Composites, vol. 29, no. 5, pp. 377-382. ISSN 09589465. DOI 10.1016/j.cemconcomp.2006.12.011.

Capítulo VII

236

LI, Z., XIAO, L. y WEI, X., 2007. Determination of concrete setting time using electrical resistivity measurement. JOURNAL OF MATERIALS IN CIVIL ENGINEERING, vol. 19, no. 5, pp. 423-427. ISSN 0899-1561. DOI 10.1061/(ASCE)0899-1561(2007)19:5(423).

LUO, J., DUAN, Z. y LI, H., 2009. The influence of surfactants on the processing of multi-walled carbon nanotubes in reinforced cement matrix composites. Physica Status Solidi A, vol. 206, no. 12, pp. 2783-2790. DOI 10.1002/pssa.200824310.

MAKAR, J., 2011. The Effect of SWCNT and Other Nanomaterials on Cement Hydration and Reinforcement. En: G.K. and B.B. and T.P. and A. NO (ed.), NANOTECHNOLOGY IN CIVIL INFRASTRUCTURE: A PARADIGM SHIFT. incollection. HEIDELBERGER PLATZ 3, D-14197 BERLIN, GERMANY: SPRINGER-VERLAG BERLIN, pp. 103-130. ISBN 978-3-642-16656-3.

MAKAR, J.M. y CHAN, G.W., 2009. Growth of Cement Hydration Products on Single-Walled Carbon Nanotubes. JOURNAL OF THE AMERICAN CERAMIC SOCIETY, vol. 92, no. 6, pp. 1303-1310. ISSN 0002-7820. DOI 10.1111/j.1551-2916.2009.03055.x.

MAKAR, J.M., MARGESON, J. y LUH, J., 2005. Carbon nanotube/cement composites - early results and potential applications. 3rd International Conference on Construction Materials: Performance, Innovations and Structural Implications. Vancouver: NRC Publications Record, pp. 1-10. ISBN 9780470034590. DOI 10.1039/B910216G.

MARCONDES, C. y MEDEIROS, M., 2016. Analyzing the dispersion of carbon nanotubes solution for use in Portland cement concrete. ALCONPAT Journal, vol. 6, no. 2, pp. 84-100.

MATERAZZI, A.L., UBERTINI, F. y D’ALESSANDRO, A., 2013. Carbon nanotube cement-based transducers for dynamic sensing of strain. Cement and Concrete Composites, vol. 37, no. 1, pp. 2-11. ISSN 09589465. DOI 10.1016/j.cemconcomp.2012.12.013.

METAXA, Z.S., SEO, J.W.T., KONSTA-GDOUTOS, M.S., HERSAM, M.C. y SHAH, S.P., 2012. Highly concentrated carbon nanotube admixture for nano-fiber reinforced cementitious materials. Cement and Concrete Composites, vol. 34, no. 5, pp. 612-617. ISSN 09589465. DOI 10.1016/j.cemconcomp.2012.01.006.

MONFORE, G.E., 1968. The Electrical Resistivity of Concrete. Journal of the PCA Research Development Laboratories, vol. 10, no. 2, pp. 35-48.

MORSY, M.S., ALSAYED, S.H. y AQEL, M., 2011. Hybrid effect of carbon nanotube and nano-clay on physico-mechanical properties of cement mortar. Construction and Building Materials, vol. 25, no. 1, pp. 145-149. ISSN 09500618. DOI 10.1016/j.conbuildmat.2010.06.046.

MUDIMELA, P.R., NASIBULINA, L.I., NASIBULIN, A.G., CWIRZEN, A., VALKEAPÄÄ, M., HABERMEHL-CWIRZEN, K., MALM, J.E.M., KARPPINEN, M.J., PENTTALA, V., KOLTSOVA, T.S., TOLOCHKO, O. V. y KAUPPINEN, E.I., 2009. Synthesis of carbon nanotubes and nanofibers on silica and cement matrix materials. Journal of Nanomaterials, vol. 2009. ISSN 16874110. DOI 10.1155/2009/526128.

MUSSO, S., TULLIANI, J.-M., FERRO, G. y TAGLIAFERRO, A., 2009. Influence of carbon nanotubes structure on the mechanical behavior of cement composites. Composites Science and Technology, vol. 69, no. 11-12, pp. 1985-1990. ISSN 02663538. DOI 10.1016/j.compscitech.2009.05.002.


237

NAM, I.W. y LEE, H.K., 2015. Image Analysis and DC Conductivity Measurement for the Evaluation of Carbon Nanotube Distribution in Cement Matrix. International Journal of Concrete Structures and Materials, vol. 9, no. 4, pp. 427-438. ISSN 22341315. DOI 10.1007/s40069-015-0121-8.

NASIBULIN, A.G., SHANDAKOV, S.D., NASIBULINA, L.I., CWIRZEN, A., MUDIMELA, P.R., HABERMEHL-CWIRZEN, K., GRISHIN, D.A., GAVRILOV, Y. V., MALM, J.E.M., TAPPER, U., TIAN, Y., PENTTALA, V., KARPPINEN, M.J. y KAUPPINEN, E.I., 2009. A novel cement-based hybrid material. New Journal of Physics, vol. 11, pp. 11. ISSN 13672630. DOI 10.1088/1367-2630/11/2/023013.

NASIBULINA, L.I., ANOSHKIN, I. V., NASIBULIN, A.G., CWIRZEN, A., PENTTALA, V. y KAUPPINEN, E.I., 2012. Effect of carbon nanotube aqueous dispersion quality on mechanical properties of cement composite. Journal of Nanomaterials, vol. 2012, pp. 6. ISSN 16874110. DOI 10.1155/2012/169262.

NEVILLE, A.M., 2011. Properties of Concrete. 5a. Harlow: Pearson Education. ISBN 978-0-273-75580-7.

NOCHAIYA, T. y CHAIPANICH, A., 2011. Behavior of multi-walled carbon nanotubes on the porosity and microstructure of cement-based materials. Applied Surface Science, vol. 257, no. 6, pp. 1941-1945. ISSN 01694332. DOI 10.1016/j.apsusc.2010.09.030.

ODOM, T.W., HUANG, J.L., KIM, P. y LIEBER, C.M., 2000. Structure and Electronic Properties of Carbon Nanotubes. Journal of Physical Chemistry B, vol. 104, no. 13, pp. 2794-2809. ISSN 10895647.

PARVEEN, S., RANA, S. y FANGUEIRO, R., 2013. A Review on Nanomaterial Dispersion , Microstructure , and Mechanical Properties of Carbon Nanotube and Nanofiber Reinforced Cementitious Composites. Journal of Nanomaterials, vol. 2013, pp. 19.

PÉREZ, A., CLIMENT, M.A. y GARCÉS, P., 2010. Electrochemical extraction of chlorides from reinforced concrete using a conductive cement paste as the anode. Corrosion Science, vol. 52, no. 5, pp. 1576-1581. ISSN 0010938X. DOI 10.1016/j.corsci.2010.01.016.

ROUQUEROL, J., AVNIR, D., FAIRBRIDGE, C.W., EVERETT, D.H., HAYNES, J.M., PERNICONE, N., RAMSAY, J.D.F., SING, K.S.W. y UNGER, K.K., 1994. Recommendations for the characterization of porous solids. Pure and Applied Chemistry, vol. 66, no. 8, pp. 1739-1758. ISSN 1365-3075. DOI 10.1351/pac199466081739.

SAAFI, M., 2009. Wireless and embedded carbon nanotube networks for damage detection in concrete structures. Nanotechnology, vol. 20, no. 39. ISSN 0957-4484. DOI 10.1088/0957-4484/20/39/395502.

SANCHEZ, F. y INCE, C., 2009. Microstructure and macroscopic properties of hybrid carbon nanofiber/silica fume cement composites. Composites Science and Technology, vol. 69, no. 7-8, pp. 1310-1318. ISSN 02663538. DOI 10.1016/j.compscitech.2009.03.006.

SÁNCHEZ, M.J., GARCÉS, P. y CLIMENT, M.A., 2006. Electrochemical extraction of chlorides from reinforced concrete: variables affecting treatment efficiency. Materiales de Construcción, vol. 56, no. 284, pp. 17-26. ISSN 0465-2746.

SEE, C.H. y HARRIS, A.T., 2007. A Review of Carbon Nanotube Synthesis via Fluidized-Bed Chemical Vapor Deposition. Industrial & Engineering

Capítulo VII

238

Chemistry Research, vol. 46, pp. 997-1012. DOI 10.1021/ie060955b. SHAH, S.P., KONSTA-GDOUTOS, M.S. y METAXA, Z.S., 2009. Highly-dispersed

carbon nanotube-reinforced cement-based materials. US20090229494 A1. US20090229494 A1.

SIDDIQUE, R. y MEHTA, A., 2014. Effect of carbon nanotubes on properties of cement mortars. Construction and Building Materials, vol. 50, pp. 116-129. ISSN 09500618. DOI 10.1016/j.conbuildmat.2013.09.019.

SINGH, A.P., GUPTA, B.K., MISHRA, M., GOVIND, CHANDRA, A., MATHUR, R.B. y DHAWAN, S.K., 2013. Multiwalled carbon nanotube/cement composites with exceptional electromagnetic interference shielding properties. Carbon, vol. 56, pp. 86-96. ISSN 00086223. DOI 10.1016/j.carbon.2012.12.081.

SLATER, J.E., LANKARD, D.R. y MORELAND, P.J., 1976. Electrochemical removal of chlorides from concrete bridge decks. Materials Performance, vol. 15, no. 11, pp. 21-26. ISSN 0094-1492.

SOBOLKINA, A., MECHTCHERINE, V., KHAVRUS, V., MAIER, D., MENDE, M., RITSCHEL, M. y LEONHARDT, A., 2012. Dispersion of carbon nanotubes and its influence on the mechanical properties of the cement matrix. Cement and Concrete Composites, vol. 34, no. 10, pp. 1104-1113. ISSN 09589465. DOI 10.1016/j.cemconcomp.2012.07.008.

STERN, M. y GEARY, A.L., 1957. A Theoretical Analysis of the Shape of Polarization Curves. Journal of The Electrochemical Society, vol. 104, no. 9, pp. 56-63. ISSN 00134651. DOI 10.1149/1.2428653.

SUN, M., LIEW, R.J.Y., ZHANG, M.-H. y LI, W., 2014. Development of cement-based strain sensor for health monitoring of ultra high strength concrete. Construction and Building Materials, vol. 65, pp. 630-637. ISSN 09500618. DOI 10.1016/j.conbuildmat.2014.04.105.

TIPLER, P.A., 1996. Física. Tomo 2. Tercera ed. S.l.: Reverté. ISBN 8429143688.

TOUTANJI, H., MCNEIL, S. y BAYASI, Z., 1998. Chloride permeability and impact resistance of polypropylene-fiber-reinforced silica fume concrete. Cement and Concrete Research, vol. 28, no. 7, pp. 961-968. ISSN 00088846. DOI 10.1016/S0008-8846(98)00073-8.

UBERTINI, F., MATERAZZI, A.L., D’ALESSANDRO, A. y LAFLAMME, S., 2014. Natural frequencies identification of a reinforced concrete beam using carbon nanotube cement-based sensors. Engineering Structures, vol. 60, pp. 265-275. ISSN 01410296. DOI 10.1016/j.engstruct.2013.12.036.

UNE 112072:2011. Determinación de la velocidad de corrosión de armaduras en laboratorio mediante medida de la resistencia a la polarización, 2011. 2011. S.l.: AENOR.

UNE 83258:2005. Admixtures for concretes, mortars and grouts. Admixtures for masonry mortars. Determination of consistency., 2005. 2005. S.l.: European Committee for Standardization.

UNE 83966:2008. Concrete durability. Test methods. Conditioning of concrete test pieces for the purpose of gas permeability and capilar suction tests., 2008. 2008. S.l.: European Committee for Standardization.

UNE 83981:2008. Concrete durability. Test methods. Determination to gas permeability of hardened concrete., 2008. 2008. S.l.: European Committee for Standardization.

UNE-EN 12350-2:2009. Testing fresh concrete - Part 2: Slump-test, 2009.


239

2009. S.l.: European Committee for Standardization. UNE-EN 12390-13:2014. Testing hardened concrete. Part 13: Determination of

secant modulus of elasticity in compression., 2014. 2014. S.l.: European Committee for Standardization.

UNE-EN 12390-3:2009. Testing hardened concrete - Part 3: Compressive strength of test specimens, 2009. 2009. S.l.: European Committee for Standardization.

UNE-EN 12390-5:2009. Testing hardened concrete - Part 5: Flexural strength of test specimens, 2009. 2009. S.l.: European Committee for Standardization.

UNE-EN 12504-4. Testing concrete. Part 4: Determination of ultrasonic pulse velocity., 2006. 2006. S.l.: European Committee for Standardization.

UNE-EN 196-1:2005. Methods of testing cement - Part 1: Determination of strength, 2005. 2005. S.l.: European Committee for Standardization.

UNE-EN 196-3:2005. Methods of testing cement. Part 3: Determination of setting times and soundness., 2005. 2005. S.l.: European Committee for Standardization.

UNE-EN 197-1. Cement. Part 1: Composition, specifications and conformity criteria for common cements., 2011. 2011. S.l.: European Committee for Standardization.

VENNESLAND, O., CLIMENT, M.A., ANDRADE, C. y 178-TMC, R.T.C., 2013. Recommendation of RILEM TC 178-TMC: Testing and modelling chloride penetration in concrete Methods for obtaining dust samples by means of grinding concrete in order to determine the chloride concentration profile. MATERIALS AND STRUCTURES, vol. 46, no. 3, pp. 337-344. ISSN 1359-5997. DOI 10.1617/s11527-012-9968-1.

WANG, B., GUO, Z., HAN, Y. y ZHANG, T., 2013. Electromagnetic wave absorbing properties of multi-walled carbon nanotube/cement composites. Construction and Building Materials, vol. 46, pp. 98-103. ISSN 09500618. DOI 10.1016/j.conbuildmat.2013.04.006.

WANSOM, S., KIDNER, N.J., WOO, L.Y. y MASON, T.O., 2006. AC-impedance response of multi-walled carbon nanotube/cement composites. Cement and Concrete Composites, vol. 28, no. 6, pp. 509-519. ISSN 09589465. DOI 10.1016/j.cemconcomp.2006.01.014.

WEN, S. y CHUNG, D.D.L., 2006. Model of piezoresistivity in carbon fiber cement. Cement and Concrete Research, vol. 36, no. 10, pp. 1879-1885. ISSN 00088846. DOI 10.1016/j.cemconres.2006.03.029.

WU, J. y CHUNG, D.D.L., 2005. Pastes for Electromagnetic Interference Shielding. Journal of Electronic materials, vol. 34, no. 9, pp. 1255-1258.

XIAO, H., LI, H. y OU, J., 2010. Modeling of piezoresistivity of carbon black filled cement-based composites under multi-axial strain. Sensors and Actuators, A: Physical, vol. 160, no. 1-2, pp. 87-93. ISSN 09244247. DOI 10.1016/j.sna.2010.04.027.

YANG, Y., GUPTA, M.C. y DUDLEY, K.L., 2007. Towards cost-efficient EMI shielding materials using carbon nanostructure-based nanocomposites. Nanotechnology, vol. 18, no. 34, pp. 4 pp.

YAZDANBAKHSH, A., GRASLEY, Z., TYSON, B. y ABU AL-RUB, R.K., 2010. Distribution of Carbon Nanofibers and Nanotubes in Cementitious Composites. TRANSPORTATION RESEARCH RECORD, no. 2142, pp. 89-95. ISSN 0361-1981. DOI 10.3141/2142-13.

Capítulo VII

240

YU, X. y KWON, E., 2009. A carbon nanotube/cement composite with piezoresistive properties. Smart Materials and Structures, vol. 18, no. 5, pp. 5.

ZHU, S. y CHUNG, D.D.L., 2007. Numerical assessment of the methods of measurement of the electrical resistance in carbon fiber reinforced cement. Smart Materials and Structures, vol. 16, no. 4, pp. 1164-1170. ISSN 0964-1726. DOI 10.1088/0964-1726/16/4/026.

ZORNOZA, E., 2007. El papel del catalizador usado de craqueo catalítico (FCC) como material puzolánico en el proceso de corrosión de armaduras de hormigón. S.l.: Universidad Politécnica de Valencia.

ZORNOZA, E., CATALÁ, G., JIMÉNEZ, F., ANDIÓN, L.. y GARCÉS, P., 2010. Electromagnetic interference shielding with Portland cement paste containing carbon materials and processed fly ash. Materiales de Construcción, vol. 60, no. 300, pp. 21-32. ISSN 0465-2746. DOI 10.3989/mc.2010.51009.

ZORNOZA, E., PAYÁ, J. y GARCÉS, P., 2008. Chloride-induced corrosion of steel embedded in mortars containing fly ash and spent cracking catalyst. Corrosion Science, vol. 50, no. 6, pp. 1567-1575. ISSN 0010938X. DOI 10.1016/j.corsci.2008.02.001.


241

16. ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Buckminsterfullereno («BUCKMINSTER FULLERENE» 2002) ............................... 19

Figura 2. Representación de: (a) SWCNT (Odom et al. 2000), (b) MWCNT (Siddique y Mehta

2014). .................................................................................................... 20

Figura 3. Representación del vector quiral (See y Harris 2007) y tipos de SWCNT según su

estructura (Grobert 2007). ........................................................................... 20

Figura 4. Representación del método de fabricación de nanocomposites propuesto por

Nasibulin et al. (2009). ............................................................................... 29

Figura 5. Imágenes: (a) SEM de partículas de humo de sílice, (b) SEM de NTC crecidos sobre las

partículas silíceas tratadas en las condiciones de síntesis, (c) TEM de los NTC obtenidos a

600°C sobre la superficie de las partículas silíceas (Mudimela et al. 2009). ............... 29

Figura 6. Modelo Feldman-Sereda para el gel C-S-H (Neville 2011). ............................... 31

Figura 7. Formación del C-S-H sobre la red de NTC durante el proceso de hidratación a los (a)

60 min, (b) 135 min, (c) 180 min y (d) 240 min (Makar y Chan 2009). ....................... 32

Figura 8. Representación de la absorbancia en dispersiones de mezcla de NTC, en función de

la concentración de surfactante y el tiempo de sonicado para (a) SDS, (b) Brij 35. Los

valores en cursiva son los valores experimentalmente obtenidos; entre paréntesis se

indican las ratios NTC:surfactante (Sobolkina et al. 2012). ................................... 34

Figura 9. Representación esquemática de la disposición de las moléculas de surfactante

absorbidas en la superficie de los NTC: (I) baja concentración de surfactante, (II)

concentración de equilibrio, (III) concentración sobresaturada de surfactante (Sobolkina

et al. 2012). ............................................................................................ 35

Figura 10. Resultados de resistencia a compresión y resistencia a tracción obtenidos a 28 días

por Sobolkina et al. (2012). Las barras de error indican la desviación estándar. .......... 35

Figura 11. Resistencia a compresión a diferentes edades de composites adicionados con 0.1%

MWCNT. PMM: método de mezclado en polvo; AMM: método de mezclado en fase acuosa

(Bharj et al. 2014). .................................................................................... 36

Figura 12. Resultados de resistencia a compresión a 14 días de composites adicionados con

NTC y con distinta proporción de húmo de sílice (SF), obtenidos por Kim, Nam y Lee

(2014). ................................................................................................... 37

Figura 13. (a) Resistividad eléctrica y (b) capacitancia, a diferentes frecuencias, de

composites cementicios adicionados con 0.1 y 0.5% MWCNT carboxilados. Medidas

realizadas a 88 días, tras 60 días de acondicionamiento a 20°C y 48% HR (Han, Zhang,

et al. 2012). ............................................................................................ 38

Figura 14. Circuito equivalente para los composites adicionados con MWCNT carboxilados

(Han, Zhang, et al. 2012). RC es la resistencia de los NTC en los composites, Rint y Cint

son la resistencia en la interfaz y la capacitancia en la interfaz de los composites,

respectivamente. ...................................................................................... 38

Figura 15. Variación de la resistencia medida con el transcurso del tiempo (Han, Zhang, et al.

2012). .................................................................................................... 39

Figura 16. Conductividad eléctrica de composites adicionados con distinta dosificación de NTC

(Singh et al. 2013). .................................................................................... 40

Figura 17. Representación esquemática de la configuración empleada para obtener las

lecturas de resistencia eléctrica (Kim, Nam y Lee 2014). Medidas expresadas en

milímetros. ............................................................................................. 40

Figura 18. Resistencia eléctrica de composites adicionados con NTC y con distinta proporción

de humo de sílice (SF) (Kim, Nam y Lee 2014) ................................................... 41

Capítulo VII

242

Figura 19. Montaje experimental para medida de resistividad en composites cementicios

adicionados con NTC y NFC empleado por Konsta-gdoutos y Aza (2014). ................... 41

Figura 20. Resistividad media de pastas cementicias adicionadas con CNT y CNF, dosificadas al

0.1% y 0.3% respecto masa de cemento (Konsta-gdoutos y Aza 2014). ...................... 42

Figura 21. (a) Resultados de PIM a 28 días representando dV/dlogR versus radio de poro. (b)

Típica curva tensión-deformación en los ensayos de rotura. PCC: Composite de Cemento

Portland, PCCF: Composite con fibra de carbono, PCNT: Composite con NTC (Li, Wang y

Zhao 2005). ............................................................................................. 43

Figura 22. Análisis PIM de pastas con NTC: (a) volumen total de poros y (b) distribución de

tamaño de poro (Nochaiya y Chaipanich 2011). .................................................. 44

Figura 23. Resultado del análisis de nanoindentación a 28 días, realizado sobre composites

adicionados con dos tipos de MWCNT (diferente longitud) (Konsta-Gdoutos, Metaxa y

Shah 2010b). ............................................................................................ 44

Figura 24. Contenido de cloruros antes (patrón) y después de la aplicación de la EEC en

bloques de hormigón contaminados con 2% Cl- (respecto masa de cemento) utilizando

ánodos con diferentes materiales carbonosos. Densidad de carga aplicada: 5x106 C/m2

(del Moral et al. 2013). ............................................................................... 48

Figura 25. Espectro electromagnético completo con la parte visible ampliada. ................. 51

Figura 26. Espectro electromagnético para las telecomunicaciones. .............................. 51

Figura 27. Esquema del dispositivo de medida de apantallamiento EMI (Zornoza et al. 2010).53

Figura 28. Definición del parámetro S para un analizador de dos puertos (Galao 2012). ...... 54

Figura 29. Influencia del contenido en MWCNT (% referido a masa de cemento) en la

reflectancia en el rango de frecuencia 2-8 GHz (Wang et al. 2013). ........................ 56

Figura 30. Influencia del contenido en NTC en la SE, en el rango 8.2-12.4 GHz (Singh et al.

2013). El número expresado en la leyenda indica el % de MWCNT adicionado. ............ 56

Figura 31. Posibles configuraciones empleadas para medir la resistencia eléctrica (Han, Ding y

Yu 2015). ................................................................................................ 59

Figura 32. Cambio fraccional en la resistividad de pastas con 0.5% MWCNT, bajo carga cíclica

de compresión (9.4 MPa). SPCNT: NTC tratados con ácido; PCNT: NTC sin tratar (Li, Wang

y Zhao 2007). ........................................................................................... 60

Figura 33. Piezorresistividad de composites con tres % MWCNT (referido a masa de cemento):

(a) 0.05%, (b) 0.1%, y (c) 1% (Han, Yu, et al. 2012). ............................................ 61

Figura 34. Respuesta piezorresistiva del sensor híbrido (15% en vol. FC + 1% en vol. MWCNT).

(a) Cambio fraccional en la resistividad (CFR) vs. carga; (b) CFR vs. deformación unitaria;

(c) correlación CFR-carga; y (d) correlación CFR-deformación (Azhari y Banthia 2012). . 62

Figura 35. Comportamiento piezorresistivo de pastas de cemento con adición de NTC: (a)

0.1%; (b) 0.3% (Konsta-gdoutos y Aza 2014). ..................................................... 62

Figura 36. Monitorización de la viga de HA con un sensor de NTC colocado en el centro del

vano: (a) Variación de resistencia eléctrica del sensor; (b) Registro de la galga

extensométrica (Ubertini et al. 2014). ............................................................ 63

Figura 37. Posibles aplicaciones de los sensores de percepción para la monitorización de la

salud estructural (Han, Ding y Yu 2015). .......................................................... 63

Figura 38. Imágenes SEM de los NTC facilitadas por el fabricante. ................................. 70

Figura 39. Equipo analizador de tamaño de partícula. ............................................... 72

Figura 40. Tamaño de partícula en muestras dispersadas mediante tratamientos mecánicos. 73

Figura 41. Tamaño de partícula en muestras dispersadas mediante tratamientos químicos. . 73

Figura 42. Tamaño de partícula en muestras dispersadas mediante tratamiento mecánico

combinado con policarboxilato 1. .................................................................. 74


combinado con policarboxilato 2. .................................................................. 74


combinado con surfactante 1. ....................................................................... 74


243


combinado con surfactante 2. ....................................................................... 74

Figura 46. Comparativa entre los cuatro dispersantes utilizados para la dosificación de 0.25%.

............................................................................................................ 75

Figura 47. Batería de dispersiones preparadas, reservadas para observación visual de procesos

de sedimentación. ..................................................................................... 75

Figura 48. VPU en morteros con diferente dosificación de NTC a 7 y 28 días de curado. Las

barras de error indican la desviación estándar. .................................................. 81

Figura 49. Resistencia a flexotracción de morteros con diferente dosificación de NTC a 7 y 28

días de curado. Las barras de error indican la desviación estándar. ......................... 82

Figura 50. Resistencia a compresión de morteros con diferente dosificación de NTC a 7 y 28

días de curado. Las barras de error indican la desviación estándar. ......................... 82

Figura 51. Densidad aparente de morteros con diferente dosificación de NTC a 7 y 28 días de

curado. Las barras de error indican la desviación estándar. .................................. 83

Figura 52. Porosidad de morteros con diferente dosificación de NTC a 7 y 28 días de curado.

Las barras de error indican la desviación estándar. ............................................. 83

Figura 53. Esquema de las probetas utilizadas en el estudio de corrosión. ....................... 86

Figura 54. Esquema de probeta sometida al proceso de ataque por cloruros. ................... 88

Figura 55. Evolución de potencial de corrosión (Ecorr) e intensidad de corrosión (Icorr) de aceros

embebidos en pastas de cemento con diferentes % NTC sometidas a un proceso de

carbonatación acelerada. ............................................................................ 89

Figura 56. Potencial de corrosión medio (Ecorr medio) e intensidad de corrosión media (Icorr medio)

de aceros embebidos en pastas de cemento sometidas a carbonatación, según el

contenido en NTC. ..................................................................................... 90

Figura 57. Evolución de potencial de corrosión (Ecorr) e intensidad de corrosión (Icorr) de aceros

embebidos en pastas de cemento con diferentes % NTC sometidas a un ataque simulando

agua de mar. ........................................................................................... 91

Figura 58. Potencial de corrosión medio (Ecorr medio) e intensidad de corrosión media (Icorr medio)

de aceros embebidos en pastas de cemento sometidas a ataque simulando agua de mar,

según el contenido en NTC. .......................................................................... 91

Figura 59. Presencia relativa del elemento Carbono en las pastas analizadas mediante EDX.

Las barras de error indican la desviación estándar. ............................................. 94

Figura 60. Imágenes SEM de los BAYTUBES C70P: (a) según son recepcionados (sin ningún

tratamiento dispersante); (b) dispersos con ultrasonidos en etanol. ........................ 95

Figura 61. Imagen SEM de NTC dispersos aplicando ultrasonidos + 1% P1. ........................ 96

Figura 62. Imagen SEM de NTC dispersos aplicando ultrasonidos + 1% P2. ........................ 96

Figura 63. Imagen SEM de la pasta adicionada con 0.1% NTC (respecto masa de cemento). .. 97

Figura 64. Imagen SEM de la pasta adicionada con 1% NTC (respecto masa de cemento). ..... 97

Figura 65. Imagen SEM de la pasta adicionada con 5% NTC (respecto masa de cemento). ..... 98

Figura 66. Imagen SEM de la pasta adicionada con 10% NTC (respecto masa de cemento). ... 98

Figura 67. Disposición de la armadura en el encofrado, preparado para su hormigonado. ... 104

Figura 68. Formación de cristales de NaCl en la superficie de las probetas atacadas

externamente. ........................................................................................ 105

Figura 69. Imagen TEM de los NTC NANOCYLTM NC7000, facilitada por el fabricante. ......... 107

Figura 70. (a) Marco de espesor 2 mm fijado en la probeta, y (b) colocación de las barras de

grafito en la pasta fresca. .......................................................................... 108

Figura 71. Vista superior (izda.) y frontal (dcha.) del bloque de hormigón y el montaje para

los ensayos de EEC (Medidas expresadas en mm). .............................................. 108

Figura 72. Montaje experimental para la aplicación del tratamiento de EEC (serie 1). ....... 109


........................................................................................................... 112

Figura 74. Evolución del potencial de corrosión al aplicar el tratamiento de EEC. ............. 112

Capítulo VII

244

Figura 75. Perfil de concentración de cloruros y eficiencia para la pasta de cemento con

adición 1%NTC. ........................................................................................ 113

Figura 77. Perfil de concentración de cloruros y eficiencia para la pasta de cemento con

adición 10%NTC. ...................................................................................... 114

Figura 78. Perfil de concentración de cloruros y eficiencia para el ánodo de referencia (malla

de Ti-RuO2). ........................................................................................... 114


........................................................................................................... 116

Figura 80. Evolución del potencial de corrosión al aplicar el tratamiento de EEC. ............. 116

Figura 81. Perfil de concentración de cloruros y eficiencia para el ánodo con 1%NTC — Cont.

externa. ................................................................................................ 117

Figura 82. Perfil de concentración de cloruros y eficiencia para el ánodo de referencia (malla

de Ti-RuO2). — Cont. externa. ..................................................................... 118

Figura 83. Perfil de concentración de cloruros y eficiencia para el ánodo con 0.5%NTC — Cont.

externa. ................................................................................................ 118

Figura 84. Imágenes SEM de la FC Hextow AS4. Izda.: tal cual recibida (sin tratamiento).

Dcha.: tras tratamiento de oxidación a 400ºC durante 4 horas (Baeza 2011). ............ 124

Figura 85. Configuración del ensayo de apantallamiento EMI (Galao 2012). ..................... 125

Figura 86. Influencia de la dosificación de adición conductora sobre el apantallamiento total

(SEt) y el apantallamiento por reflexión (SEr) — 28 días de curado, espesor de probeta 10

mm. ..................................................................................................... 127

Figura 87. Influencia del espesor sobre el apantallamiento total (SEt) — 28 días de curado. 128

Figura 88. Influencia de la edad de curado sobre el apantallamiento total (SET) – espesor de

probeta 10 mm. ....................................................................................... 129

Figura 89. Esquema de instrumentación de probetas 4x4x16 cm³ para ensayos de percepción

de la deformación. ................................................................................... 136

Figura 90. Esquema de configuración del ensayo de percepción de la deformación. .......... 137

Figura 91. Medidas registradas durante un ensayo de percepción de la deformación tipo. a)

Resistencia eléctrica y tensión frente al tiempo. b) Resistividad y deformación unitaria

frente al tiempo. c) Variación unitaria de la resistividad frente a la deformación....... 138

Figura 92. Resultados de PIM según diámetro de poro para las pastas de estudio, a 28 días de

curado. ................................................................................................. 140

Figura 93. Distribución de tamaños de poro en pastas con distinta adición de NTC, a 28 días de

curado. ................................................................................................. 140

Figura 94. Comparativa de las porosidades registradas por dos técnicas (método de balanza

hidrostática, y PIM) a la edad de 28 días. ........................................................ 141

Figura 95. Resistividad de pastas ensayadas a 14 días, probetas altamente saturadas. ....... 142

Figura 96. Resistividad media de la serie de probetas 1, ensayada a dos edades de curado: 14

y 28 días. Las barras de error indican la desviación estándar. ............................... 143

Figura 97. Comparativa de resistividades entre las probetas de la serie 1 (ensayada a 14 y 28

días), y la serie 2 (ensayada a 28 días). Las barras de error indican la desviación

estándar. ............................................................................................... 144

Figura 98. Módulo de elasticidad medio de la serie de probetas 1, ensayada a dos edades de

curado: 14 y 28 días. Las barras de error indican la desviación estándar. ................. 145

Figura 99. Comparativa de módulos de elasticidad entre las probetas de la serie 1 (ensayada a

14 y 28 días), y la serie 2 (ensayada a 28 días). Las barras de error indican la desviación

estándar. ............................................................................................... 145

Figura 100. Ensayos de percepción de la deformación a 14 y 28 días de curado para la serie 1.

En naranja se representa ΔR/R₀ a 14 días y en azul ΔR/R₀ a 28 días. Datos

correspondientes al ensayo realizado aplicando una intensidad de corriente de 1 mA,

6000 N de carga máxima y velocidad de carga 200 N/s. ...................................... 147


245

Figura 101. Comparativa de factores de galga medios (barras) resultantes del ensayo de

percepción para la serie 1 a cinco edades de ensayo: 14, 28, 60, 200 y 260 días,

incluyendo desviaciones estándar. Las curvas (eje secundario) representan el coeficiente

R² promedio del ensayo para las mismas edades. Los parámetros bajo los que se han

obtenido estos resultados son: I=0.1 mA, carga máxima=6000 N y velocidad de carga=200

N/s. ..................................................................................................... 149

Figura 102. Comparativa de factores de galga medios (barras) resultantes del ensayo de

percepción para la serie 2 a cuatro edades de ensayo: 28, 60, 200 y 260 días, incluyendo

desviaciones estándar. Las curvas (eje secundario) representan el coeficiente R²

promedio del ensayo para las mismas edades. Los parámetros bajo los que se han

obtenido estos resultados son: I=0.1 mA, carga máxima=6000 N y velocidad de carga=200

N/s. ..................................................................................................... 149

Figura 103. Resultados del ensayo de percepción de la serie 1 a 28 días. Se representan los

factores de galga medios (barras) de cada probeta para las tres intensidades de corriente

aplicadas: 0.1, 1 y 10 mA, incluyendo desviaciones estándar. Las curvas (eje secundario)

representan el coeficiente R² promedio del ensayo. Parámetros con los que se han

obtenido estos resultados: carga máxima=6000 N y velocidad de carga=200 N/s. ....... 150


factores de galga medios (barras) de cada probeta para las tres intensidades de corriente

aplicadas: 0.1, 1 y 10 mA, incluyendo desviaciones estándar. Las curvas (eje secundario)

representan el coeficiente R² promedio del ensayo. Parámetros con los que se han

obtenido estos resultados: carga máxima=6000 N y velocidad de carga=200 N/s. ....... 150

Figura 105. Ensayos de percepción de la deformación a 28 días de curado sobre la probeta con

0.50% NTC de la serie 1. En línea continua se representa ΔR/R₀ para tres intensidades de

corriente; la línea punteada indica la deformación unitaria de la probeta, registrada

mediante la galga extensométrica. Los parámetros bajo los que se han obtenido estos

resultados son: carga máxima=9000 N y velocidad de carga=200 N/s. ..................... 151

Figura 106. Cambio fraccional de resistencia eléctrica (ΔR/R₀) frente a deformación

longitudinal unitaria (ε) correspondiente a la Figura 105 (pasta 0.50% NTC de la serie 1).

Se incluye la regresión lineal de cada curva, donde el valor de la pendiente indica el

factor de galga característico de cada ensayo. Los parámetros bajo los que se han

obtenido estos resultados son: carga máxima=9000 N y velocidad de carga=200 N/s. .. 152


factores de galga medios (barras) de cada probeta para tres velocidades de carga: 100,

200 y 400 N/s, incluyendo desviaciones estándar. Las curvas (eje secundario) representan

el coeficiente R² promedio del ensayo para las mismas velocidades de carga. Los

parámetros bajo los que se han obtenido estos resultados son: carga máxima=6000 N e

intensidad de corriente=0.1 mA. .................................................................. 153


factores de galga medios (barras) de cada probeta para tres velocidades de carga: 100,

200 y 400 N/s, incluyendo desviaciones estándar. Las curvas (eje secundario) representan

el coeficiente R² promedio del ensayo para las mismas velocidades de carga. Los

parámetros bajo los que se han obtenido estos resultados son: carga máxima=6000 N e

intensidad de corriente=0.1 mA. .................................................................. 154


factores de galga medios (barras) de cada probeta para tres niveles de carga máxima:

3000 N, 6000 N y 9000 N, incluyendo desviaciones estándar. Las curvas (eje secundario)

representan el coeficiente R² promedio del ensayo para los mismos niveles de carga

máxima. Los parámetros bajo los que se han obtenido estos resultados son: velocidad de

carga-descarga=200 N/s e intensidad de corriente=0.1 mA................................... 155


factores de galga medios (barras) de cada probeta para tres niveles de carga máxima:

Capítulo VII

246

3000 N, 6000 N y 9000 N, incluyendo desviaciones estándar. Las curvas (eje secundario)

representan el coeficiente R² promedio del ensayo para los mismos niveles de carga

máxima. Los parámetros bajo los que se han obtenido estos resultados son: velocidad de

carga-descarga=200 N/s e intensidad de corriente=0.1 mA................................... 156

Figura 111. Detalle del ensayo de percepción a 200 días para la dosificación 0.25% NTC,

comparando la serie 1 (S1) y serie 2 (S2) para tres niveles de carga máxima: 3000 N, 6000

N y 9000 N. Las gráficas de la izquierda representan el cambio fraccional de resistencia y

la deformación longitudinal unitaria frente al tiempo. Las gráficas de la derecha

representan el cambio fraccional de resistencia frente a la deformación longitudinal

unitaria. Parámetros de ensayo: velocidad de carga-descarga=200 N/s e intensidad de

corriente=0.1 mA. .................................................................................... 157

Figura 112. Detalle del ensayo de percepción a 200 días para la dosificación 0.50% NTC,

comparando la serie 1 (S1) y serie 2 (S2) para tres niveles de carga máxima: 3000 N, 6000

N y 9000 N. Las gráficas de la izquierda representan el cambio fraccional de resistencia y

la deformación longitudinal unitaria frente al tiempo. Las gráficas de la derecha


unitaria. Parámetros de ensayo: velocidad de carga-descarga=200 N/s e intensidad de

corriente=0.1 mA. .................................................................................... 158

Figura 113. Ensayos de percepción a 200 días para la serie 2. Se presenta la variación unitaria

de resistencia eléctrica (ΔR/R₀) frente a la deformación longitudinal unitaria (ε), así

como sus respectivos ajustes lineales y, para el caso de la probeta 0.50%, también su

ajuste polinomial de grado 2. Parámetros de ensayo: carga máxima aplicada=9000 N,

velocidad de carga-descarga=400 N/s e intensidad de corriente=0.1 mA. ................. 159

Figura 114. Preparación de los moldes para probetas armadas. ................................... 162

Figura 115. Detalle de los ataques externos. Izda.: Carbonatación; dcha.: Inmersión en

disolución NaCl 1 M. .................................................................................. 163

Figura 116. Detalle del montaje adoptado para las medidas de corrosión en probetas de

percepción. ............................................................................................ 164

Figura 117. Ensayos de percepción del estudio preliminar, comparando tres dosificaciones

(0%, 0.05% y 0.50% NTC) para tres niveles de carga máxima: 3000 N, 6000 N y 9000 N.

Las gráficas de la izquierda representan el cambio fraccional de resistencia y la

deformación longitudinal unitaria frente al tiempo. Las gráficas de la derecha


unitaria. ................................................................................................ 165

Figura 118. Factores de galga antes de someter a las probetas al ataque por carbonatación. El

gráfico de la izquierda se obtuvo tras 28 días de curado al 100% HR; el gráfico de la

derecha se corresponde con las mismas probetas tras un 1 mes en condiciones de

laboratorio. Las barras de error indican la desviación estándar de FG, y la curva

punteada el coeficiente del ajuste lineal R². Condiciones de carga: 6000 N, velocidad 400

N/s. ..................................................................................................... 166

Figura 119. Factores de galga al concluir el ataque por carbonatación. El proceso tuvo lugar

durante 20 semanas en cámara de carbonatación; mientras, las probetas de referencia

(Ref) se mantuvieron en condiciones de laboratorio. Las barras de error indican la

desviación estándar de FG, y la curva punteada el coeficiente del ajuste lineal R².

Condiciones de carga: 6000 N, velocidad 400 N/s. ............................................. 167

Figura 120. Ensayos de percepción de probetas 0.50% NTC antes (arriba) y después (abajo) del

ataque por carbonatación, comparando la probeta de referencia (Ref) con las dos

probetas destinadas al ataque (B1 y B2). Las gráficas de la izquierda representan el

cambio fraccional de resistencia y la deformación longitudinal unitaria frente al tiempo.

Las gráficas de la derecha representan el cambio fraccional de resistencia frente a la

deformación longitudinal unitaria. Condiciones de carga: 6000 N, velocidad 400 N/s. . 168


247

Figura 121. Factores de galga antes y después del ataque por carbonatación para la serie

repetida (0.50% NTC). Todas las probetas se mantuvieron bajo las mismas condiciones de

HR y temperatura (75±5 % HR, 20±5 0C). Ref designa la probeta de referencia, C1 y C2 las

probetas carbonatadas. Las barras de error indican la desviación estándar de FG, y la

curva punteada el coeficiente del ajuste lineal R². Condiciones de carga: 6000 N,

velocidad 400 N/s. ................................................................................... 169

Figura 122. Factores K antes y después de someter las probetas al ataque por cloruros

externos. El gráfico de la izquierda se obtuvo tras 1 mes en condiciones de laboratorio;

el gráfico de la derecha se obtuvo tras 30 ciclos de inmersión-secado en NaCl 1M. Las

barras de error indican la desviación estándar de K, y la curva punteada el coeficiente

del ajuste lineal R². Condiciones de carga: 6000 N, velocidad 400 N/s. ................... 171

Figura 123. Ensayos de percepción de probetas 0.50% NTC antes (arriba) y después (abajo) del

ataque por cloruros externos, comparando la probeta de referencia (Ref) con las dos

probetas destinadas al ataque (Y1 e Y2). Las gráficas de la izquierda representan la

variación de resistencia eléctrica y la tensión mecánica frente al tiempo. Las gráficas de

la derecha representan la variación de resistencia eléctrica frente a la tensión mecánica.


Figura 124. Evolución de la velocidad de corrosión Icorr (arriba), y del potencial de corrosión

Ecorr (abajo) a lo largo del periodo de ataque por cloruros externos. Resultados

obtenidos de las mismas probetas de percepción. ............................................. 173

Figura 125. Factores K a los 28 días de curado en cámara húmeda de probetas armadas con y

sin cloruros para 0% NTC y 0.50% NTC. Las barras de error indican la desviación estándar

de K, y la curva punteada el coeficiente del ajuste lineal R². Condiciones de carga: 6000

N, velocidad 400 N/s. ................................................................................ 174

Figura 126. Factores K a los 60 días de edad (tras un mes en condiciones de laboratorio) de

probetas armadas con y sin cloruros para 0% NTC y 0.50% NTC. Las barras de error

indican la desviación estándar de K, y la curva punteada el coeficiente del ajuste lineal

R². Condiciones de carga: 6000 N, velocidad 400 N/s. ........................................ 175

Figura 127. Factores K a los 150 días de edad (conservadas en condiciones de laboratorio) de

probetas armadas con y sin cloruros para 0% NTC y 0.50% NTC. Las barras de error

indican la desviación estándar de K, y la curva punteada el coeficiente del ajuste lineal

R². Condiciones de carga: 6000 N, velocidad 400 N/s. ........................................ 175

Figura 128. Promedio de la relación entre el factor K obtenido a 150 días y el factor K a 60

días. Las barras de error indican la desviación estándar de la relación entre factores.. 176

Figura 129. Ensayos de percepción de dos probetas 0.50% NTC tras un mes en condiciones de

laboratorio (arriba) y tras 150 días bajo las mismas condiciones, comparando una de las

probetas con Cl- (I1) con otra sin Cl- (Q1). Las gráficas de la izquierda representan la


la derecha representan la variación de resistencia eléctrica frente a la tensión mecánica.


Figura 130. Evolución de la velocidad de corrosión Icorr (arriba), y del potencial de corrosión

Ecorr (abajo) a lo largo del periodo de ataque por cloruros internos. Resultados

obtenidos de las mismas probetas de percepción. ............................................. 177

Figura 131. Diagrama de las fases de curado y acondicionamiento para el Subestudio 1

(patrones). ............................................................................................. 178

Figura 132. Diagrama de las fases de curado y acondicionamiento para el Subestudio 2

(control de humedad). ............................................................................... 178

Figura 133. Ensayos de percepción en etapas 1 y 2 (condiciones pre-estufa) de dos probetas

representativas de cada serie. Las gráficas de la izquierda representan la variación de

resistencia eléctrica y la tensión mecánica frente al tiempo. Las gráficas de la derecha

representan la variación de resistencia eléctrica frente a la tensión mecánica.


Capítulo VII

248

Figura 134. Ensayos de percepción en etapas 3 y 4 (condiciones post-estufa) de dos probetas

representativas de cada serie. Las gráficas de la izquierda representan la variación de




Figura 135. Resistencia eléctrica promedio (en línea continua) de las series I y II para las

cuatro condiciones de estudio. Las barras de error indican la desviación estándar. En el

eje secundario (curvas discontinuas) se representa la variación de R atribuida a

polarización para las mismas series. Las medidas se han tomado con I=0.1 mA. ......... 182

Figura 136. Ensayos de percepción a 7, 14 y 28 días en la etapa 1 (100% HR) de probetas 1a

(0% NTC) y 2a (0.50% NTC). Las gráficas de la izquierda representan la variación de




Figura 137. Ensayos de percepción en la etapa 2, tras 2 semanas en condiciones de

laboratorio, de dos probetas representativas de cada serie. Condiciones de carga: 6000

N, velocidad 400 N/s. ................................................................................ 184

Figura 138. Factores K al término de la etapa 2 (tras dos semanas en condiciones de

laboratorio) de probetas 0% NTC y 0.50% NTC. Las barras de error indican la desviación

estándar de K, y la curva punteada el coeficiente del ajuste lineal R². Condiciones de

carga: 6000 N, velocidad 400 N/s.................................................................. 184

Figura 139. Ensayos de percepción al término de la etapa 3, tras 2 semanas en estufa a 500C,

de dos probetas representativas de cada serie. Condiciones de carga: 6000 N, velocidad

400 N/s. ................................................................................................ 185

Figura 140. Factores K al término de la etapa 3 (tras dos semanas en estufa a 500C) de

probetas 0.50% NTC. Las barras de error indican la desviación estándar de K, y la curva

punteada el coeficiente del ajuste lineal R². Intensidad de corriente aplicada 0.01 mA.


Figura 141. Ensayos de percepción en la etapa 4, tras 3 días a vacío a 500C, de dos probetas

representativas de cada serie. Condiciones de carga: 6000 N, velocidad 400 N/s. ...... 186

Figura 142. Factores K al término de la etapa 4 (tras 3 días a vacío y 500C de temperatura) de

probetas 0.50% NTC. Las barras de error indican la desviación estándar de K, y la curva

punteada el coeficiente del ajuste lineal R². Intensidad de corriente aplicada 0.005 mA.


Figura 143. Resistencia eléctrica promedio (en línea continua) de las series s1 y s2 para las

cuatro condiciones de estudio. Las barras de error indican su desviación estándar. En el

eje secundario (curvas discontinuas) se representa la masa promedio de cada serie. Las

medidas se han tomado con I=0.1 mA, excepto la penúltima (0.01 mA) y la última (0.005

mA). ..................................................................................................... 187

Figura 144. Detalle frontal y lateral del sistema de fijación de los sensores embebibles a la

ferralla del pilar. ..................................................................................... 190

Figura 145. Izda.) Modelo del pilar armado (dimensiones en cm). Dcha.) Fotografía de la

ferralla con los sensores embebibles ya fijados y el encofrado preparado para el

hormigonado. .......................................................................................... 191

Figura 146. Vista superior del encofrado con los sensores instalados, listo para su

hormigonado. .......................................................................................... 192

Figura 147. Instalación de los contactos eléctricos del Pilar 1. La instantánea captura el

trabajo sobre la cara 1, instrumentada mediante fibra de carbono continua. ............ 194

Figura 148. Disposición de los sensores externos en el Pilar 1 (fabricados in situ). Cotas

expresadas en cm. .................................................................................... 194

Figura 149. Sensores prefabricados listos para su unión al Pilar 2. ................................ 196

Figura 150. Detalle de la instalación de los dispositivos, listos para su ensayo. ................ 196


249

Figura 151. Ensayo del Pilar 1 en marcha. ............................................................. 197

Figura 152. Factores de galga de los sensores que serán embebidos en el Pilar 1,

caracterizados para los tres niveles de carga máxima (1.9, 3.8 y 5.6 MPa). Las barras de

error indican la desviación estándar del FG. En el eje secundario se representa el

parámetro R² para cada nivel de carga. Datos obtenidos aplicando I=0.1 mA. ........... 199

Figura 153. Ensayos de percepción de los sensores embebidos en el Pilar 1, para los tres

niveles de carga máxima (2.5, 5 y 7.5 MPa). Las gráficas de la izda. representan la

variación de resistencia eléctrica y la deformación unitaria frente al tiempo. Las gráficas

de la dcha. representan la variación de resistencia eléctrica frente a la deformación

unitaria. ................................................................................................ 200

Figura 154. Factor de galga de los sensores embebidos en el pilar para la carga máxima

correspondiente a 2.5 MPa. Las barras de error representan la desviación estándar, y la

línea punteada el parámetro R². .................................................................. 201

Figura 155. Ensayos de percepción de los sensores externos 18x10x1 cm³ (extendidos), para

los niveles de carga 5% y 15% fc (2.5 y 7.5 MPa). Las gráficas de la izda. representan la

variación de resistencia eléctrica y la deformación unitaria frente al tiempo. Las gráficas

de la dcha. representan la variación de resistencia eléctrica frente a la deformación

unitaria. ................................................................................................ 202

Figura 156. Ensayos de percepción de los sensores externos 3.3x10x1 cm³ (contactos

enrollados), para el nivel de carga 15% fc (7.5 MPa). Dato de deformación unitaria

corresponde al promedio de las cuatro caras del pilar. ....................................... 203

Figura 157. Ensayos de percepción de los sensores externos 3.3x10x1 cm³ (contactos

embebidos), para el nivel de carga 15% fc (7.5 MPa). Dato de deformación unitaria

corresponde al promedio de las cuatro caras del pilar. ....................................... 203

Figura 158. Izda.) Variación unitaria de resistencia frente a deformación unitaria del sensor

2PD, bajo diferentes niveles de tensión máxima: 5%, 10%, 15% y 25% fc, equivalentes a

tensiones de 2.5, 5, 7.5 y 12.5 MPa respectivamente. Dcha.) Factores de galga

resultantes para esos cuatro niveles de tensión máxima, con sus parámetros de ajuste R²

(línea punteada) y DE (representada mediante barras de error). ........................... 204

Figura 159. Factores de galga de los sensores que serán embebidos en el Pilar 2,

caracterizados para los tres niveles de carga máxima (1.9, 3.8 y 5.6 MPa). Las barras de

error indican la desviación estándar del FG. En el eje secundario se representa el

parámetro R² para cada nivel de carga. Datos obtenidos aplicando I=0.1 mA. ........... 205

Figura 160. Ensayos de percepción del sensor embebido en el Pilar 2, para tres niveles de

carga máxima (5, 7.5 y 15 MPa). Las gráficas de la izda. representan la variación de

resistencia eléctrica y la deformación unitaria frente al tiempo. Las gráficas de la dcha.

representan la variación de resistencia eléctrica frente a la deformación unitaria...... 206

Figura 161. Factor de galga del sensor embebido en el Pilar 2 para tres niveles de carga

máxima (8, 12 y 25% fc, equivalentes a 5, 7.5 y 15 MPa). Las barras de error representan

la desviación estándar, y la línea punteada el parámetro R². ............................... 207

Figura 162. Ensayos de percepción de los sensores externos, para el nivel de carga máxima

12% fc (7.5 MPa). Dato de deformación unitaria corresponde al promedio de las cuatro

caras del pilar. ........................................................................................ 208

Figura 163. Factores de galga de los sensores “I” (izda. 3x10x1 cm³) y de los sensores “D”

(dcha. 2x10x1 cm³) adheridos externamente al Pilar 2, para el nivel de carga máxima

12% fc (equivalente a 15 MPa). Las barras de error representan la desviación estándar, y

la línea punteada el parámetro R². ............................................................... 208

Figura 164. Izda.) Variación unitaria de resistencia frente a deformación unitaria del sensor

3I, bajo diferentes niveles de tensión máxima: 4%, 8% y 12% fc, equivalentes a tensiones

de 2.5, 5 y 7.5 MPa respectivamente. Dcha.) Factores de galga resultantes para esos

cuatro niveles de tensión máxima, con sus parámetros de ajuste R² (línea punteada) y DE

(representada mediante barras de error). ....................................................... 209

Capítulo VII

250

Figura 165. Instrumentación de los sensores embebidos en probetas cilíndricas. .............. 211

Figura 166. Sensor impermeabilizado, preparado para su embebido en el hormigón. ......... 212

Figura 167. Moldes con sensores instalados, listos para recibir el hormigón..................... 213

Figura 168. Izda.) Caracterización previa del sensor. Dcha.) Monitorización de la probeta a

través del sensor embebido. ........................................................................ 214

Figura 169. Caracterización de los sensores embebibles adicionados con 0.25% NTC para tres

niveles de tensión (2, 4 y 6 MPa). Las barras de error indican la desviación estándar de

FG, y las curvas el parámetro de ajuste R². ..................................................... 215

Figura 170. Caracterización de los sensores embebibles adicionados con 0.50% NTC para tres

niveles de tensión (2, 4 y 6 MPa). Las barras de error indican la desviación estándar de

FG, y las curvas el parámetro de ajuste R². ..................................................... 216

Figura 171. Ensayos de percepción de sensores embebidos dosificados al 0.25% NTC, para tres

niveles de tensión máxima (2, 4 y 6 MPa). Las gráficas de la izda. representan la


la dcha. representan la variación de resistencia eléctrica frente a la deformación

unitaria. ................................................................................................ 217

Figura 172. Ensayos de percepción de sensores embebidos dosificados al 0.50% NTC, para tres

niveles de tensión máxima (2, 4 y 6 MPa). Las gráficas de la izda. representan la


la dcha. representan la variación de resistencia eléctrica frente a la deformación

unitaria. ................................................................................................ 218

Figura 173. Factor de galga de los sensores A (0.25% NTC) y 5 (0.50% NTC), una vez embebidos

en hormigón. .......................................................................................... 219

Figura 174. Deformaciones longitudinales unitarias registradas por el sensor A (0.25% NTC)

ante el mismo estado tensional (tensión máxima 4 MPa), en la fase de pre-embebido

(izda.) y una vez ya embebido (dcha.). .......................................................... 220

17. ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Propiedades de nanomateriales carbonosos (Han et al. 2015). .......................... 22

Tabla 2. Resumen de las mejoras logradas en las propiedades mecánicas de composites

adicionados con NTC, por diferentes autores según las técnicas dispersantes adoptadas.

............................................................................................................ 33

Tabla 3. Clasificación de los poros según la IUPAC. ................................................... 42

Tabla 4. Características de los NTC BAYTUBES C70P, proporcionadas por el fabricante. ...... 70

Tabla 5. Batería de muestras preparadas en suspensión acuosa. Adición 0.05% NTC respecto

masa de cemento para una dosificación de pasta con relación a/c = 0.5. .................. 71

Tabla 6. Análisis químico del cemento Portland utilizado, UNE-EN 197-1 CEM I 52.5-R. ....... 76

Tabla 7. Variación porcentual de las propiedades mecánicas y físicas de los morteros con

adición de NTC respecto del mortero patrón (sin NTC). ........................................ 84

Tabla 8. Dosificaciones de las pastas analizadas al microscopio (% referido a masa de

cemento). ............................................................................................... 93

Tabla 9. Dosificación del hormigón empleado. ........................................................ 103

Tabla 10. Características de los NTC NANOCYLTM NC7000, proporcionadas por el fabricante.

........................................................................................................... 107

Tabla 11. Dosificación de las pastas de cemento conductoras, aplicadas en probetas

contaminadas internamente. ....................................................................... 108

Tabla 12. Dosificación de las pastas aplicadas en probetas contaminadas externamente. ... 109

Tabla 13. Resumen de propiedades caracterizadas sobre el hormigón. .......................... 111


251

Tabla 14. Resumen de eficiencias medias y contenido de cloruros presente en los ánodos al

término del ensayo. .................................................................................. 115

Tabla 15. Resumen de eficiencias medias y contenido de cloruros presente en los ánodos al

término del ensayo — Contaminación externa. ................................................. 119

Tabla 16. Propiedades físico-químico-mecánicas de la FC Hextow AS4. ......................... 123

Tabla 17. Dosificación de las pastas de cemento estudiadas frente a apantallamiento EMI. . 124

Tabla 18. Efectividad de apantallamiento total y apantallamiento por reflexión según

dosificación, y factor de aumento respecto a la pasta patrón (Δ). — 28 días de curado,

espesor de probeta 10 mm. ......................................................................... 128

Tabla 19. Efectividad de apantallamiento total según espesor de probeta, y factor de

aumento respecto a la pasta patrón (Δ) — 28 días de curado. ............................... 129

Tabla 20. Efectividad de apantallamiento total según edad de curado, y factor de aumento

respecto a la pasta patrón (Δ) — espesor de probeta 10 mm. ................................ 130

Tabla 21. Resumen de resultados de caracterización complementaria de las pastas fabricadas

para ensayos de percepción de la deformación, edad 28 días. %Δ se refiere al incremento

porcentual respecto a la pasta patrón. ........................................................... 139

Tabla 22. Resultados de módulos de elasticidad promedio (MPa), desviación estándar relativa

y coeficiente R². ...................................................................................... 146

Tabla 23. Obtención de resultados a 28 días de la probeta 0.50% NTC-Serie 1, para las tres

intensidades de corriente en estudio. Parámetros de ensayo: carga máxima=9000 N y

velocidad de carga=200 N/s. ....................................................................... 152

Tabla 24. Resultados promedio de resistencia eléctrica (R₀), masa y efecto de polarización

para las dos dosificaciones estudiadas, 0% y 0.50% NTC, según la condición de

acondicionamiento. El incremento de masa está referido al primer valor obtenido, la

pesada a 7 días. ....................................................................................... 187

Tabla 25. Dosificación del hormigón autocompactante empleado para los pilares 1 y 2. ..... 192

Tabla 26. Características de sensores (dosificación 0.50% NTC constante) implementados en el

Pilar 1. .................................................................................................. 193

Tabla 27. Características de sensores (dosificación 0.50% NTC constante) implementados en el

Pilar 2. .................................................................................................. 195

Tabla 28. Propiedades mecánicas a 28 días del hormigón en masa de los pilares. ............. 198

Tabla 29. Dosificación del hormigón autocompactante empleado en las probetas cilíndricas a

monitorizar. ........................................................................................... 213

Tabla 30. Comparativa de módulos elásticos obtenidos antes y después del embebido de los

sensores 0.25% NTC en probetas de hormigón. .................................................. 220

Tabla 31. Comparativa de módulos elásticos obtenidos antes y después del embebido de los

sensores 0.50% NTC en probetas de hormigón. .................................................. 220

18. ÍNDICE DE ACRÓNIMOS Y ABREVIATURAS

a/c Relación agua/cemento

AC Corriente alterna

Brij 35 Polioxietilen-23-lauril éter

CMA Célula de medida de apantallamiento EMI

DC Corriente continua

DE Desviación estándar

DER Desviación estándar relativa

Capítulo VII

252

DWCNT Double-walled carbon nanotubes (NTC de doble capa)

Ecorr Potencial de corrosión

ECS Electrodo de calomelanos saturado

EDX X-Ray Energy Dispersive Spectrometry

EEC Extracción electroquímica de cloruros

EMI Onda (o interferencia) electromagnética

FC Fibras de carbono

FG Factor de galga

HA Hormigón armado

HM Hormigón en masa

HR Humedad relativa

HS Humo de sílice

Icorr Intensidad de corrosión

K Parámetro K (análogo a FG en la caracterización piezorresistiva)

MCCM Material cementante conductor multifuncional

MWCNT Multi-walled carbon nanotubes (NTC multicapa)

NFC Nanofibras de carbono

NPG Nanoplatelets de grafito

NTC Nanotubos de carbono (CNT: carbon nanotubes)

PIM Porosimetría de intrusión de mercurio

Rc Resistencia a compresión

Rf Resistencia a flexotracción

Rp Resistencia de polarización

SDBS Dodecilbencenosulfonato de sodio

SDS Dodecilsulfato de sodio

SE Efectividad de apantallamiento (shielding effectiveness)

SER Apantallamiento por reflexión

SET Apantallamiento total

SEM Microscopía electrónica de barrido (scanning electron microscopy)

SWCNT Single-walled carbon nanotubes (NTC monocapa)

TEM Microscopía electrónica de transmisión (transmission electron microscopy)

TX100 Triton X-100

VPU Velocidad de propagación de ultrasonidos

desarrollo de materiales cementantes conductores multifuncionales mediante adición de ... ·...

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