Aplicación práctica de un material cementicio conductor como sensor de deformaciones, mediante la adición híbrida de nanotubos de carbono y polvo de grafito, en elementos a escala real

Abstract

El hormigón es considerado el material de construcción tradicional por excelencia en el mundo. Sin embargo, existe una demanda de avances tecnológicos en respuesta a los nuevos requisitos innovadores [1], basados tanto en cuestiones de sostenibilidad como en criterios de seguridad. Los compuestos de hormigón multifuncionales son una nueva generación de materiales que proporcionan a las infraestructuras, la capacidad de desarrollar ellas mismas simultáneamente nuevas funciones, además del papel estructural habitual [2], [3]. Cuando los materiales con estas funciones producen una variación de señal que podría ser detectada por un dispositivo externo, también son denominados materiales inteligentes. Una aplicación clave de los materiales inteligentes se encuentra en los sistemas de monitorización estructural (SHM), que es posible gracias a sus propiedades intrínsecas de autodetección, también conocidas como propiedades piezorresistivas [4]–[7]. Esta tesis se ha desarrollado dentro del marco del proyecto europeo MASTRO “Intelligent bulk MAterials for Smart TRanspOrt industries” cuyo objetivo general ha sido desarrollar materiales inteligentes con capacidad de autorespuesta para el sector del transporte, en particular, para la industria aeroespacial, infraestructuras y automoción. Se trata de un proyecto financiado por el programa Horizonte 2020 de la Comisión Europea, con un presupuesto de casi 6 millones de € para un consorcio de 16 participantes, entre ellos el grupo de investigación del departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Alicante y liderado por la multinacional española ACCIONA. Esta tesis se presenta como compendio de publicaciones y queda estructurada en cuatro secciones. La Sección Inicial constituye la sección de Síntesis y está formada por cuatro apartados. En primer apartado, se realiza una introducción, a través del estado del arte y la revisión de la literatura relacionada más reciente. En el segundo apartado se exponen los objetivos y la estructura de la tesis. En el tercer apartado de la síntesis se desarrolla el procedimiento experimental llevado a cabo y se estudia el efecto de las adiciones conductoras y los tratamientos superficiales a través de dos estudios paralelos. En el cuarto y último apartado de la síntesis se caracterizó la respuesta piezorresistiva del material para diferentes condiciones de humedad y temperatura. La segunda sección bajo el nombre de Trabajos publicados reproduce la versión íntegra de los dos artículos publicados incluyendo las referencias bibliográficas de cada uno de ellos. En el primer artículo, se han llevado a cabo diferentes tratamientos de oxi-dación basados en el uso de H2SO4-HNO3, O3 y O3 seguidos de NaOH (O3-NaOH) para promover la funcionalización de la superficie de los NTC, siendo el objetivo principal evaluar la influencia del tipo de tratamiento y el grado de oxidación alcanzado en las propiedades mecánicas y eléctricas, y en la función de percepción de la deformación de la pasta de cemento. Este tra-bajo ha sido publicado en la revista Nanomaterials (Q1), en abril de 2020 y ha surgido de la colaboración del equipo de profesores de la Universidad de Alicante que trabaja en la línea de investigación de Hormigones Conductores Multifuncionales junto con la empresa de base tecnológica Applynano So-lutions S.L. En el segundo trabajo publicado se ha estudiado la respuesta piezorresistiva de pasta de cemento conductora con adición híbrida con NTC y PG bajo diferentes condiciones ambientales. El estudio se llevó a cabo en probetas de 4x4x16 cm3. Se probó la respuesta piezorresistiva a diferentes temperaturas (entre 0 °C y 60 °C) y se estudió la influencia del contenido de humedad interna a diferentes grados de saturación de agua (GS), primero con muestras saturadas (100% GS) y secando progresivamente hasta que las muestras estuvieron totalmente secas (0% GS). Ambos estudios fueron diseñados para dar una amplia gama de condiciones externas, con el fin de simular escenarios de servicio reales para los sensores desarrollados. El artículo se ha publicado en la revista Construction and Building Materials (Q1) en febrero de 2021. La tercera sección como Trabajos no publicados se incluye un apartado con los estudios llevados a cabo sobre la aplicación práctica de la función de percepción en tres estructuras reales no conductoras de hormigón y mampostería, mediante sensores de deformación adheridos a la superficie de los mismos. Por último, se incluye un apartado con los estudios llevados a cabo en elementos fabricados íntegramente por hormigones híbridos conductores. Actualmente se están redactando 2 artículos relativos a estos estudios. En último lugar, la Cuarta Sección pone fin al trabajo presentando las Conclusiones generales y las vías de trabajo futuras que se proponen a la luz del conjunto de resultados aportado. Para su consulta también se incluyen las referencias de búsqueda.