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Desarrollo de materiales cementantes conductores multifuncionales mediante
adición de nanotubos de carbono
María del Carmen Camacho Ballesta
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
Índice de contenido
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. Procedimiento experimental ................................................... 76
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
4.2. Resultados y discusión ........................................................... 81
4.3. Conclusiones ...................................................................... 84
5. NIVELES DE CORROSIÓN .......................................................... 85
5.1. Procedimiento experimental ................................................... 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
5.2. Resultados y discusión ........................................................... 88
5.3. Conclusiones ...................................................................... 92
6. ANÁLISIS MEDIANTE SEM y EDX................................................... 93
6.1. Procedimiento experimental ................................................... 93
6.1.1. Materiales y preparación de muestras ................................... 93
6.1.2. Descripción de los ensayos ................................................ 93
6.2. Resultados y discusión ........................................................... 94
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
Índice de contenido
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. Procedimiento experimental ................................................. 123
8.1.1. Fabricación de probetas ................................................. 123
8.1.2. Dispositivo de medida .................................................... 125
8.1.3. Ensayo de probetas ....................................................... 126
8.2. Resultados y discusión ......................................................... 127
8.3. Conclusiones .................................................................... 130
CAPÍTULO V: FUNCIÓN DE PERCEPCIÓN DE LA DEFORMACIÓN ................... 131
9. E-1: PERCEPCIÓN EN PROBETAS 4x4x16 cm3 ................................. 133
9.1. Procedimiento experimental ................................................. 134
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. Resultados y discusión ......................................................... 139
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
Índice de contenido
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. Procedimiento experimental ................................................ 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. Resultados y discusión ....................................................... 198
11.2.1. Resultados relativos al Pilar 1 ......................................... 198
11.2.2. Resultados relativos al Pilar 2 ......................................... 204
11.3. Conclusiones del Estudio-3 .................................................. 209
12. E-4: SENSORES EMBEBIDOS EN PROBETAS CILÍNDRICAS DE HM ............ 210
Índice de contenido
13
12.1. Procedimiento experimental ................................................ 210
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. Resultados y discusión ....................................................... 215
12.2.1. Caracterización previa de sensores ................................... 215
12.2.2. Ensayos de probetas con sensores embebidos ....................... 216
12.3. Conclusiones del Estudio-4 .................................................. 221
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).
Introducción y objetivos
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
Introducción y objetivos
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
Introducción y objetivos
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.
Introducción y objetivos
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
Introducción y objetivos
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-
Introducción y objetivos
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.
Introducción y objetivos
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.
Introducción y objetivos
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-
Introducción y objetivos
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
Introducción y objetivos
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-
Introducción y objetivos
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
Introducción y objetivos
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
Introducción y objetivos
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).
Introducción y objetivos
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
Introducción y objetivos
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
Introducción y objetivos
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.
Introducción y objetivos
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.
Introducción y objetivos
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-
Introducción y objetivos
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
Introducción y objetivos
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
Introducción y objetivos
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-
Introducción y objetivos
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).
Introducción y objetivos
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.
Introducción y objetivos
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.
Caracterización inicial de los composites
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
Caracterización inicial de los composites
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
0
2
4
6
8
10
12
0.01 0.1 1 10 100 1000 10000
Volu
men d
ifere
ncia
l (%
)
Tamaño de partícula (µm)
Ref Mezcladora
Ultrasonidos Mezclad.+ultras.
0
2
4
6
8
10
12
0.01 0.1 1 10 100 1000 10000
Volu
men d
ifere
ncia
l (%
)
Tamaño de partícula (µm)
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.
0
2
4
6
8
10
12
14
0.01 0.1 1 10 100 1000 10000
Volu
men d
ifere
ncia
l (%
)
Tamaño de partícula (µm)
M+U M+U+0.25%P1+B
M+U+0.50%P1+B M+U+1%P1+B
0
2
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16
0.01 0.1 1 10 100 1000 10000
Volu
men d
ifere
ncia
l (%
)
Tamaño de partícula (µm)
M+U M+U+0.25%P2+B
M+U+0.50%P2+B M+U+1%P2+B
0
2
4
6
8
10
12
14
0.01 0.1 1 10 100 1000 10000
Volu
men d
ifere
ncia
l (%
)
Tamaño de partícula (µm)
M+U M+U+0.25%S1+B
M+U+0.50%S1+B M+U+1%S1+B
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0.01 0.1 1 10 100 1000 10000
Volu
men d
ifere
ncia
l (%
)
Tamaño de partícula (µm)
M+U M+U+0.25%S2+B
M+U+0.50%S2+B M+U+1%S2+B
Caracterización inicial de los composites
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
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0.1 1 10
Volu
men d
ifere
ncia
l (%
)
Tamaño de partícula (µm)
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. Procedimiento experimental
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
Caracterización inicial de los composites
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-
Caracterización inicial de los composites
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
Caracterización inicial de los composites
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
Caracterización inicial de los composites
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.
Caracterización inicial de los composites
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. Procedimiento experimental
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-
Caracterización inicial de los composites
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.
5.2. Resultados y discusión
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.
Caracterización inicial de los composites
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.
Caracterización inicial de los composites
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.
Caracterización inicial de los composites
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. Procedimiento experimental
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
Caracterización inicial de los composites
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
Caracterización inicial de los composites
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
Figura 65. Imagen SEM de la pasta adicionada con 5% NTC (respecto masa de cemento).
Figura 66. Imagen SEM de la pasta adicionada con 10% NTC (respecto masa de cemento).
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.
Caracterización inicial de los composites
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. Procedimiento experimental
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
7.2. Resultados y discusión
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)
Tiempo (días), desde inicio EEC
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 76. Perfil de concentración de cloruros y eficiencia para la pasta de cemento con adición 5%NTC.
Figura 77. Perfil de concentración de cloruros y eficiencia para la pasta de cemento con adición 10%NTC.
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)
C. Final Cl- C. Inicial Cl- Eficiencia 5% 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)
C. Final Cl- C. Inicial Cl- Eficiencia 10% NTC
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
Figura 79. Evolución de la tensión en las cuatro probetas a lo largo del tratamiento de EEC.
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)
Tiempo (días), desde inicio EEC
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)
C. Final Cl- C. Inicial Cl- Eficiencia 1% NTC
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. Procedimiento experimental
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.
Función de apantallamiento EMI
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-
Función de apantallamiento EMI
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.
8.2. Resultados y discusión
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
(Ref.) % NTC %FC %NTC[+1%FC]
Apanta
llam
iento
(dB)
Dosificación
10mm-500 MHz 10mm-1 GHz
40mm-500 MHz 40mm-1 GHz
Función de apantallamiento EMI
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
(Ref.) % NTC %FC %NTC[+1%FC]
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. Procedimiento experimental
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:
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 (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)
Función de percepción de la deformación
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).
Función de percepción de la deformación
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)
Función de percepción de la deformación
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. Resultados y discusión
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
Función de percepción de la deformación
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
Función de percepción de la deformación
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)
Función de percepción de la deformación
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
Función de percepción de la deformación
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.
Función de percepción de la deformación
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)
Función de percepción de la deformación
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
Función de percepción de la deformación
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)
Función de percepción de la deformación
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)
Función de percepción de la deformación
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
Deformación unitaria, ε
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
Deformación unitaria, ε
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
Deformación unitaria, ε
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
Deformación unitaria, ε
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
Deformación unitaria, ε
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
Deformación unitaria, ε
9000 N
S1 S2
Función de percepción de la deformación
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
Deformación unitaria, ε
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.
Función de percepción de la deformación
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. Procedimiento experimental
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:
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, 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
Función de percepción de la deformación
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
‒ Carga máxima: 6 kN (3.8 MPa), velocidad de carga-descarga: 400 N/s
‒ Carga máxima: 9 kN (5.6 MPa), velocidad de carga-descarga: 400 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. Resultados y discusión
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.
Función de percepción de la deformación
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
Deformación unitaria, ε
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
Deformación unitaria, ε
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
Deformación unitaria, ε
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
Función de percepción de la deformación
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
Deformación unitaria, ε
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
Deformación unitaria, ε
Ref B1 B2
Antes del ataque (condiciones de laboratorio)
Después del ataque (tras carbonatación)
Función de percepción de la deformación
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.
Función de percepción de la deformación
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)
Función de percepción de la deformación
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
Función de percepción de la deformación
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
0%NTC 0.5%NTC 0%NTC 0.5%NTC
Sin cloruros Con cloruros
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
0%NTC 0.5%NTC 0%NTC 0.5%NTC
Sin cloruros Con cloruros
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
Sin cloruros Con cloruros
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)
Función de percepción de la deformación
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
Función de percepción de la deformación
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
Función de percepción de la deformación
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)
Función de percepción de la deformación
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)
2 semanas - laboratorio
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)
2 semanas - laboratorio
R²
Función de percepción de la deformación
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)
2 semanas - estufa 50°C
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)
2 semanas - estufa 50°C
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
Función de percepción de la deformación
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
10.3. Conclusiones del Estudio-2
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.
Función de percepción de la deformación
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
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 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.
Función de percepción de la deformación
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.
Función de percepción de la deformación
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(int.) 0.5 P14 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.
Función de percepción de la deformación
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(int.) 0.5 P7 4×4×16 embebido cable Cu + Ag 8 12
2(int.) 0.5 P8 4×4×16 embebido cable Cu + Ag 8 12
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
2(2) 0.5 2D 2×10×1 pegado con p.u.2 cable Cu + Ag 5 7.5
2(3) 0.5 3I 3×10×1 pegado con p.u.2 cable Cu + Ag 5 7.5
2(3) 0.5 3D 2×10×1 pegado con p.u.2 cable Cu + Ag 5 7.5
2(4) 0.5 4I 3×10×1 pegado con p.u.2 cable Cu + Ag 5 7.5
2(4) 0.5 4D 2×10×1 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.
11.1.4. DESCRIPCIÓN DE LOS ENSAYOS
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-
Función de percepción de la deformación
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.
11.2. Resultados y discusión
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
Función de percepción de la deformación
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
Deformación unitaria, ε
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
Deformación unitaria, ε
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
Deformación unitaria, ε
15% fc (7.5 MPa)
P1.1 P1.2
Función de percepción de la deformación
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
Deformación unitaria, ε
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
Deformación unitaria, ε
15% fc (7.5 MPa)
1G 3G
Función de percepción de la deformación
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
Deformación unitaria, ε
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
Deformación unitaria, ε
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
Deformación unitaria, ε
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
Función de percepción de la deformación
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
Deformación unitaria, ε
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
Deformación unitaria, ε
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
Deformación unitaria, ε
25% fc (15 MPa)
P2.2
Función de percepción de la deformación
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
Deformación unitaria, ε
Sensores 3x10x1 cm³
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)
Sensores 2x10x1 cm³
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
Deformación unitaria, ε
Sensores 2x10x1 cm³
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
Sensores 3x10x1 cm³
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
Sensores 2x10x1 cm³
R²
Función de percepción de la deformación
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.
11.3. Conclusiones del Estudio-3
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
Deformación unitaria, ε
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. Procedimiento experimental
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
Función de percepción de la deformación
211
probetas se fabricaron con pastas basadas en cemento Portland. Los materiales em-
pleados en su preparación fueron los siguientes:
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, 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).
Función de percepción de la deformación
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.
12.1.3. DESCRIPCIÓN DE LOS ENSAYOS
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.).
Función de percepción de la deformación
215
12.2. Resultados y discusión
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)
Función de percepción de la deformación
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
Deformación unitaria, ε
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
Deformación unitaria, ε
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
Deformación unitaria, ε
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
Deformación unitaria, ε
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
Deformación unitaria, ε
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
Deformación unitaria, ε
6 MPa
5 6 7(i) 8(i)
Función de percepción de la deformación
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
Función de percepción de la deformación
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.
12.3. Conclusiones del Estudio-4
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
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Referencias e índices
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
Figura 43. Tamaño de partícula en muestras dispersadas mediante tratamiento mecánico
combinado con policarboxilato 2. .................................................................. 74
Figura 44. Tamaño de partícula en muestras dispersadas mediante tratamiento mecánico
combinado con surfactante 1. ....................................................................... 74
Referencias e índices
243
Figura 45. Tamaño de partícula en muestras dispersadas mediante tratamiento mecánico
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
Figura 73. Evolución de la tensión en las cuatro probetas a lo largo del tratamiento de EEC.
........................................................................................................... 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
Figura 79. Evolución de la tensión en las cuatro probetas a lo largo del tratamiento de EEC.
........................................................................................................... 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
Referencias e índices
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
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. 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
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 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
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 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
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 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
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:
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
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. .................................................................................... 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
representan el cambio fraccional de resistencia frente a la deformación longitudinal
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
Referencias e índices
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.
Condiciones de carga: 6000 N, velocidad 400 N/s. ............................................. 172
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
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. ............................................. 177
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.
Condiciones de carga: 6000 N, velocidad 400 N/s. ............................................. 180
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
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. ............................................. 181
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
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. ............................................. 183
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.
Condiciones de carga: 6000 N, velocidad 400 N/s. ............................................. 185
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.
Condiciones de carga: 6000 N, velocidad 400 N/s. ............................................. 186
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
Referencias e índices
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
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. ................................................................................................ 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
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. ................................................................................................ 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
Referencias e índices
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