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FUNCIÓN DE PERCEPCIÓN DE DEFORMACIÓN Y DAÑO EN MATERIALES CEMENTICIOS BASADOS EN ESCORIA DE ALTO HORNO ACTIVADA ALCALINAMENTE REFORZADOS CON FIBRA DE CARBONO
Josep Lluís Vilaplana Abad
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL
ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DE ALICANTE
FUNCIÓN DE PERCEPCIÓN DE DEFORMACIÓN
Y DAÑO EN MATERIALES CEMENTICIOS
BASADOS EN ESCORIA DE ALTO HORNO
ACTIVADA ALCALINAMENTE REFORZADOS
CON FIBRA DE CARBONO.
AUTOR
JOSEP LLUÍS VILAPLANA ABAD
Tesis presentada para aspirar al grado de
DOCTOR POR LA UNIVERSIDAD DE ALICATNE
DOCTORADO EN INGENIERIA DE MATERIALES, ESTRUCTURAS Y TERRENO:
CONSTRUCCIÓN SOSTENIBLE
Dirigida por:
PEDRO GARCÉS TERRADILLOS
FRANCISCO JAVIER BAEZA DE LOS SANTOS
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
2 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
3 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
AGRADECIMIENTOS:
La consecución de un logro, no está en manos de una sola persona, son muchos
los que prestan apoyo técnico, intelectual, físico y como no psíquico. A todos los
que en algún momento se han cruzado conmigo en este camino quiero
agradecerles su tiempo, su esfuerzo y sobre todo su coherencia.
Especial reseña se merecen mis directores, Pedro Garcés Terradillos y Francisco
Javier Baeza de los Santos, científicos de vocación que siguen manteniendo la
ilusión por hacer ciencia, como si del primer día se tratara, sorteando cada una de
las dificultades que se encuentran con ingenio y profesionalidad.
Como no a todos aquellos doctores, profesores, laborantes, administrativos,
compañeros doctorandos del departamento de Ingeniería Civil, compañeros
alumnos de carrera y máster, que durante este camino me han ayudado y
orientado de forma sobresaliente.
Pero como no, agradecer a las personas que realmente han hecho posible esta
aventura, primero las que me dieron la oportunidad de estudiar ingeniería a costa
de innumerables sacrificios familiares, mis padres Vicente y Mª Dolores y segundo
las que sin su apoyo y en muchos casos sus empujones, no hubiera sido posible la
realización de este trabajo. Mi esposa Maria, y mis hijos, Bernat y Maria, me han
dado no solo el tiempo inmaterial, ese que pasa sin pausa cambiando todas las
cosas de lugar, sino también el tiempo material que es el que comprende
sacrificios personales y económicos tan necesarios para llevar a cabo un proyecto
como este.
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
4 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
5 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
RESUMEN (cat):
Als últims anys, s’han pogut presentar diverses Tesis doctorals a la Universitat d’Alacant, estudiant el
fenomen de la percepció en pastes Pòrtland, reforçades amb fibres, nonofibres i nanotubs de
carboni. S’han caracteritzat propietats amb la capacitat d’atorgar a aquestes pastes funcions per a
les que tradicionalment no han estat preparades.
Es conegut que el principal argument per a l’ús del formigó és el seu gran potencial per assolir la
funció estructural, tanmateix la addició a les pastes de ciment de materials conductors (fibra de
carboni, nanofibres de carboni, nanotubs de carboni, pols de grafit, fibres metàl·liques, etc) poden
atorgar al formigó usos diferents al fins ara considerats, transformant-lo en un material de ciment
conductor multifuncional.
Nombroses experiències han mostrat el bon comportament del ciment i formigons conformats a partir
de la activació alcalina de escòries d’alt forn (EAA), els quals a més de posseir importants propietats
mecàniques i de durabilitat, son una bona alternativa als ciments Pòrtland, en consideració a la
sostenibilitat ambiental.
Cert és que a dia de hui, és possible una total substitució de ciments Pòrtland per ciments alcalins.
Malgrat això el problema principal que presenten aquests compostos de ciment activats
alcalínament, n’és la seua gran retracció, que per norma general requereix l’addició de reductors de
retracció per garantir la seua integritat.
Al mateix temps, l’ús de fibres com addicció en la fabricació també ha resultat d’utilitat com agent
controlador de la retracció. En concret la utilització de fibres conductores de la electricitat en la
barreja, com son les fibres de carboni (FC), a més de millorar les prestacions mecàniques dels
compostos, els transforma en materials conductors, establint-se així la possibilitat de realitzar funcions
distintes de la purament estructural, com poden se les de ànode d’extracció electroquímica de
clorurs o la percepció de deformacions.
Aquesta capacitat de ser sensibles a la seua pròpia deformació, que presenten aquests materials
reforçats amb aquests conductors, s’estudia correlacionant els canvis en la seua resistivitat elèctrica
amb l’estat de deformació unitària del material. D’una manera alternativa l’ús de EAA com a sensors
de deformacions, quasi no ha sigut estudiat i pot generar materials de major sensibilitat a la seua
pròpia deformació que els tradicionals pastes de ciment Pòrtland.
En aquest treball pastes de EAA han sigut reforçades amb FC, estudiant-ne l’efecte de la
concentració de l’activador alcalí i la relació d’aspecte de la fibra (s’han utilitzat diferents longituds
per al mateix diàmetre), en les propietats mecàniques de les pastes i en les propietats que regeixen
la percepció de la deformació i dany dels materials.
A la caracterització físico-mecànica s’han dut a terme assajos sobre la resistència a compressió, a
flexió, densitat, velocitat de pas d’ultrasons i la mesura de retracció de les pastes. Tot tenint en compte
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
6 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
que l’addició de FC milloren les resistències mecàniques de les pastes, al temps que controlen la
retracció de les mostres, conferint-los estabilitat estructural, que per contra, en condicions adverses
amb humitats relatives del 50% els exemplars no reforçats arriben a trencar.
A més, en aquest estudi, s’ha constatat que les pastes EAA reforçades amb FC, presenten bones
prestacions de conductivitat elèctrica, que les fa susceptibles d’esser utilitzades en aplicacions
funcionals distintes de la estructural, com ara l’apantallament d’interferència electró-magnètica
(EMI), la calefacció per resistència o l’estudiada en aquest treball de percepció de deformació i
dany.
La sensibilitat a la percepció de la deformació d’aquestes pastes EAA reforçades amb FC és elevada,
arribant a grans valors de factor de galga, una vegada estudiats els cicles de càrrega i descàrrega
axial de les mostres, el que indica un comportament altament lineal i reversible a la variació de la
resistivitat elèctrica del material al ser deformat.
S’ha pogut constatar també a aquest treball, la capacitat d’aquests materials per percebre el seu
propi dany, al variar de manera sobtada la resistivitat elèctrica quan es produeixen danys a la matriu
fins i tot abans d’evidenciar-se físicament.
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
7 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
RESUMEN (esp):
En los últimos años, se han presentado en la Universidad de Alicante diversas Tesis doctorales sobre
percepción en pastas de cemento Portland, reforzadas con fibras, nanofibras y nanotubos de
carbono. Se han caracterizado propiedades capaces de otorgar a estas pastas funciones para las
que tradicionalmente no estaban preparadas.
Sabido es que el principal argumento para el uso del hormigón es su gran potencial para satisfacer
la función estructural, sin embargo la adición a las pastas de cemento de materiales conductores
(fibra de carbono, nanofibras de carbono, nanotubos de carbono, polvo de grafito, fibras metálicas,
etc.) pueden otorgar al hormigón usos distintos a los hasta ahora considerados, transformándolo en
un material cementico conductor multifuncional.
Numerosas investigaciones han mostrado el buen comportamiento del cemento y hormigones
basados en la activación alcalina de escorias de alto horno (EAA), que además de poseer
importantes propiedades mecánicas y de durabilidad, son una buena alternativa a los cementos
Portland, en consideración a la sostenibilidad ambiental.
El hecho contrastado es que a día de hoy es posible una total sustitución de los cementos Portland
por cementos alcalinos. No obstante el principal problema al que se enfrentan estos compuestos
cementicios activados alcalinamente es su gran retracción, que habitualmente requiere el empleo
de aditivos reductores de retracción para garantizar su integridad.
Paralelamente, el uso de fibras como adición en la fabricación también ha resultado útil como
agente controlador de la retracción. En el caso particular de emplear fibras conductoras de la
electricidad en la mezcla, como son las fibras de carbono (FC), además de mejora las prestaciones
mecánicas del compuesto, éste se transforma en un material conductor, estableciéndose así la
posibilidad de realizar funciones distintas de su función estructural, como la posibilidad de funcionar
como ánodo de extracción electroquímica de cloruros o la percepción de deformaciones.
Dicha capacidad de ser sensibles a su propia deformación, que presentan estos materiales
reforzados con materiales conductores, se estudia correlacionando los cambios en su resistividad
eléctrica con su estado de deformación. Alternativamente, el empleo de EAA como sensor de
deformaciones, apenas ha sido estudiado, y puede generar materiales con mayor sensibilidad de su
deformación.
En este trabajo pastas de EAA se han reforzado con FC, estudiándose el efecto de la concentración
del activador alcalino y la relación de aspecto de la fibra, (se ha utilizado diferentes longitudes para
el mismo diámetro), en las propiedades físico-mecánicas de las pastas y en las propiedades que rigen
la percepción de deformación y daño de los materiales.
La caracterización físico-mecánica ha comprendido el estudio de la resistencia a compresión,
flexión, densidad, la velocidad de paso de ultrasonidos y la medida de retracción de las pastas,
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
8 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
constatándose que la adición de FC mejoran las resistencias mecánicas de las pastas al tiempo que
controlan la retracción de las mismas otorgándoles estabilidad estructural, ya que en condiciones
desfavorables con humedades relativas del 50 % los ejemplares no reforzados llegan a romper.
Además, en este estudio, se ha constatado que las pastas EAA reforzadas con FC, presentan buenas
prestaciones de conductividad eléctrica, que las hace susceptibles de ser utilizadas en aplicaciones
funcionales distintas de las estructurales como pueden ser el apantallamiento de interferencia
electro-magnética (EMI), la calefacción por resistencia o la estudiada en este trabajo de percepción
de deformación y daño.
La sensibilidad a la percepción de deformación de estos compuestos reforzados con FC, es muy alta,
llegando a elevados valores de factor de galga una vez estudiados ciclos de carga y descarga axial
de las muestras, lo que indica un comportamiento muy lineal y reversible en la variación de la
resistividad eléctrica del material al ser deformado.
Se ha constatado en este trabajo la capacidad de estos materiales para percibir su daño, al variar
súbitamente la resistividad del mismo, al producirse daño en la matriz, incluso antes de evidenciarse
físicamente.
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
9 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
ABSTRACT (eng):
In recent years at the University of Alicante, several doctoral theses have been focused on self-sensing
properties in cement composite materials, reinforced with carbon fibers, carbon nanofibers and
carbon nanotubes. They have demonstrated multifunctional properties in Portland cement
composites.
Concrete is used for the structural function mainly, however the addition of conductive materials
(fiber, nanofibers or carbon nanotubes, graphite powder, steel fibers, etc. .) in cement composites
means these materials can be used as a multifunctional conductors.
Environmental and economic reasons make the alkaline activation of granulated blast furnace slag
(BFS) appear to be a great alternative to the conventional production of Portland cement, due to
their good mechanical properties and durability.
Currently, the complete replacement of Portland cement by alkaline cement could be possible;
however, the main disadvantage of theses composites is their high drying shrinkage strain, which
requires the use of shrinkage reducing admixtures.
The addition of carbon fibers (CF) to brittle composites represents a commonly used technique to
improve their mechanical properties, besides improving electrical behaviour, as they are able to be
sensitive to and respond properly to certain stimuli, e.g., strain or damage sensing, temperature
sensing, heating control, electromagnetic wave reflection and absorption or as an anode for
electrochemical chloride extraction.
When the strain sensing function is characterized in a cementitious material, the response in the
volumetric electrical resistivity (proportional and reversible) related to its strain state has to be defined.
Alternatively, the use of alkali activated slag (AAS) as a strain sensor, has not yet been studied, and
could produce composites with greater strain sensitivity.
In this research, AAS pastes have been reinforced with CF. The effect of the concentration of alkaline
activator (%Na2O an silica modulus) and the fiber aspect ratio (using different length fibers with the
same diameter) on the mechanical properties and the strain or damage sensitivity has been studied.
Mechanical characterization consisted of bending and compressive strength tests, ultrasonic pulse
velocity and density measurements, and drying shrinkage tests, in which CF were capable of
improving the mechanical strengths of AAS pastes while controlling the specimens strain due to
shrinkage, guaranteeing their stability even in conditions of 50% RH, where unreinforced specimens
broke.
AAS reinforced with CF can be used as a multifunctional cementitious composite, showing good
conductive properties. Moreover, values of gage factor obtained during the strain sensing test (which
consisted of consecutive compressive loading-unloading cycles applied in the specimen’s
longitudinal direction) were higher than values measured in similar Portland cement pastes.
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
10 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
This research demonstrates that AAS reinforced with CF could be suitable as a strain sensor or could
even be sensitive to its own structural damage before any external evidence of failure had been
observed.
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
11 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
Índice
I. SÍNTESIS DE LOS TRABAJOS PRESENTADOS. ........................................................... 17
I.1 INTRODUCCIÓN. ................................................................................................................... 18
I.2 OBJETIVOS. ............................................................................................................................ 20
I.3 HIPÓTESIS. ............................................................................................................................... 21
I.4 JUSTIFICACIÓN DE UNIDAD TEMÁTICA. ............................................................................ 22
I.4.1 Estudio 1: Caracterización físico-mecánica de las pastas EAA. ................................ 22
I.4.2 Estudio 2: Caracterización de la percepción y daño de las pastas EAA. ............... 24
I.5 EXPERIMENTAL. ...................................................................................................................... 27
I.5.1 Materiales utilizados. ........................................................................................................... 27
I.5.2 Preparación de probetas para caracterización físico-mecánica. ........................... 31
I.5.3 Preparación de probetas para ensayo de percepción. ............................................ 31
I.6 RESULTADOS Y DISCUSIÓN. ................................................................................................. 33
I.6.1 Estudio 1: Caracterización físico-mecánica de las pastas EAA. ................................ 33
I.6.2 Estudio 2: Caracterización de la Percepción de la deformación y el daño. ......... 43
II. TRABAJOS PUBLICADOS. ........................................................................................ 54
II.1 CONSTRUCTION & BUILDING MATERIALS. ........................................................................ 55
II.1.1 Publicación: .......................................................................................................................... 55
II.1.2 Datos de la revista: .............................................................................................................. 55
II.1.3 Citas: ....................................................................................................................................... 55
II.2 MATERIALS. ............................................................................................................................ 65
II.2.1 Datos de la publicación: .................................................................................................... 65
II.2.2 Datos de la revista: .............................................................................................................. 65
II.2.3 Citas: ....................................................................................................................................... 65
III. TRABAJOS NO PUBLICADOS. ................................................................................. 78
III.1 HORMIGÓN Y ACERO. ........................................................................................................ 79
III.1.1 Datos de la publicación: ........................................................................................... 79
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
12 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
IV. CONCLUSIONES Y FUTURAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN. ..................................... 91
IV.1 CONCLUSIONES .................................................................................................................... 92
IV.1.1 Estudio 1: Caracterización físico-mecánica de las pasta EAA reforzadas con
FC. 92
IV.1.2 Estudio 2: Caracterización de la percepción de deformación y daño de las
pastas EAA reforzadas con FC. ................................................................................................. 93
IV.2 FUTURAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN. ................................................................................ 94
V. REFERENCIAS. .......................................................................................................... 96
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
13 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
Índice de Tablas
Tabla 1. Composición química de la escoria de alto horno proporcionada por el
IETcc-CSIC. ......................................................................................................................... 27
Tabla 2. Propiedades de la fibra de carbono dosificada por IETcc-CSIC,
facilitadas por el fabricante............................................................................................ 28
Tabla 3. Composición química de la escoria de alto horno obtenida por XRF .. 29
Tabla 4. Propiedades de la fibra de carbono (según especificaciones del
fabricante) 29
Tabla 5. Propiedades mecánicas de las pastas de EAA. Valor medio ±
desviación standard (SD) para tres (Rf y VPU) o seis (Rc y Densidad) muestras. ..... 34
Tabla 6. Valores de resistencia eléctrica y resistividad para diferentes
dosificaciones de FC sobre masa de escoria de alto horno. .................................... 45
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
14 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
Índice de Figuras.
Figura 1. Esquema preparación de probeta para los ensayos de percepción.
Contactos eléctricos: 1 y 2 para entrada de corriente, y 3 y 4 para medida de
voltaje. Ubicación de galga extensométrica. ............................................................. 32
Figura 2. Resistencia a Flexión y b) resistencia a compresión en pastas EAA en
función del módulo de disolución y el activador según % Na2O, a diferentes edades
35
Figura 3. Relación entre Resistencia a compresión de las distintas dosificaciones
a distintas edades con respecto la VPU y la Densidad de las pastas de EAA. ...... 35
Figura 4. Resistencias a flexión en pastas EAA reforzadas con FC según
dosificación (% Na2O y Ms) y edades de curado 7, 28, 60 días. ............................... 36
Figura 5. a) Agrupaciones de FC debidas a la dificultad de dispersión por
cantidad o longitud de fibras añadidas; b) alineación preferencial de la fibra en
sentido longitudinal de las probetas; c) imagen SEM de agrupación de fibras. ... 37
Figura 6. Resistencias a compresión en pastas EAA reforzadas con FC según
dosificación (% Na2O y Ms) y edades de curado 7, 28, 60 días. ............................... 38
Figura 7. Velocidad de paso de ultrasonidos en pastas EAA reforzadas con FC
con diferentes longitudes (3, 6, 12 mm.) con diferentes dosificaciones (% Na2O y Ms)
y edad de curado (7, 28 y 60 días) ................................................................................ 39
Figura 8. Retracción de pastas EAA sin FC, conservadas en condiciones de 20 ª
C y 100% HR. Resultados según diferentes dosificaciones de activador alcalino
(%NA2O-Ms) 40
Figura 9. Retracción de pastas EAA reforzadas con FC y conservadas en
condiciones estándares según norma UNE 80112:2016, (20ºC-50%HR). a) longitud
de FC 3 mm, b) longitud FC 6 mm, c) longitud FC 12 mm. Dosificación EAA (Na2O-
Ms): 4%-1.4 y 5%-1.0 .......................................................................................................... 41
Figura 10. Retracción de pastas EAA reforzadas con FC y conservadas en
ambiente saturado (20ºC-100%HR), a) longitud de FC 3 mm, b) longitud FC 6 mm,
c) longitud FC 12 mm. Dosificación EAA (Na2O-Ms): 4%-1.4 y 5%-1.0 ....................... 42
Figura 11. Representación de la resistividad y la deformación unitaria contra el
tiempo para pastas EAA con FC adicionadas en un 0.76% sobre la masa de escoria.
Velocidad de carga de aplicación 200 N/s. ............................................................... 46
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
15 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
Figura 12. Efecto de la adición de fibra de carbono, resistividad y deformación
unitaria frente al tiempo para ensayos a 5 MPa y 200 N/s. (A) 0.38% FC (B) 0.76% FC,
ambas sobre masa de escoria ....................................................................................... 47
Figura 13. Representación de la variación unitaria de resistividad frente a
deformación unitaria para muestras con diferentes adiciones (%) de FC sobre el
volumen de escoria. Cálculo del Factor de Galga y coeficiente de correlación
lineal (r2) de Pearson. ....................................................................................................... 48
Figura 14. Representación de la resistividad y deformación unitaria para pastas
EAA con 0.5 % de FC de 6 mm. sobre masa de escoria y distintos grado de
saturación. 50
Figura 15. Curvas deformación unitaria – variación unitaria de resistencia para
diferente grado de saturación. ...................................................................................... 51
Figura 16. Factor de galga y coeficiente R2 en función del grado de saturación
de pastas EAA reforzadas con FC en un 0.5% en masa de escoria, y longitud 6 mm
51
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
16 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
17 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
I. SÍNTESIS DE LOS TRABAJOS PRESENTADOS.
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
18 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
I.1 INTRODUCCIÓN.
Esta investigación se ha basado en la experiencia previa de la Universidad de
Alicante, donde se han llevado a cabo y defendido cuatro tesis doctorales sobre
percepción en pastas de cemento Portland, reforzadas con fibras de carbono
(FC), nanofibras de carbono (NFC) y nanotubos de carbono (NTC) y polvo de
grafito (PG). Se han caracterizado propiedades capaces de otorgar a estas pastas
funciones para las que tradicionalmente no estaban preparadas [1]-[4].
Sabido es que el principal argumento para el uso del hormigón es su gran potencial
para satisfacer la función estructural, sin embargo la adición a las pastas de
cemento de materiales conductores (fibra, nanofibras o nanotubos de carbono,
polvo de grafito, fibras metálicas, etc.) pueden otorgar al hormigón usos distintos a
los hasta ahora considerados, transformándolo en un material cementicio
conductor multifuncional.
En las últimas décadas, numerosas investigaciones han mostrado el buen
comportamiento del cemento y hormigones basados en la activación alcalina de
escorias de alto horno, que además de poseer importantes propiedades
mecánicas y de durabilidad, son una buena alternativa a los cementos Portland,
en consideración a la sostenibilidad ambiental [5] - [13].
El hecho contrastado es que a día de hoy es posible una total sustitución de los
cementos Portland por cementos alcalinos. No obstante el principal problema al
que se enfrentan estos compuestos cementicios activados alcalinamente es su
gran retracción, que habitualmente requiere el empleo de aditivos reductores de
retracción para garantizar su integridad [14].
Paralelamente, el uso de fibras como adición en la fabricación también ha
resultado útil como agente controlador de la retracción [10], [15]. En el caso
particular de emplear fibras conductoras de la electricidad en la mezcla (como
son las fibras de carbono), además de mejora las prestaciones mecánicas del
compuesto, éste se transforma en un material conductor, estableciéndose así la
posibilidad de realizar funciones distintas de su función estructural, como la
posibilidad de funcionar como ánodo de extracción electroquímica de cloruros
[17] o la percepción de deformaciones [2].
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
19 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
Dicha capacidad de ser sensibles a su propia deformación, que presentan estos
materiales reforzados con materiales conductores, se estudia correlacionando los
cambios en su resistividad eléctrica con su estado de deformación.
Alternativamente, el empleo de EAA como sensor de deformaciones, apenas ha
sido estudiado, y puede generar materiales con mayor sensibilidad de su
deformación [18].
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
20 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
I.2 OBJETIVOS.
El objetivo principal de la investigación llevada a cabo es el aplicar la función de
sensor de la deformación y el daño en estructuras de hormigón, a tenor de la
caracterización realizada en elementos fabricados a partir de pastas de cementos
alcalinos basados en escoria de alto horno activadas alcalinamente (EAA) y
reforzadas con Fibra de Carbono (FC).
Se ha procedido pues a investigar el potencial de un geopolímero muy concreto
(escoria de alto horno activada alcalinamente con silicato sódico) como sensor
de la deformación y del daño estructural.
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
21 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
I.3 HIPÓTESIS.
“Las pastas de escorias de alto horno activadas alcalinamente con waterglass
(WG) - Silicato de Sodio e Hidróxido Sódico (Na2SiO3-xH2O+NaOH)- y reforzadas con
fibras de carbono son sensibles a su propia deformación.”
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
22 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
I.4 JUSTIFICACIÓN DE UNIDAD TEMÁTICA.
Para la consecución del objetivo principal anterior se ha procedido a la realización
de dos estudios generales que conllevaron la publicación de sendos artículos, que
finalmente conforman el cuerpo cierto de esta Tesis por compendio de
publicaciones, junto a una tercera publicación pendiente en la que se analiza el
contenido de humedad de las muestras y su correlación con la mejora observada
en la sensibilidad de deformación al disminuir su contenido[19].
Ambos trabajos, constituyen una única unidad temática, al responder al mismo
plan de trabajo que se divide en: caracterización mecánica del material, refuerzo
del material con fibras de carbono, estudio de conductividad eléctrica y
percepción de deformación y daño. Posteriormente se detallará el planteamiento
de cada una de estas fases de ejecución.
I.4.1 Estudio 1: Caracterización físico-mecánica de las pastas EAA.
I.4.1.1 Base científica.
El uso de WG como activador alcalino de la escoria de alto horno, ha sido
altamente recomendado por las altas prestaciones mecánicas y de durabilidad
de los compuestos generados, comúnmente denominados EAA (en sus siglas en
inglés correspondientes a Alkali Activated Slag (AAS) [5], [6], [8], [11]-[20].
Estos compuestos presentan altos valores de resistencia a compresión, bajo calor
de hidratación y alta resistencia a ciclos de hielo-deshielo [6], [8], [11], [20], [13]. Su
principal ventaja es su resistencia contra la acción de agentes agresivos como
sulfatos y cloruros, debido a su baja porosidad [8].
Pero no puede obviarse la gran desventaja de estos compuestos con respecto a
los producidos con Cemento Portland, su alta retracción, que hace inviable
determinadas mezclas sin la adición de productos reductores de la retracción [14],
[21].
En este sentido es ampliamente difundido el uso de la adición de fibras cortas en
compuestos frágiles para mejorar sus propiedades mecánicas frente a
retracciones y esfuerzos de tracción. Estas mejoras de comportamiento en EAA con
adición de fibras, de diferentes materiales como acero, polietileno (PE), polivinil-
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
23 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
alcohol (PVA), polipropileno (PP), han sido contrastadas argumentando el éxito en
la reducción de su retracción en algunos artículos publicados [10], [22] - [27].
En cambio el uso de FC para el refuerzo de geopolímeros, no ha sido
suficientemente estudiado como lo atesoran las pocas referencias que se pueden
consultar, [10], [21],[24],[25],[28]. El único caso en que se utilizan escorias de alto
horno es la referencia [10], mientras que el resto emplea metakaolin o cenizas
volantes.
Así siguiendo la línea de estudios realizados en la Universidad de Alicante con la
adición de FC a materiales cementicios Portland, se hace necesaria la
caracterización físico-mecánica de las EAA con FC, para evaluar la influencia de
las adiciones de FC en las propiedades mecánicas de las EAA, que serán
finalmente testadas como sensores de deformación y daño. De este modo se
puede adquirir un compromiso entre las aplicaciones estructurales y las
funcionales, fijando la dosificación óptima que combine buenas capacidades
mecánicas y de sensibilidad eléctrica que garanticen los dos objetivos básicos,
aquí buscados:
Comprobar la mejora mecánica de los compuestos EAA con adición de FC.
Comprobar la percepción de deformación y daño en estos compuestos,
mediante la correlación entre las deformaciones (comportamiento
mecánico) y la variación de resistividad de las mezclas (comportamiento
eléctrico).
Para ello en el primer estudio, se caracterizan:
Trabajabilidad de las pastas EAA según norma UNE-EN 1015-3:2000/A2:2007.
Resistencia a compresión, según norma UNE-EN 196-1:2005.
Resistencia a flexión, según norma UNE-EN 196-1:2005.
Porosidad y densidad en balanza hidrostática, según lnorma UNE-EN 1015-
10:2000/A1:2007.
Retracción de secado, según normas UNE 80112:2016 y UNE 80113:2013.
Velocidad de paso de ultrasonidos (VPU), según norma UNE-EN 12504-
4:2006.
Microscopia de Barrido de electrones (SEM).
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
24 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
Y las variables estudiadas son:
Relación Líquido/Sólido de la mezcla.
Relación de proporción de óxidos de sílice y óxidos de sodio presentes en la
mezcla.
Proporción de óxidos de sodio sobre el peso de la escoria de la mezcla.
Fracción volumétrica de fibra de carbono adicionada.
Longitud de la fibra de carbono adicionada.
Edad de curado.
I.4.1.2 Publicación científica.
Este estudio ha dado lugar a la publicación:
J.L. Vilaplana, F.J. Baeza, O. Galao, E.G. Alcocel, E. Zornoza, P. Garcés, Mechanical
properties of alkali activated blast furnace slag pastes reinforced with carbon fibers,
Constr. Build. Mater. 116 (2016) 63–71. doi:10.1016/j.conbuildmat.2016.04.066.
I.4.2 Estudio 2: Caracterización de la percepción y daño de las pastas EAA.
I.4.2.1 Base científica.
El desarrollo de materiales multifuncionales que completan la demanda de
estructuras inteligentes, capaces de sentir y responder a ciertos estímulos externos,
ha sido ampliamente estudiado y desarrollado en las últimas décadas; sensibilidad
a deformación y daño; sensibilidad a temperatura, control de calor de hidratación,
reflexión de ondas electromagnéticas, absorción o extracción de cloruros, son solo
unos ejemplos de estas funciones, capaces de desarrollarse por el propio material
que recibe el estímulo [1]-[3],[29]-[35].
Para adquirir estas funciones, es necesario un cierto nivel de conductividad
eléctrica. Sabido es que el hormigón es un mal conductor eléctrico, con lo que es
absolutamente necesaria una adición de elementos conductores. En este sentido
numerosas investigaciones se han centrado en qué adiciones conductivas son
capaces de conseguir mejores comportamientos eléctricos sin llegar a afectar
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
25 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
negativamente a las propiedades mecánicas de los materiales [1]-[3],[17],[30]-
[34],[36],[37].
Es importante, pues determinar la relación entre la dosificación de la adición
conductora y la conductividad mostrada por el material compuesto. Para ello se
define el concepto de percolación como la situación en que las fibras o partículas
conductoras, aleatoriamente dispersas en la matriz, se tocan formando caminos
conductores continuos a lo largo de la estructura del material. Este fenómeno se
ha estudiado para diferentes adiciones y matrices, determinando así la cantidad
mínima de adición, o umbral de percolación, que produce la percolación en el
material compuesto. Este umbral se debe caracterizar para cada matriz y adición
conductora, ya que depende de la geometría de la adición [1]-[3], [26], [38] - [40].
La función de percepción de la deformación se caracteriza como la respuesta de
la resistividad eléctrica del compuesto al verse sometido a una deformación. Es
decir, al producir una compresión sobre el material la resistividad se verá reducida,
siendo este efecto reversible al retirar el esfuerzo. En el caso de tensiones de
tracción el efecto será el contrario, es decir la resistividad aumentará. Ambos
fenómenos son proporcionales y reversibles, dentro del rango elástico del material
[1]-[3].
Por el contrario, la función de percepción al daño, se caracteriza dentro del rango
plástico del material, es decir sobrepasado su límite elástico. Al producirse
fisuraciones y daños permanentes en el compuesto la respuesta eléctrica deja de
ser reversible, y depende del nivel de daño [16].
Este estudio se ha realizado en materiales EAA reforzados con FC para lo que se
han realizado tres estudios en paralelo:
Caracterización eléctrica y umbral de percolación:
Se ha medido la conductividad eléctrica, y se han barajado las siguientes variables
de estudio:
Fracción volumétrica de fibra.
% de la humedad de los elementos estudiados.
Edad de la probeta.
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
26 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
Caracterización de la percepción de deformaciones
Se realizaron ensayos de compresión en prensa, mediante ciclos de carga y
descarga (en el rango elástico de los materiales). Se han barajado las siguientes
variables de estudio:
Carga máxima aplicada.
Velocidad de aplicación de cargas.
Valor de la carga y forma de aplicación (ciclos de amplitud constante,
ciclos de carga mantenida y ciclos de amplitud variable creciente y
decreciente).
% de humedad en los elementos estudiados.
Nivel de percolación y relación de aspecto de la FC.
Caracterización de la percepción de daño
Llevando a cabo ensayos de rotura mediante ciclos de carga y descarga con
cargas crecientes (incluso en el rango plástico de los materiales). Se han barajado
las siguientes variables de estudio:
% de humedad en los elementos estudiados
Nivel de percolación y relación de aspecto de FC
I.4.2.2 Publicación científica.
Este segundo estudio ha dado lugar a la publicación:
J.L. Vilaplana, F.J. Baeza, O. Galao, E. Zornoza, P. Garcés, Self-sensing properties of
alkali activated blast furnace slag (BFS) composites reinforced with carbon fibers,
Materials (Basel). 6 (2013) 4776–4786. doi:10.3390/ma6104776.
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
27 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
I.5 EXPERIMENTAL.
I.5.1 Materiales utilizados.
Durante todo el estudio se utilizaron dos tipos de escoria que llevaron a la
generación de dos tipos distintos de pastas de EAA. El primer tipo de pastas, fue
elaborado en los laboratorios del Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo
Torroja (IETcc-CSIC). Una vez recibidas las probetas en la Universidad de Alicante,
fueron instrumentadas y ensayadas para la realización del estudio de percepción
de deformación y daño que dio lugar a la publicación:
J.L. Vilaplana, F.J. Baeza, O. Galao, E. Zornoza, P. Garcés, Self-sensing properties of
alkali activated blast furnace slag (BFS) composites reinforced with carbon fibers,
Materials (Basel). 6 (2013) 4776–4786. doi:10.3390/ma6104776.
En este estudio, se fabricaron probetas de dimensiones 40x40x160 mm3, con escoria
de alto horno con las características mostradas en la Tabla 1, según proporciona
el propio IETcc. La superficie específica obtenida según el método Blaine, recogido
en UNE-EN 196-6:2010, arrojaba un valor medio de 325 m²/kg.
Composición Química Masa %
𝐶𝑎𝑂 41.00
𝑆𝑖𝑂2 35.54
𝐴𝑙2𝑂3 13.65
𝑀𝑔𝑂 4.11
𝑆𝑂3− 0.06
𝐹𝑒2𝑂3 0.39
𝑇𝑖𝑂2 --
𝑆2− 1.91
𝐾2𝑂 --
𝑍𝑟𝑂2 --
𝑁𝑎2𝑂 0.01
𝑀𝑛𝑂 --
𝐵𝑎𝑂 --
𝑃2𝑂5 --
𝐶𝑙 --
Otros Óxidos 0.61
Pérdida al fuego 2.72
Tabla 1. Composición química de la escoria de alto horno proporcionada por el IETcc-CSIC.
La dosificación de una EAA viene caracterizada por tres parámetros: el módulo de
la disolución 𝑀𝑠 = 𝑆𝑖𝑂2 𝑁𝑎2𝑂⁄ ), el contenido en óxido de sodio (% Na2O), y la
relación activador/escoria. Los parámetros en estas pastas fueron:
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
28 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
Relación activador/escoria……………………….…… 0.43.
Módulos de disolución Ms ………………………….........1.2.
% Na2O con respecto a la masa de escoria………….5%
Para la fabricación de las pastas se empleó una disolución activadora compuesta
de un WG comercial (27% SiO2, 8% Na2O), y una disolución acuosa correctora de
NaOH para la obtención del módulo de la disolución deseado.
Las FC fueron de tipo PAN (PANEX35), presentaban las características mostradas
en la Tabla 2, según datos suministrados por el fabricante (Zoltek Inc.). Antes de su
amasado, y para garantizar una correcta dispersión en la mezcla se realizaron dos
tratamientos previos. El primero consiste en una oxidación (mediante el
sometimiento de las fibras a un flujo de aire de 10 mL/min a 400 ºC durante 4 horas).
El segundo tratamiento, una vez oxidadas y vertidas en el agua de amasado,
consiste en la aplicación de ultrasonidos durante 10 minutos a la dispersión de las
fibras oxidadas y el agua de amasado [2].
Propiedad Valor
Diámetro 7.2 µm
Longitud 3.5 mm
Contenido en carbono 95%
Resistenica a tracción 3800 MPa
Módulo de elasticidad 242 GPa
Resistividad 1.52·10-3 Ω·cm
Densidad 1.81 g/cm³
Tabla 2. Propiedades de la fibra de carbono dosificada por IETcc-CSIC, facilitadas por el fabricante.
En aras de reproducir y repetir los resultados obtenidos para la percepción de
deformación y daño, y caracterizar mecánicamente las pastas EAA se optó por la
fabricación propia de probetas mediante la activación alcalina en los laboratorios
de la Universidad de Alicante. Para ello se empleó una escoria de alto horno con
la composición química la mostrada en la Tabla 3, obtenida mediante
fluorescencia de rayos X . Asimismo, se determinó su superficie específica mediante
el método Blaine, recogido en UNE-EN 196-6:2010, obteniéndose un valor medio de
525.7±13.1 m²/kg.
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
29 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
Composición Química Masa %
𝐶𝑎𝑂 45.197
𝑆𝑖𝑂2 32.321
𝐴𝑙2𝑂3 10.618
𝑀𝑔𝑂 6.349
𝑆𝑂3− 2.031
𝐹𝑒2𝑂3 0.860
𝑇𝑖𝑂2 0.541
𝐾2𝑂 0.436
𝑍𝑟𝑂2 0.422
𝑁𝑎2𝑂 0.321
𝑀𝑛𝑂 0.309
𝐵𝑎𝑂 0.149
𝑃2𝑂5 0.132
𝐶𝑙 0.127
Otros Óxidos 0.187
Tabla 3. Composición química de la escoria de alto horno obtenida por XRF
El WG comercial utilizado en estas pastas fue el mismo WG que para las primeras
Pastas dosificadas en el IETcc. Las muestras reforzadas con fibras incorporaron FC
del mismo tipo (PANEX35), pero en este caso sin ningún tipo de recubrimiento,
cuyas propiedades se incluyen en la Tabla 4. En este caso se emplearon tres
longitudes diferentes del mismo tipo de fibra, aproximadamente 3 mm (FC3), 6 mm
(FC6) y 12 mm (FC12), exactamente ⅛, ¼ y ½ pulgadas. Para mejorar la dispersión
de las fibras durante el amasado, se empleó únicamente un tratamiento previo
mediante ultrasonidos [2]. En este caso no fue necesario el tratamiento de
oxidación al no llevar recubrimiento las fibras.
Propiedad Valor
Diámetro 7.2 µm
Longitud 3-6-12 mm
Contenido en carbono 95%
Resistenica a tracción 3800 MPa
Módulo de elasticidad 242 GPa
Resistividad 1.52·10-3 Ω·cm
Densidad 1.81 g/cm³
Tabla 4. Propiedades de la fibra de carbono (según especificaciones del fabricante)
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
30 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
En trabajos previos empleando pastas de cemento Portland reforzadas con FC ya
se cuantificó la reducción de trabajabilidad que sufren los compuestos
cementicios al incluir cantidades crecientes de FC [16]. Por ello, y dada la
sensibilidad del fraguado de la EAA a la concentración del activador alcalino, se
plantea un estudio preliminar para determinar la dosificación de la EAA que
asegura una fluidez de la muestra suficiente para garantizar el correcto amasado
de las pastas que incorporan FC, sin necesidad de incorporan aditivos
plastificantes en la mezcla. En este caso, los parámetros en estas pastas fueron:
Relación activador/escoria………………………………..………….…… 0.56.
Módulos de disolución Ms ……………………………..…𝑀𝑠 = 1.0 1.2 1.4
% Na2O con respecto a la masa de escoria……%𝑁𝑎2𝑂 = 3% 4% 5%
Posteriormente, una vez analizados los resultados en pastas sin adición de FC, se
seleccionaron dos dosificaciones diferentes de disolución activadora: 𝑀𝑠 = 1.0 con
5%𝑁𝑎2𝑂; y 𝑀𝑠 = 1.4 con 4%𝑁𝑎2𝑂, y se prepararon EAA con adición de FC,
empleándose tres dosificaciones de FC (0.2%, 0.5% y 1% respecto de la masa de
escoria) de cada una de las longitudes indicadas anteriormente.
Y finalmente, los ensayos de percepción de deformaciones se realizaron
únicamente con las muestras con 0.5% FC6 (respecto masa de escoria), y un
activador con 𝑀𝑠 = 1.4 y 4%𝑁𝑎2𝑂.
Con los resultados de la caracterización físico-mecánica de estas pastas
elaboradas en los laboratorios de la Universidad de Alicante, se obtuvo la
publicación en la revista Construction and Building Materials.
J.L. Vilaplana, F.J. Baeza, O. Galao, E.G. Alcocel, E. Zornoza, P. Garcés, Mechanical
properties of alkali activated blast furnace slag pastes reinforced with carbon fibers,
Constr. Build. Mater. 116 (2016) 63–71. doi:10.1016/j.conbuildmat.2016.04.066.
Y además, de los resultados obtenidos se pudo presentar al VII Congreso de la
Asociación Científico-Técnica del Hormigón Estructural, celebrado en A Coruña en
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
31 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
junio de 2017, ponencia que finalmente fue seleccionada para proceder a su
publicación en la revista HORMIGÓN Y ACERO, en su próximo número.
J.L. Vilaplana, F.J. Baeza, O. Galao, P. Garcés. Sensitivity study of self-sensing strain
capacity of alkali-activated blast furnace slag reinforced with carbon fibres.
Hormigón y Acero 2017,80,1-8, doi:10.1016/j.hya.2017.04.008 (In press).
En este último trabajo, se realizó un amplio estudio sobre la influencia del grado de
saturación en la capacidad de percibir su propia deformación de EAA reforzadas
con FC.
I.5.2 Preparación de probetas para caracterización físico-mecánica.
En todos los casos el proceso de amasado constó de las siguientes fases:
preparación de la disolución activadora y dispersión de las fibras si las hubiere;
vertido de los materiales (escoria, disolución, y fibras dispersadas) en una
amasadora mecánica; amasado según norma UNE-EN 196-1 (2005). Una vez
terminado el amasado se vierte la mezcla en moldes prismáticos de 40x40x160 mm³
para los ensayos de resistencias mecánicas y percepción de deformaciones, y de
25x25x250 mm³ para la medida de retracción. Las probetas se sometieron a un
proceso de compactación mecánica siguiendo norma UNE-EN 1015-3:2000 y se
introdujeron en una cámara de ambiente controlado (20°C y >99%HR) durante 24
horas, tras lo cual se desmoldaron y se volvieron a conservar en el mismo ambiente
hasta la edad de ensayo, con la salvedad de una parte de las probetas de
retracción que se introdujeron en ambiente a 50%HR para su ensayo.
Los ensayos regulados según normas UNE han sido indicados en el punto 1.4, sin
embargo los ensayos propios de la percepción a la deformación y el daño,
requieren explicación sobre su proceso preparatorio.
I.5.3 Preparación de probetas para ensayo de percepción.
Para la realización del ensayo de deformación, se preparan las probetas con la
colocación de electrodos y sensores de deformación (galgas extensométricas)
según Figura 1.
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
32 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
Figura 1. Esquema preparación de probeta para los ensayos de percepción. Contactos eléctricos: 1 y 2
para entrada de corriente, y 3 y 4 para medida de voltaje. Ubicación de galga extensométrica.
Los electrodos los constituyen cuatro bandas perimetrales de pintura de plata
(Pelco Conductive Silver 187, suministrada por Ted Pella Inc., USA) de
aproximadamente 1-2 mm de ancho, situadas a distancias de 2 y 4 cm de los
extremos de la probeta sobre los que se aplicará la carga. Sobre las bandas de
pintura se enrollan cuatro cables de cobre que se repinta con esa misma pintura,
asegurando el contacto entre pintura de cara de probeta y cable de cobre
desnudo enrollado. El esquema de colocación de estos electrodos se representa
en la Figura 1. Colocados los electrodos se instala centrada en una cara una galga
extensométrica de una aleación Cu-Ni (55% Cu - 45% Ni) de tal forma se pueda
medir la deformación longitudinal de la probeta durante los ensayos.
Una vez preparadas las probetas se siguen conservando a temperatura ambiente
y con humedad relativa 100%. Las probetas se pesan previo al inicio y al finalizar el
ensayo, para comprobar la estabilidad en las condiciones de humedad de las
probetas.
Figura correspondiente a la figura 1 de la publicación:
J.L. Vilaplana, F.J. Baeza, O. Galao, E. Zornoza, P.
Garcés, Self-sensing properties of alkali activated blast
furnace slag (BFS) composites reinforced with carbon
fibers, Materials (Basel). 6 (2013) 4776–4786.
doi:10.3390/ma6104776.
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
33 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
I.6 RESULTADOS Y DISCUSIÓN.
I.6.1 Estudio 1: Caracterización físico-mecánica de las pastas EAA.
I.6.1.1 Caracterización de pastas EAA sin refuerzo de FC.
En primer lugar, antes de adicionar cualquier FC, se procedió a estudiar la
influencia en las propiedades mecánicas de la concentración de Na2O en el
activador, y el módulo de disolución de la mezcla, con el fin de comparar
resultados con otras investigaciones.
Así se estudiaron diferentes dosificaciones en función de la variación de los
siguientes parámetros y para dos edades de curado diferentes (7 y 28 días).
Relación activador/escoria………………………………..………….…… 0.56.
Módulos de disolución Ms ……………………………..…𝑀𝑠 = 1.0 1.2 1.4
% Na2O con respecto a la masa de escoria……%𝑁𝑎2𝑂 = 3% 4% 5%
Previamente a discutir las resistencias mecánicas, en los ensayos de trabajabilidad
(según UNE-EN 1015-3:2000) se obtuvieron valores de escurrimiento mayores cuanto
menor resultaba el % Na2O y el Ms. Así dosificaciones con el 3% o 4% de Na2O,
mostraban escurrimientos mayores de 260 mm (máximo valor medible en el
ensayo) y las dosificaciones del 5% de Na2O, presentaban escurrimientos entorno
a los 160 mm.
La Tabla 5 recoge los resultados de los ensayos de propiedades mecánicas,
incluyendo valores medios y sus desviaciones estándar quedan reflejadas en la. No
se obtuvieron resultados para la dosificación con 3% de Na2O y Ms=1, al no haber
endurecido suficiente la muestra para ser ensayada, por el contrario las muestras
con 5% Na2O y Ms=1.4 mostraban un tiempo de fraguado demasiado corto, de tal
modo que no se pudieron amasar correctamente y únicamente pudo obtenerse
un ejemplar con esta dosificación.
Los valores obtenidos en los ensayos de resistencia a flexión y a compresión,
quedan comparados e ilustrados en la Figura 2. Donde se puede observar una
tendencia clara con respecto a las resistencias a compresión, crecientes en
función del aumento de %Na2O y del Ms. Se observa como a 7 y a 28 días de
curado, la variación del Ms entre 1 y 1,4, produce aumentos de resistencia del 197%
y 116% respectivamente. Lo mismo ocurre con la variación de % Na2O entre el 3 y
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
34 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
el 5% sobre la masa de escoria. Los valores obtenidos a 28 días se sitúan entre los
41.23 MPa y los 89.11 MPa. Estos valores son concordantes con los obtenidos en
estudios predecesores [43], donde se recomienda que el %Na2O, quede entre el 3
y el 5%. La variación de la resistencia final entre la edad de 7 y 28 días de curado
en condiciones de ambiente saturado (100%HR), queda reflejado en un rango
entre el 13% y el 55% según concentraciones del activador. Ello es debido a que a
altas concentraciones de activador el curado es más rápido. Este claro
comportamiento no se observa en los ensayos a flexión, donde los mejores
resultados se obtienen para mezclas con 4% Na2O y Ms=1.2.
𝑁𝑎2𝑂 𝑀𝑠 Edad 𝑅𝑓 𝑅𝑐 VPU Densidad
% días MPa ± SD MPa ± SD km/s ± SD g/cm³ ± SD
3 1 7 - - - -
28 - - - -
3 1.2 7 1.02 ± 1.76 26.52 ± 8.13 2.873 ± 0.059 1.347 ± 0.025
28 4.06 ± 0.19 41.23 ± 2.02 3.075 ± 0.015 1.344 ± 0.012
3 1.4 7 0.98 ± 1.70 33.78 ± 0.80 2.883 ± 0.032 1.313 ± 0.008
28 6.42 ± 1.56 44.67 ± 2.09 3.089 ± 0.036 1.338 ± 0.016
4 1 7 3.09 ± 0.19 40.14 ± 0.46 3.048 ± 0.021 1.394 ± 0.043
28 4.88 ± 0.37 46.85 ± 1.43 3.160 ± 0.026 1.431 ± 0.069
4 1.2 7 2.91 ± 0.15 48.15 ± 1.59 3.105 ± 0.013 1.402 ± 0.018
28 6.65 ± 0.57 56.71 ± 1.29 3.224 ± 0.016 1.417 ± 0.042
4 1.4 7 3.36 ± 0.35 53.46 ± 1.56 3.150 ± 0.021 1.413 ± 0.007
28 5.72 ± 0.41 61.27 ± 3.99 3.283 ± 0.017 1.415 ± 0.054
5 1 7 2.73 ± 0.60 52.39 ± 2.37 3.292 ± 0.012 1.469 ± 0.006
28 3.56 ± 0.79 65.74 ± 2.93 3.421 ± 0.011 1.488 ± 0.017
5 1.2 7 4.24 ± 0.92 66.25 ± 4.26 3.347 ± 0.012 1.502 ± 0.029
28 5.30 ± 0.55 79.44 ± 1.19 3.471 ± 0.015 1.505 ± 0.018
5 1.4 7 4.43* 78.69 ± 5.05 3.390* 1.574 ± 0.031
28 4.59* 89.11 ± 0.50 3.516* 1.522 ± 0.006
*Sólo un ejemplar pudo ensayarse a flexión Rf
Tabla 5. Propiedades mecánicas de las pastas de EAA. Valor medio ± desviación standard (SD) para
tres (Rf y VPU) o seis (Rc y Densidad) muestras.
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
35 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
Figura 2. Resistencia a Flexión y b) resistencia a compresión en pastas EAA en función del módulo de
disolución y el activador según % Na2O, a diferentes edades
En cuanto a la velocidad de paso de ultrasonidos (VPU) y la densidad de las pastas,
la Figura 3, muestra su relación con los respectivos valores de resistencia a
compresión. En este caso, se observan tendencias que evidencian que una mayor
densidad o VPU proporciona compuestos con mayores resistencias a compresión.
Figura 3. Relación entre Resistencia a compresión de las distintas dosificaciones a distintas edades con
respecto la VPU y la Densidad de las pastas de EAA.
I.6.1.2 Caracterización físico-mecánica, pastas de EAA con refuerzo de FC.
Una vez conocidas las propiedades de las pastas EAA sin refuerzo, se eligieron dos
dosificaciones, con propiedades mecánicas óptimas, y capaces de admitir
refuerzo mediante adición de FC, manteniendo una trabajabilidad adecuada de
la mezcla fresca. Ambas presentan comportamientos mecánicos similares, con
una importante diferencia en cuanto a su comportamiento por retracción.
Figura correspondiente a la Figura 1 de la publicación:
J.L. Vilaplana, F.J. Baeza, O. Galao, E.G. Alcocel, E. Zornoza, P. Garcés,
Mechanical properties of alkali activated blast furnace slag pastes
reinforced with carbon fibers, Constr. Build. Mater. 116 (2016) 63–71.
doi:10.1016/j.conbuildmat.2016.04.066.
Figura correspondiente a la Figura 2 de la publicación:
J.L. Vilaplana, F.J. Baeza, O. Galao, E.G. Alcocel, E. Zornoza, P. Garcés,
Mechanical properties of alkali activated blast furnace slag pastes
reinforced with carbon fibers, Constr. Build. Mater. 116 (2016) 63–71.
doi:10.1016/j.conbuildmat.2016.04.066.
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
36 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
En concreto se dosificaron:
Pastas al 4% Na2O y 1.4 Ms con FC (0.2, 0.5, 1% sobre masa de escoria).
Pastas al 5% Na2O y 1.0 Ms con FC (0.2, 0.5, 1% sobre masa de escoria).
La longitud de la FC varía en cada dosificación en tres longitudes (3, 6 y 12 mm).
I.6.1.2.1 Ensayos de flexión.
Figura 4. Resistencias a flexión en pastas EAA reforzadas con FC según dosificación (% Na2O y Ms) y
edades de curado 7, 28, 60 días.
Los resultados del ensayo de flexión se muestran en la Figura 4. Se observan mejoras
de comportamiento entre el 5% y el 552% a 7 días, y entre el 22% y el 410% a 28
días. Los ejemplares con la misma adición de FC presentan un comportamiento
independiente de la dosificación de la disolución activadora. Únicamente, la
diferencia de comportamiento entre ambas dosificaciones se observa para la
Figura correspondiente a la Figura 3 de la publicación:
J.L. Vilaplana, F.J. Baeza, O. Galao, E.G. Alcocel, E. Zornoza, P. Garcés,
Mechanical properties of alkali activated blast furnace slag pastes reinforced with
carbon fibers, Constr. Build. Mater. 116 (2016) 63–71.
doi:10.1016/j.conbuildmat.2016.04.066.
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
37 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
adición de FC de 6 y 12 mm en proporción de 1.0% sobre la masa de escoria. Este
hecho puede relacionarse con problemas de dispersión de las fibras durante el
propio proceso de amasado de las pastas, como se observó en anteriores estudios
con cementos Portland [16]. Cuanta mayor cantidad y mayor longitud de fibra
adicionada, es más probable la formación de agrupaciones de fibras como
muestra la Figura 5, produciendo bajas en las resistencias mecánicas de los
ejemplares, principalmente en la flexión y ligera en la compresión.
Figura 5. a) Agrupaciones de FC debidas a la dificultad de dispersión por cantidad o longitud de fibras
añadidas; b) alineación preferencial de la fibra en sentido longitudinal de las probetas; c) imagen
SEM de agrupación de fibras.
Los efectos del refuerzo de la FC, pueden verse a tempranas edades,
alcanzándose valores de resistencia a flexión incluso superiores a 16 MPa. En este
aspecto las FC de menor longitud son más eficientes que las de mayor longitud, al
proporcionar mayores valores a flexión.
Los resultados a 60 días son inferiores, probablemente producidos por una mayor
mircrofisuración de la matriz a causa de la retracción de las pastas EAA. En
cualquier caso, las matrices sin refuerzo, se fisuran con el paso del tiempo, mientras
que reforzadas con FC, mantienen su integridad con buenos niveles de resistencia
a flexión.
I.6.1.2.2 Ensayos de compresión.
Los resultados del ensayo de compresión se muestran en la Figura 6, donde se
puede observar que las distintas dosificaciones de escoria se comportan de un
modo similar. En algunos casos, las dosificaciones con un 4% Na2O, muestran
resistencias a compresión ligeramente superiores que sus equivalentes con un 5%
Figura correspondiente a la Figura 5 de la publicación:
J.L. Vilaplana, F.J. Baeza, O. Galao, E.G. Alcocel, E. Zornoza, P.
Garcés, Mechanical properties of alkali activated blast furnace slag
pastes reinforced with carbon fibers, Constr. Build. Mater. 116 (2016)
63–71. doi:10.1016/j.conbuildmat.2016.04.066.
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alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
38 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
Na2O. La mejora de resistencia de estos compuestos reforzados con respecto a los
especímenes no reforzados con FC, queda entre un -18% (para fibras largas) y un
+19% (para fibras cortas), no obstante no se puede hablar en este caso de un
comportamiento claro basado en una tendencia, como sí lo es en los cementos
Portland estudiados en trabajos anteriores, donde el comportamiento se puede
considerar lineal hasta un óptimo de adición con mejoras de resistencia entre un
2% y un 23% [16].
En cualquier caso en esta experiencia, los mejores resultados se obtuvieron para
dosificaciones del 0.5% FC corta (3 mm), con valores de mejora similares a los del
cemento Portland.
Figura 6. Resistencias a compresión en pastas EAA reforzadas con FC según dosificación (% Na2O y Ms)
y edades de curado 7, 28, 60 días.
Figura correspondiente a la Figura 4 de la publicación:
J.L. Vilaplana, F.J. Baeza, O. Galao, E.G. Alcocel, E. Zornoza, P. Garcés, Mechanical
properties of alkali activated blast furnace slag pastes reinforced with carbon
fibers, Constr. Build. Mater. 116 (2016) 63–71.
doi:10.1016/j.conbuildmat.2016.04.066.
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
39 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
I.6.1.2.3 Ensayos de densidad y velocidad de paso de ultrasonidos.
Los ensayos de densidad y velocidad de paso de ultrasonidos, no parecen mostrar
variaciones físico-mecánicas por la adición de FC. Los resultados se muestran en la
Figura 7.
Figura 7. Velocidad de paso de ultrasonidos en pastas EAA reforzadas con FC con diferentes longitudes
(3, 6, 12 mm.) con diferentes dosificaciones (% Na2O y Ms) y edad de curado (7, 28 y 60 días)
I.6.1.2.4 Control de la retracción de secado.
Conocido es que el principal problema de las pastas EAA, es su alta retracción por
secado, como atesoran numerosas publicaciones [21][14][44][45]. De hecho como
ya se ha mencionado anteriormente, algunas muestras de este estudio, se
mostraron inestables acuciando una severa fisuración debida a la retracción antes
de la edad de ensayo, llegando incluso a romper las muestras.
El ensayo de retracción se llevó a cabo según norma UNE 80112:2016, que
establece las condiciones de ensayo para medidas de retracción, donde se indica
Figura correspondiente a la Figura 6 de la publicación:
J.L. Vilaplana, F.J. Baeza, O. Galao, E.G. Alcocel, E. Zornoza, P. Garcés,
Mechanical properties of alkali activated blast furnace slag pastes reinforced
with carbon fibers, Constr. Build. Mater. 116 (2016) 63–71.
doi:10.1016/j.conbuildmat.2016.04.066.
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
40 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
que las muestras a ensayar deben conservarse en condiciones de 20ªC y 50% HR,
entre toma de medidas.
Sin embargo las muestras sin refuerzo de fibra no pudieron ser ensayadas en estas
condiciones, al producirse su fisuración y rotura en edades tempranas. Se optó en
este caso a conservar las muestras en condiciones de 20ªC y 100% HR, para poder
ensayarlas y comparar con aquellas muestras que sí fueron reforzadas con FC.
Los resultados de los ensayos para las muestras de pastas EAA sin refuerzo, se
muestran en la Figura 8. Las muestras ensayadas sin reforzar se dosificaron con
distintas cantidades de Na2O (3, 4 y 5%) y Ms (1, 1.2 y 1,4). Las dosificaciones no
mostradas en la Figura 8, (3%/1-3%1.2) rompieron en las primeras 24 horas o no
alcanzaron la dureza necesaria para ser desmoldadas convenientemente. En
cambio las pastas 5%/1.4, endurecían antes de poder ser introducidas en los
moldes. La norma general mostrada es una alta retracción concordante con los
resultados ya mostrados en estudios anteriores [44].
Figura 8. Retracción de pastas EAA sin FC, conservadas en condiciones de 20 ª C y 100% HR.
Resultados según diferentes dosificaciones de activador alcalino (%NA2O-Ms)
Según las dosificaciones elegidas para proceder a la caracterización físico-
mecánica de las pastas, reforzadas con FC, a saber:
Pastas al 4% Na2O y 1.4 Ms con FC (0.2, 0.5, 1% sobre masa de escoria).
Pastas al 5% Na2O y 1.0 Ms con FC (0.2, 0.5, 1% sobre masa de escoria).
La longitud de la FC varía en cada dosificación en tres longitudes (3, 6 y 12.5 mm).
Figura correspondiente a la Figura 7 de la publicación:
J.L. Vilaplana, F.J. Baeza, O. Galao, E.G. Alcocel, E. Zornoza,
P. Garcés, Mechanical properties of alkali activated blast
furnace slag pastes reinforced with carbon fibers, Constr.
Build. Mater. 116 (2016) 63–71.
doi:10.1016/j.conbuildmat.2016.04.066.
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
41 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
Con las pastas seleccionadas y adicionadas de FC, se obtuvieron los resultados
mostrados en las 0 y Figura 10 en función de las condiciones de temperatura y
humedad relativa en las que se conservaron durante el ensayo. Unas probetas
fueron mantenidas en condiciones estándar del ensayo (50%HR-20ºC) según noma
UNE 80112:2016, y otras en condiciones de 20ªC y 100% HR (éstas últimas en aras de
comparar con la retracción obtenida en las probetas sin refuerzo).
En cualquier caso, la retracción de las probetas reforzadas y mantenidas en
condiciones estándares (20ªC-50%HR) fue mucho mayor que la mostrada por las
probetas sin refuerzo conservadas en ambiente saturado (20ºC-100HR).
Figura 9. Retracción de pastas EAA reforzadas con FC y conservadas en condiciones estándares según
norma UNE 80112:2016, (20ºC-50%HR). a) longitud de FC 3 mm, b) longitud FC 6 mm, c) longitud FC
12 mm. Dosificación EAA (Na2O-Ms): 4%-1.4 y 5%-1.0
Si en la Figura 8, se puede observar que las pastas seleccionadas, en caso de no
ser reforzadas con FC, presentan un diferente comportamiento ante la retracción
siendo muy superiores las mostradas por las pastas 5%/1.0 a las de las pastas 4%/1.4,
en la 0 se observa como este comportamiento diferencial, tiende a desaparecer
al aumentar la longitud de las fibras de refuerzo.
Figura correspondiente a la Figura 8 de la publicación:
J.L. Vilaplana, F.J. Baeza, O. Galao, E.G. Alcocel, E. Zornoza, P. Garcés,
Mechanical properties of alkali activated blast furnace slag pastes reinforced
with carbon fibers, Constr. Build. Mater. 116 (2016) 63–71.
doi:10.1016/j.conbuildmat.2016.04.066.
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42 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
En la 0, se puede observar como las FC de longitud 3 mm dosificadas en un 0.2%
sobre la masa de escoria, no fueron capaces de controlar la retracción
prevaleciendo los efectos de la proporción de las dosificaciones de las pastas de
EAA. Los valores obtenidos se enmarcan entorno a los -12 mm/m y los -16 mm/m.
En proporciones mayores de FC de longitud 3 mm, sí se observa que se equiparan
los comportamientos de ambas dosificaciones, indicando la prevalencia de los
efectos del refuerzo con FC, siendo casi idénticos cuando la proporción de refuerzo
es del 1% sobre masa de escoria.
El aumento de la proporción de refuerzo de FC, hace prevalecer los efectos de
éstas sobre la retracción en contra de la dosificación de las pastas empleadas.
Por otro lado, el aumento de la longitud de las FC produce comportamientos
idénticos independientemente de la dosificación de las pastas. Reduciendo
además la retracción observada por debajo de los 12 mm/m.
Además, se realizaron mediciones para el estudio en pastas de EAA reforzadas con
FC, mantenidas en condiciones de saturación. En este caso se compararon los
efectos de la adición de FC con respecto a las mediciones realizadas con probetas
sin reforzar, que fueron mantenidas en las mismas condiciones de ambiente
saturado para poder realizarles el estudio. Los resultados se muestran en la Figura
10.
Figura 10. Retracción de pastas EAA reforzadas con FC y conservadas en ambiente saturado
(20ºC-100%HR), a) longitud de FC 3 mm, b) longitud FC 6 mm, c) longitud FC 12 mm. Dosificación
EAA (Na2O-Ms): 4%-1.4 y 5%-1.0
Figura correspondiente a la Figura 9 de la publicación:
J.L. Vilaplana, F.J. Baeza, O. Galao, E.G. Alcocel, E. Zornoza, P. Garcés,
Mechanical properties of alkali activated blast furnace slag pastes
reinforced with carbon fibers, Constr. Build. Mater. 116 (2016) 63–71.
doi:10.1016/j.conbuildmat.2016.04.066.
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
43 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
En este caso se observa como la longitud de las fibras produce un efecto diferente
en el comportamiento de las mezclas, observándose como todas las adiciones de
FC de 3 mm de longitud reducen la retracción con respecto a los ejemplares no
reforzados, dejando los valores de retracción entorno a los 3-5 mm/m.
La adición de FC de 6 mm, también muestra efectos positivos en la reducción de
la retracción de las pastas, sin embargo sí se observan diferencias significativas
entre los ejemplares con diferente dosificación.
Resulta notable que la adición de FC de 12 mm, empeora el comportamiento
frente al efecto observado para las otras longitudes de fibra. En este caso puede
deberse a la formación de agrupaciones de fibra, ante la dificultad de dispersión
en la masa. Además, una mayor adición de fibras de 12 mm, no garantizó una
mayor reducción de la retracción de los ejemplares.
En resumen la adición de FC puede reducir la retracción de las pastas de EAA y
garantizar su estabilidad incluso en condiciones de 50% HR. Desde 16 mm/m
obtenidos para la adición de 0.2% de FC de 3 mm de longitud hasta valores algo
menores de 6 mm/m se puede reducir la retracción, incrementando la adición de
FC hasta el 1% de la masa de escoria en los ejemplares dosificados.
I.6.2 Estudio 2: Caracterización de la Percepción de la deformación y el daño.
I.6.2.1 Ensayo de percepción de deformación y daño.
Los ensayos de percepción consisten en la aplicación de ciclos de carga y
descarga, consecutivos que provocan variaciones en el esfuerzo de compresión
axial de la muestra analizada, al tiempo que se inyecta corriente constante por los
electrodos exteriores (electrodos 1 y 2 de la Figura 1) y se toman datos de voltaje
en los electrodos interiores (electrodos 3 y 4 de la Figura 1), este método es el
denominado de las cuatro puntas.
Con el fin de estabilizar la resistencia eléctrica inicial en la probeta, ésta se calibra
previo al ensayo sin someterla a ninguna carga, cuando la variación de voltaje a
una intensidad constante se estabiliza, se considera que la resistencia del material
está estabilizada y calibrada.
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
44 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
Mediante el software adecuado se toman los registros de variación de resistividad,
deformación, tensión y tiempo durante los ciclos de carga y descarga, siempre
realizando los ensayos para distintas cargas y distintas velocidades de carga.
Para cuantificar y comparar la capacidad de percepción de deformaciones de
las pastas se utiliza el factor de galga (K). Dicho parámetro se define como la
proporción entre la variación unitaria de resistividad del material (ρ) respecto de
su deformación unitaria (ε). Al igual que en extensometría (para galgas de cobre
por ejemplo) se supone que esta relación es lineal [38] [46], y por tanto se puede
expresar de acuerdo a la siguiente ecuación:
𝐾 =
∆𝜌𝜌𝑜
⁄
∆𝑙𝑙𝑜
⁄=
∆𝜌𝜌𝑜
⁄
𝜀
Donde: ρ: variación de la resistividad eléctrica.
ρo: resistividad eléctrica inicial.
l: variación de la longitud.
lo: longitud inicial.
: deformación longitudinal unitaria.
Y definiendo la resistividad como:
𝜌 = 𝑅𝑆
𝐿 [Ohm·cm]
Donde: R: Resistencia obtenida por la Ley de Ohm.
S: Superficie de aplicación de la carga.
L: Distancia entre los puntos de medida de potencial
En este primer ensayo sobre probetas fabricadas por el IETcc-CSIC, se determinó la
percepción de deformación de las probetas mediante la aplicación de esfuerzos
de compresión en cada ciclo. Los esfuerzos aplicados fueron de 1.25, 2.50, 3.75, 5.0
y 7.5 MPa. Fijándose una velocidad de aplicación de carga de 200 N/s, de
acuerdo a estudios previos en pastas de cemento.[1][2].
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
45 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
Para la determinación de la percepción de daño en estas pastas, las cargas
aplicadas en los ciclos sucesivos se incrementan hasta llegar al esfuerzo último de
rotura. La escala de cargas por ciclo fue de 2.5, 5.0, 7.5, 10.0, 12.5, 25.0 MPa, con
una velocidad de carga de 200N/s, alcanzado este estado de carga, se
incrementan las cargas máximas de 25 en 25 MPa, con una velocidad de carga
de 400 N/s.
Inicialmente se determinó los límites elásticos de las muestras sin reforzar, en aras
de garantizar el experimento dentro del rango elástico del material, fijándose las
máximas cargas aplicadas para la realización del test por debajo del 30% del
máximo esfuerzo de compresión del material, según norma UNE 83316:1995.
Se tomaron valores de conductividad de las mezclas proporcionadas por el IETcc
que se muestran en la Tabla 6, incorporando los valores de las muestras patrón no
reforzadas con FC. Estos valores son correspondidos con los obtenidos en estudios
anteriores sobre pastas de cemento Portland. Constatando de este modo que las
muestras son conductoras.
% FC s/masa escoria % FC s/ vol.
escoria
Resistencia (Ohm) Resistividad
(Ohm.cm)
0% 0% 5.06 xx103 10.1 x 103
0.38% 0.29% 48.93 97.86
0.76% 0.58% 4.98 9.95
Tabla 6. Valores de resistencia eléctrica y resistividad para diferentes dosificaciones de FC sobre masa
de escoria de alto horno.
Para caracterizar la función de percepción de deformación se estudian diferentes
aspectos, como las anteriormente mencionadas de la velocidad de aplicación de
cargas y la máxima carga en el ciclo; y las no menos importantes como el modo
de aplicación de la carga, la realización de ciclos consecutivos con la misma
carga, la alternancia de ciclos con distinta carga, o si el material presenta
respuesta estable ante cargas mantenidas en el tiempo. Las representaciones de
la variación de resistividad y deformación unitaria contra el tiempo se muestran
para cada uno de los tipos de ensayo en la Figura 11.
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
46 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
Figura 11. Representación de la resistividad y la deformación unitaria contra el tiempo para
pastas EAA con FC adicionadas en un 0.76% sobre la masa de escoria. Velocidad de carga de
aplicación 200 N/s.
Donde (A), (B) y (C) muestran la respuesta de los ejemplares ensayados
adicionados de FC al 0.76% sobre la masa de escoria para tres niveles diferentes
de carga, observándose la correlación entre la resistividad eléctrica y la
deformación unitaria con el tiempo de aplicación de las cargas. En (D) se realizan
ensayo de 20 ciclos, para comprobar su repetitividad, en este caso la figura
representada corresponde a un ejemplar adicionado con FC con el 0.58 % sobre
la masa de escoria En (E) y (F) las cargas han sido incrementadas por encima de
7.5 MPa, llegando a producir efectos irreversibles en la resistividad de las muestras.
Figura correspondiente a Figura 2 en publicación:
J.L. Vilaplana, F.J. Baeza, O. Galao, E. Zornoza, P. Garcés, Self-sensing properties
of alkali activated blast furnace slag (BFS) composites reinforced with carbon
fibers, Materials (Basel). 6 (2013) 4776–4786. doi:10.3390/ma6104776.
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
47 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
Otro aspecto estudiado para la caracterización de la percepción de deformación
es la dosificación de FC en los especímenes a ensayar. Así para las mismas
condiciones de ensayo (8 kN, 5 MPa y 200 N/s) se aprecia percepción de
deformación en diferentes dosificaciones, como muestra la Figura 12
Figura 12. Efecto de la adición de fibra de carbono, resistividad y deformación unitaria frente al
tiempo para ensayos a 5 MPa y 200 N/s. (A) 0.38% FC (B) 0.76% FC, ambas sobre masa de escoria
En la Figura 13 se representa para el ensayo de 20 ciclos los resultados obtenidos
de comparar la variación unitaria de resistividad frente a deformación unitaria,
para dos muestras de EAA adicionadas una con el 0.29% de FC sobre volumen de
escoria (0.38% sobre masa de escoria) y otra con el 0.28% sobre el volumen de
escoria (0.76% sobre masa de escoria). El factor de galga K calculado 661.93 para
la muestra con 0.38% FC sobre masa de escoria y 52 para la muestra con 0.76%
sobre masa de escoria, son valores elevados con respecto a los obtenidos en
estudios previos sobre pastas de cemento Portland, Al tiempo que el elevado
factor de correlación lineal R2 indica un comportamiento altamente estable
durante la aplicación de 20 ciclos.
Figura correspondiente a Figura 3 en publicación:
J.L. Vilaplana, F.J. Baeza, O. Galao, E. Zornoza, P. Garcés, Self-sensing
properties of alkali activated blast furnace slag (BFS) composites reinforced
with carbon fibers, Materials (Basel). 6 (2013) 4776–4786.
doi:10.3390/ma6104776.
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
48 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
Figura 13. Representación de la variación unitaria de resistividad frente a deformación unitaria
para muestras con diferentes adiciones (%) de FC sobre el volumen de escoria. Cálculo del Factor
de Galga y coeficiente de correlación lineal (r2) de Pearson.
Estudiadas estas primeras muestras proporcionadas por el IETcc-CSIC, se procedió
a la fabricación propia de los especímenes caracterizados mecánicamente y a los
que se ha hecho sobrada referencia en el punto 6.1 “Caracterización físico
mecánica de pastas EAA”. En este caso se procedió a realizar los mismos ensayos
que se realizaron para las primeras pastas, habiendo variado la proporción de FC
adicionada y su longitud (se utilizaron tres fibras de distinta longitud), y la
dosificación de las pastas por la variación de la escoria utilizada.
Así se comprobó la capacidad ya contrastada de percepción de deformación de
estas pastas de EAA. Sin embargo, se constató una importante influencia del grado
de saturación de las muestras en su capacidad de percepción. Esta influencia,
además varia con respecto a lo observado en las pastas de cemento Portland,
mejorando la percepción (aumentando el factor de galga y obteniendo mayores
índices de correlación lineal r2) al disminuir el grado de saturación de las muestras.
En este estudio una vez acabado el periodo de curado se procedió al secado
progresivo de las muestras, repitiendo los ensayos de percepción para cada nivel
Figura correspondiente a Figura 3.cont en publicación:
J.L. Vilaplana, F.J. Baeza, O. Galao, E. Zornoza, P. Garcés, Self-
sensing properties of alkali activated blast furnace slag (BFS)
composites reinforced with carbon fibers, Materials (Basel). 6
(2013) 4776–4786. doi:10.3390/ma6104776.
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
49 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
de saturación. Para una posible aplicación real de estos sensores en estructuras
sería necesario establecer un protocolo de secado y estabilización del material,
tras el cual se impermeabilizaría la muestra fijando el grado de saturación óptimo
determinado para cada dosificación. La Figura 14 recoge algunas de las curvas
de deformación y resistividad para cada grado de saturación (GS) conseguido, en
este caso se estudió una pasta EAA (4% Na2O y Ms=1,4). A primera vista, la
respuesta del material mejora al reducir el contenido de humedad (GS=75%). A GS
superiores la correlación entre deformación y resistividad es muy mala, Figura 14(b).
Para GS inferiores al 46%, la respuesta del material sigue siendo proporcional, pero
deja de ser lineal.
Si en vez de la evolución temporal se representan las curvas de variación unitaria
de resistencia eléctrica frente a la deformación longitudinal, se pueden comparar
más fácilmente los distintos GS. Para un mejor contraste, se han representado tres
escalas diferentes debido a las grandes diferencias entre series. La sensibilidad del
material se caracteriza por el factor de galga, que se corresponde con la
pendiente de las curvas de la Figura 15. Los valores del factor de galga, junto con
los coeficientes de ajuste r², se han representado en la Figura 16. El primer cambio
de comportamiento del material se registra para un GS del 75%, como se ve por el
aumento grande de la pendiente en la Figura 15(a). Al seguir secando el material
el factor de galga sigue aumentando, hasta llegar a un máximo para un GS del
46%, Figura 15(b). A partir de dicha saturación óptima, un mayor secado se tradujo
en una menor sensibilidad del material, Figura 16.
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
50 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
Figura 14. Representación de la resistividad y deformación unitaria para pastas EAA con 0.5 %
de FC de 6 mm. sobre masa de escoria y distintos grado de saturación.
Por otra parte, el ciclo de carga y descarga empieza a mostrar cierta histéresis,
Figura 15(c), que en estudios previos (en los que se llevaron hasta rotura pastas de
cemento Portland reforzadas con FC y nanofibras de carbono) se relacionó con el
nivel de daño interno sufrido por el compuesto [16][46]. De hecho, todos los
ensayos se realizaron a una tensión máxima constante, por lo que los aumentos del
Figura correspondiente con la Figura 4 de la publicación:
J.L. Vilaplana, F.J. Baeza, O. Galao, P. Garcés. Sensitivity study of self-sensing
strain capacity of alkali-activated blast furnace slag reinforced with carbon fibres.
Hormigón y Acero 2017,80,1-8, doi:10.1016/j.hya.2017.04.008 (In press).
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
51 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
rango de las deformaciones, aproximadamente un orden de magnitud entre
Figura 15(a) y Figura 15(c), se deben relacionar con una pérdida de rigidez del
material debida a una fisuración por el proceso de secado. Por lo tanto, sería
interesante valorar la posibilidad de reducir el contenido de humedad del material
sin necesidad de introducirlo en estufa, a fin de evitar estos daños.
Figura 15. Curvas deformación unitaria – variación unitaria de resistencia para diferente grado
de saturación.
Figura 16. Factor de galga y coeficiente R2 en función del grado de saturación de pastas EAA
reforzadas con FC en un 0.5% en masa de escoria, y longitud 6 mm
Por último, se incluyen los resultados obtenidos para los ensayos de percepción de
daño. Trabajos previos empleando cementos Portland ya observaron un
comportamiento no lineal de la respuesta eléctrica del material al producirse el
Figura correspondiente con la Figura 5 de la publicación:
J.L. Vilaplana, F.J. Baeza, O. Galao, P. Garcés. Sensitivity study of self-sensing
strain capacity of alkali-activated blast furnace slag reinforced with carbon
fibres. Hormigón y Acero 2017,80,1-8, doi:10.1016/j.hya.2017.04.008 (In
press).
Figura correspondiente con la Figura 6 de la
publicación:
J.L. Vilaplana, F.J. Baeza, O. Galao, P. Garcés.
Sensitivity study of self-sensing strain capacity of
alkali-activated blast furnace slag reinforced with
carbon fibres. Hormigón y Acero 2017,80,1-8,
doi:10.1016/j.hya.2017.04.008 (In press).
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52 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
daño, es decir, si se inducían deformaciones permanentes aparecían cambios
irreversibles en la resistividad. Estos cambios eran más acusados conforme se
incrementaba la tensión máxima aplicada, cuantificando así el daño en rango
plástico del material [1],[2].
La figura XXX muestra la evolución temporal de la resistividad y deformación
unitaria durante los ensayos de percepción al daño. En ambos casos,
independientemente de la dosificación de FC, se produjeron incrementos
repentinos de resistividad antes de la rotura del material. Posteriormente a estos
cambios en la resistividad, el comportamiento lineal característico de la
percepción de la deformación dejó de observarse, llegando incluso a invertirse.
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53 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
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II. TRABAJOS PUBLICADOS.
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55 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
II.1 CONSTRUCTION & BUILDING MATERIALS.
II.1.1 Publicación:
J.L. Vilaplana, F.J. Baeza, O. Galao, E.G. Alcocel, E. Zornoza, P. Garcés, Mechanical
properties of alkali activated blast furnace slag pastes reinforced with carbon fibers,
Constr. Build. Mater. 116 (2016) 63–71. doi:10.1016/j.conbuildmat.2016.04.066.
II.1.2 Datos de la revista:
Construction & Building Materials JCR (Q1): 8/61 (Construction & Building
Technology), 11/125 (Civil Engineering), 62/275 (Materials Science
Multidisciplinary)
IF: 3.169
II.1.3 Citas:
3 citas (Scopus)
3 citas (WoS)
6 citas (Google Scholar)
7 citas (Research Gate)
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56 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
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II.2 MATERIALS.
II.2.1 Datos de la publicación:
J.L. Vilaplana, F.J. Baeza, O. Galao, E. Zornoza, P. Garcés, Self-sensing properties of
alkali activated blast furnace slag (BFS) composites reinforced with carbon fibers,
Materials (Basel). 6 (2013) 4776–4786. doi:10.3390/ma6104776.
II.2.2 Datos de la revista:
Materials JCR (Q2): 81/251(Materials Science Multidisciplinary)
IF: 1.879
II.2.3 Citas:
9 citas (Scopus)
9 citas (WoS)
11 citas (Google Scholar)
11 citas (Research Gate)
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73 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
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74 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
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III. TRABAJOS NO PUBLICADOS.
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III.1 HORMIGÓN Y ACERO.
III.1.1 Datos de la publicación:
J.L. Vilaplana, F.J. Baeza, O. Galao, P. Garcés. Sensitivity study of self-sensing strain
capacity of alkali-activated blast furnace slag reinforced with carbon fibres.
Hormigón y Acero 2017,80,1-8, doi:10.1016/j.hya.2017.04.008 (In press).
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IV. CONCLUSIONES Y FUTURAS LÍNEAS DE
INVESTIGACIÓN.
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IV.1 CONCLUSIONES
A partir de los resultados de cada uno de los trabajos presentados, pueden
resumirse las siguientes conclusiones:
IV.1.1 Estudio 1: Caracterización físico-mecánica de las pasta EAA reforzadas con FC.
Sobre las propiedades de físico-mecánicas de las de las pastas EAA y su refuerzo
con FC cabe concluir:
En pastas EAA sin refuerzo, un incremento en el contenido de Na2O en la
dosificación del activador, produce mayores resistencias a compresión.
En pastas EAA sin refuerzo, un incremento en el contenido de Na2O en la
dosificación del activador, no produce mejoras en la resistentica a flexión.
Se observa correlación lineal entre la resistencia a compresión y la densidad
o la velocidad de paso de ultrasonidos en las pastas.
La resistencia a flexión se incrementa con la adición de FC, hasta llegar a
alcanzar valores cercanos a 18 MPa, lo que supone aumentos del 410% a 28
días y 522% a 7 días con respecto a las pastas no reforzadas.
La resistencia a compresión, sólo se ha visto mejorada con el uso de FC de
longitud 3 mm, en este caso el incremento supuso un 19% sobre el valor
medido con pastas de cemento Portland.
La adición de fibras de mayor longitud, no mejora la resistencia a
compresión de los compuestos, llegando a quedar por debajo en un 18%,
debido a la formación de agrupaciones de fibra en el mezclado.
La adición de fibras puede controlar la retracción de las pastas EAA
dosificada en proporciones de 0.2% en fibras de 3 y 6 mm pueden reducir a
un rango de retracciones menores de 1.5 mm/m si las pastas se mantienen
en ambiente saturado (100% HR- 20ºC). En condiciones no favorables, con
ambientes con HR menor del 50%, cuando las muestras sin refuerzo de FC
llegan a romper, la adición de FC garantiza su estabilidad,
independientemente del daño que puedan haber sufrido las muestras.
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
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93 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
IV.1.2 Estudio 2: Caracterización de la percepción de deformación y daño de las pastas
EAA reforzadas con FC.
Sobre la caracterización de la percepción de deformación y daño de las pastas
EAA y su refuerzo con FC cabe concluir:
Las pastas EAA reforzadas con FC, muestran percepción a la deformación
y el daño, pudiendo constituirse por si mismos como sensores de su propia
deformación y daño, en este caso alertando del mismo sin evidencia física
del fallo estructural.
Altas dosificaciones de FC reducen la resistividad del compuesto, en gran
magnitud, sin embargo el mayor factor de galga (K) calculado se observó
para bajas dosificaciones de FC.
Los factores de galga calculados en EAA reforzados con FC, son de mayor
magnitud que los calculados en pastas de cemento Portland.
El grado de saturación de las pastas de EAA influye decisivamente en la
sensibilidad del material a su propia deformación (función de percepción),
siendo un grado de saturación del 46% el que marca las condiciones
óptimas observadas en este estudio.
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94 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
IV.2 FUTURAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN.
De la realización de este trabajo, se proponen nuevas líneas de investigación que
complementen, desarrollen y apliquen los conocimientos aquí adquiridos y
expuestos a la comunidad científica.
Se considera necesario ampliar los conocimientos que permitan con las
características físico-mecánicas de las pastas EAA mostradas en este trabajo,
optimizar las pastas reforzadas con FC para graduar, testar y controlar la función
de percepción de deformación y daño. Dosificando distintas proporciones de FC
para longitudes de fibra variables.
Se debe profundizar en mejorar el material (pastas EAA) frente a la retracción, con
aditivos reductores de retracción, capaces de controlar los altos valores de
retracción que muestran, para que con la adición de FC se desarrolle con
garantías la función de percepción en estos materiales creando un protocolo de
fabricación sensores de pasta de EAA reforzados con FC; de modo que fabricados,
secados e impermeabilizados, garanticen su integridad y estabilidad.
Se deberá profundizar en el estudio de un método que reduzca el grado de
saturación de las muestras que no se base en el secado en estufa que fisura en
demasía estos materiales. Se propone el estudio de la reducción del grado de
saturación por vacío.
Queda por desarrollar la función de percepción en morteros alcalinos y
posteriormente en Hormigones alcalinos.
Y finalmente se deberá ampliar el uso de estos materiales EAA a otras funciones de
hormigones multifuncionales como el apantallamiento EMI y la calefacción por
resistencia.
Función de percepción de deformación y daño en materiales cementicios basados en escoria de
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95 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
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alto horno activada alcalinamente reforzados con fibra de carbono. Tesis- Septiembre 2017
96 Autor: Josep Lluís Vilaplana Abad
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