Morteros y hormigones con adición de nanotubos de carbono

TRABAJO FINAL DE GRADO AUTOR: VICENTE GENOVÉS GÓMEZ TITULACIÓN: GRADO EN INGENIERÍA DE EDIFICACIÓN DIRECTORES UPV: LUIS VICENTE GARCÍA BALLESTER JOSE RAMÓN ALBIOL IBÁÑEZ EMPRESA: AIDICO DIRDIRECTOR EMPRESA: DR. LUIS MIGUEL ORDÓÑEZ BELLOC MORTEROS Y HORMIGONES CON ADICIÓN DE NANOTUBOS DE CARBONO PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% UNIVERSIDAD!POLITÉCNICA!DE!VALENCIA! ESCUELA%TÉCNICA%SUPERIOR%DE%INGENIEROS%DE%EDIFICACIÓN% Los resultados que se exponen en el presente trabajo son fruto de los trabajos de investigación realizados en el marco del Proyecto CLEAM, subvencionado por el Centro para el Desarrollo Tecnológico e Industrial (CDTI) dentro del programa CENIT. Dichos resultados son, pues, propiedad exclusiva de las empresas que promueven/promovieron dicho proyecto y que constituyen la Agrupación de Interés Económico CLEAM-CENIT, A.I.E. DIRECTORES%ACADÉMICOS;% - Luis!Vicente!García!Ballester! Profesor% titular% en% la% Escuela% Técnica% Superior% de% Ingeniería% en% Edificación,%en%la%Universidad%%Politécnica%de%Valencia% Departamento%de%Construcciones%Arquitectónicas% % - José!Ramón!Albiol!Ibáñez! Profesor% colaborador% en% la% Escuela% Técnica% Superior% de% Ingeniería% en% Edificación,%en%la%Universidad%%Politécnica%de%Valencia% Departamento%de%Construcciones%Arquitectónicas% % DIRECTOR%DE%LA%EMPRESA;% - Luis!Miguel!Ordóñez!Belloc! Coordinador%División%de%Cementos,%Morteros%y%Hormigones.% Unidad%Técnica%de%Investigación%de%Materiales% Empresa:%AIDICO,%Instituto%Tecnológico%de%la%Construcción% % ! PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! a!mi!madre!y!mi!abuelo,! por!apoyarme!durante!toda!mi!vida! a!mi!abuela!y!a!mi!tía,! por!haberlo!hecho!hasta!que!la!vida!lo!permitió! a!mi!amor,! por!hacerlo!desde!que!nos!conocimos! gracias! !! ! ! ! ! ! % ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% ÍNDICE! % 1. Estado!del!arte! % 1.1. Hormigones%de%alta%resistencia% % % 2% % % 1.2. Nanotubos%de%Carbono% % % 4% % % 1.3. Pastas,%morteros%y%hormigones%con%NTCs% % % 22% % 1.4. Punto%de%partida% % % 23% % % 2. Objetivos!de!este!proyecto! ! ! 25! ! ! ! 3. Método!experimental! ! ! 26! ! 3.1%Caracterización%de%materiales% % % 27% % % % % 3.2%Diseño%del%hormigón% % % 27% % 3.3%Vibrado%y%amasado%del%hormigón% % % 28% % 3.4%Propiedades%del%estado%fresco%y%endurecido% % % 29% % 3.5%Descripción%de%los%ensayos%realizados% % % 30% % % % % % % % % % % PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% 4. Materiales!empleados.!Clasificación!y!caracterización.!Propiedades!33!! % 4.1. Cemento% 34% % 4.2. Humo%de%sílice% 36% % 4.3. Áridos%39% % 4.4. Superplastificante% 41% % 5. Hormigón!de!alta!resistencia!de!referencia!42! ! % 6. Nanotubos!de!carbono!51! ! 6.1. Variedad%de%nanotubos%de%carbono% 52% 6.2. Dispersión%52% 6.3. Propiedades% 54% % % 7. Morteros!con!nanotubos!de!carbono! 58! ! ! 8. Hormigones!con!nanotubos!de!carbono!63! ! % 9. Demostrable!con!elementos!prefabricados!de!hormigón!67! ! % 10. Comentarios!y!conclusiones!89! ! ! 11. Referencias!y!enlaces! 95! ! ! ! ! ! PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! CAPÍTULO!1.!ESTADO!DEL!ARTE Capítulo%1.%%%Estado%del%arte% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%2%_% 1.!Estado!del!arte! ! 1.1!Hormigón!de!alta!resistencia! % El%hormigón%convencional%que%hoy%en%día%utilizamos%para%pequeñas%y%medianas%alturas% responde% a% una% resistencia% a% la% compresión% de% 25_30% Mpa,% muy% por% encima% de% los% hormigones%disponibles%en%la%época%donde%los%pioneros%del%diseño%y%fabricación%del% hormigón%de%altas%prestaciones%empezaron%a%realizar%sus%aportaciones%a%este%material.% Por%aquel%entonces%(1960),%los%ingenieros%se%conformaban%con%realizar%construcciones% con%hormigones%de%no%mas%de%15_17%Mpa%por%desconocimiento%de%las%cualidades%del% material%y%por%seguridad.% % De%esta%forma,%el%concepto%que%se%tenía%del%hormigón%era%de%que%únicamente%servía% para% ejecutar% los% cimientos% de% los% futuros% grandes% rascacielos,% recubrir% perfiles% de% acero%estructural%con%la%finalidad%de%resguardarlos%frente%al%fuego%y%en%algunas%casos,% elementos%estructurales%horizontales.% No%obstante,%como%en%todos%los%campos%a%los%que%tiene%acceso%el%ser%humano,%este% tiende%a%innovar,%y%en%este%contexto%y%como%escenario%la%ciudad%de%Chicago,%se%empezó% a%experimentar%con%un%tipo%de%hormigón%con%el%que%posteriormente%se%logrará%realizar% grandes%construcciones.% % Cabe% destacar% que,% en% dicha% época,% los% cementos% utilizados% para% el% diseño% de% hormigones%se%molían%mas%gruesos%que%los%actuales%y%que%sobre%todo,%los%reductores% de% agua% disponibles% no% tenían% la% tecnología% suficiente,% y% su% composición% y% pureza% variaban% mas% de% lo% deseable% como% para% rebajar% excesivamente% la% relación% agua/cemento;% como% efecto% añadido,% un% uso% excesivo% de% los% reductores% de% agua% a% base%de%lignosulfonatos%%tendían%a%atrapar%aire%en%la%matriz%cementante%y%retardar%el% fraguado.% Las%cenizas%volantes%también%jugaron%un%papel%crucial%de%forma%indirecta:%Se%utilizaban% para%la%reducción%del%contenido%de%cemento%en%el%hormigón%sin%saber%que%a%largo%plazo% este%componente%aumenta%la%resistencia%del%material.% % El%método%que%siguieron%los%diseñadores%y%productores%de%hormigón%para%hacer%crecer% progresivamente%la%capacidad%compresiva%del%hormigón%de%altas%prestaciones%fue%lento% pero%seguro%(High_Strength%Concrete%Chicago%Style):%Cuando%un%promotor%encargaba%la% construcción% de% un% edificio% de% hormigón,% estas% dos% personas% anteriormente% mencionadas,% proponían% al% promotor% incluir% dos% columnas% de% hormigón% 10_15% Mpa% Capítulo%1.%%%Estado%del%arte% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%3%_% mas% resistente% que% el% resto% de% la% estructura.% De% esta% forma% experimentaban% con% hormigones%mas%resistentes%cada%vez;%cuando%tenían%bien%estudiado%y%asegurado%un% hormigón% con% una% resistencia,% lo% usaban% para% una% para% una% estructura% completa% y% aprovechaban%el%mismo%edificio%para%incluir%dos%columnas%mas%%con%otro%hormigón%10_ 15%Mpa%mas%resistente.% % De%esta%forma%se%logró%alcanzar%la%barrera%tecnológica%de%los%60%Mpa%en%relativamente% poco%tiempo%y%que%no%pudieron%franquear%%con%las%materias%primas%disponibles%en%ese% momento%(1970).% % Con%la%finalidad%de%%reducir%la%relación%a/c,%se%aumentó%la%dosificación%del%reductor%de% agua%(tan%solo%un%poco%mas%de%lo%recomendado%para%hormigones%de%25%Mpa)%aunque% no% podía% ser% muy% alta% por% el% problema% del% atrapamiento% de% aire% en% la% matriz% y% el% retardo%en%el%fraguado.% Este%último%problema%era%mas%grave%de%lo%que%parece:%A%un%contratista%le%interesa%un% hormigón%que%tenga%un%rápido%endurecimiento%(después%de%la%puesta%en%obra)%y%por%lo% tanto,%que%se%pueda%esperar%unas%altas%resistencias%a%corto%plazo,%¿Qué%mas%le%da%a%él,% al%fin%y%al%cabo,%si%el%hormigón%es%capaz%de%desarrollar%25%o%30%Mpa%mas%si%con%uno%de% mas%baja%resistencia%a%28%días%puede%quitarle%antes%la%cimbra%y%continuar%mas%rápido%el% proceso%constructivo?% % Con%la%llegada%de%los%superplastificantes%en%el%1970%y%su%inclusión%en%hormigones%casi% de%forma%simultánea%en%Alemania%y%Japón%(Meyer%1981,%Hattori%1981)%se%pudo%bajar%la% relación%a/c%de%forma%considerable%a%0.30%con%una%consistencia%de%200%mm,%cuando% antes%de%la%salida%de%este%nuevo%producto%solo%se%consiguieron%relaciones%a/c%de%0.40%a% 0.35%y%una%consistencia%de%75%a%100%mm.%Pero%conforme%fue%avanzando%la%tecnología% de%este%aditivo,%esta%fue%bajando%a%0.27,%luego%a%0.23,%0.20%y%0.17,%teniendo%esta%última% una% consistencia% de% 230% mm% pero% con% baja% capacidad% compresiva% (125% Mpa),% seguramente%debido%a%la%falta%de%hidratación%del%cemento.% Los%superplastificantes,%a%la%hora%de%la%ejecución%material%de%construcciones,%y%al%fin%y% al%cabo,%en%la%utilización%práctica%del%hormigón,%se%utilizaban%para%mejorar%la%colocación% de%este%en%en%obra,%ya%que%se%seguían%fabricando%en%central%con%lignosulfonatos%(era% mas%barato%y%mantenían%la%consistencia%%inicial%durante%mas%tiempo,%a%diferencia%de%los% superplastificantes%de%primera%generación).% % Un%poco%mas%adelante%en%el%tiempo%se%introdujo%el%humo%de%sílice.%Fue%en%Escandinavia%% a%principio%del%1970%como%material%ligante%suplementario%para%el%hormigón,%pero%hasta% 1983%no%se%comenzó%a%utilizar%en%Estados%Unidos.% Capítulo%1.%%%Estado%del%arte% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%10%_% alquenos)% para% generar% CNTs_alcohólicos,% CNT_OH;% con% trans_IrCl(CO)(PPh3)2% para% formar% complejos% metálicos.% También% se% ha% conseguido% interconectar% NTC% entre% sí% gracias%a%un%complejo%metálico%inorgánico%de%rutenio%bipiridina.% Ozonolisis.% Los%NTC%pueden%tratarse%con%ozono%a%baja%o%temperatura%ambiente%generando%CNT_ ozonidos.%El%tratamiento%químico%posterior%con%peróxido%de%hidrógeno%o%borohidruro% sódico%genera%una%alta%proporción%de%grupos%ácido%carboxílico/ester,%cetona/aldehído% y%grupos%alcohol%en%la%superficie%del%CNT.% Funcionalización%mecanoquímica.% La%molienda%(ball_milling)%de%los%CNT%en%atmósfera%reactiva%ha%producido%CNT%cortos% conteniendo% diferentes% grupos% funcionales% químicos% como% aminas,% amidas,% tioles% y% mercaptanos.%El%material%sólido%obtenido%después%del%tratamiento%con%diferentes%gases% produce%alto%rendimiento.% Con% una% estrategia% similar% CNT% se% han% hecho% reaccionar% con% hidróxido% potásico% mediante%una%técnica%de%molienda%en%fase%sólida.%De%este%modo,%la%superficie%del%CNT% se%cubre%con%grupos%hidroxilo%aumentando%su%solubilidad%en%agua%(≅%3%mg/mL).% % % Activación%por%plasma.% Una% técnica% alternativa% para% la% modificación% superficial% de% CNT% consiste% en% la% activación%mediante%descarga%de%plasma%(por%ejemplo%plasma%de%aldehído).% Adición%nucleofílica.% La%modificación%covalente%de%CNT%con%grupos%alquilo%o%carboxilico%se%puede%realizar% mediante% el% tratamiento% inicial% con% sec_BuLi% y% posterior% adición% de% CO2.% El% CNT% resultante%puede%dispersarse%en%agua%con%una%concentración%de%05,%mg/mL.%% Anclaje%(grafting)%de%polímeros.% La%reacción%covalente%de%CNT%con%polímeros%es%muy%importante,%ya%que%los%polímeros% de%cadena%larga%ayudan%a%disolver%los%CNT%en%un%amplio%rango%de%disolventes,%incluso% con% un% bajo% grado% de% funcionalización.% Existen% dos% metodologías% para% el% anclaje% Capítulo%1.%%%Estado%del%arte% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%11%_% covalente%de%sustancias%poliméricas%a%la%superficie%de%los%CNT,%que%se%definen%como% “grafting%to”%y%“grafting%from”.%El%primero%se%basa%en%la%síntesis%del%polímero%con%un% peso%molecular%específico%y%su%posterior%anclaje%al%CNT%a%través%del%grupo%funcional% adecuado.%El%segundo%método%“grafting%from”%se%basa%en%la%inmovilización%covalente% del% precursor% polimérico% en% la% superficie% del% CNT% y% la% posterior% propagación% de% la% polimerización%en%presencia%de%las%especies%monoméricas.% % 2.1.2.2!Interacciones!no!covalente:! Otro%de%los%métodos%utilizados%para%conseguir%la%dispersión%de%los%CNT%es%la%interacción% no_covalente%de%la%superficie%del%CNT%con%varias%especies%de%polímeros,%compuestos% aromáticos%polinucleares,%surfactantes%e%incluso%biomoléculas.%% % Figura 6. Interacción no covalente con CNT % % La% funcionalización% no_covalente% es% particularmente% atractiva% ya% que% ofrece% la% posibilidad% de% incorporar% sustancias% químicas% sin% que% se% vean% afectadas% las% propiedades% electrónicas% del% CNT.% La% interacción% no_covalente% está% basada% en% interacciones% mediante% fuerzas% de% Van% der% Waals% o% apilamiento% (stacking)% π_π% controlado%por%procesos%termodinámicos.% % Capítulo%1.%%%Estado%del%arte% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%12%_% 2.2.3!Llenado!de!la!cavidad!interior! El%proceso%de%llenado%de%la%cavidad%interior%del%CNT%con%diferentes%elementos%se%ha% estudiado% con% el% fin% de% producir% nanohilos% o% para% el% almacenamiento% eficiente% de% combustibles%líquidos.%Se%pueden%comentar%los%siguientes%ejemplos%de%llenado%de%los% CNT:% _%Encapsulación%de%derivados%de%fulereno%y%especies%inorgánicos.% _%Encapsulación%de%biomoléculas.% _%Encapsulación%de%líquidos.% % 1.2.3!Propiedades!! ! ! Actualmente,%los%nanotubos%de%carbono%son%objeto%de%investigación%para%ser%aplicado% a%una%infinidad%de%campos%y%poseen%unas%propiedades%muy%interesantes%a%parte%de%la% muy%conocida%alta%resistencia%mecánica.%% Principalmente%podemos%distinguir%dos%tipos%de%nanotubos%de%carbono%en%función%del% número%de%capas%que%este%posea:% Nanotubos%de%carbono%de%una%sola%capa%(SWNT)% Nanotubos%de%carbono%de%varias%capas%(MWNT)%(fig.%7)% % % % % Figura%7.%Nanotubo%%de%varias%capasIII% Capítulo%1.%%%Estado%del%arte% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%13%_% Cada%vez%se%deja%mas%claro%en%los%distintos%experimentos%que%se%realizan%que%los%CNT% son% las% fibras% mas% resistentes% que% existen% para% el% uso% y% aplicación% a% diversos% materiales.% % A%pesar%de%esto,%hay%muchos%problemas%pendientes%de%resolver%antes%de%nada,%ya%que% los%CNT%de%forma%individual%presentan%una%resistencia%y%propiedades%en%general%fuera% del%alcance%de%cualquier%otro%tipo%de%material,%y%ese%potencial%es%el%que%se%espera%ver% reflejado%en%los%materiales%compuestos%por%estas%fibras,%y%que%hoy%por%hoy%no%es%una% realidad.% % Por%este%motivo%es%muy%importante%optimizar%sus%propiedades%creando%una%una%matriz% de%altas%prestaciones%que%sea%capaz%de%unir%el%conjunto%de%fibras%y%hacerlas%trabajar% correctamente.% ! ! ! ! ! ! ! 1.2.3.1!Comportamiento!elástico! ! El%módulo%de%Young%de%%los%SWNTs%está%cerca%de%%1Tpa,%y%el%máximo%esfuerzo%axil%que% puede% soportar% está% entorno% a% los% 30% Gpa,% aunque% algunos% autores% defienden% que% puede%estar%cerca%de%los%60%Gpa.11% % Los%resultados%de%%de%varios%estudios%a%lo%largo%de%los%años%han%mostrado%una%gran% variación%en%estos%valores.% En% 1996,% los% investigadores% del% NEC% de% la% universidad% de% Princeton% e% Illinois% establecieron%que%el%módulo%de%Young%era%de%1.8%Tpa5.%Este%valor%fue%medido%primero,%% aislando% un% tubo% y% tomando% una% fotografía% al% microscopio% de% una% de% sus% puntas.% Después,%el%módulo%fue%calculado%en%función%de%la%cantidad%de%desenfoque%producida% en%la%fotografía.% ! En%1997%G.%Gao,%T.%Cagin,%and%W.%Goddard%III6%presentaron%%una%ponencia%en%el%Fifth! Foresight!Conference!on!Molecular!Nanotechnology!donde%aportaron%%tres%%variaciones% en%el%módulo%de%Young%%donde%5%decimales%dependían%directamente%del%vector%quiral.% Capítulo%1.%%%Estado%del%arte% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%14%_% Al%final,%concluyeron%que%que%un%armchair!tube!tiene%un%módulo%de%640.30%GPa,%un% zigzag!tube%tiene%un%módulo%de%%648.43%Gpa%%y%que%un%chiral!tube!%tiene%un%módulo%de%% 673.94%Gpa.%(fig%8)% % % % Figura%8.%Tipologías%de%nanotubos%de%carbono%en%función%de%la%morfología%de%la%redIV% % % ! ! En%1998,%Treacy7%et.%al.%%Dijeron%que%el%módulo%elástico%de%los%CNT%era%de%1.25%Tpa% utilizando%el%mismo%método%experimental%que%años%atrás,%usando%un%Microscopio%de% Fuerza%Atómica%forzaron%a%un%nanotubo%%aislado%a%salir%de%su%posición%de%equilibrio%y% registraron%la%fuerza%que%ejercía%el%nanotubo%en%la%punta.%En%1999%E. Hernández%and% Angel% Rubio% demostraron% mediante% cáculos% vinculantes% que% el% módulo% de% Young% dependía%directamente%del%tamaño%del%nanotubo%y%la%quiralidad%del%SWNT,%abarcando% un%rango%de%1.22%Tpa%para%los%mas%pequeños,%hasta%1.26%para%los%mas%largos.% De%todas%formas,%mediante%los%cálculos%principales%se%extrajo%el%valor%de%1.09%Tpa%como% módulo%elástico%pora%un%nanotubo%genérico8.% % La%evidencia%previa%podría%llevar%a%asumir%que%el%diámetro%y%la%forma%del%nanotubo%fue% el% factor% determinante% de% su% módulo% elástico.% Sin% embargo,% cuando% trabajaba% con% diferentes%MWNTs,%Forró%et.%al.%notó%que%sus%mediciones%del%módulo%de%los%MWNTs%en% 1999%(utilizando%AFM)%no%dependía%de%forma%importante%en%el%diámetro,%como%había% sido% sugerido% recientemente.% En% vez% de% eso,% argumentaron% que% el% módulo% de% los% MWNTs% correlaciona% la% cantidad% de% desorden% en% las% paredes% de% los% nanotubos.% Sin% embargo%su%evidencia%mostraba%que%el%valor%para%los%SWNTs,%depende%del%diámetro;% un%tubo% individual%tiene% un%módulo% de%alrededor%de% 1%TPa% mientras%los% manojos%(o% cuerdas)%de%15%a%20%nm%de%diámetro%tienen%un%módulo%de%alrededor%de%100%GPa9.%Se% ha%sugerido%que%la%controversia%acerca%del%valor%del%módulo%se%debe%a%la%interpretación% Capítulo%1.%%%Estado%del%arte% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%15%_% del% autor% del% grosor% de% las% paredes% del% nanoubo.% Si% el% tubo% se% considera% como% un% cilindro%sólido,%entonces% tendrá%un% menor%módulo%de% Young.%Si% se%considera% que%el% tubo% es% hueco,% el% módulo% se% eleva,% y% entre% más% delgadas% sean% las% paredes% del% nanotubo,%crecerá%el%valor%del%módulo.% % % ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! Capítulo%1.%%%Estado%del%arte% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%16%_% 2.4!Métodos!de!producción3,4! ! 2.4.1!Método!del!sustrato%% La%síntesis%de%nanotubos%de%carbono%por%esta%técnica%es%esencialmente%un%proceso%de% dos%etapas,%en%una%primera%etapa%se%preparan%los%catalizadores%y%en%una%segunda% etapa%se%crecen%los%nanotubos.%Los%catalizadores%son%preparados%generalmente% dispersando%nanopartículas%de%un%metal%de%transición%sobre%un%substrato.%Dado%que%el% elemento%activo%es%el%metal%en%estado%elemental,%es%necesario%un%tratamiento%de% reducción%con%hidrógeno%para%inducir%la%nucleación%de%partículas%catalíticas%en%el% sustrato.%En%la%siguiente%etapa%(el%catalizador%ha%de%estar%ya%en%todo%momento%en% atmósfera%controlada%libre%de%aire),%se%introduce%en%el%sistema%la%fuente%de%carbono% para%producir%el%crecimiento%de%los%nanotubos.%Las%temperaturas%utilizadas%para%la% síntesis%de%nanotubos%por%CVD%se%hallan%generalmente%comprendidas%entre%650%y% 900ºC.%Suele%emplearse%un%reactor%tubular,%introducido%en%un%horno%eléctrico,%para% llevar%a%cabo%ambas%etapas,%pasando%de%una%a%otra%mediante%los%flujos%de%gases%y%las% temperaturas.%Durante%la%etapa%de%crecimiento%de%nanotubos,%suele%seguir%utilizándose% hidrógeno%como%gas%portador%ya%que%este%inhibe%la%formación%de%carbono%amorfo.%% Cuando%se%desea%producir%VGCF%engordadas,%suele%realizarse%una%tercera%etapa%de% engrosamiento,%donde%se%disminuye%la%relación%de%hidrógeno%y%se%incrementa%la% temperatura%para%favorecer%el%craqueo.% El%método%del%sustrato%es%versátil%y%permite%obtener%los%distintos%tipos%de%filamentos% con%alta%selectividad.%Sin%embargo,%las%cantidades%a%producir%son%muy%pequeñas,%al%ser% un%proceso%discontinuo%que%requiere%de%unos%tiempos%de%residencia%elevadísimos,%por% lo%que%los%costes%son%astronómicos.% %% % % % % Capítulo%1.%%%Estado%del%arte% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%17%_% 2.4.2!!Ablación!Láser%% La%"ablación%láser"%es%un%proceso%que%consiste%en%vaporizar%un%blanco%de%grafito% mediante%la%radiación%de%un%pulso%láser,%en%un%reactor%de%alta%temperatura%y%en% presencia%de%un%gas%inerte.%Los%nanotubos%se%forman%cuando%el%grafito%vaporizado% entra%en%contacto%con%la%superficie%fría,%condensando%sobre%las%paredes%del%reactor.% Este%procedimiento%suele%presentar%un%rendimiento%típico%del%70%%en%peso%y%produce% nanotubos%monocapa,%con%un%diámetro%que%puede%controlarse%variando%la% temperatura%en%el%interior%del%reactor.%(figura%9)% % Figura%9.%Esquemas%del%método%de%producción%de%ablación%láser.V% % 2.4.3!!Descarga!de!arco%% Desde%1991,%la%presencia%de%nanotubos%se%ha%podido%observar%en%el%hollín%producido%al% provocar%un%arco%eléctrico%entre%dos%electrodos%de%grafito.%La%corriente%típica%para% producir%dicho%arco%era%de%unos%100%amperes,%%y%paradójicamente%lo%que%se%pretendía% era%producir%fullerenos.%La%primera%vez%que%se%produjeron%nanotubos%de%carbono,%de% forma%masiva,%fue%usando%un%método%similar%al%anterior,%por%dos%investigadores%del% Laboratorio%de%Investigación%Básica%de%la%compañía%NEC.% En%dicho%proceso%se%observó%que%el%carbono%contenido%en%el%electrodo%negativo% sublimaba%debido%a%las%altísimas%temperaturas%producidas%por%la%descarga%que% provocaban%el%arco%voltaico.%Esta%técnica%es%el%método%más%importante%usado%en%la% Capítulo%1.%%%Estado%del%arte% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%18%_% síntesis%de%nanotubos,%puesto%que%fue%la%primera%en%la%que%la%producción%de%esta%forma% alotrópica%era%apreciable.% La%descarga%de%arco%es%un%tipo%de%descarga%eléctrica%continua%que%genera%luz%y%calor% muy%intensos.%Se%produce%entre%dos%electrodos%enfrentados%dentro%de%una%atmósfera% de%gas%inerte%a%baja%presión.%Por%los%electrodos%de%grafito,%se%hace%pasar%una%corriente% intensa,%(cientos%de%amperes)%la%cual%hace%sublimar%los%átomos%de%carbono%de%la% superficie%de%los%electrodos,%formando%un%plasma%alrededor%de%estos.%En%un%arco% abierto%al%aire%y%a%presión%normal,%(una%atmósfera)%el%electrodo%positivo%alcanza%una% temperatura%de%unos%3.000%ºC.% El%rendimiento%típico%usando%esta%técnica,%es%del%orden%del%30%%en%peso%y%los% productos%obtenidos%son%tanto%nanotubos%monocapa,%como%multicapa%de%una%longitud% típica%de%unas%50%micras.% Se%puede%combinar%con%el%método%de%purificación%por%oxidación,%desarrollado%por% Ebbesen%en%1994,%que%consiste%en%el%calentamiento%de%la%fullerita%extraída%después%de% la%descarga%a%1000%K,%en%una%atmósfera%de%oxígeno%durante%30%minutos.%Este% procedimiento%permite%evaporar%las%diferentes%clases%de%fullerenos%y%dejar%los% nanotubos%aislados.%También%se%emplea%para%evaporar%las%paredes%más%externas%de%los% nanotubos%de%tipo%multicapa,%y%también%para%abrir%los%extremos%de%los%mismos.%(Fig.10)% % Figura.%Método%de%descarga%por%arco%eléctrico% % % Capítulo%1.%%%Estado%del%arte% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%19%_% 2.4.4!!CVD% La%deposición%catalítica%en%fase%de%vapor,%o%Catalytic%Vapor%Phase,%(a%partir%de%ahora,% CVD)%fue%descrita%por%primera%vez%en%1959,%pero%no%fue%hasta%1993%cuando%los% nanotubos%se%pudieron%sintetizar%mediante%este%proceso.%En%2007,%un%grupo%de% investigadores%de%la%Universidad%de%Cincinnati,%desarrollaron%un%proceso%de% crecimiento%que%permitía%obtener%matrices%de%nanotubos%de%carbono%alineados,%de% una%longitud%media%de%unos%18%mm.% En%la%CDV,%normalmente%se%prepara%un%sustrato%con%una%capa%de%metal,%como%el%níquel,% cobalto,%oro%o%una%combinación%de%estos.%Las%nanopartículas%de%metal%se%pueden% producir%también,%por%otros%medios%incluidos%la%reducción%de%óxidos%o%soluciones%de% óxidos%sólidos.%Los%diámetros%de%los%nanotubos%que%van%a%formarse%por%crecimiento% controlado,%están%relacionados%con%el%tamaño%de%las%partículas%de%metal.%Este%tamaño% se%puede%controlar%por%deposición%de%patrones%(o%mascaras%de%metal),%o%por%la%adición% de%agua%fuerte%sobre%la%capa%de%metal.%El%sustrato%se%calienta%aproximadamente%a%unos% 700%ºC.% Para%iniciar%el%crecimiento%de%nanotubos,%se%mezclan%dos%gases%en%el%reactor.%Un%gas%de% proceso%tal%como%amoniaco,%nitrógeno,%hidrógeno%y%%otro%gas%que%se%usa%como%fuente% de%carbono;%así%como%acetileno,%etileno,%etanol,%metano,%etc.%Los%nanotubos%crecen%en% el%lado%del%catalizador%de%metal.%El%gas%que%contiene%carbono%se%rompe%sobre%la% superficie%de%las%partículas%catalíticas,%y%el%carbono%es%transportado%a%los%límites%de%la% partícula,%donde%se%forman%los%nanotubos.%Este%mecanismo%está%todavía%en%fase%de% estudio%y%discusión.%Las%partículas%catalíticas%pueden%permanecer%sobre%las%puntas%de% crecimiento%de%los%nanotubos%durante%el%proceso%de%crecimiento,%o%continuar%sobre%la% base%del%nanotubo,%dependiendo%de%la%adhesión%entre%las%partículas%catalíticas%y%el% sustrato.% CDV%es%un%método%muy%frecuente%para%la%producción%comercial%de%nanotubos%de% carbono.%Para%este%propósito%las%nanopartículas%de%metal,%se%mezclarán% cuidadosamente%con%un%soporte%catalizador%por%e.g.%(%MgO,%Al2O3,%etc.);%para% incrementar%el%área%de%superficie%específica,%en%aras%de%una%mayor%producción%de%la% reacción%catalítica%de%feedstock!con%las%partículas%de%metal.%Otra%cuestión%de%la%ruta%de% síntesis%es%la%eliminación%del%soporte%catalítico%mediante%un%tratamiento%ácido,%lo%que% algunas%veces%podría%llevar%a%la%destrucción%de%la%estructura%original%de%los%nanotubos.% Algunos%soportes%catalíticos%alternativos%que%son%solubles%en%agua,%han%demostrado% ser%más%efectivos%para%el%crecimiento%de%nanotubos.% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%26%_% ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! CAPÍTULO!3.!MÉTODO!EXPERIMENTAL! ! ! ! Capítulo%3.%Método%experimental% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%27%_% 3.!Método!experimental! ! 3.1%Caracterización%de%materiales:% % La%caracterización%de%los%materiales%se%ha%efectuado%conforme%a%la%siguiente%normativa% UNE:% % • UNE%EN%83133:1990%Áridos%para%hormigones.%Determinación%de%las%densidades,% coeficiente%de%absorción%y%contenido%de%agua%del%árido%fino.% • UNE% EN% 83134:1990.% Áridos% para% hormigones.% Determinación% de% las% densidades,%porosidad,%coeficiente%de%absorción%y%contenido%en%agua%del%árido% grueso.% • UNE% EN% % 480_8:1998% Aditivos% para% hormigones% morteros% y% pastas.% Determinación%del%estrato%seco%convencional.% % 3.2%Diseño%de%hormigón% % El% hormigón% se% ha% diseñado% tomando% como% base% las% pruebas% hechas% con% morteros% equivalentes.%% De%estos%morteros,%se%han%evaluado%su%%capacidad%de%resistencia%a%compresión%a%1,%2,%7% y%28%días%según%norma%UNE%correspondiente,%y%su%trabajabilidad,%proceso%explicado%en% la%norma%UNE%pertinente.% • UNE%EN%83_821.!Ensayos%morteros.%Rotura%a%flexión%y%%compresión% • UNE_EN_1015_3.%Ensayos%morteros.%Determinación%de%la%consistencia%en%mesa% de%sacudidas% • Amasado%de%los%morteros%equivalentes%(tabla%2):% % Tabla%2.%Procedimiento%de%amasado%morteros%equivalentes% Nº! Tiempo! Acción! 1% 15’’% Adición%de%toda%el%agua%+%2/3%Aditivo.%Mezclar%bien%(L)% 2% 30’’% Adición%mezcla%cementante%(L)% 3% 30’’% Adición%arena%(L)% 4% 60’’% Amasado%(R)% 5% 30’’% Reposo% 6% 60’’% Adición%1/3%aditivo%restante%+%Amasado%(L)% 7% 60’’% Amasado%(R)%% % Capítulo%3.%Método%experimental% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%28%_% 3.3%Amasado%y%vibrado%del%hormigón%% % El% HRC% fue% ensayado% a% compresión% en% probetas% cilíndricas% pequeñas% (150x100% mm)% para% evitar% problemas% en% el% ensayo% con% la% prensa% debido% a% su% limitada% capacidad% compresiva.% Para%realizar%dicho%ensayo%según%norma%une,%la%cara%irregular%%se%pulió%debidamente% quedando%totalmente%paralela%a%la%cara%inferior%y%perfectamente%lisa.% El%método%de%amasado%para%el%HRC%%fue%el%indicado%en%la%tabla%3% % Tabla%3.%Procedimiento%de%amasado%para%elaboración%del%hormigón% Nº! Tiempo! Acción! 1% 15’’% Adición%de%toda%el%agua%+%2/3%Aditivo.%Mezclar%bien% 2% 30’’% Adición%mezcla%cementante% 3% 30’’% Adición%arena% 4% 60’’% Amasado% 5% 30’’% Reposo% 6% 60’’% Adición%1/3%aditivo%restante%+%Amasado% 7% 60’’% Amasado% 8% 2’% Adición%Gravas%+%Amasado% % % Después% de% prepararse% nueve% probetas% cilíndricas% de% tamaño% 100x150% mm% se% colocaron% en% una% mesa% de% vibración% previamente% preparada% para% dicho% tamaño% siguiendo%el%procedimiento%indicado%en%la%tabla%4:% % Tabla%4.%Procedimiento%de%vibrado%seguido%para%la%elaboración%de%las%probetas%de%hormigón% Nº! Acción! ! 1% Colocación%de%las%probetas%en%mesa%de%vibración% 2% Llenado%de%las%probetas%hasta%1/3%con%el%hormigón% 3% Vibrado%del%hormigón%durante%15%segundos% 4% Se%repitió%el%paso%2%y%3%dos%veces%mas.% % % % Capítulo%3.%Método%experimental% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%29%_% Se%preparó%una%primera%tanda%de%probetas%(6)%que%se%vibraron%según%el%procedimiento% descrito,%y%mas%tarde,%otra%tanda%de%3%probetas%colocadas%a%tresbolillo.%En%esta%tanda% de%probetas%se%colocaron%otros%3%recipientes%llenos%con%hormigón%de%la%misma%calidad% ya% fraguado,% para% compensar% los% pesos% de% la% mesa% e% intentar% que% las% 9% probetas% tuviesen%la%misma%calidad%de%vibrado.% % Al%día%siguiente%las%probetas%se%desmoldaron%y%se%sumergieron%en%agua%saturada%de%cal,% en%cámara%climatizada%a%20%ºC%%y%humedad%relativa%de%99%.% % % 3.4%PROPIEDADES%DEL%ESTADO%FRESCO%Y%ENDURECIDO% • UNE%83304:1984%Ensayos%De%hormigón.%Rotura%a%compresión% • Medición%de%las%propiedades%del%estado%fresco%del%hormigón%con%el%reómetro% 4C%Rehometer:%Esfuerzo%cortante,%trabajabilidad%y%viscosidad%plástica%(figura%1).% % % % % Figura%1.%Torta%y%parámetros%reológicos%medidos%con%Rheometer%4C% % % % % % % Cuando%ya%se%tuvo%claro%las%dosificaciones%base%a%emplear%(escogidas%por%su%resistencia% y% consistencia)% se% procedió% a% realizar% una% serie% de% ensayos% mas% exhaustivos% para% conocer%todas%las%propiedades%del%hormigón%base:% Capítulo%3.%Método%experimental% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%30%_% % % Para%ello%se%ajustó%el%volumen%de%hormigón%a%65%litros%por%amasada%por%un%total%de%4% amasadas%y%2%amasdas%por%dosificación.% La%cantidad%de%material%en% kilogramos%empleado%por%amasada%fué%el%indicado%en% la% tabla:% % % % Tabla.%Peso%de%los%materiales%en%Kg%por%amasada%de%65%litros% CEM% H.%sílice% CV% Agua% Arena% Grava% Aditivo% Aireante% 33.2% 2.7% 3.3% 10.3% 65.8% 50.1% 1.3% 0.1% % % 3.5%DESCRIPCIÓN%DE%LOS%ENSAYOS%REALIZADOS% % _%Determinación%de%la%consistencia%en%estado%fresco% % % La% consistencia% del% hormigón% en% estado% fresco% se% determinará% siguiendo% las% pautas% establecidas% en% la% norma% UNE% EN% 12350_2% 2009% “Ensayos% en% estado% fresco,% Parte%2:%Ensayo%de%asentamiento”.% % % _%Determinación%de%la%resistencia%a%compresión% % % El%ensayo%de%resistencia%a%compresión%se%determinará%de%acuerdo%a%las%pautas% establecidas%en%la%norma%UNE%EN%12390_3%2009:%“Ensayos%de%hormigón%endurecido,% Parte%3:%Determinación%de%la%resistencia%a%compresión%de%probetas”.% % % La%resistencia%a%compresión%se%determinará%a%las%siguientes%edades:1,%2,%7,%y%28% días.%Las%probetas%empleadas%serán%probetas%cilíndricas%de%100x200%mm.% % % % % _%Determinación%de%la%resistencia%a%flexión% % Capítulo%3.%Método%experimental% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%31%_% El% ensayo% de% resistencia% a% flexión% se% determinará% de% acuerdo% a% las% pautas% establecidas% en% la% norma% UNE% EN% 12390_5% 2009% “Ensayos% de% hormigón% endurecido,% Parte%5:%Resistencia%a%flexión%de%probetas”.% % La% resistencia% a% flexión% se% determinará% a% la% edad% de% 28% días.% Las% probetas% empleadas%serán%probetas%prismáticas%de%70x70x280%mm.% % % _%Determinación%de%la%retracción%(Autógena,%Secado)% % % Se% determinará% la% retracción% del% hormigón% en% probetas% prismáticas% de% 70x70x280%mm.%Se%harán%medidas%a%las%siguientes%edades:%1,%2,%3,%7,%14,%21%y%28%días.% Para% la% medición% de% la% retracción% autógena% las% probetas% estarán% en% todo% momento% recubiertas%con%un%film%para%evitar%la%pérdida%de%agua%por%evaporación.% % % % % _%Determinación%de%la%resistencia%a%la%tracción%indirecta% % El%ensayo%de%resistencia%a%la%tracción%indirecta%se%determinará%de%acuerdo%a%las% pautas% establecidas% en% la% norma% UNE% EN% 12390_6% 2009% “Ensayos% de% hormigón% endurecido,%Parte%6:%Resistencia%a%tracción%indirecta%de%probetas”.% % % La%resistencia%a%la%tracción%indirecta%se%determinará%a%la%edad%de%28%días.%Las% probetas%serán%cilíndricas%de%dimensión%150x300%mm.% % % _%Determinación%del%módulo%de%elasticidad%(Módulo%de%Young)% % El% ensayo% del% módulo% de% elasticidad% se% determinará% de% acuerdo% a% las% pautas% establecidas%en%la%norma%UNE%EN%83316%1996%“Ensayos%de%hormigón:%Determinación% del%módulo%de%elasticidad%en%compresión”% % El% módulo% de% elasticidad% se% determinará% a% la% edad% de% 28% días.% Las% probetas% serán%cilíndricas%de%dimensión%150x300%mm.% % % Capítulo%3.%Método%experimental% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%32%_% _%Determinación%de%la%permeabilidad%al%agua%del%hormigón% % El% ensayo% de% permeabilidad% se% determinará% de% acuerdo% a% las% pautas% establecidas% en% la% norma% UNE% EN% 12390_8% 2009% “Ensayos% de% hormigón% endurecido,% Parte%8:%Profundidad%de%penetración%de%agua%bajo%presión”% % El%ensayo% se%realizará%a% la%edad% de%28% días.%Las% probetas%serán% cilíndricas%de% dimensión%150x300%mm.% % % _%Petrografía% % % Se%hará%un%análisis%petrográfico%de%la%probeta.%Para%ello%se%cortará%una%sección% de% una% probeta% y% se% pulirá% hasta% obtener% una% lámina% muy% fina.% Posteriormente% la% lámina%será%analizada%mediante%microscopia%electrónica.% % % _%Volumen%total%de%hormigón% % % El% volumen% total% de% hormigón% requerido% para% la% realización% de% todos% los% ensayos%será%de%120%L.% ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! % PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%33%_% ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! CAPÍTULO!4.!MATERIALES!EMPLEADOS.!CLASIFICACIÓN!Y! CARACTERIZACIÓN.!PROPIEDADES! ! ! ! Capítulo%4.%Materiales%empleados.%Clasificación%y%caracterización.%Propiedades% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%34%_% 4.!Materiales!empleados.!Clasificación!y!caracterización.!Propiedades! % % 4.1!Cemento! % El%cemento%utilizado%en%las%determinaciones%fue%el%CEM%I%52,5%R%y%CEM%II%42,5%SR%con%la% intención% de% comparar% el% efecto% de% dos% tipos% de% cemento% en% el% hormigón% con% nanotubos.% % % 4.1.1!Análisis!químico! ! Para% analizar% el% contenido% químico% del% cemento% se% realizó% a% una% pequeña% muestra% tomada%de%cada%cemento% A%continuación%se%expone%una%tabla%con%el%contenido%en%%%de%los%diferentes%elementos% que%conforman%cada%cemento%(tabla%1)% % % Tabla%1.%Contenido%en%%%de%dos%tipos%de%cementos% CEM II 42,5-SR CEM I 52,5-R SiO2 (%) 19.5 20,40 CaO (%) 63.7 63,70 Al2O3 (%) 4.9 5,10 Fe2O3 (%) 3.08 3,36 SO3 (%) 2.81 3,38 MgO (%) 1.2 1,19 K2O (%) 0.83 0,75 Na2O (%) 0.08 0,13 TiO2 (%) 0.27 0,28 P2O5 (%) 0.06 0,06 SrO (%) 0.15 0,19 LOI* (%) 3.31 1,06 MnO (%) 0.08 0.1 *Lost%of%Ignition%(Pérdida%al%fuego)% % % % % % % % Capítulo%4.%Materiales%empleados.%Clasificación%y%caracterización.%Propiedades% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%35%_% % % 4.1.2!Análisis!granulométrico! ! Para%conocer%la%granulometría%de%los%cementos%con%los%cuales%vamos%a%trabajar% necesitaremos%realizar%ensayos%con%tamices%láser,%que%a%pesar%del%tamaño%de%finura%de% las%partículas%de%cemento%(por%debajo%de%las%60%micras)%nos%aporten%unos%resultados% precisos.% % % Tabla%2.%Análisis%granulométrico%cemento% Propiedades CEM I D(36.8) 0.9939 R2 17.36 <3 microns, % 71.29 32-3 microns, % 11.35 >32 microns, % 1.028 % % % Figura%1.%%Granulometría%de%una%muestra%de%CEM%I%52,5%R% % % % %%%%%0’1% Capítulo%4.%Materiales%empleados.%Clasificación%y%caracterización.%Propiedades% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%42%_% 4.3 Superplastificante! % Ya%que%nos%disponemos%a%confeccionar%un%hormigón%de%alta%resistencia,%vamos%a% utilizar%un%superplastificante%que%nos%permita%bajar%la%relación%a/c%lo%máximo%posible% con%una%consistencia%adecuada.% % % 4.4.1!Elección! Durante%el%proceso%experimental%se%estuvo%probando%diversos%aditivos%para% comprobar%cual%de%todos%ellos%presentaba%un%mejor%comportamiento%con%la% combinación%de%cemento,%puzolanas%y%áridos%seleccionados.% Se%realizaron%diversos%ensayos%de%consistencia%en%morteros%equivalentes%para% llegar%a%la%siguiente%conclusión,%plasmada%en%la%tabla%8.% % % % Tabla%8.%Consistencias%de%una%misma%dosificación%de%mortero%variando%la%clase%de%aditivo% Nombre comercial Estrato seco Densidad g/cm3 %adit a/c Tr (mm) Sika Viscocrete 3425 23.77 1.05 4% 0.3 187-182 Sika Viscocrete 3500 33.8 1.09 4% 0.3 120-116 Sika Viscocrete 5720 37.57 1.09 4% 0.3 150-155 GLENIUM ACE 425 25.28 1.048 4% 0.3 143-145 % % % Como%se%puede%extraer%de%la%tabla%8,%el%aditivo%denominado%como%Sika% Viscocrete%3425%es%el%que%tiene%mejor%capacidad%reductora%de%agua,%dado%que% ofrece%una%trabajabilidad%muy%buena%para%la%misma%dosificación%comparado% con%diferentes%aditivos.% No%obstante,%se%ha%de%señalar%que%que%este%aditivo%es%muy%eficiente%para%las% pruebas%realizadas%en%laboratorio,%incluso%en%prefabricados,%pero%no%para% hormigón%preparado%para%obra%ya%que%no%mantiene%la%consistencia%durante% mucho%tiempo%comparado%con%otros%aditivos%del%mercado.% ! ! ! ! ! ! PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%43%_% ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! CAPÍTULO!5.!HORMIGÓN!DE!ALTA!RESISTENCIA!DE!REFERENCIA! ! Capítulo%5.%Hormigón%de%alta%resistencia%de%referencia% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%44%_% 5.!Hormigón!de!alta!resistencia!de!referencia! ! En% este% proceso% de% obtener% un% hormigón% de% referencia% se% plantean% diferentes% dosificaciones% con% el% ánimo% de% obtener% un% hormigón% trabajable% que% aporte% la% resistencia%esperada.% % % % Partimos%de%una%dosificación%base%proporcionada%por%OHL%(Tabla%1):% % % % Tabla%1%%Dosificación%base%OHL% Materiales% Kg/m3% Grava%12/20% 881% Grava%6/12% 363% Arena%0/4% 562% H.%sílice% 45% Cemento% 510% Agua% 143% Aditivo% 5.1% % % % % % % % Esta% dosificación% con% los% materiales% anteriormente% citados% nos% proporcionaba% una% trabajabilidad% nula,% por% lo% que% decidimos% descartarla% y% trabajar% en% otras% posibles% mezclas.% En%primera%instancia%se%efectuaron%dosificaciones%y%ensayos%a%morteros%equivalentes,% tomando% como% base% la% dosificación% proporcionada% por% OHL,% que% progresivamente% fuimos%cambiando% y% ajustando.%Cuyos% resultados% (Tabla%9)% composición% (Tabla%8)% se% expresan%aquí.% % % % % % Capítulo%5.%Hormigón%de%alta%resistencia%de%referencia% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%45%_% % Tabla%2%Dosificación%de%morteros%equivalentes.% Código! ADIT!(%)! a/c! CEM!(kg)! HS!(kg)! agua!(kg)! Arena!(kg)! !!Tr(mm)! HRCn0nc! 0% 0,51% 712.2% 57% 370,3% 784,9% 195% HRCn1nb! 1,5% 0,3% 854.2% 68.3% 255,2% 941,3% 136,5% HRCn2na! 1% 0,32% 838.3% 67.1% 270,3% 923,7% 144% HRCn2nc! 1,5% 0,32% 838.3% 67.1% 267,2% 923,7% 300% HRCn4na! 2% 0,28% 875.2% 69.9% 240,1% 962,2% 266% HRCn4nb! 1,7% 0,28% 875.2% 69.9% 242,1% 962,2% 176% % % En% % la% tabla% 2% identificamos% las% dosificaciones% de% los% morteros% equivalentes.% Principalmente%nos%centramos%en%la%relación%a/c%y%el%porcentaje%de%aditivo%utilizado.% Por%ello,% vemos%como% varía%la% trabajabilidad% %(según% ensayo%con% mesa%de% sacudidas% UNEnENn1015n3!en%función%de%las%dos%variables%anteriormente%dichas.% De% todas% ellas,% cabe% destacar% el% HRCn4nb! que% con% una% relación% a/c% de% 0.28% tiene% el% porcentaje%de%aditivo%mas%bajo.% % % % Tabla%3%Resistencia%a%compresióin%en%probeta%prismática%de%40x40x160%mm% % HRCn0nC! HRCn1nB! HRCn2nA! HRCn2nC! HRCn4nA! HRCn4nC! 1!Día!(Mpa)! 24.3±0.4% 57.2±1.6% 52.3±0.9% 47.8±1.6% 50.5±1.2% 54.0±0.4% 7!Días!(Mpa)! 49.1±1.1% 90.1±2.2% 83.3±3.7% 77.6±0.2% 83.3±1.4% 70.3±0.0% 28!Días!(Mpa)! 65.4±1.8% 107.2±0.3% 102.0±0.7% 97.7±2.4% 97.7±3.0% 104.3±3.3% % % % De%los%resultados%de%resistencias%a%compresión%reflejados%en%la%tabla%3,%destacamos%dos% de%ellos:% % % _HRCn1nB,% que% como% vimos% en% la% tabla% anterior% tiene% una% a/c=% 0.30% y% un% %% aditivo%del%1,5%.%Es%el%que%mas%resistencia%nos%ofrece,%aunque%su%trabajabilidad%podría% mejorar%bastante%ya%que%fué%bastante%seco% % _!HRCn4nB,!con%una%a/c=%0.30%y%un%%%aditivo%del%1,5%.%es%el%que%menor%reción% a/ctiene%con%menos%%%de%aditivo.% Capítulo%5.%Hormigón%de%alta%resistencia%de%referencia% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%46%_% Podemos%comprobar%que%si%aumentamos%el%%%de%aditivo,%a%parte%de%conseguir%mayor% trabajabilidad,%se%observa%una%merma%de%la%capacidad%resistente%(Comparar%resultados% del%_!HRCn4nB!con%_!HRCn4nA)% % Las%dosificaciones%para%hormigones%%que%se%probaron%y%los%resultados%obtenidos%son%los% reflejados%en%la%tabla:% % Tabla%4%Dosificaciones%y%resistencias%a%compresión%en%probeta%cilíndrica%100x150%mm% % % A% la% vista% de% los% resultados,% se% ve% como% a% menor% relación% a/c%%obtenemos% mayor% resistencia.%A%pesar%de%ello,%a%diferencia%de%los%morteros,%el%utilizar%mas%cantidad%de% aditivo% no% implica% una% bajada% notable% de% resistencia,% que% podría% ser% debido% a% dos% cosas:% Distinta%interacción%de%las%partículas,%o%estamos%por%debajo%del%porcentaje%de%aditivo% que%afectaría%visiblemente%a%la%resistencia.% % No% del% todo% satisfechos% con% la% trabajabilidad% ofrecida% por% las% nuevas% mezclas,% decidimos%incorporar%cenizas% volantes,%% eliminar%la%grava% 12/20%y%aumentar% el%%%de% aditivo.% También%decidimos%probar%el%efecto%que%causaba%cambiar%el%tipo%de%cemento.%Por%ello%,% el%cemento%usado%en%los%morteros%equivalentes%fue!42.5!SR.%Elaboramos%las%siguientes% dosificaciones%para%morteros%equivalentes%(tabla%5)% % % % % HRC_11_a% HRC_11_b% HRC_11_c% SV%3425% % kg/m3! kg/m3! kg/m3! kg/m3! CEM! 510% 510% 510% 510% Humo!Sílice! 40,8% 40,8% 51% 40,8% Agua!total! 281,5% 181,4% 169,9% 169,8% a/c! 0,51% 0,32% 0,3% 0,3% Arena!0/4! 562% 562% 562% 562% Grava!12/20! 363% 363% 363% 363% Grava!6/12! 881% 881% 881% 881% Aditivo! 0% 4,34% 6,12% 6,12% %!Aditivo! 0% 0,85% 1,2% 1,2% Rc!1!(Mpa)! 17,2±0.1% 38,4±0.2% 45,6±0.8% _% Rc!7!(Mpa)! 40,7±0.1% 58,9±0.1% 72,7±0.5% _% Rc!28!(Mpa)! 56,6±0.5% 78,3±0.1% 83,5±3% _% Capítulo%5.%Hormigón%de%alta%resistencia%de%referencia% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%47%_% Tabla%5%Dosificación%morteros%equivalentes% Código! %!adit.! a/c! Cem!(kg)! HS!(kg)! agua!(kg)! Arena!(kg)! CV!(kg)! HRCn1nF! 2% 0.4% 594% 47.5% 238.6% 1179.1% 59.4% HRCn1nG! 3% 0.4% 593.6% 47.5% 235.0% 1178.3% 59.5% HRCn1nH! 4% 0.3% 635.9% 50.9% 182.6% 1262.4% 63.6% % % Las%Resistencias%a%compresión%y%la%trabajabilidad%obtenida%fue%(tabla%6%y%fig%3):% % Tabla%6.%Resistencias%a%compresión%y%trabajabilidad% % HRCn1nF! HRCn1nG! HRCn1nH! 1!Día!(Mpa)! 21.1±0.0% 22.2±0.0% 31.8±0.5% 2!Días!(Mpa)! 35.2±1.2% 36.0±0.5% 48.2±0.1% 7!Días!(Mpa)! 44.2±2.2% 63.7±1.0% 79.9±1.2% 28!Días!(Mpa)! 77.4±1.4% 83.8±0.3% 98.9±1.9% Tr!(mm)! 159.9% 300% 152.5% % % % Figura%3%Resistencias%a%compresión%y%trabajabilidad%a%1,2,%7%y%28%días% Capítulo%5.%Hormigón%de%alta%resistencia%de%referencia% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%48%_% % Una% vez% claro% estos% aspectos,% elaboramos% hormigones% con% la% siguente% dosificación% (tabla% 7)% y% comprobamos% qué% tipo% de% cemento% nos% proporciona% mejores% resultados% (tabla%8)% % % Tabla%7%Dosificación%de%hormigones%de%distinto%tipo%de%cemento% % a/c! %!aditivo! CEM! %!Cenizas! %!Humo!sílice! HRCnKn2! 0.3% 4% 52,5%R% 10% 8% HRCnIn1! 0.3% 4% 42,5%SR% 10% 8% % % Tabla%8%Resultados%experimentales,%reómetro%y%compresión% % Ystress!(Pa)! Tr(mm)! T500(s)! Rc1!Día!(Mpa)! Rc2!Días!(Mpa)! Rc!7!Días!(Mpa)! Rc!28!Días! (Mpa)! HRCnIn1! 40% 605% 39.7% 31.11±0.68% 46.43±0.04% 70.81±0.44% 94.3±0.4% HRCnKn2! 63% 550% 24.4% 44.5±0.16% 62.02±0.44% 89.00±0.37% 109.4±0.1% HRCnLn1! ND% ND% ND% 37.7±1.3% 45±2.5% 63.3±0.1% 76.5±2.3% % % % Figura%4:%Evolución%de%resistencias%a%compresión% Capítulo%5.%Hormigón%de%alta%resistencia%de%referencia% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%49%_% Después% de% todas% las% pruebas% pertinentes% realizadas,% procedemos% a% elaborar% una% amasada%de%65!litros%de%hormigón.% Tras%hacerla,%nos%percatamos%que%la%consistencia%ha%empeorado%notablemente,%dando% como%resultado%5!cm%en%cono%de%Abrahams%.%Se%rellenan%probetas.% Seguidamente%se%procede%a%la%elaboración%de%otro%hormigón%con%la%misma%dosificación% pero%con%el%%uso%de%un%aditivo%aireador%%MICRO!AIR!100!(0,3%)%con%la%intención%de% mejorar%la%reología%de%la%mezcla%y%obteniendo%como%resultados%los%datos%de%la%tabla%15% y%se%aprecia%en%la%figuras%6%y%7.% % % % Figura%5.%HRC_L_1%%Amasado% Figura%6.%HRC_L_1%Cono% % % % % Después%de%realizar%%la%amasada%y%rellenar%las%probetas%se%procede%realizar%los%ensayos% pertinentes,%dando%los%siguientes%resultados%(Tablas%15%y%16,%fig%4).% % Tabla%15.%Resultados%HRC_L_1% Tr!(mm)! 425% Cono!(cm)! 23.5% Rc!1día!(Mpa)! 37.7±1.3% Rc!2días!(Mpa)! 45±2.5% Rc!7días!(Mpa)! 63.3±0.1% Rc!28días!!(Mpa)! 76.5±2.3% R!tracción!28!días!(Mpa)! 26±1.7% Módulo!de!young!(GPa)! ND% R!flexión!40!días!(Mpa)! 9.1±0.7% Permeabilidad! ND% % % Capítulo%5.%Hormigón%de%alta%resistencia%de%referencia% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%50%_% % Tabla%16.%Retracción%a%seis%edades%distintas% % 2%días% 6%días% 14%días% 21%días% 28%días% Química!(mm/m)! 0.045±0.025% 0.24±0.024% 0.393±0.025% 0.477±0.014% 0.568±0.013% Secado!(mm/m)! _0.05±0.016% 0.106±0.014% 0.256±0.013% 0.311±0.025% 0.396±0.029% % % % % % % Visto%el%descenso%importante%de%la%resistencia%a%compresión%del%hormigón%codificado% como% HRC_L_1% (debido% a% la% diferencia% del% volumen% en% el% amasado% y% la% adición% del% aireante%respecto%al%codificado%como%HRC_K_2)%se%procede%a%evaluar%%la%variación%en%la% resistencia%en%función%del%porcentaje%de%aditivo%aireante%utilizado.% Una% vez% realizadas% las% amasadas,% % se% compraba% la% consistencia% y% las% resistencias% a% compresión%a%dos%edades%(Tabla%16%y%fig%7).% % % % Tabla%16.%Cono%y%resistencias%de%hormigones%con%distinto%%%de%aireante% % Cono!(cm)! Rc!1!día!(Mpa)! Rc!28!días!(Mpa)! HRC_K_2%(0%)% 22% 44.5±0.1% 109.4±0.1% HRC_M_1%(0,15%)% 18.5% 35.3±0.1% 96.2±2.3% HRC_M_2%(0,15%)% 24.5% 43±0.5% 101.56±0.0% HRC_N_1%(0,075%)% 22.7% 45.2±0.3% 93.7±1.3% HRC_O_1%(0,3%)% 7.8% 39.6±2.3% 92.1±1.1% HRC_O_2%(0,3%)% 23% 41.5±0.0% 91.8±2.0% % % % Capítulo%5.%Hormigón%de%alta%resistencia%de%referencia% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%51%_% % Figura%7.%Cono%y%resistencias%de%hormigones%con%distinto%%%de%aireante% % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % Capítulo%%6.%Nanotubos%de%carbono% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%58%_% ! Figura%8.%Imagen%SEM%a%x30.000%aumentos%de%NTC%dispersados%de% 95%%de%pureza% ! ! Figura%9.%Imagen%SEM%a%x30.000%aumentos%de%NTC%dispersados%de%88%% de%pureza! ! ! ! ! ! PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%59%_% ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! CAPÍTULO!7.!MORTEROS!CON!NANOTUBOS!DE!CARBONO! ! ! ! Capítulo%%7.%Morteros%con%nanotubos%de%carbono% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%60%_% 7. Morteros!con!Nanotubos!de!carbono.! ! Habiendo%experimentado%con%diferentes%dosificaciones%de%hormigón%de%alta%resistencia% se%procede% a% realizar%un% control% % de%mortero% equivalente% y%una% dosificación% con% un% 0,5%%de%nanotubos%de%carbono%(Fig.%%8)%para%poder%cotejar%resultados.%Se%aumentó%la% relación% a/c% a% 0.36% porque% el% uso% de% nanotubos% en% la% mezcla% implicaría% una% bajada% notable%de%la%consistencia.% El%procedimiento%de%amasado%del%mortero%equivalente%con%CNT’s%fue%igual%que%el%de% Control.% La% única% diferencia% fue% que% los% CNT’s% fueron% añadidos% con% 100% ml% del% agua% inicial,% previamente%dispersados%con%un%sonicador.% Se%rellenaron%tres%probetas%prismáticas%de%%40x40x160%mm%(Tabla%%1):% % % % Tabla%1.%Trabajabilidad%y%resistencias%a%compresión%a%distintas%edades% % Tr!(mm)! Rc!1!día! (Mpa)! Rc!2!días! (Mpa)! Rc!7!días! (Mpa)! Rc!28!días! (Mpa)! HRC_CONTROL% 230% 40.7±1.8% 50.8±4.4% 80.8±3.2% 95.5±4.4% CNT_AP_1% 147% 33.1±1.6% 49.2±1.5% 69.0±2.9% 90.6±0.9% CNT_IND_1% AGUA%INSUFICIENTE,%EL%MATERIAL%NO%COHESIONA% HRC_CONTROL_2% 255% 37.4±0.6% 48.1±0.7% 73.2±0.7% 89±1.1% CNT_AP_2% 156% 36.6±0.4% 48.9±1.7% 77.0±1.9% 84.8±1.4% CNT_IND_2% 137% 37.2±0.3% 51.3±0.1% 76.1±2.2% 87.5±1.4% HRC_CONTROL_3% 257% 33.6±1.2% 50.1±0.3% 72.1±3.7% 91.2±0.2% CNT_IND_3% 154% 32.8±0.4% 48.5±0.5% 69.5±2.4% 90.3±1.0% % % % Una% de% las% cosas% a% tener% en% cuenta% en% todos% estos% ensayos% es% la% pérdida% de% consistencia%que%supone%el%usar%%los%nanotubos%de%carbono%en%la%mezcla.% A%continuación%(tabla%2),%veremos%una%muestra%de%cómo,%efectivamente,%se%pierde%por%% completo% trabajabilidad% de% un% mortero% cuando% se% le% añaden% los% nanotubos% de% carbono,%siendo%exactamente%igual%su%dosificación.% % % % % % % Capítulo%%7.%Morteros%con%nanotubos%de%carbono% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%61%_% % % % % Tabla%2.%Control%de%trabajabilidad%en%morteros%con%nanotubos%de%carbono% Código! HRC_CONTROL_2%(fig.%1)% CNT_IND_2%(fig.%2)% A/C! 0.38% 0.38% %SP! 4%% 4%% %CNT’s! 0% 0.5% CNT’s!(g)! 0% 3.1% Consistencia!(mm)! 255% 137% Observaciones! Sin%golpes,%solo%levantando%el% cono% Después%de%15%golpes%en%la% mesa%de%sacudidas% Comentarios! Ambas%amasadas%estaban%dosificadas%de%forma%idéntica,%salvo% la%cantidad%de%nanotubos%de%carbono% % % % % % % Figura%1%%Mesa%de%sacudidas%HRC_CONTROL_2% Figura%2%%Mesa%de%sacudidas%HRC_CONTROL_2% Capítulo%%7.%Morteros%con%nanotubos%de%carbono% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%62%_% % % Como%se%extrae%de%las%tablas%1,2%y%figuras%1,2%y%3%hay%una%pérdida%considerable%de%la% consistencia%al%incluir%CNT’s.% En%la%mezcla.%Se%realizaron%dos%calorimetrías,%cada%una%de%ellas%correspondiente%a%una% dosificación,%aportando%los%siguientes%resultados,%reflejados%%en%las%gráficas%(Fig.%4)%y%de% las%cuales%se%deduce%que%el%hecho%de%añadir%CNT’s%a%la%dosificación%no%altera% notablemente%el%calor%de%hidratación%de%la%pasta%y%por%lo%tanto%no%es%la%causa%de%la% gran%pérdida%de%consistencia:% % Figura%3.%Resistencias%a%varias%edades%de%morteros%con%ntcs%respecto%a%controles%variando%la%relación%a/c% Capítulo%%7.%Morteros%con%nanotubos%de%carbono% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%63%_% % % % Figura%4.%Calor%total%y%Flujo%de%calor%en%función%del%tiempo%de%una%muestra%de%cemento%CEM%I%52,5_R% ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! Capítulo%%7.%Morteros%con%nanotubos%de%carbono% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%64%_% ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! CAPÍTULO!8.!HORMIGÓN!CON!NANOTUBOS!DE!CARBONO! ! ! Capítulo%%8.%Hormigón%con%nanotubos%de%carbono% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%65%_% 8. Hormigón!con!nanotubos!de!carbono! ! Tras% las% comprobaciones% realizadas% con% los% morteros% con% adición% de% nanotubos% de% carbono% procedimos% a% realizar% un% demostrable% con% elementos% estructurales% prefabricados%de%hormigón%en%una%empresa.% En% este% apartado% no% se% describirá% exactamente% la% experiencia% extraída% de% este% demostrable% ya% que% eso% se% hará% mas% adelante,% sino% que% a% la% hora% de% efectuarlo% se% aprovechó% para% hacer% probetas% y% así% llevar% un% control% de% las% diferentes% amasadas% hechas%en%la%empresa%a%nivel%industrial,%con%una%amasadora%de%1m3%de%capacidad.% En%la%tabla%1%podemos%ver%dichos%resultados,%que%mas%adelante%comentaremos.% % % % % Código! Tipo! Rc!1!día! Rc!7!días! Rc!28!días! P_1% Control% 24.1±0.1% 49.7±0.6% 55.2±2.5% P_2% Control% 19.1±0.3% 46.9±0.1% 53.9±0.7% P_3% Control% 20.7±0.6% 43.7±1.8% 51.7±2.0% P_4% Control% 21.2±0.4% 47.0±0.1% 51.6±0.3% P_5% Control% _% 40.4±1.8% 48.5±1.0% P_6% NTC% _% 33.1±0.9% 38.8±0.6% P_7% NTC% 8.9±0.3% 28.7±0.4% 35.6±0.4% P_8% NTC% 8.9±0.4% 29.3±1.1% 35.2±0.1% P_9% NTC% 8.2±0.1% 29.3±0.0% 36.8±2.2% P_10% Control% _% 38.6±0.0% 45.7±0.3% P_11% NTC% _% 34.9±0.3% 42.7±1.3% ! % ! ! ! Capítulo%%8.%Hormigón%con%nanotubos%de%carbono% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%66%_% ! Figura%1.%Datos%de%resistencias%a%compresión%a%1,7%y%28%días.% ! ! ! ! A%continuación%se%realiza%el%ensayo%de%permeabilidad%a%28%días%de%edad%según%la%norma% UNE_EN%12390_8:2001%obteniéndose%los%resultados%de%la%tabla%22% % Tabla%22.%Resultados%de%ensayo%de%permeabilidad%en%probetas%cilíndricas% Código% 1% 2% 3% 7% 8% Profundidad%de%penetración%máxima%(mm)% 82% 80% 88% 55% 63% Profundidad%de%penetración%media%(mm)% 72% 66% 73% 40% 48% % % % % % % Capítulo%%8.%Hormigón%con%nanotubos%de%carbono% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%67%_% Como%vemos,%las%columnas%resaltadas%en%color%gris%son%los%datos%de%las%probetas%con% hormigón% de% nanotubos% de% carbono.% Estas,% a% la% luz% de% los% ensayos,% presentan% una% mejora%notable%en%cuanto%a%permeabilidad.%Se%adjuntan%imágenes%durante%y%después% del%ensayo%de%permeabilidad.% % % Probetas%cilíndricas%durante%el%ensayo%de%permeabilidad% % % % Probetas%cilíndricas%después%del%ensayo%de%permeabilidad% ! Capítulo%%9.%Demostrable%con%elementos%prefabricados% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%74%_% Después%del%hormigonado%de%pilares%de%prueba%de%la%primera%visita%a%la%empresa%de% prefabricados% PACADAR% se% procede% a% ejecutar% el% resto% de% elementos% estructurales% detallados%con%anterioridad:% % % % 24/2/2011! ! Se% procedió% a% realizar% cuatro% amasadas% de% control% para% hormigonar% seis% pilares.% La% dosificación%%kg/m3%de%dichas%amasadas%fue%(Tablas%19%y%20):% % Tabla%19.%Dosificación%en%kg/m3%de%la%primera%amasada% Arena%Lav.% Arena%trit.% Agua% Grava1% Grava2% CEM%I% Aditivo% 650% 365% 130% 550% 400% 250% 4% % % Tabla%20.%Dosificación%en%kg/m3%de%las%amasada%2,3%y%4% Arena%Lav.% Arena%trit.% Agua% Grava1% Grava2% CEM%I% Aditivo% 650% 365% 140% 550% 400% 250% 4% % % Las%consistencias%(cono)%de%cada%amasada%fueron%las%siguientes:% % % Amasada%1% Amasada%2% Amasada%3% Amasada%4% 50%mm% 230%mm% 185%mm% 210%mm% % % % 25/2/2011! % En%este%día%se%procedió%a%hormigonar%4%pilares%de%hormigón:%2%de%control%y%otro%con% nanotubos%de%carbono,%para%ello%se%realizaron%2%amasadas.% % % La%dosificación%empleada%fue%la%siguiente%(Tablas%21%y%22)% % Tabla%21.%Dosificación%en%kg/m3%de%la%quinta%amasada% Arena%Lav.% Arena%trit.% Agua% Grava1% Grava2% CEM%I% Aditivo% 650% 365% 130% 550% 400% 250% 4% % Capítulo%%9.%Demostrable%con%elementos%prefabricados% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%75%_% % % Tabla%21.%Dosificación%en%kg/m3%de%la%sexta%amasada% Arena%Lav.% Arena%trit.% Agua% Grava1% Grava2% CEM%I% NTC% Aerosil% Aditivo% 650% 365% 130% 550% 400% 250% 1.2% 0,2% 4% % % % Las%consistencias%(cono)%de%cada%amasada%fueron%las%siguientes:% % % Amasada%5% Amasada%6% 85%mm% 80%mm% % % 28/2/2011! % Se%realizaron%tres%amasadas,%con%las%que%se%hormigonaron%4%pilares.%Todas%ellas%con% nanotubos%de%carbono.%La%dosificación%en%kg/m3%es%la%reflejada%en%las%siguientes%tabla% (Tabla%22).% % % Tabla%22.%Dosificación%en%kg/m3%de%la%7,8%y%9%amasada% Arena%Lav.% Arena%trit.% Agua% Grava1% Grava2% CEM%I% NTC% Aerosil% Aditivo% 676% 372% 140% 544% 410% 248% 1% 0,3% 3.8% % % % Las%consistencias%en%cono%fueron%las%siguientes:% % % Amasada%7% Amasada%8% Amasada%9% 70%mm% 75%mm% 95%mm% % % 4/3/2011! % Esta%vez%se%ejecutaron%en%el%demostrable%placas%alveolares%pretensadas,%para%las%cuales% se%realizaron%6%amasadas,%4%de%control%y%2%de%nanotubos%de%carbono.%La%dosificación%en% kg/m3%es%la%reflejada%en%las%siguientes%tabla%(Tabla%23%y%24)% % Capítulo%%9.%Demostrable%con%elementos%prefabricados% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%76%_% % % % Tabla%23.%Dosificación%en%kg/m3%de%la%10,11%y%14%amasada% Arena%Lav.% Arena%trit.% Agua% Grava2% CEM%I% Aditivo% 600% 523% 210% 800% 300% 2% % % Tabla%24%Dosificación%en%kg/m3%de%la%12%y%13% Arena%Lav.% Arena%trit.% Agua% Grava2% CEM%I% NTC% Aerosil% Aditivo% 600% 523% 195% 800% 300% 1,4% 0,9% 2.6% % % % Los%ensayos%de%consistencia%fueron%los%siguientes:% % Amasada%10% Amasada%11% Amasada%12% Amasada%13% Amasada%14% 0%mm% 1mm% 2%mm% 2%mm% 0%mm% % % % % % % % Las%resistencias%a%compresión%a%1%y%7%días%de%todas%las%amasadas%fueron%las%siguientes%(Tabla% 24)% % % Tabla%24.%.%Resistencias%a%1%y%7%días%de%todas%las%amasadas%en%Mpa% % 1% 2% 3% 4% 5% 6% 7% 8% 9% Rc1% 24.1% 19.1% 20.7% 21.2% _% _% 8.9% 8.9% 8.2% Rc7% 49.7% 46.9% 43.7% 47.0% 40.4% 33.1% 28.7% 29.3% 29.3% % % % % % % % % % Capítulo%%9.%Demostrable%con%elementos%prefabricados% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%77%_% Fotografías%tomadas%durante%la%ejecución%del%demostrable:% % Fig.9 Armadura de pilar con basa de anclaje Fig.10 Armadura de pilar en encofrado Fig.11 Medida de consistencia con cono de Abrams Fig .12 Vibrado del hormigón ya colocado Fig. 13 Pilares prefabricados ya ejecutados Fig 14. Probetas cúbicas de hormigón de control y con nanotubos de carbono Capítulo%%9.%Demostrable%con%elementos%prefabricados% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%78%_% % % % % Fig.15%Amasado%antes%de%adicionar%los%NTC% Fig.16%Amasado%después%de%adicionar%los%NTC% % % % % Fig.17%Ejecución%de%losa%alveolar%con%hormigón%de%control% Fig.18%Ejecución%de%losa%alveolar%con%hormigón%de%NTC% % % Capítulo%%9.%Demostrable%con%elementos%prefabricados% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%79%_% A%continuación%se%realiza%el%ensayo%de%permeabilidad%a%28%días%de%edad%según%la%norma% UNE_EN%12390_8:2001%obteniéndose%los%resultados%de%la%tabla%22% % ! Objeto! El%objeto%del%presente%informe%es%la%presentación%de%los%resultados%en%cuanto%a% deformaciones%y%cargas%obtenidas% en%los%ensayos% realizados%sobre%pilares% de%3m%de% longitud%con%carga%puntual%centrada.%En%la%Figura!1%se%muestra%la%sección%transversal% de% los% pilares% ensayados,% tratándose% de% una% sección% cuadrada% de% 30x30cm% con% 4% redondos%de%diámetro%16mm%en%las%esquinas.% % % Figura!1.!Sección!transversal!del!pilar!ensayado! Metodología.!! ! Diseño!del!Ensayo.! La%carga%de%rotura%prevista%a%nivel%de%sección%obtenida%a%continuación%indica%la% necesidad%de%aplicar%una%carga%de%5000kN%por%lo%que%se%dispone%un%actuador%de%dicha% carga%alimentado%con%una%presión%de%250%bares.%% % Carga%última%a%nivel%sección:% kN500110·∙500·∙10·∙04.83.0·∙3.0·∙10·∙1.51 343 =+ − % % Capítulo%%9.%Demostrable%con%elementos%prefabricados% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%80%_% El%sistema%de%carga%del%ensayo%debe%generar%una%carga%de%5000kN%si%la%rotura%se% alcanzase% a% nivel% sección% obviando% la% existencia% de% la% participación% de% los% efectos% secundarios%originados%por%las%imperfecciones%geométricas%debidos%a%la%esbeltez%o%de% ejecución% de% la% propia% pieza.% Dicha% carga% debe% conseguirse% con% un% sistema% de% aplicación% de% carga% suficientemente% rígido,% por% lo% que% se% emplea% el% pórtico% rígido% presentado%en%la%Fotografía!1.%En%esta%fotografía%se%aprecia%la%disposición%del%pilar%en% posición%de%ensayo%con%las%placas%supletorias%para%alcanzar%el%punto%de%aplicación%de% carga%del%actuador.%% % % Fotografía%1.%Configuración%del%ensayo% % Capítulo%%9.%Demostrable%con%elementos%prefabricados% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%81%_% ! Instrumentación! ! El%ensayo%se%monitorizó%mediante%la%siguiente%instrumentación:% ! - Transductor% de% desplazamiento:% localizado% en% el% extremo% superior% del% soporte%para%medir%los%acortamientos%del%mismo.% - Galgas%extensométricas%(Fotografías!2!y!3):%situadas%sobre%las%cuatro%caras% del%pilar%se%localizan%un%total%de%12%galgas%en%la%dirección%axial%de%carga.%Las% galgas%extensométricas%se%distribuyen%en%tres%alturas:%galgas%en%el%extremo% inferior%a%5cm%de%la%placa%de%carga%(GI),%galgas%en%el%extremo%superior%a%5cm% de%la%placa%de%carga%(GS)%y%galgas%en%la%sección%central%(GC).% % % % %Fotografía%2.%Distribución%de%galgas%en%tres%niveles% % % GS GC GI Capítulo%%9.%Demostrable%con%elementos%prefabricados% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%82%_% % % % Fotografía%3.%Galgas%en%sección%central% % Se%lleva%a%cabo%un%registro%continuo%de%las%medidas%tanto%en%desplazamientos% como%de%las%deformaciones.% ! ! Materiales! !! Hormigón! Con% el% fin% de% caracterizar% la% resistencia% del% hormigón% de% ambos% pilares,% se% proporciona% los% siguientes% resultados% a% 28% días% sobre% las% probetas% de% hormigón% de% acompañamiento%(Tabla!2).% ! ! ! ! ! ! ! Capítulo%%9.%Demostrable%con%elementos%prefabricados% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%83%_% ! ! Tabla%2.%Resistencia%del%hormigón% Muestra! Tipo! R.!Media28!! (N/mm2)! Designación! PACADAR%1% PILAR%1.%Control% 55.2±2.5! Control% PACADAR%2% PILAR%1.%Control% 53.9±0.7! Control% PACADAR%3% PILAR%1.%Control% 51.7±2.0! Control% PACADAR%4% PILAR%1.%Control% 51.6±0.3! Control% PACADAR%5% PILAR%1.%Control% 48.5±1.0! Control% PACADAR%6% PILAR%2.%NTC% 38.8±0.6! NTC% PACADAR%7% PILAR%2.%NTC% 35.6±0.4! NTC% PACADAR%8% PILAR%2.%NTC% 35.2±0.1! NTC% PACADAR%9% PILAR%2.%NTC% 36.8±2.2! NTC% PACADAR%10% PILAR%1.%Control% 45.7±0.3! Control% PACADAR%11% PILAR%2.%NTC% 42.7±1.3! NTC% % % % % % Resultados! % El%ensayo%del%1%de%abril%tuvo%lugar%entre%las%12.51%y%las%13.30h%mientras%que%el% ensayo%del%7%de%abril%tuvo%lugar%entre%las%13.21%y%las%14.12h,%La%velocidad%de%carga%de% ambos%ensayos%es%aproximadamente%70kN/min.% % En%ambos%ensayos%se%obtienen%cargas%últimas%similares%a%compresión,%tal%y%como% se%muestra%en%la%Tabla!3.% % % Tabla!3.!Cargas!últimas!en!ensayos.! Ensayo!1! Cargas! PILAR%1.%Control% 2805%kN% PILAR%2.%NTC% 2766%kN% % % A%continuación%se%representan%los%resultados%de%medida%directa%de%deformaciones%y% acortamiento%en%pilares,%a%través%de%las%galgas%extensométricas%dispuestas%y%el% transductor%de%desplazamientos%respectivamente.% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%90%_% ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! CAPÍTULO!10.!COMENTARIOS!Y!CONCLUSIONES! ! ! ! Capítulo%%10.%Comentarios%y%conclusiones% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%91%_% 10.!Comentarios!y!conclusiones! ! Tras%elaborar%el%estado%del%arte%y%desarrollar%todo%el%proyecto%podemos%establecer%una% serie%de%conclusiones%basándonos%en%el%trabajo%realizado.% % Cabe%decir,%que%esta%adición%experimental%de%nanotubos%de%carbono%a%un%hormigón%de% alta%resistencia%y%hormigón%convencional%no%aporta%los%resultados%que%debiera%o% esperábamos%inicialmente.%No%obstante,%se%ha%comprobado%la%diferencia%que%existe% entre%usar%nanotubos%de%carbono%con%un%alto%grado%de%pureza%(95%)%y%otra%clase%de% nanotubos%con%una%pureza%a%nivel%industrial%(88%).% % Señalar%que%con%este%proyecto%se%pretendía%abordar%el%tema%desde%un%punto%de%vista% de%mejora%de%las%capacidades%mecánicas%del%hormigón%de%referencia;%%no%obstante,%se% han%observado%que%hay%otras%propiedades%como%la%permeabilidad,%que%se%ven% mejoradas%en%mayor%o%menor%grado%en%función%del%contenido%de%nanotubos%en%la% mezcla%y%la%dosificación%del%hormigón%base.% % De%esta%forma,%podemos%establecer%una%relación%de%hipótesis%que%podrían%ajustarse% como%conclusiones%del%proyecto%desarrollado.% % Comenzando%por%el%punto%mas%obvio,%las%capacidades%mecánicas,%diremos%que%no%se% han%obtenido,%ni%mucho%menos%los%resultados%esperados:%un%material%con%una% resistencia%a%tracción%de%150%GPa%y%un%módulo%de%Young%de%1,3%TPa%(dependiendo%a% que%estudio%nos%remitamos,%ya%que%hay%gran%variedad%de%nanotubos%y%diferentes% métodos%de%caracterizarlos)%debería%transferir%a%la%matriz%cementante%un%grado%de% resistencia%tanto%a%compresión%como%a%tracción%superior%al%de%un%hormigón% convencional.%Para%nuestra%sorpresa,%nos%damos%cuenta%con%los%experimentos% realizados%con%morteros%y%hormigones%de%que%esto%no%es%ni%mucho%menos%de%esta% forma.%No%obstante,%nos%preguntamos%el%por%qué%de%ello,%ya%que%en%el%desarrollo%del% estado%del%arte,%los%ensayos%realizados%con%pastas%de%diversos%autores%daban%buenos% resultados%(un%aumento%de%la%resistencia%a%compresión%del%10%%y%un%35%%de%la% resistencia%a%flexión)%28,29.% % Finalmente,%podemos%establecer%una%relación%de%hipótesis%que%podrían%ajustarse%como% conclusiones%al%proyecto%desarrollado%y%porqué%no%se%han%conseguido%algunos%de%los% objetivos%de%este.% % % Capítulo%%10.%Comentarios%y%conclusiones% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%92%_% La%primera%de%estas%hipótesis%se%podría%formular%exponiendo%que%todo%lo%que%los% nanotubos%de%carbono%pueden%hacer%y%afectar%a%la%matriz%lo%encontramos%a%nivel%micro% y%nanométrico.%(fig%1,%fig.%2)% % % % Fig%1.%NTC%en%SEM%a%20.0k%aumentos% Figura%2.%CEM%I%52,5%R%en%SEM%a%5.00k%aumentos% % % % Como%vemos%en%la%primera%imagen%(fig.1)%encontramos%una%muestra%de%nanotubos%de% carbono%visualizada%en%el%microscopio%electrónico%(SEM)%a%20.000%aumentos.% Si%prestamos%atención%a%la%escala%nos%daremos%cuenta%de%que%efectivamente,%el% tamaño%de%los%nanotubos%oscila%entre%5_8%micrómetros%de%largo%y%los%20_30% nanómetros%de%diámetro.%Como%ya%sabíamos,%el%tamaño%de%esta%partícula%es%muy% pequeña%y%su%relación%longitud/diámetro%es%muy%alta.% % Sin%embargo,%atendiendo%a%la%segunda%imagen%(fig.2)%encontramos%una%partícula%de% cemento%CEM%I%52,5_R%el%cual%fue%utilizado%para%realizar%las%determinaciones%de%pastas% con%nanotubos%de%carbono%y%vemos%que%efectivamente%esta%partícula%es%mucho%mas% grande%que%un%nanotubo%de%carbono.%% Tras%ver%esas%imágenes%llegamos%a%la%conclusión%de%que,%evidentemente,%con%esa% diferencia%de%tamaños%no%podríamos%obtener%nunca%buenos%resultados%porque%los% nanotubos%de%carbono%no%colaboran%conjuntamente%la%matriz:%Es%decir,%el%cemento%no% envuelve%a%los%nanotubos%de%carbono%para%que%aporten%sus%propiedades%al%mortero.% Mas%bien%es%al%revés,%los%nanotubos%envuelven%a%las%partículas%de%cemento.% Si%esto%efectivamente%añadimos%que%el%mortero%lleva%una%serie%de%componentes% inertes%que%no%reaccionan%con%el%agua%para%formar%nuevos%compuestos%y%que,%a%pesar% de%ello,%también%tienen%un%tamaño%mucho%mayor%que%el%de%los%nanotubos%(2%mm)% Capítulo%%10.%Comentarios%y%conclusiones% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%93%_% creando%por%lo%tanto,%poros%mas%grandes%que%el%tamaño%de%los%NTC,%concluiremos%en% que%es%lógico%que%no%veamos%grandes%cambios%respecto%a%un%control.% % A%continuación%veremos%unas%imágenes%de%SEM%de%un%fragmento%de%mortero%con% nanotubos%de%carbono%en%el%que%se%aprecia%la%idea%perfectamente.% % ! ! Figura%3%Mortero%con%nanotubos%de%carbono%(13000%aumentos)% Figura%4.%Mortero%con%nanotubos%de%carbono%(5000%aumentos)% ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! Capítulo%%10.%Comentarios%y%conclusiones% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%94%_% ! ! ! PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%95%_% ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! REFERENCIAS!Y!ENLACES! Referencias%y%enlaces% PFG.%Ingeniería%en%Edificación.%Morteros%y%hormigones%con%adición%de%nanotubos%de%carbono%%% _%96%_% ! ! [1]%Mraz,%S.J.%(2005).%"A!new!buckyball!bounces!into!town".%% % [2]%Hirsch,% A.% and% Vostrowsky,% O.%(2007)% “Functionalization! of! Carbon! Nanotubes,! in! 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