Estudi de sensitivitat de la piezoresistivitat de morters

Document: Memòria TREBALL DE FI D’ ESTUDIS Estudi de sensitivitat de la piezoresistivitat de morters Autor/Autora: Ana Argemí Doncel Director/Directora - Codirector/Codirectora: Virginia Dolores Mendizabal Titulació: Grau en Tecnologies Industrials Convocatòria: Tardor, 2024. Agraïments Aquest treball de fi de grau marca un final d’una etapa, i hi ha un grup de persones a les quals vull agrair el seu suport, ajuda i recolzament. En primer lloc, a la meva directora Virgínia Mendizábal, gràcies per la teva ajuda durant tot aquest procés. Totes les hores que has dedicat, tant a la universitat com fora, ajudant-me, m’has animat a superar-me i has fet que totes les hores que hem passat juntes fossin distretes. A la meva mare, per ser la meva persona. Per estar allà no només en els bons moments, sinó també en els difícils, quan he volgut tirar la tovallola. Gràcies per ser la persona que m’ha ensenyat a no abandonar davant les adversitats i m’ha ajudat a tirar endavant. Sense tu no estaria acabant aquesta etapa. També vull agrair a la resta de la meva família, el meu padrastre i als meus germans, juntament amb els meus amics, per ser les fonts dels meus somriures i els que m’han acompanyat durant aquest temps. Finalment, vull agrair al departament de material i estructures de la UPC de Terrassa, per haver-me permès l’ús de les instal·lacions del laboratori durant la realització d’aquest Treball de Final de Grau I Resum Aquest projecte té com a objectiu contribuir a l’estudi del monitoratge estructural mitjançant l’anàlisi del comportament mecànic i piezoresistiu de morters amb partícules conductores. Monitorar l’estat tensional de les estructures en temps real permet detectar danys estructurals incipients, optimitzar-ne el manteniment i allargar la seva vida útil de manera més sostenible, evitant el malbaratament de recursos naturals. Aquest estudi se centra a avaluar la influència de dues tipologies de fibres de carboni milled (M80 i M150) en concentracions del 0,05% i 0,1% sobre un morter tradicional, comparant les seves propietats mecàniques i piezoresistives. La metodologia experimental comença amb la preparació de cinc tipologies de provetes (quatre amb fibres i una de referència sense fibres), que es deixen reposar durant vint-i-vuit dies abans de realitzar els assaigs. En primer lloc, es duen a terme cinc assaigs mecànics per determinar com l’addició de fibres afecta propietats com la resistència a flexotracció, compressió i absorció d’aigua. Els resultats indiquen que els morters amb fibres M80 presenten millors propietats mecàniques globals en comparació amb els de M150 i el morter de referència. Pel que fa a l’estudi de piezoresistivitat, s’ha analitzat com varia la resistència elèctrica del morter en funció de la deformació mecànica aplicada. A través de la variació relativa de la resistència elèctrica i la deformació s’ha obtingut el factor de galga, indicador de la sensibilitat del material a les deformacions. Els resultats mostren que les fibres M80 no només milloren la resposta piezoresistiva del morter, sinó que també permeten detectar deformacions amb més facilitat, fet que podria contribuir a la creació de materials més segurs i eficients per al monitoratge estructural. Aquest estudi destaca el potencial de les fibres de carboni M80 en el desenvolupament de "smart mortars" per a aplicacions futures en manteniment d’infraestructures. Abstract This project aims to contribute to the study of structural monitoring by analysing the mechanical and piezoresistive behaviour of mortars with conductive particles. Monitoring the stressful state of the structures in real time makes it possible to detect incipient structural damage, optimize their maintenance and extend their useful life in a more sustainable way, avoiding the waste of natural resources. This study focuses on evaluating the influence of two types of carbon milled fibers (M80 and M150) in concentrations of 0.05% and 0.1% on a traditional mortar, comparing their mechanical and piezoresistive properties. The experimental methodology begins with the preparation of five types of test tubes (four with fibers and one reference without fibers), which are left to rest for twenty-eight days before the tests are carried out. First, five mechanical tests are carried out to determine how the addition of fibers affects properties such as resistance to flexotraction, compression and water absorption. The results indicate that mortars with M80 fibers have better global mechanical properties compared to those of M150 and the reference mortar. Estudi de sensitivitat de la piezoresistivitat de morters Regarding the study of piezoresistivity, it has been analysed how the electrical resistance of the mortar varies according to the mechanical deformation applied. Through the relative variation of electrical resistance and deformation, the galga factor has been obtained, an indicator of the sensitivity of the material to the deformations. The results show that M80 fibers not only improve the piezoresistive response of the mortar, but also allow to detect deformations more easily, which could contribute to the creation of safer and more efficient materials for structural monitoring. This study highlights the potential of M80 carbon fibers in the development of smart mortars for future applications in infrastructure maintenance. III Índex continguts Resum ................................................................................................................................... I Abstract.................................................................................................................................. I Índex continguts ................................................................................................................... III Índex figures ......................................................................................................................... V Índex taules ........................................................................................................................ VII 1. Introducció ........................................................................................................................ 1 1.1 Objecte ........................................................................................................................ 1 1.2 Abast ........................................................................................................................... 2 1.3 Requeriments .............................................................................................................. 3 1.4 Justificació ................................................................................................................... 4 1.5 Calendari ..................................................................................................................... 5 2. Estat de l’art ...................................................................................................................... 7 2.1 Context general ........................................................................................................... 7 2.1.1 Definició ................................................................................................................ 7 2.1.2 Història del morter ................................................................................................. 7 2.2 Smart Mortars .............................................................................................................. 8 2.3 Fibres .......................................................................................................................... 9 2.3.1 Tipus de fibres ...................................................................................................... 9 2. Fibres sintètiques: .................................................................................................... 10 2.3.2 Microfibres .......................................................................................................... 13 2.4 Piezoresistivitat.......................................................................................................... 13 3. Preparació de les provetes .............................................................................................. 16 3.1 Materials per fer el morter .......................................................................................... 16 3.1.1 Ciment ................................................................................................................ 16 3.1.2 Àrid ..................................................................................................................... 16 3.1.3 Filler .................................................................................................................... 17 3.1.4 Aigua ................................................................................................................... 17 3.1.5 Superplastificant.................................................................................................. 17 3.1.6 Fibres .................................................................................................................. 18 3.2 Característiques dels motlles ..................................................................................... 19 3.2.1 Motlles per a proves mecàniques ........................................................................ 19 3.2.2 Motlles per a assaigs resistivitat elèctrica ............................................................ 19 3.3 Seguretat al laboratori ............................................................................................... 21 3.4 Preparació de les provetes ........................................................................................ 22 3.4.1 Base per fer el morter ......................................................................................... 22 3.4.2 Preparació de les provetes pas a pas ................................................................. 22 3.5 Col·locació galgues extensiomètriques ...................................................................... 25 Estudi de sensitivitat de la piezoresistivitat de morters 4. Campanya experimental ................................................................................................. 28 4.1 Assaig de densitat ..................................................................................................... 28 4.2 Assaig d’absorció d’aigua .......................................................................................... 28 4.3 Assaig d’ultrasons ..................................................................................................... 30 4.4 Assaig de flexotracció ................................................................................................ 32 4.5 Assaig de compressió................................................................................................ 34 4.6 Assaig piezoresistivitat .............................................................................................. 36 5. Anàlisi de resultats dels assaigs ...................................................................................... 38 5.1 Resultats del assaig de densitat ................................................................................ 38 5.2 Resultats assaig d’absorció d’aigua ........................................................................... 39 5.3 Resultats del assaig d’ultrasons ................................................................................ 41 5.4 Resultats assaig de flexotracció ................................................................................ 42 5.5 Resultats assaig de compressió ................................................................................ 43 5.6 Resultats assaig piezoresitivitat ................................................................................. 44 5.6.1 Procediment d’obtenció de les dades i càlcul de resultats ................................... 45 5.6.2 Resultats ona sinus ............................................................................................. 47 5.6.3 Resultats ona de soroll ........................................................................................ 49 5.6.4 Comparació resultats .......................................................................................... 50 6. Resum de pressupost ..................................................................................................... 51 7. Anàlisi i valoració de les implicacions socials i ambientals .............................................. 52 8. Conclusions .................................................................................................................... 54 9. Bibliografia ...................................................................................................................... 56 V Índex figures Figura 1.Planificació del treball ............................................................................................. 6 Figura 2. Classificació tipologia de fibres (Font: [12]) ............................................................ 9 Figura 3. Fibra de coco (Font: NuevaMujer) .......................................................................... 9 Figura 4. Panell aïllant de fibra de cànem (Font: Cannabric) ............................................... 10 Figura 5.Panell aïllant de fibra de lli (Font: Decorexpro) ...................................................... 10 Figura 6. Fibres d’acer (Font: [15]) ..................................................................................... 11 Figura 7.Fibres de vidre (Font: Serra Ciments) ................................................................... 11 Figura 8. Fibres de vidre (Font: Castro Composite) ............................................................. 11 Figura 9. Fibres de polipropilè (Font: [15]) ........................................................................... 12 Figura 10. Fibres de carboni (Font: [19]) ............................................................................. 12 Figura 11. Resultats sobre el mòdul elàstic estudi del 2015 (Font: [20]) .............................. 13 Figura 12. Resultats sobre la conductivitat elèctrica del estudi "Effect of Carbon and Steel Fibers on the Strength Properties and Electrical Conductivity of Fiber-Reinforced Cement Mortar". (Font: [22]) ............................................................................................................. 14 Figura 13.Resultats assaig flexió estudi "Effect of Carbon and Steel Fibers on the Strength Properties and Electrical Conductivity of Fiber-Reinforced Cement Mortar". (Font: [22]) ..... 14 Figura 14. Resultats assaig compressió estudi "Effect of Carbon and Steel Fibers on the Strength Properties and Electrical Conductivity of Fiber-Reinforced Cement Mortar". (Font: [22]) .................................................................................................................................... 15 Figura 15. Ciment Portland (Font: Leroy Merlin) ................................................................. 16 Figura 16. Sorra/Àrid (Font: Obramat) ................................................................................ 16 Figura 17. Filler Calcari (Font: Cementos Naturales Tigre) ................................................ 17 Figura 18. Fitxa tècnica filler Calcari (Font: Cementos Naturales Tigre) ............................. 17 Figura 19. Característiques fibres utilitzades (Font: [19]) .................................................... 18 Figura 20. Dimensions motlle proveta assaigs mecànics. (Font: [25]) ................................. 19 Figura 21. Dimensions motlle proveta assaigs resistivitat elèctrica. .................................... 19 Figura 22. Col·locació d'elèctrodes. (Font: [3]) .................................................................... 20 Figura 23. Barreja base morter ........................................................................................... 22 Figura 24. Motlles ............................................................................................................... 23 Figura 25. Morter abans d’assecar-se ................................................................................. 23 Figura 26.Provetes identificades ......................................................................................... 24 Figura 27. Tria de provetes per les galgues ........................................................................ 25 Figura 28. Esquema posició galgues .................................................................................. 25 Figura 29. Disposició barres metàl·liques ............................................................................ 29 Figura 30. Assaig d’absorció d’aigua ................................................................................... 29 Figura 31. Lectura assaig ultrasons .................................................................................... 31 Figura 32. Col·locació proveta segons UNE-EN 1015-11. (Font: [25]) ................................ 32 Figura 33. Marques per l’assaig de flexotracció .................................................................. 32 Figura 34. Col·locació de la proveta per l’assaig de flexotracció ......................................... 33 Figura 35. Estat de la proveta després de l’assaig de flexotracció ...................................... 33 Figura 36. Premsa de compressió....................................................................................... 34 Figura 37. Col·locació de la proveta a l’assaig de compressió ............................................ 34 Figura 38. Connector push-in .............................................................................................. 36 Figura 39. Push-in connectat .............................................................................................. 36 Estudi de sensitivitat de la piezoresistivitat de morters Figura 40. Esquema muntatge ............................................................................................ 37 Figura 41. Fotografia muntatge ........................................................................................... 37 Figura 42. Resultats assaig de densitat en sec ................................................................... 38 Figura 43. Resultats assaig absorció d’aigua ...................................................................... 39 Figura 44. Gràfic sense canvis clars ................................................................................... 44 Figura 45. Gràfic soroll amb canvis clars ............................................................................ 44 Figura 46. Gràfic variació intensitat M150_010-sin-4kN-10Hz-5V ....................................... 45 Figura 47. Gràfic deformació-variació resistència M150_0.10-sin-10Hz-5V ....................... 46 Figura 48. Variació factor de galga ona sinus ..................................................................... 48 Figura 49. Variació factor de galga ona soroll ..................................................................... 49 Figura 50. Comparació ona sinus i soroll a mateix voltatge ................................................. 50 Figura 51. ODS amb implicacions al treball. Font (Ekomodo) ............................................. 52 VII Índex taules Taula 1. Pas a pas col·locació d’una galga ......................................................................... 27 Taula 2. Resultats assaig densitat....................................................................................... 38 Taula 3. Resultats assaig absorció del aigua ...................................................................... 39 Taula 4. Resultats assaig d’ultrasons .................................................................................. 41 Taula 5. Resultats assaig flexotracció ................................................................................. 42 Taula 6. Resultats assaig compressió ................................................................................. 43 Taula 7. Resum ones amb millors resultats ......................................................................... 45 Taula 8. Recopilació factor de galga ona sinus ................................................................... 47 Taula 9. Recopilació factor de galga ona soroll ................................................................... 49 Taula 10. Resum del pressupost ......................................................................................... 51 Taula 11. ODS relacionades amb l’estudi ........................................................................... 53 7 2. Estat de l’art 2.1 Context general 2.1.1 Definició Actualment el morter juntament amb el formigó son els materials més utilitzats en la construcció d’estructures resistents. Per poder entendre l’importància del monitoreig d’una estructura, primer s’han de conèixer les diferències entre el morter i el formigó [1] [2] : Morter: El morter està format per una barreja de sorra, aigua, ciment i algun additiu que te per a objectiu millorar l’adhesió i que sigui més fàcil de treballar. El morter no s'utilitza com a únic element de construcció (com sí que passa amb el formigó); en canvi, es tracta més aviat de l'adhesiu que s'utilitza per unir elements de mamposteria. Formigó: El formigó també està format per ciment, sorra, aigua i additius, però a diferència del morter conté àrids de gran mida, incloent-hi grava i sovint té algun additiu especial que li permetrà, per exemple, fraguar més ràpid. Malgrat que els components son gairebé els mateixos, el formigó si que s’utilitza per formar estructures sense la necessitat d’elements de mamposteria Un concepte important en la conservació d’estructures és el monitoratge de la salut estructural (SHM), que és l'avaluació automatitzada de la condició i el rendiment de les estructures a través de mesuraments continus de característiques com la temperatura i les deformacions. [3] 2.1.2 Història del morter El morter és un material que, gràcies a les investigacions realitzades per científics com Roman Malinowski s’ha pogut conèixer que ha estat utilitzat des de temps prehistòrics.[4] L’origen dels morters es remunta al període neolític, mostrant lo essencials que han estat per la construcció des de l’antiguitat, on es va optar per utilitzar la cal per la seva capacitat d’actuar com a lligant. Restes de morters antics s'han trobat en excavacions arqueològiques a llocs com Çatal Hüyük i Jericó, que daten del 10.000 al 7.000 a.C. [5] S’ha observat com, durant aquest període la funció principal dels morters era el recobriment de parets i la creació de paviments. Els egipcis van ser els primers que alhora de construir piràmides i temples, van utilitzar el guix com a morter. Per altra banda tant els grecs com els romans van perfeccionar l’ús del morter de calç. Actualment les seves tècniques es veuen en les seves estructures emblemàtiques com el Panteó i els aqüeductes, i són considerades precursors del ciment modern. Malauradament, a causa de la pèrdua dels coneixements tècnics, durant l’edat mitjana la qualitat de les estructures va ser generalment inferior malgrat mantenir les tècniques romanes. No va ser fins al segle XVIII que es van començar a desenvolupar els lligants hidràulics moderns. Entre 1750 i 1800 es van investigar noves mescles de calç i argila calcinades, fet que va marcar l’inici de la transició cap als lligants moderns. Al segle XIX, l’enginyer Louis Vicat va establir les bases de la fabricació del ciment modern mitjançant mescles de calç i argila en proporcions adequades, un sistema que encara s’utilitza avui. [6] Estudi de sensitivitat de la piezoresistivitat de morters En el 1824, amb el patentament del Ciment Portland per part de Joseph Aspdin, es va produir una revolució en la construcció, que al llarg del segle XX estableixen les bases dels morters actuals. En les últimes dècades, la tecnificació i l’augment de les exigències han provocat un desplaçament dels morters fets in situ cap als morters industrials secs, que ofereixen un major control sobre les seves propietats i una qualitat més consistent. 2.2 Smart Mortars Com ja s’ha esmentat prèviament, el monitoratge de la salut estructural (SHM) es un aspecte important en tenir en compte alhora d’avaluar un edifici y un aspecte clau per un correcte i sostenible manteniment preventiu del edifici. Actualment els materials “smarts” semblen una solució amb bones perspectives, això es deu a que les seves propietats els permeten actuar com a sensors de temperatura o deformació. Aquesta multifuncionalitat s’aconsegueix afegint fibres de conducció elèctrica a la formació del morter [7]. S’ha vist com l’addició d’aquestes fibres conductores milloren el rendiment piezoresistiu i les capacitats de detecció del material matriu [8]. Tot i que en el passat s’havia intentat la modificació de morters de calç per millorarne les propietats mecàniques [9], fins ara no s’ha dut a terme un estudi sistemàtic de la millora piezoresistiva d’aquest material a través de la seva modificació. Els estudis demostren que l’ús de fibres en diferents percentatges ha permès millorar o proporcionar més característiques al material. Alguns estudis han demostrat que la incorporació de pols de grafit pot millorar significativament la conductivitat elèctrica i tèrmica dels morters [10][11]. 9 2.3 Fibres Les fibres són elements de curta longitud que s’afegeixen al morter per obtenir certes propietats. En la figura 2 es mostra una classificació de les fibres en funció de la seva naturalesa. Figura 2. Classificació tipologia de fibres (Font: [12]) Per la fabricació de morters, principalment s’utilitzen fibres naturals: vegetals i animals i de les fibres fetes pels humans, les sintètiques 2.3.1 Tipus de fibres 1. Fibres naturals: Aquestes fibres tenen l'avantatge de ser sostenibles i biodegradables [13]. Alguns exemples de fibres que s’han utilitzat en investigacions són: Fibres de Coco Les fibres de coco són conegudes per millorar la resistència a la tracció i la durabilitat dels morters. A més, són sostenibles i biodegradables, fet que les fa atractives des d'un punt de vista ambiental [14]. Figura 3. Fibra de coco (Font: NuevaMujer) Estudi de sensitivitat de la piezoresistivitat de morters Fibres de Cànem El cànem contribueix a reduir la densitat del morter i millora les propietats tèrmiques, proporcionant un aïllament tèrmic efectiu. Figura 4. Panell aïllant de fibra de cànem (Font: Cannabric) Fibres de Lli Aquestes fibres són lleugeres i ofereixen bones propietats de reforç, millorant la resistència mecànica del morter, no obstant aquest tipus de fibres no son gaire elàstiques. Figura 5.Panell aïllant de fibra de lli (Font: Decorexpro) 2. Fibres sintètiques: Les fibres sintètiques provenen de productes derivats del petroli i es produeixen mitjançant processos indutrials. Aquest tipus de fibres acostumen a ser més consistents i duradores que les naturals. Fibres d’acer: La fibres d'acer són trossos discontinus d'acer amb un aspecte variable. El principal benefici d'aquesta mena de fibres és l'augment de la vida útil del concret i reduir les esquerdes. Aquestes fibres generen un esforç homogeni i son compatible amb una gran varietat d'additius i formigons. A més a més incrementen significativament la resistència a la tracció i a la flexió del morter, millorant la seva capacitat per suportar càrregues pesades [15][16]. 11 Figura 6. Fibres d’acer (Font: [15]) Fibres de vidre: Els compostos reforçats amb fibres de vidre són coneguts com Glass Fibre Reinforced Cement (GRC) i són resistents als àlcalis alliberats amb la hidratació del ciment. A més presenten una alta resistència a tracció i flexió, no obstant això, no són molt resistents a esforços de compressió. [17] Figura 7.Fibres de vidre (Font: Serra Ciments) Fibres d'aramida (Kevlar): El Kevlar és conegut per la seva resistència i flexibilitat i actualment és usat principalment en armilles antibales. Quan es barreja el formigó amb la fibra de Kevlar s'ha vist un augment en la resistència del material al desgast, impactes i esquerdes. A més comparat amb el formigó reforçat amb acer convencional, el reforçat amb Kevlar és més lleuger [18]. Figura 8. Fibres de vidre (Font: Castro Composite) Estudi de sensitivitat de la piezoresistivitat de morters Fibres de polipropilè: Aquest tipus de fibres s'utilitza en el formigó i morters com a reforç secundari per a reduir esquerdaments. Són fibres amb un reduït preu i una alta resistència química i baixa densitat. Un altre dels seus avantatges és que no són fibres corrosives i contribueixen a reduir esquerdaments deguts a la temperatura i contracció plàstica. Les fibres de polipropilè són compatibles amb additius i concrets diversos sense alterar les propietats del formigó o morter [15]. Figura 9. Fibres de polipropilè (Font: [15]) Fibres de carboni: Les fibres de carboni tenen bones propietats de tracció, baixa densitat i altes conductivitats tèrmiques i elèctriques. Gràcies a aquestes característiques s’utilitzen en estructures sotmeses a altes càrregues, millorant la seva resistència i rendiment. Les fibres de carboni es poden trobar en diverses formes, com ara picades, moltes o continues i poden ser arrugades o llises. En la figura 10 es poden observar aquets detalls. Figura 10. Fibres de carboni (Font: [19]) 13 2.3.2 Microfibres Una microfibra és una fibra que generalment te un diàmetre inferior a 10 micròmetres. Les microfibres introduïdes en els morters, poden ajudar a millorar les propietats mecàniques i piezoresistives d’aquest. En funció del tipus de fibra que se li afegeix al morter s'obtindran una millora en unes propietats determinades, no obstant això, en els estudis preliminars fets sobre els "Hybrid effects of carbon fibers on mechanical properties of Portland cement mortar" [20] mostren una millora en la resistència a tracció en comparació amb els morters tradicionals. En la figura 11 podem veure els resultats obtinguts sobre el mòdul elàstic de les provetes realitzades en l'assaig comentat. Figura 11. Resultats sobre el mòdul elàstic estudi del 2015 (Font: [20]) 2.4 Piezoresistivitat La piezoresistivitat es la capacitat de certs material de canviar la seva resistivitat elèctrica quan se'ls hi aplica una tensió mecànica. Quan un material piezoresistiu es sotmès a una força la seva resistència elèctrica varia proporcionalment a la deformació que pateix. [21] En l’any 2023 es va publicar l'article "Effect of Carbon and Steel Fibers on the Strength Properties and Electrical Conductivity of Fiber-Reinforced Cement Mortar" [22] el qual investiga l'efecte de les fibres de carboni i acer en les propietats mecàniques i la conductivitat elèctrica del morter de ciment reforçat amb fibres. L'article destaca que la incorporació de fibres de carboni millora significativament la conductivitat elèctrica del morter de ciment. Es va trobar que el llindar de percolació, que és el punt en què es forma una xarxa contínua de fibres conductores, es troba entre el 0,3% i el 0,4% de volum de fibres. Això significa que per obtenir una conductivitat òptima, la dosi de fibres de carboni hauria de ser almenys superior al 0,4%. En la figura 12 es mostren els resultats de la conductivitat elèctrica del estudi. Estudi de sensitivitat de la piezoresistivitat de morters Figura 12. Resultats sobre la conductivitat elèctrica del estudi "Effect of Carbon and Steel Fibers on the Strength Properties and Electrical Conductivity of Fiber-Reinforced Cement Mortar". (Font: [22]) En l’estudi a més de l'estudi de la piezoresistivitat, es mostren els resultats obtinguts de l’assaig de compressió i flexió fets a les provetes. Els resultats obtinguts es mostren en les figures 13 i 14, i poden servir com a guia pels que s’obtindran en aquest treball. Figura 13.Resultats assaig flexió estudi "Effect of Carbon and Steel Fibers on the Strength Properties and Electrical Conductivity of Fiber-Reinforced Cement Mortar". (Font: [22]) 15 Figura 14. Resultats assaig compressió estudi "Effect of Carbon and Steel Fibers on the Strength Properties and Electrical Conductivity of Fiber-Reinforced Cement Mortar". (Font: [22]) Estudi de sensitivitat de la piezoresistivitat de morters 3. Preparació de les provetes 3.1 Materials per fer el morter Per a la realització de l'estudi s’han utilitzat les següents matèries primeres: ciment, àrid, filler, aigua, superplastificant i fibres de carboni moltes. En aquest apartat es descriuen les característiques d’aquests materials. 3.1.1 Ciment Per la creació dels morters, s’ha utilitzat un ciment pòrtland CEM II/B-L 32,5 N valderrivas (Figura 15). Figura 15. Ciment Portland (Font: Leroy Merlin) 3.1.2 Àrid Com a àrid s’ha utilitzat sorra fina de l’empresa Sefel S.A (Figura 16) Figura 16. Sorra/Àrid (Font: Obramat) 23 o Un cop la barreja té la consistència adequada, es col·loca dins els motlles que s’han lubricat amb oli per facilitar el procés de desemmotllat de les provetes. (figura 24) Figura 24. Motlles o Després d’introduir la mescla, es colpegen els motlles suaument amb un martell per eliminar possibles bombolles d’aire, que poden afectar la integritat de les provetes. 5. Inserció dels elèctrodes: En els tres motlles en forma de cub, es col·loquen dos elèctrodes a cadascun. Aquests s’utilitzaran posteriorment per mesurar la resistència piezoresistiva del material. 6. Cura i enduriment: Les provetes han de reposar durant vint-i-vuit dies abans de poder fer el assaigs perquè el morter assoleixi la seva resistència òptima. Com hi ha un nombre limitat de motlles, s’han fabricat dos tipus de morter cada setmana, durant tres setmanes. El desemmotllat s’ha realitzat una setmana després de la fabricació, per fer-ho s’han utilitzat martells de goma per ajudar a desprendre el motlle de la proveta, però sense donar un cop directe a la proveta per no danyar-la. A la figura 25 es pot veure com queden els motlles un cop acabat abans d’endurir-se. Figura 25. Morter abans d’assecar-se Les provetes una vegada estan lliures del motlle s’han d’identificar, posant el tipus de fibra que porta i la concentració així com la data de fabricació, tal i com es veu en la figura 26. Un cop extreta la proveta, es procedeix a realitzar la neteja del motlle per a poder tornar a utilitzar-lo si es cal. Després dels 28 dies de curat, les provetes estan llestes per als assaigs de laboratori. Estudi de sensitivitat de la piezoresistivitat de morters Figura 26.Provetes identificades 25 3.5 Col·locació galgues extensiomètriques Per als assaigs de resistivitat elèctrica s’han de col·locar dues galgues extensiomètriques a cada proveta que volem assajar. En aquest cas només assajarem una proveta de cada concentració així que el primer que s’ha de fer és escollir quina de les tres provetes utilitzarem. S’escolliran les provetes que tingui menys forats a la seva superfície i intentarem que no en tinguin en la zona central, ja que allà es on col·locarem les galgues. En la figura 27 podem observar les 15 provetes, i en vermell estan marcades les 5 que es faran servir. Figura 27. Tria de provetes per les galgues Per aquest procés és necessari tenir,10 galgues, un regla, un llapis, cel·lo, unes pinces, loctite, una superfície de porexpan on deixarem momentàniament la galga abans de enganxar-la a la proveta i com sempre els guants i la bata. En la Taula 1 tenim un resum per imatges de la col·locació d’una galga 1. Preparació de la proveta Les galgues se situaran als laterals de la proveta en perpendicular als elèctrodes, per això amb l'ajuda del regle i un llapis farem unes marques, tal com es mostra en la figura 28. Figura 28. Esquema posició galgues Amb un paper absorbent es neteja la cara on s’han fet les marques amb el llapis per treure la possible pols que hi hagi Estudi de sensitivitat de la piezoresistivitat de morters 2. Preparació de la galga Utilitzarem un porexpan com a superfície per deixar la galga i enganxar-li un tros de cel·lo per traslladar-la a la proveta. Primer, netejarem la superfície amb paper absorbent per eliminar pols o impureses. Amb una pinça, agafarem la galga per la zona on els cables estan soldats i la col·locarem sobre el porexpan amb la cara brillant cap amunt. Per traslladar i enganxar la galga a la proveta, tallarem un tros de cel·lo i el col·locarem sobre la galga sense tocar la part central per no contaminar-lo. Ens assegurarem de no enganxar tot el cel·lo a la superfície per poder retirar-lo durant el trasllat a la proveta 3. Trasllat i col·locació de la galga Per facilitar la retirada de la galga, s’ha de retirar el cel·lo en un angle aproximat de 45 graus per assegurar-nos que la galga quedi enganxada al cel·lo. Quan ja estigui completament separada, amb l'ajut de les pinces aguantarem la galga per la zona dels cables. De forma provisional, posicionem la galga a la proveta subjectant-la amb el dit per la zona dels cables, però sense que la galga faci contacte amb la proveta. Per enganxar la galga, com ja s’ha esmentat utilitzarem loctite. Es posen a la proveta en la zona on s’ha marcat que vagi la galga un parell de gotes de loctite i s’enganxa, fent una mica de pressió amb el dit a la galga des de la zona més propera als cables fins a l’altre extrem. Els passos anteriors es repetiran per a totes les unitats de galgues instal·lades en aquest estudi. 1. Materials necessaris 2. Marcatge proveta 3. Marcatge proveta 27 4. Retirar la galga 5. Trasllat galga a la superficie 6. Col·locació i retirada del cel·lo 7. Subjecció de la galga a la proveta 8. Afegir loctite 9. Aplicació pressió 10. Resultat final Taula 1. Pas a pas col·locació d’una galga Estudi de sensitivitat de la piezoresistivitat de morters 4. Campanya experimental Es faran cinc assaigs mecànics: densitat, absorció d'aigua, ultrasons, flexió-tracció i compressió fent servir les provetes fabricades segons la norma UNE-EN 1015-11[25] (format prisma). Es farà un assaig de piezoresistivitat amb les provetes cubiques 4.1 Assaig de densitat Per poder determinar la massa per unitat de volum del morter endurit, realitzarem un assaig de densitat. L'objectiu principal de l'assaig de densitat és comparar els canvis en la densitat de cada proveta de morter en funció de les diferents quantitats i tipus de fibres que s'hi inclouen. Per calcular la densitat necessitarem conèixer el volum i la massa. Primer de tot calculem el volum (V) de la següent forma: V = base x fons x alçada Un cop coneixem el volum de la proveta, només haurem de pesar-la amb la balança per saber la seva massa En últim lloc, es realitza el càlcul de la densitat (ρ) amb la fórmula (1): 𝜌 = 𝑀 𝑉 (1) On: ρ és la densitat en sec (g/𝑐𝑚3) M és la massa del prisma (g) V és el volum del prisma (𝑐𝑚3) 4.2 Assaig d’absorció d’aigua Aquest assaig permet mesurar el coeficient d’absorció, que indica la quantitat d’aigua absorbida pel morter en funció de la superfície en contacte amb l’aigua i el temps d’immersió de cada proveta. Aquest assaig es realitza fora de normativa establerta, tot i que ens aportarà informació sobre la capacitat d’absorció d’aigua del material Per la realització d’aquest assaig, primer s’ha omplert una gaveta amb aigua, al fons de la gaveta hem deixat dues barres de metall sobre les qual deixarem les provetes. Amb això farem que hi hagi una major superfície de la proveta que estigui en contacte amb l’aigua. A continuació les provetes han estat submergides durant 5 minuts. Un cop passat el temps, s’han eixugat una mica per treure l'excés d’aigua i s’ha pesat amb la balança. Esquema del procediment: 1. Col·locació de barres cilíndriques al fons de la gaveta (figura 29) 29 Figura 29. Disposició barres metàl·liques 2. Col·locació de les provetes deixant distància entre elles com a la següent figura 30. Un cop les provetes han sigut cobertes es cronometrà 5 minuts. Figura 30. Assaig d’absorció d’aigua 3. Retirada i eixugat de provetes. 4. Pesatge La densitat en mullat (𝜌1) es calcula de la mateixa forma que la densitat en sec (𝜌). Per a comprovar l’absorció d’aigua que ha fet la proveta es realitza la següent fórmula (2): Absorció d'aigua = 𝑀1 − 𝑀 (2) Per a realitzar el percentatge d’absorció d’aigua utilitzarem la següent formula (3): Absorció d'aigua % = (𝑀1 −𝑀 𝑀1) ∗ 100 (3) On: 𝑃 és la massa en sec (g) 𝑃1 és la massa en mullat (g) Absorció d’aigua (g) Estudi de sensitivitat de la piezoresistivitat de morters 4.3 Assaig d’ultrasons Aquest assaig és no destructiu i l'utilitzarem per avaluar la rigidesa del morter, mitjançant el mòdul elàstic, sense destruir les provetes. En aquest cas, utilitzarem el Matest PC 255A, un equip especialitzat que consta d’un transductor emissor i un receptor, un amplificador de senyal i un sistema per mesurar el temps de transmissió de les ones ultrasòniques a través del material. La prova d'ultrasons en morter permet obtenir informació sobre l’estat intern del material, permetent detectar possibles danys estructurals com esquerdes, buits o zones danyades. A més, permet caracteritzar les propietats mecàniques del morter, com la seva elasticitat [28]. Material necessari: Els elements que té l’equip d’assaig d’ultrasons són: o Transductors: És l’element que entra en contacte més directe amb la proveta. Són el component que genera les ones i rep els ecos. o Barra de calibració: Serveix per fer la calibració de l’equip, ja que té una dada estandarditzada en μs. Al començament de les proves ens haurem d’assegurar que la lectura de la barra de calibració coincideixi amb el que ha establert el fabricant de l’equip. o Consola: És l’equip, el qual genera pols elèctrics cap al transductor, amplifica i processa els senyals que rep el transductor, processa els senyals en dades comprensibles que mostra per pantalla. o Cables de connexió: Connecten els transductors a la consola. A més a més utilitzarem una mica de vaselina als laterals del prisma o als transductors per facilitar la transmissió dels ultrasons. Procediment d’obtenció de les dades: 1. Preparació i calibració l’equip d’ultrasons Primer de tot connectem els cables a la consola i als transductors. Un cop fet això, perquè les lectures siguin correctes, calibrem l’equip de forma que amb la barra de calibració obtinguem una lectura del valor establert, 52 μs. Aquest temps representa el temps que passa entre la generació del pols ultrasònic i la recepció del seu eco. 2. Preparació de la proveta Com ja s’ha comentat prèviament, afegirem una mica de vaselina als transductors, per intentar eliminar l’aire entre el transductor i la proveta, 3. Lectura de dades Es col·loquen els transductors en cares oposades tal com es veu a la figura 31, i guardem el temps registrat. 31 Figura 31. Lectura assaig ultrasons Per a cada proveta farem l’assaig sis vegades, un cop acabat farem una mitjana de les dades obtingudes, per a cada proveta i també es farà una mitjana d'entre les provetes del mateix tipus. Aquest assaig es realitza amb l’objectiu d’obtenir el mòdul elàstic de les provetes. El mòdul elàstic o també conegut com a mòdul de Young, és una propietat fonamental que ens permet avaluar la rigidesa de les provetes i el seu comportament sota càrregues aplicades. Aquest paràmetre és essencial per certificar l’estabilitat i la integritat estructural en aplicacions de construcció [29]. Per poder calcular el mòdul elàstic, utilitzarem la següent expressió [30]: 𝐸𝑢𝑙𝑡𝑟𝑎𝑠𝑜𝑢𝑛𝑑 =𝜌·𝑉2 𝐾 (4.1) 𝐾 = 1−𝜈 (1+𝜈)·(1−2𝜈) (4.2) Ajuntant les dues equacions obtenim: 𝐸 = 𝑉2·𝜌·(1+𝜈)·(1−2𝜈) (1−𝜈) (4.3) On: V és la velocitat del pols (m/s) 𝜈 és el coeficient de Poisson (adimensional) ρ és la densitat del morter de la proveta (kg/𝑚3) E és el mòdul elàstic (Pa) De l’expressió 4.3 hi ha dos termes que desconeixem, la velocitat del pols i el coeficient de Poisson. El coeficient de Poisson ens descriu la relació entre la deformació longitudinal i la transversal sota càrrega. Per al coeficient de Poisson s’ha considerat el valor estándar per morters de 0,2 [31]. La velocitat del pols la podem calcular amb la següent expressió: [32] 𝑉 = 𝐿 𝑡 (5) On: V és la velocitat del pols (m/s) L és la longitud de la proveta (m) Estudi de sensitivitat de la piezoresistivitat de morters t és el temps de trànsit del pols(s) 4.4 Assaig de flexotracció Aquest es un assaig que segueix la normativa UNE-EN 1015-11 [25] que permet mesurar la resistència a flexió del morter. Es tracta d’un assaig destructiu, el qual consisteix en aplicar una càrrega en el centre de la proveta provocant que aquesta es trenqui. Per fer aquest assaig utilitzarem la premsa MTS Insight 10 kN. Col·loquem la proveta que volem assejar sobre dos rodets que estan separats 100mm com marca la normativa. En la figura 32 es pot veure com es coloca la proveta segons dictamina la normativa UNE-EN 1015-11 [25]. Figura 32. Col·locació proveta segons UNE-EN 1015-11. (Font: [25]) Les provetes que s’utilitzen fan 160mm de llarg, així que primer es fer dues marques verticals, en la cara superior, a 30 mm de cada extrem per poder centrar-la, com es veu en la figura 33. Figura 33. Marques per l’assaig de flexotracció Un cop les marques estan fetes, la proveta es col·locada de forma que les marques coincideixin amb els rodets. Aquest pas es pot veure en la figura 34. 39 En general, els resultats indiquen que l’addició de fibres no té un efecte significatiu en la densitat dels morters, ja que els canvis inferiors als 10% es poden considerar menyspreables, i com es mostra en la darrera columna de la taula 2 en cap cas es supera aquest percentatge. No obstant això, hi ha un increment moderat en la densitat de les provetes amb fibres M150 a concentracions més altes. En els pròxims assaigs s'analitzarà si aquestes variacions de densitat poden influir en les propietats mecàniques i piezoresistives. 5.2 Resultats assaig d’absorció d’aigua En aquest apartat s'analitzen les dades obtingudes de l’assaig, totes les taules utilitzades per a la realització dels gràfics es poden trobar l’annex. Figura 43. Resultats assaig absorció d’aigua Tipus proveta % Abs. Aigua Variació propietat (%) Referència 1,520 - M80_0.05 1,744 14,790 M80_0.1 1,541 1,410 M150_0.05 2,336 53,727 M150_0.1 0,752 -50,520 Taula 3. Resultats assaig absorció del aigua En la figura 43 es mostra el gràfic del percentatge d’augment del pes de les provetes després de ser submergides en aigua durant 5 minuts. S’observa que amb concentracions baixes de fibres, l’absorció d’aigua tendeix a augmentar lleugerament respecte a la proveta de referència. Aquest fenomen és especialment evident en la proveta amb fibres M150 al 0,05%, que presenta el percentatge d’absorció més alt, superant el 2%. En la taula 3 veiem que aquesta mateixa proveta augmenta en un 53,73% la seva absorció en comparació a la referència En canvi, la proveta M150 amb una concentració del 0,1% mostra la menor absorció d’aigua de totes, amb una disminució de l’absorció d’un 50,52%. Aquest resultat suggereix que una Estudi de sensitivitat de la piezoresistivitat de morters concentració més elevada de fibres pot reduir la porositat o millorar la compactació del morter, limitant l’entrada d’aigua. Comparant aquests resultats amb el gràfic de densitat (figura 43), es poden extreure algunes conclusions interessants. Les provetes amb majors densitats, com la M150 al 0,1%, mostren una menor absorció d’aigua, la qual cosa indica una correlació directa entre una millor compactació del material i la seva resistència a l’absorció. Per contra, les provetes amb valors de densitat més baixos, com la referència i les M150 al 0,05%, tendeixen a absorbir més aigua, fet que podria estar relacionat amb una microestructura més porosa. Aquestes observacions ressalten que la presència de fibres, especialment en concentracions més altes, pot influir positivament en les propietats del morter, reduint l’absorció d’aigua i millorant la densitat. Aquesta informació podria ser útil en aplicacions on es requereix una menor permeabilitat del material per a garantir una major durabilitat. 41 5.3 Resultats del assaig d’ultrasons Com s’esmenta en l’apartat 4.3 assaig d’ultrasons, s’han fet sis lectures per cada proveta, això son un total de 90 lectures. En les taules 4 i 5 de l'annex es poden veure amb més detall les dades obtingudes i els resultats dels càlculs. En la taula 4 tenim un recull de la informació més important. Tipus proveta Vel. Prop. (m/s) Densitat (g/cm^3) Densitat (kg/m^3) Mòdul Elàstic GPa Variació propietat (%) Referència 6798,87 2,014 2013,67 23,270 - M80_0.05 6821,41 1,993 1993,10 23,186 -0,36 M80_0.1 6806,90 1,986 1985,68 23,001 -1,16 M150_0.05 6727,40 1,895 1895,18 21,443 -7,85 M150_0.1 6899,86 2,078 2078,13 24,734 6,29 Taula 4. Resultats assaig d’ultrasons A partir de les dades obtingudes en l'assaig d'ultrasons, es poden extreure diverses conclusions que contribueixen a comprendre millor el comportament i les propietats mecàniques de les provetes estudiades. El mòdul elàstic (E), que és un paràmetre clau per avaluar la rigidesa del material, reflecteix les diferències de densitat i velocitats de propagació de les ones. Les provetes de referència tenen un mòdul elàstic de 23,270 GPa mentre que la proveta amb major mòdul elàstic es la M150_0.1 amb 24,734 GPa. Això indica que aquesta té una major resistència a deformacions sota càrrega, possiblement a causa de la millor distribució de fibres i la seva interacció amb la matriu del morter. També s’observa com les provetes amb fibres M80 tenen valors del mòdul elàstic molt similars a la referència això es deu a que com s’ha vist en els apartats 5.1 i 5.2 les tres tipologies de provetes tenen una densitat pràcticament igual i aquest es el paràmetre que mes influeix en el càlcul del mòdul elàstic En general, els resultats suggereixen que la introducció de fibres té un impacte directe tant en la densitat, com s’ha comentant en els apartats 5.1 i 5.2, com en el mòdul elàstic del morter, amb un comportament que depèn de la concentració i el tipus de fibra. Les provetes M150 amb concentració del 0,1% combinen una alta densitat que fa que tinguin una velocitat de propagació elevada, això indica que son provetes més rígides i resistents. L’assaig d’ultrasons ha demostrat ser una eina eficaç i no destructiva per caracteritzar les propietats mecàniques i estructurals del morter, proporcionant resultats coherents amb els altres assaigs realitzats. No obstant això, en cap dels assaigs la variació ja sigui positiva o negativa, supera al 10% així que no son gaire representatius. Estudi de sensitivitat de la piezoresistivitat de morters 5.4 Resultats assaig de flexotracció Les dades obtingudes per a la interpretació dels resultats es detallen a l'annex, en la taula 6. A la taula 5 es pot observar la resistència a la flexotracció de les provetes. Tipus proveta Força mitjana màxima (N) Resistència a flexotracció (Mpa) Variació propietat (%) Referència 2496,049 5,850 - M80_0.05 2756,149 6,460 10,42 M80_0.1 2761,465 6,472 10,63 M150_0.05 2519,928 5,906 0,96 M150_0.1 2285,615 5,357 -8,43 Taula 5. Resultats assaig flexotracció La resistència a flexotracció, indica la capacitat del material per suportar esforços combinats de flexió i tracció abans de trencar-se. A partir de les dades obtingudes, es veu que en les provetes amb les dues concentracions de la fibra M80 existeix un increment en la resistència a flexotracció respecte la proveta referència. En el cas de la concentració del 0,05% hi ha un augment en la resistència a compressió del 10,42 % i en la concentració del 0,1% l’augment és del 10,63%. En els dos casos, la variació es superior al llindar del 10% establert. Aquests resultats ens fa pensar que l’addició de fibres M80, tant en concentracions del 0,05% com del 0,1%, té un impacte positiu significatiu en la resistència a flexotracció del morter, millorant la seva capacitat per resistir tensions aplicades en flexió. En canvi, cap de les provetes amb fibres M150 mostren canvis representatius en comparació amb la proveta de referència. En concentracions del 0,05% la variació és inferior al 1% i en concentracions del 0,1% s’observa una disminució de la resistència amb una variació negativa del 8,43%. Aquesta reducció indica que, a concentracions més elevades, les fibres M150 poden tenir un efecte advers en la resistència a flexotracció Si comparem les dues tipologies de fibres podem concloure que les fibres M80, en les concentracions analitzades, son efectives per a millorar la resistència a flexotracció, mentre que les fibres M150 no ofereixen beneficis rellevants i podrien fins i tot perjudicar aquesta propietat mecànica. Així doncs, si l'objectiu és augmentar la resistència a la flexotracció, les fibres M80 es presenten com l'opció preferent. 43 5.5 Resultats assaig de compressió Les dades obtingudes per a la interpretació dels resultats es detallen a l'annex, en la taula 7. A la taula 6 es pot observar la resistència a la compressió de les provetes. Tipus proveta Força mitjana (kN) Resistència a compressió (MPa) Variació propietat (%) Referència 47,848 29,905 - M80_0.05 50,225 31,390 4,97 M80_0.1 51,214 32,009 7,03 M150_0.05 47,146 29,466 -1,47 M150_0.1 53,464 33,415 11,74 Taula 6. Resultats assaig compressió En aquest assaig de compressió s’ha calculat la capacitat del morter a suportar forces compressives abans de trencar-se. Amb la taula 6 es mostra que per les dues concentracions de la fibra M80 existeix un increment en la resistència a compressió respecte la proveta referència. En el cas de la concentració del 0,05% hi ha un augment en la resistència a compressió del 4,97% i en la concentració del 0,1% l’augment és del 7,03%. En cap dels dos casos, la variació es superior al llindar del 10% establert, això indica que malgrat l’addició de fibres M80 que millora lleugerament la resistència a compressió, l’increment no és suficient per considerar que l’efecte és significatiu. Per altre banda, les provetes amb fibres M150 mostren canvis representatius en comparació amb la proveta de referència. En concentracions del 0,05% la variació és negativa, pero en cap cas es inferior al 10% per tant no és significativa . En concentracions del 0,1% s’observa augment de la resistència amb una variació del 11,74%. Tenint en compte els resultats representats en l’apartat 5.4 Resultats assaig de flexotracció on les fibres M150 a altes concentracions disminueixen la seva resistència a flexotracció, cal destacar que aquesta mateixa fibra incrementa la resistència a compressió. Si comparem les dues tipologies de fibres podem concloure que, tot i que les variacions en les fibres M80 no són representatives, mostren una tendència que podria significar que, amb un augment en la concentració de fibres com explicat en l’article Effect of Carbon and Steel Fibers on the Strength Properties and Electrical Conductivity of Fiber-Reinforced Cement Mortar [22], les variacions podrien pasar a ser significatives. D'altra banda, les fibres M150 mostren un comportament variable segons la concentració. A baixes concentracions (0,05%), no es veu una millora en la resistència a compressió. Mentre que, a concentracions més altes (0,1%), es produeix un increment del 11,74%, considerat significatiu. Això indica que, en aplicacions on la resistència a compressió és clau , aquestes fibres, les M150, podrien ser una opció preferent, sempre que es facin servir en la proporció adequada Estudi de sensitivitat de la piezoresistivitat de morters 5.6 Resultats assaig piezoresitivitat Com no sabíem quin tipus d’ona ens mostraria els millors resultats, si la sinus, la triangular, la quadrada o la soroll, vam decidir fer una prova amb la proveta M150_0,1% i una càrrega de 4kN ja que teòricament amb aquesta concentració de fibres i amb aquesta càrrega es veuria clarament si hi ha canvis o no. En els tres primers tipus d’ona , sinus, triangular i quadrada, vam fer 4 assaigs combinant dues freqüències, 1Hz i 10Hz, amb dos voltatges de pic a pic, 1V i 5V. Per altra banda quan apliquem una ona de so, no pots decidir la freqüència només el voltatge així que només vàrem fer dues lectures. Un cop fetes totes les lectures es van analitzar els resultats, per fer-ho amb l’Excel obtingut amb el BenchView es van posar en un gràfic i es va observar si hi havia algun tipus de tendència. En la figura 44 no observem cap tipus de tendència el que implica que no realitzarem assaigs amb aquestes característiques. mentre que en el gràfic de la figura 45 sí que s’observa una tendència i una diferència abans i després de la descàrrega. Figura 44. Gràfic sense canvis clars Figura 45. Gràfic soroll amb canvis clars En la següent taula 7, es pot veure de forma esquemàtica en quins assaig es van obtenir millors resultats. Es va veure com a freqüències elevades (10Hz) era quan millor s’observaven els canvis i que en l’ona sinusoidal i la soroll els salts en la intensitat eren més notables. Per aquesta raó es va decidir fer assaigs amb ona sinusoidal a 10Hz a 1 i 5V i amb l’ona soroll només a 5V. 45 4kN 1Hz-1V 10Hz-1V 1Hz-5V 10Hz-5V SINUS No Canvis Canvis clars No Canvis Canvis clars QUADRADA No Canvis Canvis petits No Canvis Canvis petits TRIANGULAR No Canvis Canvis petits No Canvis Canvis petits SOROLL No Canvis Canvis clars Taula 7. Resum ones amb millors resultats 5.6.1 Procediment d’obtenció de les dades i càlcul de resultats En el laboratori farem una prova per obtenir la variació de corrent en la descàrrega per després mitjançant la llei d’Ohm obtenir el valor de la variació de la resistència abans i després de la descàrrega. Cal tenir en compte que es treballa en corrent alterna. Per cada assaig s’obté un arxiu Excel del multímetre i un altre de les galgues, això vol dir que al final de tots els assaigs es tindran 84 Excels del multímetre i 84 de les galgues. Per al càlcul de resultats s’ha realitzat el mateix procediment, independentment de la tipologia d’ona. 1. Càlcul de variació intensitat de cada proveta: Es comença graficant la intensitat en funció del temps i s’observa si gràficament hi ha una variació de la intensitat abans i després d’aplicar la descàrrega. Si no observem canvis en l’intensitat no analitzem els valor de deformació obtingudes per les galgues. En la figura 46 podem veure un exemple de gràfic obtingut. En aquest cas es veu clarament que en el segon 240 aproximadament es quan s’ha aplicat la descàrrega i els valors d’intensitat han disminuït una mica. Figura 46. Gràfic variació intensitat M150_010-sin-4kN-10Hz-5V Un cop s’ha obtingut el gràfic i s’ha comprovat que hi ha un canvi en el comportament, es realitza la mitjana del valor de la intensitat abans i després de la descàrrega. 2. Càlcul de variació deformació de cada proveta: Per totes les provetes en les que s’ha observat una variació de la intensitat, es procedeix a analitzar les dades obtingudes amb les galgues. Estudi de sensitivitat de la piezoresistivitat de morters El primer pas es tarar els dos canals, a continuació calcular la mitjana de la deformació abans (Mitjana sup CH1 i CH2) i després de la descàrrega (Mitjana inf CH1 i CH2) de cadascun dels canals. La deformació final s’obté calculant la mitjana de les mitjanes superiors e inferiors dels dos canals i restant la inferior menys la superior. 𝑀𝑖𝑡𝑗𝑎𝑛𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 = 𝑀𝑖𝑡𝑗𝑎𝑛𝑎(𝑀𝑖𝑡𝑗𝑎𝑛𝑎 𝑠𝑢𝑝 𝐶𝐻1 ; 𝑀𝑖𝑡𝑗𝑎𝑛𝑎 𝑠𝑢𝑝 𝐶𝐻2) (8.a) 𝑀𝑖𝑡𝑗𝑎𝑛𝑎 𝑖𝑛𝑓𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 = 𝑀𝑖𝑡𝑗𝑎𝑛𝑎(𝑀𝑖𝑡𝑗𝑎𝑛𝑎 𝑖𝑛𝑓 𝐶𝐻1 ; 𝑀𝑖𝑡𝑗𝑎𝑛𝑎 𝑖𝑛𝑓 𝐶𝐻2) (8.b) 𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖ó = 𝑀𝑖𝑡𝑗𝑎𝑛𝑎 𝑖𝑛𝑓𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 − 𝑀𝑖𝑡𝑗𝑎𝑛𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 (8.c) 3. Càlcul de la resistència Per calcular la resistència com es coneix el voltatge i intensitat, s’aplica la llei d’Ohm: V=R·I Com estem treballant en corrent alterna, s’ha d’utilitzar el valor eficaç del voltatge. 𝑉𝐸𝑓𝑖𝑐𝑎ç =𝑉𝑝𝑝 2√2 (9.a) 𝑅𝑜=𝑉𝑒𝑓𝑓𝑖𝑐𝑎ç 𝑀𝑖𝑡𝑗𝑎𝑛𝑎 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑎𝑡 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 (9.b) 𝑅𝐹=𝑉𝑒𝑓𝑓𝑖𝑐𝑎ç 𝑀𝑖𝑡𝑗𝑎𝑛𝑎 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑎𝑡 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 (9.c) △ 𝑅 = 𝑅𝐹− 𝑅𝑜 (9.d) La fórmula 9.b es per calcular la resistència sense cap càrrega aplicada, per això s’utilitza la intensitat final, ja que es l’obtinguda després de la descàrrega. 4. Càlcul de la variació relativa de la resistència Un cop aplicada la formula 9.d, es divideix per la resistència inicial per obtenir la variació relativa. Finalment obtenim un gràfic on en l’eix de les abscisses trobem la deformació i en l’eix d’ordenades tenim la variació relativa de la resistència. Es fa la recta de regressió, on el pendent, que equival al “factor de galga” buscat, ens relaciona la deformació amb la variació de la resistència. Un cop fets tots aquest passos s’obtindrà un gràfic com el de la figura 47: Figura 47. Gràfic deformació-variació resistència M150_0.10-sin-10Hz-5V En l’annex es poden consultar totes les gràfiques i taules mencionades per a la realització del post procés. 47 Per l’assaig de piezoresistivitat, a més de les provetes fetes al laboratori, utilitzarem unes altres amb fibres C6 en concentracions del 0,05% i 0,10% realitzades per un altre estudiant en un treball previ. Aquestes fibres també són de carboni de la mateixa marca [19] però en canvi de ser “milled” són “chopped”. L’objectiu de comprar les dues tipologies de fibres es per veure amb quina de les dues s’obtenen millors resultats [34]. 5.6.2 Resultats ona sinus Un cop realitzat el post procés mencionat es procedeix a recopilar tots els pendents obtinguts per poder fer anàlisi complert. Tipologia proveta Equació de la recta Pendent Coeficient de determinació 𝑹𝟐 Referència a 10Hz i 1V y = 5E-05x - 0,0008 5E-05 𝑹𝟐= 0,6084 Referència a 10Hz i 5V y = 5E-05x + 0,0003 5E-05 𝑹𝟐= 0,8933 C6_0.05 a 10Hz i 1V y = 4E-05x - 0,0004 4E-05 𝑹𝟐= 0,7511 C6_0.05 a 10Hz i 5V y = -9E-06x + 0,0062 -9E-06 𝑹𝟐= 0,0084 C6_0.10 a 10Hz i 1V y = 4E-05x + 0,0003 4E-05 𝑹𝟐= 0,9132 C6_0.10 a 10Hz i 5V y = 6E-05x - 0,0009 6E-05 𝑹𝟐= 0,7012 M80_0.05 a 10Hz i 1V y = -1E-05x + 0,0026 -1E-05 𝑹𝟐= 0,1113 M80_0.05 a 10Hz i 5V y = 5E-05x - 0,0002 5E-05 𝑹𝟐= 0,4789 M80_0.10 a 10Hz i 1V y = 9E-05x + 0,0015 9E-05 𝑹𝟐= 0,8594 M80_0.10 a 10Hz i 5V y = 8E-05x - 0,0004 8E-05 𝑹𝟐= 0,8510 M150_0.05 a 10Hz i 1V y = 4E-05x + 0,0012 4E-05 𝑹𝟐= 0,3150 M150_0.05 a 10Hz i 5V y = 2E-05x + 0,0006 2E-05 𝑹𝟐= 0,4544 M150_0.10 a 10Hz i 1V y = 3E-05x + 0,0007 3E-05 𝑹𝟐= 0,6991 M150_0.10 a 10Hz i 5V y = 2E-05x + 0,0029 2E-05 𝑹𝟐= 0,0294 Taula 8. Recopilació factor de galga ona sinus Estudi de sensitivitat de la piezoresistivitat de morters Figura 48. Variació factor de galga ona sinus Les proves de piezoresistivitat amb ona sinus mostren una clara influència del voltatge aplicat i de la composició del morter en els resultats obtinguts. Quan s’aplica un voltatge de 5 V, generalment s’obtenen pendents més elevats, cosa que indica una major sensibilitat piezoresistiva. No obstant això, aquests resultats sovint es presenten amb coeficients de determinació (R²) baixos, que reflecteixen una menor consistència en l’ajust lineal. D’altra banda, les proves a 1 V mostren en general pendents més baixos, però amb una millor fiabilitat gràcies a coeficients de determinació més alts, com es veu en composicions com C6_0.10 i M80_0.10, que mostren resultats consistents i ajustos de qualitat. Pel que fa a les composicions, es destaquen les provetes M80_0.10 al presentar un bon equilibri entre sensibilitat i consistència en ambdós voltatges, fent-los candidats idonis per aplicacions en què es necessiti mesurar de manera precisa la piezoresistivitat. En canvi, les composicions com M150, independentment del voltatge, mostren pendents baixos i coeficients de determinació poc fiables, la qual cosa les fa menys adequades per a aquest tipus d’aplicació. 55 Tenint un factor de galga més elevat millora la capacitat de monitoritzar l’estat tensional del morter, que es un dels objectius d’aquest estudi. o Morter amb fibres M150: Al comparar els factors de galga de les provetes amb fibres M150 amb el morter sense fibres, observem que l’addició de fibres no te un efecte en la piezoresistivitat ja que el factor de galga és igual i en alguns casos més petit. Si s’utilitzessin morters amb aquestes fibres es necessitarien deformacions més grans per obtenir canvis significatius en la resistència elèctrica cosa que podria endarrerir la identificació de problemes estructurals. Tenint en compte els assaigs mecànics i el de piezoresistivitat, es pot concloure que afegir fibres M80 ha millorat el comportament del morter ja que s’ha millorat la seva durabilitat i capacitat per absorbir carregues i que es poden detectar deformacions amb més facilitat, contribuint a un manteniment més eficient i segur del morters amb aquestes fibres. Cal tenir en compte que per la realització d’aquest estudi, com s’ha disposat d’un temps limitat només s’ha pogut fer l’estudi de la piezoresistivitat en una proveta de cada tipus, per poder extreure unes conclusions més completes s’haurien de fer varius canvis: o Més repeticions: fer les proves en vàries provetes amb les concentracions actuals, per assegurar-nos que aquestes conclusions continuen sent les mateixes. o Variació de la concentració: Seria interessant veure quina seria la resposta que obtindríem amb una major concentració de fibres, fins a tenir un 0,3% o 0,4% com es comenta en "Effect of Carbon and Steel Fibers on the Strength Properties and Electrical Conductivity of Fiber-Reinforced Cement Mortar" [22]. o Impacte de la composició del morter: Alterar la composició bàsica del morter per estudiar si un canvi en els components afecta el factor de galga. Es podria investigar l’ús de materials més sostenibles. o Combinació de fibres: Experimentar amb combinacions de fibres, com barrejar fibres de carboni amb altres fibres (com acer o vidre o fins i tot fibres naturals) per estudiar si hi ha efectes sinèrgics que millorin el comportament piezoresistiu i mecànic. Estudi de sensitivitat de la piezoresistivitat de morters 9. Bibliografia [1] Espana 642955091, H. impreso G. G. G. (s.d.). ¿Cuál es la Diferencia entre cemento, mortero y hormigón? Galistar. Recuperat 29 desembre 2024, de http://www.galistar.es/diferencia-cemento-mortero-hormigon/ [2] Admin, B. (2022, juliol 27). ¡Cemento, mortero y hormigón no son lo mismo! Bricopared | Beissier. https://www.bricopared.com/2022/07/27/cemento-mortero-y-hormigon-no-son-lomismo/ [3] Drougkas, A., Sarhosis, V., Basheer, M., D’Alessandro, A., & Ubertini, F. (2023). Design of a smart lime mortar with conductive micro and nano fillers for structural health monitoring. Construction and Building Materials, 367, 130024. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.130024 [4] Malinowski, R. «Ancient mortars and concretes: Aspects of their durability.» History of Technology 7th Annual Volume,1982: 89-101. [5] José Ignacio Álvarez Galindo, Antonio Martín Pérez y Pedro J. García Casado. Departamento de Química y Edafología, Facultad de Ciencias. Universidad de Navarra. (s/f). Historia de los Morteros. https://www.researchgate.net/publication/273110688_Historia_de_los_morteros [6] Introducción a los Morteros—Construmatica. (s.d.). Recuperat 2 gener 2025, de https://www.construmatica.com/construpedia/Introducci%C3%B3n_a_los_Morteros [7] Drougkas, A., Sarhosis, V., Basheer, M., D’alessandro, A., & Ubertini, F. (2023). Electromechanical testing of smart lime mortars for structural health monitoring. European Workshop on Structural Health Monitoring, 4-7 July 2022, vol.I, 755-763. https://doi.org/10.1007/978-3-031-07254-3_76 [8] Birgin, H. B., D’Alessandro, A., Laflamme, S., & Ubertini, F. (2021). Hybrid Carbon Microfibers-Graphite Fillers for Piezoresistive Cementitious Composites. Sensors (Basel, Switzerland), 21(2), 518. https://doi.org/10.3390/s21020518 [9] Faria, P., Duarte, P., Barbosa, D., & Ferreira, I. (2017). New composite of natural hydraulic lime mortar with graphene oxide. Construction and Building Materials, 156, 1150. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.09.072 [10] Loamrat, K., Sappakittipakorn, M., Sukontasukkul, P., & Banthia, N. (2014). Effect of Carbon Fiber and Graphite Powder on Resistivity of Cement-based Sensor under Compression. KMUTNB International Journal of Applied Science and Technology, 7, 29-35. https://doi.org/10.14416/j.ijast.2014.01.005 [11] Zhao, Y., Zhang, J., Qiang, S., Lu, H., & Li, J. (2024). Effect of carbon fibers and graphite particles on mechanical properties and electrical conductivity of cement composite. Journal of Building Engineering, 94. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2024.110036 [12] Classification of textile fibers and examples of various types of... (s.d.). ResearchGate. Recuperat 2 gener 2025, de https://www.researchgate.net/figure/Classification-of-textilefibers-and-examples-of-various-types-of-fibers-Natural-fibers_fig2_377302924 [13] Santillán Alarcón, N. E. (2020). Utilización de fibras naturales para el desarrollo de morteros reforzados con fibras [Master thesis, Universitat Politècnica de Catalunya]. https://upcommons.upc.edu/handle/2117/192804 57 [14] Rojas Torres, Á. M. (2015). Adición de la fibra de coco en el hormigón y su incidencia en la resistencia a compresión. http://repositorio.uta.edu.ec/handle/123456789/17066 [15] Concreto, P. S. I. (2024, juny 6). Fibra para concreto: Guía de tipos y usos l PSI Concreto. PSI CONCRETO. https://psiconcreto.com/fibras-para-concreto-tipos-usos/ [16] Webmaster. (2019, maig 5). Fibras: Su utilización en Hormigones y Morteros. Asociación Argentina del Hormigón Elaborado. https://hormigonelaborado.com/fibras-suutilizacion-en-hormigones-y-morteros/ [17] OSORIO, J. D. (2022, juny 7). EL CONCRETO REFORZADO CON FIBRAS DE VIDRIO. 360 EN CONCRETO. https://360enconcreto.com/blog/detalle/el-concretoreforzado-con-fibras-de-vidrio/ [18] Petrova, M. (2024, juliol 31). Hormigón kevlar: Composición, propiedades y tecnología de fabricación. StroyComfort1.com. https://stroycomfort1.com/es/concrete-with-kevlar/ [19] PANOX Oxidized PAN Fibers. (s.d.). Recuperat 2 gener 2025, de https://www.sglcarbon.com/en/markets-solutions/material/panox-oxidized-pan-fibers/ [20] Xiang Shu, Graham, R. K., Baoshan Huang, & Burdette, E. G. (2015). Hybrid effects of carbon fibers on mechanical properties of Portland cement mortar. Materials & Design, 65, 1222-1228. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2014.10.015 [21] Efecto piezoresistivo: Definición y función | Kistler. (s.d.). Recuperat 4 gener 2025, de https://www.kistler.com/ES/es/efecto-piezorresistivo/C00000142 [22] Jun, H.-M., Seo, D.-J., Lim, D.-Y., Park, J.-G., & Heo, G.-H. (2023). Effect of Carbon and Steel Fibers on the Strength Properties and Electrical Conductivity of Fiber-Reinforced Cement Mortar. Applied Sciences, 13(6), Article 6. https://doi.org/10.3390/app13063522 [23] Productos. (s.d.). Cemento Natural Tigre. Recuperat 3 gener 2025, de https://cementonaturaltigre.com/productos/ [24] SikaPlast®-1003 NG. (s.d.). Recuperat 3 gener 2025, de https://esp.sika.com/es/construccion/construir/Aditivos-hormigon-mortero/sikaplast-1003ng.html [[25] Hormigón, C. T. C. (2020). Métodos de ensayo de los morteros para albañilería Parte 11: Determinación de la resistencia a flexión y a compresión del mortero endurecido. https://plataforma-aenormas-aenor-com.recursos.biblioteca.upc.edu/pdf/UNE/N0063703 [26] Universitat Politècnica de Catalunya. (s.d.). Manual d'acollida a l'estudiantat en prevenció de riscos laborals. Universitat Politècnica de Catalunya. [27] Universitat Politècnica de Catalunya. (s.d.). Innovació Tecnològica per a Estructures i Materials - Laboratori LITEM. Universitat Politècnica de Catalunya. [28] Incosuma, Blogger. «Pruebas Ultrasónicas en Hormigón». incosuma (blog), 11 de julio de 2017. https://www.incosuma.es/pruebas-ultrasonicas-hormigon/. Estudi de sensitivitat de la piezoresistivitat de morters [29] Industrial Physics. «¿Qué Es El Módulo de Elasticidad?» Accedido el 25 de noviembre de 2024. https://industrialphysics.com/es/base-de-conocimientos/articulos/pruebas-demodulo-de-elasticidad/. [30] Bernat-Maso, Ernest, Elitsa Teneva, Christian Escrig, y Lluís Gil. «Ultrasound Transmission Method to Assess Raw Earthen Materials». Construction and Building Materials 156 (diciembre de 2017): 555-64. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.09.012. [31] «Módulo elástico y coeficiente de Poisson de materiales cerámicos». Accedido el 27 de noviembre de 2024. https://www.sonelastic.com/es/fundamentos/tablas-propiedadesmateriales/ceramicas.html. [32] «Método de ensayos ultrasonicos». (s.f.). Accedido el 23 de noviembre de 2024. https://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2099.1/6154/07.pdf?sequence=8&isAllowed=y [33] González,E. y Alloza,A.M. (s/f). Métodos de ensayo de cementos. Determinación de resistencias mecánicas. https://campusvirtual.ull.es/ocw/pluginfile.php/2082/mod_page/content/1/FichasTemas/tema 08-resistenciacto.pdf [34] Martínez Coma, N. (2024). Estudi de l’ús de microfibres de carboni per la fabricació de morters intel·ligents [Bachelor thesis, Universitat Politècnica de Catalunya]. https://upcommons.upc.edu/handle/2117/415484 [35] ODS Objetivos de Desarrollo Sostenible | Pacto Mundial ONU. (s.d.). Pacto Mundial. Recuperat 4 gener 2025, de https://www.pactomundial.org/que-puedes-hacer-tu/ods/