Estudio de la función de prevención y curación de heladas ... · cuando me lo ofreció era ......

ESTUDIO DE LA FUNCIN DE PREVENCIN Y CURACIN DE HELADAS EN PASTAS Y

HORMIGONES CONDUCTORES MEDIANTE LA ADICIN DE MATERIALES CARBONOSOS

Luis Ban Blzquez
www.ua.eswww.eltallerdigital.com

universidad de alicante departamento de ingeniera civil

tesis doctoral

estudio de la funcin de prevencin y curac in de he ladas en pastas y hormigones conductores mediante la adi cin de material es carbonosos

DEPARTAMENTO DE INGENIERA CIVIL

ESCUELA POLITCNICA SUPERIOR

ESTUDIO DE LA FUNCIN DE PREVENCIN Y

CURACIN DE HELADAS EN PASTAS Y

HORMIGONES CONDUCTORES MEDIANTE LA

ADICIN DE MATERIALES CARBONOSOS

Autor:

LUIS BAN BLZQUEZ Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos e Ingeniero Gelogo

Tesis presentada para aspirar al grado de DOCTOR POR LA UNIVERSIDAD DE ALICANTE

PROGRAMA DE DOCTORADO EN INGENIERA DE MATERIALES, ESTRUCTURAS Y TERRENO: CONSTRUCCIN SOSTENIBLE

Dirigida por:

DR. PEDRO GARCS TERRADILLOS Catedrtico de Universidad. Doctor en Ciencias Qumicas

DR. SCAR GALAO MALO Doctor en Ingeniera de Materiales, Agua y Terreno

La presente tesis doctoral ha sido desarrollada dentro del proyecto PROMETEO/2013/035: MATERIALES

CEMENTANTES CONDUCTORES MULTIFUNCIONALES INTELIGENTES, dirigido por el Dr. Pedro Garcs

Terradillos y financiado por la Generalitat Valenciana

A mi familia y a mis amigos: pasados, presentes y futuros

Un viaje de mil millas comienza con un paso

Lao-Tse

AGRADECIMIENTOS

La tesis doctoral suele definirse como un trabajo cientfico original realizado

individualmente que suponga una aportacin al conocimiento en un campo cientfico

concreto.

Creo humildemente que esta definicin no es del todo correcta, ya que si bien la autora del

trabajo y el grado acadmico alcanzado se atribuyen a una nica persona el doctorando

es categricamente falso que ste haya elaborado el trabajo de forma individual. Es ms, si

as fuera, la realizacin de este ejercicio acadmico carecera de sentido alguno.

Una tesis doctoral la escriben muchas ms personas, y cada una de ellas desempea un

importante cometido. Sin su concurso, este documento incluidas las lneas que usted est

leyendo en este mismo instante no hubiera sido posible. Por ello, creo que es de justicia

acordarme de todas ellas y agradecerles el haber dedicado parte de su valioso tiempo y su

decidido apoyo a esta noble causa.

El estricto protocolo acadmico me obliga a empezar por agradecer sinceramente al

tribunal acadmico el tiempo e inters que con toda seguridad han dedicado a leer este

trabajo y a preparar las siempre oportunas preguntas, correcciones y sugerencias que

recibir tras mi disertacin.

A continuacin, me referir a mis compaeros, amigos y a la sazn directores de esta tesis,

los doctores Pedro Garcs y scar Galao. A Pedro, cuya humanidad, oficio y buen hacer en

esto de la investigacin est fuera de toda duda, le agradezco enormemente la oportunidad

que me ha brindado al proponerme desarrollar esta lnea de investigacin, sobre todo por

el delicado momento personal que acababa de atravesar. Una de las razones que me dio

cuando me lo ofreci era que quera contribuir a mi recuperacin anmica e intelectual, y

ciertamente lo ha logrado. Desde el fondo de mi corazn, muchsimas gracias por hacerlo

posible.

De scar puedo asegurar que de malo slo tiene su segundo apellido. Sus buenos

consejos y su dilatada experiencia en el campo de la investigacin con materiales

multifuncionales han sido muy importantes durante todo este tiempo, pero an ms

decisivas han sido su actitud, su constancia, su paciencia y su comprensin cuando me

fallaban las fuerzas. Y los siempre socorridos cafelitos que tanto me ayudaban a relajarme,

y tambin a procrastinar. Por ello tambin le estar eternamente agradecido.

Tambin me gustara citar a Csar Garca, actual director de mi departamento, que deposit

su confianza en m como secretario y con el que compart cuatro productivos aos de

gestin departamental. Gracias por apoyar y alentar mis iniciativas, por la comprensin a la

hora de compaginar las obligaciones del cargo con la realizacin de este trabajo, y por

intentar reunir voluntades para entre todos hacer un departamento, una escuela y una

universidad mejor.

Muchos otros compaeros y amigos con los que comparto el da a da en la universidad

tambin forman parte indisoluble de este autor y de esta tesis. Gracias Borja, Luis, Salva,

Ana, Antonio, Jos Miguel, Enrique, Javi, David, Esther, Isabel, Roberto, Miguel, Javier,

Adrin, Miguel ngel, Vicente, Beln, Marcos, Emilio, Victoriano, Pilar, Pedro, Gabi y otros

muchos que me dejo en el tintero. En cualquier caso, sabis que os aprecio y os agradezco

vuestro incondicional apoyo.

Como colofn de estas lneas de agradecimiento, me gustara reconocer la impagable e

inconmensurable labor de mi familia y mis amigos por su paciencia durante estos aos de

tesis y por todo el apoyo y cario recibido durante los ya cuarenta aos que me adornan. Y

por qu no, gracias tambin a Pupi, una perrita muy buena y muy guapa que encontr

abandonada hace ya 10 aos, y que con su maravillosa forma de ser me da constantemente

lecciones de vida. Las que verdaderamente importan.

I

RESUMEN

Los materiales multifuncionales, tambin denominados materiales activos o materiales

inteligentes, poseen atributos ms all de la primordial resistencia y rigidez, que tpicamente

conduce la ciencia y la ingeniera en los materiales para sistemas estructurales. As, los

materiales estructurales pueden ser rediseados para tener integracin elctrica,

magntica, ptica, trmica y posiblemente otras funcionalidades, que trabajan en sinergia

para proporcionar ventajas ms all de la suma de las capacidades individuales, y con las

cuales es posible desarrollar un sinfn de aplicaciones, que van desde las militares hasta las

ms convencionales en la vida diaria. Este tipo de materiales son capaces de responder de

modo reversible y controlable ante diferentes estmulos fsicos o qumicos externos,

modificando alguna de sus propiedades.

En las ltimas dcadas se han presentado a la comunidad cientfica un nmero significativo

de estudios sobre distintas matrices con adicin de fibras de carbono, polvo de grafito o

fibras de acero, como elemento conductor. Por otra parte, ms recientemente la

nanotecnologa ha experimentado tremendos avances en muy distintos mbitos

cientficos. Dentro de este campo destacan especialmente los nanotubos de carbono (NTC)

y las fibras y nanofibras de carbono (NFC) por sus apreciables cualidades mecnicas,

trmicas y elctricas. Sin embargo, a pesar de la gran cantidad de avances en muy diversos

materiales compuestos y aplicaciones prcticas componentes electrnicos, sensores,

matrices polimricas, metlicas o cermicas, etc. se ha prestado escasa atencin al

potencial uso de aquellos en matrices cementicias. Es ms, la mayora de estos trabajos se

han centrado ms en la utilizacin de NTC que en la de NFC.

Muchos mtodos y tcnicas que han sido investigadas para la eliminacin del hielo en

carreteras causan enormes prdidas en vidas humanas, infraestructuras y materiales. Los

mtodos mecnicos de eliminacin de la nieve son los ms usados, pero, a su vez, son

I I

costosos, caros y lentos. Adems, no se elimina la totalidad de la nieve en la va, dejando

una delgada capa que afecta muy negativamente a la friccin entre neumtico y pavimento.

Otra de las formas de eliminacin de hielo en carreteras o aeropuertos es empleando

agentes qumicos, siendo muchos de ellos perjudiciales tanto para el hormign armado

como para las estructuras metlicas viaductos, obras de paso, pistas de aeropuertos, as

como nocivos para el medio ambiente.

El objetivo fundamental de este trabajo puede ser resumido como el estudio de la funcin

de calefaccin en distintos materiales en base cemento mediante la adicin de materiales

carbonosos. Para ello, se realizarn diversos estudios experimentales encaminados a

valorar el comportamiento de los citados materiales modificados, as como sus posibles

aplicaciones en la explotacin de determinadas infraestructuras de transporte.

La presente tesis doctoral se estructura en tres partes bien diferenciadas, junto con las

pertinentes conclusiones generales y futuras contribuciones previstas, as como de las

referencias empleadas para su elaboracin. Tambin consta de un anexo en el que se

incluyen los datos experimentales obtenidos en los ensayos con pastas conductoras de

cemento y que, por su extensin, no se ha considerado oportuno incluir en el cuerpo del

documento.

La primera parte se centra en analizar el estado del arte en materia de compuestos

cementicios multifuncionales, comprendiendo los materiales carbonosos que los integran,

las tcnicas empleadas para su dispersin en la matriz cementicia, las propiedades

termoelctricas de los materiales y las aplicaciones trmicas de los materiales cementicios

conductores de la electricidad.

En la segunda parte se aborda el estudio experimental de la funcin de calefaccin en

pastas de cemento conductoras, realizando diversos ensayos especficos para determinar

su viabilidad, as como el ajuste a modelos fsico-matemticos de los resultados obtenidos.

Por ltimo, se lleva a cabo un estudio experimental de deshielo mediante calefaccin

En la tercera y ltima parte se aborda la caracterizacin de hormigones conductores

multifuncionales y su estudio como elementos de calefaccin empleados en la prevencin

de la formacin de hielo y el deshielo de pavimentos. Tambin se aplica el modelo fsico-

matemtico previamente empleado en pastas con el fin de validar su utilidad en

hormigones y se plantea un anlisis de viabilidad preliminar sobre la posibilidad de aplicar

esta tcnica en pavimentos de puentes y pistas aeroportuarias, as como su coste

energtico estimado.

I I I

NDICE DE CONTENIDOS

RESUMEN .......................................................................................................................................................... I

NDICE DE CONTENIDOS .............................................................................................................................. III

NDICE DE FIGURAS ...................................................................................................................................... VII

NDICE DE TABLAS ......................................................................................................................................... XI

CAPTULO 1 INTRODUCCIN .................................................................................................................... 1

1.1 ALCANCE DE LA INVESTIGACIN ................................................................................................ 2

1.2 ESTRUCTURA DE LA TESIS DOCTORAL ...................................................................................... 3

1.3 PRINCIPALES CONTRIBUCIONES DE LA TESIS DOCTORAL ..................................................... 4

PARTE I ESTADO DEL ARTE .................................................................................................................... 7

CAPTULO 2 COMPUESTOS CEMENTICIOS MULTIFUNCIONALES ........................................................ 9

2.1 MATERIALES CARBONOSOS ADICIONADOS A COMPUESTOS CEMENTICIOS ................... 11

2.1.1 Polvo de grafito .................................................................................................................. 11

2.1.2 Fibra de carbono ................................................................................................................. 13

2.1.3 Nanomateriales de carbono .............................................................................................. 16

2.2 PROPIEDADES FUNCIONALES DE LOS MCCM ........................................................................ 21

2.2.1 Posibles aplicaciones en Ingeniera Civil .......................................................................... 22

CAPTULO 3 DISPERSIN DE MATERIALES CARBONOSOS EN MATRICES CEMENTANTES............ 29

3.1 NANOMATERIALES ..................................................................................................................... 29

3.2 FIBRAS DE CARBONO ................................................................................................................. 31

IV

CAPTULO 4 PROPIEDADES TERMOELCTRICAS DE LOS MATERIALES CEMENTICIOS

CONDUCTORES .......................................................................................................................................... 35

4.1 RESISTIVIDAD ELCTRICA .......................................................................................................... 35

4.1.1 Efecto Joule ........................................................................................................................ 38

4.2 TRANSFERENCIA DE CALOR ...................................................................................................... 40

4.2.1 Conduccin. Ley de Fourier............................................................................................... 40

4.2.2 Conveccin. Ley del enfriamiento de Newton ............................................................... 41

4.2.3 Radiacin. Ley de Stefan-Boltzmann ............................................................................... 44

4.3 CONDUCTIVIDAD TRMICA Y CALOR ESPECFICO ................................................................. 45

CAPTULO 5 APLICACIONES TRMICAS DE LOS MATERIALES CEMENTICIOS ................................. 49

5.1 FUNCIN DE CALEFACCIN Y DESHIELO ................................................................................ 50

5.2 MEDIDA DE LA TEMPERATURA ................................................................................................. 54

PARTE II ESTUDIOS REALIZADOS EN PASTAS DE CEMENTO ........................................................... 57

CAPTULO 6 ESTUDIO DE LA FUNCIN DE CALEFACCIN EN PASTAS DE CEMENTO

CONDUCTORAS .......................................................................................................................................... 59

6.1 MATERIALES ................................................................................................................................ 59

6.1.1 Cemento .............................................................................................................................. 59

6.1.2 Materiales carbonosos ....................................................................................................... 60

6.2 FABRICACIN DE LAS PROBETAS ............................................................................................ 60

6.2.1 Dispersin del material carbonoso .................................................................................. 61

6.2.2 Amasado de la pasta .......................................................................................................... 62

6.2.3 Proyeccin en los moldes .................................................................................................. 62

6.3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ........................................................................................... 63

6.3.1 Acondicionamiento de la probeta para el ensayo.......................................................... 64

6.3.2 Realizacin del ensayo de calefaccin ............................................................................. 66

6.3.3 Otros ensayos efectuados ................................................................................................ 67

6.4 RESULTADOS Y DISCUSIN ....................................................................................................... 69

6.4.1 Variacin de la resistencia elctrica con la humedad .................................................... 71

6.4.2 Homogeneidad de la temperatura de la superficie de la probeta .............................. 73

6.4.3 Influencia del contenido de adiciones y del potencial aplicado en la variacin de

temperatura de la pasta ..................................................................................................................... 75

6.4.4 Curvas de variacin de temperatura frente al tiempo .................................................. 78

6.4.5 Influencia del contenido de humedad en el comportamiento de las probetas ......... 82

6.4.6 Repetitividad ....................................................................................................................... 83

6.5 CONCLUSIONES .......................................................................................................................... 84

V

6.5.1 Relativas a las caractersticas de las probetas ................................................................. 85

6.5.2 Relativas a los ensayos de calefaccin ............................................................................. 85

CAPTULO 7 MODELO TERICO DE LA FUNCIN DE CALEFACCIN EN PASTAS DE CEMENTO

CONDUCTORAS .......................................................................................................................................... 87

7.1 SUPUESTOS PARA LLEVAR A CABO LA MODELIZACIN ....................................................... 88

7.2 MODELO MATEMTICO ............................................................................................................. 89

7.2.1 Modelizacin de la subetapa 1.a de calentamiento ....................................................... 90

7.2.2 Modelizacin de la subetapa 1.b de calentamiento ...................................................... 93

7.2.3 Modelizacin de la etapa 2 de enfriamiento .................................................................. 94

7.3 VALIDACIN EXPERIMENTAL DEL MODELO PROPUESTO ................................................... 96

7.3.1 Anlisis de sensibilidad....................................................................................................... 98

7.4 CONCLUSIONES ......................................................................................................................... 100

CAPTULO 8 APLICACIN DE LA FUNCIN DE DESHIELO EN PASTAS DE CEMENTO

CONDUCTORAS ........................................................................................................................................ 101

8.1 MATERIALES Y FABRICACIN DE LAS PROBETAS ................................................................ 101

8.2 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL .......................................................................................... 103

8.3 RESULTADOS Y DISCUSIN ..................................................................................................... 104

8.3.1 Caractersticas de las probetas ....................................................................................... 104

8.3.2 Ensayos de deshielo a temperatura ambiente ............................................................. 105

8.3.3 Ensayos de fusin de hielo a -20C ................................................................................. 109

8.4 CONCLUSIONES ......................................................................................................................... 110

PARTE III ESTUDIOS REALIZADOS EN HORMIGONES ...................................................................... 113

CAPTULO 9 ESTUDIO DE LA FUNCIN DE CALEFACCIN EN HORMIGONES CONDUCTORES .. 115

9.1 MATERIALES ............................................................................................................................... 115

9.1.1 Cemento ............................................................................................................................ 115

9.1.2 Fibras de carbono ............................................................................................................. 116

9.1.3 ridos ................................................................................................................................. 116

9.1.4 Humo de slice ................................................................................................................... 116

9.1.5 Aditivos .............................................................................................................................. 118

9.2 FABRICACIN DE PROBETAS .................................................................................................. 119

9.3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL .......................................................................................... 121

9.3.1 Ensayos en condiciones ambientales ............................................................................. 122

9.3.2 Ensayos de prevencin y curacin .................................................................................. 122


9.4.1 Condiciones ambientales durante los ensayos ............................................................. 124

VI

9.4.2 Ensayos de prevencIn .................................................................................................... 127

9.4.3 Ensayos de curacin ......................................................................................................... 128

9.5 CONCLUSIONES ........................................................................................................................ 130

CAPTULO 10 ESTUDIO ENERGTICO Y ECONMICO .................................................................... 131

10.1 VALORES DE REFERENCIA ....................................................................................................... 131

10.2 CASOS ANALIZADOS ................................................................................................................ 132

10.3 CARACTERSTICAS DEL MATERIAL CONDUCTOR EMPLEADO ........................................... 133

10.4 TIPO DE ACTUACIONES SELECCIONADAS ............................................................................. 133

10.4.1 Condiciones atmosfricas ............................................................................................... 134

10.5 CLCULOS EFECTUADOS ......................................................................................................... 134

10.5.1 Actuaciones curativas ...................................................................................................... 134

10.5.2 Actuaciones preventivas ................................................................................................. 136


10.7 CONCLUSIONES ........................................................................................................................ 139

PARTE IV OBSERVACIONES FINALES .................................................................................................. 141

CAPTULO 11 CONCLUSIONES GENERALES ..................................................................................... 143

CAPTULO 12 FUTURAS CONTRIBUCIONES ...................................................................................... 147

CAPTULO 13 REFERENCIAS ............................................................................................................... 149

ANEXO RESULTADOS EXPERIMENTALES Y MODELIZACIN DE ENSAYOS CON PASTAS ............... 157

VII

NDICE DE FIGURAS

Figura 1. Fundamento estructural de las principales tecnologas del hormign. a) Hormign

armado; b) Hormign pretensado ............................................................................................. 2

Figura 2. Pasarela peatonal sobre el Barranco de las Ovejas (Alicante), de 43.5 metros de luz,

realizada con UHPFRC .............................................................................................................. 10

Figura 3. Estructura laminar hexagonal del grafito .............................................................................. 12

Figura 4. Aspecto visual del mineral de grafito, masivo y con brillo metlico (izquierda) y del

polvo de grafito, ms oscuro y mate (derecha) .................................................................... 12

Figura 5. Microestructura de una fibra de carbono (izquierda) y comparacin al microscopio

con un cabello humano (derecha) .......................................................................................... 13

Figura 6. Diferentes estructuras carbonosas: A) Fullerenos C60; B) Negro de carbono; C)

Nanotubos (NTC); D) Nanofibras (NFC); E) Grafeno ............................................................. 17

Figura 7. Clases de nanotubos de carbono segn su geometra: A) de pared simple (SWCNT);

B) de pared mltiple (MWCNT) ............................................................................................... 18

Figura 8. Aspecto al microscopio electrnico de barrido (SEM) de formaciones de nanotubos

en haces: A) de pared simple (SWNTC); B) de pared mltiple (MWNTC) (Holzinger

et al, 2012) ................................................................................................................................. 19

Figura 9. Esquema de distintas estructuras de NFC cuya orientacin vara respecto al eje de

las lminas grafnicas y comparacin con los NTC (Bulushev & Yuranov 2004) ............... 20

Figura 10. Configuracin para el ensayo de monitorizacin del trfico: A) vista tridimensional

y contactos elctricos; B) Mecanismo de carga; C) Montaje de los cepillos de carbn

de los sensores. Dimensiones en pulgadas. (Chung 2003) .................................................. 23

Figura 11. Efecto de la tensin en la resistencia elctrica para un hormign con fibra de

carbono en cantidades del (a) 0.5% y (b) 1.0% en masa de cemento(Chung 2003) ........ 24

Figura 12. Efecto de la velocidad del vehculo en la resistencia elctrica para una tensin

constante en hormign con fibra de carbono en cantidades del (a) 0.5% y (b) 1.0%

en masa de cemento (Chung 2003) ........................................................................................ 25

VIII

Figura 13. Dispersin de NFC en medio acuoso con surfactante (fotografa SEM a la

izquierda) y efecto de los granos de cemento en la dispersin de NFC y NTC en el

que los granos mayores crean zonas en las que no se encuentran nanofilamentos

incluso despus de la hidratacin (esquema centro y derecha) (Tyson et al. 2011) ......... 30

Figura 14. Deteccin del umbral de percolacin a travs de la resistividad en una pasta de

cemento con fibra de carbn de 3 mm. empleando DC medida de 4 puntas (Baeza

2011) ........................................................................................................................................... 32

Figura 15. Esquema del proceso de conveccin en la capa de contorno sobre una placa plana:

a) Transicin del flujo; b) Transicin de la temperatura ....................................................... 43

Figura 16. Dispositivo de ultrasonidos modelo Hielscher UP200S empleado para la

dispersin de las fibras ............................................................................................................. 62

Figura 17. Proceso de proyeccin de la pasta conductora: a) Pistola para proyeccin

empleada; b) Proyeccin del material cementicio conductor previamente

amasado; c) y d) Desmoldado de las probetas una vez endurecidas .................................. 63

Figura 18. Detalle del contacto electrodo-probeta empleado para realizar los ensayos de

calefaccin en pastas conductoras ......................................................................................... 64

Figura 19. Esquema de la preparacin de la probeta de pasta de cemento conductora para

la realizacin del ensayo de calefaccin ................................................................................. 65

Figura 20. Ubicacin de los sensores de temperatura Pt100, adheridos a la superficie de la

probeta de pasta de cemento conductora en su cara superior .......................................... 65

Figura 21. Montaje experimental llevado a cabo, indicndose: 1) fuente DC; 2) multmetro

digital; 3) mdulo de adquisicin de datos; 4) probeta y conexiones (detalle a la

derecha); 5) equipo de toma de datos con software especfico ......................................... 66

Figura 22. Cmara termogrfica FLIR E30 (izquierda) e imagen termogrfica obtenida

(derecha) ..................................................................................................................................... 67

Figura 23. Recipiente en el que se introdujeron las probetas de pasta de cemento para lograr

su saturacin en agua ............................................................................................................... 68

Figura 24. Relacin entre la densidad de la probeta seca y la relacin agua/cemento

empleada en el amasado (R2=0.78) ......................................................................................... 71

Figura 25. Lecturas de temperatura a lo largo del tiempo obtenidas en ensayo de calefaccin

a 100 V DC, pasta 1% NTC y HR 100%: sensores y ambiente (arriba) y temperatura

media de la probeta (abajo) ..................................................................................................... 74

Figura 26. Imagen termogrfica de la probeta de pasta de cemento sometida a ensayo de

calefaccin a 100 V DC, 1% NTC y HR 100% .......................................................................... 75

Figura 27. Curvas de temperatura y potencia frente al tiempo para ensayo de calefaccin

sobre pastas de cemento, 0% NFC a 100 V DC y HR 100% .................................................. 75







Figura 31. Comparativa de curvas de calentamiento para las distintas dosificaciones de NFC

empleadas en el estudio, realizadas a 100 V DC y HR 100% ................................................ 77

IX

Figura 32. Mximo incremento de temperatura alcanzado por la probeta en los ensayos de

calefaccin realizados en pastas de cemento, para los diferentes voltajes y

dosificaciones empleados ........................................................................................................ 78

Figura 33. Ejemplos significativos de curvas de variacin de la temperatura y potencia

elctrica aplicada frente al tiempo: a) PG 5%, a/c = 1, 50 V; b) Patrn 0%, a/c = 0.35,

100 V; c) PG 5%, a/c = 0.5, 150 V ; d) NFC 2%, a/c = 0.5, 100 V ; e) NTC 2%, a/c = 0.8,

50 V ; f) NFC 5%, a/c = 0.85, 150 V .......................................................................................... 80

Figura 34. Variacin experimental de la temperatura con el tiempo, con diferentes

contenidos de humedad (mayor en el ensayo 1 y menor en el ensayo 3) para

probetas con 5% NFC a 150 V DC ........................................................................................... 82

Figura 35. Variacin experimental de la potencia con el tiempo con diferentes contenidos

de humedad (mayor en el ensayo 1 y menor en el ensayo 3) para probetas con 5%

NFC a 150 V DC.......................................................................................................................... 83

Figura 36. Comparacin de los resultados experimentales obtenidos en dos ensayos

efectuados sobre la misma probeta (100 V DC, pasta 1% NTC y HR 100%) ..................... 84

Figura 37. Curvas experimentales de variacin de la temperatura y la potencia en el tiempo

obtenidas sobre probeta de pasta de cemento 1% NFC, a/c = 0.42 a 100 V DC .............. 88

Figura 38. Correlacin lineal obtenida en la etapa inicial de calentamiento..................................... 91

Figura 39. Relacin entre la cp del material de la probeta y su humedad ......................................... 92

Figura 40. Representacin de la potencia aplicada frente al incremento de temperatura

producido cuando se ha alcanzado el rgimen estacionario en pastas conductoras

de cemento ................................................................................................................................ 94

Figura 41. Correlacin del enfriamiento y obtencin del valor de la pendiente hA/(mcp) para

el supuesto estudiado .............................................................................................................. 95

Figura 42. Modelizacin del ensayo ejemplo y comparacin con el experimental .......................... 97

Figura 43. Influencia en la temperatura del voltaje aplicado sobre la probeta ................................ 98

Figura 44. Influencia en la temperatura de la resistencia elctrica de la probeta ............................ 99

Figura 45. Influencia en la temperatura alcanzada del producto de la masa de la probeta por

el calor especfico del material que la constituye ................................................................. 99

Figura 46. Proceso de fabricacin de la placa de hielo sobre la probeta ......................................... 102

Figura 47. Esquema de las probetas empleadas para ensayos de deshielo tras su fabricacin

y acondicionamiento .............................................................................................................. 102

Figura 48. Esquema del montaje de las probetas empleadas para ensayos de deshielo .............. 103

Figura 49. Colocacin de la probeta de pasta conductora de cemento para la realizacin del

ensayo de deshielo ................................................................................................................. 103

Figura 50. Montaje del experimento de deshielo de pastas de cemento conductoras, en

condiciones laboratorio (izquierda) y en congelador (derecha) ....................................... 104

Figura 51. Variacin experimental del hielo fundido frente al tiempo a temperatura

ambiente, sin aplicar corriente elctrica sobre la probeta ................................................ 106

Figura 52. Variacin experimental del hielo fundido acumulado frente al tiempo a

temperatura ambiente, aplicando 125 V en los extremos de la probeta de NFC 5% ... 106


temperatura ambiente, aplicando 90 V en los extremos de la probeta de NTC 1% ...... 107


temperatura ambiente, aplicando 50 V en los extremos de la probeta de NTC 2% ...... 107

X

Figura 55. Variacin de la temperatura superficial de la probeta de 2% de NTC con una capa

de hielo de 5 mm sobre sus caras al aplicarle 50 V DC .......................................................108

Figura 56. Comparacin entre las velocidades de fusin de las diferentes probetas ....................109

Figura 57. Variacin experimental de potencia y masa de hielo fundido acumulada frente al

tiempo a -20 C en la probeta de pasta de cemento NTC 2% ...........................................110

Figura 58. Formacin de estalactitas de hielo en la probeta durante el ensayo de deshielo a

temperatura exterior de -20 C .............................................................................................110

Figura 59. (a) Geometra de las probetas y posicin de los sensores de temperatura Pt100;

(b) Configuracin experimental para ensayos de calefaccin y deshielo ........................120

Figura 60. Aspecto de las probetas de hormign conductor tras su fabricacin: (a) vista

superior; (b) detalle del espesor ............................................................................................121

Figura 61. Temperatura superficial de una de las probetas de hormign conductor durante

ensayo controlada con cmara termogrfica FLIR E30 ......................................................122

Figura 62. Variacin de la resistividad elctrica frente a la temperatura: (a) 20 V y 25 V, AC y

DC, en ensayos de prevencin; (b) 20 V y 25 V, AC y DC, en ensayos de curacin ..........124

Figura 63. Ensayos en condiciones ambientales a diferentes voltajes: a) 10 V AC; b) 10 V DC;

c) 20 V AC; d) 20 V DC; e) 25 V AC; f) 25 V DC ......................................................................125

Figura 64. Comparacin de la temperatura entre los resultados experimentales y el modelo

matemtico propuesto para ensayos en CL a diferentes tipos de voltaje: a) 20 V AC;

b) 20 V DC .................................................................................................................................126

Figura 65. Ensayos de prevencin realizados a voltajes prefijados de: a) 20 V AC; b) 20 V DC;

c) 25 V AC; d) 25 V DC .............................................................................................................128

Figura 66. Ensayos de curacin realizados a voltajes constantes: a) 20 V AC; b) 20 V DC; c) 25

V AC; d) 25 V DC .......................................................................................................................129

XI

NDICE DE TABLAS

Tabla 1. Propiedades del grafito a temperatura ambiente (Kirk-Othmer 2007) .............................. 13

Tabla 2. Propiedades de distintos tipos de fibras de carbono (Kirk-Othmer 2007) ......................... 16

Tabla 3. Resistividades habituales de algunos materiales conductores ............................................ 37

Tabla 4. Rango de valores habituales del coeficiente de conveccin en distintos medios ............ 44

Tabla 5. Valores habituales de conductividad trmica de diversos materiales de

construccin, ordenados decrecientemente ........................................................................... 46

Tabla 6. Valores orientativos del calor especfico en diferentes materiales habitualmente

empleados en construccin........................................................................................................ 47

Tabla 7. Resumen de las caractersticas principales de varios fundentes como elemento de

accin contra heladas (Yehia & Tuan 1999) .............................................................................. 51

Tabla 8. Ejemplos de sistemas de calefaccin (Yehia & Tuan 1999) ................................................... 52

Tabla 9. Comparacin de la eficiencia de distintas adiciones para conseguir calentar pastas

de cemento a partir de una temperatura ambiente de 19 C (Chung 2004c) ..................... 53

Tabla 10. Anlisis qumico del cemento Portland EN 197-1 CEM I 52,5 R utilizado en el

estudio .......................................................................................................................................... 60

Tabla 11. Dosificaciones empleadas para la confeccin de probetas de pasta de cemento

conductora .................................................................................................................................... 61

Tabla 12. Caractersticas fsicas de las probetas ensayadas: patrn 0%: sin adiciones; PG:

polvo de grafito; FCP: fibra de carbono en polvo; NFC: nanofibras de carbono; NTC:

nanotubos de carbono ................................................................................................................ 70

Tabla 13. Resistencia elctrica de las probetas ensayadas. 0%: sin adiciones; PG: polvo de

grafito; FCP: fibra de carbono en polvo; NFC: nanofibras de carbono; NTC:

nanotubos de carbono ................................................................................................................ 72

Tabla 14. Ensayos realizados y resumen de resultados. Se presenta a/c, voltaje aplicado,

potencia media, mxima e inicial, mximo incremento de temperatura y la prdida

XII

de masa. 0%: sin adiciones; PG: polvo de grafito; FCP: fibras de carbono en polvo;

NFC: nanofibras de carbono; NTC: nanotubos de carbono; (R): repeticin .......................... 81

Tabla 15. Pendientes de enfriamiento, calentamiento (hA/mcp) y cp obtenidas a partir de

los ensayos efectuados en pastas conductoras de cemento ................................................. 92

Tabla 16. Resistencia elctrica de las probetas de pasta de cemento congeladas a -20C y

comparacin con los valores obtenidos a temperatura ambiente ......................................105

Tabla 17. Propiedades de las fibras de carbono empleadas en el estudio.......................................116

Tabla 18. Propiedades del humo de slice empleado en el estudio ..................................................118

Tabla 19. Dosificacin del hormign empleado para la fabricacin de las probetas ......................119

Tabla 20. Resumen de los resultados obtenidos en los ensayos de calefaccin en placas de

hormign conductor ..................................................................................................................123

Tabla 21. Resumen de los requerimientos energticos y econmicos para los distintos

casos analizados .........................................................................................................................138

LUIS BAN BLZQUEZ 1

CAPTULO 1 INTRODUCCIN

La Ingeniera Civil es la disciplina de la Ingeniera que aplica de forma combinada

conocimientos de diversas ciencias, tales como las Matemticas, la Mecnica, la Hidrulica

y la Fsica, para encargarse del diseo, construccin y mantenimiento de las infraestructuras

emplazadas en el entorno, incluyendo carreteras, ferrocarriles, puentes, canales, presas,

puertos, aeropuertos, diques y otras construcciones relacionadas, siendo asimismo una

prctica inherente al inicio de las primeras civilizaciones. Las prcticas ms tempranas se

remontan al periodo comprendido entre los aos 4000 y el 2000 a. C. en el Antiguo Egipto

y Mesopotamia, cuando los humanos comenzaron a abandonar la existencia nmada y

empezaron a asentarse en el territorio. En aquel tiempo, la necesidad de transportar bienes

y personas empez a acrecentar su importancia, lo que llev al desarrollo de

infraestructuras cada vez ms complejas para permitir el uso de los vehculos primigenios.

Desde entonces, la tecnologa de la construccin no ha dejado de perfeccionarse,

aprovechndose del avance general de la ciencia y de la tcnica, empleando materiales cada

vez ms elaborados que mejoraban y aumentaban las prestaciones que ofreca cualquier

infraestructura.

Hoy en da, los productos derivados del cemento son, junto con el acero, materiales

fundamentales en la edificacin y en la prctica totalidad de construcciones civiles. Los

sucesivos avances efectuados en ciencia y tecnologa del hormign han ido incrementando

progresivamente sus cualidades estructurales, primero con la combinacin del hormign

con el acero -hormign armado- y ms tarde con las tcnicas de pretensado (Figura 1) que

le permitan afrontar con toda eficacia nuevos diseos ms exigentes dotados de grandes

CAPTULO 1

2 TESIS DOCTORAL

luces. Todo ello sin olvidar las mejoras efectuadas por la creciente calidad y optimizacin de

la dosificacin de componentes, as como el empleo de aditivos que proporcionan las

cualidades y ventajas necesarias para cada caso particular.

Figura 1. Fundamento estructural de las principales tecnologas del hormign.

a) Hormign armado; b) Hormign pretensado

No obstante, la industria de la construccin contina apostando por la innovacin y el

desarrollo de nuevas tecnologas. As, en los ltimos aos, adems de los considerables

avances a nivel de exigencia estructural, ha tomado un papel muy destacado la necesidad

de que las estructuras aporten funciones no estructurales de valor aadido sin menoscabar

su cometido primordial, la resistencia mecnica. El tipo de materiales empleados en estas

estructuras de nueva generacin se denominan genricamente materiales multifuncionales.

1.1 ALCANCE DE LA INVESTIGACIN

En las ltimas dcadas, la industria de la construccin ha continuado apostando por la

innovacin y el desarrollo de nuevas tecnologas. As, adems de los considerables avances

experimentados a nivel de exigencia estructural, ha tomado un papel muy destacado la

necesidad de que las estructuras aporten funciones no estructurales de valor aadido sin

afectar negativamente a su resistencia mecnica. Esta multifuncionalidad se consigue

incorporando al material compuesto de matriz en base cemento distintas adiciones que

deben conferir un nuevo y amplio rango de aplicaciones. Una de estas aplicaciones es la

funcin trmica, que consiste en el calentamiento que puede conseguirse al hacer pasar

una corriente elctrica a travs del material cementante, si este posee suficiente

conductividad elctrica.

Muchos mtodos y tcnicas que han sido investigadas para la eliminacin del hielo en

carreteras causan enormes prdidas en vidas humanas, infraestructuras y materiales. Los

mtodos mecnicos de eliminacin de la nieve son los ms usados, pero, a su vez, son

costosos, caros y lentos. Adems, no se elimina la totalidad de la nieve en la va, dejando

ARMADURA ACTIVA

ARMADURA PASIVA

ACCIN SOBRE LA ESTRUCTURA

ACCIN SOBRE LA ESTRUCTURA

SECCIN

SECCIN

FT

FP

a)

b)

INTRODUCCIN

LUIS BAN BLZQUEZ 3

una delgada capa que afecta muy negativamente a la friccin entre neumtico y pavimento.

Otra de las formas de eliminacin de hielo en carreteras o aeropuertos es empleando

agentes qumicos, siendo muchos de ellos perjudiciales tanto para el hormign armado

como para las estructuras metlicas viaductos, obras de paso, pistas de aeropuertos, as

como nocivos para el medio ambiente.

El objetivo fundamental de este trabajo puede ser resumido como el estudio de la funcin

de calefaccin en distintos materiales en base cemento mediante la adicin de materiales

carbonosos. Para ello, se realizarn diversos estudios experimentales encaminados a

valorar el comportamiento de los citados materiales modificados, as como sus posibles

aplicaciones en la explotacin de determinadas infraestructuras de transporte.

A continuacin se enumeran los diferentes objetivos especficos planteados para completar

el alcance propuesto:

Estudiar el efecto de diferentes adiciones de carbono en la resistencia elctrica de las pastas de cemento.

Evaluar la influencia de la humedad y otros factores extrnsecos sobre el rendimiento de este tipo de materiales cementicios.

Analizar la funcin de calefaccin en pastas conductoras mediante ensayos de larga duracin, empleando diferentes proporciones de adiciones y voltajes.

Observar la distribucin y homogeneidad de la temperatura en las probetas calefactadas, as como la consistencia de los resultados en el tiempo.

Plantear y validar un modelo fsico-matemtico que se ajuste al comportamiento observado experimentalmente en los ensayos de calefaccin.

Comprobar la capacidad de deshielo mediante calefaccin de los materiales cementicios conductores en situaciones de baja temperatura ambiental.

Extender los ensayos de calefaccin a hormigones conductores aditivados con fibras de carbono, y analizar su viabilidad como elementos a emplear en la

prevencin y curacin de heladas.

Analizar de forma preliminar la viabilidad tcnica y econmica de este tipo de sistemas para su aplicacin en diversas infraestructuras de transporte.

1.2 ESTRUCTURA DE LA TESIS DOCTORAL

La presente tesis doctoral se estructura en tres partes bien diferenciadas, junto con las

pertinentes conclusiones generales y futuras contribuciones previstas, as como de las

referencias empleadas para su elaboracin. Tambin consta de un anexo en el que se

CAPTULO 1

4 TESIS DOCTORAL

incluyen los datos experimentales obtenidos en los ensayos con pastas conductoras de

cemento y que, por su extensin, no se ha considerado oportuno incluir en el cuerpo del

documento.

La primera parte se centra en analizar el estado del arte en materia de compuestos

cementicios multifuncionales, comprendiendo los materiales carbonosos que los integran,

las tcnicas empleadas para su dispersin en la matriz cementicia, las propiedades

termoelctricas de los materiales y las aplicaciones trmicas de los materiales cementicios

conductores de la electricidad.

En la segunda parte se aborda el estudio experimental de la funcin de calefaccin en

pastas de cemento conductoras, realizando diversos ensayos especficos para determinar

su viabilidad, as como el ajuste a modelos fsico-matemticos de los resultados obtenidos.

Por ltimo, se lleva a cabo un estudio experimental de deshielo mediante calefaccin

En la tercera y ltima parte se aborda la caracterizacin de hormigones conductores

multifuncionales y su estudio como elementos de calefaccin empleados en la prevencin

de la formacin de hielo y el deshielo de pavimentos. Tambin se aplica el modelo fsico-

matemtico previamente empleado en pastas con el fin de validar su utilidad en

hormigones y se plantea un anlisis de viabilidad preliminar sobre la posibilidad de aplicar

esta tcnica en pavimentos de puentes y pistas aeroportuarias, as como su coste

energtico estimado.

1.3 PRINCIPALES CONTRIBUCIONES DE LA TESIS DOCTORAL

A continuacin se resumen las principales contribuciones al estado actual del conocimiento

aportadas por el presente trabajo de investigacin:

Se han caracterizado las propiedades termoelctricas de pastas de cemento con diferentes adiciones carbonosas, valorando su viabilidad como elementos

calefactantes en diferentes condiciones de humedad y temperatura.

Se ha analizado la validez de dichos materiales conductores para producir suficiente energa como para provocar la fusin de una placa de hielo sobre su superficie en

diferentes condiciones ambientales.

Se han diseado y caracterizado probetas de hormign conductor con fibras de carbono, verificando su idoneidad como elemento de calefaccin en situaciones de

prevencin de formacin de hielo superficial y de curacin en temperaturas por

debajo de cero grados centgrados.

Se ha planteado y validado un modelo fsico-matemtico que se ajusta al comportamiento observado experimentalmente en los ensayos de calefaccin.

INTRODUCCIN

LUIS BAN BLZQUEZ 5

Se han realizado estudios concluyentes de carcter preliminar sobre la viabilidad tcnica y econmica de la aplicacin de esta tecnologa para la eliminacin de nieve

y hielo en diversas infraestructuras de transporte.

Fruto de los estudios realizados en esta tesis doctoral ha derivado una primera publicacin

cientfica en la revista Materials MDPI, con factor de impacto de 2.728 y situada en el primer

cuartil JCR (Q1) en la categora Materials Science, Multidisciplinary:

Galao, O.; Ban, L.; Baeza, F.J.; Carmona, J.; Garcs, P. Highly Conductive Carbon Fiber Reinforced Concrete for Icing Prevention and Curing. Materials 2016, 9, 281. DOI: 10.3390/ma9040281
http://dx.doi.org/10.3390/ma9040281

PARTE I ESTADO DEL ARTE

LUIS BAN BLZQUEZ 9

CAPTULO 2 COMPUESTOS CEMENTICIOS

MULTIFUNCIONALES

Los materiales multifuncionales, tambin denominados materiales activos o materiales

inteligentes, poseen atributos ms all de la primordial resistencia y rigidez, que tpicamente

conduce la ciencia y la ingeniera en los materiales para sistemas estructurales. As, los

materiales estructurales pueden ser rediseados para tener integracin elctrica,

magntica, ptica, trmica y posiblemente otras funcionalidades, que trabajan en sinergia

para proporcionar ventajas ms all de la suma de las capacidades individuales, y con las

cuales es posible desarrollar un sinfn de aplicaciones, que van desde las militares hasta las

ms convencionales en la vida diaria. Este tipo de materiales son capaces de responder de

modo reversible y controlable ante diferentes estmulos fsicos o qumicos externos,

modificando alguna de sus propiedades.

Por su sensibilidad y el control en la modificacin de alguna de sus propiedades, dichos

materiales pueden ser utilizados para el diseo y desarrollo de sensores, actuadores y

productos multifuncionales, as como poder tambin llegar a configurar estructuras y

sistemas inteligentes de aplicaciones mltiples. Las llamadas estructuras inteligentes son

aquellas que, gracias a la combinacin de materiales que las integran, son capaces de

automodificarse y autorregularse para adaptarse a las condiciones que se les ha marcado

como ptimas.

Los materiales de base cemento presentan de forma general un buen comportamiento

mecnico. Tradicionalmente, las lneas de investigacin de los materiales cementicios

empleados en edificacin y obra civil han estado fundamentalmente orientadas al estudio

CAPTULO 2

10 TESIS DOCTORAL

de sus propiedades mecnicas y su durabilidad, debido que las exigencias prestacionales se

focalizaban en el correcto desempeo de la funcin estructural a lo largo de la vida til del

elemento a construir. Fruto de estos esfuerzos, actualmente se dispone de hormigones de

alto rendimiento (UHPC) capaces alcanzar resistencias a compresin simple superiores a los

150 MPa, empleando en ocasiones para tal finalidad adiciones de fibras de materiales

metlicos o polimricos. Un ejemplo reciente del empleo de hormigones de muy alto

rendimiento con fibras (UHPFRC) podemos encontrarlo en la propia ciudad de Alicante,

concretamente en la pasarela peatonal que atraviesa la desembocadura del Barranco de las

Ovejas (Lopez et al. 2014; Serna et al. 2015), actualmente en servicio, tal y como se observa

en la Figura 2.

Figura 2. Pasarela peatonal sobre el Barranco de las Ovejas (Alicante), de 43.5

metros de luz, realizada con UHPFRC

En la actualidad, la demanda de estructuras inteligentes, capaces de detectar determinados

estmulos y responder a ellos de forma adecuada, ha provocado que la industria de la

construccin ya no se plantee nicamente emplear materiales estructurales con excelentes

propiedades mecnicas y de durabilidad, sino que adems persigue que incorporen otras

funciones aadidas. Por ello, hoy en da numerosas lneas de investigacin trabajan en el

desarrollo de materiales multifuncionales que combinen propiedades estructurales y

funcionales (Chen & Chung 1993; Chung 2001a; Chung 2000a; Chung 2004a; Chung 2002a;

Chung 2001c; Muthusamy et al. 2010; Zornoza et al. 2010; Baeza 2011), aportando as un

valor aadido a la construccin de la que forman parte.

En los ltimos aos ha surgido una tendencia en esta lnea que persigue la mejora de

algunas propiedades intrnsecas del material principalmente elctricas que deriven en

nuevas funciones complementarias de carcter no estructural. El carcter dielctrico que

los materiales cementicios poseen de manera natural puede ser modificado

sustancialmente mediante la adicin de materiales conductores de la electricidad tales

COM PUESTOS CEM ENTICIOS M ULTIFUNCIONALES

LUIS BAN BLZQUEZ 11

como los materiales carbonosos o las fibras de acero obtenindose as compuestos

conductores con un nuevo y extenso rango de aplicaciones, manteniendo o incluso en

algunos casos mejorando sus caractersticas estructurales. De este modo, se est

transformando un material cementicio convencional en un material cementicio conductor

multifuncional (MCCM).

2.1 MATERIALES CARBONOSOS ADICIONADOS A COMPUESTOS CEMENTICIOS

Como se ha comentado anteriormente, la conductividad natural de la matriz de un cemento

es muy baja, pero al aadirle una adicin conductora el compuesto de matriz cementante

resultante puede presentar una conductividad elctrica mucho mayor.

Los materiales carbonosos poseen una alta conductividad trmica aunque no tan elevada

como los metales, un bajo coeficiente de expansin trmica, inferior al de los metales,

siendo adems altamente resistentes a la corrosin (Garcs et al. 2012; Garcs et al. 2005;

Garcs et al. 2007), lo cual hace de ellos candidatos idneos para aplicaciones trmicas en

compuestos cementicios multifuncionales, como puede ser la calefaccin en viviendas o el

deshielo de pavimentos.

Entre las posibles adiciones que pueden incrementar la conductividad elctrica estn los

compuestos carbonosos, tales como el polvo de grafito, las fibras de carbono y los

nanomateriales de carbono (nanofibras y nanotubos). A continuacin, se detallarn los

aspectos ms destacados de cada uno de los compuestos anteriormente mencionados.

2.1.1 POLVO DE GRAFITO

El grafito es una de las formas alotrpicas en las que se puede presentar el carbono, junto

al diamante, los fullerenos, los nanotubos y el grafeno. A presin atmosfrica y temperatura

ambiente es termodinmicamente ms estable que el diamante, sin embargo, la

descomposicin del diamante es tan extremadamente lenta que slo es apreciable a escala

geolgica. Fue denominado as por Abraham Gottlob Werner en el ao 1789, derivndolo

del griego (graphein), que significa escribir.

Como se observa en la Figura 3, el grafito presenta una estructura laminar. En cada capa,

los tomos de carbono estn dispuestos conformando una red hexagonal, con una

separacin entre ellos de 0.142 nm, y una distancia entre capas de 0.335 nm, valor que es

ms del doble del correspondiente al radio de Van der Waals de un tomo de C, de modo

que la atraccin existente entre las capas es muy dbil. Cada una de estas capas se

denomina grafeno, por lo que el grafito puede considerarse como un apilamiento de un

gran nmero de lminas de grafeno superpuestas. Es precisamente esta estructura laminar

la que confiere al grafito un marcado carcter anistropo.

CAPTULO 2

12 TESIS DOCTORAL

La estructura laminar interna del grafito explica una de sus propiedades ms interesantes:

su capacidad para conducir la electricidad. Una situacin semejante se observa en el caso

del mdulo elstico y la resistencia, siendo estos valores en la direccin axial de 1020 GPa y

98 GPa respectivamente, frente a los 34 GPa de mdulo que se obtienen en el plano

transversal, ya que los enlaces que se forman en esta direccin son de tipo Van der Waals.

Figura 3. Estructura laminar hexagonal del grafito

El grafito, al igual que el diamante, es un mineral semimetlico. Su aspecto es de color negro

con brillo metlico, refractario y se fcilmente exfoliable (Figura 4). En la direccin

perpendicular a las capas presenta una conductividad de la electricidad baja, que aumenta

con la temperatura. A lo largo de las capas la conductividad elctrica es mucho mayor y

tambin es directamente proporcional a la temperatura. En la Tabla 1 se presentan algunas

de sus propiedades.

Figura 4. Aspecto visual del mineral de grafito, masivo y con bril lo metlico

(izquierda) y del polvo de grafito, ms oscuro y mate (derecha)

El grafito se encuentra en yacimientos naturales y se puede extraer, pero tambin se

produce artificialmente. Se consume sobre todo para materiales refractarios, para bateras,

en la fabricacin de lpices, para zapatas de frenos, en las aceras y como lubricante. Su

aplicacin en compuestos conductores se realiza en forma de polvo finamente molido (PG).


LUIS BAN BLZQUEZ 13

Tabla 1. Propiedades del grafito a temperatura ambiente (Kirk-Othmer 2007)

Propiedad En la direccin de las capas Perpendicular a

las capas

Resistividad (m) 0.40 60 Mdulo de elasticidad (GPa) 1020 36.5 Resistencia a la traccin (GPa) 96 34 Conductividad trmica (W/(mK)) 2000 10 Coeficiente de expansin trmica (C-1) -0.5 10-6 27 10-6

2.1.2 FIBRA DE CARBONO

La fibra de carbono (FC) es un es una fibra sinttica constituida por finos filamentos en

forma de tubo de entre 5 y 10 m de dimetro (Figura 5), compuestos fundamentalmente

de tomos de carbono enlazados entre s con una microestructura similar a la estructura

hexagonal de grafito, y que estn ms o menos alineados paralelamente a su eje

longitudinal. Sin embargo, las FC no son totalmente cristalinas, sino que se componen tanto

de regiones grafticas como no cristalinas, estas ltimas sin la disposicin ordenada

tridimensional de las redes hexagonales de carbono (Callister 2009). Esta caracterstica no

cristalina hace que las hojas grafticas de tomos de carbono estn al azar, integrando las

hojas, previniendo su corrimiento entre capas e incrementando considerablemente su

resistencia. Varios miles de FC enrolladas entre s dan lugar a una trenza que se puede

utilizar por s misma o tejer en una tela.

Figura 5. Microestructura de una fibra de carbono (izquierda) y comparacin al

microscopio con un cabello humano (derecha)

Las FC se obtienen por carbonizacin a 12001400 C de fibras orgnicas naturales o

sintticas, o de fibras procedentes de precursores orgnicos. Las primeras FC utilizadas

industrialmente se deben a Edison, el cual prepar FC por carbonizacin de filamentos de

fibras de bamb (celulosa) y que fueron utilizadas en la preparacin de filamentos para

lmparas incandescentes. Habra que esperar hasta 1960 para que Union Carbide

CAPTULO 2

14 TESIS DOCTORAL

desarrollara un procedimiento industrial de obtencin de fibras continuas de carbono de

alto mdulo de Young a partir de fibras de rayn. En 1966, FC de alto mdulo y tensin de

ruptura fueron obtenidas a partir de fibras de PAN (poliacrilonitrilo). En esta poca tambin

se desarrollaron FC obtenidas a partir de breas de carbn y petrleo y de resinas fenlicas;

sin embargo, estas FC presentan propiedades mecnicas inferiores y se comercializan como

fibras de carbono de uso general.

El primer estudio realizado sobre hormign reforzado con fibras de carbono (HRFC) fue

publicado por Ali, empleando fibras de carbono continuas basadas en poliacrilonitrilo

(PAN), que no llegaron a derivar en aplicaciones prcticas por ser muy caras, aunque s se

avanz en el conformado de las mismas (Ali et al. 1972). Ya en los aos 80, se desarroll en

Japn el HRFC usando fibras de carbono cortas basadas en breas (pitch-based), ms

asequibles econmicamente, lo que implic un crecimiento en el empleo de las mismas en

la industria de la construccin.

En estos estudios iniciales ya se esbozaba la problemtica de la dispersin de las fibras con

una elevada relacin de aspecto (longitud/dimetro), que impeda una distribucin

uniforme de las fibras en la matriz cementicia. Con el propsito de garantizar la dispersin

uniforme de las fibras en la matriz cementicia y una buena interaccin entre ambas, las

partculas de cemento deban introducirse entre las fibras de carbono. En este sentido,

Briggs recomendaba el uso de cementos con un tamao de partcula inferior a 45 m

(Briggs 1977). En el caso de cementos con tamao de partcula mayor, como el cemento

Portland ordinario, se recomendaba incluir en la dosificacin adiciones de pequeo tamao

de partcula, como la escoria de alto horno o el humo de slice. Igualmente, se recomienda

el uso de aditivos, como la metilcelulosa, que actan como dispersantes de la fibra de

carbono. Este tipo de aditivos funcionan incrementando la viscosidad de la matriz

cementicia, lo que mantiene dispersa la fibra de carbono en la matriz.

Katz y Bentur estudiaron el efecto del uso de humo de slice y fibra de carbono en pastas

de cemento, y valoraron las propiedades mecnicas y microestructurales del compuesto a

corto plazo (Katz & Bentur 1994). En sus conclusiones se aseveraba que el aumento del

contenido de humo de slice mejoraba la trabajabilidad de la pasta fresca y permita

incrementar la fraccin volumtrica de fibras de carbono.

Posteriormente, analizaron la evolucin de la resistencia a flexin y la ductilidad de pastas

de cemento, para edades comprendidas entre 24 horas y 300 das (Katz & Bentur 1995). Se

compararon distintas proporciones de humo de slice y agua, en distintas condiciones de

curado. Las muestras reforzadas con fibras de carbono incluan una fraccin volumtrica fija

de stas del 6%, y se contrast su respuesta frente a otras muestras sin reforzar. Los

resultados mostraron que los compuestos de cemento reforzados con fibras de carbono,

bajo ciertas condiciones, presentaban una mejora en su resistencia hasta las 4 semanas,

aunque a edades mayores se produca una reduccin de hasta el 65% de dicho valor. Los

patrones sin fibra no mostraron esta prdida de propiedades. Por ello, se analizaron todas


LUIS BAN BLZQUEZ 15

las muestras mediante microscopa SEM y porosimetra de intrusin de mercurio,

observndose una densificacin en el tiempo de la matriz o de su interfase con la FC si la

hubiera debido al humo de slice. Las fibras de carbono no presentaron ningn tipo de

ataque qumico que justificase la cada de prestaciones, por lo que los autores concluyen

que debe existir algn otro tipo de mecanismo responsable de las tendencias observadas,

diferente de un deterioro en la interfase entre ambos materiales.

Chen y Chung realizaron uno de los primeros estudios que sentaron las bases del futuro

desarrollo de los hormigones conductores multifuncionales (Chen & Chung 1995).

Demostraron que se podan obtener compuestos con una conductividad elctrica

mejorada, gracias a la adicin de partculas conductoras (fibras de carbono) en una matriz

cementicia no conductora, con otra adicin de humo de slice (relleno no conductor a su

vez). Para alcanzar la mayor efectividad posible, la fraccin de fibra (partculas conductoras)

deba ser pequea y el tamao de las partculas no conductoras lo ms pequeo posible.

Esta optimizacin surga como el resultado de la mejora en la dispersin de las fibras debido

a la presencia del humo de slice, debido al efecto filler. Por lo tanto, el descenso en la

resistividad del compuesto se atribuy directamente a una mejora de la distribucin de las

fibras dentro de la matriz. Un efecto adicional es la mejora de la resistencia a flexin del

compuesto.

Pigeon et al. estudiaron el efecto del uso de fibras de carbono en la retraccin por secado

de morteros de cemento (Pigeon et al. 1996). Tambin estudiaron su accin frente a la

helada. Los resultados mostraron que el uso de estas mismas fibras mejoraba la respuesta

de los morteros, en parte condicionado por la capacidad de aumentar el nivel de oclusin

de aire por parte de estas fibras.

La FC tiene propiedades mecnicas similares al acero y es tan ligera como la madera o el

plstico. Estas propiedades, unidas a su elevado mdulo de traccin y elevada resistencia a

la traccin a temperaturas elevadas, mdulo de elasticidad elevado, baja densidad, alta

resistencia qumica, tolerancia a alta temperatura y expansin trmica baja la hacen muy

popular en la industria aeroespacial y automovilstica, ingeniera civil y militar, as como para

la fabricacin de material deportivo.

Adems, la FC tiene una elevada conductividad elctrica y una baja conductividad trmica,

caractersticas muy valoradas para aplicaciones termoelctricas. Algunas propiedades para

distintos tipos de fibras se muestran en la Tabla 2.

La fibra de carbono es, por tanto, uno de esos materiales que, aadido en proporciones

reducidas a pastas de cemento, morteros u hormigones, puede transformar su gran

resistencia hmica hasta convertirlos en materiales conductores elctricos, como por

ejemplo, el hormign armado con fibra de carbono (CRFC).

CAPTULO 2

16 TESIS DOCTORAL

Tabla 2. Propiedades de distintos tipos de fibras de carbono (Kirk-Othmer 2007)

Propiedad PAN estndar De breas de carbn

Densidad (kg/m3) 1770 1810 2000 2200 Resistividad axial (m) 14 18 7 8.5 Mdulo de elasticidad (GPa) 230 240 160 800 Resistencia a la traccin (GPa) 3.5 4.8 1.4 3.0 Conductividad trmica axial (W/(mK)) 8 14 22 120 Coeficiente de expansin trmica axial (C-1) -0.610-6 -1.310-6 % de carbono 92 - 96 > 99

2.1.3 NANOMATERIALES DE CARBONO

Las posibilidades de la Nanociencia y Nanotecnologa fueron introducidas a la comunidad

cientfica por el premio Nobel Richard P. Feynman en 1959, en un discurso titulado En el

fondo hay espacio de sobra (There's Plenty of Room at the Bottom), impartido el 29 de

diciembre de 1959 en Caltech (Instituto Tecnolgico de California). En l, describa la

posibilidad de la sntesis va la manipulacin directa de los tomos. El trmino

nanotecnologa tal y como se concibe actualmente fue empleado por primera vez por Norio

Taniguchi en el ao 1974, aunque este hecho no es ampliamente conocido.

Desde entonces ha habido tremendos avances en los campos de la qumica, la fsica y la

biologa a nivel molecular y atmico, es decir, en la nanoescala. Aunque el trmino

nanotecnologa se utiliza hoy en da indiscriminadamente para referirse a cualquier rama

de la ciencia en la que intervienen partculas de muy pequeo tamao, comnmente se

define como la comprensin, control y restructuracin de materia en el orden del

nanmetro generalmente menos de 100 nm para crear materiales con nuevas

propiedades y funciones fundamentales (Sanchez & Sobolev 2010; Raki et al. 2010).

Hasta la fecha, los avances y aplicaciones nanotecnolgicas en el campo de los materiales

de construccin han sido heterogneos. Los principales logros vienen de la mano de la

nanociencia de los materiales cementicios, con un sustancial incremento en el

conocimiento y la comprensin de su comportamiento en la nanoescala, como son las

propiedades mecnicas y estructurales de las principales fases hidratadas del cemento, el

origen de la cohesin del cemento, la hidratacin del cemento, interfases en el hormign o

sus mecanismos de degradacin. Los sucesivos progresos en instrumentacin para la

observacin y medida en escalas nanomtricas tales como microscopio de fuerza atmica

(Atomic Force Microscope, AFM) o el microscopio de efecto tnel (Scanning Acoustic

Microscope, SAM) estn proporcionado nueva informacin sobre el hormign, e incluso

en algunos casos rebatiendo creencias previas. Como ejemplo ilustrativo, mediante

microscopa de fuerza atmica se ha podido demostrar que el gel C-S-H no es una fase


LUIS BAN BLZQUEZ 17

amorfa, sino una estructura bien ordenada de nanopartculas cuya formacin se produce a

partir de la aglomeracin de porciones elementales con tamaos del orden de 60305

nm3 (Sanchez & Sobolev 2010).

Entre los distintos tipos de potenciales nanoadiciones, las nanoestructuras de carbono se

consideran candidatos especiales por sus cualidades nicas, entre otras, excelente rigidez,

resistencia y conductividad elctrica (Thostenson et al. 2001; Endo et al. 2001). Las

nanoestructuras de carbono engloban diferentes materiales carbonosos (Figura 6): los

fullerenos, los nanotubos de carbono (NTC), las nanofibras de carbono (NFC), el negro de

carbono y el grafeno.

Figura 6. Diferentes estructuras carbonosas: A) Fullerenos C60; B) Negro de

carbono; C) Nanotubos (NTC); D) Nanofibras (NFC); E) Grafeno

2.1.3.1 Nanotubos y nanofibras de carbono

Los nanotubos y las nanofibras de carbono son materiales filamentosos que presentan

diferentes estructuras, a pesar de que los mecanismos de formacin son similares. La

separacin existente entre los NTC y las NFC no est del todo clara, pero la tendencia es a

considerar las NFC como materiales intermedios entre las fibras micromtricas y los NTC.

Los NTC fueron descubiertos y desarrollados por grupos de investigacin que trabajaban

sintetizando fullerenos macromolculas de carbono individuales, con estructuras cerradas

formadas por varias decenas de tomos de carbono nicamente vaporizando grafito. Por

otro lado, las NFC fueron desarrolladas con objeto de producir unas fibras de carbono

alternativas y ms econmicas que las obtenidas por hilado, utilizando para ello precursores

hidrocarburos en forma de vapor, motivo por el cual estas fibras son denominadas fibras de

CAPTULO 2

18 TESIS DOCTORAL

carbono crecidas en fase de vapor (VGCF, del ingls Vapor-Grown Carbon Fiber; o bien s-

VGCF, sub-micron VGCF, para el caso de filamentos con dimetros inferiores a la micra).

Los nanotubos de carbono (NTC) fueron inicialmente descubiertos por Radushkevich

(Radushkevich 1952). El trmino nanotubo se debe a Sumio Iijima en 1991, ao en el que

comenz su desarrollo (Iijima 1991). Se componen nicamente por carbono y son, por

tanto, una forma alotrpica del mismo. En cuanto a su geometra, estn constituidos por

una o varias lminas grafnicas enrolladas formando uno o varios cilindros concntricos. En

el primer caso reciben el nombre de nanotubos de carbono de capa simple (SWCNT, del

ingls Single-Walled Carbon NanoTube) y en el segundo nanotubos de carbono de capa

mltiple (MWCNT, del ingls Multi-Walled Carbon NanoTube). El dimetro de los SWCNT se

encuentra normalmente entre 1 y 2 nm y su relacin de aspecto suele ser superior a 100.

Los dimetros habituales de los MWCNT suelen variar entre 2 y 25 nm (Figura 7 y Figura 8).

Figura 7. Clases de nanotubos de carbono segn su geometra: A) de pared simple

(SWCNT); B) de pared mltiple (MWCNT)

Las nanofibras de carbono (NFC) son filamentos submicromtricos generados

catalticamente, obtenidas por la interaccin de distintos catalizadores con hidrocarburos

gaseosos cuyo crecimiento se produce en fase de vapor con un tamao que las sita entre

los NTC y las FC comerciales, si bien el lmite entre NFC y MWCNT no est claramente

definido. La disposicin de los planos de grafeno es diferente a los NTC, siendo necesario

el hidrgeno para la estabilizacin de estas estructuras. Al igual que los NTC, debido a su

estructura altamente graftica, a sus caractersticas morfolgicas y a sus excepcionales

propiedades mecnicas y de transporte tanto elctrico como trmico, tienen un potencial

excelente como material ingenieril.


LUIS BAN BLZQUEZ 19

Figura 8. Aspecto al microscopio electrnico de barrido (SEM) de formaciones de

nanotubos en haces: A) de pared simple (SWNTC); B) de pared mltiple (MWNTC)

(Holzinger et al, 2012)

La estructura interna de los NTC y de las NFC es similar a la del grafito, lo que confiere a

estas fibras propiedades como alta conductividad elctrica y trmica, baja densidad,

propiedades anticorrosivas, gran capacidad de adsorcin y de lubricacin, bajo coeficiente

de expansin trmica y elevadas propiedades mecnicas. Estas propiedades, unidas a su

elevada relacin de aspecto, convierten a las nanofibras y nanotubos en un material ideal

para la fabricacin de materiales compuestos.

Las nanofibras de carbono (NFC) se diferencian esencialmente de los nanotubos por la

orientacin de las lminas grafnicas respecto al eje longitudinal: mientras que en los

nanotubos, por su disposicin en cilindros concntricos, las lminas grafnicas son paralelas

al eje principal, en las nanofibras presentan una orientacin diferente. As, puede haber un

amplio rango de orientaciones respecto al eje, que proporcionan una gran variedad de

estructuras algunas de las cuales son mostradas en la Figura 9. Las NFC no pueden

considerarse formas alotrpicas del carbono, porque las lminas grafnicas poseen

extremos, que necesitan saturarse de otros elementos (hidrgeno u otros grupos

funcionales) para estabilizarse. Presentan dimetros semejantes a los de los MWNTC, entre

15 y 100 nm (Endo et al. 2001), y longitudes que oscilan entre 50 y 100 m (Rodriguez 1993),

pudiendo clasificarlas en funcin de la disposicin de las capas de grafeno de las que estn

constituidas: disposicin perpendicular con respecto a la direccin longitudinal de las NFC,

disposicin paralela y disposicin oblicua. Las NFC del primer tipo se conocen como platelet

o nanowires, las del segundo tipo se denominan ribbon o cinta y las del tercer tipo son

llamadas fishbone o raspa de pescado (Martin-Gullon et al. 2006).

CAPTULO 2

20 TESIS DOCTORAL

Figura 9. Esquema de distintas estructuras de NFC cuya orientacin vara respecto al

eje de las lminas grafnicas y comparacin con los NTC (Bulushev & Yuranov 2004)

Se han investigado NFC cuyo mdulo de elasticidad era de 400 GPa, con una resistencia a

traccin de 7 GPa (Zhou et al. 2009). Por otro lado, se han desarrollado NTC con mdulo de

elasticidad de 1 TPa, resistencia a traccin de 60 GPa y deformacin ltima de rotura del

12% (Yu 2000). Algunas de estas cualidades han sido ampliamente investigadas y

desarrolladas en matrices polimricas y cermicas, al actuar como refuerzo de la matriz y

aportar al material compuesto sus propiedades trmicas y elctricas, con excelentes

resultados y aplicaciones prcticas de uso extendido en la actualidad.

Actualmente los sectores industriales potenciales, dentro del campo de matrices

polimricas con nanofibras y nanotubos son el automvil, la aeronutica, el deportivo, la

defensa, las telecomunicaciones, el de piezas sometidas a rozamiento o el de turbinas de

energa elica.

Los principales problemas a la hora de fabricar materiales compuestos con adicin de

nanofilamentos de carbono son: la dbil unin entre nanomaterial y matriz, la trabajabilidad

frente al amasado de las pastas y la dispersin del nanomaterial en la matriz. Adems, como

ya se ha comentado, su elevado coste hace inviable hoy en da muchas aplicaciones

prcticas. En cualquier caso, las NFC son mucho ms baratas que los NTC, sin un detrimento

excesivo de sus cualidades, por lo que aquellas son excelentes candidatas para sustituir

parcialmente a las fibras de carbono convencional y a los NTC. Se espera que a medio plazo

puedan suponer una alternativa viable a la mucho ms extendida utilizacin de las

tradicionales fibras de carbono micromtricas, obtenidas mediante hilado de un precursor

de carbono, tpicamente un polmero como el rayn, poliacrilonitrilo (PAN), o brea (pitch),

y posteriores tratamientos trmicos en distintas atmsferas.


LUIS BAN BLZQUEZ 21

2.2 PROPIEDADES FUNCIONALES DE LOS MCCM

Los materiales cementicios han resultado fundamentales en la industria de la construccin

actuando como materiales estructurales a consecuencia de sus buenas propiedades

mecnicas, lo que ha supuesto una fuente constantes investigaciones. Sin embargo,

actualmente se demanda a los materiales estructurales la capacidad de desarrollar nuevas

funciones, obviamente sin menoscabo de sus propiedades estructurales. Si se obtienen las

mismas prestaciones con un nico material multifuncional que con una combinacin de

materiales estructurales y funcionales, se estarn reduciendo costes de manera

instantnea, mejorando la durabilidad del conjunto, aumentando el volumen funcional,

puesto que la funcin la lleva a cabo toda la estructura, reduciendo la degradacin de las

propiedades mecnicas del material por el uso de dispositivos embebidos y simplificando

el diseo (Garcs et al. 2005; Garcs et al. 2007; Alcaide et al. 2007; Ivorra et al. 2010).

La multifuncionalidad en MCCM consiste por tanto en aprovechar el propio material

estructural para realizar otras funciones no estructurales, sin la necesidad de ningn tipo

de dispositivo externo. Como se ha comentado anteriormente, ello puede lograrse

combinando un material cementicio con diferentes adiciones, que proporcionan al material

resultante un nuevo abanico de aplicaciones (Chung 2003; Prez et al. 2010; Moral et al.

2012; Lu et al. 2015; Wang et al. 2013; Sun et al. 2014; Baeza et al. 2011; F. J. Baeza et al.

2013; Materazzi et al. 2013; Ubertini et al. 2014), manteniendo o incluso mejorando sus

caractersticas resistentes (Catal et al. 2011; Garcs et al. 2005; Garcs et al. 2012; Garcs

et al. 2007; Galao et al. 2012; Konsta-Gdoutos et al. 2010b; Sanchez & Ince 2009).

Las propiedades funcionales aportadas ms reseables incluyen su uso como nodo para

extraccin electroqumica de iones cloruro (Prez et al. 2010; Moral et al. 2012) o como

electrodo en proteccin catdica (Chen & Chung 1995; Bertolini et al. 2004), el

apantallamiento de ondas electromagnticas (Wu & Chung 2005; Zornoza et al. 2010; Wang

et al. 2013), la percepcin de deformaciones (Chen & Chung 1996), sensor de tensiones (F.

J. Baeza et al. 2013; Sun et al. 2014; Baeza et al. 2011), deteccin de daos y monitorizacin

dinmica (Giner et al. 2012; F. J. Baeza et al. 2013; Ubertini et al. 2014), reduccin de

vibraciones (Zornoza et al. 2010; Chung 2001c; Muthusamy et al. 2010), sensor de

temperatura (Wen & D D L Chung 1999) o el control trmico por resistencia tanto para

calefaccin como para deshielo (Chung 2001b; Yehia & Tuan 1999; Chung 2004c; Yehia et

al. 2000; Tuan 2004; Galao et al. 2014a; Gomis et al. 2015).

En conclusin, partiendo de un excelente material estructural como indudablemente es el

hormign pero que se comporta como un dielctrico, esto es, un mal conductor de la

electricidad, y gracias a la adicin de otro material que en este caso s es conductor

(materiales carbonosos o fibras de acero), se obtienen materiales compuestos con un

nuevo y amplio rango de aplicacin. Por tanto, se consigue transformar un hormign

convencional en un hormign conductor multifuncional.

CAPTULO 2

22 TESIS DOCTORAL

2.2.1 POSIBLES APLICACIONES EN INGENIERA CIVIL

La percepcin de deformaciones que est ntimamente relacionada con la percepcin de

tensiones, pero es diferente a la percepcin de daos resulta importante en aspectos

como el control de vibracin estructural o la monitorizacin y control del trfico. Las

aplicaciones convencionales de los sensores de tensin o deformacin abarcan desde

sensores para componentes de la industria aeronutica o del automvil, hasta sensores

para estructuras de ingeniera civil, como los viaductos, incluso sensores de control de peso

del trfico en autopistas sin necesidad de detener los vehculos (Garcs et al. 2010).

Tambin podra ser de gran utilidad la deteccin y control de presencia de los usuarios en

una edificacin, con el propsito de monitorizar la ocupacin de las habitaciones por

motivos de seguridad, pudiendo asimismo emplear dicha informacin en sistemas

domticos de control ptimo de iluminacin, ventilacin o climatizacin del edificio, con el

correspondiente ahorro energtico aparejado.

Tal y como se ha planteado, la monitorizacin del trfico es parte esencial de la gestin y

control cualquier red viaria, e implica la toma de datos precisos en tiempo real, mediante

dispositivos de control de tipo ptico, elctrico, magntico o acstico. Habitualmente,

dichos sensores se encuentran adheridos o embebidos en las vas de transporte que se

quieren monitorizar, teniendo como principales limitaciones su un alcance limitado, una

vida til relativamente escasa, y un coste demasiado elevado como para permitir un uso

extensivo de los mismos. Gracias a las tecnologas aportadas por los MCCM se puede

emplear el propio pavimento como sensor, sin necesidad de elementos adheridos o

embebidos. Al ser el propio material estructural el dispositivo de toma de datos, se puede

controlar la infraestructura completa, con una mayor durabilidad y un incremento asumible

de coste, solucionando las tres limitaciones expuestas anteriormente para los sensores

tradicionales.

En este sentido, se ha conseguido reproducir en laboratorio el uso de hormign

autosensible para cuantificar cargas en movimiento (Shi & Chung 1999). El montaje, tal

como se ilustra en la Figura 10, consiste en una rueda vertical simulando el neumtico de

un vehculo que gira sobre la superficie de dos cilindros horizontales de hormign, que

hacen el papel del firme. Se variaron tanto la carga aplicada peso del vehculo como la

velocidad de rotacin velocidad de

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