Estudi de l'ús de microfibres de carboni per la fabricació de morters intel·ligents
Abstract
L’estudi té com a objectiu construir coneixements sobre el comportament de morters de ciment amb l'addicció de fibres, amb l’objectiu de poder mesurar la deformació a partir de la variació de la R. Durant el procés d’investigació s’ha avaluat la influència d’incorporació de pols de grafit en dosificacions del 1%, 2,5%, 5%, 10%, 20%, respecte al morter. També s’ha incorporat fibres de carboni chopped-CMF en dosificacions del 0,01%, 0,05%, 0,10%, 0,20% respecte al morter. La metodologia consta d’una fase experimental comparant la influència de les diferents dosificacions incorporades al morter on s’han realitzat assajos dirigits a l’estudi de les propietats mecàniques i piezorresistivitat. En la primera fase experimental s’ha realitzat l'anàlisi de característiques tècniques del morter. En una segona fase s’han realitzat els assajos flexotracció, ultrasons, absorció d’aigua i comprensió a l’edat de 28 dies a les provetes prismàtiques de dimensions 40 x 40 x 160 mm. Mitjançant els assajos s’ha determinat que és viable l’ús de partícules com a elements parts d’un morter. Altes concentracions de partícules disminueixen la rigidesa del morter. L'addició d’aquest tipus de partícules augmenta la resistència a compressió. L’addició d’aquest tipus de partícules no provoca un canvi significatiu en la resistència a flexotracció. Es pot afirmar que les provetes amb chopped-CMF, al contenir menys concentració, afecten menys la resistència mecànica. Per últim, s’ha realitzat l’assaig de piezorresistivitat a les provetes cúbiques de dimensions 50x50x50mm. Els resultats mostren que les partícules modifiquen la conductivitat elèctrica del morter. Com més gran és el valor absolut del pendent, més variació d’intensitat s’obtindrà i ,per tant, es podria determinar més fàcilment les seves deformacions. Les mostres amb chopped-CMF amb menys concentracions presenten major amplificació del comportament piezorresistiu.
Full text
Document: Memòria Estudi de l’ús de microfibres de carboni per la fabricació de morters intel·ligents TREBALL DE FI D’ESTUDIS Autor/Autora: Núria Martínez Coma Director/Directora - Codirector/Codirectora: Virginia Dolores Mendizábal Dinucci Titulació: Grau en Enginyeria Mecànica Convocatòria: Primavera, 2024.
Agraïments Aquest treball de fi de grau marca un final d’una etapa i un inici d’una altra, no hagués sigut possible sense l’ajuda i suport de vàries persones. En primer lloc, la meva directora Virginia Mendizábal, gràcies per la teva paciència, cada consell, dedicació i correcció. Els seus coneixements i suport constant han estat una guia en la realització d’aquest projecte. A la meva mare i el meu pare per la vostra paciència, el vostre esforç ,sacrifici i dedicació per fer possible els meus estudis. Gràcies per creure en mi fins i tot en els moments que jo dubtava. Al meu germà, gràcies per estar allà, per les converses i per donar-me suport incondicional. Ets una font constant d’orgull per a mi, el teu suport ha fet més fàcil el camí fins aquí No puc oblidar donar les gràcies a la meva gossa, Tara. A Tara, gràcies per la teva companyia incondicional durant les hores d’estudi. Les teves mostres d’afecte i passejades per desconnectar. A la meva parella, gràcies per la teva paciència suport i compressió que han sigut d’ajuda per la finalització d’aquest projecte. 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. Gràcies a tots els que heu estat al meu costat en aquest viatge.
I I. Resum L’estudi té com a objectiu construir coneixements sobre el comportament de morters de ciment amb l'addició de fibres, amb l’objectiu de poder mesurar la deformació a partir de la variació de la R. Durant el procés d’investigació s’ha avaluat la influència d’incorporació de pols de grafit en dosificacions del 1%, 2,5%, 5%, 10%, 20%, respecte al morter. També s’ha incorporat fibres de carboni chopped-CMF en dosificacions del 0,01%, 0,05%, 0,10%, 0,20% respecte al morter. La metodologia consta d’una fase experimental comparant la influència de les diferents dosificacions incorporades al morter on s’han realitzat assajos dirigits a l’estudi de les propietats mecàniques i piezorresistivitat. En la primera fase experimental s’ha realitzat l'anàlisi de característiques tècniques del morter. En una segona fase s’han realitzat els assajos flexotracció, ultrasons, absorció d’aigua i comprensió a l’edat de 28 dies a les provetes prismàtiques de dimensions 40 x 40 x 160 mm. Mitjançant els assajos s’ha determinat que és viable l’ús de partícules com a elements parts d’un morter. Altes concentracions de partícules disminueixen la rigidesa del morter. L'addició d’aquest tipus de partícules augmenta la resistència a compressió. L’addició d’aquest tipus de partícules no provoca un canvi significatiu en la resistència a flexotracció. Es pot afirmar que les provetes amb chopped-CMF, al contenir menys concentració, afecten menys la resistència mecànica. Per últim, s’ha realitzat l’assaig de piezorresistivitat a les provetes cúbiques de dimensions 50x50x50mm. Els resultats mostren que les partícules modifiquen la conductivitat elèctrica del morter. Com més gran és el valor absolut del pendent, més variació d’intensitat s’obtindrà i, per tant, es podria determinar més fàcilment les seves deformacions. Les mostres amb chopped-CMF amb menys concentracions presenten major amplificació del comportament piezorresistiu. II. Abstract The study aims to build knowledge on the behavior of cement mortars with the addition of fibers, with the objective of being able to measure the deformation from the variation of R. During the research process, the influence of incorporating graphite powder in dosages of 1%, 2.5%, 5%, 10%, 20% with respect to the mortar has been evaluated. Chopped-CMF carbon fibers have also been incorporated in dosages of 0.01%, 0.05%, 0.10%, 0.20% with respect to the mortar. The methodology consists of an experimental phase comparing the influence of the different dosages incorporated in the mortar where tests were carried out to study the mechanical properties and piezoresistivity. In the first experimental phase, the technical characteristics of the mortar were analyzed. In the second phase, flexural, ultrasonic, water absorption and compression tests were carried out at the age of 28 days on prismatic specimens measuring 40 x 40 x 160 mm. Tests have determined that it is feasible to use particulates as part of a mortar. High concentrations of particles decrease the stiffness of the mortar. The addition of this type of particles increases the compressive strength. The addition of this type of particles does not cause a significant change in the flexural strength. It can be affirmed that the specimens with chopped-CMF, containing less concentration, affect less the mechanical resistance.
Estudi de l'ús de microfibres de carboni per la fabricació de morters intel·ligents II Finally, the piezoresistivity test was carried out on cubic specimens of dimensions 50x50x50mm. The results show that the particles modify the electrical conductivity of the mortar. The higher the absolute value of the slope, the greater the variation of intensity will be obtained and, therefore, the easier it would be to determine its deformations. Samples with choppedCMF with lower concentrations present higher amplification of the piezoresistive behavior.
III Índex I. Resum ............................................................................................................................. I II. Abstract ........................................................................................................................... I III. Índex de taules ........................................................................................................... V IV. Índex de figures ......................................................................................................... VI 1. Introducció ......................................................................................................................... 1 1.1 Objecte .................................................................................................................... 1 1.2 Abast ....................................................................................................................... 2 1.3 Requeriments .......................................................................................................... 2 1.4 Justificació ............................................................................................................... 3 1.5 Diagrama de Gantt ..................................................................................................... 3 2. Estat de l’art ....................................................................................................................... 6 2.1. Història del morter ...................................................................................................... 7 2.2. Morters reforçats amb fibres....................................................................................... 8 2.2.1. Tipus de fibres ...................................................................................................... 9 2.2.2. Microfibres per morter ........................................................................................ 12 2.2.3. Pols de grafit en el morter .................................................................................. 13 2.2.3. Piezoresistivitat .................................................................................................. 15 3. Metodologia ..................................................................................................................... 17 3.1. Caracterització dels materials .................................................................................. 19 3.1.3. Microfibres CMF ................................................................................................. 19 3.1.2. Ciment ................................................................................................................ 19 3.1.4. Àrid ..................................................................................................................... 20 3.1.5. Filler .................................................................................................................... 21 3.1.6. Aigua .................................................................................................................. 22 3.1.7. Additiu ................................................................................................................ 22 3.2. Plantejament per a la fabricació de provetes ........................................................... 22 3.3. Característiques tècniques dels motlles ................................................................... 23 3.3.1. Motlles per a proves mecàniques ...................................................................... 23 3.3.2. Motlles per a assajos resistivitat elèctrica ......................................................... 23 3.4. Mesures de seguretat i manipulació......................................................................... 25 3.5. Realització de les provetes de morter ...................................................................... 25 3.5.1. Realització del morter ........................................................................................ 25 3.5.2. Procediment per l’emplenament dels motlles.................................................... 28 3.6. Morter endurit ............................................................................................................ 29 3.6.1. Desemmotllat de provetes ................................................................................. 29 3.6.2. Identificació de les provetes i composició ......................................................... 29
Estudi de l'ús de microfibres de carboni per la fabricació de morters intel·ligents IV 3.6.3. Col·locació galgues extensomètriques .............................................................. 29 4. Assajos realitzats en el morter endurit ........................................................................... 34 4.1. Assaig de densitat ................................................................................................... 34 4.2. Absorció d’aigua ....................................................................................................... 35 4.3. Assaig d’ultrasons ..................................................................................................... 36 4.3.1. Components de l’equip d’ultrasons ................................................................... 36 4.3.2. Procediment assaig ultrasons ............................................................................ 37 4.4. Flexo-tracció ............................................................................................................. 39 4.5. Assaig de compressió............................................................................................... 41 4.6. Assaig de piezoresistivitat ........................................................................................ 42 5. Anàlisis de resultats......................................................................................................... 45 5.1. Resultat assaig densitat ........................................................................................... 45 5.2. Absorció d’aigua ....................................................................................................... 46 5.3. Resultats ultrasons ................................................................................................... 47 5.4. Resultats assajos flexo-tracció ................................................................................. 49 5.5. Resultats assajos compressió .................................................................................. 51 5.6. Resultats assajos piezorresistivitat .......................................................................... 53 5.6.1. Resultats primera iteració .................................................................................. 53 5.6.2. Resultats segona iteració................................................................................... 55 6. Resum del pressupost ..................................................................................................... 58 7. Anàlisi i valoració de les implicacions ambientals i socials ............................................ 59 8. Conclusions ..................................................................................................................... 62 9. Referències...................................................................................................................... 63
V III. Índex de taules Taula 1. Característiques grafit ( Font: [37] ) ...................................................................... 14 Taula 2. Informació tècnica fibres de carboni ..................................................................... 19 Taula 3. Material necessari fabricació morter ..................................................................... 25 Taula 4. Materials per la col·locació d’una galga extensomètrica ...................................... 30 Taula 5. Imatges per la col·locació de 1 galga extenomètrica ........................................... 33 Taula 6. Resultats processats de l’assaig d'ultrasons ........................................................ 48 Taula 7. Resistència flexotracció ........................................................................................ 50 Taula 8. Resultats compressions ........................................................................................ 53 Taula 9. Recopilació de dades postprocesat Grafit 1%...................................................... 56 Taula 10. Recopilació dades totals postprocessat grafit 1% .............................................. 57 Taula 12. Estimació de costos d’inversió per l’estudi ......................................................... 59 Taula 13. Roda ODS de l’estudi .......................................................................................... 60 Taula 14. ODS de l’estudi ................................................................................................... 61
Estudi de l'ús de microfibres de carboni per la fabricació de morters intel·ligents VI IV. Índex de figures Figura 1. Diagrama de Gantt ................................................................................................. 5 Figura 2. Gràfic corba típica càrrega-deformació formigó amb fibres (Font:[15]) ................ 9 Figura 3. Gràfic propietats deformació del formigó (Font: [15])............................................ 9 Figura 4. Classificació tipus de fibres ................................................................................. 10 Figura 5. Fibres de coco (Font: Pur Plant) .......................................................................... 10 Figura 6. Panell aïllant de cànem (Font: Cannabic) ........................................................... 11 Figura 7. Fibra d’acer (Font: [20]) ...................................................................................... 11 Figura 8. Fibra de vidre (Font: [21]) .................................................................................... 11 Figura 9. Fibra de polipropilè (Font: [24]) ............................................................................ 12 Figura 10. Tipologies fibres de carboni (Font: Sgl Carbon) ................................................ 12 Figura 11. Resultats tensió deformació estudi previ (Font: [30]) ........................................ 13 Figura 12. Estructura del grafit (Font: ub) ........................................................................... 14 Figura 13. Pols de grafit ...................................................................................................... 14 Figura 14. Gràfics piezorresistivita grafit ( Font: [39] ) ........................................................ 15 Figura 15. Resistivitat i conductivitat elèctrica en un estudi (Font: [41]) ............................ 16 Figura 16. Diagrama de flux del procediment de treball ..................................................... 18 Figura 17. Fibres chopped-CMF ......................................................................................... 19 Figura 18. Recomanacions de morters d’obra segons el BOE (Font: BOE)...................... 20 Figura 19. Ciment pòrtland CEM II/B-L 32,5 N (Font: LeroyMerlin) .................................. 20 Figura 20. Característiques tècniques ciment pòrtland (Font: Valderrivas ) ..................... 20 Figura 21. Sorra fina sefel (Font. Obramant) ...................................................................... 21 Figura 22. Calç hidràulica (Font. Cementos naturales tigre) .............................................. 21 Figura 23. Característiques tècniques cal hidràulica (Font: Cemento natural tigre [55]) .. 21 Figura 24. Sikaplast ............................................................................................................. 22 Figura 25. Motlle per emmotllar les provetes. Font: [52] .................................................... 23 Figura 26. Cub. Dimensió nominal proveta. Font: [2] ......................................................... 24 Figura 27. Motlle cúbic ........................................................................................................ 24 Figura 28. Col·locació d’elèctrodes (Font: [ 3]) .................................................................. 24 Figura 29. Elèctrode ............................................................................................................ 25 Figura 30. Gaveta humida ................................................................................................... 26 Figura 31. Materials base morter ........................................................................................ 27 Figura 32. Base morter amb grafit ...................................................................................... 27 Figura 33. Barreja de components morter .......................................................................... 27 Figura 34. Fibres chopped-CMF expandides en aigua ...................................................... 28 Figura 35. Incorporació aigua.............................................................................................. 28 Figura 36. Morter base ........................................................................................................ 29 Figura 37. Identificació proveta ........................................................................................... 30 Figura 38. Indicació posicionament galgues ....................................................................... 31 Figura 39. Connector push-in .............................................................................................. 34 Figura 40. Retirada del plàstic ............................................................................................ 34 Figura 41. Connector push-in instal·lat ............................................................................... 35 Figura 42. Posicionament provetes en cubeta ................................................................... 36
VII Figura 43. Cubeta amb provetes i aigua ............................................................................. 36 Figura 44. Calibració ultrasons ........................................................................................... 38 Figura 45. Posicionament del transductor .......................................................................... 39 Figura 46. Posicionament del transductor .......................................................................... 39 Figura 47. Suport premsa 10 kN ......................................................................................... 40 Figura 48. Marques de posicionament suport premsa 10 kN ............................................. 40 Figura 49. Suport premsa 10 kN amb detall col·locació proveta ....................................... 41 Figura 50. Suport premsa 10 kN amb proveta .................................................................... 41 Figura 51. Premsa 300 kN .................................................................................................. 42 Figura 52. Marques per assaig compressió ........................................................................ 42 Figura 53. Posicionament proveta a premsa per assaig de compressió .......................... 43 Figura 54. Muntatge circuit .................................................................................................. 43 Figura 55. Muntatge circuit en proveta ............................................................................... 44 Figura 56. Muntatge general circuit laboratori .................................................................... 44 Figura 57. Exemple corba objectiu...................................................................................... 45 Figura 58. Densitat en sec de provetes .............................................................................. 46 Figura 59. Densitat d’absorció d’aigua % provetes grafit ................................................... 47 Figura 60. Densitat d’absorció d’aigua % provetes chopped-CMF .................................... 47 Figura 61. Gràfic temps de viatge vs composició ............................................................... 49 Figura 62. Gràfic temps de viatge vs. composició .............................................................. 49 Figura 63. Mostra de proveta en punt de ruptura per flexotracció ..................................... 50 Figura 64. Proveta partida flexotracció ............................................................................... 50 Figura 65. Variació de la resistència CMF 0,10%............................................................... 54 Figura 66. Variació filtre de la resistència G1% 1 1-4 kN ................................................... 54 Figura 67. Recta de regressió G1% 1 1-4 kN ..................................................................... 55 Figura 68. Eq. Recta modificada grafit 1% 1-4 kN.............................................................. 55 Figura 69. Deformació grafit 1% 1-4 kN .............................................................................. 55 Figura 70. Variació Intensitat G1% 1-2 kN.......................................................................... 56 Figura 71. Comprovació força i galgues G1% 2-0 kN ........................................................ 56 Figura 72. Deformació G1% ................................................................................................ 57 Figura 73. Variació factor de galga total ............................................................................. 59 Figura 74. Roda ODS de l’estudi (Font: pròpia i [61]) ........................................................ 61
7 que poden ser agregats al morter. Les investigacions tenen com a objectiu millorar la capacitat conductora sense comprometre les propietats mecàniques del morter ni la seva durabilitat [5]. Les aplicacions dels motors híbrids tenen un gran potencial dins del sector de construcció i obra noves línies d’investigació. Per a la realització de l’estudi s’ha realitzat una breu investigació sobre el morter i també de diferents campanyes experimentals realitzades prèviament sobre la influència de les fibres en els morters de ciment. També s’ha realitzat investigació sobre el tipus de fibres i les seves capacitats conductores. Finalment, aquestes investigacions han sigut utilitzades per a concretar els tipus fibres que s’utilitzen durant l’estudi, també per establir els percentatges de fibres ha d'afegir al morter els quals poden resultar més interessants investigar i establir els assajos que es realitzaran. 2.1. Història del morter Per a poder proporcionar un context històric i l’evolució del material fins a l’actualitat s’ha creat aquest apartat. El morter és un material que s’ha utilitzat des dels temps prehistòrics per la humanitat. Mitjançant les investigacions de Roman Malinowski [6] s’ha pogut conèixer informació sobre els primers morters de terra. Aquests morters estan compostos per calç. Malinowski [7] durant l’excavació de la ciutat de Jericó una de les ciutats neolítiques més antigues, cases de maó amb terres de morter de calç o la Màscara de Jericó datades de 7000 aC. Investigadors posteriors com Reller (1992) a Turquia es van trobar restes de morter de calç en paviments, que daten del 10000 aC al 8000 aC [8]. El següent període històric on es destaca per l'ús de guix és l'època dels egipcis. L'ús d’aquests morters de guix data de 2600 aC va ser trobat en els blocs de la piràmide de Keops. Els antics egipcis feien ús del guix per la col·locació de blocs, acabats i decoració. Els grecs tenien coneixement dels morters de calç des de temps antics. En les excavacions realitzades es descobreix que els constructors grecs coneixien els lligants artificials que es coneixien gràcies a l’origen del morter de calç al neolític [9]. L'ús per a la construcció de murs a Grècia no es data fins al segle II o principi del segle I aC. Abans d’aquesta època el morter estava compost per terra i argila. A Partir del segle VII aC els romans van començar a fer ús de tècniques d’estucat i revestiment per millorar l'aparença dels materials. La tècnica de poliment del morter, descrita per Vitruvio, s’utilitzava per augmentar la impermeabilitat, força i durabilitat del material. Aquesta tècnica feia una aplicació del morter per capes, 3-6 capes, i el morter estava format per calç triturada, carbonat o putzolana del morter. De manera genèrica els morters romans estaven fets per calç, sorra fina: estucs de calç, guix i pols de marbre. A més a més, s'afegeixen additius com la pols volcànica per millorar l'estabilitat del morter, aquest fet es pot considerar l’inici dels morters hidràulics moderns. Els romans van fer ús d'una gran varietat de morters en les seves construccions. En algunes de les seves construccions es pot trobar morter en multicapa, el qual s’aplicava per capes separades per afavorir el seu enduriment. Les capes estaven compostes per una capa de cendres, una capa de pols de marbre i una capa de putzolànica per últim es trobava una capa pavimentada de ceràmica. També feien ús de lava lleugera com agregat. Van fer millores en la tècnica de fabricació i aplicació del morter, una de les més conegudes és “opus caementicium”[10] que apareix en aqüeductes com el de Segòvia. Per crear un morter fet a base de pedra triturada, aigua, calç i sorra, va ser utilitzat per a la construcció a gran escala. Els romans també van fer ús de morters més simples fets de calç i sorra per a aplicacions de construccions, habitualment s'utilitzen per unir maons. Les proporcions
Estudi de l'ús de microfibres de carboni per la fabricació de morters intel·ligents 8 que utilitzaven eren una part de calç, tres de sorra o de dos per cinc segons la sorra. També se sap que utilitzaven additius com terra cuita, teula triturada, etc., per millorar la qualitat del morter [11]. Aquests additius proporcionaven al morter propietats hidràuliques . Després de la caiguda de l’imperi romà, les tècniques de construcció en l'edat mitjana van fer canvis segons la regió i el període. Els morters medievals tenien una qualitat variable, amb materials a vegades de baixa qualitat i mal aplicats. Això es devia a fet que tot i que els ingredients que s’utilitzaven, com cal i sorra, eren els mateixos que en l'època dels romans les proporcions no eren adequades. A partir del segle XIV es comença a millorar la qualitat del morter. Els morters comencen a incorporar additius orgànics com cervesa, sucre, goma per millorar l’homogeneïtat del morter. Fins al segle XVIII no es va descobrir els morters hidràulics, els quals eren capaços d’endurir-se sota l’aigua. En 1756, John Smeaton [12] buscava una cal resistent a l'aigua de mar per al far Eddyston va descobrir que la presència d’argila en la calcària era la clau per la hidràulica. Aquest descobriment va marcar un punt d’inflexió en l’inici de la fabricació de lligants hidràulics. En el segle XIX es produeixen un seguir d’investigacions científiques. Vicat, a 1812, va demostrar que les propietats hidràuliques depenien dels compostos formats durant la cocció de la calç i l’argila [9]. Aquesta investigació va establir les bases científiques per la fabricació de calç hidràuliques. Posteriorment, James Fost va patentar un ciment artificial basat en una calcinació lenta i la calç i l’argila. Més tard Joseph Apsdin també va realitzar una patent, però aquest cop de ciment de Portland. Aquest ciment es produeix calcinant una barreja de calç i argila a baixa temperatura. 2.2. Morters reforçats amb fibres L’evolució i progrés de la indústria s’han anat generant nous materials per complir amb els nous reptes de disseny i construcció. Al llarg dels últims anys els morters i formigons han sigut objecte d’estudi per a millorar les seves propietats. La incorporació de fibres al morter en la seva composició per millorar-ne les propietats mecàniques, durabilitat o aportar-li noves propietats, és una de les més investigades. Els materials que s’han emprat per reforçar els morters poden provenir de perfeccionament de les propietats dels mateixos o de noves investigacions. L’ús de fibres en diferents percentatges ha permès millorar o proporcionar només característiques al material. Per exemple hi ha estudis on la incorporació de pols de grafit han proporcionat millores en la conductivitat elèctrica i tèrmica del morter [13]. Un altre exemple és l'ús de superplastificants en el formigó on es busca millorar la resistència i durabilitat [14]. En la figura 2 es mostra la corba típica càrrega-deformació del formigó reforçat amb fibres i a la figura 3 es poden observar les propietats del formigó reforçat amb fibres. Observant la gràfica de la figura 2 es veu que la corba que correspon al formigó normal mostra que a mesura que s’aplica carrega es deforma fins a arribar a la deformació màxima un cop arribada a aquesta deformació disminueix ràpidament la capacitat de càrrega del formigó, això indica que és fràgil i perd ràpidament la seva resistència després de la càrrega màxima. Després tenim la línia de dosis de fibra baixa on hi ha un comportament similar al morter sense res, però la capacitat de càrrega disminueix més lenta això indica que té una mica més de capacitat de suportar deformacions. Per últim, el que conté dosis de fibra alta té una capacitat lleugerament major de càrrega màxima i la corba mostra com la disminució és més lenta en la capacitat de deformació, per tant, és més dúctil i resistent poden dir que té més durabilitat.
9 Figura 2. Gràfic corba típica càrrega-deformació formigó amb fibres (Font:[15]) Figura 3. Gràfic propietats deformació del formigó (Font: [15]) 2.2.1. Tipus de fibres Les fibres són elements de curta longitud que s’afegeixen al morter per obtenir certes propietats. En les investigacions fetes dins del món de la construcció s’hi poden trobar diferents tipus de fibres utilitzades per a reforçar el morter. En la figura 4 es descriuen les dues famílies de fibres més utilitzades.
Estudi de l'ús de microfibres de carboni per la fabricació de morters intel·ligents 10 Figura 4. Classificació tipus de fibres Per a la fabricació de morters reforçats amb fibres és important el tipus de fibra per a obtenir les propietats finals desitjades. Cada tipologia de fibra té una característica específica que influencia al comportament del morter. A continuació s'anomenen els tipus de fibres comuns utilitzades. Família de fibres naturals Aquestes fibres proporcionen una millora en la resistència a fissures i ductilitat del morter. Les fibres naturals són adients si el que es busca és l'ús de productes ecològics i reduir la petjada de carboni. Alguns exemples de fibres que s’han utilitzat en investigacions són : Fibres de coco Ofereixen una bona resistència a la tracció i compressió, la seva capacitat d'amortiment o millora en la porositat [16]. Figura 5. Fibres de coco (Font: Pur Plant) Fibres de cànem Les fibres de cànem proven de la planta “Cànnabis sativa”. Les fibres del cànem són tenen una llarga vida. Estudis certifiquen que poden aportar més resistència al morter [17].
11 Figura 6. Panell aïllant de cànem (Font: Cannabic) Família de fibres sintètiques Són materials fabricats pel general de materials derivats del petroli més productes químics. Es produeixen mitjançant processos industrials. Fibres d’acer Són petits trossos d’acer. Són fibres conegudes per la seva alta resistència mecànica i milloren capacitats com la resistència a la tracció i la flexió[18] [19]. Figura 7. Fibra d’acer (Font: [20]) Fibres de vidre Són una de les primeres fibres utilitzades per a la fabricació de morters híbrids i ja s’estan aplicant per a la fabricació de morters. Són fibres que tenen una resistència a la tracció i són resistents als alcalins. Són útils per aplicacions on es busca una millora en la resistència a la deformació o minimitzar fissures. Figura 8. Fibra de vidre (Font: [21]) Fibres de polipropilè Les fibres de polipropilè s'utilitzen pel seu baix cost, amb característiques mecàniques bones, una alta resistència química i baixa densitat [22]. Són útils per reduir la retracció plàstica i millorar la resistència per evitar fissures. No són fibres corrosives, el que ajuda en
Estudi de l'ús de microfibres de carboni per la fabricació de morters intel·ligents 12 ambients agressius i estructures exposades a condicions severes [23]. En l’actualitat és una fibra que ja ha sigut força investigada i ja s'està fent ús en el sector de la construcció. En la figura 9 es mostra l'aspecte que té el polipropilè. Figura 9. Fibra de polipropilè (Font: [24]) Fibres de carboni Les fibres de carboni són construïdes per compostos a base de filaments de 5–10 micròmetres de diàmetre i compostos de carboni. És una fibra coneguda pel seu baix pes i per les seves propietats. Ofereixen propietats superiors en resistència i mòdul elàstic[25]. Altres característiques destacables és la seva alta capacitat de conduir l'electricitat, baixa densitat, bones propietats mecàniques i la resistència a la corrosió[26]. Són utilitzades en aplicacions especials on es requereix un esforç mecànic, com en construccions prefabricades d’alta resistència o estructures sotmeses a altes càrregues. Les fibres de carboni es poden trobar en diferents tipologies figura 10 [27]. Figura 10. Tipologies fibres de carboni (Font: Sgl Carbon) Tipologies de fibres de carboni: - Cable de fibra continua - Fibres curtes i arrissades - Fibres curtes no rissades - Fibra triturada 2.2.2. Microfibres per morter Una microfibra és una fibra sintètica molt fina entre 1-3 deniers. Una microfibra és aproximadament 100 vegades més fina que el cabell humà[28]. Les propietats de la microfibra depenen principalment de les fibres per la qual està composada.
13 Les microfibres de carboni en el morter són utilitzades generalment, ja que ajuden a millorar les propietats mecàniques i durabilitat [29]. Estudis preliminars realitzats on s’han realitzat morter híbrides amb fibra de carboni s’ha demostrat que la resistència a la tracció és superior respecte al morter tradicional [30]. En la figura 11 es mostra el resultat de la tensió deformació amb càrrega màxima aplicada. Les dades del gràfic mostren com les mescles reforçades amb microfibres tenen un major mòdul de resiliència respecte a la de referència demostrant la capacitat de les microfibres per millorar el comportament del morter. Figura 11. Resultats tensió deformació estudi previ (Font: [30]) Les microfibres de carboni en concret les CMF milloren la resistència a la ruptura[31]. Una investigació experimental sobre les propietats mecàniques i la piezzoresistivitat en morters han aconseguit demostrar la millora en propietats mecàniques proporcionades per les CMF[3]. En la mateixa investigació que l’ús de pols de grafit o microfibres de carboni CMF produeixen un augment en la piezoresistivitat respecte al morter tradicional poden demostrar la capacitat d’autodetecció dels morters modificats. La inclusió de microfibres de carboni i pols de grafit per aplicacions en l'àmbit de la construcció tenen un gran potencial en el camp de la monitorització de la salut estructural, per garantir una seguretat estructural i allargar la vida útil [32] [33]. El propi morter amb la inclusió de microfibres de carboni i pols de grafit, pot servir per avaluar el seu estat de tensió [34]. Els morters híbrids proporcionen una solució a les limitacions associades a les limitacions del monitoratge de la salut estructural (SHM)[35]. El SHM fa ús de tecnologies avançades per l'avaluació i monitoratge de la salut estructural dels edificis. 2.2.3. Pols de grafit en el morter El grafit es troba en forma mineral a la naturalesa, tot i que també es pot produir de forma artificial [36]. En la figura 12 es mostra l’estructura del grafit, aquesta estructura proporciona propietats de conductivitat elèctrica, conductivitat tèrmica, entre d’altres. En la figura 13 es mostra el pols de grafit.
Estudi de l'ús de microfibres de carboni per la fabricació de morters intel·ligents 14 Figura 12. Estructura del grafit (Font: ub) Figura 13. Pols de grafit Les característiques principals del grafit són les següents: Propietat Densitat 2,25 g/cm3 Dimensió de la partícula 2μm i 8 mm Mòdul elàstic 4-30 GPa Resistivitat elèctrica 6·10-5Ω·m Conductivitat tèrmica 80-240 W/m·K Estructura cristal·lina Hexagonal Taula 1. Característiques grafit ( Font: [37] ) Existeixen investigacions que demostren que el pols de grafit aporta propietats millorades al morter com un augment de més del 28% en la resistència a flexió i més d’un 22% en la resistència a compressió [38]. En la mateixa investigació es demostra que la creació de morters amb pols de grafit tenen millores en l’absorció d’aigua i la densitat. La inclusió de pols de grafit millora la piezorresistivitat dels compostos cementosos que no són conductors [39] [3]. En la figura 14 es pot veure la sensibilitat piezoresistiva a la tensió sota càrrega en el gràfic de color blau, en el de color vermell es mostra la sensibilitat capacitiva a la tensió sota càrrega.
15 Figura 14. Gràfics piezorresistivita grafit ( Font: [39] ) Els resultats indiquen que els morters que contenen grafit mostren un canvi significatiu en la resistivitat elèctrica en resposta a l’aplicació de compressió, pel que és un bon indicatiu de cara a poder utilitzar-se en assajos de caràcter piezoresistius per poder mesurar les deformacions que pot arribar a patir el morter. 2.2.3. Piezoresistivitat La piezoresistivitat és la capacitat d’alguns materials conductors o bé semiconductors, de variar la seva resistència quan estan sotmesos a esforços mecànics. El canvi de resistència és déu en el cas dels metalls per la modificació de la distància interatòmica i en cas de semiconductors per la variació de la concentració dels portadors de la càrrega. La piezoresistivitat només causa un canvi en la resistència elèctrica del material sense produir un potencial elèctric [40]. En la figura 15 es mostren els resultats de l’estudi de morters amb grafit [41]. En la gràfica s’observa com la resistivitat del G4 pateix un augment d’un 24,5% respecte em G0,5 d’additiu. Es confirma doncs que la conductivitat elèctrica augmenta amb la incorporació del grafit al morter. En termes de conductivitat en la gràfica de la dreta s’observa que a mesura que augmenta la densitat incorporada de grafit al morter la conductivitat també augmenta.
Estudi de l'ús de microfibres de carboni per la fabricació de morters intel·ligents 16 Figura 15. Resistivitat i conductivitat elèctrica en un estudi (Font: [41]) L'ús de grafit en els morters reforçats és molt investigada en l’actualitat, ja que és un material amb propietats avantatjoses. A continuació es mencionen les característiques més destacables del grafit [42]: - Conductivitat elèctrica i tèrmica La conductivitat elèctrica és causada per la seva estructura atòmica. La tèrmica és gràcies ha fet que el seu punt de fusió és alt. - Resistència mecànica - Resistència a la corrosió En l’actualitat les opcions més investigades són el pols de grafit i les microfibres de carboni (CMF). El pols de grafit ha sigut utilitzat en investigacions per millorar les propietats mecàniques [43] [44] i elèctriques del morter [45]. També hi ha investigacions que busquen millorar altres propietats com la resistència al desgast o a la corrosió [46]. Per un altre costat, les microfibres (CMF) han sigut una altra línia d’investigació per a la millora de les propietats mecàniques dels morters. Hi destaquen dues tipologies dins d’aquestes microfibres. En primer lloc, hi ha les chopped-CMF, les quals tenen bones propietats mecàniques [47] i baixa densitat [48]. Aquestes fibres es fabriquen amb filaments continus els quals són tallats longitudinalment. Segons investigacions [49] són fibres ideals per a aportar conductivitat a materials no conductors[3]. La segona tipologia de CMF són les milled-CMF [50] [51], a destacar són les capacitats per millorar les propietats mecàniques a tracció i flexió dels morters, com a conseqüència també provoca una millora en la seva tenacitat i la vida útil. Tot que les dues fibres CMF mencionades han sigut força investigades les chopped-CMF han sigut més utilitzades en la utilització en morter. En resum, la línia d’investigacions del grafit en morters generalment s’han centrat més en les chopped-CMF justament amb el pols de grafit. La seva aplicació en morter pot aportar una nova línia en la indústria constructiva, oferint millores en les propietats.
23 S’ha realitzat 3 provetes de prisma i 3 de cúbiques de per cada sèrie. Per a fer els càlculs de les quantitats necessaris per a la fabricació de les provetes, s’ha realitzat el càlcul del volum de les provetes que es fabriquen al dia. Els càlculs que s’han fet servir per la fabricació de provetes es troben a l’annex. 3.3. Característiques tècniques dels motlles Per a la realització de l’estudi s’hi han empleat dos tipus de motlles per poder realitzar els assajos que s’han considerat necessaris. 3.3.1. Motlles per a proves mecàniques Les provetes segons la normativa UNE-EN 1015-11 hauran de ser de dimensió 40 mm x 40 mm x 160 mm. En cada realització de mescla de morter s’hauran de realitzar tres provetes per l’assaig de resistència a compressió i flexió. Es pot veure el motlle normalitzat en la figura 25. Figura 25. Motlle per emmotllar les provetes. Font: [52] Els motlles es lubriquen a cada ús en les cares interior amb oli de manera que el morter no s'adhereixi a les parets. 3.3.2. Motlles per a assajos resistivitat elèctrica S’ha seguit la normativa UNE-EN 12390-1[2] per a la fabricació de les provetes amb una dimensió de 50 x 50 x 50 mm². En la figura 26 es pot veure el dimensionat final de la proveta cúbica. Figura 26. Cub. Dimensió nominal proveta. Font: [2] d (mm) 50
Estudi de l'ús de microfibres de carboni per la fabricació de morters intel·ligents 24 En cada relació de mescla de morter s’hauran de realitzar 3 provetes cúbiques. Els motlles (figura 27) es lubriquen a cada ús en les cares interiors amb oli de manera que el morter no s'adhereixi a les parets. Figura 27. Motlle cúbic Per a la realització dels assajos a les provetes se li ha d’incorporar elèctrodes. Es facilita la següent figura 28 per facilitar la col·locació dels elèctrodes. Figura 28. Col·locació d’elèctrodes (Font: [ 3]) Cada proveta cúbica contindrà 2 elèctrodes (figura 28) amb unes dimensions de 60 x 20 mm. La separació entre ells és de 20 mm. Els elèctrodes han sigut submergits al morter 40 mm. Figura 29. Elèctrode
25 3.4. Mesures de seguretat i manipulació Per a garantir la seguretat dins del laboratori al llarg de la realització de les provetes i assajos posteriors s’ha de fer ús dels següents EPI. Segons el tipus de partícula utilitzada. Provetes amb partícules de grafit - Guants - Bata - Mascareta Provetes amb partícules chopped-CMF - Guants - Bata - Mascareta - Ulleres Assajos - Bata - Guants 3.5. Realització de les provetes de morter 3.5.1. Realització del morter Per a una correcta planificació abans d’iniciar la realització del morter, s’han de realitzar els càlculs dels quilos que es necessiten realitzar. Les indicacions per a la realització dels càlculs es troben en l'apartat 3.2. Estris o material necessaris s’indiquen a la taula 3. Estri o material Quantitat Sorra - Aigua - Ciment - Filler - Gaveta de goma 1 Paleta 2 Bàscula 1 Goter 1 Gerra 1 Bol 2 Pinces 1 Taula 3. Material necessari fabricació morter
Estudi de l'ús de microfibres de carboni per la fabricació de morters intel·ligents 26 Tots els pesatges s’han realitzat amb la bàscula i prèviament a iniciar els passos de preparació, si es desitja més informació sobre els pesatges mirar annex. Passos per a la preparació del morter 1. Mullar la gaveta de goma per facilitar la barreja dels components i evitar que s'adhereixin a les parets. L’aigua a utilitzar per mullar les parets no ha de ser la pesada per formar el morter (figura 30). Figura 30. Gaveta humida 2. Incorporar ciment, la sorra i el filler a la gaveta (figura 31). En aquest pas existeix una variació si el morter que s'està realitzant és el que conté pols de grafit. Figura 31. Materials base morter 2.1. Morter amb pols de grafit En el cas d’estar realitzant-se el morter amb pols de grafit en aquest pas s’ha d'afegir la quantitat de pols de grafit requerida per a la fabricació de les provetes (figura 32). Figura 32. Base morter amb grafit
27 3. Barrejat dels materials Barregem amb la paleta els components fins a obtenir una barreja amb un aspecte visual uniforme (figura 33). El barrejat del morter es realitza segons normativa, però degut a les baixes quantitats que s’han realitzat de morter no s’ha fet ús de batedora, s’ha fet un barrejat manual. S’ha de tenir especial cura durant el procés per no perdre cap component. Figura 33. Barreja de components morter 4. Incorporació de l’aigua Primer pas, introducció del superlligant a l’aigua i agitar. En aquest pas existeix una variant si el morter que s'està realitzant és el de fibres chopped-CMF. 4.1. Morter amb fibres chopped-CMF Per a poder incorporar les fibres chopped-CMF incorporem el superlligant a l’aigua i agitem. A continuació incorporem les fibres a l’aigua també. Les fibres s’incorporen a l’aigua perquè estan recobertes per una capa fina de glicerina per facilitar la seva manipulació, però per a poder incorporar de manera uniforme al morter s’ha d’eliminar. Una vegada tenim les fibres dins l’aigua es procedeix a agitar fins que s’observa que s’expandeixen i han perdut la capa de glicerina (figura 34). Figura 34. Fibres chopped-CMF expandides en aigua A continuació es procedeix a la preparació de la barreja de components de morter. Reagrupar barreja i fer una muntanya al centre de la gaveta amb un forat al mig similar a un volcà i incorporem l’aigua (figura 35).
Estudi de l'ús de microfibres de carboni per la fabricació de morters intel·ligents 28 Figura 35. Incorporació aigua 5. Amassat En aquest pas s’inicia l’amassat de manera lenta i amb atenció de no perdre components. L’aspecte del morter final ha de tenir una textura similar al de la plastilina (figura 36) i visualment és una massa uniforme. Durant el procés d’amassat es pot detectar falta d’aigua per obtindre la textura que es busca, per això es poden fer aportacions d’aigua de 10 ml fins a arribar a l’objectiu. Aquesta aigua ha de ser pesada amb la bàscula i anotada a les quantitats . Figura 36. Morter base 3.5.2. Procediment per l’emplenament dels motlles Les provetes s’emmotllen immediatament després de la preparació del morter. El motlle s’ha de lubricar amb oli abans de la introducció del morter per a poder facilitar el desemmotllat. També s’ha de col·locar en una superfície plana per fer un correcte emplenat. El morter s’introdueix a motlles per capes. La primera capa de morter s'estén en cada compartiment del motlle de manera uniforme utilitzant una espàtula de la dimensió de cada compartiment del motlle. A continuació es compacta la primera capa de morter amb 60 cops amb l’eina compactadora. Posteriorment, es col·loca la segona capa de morter i es repeteix el procediment de compactat. Finalment, un cop tots els compartiments del motlle estan omplerts i compactats es procedeix a fer la vibració. Un cop realitzada es retira l'excés de morter amb una espàtula mantenint el més vertical possible i inclinada en la direcció del moviment. Aquest procediment es repeteix les vegades que sigui necessària per obtenir una superfície llisa, durant el procediment es retira l'excés de morter que pugui quedar al perímetre del motlle.
29 3.6. Morter endurit Els motlles durant el període d’enduriment abans de desemmotllar han sigut coberts per plàstic impermeable transparent. Els motlles coberts per plàstic es col·loquen en una superfície plana, no han de ser apilats uns a sobre d’altres. Cada motlle ha de tenir un identificador que pugui ser retirat el dia de desemmotllar, l'identificador indica el dia de fabricació, la tipologia de proveta fabricada i número. 3.6.1. Desemmotllat de provetes El desemmotllat s’ha realitzat a les 72 h de la fabricació. Per a realitzar-ho s’han fet ús de martells de goma per ajudar a desprendre el motlle de la proveta. El procés es realitza amb cura de no danyar les provetes. Les provetes una vegada estan lliures del motlle s’han d’identificar. Un cop extreta la proveta, es procedeix a realitzar la neteja del motlle per a una perfecta conservació d’aquest. 3.6.2. Identificació de les provetes i composició Per tal de poder seguir l’estudi de forma ordenada i obtenir resultats correctes les provetes han sigut identificades per composició i data de fabricació. Un cop endurida i desemmotllada s’ha escrit en una cara de la proveta. En el cas de les provetes en forma de prisma, la identificació s’ha fet en la cara que quedava exposada durant l’eixugat dins del motlle. En la següent imatge es mostra un exemple. Figura 37. Identificació proveta En el cas de les provetes en forma cúbica la identificació s’ha realitzat en la cara paral·lela a les galgues introduïdes dins del morter. El motiu és que per a la col·locació de les galgues és necessari que la superfície no tingui cap resta de permanent o llapis. 3.6.3. Col·locació galgues extensomètriques La col·locació de les galgues és un pas molt important per a obtenir una correcta lectura dels resultats durant els assajos, per aquest motiu en aquest apartat es descriu el procés de col·locació. El més important abans de començar amb el procés és disposar de tot el material necessari per a fer-ho d’una forma més ràpida. A la següent taula 3 s'indiquen els materials i quantitats per la instal·lació d’una galga extensomètrica: Material Quantitat Guants 2 unitats Vidre 1 unitat Loctite 405 1 unitat Alcohol 1 unitat
Estudi de l'ús de microfibres de carboni per la fabricació de morters intel·ligents 30 Paper de cel·lulosa 2 unitats Pinces punta extrafina 1 unitat Galga estequiomètrica 1 unitat Cinta adhesiva 1 unitat Regla 1 unitat Llapis 1 unitat Taula 4. Materials per la col·locació d’una galga extensomètrica Les galgues extensomètriques únicament són col·locades en les provetes cúbiques de dimensions 50 x 50 x 50 mm. A cada proveta se li col·loquen als laterals en perpendicular als elèctrodes 1 unitat de galga, per la qual cosa cada proveta estarà proveïda de 2 galgues en total. Tenint en compte que s’han fabricat 10 tipologies de provetes, de les quals s’han fet 3 provetes diferents, el total de galgues que s’han instal·lat és de 60. Per a la manipulació de la galga és recomanable utilitzar els guants per evitar contaminarla. Passos per a la instal·lació correcta d’una galga extensomètrica: 1. Marcatge del posicionament de la galga. Per a la realització del marcatge es fa ús de la regla i del llapis. Es marca en els costats on l’elèctrode es troba en perpendicular tal com s’indica a la figura 38 on es donen les indicacions pel que fa a distàncies i línies. Les línies a dibuixar en la superfície de la proveta són les blaves. Figura 38. Indicació posicionament galgues Per a més ajuda a la taula 5 passos 1-2 es pot veure el marcatge real a una proveta d'exemple. 2. Preparació de la superfície d’instal·lació. És important que la superfície on s’instal·larà la galga no estigui contaminada per cap agent extern (pintura, greix, pols, etc.), per això s’ha de netejar i prepara. Per a la neteja s'utilitza un tros de paper de cel·lulosa humit amb alcohol. 3. Preparació de la superfície La galga ve dins d’un plec ben protegida, per a realitzar el trasllat fins a la proveta per la instal·lació primer ha de ser traslladada a una superfície sense agents contaminants, s’ha utilitzat un vidre (taula 5, pas 3). Per a la neteja s’ha ruixat una mica d’alcohol sobre el vidre i posteriorment eixugat amb tros de paper de cel·lulosa.
31 4. Preparació de la galga extensomètrica per trasllat a vidre Després de preparar la superfície del vidre, es procedeix a la preparació de la galga. Es procedeix a retirar la galga del seu envoltori amb l’ajuda de pinces, subjectant-la per la zona dels cables que ja venen soldats (taula 5, pas 4). Una vegada es té la galga retirada de l’embolcall es trasllada al vidre (taula 5, pas 5), important recordar que la zona que ha de quedar boca amunt és la cara brillant de la galga no la cara mate. Un cop traslladada al vidre se subjecta amb el dit per la zona negra (taula 5, pas 6) i finalment es col·loca un tros de cel·lo a la mateixa zona (taula 5, pas 7). 5. Preparació galga per instal·lació a proveta Quan ja s'ha realitzat tots els passos anteriors es procedeix a preparar la galga per ser traslladada a la proveta. La zona de la galga en cap moment pot ser tocada amb les mans per aquest motiu es procedeix a col·locar una tora generosa de cel·lo per sobre. La tira de cel·lo no pot contenir cap contaminant en la zona que toca la galga. En la taula 5 pas 8 es pot veure la col·locació correcta del cel·lo. 6. Trasllat galga a proveta Un cop es té la galga llesta es procedeix al trasllat cap a la proveta. Per facilitar la retirada del vidre el cel·lo s’ha de retirar en un angle de 45º des de dalt cap a baix seguint l’angle (taula 5 pas 9), quan ja està completament separada del vidre es subjecta amb les pinces la zona dels cables per fer el trasllat. Seguidament, es posiciona provisionalment a la proveta subjectant-la amb el dit per la zona dels cables (taula 5 pas 10). Cal assegurar que la galga està ben posicionada dins les marques realitzades en el punt 1, per a realitzar el següent pas 7. 7. Enganxar galga Per enganxar la galga a la proveta es requereix una petita quantitat de loctite (taula 5 pas 11). Per millorar l'adherència a la superfície s’aplica pressió amb el dit des de la zona més propera als cables fins a la més llunyana (taula 5 pas 12). Finalment, la instal·lació d’una galga està realitzada (taula 5 pas 13). Els passos anteriors es repetiran per a totes les unitats de galgues instal·lades en aquest estudi. 1 Marcatge de proveta 2 Proveta marcada 3 Vidre per instal·lació
Estudi de l'ús de microfibres de carboni per la fabricació de morters intel·ligents 32 4 Retirar galga d’embolcall 5 Trasllat galga al vidre amb pinces 6 Primera subjecció galga al vidre 7 Segona subjecció galga al vidre 8 Col·locació cel·lo sobre la galga 9 Retirada del vidre a 45º 10 Subjecció de galga en la proveta 11 Aplicació loctite 12 Aplicació de pressió
39 ● L és la longitud de la proveta (m) ● t és el temps de trànsit del pols(s) 2Càlcul del mòdul elàstic Amb la velocitat del pols ultrasònic i la densitat del morter calculada en l’assaig de densitat, es procedeix al càlcul amb la següent fórmula (5): 𝐸 = 𝑉2∗𝜌∗(1+𝑣)∗(1−2𝑣) (1−𝑣) (5) On: ● V és la velocitat del pols (m/s) ● 𝑣 és el coeficient de Poisson (adimensional) ● 𝜌 és la densitat del morter de la proveta (Kg/m^3) ● E és el mòdul elàstic (Pa) El coeficient de Poisson és una propietat que descriu la relació entra la deformació longitudinal i la transversal sota càrrega. Per al coeficient de Poisson s’ha considerat el valor de 0,2. 4.4. Flexo-tracció Es tracta d’un assaig destructiu es realitza en les provetes prismàtiques 40 x 40 x 160 mm. Consisteix a aplicar una càrrega controlada en el centre de la proveta provocant la ruptura. Aquest assaig es realitza a la premsa de MTS Insight 10 kN model C43.104 a velocitat 5 mm/min. El suport normalitzat utilitzat (figura 47) el qual està format per 2 rodets en la part inferior on es recolza la proveta a assajar i un a la part superior just a la meitat. Normativa UNE-EN 14651[60]. Figura 47. Suport premsa 10 kN Per a una correcta col·locació de les provetes en el suport es marquen per la cara que ha quedat exposada durant l’eixugat on tenim la marca identificativa 2 ratlles verticals a 30 mm de l’extrem deixant una distància entre elles de 100 mm (figura 48).
Estudi de l'ús de microfibres de carboni per la fabricació de morters intel·ligents 40 Figura 48. Marques de posicionament suport premsa 10 kN A continuació es procedeix a col·locar la proveta a la premsa d’assaig fent coincidir les marques amb la cara lateral dels rodets del suport i amb el seu eix longitudinal normal als suports (figura 49, figura 50). Figura 49. Suport premsa 10 kN amb detall col·locació proveta Figura 50. Suport premsa 10 kN amb proveta El següent pas és fer el punt zero a la premsa. Consisteix a aproximar el màxim possible a la proveta la part superior del suport es fa de manera manual mitjançant el programa informàtic de la premsa. Un cop realitzat i tarat al programa ja es pot procedir a realitzar l’assaig. L’assaig es realitza mitjançant el programa de la premsa i registra el moment al qual la proveta es trenca. Un cop finalitzat l’assaig la proveta ha sigut partida en dues parts i s’ha de tornar a identificar per poder realitzar posteriors assajos. La resistència a flexotracció es defineix amb la següent fórmula (6): 𝑅𝑓=1,5∗𝐹𝑓∗𝑙 𝑏∗𝑑2⬚ (6) On: ● 𝐹𝑓 és la càrrega de ruptura de la mostra (N) ● 𝑙 distancia entre suports, en mil·límetres (en aquest cas 100 mm) ● b ampla proveta, en mil·límetres (en aquest cas 40 mm) ● d profunditat de la mostrar, en mil·límetres (en aquest cas 40 mm)
41 4.5. Assaig de compressió Aquest assaig es realitza a la premsa de 300 kN (figura 51) i es realitza als semiprismes de provetes obtinguts després de l’assaig de flexotracció. Es tracta d'un assaig destructiu on les provetes ja hauran de ser desestimades. Figura 51. Premsa 300 kN Per a una correcta col·locació de les provetes en el suport es marquen per la cara que ha quedat exposada durant l’eixugat per poder centrar en el suport de la premsa (figura 52). El marcat es fa amb l’ajuda de les plaques metàl·liques de dimensions 40x40mm que es necessiten per l’assaig, ha de quedar el més centrat possible. Figura 52. Marques per assaig compressió A continuació es posiciona la proveta amb les plaques metàl·liques dins de la premsa com es veu a la figura 53.
Estudi de l'ús de microfibres de carboni per la fabricació de morters intel·ligents 42 Figura 53. Posicionament proveta a premsa per assaig de compressió La premsa és accionada amb l’ordinador mitjançant el programa d’ella. Per poder iniciar l’assaig després de col·locar la proveta s’ha de fer el zero i tarar la premsa. Resistència a la compressió, Rc, de cada proveta es calcula amb la següent formula (7): 𝑅𝑐= 𝐹/𝑆 (7) On: ● 𝑅𝑐 és la resistència a compressió (N/m^2 o Pa) ● F és la càrrega màxima aplicada a l’assaig, en Newtons ● S és la superfície de la proveta, en metres quadrats 4.6. Assaig de piezoresistivitat Per a fer l’estudi s’utilitza un QuàntumX com a amplificador, aquest permet connectar els cables de les galgues a l’amplificador de manera manual. Per a la realització de les medicions s’ha utilitzat el software Catman de HBM per configurar i visualitzar les medicions de les galgues. Per a la lectura dels elèctrodes s’utilitza el generador d’ones de multicomp pro MP750510 i també un multímetre digital Keysight 34460A. Per a la lectura de les medicions s’ha utilitzat el software associat al multímetre de Pathwave. Aquest assaig es realitza en la premsa de 300 kN (figura 51) i es realitza a les provetes cúbiques. Per al control de la premsa es fa ús de l’ordinador de sobretaula i dos de portàtils per a l’adquisició de les dades. També s’ha aïllat amb cinta els suports que es col·loquen entre el suport de la premsa. El muntatge realitzat es pot veure a la figura 54, on es veu com s’ha realitzat un circuit tancat connectant l'elèctrode de la proveta al multímetre que a la vegada està connectat a l’ordinador portàtil on s'adquireixen les dades que venen donades pel generador d’ones. El generador d’ones està connectat a l’elèctrode paral·lel del multímetre i a la vegada està connectat al cable positiu del multímetre per poder tancar el circuit. Amb l'adquisició de dades del voltímetre es mesura la resistència. D’altra banda, es connecten les galgues al quàntum on s’adquireix la variació de la deformació quan se li apliqui la càrrega.
43 Figura 54. Muntatge circuit Per a poder comprendre les connexions dels elèctrodes es pot mirar la figura 55 on es mostra la connexió del multímetre i del generador d’ones un cop posicionada la proveta premsa. També es pot observar les plaques metàl·liques utilitzades per evitar qualsevol transferència elèctrica de pèrdues de l’equip, aquestes plaques estan aïllades amb cinta aïllant. Figura 55. Muntatge circuit en proveta El muntatge requereix un espai ampli com es pot veure a la figura 56, al costat dret es troba l’ordinador de taula que controla la premsa, l’ordinador portàtil que adquireix les dades de les galgues i el quàntum. En el costat esquerre es troba l’ordinador portàtil que adquireix les dades del generador d’ones, el generador d’ones i el multímetre.
Estudi de l'ús de microfibres de carboni per la fabricació de morters intel·ligents 44 Figura 56. Muntatge general circuit laboratori L’objectiu de l’assaig és poder combinar les dades adquirides per les galgues i les dades adquirides mitjançant el multímetre. Un cop combinades la idea és poder crear un gràfic (figura 57) que mostri la variació relativa de la resistència amb la de la deformació, després de l’aplicació de la càrrega de la premsa. Amb això es pretén obtenir el “factor de galga” de la proveta (és el pendent de la recta). Figura 57. Exemple corba objectiu S’han hagut de realitzar dues iteracions de l’assaig. Els rangs de càrregues aplicats en la primera iteració són de: ● 1-2 kN ● 1-3 kN ● 1-4 kN
45 A la primera iteració es fa ús d’ona quadrada al generador d’ones amb 0,5 Vpp i 1Hz. Es fa servir la premsa en control per força amb velocitats inferiors a 0.25kN/s. Es realitzen dos cicles de càrrega. Es mesura la resistència amb el multímetre. Els rangs de càrregues aplicats en la segona iteració són de: ● 2-0 kN ● 3-0 kN ● 4-0 kN A la segona iteració es fa ús d’ona sinus amb 10 Vpp i 10kHz. Registrem una descàrrega molt ràpida (a la velocitat de descàrrega de la màquina, que és indeterminada). Es mesura la intensitat amb el multímetre. Aquests canvis s’han realitzat per intentar que la variació es pugui veure més ràpidament. 5. Anàlisis de resultats En aquest apartat es desenvolupa l’estudi dels resultats obtinguts després d'haver realitzat els assajos. 5.1. Resultat assaig densitat Els valors de les densitats s’han calculat a l’edat de 28 dies i el seu valor final és la mitjana aritmètica dels valors individuals, recollits a la taula que es troba a l’annex. El volum del prisma es calcula aplicant la fórmula (1) és: 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚 = 40 𝑥 40 𝑥 160 =256 𝑚3 Per a l’anàlisi dels resultats s’ha creat la gràfica de la figura 58, en la que es mostra la variació de la densitat mitjana en funció del percentatge tipologies de provetes. Figura 58. Densitat en sec de provetes Les provetes que conten pols de grafit mostren una densitat similar respecte a la de referència. Per la qual cosa ens indica que l’addició de pols de grafit en les concentracions estudiades (1%, 2,5%, 5%, 10%, 20% ) no afecta de manera significativa en la densitat. Les provetes que contenen fibres de carboni chopped-CMF també mostren una densitat similar a la de referència. Podent determinar que l’addició de fibres de carboni choppedCMF en les concentracions estudiades (0,01%, 0,05%, 0,1%, 0,2%), no afecta de manera significativa en comparació a la de referència. La variació més gran de densitat es troba al grafit 20% i en el cas de les fibres choppedCMF en el 0,2% respecte a la de referència.
Estudi de l'ús de microfibres de carboni per la fabricació de morters intel·ligents 46 En conclusió, cap de les dues tipologies de provetes estudiades mostra una variació significativa en la densitat, ja que, com es pot veure al gràfic (figura 58) les variacions són poc significatives respecte a la de referència. També es pot determinar que l’addició de qualsevol de les dues tipologies no causa un augment de densitat. 5.2. 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. En la figura 59 es mostra la gràfica del percentatge d’augment del pes de les provetes amb pols de grafit respecte a la de referència. S’observa que en un principi amb valors baixos d’addició de pols de grafit l’absorció es disminueix arribant a un pic mínim en el grafit 10% amb un 1,29%. A partir d’aquest pic, l’absorció novament augmenta. L’absorció d’aigua de les provetes amb pols de grafit mostren una tendència a disminuir respecte a la referència, la variació més baixa es troba al grafit 2,5% amb un percentatge de variació respecte a la referència d’un 22,51% i la més alta respecte a la de referència està el grafit 10% amb variació del 59,02%. Figura 59. Densitat d’absorció d’aigua % provetes grafit En el cas de les provetes amb fibres chopped-CMF passa el mateix que el pols de grafit, l'addició de les fibres redueix l’absorció d’aigua de les provetes l’absorció més baixa es situa a les provetes que contenen un 0,1% amb un 1,62% (figura 60). Figura 60. Densitat d’absorció d’aigua % provetes chopped-CMF En conclusió, s’ha demostrat que l’addició de pols de grafit o fibres chopped-CMF redueix el percentatge d’absorció d’aigua de les provetes respecte a la proveta de referència. La concentració de fibra chopped-CMF 0,1% té una variació màxima d’un 48,24% d’absorció
47 d’aigua i la proveta amb pols de grafit 10% una variació de 59,02% respecte a la de referència. Basant-se en els percentatges de contingut de fibres la proveta chopped-CMF 0,1% amb una concertació menor que la del pols de grafit té una major influencia a la reducció d'absorció d’aigua. 5.3. Resultats ultrasons S’ha realitzat l’assaig de les 30 provetes prismàtiques amb dimensions 40 x 40 x 160 mm de diferents composicions. Per cada tipologia de composició de proveta s’ha realitzat tres mesures. Després d'haver recopilat totes les dades del temps que tarden les ones a passar d’un transductor a un altre, a través de les provetes, es determina la velocitat de propagació de l’ona. Es poden veure els càlculs amb més detall dirigir-se a l’annex. En la taula 6 es mostren les dades més rellevants dels resultats processats de l’assaig. Composició Mitjana total (μ/sec) Temps de viatge mitjà per composició (m/s) Densitat mitjà en sec (kg /m^3) Mòdul de Young (GPa) Referència 47,389 3376,404 1125,47 11,55 Grafit 1% 47,711 3353,675 1117,89 11,32 Grafit 2,5% 48,122 3325,017 1108,34 11,03 Grafit 5% 46,956 3407,571 1135,86 11,87 Grafit 10% 98,778 2436,856 812,29 4,34 Grafit 20% 53,189 3008,234 1002,74 8,17 Chopped - CMF 0,01% 46,778 3420,560 1140,19 12,01 Chopped - CMF 0,05% 47,044 3401,283 1133,76 11,80 49,278 3246,981 1082,33 10,27
Estudi de l'ús de microfibres de carboni per la fabricació de morters intel·ligents 48 Chopped - CMF 0,1% Chopped - CMF 0,2% 53,189 3008,234 1002,74 8,17 Taula 6. Resultats processats de l’assaig d'ultrasons A mesura que disminueix el temps de viatge el mòdul de Young, també ho fa. Per la qual cosa s’observa una tendència descendent en les dues tipologies del mòdul de Young la qual cosa és un indicatiu de què les propietats mecàniques es veuen afectades. Figura 61. Gràfic temps de viatge vs composició En el gràfic mostra en la Figura 61 s'observa una tendència descendent del temps de viatge, la qual cosa indica que el temps de viatge va disminuint a mesura que la composició augmenta en concentració de grafit. El temps de viatge en la proveta de referència es situa en 3376,404 m/s i el temps més baix es situa a la proveta que conté pols de grafit 10 % amb un temps de viatge de 2436,856 m/s. En el gràfic també s’observa que el Grafit 20% té un augment del temps de viatge respecte al grafit 10% sense superar el referència, aquest fet s’ha pogut donar a conseqüència d’una sobresaturació de grafit. La sobresaturació és un indici de què en aquest percentatge el grafit ja no aporta millores a les propietats del morter, de fet es podria donar el cas que actuï de manera adversa. No es pot determinar amb exactitud amb aquest assaig quines conseqüències té la sobresaturació podria ser des d’un augment de porositat a una disminució de l'homogeneïtat del morter.
55 Figura 69. Deformació grafit 1% 1-4 kN No s’observa una tendència clara i per tant s’ha de fer una segona iteració de l’assaig. Per poder veure el postprocés dels assajos realitzats dirigir-se a l’annex. Es va postprocesar els arxius de càrregues 1-4 kN i es va veure que no es veia cap tendència. Mirar l’annex per veure els gràfics obtinguts. 5.6.2. Resultats segona iteració Inicialment, es fa una prova per veure la variació del corrent en el moment de descàrrega, i s’obtenen bons resultats. El total d’arxius adquirits han sigut 10 del multímetre i 10 de les galgues, ja que s’assaja només una proveta per tipologia, tot i que l’ideal seria haver-ho realitzat a totes. El tipus de corrent utilitzat és AC. El primer pas realitzat ha sigut la comprovació de la variació d’intensitat. En la figura 70 es pot veure la variació d’intensitat registra en una de les provetes assajades. Per comprovar que els valors oscil·len més estables i veure si el moment de descàrrega es pot veure la variació. Figura 70. Variació Intensitat G1% 1-2 kN Per al càlcul de resultats s’ha realitzat el següent procediment: 1r - Càlcul de variació mitjanes de cada galga En primer lloc, es fa la comprovació de fet que les galgues estan funcionant correctament amb el gràfic de la figura 70. També es realitza la comprovació de la força al gràfic de la figura 71. Quan es té determinat el moment de descàrrega, es fa la mitjana de la variació de les galgues abans i després de la descàrrega.
Estudi de l'ús de microfibres de carboni per la fabricació de morters intel·ligents 56 Figura 71. Comprovació força i galgues G1% 2-0 kN 2nCàlcul de variació de la intensitat Es fa el gràfic intensitat en funció del temps (Figura 70). Es determina el moment de la descàrrega i es calculen les mitjanes d’intensitat abans i després de la descàrrega. 3rCàlcul del voltatge eficaç Aquest valor és constant i depèn de l’amplitud de l’ona. 𝑉𝐸𝑓𝑖𝑐𝑎ç = (𝐴𝑚𝑝𝑙𝑖𝑡𝑢𝑑 √2) = (𝑉𝑝𝑝 / 2 √2) 4rtAplicar llei d’ohm per trobant les R corresponents i calculem la variació. 𝑅𝑂 = ( 5 √2)/𝐴𝐶 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 − −> 𝑅 𝑎𝑚𝑏 𝑐à𝑟𝑟𝑒𝑔𝑎 𝑋 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎 (8) 𝑅𝐹 = ( 5 √2)/𝐴𝐶𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 − −> 𝑅 𝑠𝑒𝑛𝑠𝑒 𝑐à𝑟𝑟𝑒𝑔𝑎 (9) 𝑉𝑎𝑟𝑖𝑎𝑐𝑖ó 𝑅 = −(𝑅𝐹 −𝑅𝑂) (10) 5èTrobem la variació relativa de R divint per Ro. Els anteriors passos es repeteixen per a totes les variants d’aplicacions de càrrega fetes en una mateixa composició. Finalment, es fa la recopilació de dades de cada càrrega aplicada a una taula com la que es troba a la taula 9. Taula 9. Recopilació de dades postprocesat Grafit 1% Amb les dades es genera el gràfic AR/Ro en relació a la deformació. Grafit 1% F (kN) Def. AR/Ro 0 0 0 2 58,11112745 8,01E-04 3 95,22053215 -2,45E-04 4 126,6566127 -1,30E-03
57 Figura 72. Deformació G1% Es fa la recta de regressió, on el pendent (“factor de galga”) ens relaciona la deformació amb la variació de la resistència. Es genera una taula, com la taula 10, amb la recopilació de les dades totals postprocessades. Per veure en detall les taules de totes les composicions, mirar a l’annex. Id. Proveta Concentració (kN) Intensitat (AAC) Resistència (Ω) ΔR/Ro Deformació (ε) Grafit 1% 0 0,0000E+00 0,0000E+00 0,0000E+00 0 1-2 3,6015E-04 7,8661E+00 8,0064E-04 58,111 1-3 3,6151E-04 -2,3972E+00 -2,4517E-04 95,221 1-4 3,6237E-04 -1,2675E+01 -1,3008E-03 126,657 Taula 10. Recopilació dades totals postprocessat grafit 1% Per últim, un cop fet tot el postprocés mencionat es procedeix a recopilar tots els pendents obtinguts per poder fer anàlisi complert. Per a poder consultar totes les gràfiques i taules mencionades per a la realització del postprocés dirigir-se a l’annex. Id proveta Equació de la recta Pendent Referència -4E-06x + 0,001 -4,00E-06 Grafit 1% -1E-05x + 0,0005 -1,00E-05 Grafit 2,5% -1E-05x + 0,0001 -1,00E-05 Grafit 5% 4E-06x + 0,0002 4,00E-06 Grafit 10% 5E-06x + 0,001 5,00E-06 Grafit 20% -2E-05x + 0,0003 -2,00E-05 Chopped-CMF 0,01% 3E-05x + 0,0004 3,00E-05 Chopped-CMF 0,05% 9E-05x + 0,0001 9,00E-05 Chopped-CMF 0,10% 9E-05x + 0,0001 9,00E-05 Chopped-CMF 0,20% -2E-05x + 0,0003 -2,00E-05 Taula 11. Recopilació factor de galga postprocessat grafit 1% En la figura 73 es pot observar com l'addició de pols de grafit en concentracions del 5-10% augmenta el factor de galga. En el cas de les chopped-CMF això succeeix en concentracions del 0,05-0,10%.
Estudi de l'ús de microfibres de carboni per la fabricació de morters intel·ligents 58 Figura 73. Variació factor de galga total En general, l’addició de les partícules amplifica l’efecte piezoresistiu. S’ha pogut demostrar que es pot registrar la variació de R mitjançant l’ús d'aquestes partícules. S’ha pogut demostrar que els valors oscil·len estables quan s’aplica una força constant (figura 70). No hi ha una tendència clara (figura 73). Hi ha diferència entre petites concentracions i altes. Quant més gran és el valor absolut del pendent, més variació d’intensitat s’obtindrà i per tant es podria determinar més fàcilment les seves deformacions. Amb les chopped-CMF obtenim un pendent més elevat que no amb el pols de grafit, per tant seria més interessant fer servir chopped-CMF, ja que es fan servir en menor quantitat. Les concentracions que augmenten més l’efecte piezorresistiu són les chopped-CMF 0,05% al 0,10% el grafit de 5% al 20%. 6. Resum del pressupost En aquest apartat s’ha realitzat el pressupost per a la fabricació de provetes i realització d’assajos. En el document de Pressupost es detallen tots els costos necessaris que s’han tingut en compte per a l’hora de calcular els costos totals. Per a la realització del pressupost s’han comptabilitzat les hores tenint en compte que l’alumne ha de fer un treball de 600 h. S’ha estimat que la duració de l’estudi seria de 3 mesos. Els costos de l’estudi s’han dividit en els següents apartats: - Costos humans: Es tenen en compte totes les persones que s’han implicat en el desenvolupament del projecte. - Costos de fabricació: S’han tingut en compte tots els materials necessaris per a la realització de les provetes. - Costos EPIs: Pel que fa als EPI, es tenen en compte els utilitzats per les persones que han estat al laboratori . - Costos elèctrics: En aquest apartat es realitza una aproximació de l’electricitat consumida en el laboratori per a la realització de les provetes i assajos.
59 - Costos associats al consum d’aigua: En aquest apartat es realitza una aproximació de l’aigua consumida en el laboratori per a la realització de les provetes i assajos. - Amortització d’equip: En aquest apartat es realitza el càlcul on es distribueix el cost dels equips utilitzats al llarg de la seva vida útil. - Fungibles: En aquest apartat es determina un cost aproximat dels materials fungibles utilitzats. A continuació es facilita la taula 9 amb un resum de costos i la inversió final requerida: Suma total dels costos Costos humans 22.300,00 € Costos de fabricació 995,83 € Costos EPI 234,26 € Costos elèctrics 26,02 € Costos associats al consum d’aigua 0,07 € Amortització dels equips 3.000,00 € Fungibles 13,60 € Total costos 26.569,78 € Taula 12. Estimació de costos d’inversió per l’estudi Tenint en compte tots els costos presents al llarg de la realització de l’estudi el cost estimat és de 26.569,78 €. 7. Anàlisi i valoració de les implicacions ambientals i socials Per a comprendre les implicacions ambientals i socials de l’ús de fibres de grafit en el morter s’ha realitzat un anàlisis situant-lo dins dels disset objectius de desenvolupament sostenible (ODS) de l’ONU [61]. Aquest anàlisi es centra a examinar i avaluar les implicacions ambientals i socials de l’ús de pols de grafit dins del con. En la taula 13 es mostra la classificació dels ODS entre implicacions ambientals i implicacions socials. Implicacions ambientals Implicacions socials ODS 6 ODS 8 ODS 7 ODS 12 ODS 9 ODS 13 ODS 11 ODS 14 ODS 12 ODS 15 ODS 17 ODS 07
Estudi de l'ús de microfibres de carboni per la fabricació de morters intel·ligents 60 ODS 11 ODS 09 Taula 13. Roda ODS de l’estudi En la figura 77 es mostra les infografies que utilitza l’ONU per identificar els ODS que s’han identificat en aquest estudi. Figura 74. Roda ODS de l’estudi (Font: pròpia i [61]) A continuació en la taula 14 es detalla el número de l’ODS i l'explicació de les implicacions. Núm. ODS Identificació de l’ODS Implicacions ambientals i socials 6 Aigua neta i sanejament Es redueix l’aigua necessària per construir una nova edificació. Millor manteniment de les estructures provocarà l’allargament de la vida útil d’aquestes. 7 Energia assequible i no contaminant Millora de l'eficiència energètica dels edificis, ja que es redueix el consum d’energia i les emissions de gasos efecte hivernacle. Proporciona millor aïllament tèrmic, disminuint la demanda de calefacció i refrigeració, disminuint la petjada de carboni. [62] Construcció d’habitatges més sostenibles, donant suport a fer el canvi cap a sistemes més eficients. 8 Treball decent i creixement econòmic Generació de nous llocs de treball en la indústria, ja que es tracta d’una implementació de tecnologia innovadora i sostenible, la qual requereix mà d’obra especialitzada. 9 Indústria, innovació i infraestructura És un material innovador i més sostenible, a més aporta més resistència i eficiència, contribuint al desenvolupament d’infraestructures més eficients i resistents. Com a
61 conseqüència, tenen més vida útil i es redueixen els residus enviats a la deixalleria. El grafit aporta més durabilitat i resistència a les estructures de manera que es redueix el manteniment allargant la vida útil de les estructures. A major durabilitat implica menor cost al llarg del cicle de vida de la infraestructura i per tant reducció de la generació de residus de construcció i demolició. Segons algunes investigacions es pot reduir l’ús del ciment sense comprometre la resistència del material. El desenvolupament de nous morters afavoreix a incentivar la col·laboració entre sectors atraient nous inversionistes i generar llocs de treball especialitzats. 11 Ciutats i comunitats sostenibles Es fomenta la creació d’edificis amb més vida útil i més eficients energèticament, la qual cosa contribueix a la creació de ciutats més sostenibles. Reducció de la contaminació ambiental, ja que es redueixen les reparacions per el que es generen menys residus . Aporta resistència a les estructures generant més seguretat i qualitat de vida a les comunitats. Aporta més resistència podent fer que els edificis siguin més resistents a desastres naturals. Fomenta la creació de ciutats més sostenibles i intel·ligents gràcies a la possibilitat d’anàlisis de l’estructura. 12 Producció i consum responsable Reducció de residus, ja que el morter amb pols de grafit és més durador i per la qual cosa té menor impacte ambiental. També és una alternativa per reduir el consum de recursos. Amb una menor necessitat de ciment que és una font molt gran d’emissió de CO₂. Reciclabilitat de la fibra millora aïllament tèrmic. 13 Acció pel clima [62] Reducció de les emissions de CO₂, gràcies a l’augment de l’eficiència energètica. 14 Vida submarina Pot ajudar a mitigar el canvi climàtic i pot ser beneficiós per als ecosistemes marins. 15 Vida d’ecosistemes Redueix la pressió sobre l’ús dels recursos naturals. 17 Aliances per aconseguir objectius Promou col·laboracions entre sectors, per aconseguir múltiples ODS, impulsant projectes col·laboratius. Taula 14. ODS de l’estudi
Estudi de l'ús de microfibres de carboni per la fabricació de morters intel·ligents 62 8. Conclusions S’ha pogut introduir partícules conductores al morter amb èxit. S’ha pogut realitzar la campanya experimental amb èxit. S’ha pogut demostrar la variació de la piezoresistivitat de les tipologies de morters realitzades. A continuació, s’agrupen les conclusions específiques extretes de la recerca duta a terme: ● És viable l’ús de partícules com a elements parts d’un morter. L’addició d’aquestes partícules no modifica el procediment de preparació, per aquest motiu són una bona opció per estudiar morters de conductivitats diferents. ● Altes concentracions de partícules disminueixen la rigidesa del morter. A l’assaig d’ultrasons es va veure que el mòdul de Young en les dues tipologies estudiades es veu afectat on a grans concentracions disminueix. Es recomana no utilitzar les concentracions de pols de grafit (10%, 20%) ni tampoc les concentracions de fibres de carboni chopped-CMF (0,1%, 0,2%). ● L'addició d’aquest tipus de partícules augmenta la resistència a compressió. Les dues tipologies de partícules fan augmentar la resistència a compressió respecte a la de referència. Es va determinar que l'ús de fibres chopped-CMF proporciona un augment major de la resistència a la compressió que el pols de grafit. ● L’addició d’aquest tipus de partícules no provoca un canvi significatiu en la resistència a flexotracció. A l’assaig de flexotracció s’han registrat unes variacions en positiu de la resistència de flexotracció de grafit 10% i la Chopped-CMF 0,1%, sent una variació d’augment del 9,3% i 9,5% respectivament. ● Es pot afirmar que les chopped-CMF al contenir menys concentracions afecten menys la resistència. Tenint en compte els percentatges utilitzats de grafit i de chopped-CMF. Tal com s’ha vist a l’assaig de flexotracció l'ús de grafit provoca una disminució de la resistència a flexotracció del 15,7-5,87 % es tracta d’una reducció poc significativa, en comparació a les fibres chopped-CMF que es tracta de 4,69%- 0,2% de reducció respecte a la de referència. L'ús de grafit disminueix més ràpidament la resistència a flexotracció, ja que fa ús de concentracions més altes. ● Les partícules modifiquen la conductivitat elèctrica del morter. A l’assaig de piezoresistivita es veu com hi ha una variació de la intensitat, i per tant “factor de galga”. ● Quant més gran és el valor absolut del pendent, més variació d’intensitat s’obtindrà i per tant es podria determinar més fàcilment les seves deformacions. En les chopped-CMF obtenim una pendent més elevada que no amb el pols de grafit, per tant seria més interessant fer servir chopped-CMF. ● Les mostres amb chopped-CMF amb menys concentracions presenten major amplificació del comportament piezoresistiu. S’ha vist que després d’analitzar concentracions de grafit entre 5% al 20% i del 0,05% al 0,10% de fibres chopped-CMF són les que presenten major amplificació. Després de l’anàlisi dels resultats obtinguts per la realització de l’estudi s’ha pogut determinar la necessitat de seguir fent més investigacions. Per a properes línies d'investigació es proposen les següents idees:
63 ● Investigació de proporcions de ciment vs fibres sense perdre resistència. ● Investigació altres tipologies de fibres, realitzant proves mecàniques i de resistivitat elèctrica. ● Aplicacions del morter a gran escala. ● Estudi de durabilitat del morter amb les fibres exposant-lo a diferents condicions ambientals o agents agressius com (sal, humitat, gel) amb eines de simulació. ● Anàlisi del cicle de vida del morter tradicional i el morter amb partícules per veure els impactes ambientals i proposar millores per la reducció. ● Investigar mètodes de fabricació additiva o altres per la fabricació del morter. ● Fer un anàlisi de sensibilitat sobre el tipus d’ona per mesurar la piezoresistivitat. 9. Referències [1] M. Gangolells i M. Casals, «Resilience to increasing temperatures: residential building stock adaptation through codes and standards», Building Research & Information, vol. 40, núm. 6, p. 645-664, des. 2012, doi: 10.1080/09613218.2012.698069. [2] H. impreso G. G. G. Espana 642955091, «¿Cuál es la Diferencia entre cemento, mortero y hormigón?», Galistar. Consulta: 9 maig 2024. [En línia]. Disponible a: http://www.galistar.es/diferencia-cemento-mortero-hormigon/ [3] A. Drougkas, V. Sarhosis, M. Basheer, A. D’Alessandro, i F. Ubertini, «Design of a smart lime mortar with conductive micro and nano fillers for structural health monitoring», Construction and Building Materials, vol. 367, p. 130024, feb. 2023, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2022.130024. [4] «Características de los Morteros - Construmatica». [En línia]. Disponible a: https://www.construmatica.com/construpedia/index.php?title=Caracter%C3%ADsticas _de_los_Morteros&mobileaction=toggle_view_desktop [5] S. Hedjazi i D. Castillo, «Effect of fiber types on the electrical properties of fiber reinforced concrete». Consulta: 12 juny 2024. [En línia]. Disponible a: https://www.ingentaconnect.com/content/asp/me/2020/00000010/00000005/art00017;j sessionid=1cy017e5kkq62.x-ic-live-01 [6] F. A. Randall i J. D. Randall, History of the Development of Building Construction in Chicago. University of Illinois Press, 1999. [7] Malinowski, R., «Ancient mortars and concretes: Aspects of their durability», History of Technology London, vol. 7, p. 89-101, 1982. [8] Reller, A., «Ancient Plasters and Mortars from Neolithic Turkey», Journal of Archaeological Science, vol. 19, núm. 3, p. 299-305, doi: 10.1016/03054403(92)90018-F. [9] José Ignacio Álvarez Galindo, Antonio Martín Pérez, i y Pedro J. García Casado., «Historia de los morteros», PH Boletín del Instituto Andaluz del Patrimonio Histórico, vol. 3, núm. 13, p. 52-59, 1995. [10] Malinowski, R., «Concretes and mortars in acient aque-ducts.», Concret International, p. 66-76, 1979. [11] Sickels, L.B., «Organics vs.Synthetics:their use as additives in mortars.In Mortars, cements and grouts used in the conservation of historic buildings», Iccrom, p. 25-52, nov. 1981. [12] «John Smeaton», Wikipedia, la enciclopedia libre. 8 juny 2024. Consulta: 12 juny 2024. [En línia]. Disponible a:
Estudi de l'ús de microfibres de carboni per la fabricació de morters intel·ligents 64 https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=John_Smeaton&oldid=160621255 [13] Loamrat, K., Sappakittipakorn, M., Sukontasukkul, P., & Banthia, N. (2014)., «Effect of carbon fiber and graphite powder on resistivity of cement-based sensor under compression», Applied Science and Engineering Progress, vol. 7, núm. 1, p. 29-35, 2014. [14] «Aditivo superplastificante», Wikipedia, la enciclopedia libre. 27 novembre 2023. Consulta: 12 juny 2024. [En línia]. Disponible a: https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Aditivo_superplastificante&oldid=155641984 [15] Webmaster, «Fibras: su utilización en Hormigones y Morteros», Asociación Argentina del Hormigón Elaborado. Consulta: 10 juny 2024. [En línia]. Disponible a: https://hormigonelaborado.com/fibras-su-utilizacion-en-hormigones-y-morteros/ [16] Z. Tang, Z. Li, J. Hua, S. Lu, i L. Chi, «Enhancing the damping properties of cement mortar by pretreating coconut fibers for weakened interfaces», Journal of Cleaner Production, vol. 379, p. 134662, des. 2022, doi: 10.1016/j.jclepro.2022.134662. [17] A. Vilardi, «Comparación entre redes de fibras sintéticas y redes de fibras de cáñamo para el refuerzo de muros de albañileria = Comparison between synthetic fiber networks and hemp fiber networks for the reinforcement of masonry walls», Anales de Edificación, vol. 2, núm. 3, Art. núm. 3, des. 2016, doi: 10.20868/ade.2016.3469. [18] J.L. Sánchez, A. Cobo, B. Díaz & I. Mateos, «Estudio experimental del comportamiento a compresión de hormigones autocompactantes reforzados con fibras de acero Experimental study of performance self-compacting concrete reinforced with steel fibers», Anales de edificación, vol. 1, núm. 2, p. 17-25, juny 2015. [19] de[email protected], «FIBRAS DE ACERO PARA EJECUCION DE HORMIGON REFORZADO-TEAIS FIBRACER · TEAIS». Consulta: 15 juny 2024. [En línia]. Disponible a: http://www.teais.es/es/producto/12730/fibras-de-acero-para-ejecucionde-hormigon-reforzado-teais-fibracer [20] «Fibras de acero para refuerzo del hormigón para mezclar insitu», cymper-online. Consulta: 15 juny 2024. [En línia]. Disponible a: https://www.cymper.com/online/hormigon/228186-fibra-de-acero-ondulada-pararefuerzo-del-hormigon.html [21] «Fibra de Vidrio para Hormigón POLIFIBER® - Extrusión de Polímeros,S.A.», Extrupol. Consulta: 14 juny 2024. [En línia]. Disponible a: https://extrupol.com/productos/fibrade-vidrio/ [22] «Aplicaciones y ventajas del uso de fibras de polipropileno». Consulta: 14 juny 2024. [En línia]. Disponible a: https://texdelta.com/blog/aplicaciones-y-ventajas-del-uso-defibras-de-polipropileno/ [23] P. Viera, D. Morillo, J. Parion, P. Viera, D. Morillo, i J. Parion, «Influencia de fibras naturales y sintéticas en la permeabilidad de morteros de cemento - arena, y cemento, cal y arena», FIGEMPA: Investigación y Desarrollo, vol. 13, núm. 1, p. 59-69, juny 2022, doi: 10.29166/revfig.v13i1.3410. [24] «Fibra de Polipropileno POLIFIBER® - Extrusión de Polímeros,S.A.», Extrupol. Consulta: 14 juny 2024. [En línia]. Disponible a: https://extrupol.com/productos/fibrade-polipropileno/ [25] «Fibra de carbono», Castro Composites. Consulta: 13 juny 2024. [En línia]. Disponible a: https://www.castrocompositesshop.com/es/29-carbono [26] «SIGRAFIL® Carbon Fibers». Consulta: 13 juny 2024. [En línia]. Disponible a: https://www.sglcarbon.com/en/markets-solutions/material/sigrafil-continuous-carbonfiber-tows/ [27] «PANOX Oxidized PAN Fibers». Consulta: 13 juny 2024. [En línia]. Disponible a: https://www.sglcarbon.com/en/markets-solutions/material/panox-oxidized-pan-fibers/ [28] «FIBRAS SINTÉTICAS Y ESPECIALES: Microfibra y fibra del carbono», FIBRAS SINTÉTICAS Y ESPECIALES. Consulta: 13 juny 2024. [En línia]. Disponible a: https://bettyhdezsan.blogspot.com/p/microfibra-antecedentes-laproduccion-de.html [29] jdufrasne, «Propiedades de la fibra de carbono y su uso | Blog de MOLINS», Soluciones