Sensor para la determinación de la profundidad y velocidad de carbonatación del hormigón.

Sensor para la determinación de la profundidad y velocidad de carbonatación del hormigón.

La presente invención se refiere a un sensor de pH que comprende: una pista de un conductor eléctrico; sobre la pista de conductor eléctrico

, un óxido metálico de al menos un metal M, donde M es un metal que presenta al menos dos estados de oxidación, donde el potencial de reducción entre dichos estados de oxidación varía con el pH; una capa de material dieléctrico que cubre parcialmente la pista del conductor eléctrico; y medios para conexión eléctrica; caracterizado porque M no forma especies solubles a pH >7; y porque el óxido metálico está recubierto de un polímero hidrogel.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201431359.

Solicitante: UNIVERSITAT POLITECNICA DE VALENCIA.

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: SOTO CAMINO,JUAN, GARCIA BREIJO,EDUARDO, GANDÍA ROMERO,José Manuel, VALCUENDE PAYÁ,Manuel Octavio.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > INVESTIGACION O ANALISIS DE MATERIALES POR DETERMINACION... > Investigación de la resistencia de los materiales... > G01N17/02 (Sistemas de medida electroquímica de la acción de la intemperie, de la corrosión o de la protección contra la corrosión (G01N 17/04 tiene prioridad))
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > INVESTIGACION O ANALISIS DE MATERIALES POR DETERMINACION... > Investigación o análisis de materiales por métodos... > G01N33/38 (cemento; cal; mortero; yeso; ladrillos; productos cerámicos; vidrio)
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > INVESTIGACION O ANALISIS DE MATERIALES POR DETERMINACION... > Investigación de la resistencia de los materiales... > G01N17/04 (Sondas de corrosión)
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Sensor para la determinación de la profundidad y velocidad de carbonatación del hormigón.

Fragmento de la descripción:

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Sensor para la determinación de la profundidad y velocidad de carbonatación del hormigón

La presente invención se refiere a un sistema sensor para determinar la velocidad de carbonatación del hormigón a tiempo real. Por tanto, la presente invención se puede encuadrar en el campo técnico de la construcción, en concreto en el campo del hormigón.

ESTADO DE LA TÉCNICA

La carbonatación es una reacción química en la que el hidróxido de calcio reacciona con el dióxido de carbono y forma carbonato cálcico insoluble:

Ca (OH) 2 + CO2 â CaCO3 + H2O

La carbonatación es un proceso lento que ocurre en el hormigón, donde la portlandita (hidróxido cálcico) del cemento reacciona con el dióxido de carbono del aire formando carbonato cálcico. Esta reacción necesariamente se produce en presencia de humedad, ya que el dióxido de carbono reacciona con el agua formando ácido carbónico, y éste reaccionará con el hidróxido de calcio, obteniendo como resultado el carbonato de calcio y agua. Este proceso de carbonatación empieza en la superficie y lentamente va penetrando al interior del hormigón. La velocidad depende de la humedad relativa del hormigón. Dado que la carbonatación provoca una bajada de pH (ácido) esto puede ocasionar la corrosión de las armaduras y dañar los elementos estructurales.

Obtener información de pH y del frente de carbonatación es una información muy importante ya que no detectar daños estructurales debidos a corrosión puede provocar el colapso de la estructura. La importancia de este tipo de sensores viene ilustrada por los artículos Effective monitoring of corrosion in reinforcing steel in concrete constructions by a multifunctional sensor (Shi-Gang Dong, Electrochimica Acta, Vol. 56, 4, 2011, págs. 1881â?"1888) y Sensor systems for use in reinforced concrete structures (W.John McCarter, Construction and Building Materials, Vol. 18, 6, 2004, págs. 351â?"358) se describen diversos sensores de pH para hormigón.

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La patente US20110115613, publicada en 2011, describe sensores wireless para medir el pH, la temperatura y la distorsión en hormigón. Sin embargo, el sensor de pH descrito en este documento es un electrodo de vidrio estándar , y por tanto, presenta problemas al ser utilizado en el entorno específico del hormigón por su falta de robustez y por la imposibilidad de realizar un mantenimiento.

Por tanto, existe la necesidad de buscar sensores de pH para hormigón alternativos que presenten robustez y que indiquen adecuadamente los cambios de pH en el interior del hormigón.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un sistema sensor para ser embebido en estructuras de hormigón y aportar información en tiempo real, de forma fiable y 15 continua sobre la medida del pH. Además se refiere a un dispositivo que permite obtener la información en varios puntos. El dispositivo de la invención permite determinar la profundidad de carbonatación y la velocidad de avance del frente carbonatado, pudiendo conocer con mucha antelación en qué momento se puede iniciar la corrosión de las armaduras. Con estos datos se pueden optimizar los procesos de mantenimiento de la estructura y prever con suficiente antelación cualquier intervención, reduciéndose considerablemente los costes de reparación en el sector de la construcción.

En definitiva, la introducción de estos sensores en las estructuras de hormigón armado, en la zona de recubrimiento de las armaduras, permite la monitorización del pH y en consecuencia evaluar con un alto grado de confianza el pH del hormigón en la zona próxima a las armaduras y por tanto estimar la vida útil de la estructura.

El sensor se puede implementar en:

-obras de nueva planta, incorporándolo en el momento de la puesta en obra del hormigón en aquellas zonas de la estructura más expuestas al ingreso de CO2 y por tanto, donde el hormigón puede carbonatarse con mayor rapidez, permitiendo controlar así el avance del frente carbonatado y la velocidad de avance del mismo al disponer de varios sensores a distintas profundidades;

-en obras de intervención, permitiendo un control y un seguimiento no destructivo de la eficacia de la reparación;

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- en laboratorio, para trabajos de investigación con probetas para poder profundizar en el conocimiento de los procesos de corrosión de las armaduras embebidas en hormigón y poder estudiar los cambios que se van produciendo en cada momento en el material para mejorar su conocimiento y obtener modelos de predicción más fiables de la velocidad de difusión del CO2 al interior del hormigón.

Cabe resaltar que el uso de este tipo de sensores permite obtener información del pH a diferentes profundidades en la zona de recubrimiento de las armaduras embebidas en el hormigón sin necesidad de aplicar ensayos destructivos como el de la fenolftaleína o la termogravimetría.

Por tanto, un primer aspecto de la presente invención se refiere a un sensor de pH que comprende:

a) una pista de un conductor eléctrico; b) sobre la pista de conductor eléctrico, un óxido metálico de al menos un metal M, donde M es un metal que presenta al menos dos estados de oxidación, donde el potencial de reducción entre dichos estados de oxidación varía con el pH; c) una capa de material dieléctrico que cubre parcialmente la pista del conductor eléctrico; y c) medios para conexión eléctrica;

caracterizado porque M no forma especies solubles a pH > 7; y porque el óxido metálico está recubierto de un polímero hidrogel.

El soporte en el que están presentes estos componentes es un soporte dieléctrico y puede ser un soporte de alúmina, materiales cerámicos, metales esmaltados o materiales poliméricos rígidos o flexibles y puede tener geometrías variadas. Preferiblemente el sensor de la invención tiene geometría plana, aunque puede adoptar cualquier configuración geométrica que permita un íntimo contacto con el medio.

Por conductor eléctrico se entiende un material que ofrece poca resistencia al movimiento de carga eléctrica. En el contexto de la invención, un conductor eléctrico 35 es un metal, aleaciones de metal o grafito.

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Tal y como se ha indicado anteriormente, M es un metal que presenta al menos dos estados de oxidación. Preferiblemente M es un metal de transición que no forma especies solubles a pH >7. Las especies solubles a esos valores de pH suelen ser oxoaniones.

El óxido metálico está sobre la pista de conductor eléctrico para poder detectar variaciones de potencial.

Por material dieléctrico (también llamado aislante eléctrico) se entiende un material mal conductor de la electricidad. El material dieléctrico cubre parcialmente la pista de conductor eléctrico, es decir, lo cubre totalmente excepto donde está en contacto con el óxido metálico y excepto en el área destinada a los medios para la conexión eléctrica. El material dieléctrico se selecciona de materiales dieléctricos inorgánicos y poliméricos. Preferiblemente los materiales dieléctricos inorgánicos se seleccionan de borosilicatos, Al2O3, ZrO2) , mezclas de borosilicatos con TiO3Ba, mezclas de Al2O con TiO3Ba, mezclas de ZrO2 con TiO3Ba y cualquiera de sus mezclas. Los materiales dieléctricos poliméricos se seleccionan de acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) , caucho isobutileno-isopreno, gutapercha, polietileno de alta densidad (del inglés HDPE, high-density polyethylene) , poliimida, caucho de neopreno, poliamidas, policarbonato, polipropileno, poliestireno, policloruro de vinilo, silicona, politetrafluoroetileno (PTFE) . Preferiblemente el material dieléctrico es un material dieléctrico polimérico....

 


Reivindicaciones:

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1. Sensor de pH que comprende:

a) una pista de un conductor eléctrico; b) sobre la pista de conductor eléctrico, un óxido metálico de al menos un metal M, donde M es un metal que presenta al menos dos estados de oxidación, donde el potencial de reducción entre dichos estados de oxidación varía con el pH; c) una capa de material dieléctrico que cubre parcialmente la pista del conductor eléctrico; y d) medios para conexión eléctrica;

caracterizado porque M no forma especies solubles a pH > 7; y porque el óxido metálico está recubierto de un polímero hidrogel.

1.

2. El sensor según la reivindicación anterior, donde el óxido metálico se selecciona de óxidos de Ru, Ir, Rh, Nb, Ta y cualquiera de sus mezclas.

3. El sensor según cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, donde el óxido metálico 20 se selecciona de RuO2, IrO2, RhO2, Nb2O5, Ta2O5 y cualquiera de sus mezclas.

4. El sensor según la reivindicación anterior, donde el óxido metálico se selecciona de RuO2, IrO2 y cualquiera de sus mezclas.

5. El sensor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el óxido metálico está embebido en una matriz orgánica.

6. El sensor según la reivindicación anterior, donde la matriz orgánica se selecciona de polímeros epoxis, poliuretanos, polisiloxanos y cualquiera de sus mezclas.

3.

7. El sensor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde el óxido metálico está embebido en una matriz vítrea inorgánica.

8. El sensor según la reivindicación anterior, donde la matriz vítrea inorgánica se 35 selecciona de borosilicatos, boratos o cualquiera de sus mezclas.

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9. El sensor según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 8, donde el ratio en peso de óxido metálico:matriz orgánica o inorgánica es de 4:1 a 1:4.

10. El sensor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el polímero hidrogel se selecciona de hidrogeles de poliacrilamida, hidrogeles copolímeros que comprenden poliacrilamida, hidrogeles de poliglicoles, hidrogeles de poliuretano, hidrogeles copolímeros que comprenden poliuretano y cualquiera de sus mezclas.

11. El sensor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde el polímero hidrogel es hidrogel copolímero que comprende poliuretano, preferiblemente el polímero hidrogel es un poliéter-poliuretano.

12. El sensor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el conductor eléctrico se selecciona de Pt, Ag, Au, Pd, Al, Cu, Ni o cualquiera de sus mezclas.

1.

13. El sensor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el conductor eléctrico se selecciona de Pd, Ag y cualquiera de sus mezclas.

14. El sensor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la capa dieléctrica es un material dieléctrico inorgánico y se selecciona de borosilicatos, Al2O3, ZrO2) , mezclas de borosilicatos con TiO3Ba, mezclas de Al2O con TiO3Ba, mezclas de ZrO2 con TiO3Ba y cualquiera de sus mezclas.

15. El sensor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, donde la capa dieléctrica es un material dieléctrico polimérico y se selecciona de acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) , caucho isobutileno-isopreno, gutapercha, polietileno de alta densidad (del inglés HDPE, high-density polyethylene) , poliimida, caucho de neopreno, poliamidas, policarbonato, polipropileno, poliestireno, policloruro de vinilo, silicona, politetrafluoroetileno (PTFE) .

3.

16. Dispositivo que comprende al menos un sensor según las reivindicaciones 1 a 15.

17. Dispositivo que comprende al menos dos sensores según las reivindicaciones 1 a 15.

3.

18. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 16 o 17, que además P201431359

comprende un sensor de temperatura.

19. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 16 a 18 que comprende un transductor del potencial de reducción a una señal eléctrica y medios de detección de 5 dicha señal eléctrica.

20. Procedimiento de obtención de un sensor según las reivindicaciones 1 a 15 que comprende las siguientes etapas:

a) depositar de una pista de conductor eléctrico sobre un soporte dieléctrico; b) sobre la pista de conductor eléctrico obtenida en la etapa (a) , depositar de un óxido metálico de un metal M, donde M es un metal que puede presentar al menos dos estados de oxidación, donde el potencial de reducción entre dichos estados de oxidación varía con el 15 pH, caracterizado porque M no forma especies solubles a pH > 7; c) recubrir parcial de la pista de conductor eléctrico; y d) recubrir del óxido metálico con un polímero hidrogel.

21. El procedimiento según la reivindicación anterior, donde el óxido metálico se selecciona de óxidos de Ru, Ir, Rh, Nb, Ta y cualquiera de sus mezclas.

22. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 o 21 donde el óxido metálico se selecciona de RuO2, IrO2, RhO2, Nb2O5, Ta2O5, y cualquiera de sus 25 mezclas.

23. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 22, donde el óxido metálico se selecciona de RuO2, IrO2 y cualquiera de sus mezclas.

24. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 23, donde antes de depositar del óxido metálico de la etapa (b) el óxido metálico se embebe en una matriz orgánica.

25. El procedimiento según la reivindicación anterior, donde la matriz orgánica se 35 selecciona de polímeros epoxis, poliuretanos, polisiloxanos y cualquiera de sus mezclas.

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26. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 23, donde antes de depositar del óxido metálico de la etapa (b) el óxido metálico se embebe en una matriz vítrea inorgánica.

.

27. El procedimiento según la reivindicación anterior, donde la matriz vítrea inorgánica se selecciona de borosilicatos, boratos o cualquiera de sus mezclas.

28. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 27, donde el polímero hidrogel se selecciona de hidrogeles de poliacrilamida, hidrogeles copolímeros que comprenden poliacrilamida, hidrogeles de poliglicoles, hidrogeles de poliuretano, hidrogeles copolímeros que comprenden poliuretano y cualquiera de sus mezclas.

29. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 28, donde el polímero hidrogel es hidrogel copolímero que comprende poliuretano.

30. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 29, donde el conductor eléctrico se selecciona de Pt, Ag, Au, Pd, Al, Cu, Ni o cualquiera de sus mezclas.

31. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 30 donde el conductor eléctrico se selecciona de Pd, Ag y cualquiera de sus mezclas.

32. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 31, donde la capa dieléctrica es un material dieléctrico inorgánico y se selecciona de borosilicatos, Al2O3, ZrO2) , mezclas de borosilicatos con TiO3Ba, mezclas de Al2O con TiO3Ba, mezclas de ZrO2 con TiO3Ba y cualquiera de sus mezclas.

33. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 31, donde la capa dieléctrica es un material dieléctrico polimérico y se selecciona de acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) , caucho isobutileno-isopreno, gutapercha, polietileno de alta densidad (del inglés HDPE, high-density polyethylene) , poliimida, caucho de neopreno, poliamidas, policarbonato, polipropileno, poliestireno, policloruro de vinilo,

silicona, politetrafluoroetileno (PTFE) .

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34. Uso del sensor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15 para medir el pH de hormigón.

35. Uso del dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 16 a 19 para medir el pH de hormigón.