COMPOSITE CEMENTICIO CON NANOFIBRAS DE CARBONO PARA MONITORIZACIÓN DE DEFORMACIONES.

Composite cementicio con nanofibras de carbono para monitorización de deformaciones.

Esta invención plantea la viabilidad del uso de nanofibras de carbono en matrices cementicias: pastas, morteros y hormigones, a fin de usar dichos composites en la monitorización de deformaciones para detectar su propia deformación al verse sometidos a acciones externas sin ningún tipo de sensor embebido o adherido.El procedimiento se basa en el cambio en la resistencia eléctrica del material cementicio con adición de nanofibras de carbono al ser sometida a tensiones. Se realiza un cambio proporcional a la resistencia de contacto de la matriz con la nanofibra con el nivel de tensiones a que es sometida, lo cual es indudablemente interesante a la hora de hablar de una estructura inteligente.Este composite puede aplicarse para control de vibraciones estructurales, monitorización de tráfico pesado, detección de movimiento en estancias y seguridad de edificios, en tiempo real, entre otros

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200901735.

Solicitante: UNIVERSIDAD DE ALICANTE.

Nacionalidad solicitante: España.

Provincia: ALICANTE.

Inventor/es: GARCES TERRADILLOS,PEDRO, GARCIA ANDION,LUIS, ZORNORA PEREZ,EMILIO, BAEZA DE LOS SANTOS,FRANCISCO J, GALAO MALO,OSCAR.

Fecha de Solicitud: 5 de Agosto de 2009.

Fecha de Publicación: .

Fecha de Concesión: 2 de Septiembre de 2011.

Clasificación PCT:

  • C04B28/00 SECCION C — QUIMICA; METALURGIA.C04 CEMENTOS; HORMIGON; PIEDRA ARTIFICIAL; CERAMICAS; REFRACTARIOS.C04B LIMA; MAGNESIA; ESCORIAS; CEMENTOS; SUS COMPOSICIONES, p. ej. MORTEROS, HORMIGON O MATERIALES DE CONSTRUCCION SIMILARES; PIEDRA ARTIFICIAL; CERAMICAS (vitrocerámicas desvitrificadas C03C 10/00 ); REFRACTARIOS (aleaciones basadas en metales refractarios C22C ); TRATAMIENTO DE LA PIEDRA NATURAL. › Composiciones para morteros, hormigón o piedra artificial que contienen ligantes inorgánicos o que contienen el producto de reacción de un ligante inorgánico y un ligante orgánico, p. ej. que contienen cemento de policarboxilatos.
  • G01B7/16 SECCION G — FISICA.G01 METROLOGIA; ENSAYOS.G01B MEDIDA DE LA LONGITUD, ESPESOR O DIMENSIONES LINEALES ANALOGAS; MEDIDA DE ANGULOS; MEDIDA DE AREAS; MEDIDA DE IRREGULARIDADES DE SUPERFICIES O CONTORNOS.G01B 7/00 Disposiciones de medida caracterizadas por la utilización de medios eléctricos o magnéticos. › para la medida de la deformation de un sólido, p. ej. galga extensiométrica resistiva.
  • G01L1/20 G01 […] › G01L MEDIDA DE FUERZAS, TENSIONES, PARES, TRABAJO, POTENCIA MECANICA, RENDIMIENTO MECANICO O DE LA PRESION DE LOS FLUIDOS (pesado G01G). › G01L 1/00 Medida de fuerzas o tensiones, en general (medida de la fuerza producida por un choque G01L 5/00). › midiendo las variaciones de la resistencia óhmica de materiales sólidos o fluidos conductores de electricidad (de materiales piezorresistentes G01L 1/18 ); haciendo uso de células electrocinéticas, es decir, células que contienen un líquido en las que un potencial eléctrico es producido o modificado por la aplicación de una incitación.

PDF original: ES-2353544_A1.pdf

 

  • Fb
  • Twitter
  • G+
  • 📞

Fragmento de la descripción:

Composite cementicio con nanofibras de carbono para monitorización de deformaciones.

Campo de la invención

La presente invención se encuadra en el campo de la construcción, y más particularmente se refiere a tecnología de los materiales y nanotecnología.

Antecedentes de la invención

La función de percepción de la deformación fue desarrollada inicialmente utilizando fibras de acero y fibras de carbono de uso general, siendo objeto de estudio con creciente interés hasta el presente con la introducción de nuevos parámetros.

En la década de los noventa se patentaron diversos procedimientos para aplicar esta técnica. Entre los antecedentes conocidos destacan las patentes americanas US5817944 y US6079277. Tales invenciones consisten en el uso de fibras de carbono dispersadas en matrices de cemento para medir la deformación que sufren al ser sometidas a un esfuerzo externo sin necesidad de llevar ningún sensor embebido o adherido, mediante la medida de las variaciones de su resistencia eléctrica durante el proceso.

Los principales inconvenientes que plantean estos antecedentes son:

• La dispersión de estas adiciones en la matriz cementicia es una labor compleja y muy delicada a la hora de obtener los resultados deseados ya que implica el uso de aditivos adicionales y varias etapas previas a la propia incorporación a la matriz.

• La fibra de carbono ofrece una moderada área de contacto con la matriz cementicia, propiedad que es importante a la hora de que el material funcione.

Con la intención de mejorar tales inconvenientes surge esta invención que ofrece las siguientes mejoras respecto a los materiales que emplean fibras de carbono:

• La incorporación de nanofibras en la matrices cementicias es un proceso sencillo y reproducible ya que su dispersión en la matriz es directa, lo cual garantiza poder llevar a cabo la monitorización de la deformación de forma óptima.

• El área de contacto matriz-nanofibra es muy superior a la que presenta el material con fibra de carbono, lo cual se traduce en una mayor sensibilidad del composite.

Explicación de la invención

Tradicionalmente la línea de investigación de los materiales cementicios empleados en obra civil y edificación ha estado orientada al estudio de sus propiedades mecánicas debido a su principal y única función estructural. No obstante, últimamente ha surgido una nueva tendencia en esta línea; la integración de otras propiedades que le permitan tener funciones complementarias, convirtiéndose en materiales "multifuncionales".

Existen diversas categorías dentro de los materiales cementicios "multifuncionales"; una de ellas son los materiales cementicios conductores.

Las propiedades eléctricas se consiguen mediante adiciones conductoras como los materiales carbonosos (por ejemplo, polvo de grafito, fibras de carbono o nanofibras de carbono).

Esta invención plantea la viabilidad del uso de nanofibras de carbono en matrices cementicias: pastas, morteros y hormigones, a fin de usar dichos composites en la monitorización de deformaciones, es decir de detectar su propia deformación al verse sometidos a acciones externas sin ningún tipo de sensor embebido o adherido.

Este procedimiento innovador se basa en el cambio en la resistencia eléctrica del material cementicio con adición de nanofibras de carbono al ser sometida a tensiones. De este modo, se realizar un cambio proporcional de la resistencia de contacto de la matriz con la nanofibra con el nivel de tensiones a que es sometida, lo cual es indudablemente interesante a la hora de hablar de una estructura inteligente.

La función de percepción de la deformación mediante adición de nanofibras de carbono consiste en que al someter al material a una compresión, esta resistencia de contacto entre la matriz cementicia y la nanofibra disminuye, produciendo a su vez el descenso de la resistencia eléctrica global en la dirección del esfuerzo. Mientras que si la tensión aplicada es de tracción el fenómeno generado es el contrario.

Si la tensión aplicada sobrepasa el límite elástico del material se observan efectos irreversibles en la respuesta de su resistencia eléctrica. En ese caso, la capacidad de percibir la deformación del material no es capaz de recuperar totalmente su valor inicial de resistencia ya que en ese nivel tan elevado de tensión ya se han producido dos cambios irreversibles, el fallo del anclaje nanofibra-matriz y la rotura de algunas de las nanofibras.

El desarrollo de este composite cementicio permite diferentes aplicaciones prácticas: control de vibraciones estructurales, monitorización de tráfico pesado, detección de movimiento en estancias y seguridad de edificios, en tiempo real, entre otros.

Descripción de los dibujos

En la Figura 1 se representa una probeta prismática de dimensiones 4x4x16 cm. Esta probeta utilizada en la invención esta fabricada con pasta de cemento Pórtland y nanofibra de carbono del tipo stacked-cup, con un diámetro exterior que varía entre los 20 y 80 nm y un gran hueco central. Dichas nanofibras presentan una relación de aspecto muy alta, con una longitud de varias micras. El método de medida consiste en introducir la corriente por la cara superior 1 y la cara inferior 2 de la probeta y la diferencia de potencial se tomó entre los puntos 3 y 4. A partir de los valores de caída de potencial entre los puntos 3 y 4, se calcula la variación de las resistividades correspondientes.

En la Figura 2 se representa un ejemplo del comportamiento de la invención donde se muestra la evolución de la resistencia eléctrica en función de la deformación durante un ensayo de compresión axial. Probeta 4x4x16 cm de pasta de cemento con adición 5% de nanofibra de carbono, amplitud de carga de 4000 N y velocidad 100 N/s.

En la Figura 3 se recoge la relación entre el incremento unitario de resistencia eléctrica y la deformación unitaria en un ensayo de compresión axial. Probeta 4x4x16 cm de pasta de cemento con adición 5% de nanofibra de carbono, amplitud de carga de 4000 N y velocidad 100 N/s.

Descripción detallada de la invención

Esta realización se proporciona a modo de descripción detallada para cubrir completamente el alcance de la invención para los expertos en la técnica.

La invención consiste en el uso de nanofibras de carbón en matrices cementicias: pastas, morteros y hormigones, con el objetivo de desarrollar la función de percepción de la deformación y así poder detectar su propia deformación al verse sometidos a acciones externas sin ningún tipo de sensor embebido o adherido.

En cuanto a los materiales utilizados y preparación de las probetas, se han considerado probetas prismáticas de dimensiones 4x4x16 cm con pasta de cemento Pórtland y nanofibra de carbono del tipo stacked-cup, con un diámetro exterior que varía entre los 20 y 80 nm y un gran hueco central. Dichas nanofibras presentan una relación de aspecto muy alta, con una longitud de varias micras.

Los componentes básicos utilizados han sido:

• Cemento tipo CEM I 52.5 R.

• Relación agua cemento a/c=0.5.

• Cantidad nanofibra de carbono añadida a la mezcla: 5% respecto masa de cemento.

• Plastificante (SIKA) en proporción variable.

Las probetas se curaron sumergidas en agua durante 28 días antes de ser ensayadas.

Después se montaron los componentes eléctricos. Se pintaron bandas de pintura de plata 5 alrededor de las probetas para lograr un buen contacto eléctrico entre el monitor de potencial y la probeta del composite, entonces se rodearon con hilo de cobre 6 firmemente para tener un punto claro de anclaje entre el monitor de potencial y la probeta y que asegure además el contacto eléctrico entre el monitor de potencial y la pintura de plata. La cara superior 1 y la cara inferior 2 también se cubrieron con pintura de plata.

En cuanto a los instrumentos de ensayo, la carga de las probetas se realizó mediante una prensa electromecánica modelo EMI/100/FR, suministrada por Microtest S.A. La resistencia eléctrica se midió gracias a un multímetro digital Keithley 2002 suministrado por... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Un composite cementicio con adición de nanofibras de carbono que comprende:

a. Una matriz cementicia basa en la mezcla de cemento, agua y áridos, presentando esta matriz durante las primeras horas naturaleza plástica, lo que permite darle forma, y que tras un determinado tiempo de varias horas (fraguado) se transforma en un material rígido sensible a las deformaciones.

b. Un 5% de nanofibra de carbono respecto a la masa de cemento que se adiciona a los componentes de la matriz cementicia previamente a su amasado.

c. Dos contactos eléctricos de pintura de plata aplicada en los extremos de la probeta de composite endurecida que permiten la aplicación de una corriente eléctrica.

d. Dos contactos eléctricos de pintura de plata e hilo de cobre situados perimetralmente en la probeta de composite que permiten la monitorización de la caída de potencial, y en consecuencia de la resistencia eléctrica.

2. Un composite cementicio según la reivindicación 1 para monitorizar deformaciones.

3. Uso del composite según la reivindicación 1 para control de vibraciones estructurales, monitorización de tráfico pesado, detección de movimiento en estancias y seguridad de edificios en tiempo real.


 

Patentes similares o relacionadas:

HORMIGONES ESTRUCTURALES LIVIANOS Y/O AISLANTES TÉRMICOS DE COCIENTE RESISTENCIA/DENSIDAD Y/O RESISTENCIA/CONDUCTIVIDAD SUPERIORES Y SUS MÉTODOS DE FABRICACIÓN, del 3 de Mayo de 2018, de PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE: Se describe en la presente invención, un hormigón estructural, liviano y/o de baja conductividad térmica constituido por: a) una matriz aglomerante […]

FORMULACIÓN DE CONCRETOS VERDES CON ARENA RECICLADA CON MEJOR DESEMPEÑO EN DURABILIDAD, del 15 de Junio de 2017, de CEMENTOS ARGOS S.A: Una formulación de concretos con mejor desempeño en durabilidad que utiliza un porcentaje de material reciclable para mejorar la resistencia a la […]

PROCEDIMIENTO PARA PREPARAR UN COMPOSITE CEMENTICEO, MORTEROS Y HORMIGONES MICRO-NANOESTRUCTURADOS DE LARGA VIDA EN SERVICIO, QUE COMPRENDEN DICHO COMPOSITE, del 27 de Abril de 2017, de CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTIFICAS (CSIC): Procedimiento para preparar un composite cementíceo, morteros y hormigones micro-nanoestructurados de larga vida en servicio, que comprenden dicho […]

Paneles a base de madera, método para su fabricación y su uso, del 19 de Abril de 2017, de SWISS KRONO Tec AG: Un proceso para la fabricación de un panel a base de madera que comprende las siguientes etapas: a) resinar por pulverización partículas de madera con una composición de […]

Polimerización de siloxano en placas de cartón yeso, del 12 de Abril de 2017, de UNITED STATES GYPSUM COMPANY: Lechada que comprende: estuco; ceniza volante de clase C; óxido de magnesio; y una emulsión de siloxano y agua, en la que la relación de dicha ceniza volante […]

PROCEDIMIENTO PARA PREPARAR UN COMPOSITE CEMENTICEO, MORTEROS Y HORMIGONES MICRO-NANOESTRUCTURADOS DE LARGA VIDA EN SERVICIO, QUE COMPRENDEN DICHO COMPOSITE, del 30 de Marzo de 2017, de CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTÍIFICAS (CSIC): La presente invención se refiere a un procedimiento para la preparación de un composite cementíceo que comprende: 1) una primera etapa de acondicionamiento de nanopartículas […]

Conformado de materiales cerámicos producidos con polímeros inorgánicos, del 15 de Marzo de 2017, de SOCIEDAD ANONIMA MINERA CATALANO-ARAGONESA: - Procedimiento de conformado de materiales cerámicos producidos con polímeros inorgánicos, caracterizado porque comprende: una fase de mezclado de un […]

HORMIGÓN LIVIANO CON PARTÍCULAS DE DESECHOS DE MAÍZ TRATADOS QUÍMICAMENTE Y SU PROCESO DE ELABORACIÓN, del 9 de Marzo de 2017, de UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL MAULE: La presente invención se enmarca en el área de los materiales de construcción. En particular se relaciona con el desarrollo un hormigón liviano elaborado con agregados livianos […]