COMPOSITE CEMENTICIO CON NANOFIBRAS DE CARBONO PARA CALEFACCION.

Composite cementicio con nanofibras de carbono para calefacción.

Un composite cementicio con adición de nanafibras de carbono para calefacción de edificios o en deshielo de pavimentos, entre otros. Está formado por una matriz cementicia basada en mezcla de cemento y agua, nanofibras de carbono que se adicionan a los componentes de la matriz cementicia previamente a su amasado, tales nanofibras se encuentran dispersadas uniformemente en la matriz cementicia, dos contactos eléctricos de pintura de plata aplicada en dos caras menores opuestas que permiten la aplicación de una corriente eléctrica y un sensor de temperatura resistivo de platino (Pt100) adherido a la cara superior de la probeta (10x10cm), que permite la monitorización de la variación de la temperatura en la superficie de la probeta.

Composite cementicio con nanofibras de carbono para calefacción.

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

Antecedentes de la invención Los materiales cementicios ostentan una posición privilegiada en la industria de la construcción gracias a su papel como material estructural a consecuencia de sus buenas prestaciones mecánicas. Este hecho ha sido el motor de constantes investigaciones al respecto en el último siglo. Sin embargo, actualmente se solicita a los materiales estructurales la capacidad de desarrollar múltiples funciones, obviamente sin merma de sus propiedades estructurales.

Si se consiguen las mismas prestaciones con un único material multifuncional que con una combinación de materiales estructurales y funcionales, directamente se reducen costes, mejorando la durabilidad del conjunto y la necesidad de mantenimiento, aumentando el volumen funcional, evitando la degradación de las propiedades mecánicas y simplificando el diseño.

Muchos de los métodos que actualmente se usan para eliminar el hielo de las carreteras se basan en el empleo de compuestos químicos perjudiciales para el hormigón armado o el acero de las estructuras de paso (viaductos, túneles, pistas de aeropuertos) . Así, se puede utilizar cloruro de sodio hasta temperaturas de -10°C con un coste aproximado de 29 $/m3 resultando el más barato de todos los fundentes propuestos. También se puede utilizar cloruro de calcio hasta temperaturas de -25°C cuyo coste sube hasta 294 $/m3. Otros fundentes como son el acetato de calcio y magnesio, la urea, el cloruro de magnesio, la formamida y el pirofosfato tetrapotásico, tienen un coste muy superior al del cloruro de sodio y su eficacia es similar. Sin embargo, el principal problema que conlleva el uso del cloruro sódico (o cualquier otra sal clorada) es que desarrolla el proceso de corrosión de armaduras, que es, sin lugar a dudas, la principal patología que pueden presentar las estructuras de hormigón armado. En la Tabla 1 [Yehia, S. (1999) ] se presenta un resumen de las características principales de los fundentes como elemento de acción contra heladas.

Tabla 1. Resumen de las características principales de los fundentes como elemento de acción contra heladas.

Fundente Cloruro de Sodio (NaCI) Rango de temperaturas -10 a 0°C Rendimiento 13 a 68 g/m2 Coste aproximado 29$/m3

Cloruro de Calcio (CaCI2) Mezcla de sales con cloruro cálcico Acetato de Calcio y Magnesio (CMA) Urea -25°C -17 a 0°C -5 a 0°C -9ºc No usado en USA 21 a 50 11m3 15 a 39 g/m2 26 a 136 g/m2 294$/m3 108$/m3 738$/m3 145 a 290$/m3

Cloruro de Magnesio -15°C 8 a 11 g/m2 N/ A

Formamida -18°C N/ A 290 a 435$/m3

Pirofosfato tetrapotásico -4°C 49 g/m2 435$/m3

1 O Frente a estos métodos químicos existe la posibilidad de utilizar sistemas de calefacción, entre los que se incluirían las capas de hormigón conductor. En la Tabla 2 se incluyen algunos ejemplos de sistemas de calefacción comparando sus costes y la potencia eléctrica que consumen [Yehia, S. (1999) ].

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Tabla 2. Ejemplos de sistemas de calefacción.

Sistema de calefacción Coste aproximado Coste anual de explotación Consumo energético

Lámpara de infrarrojos 96$/m2 N/ A 75 W/m2

Calefacción por cable eléctrico 54$/m2 4.8$/m2 323 a 430 W/m2

Agua caliente 161$/m2 250$/nevada 473 W/m2

Calefacción de gas 378$/m2 2.1$/m2 N/ A

Recubrimiento de hormigón conductor 48$/m2 5.4$/m2 516 W/m2

Un primer sistema que puede utilizarse es la instalación de lámparas de infrarrojos,

cuyo coste es relativamente barato pero a costa de una menor durabilidad y una

5 mayor necesidad de mantenimiento en lugares como puentes o pistas de

aeropuerto. Otro sistema puede ser la calefacción por cable eléctrico, que presenta

serios problemas de durabilidad y mantenimiento, tiene un consumo energético

mayor pero presenta un coste aproximado menor que el sistema de lámparas de

infrarrojos. El uso de agua caliente o calefacción de gas implica tanto un consumo

1O energético mayor como un coste superior, aparte de ser poco aplicable es

estructuras aisladas como puentes. Por último, la utilización de un recubrimiento de

hormigón conductor, con un consumo energético del mismo orden que los

anteriores, tiene un coste aproximado inferior a todos los anteriormente expuestos.

Atendiendo únicamente al coste directo de todos los métodos comentados, el más

15 barato, obviamente, es el uso de Cloruro de Sodio (NaCI) . Para poder evaluar

realmente la eficiencia de cada uno de ellos debería incorporarse al estudio, el

coste del mantenimiento tanto de estructuras como vehículos dañados por la propia

técnica de deshielo. Un buen ejemplo es Canadá, donde se usa masivamente el

Cloruro de Sodio (NaCI}, y donde podemos comentar que la gran mayoría del

20 parque automovilístico tiene serios problemas de corrosión en sus bajos, lo que

conlleva un coste elevadísimo de mantenimiento y reparación.

No obstante, si se consigue optimizar la dosificación y consumo energético, los

además muy buena durabilidad y prestaciones estructurales. Además no existen los

daños colaterales expuestos en el párrafo anterior en relación al uso del Cloruro de

Sodio (NaCI) y los problemas derivados de la corrosión que producen. De hecho,

este es el objetivo de un trabajo posterior de los mismos autores [Yehia, S. (2000) ].

5 Dicho grupo investigador ha llegado incluso a instrumentar satisfactoriamente un

puente de 36m de longitud en Nebraska utilizando un hormigón con fibras de

carbono [Tuan, C.V. (2004.b) ]. Se combinaron buenas resistencias mecánicas

(resistencia característica de 31 MPa) con una velocidad de calentamiento de

0.14°C/min y una densidad de potencia de 590W/m2 . Después de conseguir usarse

1 O con éxito en cuatro nevadas durante los años 2003 y 2004, se vio que el consumo

energético condujo a un coste medio de 0.8$/m2 por nelada, que teniendo en

cuenta la superficie total del puente equivale a unos 200$ por nevada.

Para poder aplicar un hormigón como resistencia en la calefacción por efecto Joule,

la resistividad no puede ser muy elevada, ya que de lo contrario la intensidad

15 circulante sería demasiado pequeña haciendo deficiente el sistema [Chung, D.D.L.

(2003) ]. Por tanto, un compuesto cementicio eficaz como elemento calefactor debe

tener una baja resistividad, que se conseguirá gracias a las adiciones de materiales

conductores.

En una revisión realizada por Chung se incluye un resumen de las adiciones

20 conductoras que se han utilizado en compuestos cementicios para su uso como

elemento de calefacción [Chung, D.D.L. (2004) ]. En la Tabla 3 se compara la

eficiencia de distintas adiciones para conseguir calentar pastas de cemento a partir

de una temperatura ambiente de 19°C.

Tabla 3. Comparación de la eficiencia de distintas adiciones para conseguir

25 calentar pastas de cemento a partir de una temperatura ambiente de 19°C.

Material Temperatura máxima (oC) Tiempo para alcanzar la mitad de la temperatura máxima Consumo energético (W) Resistividad (O·cm)

Cemento con O. 7% en vol. de fibras de acero 60 6 min 5.6 0.85

Cemento con 37% en vol. de partículas de grafito 24 4min 0.27 410

Tejido de fibra de carbono (sin recubrimiento) 134 2 min 6.5 0.11

Tejido de fibras de Ni/Cu/carbono recubierto de Ni 79 14 S 3.0 0.07

Láminas de fibra de carbono con matriz epoxi 89 16 S 0.59

Grafito flexible 980 4s 94 7.5·10"4

Aunque hasta la fecha son escasos los estudios encaminados a la aplicación como elemento de calefacción de los materiales cementicios conductores, en ningún caso se han reportado resultados utilizando nanofibras de carbono como adición conductora. Existen antecedentes en la década de los 90 de patentes que plantean sistemas de deshielo de infraestructuras utilizando hormigones con adición de fibras de carbono.

Recientemente se ha publicado un estudio donde se utilizan fibras de carbono, para mejorar la conductividad térmica del hormigón, y posteriormente se adhiera una 10 lámina flexible con nanofibras en su base que actuaba como elemento calefactor [Chang, C. (2009) ].

Tampoco hay antecedentes en los que la pasta de cemento conductora con nanofibras de carbono, haya sido proyectada.

La calefacción eléctrica... [Seguir leyendo]

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

a. Una matriz cementicia basada en mezcla de cemento y agua, presentando durante las primeras horas naturaleza plástica, lo que permite darle forma o proyectarlo mediante pistolas de aire comprimido, y que tras un determinado tiempo de fraguado se transforma en un material rígido en forma de placa cuadrada de 1Ox1 Ox1 cm.

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. Las nanofibras de carbono se encuentran dispersadas uniformemente en la matriz cementicia.

c. Dos contactos eléctricos de pintura de plata aplicada en dos caras menores opuestas de la probeta que permiten la aplicación de una corriente eléctrica.

d. Un sensor de temperatura adherido a la cara superior de la probeta que permite la monitorización de la variación de la temperatura en la superficie de la probeta.

2. Un composite cementicio según la reivindicación 1 para provocar el incremento de temperatura, mediante la aplicación de corriente eléctrica entre las caras opuestas con pintura de plata por medio de un fuente externa de corriente continua.

3. Uso del composite según la reivindicación 1 para calefacción y control de la temperatura en estructuras de hormigón en servicio: edificios, puentes, autopistas y pistas de aeropuertos.