PROCEDIMIENTO Y SISTEMA INALÁMBRICO DE MEDIDA DEL GRADO DE FRAGUADO Y ENDURECIMIENTO DE MATERIALES CEMENTICIOS PARA LA PREDICCIÓN DE RESISTENCIAS MECÁNICAS.

Procedimiento y sistema inalámbrico de medida del grado de fraguado y endurecimiento de materiales cementicios para la predicción de resistencias mecánicas.

El sistema inalámbrico de medida del grado de fraguado y endurecimiento de materiales cementicios comprende un sensor ultrasónico, un sensor de temperatura, un sensor de humedad relativa, una red de comunicación inalámbrica compuesta por al menos dos nodos para la adquisición y procesamiento de señales electrónicas provenientes de sensores y un sistema informático, tal que el sistema informático calcula la resistencia mecánica del material cementicio. Por otro lado, el método comprende los siguientes pasos: capturar unos datos de temperatura T y humedad H, capturar una señal ultrasónica para la medida de velocidad de propagación V, capturar una señal ultrasónica para la medida del coeficiente de reflexión CR, enviar todos los registros anteriores de las señales sensoriales al nodo principal, procesar las señales para obtener los parámetros velocidad V y coeficiente de reflexión CR, enviar los datos obtenidos al sistema informático y calcular la resistencia mecánica mínima RC(V,CR,T,H) del material cementicio.

PROCEDIMIENTO Y SISTEMA INALÁMBRICO DE MEDIDA DEL GRADO

DE FRAGUADO Y ENDURECIMIENTO DE MATERIALES CEMENTICIOS

PARA LA PREDICCIÓN DE RESISTENCIAS MECÁNICAS.

5 OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un procedimiento y

sistema inalámbrico de medida del grado de fraguado y

endurecimiento de materiales cementicios para la predicción

de resistencias mecánicas.

10 La invención se encuadra en la Instrumentación para la

Medida de las propiedades de los materiales. El sector de

aplicación de la invención es la Construcción

principalmente el control de calidad, tanto en la industria

del prefabricado como en obra.

15

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El primer uso de una tecnología para el control de

fraguado-curado se realizó a partir de la monitorización de

la temperatura interna en el material cementicio. La

2 O temperatura refleja cuando se producen las reacciones de

hidratación durante el fraguado [Radj y et al., 94] [Parrot

et al., 90] Esta monitorización resulta incompleta, dado

que aunque identifica el tiempo en que se producen las

reacciones no permite evaluar la proporción de compuestos

25 hidratados o la cantidad de cemento anhidro sobre el

volumen total. Uno de los métodos más usados es el método

de maduración, "The Maturity Method", el cual ha sido

ampliamente utilizado en la bibliografía para monitorizar

el curado. En el método de maduración [Carino, 84], [Pane,

30 02] se mide la variación de la temperatura durante la

hidratación del hormigón para predecir la evolución de la

resistencia a compresión. La mayor limitación de este

método se debe a que además de variar la relación con cada

composición del material cementicio, esta relación es muy

35 sensible a la temperatura y humedad existentes en el

proceso real, variables que pueden ser muy diferentes a las estudiadas en el laboratorio.

Otros métodos que se han utilizado son los basados en la medida mediante penetrómetro o micro-penetrómetro [ASTM 99], con el sistema denominado VICAT. Este sistema permite medir mediante indentaciones la profundidad de indentación y establecer el principio y el final del fraguado. Este método solo puede ser utilizado en pastas de cemento, ya que las probabilidades de pinchar en un árido en un hormigón son muy altas y resultaría medidas que introducirían un error significativo.

Los métodos basados en ultrasonidos son aptos para la monitorización del curado ya que la propagación de estas ondas mecánicas en el material estudiado nos puede aportar un buen conocimiento del medio investigado. Por ejemplo, parámetros tales como el tiempo de vuelo, la atenuación, la variación del coeficiente de reflexión o el contenido en frecuencia de las ondas ultrasónicas están estrechamente relacionados con las propiedades mecánicas del material, en particular en el periodo de formación (setting) y endurecimiento (hardening) . Si estos parámetros se monitorizan a lo largo de todo el proceso pueden aportar una información muy útil para comprender la evolución del material. Debido a la potencia de los sistemas informáticos actuales de bajo coste es posible extraer, en tiempo real, de las señales ultrasónicas otros parámetros de interés como energía, relaciones tiempo-frecuencia (wavelets) etc. que necesitan una carga de procesamiento elevada. Por estas causas el uso de ultrasonidos se presenta como uno de los medios más prometedores para obtener una buena información del periodo de setting y hardening, obteniendo los datos

directamente en obra.

Los estudios más relevantes en los que se evalúa la

capacidad que tienen los ultrasonidos de monitorizar el

medidas y que monitorizan parámetros como:

Velocidades de propagación de ondas longitudinales y

transversales, [Reinhardt et al., 04] [Voight et al., 06].

Potencia transmitida [Trtnik et al., 09]

Coeficiente de reflexión [Subramaniam et al., 02],

5 [Acalla et al., 03]

Para las dos primeras se utilizan medidas de

transmisión de las ondas ultrasónicas, con los sensores

colocados alineados y enfrentados en las paredes de la

celda de medida, donde se cura el material, el diseño de

1 O estas celdas solo permite medir el curado en pastas de

cemento. El tercer parámetro utiliza una configuración en

pulso/eco para medir la variación del coeficiente de

reflexión de las ondas ultrasónicas cuando éstas se

propagan entre dos materiales con diferentes impedancias

15 acústicas. En este caso, se utiliza una pieza de material

homogéneo, isótropo, del que se conozca sus propiedades de

propagación de las ondas longitudinal y transversal y que

una de sus caras esté pulida y plana para que funcione como

interfase con el material cementicio.

20 En la década de los 90 se comenzó la investigación y

desarrollo de la tecnología de redes inalámbricas (WSN) que

permiten integrar sensores para monitorizar el estado de

las estructuras (Structural Health Monitoring, SHM) [Phares

et al., 05] Numerosas publicaciones fueron dedicadas al

25 estudio de WSN para la evaluación de la integridad

estructural [Santana et al., O6Grosse et al., O 6] y un

exhaustivo análisis del estado del arte de estas redes para

su utilización en la monitorización de estructuras puede

encontrarse en [Lynch et al., 06].

30 En la literatura, muchos trabajos han estudiado el uso

de la velocidad ultrasónica para la monitorización del

proceso de curado y su relación con las medidas de la

temperatura y humedad [Robeyst et al., 08; DelRío et al.,

04]. Pero la mayoría de estos trabajos no usan redes

35

inalámbricas ninguno se centra en el procedimiento de

medición del fraguado [Aparicio et al., 10].

En lo que concierne a publicación de patentes, diferentes publicaciones de sistemas de monitorización usando ultrasonidos han aparecido en los últimos años para su aplicación en diversos campos, como por ejemplo en medicina [Peszynski et al., 10]. En lo que respecta a materiales cementicios, varias patentes han sido publicadas usando WSN [Hines et al., 07; Andrews, 08], pero ninguna se centra en los procesos de fraguado y endurecimiento de dichos materiales.

[Radjy et al., 94] Radjy, F.F. and Douglas, W. V., "Heat

signature testing of concrete", in Scandella, R.J. (ed.)

Structural Materials Technology: An NDT Conference (CRC

Press, 1994) .

[ASTM 99] ASTM C403/C403M-99, "Standard test method for time of setting of concrete mixtures by penetration resistance", American Society for Testing and Materials, Philadelphia, PA, 1999.

[Carino, 84] Carino, N-J. "The maturithy method: theor y and application", Cement, Concrete and Aggregates 6 (2) (1984) 61-73. [Pane et al, 02] Pane, I., and Hansen, W., "Concrete Hydration and Mechanical Properties Under Nonisothermal Conditions, " ACI Materials Journal 99 (6) (2002) , 534-542. [Parrot et al., 90]. Parrott, L.J., et al., D., "Monitoring Portland cement hydration: Comparison of methods", Cement and Concrete Research 20 (6) (1990) , 919-926. [Reinhardt et al., 04] Reinhardt H.W. and Grosse C.U., "Continuous monitoring of setting and hardening of mortar and concrete", Construction and Building Materials 18 (3)

(2004) 145-154.

[Trtnik et al., 09] G. Trtnik et al. "Comparison between

two ultrasonic methods in their ability to monitor the

setting process of cement pastes", Cement and Concrete

Research 39 (2009) 876-882.

[Subramaniam et al., 02] Subramaniam K. V. et al.,

"Ultrasonic technique for Monitoring Concrete Strength",

ACI Materials Journal 99, (5) , (2002) 458-462.

[Acalla et al., 03] Y. Akkaya et al. "Nondestructive measurement of concrete strength gain by an ultrasonic wave reflection method", Materials and Structures 36, (2003) 507-514

[Phares et al., 05] Phares B.M., et al., "Health Monitoring of Bridge Structures and Components Using Smart Structure Technology, Wisconsin Highway Research Program" Project #o o92-o1-14' 257 pp' 2 o o 5.

[Santana et al., 06] Santana-Sosa, H., et al., , "Validation of a HF Spread Spectrum Mul tiCarrier Technology through real Link Measurements. European Transactions on Telecommunications (ETT)...

1. Sistema inalámbrico de medida del grado de fraguado y endurecimiento de materiales cementicios para la predicción de resistencias mecánicas que comprende:

• al menos un sensor ultrasónico "SUS" para monitorizar unos parámetros elásticos de un material cementicio;

• al menos un sensor de temperatura "ST";

• al menos un sensor de humedad relativa "SH" que conjuntamente con el sensor de temperatura monitorizan unos parámetros energéticos/medioambientales;

• una red de comunicación inalámbrica "RIS" compuesta por al menos dos nodos para la adquisición y procesamiento de señales electrónicas provenientes de sensores;

• un sistema informático (21) conectado al sensor de temperatura, al sensor de humedad relativa y al sensor ultrasónico vía la red de comunicación inalámbrica;

tal que el sistema informático (21) calcula una resistencia mecánica del material cementicio a partir de los parámetros elásticos y los parámetros energéticos/medioambientales monitorizados.

2. Sistema inalámbrico según la reivindicación 1, caracterizado porque adicionalmente comprende un sistema de acoplamiento "AS" del sensor ultrasónico, del sensor de temperatura y del sensor de humedad relativa al material cementicio.

3. Sistema inalámbrico según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque adicionalmente comprende una unidad de calibración que lleva a cabo un procedimiento de calibración para la determinación del estado del fraguado y endurecimiento "CEFE".

4. Sistema inalámbrico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los parámetros elásticos están comprendidos por una velocidad de propagación "V" y un coeficiente de reflexión "CR" y porque los parámetros energéticos/medioambientales están comprendidos por una temperatura "T" y una humedad "H".

5. Sistema inalámbrico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el sistema informático (21) comprende un nodo principal (19) y al menos un nodo secundario (20) tal que el nodo principal

(19) recoge todos los datos del nodo secundario y los envía al sistema informático (21) para su almacenamiento y procesamiento.

6. Sistema inalámbrico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el sistema informático (21) comprende un microcontrolador por cada nodo comprendido en la red inalámbrica, donde el microcontrolador comprende medios de implementación del sensor ultrasónico, del sensor de temperatura y del sensor de humedad relativa.

7. Sistema inalámbrico según la reivindicación 6, caracterizado porque los medios de implementación para el sensor ultrasónico adicionalmente comprenden:

• un módulo de potencia para proporcionar la suficiente energía como para soportar dos módulos de emisión-recepción ultrasónica de baja tensión;

nodos de la red;

• un sistema de contadores temporales por cada nodo para determinar el tiempo de vuelo de la señal ultrasónica con precisión mejor que las décimas de milisegundo.

8. Procedimiento de medida del grado de fraguado y endurecimiento de materiales cementicios para la predicción de resistencias mecánicas para el sistema definido en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque comprende los siguientes pasos:

• capturar unos datos de temperatura T y humedad H mediante el sensor de temperatura "ST" y generar un registro T/H;

• capturar una señal ultrasónica para la medida de velocidad de propagación V mediante el sensor ultrasónico "SUS" y generar un registro V;

• capturar una señal ultrasónica para la medida del coeficiente de reflexión CR mediante el sensor ultrasónico SUS y generar un registro CR;

• enviar todos los registros anteriores de las señales sensoriales al nodo principal;

• procesar las señales para obtener los parámetros velocidad V y coeficiente de reflexión CR.

• enviar los datos obtenidos al sistema informático;

• calcular la resistencia mecánica mínima Re (V, CR, T, H) del material cementicio mediante la expresión: