Resistencia a compresión de bloques de tierra comprimidad estabilizada con materiales de sílice de diferente tamaño de partícula.

Los bloques de tierra comprimida (BTC) están actualmente siendo estudiados en gran parte del mundo con diferentes estabilizantes para mejorar diversas de sus características. Esta situación es debida a la importancia que la tierra cruda tiene en el planeta como material de construcción. Su fácil disponibilidad, bajo coste e inercia térmica hacen de la tierra una materia prima fundamental para las viviendas de ciertas poblaciones en el mundo. El objetivo fundamental del presente Trabajo Fin de Máster es determinar si existe una relación del tamaño de partícula del material que aporta la sílice en relación a la reacción química con la cal hidratada para el aumento de la resistencia a compresión de los BTC. Para la diferenciación de los tamaños de partícula de sílice en este estudio se ha utilizado arcilla como componente control de las probetas ensayadas y una pequeña cantidad de nanosílice para comparar con las probetas sin este nanomaterial y determinar así la influencia del tamaño de partícula. Así mismo se han ensayado otros tipos de probetas para confirmar la influencia de la compactación mecánica en los BTC y de la cantidad de agua para considerar un equilibrio entre la resistencia y la trabajabilidad de los BTC. Durante la redacción del trabajo se repasará la importancia comentada de la tierra cruda en la construcción mundial y las principales técnicas que la han usado a lo largo de la historia para sentar las bases de los BTC actuales. También se comentarán y valorarán en lo relativo a los estabilizantes y la resistencia a compresión una serie de investigaciones publicadas con aspectos semejantes a los tratados en este estudio. A continuación se procederá a una explicación de los métodos ejercidos para los ensayos de las probetas de BTC correspondientes a este trabajo para más tarde realizar una discusión de los resultados obtenidos. Con todo ello se establecerán unas conclusiones en lo referente a los objetivos del trabajo.

Estudio de la resistencia a compresión de morteros fabricados con conglomerante compuesto de polvo de vidrio

Esta investigación evalúa la resistencia de morteros realizados con mezclas de diferentes composiciones, donde una parte del conglomerante tradicional es sustituido por el polvo de vidrio para analizar de una forma sencilla las características mecánicas de las muestras reactivas obtenidas de esta forma. Los ensayos se han realizado con morteros. Para facilitar las reacciones se añaden a las mezclas objeto del análisis diferentes reactivos: se mezcla el polvo de vidrio con reactivos básicos, lo que permite la obtención de condiciones de pH superiores a 12, en las que el vidrio sodo-cálcico es muy reactivo. Analizadas las diferentes probetas de morteros, se observa que el polvo de vidrio, así como su granulometría, juegan un importante papel en el aumento de las resistencias mecánicas a compresión de las mezclas.

Estudio sobre la resistencia y las propiedades mecánicas del hormigón autocompactante

En este trabajo se ha creado una extensa base de datos que incluye las dosificaciones y los resultados experimentales de las características mecánicas del hormigón autocompactante (HAC), lo cual ha permitido analizar de forma generalizada la influencia de varias variables en la resistencia a compresión del HAC. Las variables analizadas incluyen la influencia dei contenido y tipo de filler, la relación agua/cemento, y ia influencia deí contenido de áridos. También se ha evaluado la aplicabiiidad de los modelos de las normativas para estimar las características mecánicas dei HAC.

Estimación de la resistencia in situ de un HAC mediante la resistencia de probetas testigo

El presente trabajo tiene como objetivo establecer algunos factores de corrección que afectan el resultado de la resistencia de las probetas testigo a fin de pronosticar la resistencia a compresión in situ. Para el cumplimiento de dicho objetivo se han fabricado 30 bloques de 500x500x1000 mm en Hormigón Autocompactante (HAC) cubriendo un amplio rango de resistencias de 20 MPa a 80 MPa. De estos bloques se han extraído 360 probetas testigo con variaciones en el diámetro (50 mm, 75 mm y 100 mm), en la dirección de extracción (horizontal y vertical) y en la condición de humedad secas y húmedas). Para el pronóstico de la resistencia in situ se ha considerado el principio de superposición de efectos establecido en normas como la ACI-214.4R-10. En este sentido, para las condiciones del ensayo, se han cuantificado mediante factores de corrección los efectos generados por el diámetro y la condición de humedad del testigo en el momento del ensayo y por el nivel resistente del hormigón. Además, se ha valorado de manera conjunta la influencia de las variables intrínsecas de las probetas testigo, tales como, microfisuración, efecto pared, condiciones de contorno, etc. Los resultados indicaron que algunos factores de corrección utilizados para pronosticar la resistencia in situ, inciden de forma muy diferente en los HAC con respecto a los hormigones vibrados tradicionalmente (HVT).

Influencia del espesor de la junta de mortero en muros de ladrillo sometidos a esfuerzos de compresión

En este trabajo se analiza la influencia del espesor de la junta de mortero en la resistencia a compresión de la fábrica de ladrillo cerámico bajo esfuerzos de compresión uniaxial. Además se estudia el progresivo agrietamiento del material durante el proceso de carga. Se han ensayado nueve muros y nueve pilares, combinando tres espesores de junta de mortero relizando medidas con ultrasonidos, además se han realizado medidas con extensómetros y esclerómetro. Los resultados obtenidos muestran que a menor espesor de junta mayor carga de rotura y mayor valor de la velocidad de pulso ultrasónico. La medida con ultrasonidos muestra una buena correlación con las medidas extensométricas y permite una eficaz detección del agrietamiento interior del material durante el proceso de rotura

Influencia de la adición de nano sílice, en algunos aspectos de la durabilidad, en hormigones autocompactantes de alta resistencia

Con objeto de mejorar las prestaciones de los materiales y en particular los materiales de construcción, se está estudiando la incorporación de nano partículas en la fabricación de morteros y hormigones. En este trabajo se estudia el efecto de la incorporación de nano sílice a un hormigón autocompactante. Para ello se han seleccionado dos dosificaciones de nano sílice, 2,5% y 5% y se ha comparado su comportamiento con un hormigón autocompactante con la misma relación de material cementante. Se han evaluado las diferencias de comportamiento tanto en estado fresco como endurecido. En el trabajo se ha analizado el comportamiento mecánico (resistencia a compresión), microestructural (porosimetría por intrusión de mercurio y análisis termogravimétrico) y durable, (migración de cloruros y resistividad eléctrica), de las dosificaciones seleccionadas. Los resultados de los ensayos de resistencia a compresión muestran una relación directa entre este parámetro y el porcentaje de nano sílice adicionada. Los resultados de la caracterización microestructural ponen de manifiesto un refinamiento de la matriz porosa, con aumento de la cantidad de geles hidratados y reducción del tamaño de poro, mas significativo cuanto mayor es el porcentaje de adición. En cuanto a la resistencia del material a la penetración de cloruros se observa una disminución significativa cuanto mayor es el porcentaje de nano adición. Los datos obtenidos del ensayo de migración y de resistividad eléctrica muestran un mejor comportamiento por efecto de la adición. Sin embrago la variación relativa de la variable estimada en cada uno de los ensayos es sensiblemente diferente.

Influencia de la adición de nano sílice, en algunos aspectos de la durabilidad, en hormigones autocompactantes de alta resistencia.

Con objeto de mejorar las prestaciones de los materiales y en particular los materiales de construcción, se está estudiando la incorporación de nano partículas en la fabricación de morteros y hormigones. En este trabajo se estudia el efecto en la durabilidad de un hormigón autocompactante al incorporar nanosílice. Para ello se han seleccionado dos dosificaciones de nano sílice, 2,5% y 5% y se ha comparado su comportamiento con un hormigón autocompactante con la misma relación de material cementante. Se han evaluado las diferencias de comportamiento tanto en estado fresco como endurecido. En el trabajo se ha analizado el comportamiento mecánico (resistencia a compresión), microestructural (porosimetría por intrusión de mercurio, análisis termogravimétrico y micrografía) y durable, (migración de cloruros, difusión de cloruros y resistividad eléctrica), de las dosificaciones seleccionadas. Los resultados de los ensayos de resistencia a compresión muestran una relación directa entre éste parámetro y el porcentaje de nano sílice adicionada. Los resultados de la caracterización microestructural ponen de manifiesto un refinamiento de la matriz porosa, con aumento de la cantidad de geles hidratados y reducción del tamaño de poro, más significativo cuanto mayor es el porcentaje de adición. Las imágenes de SEM revelan cambios en la morfología de los productos hidratados de la matriz cementicia. Se observa un aumento significativo de la resistencia del material a la penetración de cloruros cuando se incorpora la nano sílice. Los coeficientes tanto de migración como de difusión de cloruros se reducen a menos de la mitad con la adición del 2,5% de nano sílice, no existiendo diferencias significativas en dichos coeficientes en las mezclas con 2,5% y 5% de nano adición. La resistividad eléctrica se revela como un parámetro que si bien sigue la misma tendencia que el coeficiente de migración, el orden de magnitud de las variaciones entre las distintas dosificaciones existen diferencias significativas.

Hormigones de alta resistencia con fibras de poliolefina

El hormigón constituye la base del desarrollo moderno de la humanidad, gracias a este material homogéneo compuesto de materiales heterogéneos hoy en día podemos disfrutar de las maravillosas construcciones hechas por el hombre a lo largo de la historia. Este material ha experimentado mejoras en los últimos años, las cuales han contribuido con el fortalecimiento de sus propiedades físicas y químicas, lo que lo ha convertido en el material más utilizado en la construcción. El hormigón de alta resistencia es una de las mejoras que ha experimentado el hormigón convencional. Este material ha hecho posible la construcción de estructuras cada vez más esbeltas, reduciendo las secciones de elementos estructurales, lo que ha permitido tener más espacio disponible dentro de las edificaciones. Las características del HAR han contribuido a superar retos hasta ahora inalcanzables (luces cada vez más largas en puentes); la adición al mismo tanto de fibras de acero como poliméricas, pueden colaborar en mejorar algunas de sus características, lo que podría permitir su aplicación en otros campos. Este trabajo presenta en sus dos primeros capítulos una introducción y unos objetivos para la realización de esta investigación. Objetivos que son: Estudiar la posible variación de algunas características al añadir las fibras de poliolefina al hormigón de alta resistencia ; Realizar un trabajo experimental en el laboratorio, para que mediante una amasada de pruebas conocer la dosificación en hormigones de alta resistencia ; Realizar ensayos de resistencia a compresión, flexo-tracción y tracción indirecta para determinar las características mecánicas del hormigón y analizar el comportamiento del mismo frente a la aplicación de distintos esfuerzos ; Realizar ensayos de permeabilidad para la medir la capacidad de durabilidad del hormigón ; Realizar el ensayo de módulo de elasticidad para medir la rigidez del material ante una carga impuesta sobre el mismo y Plantear futuros trabajos de investigación sobre este tipo de material. Así mismo se presenta la evolución que ha experimentado el HAR a los largo de los años. También se describen todos los componentes del hormigón, los cuales colaboran con sus propiedades. En el tercer capítulo, se analizarán varias investigaciones similares, en el cuarto capítulo se realizó una campaña experimental añadiendo al HAR fibras de poliolefina, para estudiar su colaboración a este hormigón. Por último, en el quinto capítulo se llegaran a las conclusiones, a las que ha dado lugar este trabajo y se propusieron varios desarrollos que se podrían experimentar en el futuro.

Hormigones de alta resistencia con nano-adiciones y fibras de acero

El presente Trabajo Fin de Máster consistió en determinar la influencia que pueden poseer las nano-adiciones de Sílice y Alúmina y fibras de acero en un Hormigón de Alta Resistencia. Partiendo de una dosificación de Hormigón de Alta Resistencia conocida, que contenía humo de Sílice (10%) y fibras de poliolefina (3kg/m3), se les procedió a sustituir por la incorporación de nano-adiciones de Sílice y Alúmina (7% y 3% respectivamente) y añadiendo fibras de acero en lugar de poliolefina. En el presente trabajo se realizó una campaña experimental de laboratorio, en donde se realizaron tres (3) amasadas de Hormigón de Alta Resistencia con nueve (9) probetas cada una, donde el contenido de nano-adiciones no varió, mientras que el contenido de fibras fue de 20 y 40 kg/m3. Posterior a su realización, se procedió a someter las probetas a ensayos de resistencia a compresión, resistencia a tracción indirecta, resistencia a flexotracción, permeabilidad, módulo de elasticidad y coeficiente de Poisson con el fin de conocer el comportamiento de las amasadas una vez añadidas las nano-adiciones y fibras de acero. Luego de ejecutados los ensayos, se procedió a comparar los resultados entre amasadas y con las del hormigón de referencia. Los resultados muestran que la incorporación de las fibras de acero mejoran las propiedades del Hormigón de Alta Resistencia, sin negatividad. This Master’s Degree Thesis was to determine the influence that steel fibers and nano-additions of Silica and Alumina may possess in a High Strength Concrete mix. Based on a known dosage of High Strength Concrete, which contained Silica fume (10%) and polyolefin fibers (3 kg/m3), they were proceeded to be substituted for the incorporation of nano-additions of Silica and Alumina (7% and 3%, respectively) and by adding steel fibers rather than polyolefin fibers. This thesis carried out an experimental laboratory campaign, in which three (3) mixes of High Strength Concrete had nine (9) specimens each, where the content of nano-additions did not change, while the steel fiber content was 20 and 40 kg/m3. Subsequent to its completion, the specimens were subjected to different tests to determine the compressive strength, tensile strength, flexural strength, permeability, modulus of elasticity and Poisson's ratio in order to know the behavior of the mixes once the nano-additions and steel fibers were added. The results indicate that the steel fibers improve the properties of the High Strength Concrete rather to affect in a negative way

Nuevos Materiales de Base Yeso con Incorporación de Residuos de Caucho: Caracterización Físico-Mecánica

El objetivo de este trabajo es contribuir a la valorización del residuo de caucho sintético que proviene de coquillas aislantes de tuberías, estudiando su comportamiento formando parte del material compuesto escayola-caucho. Para ello se ha elaborado un plan experimental que permite evaluar su idoneidad como material de construcción, caracterizando el nuevo compuesto desde el punto de vista físico-mecánico; peso desecado, dureza Shore C, resistencia a flexión y resistencia a compresión. Se han estudiado cuatro granulometrías de residuo de caucho, 1-2 mm, 2-4 mm, 4-6 mm y 20-25 mm y distintos porcentajes de incorporación a la escayola, 1,25%; 2,50%; 5,00% y 7,50%, con una relación de agua/escayola de 0,76. Los resultados de los ensayos muestran que a pesar de que las resistencias mecánicas disminuyen con la incorporación del caucho, se obtiene un material de baja densidad, existiendo buena compatibilidad entre el residuo de caucho y la matriz de escayola, distribuyéndose los granos de caucho uniformemente en las probetas.

Estudio de la evolución de la velocidad de ultrasonidos en probetas de hormigón con distintos grados de humedad

El hormigón es uno de los materiales más utilizados en el mundo de la construcción y la ingeniería a lo largo de la Historia. El comportamiento y las propiedades de este material a lo largo del tiempo son objeto de numerosos estudios debido a las características monolíticas y mecánicas que presenta y a la abundancia de sus componentes en la naturaleza. [1] Se ha realizado un estudio experimental sobre probetas cúbicas de hormigón en masa (dimensiones: 10x10x10 cm) de la evolución de la velocidad de propagación de ultrasonidos (US) a través del hormigón y el grado en que afectan distintas variables a dicha velocidad, y su posible relación con su resistencia a compresión. Se han fabricado 32 probetas con hormigón H-25, tomando dos dosificaciones diferentes en cuanto a la relación agua/cemento (A/C) (A/C=0,5 y A/C=0,6), y empleando dos tipos distintos de árido grueso. Sobre dichas probetas se han llevado a cabo medidas periódicas de velocidad de propagación de US y del grado de humedad que adquieren durante el tiempo de curado en cámara húmeda y durante su endurecimiento en ambiente de laboratorio hasta su rotura a compresión. También se las sometió a ensayos de rotura a compresión con el fin de determinar posibles dependencias entre la resistencia a rotura adquirida y la máxima deformación experimentada con dicha velocidad de propagación y contenido de humedad. [2] [3] Una vez realizados los ensayos, se puede observar un comportamiento respecto a la velocidad de propagación a través del hormigón. El ambiente al que se expone el hormigón es determinante a la hora de establecer correlaciones entre la velocidad y el contenido de humedad. En cuanto a la fase de ensayos destructivos, se observa una evolución frente a esfuerzos de compresión similar, presentando una resistencia y un límite elástico un 16% aproximadamente superior en el hormigón con menor cantidad de humedad (relación A/C=0,5).

Ensayos de información y extracción de testigos en un hormigón autocompactante

Este estudio tiene como objetivo evaluar si los ensayos de índice de rebote (IR), velocidad de ultrasonidos (VU) y la resistencia a compresión en probeta testigo, presentan ei mismo comportamiento en los hormigones autocompactantes (HAC) que en los hormigones vibrados (HV). Para ello se han estudiado diferentes aspectos, tales como la influencia de algunas variables relacionadas con ías probetas testigo, los tipos de afuste utilizados para los ensayos de IR y VU, la influencia del nivel resistente en la relación entre la resistencia a compresión de probetas moldeadas cilindricas y probetas testigo y ei efecto que presenta el hormigonado a través de zonas de gran densidad de armadura

Influencia de la adición de nano sílice en el hormigón autocompactante

En los últimos años es notable la proliferación de trabajos y estudios que tratan sobre las características del hormigón autocompactante. De ellos, la durabilidad es el aspecto menos tratado, siendo especialmente escasos los que se centran en un problema particular de esta durabilidad, como es la penetración de cloruros, un aspecto básico para todos los elementos estructurales sometidos a un ambiente marino. Esta será la línea básica del presente trabajo, que vendrá acompañada de otra serie de ensayo que permitan ratificar los resultados obtenidos. Debido a lo anteriormente expuesto, el objetivo general de esta investigación es estudiar la influencia de la adición de nano-sílice en aspectos tanto microestructurales como durables en hormigones autocompactantes. Dado que el objetivo general planteado es muy ambicioso y requiere tiempo y multitud de ensayos combinando numerosas variables, este trabajo de investigación se centra en los siguientes objetivos particulares dentro de la línea general de la investigación: Evaluar los cambios que se producen en las propiedades en estado fresco de los distintos hormigones ensayados; Evaluar los cambios que se producen en las propiedades mecánicas de los hormigones estudiados; Determinar los cambios de la matriz porosa de los distintos hormigones ensayados y determinar los cambios en los componentes hidratados de la matiz de cemento. Para cumplir con este objetivo, se ha procedido a comparar el comportamiento de cuatro tipos de hormigón con el mismo cemento: Un hormigón convencional sin adición, un hormigón autocompactante sin adición, un hormigón autocompactante con 2,5 % de adición de nano sílice y un hormigón autocompactante con 5 % de adición de nano sílice. Las etapas seguidas en este trabajo son las siguientes: Revisión bibliográfica relativa a los hormigones autocompactantes, y a la adición de nano-sílice.; Estudio y elección de las dosificaciones para los hormigones objeto de estudio: hormigón convencional, un hormigón autocompactante sin adiciones y hormigones autocompactantes con adición de nano-sílice; Evaluación de los hormigones, convencional y autocompactantes, en estado fresco en base a la normativa vigente y a las exigencias de la Instrucción del Hormigón Estructural (EHE-08); Evaluación de las propiedades mecánicas de los hormigones en estado endurecido mediante ensayo de resistencia a compresión; Caracterización microestructural de los hormigones mediante ensayos de porosimetría por intrusión de mercurio (PIM) y termoanálisis (TG-ATD); Evaluación del comportamiento de los hormigones frente a ensayos específicos enfocados a su durabilidad, como son los de resistividad eléctrica y de penetración de cloruros y estudio comparativo de los resultados obtenidos y establecimiento de relaciones entre la dosificación y el comportamiento de cada hormigón, de cara a poder fijar recomendaciones de uso.

Modelización de costas rocosas acantiladas

El retroceso de las costas acantiladas es un fenómeno muy extendido sobre los litorales rocosos expuestos a la incidencia combinada de los procesos marinos y meteorológicos que se dan en la franja costera. Este fenómeno se revela violentamente como movimientos gravitacionales del terreno esporádicos, pudiendo causar pérdidas materiales y/o humanas. Aunque el conocimiento de estos riesgos de erosión resulta de vital importancia para la correcta gestión de la costa, el desarrollo de modelos predictivos se encuentra limitado desde el punto de vista geomorfológico debido a la complejidad e interacción de los procesos de desarrollo espacio-temporal que tienen lugar en la zona costera. Los modelos de predicción publicados son escasos y con importantes inconvenientes: a) extrapolación, extienden la información de registros históricos; b) empíricos, sobre registros históricos estudian la respuesta al cambio de un parámetro; c) estocásticos, determinan la cadencia y magnitud de los eventos futuros extrapolando las distribuciones de probabilidad extraídas de catálogos históricos; d) proceso-respuesta, de estabilidad y propagación del error inexplorada; e) en Ecuaciones en Derivadas Parciales, computacionalmente costosos y poco exactos. La primera parte de esta tesis detalla las principales características de los modelos más recientes de cada tipo y, para los más habitualmente utilizados, se indican sus rangos de aplicación, ventajas e inconvenientes. Finalmente como síntesis de los procesos más relevantes que contemplan los modelos revisados, se presenta un diagrama conceptual de la recesión costera, donde se recogen los procesos más influyentes que deben ser tenidos en cuenta, a la hora de utilizar o crear un modelo de recesión costera con el objetivo de evaluar la peligrosidad (tiempo/frecuencia) del fenómeno a medio-corto plazo. En esta tesis se desarrolla un modelo de proceso-respuesta de retroceso de acantilados costeros que incorpora el comportamiento geomecánico de materiales cuya resistencia a compresión no supere los 5 MPa. El modelo simula la evolución espaciotemporal de un perfil-2D del acantilado que puede estar formado por materiales heterogéneos. Para ello, se acoplan la dinámica marina: nivel medio del mar, cambios en el nivel medio del lago, mareas y oleaje; con la evolución del terreno: erosión, desprendimiento rocoso y formación de talud de derrubios. El modelo en sus diferentes variantes es capaz de incluir el análisis de la estabilidad geomecánica de los materiales, el efecto de los derrubios presentes al pie del acantilado, el efecto del agua subterránea, la playa, el run-up, cambios en el nivel medio del mar o cambios (estacionales o interanuales) en el nivel medio de la masa de agua (lagos). Se ha estudiado el error de discretización del modelo y su propagación en el tiempo a partir de las soluciones exactas para los dos primeros periodos de marea para diferentes aproximaciones numéricas tanto en tiempo como en espacio. Los resultados obtenidos han permitido justificar las elecciones que minimizan el error y los métodos de aproximación más adecuados para su posterior uso en la modelización. El modelo ha sido validado frente a datos reales en la costa de Holderness, Yorkshire, Reino Unido; y en la costa norte del lago Erie, Ontario, Canadá. Los resultados obtenidos presentan un importante avance en los modelos de recesión costera, especialmente en su relación con las condiciones geomecánicas del medio, la influencia del agua subterránea, la verticalización de los perfiles rocosos y su respuesta ante condiciones variables producidas por el cambio climático (por ejemplo, nivel medio del mar, cambios en los niveles de lago, etc.). The recession of coastal cliffs is a widespread phenomenon on the rocky shores that are exposed to the combined incidence of marine and meteorological processes that occur in the shoreline. This phenomenon is revealed violently and occasionally, as gravitational movements of the ground and can cause material or human losses. Although knowledge of the risks of erosion is vital for the proper management of the coast, the development of cliff erosion predictive models is limited by the complex interactions between environmental processes and material properties over a range of temporal and spatial scales. Published prediction models are scarce and present important drawbacks: extrapolation, that extend historical records to the future; empirical, that based on historical records studies the system response against the change in one parameter; stochastic, that represent of cliff behaviour based on assumptions regarding the magnitude and frequency of events in a probabilistic framework based on historical records; process-response, stability and error propagation unexplored; PDE´s, highly computationally expensive and not very accurate. The first part of this thesis describes the main features of the latest models of each type and, for the most commonly used, their ranges of application, advantages and disadvantages are given. Finally as a synthesis of the most relevant processes that include the revised models, a conceptual diagram of coastal recession is presented. This conceptual model includes the most influential processes that must be taken into account when using or creating a model of coastal recession to evaluate the dangerousness (time/frequency) of the phenomenon to medium-short term. A new process-response coastal recession model developed in this thesis has been designed to incorporate the behavioural and mechanical characteristics of coastal cliffs which are composed of with materials whose compressive strength is less than 5 MPa. The model simulates the spatial and temporal evolution of a cliff-2D profile that can consist of heterogeneous materials. To do so, marine dynamics: mean sea level, waves, tides, lake seasonal changes; is coupled with the evolution of land recession: erosion, cliff face failure and associated protective colluvial wedge. The model in its different variants can include analysis of material geomechanical stability, the effect of debris present at the cliff foot, groundwater effects, beach and run-up effects, changes in the mean sea level or changes (seasonal or inter-annual) in the mean lake level. Computational implementation and study of different numerical resolution techniques, in both time and space approximations, and the produced errors are exposed and analysed for the first two tidal periods. The results obtained in the errors analysis allow us to operate the model with a configuration that minimizes the error of the approximation methods. The model is validated through profile evolution assessment at various locations of coastline retreat on the Holderness Coast, Yorkshire, UK and on the north coast of Lake Erie, Ontario, Canada. The results represent an important stepforward in linking material properties to the processes of cliff recession, in considering the effect of groundwater charge and the slope oversteeping and their response to changing conditions caused by climate change (i.e. sea level, changes in lakes levels, etc.).

Curing, defects and mechanical performance of fiber-reinforced composites

Tradicionalmente, la fabricación de materiales compuestos de altas prestaciones se lleva a cabo en autoclave mediante la consolidación de preimpregnados a través de la aplicación simultánea de altas presiones y temperatura. Las elevadas presiones empleadas en autoclave reducen la porosidad de los componentes garantizando unas buenas propiedades mecánicas. Sin embargo, este sistema de fabricación conlleva tiempos de producción largos y grandes inversiones en equipamiento lo que restringe su aplicación a otros sectores alejados del sector aeronáutico. Este hecho ha generado una creciente demanda de sistemas de fabricación alternativos al autoclave. Aunque estos sistemas son capaces de reducir los tiempos de producción y el gasto energético, por lo general, dan lugar a materiales con menores prestaciones mecánicas debido a que se reduce la compactación del material al aplicar presiones mas bajas y, por tanto, la fracción volumétrica de fibras, y disminuye el control de la porosidad durante el proceso. Los modelos numéricos existentes permiten conocer los fundamentos de los mecanismos de crecimiento de poros durante la fabricación de materiales compuestos de matriz polimérica mediante autoclave. Dichos modelos analizan el comportamiento de pequeños poros esféricos embebidos en una resina viscosa. Su validez no ha sido probada, sin embargo, para la morfología típica observada en materiales compuestos fabricados fuera de autoclave, consistente en poros cilíndricos y alargados embebidos en resina y rodeados de fibras continuas. Por otro lado, aunque existe una clara evidencia experimental del efecto pernicioso de la porosidad en las prestaciones mecánicas de los materiales compuestos, no existe información detallada sobre la influencia de las condiciones de procesado en la forma, fracción volumétrica y distribución espacial de los poros en los materiales compuestos. Las técnicas de análisis convencionales para la caracterización microestructural de los materiales compuestos proporcionan información en dos dimensiones (2D) (microscopía óptica y electrónica, radiografía de rayos X, ultrasonidos, emisión acústica) y sólo algunas son adecuadas para el análisis de la porosidad. En esta tesis, se ha analizado el efecto de ciclo de curado en el desarrollo de los poros durante la consolidación de preimpregnados Hexply AS4/8552 a bajas presiones mediante moldeo por compresión, en paneles unidireccionales y multiaxiales utilizando tres ciclos de curado diferentes. Dichos ciclos fueron cuidadosamente diseñados de acuerdo a la caracterización térmica y reológica de los preimpregnados. La fracción volumétrica de poros, su forma y distribución espacial se analizaron en detalle mediante tomografía de rayos X. Esta técnica no destructiva ha demostrado su capacidad para analizar la microestructura de materiales compuestos. Se observó, que la porosidad depende en gran medida de la evolución de la viscosidad dinámica a lo largo del ciclo y que la mayoría de la porosidad inicial procedía del aire atrapado durante el apilamiento de las láminas de preimpregnado. En el caso de los laminados multiaxiales, la porosidad también se vio afectada por la secuencia de apilamiento. En general, los poros tenían forma cilíndrica y se estaban orientados en la dirección de las fibras. Además, la proyección de la población de poros a lo largo de la dirección de la fibra reveló la existencia de una estructura celular de un diámetro aproximado de 1 mm. Las paredes de las celdas correspondían con regiones con mayor densidad de fibra mientras que los poros se concentraban en el interior de las celdas. Esta distribución de la porosidad es el resultado de una consolidación no homogenea. Toda esta información es crítica a la hora de optimizar las condiciones de procesado y proporcionar datos de partida para desarrollar herramientas de simulación de los procesos de fabricación de materiales compuestos fuera de autoclave. Adicionalmente, se determinaron ciertas propiedades mecánicas dependientes de la matriz termoestable con objeto de establecer la relación entre condiciones de procesado y las prestaciones mecánicas. En el caso de los laminados unidireccionales, la resistencia interlaminar depende de la porosidad para fracciones volumétricas de poros superiores 1%. Las mismas tendencias se observaron en el caso de GIIc mientras GIc no se vio afectada por la porosidad. En el caso de los laminados multiaxiales se evaluó la influencia de la porosidad en la resistencia a compresión, la resistencia a impacto a baja velocidad y la resistencia a copresión después de impacto. La resistencia a compresión se redujo con el contenido en poros, pero éste no influyó significativamente en la resistencia a compresión despues de impacto ya que quedó enmascarada por otros factores como la secuencia de apilamiento o la magnitud del daño generado tras el impacto. Finalmente, el efecto de las condiciones de fabricación en el proceso de compactación mediante moldeo por compresión en laminados unidireccionales fue simulado mediante el método de los elementos finitos en una primera aproximación para simular la fabricación de materiales compuestos fuera de autoclave. Los parámetros del modelo se obtuvieron mediante experimentos térmicos y reológicos del preimpregnado Hexply AS4/8552. Los resultados obtenidos en la predicción de la reducción de espesor durante el proceso de consolidación concordaron razonablemente con los resultados experimentales. Manufacturing of high performance polymer-matrix composites is normally carried out by means of autoclave using prepreg tapes stacked and consolidated under the simultaneous application of pressure and temperature. High autoclave pressures reduce the porosity in the laminate and ensure excellent mechanical properties. However, this manufacturing route is expensive in terms of capital investment and processing time, hindering its application in many industrial sectors. This fact has driven the demand of alternative out-of-autoclave processing routes. These techniques claim to produce composite parts faster and at lower cost but the mechanical performance is also reduced due to the lower fiber content and to the higher porosity. Corrient numerical models are able to simulate the mechanisms of void growth in polymer-matrix composites processed in autoclave. However these models are restricted to small spherical voids surrounded by a viscous resin. Their validity is not proved for long cylindrical voids in a viscous matrix surrounded by aligned fibers, the standard morphology observed in out-of-autoclave composites. In addition, there is an experimental evidence of the detrimental effect of voids on the mechanical performance of composites but, there is detailed information regarding the influence of curing conditions on the actual volume fraction, shape and spatial distribution of voids within the laminate. The standard techniques of microstructural characterization of composites (optical or electron microscopy, X-ray radiography, ultrasonics) provide information in two dimensions and are not always suitable to determine the porosity or void population. Moreover, they can not provide 3D information. The effect of curing cycle on the development of voids during consolidation of AS4/8552 prepregs at low pressure by compression molding was studied in unidirectional and multiaxial panels. They were manufactured using three different curing cycles carefully designed following the rheological and thermal analysis of the raw prepregs. The void volume fraction, shape and spatial distribution were analyzed in detail by means of X-ray computed microtomography, which has demonstrated its potential for analyzing the microstructural features of composites. It was demonstrated that the final void volume fraction depended on the evolution of the dynamic viscosity throughout the cycle. Most of the initial voids were the result of air entrapment and wrinkles created during lay-up. Differences in the final void volume fraction depended on the processing conditions for unidirectional and multiaxial panels. Voids were rod-like shaped and were oriented parallel to the fibers and concentrated in channels along the fiber orientation. X-ray computer tomography analysis of voids along the fiber direction showed a cellular structure with an approximate cell diameter of 1 mm. The cell walls were fiber-rich regions and porosity was localized at the center of the cells. This porosity distribution within the laminate was the result of inhomogeneous consolidation. This information is critical to optimize processing parameters and to provide inputs for virtual testing and virtual processing tools. In addition, the matrix-controlled mechanical properties of the panels were measured in order to establish the relationship between processing conditions and mechanical performance. The interlaminar shear strength (ILSS) and the interlaminar toughness (GIc and GIIc) were selected to evaluate the effect of porosity on the mechanical performance of unidirectional panels. The ILSS was strongly affected by the porosity when the void contents was higher than 1%. The same trends were observed in the case of GIIc while GIc was insensitive to the void volume fraction. Additionally, the mechanical performance of multiaxial panels in compression, low velocity impact and compression after impact (CAI) was measured to address the effect of processing conditions. The compressive strength decreased with porosity and ply-clustering. However, the porosity did not influence the impact resistance and the coompression after impact strength because the effect of porosity was masked by other factors as the damage due to impact or the laminate lay-up. Finally, the effect of the processing conditions on the compaction behavior of unidirectional AS4/8552 panels manufactured by compression moulding was simulated using the finite element method, as a first approximation to more complex and accurate models for out-of autoclave curing and consolidation of composite laminates. The model parameters were obtained from rheological and thermo-mechanical experiments carried out in raw prepreg samples. The predictions of the thickness change during consolidation were in reasonable agreement with the experimental results.