Determining the elastic-plastic properties of metallic materials through instrumented indentation

En los últimos años, y asociado al desarrollo de la tecnología MEMS, la técnica de indentación instrumentada se ha convertido en un método de ensayo no destructivo ampliamente utilizado para hallar las características elástico-plásticas de recubrimientos y capas delgadas, desde la escala macroscópica a la microscópica. Sin embargo, debido al complejo mecanismo de contacto debajo de la indentación, es urgente proponer un método más simple y conveniente para obtener unos resultados comparables con otras mediciones tradicionales. En este estudio, el objetivo es mejorar el procedimiento analítico para extraer las propiedades elástico-plásticas del material mediante la técnica de indentación instrumentada. La primera parte se centra en la metodología llevada a cabo para medir las propiedades elásticas de los materiales elásticos, presentándose una nueva metodología de indentación, basada en la evolución de la rigidez de contacto y en la curva fuerza-desplazamiento del ensayo de indentación. El método propuesto permite discriminar los valores de indentación experimental que pudieran estar afectados por el redondeo de la punta del indentador. Además, esta técnica parece ser robusta y permite obtener valores fiables del modulo elástico. La segunda parte se centra en el proceso analítico para determinar la curva tensión-deformación a partir del ensayo de indentación, empleando un indentador esférico. Para poder asemejar la curva tension-deformación de indentación con la que se obtendría de un ensayo de tracción, Tabor determinó empíricamente un factor de constricción de la tensión () y un factor de constricción de la deformación (). Sin embargo, la elección del valor de y  necesitan una derivación analítica. Se describió analíticamente una nueva visión de la relación entre los factores de constricción de tensión y la deformación basado en la deducción de la ecuación de Tabor. Un modelo de elementos finitos y un diseño experimental se realizan para evaluar estos factores de constricción. A partir de los resultados obtenidos, las curvas tension-deformación extraidas de los ensayos de indentación esférica, afectadas por los correspondientes factores de constricción de tension y deformación, se ajustaron a la curva nominal tensión-deformación obtenida de ensayos de tracción convencionales. En la última parte, se estudian las propiedades del revestimiento de cermet Inconel 625-Cr3C2 que es depositado en el medio de una aleación de acero mediante un láser. Las propiedades mecánicas de la matriz de cermet son estudiadas mediante la técnica de indentación instrumentada, haciendo uso de las metodologías propuestas en el presente trabajo. In recent years, along with the development of MEMS technology, instrumented indentation, as one type of a non-destructive measurement technique, is widely used to characterize the elastic and plastic properties of metallic materials from the macro to the micro scale. However, due to the complex contact mechanisms under the indentation tip, it is necessary to propose a more convenient and simple method of instrumented indention to obtain comparable results from other conventional measurements. In this study, the aim is to improve the analytical procedure for extracting the elastic plastic properties of metallic materials by instrumented indentation. The first part focuses on the methodology for measuring the elastic properties of metallic materials. An alternative instrumented indentation methodology is presented. Based on the evolution of the contact stiffness and indentation load versus the depth of penetration, the possibility of obtaining the actual elastic modulus of an elastic-plastic bulk material through instrumented sharp indentation tests has been explored. The proposed methodology allows correcting the effect of the rounding of the indenter tip on the experimental indentation data. Additionally, this technique does not seem too sensitive to the pile-up phenomenon and allows obtaining convincing values of the elastic modulus. In the second part, an analytical procedure is proposed to determine the representative stress-strain curve from the spherical indentation. Tabor has determined the stress constraint factor (stress CF), and strain constraint factor (strain CF), empirically but the choice of a value for and is debatable and lacks analytical derivation. A new insight into the relationship between stress and strain constraint factors is analytically described based on the formulation of Tabor’s equation. Finite element model and experimental tests have been carried out to evaluate these constraint factors. From the results, representative stress-strain curves using the proposed strain constraint factor fit better with the nominal stress-strain curve than those using Tabor’s constraint factors. In the last part, the mechanical properties of an Inconel 625-Cr3C2 cermet coating which is deposited onto a medium alloy steel by laser cladding has been studied. The elastic and plastic mechanical properties of the cermet matrix are studied using depth-sensing indentation (DSI) on the micro scale.

Modelización de la respuesta de elementos estructurales lineales de vidrio plano : vigas y pilares pretensados

El vidrio se trata de un material muy apreciado en la arquitectura debido a la transparencia, característica que pocos materiales tienen. Pero, también es un material frágil, con una rotura inmediata cuando alcanza su límite elástico, sin disponer de un período plástico, que advierta de su futura rotura y permita un margen de seguridad. Por ambas razones, el vidrio se ha utilizado en arquitectura como elemento de plementería o relleno, desde tiempos antiguos, pero no como elemento estructural o portante, pese a que es un material interesante para los arquitectos para ese uso, por su característica de transparencia, ya que conseguiría la desmaterialización visual de la estructura, logrando espacios más ligeros y livianos. En cambio, si se tienen en cuenta las propiedades mecánicas del material se puede comprobar que dispone de unas características apropiadas para su uso estructural, ya que su Módulo elástico es similar al del aluminio, elemento muy utilizado en la arquitectura principalmente en las fachadas desde los últimos años, y su resistencia a compresión es muy superior incluso al hormigón armado; aunque su principal problema es su resistencia a tracción que es muy inferior a su resistencia a compresión, lo que penaliza su resistencia a flexión. En la actualidad se empieza a utilizar el vidrio como elemento portante o estructural, pero debido a su peor resistencia a flexión, se utilizan con grandes dimensiones que, a pesar de su transparencia, tienen una gran presencia. Por ello, la presente investigación pretende conseguir una reducción de las secciones de estos elementos estructurales de vidrio. Entonces, para el desarrollo de la investigación es necesario responder a una serie de preguntas fundamentales, cuyas respuestas serán el cuerpo de la investigación: 1. ¿Cuál es la finalidad de la investigación? El objetivo de esta investigación es la optimización de elementos estructurales de vidrio para su utilización en arquitectura. 2. ¿Cómo se va a realizar esa optimización? ¿Qué sistemas se van a utilizar? El sistema para realizar la optimización será la pretensión de los elementos estructurales de vidrio 3. ¿Por qué se va a utilizar la precompresión? Porque el vidrio tiene un buen comportamiento a compresión y un mal comportamiento a tracción lo que penaliza su utilización a flexión. Por medio de la precompresión se puede incrementar esta resistencia a tracción, ya que los primeros esfuerzos reducirán la compresión inicial hasta comenzar a funcionar a tracción, y por tanto aumentará su capacidad de carga. 4. ¿Con qué medios se va a comprobar y justificar ese comportamiento? Mediante simulaciones informáticas con programas de elementos finitos. 5. ¿Por qué se utilizará este método? Porque es una herramienta que arroja ventajas sobre otros métodos como los experimentales, debido a su fiabilidad, economía, rapidez y facilidad para establecer distintos casos. 6. ¿Cómo se garantiza su fiabilidad? Mediante el contraste de resultados obtenidos con ensayos físicos realizados, garantizando de ésta manera el buen comportamiento de los programas utilizados. El presente estudio tratará de responder a todas estas preguntas, para concluir y conseguir elementos estructurales de vidrio con secciones más reducidas gracias a la introducción de la precompresión, todo ello a través de las simulaciones informáticas por medio de elementos finitos. Dentro de estas simulaciones, también se realizarán comprobaciones y comparaciones entre distintas tipologías de programas para comprobar y contrastar los resultados obtenidos, intentando analizar cuál de ellos es el más idóneo para la simulación de elementos estructurales de vidrio. ABSTRACT Glass is a material very appreciated in architecture due to its transparency, feature that just a few materials share. But it is also a brittle material with an immediate breakage when it reaches its elastic limit, without having a plastic period that provides warning of future breakage allowing a safety period. For both reasons, glass has been used in architecture as infill panels, from old times. However, it has never been used as a structural or load‐bearing element, although it is an interesting material for architects for that use: because of its transparency, structural glass makes possible the visual dematerialization of the structure, achieving lighter spaces. However, taking into account the mechanical properties of the material, it is possible to check that it has appropriate conditions for structural use: its elastic modulus is similar to that of aluminium, element widely used in architecture, especially in facades from recent years; and its compressive strength is much higher than even the one of concrete. However, its main problem consists in its tensile strength that is much lower than its compressive strength, penalizing its resistance to bending. Nowadays glass is starting to be used as a bearing or structural element, but due to its worse bending strength, elements with large dimensions must be used, with a large presence despite its transparency. Therefore this research aims to get smaller sections of these structural glass elements. For the development of this thesis, it is necessary to answer a number of fundamental questions. The answers will be the core of this work: 1. What is the purpose of the investigation? The objective of this research is the optimization of structural glass elements for its use in architecture. 2. How are you going to perform this optimization? What systems will be implemented? The system for optimization is the pre‐stress of the structural elements of glass 3. Why are you going to use the pre‐compression? Because glass has a good resistance to compression and a poor tensile behaviour, which penalizes its use in bending elements. Through the pre‐compression it is possible to increase this tensile strength, due to the initial tensile efforts reducing the pre‐stress and increasing its load capacity. 4. What are the means that you will use in order to verify and justify this behaviour? The means are based on computer simulations with finite element programs (FEM) 5. Why do you use this method? Because it is a tool which gives advantages over other methods such as experimental: its reliability, economy, quick and easy to set different cases. 6. How the reliability is guaranteed? It’s guaranteed comparing the results of the simulation with the performed physical tests, ensuring the good performance of the software. This thesis will attempt to answer all these questions, to obtain glass structural elements with smaller sections thanks to the introduction of the pre‐compression, all through computer simulations using finite elements methods. In these simulations, tests and comparisons between different types of programs will also be implemented, in order to test and compare the obtained results, trying to analyse which one is the most suitable for the simulation of structural glass elements.

Aplicación integral en construcción de materiales eco-eficientes con incorporación de cenizas de biomasa

El empleo de biomasa como combustible para la generación de bio-energía va en aumento en la actualidad, debido a su impacto medioambiental nulo en cuanto a las emisiones de CO2. Por lo tanto la generación de cenizas de biomasa, residuo de la producción de esta energía, constituye un problema medioambiental con un claro impacto social y económico. Este tipo de ceniza tiene contenidos en óxidos que la hacen atractiva para su empleo como sustituto parcial del cemento Portland, lo cual proporciona una salida eco-eficiente a este residuo, reduciendo al mismo tiempo la emisión de gases de efecto invernadero asociada a la fabricación del cemento. Esta investigación se centra en el desarrollo de nuevos e innovadores materiales base-cemento eco-eficientes que incorporan ceniza de biomasa para su aplicación integral en construcción. Para ello, se emplea una ceniza de biomasa (CB) procedente de un combustor de lecho fluidizado, cuya biomasa de combustión es principalmente restos de corteza de eucalipto, suministrada por el grupo ENCE-Navia (Asturias). El trabajo desarrollado en la presente tesis doctoral, tiene como primera fase la caracterización de esta ceniza y el análisis de viabilidad de su valorización en materiales base-cemento. Dentro de este análisis, se propone la activación de la ceniza CB mediante tratamiento hidrotermal (TH) en diferentes condiciones de medio activante, temperatura y tiempo de proceso, con el objetivo de favorecer la formación de fases hidratadas que potencien la valorización de la ceniza en el campo de los materiales de construcción. Como fase hidratada de interés se obtiene la fase tobermorita (Ca2.25(Si3O7.5(OH)1.5)(H2O)), precursora del gel C-S-H, responsable del desarrollo de resistencias mecánicas en los materiales base-cemento. El proceso de TH se optimiza para la síntesis más eficiente de esta fase. El estudio posterior de las propiedades mecánicas y micro-estructurales de pastas de cemento eco-eficientes que incorporan la ceniza CB y la ceniza tratada hidrotermalmente, CB-TH, confirma una mayor viabilidad de incorporación de la ceniza CB como sustituto parcial del cemento Portland. Como siguiente paso en el desarrollo de estos innovadores materiales base-cemento eco-eficientes se amplía el estudio multi-escalar de los materiales que incorporan CB mediante diferentes ensayos físico-mecánicos y de durabilidad. Los resultados indican que la presencia de la ceniza de biomasa no tiene efectos negativos sobre las propiedades físicas de los morteros eco-eficientes estudiados. Sin embargo, la adición de CB proporciona una mejor durabilidad del material al producir modificaciones de la microestructura que dificultan el transporte de agentes agresivos. Por otro lado, los morteros con un 10 y 20% de sustitución parcial de cemento por la ceniza de biomasa CB (CB-10 y CB-20) presentan una resistencia a compresión de 53.3 y 50.5 MPa a 28 días de curado, respectivamente. Estos morteros son comparables con un cemento Portland tradicional tipo CEM I de clase de resistencia 42.5 R. Por último, y con el fin de proporcionar la apertura de estos nuevos cementos eco-eficientes al mercado en el campo de los materiales de construcción, se estudian propiedades concretas relacionadas con diferentes tipos de aplicaciones. Concretamente se estudian en detalle las propiedades relativas a la aplicación en baldosas de mortero y los resultados indican unas prestaciones del material eco-eficiente con incorporación de CB similares o mejoradas con respecto al cemento Portland. Se analiza también la viabilidad de aplicación estructural de los cementos eco-eficientes desarrollados mediante el estudio de la adherencia al acero, que resulta similar a la del material de referencia. En cuanto a los resultados de extracción y caracterización de la fase acuosa de los poros, en todas las matrices eco-eficientes se obtiene un pH que garantiza la pasivación de la armadura. Sin embargo, el alto contenido en cloruros de dicha fase acuosa sugiere la conveniencia de realizar un análisis más detallado para la aplicación de los nuevos materiales eco-eficientes en hormigón armado. Se comprueba que todas las matrices que incorporan CB en porcentajes entre un 10 y un 90%, se pueden considerar adecuadas como nuevos materiales de construcción más eco-eficientes en aplicaciones con distintos niveles de exigencias mecánicas y sin problemas ambientales asociados con procesos de lixiviación. Con el presente trabajo de investigación se completan los objetivos iniciales de la tesis, con la obtención de nuevos e innovadores materiales base-cemento eco-eficientes que incorporan cenizas de biomasa (CB) con aplicación integral en el campo de la construcción. ABSTRACT The use of biomass as a fuel for the generation of bio-energy is increasing nowadays, due to its zero environmental impact in terms of CO2 emissions. Therefore the generation of biomass ash, a by-product of this energy, is an environmental problem with a clear social and economic impact. This type of ash contains oxides that make it attractive to be used as a partial replacement of Portland cement, providing an eco-efficient solution to this residue, while reducing the emission of greenhouse gases associated with the production of cement. The present research is focused on the development of new and innovative eco-efficient cement-based materials that incorporate biomass ash for their comprehensive application in construction. For this purpose a biomass ash (CB) is used from a fluidized bed forest combustor mainly fed with the bark of eucalyptus trees, provided by the ENCE-Navia (Asturias) group. The work includes in the first stage the characterization of the raw materials and the analysis of viability of their valorization in cement-based materials. Within this analysis, the activation of the ash is proposed by hydrothermal treatment (HT) in different conditions of activation medium, temperature and process duration, aiming an enhanced formation of hydrated phases to improve the ash valorization in the construction materials field. As an interesting hydrated phase, the tobermorite (Ca2.25(Si3O7.5(OH)1.5)(H2O)) is obtained from the process. This phase is considered as a precursor of the gel C-S-H, responsible for the development of mechanical strength in cement-based materials. HT process is optimized for the most efficient synthesis of tobermorite. The analysis of mechanical and microstructural properties of eco-efficient cement pastes incorporating CB ash and hydrothermally treated ash, CB-TH, confirms an improved viability of incorporation of CB ash as a partial replacement for Portland cement in the case. As a next step in the development of these innovative eco-efficient cement-based materials, a multiscale study of the materials that incorporate CB by different physical-mechanical and durability tests is carried out. The results indicate that the presence of biomass ash does not give rise to negative effects on the physical properties of the eco-efficient mortars analyzed. Nevertheless, the addition of CB produces a better durability performance due to microstructural modifications that hinder the transport of aggressive agents through the material. Moreover, mortars with a 10% and 20% of partial substitution of cement by the CB biomass ash (CB-10 and CB-20) show a compressive resistance of 53.3 and 50.5 MPa at 28 days of curing, respectively. These mortars are comparable to an ordinary Portland cement type CEM I with a resistance class of 42.5R. Finally, and in order to provide the opening of these new eco-efficient cement to the market in the field of construction materials, certain properties specifically related to different types of applications are studied. Among these, the properties concerning the application in mortar tiles are analyzed and the results indicate a similar, or even better performance of the eco-efficient mortar that incorporates CB, with respect to Portland cement. The viability of structural application of the developed eco-efficient cement is also performed considering the study of the adhesion to steel, with results similar to those of the reference material. Regarding the results of extraction and analysis of the aqueous phase of the pores, a pH value guaranteeing reinforcement passivation is obtained for all the eco-efficient matrices. However, high chloride content is obtained suggesting the suitability of a more detailed study to evaluate the application of these new eco-efficient materials in reinforced concrete. It is established that all the matrices incorporating CB in percentages between 10 and 90% may be considered adequate as new more eco-efficient construction materials in applications with different levels of mechanical demand and without environmental problems associated to leaching processes. In this research the initial objectives of the thesis are fulfilled by obtaining new and innovative eco-efficient cement-based materials that incorporate biomass ashes (CB) with comprehensive application in the construction field.

Comportamiento térmico y mecánico del yeso con adiciones de aerogel de sílice granulado

La presente tesis doctoral aborda el estudio de un nuevo material mineral, compuesto principalmente por una matriz de yeso (proveniente de un conglomerante industrial basado en sulfato de calcio multifase) y partículas de aerogel de sílice hidrófugo mesoporoso, compatibilizadas mediante un surfactante polimérico, debido a su alto carácter hidrófugo. La investigación se centra en conocer los factores que influyen en las propiedades mecánicas y conductividad térmica del material compuesto generado. Este estudio pretende contribuir al conocimiento sobre el desarrollo de nuevos morteros de elevado aislamiento térmico que puedan ser utilizados en la rehabilitación energética de edificios de viviendas existentes, debido a que estos representan gran parte del consumo energético del parque de viviendas de España, aunque también a nivel internacional. De los materiales utilizados para desarrollar los morteros estudiados, el yeso, además de ser un material muy abundante, especialmente en España, requiere una menor cantidad de energía para la fabricación de un conglomerante (debido a una menor temperatura de fabricación), en comparación con el cemento o la cal, por lo que presenta una menor huella de carbono que estos últimos. Por otro lado, el aerogel de sílice hidrófugo mesoporoso es, de acuerdo con la documentación disponible, el material que posee actualmente la mayor capacidad de aislamiento térmico en el mercado. El desarrollo de nuevos morteros minerales con una capacidad de aislamiento térmico mayor que los materiales aislantes utilizados tradicionalmente, tiene una aplicación relevante en los casos de rehabilitación energética de edificios históricos y patrimoniales, en los que se requiere la aplicación del aislamiento por el interior de la fachada, ya que este tipo de soluciones tienen el inconveniente de reducir el espacio habitable de las áreas involucradas, especialmente en zonas climáticas en las que el aislamiento térmico puede suponer un espesor considerable, por lo que es ideal utilizar materiales de altas prestaciones de aislamiento térmico capaces de aportar el mismo nivel de aislamiento (o incluso mayor), pero en un espesor considerablemente menor. La investigación se desarrolla en tres etapas: bibliográfica, experimental y de simulación. La primera etapa, parte del estudio de la bibliografía existente, relacionada con materiales aislantes, incluyendo soluciones basadas, tanto en morteros aislantes, como en paneles de aislamiento térmico. La segunda, de carácter experimental, se centra en estudiar la influencia de la microestrucrura y macroestructura, del nuevo material mineral, en las propiedades físicas elementales, mecánicas y conductividad térmica del compuesto. La tercera etapa, mediante una simulación del consumo energético, consiste en cuantificar teóricamente el potencial ahorro energético que puede aportar este material en un caso de rehabilitación energética en particular. La investigación experimental se centró principalmente en conocer los factores principales que influyen en las propiedades mecánicas y conductividad térmica de los materiales compuestos minerales desarrollados en esta tesis. Para ello, se llevó a cabo una caracterización de los materiales de estudio, así como el desarrollo de distintas muestras de ensayo, de tal forma que se pudo estudiar, tanto la hidratación del yeso en los compuestos, como su posterior microestructura y macroestructura, aspectos fundamentales para el entendimiento de las propiedades mecánicas y conductividad térmica del compuesto aislante. De este modo, se pudieron conocer y cuantificar, los factores que influyen en las propiedades estudiadas, aportando una base de conocimiento y entendimiento de este tipo de compuestos minerales con aerogel de sílice hidrófugo, no existiendo estudios publicados hasta el momento de finalización de esta tesis, con la aproximación al material propuesta en este estudio, ni con yeso (basado en sulfato de calcio multifase), ni con otro tipo de conglomerantes. Particularmente, se determinó la influencia que tiene la incorporación de partículas de aerogel de sílice hidrófugo, en grandes proporciones en volumen, en un compuesto mineral basado en distintas fases de sulfato de calcio. No obstante, para llevar a cabo las mezclas, fue necesario utilizar un surfactante para compatibilizar este tipo de partículas, con el conglomerante basado en agua. El uso de este tipo de aditivos tiene una influencia, no solo en el aerogel, sino en las propiedades del compuesto en general, dependiendo de su concentración, por lo que se establecieron dos porcentajes de adición: la primera, determinada a partir de la cantidad mínima necesaria para compatibilizar las mezclas (0,1% del agua de amasado), y la segunda, como límite superior, la concentración utilizada habitualmente a nivel industrial para estabilizar burbujas de aire en hormigones espumados (5%). El surfactante utilizado mostró la capacidad de modificar la superficie del aerogel, cambiando el comportamiento de las partículas frente al agua, permitiendo una invasión parcial de su estructura porosa, por parte del agua de amasado. Este comportamiento supone un aumento muy importante en la relación agua/yeso, afectando el hábito cristalino e influenciando negativamente las propiedades mecánicas de la matriz de yeso, presentando un efecto aún notable a mayor concentración de surfactante (5%). En cuanto a las propiedades finales alcanzadas, fue posible lograr un compuesto mineral ultraligero (200 kg/m3), con alrededor de un 60% de aerogel en volumen y de alta capacidad aislante (0,028 W/m•K), presentando una conductividad térmica notablemente menor que los morteros aislantes del mercado, e incluso también menor que la de los aislantes tradicionales basado en las lanas minerales o EPS; no obstante, con la limitante de presentar bajas propiedades mecánicas, condicionando su posible aplicación futura. Entre los factores principales relacionados con las propiedades mecánicas, se encontró que estas dependen exponencialmente del volumen de yeso en el compuesto; no obstante, factores de segundo orden, como el grado de hidratación, o una mejor distribución del conglomerante entre las partículas de aerogel, debido al aumento de la superficie específica del polvo mineral, pueden aumentar las propiedades mecánicas entre el doble y el triple, dependiendo del volumen de aerogel en cuestión. Además, se encontró que el aerogel, en conjunto con el surfactante, es capaz de introducir una gran cantidad de aire (0,70 m3 por cada m3 de aerogel), que unido al agua evaporada (no consumida por el conglomerante durante la hidratación), el volumen de aire total alcanza, generalmente, un 40%, independientemente de la cantidad de aerogel en la mezcla. De este modo, el aire introducido en la matriz desplaza las proporciones en volumen del aerogel y del yeso, disminuyendo, tanto las propiedades mecánicas, como la capacidad aislante de compuesto mineral. Por otro lado, la conductividad térmica mostró tener una dependencia directa de la contribución de las tres fases principales en el compuesto: yeso, aerogel y aire ocluido. De este modo, se pudo desarrollar un modelo matemático, adaptado de uno existente, capaz de calcular, con bastante precisión, la relación de los tres componentes mencionados, en la conductividad térmica de los compuestos, para el rango de volúmenes y materiales utilizados en esta tesis. Finalmente, la simulación del consumo energético realizada a una vivienda típica de España, de los años 1900 a 1959 (basada en muros de ladrillo macizo), para las zonas climáticas estudiadas (A, D y E), permitió observar el potencial ahorro energético que puede aportar este material, dependiendo de su espesor, como aislamiento interior de los muros de fachada. Particularmente, para la zona A, se determinó un espesor óptimo de 1 cm, mientras que para la zona D y E, 3,5 y 3,9 cm respectivamente. En este sentido, el nuevo material estudiado es capaz de disminuir, entre un 35% y un 80%, el espesor de la capa aislante, en comparación con paneles de lana de roca o los morteros minerales de mayor capacidad aislante del mercado español respectivamente. ABSTRACT The present doctoral thesis studies a new mineral-based composite material, composed by a gypsum matrix (based on an industrial multiphase gypsum binder) and mesoporous hydrophobic silica aerogel particles, compatibilized with a polymeric surfactant due to the high hydrophobic character of the insulating particles. This study pretends to contribute to the development of new composite insulating materials that could be used in energy renovation of existing dwellings, in order to reduce their high energy consumption, as they represent a great part of the total energy consumed in Spain, but also internationally. Between the materials used to develop de studied insulating mortars, gypsum, besides being an abundant material, especially in Spain, requires less energy for the manufacture of a mineral binder (due to lower manufacturing temperatures), compared to lime or cement, thus presenting lower carbon footprint. In other hand, the hydrophobic mesoporous silica aerogel, is, according to the existing references, the material with the highest know insulating capacity in the market. The development of new mineral mortars with higher thermal insulation capacity than traditional insulating materials, presents a relevant application in energy retrofitting of historic and cultural heritage buildings, in which implies that the insulating material should be installed as an internal layer, rather than as an external insulating system. This type of solution involves a reduced internal useful area, especially in climatic zones where the demand for thermal insulation is higher, and so the insulating layer thickness, being idealistic to use materials with very high insulating properties, in order to reach same insulating level (or higher), but in lower thickness than the provided by traditional insulating materials. This research is developed in three main stages: bibliographic, experimental and simulation. The first stage starts by studying the existing references regarding thermally insulating materials, including existing insulating mortars and insulating panels. The second stage, mainly experimental, is centered in the study of the the influence of the microstructure and macrostructure in the physical and mechanical properties, and also in the thermal conductivity of the new mineral-based material. The thirds stage, through energy simulation, consists in theoretically quantifying the energy savings potential that can provide this type of insulating material, in a particular energy retrofitting case study. The experimental research is mainly focused in the study of the factors that influence the mechanical properties and the thermal conductivity of the thermal insulating mineral composites developed in this thesis. For this, the characterization of the studied materials has been performed, as well as the development of several experimental samples, in order to study the hydration of the mineral binder within the composites, but also the final microstructure and macrostructure, fundamental aspects for the understanding of the composite’s mechanical and insulating properties. Thus, is was possible to determine and quantify the factors that influence the studied material properties, providing a knowledge base and understanding of mineral composites that comprises mesoporous hydrophobic silica aerogel particles, being the first study up to date regarding the specific approach of the present study, regarding not just multiphase calcium sulfate plaster, but also other mineral binders. Particularly, the influence of the incorporation of hydrophobic silica aerogel particles, in high volume ratios into a mineral compound, based on different phases of calcium sulfate has been determined. However, to perform mixing, it is necessary to use a surfactant in order to compatibilize these particles with the water-based mineral binder. The use of such additives has an influence, not only in the aerogel, but the overall properties of the compound, so two different surfactant concentration has been studied: the first, the minimum amount of surfactant (used in this thesis) in order to develop the slurries (0.1% concentration of the mixing water), and the second, as the upper limit, the concentration usually used industrially to stabilize air bubbles in foamed concrete (5%). One of the side effects of using such additive, was the modification of the aerogel particles, by changing their behavior in respect to water, generating a partial invasion of the aerogel’s porous structure, by the mixing water. This behavior produces a very important increase in water/binder ratios, affecting the crystal habit and negatively influencing the mechanical properties of the gypsum matrix. This effect further increased when a higher concentration of surfactant (5%) is used. Regarding final materials properties, it was possible to achieve an ultra-lightweight mineral composite (200 kg/m3), with around 60% by volume of aerogel, presenting a very high insulating capacity (0.028 W/m•K), a noticeable lower thermal conductivity compared to the insulating mortars and traditional thermal insulating panels on the market, such as mineral wool or EPS; however, the limiting factor for future’s material application in buildings, is related to the very low mechanical properties achieved. Among the main factors related to the mechanical properties, it has been found an exponential correlation to the volume of gypsum in the composite. However, second-order factors such as the degree of hydration, or a better distribution of the binder between the aerogel particles, due to the increased surface area of the mineral powder, can increase the mechanical properties between two to three times, depending aerogel volume involved. In addition, it was found that the aerogel, together with the surfactant, is able to entrain a large amount of air volume (around 0.70 m3 per m3 of aerogel), which together with the evaporated water (not consumed by the binder during hydration), can reach generally around 40% of entrained air within the gypsum matrix, regardless of the amount of aerogel in the mixture. Thus, the entrained air into the matrix displaces the volume proportions of the aerogel and gypsum, reducing both mechanical and insulating properties of the mineral composite. On the other hand, it has been observed a direct contribution of three main phases into the thermal conductivity of the composite: gypsum, aerogel and entrained air. Thus, it was possible to develop a mathematical model (adapted from an existing one), capable of calculating quite accurate the thermal conductivity of such mineral composites, from the ratio these three components and for the range of volumes and materials used in this thesis. Finally, the energy simulation performed to a typical Spanish dwelling, from the years 1900 to 1959 (mainly constructed with massive clay bricks), within three climatic zones of Spain (A, D and E), showed the energy savings potential that can provide this type of insulating material, depending on the thickness of the applied layer. Particularly, for the climatic A zone, it has been found an optimal layer thickness of 1 cm, while for zone D and E, 3.5 and 3.9 cm respectively. In this manner, the new studied materials is capable of decreasing the thickness of the insulating layer by 35% and 80%, compared with rock wool panels or mineral mortars with the highest insulating performance of the Spanish market respectively.

Caracterización mecánica de morteros de cemento Portland con breas de petróleo y de alquitrán de carbón

En este artículo se presentan datos experimentales de resistencia a flexión y a compresión de morteros de cemento Portland con adición y sustitución de breas de petróleo y de alquitrán de carbón, que son subproductos de la industria del carbón o del petróleo. Los materiales estudiados son breas de alquitrán de carbón A (BACA) y B (BACB), y dos breas de petróleo (BPP) y (BPT). Los datos demuestran la viabilidad del uso de estas breas en la fabricación de morteros con menores contenidos de cemento, permitiendo diseñar un nuevo material sostenible con el medio ambiente y que contribuya a reducir el impacto ambiental de los materiales de construcción, hecho que permite abrir una nueva vía de valorización de estos subproductos.

Caracterización de vidrios para la evaluación del aislamiento acústico a ruido aéreo

La principal aportación del trabajo es la formulación de una alternativa que facilita la determinación experimental del factor de pérdidas y, en consecuencia, mejorar las predicciones de aislamiento a ruido aéreo para vidrios con una o más capas intermedias sea cual fuere su naturaleza. Además, se realiza una revisión de las normativas relacionadas con los ensayos de los parámetros mecánicos necesarios para la caracterizar los vidrios, centrándonos en los monolíticos y los laminados. En efecto, uno de los problemas que se plantea en el contexto de la acústica de la edificación actualmente es el de cumplir con los requisitos de aislamiento acústico a ruido aéreo en fachada que exige el vigente Código Técnico de la Edificación (CTE). Como sabemos, en la fachada podemos distinguir la parte ciega y la parte hueca. La parte más débil en lo concerniente a aislamiento a ruido aéreo es la hueca (compuesta por el vidrio, carpintería y otros elementos). Si la carpintería es la adecuada, la superficie de vidrio se convierte en el elemento limitante. El Catálogo de Elementos Constructivos (CEC) del CTE, la propia norma UNE-EN 12758:2011, así como algunos, cada vez más, fabricantes ofrecen datos del aislamiento de vidrios simples, vidrios laminados y vidrios dobles. En el caso de vidrios laminados, estos datos se limitan únicamente en los que tienen un sola lámina intermedia y, además, no acústicos. Podemos hablar, por tanto, de una laguna de información en este sentido. Para obtener predicciones fiables de aislamiento acústico a ruido aéreo de particiones multicapa, como pueden ser los vidrios laminados es necesario disponer de las características mecánicas y una de las más relevantes es el factor de pérdidas.

Estudio de los mecanismos de inestabilidad en taludes y laderas del Flysch carbonatado de Alicante

Este trabajo de investigación, centrado en el Flysch carbonatado de Alicante, tiene como objetivos principales caracterizar los mecanismos de inestabilidad que afectan a los taludes de estas formaciones carbonatas heterogéneas, evaluar las medidas correctivas implementadas, y por último, caracterizar comportamiento diferencial frente a la degradación ambiental de las diferentes litologías aflorantes. Para ello, se ha realizado un extenso inventario de 194 taludes, permitiendo generar una base de datos que incluye las litologías, su competencia y la posición relativa entre ellas, las relaciones geométricas entre talud y estratificación y los mecanismos de inestabilidad asociados. También se han inventariado las medidas correctivas observadas y la valoración de su efectividad, ligadas al tipo de afloramiento y sus inestabilidades asociadas. Asimismo, se ha caracterizado el comportamiento frente al slaking de la roca matriz a través de cinco ciclos de slake, basado en los índices Id1, Id5, y en el Index of Weathering propuesto (IW5). Estos parámetros, junto con la identificación litológica y las propiedades mecánicas de las litologías representativas de la zona de estudio han permitido caracterizar su comportamiento frente a la degradación ambiental, que además ha sido relacionado con los patrones, longitudes y tasas de degradación observados in situ. Como resultado de lo anteriormente expuesto, este trabajo proporciona unas nuevas herramientas básicas, que pueden utilizarse fácilmente en fases de anteproyecto, para conocer los mecanismos de inestabilidad, el comportamiento frente a la degradación ambiental, así como recomendar las medidas correctivas adecuadas en estos taludes, u otros de características similares.

Efecto de la adición de biosólido (seco) a una pasta cerámica sobre la resistencia mecánica de ladrillos

Se adicionó biosólido como componente de una pasta cerámica para la fabricación de ladrillos. Se caracterizaron las materias primas (arcilla y biosólido) en cuanto a composición química, fases mineralógicas, comportamiento térmico y características físicas. Se fabricaron ladrillos con hasta un 15 % de inclusión de biosólido en estado seco, de dimensiones estándar según Norma Técnica Colombiana (NTC) 296 y cocidos a temperaturas de 950 °C, 1000 °C y 1050 °C. Se realizaron pruebas de resistencia a la compresión bajo los lineamientos de la NTC 4017, con el fin de evaluar el efecto que sobre esta propiedad tiene la cantidad porcentual de adición del biosólido. Desde el punto de vista ambiental se evaluó la inocuidad de los metales presentes en el biosólido, desarrollando la prueba Toxicity Characteristic Leaching Procedure (TCLP) en ladrillos fabricados con adición del residuo.

Comportamiento de alambres de una aleación de aluminio 5154A durante la deformación en frío

Los procesos en los que se involucra la deformación plástica en la industria de los metales son usados para la fabricación en masa de productos. Una de las metas mas ambiciosas de la industria es la de validar la teoría de la deformación de los materiales con el objetivo de controlar los factores que afectan el comportamiento del material sometido a deformación para asegurar sus propiedades mecánicas, para implementar los mas eficientes métodos de producción y sobre todo, para obtener productos de alta calidad. Por todo esto, la presente investigación es una aproximación experimental que busca describir el comportamiento de un alambrón de sección circular de aluminio 5154A sometida a deformación en frío hasta obtener una cinta. Las características y propiedades deseadas de dicha cinta incluyen las dimensiones 0.381mm de espesor y 9.54mm de ancho; una resistencia mecánica entre 260-300 MPa y un valor mínimo de deformación de 7.8%. La aplicación final de la cinta será la de blindaje de cables eléctricos. El proceso de laminación se llevó a cabo sobre dos alambrones de diferente diámetro inicial. Se usó un molino dúo en ambos casos. Para el alambrón de 9.5mm de diámetro inicial, se realizaron 9 pases hasta obtener una cinta de 0.38mm de espesor con recocidos parciales intercalados entre los pases de laminación. Para el alambre de 5.12mm de diámetro se realizó una serie de cinco pases para obtener la cinta. El recocido de la cinta final se hizo hasta después del último pase de laminación. Se estudió la velocidad de giro de los molinos durante el proceso de laminación. Esta variable tuvo una influencia casi nula en el comportamiento de deformación aunque al mismo tiempo fue posible determinar un valor máximo sugerido para evitar el agrietamiento del alambre a deformar, esto es, una velocidad de 0.20 m/s. El análisis de la evolución microestructural se realizó por microscopía óptica con la cual se pudo evidenciar el cambio en la morfología de los granos debido a la deformación. Los ensayos de tensión se usaron para determinar las propiedades mecánicas; éstos se hicieron para el conjunto de muestras obtenidas de la laminación tanto del alambrón de 9.5 mm de diámetro como en el de 5.12mm. Las propiedades finales de la cinta dependen principalmente del tiempo de recocido. En menor medida, el orden en que se intercalaron los recocidos parciales, también tuvo afectación en las propiedades finales. La técnica de difracción de electrones retrodispersados se usó para el análisis de la textura del material sometido a diferentes porcentajes de reducción, es decir, 14, 34 y 58 %. Con esta deformación no fue posible determinar si existe una orientación que se pueda considerar preferencial. Sin embargo, fue posible identificar la presencia de las componentes que forman la fibra b, las cuales son las componentes Cúbica, Cobre, Goss, Latón y S. La intensidad de dichas componentes se ve afectada por el grado de deformación.

Mechanical behavior of rock joints: influence of joint roughness on its closure and shear behavior

En esta tesis se estudia la fricción en juntas rocosas utilizando el Método de Elementos Discretos (DEM). En particular, se estudia la influencia de la rugosidad de las superficies de la junta, la elasticidad, la fractura, y el nivel de carga de compresión sobre el comportamiento de cierre y de cizalla de las juntas rocosas. Por primera vez la rugosidad de las juntas considerada como auto-afín es utilizada para estudiar la fricción de juntas rocosas, la rugosidad se describe mediante tres parámetros: el exponente de rugosidad, la longitud de correlación auto-afín y la varianza de alturas. Mediante un algoritmo de computadora basado en métodos espectrales, ocho superficies autoafines isotrópicas con diferente rugosidad fueron creadas. Posteriormente, las ocho superficies fueron utilizadas como moldes para generar las juntas utilizando elementos discretos. Antes de realizar las simulaciones de compresión y cizallaura, se calibraron las propiedades elásticas y de fractura (criterio de fractura elíptico basado en esfuerzos) de las juntas numéricas a los datos experimentales (obtenidos previamente) de unas muestras de mortero mediante la utilización de un volumen elemental representativo (REV). Una vez que las propiedades mecánicas de las juntas se obtuvieron mediante la calibración del REV, se realizaron las pruebas de cierre (prueba de compresión) de las ocho juntas DEM. Se utilizaron dos niveles de esfuerzo de compresión para las pruebas de cierre: 14 MPa y 21 MPa. Después, las ocho juntas DEM fueron cizalladas en dos direcciones mutuamente perpendiculares. Para cada dirección de cizalla y cada nivel de esfuerzo de compresión (14 y 21 MPa), las juntas fueron cizalladas usando uno de los tres modelos mecánicos siguientes: 1) un modelo rígido, en el que las juntas no se pueden deformar, excepto en su superficie, 2) un modelo puramente elástico, en el que las juntas se pueden deformar en todo su volumen y 3) un modelo elástico con fractura en el que las juntas se pueden deformar en su volumen y, si el esfuerzo sobre las uniones entre partículas excede cierto nivel de esfuerzo máximo, las uniones se rompen de una manera irreversible. El uso de estos tres modelos mecánicos nos permitirá estudiar de manera sistemática: la influencia de la rugosidad (modelo rígido), la influencia de la elasticidad y rugosidad (modelo puramente elástico) y, finalmente, el efecto combinado de la rugosidad de las juntas, la elasticidad y la fractura (modelo elástico con fractura). El estudio de los resultados obtenidos de las simulaciones DEM es seguido por una análisis energético el cual permite estudiar la evolución de los diferentes tipos de energía en función del desplazamiento de cizalla: energía elástica almacenada en el sistema, energía de fricción entre elementos discretos, el trabajo relacionado con la dilatación de la junta y la energía disipada por el amortiguamiento interno del DEM.

Synthesis and characterization of biodegradable thermoplastic elastomers for medical applications: Novel copolyesters as an alternative to polylactide and poly (e-caprolactone)

421 p.

Desarrollo de piezas de gran formato en la Ladrillera San Cristóbal y medición de sus impactos ambientales mediante la metodología de Análisis de Ciclo de Vida

En el presente trabajo se pretende evidenciar el proceso de desarrollo de una pieza de arcilla cocida de gran formato en las instalaciones de la planta de Itagüí de la Ladrillera San Cristóbal S.A. y posteriormente analizar, a través de la metodología del Análisis de ciclo de vida, los resultados de la medición de los impactos ambientales al construir un metro cuadrado de muro no estructural empleando dicha pieza -- Y compararlos, finalmente, con los efectos provocados por un ladrillo convencional de medidas nominales (10 cm x 20 cm x 40 cm), el cual se usa con mayor frecuencia en la mampostería no estructural en Antioquia -- El proceso de fabricación de una pieza de cerámica roja comprende las siguientes etapas: extracción minera, preparación de materias primas, moldeo, secado y cocción -- Para el desarrollo de la pieza cerámica se tomaron materias primas de varios de los títulos mineros de la empresa, haciendo siempre énfasis en aquellos que estuvieran más próximos al centro de producción -- Con ellas, se formuló una pasta cerámica que presentó el mejor comportamiento en cada una de las etapas críticas del proceso y condujo a lograr las mejores propiedades cerámicas y mecánicas de la pieza desarrollada -- Inicialmente, la pasta cerámica se acondicionó en los molinos del laboratorio, consecutivamente fue llevada a producción industrial una cantidad de 30 toneladas que procedió con la realización de los lotes en diferentes oportunidades -- La conformación de la pieza se efectuó con un molde “boquilla” que fue planteado con el equipo de diseño de la empresa y el personal de mantenimiento que la fabricó -- Posteriormente, se proyectaron ensayos de secado a diferentes piezas, para lograr simular los valores obtenidos de la pasta cerámica desarrollada a escala de laboratorio -- De esta manera, se pudo secar la pieza en un periodo inferior a las 24 horas, el tiempo aproximado que requiere la línea de producción sin ser afectada en el proceso continuo que funciona los siete días de la semana -- En caso de tener que someter la pieza a secados más extensos, el proyecto se vería perjudicado en su viabilidad -- En el horno se emplearon dos curvas de cocción de las piezas secas, debido a que inicialmente la pasta cerámica desarrollada en el laboratorio fue sometida a temperaturas entre 900 y 1000 grados centígrados -- En este rango se lograron valores de absorción de agua inferiores al 16% y una buena estabilidad del material a la quema, lo cual condujo a una aceptación de los obtenidos en cuanto a resistencia a la compresión de las piezas se refiere -- El Análisis de ciclo de vida realizado para comparar los impactos ambientales de un ladrillo tradicional versus una pieza de gran formato utilizando las metodologías de análisis de los inventarios de ciclo de vida Ecoindicador99, CML2001 Y ReciPe reforzó la hipótesis de que la principal reducción de los impactos de un tipo de ladrillo a otro se encuentra asociada a la etapa de manufactura y uso del producto -- En esa medida, se evidenció que los consumos de materiales y energía de una pieza de gran formato son menores que los de un ladrillo tradicional a lo largo de todo el ciclo de vida

Viabilidad de la aplicación de materiales reciclados y cenizas de biomasa en la fabricación de materiales tratados con cemento

La presente Tesis Doctoral es una contribución al conocimiento y la investigación sobre el uso de áridos reciclados y cenizas de fondo procedentes de la combustión de biomasa para su uso en ingeniería civil. El interés en el uso de áridos reciclados procedentes de residuos de construcción y demolición (RCD) están en continuo crecimiento debido a su potencial frente a diversos usos, entre ellos como material tratado con cemento para capas estructurales de carretera. Por otro lado, la producción de energía eléctrica a partir de centrales termoeléctricas que emplean biomasa como combustible, origina principalmente dos residuos: Cenizas de fondo (CF) formadas por el material total o parcialmente quemado y cenizas volantes (CV), partículas arrastradas por la corriente de gases al exterior de la cámara de combustión. En el desarrollo de este trabajo, se evaluó en una primera etapa, el comportamiento físico, químico y mecánico de diferentes mezclas de materiales granulares reciclados tratados con cemento, con diferentes contenidos de sulfato y de esta manera poder establecer protocolos de aplicación en la fabricación de suelocemento. Posteriormente, se analizo la viabilidad técnica de las cenizas de fondo de biomasa de varias plantas de energía andaluzas y de esta manera, evaluar su potencial uso en obras de infraestructura civil. Se determinó que las cenizas de fondo biomasa poseen propiedades aceptables para ser utilizados como un material de relleno en el núcleo de terraplenes de carreteras de más de 5 m en altura sin medidas de precaución adicionales. Por último, se estudio la posibilidad de incorporar, en proporciones determinadas, cenizas de fondo de biomasa en diferentes mezclas con árido natural y árido reciclado para su uso en ingeniería civil, concretamente como suelocemento para base y subbase de carreteras. El análisis de las propiedades mecánicas fue muy positivo. Las características físicas, químicas y mecánicas han sido estudiadas de acuerdo a la normativa vigente, y los parámetros han sido comparados con las especificaciones técnicas impuestas por la regulación española. La concepción del residuo como recurso para incorporarlo de nuevo al sistema productivo es un reto clave y una obligación y la principal motivación para el desarrollo de la presente Tesis Doctoral. Por ello, la correcta gestión de estos subproductos industriales, es esencial para evitar los impactos negativos sobre los ecosistemas, la biodiversidad y la salud humana, sin olvidar el beneficio económico que supone esta práctica.

Design of functional hybrid coatings with anti-biofouling, self-cleaning and anti-reflecting applications

263 p.

Fabricación y caracterización físico-mecánica de biocomposites reforzados con fibras naturales. Aplicaciones en el sector náutico.

156 p.