Estudio del comportamiento mecánico y en fractura de un hormigón autocompactante con fibras de poliolefina

El uso de hormigón autocompactante se ha convertido en algo habitual desde su aparición a finales de la década de los 80 gracias a la reducción de costes de mano de obra, la buena calidad del acabado superficial y su uso en piezas fuertemente armadas. Por otro lado, los hormigones reforzados con fibras aportan una mejora en las propiedades mecánicas que puede permitir la reducción de armados y, en general, mejorar la respuesta del material ante todo tipo de solicitaciones, especialmente de tracción. En este trabajo se ha estudiado el comportamiento mecánico de un hormigón autocompactante con fibras de poliolefina. Se han obtenido resultados de caracterización mecánica y de fractura de un hormigón autocompactante de referencia sin fibras y de tres dosificaciones con fibras desde 3 kg/m³ hasta 6 kg/m³. Estos resultados han proporcionado un notable incremento en los valores de resistencia post-fisuración y de energía de fractura sin perjuicio de sus propiedades autocompactantes en estado fresco. Since the development of the first Self-Compacting Concrete in the late 80’s, its use has become widespread due to the reduction of the labor costs, the good finishing quality and the achieving of the necessary fluidity for congested reinforced pieces. Furthermore, Fiber Reinforced Concrete provides improvements of the mechanical properties which may even permit the reduction of the reinforcement. The mechanical behavior of a Self-Compacting Concrete with polyolefin fibers has been explored in this research. Results for mechanical properties and for fracture and post-cracking toughness have been obtained. The experimental campaign has been performed for a plain Self-Compacting Concrete and for three different fiber dosages from 3 kg/m³ to 6 kg/m³. These results show a significant enhancement of the post-cracking strength and the fracture energy without harming in the concrete self-compacting properties in fresh state.

Cálculo de la recarga natural en grandes áreas, en función de la litología y la precipitación = Calculation of natural recharge in large areas, as a function of lithology and rainfall

En una región amplia como España se demuestra —mediante inferencias estadísticas sobre una muestra completa de 875 manantiales en los que se conoce su caudal medio y la litología de su área de alimentación y que han sido agrupados en regiones de distinta pluviometría— que la recarga media anual es una fracción fija de la precipitación media para cada litología. Se han establecido así unas tasas de recarga respecto de la precipitación para seis grupos litológicos de diferente permeabilidad: arenas, gravas y formaciones aluviales en general, 8.3%; conglomerados, 5.6%; areniscas, 7.3%; calizas y dolomías, 34.3%; margas, margocalizas, limos y arcillas, 3.3%; otras rocas, 1.3%. Teniendo en cuenta la representatividad de España, la cual tiene una gran variabilidad de litología, pluviometría, topografía, etcétera, estas tasas de recarga respecto de la precipita-ción son probablemente valores cuasi universales que pueden ser utilizados para estimar la recarga media o los recursos hídricos subterráneos medios de regiones amplias en cualquier parte del mundo, salvo en regiones especiales, como las que tienen permafrost, por ejemplo. En todo caso, estas tasas de recarga podrían ser retocadas para cada región según sus particulares características. Los datos de precipitación y litología son muy corrientes, por lo que el método puede ser ampliamente utilizado para completar balances hidráulicos.In a region as large as Spain, annual mean recharge is shown to be a fixed proportion of the mean rainfall for each lithology. This determination is based on statistical inferences from a complete sample of 875 springs for which mean flow and catchment areas are known and which have been grouped into distinct rainfall regions. Recharge rates have thus been established with respect to rainfall for six lithological groups with different permeability: sands, gravels and generally alluvial formations, 8.3%; conglomerates, 5.6%; sandstones, 7.3%; limestone and dolomite 34.3%; marls, marly limestones, silts and clays, 3.3%; and hard rocks, 1.3%. Considering the representativeness of Spain, which is large in size and has a highly varied lithology, topography and rainfall, these recharge rates for rainfall are probably quasi-universal values that can be used to estimate average recharge or average groundwater resources of large regions in any part of the world (except in special cases such as areas with permafrost, for example). For any case, these recharge rates can be adapted to each region according to its particular characteristics. Rainfall and lithology data are very common, and so the method can be widely used to calculate hydraulic balances.

Posible interrupción de la autovía GC-2 (Gran Canaria) por deslizamientos y desprendimientos rocosos: análisis de estabilidad del acantilado de el Rincón

En este trabajo se han identificado los deslizamientos y desprendimientos que se pueden desarrollar en el acantilado de El Rincón (Gran Canaria) y sus repercusiones sobre la Autovía GC-2, en la base del acantilado. El análisis de estabilidad realizado para las condiciones actuales indica que la ladera es estable. El análisis a largo plazo considera el sustrato saturado en agua y se limita a los dos bloques rocosos más susceptibles de experimentar deslizamiento: uno a media ladera y otro en coronación. El deslizamiento del bloque de coronación parece más probable ya que sólo requiere la saturación de los piroclastos y está favorecido por la progresiva apertura de la grieta subvertical. Por último, la evaluación de los desprendimientos rocosos que afectan al acantilado indica que los bloques no alcanzarían la calzada de la autovía GC-2; sino que se acumularían en los conos de deyección presentes al pie de la ladera.

Energía de fractura de morteros de cemento reforzados con fibras de vidrio (GRC)

En este trabajo se presenta el estudio de la energía de fractura de dos tipos de morteros de cemento reforzados con fibras de vidrio (GRC). El primer tipo es un GRC normal y en el segundo se ha realizado una adición de un 25% en peso de cemento de metacaolín de alta reactividad. El estudio de la energía de fractura de este tipo de material es de especial relevancia puesto que las normas que rigen su utilización no proporcionan datos sobre esta propiedad del material. Para solventar estos problemas se ha planteado una modificación de la recomendación RILEM TC-187-SOC. Se han modificado las dimensiones de las probetas y se han adaptado el resto de características. Los ensayos han mostrado como el GRC de control y el GRC con metacaolín tienen respectivamente una energía de 455 N/m y 1824 N/m.This work presents the evaluation of the fracture energy of two types of glass fiber reinforced cement (GRC). The first type of GRC had a normal composition and the second type had a 25% of the cement weight metakaolin addition. This metakaolin had high reactivity. The study of the fracture energy in GRC is essential due to the lack of data about this mechanical property. Also the usual test method recommendations of this material do not provide any mean to obtain it. To solve these problems a modification of recommendation RILEM TC-187-SOC has been performed. Sample geometry has been modified to adapt it to GRC while the rest of the test parameters were maintained. Tests results showed that GRC without additions has a fracture energy of 455 N/m and GRC with 25% metakaolin addition has a fracture energy of 1824 N/m.

Estudio de la permeabilidad en hormigones precomprimidos y su afección a la durabilidad

En su vida en servicio las estructuras deben tener capacidad para soportar el ambiente de exposición en el que se encuentran, garantizando su durabilidad en la vida útil para la que han sido proyectadas. En el caso del hormigón armado la perdida de la durabilidad se produce por acciones que pueden degradar las características del hormigón o de las armaduras. La ocurrencia de acciones extraordinarias no consideradas en el dimensionamiento puede provocar la aparición de solicitaciones en el hormigón que originan valores tensionales que aún siendo inferiores a los resistentes, y por tanto no suponiendo a priori un riesgo en su seguridad estructural, pueden producir procesos de microfisuración del hormigón que aumentan la permeabilidad a los agentes externos reduciendo la durabilidad de la estructura. En el presente trabajo se describen los resultados de la investigación realizada para el estudio de la evolución de la permeabilidad del hormigón en diferentes procesos de compresión previa, en base al ensayo de penetración de agua. Para ello se ha realizado un plan experimental de ensayos sobre hormigones los cuales son previamente comprimidos a diferentes niveles de tensión, y a continuación se ensayan a permeabilidad. Asimismo, con el fin de investigar la influencia de la microfisuración inducida por el cansancio del hormigón sobre la permeabilidad, la carga de compresión aplicada es mantenida en los niveles establecidos durante distintos plazos de tiempo. De los resultados obtenidos se deduce que la aplicación de compresiones previas en el hormigón en valores inferiores a los resistentes en rotura, provoca procesos de microfisuración en el hormigón que aumentan su permeabilidad y por tanto pueden dejar a la estructura fuera de servicio por el incumplimiento del estado límite de durabilidad.

Reconocimiento geológico y métodos de estabilización de taludes rocosos en formaciones volcánicas del sur de Gran Canaria y Fuerteventura, Islas Canarias.

El relieve natural de las islas volcánicas montañosas tiene profundos barrancos taludes rocosos de pronunciadas pendientes y elevados acantilados costeros. Las formaciones geológicas de origen volcánico incluyen materiales rocosos y suelos muy heterogéneos en cuanto a su disposición espacial y comportamiento geomecánico. Además, en las zonas del sur de Gran Canaria y Fuerteventura, con frecuencia las construcciones civiles y de edificación muestran altos taludes practicados en el terreno y, como resultado en diversos puntos se ven afectados por desprendimientos de rocas y deslizamientos En el presente trabajo se muestran dos casos de estudio: 1) Estudio del riesgo de desprendimientos de rocas y métodos de estabilización aplicados en el talud de Los Teques, T.M. de Mogán, sur de Gran Canaria, y 2) Estudio geológico-geotécnico para el proyecto de construcción del paseo peatonal en el acantilado costero de Morro Jable T.M. de Pájara, sur de Fuerteventura. La variación espacial de las formaciones volcamcas, su grado de soldadura y alteración variables y la dificultad de establecer familias de fracturas características, han hecho que los métodos clásicos de clasificación geomecanica resultaran poco eficaces. En estos casos, el reconocimiento geológico detallado y una estimación del comportamiento geomecánico de los materiales ha sido el método empleado para definir y evaluar las zonas inestables en los taludes y para establecer los métodos de estabilización más convenientes.

Importancia de la presencia de niveles con caolín en la estabilidad y drenaje de taludes: el caso de un desmonte de la autovía A-52 de Orense a Pontevedra

La presencia de niveles de caolín rellenando las diaclasas y en zonas alteradas de la parte superior de macizos constituidos por terrenos metamórficos y graníticos en Galicia, tiene una considerable importancia en la práctica ingenieril para afrontar los proyectos de estabilidad, drenaje y diseño en los taludes de las autovías y carreteras. A partir de las observaciones de campo y reconocimientos geológicos efectuados durante la excavación de varios desmontes de la autovía A-52, de Ourense a Pontevedra, se han podido clasificar las diferentes formas en las que se distribuye este tipo de arcilla y definir en qué manera condiciona el drenaje y la estabilidad de los taludes.

Interpretación de los datos de auscultación de presas por métodos no convencionales

Las conferencias presentadas durante la Jornada Técnica sobre Avances en investigación aplicada en seguridad hidráulica de presas organizada por el Centro de Estudios Hidrográficos del CEDEX y la Universidad Politécnica de Madrid el mes de junio de 2013 versan sobre la mejora de la seguridad hidráulica de las presas, una materia de especial importancia en nuestro país (habida cuenta del elevado número de infraestructuras de regulación en servicio y de su antigüedad media) y constituye una tarea en la que tanto el CEDEX como la Universidad Politécnica de Madrid han trabajado activamente en los últimos años. Todo profesional familiarizado con las presas conoce la dificultad de analizar su comportamiento, a veces sorprendente, con el grado de aproximación deseado. Esta dificultad emana de la complejidad de todos los elementos que afectan al modo en que la presa y el terreno de apoyo responden a las solicitaciones, y también a la complejidad de las propias solicitaciones. Muchas de las características del conjunto presa-terreno escapan a las posibilidades de modelación mediante los modelos disponibles de base teórica.

Modelación física y numérica de aliviaderos con cajeros altamente convergentes

Presentación de las conclusiones del proyecto de investigación ALCON. La publicación del Reglamento Técnico sobre seguridad de Presas y Embalses en el año 1996 ha generado la necesidad de adaptar muchas de las presas en explotación en España para cumplir esta nueva normativa, debiendo ampliar gran parte de ellas su capacidad de desagüe y también aumentar los resguardos. Muchas de las presas españolas se encuentran aún en proceso de adaptación a los nuevos criterios debido en ocasiones a que la ampliación del aliviadero existente es muy costosa o plantea dificultades técnicas importantes. Por esta razón, en los últimos años se han desarrollado nuevas tipologías de aliviaderos, capaces de satisfacer las necesidades planteadas. Una de estas soluciones innovadoras son los aliviaderos con cajeros altamente convergentes. Esta tipología, adecuada para presas de gravedad de hormigón, tiene la particularidad de que la longitud del vertedero es sensiblemente mayor que el ancho del cuenco amortiguador. Para conducir el caudal vertido al cuenco, se disponen unos cajeros con fuerte convergencia. Si bien este tipo de aliviaderos puede plantearse en presas de nueva construcción, la ampliación de capacidad de presas existentes mediante esta tipología resulta sencilla.Desde el punto de vista de la explotación hidroeléctrica, la ampliación de capacidad conseguida con esta tipología permite aumentar la cota del nivel máximo normal (NMN) gracias a la reducción de la altura de lámina vertiente, manteniendo los resguardos exigidos por la normativa. Ello se traduce en un incremento considerable de la capacidad de generación hidroeléctrica, aumentando tanto la altura del salto como el volumen embalsado. Los aliviaderos con cajeros altamente convergentes ya han sido utilizados en varias presas tanto en España como en el resto del mundo. Sin embargo no existen referencias con criterios de diseño de carácter general para esta tipología, por lo que se hace necesario a la hora de proyectar un aliviadero de este tipo realizar ensayos en modelo físico específicos en cada caso. Con el objetivo desarrollar una metodología para el cálculo hidráulico y proyecto de este tipo de aliviaderos se está llevando a cabo el proyecto ALCON, incluido en el Plan Nacional de Investigación Científica del Ministerio de Economía y Competitividad, en el que participan ALATEC, UPM Y CIMNE. En el proyecto se combinan la modelación física y numérica para alcanzar los objetivos planteados.

Inestabilidad de pórticos planos metálicos de edificación con inclusión de la flexibilidad de las uniones y elementos no prismáticos : un enfoque para la optimización

En esta tesis se aborda el problema de la modelización, análisis y optimización de pórticos metálicos planos de edificación frente a los estados límites último y de servicio. El objetivo general es presentar una técnica secuencial ordenada de optimización discreta para obtener el coste mínimo de pórticos metálicos planos de edificación, teniendo en cuenta las especificaciones del EC-3, incorporando las uniones semirrígidas y elementos no prismáticos en el proceso de diseño. Asimismo se persigue valorar su grado de influencia sobre el diseño final. El horizonte es extraer conclusiones prácticas que puedan ser de utilidad y aplicación simple para el proyecto de estructuras metálicas. La cantidad de publicaciones técnicas y científicas sobre la respuesta estructural de entramados metálicos es inmensa; por ello se ha hecho un esfuerzo intenso en recopilar el estado actual del conocimiento, sobre las líneas y necesidades actuales de investigación. Se ha recabado información sobre los métodos modernos de cálculo y diseño, sobre los factores que influyen sobre la respuesta estructural, sobre técnicas de modelización y de optimización, al amparo de las indicaciones que algunas normativas actuales ofrecen sobre el tema. En esta tesis se ha desarrollado un procedimiento de modelización apoyado en el método de los elementos finitos implementado en el entorno MatLab; se han incluido aspectos claves tales como el comportamiento de segundo orden, la comprobación ante inestabilidad y la búsqueda del óptimo del coste de la estructura frente a estados límites, teniendo en cuenta las especificaciones del EC-3. También se ha modelizado la flexibilidad de las uniones y se ha analizado su influencia en la respuesta de la estructura y en el peso y coste final de la misma. Se han ejecutado algunos ejemplos de aplicación y se ha contrastado la validez del modelo con resultados de algunas estructuras ya analizadas en referencias técnicas conocidas. Se han extraído conclusiones sobre el proceso de modelización y de análisis, sobre la repercusión de la flexibilidad de las uniones en la respuesta de la estructura. El propósito es extraer conclusiones útiles para la etapa de proyecto. Una de las principales aportaciones del trabajo en su enfoque de optimización es la incorporación de una formulación de elementos no prismáticos con uniones semirrígidas en sus extremos. Se ha deducido una matriz de rigidez elástica para dichos elementos. Se ha comprobado su validez para abordar el análisis no lineal; para ello se han comparado los resultados con otros obtenidos tras aplicar otra matriz deducida analíticamente existente en la literatura y también mediante el software comercial SAP2000. Otra de las aportaciones de esta tesis es el desarrollo de un método de optimización del coste de pórticos metálicos planos de edificación en el que se tienen en cuenta aspectos tales como las imperfecciones, la posibilidad de incorporar elementos no prismáticos y la caracterización de las uniones semirrígidas, valorando la influencia de su flexibilidad sobre la respuesta de la estructura. Así, se han realizado estudios paramétricos para valorar la sensibilidad y estabilidad de las soluciones obtenidas, así como rangos de validez de las conclusiones obtenidas. This thesis deals with the problems of modelling, analysis and optimization of plane steel frames with regard to ultimate and serviceability limit states. The objective of this work is to present an organized sequential technique of discrete optimization for achieving the minimum cost of plane steel frames, taking into consideration the EC-3 specifications as well as including effects of the semi-rigid joints and non-prismatic elements in the design process. Likewise, an estimate of their influence on the final design is an aim of this work. The final objective is to draw practical conclusions which can be handful and easily applicable for a steel-structure project. An enormous amount of technical and scientific publications regarding steel frames is currently available, thus making the achievement of a comprehensive and updated knowledge a considerably hard task. In this work, a large variety of information has been gathered and classified, especially that related to current research lines and needs. Thus, the literature collected encompasses references related to state-of-the-art design methods, factors influencing the structural response, modelling and optimization techniques, as well as calculation and updated guidelines of some steel Design Codes about the subject. In this work a modelling procedure based on the finite element implemented within the MatLab programming environment has been performed. Several keys aspects have been included, such as second order behaviour, the safety assessment against structural instability and the search for an optimal cost considering the limit states according to EC-3 specifications. The flexibility of joints has been taken into account in the procedure hereby presented; its effects on the structural response, on the optimum weight and on the final cost have also been analysed. In order to confirm the validity and adequacy of this procedure, some application examples have been carried out. The results obtained were compared with those available from other authors. Several conclusions about the procedure that comprises modelling, analysis and design stages, as well as the effect of the flexibility of connections on the structural response have been drawn. The purpose is to point out some guidelines for the early stages of a project. One of the contributions of this thesis is an attempt for optimizing plane steel frames in which both non-prismatic beam-column-type elements and semi-rigid connections have been considered. Thus, an elastic stiffness matrix has been derived. Its validity has been tested through comparing its accuracy with other analytically-obtained matrices available in the literature, and with results obtained by the commercial software SAP2000. Another achievement of this work is the development of a method for cost optimization of plane steel building frames in which some relevant aspects have been taken in consideration. These encompass geometric imperfections, non-prismatic beam elements and the numerical characterization of semi-rigid connections, evaluating the effect of its flexibility on the structural response. Hence, some parametric analyses have been performed in order to assess the sensitivity, the stability of the outcomes and their range of applicability as well.

Puentes de fábrica romanos y medievales en la provincia de Cáceres

Mediante la presente tesis doctoral se pretende realizar un estudio sobre los puentes arco de fábrica, de época romana y medieval, existentes a lo largo y ancho de la provincia de Cáceres. Se trata, por tanto, de un periodo histórico que ocupa mil quinientos años desde el siglo I hasta el siglo XV1. Son más de medio centenar los ejemplos que hay de puentes de fábrica en este periodo de tiempo, pero hasta la fecha no se ha realizado ningún estudio sobre ellos que los analice de un modo global. El primer objetivo de esta tesis doctoral es la identificación de estos puentes, tarea nada fácil pues en la mayoría de los casos se carece de información que permita realizar una datación precisa de los mismos. Una vez identificados los puentes se hace un análisis “in situ” de ellos. En la visita de campo se han tomado fotografías de los mismos, se han realizado las mediciones que los medios posibles permitían y se ha efectuado una primera evaluación ingenieril de los puentes, analizando el estado de sus diferentes elementos (bóvedas, pilas, estribos, cimentación, etc.). Posteriormente, a la vista de los datos tomados, se ha realizado un estudio de cada uno de ellos, estudio que es tipológico, histórico, dimensional, de materiales constructivos, patológico y en último término estructural. Así, en cada estructura se ha definido su estado de conservación y las actuaciones que se consideran más importantes para su reparación y mantenimiento. Este punto es siempre un punto sensible pues no siempre una bien intencionada restauración es una buena restauración. Se han dado muchos casos en los que una reparación ha causado un perjuicio mayor que el beneficio que pretendía conseguir. Así, a veces, el empleo de un mortero equivocado en el rejuntado de una fábrica ha producido un ataque químico a los sillares de ésta, originando un claro perjuicio. El segundo objetivo de la tesis ha sido realizar un estudio paramétrico de los puentes. Es éste un estudio de sensibilidades de las diferentes variables que entran en juego en la definición de un puente arco. Se ha pretendido conocer cómo influye la variación de cada uno de estos parámetros en la estabilidad global de la estructura. El estudio paramétrico se ha realizado sobre un puente arco de una sola bóveda, para posteriormente completarlo con el estudio de un puente arco de varias bóvedas. Se ha analizado de qué manera influye en la estabilidad de un puente tanto la variación de cualquiera de las variables geométricas que lo definen como la variación de la propia resistencia de la fábrica que lo forma. Con este estudio se pretende contribuir a la construcción de un cuerpo de conocimiento de estas estructuras, que sume un pequeño grano de arena, a lo mucho ya existente, en el estudio de las mismas. Es sólo desde el conocimiento de estas obras como se puede llegar a una verdadera valoración de las mismas, y esta puesta en valor de las mismas será la que les reporte un mayor cuidado por parte de la sociedad.

Evaluación de parámetros que influyen en el transporte de cloruros en hormigón parcialmente saturado

El deterioro del hormigón debido a la presencia del ion cloruro es causa frecuente de problemas en estructuras localizadas en ambiente marino y alta montaña. Su principal efecto consiste en la despasivación del acero de refuerzo embebido en el hormigón y su consecuente inicio de la corrosión del mismo. El ingreso del ion cloruro al interior del hormigón, está condicionado por una serie de parámetros de origen medioambiental e intrínsecos del hormigón. En función de estos parámetros el ingreso de cloruros en el hormigón puede deberse principalmente a los siguientes mecanismos: difusión y succión capilar. El estudio y evaluación de la resistencia del hormigón frente a cloruros, se ha desarrollado principalmente en condiciones saturadas del hormigón. Lo que ha significado que parámetros de importancia no sean considerados. Debido a esto, distintos procesos que suceden en estructuras reales no han sido identificados y estudiados correctamente. En este trabajo, se diseñó un programa de investigación para evaluar los parámetros que influyen en el transporte cloruros en hormigones no saturados. Para esto se diseñaron tres dosificaciones diferentes de hormigón. En la primera se empleó únicamente cemento portland, para el resto se utilizaron adiciones minerales (humo de sílice y escoria de alto horno). El empleo de adiciones se debió a que tienen un papel importante en la durabilidad de hormigones frente a cloruros. Los hormigones fueron dosificados con una relación agua/material cementício de 0,40 para el hormigón elaborado únicamente con cemento portland y 0,45 para las mezclas con adiciones. Para evaluar las propiedades de los hormigones en estado fresco y endurecido se realizaron ensayos vigentes en las normativas. Con los resultados obtenidos se determinaron parámetros de resistencia mecánica, microestructurales, resistencia al transporte de cloruros e higroscópicos. Una vez caracterizados los hormigones, se diseñó una propuesta experimental para estudiar los principales parámetros presentes en estructuras reales con presencia de cloruros. Tanto la concentración de cloruro como las condiciones ambientales se han variado teniendo como referencia las situaciones reales que podrían producirse en ambientes de alta montaña en la zona centro de España. La propuesta experimental consistió en tratar de evaluar la capacidad de los hormigones al transporte de iones en ambientes de alta montaña con presencia de sales fundentes. Para esto se establecieron 5 fases experimentales donde los principales parámetros ambientales y la presencia de iones agresivos sufrieron variaciones. Al término de cada fase se obtuvieron perfiles de penetración de cloruros en los hormigones y se evaluó la influencia de los parámetros presentes en cada fase. Los resultados experimentales se implementaron en un modelo numérico basado en la teoría de elementos finitos, desarrollado por el grupo de investigación del Departamento de Materiales de Construcción. Para esto fue necesario realizar la calibración y validación del modelo numérico para cada hormigón. El calibrado del modelo precisa de datos químicos y microestructurales de cada hormigón, tales como: capacidad de combinación de cloruros y propiedades difusivas e higroscópicas. Para la validación del modelo numérico se realizaron simulaciones de la propuesta experimental. Los resultados obtenidos se compararon con los valores experimentales. Con el objeto de poder estudiar en mayor profundidad la influencia del grado de saturación del hormigón durante la difusión de cloruros, se llevó a cabo una campaña experimental que consideró distintos grados de saturación en los hormigones. Para esto se establecieron en los hormigones cuatro grados de saturación distintos (50%, 60%, 80% y 100%, aproximadamente), posteriormente se expusieron a cloruro de sodio finamente molido. Una vez transcurrido el tiempo necesario se obtuvieron experimentalmente los perfiles de penetración de cloruros para cada grado de saturación y se calcularon los coeficientes de difusión. Los datos obtenidos durante la campaña experimental han demostrado la influencia positiva que ejercen las adiciones en las mezclas de hormigón. Sus principales ventajas son el refinamiento de la red porosa y el aumento en la capacidad de combinación de cloruros, además de mejorar sus propiedades mecánicas. La porosidad total en las mezclas no presentó grandes cambios, sin embargo, el cambio en la distribución del tamaño de poros es importante en las muestras con adiciones. En especial las fabricadas con humo de sílice. Los coeficientes de difusión y migración de cloruros para las mezclas con adiciones disminuyeron significativamente, igual que los valores de resistividad eléctrica. En los ensayos de penetración del agua bajo presión, fueron las muestras con adiciones las que mostraron las menores penetraciones. Los resultados obtenidos al final de la propuesta experimental permitieron estudiar los distintos parámetros involucrados. Se observó claramente que el proceso de difusión provoca el mayor transporte de cloruros hacia el interior del hormigón. Así mismo se comprobó que el lavado superficial y el secado de las probetas, trasladan cloruros hacia las zonas externas del hormigón. El primero debido a una baja concentración de cloruros externa, mientras que el secado provoca el movimiento de la solución de poro hacia las zonas de secado depositando cloruros en ellas. Las medidas higroscópicas permitieron determinar la existencia de dos zonas distintas en el interior del hormigón. La primera se localizó en el rango de 0-10mm, aproximadamente, en ésta se puso de manifiesto una mayor sensibilidad a los cambios experimentados en el exterior de las probetas. La segunda zona se localizó a una profundidad mayor de 10mm, aproximadamente. Se observó claramente una baja influencia de los cambios externos, siendo la difusión de cloruros el principal mecanismo de transporte presente en ella. En cuanto al estudio de la influencia del grado de saturación en la difusión de cloruros, se observó claramente una marcada diferencia entre los coeficientes de difusión de cloruro obtenidos. Para grados de saturación mayores del 80% el mecanismo de penetración de cloruros por difusión existe de forma significativa. Mientras que para valores inferiores los resultados revelaron que las vías de acceso disminuyen (poros conectado con agua) considerablemente limitando en un alto grado la penetración del agresivo. Para grados de saturación inferiores del 50% los valores del coeficiente de difusión son despreciables. The deterioration of concrete due to chloride ions is a frequent problem identified in structures located in marine and high-mountain environments. After entering the outer layer of the concrete, the chlorides tend to penetrate until they reach and then depassivate the steel bars. Subsequently, this induces the deterioration process of the reinforced concrete. This chloride penetration depends on the environmental conditions and intrinsic parameters of the concrete. Several transport mechanisms, such as diffusion, capillary suction and permeability can be present into the concrete. While recent research into the study and evaluation of concretes with chloride presence has been carried out in saturated concrete, it has not considered certain parameters that can modify this condition. Consequently, at the time of writing several processes that take place in real structures have not been identified and studied. In this work a research programme is designed to evaluate the parameters that influence chloride transport into non-saturated concrete. For this, three concrete mixes were designed by using high-early-strength Portland cement and mineral admixtures (silica fume and blast-slag furnace). The water-cement ratio was 0.40 for the concrete made solely with Portland cement and 0.45 for the concretes that used mineral admixtures as a cement replacement. A set of experimental tests were performed to evaluate the concrete properties both in fresh and hardened state. In addition, an experimental simulation was carried out under laboratory conditions in which the main objective was to assess resistance of concrete to chloride penetration under high-mountain conditions with the presence of de-icing salts. The environmental conditions and surface chloride concentration of the concrete used during the experimental simulation were chosen by considering conditions found in the high-mountain environment in central Spain. For the experimental simulation five phases were designed by varying the environmental parameters and concrete surface concentration. At the end of each phase a chloride profile was obtained with the aim of assessing the influence of the parameters on chloride transport. The experimental results were then used to calibrate and validate a numerical model based on finite element theory developed by the research team from the Construction Materials Department in a previous work. In order to carry out model calibration chemical and microstructural data for the concretes was required, such as binding capacity and the diffusive and hygroscopic properties. The experimental results were compared with the numerical simulations and provided a good fit. With the objective of studying the influence of the degree of concrete saturation on chloride diffusion, an experimental programme was designed. This entailed four saturation degrees (50%, 60%, 80% and 100%) being established in several concrete samples. The samples were then exposed to ground sodium chloride. Once the time required was achieved, the chloride profiles and diffusion coefficients were obtained for each saturation degree. The results obtained from the experimental program revealed a positive influence of the mineral admixtures on the concretes. Their effects were reflected in the pore-network refinement and the increase of chloride binding capacity, together with the improvement of the mechanical properties of the concretes. Total porosity did not reveal any notable change, though the pore-size distribution showed a significant degree of change in the concretes with mineral admixtures, specifically the samples prepared through use of silica fume. The chloride diffusion and migration coefficient, as well as the electrical resistivity values, decreased significantly in the concretes with admixtures. In the water penetration under pressure test, the concretes with admixtures presented the lowest penetration depth. The results obtained in the experimental simulation allowed study of the main parameters involved during the chloride penetration processes in non-saturated concretes in the presence of chlorides. According to the results, the diffusion process was the transport mechanism that transferred the greatest amount of chlorides into the concrete samples. In addition, a chloride movement toward external zones of the concrete, caused by the washing of concrete surface and the drying processes, was identified. The washing occurred when the concrete surface came into contact with a low-chloride concentration solution which initiated the outward movement of chloride diffusion. The drying processes corresponded to a movement of pore solution launched by water evaporation from the outer layer. Furthermore, hygroscopic measurements made in the concrete allowed two areas with distinct behavioural patterns to be identified. The first one, located in the range of approximately 0-10mm, showed a greater degree of influence regarding the changes of the external conditions. The second, situated at depths greater than 10mm, displayed a low influence of external conditions. The main process in this area was diffusion. Study of the influence of the degree of concrete saturation on chloride diffusion showed a clear difference among the chloride diffusion coefficients obtained. For degrees of concrete saturation higher than 80%, chloride penetration by diffusion tends to be significant. However, in the case of extent of saturation of lower than 80%, the results revealed that the access zone through which chlorides can penetrate decreased considerably. For degrees of concrete saturation lower than 50%, the chloride diffusion coefficients were negligible.

Estudio microestructural y de los procesos de hidratación de cementos con adiciones

En los últimos años, las sociedades industrializadas han tomado una mayor conciencia sobre el problema que suponen las emisiones indiscriminadas de gases de efecto invernadero a la atmósfera. El hormigón, cuyo principal componente es el cemento, es probablemente el material más utilizado en construcción. En la actualidad, las emisiones globales de CO2 debidas a la combustión del CaCO3 del cemento Pórtland representan entre el 5% y el 10% respecto del total. Estos valores son de gran interés si se considera que el compromiso aceptado al firmar el Protocolo de Kioto es de una reducción del 5% antes del año 2020, sobre el total de gases producidos. El principal objetivo del presente trabajo es el estudio microestructural y de los procesos de hidratación de los cementos con adiciones. Para ello se propone contribuir a la investigación sobre nuevos productos cementicios basados en micropartículas esféricas vítreas que pueden adicionarse al cemento antes del proceso de amasado. Los resultados obtenidos se han contrastado con las adiciones convencionales de más uso en la actualidad. El nuevo material basa su composición en la química del aluminio y el silicio. Al disminuir la cantidad de CaCO3, se contribuye al desarrollo sostenible y a la reducción de emisiones de CO2. La patente creada por el Grupo Cementos Pórtland Valderrivas (GCPV), describe el proceso de producción de las cemesferas (WO 2009/007470, 2010). Los productos que forman la materia prima para la elaboración de las cemesferas son arcillas, calizas, margas o productos o subproductos industriales, que tras su molienda, son fundidos mediante un fluido gaseoso a elevada temperatura (entre 1250ºC y 1600ºC). Este proceso permite obtener un producto final en forma esférica maciza o microesfera, que tras estabilizarse mediante un enfriamiento rápido, consigue una alta vitrificación idónea para su reactividad química, con una mínima superficie específica en relación a su masa. El producto final obtenido presenta prácticamente la finura requerida y no precisa ser molido, lo que reduce las emisiones de CO2 por el ahorro de combustible durante el proceso de molienda. El proceso descrito permite obtener un amplio abanico de materiales cementantes que, no solo pueden dar respuesta a los problemas generados por las emisiones de CO2, sino también a la disponibilidad de materiales en países donde hasta el momento no se puede fabricar cemento debido a la falta de calizas. Complementariamente se ha optimizado el método de cálculo del grado de hidratación a partir de los resultados del ensayo de ATD-TG en base a los modelos de cálculo de Bhatty y Pane. El método propuesto permite interpretar el comportamiento futuro del material a partir de la interpolación numérica de la cantidad de agua químicamente enlazada. La evolución del grado de hidratación tiene una relación directa con el desarrollo de la resistencia mecánica del material. Con el fin de caracterizar los materiales de base cemento, se ha llevado a cabo una amplia campaña experimental en pasta de cemento, mortero y hormigón. La investigación abarca tres niveles: caracterización microestructural, macroestructural y caracterización del comportamiento a largo plazo, fundamentalmente durabilidad. En total se han evaluado ocho adiciones diferentes: cuatro adiciones convencionales y cuatro tipos de cemesferas con diferente composición química. Los ensayos a escala microscópica comprenden la caracterización química, granulométrica y de la superficie específica BET de los materiales anhidros, análisis térmico diferencial y termogravimétrico en pasta de cemento y mortero, resonancia magnética de silicio en pasta de cemento, difracción de rayos X de los materiales anhidros y de las probetas de pasta, microscopía electrónica de barrido con analizador de energía dispersiva por rayos X en pasta y mortero, y porosimetría por intrusión de mercurio en mortero. La caracterización macroscópica del material comprende ensayos de determinación del agua de consistencia normal y de los tiempos de inicio y fin de fraguado en pasta de cemento, ensayos de resistencia mecánica a flexión y compresión en probetas prismáticas de mortero, y ensayos de resistencia a compresión en probetas de hormigón. Para caracterizar la durabilidad se han desarrollado ensayos de determinación del coeficiente de migración de cloruros y ensayos de resistividad eléctrica en probetas de mortero. Todos los ensayos enumerados permiten clarificar el comportamiento de las cemesferas y compararlo con las distintas adiciones de uso convencional. Los resultados reflejan un buen comportamiento resistente y durable de los materiales con adición de cemesferas. La caracterización microscópica refleja su relación con las propiedades mesoscópicas y permite comprender mejor la evolución en los procesos de hidratación de las cemesferas. In recent years industrialised societies have become increasingly aware of the problem posed by indiscriminate emission of greenhouse gases into the atmosphere. Concrete, with a main component being cement, is arguably the most widely used construction material. At present, global emissions of CO2 due to the combustion of CaCO3 from Portland cement represent between 5% and 10% of the total. If the requirement of the Kyoto Protocol of a reduction of 5% of the total gas produced before 2020 is considered, then such values are of significant interest. The main objective of this work is the assessment of the microstructure and the hydration processes of cements with additions. Such an examination proposes research into new cementitious products based on vitreous spherical microparticles that may be added to the cement before the mixing process. The results are compared with the most commonly used conventional additions. The new material bases its composition on the chemistry of aluminium and silicates. By decreasing the amount of CaCO3, it is possible both to contribute to sustainable development and reduce CO2 emissions. The patent created by Grupo Cementos Portland Valderrivas (GCPV) describes the production process of microspheres (WO 2009/007470, 2010). The products that form the raw material for manufacture are clays, lime-stone, marl and industrial products or by-products that melt after being ground and fed into a gaseous fluid at high temperatures (1250°C and 1600°C). This process allows the obtaining of a product with a solid-spherical or micro-spherical shape and which, after being stabilised in a solid state by rapid cooling, obtains a high vitrification suitable for chemical reactivity, having a minimal surface in relation to its mass. Given that the final product has the fineness required, it prevents grinding that reduces CO2 emissions by saving fuel during this process. The process, which allows a wide range of cementitious materials to be obtained, not only addresses the problems caused by CO2 emissions but also enhances the availability of materials in countries that until the time of writing have not produced cement due to a lack of limestone. In addition, the calculation of the degree of hydration from the test results of DTA-TG is optimised and based on Bhatty and Pane calculation models. The proposed method allows prediction of the performance of the material from numerical interpolation of the amount of chemically bound water. The degree of hydration has a direct relationship with the development of material mechanical strength. In order to characterise the cement-based materials, an extensive experimental campaign in cement paste, concrete and mortar is conducted. The research comprises three levels: micro-structural characterisation, macro-structural and long-term behaviour (mainly durability). In total, eight additions are assessed: four conventional additions and four types of microspheres with different chemical compositions. The micro-scale tests include characterisation of chemical composition, particle size distribution and the BET specific surface area of anhydrous material, differential thermal and thermogravimetric analysis in cement paste and mortar, silicon-29 nuclear magnetic resonance in cement paste, X-ray diffraction of the anhydrous materials and paste specimens, scanning of electron microscopy with energy dispersive X-ray analyser in cement paste and mortar, and mercury intrusion porosimetry in mortar. The macroscopic material characterisation entails determination of water demand for normal consistency, and initial and final setting times of cement paste, flexural and compressive mechanical strength tests in prismatic mortar specimens, and compressive strength tests in concrete specimens. Tests for determining the chloride migration coefficient are performed to characterise durability, together with electrical resistivity tests in mortar specimens. All the tests listed allow clarification of the behaviour of the microspheres and comparison with the various additions of conventional use. The results show good resistance and durable behaviour of materials with a microsphere addition. Microscopic characterisation reflects their relationship with mesoscopic properties and provides insights into the hydration processes of the microspheres.

Estudio de la permeabilidad y de la resistencia a tracción en hormigones precomprimidos

Entre los requisitos que deben cumplir las estructuras se debe garantizar que estas posean la durabilidad necesaria para permanecer en servicio a lo largo de todo el periodo de vida útil para el que han sido proyectadas. Para conseguir este objetivo las normativas han ido incorporando prescripciones para el diseño del hormigón, en base a distintas clases de exposición dependiendo del origen y magnitud de la agresividad exterior. En ambientes con una elevada agresividad, una de las comprobaciones que debe cumplir el hormigón es que tenga una permeabilidad inferior a los valores máximos fijados según la clase de exposición, y que en caso de considerar como ensayo de referencia el de penetración de agua, analiza el frente de penetración limitando las profundidades de penetración media y máxima. Adicionalmente a las condiciones de diseño según el tipo de ambiente, principalmente basadas en la dosificación del hormigón en términos de la relación agua/cemento y el mínimo contenido de cemento y el recubrimiento de las armaduras, durante la vida en servicio las estructuras pueden están solicitadas por distintas acciones imprevistas que pueden provocar cambios en la microestructura interna del hormigón que modifican su permeabilidad y resistencia, y por tanto pueden alterar la durabilidad inicialmente prevista. Es conocido el efecto de cansancio del hormigón cuando está solicitado por cargas de compresión mantenidas en el tiempo, provocando bajas en su resistencia debido al incremento de la microfisuración. Dada la relación entre la permeabilidad y la microfisuración del hormigón, es previsible el aumento de la permeabilidad en hormigones que han sido precomprimidos durante un periodo largo de tiempo. Los estudios de la permeabilidad en hormigones previamente comprimidos se han realizado analizando periodos de tiempo de compresión cortos que no permiten evaluar el efecto del cansancio sobre la permeabilidad. La presente tesis doctoral investiga la permeabilidad y resistencia a tracción en hormigones que previamente han sido comprimidos en carga mantenida durante distintos plazos de tiempo, al objeto de conocer su evolución en base al tiempo de precompresión. La investigación se apoya en el estudio de otras dos variables como son el tipo de hormigón de acuerdo a su dosificación según el tipo de ambiente considerando una agresividad baja, media o alta, y el grado de compresión aplicado respecto de su carga última de rotura. En los resultados del plan experimental desarrollado se ha obtenido que la permeabilidad presenta un incremento significante con el tiempo de precompresión, que dependiendo del valor inicial de la permeabilidad que tiene el hormigón puede provocar que hormigones que previamente satisfacen las limitaciones de permeabilidad pasen a incumplirlas, pudiendo afectar a su durabilidad. También se confirma la influencia del tiempo de precompresión sobre la resistencia a tracción obteniendo bajas de resistencia importantes en los casos pésimos ensayados, que deben ser tenidas en consideración en tanto afectan a la capacidad resistente del hormigón como a otros aspectos fundamentales como el anclaje de las armaduras en el hormigón armado y pretensado. One of the requirements that structures must meet is to guarantee their durability to remain in service throughout all the working life period for which they have been designed. To achieve this goal, building standards and codes have included specifications for the design of concrete structures, based on different exposure classes depending on the environmental conditions and their origin and magnitude. In severe aggressive environments, one of the specifications the concrete must meet is to have a permeability lower than the maximum values set for a certain exposure class. If this parameter is referenced to water penetration on specimens, then the average and maximum depths of front penetration are analyzed. In addition to the design conditions depending on the exposure class, which regulate the dosage of concrete in terms of the water/cement ratio, minimum samples that have been pre-compressed for a long period of time. Previous studies on permeability have been carried on pre-compressed concrete elements analyzing short periods of time. However, they have not studied the effects of compression forces on concrete in the long term. This Thesis investigates permeability and tensile strength of concrete samples that have been previously compressed under loads applied for different periods of time. The goal is to understand its evolution based on the time exposed to compression. The research variables also include the type of concrete according to the dosage used - depending on the environmental exposure it will have low, medium or high aggressiveness-, and the amount of compression applied in relation to its failure load. Results of the experimental tests showed that permeability increases significantly over the time of pre-compression. Depending on the initial value of permeability, this change could make the concrete not meet the original permeability restrictions and therefore affect its durability. These investigations also confirmed the influence of time of pre-compression in tensile strength, where some cases showed a significant decrease of resistance. These issues must be taken into consideration as they affect the bearing capacity of the material and other key features such as the anchoring of steel bars in reinforced and pre-stressed concrete. amount of cement content and the minimum concrete cover of the steel bars, during their working life structures may be subject to various unforeseen actions. As a result, the concrete’s internal microstructure might be affected, changing its permeability and resistance, and possibly altering the original specified durability. It is a known fact that when concrete is loaded in compression maintained over a long time, its resistance to compression forces is diminished due to the increase in micro-cracking. Considering the relationship between permeability and microcracking of concrete, an increase in permeability may be expected in concrete

Desarrollo de un procedimiento para la observación y caracterización mecánica de células sobre sustratos opacos mediante microscopía de fuerzas atómicas : aplicación al estudio de linfocitos

Las células en los tejidos biológicos están continuamente sometidas a estímulos físicos tales como la presión hidrostática y esfuerzos de tracción, compresión o cortante, entre otros. La importancia de los estímulos mecánicos en el comportamiento de las células se ha reconocido recientemente al comprobarse cómo la naturaleza de estas fuerzas puede cambiar en patologías tales como las enfermedades vasculares o el cáncer. En respuesta a estos cambios, las células reaccionan modificando desde su forma o aspecto hasta su ciclo celular. Consecuentemente, el interés por el comportamiento mecánico de las células ha experimentado un auge creciente que ha requerido el desarrollo de varias técnicas de caracterización. En este contexto, se puede afirmar que una de las técnicas que ha irrumpido con más fuerza en esta nueva área, situada entre el mundo biológico y el físico, es la microscopía de fuerza atómica. En esta Tesis se ha abordado el estudio mediante microscopía de fuerza atómica de linfocitos de ratón que constituyen un linaje celular especialmente difícil de caracterizar mediante esta técnica por su tamaño y naturaleza no adherente. Los linfocitos, como actores fundamentales del sistema inmune, tienen gran importancia en la determinación de la respuesta que un organismo desencadena ante la presencia de un biomaterial. Bajo esta premisa, y como condición previa a la caracterización de los linfocitos, ha sido necesario el desarrollo de una metodología robusta y de amplia aplicabilidad que permita el estudio de células sobre biomateriales. Finalmente y con el objetivo de correlacionar el comportamiento mecánico de los linfocitos con alguna característica fisiológica relevante, se ha analizado la hipótesis de que el comportamiento mecánico pueda ser utilizado como marcador de la edad biológica. Consecuentemente se ha abordado el estudio del comportamiento mecánico de los linfocitos clasificados por grupos de edad, de manera que se han obtenido los primeros resultados que indican cómo puede manifestarse el proceso de inmunosenescencia -depresión del sistema inmune relacionada con el envejecimiento- en el comportamiento mecánico de las células del sistema inmune. Cells within tissues are continuously exposed to physical forces including hydrostatic pressure, shear stress, and compression and tension forces. The relevance of these mechanical stimuli has recently been recognised by different works in which significant changes were observed in these forces when they were measued in individuals affected by cardiovasvular diseases or cancer. Cells may alter their orientation, shape, internal constitution, contract, migrate, adhere, modify the synthesis and degradation of extracellular constituents, or even their life cycle in response to perturbations in their mechanical environment. As a consequence of this, the attention in cell mechanical behavior has undergone a significant thrust and novel techniques have been developed. In this context, atomic force microscopy has become a basic tool for the progress of this field. In this Thesis, the mechanical behavior of living murine T-lymphocytes was assessed by atomic force microscopy. Lymphocytes play a main role in the immune system of the individual and, consequently, in the immune response triggered by the presence of a biomaterial. The observation and characterization of the lymphocytes required the development of a robust experimental procedure that allowed overcoming the difficulties related to the analysis of this cell lineage, in particular their relatively large size and non-adherent character. These procedures could be easily transferred to other non-adherent cell lineages. Finally, to check the viability of developed method, we study the lymphocyte mechanical behavior as a function of the murine ageing. The obtained data represent a first step in the knowledge about how mechanical stimuli can affect the age-dependent decrease in immunological competence, i.e., the immunosenescence.