Structure property relations in complex copolymer systems

A thorough investigation was made of the structure-property relation of well-defined statistical, gradient and block copolymers of various compositions. Among the copolymers studied were those which were synthesized using isobornyl acrylate (IBA) and n-butyl acrylate (nBA) monomer units. The copolymers exhibited several unique properties that make them suitable materials for a range of applications. The thermomechanical properties of these new materials were compared to acrylate homopolymers. By the proper choice of the IBA/nBA monomer ratio, it was possible to tune the glass transition temperature of the statistical P(IBA-co-nBA) copolymers. The measured Tg’s of the copolymers with different IBA/nBA monomer ratios followed a trend that fitted well with the Fox equation prediction. While statistical copolymers showed a single glass transition (Tg between -50 and 90 ºC depending on composition), DSC block copolymers showed two Tg’s and the gradient copolymer showed a single, but very broad, glass transition. PMBL-PBA-PMBL triblock copolymers of different composition ratios were also studied and revealed a microphase separated morphology of mostly cylindrical PMBL domains hexagonally arranged in the PBA matrix. DMA studies confirmed the phase separated morphology of the copolymers. Tensile studies showed the linear PMBL-PBA-PMBL triblock copolymers having a relatively low elongation at break that was increased by replacing the PMBL hard blocks with the less brittle random PMBL-r-PMMA blocks. The 10- and 20-arm PBA-PMBL copolymers which were studied revealed even more unique properties. SAXS results showed a mixture of cylindrical PMBL domains hexagonally arranged in the PBA matrix, as well as lamellar. Despite PMBL’s brittleness, the triblock and multi-arm PBA-PMBL copolymers could become suitable materials for high temperature applications due to PMBL’s high glass transition temperature and high thermal stability. The structure-property relation of multi-arm star PBA-PMMA block copolymers was also investigated. Small-angle X-ray scattering revealed a phase separated morphology of cylindrical PMMA domains hexagonally arranged in the PBA matrix. DMA studies found that these materials possess typical elastomeric behavior in a broad range of service temperatures up to at least 250°C. The ultimate tensile strength and the elastic modulus of the 10- and 20-arm star PBA-PMMA block copolymers are significantly higher than those of their 3-arm or linear ABA type counterparts with similar composition, indicating a strong effect of the number of arms on the tensile properties. Siloxane-based copolymers were also studied and one of the main objectives here was to examine the possibility to synthesize trifluoropropyl-containing siloxane copolymers of gradient distribution of trifluoropropyl groups along the chain. DMA results of the PDMS-PMTFPS siloxane copolymers synthesized via simultaneous copolymerization showed that due to the large difference in reactivity rates of 2,4,6-tris(3,3,3-trifluoropropyl)-2,4,6-trimethylcyclotrisiloxane (F) and hexamethylcyclotrisiloxane (D), a copolymer of almost block structure containing only a narrow intermediate fragment with gradient distribution of the component units was obtained. A more dispersed distribution of the trifluoropropyl groups was obtained by the semi-batch copolymerization process, as the DMA results revealed more ‘‘pure gradient type’’ features for the siloxane copolymers which were synthesized by adding F at a controlled rate to the polymerization of the less reactive D. As with trifluoropropyl-containing siloxane copolymers, vinyl-containing polysiloxanes may be converted to a variety of useful polysiloxane materials by chemical modification. But much like the trifluoropropyl-containing siloxane copolymers, as a result of so much difference in the reactivities between the component units 2,4,6-trivinyl-2,4,6-trimethylcyclotrisiloxane (V) and hexamethylcyclotrisiloxane (D), thermal and mechanical properties of the PDMS-PMVS copolymers obtained by simultaneous copolymerization was similar to those of block copolymers. Only the copolymers obtained by semi-batch method showed properties typical for gradient copolymers.

Bovine primary chondrocyte culture in synthetic matrix metalloproteinase-sensitive poly(ethylene glycol)-based hydrogels as a scaffold for cartilage repair

A poly(ethylene glycol) (PEG)-based hydrogel was used as a scaffold for chondrocyte culture. Branched PEG-vinylsulfone macromers were end-linked with thiol-bearing matrix metalloproteinase (MMP)-sensitive peptides (GCRDGPQGIWGQDRCG) to form a three-dimensional network in situ under physiologic conditions. Both four- and eight-armed PEG macromer building blocks were examined. Increasing the number of PEG arms increased the elastic modulus of the hydrogels from 4.5 to 13.5 kPa. PEG-dithiol was used to prepare hydrogels that were not sensitive to degradation by cell-derived MMPs. Primary bovine calf chondrocytes were cultured in both MMP-sensitive and MMP-insensitive hydrogels, formed from either four- or eight-armed PEG. Most (>90%) of the cells inside the gels were viable after 1 month of culture and formed cell clusters. Gel matrices with lower elastic modulus and sensitivity to MMP-based matrix remodeling demonstrated larger clusters and more diffuse, less cell surface-constrained cell-derived matrix in the chondron, as determined by light and electron microscopy. Gene expression experiments by real-time RT-PCR showed that the expression of type II collagen and aggrecan was increased in the MMP-sensitive hydrogels, whereas the expression level of MMP-13 was increased in the MMP-insensitive hydrogels. These results indicate that cellular activity can be modulated by the composition of the hydrogel. This study represents one of the first examples of chondrocyte culture in a bioactive synthetic material that can be remodeled by cellular protease activity.

Multiscale methods for shape constraints in deconvolution: Confidence statements for qualitative features

We derive multiscale statistics for deconvolution in order to detect qualitative features of the unknown density. An important example covered within this framework is to test for local monotonicity on all scales simultaneously. We investigate the moderately ill-posed setting, where the Fourier transform of the error density in the deconvolution model is of polynomial decay. For multiscale testing, we consider a calibration, motivated by the modulus of continuity of Brownian motion. We investigate the performance of our results from both the theoretical and simulation based point of view. A major consequence of our work is that the detection of qualitative features of a density in a deconvolution problem is a doable task, although the minimax rates for pointwise estimation are very slow.

The hp-adaptive FEM based on continuous Sobolev embeddings: isotropic refinements

The aim of this paper is to present a new class of smoothness testing strategies in the context of hp-adaptive refinements based on continuous Sobolev embeddings. In addition to deriving a modified form of the 1d smoothness indicators introduced in [26], they will be extended and applied to a higher dimensional framework. A few numerical experiments in the context of the hp-adaptive FEM for a linear elliptic PDE will be performed.

Restauración de incisivo inferior fracturado mediante procedimientos de invasión mínima : reporte de un caso clínico

La odontología está inmersa en un nuevo paradigma: no se puede pensar en ninguna técnica restauradora sin que participen fenómenos de adhesión. El desarrollo de pernos de fibra de vidrio, sumado a los procedimientos de restauraciones adhesivas puede utilizarse como uno de los tantos recursos de la odontología de invasión mínima. Los pernos de fibra de vidrio ofrecen varias ventajas: comportamiento anisótropo, módulo de elasticidad bajo, buena resistencia mecánica, el lecho que aloja al perno de fibra requiere de una mínima preparación y se cementan con cementos adhesivos con carga, permitiendo de esta manera obtener una superficie homogénea que se interpone entre el perno de fibra y los tejidos dentales, conectándolo a los tejidos del conducto y sustituyendo mecánicamente la dentina. El caso clínico que se reporta se presentó para su resolución en la Clínica Integrada III F. O. UNCuyo durante el año lectivo 2009. El paciente presentaba una fractura amelodentinaria desde hacía cuatro años, con compromiso de la vitalidad y un proceso periapical. Durante los procedimientos endodónticos se realizó una perforación de la pared del conducto que se selló mediante la colocación de hidróxido de calcio y la obturación del mismo con conos de gutapercha. Se efectuó el seguimiento clínico y radiográfico del caso en donde se constató la reparación del proceso apical y luego se procedió a la restauración del elemento dentario con resinas compuestas con la ayuda de un poste de fibra de vidrio cementado con cemento resinoso. Dadas las características del tratamiento endodóntico realizado, se decidió dejar más porción del cono de gutapercha a pesar de lo aconsejado por numerosos autores, ya que de esta manera se aseguró el sellado de la perforación radicular para evitar de esta manera la nanofiltración hacia el interior del elemento dentario.

Caracterización de la madera de Castanea sativa Mill. de procedencia española

La madera de castaño de procedencia española no está presente como material estructural en la norma europea EN 1912, y por lo tanto no está asignada a ninguna clase resistente como sí lo están otras especies españolas. Por ello, en el presente trabajo se realizó una caracterización de madera aserrada de castaño de Asturias con fines estructurales, realizando los ensayos según la norma UNE EN 408:2004, y calculando sus valores característicos según la norma UNE EN 384:2010. Los valores obtenidos permitieron asignar una clase resistente de las establecidas en la norma UNE EN 338:2010. Fueron evaluadas un total de 260 probetas de dos secciones (40x100 y 40x150 mm) siendo asignada una clase resistente D24, resultando la densidad y la resistencia a flexión los parámetros limitantes y observándose un valor de módulo de elasticidad superior al correspondiente a dicha clase. La relación entre los módulo de elasticidad longitudinal y transversal obtenidos experimentalmente fue de 10 aproximadamente, mientras que la normativa establece, como valor genérico, 16. Se observó que la singularidad de la madera que provocó un mayor porcentaje de rotura fue la presencia de nudos, presentando estas probetas un valor de resistencia significativamente menor. Chestnut timber from Spain is not included as a structural timber in the European standard EN 1912 nor is it assigned to any strength class like other Spanish species. Therefore, a characterization of structural chestnut timber from Asturias was made according to the UNE EN 408:2004, and the characteristic values were calculated according to the UNE EN 384:2010. The values obtained allowed the assignment of a strength class according to UNE EN 338:2010. 260 samples of two sections (40x100 and 40x150 mm) were tested and a D24 strength class was assinged. Density and bending strength were the limiting parameters, and the value of modulus of elasticity was higher than the values asssigned to D24. The relationship between modulus of elasticity and the shear modulus obtained was approximately equal to 10, while this value in the UNE EN 384:2010 is set at 16. The characteristic of the wood which caused a higher percentage of failure was the presence of knots, resulting in significantly lower resistance values.

Clasificación visual estructural de la madera de pino radiata procedente de Cataluña

Se han clasificado visualmente, según la norma española UNE 56544; 150 piezas de madera aserrada de pino radiata procedentes de Cataluña (España) con una sección de 80x150 mm y una longitud de 2.500 mm. Esta norma establece dos calidades visuales (ME-1 y ME-2) para piezas con grueso menor o igual que 70 mm y una única calidad visual (MEG) para gruesos mayores de 70 mm. Con el fin de conocer el efecto frontera entre la pequeña y la gran escuadría se clasificaron las piezas según ambas categorías. Se determinó la tensión de rotura en flexión, el módulo de elasticidad en flexión y la densidad de cada pieza mediante el ensayo de acuerdo con la norma UNE-EN 408 siguiendo los ajustes definidos en la norma UNE-EN 384. Un 53 % de las piezas se clasificaron como MEG con una resistencia característica a flexión de 28 N/mm2 y un valor medio del módulo de elasticidad de 9.900 N/mm2. Por otra, un 42 % de las piezas se clasificaron como ME-2 y sólo un 3 % como ME-1; en este caso las propiedades mecánicas de la calidad ME-2 no se alejan mucho de las de la calidad MEG. El elevado porcentaje de piezas rechazadas (47 % frente a la MEG) se debe principalmente al defecto de alabeo responsable de un 39 % de rechazo. Si no se considera el alabeo en la clasificación el porcentaje de rechazo desciende al 17 % y las propiedades mecánicas de la calidad MEG presentan un valor característico de resistencia a flexión de 21 N/mm2 y un módulo de elasticidad de 9.100 N/mm2. A sample of 150 pieces of radiata pine sawn timber with 180x120 mm in cross-section and 2.500 mm in length sourcing from Catalonia (Spain) were visually graded according to Spanish standard UNE 56544. This standard establish two visual grades (ME-1 and ME-2) for timber pieces with thickness equal or less than 70 mm, and one grade (MEG) for thickness bigger than 70 mm. In order to know the border effect between small and larger cross-section the pieces were graded in both categories. The modulus of rupture, modulus of elasticity and density were obtained by test according to EN 408 standard and the adjustments of EN 384. A 53 % of pieces were classified as MEG with a characteristic bending strength of 28 N/mm2 and a mean value of MOE of 9.900 N/mm2. On the other hand, a 42 % of pieces were classified as ME-2 and only a 3 % as ME-1; in this case the mechanical properties of ME-2 are not far from MEG properties. The high percentage of rejected pieces (47 % vs MEG) is mainly due to the twist defect with a 39 % of rejected pieces. If twist is not considered in the grading process the reject percentage decreases to 17 % and the mechanical properties of MEG grade present a characteristic value of bending strength of 21 N/mm2 and a MOE of 9.100 N/mm2.

Clasificación de madera estructural de gran escuadría de Pinus sylvestris l. mediante métodos no destructivos

Esta Tesis Doctoral aborda el estudio de algunas técnicas no destructivas para la clasificación de madera de pino silvestre (Pinus sylvestris L.) de procedencia española y de gruesa escuadría para uso estructural. Para la estimación del módulo de elasticidad y de la resistencia se han aplicado técnicas basadas en la propagación de una onda a través de la madera: onda de ultrasonidos (Sylvatest) o de impacto (Microsecond Timer) en dirección longitudinal, o vibración en dirección longitudinal y transversal (PLG). Para la estimación de la densidad se han utilizado métodos puntuales basados en el penetrómetro (Pilodyn) y en la resistencia al arranque de un tornillo. Las variables obtenidas han sido relacionadas con los resultados de la clasificación visual y con las propiedades de la madera determinadas mediante ensayo mecánico. Además, se ha estudiado la influencia de la humedad de la madera en la velocidad de propagación de la onda para definir factores de corrección a los equipos comerciales utilizados en esta Tesis Doctoral. La muestra de estudio está formada por 244 piezas procedentes de El Espinar, Segovia, con dimensiones nominales 150 x 200 x 4000 mm (218 piezas) y 100 x 150 x 3000 mm (26 piezas). De todas las piezas se tomaron datos de dimensiones, contenido de humedad y clasificación visual según la norma UNE 56544. En las primeras 218 vigas se aplicaron las técnicas de ultrasonidos, onda de impacto y vibraciones, se determinó la densidad de cada pieza completa y se ensayaron según la norma UNE-EN 408 para obtener el módulo de elasticidad global (en todos los casos) y local (en un porcentaje), así como de la tensión de rotura. Se extrajeron tres rebanadas para los ensayos puntuales y para el cálculo de la densidad. En las otras 26 piezas se repitieron los ensayos (transmisión de onda, vibración y clasificación visual) durante el proceso de secado natural, desde que la madera se encontraba húmeda (en torno al 40 %) hasta la humedad de equilibrio higroscópico (en torno al 9%). Respecto a la clasificación visual no se han observado diferencias significativas entre la calidad MEG o las rechazadas. Se han estudiado las consecuencias del secado (principalmente las deformaciones) y no se ha encontrado justificación para que estos defectos penalicen la clasificación. Para la densidad, el mayor R2 obtenido ha sido de un 47% a partir del uso combinado de los dos equipos puntuales (penetrómetro y arranque de tornillo). Para el módulo de elasticidad y la tensión de rotura, la mejor relación se ha obtenido a partir de la técnica de vibración longitudinal, con unos coeficientes de 79% y un 52% respectivamente. Se ha estimado que el aumento de un punto porcentual en el contenido de humedad de la madera produce una pérdida de velocidad de onda del 0,58% para Sylvatest y Microsecond Timer, y del 0,71% para PLG. Estos valores son generalizables para un rango de humedades entre 9 y 25 %. Abstract This Doctoral Thesis approach the study of some non-destructive techniques as a classification method for structural use of Scots pine wood of Spanish origin with large cross section. To estimate the modulus of elasticity and strength have been used techniques based on the propagation of a wave through the timber: ultrasonic wave (Sylvatest) or stress wave (Microsecond Timer) in longitudinal direction, or vibration in longitudinal and transversal direction (PLG). Local probing methods have been applied to estimate the density, based on penetrometer (Pilodyn) and the screw withdrawal resistance meter. The different variables obtained were compared with the results of the visual grading and the values of the properties of the wood determined by the standardized test of the pieces. Furthermore, the influence of the moisture content of the wood on the velocity of propagation of the waves through the timber has been analyzed in order to establish a correction factor for the commercial devices used in this Doctoral Thesis. The sample tested consists of 244 pieces from El Espinar, Segovia, with nominal dimensions 150 x 200 x 4000 mm (218 pieces) and 100 x 150 x 3000 mm (26 pieces). Data collection about dimensions, moisture content and visual grading according to the UNE 56544 standard were carried out on all the pieces. The first 218 pieces were tested by non destructive techniques based on ultrasonic wave, stress wave and vibration, the density was measured on each piece and bending test according to the UNE-EN 408 standard was carried out for calculating the global modulus of elasticity (all the pieces) and the local one (only a representative group), as well as the bending strength. Three slices were removed for implementing the local probing and to calculate the density. In the other 26 pieces the tests (wave transmission, vibration and visual grading) were repeated during the natural drying process, from wet timber (around 40 % moisture content) up to the equilibrium moisture content (around 9%). Regarding the visual grading no significant differences were observed between MEG or rejected pieces. The effects of drying (deformations) have been studied, and justification for the specification hasn't been found. To estimate the density, the greater R2 obtained was 47% by using both penetrometer and screw withdrawal. For the modulus of elasticity and bending strength, the best relationship has been found with the longitudinal vibration, with coefficients of 79% and 52% respectively. It has been estimated that an increase of a point of the moisture content of the wood produces a decrease on the velocity obtained from ultrasonic or stress wave of 0,58%, and 0,71 % for the one obtained from vibration. Those values can be generalized for a range of moisture content from 9 to 25 %.

Estudio de hormigones reciclados no estructurales fabricados con árido reciclado mixto : propiedades mecánicas y expansión debida al contenido de sulfatos

El objetivo principal de este trabajo de investigación es estudiar las posibilidades de utilización del árido reciclado mixto para un hormigón reciclado en aplicaciones no estructurales, justificando mediante la experimentación la validez para esta aplicación, tanto del árido reciclado como del hormigón reciclado. Esta tesis se centró en los aspectos más restrictivos y limitativos en la utilización de los áridos mixtos en hormigón reciclado, basándose tanto en la normativa internacional existente como en los resultados obtenidos en los estudios bibliográficos consultados. La primera tarea realizada fue la caracterización completa de las propiedades del árido reciclado mixto, recogiendo especialmente los siguientes aspectos: granulometría, contenido de finos, absorción y densidades, composición del árido reciclado, índice de lajas, coeficiente de Los Ángeles, partículas ligeras y contenido de sulfatos. De este estudio de los áridos reciclados, se han destacado relaciones entre las propiedades. Las diferentes correlaciones permiten proponer criterios de calidad de un árido reciclado mixto para un hormigón reciclado. Se ha elegido un árido reciclado mixto entre los estudiados, de características límite admisibles, para obtener resultados conservadores sobre el hormigón reciclado fabricado con él. En una segunda etapa, se ha realizado un estudio de dosificación completo del hormigón reciclado, evaluando la consistencia del hormigón en estado fresco y la resistencia a compresión del hormigón en estado endurecido y se ha comparado con las mismas propiedades de un hormigón convencional. Se ha analizado la capacidad de absorción del árido conseguida con los métodos de presaturación empleados y en función de su estado de humedad, para poder evaluar las relaciones agua/cemento totales y efectivas del hormigón. Se ha estudiado el efecto de estos dos parámetros tanto en la consistencia como en la resistencia del hormigón reciclado. Finalmente, se ha estudiado el hormigón fabricado con un 50% y 100% de una partida de árido reciclado mixto de calidad admisible y se han ensayado las siguientes propiedades: consistencia, resistencia a compresión, resistencia a tracción indirecta, módulo de elasticidad dinámico, cambios de longitud, porosidad abierta y microscopía. Para analizar el efecto de los sulfatos, se han añadido artificialmente cantidades de yeso controladas en el hormigón reciclado. Se fabricaron hormigones con dos tipos de cemento, un cemento CEM I 42,5 R con elevado contenido de C3A, que debería dar lugar a expansiones mayores y un cemento con adiciones puzolánicas CEM II A-P 42,5 R, que atenuaría el comportamiento expansivo en el hormigón. Los resultados finales indican que la utilización del árido reciclado mixto en proporciones de hasta un 50%, permiten cubrir la gama de resistencias más exigentes dentro del hormigón no estructural. El contenido de sulfatos puede variar desde un 0,8% hasta un 1,9%, según el tipo de cemento y la proporción de sustitución del árido natural por árido reciclado mixto. Tanto en el caso del árido reciclado como en el hormigón, se ha realizado un estudio comparativo entre el conjunto de datos recopilados en la bibliografía y los obtenidos en este estudio experimental. En varias propiedades del hormigón reciclado, se han comparado los resultados con las fórmulas de la Instrucción EHE-08, para establecer unos coeficientes de corrección a aplicar a un hormigón reciclado con fines no estructurales. The main objective of this investigation work is to study the possibilities of using recycled mixed aggregate for a recycled concrete in non structural applications, justifying by means of experimentation both the validity of the recycled aggregate and recycled concrete. This thesis focused on the most restrictive and limiting aspects in the mixed aggregate use in recycled concrete, on the basis of the international standards as well on the results obtained in the bibliographic studies consulted. The first task achieved was the complete charcaterization of the mixed recycled aggregate properties, specially the following aspects: grain size analysis, fines content, absorption and densities, recycled aggregate composition, flakiness index, Los Angeles coefficient, lightweight particles and sulphate content. From this study, correlations between the properties were highlighted. The different correlations make possible to propose quality criterions for recycled mixed aggregate in concrete. Among the recycled aggregates studied, one of acceptable characteristics but near the limits established, was chosen to obtain conservative results in the recycled concrete made with it. In a second step, a complete recycled concrete mix design was made, to evaluate concrete consistency in the fresh state and concrete compressive strength in the hardened state and its properties were compared to those of a control concrete. The aggregate absorption capacity was analized with the presaturation methods achieved and in function of its state of humidity, to evaluate the total and effective water/cement ratios. The effect of these two parameters, both in consistency and compressive strength of recycled concrete, was studied. Finally, the concrete made with 50% and 100% of the elected recycled mixed aggregate was studied and the following concrete properties were tested: consistency, compressive strength, tensile strength, dynamic modulus of elasticity, length changes, water absorption under vacuum and microscopy. To analize the effect of sulphate content, some controlled quantities of gypsum were artificially added to the recycled concrete. Concretes with two types of cement were made, a cement CEM I 42,5 R with a high content of C3A, that would lead to major expansions and a cement with puzzolanic additions CEM II A-P 42,5 R that would lower the expansive behaviour of concrete. The final results indicate that the use of mixed recycled aggregate in proportions up to 50% make possible to cover the overall demanding strengths within the non structural concrete. Sulphates content can range between 0,8% and 1,9%, in function of the type of cement and the proportion of natural aggregate replacement by mixed recycled one. Both in the case of recycled aggregate and concrete, a comparative study was made between the data coming from the bibliography and those obtained in the experimental study. In several recycled concrete properties, the results were compared to the formulas of Spanish Instruction of Structural Concrete (Instruction EHE-08), to establish some correction coefficients to apply for a non structural recycled concrete.

Minor ampullate silks from Nephila and Argiope spiders: tensile properties and microstructural characterization

The mechanical behavior and microstructure of minor ampullate gland silk (miS) of two orb-web spinning species, Argiope trifasciata and Nephila inaurata, were extensively characterized, enabling detailed comparison with other silks. The similarities and differences exhibited by miS when compared with the intensively studied major ampullate gland silk (MAS) and silkworm (Bombyx mori) silk offer a genuine opportunity for testing some of the hypotheses proposed to correlate microstructure and tensile properties in silk. In this work, we show that miSs of different species show similar properties, even when fibers spun by spiders that diverged over 100 million years are compared. The tensile properties of miS are comparable to those of MAS when tested in air, significantly in terms of work to fracture, but differ considerably when tested in water. In particular, miS does not show a supercontraction effect and an associated ground state. In this regard, the behavior of miS in water is similar to that of B. mori silk, and it is shown that the initial elastic modulus of both fibers can be explained using a common model. Intriguingly, the microstructural parameters measured in miS are comparable to those of MAS and considerably different from those found in B. mori. This fact suggests that some critical microstructural information is still missing in our description of silks, and our results suggest that the hydrophilicity of the lateral groups or the large scale organization of the sequences might be routes worth exploring.

B.I.E.M. in solid mechanics

In solid mechanics the weak formulation produces an integral equation ready for a discretization and with less restrictive requiremets than the standard field equations. Fundamentally the weak formulation is a expresion of a green formula. An alternative is to choose another green formula materializing a reciprocity relationship between the basis unknowns and an auxiliary family of functions. The degree of smoothness requiered to practice the discretization is then translated to the auxiliar functions. The subsequent discretization (constant, linear etc.)produces a set of equations on the boundary of the domain. For linear 3-D problems the BIEM appears then as a powerful alternative to FEM, because of the reduction to 2-D thanks to the features previously described.

An anodeless (bare) tether experiment

NETT (New Electrodynamic Tether Technology) is an experiment proposed to ESA in 1991 as part of the Columbus Precursor Flights. It was originally intended to fly as an exposed payload in the Shuttle cargo bay. The main purpose was to demonstrate the electrodynamical capabilities of the innovative "bare tether" concept. The proposed conceptual design was recommended by a Scientific Panel of ESA, meeting in Heidelberg in March 1992. Unfortunately, the Precursor Flights have all but been scuttled, particularly as far as exposed payloads are concerned. The experiment, horever, is being considered in accomodation studies (APLSS, PIERS) for the European modulus of the future Space Station. Additionally, it might be possible to fly the bare tether in a Russian spacecraft.

Comportamiento frente a la durabilidad de morteros de reparación de cemento modificados con polímeros

El auge que ha surgido en los últimos años por la reparación de edificios y estructuras construidas con hormigón ha llevado al desarrollo de morteros de reparación cada vez más tecnológicos. En el desarrollo de estos morteros por parte de los fabricantes, surge la disyuntiva en el uso de los polímeros en sus formulaciones, por no encontrarse justificado en ocasiones el trinomio prestaciones/precio/aplicación. En esta tesis se ha realizado un estudio exhaustivo para la justificación de la utilización de estos morteros como morteros de reparación estructural como respuesta a la demanda actual disponiéndolo en tres partes: En la primera parte se realizó un estudio del arte de los morteros y sus constituyentes. El uso de los morteros se remonta a la antigüedad, utilizándose como componentes yeso y cal fundamentalmente. Los griegos y romanos desarrollaron el concepto de morteros de cal, introduciendo componentes como las puzolanas, cales hidraúlicas y áridos de polvo de mármol dando origen a morteros muy parecidos a los hormigones actuales. En la edad media y renacimiento se perdió la tecnología desarrollada por los romanos debido al extenso uso de la piedra en las construcciones civiles, defensivas y religiosas. Hubo que esperar hasta el siglo XIX para que J. Aspdin descubriese el actual cemento como el principal compuesto hidraúlico. Por último y ya en el siglo XX con la aparición de moléculas tales como estireno, melanina, cloruro de vinilo y poliésteres se comenzó a desarrollar la industria de los polímeros que se añadieron a los morteros dando lugar a los “composites”. El uso de polímeros en matrices cementantes dotan al mortero de propiedades tales como: adherencia, flexibilidad y trabajabilidad, como ya se tiene constancia desde los años 30 con el uso de caucho naturales. En la actualidad el uso de polímeros de síntesis (polivinialacetato, estireno-butadieno, viniacrílico y resinas epoxi) hacen que principalmente el mortero tenga mayor resistencia al ataque del agua y por lo tanto aumente su durabilidad ya que se minimizan todas las reacciones de deterioro (hielo, humedad, ataque biológico,…). En el presente estudio el polímero que se utilizó fue en estado polvo: polímero redispersable. Estos polímeros están encapsulados y cuando se ponen en contacto con el agua se liberan de la cápsula formando de nuevo el gel. En los morteros de reparación el único compuesto hidraúlico que hay es el cemento y es el principal constituyente hoy en día de los materiales de construcción. El cemento se obtiene por molienda conjunta de Clínker y yeso. El Clínker se obtiene por cocción de una mezcla de arcillas y calizas hasta una temperatura de 1450-1500º C por reacción en estado fundente. Para esta reacción se deben premachacar y homogeneizar las materias primas extraídas de la cantera. Son dosificadas en el horno con unas proporciones tales que cumplan con unas relación de óxidos tales que permitan formar las fases anhidras del Clínker C3S, C2S, C3A y C4AF. De la hidratación de las fases se obtiene el gel CSH que es el que proporciona al cemento de sus propiedades. Existe una norma (UNE-EN 197-1) que establece la composición, especificaciones y tipos de cementos que se fabrican en España. La tendencia actual en la fabricación del cemento pasa por el uso de cementos con mayores contenidos de adiciones (cal, puzolana, cenizas volantes, humo de sílice,…) con el objeto de obtener cementos más sostenibles. Otros componentes que influyen en las características de los morteros son: - Áridos. En el desarrollo de los morteros se suelen usar naturales, bien calizos o silícicos. Hacen la función de relleno y de cohesionantes de la matriz cementante. Deben ser inertes - Aditivos. Son aquellos componentes del mortero que son dosificados en una proporción menor al 5%. Los más usados son los superplastificantes por su acción de reductores de agua que revierte en una mayor durabilidad del mortero. Una vez analizada la composición de los morteros, la mejora tecnológica de los mismos está orientada al aumento de la durabilidad de su vida en obra. La durabilidad se define como la capacidad que éste tiene de resistir a la acción del ambiente, ataques químicos, físicos, biológicos o cualquier proceso que tienda a su destrucción. Estos procesos dependen de factores tales como la porosidad del hormigón y de la exposición al ambiente. En cuanto a la porosidad hay que tener en cuenta la distribución de macroporos, mesoporos y microporos de la estructura del hormigón, ya que no todos son susceptibles de que se produzca el transporte de agentes deteriorantes, provocando tensiones internas en las paredes de los mismos y destruyendo la matriz cementante Por otro lado los procesos de deterioro están relacionados con la acción del agua bien como agente directo o como vehículo de transporte del agente deteriorante. Un ambiente que resulta muy agresivo para los hormigones es el marino. En este caso los procesos de deterioro están relacionados con la presencia de cloruros y de sulfatos tanto en el agua de mar como en la atmosfera que en combinación con el CO2 y O2 forman la sal de Friedel. El deterioro de las estructuras en ambientes marinos se produce por la debilitación de la matriz cementante y posterior corrosión de las armaduras que provocan un aumento de volumen en el interior y rotura de la matriz cementante por tensiones capilares. Otras reacciones que pueden producir estos efectos son árido-álcali y difusión de iones cloruro. La durabilidad de un hormigón también depende del tipo de cemento y su composición química (cementos con altos contenidos de adición son más resistentes), relación agua/cemento y contenido de cemento. La Norma UNE-EN 1504 que consta de 10 partes, define los productos para la protección y reparación de estructuras de hormigón, el control de calidad de los productos, propiedades físico-químicas y durables que deben cumplir. En esta Norma se referencian otras 65 normas que ofrecen los métodos de ensayo para la evaluación de los sistemas de reparación. En la segunda parte de esta Tesis se hizo un diseño de experimentos con diferentes morteros poliméricos (con concentraciones de polímero entre 0 y 25%), tomando como referencia un mortero control sin polímero, y se estudiaron sus propiedades físico-químicas, mecánicas y durables. Para mortero con baja proporción de polímero se recurre a sistemas monocomponentes y para concentraciones altas bicomponentes en la que el polímero está en dispersión acuosa. Las propiedades mecánicas medidas fueron: resistencia a compresión, resistencia a flexión, módulo de elasticidad, adherencia por tracción directa y expansión-retracción, todas ellas bajo normas UNE. Como ensayos de caracterización de la durabilidad: absorción capilar, resistencia a carbonatación y adherencia a tracción después de ciclos hielo-deshielo. El objeto de este estudio es seleccionar el mortero con mejor resultado general para posteriormente hacer una comparativa entre un mortero con polímero (cantidad optimizada) y un mortero sin polímero. Para seleccionar esa cantidad óptima de polímero a usar se han tenido en cuenta los siguientes criterios: el mortero debe tener una clasificación R4 en cuanto a prestaciones mecánicas al igual que para evaluar sus propiedades durables frente a los ciclos realizados, siempre teniendo en cuenta que la adición de polímero no puede ser elevada para hacer el mortero competitivo. De este estudio se obtuvieron las siguientes conclusiones generales: - Un mortero normalizado no cumple con propiedades para ser clasificado como R3 o R4. - Sin necesidad de polímero se puede obtener un mortero que cumpliría con R4 para gran parte de las características medidas - Es necesario usar relaciones a:c< 0.5 para conseguir morteros R4, - La adición de polímero mejora siempre la adherencia, abrasión, absorción capilar y resistencia a carbonatación - Las diferentes proporciones de polímero usadas siempre suponen una mejora tecnológica en propiedades mecánicas y de durabilidad. - El polímero no influye sobre la expansión y retracción del mortero. - La adherencia se mejora notablemente con el uso del polímero. - La presencia de polímero en los morteros mejoran las propiedades relacionadas con la acción del agua, por aumento del poder cementante y por lo tanto de la cohesión. El poder cementante disminuye la porosidad. Como consecuencia final de este estudio se determinó que la cantidad óptima de polímero para la segunda parte del estudio es 2.0-3.5%. La tercera parte consistió en el estudio comparativo de dos morteros: uno sin polímero (mortero A) y otro con la cantidad optimizada de polímero, concluida en la parte anterior (mortero B). Una vez definido el porcentaje de polímeros que mejor se adapta a los resultados, se plantea un nuevo esqueleto granular mejorado, tomando una nueva dosificación de tamaños de áridos, tanto para el mortero de referencia, como para el mortero con polímeros, y se procede a realizar los ensayos para su caracterización física, microestructural y de durabilidad, realizándose, además de los ensayos de la parte 1, mediciones de las propiedades microestructurales que se estudiaron a través de las técnicas de porosimetría de mercurio y microscopia electrónica de barrido (SEM); así como propiedades del mortero en estado fresco (consistencia, contenido de aire ocluido y tiempo final de fraguado). El uso del polímero frente a la no incorporación en la formulación del mortero, proporcionó al mismo de las siguientes ventajas: - Respecto a sus propiedades en estado fresco: El mortero B presentó mayor consistencia y menor cantidad de aire ocluido lo cual hace un mortero más trabajable y más dúctil al igual que más resistente porque al endurecer dejará menos huecos en su estructura interna y aumentará su durabilidad. Al tener también mayor tiempo de fraguado, pero no excesivo permite que la manejabilidad para puesta en obra sea mayor, - Respecto a sus propiedades mecánicas: Destacar la mejora en la adherencia. Es una de las principales propiedades que confiere el polímero a los morteros. Esta mayor adherencia revierte en una mejora de la adherencia al soporte, minimización de las posibles reacciones en la interfase hormigón-mortero y por lo tanto un aumento en la durabilidad de la reparación ejecutada con el mortero y por consecuencia del hormigón. - Respecto a propiedades microestructurales: la porosidad del mortero con polímero es menor y menor tamaño de poro critico susceptible de ser atacado por agentes externos causantes de deterioro. De los datos obtenidos por SEM no se observaron grandes diferencias - En cuanto a abrasión y absorción capilar el mortero B presentó mejor comportamiento como consecuencia de su menor porosidad y su estructura microscópica. - Por último el comportamiento frente al ataque de sulfatos y agua de mar, así como al frente de carbonatación, fue más resistente en el mortero con polímero por su menor permeabilidad y su menor porosidad. Para completar el estudio de esta tesis, y debido a la gran importancia que están tomando en la actualidad factores como la sostenibilidad se ha realizado un análisis de ciclo de vida de los dos morteros objeto de estudio de la segunda parte experimental.In recent years, the extended use of repair materials for buildings and structures made the development of repair mortars more and more technical. In the development of these mortars by producers, the use of polymers in the formulations is a key point, because sometimes this use is not justified when looking to the performance/price/application as a whole. This thesis is an exhaustive study to justify the use of these mortars as a response to the current growing demand for structural repair. The thesis is classified in three parts:The first part is the study of the state of the art of mortars and their constituents.In ancient times, widely used mortars were based on lime and gypsum. The Greeks and Romans developed the concept of lime mortars, introducing components such as pozzolans, hydraulic limes and marble dust as aggregates, giving very similar concrete mortars to the ones used currently. In the middle Age and Renaissance, the technology developed by the Romans was lost, due to the extensive use of stone in the civil, religious and defensive constructions. It was not until the 19th century, when J. Aspdin discovered the current cement as the main hydraulic compound. Finally in the 20th century, with the appearance of molecules such as styrene, melanin, vinyl chloride and polyester, the industry began to develop polymers which were added to the binder to form special "composites".The use of polymers in cementitious matrixes give properties to the mortar such as adhesion, Currently, the result of the polymer synthesis (polivynilacetate, styrene-butadiene, vynilacrylic and epoxy resins) is that mortars have increased resistance to water attack and therefore, they increase their durability since all reactions of deterioration are minimised (ice, humidity, biological attack,...). In the present study the polymer used was redispersible polymer powder. These polymers are encapsulated and when in contact with water, they are released from the capsule forming a gel.In the repair mortars, the only hydraulic compound is the cement and nowadays, this is the main constituent of building materials. The current trend is centered in the use of higher contents of additions (lime, pozzolana, fly ash, silica, silica fume...) in order to obtain more sustainable cements. Once the composition of mortars is analyzed, the technological improvement is centred in increasing the durability of the working life. Durability is defined as the ability to resist the action of the environment, chemical, physical, and biological attacks or any process that tends to its destruction. These processes depend on factors such as the concrete porosity and the environmental exposure. In terms of porosity, it be considered, the distribution of Macropores and mesopores and pores of the concrete structure, since not all of them are capable of causing the transportation of damaging agents, causing internal stresses on the same walls and destroying the cementing matrix.In general, deterioration processes are related to the action of water, either as direct agent or as a transport vehicle. Concrete durability also depends on the type of cement and its chemical composition (cement with high addition amounts are more resistant), water/cement ratio and cement content. The standard UNE-EN 1504 consists of 10 parts and defines the products for the protection and repair of concrete, the quality control of products, physical-chemical properties and durability. Other 65 standards that provide the test methods for the evaluation of repair systems are referenced in this standard. In the second part of this thesis there is a design of experiments with different polymer mortars (with concentrations of polymer between 0 and 25%), taking a control mortar without polymer as a reference and its physico-chemical, mechanical and durable properties were studied. For mortars with low proportion of polymer, 1 component systems are used (powder polymer) and for high polymer concentrations, water dispersion polymers are used. The mechanical properties measured were: compressive strength, flexural strength, modulus of elasticity, adhesion by direct traction and expansion-shrinkage, all of them under standards UNE. As a characterization of the durability, following tests are carried out: capillary absorption, resistance to carbonation and pull out adhesion after freeze-thaw cycles. The target of this study is to select the best mortar to make a comparison between mortars with polymer (optimized amount) and mortars without polymer. To select the optimum amount of polymer the following criteria have been considered: the mortar must have a classification R4 in terms of mechanical performance as well as in durability properties against the performed cycles, always bearing in mind that the addition of polymer cannot be too high to make the mortar competitive in price. The following general conclusions were obtained from this study: - A standard mortar does not fulfill the properties to be classified as R3 or R4 - Without polymer, a mortar may fulfill R4 for most of the measured characteristics. - It is necessary to use relations w/c ratio < 0.5 to get R4 mortars - The addition of polymer always improves adhesion, abrasion, capillary absorption and carbonation resistance - The different proportions of polymer used always improve the mechanical properties and durability. - The polymer has no influence on the expansion and shrinkage of the mortar - Adhesion is improved significantly with the use of polymer. - The presence of polymer in mortars improves the properties related to the action of the water, by the increase of the cement power and therefore the cohesion. The cementitious properties decrease the porosity. As final result of this study, it was determined that the optimum amount of polymer for the second part of the study is 2.0 - 3.5%. The third part is the comparative study between two mortars: one without polymer (A mortar) and another with the optimized amount of polymer, completed in the previous part (mortar B). Once the percentage of polymer is defined, a new granular skeleton is defined, with a new dosing of aggregate sizes, for both the reference mortar, the mortar with polymers, and the tests for physical, microstructural characterization and durability, are performed, as well as trials of part 1, measurements of the microstructural properties that were studied by scanning electron microscopy (SEM) and mercury porosimetry techniques; as well as properties of the mortar in fresh State (consistency, content of entrained air and final setting time). The use of polymer versus non polymer mortar, provided the following advantages: - In fresh state: mortar with polymer presented higher consistency and least amount of entrained air, which makes a mortar more workable and more ductile as well as more resistant because hardening will leave fewer gaps in its internal structure and increase its durability. Also allow it allows a better workability because of the longer (not excessive) setting time. - Regarding the mechanical properties: improvement in adhesion. It is one of the main properties which give the polymer to mortars. This higher adhesion results in an improvement of adhesion to the substrate, minimization of possible reactions at the concrete-mortar interface and therefore an increase in the durability of the repair carried out with mortar and concrete. - Respect to microstructural properties: the porosity of mortar with polymer is less and with smaller pore size, critical to be attacked by external agents causing deterioration. No major differences were observed from the data obtained by SEM - In terms of abrasion and capillary absorption, polymer mortar presented better performance as a result of its lower porosity and its microscopic structure. - Finally behavior against attack by sulfates and seawater, as well as to carbonation, was better in the mortar with polymer because of its lower permeability and its lower porosity. To complete the study, due to the great importance of sustainability for future market facts, the life cycle of the two mortars studied was analysed.

An inverse optimization strategy to determine single crystal mechanical behavior from polycrystal tests: Application to AZ31 Mg alloy

An inverse optimization strategy was developed to determine the single crystal properties from experimental results of the mechanical behavior of polycrystals. The polycrystal behavior was obtained by means of the finite element simulation of a representative volume element of the microstructure in which the dominant slip and twinning systems were included in the constitutive equation of each grain. The inverse problem was solved by means of the Levenberg-Marquardt method, which provided an excellent fit to the experimental results. The iterative optimization process followed a hierarchical scheme in which simple representative volume elements were initially used, followed by more realistic ones to reach the final optimum solution, leading to important reductions in computer time. The new strategy was applied to identify the initial and saturation critical resolved shear stresses and the hardening modulus of the active slip systems and extension twinning in a textured AZ31 Mg alloy. The results were in general agreement with the data in the literature but also showed some differences. They were partially explained because of the higher accuracy of the new optimization strategy but it was also shown that the number of independent experimental stress-strain curves used as input is critical to reach an accurate solution to the inverse optimization problem. It was concluded that at least three independent stress-strain curves are necessary to determine the single crystal behavior from polycrystal tests in the case of highly textured Mg alloys.

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

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