Desarrollo de hormigones conductores con adición de fibras de carbono recicladas

Abstract

Inside the studies of intelligent materials and considering concrete as one of the most building material used, getting new functionalities to him, would provide new uses and applications to the usual structural or facing purposes. Factor that would allow the material to evolve while maintaining its validity in new challenges that arise in infrastructure areas, such as the smart city, mobility, self-sensing of structures and other possible applications still to be developed. With this objective marked and introducing factors such as sustainability and medium-term industrialization, this thesis focuses on the use of recycled carbon fibers from products or processes, added to concrete, in order to modify its electrical properties and transform it, from one insulating material, to another with conductive properties. Therefore, based on previous studies, two concrete matrix are characterized with particular differences in the size of their aggregates. Both two matrix receive the addition of different types of carbon fiber recycled in different percentages. In a first phase, the study focuses on the characterization of the different basic properties of concrete, such as structural capacity and workability in fresh condition. The determination of electrical properties is added and established specific test typologies to evaluate, compare and analyze the effect of the different phases present in the material, on the electrical conductivity of all combinations of proposed mixes. Subsequently, focusing on the combinations of matrix, type and quantity of fiber with better conductive properties, deeper electrical characterization is done, contrasting it with associated functionalities such as the piezoelectric effect and the Joule effect. Functionalities that govern the self-sensing and self-heating of concrete applications such as the control of deformations of structures or pavements with de-icing effect. Finally, the material developed in a full-scale pilot test is applied, in which the functionality of self-heating is tested in an element of urban furniture by the company ESCOFET 1886 S.A., which has participated in the realization of this doctoral thesis inside the framework of the Industrial Doctoral Program of the Generalitat de Catalunya.

Dentro del ámbito de los materiales inteligentes y considerando el hormigón como uno de los principales materiales de la construcción, conseguir dotarle de nuevas funcionalidades le proporcionaría nuevos usos y aplicaciones a las meramente estructurales o de revestimiento habituales. Factor que permitiría evolucionar el material manteniendo su vigencia ante nuevos retos que se plantean en ámbitos de las infraestructuras, como la ciudad inteligente, movilidad, sensorización de estructuras y otras aplicaciones posibles todavía por desarrollar. Con este objetivo marcado e introduciendo factores como la sostenibilidad y una industrialización a medio plazo, esta tesis se centra en la utilización de fibras de carbono recicladas de productos o procesos, adicionadas al hormigón, con el fin de modificar sus propiedades eléctricas y transformarlo de un material aislante a otro con propiedades conductivas. Por ello y basándose en estudios previos, se caracterizan dos matrices de hormigón con marcadas diferencias en lo que refiere al tamaño de sus agregados, que reciben la adición de diferentes tipos de fibra de carbono recicladas en distintos porcentajes. En una primera fase, el estudio se centra en la caracterización de las diferentes propiedades básicas del hormigón, como la capacidad estructural o trabajabilidad en estado fresco, a la que se añade la determinación de las propiedades eléctricas a la vez que se establecen tipologías de ensayo específicos con los que poder evaluar, comparar y analizar el efecto de las diferentes fases presentes en el material en la conductividad eléctrica de todas las combinaciones de dosificaciones propuestas. Posteriormente, focalizándose en las combinaciones de matriz, tipo y cantidad de fibra con mejores propiedades conductivas, se profundiza en la caracterización eléctrica, contrastándola con funcionalidades asociadas como el efecto piezoeléctrico y el efecto Joule, funcionalidades que gobiernan la sensorización del hormigón y autocalentamiento en aplicaciones como el control de deformaciones de estructuras o pavimentos con efecto deshielo respectivamente. Finalmente se aplica el material desarrollado en una prueba piloto a escala real, en la que se testean la funcionalidad de autocalentamiento en un elemento de mobiliario urbano de la empresa ESCOFET 1886 S.A., que ha participado en la realización de esta tesis doctoral en el marco del Programa de Doctorado Industrial de la Generalitat de Catalunya