Desarrollo de nuevos materiales cementicios multifuncionales

(English) This doctoral thesis focuses on the development of multifunctional cementitious materials, combining structural strength with self-sensing capabilities through piezoresistivity, as well as integrating deformation energy dissipation through auxetic structures. The research explores the integration of conductive and structural fibers in cementitious matrices, coupled with the use of advanced manufacturing techniques such as 3D printing and the use of flexible silicones to obtain molds with complex architectures. The objective is to obtain cementitious materials that in addition to possessing structural capacity, have added function capabilities. It is expected that these materials can be used in buildings with self-monitoring, damage prevention, stress sensing pavements, structural elements with higher impact resistance and energy dissipation capabilities. The research begins with an exhaustive bibliographic review, from which the most promising materials have been selected to achieve the proposed objectives. The experimental campaign and data treatment/analysis have been defined. The work continues with the realization of the planned experiments, the analysis of the results, the optimization of the composition and properties of the new cementitious materials, the development of prototypes testing the potential applications. From the achievements obtained in this doctoral thesis we have the following: the research and publication of a cementitious composite reinforced with recycled carbon fibers to obtain a piezoresistive conductive concrete, which presents a variation of the electrical conductivity with respect to the unitary deformation quite evident when the fiber addition contents are around 1% in volume. This makes it an ideal sustainable cementitious material for strain and/or stress detection. This publication can be found in the journal Construction and Building Materials. Another research focuses on the mechanical characterization of cellular auxetic cementitious cementitious composites (which achieve their auxeticity through the presence of ellipsoidal holes in their structure) reinforced with recycled steel fibers. This research successfully characterizes the influence of fiber content on the mechanical response to compression and deformation energy dissipation, while demonstrating the feasibility of using recycled resources. Within this same publication, a family of functions was presented that successfully fit the mechanical response curves (stress-strain, energy dissipated by deformation) that were obtained experimentally. This publication can be found in the Journal of Building Engineering. A third article achieved in this thesis deals with the development of a new type of piezoresistive concrete with auxetic capacity. This material, obtained by combining cellular auxetic cementitious cementitious composites and recycled carbon fibers, is capable of detecting deformations from very low to high levels. Its potential applications in structural monitoring are promising, and the results of this research have been published in Case Studies in Construction Materials. (Català) Aquesta tesi doctoral s'enfoca en el desenvolupament de materials de ciment multifuncional, integrant resistència estructural amb capacitats d'autodetecció mitjançant la piezoresistividad, a més d'afegir la capacitat de dissipació d'energia de deformació mitjançant els cossos auxètics. La investigació explora la integració de fibres conductores i estructurals en matrius cimentícies, això sumat a l'ús de tècniques de fabricació com la impressió 3D i l'ús de silicones flexibles per obtenir motlles amb arquitectures complexes. L'objectiu és obtenir materials de ciment que, a més de posseir la capacitat estructural, tinguin capacitats de funció afegida. S'espera que aquests materials puguin ser utilitzats en edificis amb automonitorització, per a prevenció de danys, paviments que siguin capaços de detectar esforços, elements estructurals amb més resistència a impacte i capacitat de dissipar energia. El treball comença amb una revisió bibliogràfica exhaustiva, d'on s'han seleccionat els materials més prometedors per assolir els objectius plantejats. S'ha definit la campanya experimental i el tractament/anàlisi de dades. El treball continua amb la realització dels experiments planificats, l'anàlisi dels resultats, l'optimització de la composició i les propietats dels nous materials de ciment, el desenvolupament de prototips testejant les aplicacions potencials. Dels èxits obtinguts en aquesta tesi doctoral es té el següent: s'ha aconseguit abordar en la investigació i publicació d'un compost cementici reforçat amb fibres de carboni reciclades per obtenir un formigó conductor piezoresitivo, el qual presenta una variació de la conductivitat elèctrica respecte a la deformació unitària força evident quan els continguts d'addició. Això ho converteix en un material cimentici sostenible ideal per a detecció de deformacions i/o esforços. Aquesta publicació es troba a la revista Construction and Building Materials. Una altra investigació aborda la caracterització mecànica de compostos cementicis auxètics cel·lulars (els quals aconsegueixen la seva auxeticitat mitjançant la presència de forats el·lipsoïdals a la seva estructura) reforçats amb fibres d'acer reciclat. Aquesta investigació aconsegueix caracteritzar amb èxit la influència del contingut de fibra en la resposta mecànica a compressió i dissipació denergia de deformació, al mateix temps que deixa en evidència la viabilitat de lús de recursos reciclats. Dins aquesta mateixa publicació es va presentar una família de funcions que aconsegueix ajustar-se amb èxit a les corbes de resposta mecànica (Esforç-deformació, Energia dissipada per la deformació) que es van obtenir de forma experimental. Aquesta publicació es troba a Journal of Building Engineering. Un tercer article aconseguit en aquesta tesi aborda el desenvolupament d'un nou tipus de formigó piezoresistiu amb capacitat auxètica. Aquest material, obtingut mitjançant la combinació de compostos cementicis auxètics cel·lulars i fibres de carboni reciclades, és capaç de detectar deformacions des de nivells molt baixos fins a alts. Les seves aplicacions potencials en el monitoratge estructural són prometedores, i els resultats d'aquesta investigació han estat publicats a Case Studies in Construction Materials. (Español) Esta tesis doctoral se enfoca en el desarrollo de materiales cementicios multifuncionales, integrando resistencia estructural con capacidades de autodetección mediante la piezoresistividad, además de agregar la capacidad de disipación de energía de deformación mediante los cuerpos auxéticos. La investigación explora la integración de fibras conductoras y estructurales en matrices cementicias, esto sumado al empleo de técnicas de fabricación como la impresión 3D y el uso de siliconas flexibles para obtener moldes con arquitecturas complejas. El objetivo es obtener materiales cementicios que además de poseer la capacidad estructural, tengan capacidades de función añadida. Se espera que estos materiales puedan ser utilizados en edificios con auto-monitorización, para prevención de daños, pavimentos que sean capaces de detectar esfuerzos, elementos estructurales con mayor resistencia a impacto y capacidad de disipar energía. El trabajo empieza con una exhaustiva revisión bibliográfica, de donde se han seleccionado los materiales más prometedores para alcanzar los objetivos planteados. Se ha definido la campaña experimental y el tratamiento/análisis de datos. El trabajo continúa con la realización de los experimentos planificados, el análisis de los resultados, la optimización de la composición y las propiedades de los nuevos materiales cementicios, el desarrollo de prototipos testeando las aplicaciones potenciales. De los logros obtenidos en esta tesis doctoral se tiene lo siguiente: se ha logrado abordar en la investigación y publicación de un compuesto cementicio reforzado con fibras de carbono recicladas para obtener un hormigón conductor piezoresistivo, el cual presenta una variación de la conductividad eléctrica con respecto a la deformación unitaria bastante evidente cuando los contenidos de adición de fibra son alrededor del 1% en volumen. Esto lo convierte en un material cementicio sostenible ideal para detección de deformaciones y/o esfuerzos. Esta publicación se encuentra en la revista Construction and Building Materials. Otra investigación aborda la caracterización mecánica de compuestos cementicios auxéticos celulares (los cuales logran su auxeticidad mediante la presencia de agujeros elipsoidales en su estructura) reforzados con fibras de acero reciclado. Esta investigación logra caracterizar con éxito la influencia del contenido de fibra en la respuesta mecánica a compresión y disipación de energía de deformación, al mismo tiempo que deja en evidencia la viabilidad del uso de recursos reciclados. Dentro de esta misma publicación se presentó una familia de funciones que logra ajustarse con éxito a las curvas de respuesta mecánica (Esfuerzo-deformación, Energía disipada por la deformación) que se obtuvieron de forma experimental. Esta publicación se encuentra en Journal of Building Engineering. Un tercer artículo logrado en esta tesis aborda el desarrollo de un nuevo tipo de hormigón piezoresistivo con capacidad auxética. Este material, obtenido mediante la combinación de compuestos cementicios auxéticos celulares y fibras de carbono recicladas, es capaz de detectar deformaciones desde niveles muy bajos hasta altos. Sus aplicaciones potenciales en la monitorización estructural son prometedoras, y los resultados de esta investigación han sido publicados en Case Studies in Construction Materials.