Estudio y extensión de un modelo micromecánico trifásico para la caracterización ultrasónica de materiales compuestos

Abstract

La complejidad de los materiales compuestos como el hormigón, así como el auge de los materiales cementicios reforzados con fibras hace necesario profundizar en el estudio y el desarrollo de nuevos métodos de ensayos no destructivos. En este trabajo se plantea una metodología no destructiva por ultrasonidos para estimar las propiedades del compuesto a partir de las propiedades de sus materiales constituyentes. La metodología está basada en la aplicación de modelos micromecánicos, considerando la correlación que existe entre la velocidad ultrasónica y las componentes de rigidez y densidad del material compuesto. En esta memoria, se plantea la extensión de la formulación teórica del modelo micromecánico trifásico para materiales con N-fases. En base a este modelo se realiza un estudio teórico mediante simulaciones que nos permite analizar la influencia de las inclusiones de acero en morteros, evaluando características microestructurales como geometría, fracción de volumen y propiedades elásticas. Además, la consideración de la porosidad como una fase más, nos permite estudiar el comportamiento de la estructura porosa parcial o totalmente llena de agua. Para validar el modelo propuesto se han diseñado dos experimentos con probetas prismáticas normalizadas de mortero. En el primero de ellos se estudia la influencia de las inclusiones acero con diferentes geometrías y en el segundo se estudia la influencia del agua en la estructura porosa. En ambos casos se realizaron ensayos destructivos de porosidad abierta y ensayos no destructivos de ultrasonidos. La porosidad se determino según la metodología recomendada por la Rilem, mientras que en los ensayos no destructivos se midió la velocidad de las ondas ultrasónicas. En ambos casos se aplico el modelo micromecánico tetrafásico acoplado con las medidas de la velocidad longitudinal. Los resultados experimentales son comparados con las predicciones teóricas del modelo propuesto mostrando una buena correlación en los dos experimentos, con errores inferiores al 2%. The complexity of composite materials like concrete, as well as the increasing use of fiber reinforced cementicios materials into building industry make necessary to study and to develop new non-destructive testing methods. In this thesis a non-destructive methodology by ultrasounds to characterize cementitious materials have been proposed which take into account the microstructural properties of its constituent phases. The methodology is based on the application of a micromechanical model, considering the correlation that exists between the ultrasonic velocity and the components of rigidity and density of the composite material. In this work, the formulation of the three-phase micromechanic model has been generalized to materials with N-phases. From the formulations, a theoretical study has been made that allow us to analyze the influence of the steel inclusions in mortar, evaluating microstructural characteristics like the geometry, the volume fraction and the elastic properties of steel. In addition, the consideration of the porosity as another phase, allows us to study the behaviour of the porous structure which can be partial or totally full of water. In order to validate the proposed model two experiments with standardized prismatic mortar samples have been designed. In the first experiment, the influence of the steel inclusions with different geometries in mortar has been studied. The second experiment analyzes the influence of water in the porous structure. In both cases destructive testing of open porosity and non-destructive testing by ultrasounds were made. Porosity has been determined according to the methodology recommended by the Rilem Committee. Non-destructive testing has been made by means of the measurement of the ultrasonic velocity. The tetraphasic model has been applied in both cases to predict the behaviour of ultrasonic velocity from the microstructural properties. The experimental results are compared with the theoretical predictions of the proposed model showing a good correlation in both experiments, with errors less than 2%.