Nanotecnología aplicada al diseño de nuevos sistemas en base cemento autocompactantes y por impresión 3D en arquitectura
- Autores: Hugo Varela Recio
- Directores de la Tesis: Gonzalo Barluenga Badiola (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Alcalá ( España ) en 2023
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Mercedes del Río Merino (presid.), Javier Puentes Mojica (secret.), Miguel Prieto Rábade (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Arquitectura por la Universidad de Alcalá
- Materias:
- Enlaces
- Resumen
- español
El diseño de materiales avanzados en base cemento mediante nanotecnología es una alternativa excelente para dar respuesta al nuevo paradigma tecnológico abierto debido a la digitalización y robotización provocada por la entrada de la industria 4.0 en el sector de la construcción en Arquitectura. La fabricación digital se ha convertido en un nuevo modo de pensar la arquitectura mediante el uso y el conocimiento del material. Entre las diferentes formas de fabricación digital con materiales en base cemento, actualmente destacan dos tecnologías: sistemas autocompactantes (HAC) y sistemas por impresión en 3D con materiales en base cemento (3DP).
La mayor diferencia que encontramos entre ambas tecnologías es durante su ejecución. En el caso del HAC se presenta la necesidad de un molde que sostiene y da forma al material, mientras en 3DP destaca la ausencia de molde, adquiriendo su forma en la etapa de extrusión y manteniéndola tras esta. Sin embargo, ambas tecnologías encuentran su mayor problemática también en la puesta en obra con el material en fresco. En el HAC debido a su alta presión hidrostática en el encofrado y los problemas de fuga por su gran fluidez. En 3DP debido a su capacidad de ser extruido (extrudibilidad) y posteriormente de ser construido verticalmente (constructibilidad) capa a capa sin producir el colapso del elemento.
Un control riguroso de la reología del material en el momento inicial es fundamental para ejecutar estas tecnologías, controlando parámetros como el límite elástico inicial (a cortante y compresión), viscosidad, cohesión, módulo de rigidez y la evolución de estas en el tiempo. El uso de la nanotecnología (materiales de tamaño nanométrico) en este campo es una excelente manera de abordar los problemas reológicos presentes en ambas tecnologías, debido a su gran capacidad de modificación del material usando cantidades muy pequeñas. En este estudio se han utilizado distintos tipos de nanoarcillas (NC) y distintos modificadores de la viscosidad (VMAs) para ajustar las propiedades reológicas acordes a cada requerimiento tecnológico.
Para el análisis reológico y mecánico de las propiedades en fresco del material se han llevado a cabo diferentes tipos de ensayos experimentales en laboratorio adaptados a ambas tecnologías en cada una de las escalas del material. Los resultados obtenidos han sido analizados y discutidos para su publicación. En el caso del HAC, se realizo el diseño de pastas de cemento fluidas y análisis de los efectos y las sinergias de estos nanocomponentes, para luego aplicar estos efectos en escala hormigones, evaluando su efecto en la reducción de presión lateral en pared. Además, se propuso un modelo experimental que estudia la reducción de presión en encofrados. En el caso del 3DP, se diseñaron pastas de cemento y se evaluaron los efectos producidos por la nanotecnología en la extrudibilidad, para después aplicar estos efectos en escala morteros y evaluar la imprimibilidad y constructibilidad vertical del material.
Finalmente, los resultados de investigación obtenidos en esta tesis doctoral han sido, la publicación de 4 artículos en revistas indexadas de alto impacto (4 jCR-Q1) además de otro artículo que se encuentra en proceso de revisión (JCR-Q1). Cuatro participaciones orales en congresos internacionales con tres publicaciones indexadas (dos capítulos de libro y un artículo indexado en SJC-Q3), y un poster, junto con varias participaciones en congresos nacionales y locales con publicaciones asociadas. También, la publicación de un capítulo de libro sobre el contenido de la tesis doctoral en la editorial Springer, como fruto de un seminario en el máster MUPAAC de la Universidad de Alcalá (UAH). Asimismo, la realización de dos estancias internacionales en Francia y Reino Unido, financiadas por la UAH a través del programa de movilidad de PIF (2021 y 2022).
- English
Nanotechnology is an excellent alternative to answer the new technological paradigm of advanced cement-based materials as the digitalization and robotization of industry 4.0 in architecture. Digital fabrication has become increasingly a new way of thinking about architecture throughout the materials knowledge. Over the different types of digital fabrication two technologies can be highlighted: self-compacting systems (HAC) and 3D printing systems (3DP).
The highest difference between both technologies is in their cast in place.
HAC requires formwork to hold the material. Instead, 3DP do not need formwork, the material keep its form after being extruded. However, both technologies present execution issues when material is in the fresh state. HAC/SCC shows high hydrostatic pressure in the bottom of the formwork and possible paste leaks. On the other hand, 3DP presents difficulties to be extruded (extrudability) and then to build it up vertically (buildability) layer by layer without plastic collapse of the piece.
A rigorous and conscientious control of the rheology of the material at the initial moment is essential to execute these technologies controlling parameters as initial yield stress (shear and compression), viscosity, cohesion, young modulus and their evolution over time. The use of nanotechnology (nano-sized materials) in this field is being an excellent way to address the issues of both technologies due to its enormous capacity of material modification only by using low content. In this study, different types of nanoclays (NC) and different viscosity modifiers (VMAs) have been used to adjust the rheological properties according to each technological requirement.
Using several types of laboratory tests adapted to both technologies and to different scales of material have been carried out a rheological and mechanical experimental evaluation of the material fresh properties. The results obtained have been analysed and discussed for publication.
HAC/SCC study presents a design of fluid cement pastes and a evaluation of the effects and synergies of the nanocomponents. Later these effects were applied on a concrete scale to evaluate their effects on the reduction of lateral wall pressure. In addition, an experimental model about the pressure reduction in formwork was proposed. On the other hand 3DP research presents a design of cement pastes to evaluate the rheological effects produced by NC and VMAs on extrudability and structural build-up. After that, these effects were used to modify material in mortar scale to evaluate its printability and vertical buildability.
Research results obtained in this doctoral thesis have been: four articles in high-impact indexed journals (4 jCR-Q1), and another in the review process (JCR-Q1). Four oral communications in international congresses including three indexed publications (two book chapters and one article indexed in SJC-Q3), and one poster. Several participations in national and local congresses with associated publications. Besides, a book chapter about the doctoral thesis content in Springer, as a result of a seminar in the MUPAAC master at the University of Alcalá (UAH). Likewise, two international stays in France and the United Kingdom, founded by the UAH through the PIF mobility program (2021 and 2022).
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