Materiales compuestos eléctricamente conductores con residuos incorporados y materias primas secundarias

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 9023 (2023) Citar este artículo

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Los compuestos de silicato tienen una conductividad muy baja en general. Es posible lograr una disminución de la resistividad eléctrica agregando un relleno electroconductor. La mezcla conductora consta de aglutinante cementoso, varios tipos de arena de sílice y rellenos conductores a base de grafito. Uno de los focos de investigación es la sustitución parcial de materias primas ordinarias por componentes alternativos (subproductos de materiales de desecho y materias primas secundarias) y su influencia en las propiedades de los compuestos. Los componentes alternativos estudiados fueron cenizas volantes como reemplazo parcial del aglutinante, grafito residual de dos fuentes diferentes y virutas de acero como sustituto del relleno conductor. La resistividad de especímenes a base de silicato conductivo curado se analizó en relación con los cambios en las propiedades físico-mecánicas en el contexto de cambios microestructurales en la matriz cementicia endurecida (mediante microscopía óptica y electrónica de barrido con análisis de dispersión de energía). Se encontró que la sustitución parcial del cemento por cenizas volantes reducía la resistividad eléctrica del material compuesto. Algunos de los rellenos de grafito de desecho reducen significativamente la resistividad del compuesto de cemento y aumentan la resistencia a la compresión. Se demostró que es posible reemplazar los rellenos conductores primarios por materias primas secundarias.

Los materiales compuestos son uno de los materiales de construcción más progresistas. Estos materiales se utilizan en todas las ramas de la industria. Su mayor ventaja es la capacidad de modificar propiedades directamente para el propósito de uso dado. Estas propiedades se pueden modificar utilizando diferentes tipos y combinaciones de matrices y rellenos1,2. La matriz forma la denominada fase continua del material y afecta principalmente a las propiedades físicas y mecánicas, resistencia química, conductividad térmica, resistencia al fuego y otras de todo el material compuesto3. Las matrices son en su mayoría basadas en silicatos, polímeros o geopolímeros4. Para la mayoría de los materiales compuestos, los rellenos reducen significativamente el precio del material y afectan aún más la densidad aparente, la conductividad eléctrica, la absorbencia, etc.5,6.

Un material compuesto eléctricamente conductor se puede definir como un material compuesto que contiene una cantidad suficiente de componentes eléctricamente conductores para lograr una conductividad eléctrica estable y relativamente alta. La conductividad eléctrica está relacionada con la resistividad o resistencia, es un valor inverso. Para materiales sólidos, podemos dividir la conductividad eléctrica en conductividad interna y superficial. La conductividad interna está relacionada con la estructura, cantidad y naturaleza de los componentes conductores utilizados, mientras que la conductividad eléctrica superficial depende principalmente del contenido de agua del material.

La conductividad de los materiales compuestos depende de la movilidad de los electrones. Los materiales a base de cemento suelen tener una resistividad de 6,5·105 a 11,4·105 Ω·cm7, por lo que se puede decir que ni siquiera son buenos conductores como el cobre, que tiene una resistividad de aproximadamente 1,7·10–8 Ω·cm8 , ni buen aislante (por ejemplo, teflón con resistividad aproximada de 1015 a 1020 Ω·cm)9. Al agregar componentes conductores como hollín, grafito, carbón y fibras de acero, su resistividad puede reducirse significativamente mientras se mantienen buenas propiedades mecánicas10.

La clave de la excelente electroconductividad del material compuesto es la creación de una red perfectamente conductora de la electricidad en su estructura. Cuanto más fuerte es esta red conductora, mayor es la conductividad eléctrica del material. Esto también está asociado con la fuerza máxima de corriente eléctrica que puede atravesarlo. Una vez que la estructura conductora interconectada está intacta en el material compuesto, la resistencia del propio material se reduce significativamente, este límite se denomina umbral de percolación, y el resultado es que la posterior adición del material ya no afecta la resistividad11. La red conductora de electricidad puede estar mejor hecha de materiales que sean conductores y tengan una forma acicular y alargada gracias a los cuales pueden transferir fácilmente la corriente eléctrica a través de una matriz no conductora en distancias más largas, como nanotubos de carbono, fibras de acero, etc. El problema ocurre cuando estos componentes aciculares no están en contacto directo. por lo tanto, es adecuada una combinación de utilizar varios tipos de elementos conductores o aumentar su proporción en el material. Además, la conductividad del material compuesto se ve afectada principalmente por la densidad, el contenido de las cavidades de aire, la orientación direccional del relleno o los cables, así como su dispersión en el material compuesto. Conductividad eléctrica (principio, redes internas y estructuras).

El paso de una carga eléctrica puede ocurrir en materiales compuestos conductores a través de una línea de contacto directo, un túnel o línea de salto y una línea de iones. Los electrones pasan a través de los elementos conductores del material (relleno conductor), mientras que los iones provienen de la masa de la matriz, que aquí actúa como electrolito. Además, la conducción de electrones es efectiva para fibras de acero y rellenos de carbono como fibras de carbono, nanotubos/nanofibras de carbono y hollín7,12,13.

El mecanismo de conducción eléctrica real de los materiales compuestos conductores es inherentemente un sistema muy complejo. Los siguientes tipos de conductividad coexisten en el material compuesto y están interrelacionados. La relación entre la resistencia eléctrica de corriente continua y el tiempo puede indicar qué tipo de conductividad eléctrica (la línea de túnel, la línea de salto y la línea de iones) domina en el material compuesto. Cuando la conducción de iones es dominante, la resistencia eléctrica de CC obviamente aumenta con el tiempo de medición debido al efecto de polarización; mientras tanto, la resistencia eléctrica de la corriente alterna es constante. Además, la relación corriente-voltaje puede proporcionar una indicación de si la conductividad eléctrica del material compuesto se debe a un túnel/salto o al contacto directo de rellenos conductores adyacentes. La relación entre la corriente lineal y el voltaje indica que el contacto directo de los rellenos conductores adyacentes es el mecanismo conductor dominante. En cambio, el salto de conductividad induciría una relación no lineal entre corriente y voltaje en la conductividad eléctrica de este compuesto1,14.

Todas las propiedades electroconductoras del compuesto están directamente relacionadas con la naturaleza y propiedades del relleno y la matriz y las interacciones entre ellos, por lo que es la forma más sencilla de verificar estas propiedades a través de experimentos.

Los compuestos conductores se pueden dividir en dos tipos, compuestos de fibra conductora y compuestos que contienen un relleno conductor. En la práctica, sin embargo, su combinación se usa con mayor frecuencia para lograr efectos sinérgicos.

Los compuestos conductores reforzados con fibra exhiben propiedades mecánicas mejoradas, como la resistencia a la compresión y la tracción. Por otro lado, pueden ocurrir áreas con conductividad reducida debido al bajo contacto de fibra a fibra, que no conectan la red eléctricamente conductora, creando un "callejón sin salida" entre los materiales conductores como las fibras de carbono y acero.

Los compuestos que contienen rellenos conductores muestran una mayor conductividad con un valor de resistencia de 10 a 30 Ω·cm, pero tienen una resistencia a la compresión relativamente baja (menos de 25 MPa) que depende de la cantidad y el tipo de relleno. Debido a la gran superficie específica de estos rellenos, también se requiere un mayor contenido de agua durante la mezcla para compensar la absorción por agregados conductores como el grafito, el hollín o el coque. Un aumento en el coeficiente de agua conduce a una disminución significativa en la resistencia a la compresión.

El mayor potencial para el uso de compuestos conductores se encuentra en estructuras civiles. Gracias a la capacidad de detectar tensiones internas, deformaciones, grietas y daños, el hormigón de detección en sí mismo puede reemplazar los sensores o detectores integrados o conectados, que son una desventaja debido al alto costo, la baja vida útil, el volumen de detección limitado y la degradación.

Los rellenos con un alto contenido de carbono (superior al 90 %), como el hollín, se utilizan con mayor frecuencia como rellenos conductores de electricidad15, polvo de carbono (grafito)16, microsílice17, fibras de carbono18, nanotubos de carbono19 y nanopartículas como el grafeno20. La diferente estructura de las formas individuales de carbono se basa en su disposición molecular. Algunas opciones de diseño se pueden ver en la Fig. 1. La combinación de rellenos esféricos eléctricamente conductores con tubos de aguja demostró ser la más efectiva. Dado que estos rellenos suelen reducir significativamente la resistencia a la compresión y a la tracción, es apropiado combinarlos aún más con fibras de acero, que también contribuyen a la reducción de la resistividad del material21.

Estructura de la modificación de carbono (a) grafito; (b) fulleren; (c) grafeno; (d) nanotubos (imagen del autor).

La creciente conciencia ambiental y social está obligando a la industria de la construcción a poner mayor énfasis en el medio ambiente y la sostenibilidad de los materiales desarrollados. También tiene como objetivo promover el consumo adecuado de los recursos naturales, el reciclaje y la reutilización de materiales de desecho y materias primas. Las materias primas secundarias son una parte importante de la base de materias primas para la mayoría de los tipos de industria. Gracias al uso de materias primas secundarias es posible reducir el consumo de materias primas primarias, que en la mayoría de los casos no son renovables22. Las materias primas secundarias reemplazan igualmente y al mismo tiempo facilitan los procesos tecnológicos en la producción de diversos materiales, reduciendo así la demanda energética y material de los productos23.

Como materia prima secundaria se puede considerar cualquier material que haya dejado de ser residuo o no lo sea en absoluto. La materia prima secundaria sirve como insumo para la producción y reemplaza a la materia prima primaria. Suelen tener el carácter de subproductos de la producción que han cumplido las condiciones y criterios para su uso posterior. Según su origen, las materias primas secundarias se pueden dividir en: subproductos, residuos tratados, materiales obtenidos de productos sujetos a devolución y otros productos al final de su vida útil, materias primas de entrada no utilizadas y materiales entregados para un nuevo uso. Las materias primas secundarias utilizadas en la construcción incluyen, por ejemplo: cenizas volantes de alta temperatura, humo de sílice, escoria de alto horno, escoria de acero.

Las materias primas secundarias en la producción de materiales compuestos eléctricamente conductores se pueden utilizar como reemplazo parcial del cemento, reemplazo de los agregados o como reemplazo parcial de los rellenos. Las materias primas secundarias adecuadas como reemplazo de parte del cemento, que también pueden mejorar las propiedades eléctricas del compuesto, son las cenizas volantes de alta temperatura. Las propiedades y composición de las cenizas volantes son variables y dependen de la composición del carbón quemado, la tecnología y el proceso de combustión. Debido a su composición, la ceniza volante se considera una puzolana tecnogénica y contribuye a las resistencias a largo plazo de la matriz de cemento y, gracias al contenido de carbono residual, también aumenta las propiedades conductoras de electricidad24. Las cenizas volantes mejoran aún más la resistencia a ambientes químicamente agresivos, la resistencia al agua a presión y reducen el desarrollo de calor de hidratación para su uso en estructuras masivas25. Como sustituto de los áridos, es conveniente utilizar materiales con la fracción adecuada y preferiblemente con propiedades mecánicas similares. Las materias primas con un alto contenido de carbono son particularmente adecuadas como reemplazo parcial del relleno conductor. Por ejemplo, el grafito de desecho, que se forma durante la producción de grafito primario, es adecuado para reemplazar el relleno eléctricamente conductor. Además, se pueden utilizar materias primas conductoras a base de hierro, cobre u otros materiales conductores26.

En términos de sustentabilidad ambiental, las materias primas como el cemento y el polvo de grafito son un problema importante y también contribuyen significativamente al costo del compuesto en sí. La mayoría de los estudios y proyectos de investigación utilizan principalmente polvos de carbón primario o mezclas de diferentes fracciones. El objetivo de este estudio es examinar los beneficios potenciales del uso de residuos y materias primas alternativas para compuestos conductores de electricidad. Determinar su compatibilidad con la matriz, especificar los beneficios pero también las desventajas del uso de estas materias primas.

La composición de la mezcla compuesta electroconductora se basa en una mezcla de referencia verificada de investigaciones anteriores. Se utiliza cemento (CEM I 42.5 R) como aglomerante. El relleno estaba compuesto por una mezcla de arenas silíceas y caliza micromolida. Como relleno conductor se utilizaron polvos de grafito de diferente naturaleza, que posteriormente fueron sustituidos parcialmente por residuos de grafito y aserrín. Además, se utilizó un superplastificante para lograr una consistencia adecuada27.

Se optó por el cemento Portland local CEM I 42,5 R (según EN 197-128). Las principales propiedades se muestran en la Tabla 1.

Agregado según EN 1262029: agregado adecuado para hormigón. Es una mezcla de tres tipos de arenas de sílice con una fracción de 0,1 a 4,0 mm. Las propiedades básicas de las arenas se muestran en la Tabla 1.

Caliza micromolida VBS 40 (nombre comercial del producto). Se utilizó piedra caliza como relleno fino para modificar la consistencia de la mezcla. Las propiedades básicas de la piedra caliza se enumeran en la Tabla 1.

Superplastificante hidroreductor “Stachement 2180.1” en forma líquida, a base de policarboxilato según norma EN 934-130.

Es ceniza de carbón, que se produjo a una temperatura de 1200–1700 °C en la planta de calefacción. Cenizas volantes Se eligió Arcelor-Mittal (AM) debido a la mayor pérdida por recocido (22 %) en comparación con las cenizas volantes de hormigón convencionales, que tienen una pérdida máxima por calcinación del 5 % (según EN 450–1: Cenizas volantes para hormigón: Parte 1: Definición, especificaciones y criterios de conformidad31). El aumento del contenido sin quemar en las cenizas volantes puede reducir potencialmente la resistividad eléctrica. Una mayor pérdida por ignición también puede afectar negativamente la durabilidad del compuesto, un factor que se considerará en futuras investigaciones. A modo de comparación, se determinó que la resistividad de las cenizas volantes con una pérdida por recocido de menos del 5 % está en el rango de 6·105 a 2,2·106 Ω·cm, mientras que las cenizas volantes AM alcanzan una resistividad de 2,1·104 Ω·cm al 22,2% de pérdida por recocido.

Las cenizas volantes generalmente se componen de fases cristalinas y amorfas y consisten en partículas esféricas. Las cenizas volantes en sí no tienen propiedades hidráulicas. Sin embargo, cuando se mezcla con hidróxido de calcio, reacciona para formar productos similares a los que se forman cuando se hidrata el cemento Portland. Se seleccionó la ceniza volante debido a su alta pérdida de recocido y su efecto potencial en la mejora de las propiedades de conductividad32. Las propiedades clave de las cenizas volantes se indican en la Tabla 1, las propiedades adicionales en la Tabla 2.

Los polvos de grafito con un alto contenido de carbono, que también se utilizaron en investigaciones anteriores, se utilizaron como rellenos primarios. Los rellenos de grafito utilizados tienen diferentes propiedades, tamaño de grano, forma, absorbencia, etc. Las propiedades seleccionadas de los rellenos de grafito se muestran en las Tablas 1 y 327.

El polvo de grafito PG-C tiene granos tipo escamas. Este grafito es natural con un contenido de carbono del 99,5%. El tamaño de grano es de hasta 0,4 mm. Los parámetros de este grafito se encuentran en las Tablas 1 y 3.

El polvo de grafito PG-F es grafito natural de grano muy fino. Según el fabricante, este grafito tiene propiedades electroconductoras mejoradas gracias a una superficie modificada por nanopartículas, ver Fig. 3b. Este grafito está compuesto por un 99,5% de carbono. El tamaño de partícula es de hasta 6 μm. Los principales parámetros de este grafito se encuentran en las Tablas 1 y 3.

Este tipo de polvo de grafito de desecho es una mezcla de polvos finos de grafito. Es el material procedente del desempolvado de los equipos, donde se combinan diversas mezclas de lubricantes y se aspiran algunos de los componentes del equipo en forma de polvo (especialmente grafito) para que este polvo no contamine la zona de trabajo del equipo. operador. Es principalmente grafito fino (hasta un tamaño de partícula promedio de aproximadamente 10 micras), con la posibilidad de una cantidad mínima de otros polvos, como partículas de celulosa, vidrio de agua, sosa.

Este es el polvo de grafito de desecho que se aspira de los pisos de las salas de producción donde se producen los rellenos de grafito primario antes mencionados. Por lo tanto, se compone de varios tipos de grafito y también existe la posibilidad de contaminación por polvo u otras partículas extrañas (por ejemplo, polvo de la calle, suciedad traída por los empleados, suciedad de carretillas elevadoras y equipos de manipulación similares, etc.).

Estas virutas de acero se producen como producto de desecho del corte y fresado de productos metalúrgicos. Estas partículas están formadas por fibras planas y más largas que se enrollan en partículas esféricas de 1,0 a 5,0 mm de tamaño. Las virutas de acero son un desperdicio de la construcción y el acero estructural. Debido a su composición y propiedades electroconductoras potenciales, se seleccionaron como una posible materia prima secundaria adecuada para la formación de compuestos electroconductores. La desventaja de esta materia prima es que en la producción de este material se utiliza un lubricante, que debe eliminarse antes del procesamiento posterior. La eliminación de este lubricante se hará con un detergente en agua, en el cual se lavan estas virutas y luego se enjuagan con agua limpia justo antes de agregarlas a la mezcla.

Las propiedades de los polvos de grafito de desecho y las virutas de acero se muestran en las Tablas 1 y 3.

La gran área de superficie específica de los polvos de grafito da como resultado una capacidad de absorción que, posteriormente, aumenta la trabajabilidad de la mezcla. Como resultado, la mezcla requiere una mayor cantidad de agua de amasado, lo que posteriormente aumenta la porosidad de la masa resultante y afecta negativamente la densidad del material, lo que está relacionado con la menor conductividad eléctrica del material.

La figura 2 muestra la comparación de las curvas en S del tamaño de grano de los materiales utilizados. Para materiales con granos inferiores a 1 mm se utilizó un Malvern Mastersizer 2000 (con unidad de dispersión húmeda; agente dispersante propan-2-ol; la dispersión de partículas se realizó mediante una unidad de sonicación). Para materiales con granulometría superior a 1 mm (Arena 1,6/4), la curva de distribución se determinó mediante el método del tamiz según la norma EN 933–133. Estos materiales también fueron verificados en investigaciones anteriores utilizando la misma metodología. Los materiales de entrada se presentan en macrofotografías en la Fig. 3 (la distancia de las marcas es de 1 mm) y microfotografías en la Fig. 327.

Curva granulométrica de los materiales utilizados.

La microestructura de las partículas de relleno: (a) partículas PG-C (b) partículas PG-F (c) partículas WG-GF (d) partículas WG-HF (e) virutas de acero, (f) partículas de ceniza volante AM.

Como se puede ver en la Fig. 3, las partículas de grafito se basan en grupos de átomos de carbono apilados en laminillas aromáticas hexagonales. Según el fabricante, el PG-F se declara como grafito con conductividad eléctrica modificada, su superficie está modificada con nanopartículas que se pueden ver en la Fig. 3b.

El tamaño, el tipo de partículas y su superficie específica afectarán la consistencia de la mezcla. El objetivo es crear una red eléctricamente conductora perfectamente conectada a partir de estos rellenos. Cuanto mejor conectada esté esta red, más estable será el flujo de corriente. Debido a esto, se eligieron rellenos con un tipo diferente de partículas.

El compuesto se basa en una base de silicato, se utiliza cemento Portland como aglutinante, piedra caliza micromolida y una mezcla de arena con un tamaño de grano de hasta 4 mm se utiliza como relleno. La curva agregada se compiló según Fuller. Se agregaron dos tipos principales de grafito PG-C y PG-F como medio conductor. Se añadió un plastificante para mantener la consistencia apropiada de la mezcla. La mezcla se humedeció hasta la misma consistencia de 150 ± 10 mm según EN 1015-334. La figura 4 muestra la composición de la mezcla de referencia y las mezclas que incluyen el material compuesto conductor de referencia. Sus principales propiedades (con relleno conductor fino y grueso) se indican en la Tabla 4.

Composición de la mezcla para la verificación de la resistividad del material compuesto, cantidad en % en peso: (a) mezcla basal; (b) mezcla con el relleno conductor.

El composite de referencia alcanza una resistencia de 50 MPa después de 7 días. Esta mezcla base ha sido diseñada para ser física y mecánicamente resistente para garantizar propiedades mecánicas adecuadas incluso después de la incorporación de rellenos electroconductores. La curva de tamaño de grano agregado se compiló de acuerdo con las curvas ideales de Fuller.

Posteriormente, se sustituyó parcialmente el cemento CEM I 42.5 R por cenizas volantes de alta temperatura en la cantidad de 20%, 30% y 40% wt.

La ceniza volante AM de alta temperatura con una mayor pérdida por recocido (más del 5%) fue elegida como sustituto del cemento. Las cenizas volantes se usan comúnmente como un reemplazo parcial del cemento en las mezclas de concreto. La dosis habitual para uso normal está en el rango del 15-35% de la reposición en peso de cemento. La composición detallada de las mezclas para verificar la posibilidad de sustitución parcial del cemento se indica en la Tabla 5.

Se han propuesto polvos de grafito de desecho como un reemplazo parcial de los rellenos conductores primarios. Estos son residuos de grafito WG-GF y WG-HF, estos rellenos de grafito pueden mejorar las propiedades electroconductoras, especialmente mediante la distribución diversa de partículas, y reducir significativamente el consumo de rellenos conductores primarios, lo que tendría un impacto significativo en el impacto económico y ambiental de estos materiales. Entre otros sustitutos alternativos, se ha propuesto la viruta de acero, que también ha sido ensayada como sustituto de los áridos.

Se han propuesto sustituciones del 30% y 50% en volumen. Ambas variantes se probarán en los tres tipos de reemplazos y se probarán para el compuesto de relleno fino PG-C, así como para el compuesto de relleno grueso PG-C, que han sido identificados como compuestos base. La composición de las mezclas se da en las Tablas 6 y 7.

Con base en investigaciones previas, se determinó la densidad aparente, el área superficial específica, el tamaño de grano y de partícula, la absorbencia y la resistividad de las materias primas utilizadas. En el caso de las materias primas, también se determinó el tipo de partículas mediante microscopios. Se verificaron las propiedades físicas y mecánicas de los compuestos, especialmente la resistencia a la tracción por flexión después de la flexión y la resistencia a la compresión después de 28 días. Además, se determinó la resistividad de los compuestos y finalmente se analizaron las estructuras mediante un microscopio óptico con filtros polarizadores y un microscopio electrónico de barrido.

La densidad aparente se estableció utilizando la norma EN 1097-329.

La densidad volumétrica se determinó mediante métodos picnométricos en alcohol técnico de acuerdo con la norma EN 1097-631.

La gravedad específica se determinó utilizando un picnómetro AccuPyc II 1340 de helio. Este método picnométrico utiliza gases inertes como el helio o el nitrógeno para determinar el peso específico.

Para materiales con un tamaño de grano superior a 1 mm, la curva de distribución se determinó mediante análisis de tamiz de acuerdo con la norma EN 933-133 en un juego de tamices estandarizados.

Para materiales con un tamaño de partícula inferior a 1 mm, la curva de distribución se compiló mediante análisis de difracción láser en el dispositivo Malvern Mastersizer 2000 según la norma EN ISO 1332035.

La superficie específica de los materiales se determinó mediante el método BET según la norma EN ISO 927736.

Debido a la alta superficie específica de los rellenos electroconductores, su absorbencia se determinó utilizando un equipo de medición con un embudo Büchner de acuerdo con la norma EN 1305537. La absorción de agua se denota como WA(t), donde "t" representa el tiempo, la muestra se dejado saturado. Según investigaciones previas, en la medición se utilizó el mismo tiempo t = 5 min27.

La resistividad de las materias primas de entrada se determinó de la misma forma que en la investigación anterior, ya que no está determinada por la norma. Se tuvo en cuenta la simplicidad y la repetibilidad de la medición. Las celdas de medición se produjeron mediante impresión 3D y posteriormente se equiparon con electrodos para la medición de la resistividad. Posteriormente, se determinó la resistividad del material27.

El dispositivo preparado (ver Fig. 5) con electrodos se llenó parcialmente hasta aproximadamente el 90% de su capacidad con el material. La muestra se comprimió posteriormente a la presión de 100 N mediante una prensa (presión 1,67 N/mm2). Utilizando un dispositivo de medición de mesa GW Instek LCR-6020 se estableció la impedancia del material y posteriormente se calculó la resistividad a partir de ella. La misma metodología también fue utilizada en investigaciones previas27.

(a) Detalle de los electrodos; (b) El dispositivo de medición con una muestra durante la medición de la resistividad de un polvo de grafito al aplicar una presión de 100 N sobre la muestra.

Basado en investigaciones anteriores, el dispositivo para medir la impedancia fue creado por una impresora 3D utilizando un PETG de plástico no conductor. La celda de medición tiene 10 mm de ancho, 60 mm de largo y 50 mm de profundidad. Se insertaron dos electrodos opuestos en el dispositivo, con una separación de 60 mm, que luego de la compresión del material se unieron a un dispositivo de medición (ver Fig. 5b). CC.

La consistencia se determinó de acuerdo con la norma EN 1015-3 Parte 3: Determinación de la consistencia del mortero fresco (por tabla de flujo)34. El derrame requerido fue de 150 ± 10 mm.

Los materiales se homogeneizaron en seco durante 2 min. Después de eso, se agregó agua con un aditivo plastificante. A continuación, la mezcla se vertió en moldes de 40 × 40 × 160 (mm) según la norma EN 196-138 y se densificó en la mesa de vibración. Las muestras de prueba para la determinación de la resistividad se ajustaron con electrodos separados 12 cm en la mezcla fresca. Para las pruebas de resistencia a la flexión, tracción y compresión, se crearon muestras sin electrodos. Posteriormente, las muestras se colocaron en un medio acuático, donde se curaron durante 7 a 28 días27.

La determinación de la resistividad de los especímenes de prueba se llevó a cabo utilizando metodología siguiendo investigaciones previas. Primero, se determinó la impedancia de las muestras y luego se convirtió en resistividad. Durante la producción de las muestras de prueba, se incorporaron electrodos de cobre (Fig. 6a), ubicados a una distancia de 120 mm entre sí, ver Fig. 6b. Los electrodos estaban hechos de alambre de cobre con un diámetro de 2,5 mm27.

Determinación de resistividad: (a) un detalle del electrodo de cobre para medir la resistividad en especímenes de prueba y verificar el contacto total del electrodo con la matriz de material compuesto; (b) un espécimen de prueba para medir la resistividad.

La resistividad se midió después de 28 días en muestras saturadas con agua. Posteriormente, las muestras se secaron lentamente en un ambiente de laboratorio durante 90 días. Durante el secado, se pesaron las muestras y se controló su resistividad. Al alcanzar un peso constante, las muestras se secaron a 105 ± 2 °C según la norma ČSN EN ISO 1257027.

Las ventajas de esta medición de resistividad incluyen el contacto directo del material con los electrodos y el bajo riesgo de pérdida de contacto del material debido a una gran cantidad de cambios de material.

La porosidad de las muestras de prueba se determinó por la relación entre la densidad aparente y el peso específico, medido en muestras molidas ultrafinas y utilizando un picnómetro de helio AccuPyc II 1340.

Las propiedades físico-mecánicas se determinaron en especímenes de prueba después de 28 días de curado. La resistencia a la tracción por flexión se determinó según la norma EN 12390-539 y la resistencia a la compresión según la norma EN 12390-427,40.

La superficie de las partículas de los materiales utilizados y la estructura interna de los compuestos se analizó mediante un microscopio electrónico de barrido. Se utilizó un cañón de electrones equipado con un cátodo con un filamento de tungsteno bajo un voltaje de 15 kV. El análisis de la estructura interna de pastas de cemento y composites se realizó sobre superficies de fractura.

El análisis de dispersión de energía de la radiación de rayos X característica es un método no destructivo diseñado para determinar la composición local del material27.

Se controló la dispersión de partículas de relleno en la sección transversal del material para las muestras o en las superficies de fractura. Se utilizó un filtro polarizador para diferenciar las partículas de carbono. Este filtro permite una clara diferenciación de las partículas de carbono orientadas espacialmente en la matriz porque tienen un índice de refracción diferente27.

Se propuso una reposición del 20, 30 y 40% del volumen de cemento, es decir, aproximadamente 15, 25 y 35% en peso. El efecto de la sustitución parcial de cemento por cenizas volantes a alta temperatura sobre la resistividad del compuesto se determinó después de 7 y 28 días en estado saturado y seco. Los resultados se muestran en las siguientes Figs. 7 y 8.

Efecto de la sustitución del cemento por cenizas volantes sobre la resistividad de los compuestos después de 7 días.

Efecto de la sustitución por cenizas volantes de cenizas volantes sobre la resistividad de los compuestos después de 28 días.

Para las muestras con reemplazo parcial de cemento por cenizas volantes de alta temperatura, la resistividad de los nuevos compuestos en estado saturado disminuyó significativamente después de 7 días. En estado seco, solo se observa una disminución significativa para los compuestos que contienen un tipo de relleno grueso, ver Fig. 7.

Cuando se miden muestras saturadas, la determinación de la resistencia específica se ve significativamente afectada por el contenido de agua de la muestra, pero la disminución de la resistencia específica sigue siendo notable.

Después de 28 días de curado, la resistividad de todos los compuestos aumentó, consulte la Fig. 8. La resistividad determinada en muestras saturadas después de 28 días copia la tendencia de la resistividad determinada después de 7 días en estado saturado, la resistividad aún se ve afectada por la cantidad de agua contenida en la muestra, en estado seco también hay tendencias similares en comparación con la resistividad después de 7 días.

Con base en los resultados anteriores, se puede decir que las cenizas volantes de alta temperatura con mayores pérdidas por recocido son una materia prima secundaria adecuada para reducir la resistencia de los compuestos basados ​​en aglutinantes de silicato.

De acuerdo con los resultados dados anteriormente, la sustitución del cemento por cenizas volantes es más eficaz para los materiales compuestos con un tipo de relleno grueso en términos de reducción de la resistividad, véanse las Figs. 9 y 10. Para el composite con relleno fino, los valores de resistencia después de 28 días en estado seco disminuyeron aproximadamente un 30% para los composites con relleno grueso, esta disminución es superior en aproximadamente un 60%. A medida que aumenta el porcentaje de reemplazo de cemento por cenizas volantes hasta un 30%, las resistencias de las muestras disminuyen significativamente. La disminución de la resistividad es más pronunciada para las muestras saturadas de agua con un mayor contenido de cenizas volantes. Esto puede deberse a la diferente composición química de las cenizas volantes y el aglomerante de cemento. Las cenizas volantes contienen (basado en análisis químicos) una mayor proporción de cuarzo que de silicio (el silicio es un semiconductor conocido), así como una pequeña cantidad de algunos metales (por ejemplo, cromo, plomo, molibdeno, bario) y también sales inorgánicas en la cantidad de 1380ml/l. Las sales inorgánicas se disuelven en contacto con la humedad y forman un electrolito, creando un entorno ideal para la electrólisis. Este hallazgo se corresponde con lo descrito por Philathottathil en su obra41. Las sales inorgánicas, cuando se disuelven en agua, se escinden en cationes cargados positivamente y aniones cargados negativamente. Este fenómeno se llama disociación electrolítica. La estructura de poros llena de un electrolito (una solución acuosa de compuestos unidos iónicamente) tiende a comportarse como un mejor conductor en comparación con una estructura de poros llena de agua sin sales disociadas. Después de que las muestras se hayan secado, estos caminos electrolíticos resultantes se interrumpen, los poros llenos de agua se liberan y se crea un espacio vacío después de ellos. Como resultado, la resistividad de las muestras de grafito de grano grueso PG-C aumentó significativamente debido a la falta de proximidad a las superficies de los granos individuales del relleno conductor. Por otro lado, en el caso de muestras con un relleno de grano más fino, existe una clara tendencia a la disminución de la resistividad con el secado de la muestra. En el caso de muestras con un relleno conductor de grano fino, la red de conductividad es tan densa que el agua intersticial dificulta la transferencia de electrones entre los granos individuales. La dosis óptima de cemento sustituido por cenizas volantes es del 30% en términos de resistividad (tanto para muestras saturadas como secas).

Efecto de la sustitución de cemento por cenizas volantes sobre la resistividad a los 7 días en comparación con los composites de referencia (REF).

Efecto de la sustitución de cemento por cenizas volantes sobre la resistividad a los 28 días en comparación con los composites de referencia (REF).

La sustitución parcial del cemento por cenizas volantes de alta temperatura aumenta ligeramente la porosidad del material y, en consecuencia, reduce la densidad aparente del compuesto. Esto puede deberse principalmente a la hidratación más lenta de las cenizas volantes y al carácter esférico y cavernoso de las partículas. Los poros no se llenan de productos de hidratación en la misma medida que en el caso de dosis de cemento superiores. La porosidad aumenta con el aumento de la dosis de cenizas volantes a alta temperatura, véase la Fig. 11.

El efecto de la sustitución parcial del cemento por cenizas volantes a alta temperatura sobre la densidad aparente y la porosidad del compuesto.

La resistencia a la tracción por flexión y la resistencia a la compresión se probaron en especímenes de 40 × 40 × 160 (mm). Estas propiedades mecánicas se controlaron después de 28 días en estado saturado. Los resultados son visibles en los gráficos. 12, 13, 14 y 15.

Efecto de la sustitución del cemento por cenizas volantes sobre la resistencia a la tracción por flexión de los compuestos después de 28 días.

Efecto de la sustitución del cemento por cenizas volantes sobre la resistencia a la tracción por flexión de los composites después de 28 días en comparación con los composites de referencia (REF).

Efecto del reemplazo de cemento por cenizas volantes sobre la resistencia a la compresión del compuesto después de 28 días.

Efecto de la sustitución del cemento por cenizas volantes sobre la resistencia a la compresión de los composites a los 28 días en comparación con los composites de referencia (REF).

Como se puede ver arriba, la resistencia a la tracción por flexión disminuye con el aumento del reemplazo parcial del cemento por cenizas volantes de alta temperatura, estas diferencias pueden ser causadas por un crecimiento lento en la resistencia causado por las cenizas volantes.

La reducción de la resistencia a la compresión es como la resistencia a la tracción por flexión afectada por el aumento lento de la resistencia causado por el reemplazo del componente aglutinante con cenizas volantes42.

La sustitución del cemento por cenizas volantes disminuye la resistencia después de 28 días (aproximadamente 50%), véanse las Figs. 13 y 15. Esta disminución de la fuerza se debe al lento aumento de la fuerza que es típico de las cenizas volantes. Mientras que el cemento se comporta según el modelo de Powers43. Según esta teoría, la fuerza surge de dos tipos generales de enlaces cohesivos: atracción física entre superficies sólidas y enlaces químicos; y está básicamente relacionado con el estado coloidal del producto mayoritario de las reacciones entre el cemento Portland y el agua, y con la concentración espacial de este producto (gel de cemento)43. El cemento portland hidratado con un contenido mineral típico de clínker de C3S y C2S produce alrededor de 20 a 25% en peso de Ca(OH)2, debido a esto, el cemento logra mayores resistencias a la tracción por flexión y resistencia a la compresión44. En comparación con el cemento, las cenizas volantes comienzan a reaccionar con Ca(OH)2 más tarde, pero cantidades significativas de Ca(OH)2 y cenizas volantes siguen sin reaccionar incluso después de 90 días de hidratación45,46. Los productos de reacción, principalmente (CSH), tienen una menor relación de CaO:SiO2 (c/s)45. Las propiedades mecánicas del composite con la sustitución del ligante por cenizas volantes están relacionadas con las condiciones de curado y el tiempo de curado, el cual se ralentiza por los hechos antes mencionados. Hasta que no se inicia la activación puzolánica de las cenizas volantes (según la Ref.47 se inicia aprox. a los 90 días), la resistencia del composite disminuye a medida que aumenta la cantidad de ligante sustituido48.

La resistividad se determinó en estado seco y saturado a los 7 y 28 días. Los resultados se muestran en las siguientes Figs. 16 y 17.

Efecto del reemplazo del relleno conductor primario sobre la resistividad compuesta después de 7 días.

Efecto del reemplazo del relleno conductor primario sobre la resistividad compuesta después de 28 días.

Después de 28 días en estado saturado y seco debido a reemplazos de 30% y 50% en volumen, los valores de resistividad cambiaron de acuerdo con el siguiente gráfico.

De los desechos probados, el grafito de desecho es adecuado como relleno sustituto. Las virutas de acero aumentan significativamente la resistividad, especialmente en el estado saturado de las muestras, véanse las Figs. 18 y 19.

Efecto de la sustitución primaria de grafito al 30% y al 50% sobre la resistividad después de 7 días en comparación con los compuestos de referencia (REF).

Efecto de la sustitución primaria de grafito al 30% y al 50% sobre la resistividad después de 28 días en comparación con los compuestos de referencia (REF).

Para un composite con un tipo de relleno fino (PG-F), el reemplazo de relleno más adecuado es 30% en volumen de WG-HF. Para composites con un tipo de relleno grueso (PG-C), lo más adecuado es un reemplazo del 50% por grafito residual WG-HF. Las virutas de acero en estado saturado y seco aumentan significativamente la resistividad. Ver figuras. 18 y 19, la causa se explica a continuación.

De acuerdo con la Fig. 20, la adición de virutas de acero logró una menor porosidad y una mayor densidad aparente del material. Esto se debe principalmente al carácter de las partículas, que tienen una baja absorción de agua y un área de superficie específica más baja que los rellenos de grafito primarios. Reemplazar los rellenos de grafito primarios con rellenos de desecho también reduce ligeramente la porosidad, principalmente debido a la menor absorción de los rellenos y la menor área de superficie específica. Esto también da como resultado un material más compacto que es más capaz de conducir la corriente eléctrica.

El efecto de la sustitución parcial de rellenos primarios sobre la densidad aparente y la porosidad del compuesto.

Las propiedades mecánicas se ensayaron después de 28 días en estado saturado. Los resultados son visibles en los gráficos. 21, 22, 23 y 24.

Efecto de la sustitución primaria de grafito sobre la resistencia a la tracción por flexión del material compuesto después de 28 días.

Efecto de la sustitución de grafito primario sobre la resistencia a la tracción por flexión del compuesto después de 28 días en comparación con los compuestos de referencia (REF).

Efecto de la sustitución primaria de grafito en la resistencia a la compresión después de 28 días.

Efecto de la sustitución de grafito primario sobre la resistencia a la compresión después de 28 días en comparación con los compuestos de referencia (REF).

En base a los resultados dados en las Figs. 21 y 22 anteriores, la variante óptima basada en la resistencia a la tracción por flexión para el material compuesto con un tipo de relleno fino es el reemplazo más adecuado por WG-GF en una cantidad del 50%, para el material compuesto con un tipo de relleno grueso el WG óptimo -Reemplazo de GF en la cantidad del 50%. En general, se puede afirmar que con la sustitución de rellenos primarios por residuos, la resistencia a la tracción por flexión disminuye.

La resistencia a la compresión se determinó después de 28 días y los resultados se muestran en las Figs. 23 y 24.

Se encontró que la sustitución de una parte del relleno primario por materias primas de desecho mejoró las propiedades físicas y mecánicas en la mayoría de los casos, lo que puede deberse a una distribución más adecuada de las partículas que complementan la curva granulométrica. Para el compuesto de tipo de relleno fino, el reemplazo no fue ventajoso en comparación con la disminución de la resistividad frente a la disminución de la resistencia.

Los rellenos de grafito de desecho, que reducen significativamente la resistividad del material compuesto y aumentan la resistencia a la compresión, han demostrado ser un reemplazo útil para los rellenos conductores primarios. El grafito residual WG-HF es el sustituto más adecuado para ambos tipos de composite. Para el compuesto con el tipo fino de relleno PG-F, debido a la sustitución del 30%, la resistividad disminuyó en un 60% en todo tipo de mediciones en comparación con la mezcla de referencia de materias primas primarias. En el compuesto con relleno de tipo grueso, el reemplazo más efectivo fue del 50%, en el que la resistividad seca se redujo hasta en un 92% después de 28 días. La única desventaja de este reemplazo es la disminución de la resistencia a la tracción por flexión, que ronda el 20%. El mecanismo de incorporación de grafito en la matriz de cemento fue descrito por Wang en su trabajo49. El grafito no contribuye a la hidratación del cemento portland, solo puede incidir en la cierta disminución del grado de hidratación del cemento y la basicidad de los hidrosilicatos de calcio50. El curso teórico de la hidratación de las partículas de cemento en la vecindad de las partículas de carbono se muestra en la Fig. 25.

Hidratación de la matriz de cemento con un relleno de carbón: (a) mezcla de los materiales de entrada; (b) el comienzo de la hidratación del cemento; (c) formación secuencial de las fases AFt y CSH y CH; (d) consolidación y estabilización de CSH, fases CH, formación de fases AFm.

El hecho de que el relleno de grafito sea inerte y no entre en reacciones de hidratación es claramente evidente a partir de las imágenes del microscopio electrónico (Fig. 26). Las plaquetas individuales de una sola capa salen claramente de la pasta de cemento hidratada que las recubre.

Imágenes detalladas de la incorporación y dispersión del filler carbónico en la matriz de cemento (a) PG-F; (b) PG-C.

Los componentes individuales del aglutinante no separan perfectamente las partículas de grafito (ver Fig. 27), creando así una oportunidad para la formación de rutas de líneas eléctricas. Los componentes de relleno se seleccionan para ser conductores o semiconductores en términos de conductividad. Aquí se puede utilizar conductividad electrónica o de huecos. Se demostró una buena permeabilidad de los caminos de conductividad al reducir la resistividad de las muestras mediante el relleno conductor a base de grafito utilizado.

Distribución de componentes individuales del material compuesto en la estructura, (a) PG-F; (b) PG-C.

La incorporación de cargas a base de partículas de acero trae consigo fenómenos negativos, como una pasivación insuficiente de la carga que conduce a su corrosión por el paso de la corriente eléctrica a través de la muestra. (ver figura 28). Zhang51 describió cómo se produce la corrosión electroquímica del acero en una matriz de cemento. La velocidad de corrosión se puede controlar mediante la reacción parcial del ánodo o del cátodo, o ambas al mismo tiempo. La reacción del ánodo tiene lugar durante la oxidación del propio metal. La catódica (despolarización) tiene lugar como parte de la reducción del componente oxidante de la solución.

Imágenes detalladas de la incorporación y dispersión de virutas de acero en el composite: (a) imagen detallada de las virutas de acero en la matriz; (b) Imagen macroscópica de virutas dispersas en el composite.

La capa superficial de óxido en los cátodos dificulta el movimiento de los electrones y, por lo tanto, aumenta la resistividad de la masa, lo que también se ha demostrado al probar la resistividad de muestras con virutas de acero como relleno conductor.

En este estudio se demostró que para lograr una conductividad eléctrica adecuada, es posible utilizar como rellenos conductores no solo materias primas primarias, sino también residuos o materias primas secundarias.

El uso de cenizas volantes de alta temperatura AM, que se caracteriza por una mayor pérdida por ignición y la proporción de metales pesados ​​y sales inorgánicas, ha llevado a una reducción significativa de la resistividad. Se ha demostrado que el uso de este tipo de cenizas volantes, que no se pueden utilizar para materiales de construcción comunes, conduce a una mejora en las propiedades electroconductoras del compuesto a una dosis del 20%. El uso de cenizas volantes también es ventajoso desde el punto de vista ambiental. Su uso ahorra materias primas primarias, concretamente el clinker Portland, lo que contribuye a la reducción de la huella de carbono. La desventaja es una reducción de aproximadamente el 50 % de las resistencias a corto plazo (28 días) en comparación con los composites de referencia. Las cenizas volantes entran en las reacciones de hidratación de manera diferente en comparación con el clinker de Portland. Las cenizas volantes son conocidas por su hidraulicidad puzolánica y latente. Ayuda a reducir el calor de hidratación. El SiO2 amorfo entra en hidratación, que reacciona con los iones Ca2+ y el agua para formar la fase de hidrosilicato de calcio. El aumento de la resistencia es significativamente más lento en comparación con el clinker Portland y se puede suponer que los compuestos con cemento reemplazado por cenizas volantes alcanzarán resistencias comparables solo a la edad de aproximadamente 90 a 180 días. El estudio de las fortalezas a largo plazo será objeto de futuras investigaciones. Un efecto adverso de la adición de cenizas volantes a la mezcla es un aumento de la porosidad del material compuesto, que se debe en parte a una hidratación más lenta y, en particular, al carácter de las partículas con forma de pleosfera. La investigación ha demostrado que el uso de cenizas volantes como reemplazo del 20% del componente aglomerante y el reemplazo del grafito primario por materias primas secundarias es ventajoso en términos de reducción de la resistividad de los compuestos.

Una de las variantes de rellenos conductores que se han utilizado son las virutas de acero (residuos de la producción de metal creados durante el corte y pulido del acero estructural). Se ha encontrado que estos materiales no son adecuados para su uso en compuestos de matriz a base de silicato. La finura de las virutas en combinación con la superficie bastamente tratada de las partículas en contacto con la humedad del aire conduce a una corrosión electroquímica y/u oxidativa muy rápida, durante la cual se forma un óxido superficial muy fino. Por consiguiente, esta corrosión superficial impide la transmisión de electrones libres y corriente eléctrica.

Los rellenos de grafito de desecho se probaron como reemplazo de los rellenos primarios. El grafito residual WG-HF está compuesto por residuos de grafito, polvo e impurezas, que estaban suspendidos de los pisos de las salas de producción de la empresa. Se caracteriza principalmente por su finura, menor absorbencia y una amplia gama de tamaños de partículas. También se utilizó grafito residual WG-GF, que está compuesto por mezclas de polvos finos de grafito. Es un material de un dispositivo de eliminación de polvo en el que se mezclan varios lubricantes. Se ha demostrado que debido a la distribución adecuada del tamaño de las partículas, estos materiales de desecho logran una interconexión estructural más eficiente de la red electroconductora en comparación con los polvos de grafito primario solos. Los rellenos de grafito de desecho también mejoraron las propiedades físicas y mecánicas de los compuestos. Además, se ha encontrado que al mezclar partículas finas en materiales compuestos con un tipo de relleno grueso, su resistividad en estado seco puede reducirse significativamente, debido a la reducción de la distancia de los fragmentos potencialmente conductores en la masa.

Una de las desventajas de los polvos de grafito es su alta área superficial específica y absorbencia, estas propiedades provocan un aumento relativamente alto en la porosidad del material. En general, un material más compacto tiene mejores propiedades eléctricas siempre que contenga suficientes elementos conductores. Los rellenos de grafito de desecho brindan la ventaja de una absorción de agua significativamente menor que los polvos de grafito primario.

La humedad afecta significativamente la conductividad eléctrica de los compuestos de silicato. Las mayores diferencias se observan al utilizar un tipo de relleno grueso (después del secado) su resistividad aumenta hasta 10 veces. El fenómeno contrario se observó en compuestos con un tipo de relleno fino cuando la resistividad disminuyó aproximadamente 2 veces cuando el material se secó. Además, se verificó la posibilidad de rellenar composites con mezclas de grafito grueso y fino. El tipo fino de rellenos de grafito en compuestos de grafito primario grueso redujo significativamente la resistividad en estado seco.

De acuerdo con el análisis microestructural se determinó la coherencia entre la conductividad del compuesto y la forma y dimensiones del relleno conductor utilizado. Las partículas gruesas de grafito son menos capaces de propagar la carga eléctrica porque la distancia entre la superficie de cada partícula es mayor y la ruta conductora a menudo se daña. La distancia de estas partes también se ve afectada significativamente por el grado de hidratación del compuesto, donde se demostró que las muestras a base de grafito grueso lograron una resistividad significativamente mayor en estado seco después de 28 días de maduración que las muestras después de 7 días de maduración. En el caso del tipo fino de grafito no se ha registrado este fenómeno.

En este estudio se probó el posible uso de materiales alternativos de desecho como rellenos eléctricamente conductores para compuestos de silicato. También se investigó el efecto de la humedad y la hidratación del cemento sobre las propiedades conductoras de electricidad. Se ha probado que:

Las cenizas volantes a alta temperatura con mayor pérdida por ignición (más del 5 %) como reemplazo del aglutinante mejoran significativamente las propiedades conductoras de electricidad de los compuestos de silicato.

El grafito de desecho, debido a la diversidad natural del tamaño de las partículas, puede formar de manera más efectiva una red conductora interconectada eléctricamente más estable en la matriz del compuesto, mejorando así las propiedades conductoras de electricidad, y también mejorando ligeramente las propiedades físico-mecánicas.

Las virutas de acero no son adecuadas como cargas conductoras de electricidad. La finura de las partículas de acero, junto con la rugosidad de la superficie y la humedad, conduce a una corrosión electroquímica y/u oxidativa muy rápida, que forma un óxido en la superficie de las partículas que las aísla de la corriente eléctrica.

La humedad afecta significativamente las propiedades conductoras de electricidad de los compuestos, que pueden variar hasta diez veces.

La presencia de agua en compuestos con grafito grueso disminuye la resistividad, mientras que el agua en compuestos con relleno fino aumenta la resistividad.

El grado de hidratación del cemento afecta las propiedades conductoras de electricidad. Para el tipo compuesto con relleno grueso, la resistividad aumentó significativamente entre la medición a los 7 y 28 días. Para el tipo composite con relleno fino no se observó este fenómeno.

La investigación futura puede centrarse en la durabilidad y las propiedades físico-mecánicas de los materiales, especialmente para los compuestos con contenido de cenizas volantes que tienen una mayor pérdida por recocido. Otra posible dirección de la investigación es extender y refinar el efecto de la humedad, la temperatura y su combinación en las propiedades conductoras de electricidad.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

Kim, GM, Park, SM, Ryu, GU y Lee, HK Características eléctricas de vías conductoras jerárquicas en compuestos cementosos que incorporan CNT y fibra de carbono. cem. concr. compos. 82, 165–175. https://doi.org/10.1016/J.CEMCONCOMP.2017.06.004 (2017).

Artículo CAS Google Académico

Collinson, M., Stief, P., Dantan, J., Etienne, A. y Siadat, A. El efecto del tipo de procesamiento mecánico conductividad eléctrica y respuesta piezorresistiva de CNT y compuestos de grafito. Proceder CIRP 85, 314–320. https://doi.org/10.1016/j.procir.2019.10.001 (2019).

Artículo Google Académico

Zhu, H., Zhou, H. y Gou, H. Evaluación de la dispersión de fibra de carbono en materiales a base de cemento utilizando propiedades mecánicas, conductividad, coeficiente de variación de masa y microestructura. Constr. Construir. Mate. 266, 120891. https://doi.org/10.1016/J.CONBUILDMAT.2020.120891 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Lin, F., Bhatia, GS y Ford, JD Conductividades térmicas de resinas epoxi llenas de polvo. Aplicación J. polim. ciencia 49(11), 1901–1908. https://doi.org/10.1002/app.1993.070491105 (1993).

Artículo CAS Google Académico

Deng, L. et al. Preparación y propiedades piezorresistivas de mortero de cenizas volantes/escorias activado con álcali reforzado con fibra de carbono. Constr. Construir. Mate. 222, 738–749. https://doi.org/10.1016/J.CONBUILDMAT.2019.06.134 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Rovnaník, P., Kusák, I., Bayer, P., Schmid, P. y Fiala, L. Comparación de las propiedades eléctricas y de autodetección del cemento Portland y los morteros de escoria activada con álcali. cem. concr. Res. 118, 84–91. https://doi.org/10.1016/J.CEMCONRES.2019.02.009 (2019).

Artículo Google Académico

Wu, J., Liu, J. y Yang, F. Hormigón conductor compuesto trifásico para deshielo de pavimentos. Constr. Construir. Mate. 75, 129–135. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2014.11.004 (2015).

Artículo Google Académico

Saslow, WM Ley de Ohm: la corriente eléctrica es impulsada por la fem y limitada por la resistencia eléctrica. eléctrico Magn. Luz https://doi.org/10.1016/B978-012619455-5.50007-3 (2002).

Artículo Google Académico

Mo, X. et al. Piezoelectrettes para sensores y recolectores de energía portátiles. Nanoenergía https://doi.org/10.1016/J.NANOEN.2019.104033 (2019).

Artículo Google Académico

Belli, A., Mobili, A., Bellezze, T. & Tittarelli, F. Fibras de carbono/acero comerciales y recicladas para morteros de cemento reforzado con fibra con alta conductividad eléctrica. cem. concr. compos. 109, 103569. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2020.103569 (2020).

Artículo CAS Google Académico

García, Á., Schlangen, E., van de Ven, M. & Liu, Q. Conductividad eléctrica de morteros asfálticos que contienen fibras conductoras y rellenos. Constr. Construir. Mate. 23(10), 3175–3181. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2009.06.014 (2009).

Artículo Google Académico

Terashita, K., Tanaka, T., Nishimura, K. y Miyanami, K. Amasado continuo para materiales compuestos eléctricamente conductores y evaluación del estado de dispersión del relleno. Toro. Universidad Prefecto de Osaka. Ser. Un Ing. nacional ciencia 42(1), 51–67 (1993).

Google Académico

Yehia, SA y Tuan, CY Recubrimiento de concreto conductivo para deshielo de tableros de puentes. Materia ACI. J. 96(3), 382–390.

CAS Google Académico

Qin, Z., Wang, Y. y Mao, X. Desarrollo de hormigón eléctricamente conductor de grafito y aplicación en ingeniería de puesta a tierra. Nueva construcción. Mate. 11, 46–48 (2009).

Google Académico

Liu, Y. et al. Relaciones entre las propiedades eléctricas y la nanoestructura de partículas de hollín en una llama de difusión inversa laminar. proc. Combustión. Inst. 37(1), 1185–1192. https://doi.org/10.1016/J.PROCI.2018.06.090 (2019).

Artículo Google Académico

Wei, J., Zhang, Q., Zhao, L., Hao, L. y Nie, Z. Efecto de la humedad sobre las propiedades termoeléctricas en compuestos de cemento de fibra de carbono/grafito expandido. Cerámica. En t. 43(14), 10763–10769. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.05.088 (2017).

Artículo CAS Google Académico

Princigallo, A., Van Breugel, K. & Levita, G. Influencia del agregado en la conductividad eléctrica de los hormigones de cemento Portland. cem. concr. Res. 33(11), 1755–1763. https://doi.org/10.1016/S0008-8846(03)00166-2 (2003).

Artículo CAS Google Académico

Donnini, J., Bellezze, T. & Corinaldesi, V. Propiedades mecánicas, eléctricas y autosensibles de morteros cementosos que contienen fibras cortas de carbono. J. Construir. Ing. 20, 8–14. https://doi.org/10.1016/J.JOBE.2018.06.011 (2018).

Artículo Google Académico

Chung, DDL & Chung, DDL Fibras de carbono, nanofibras y nanotubos. En Carbon Composites 1–87 (Elsevier, 2017). https://doi.org/10.1016/B978-0-12-804459-9.00001-4.

Capítulo Google Académico

López-Pernía, C., Muñoz-Ferreiro, C., González-Orellana, C., Morales-Rodríguez, A. & Gallardo-López, R. P. Optimizing the homogenization technique for graphene nanoplatelet/yttria tetragonal zirconia composites: Influence on the microstructure and the electrical conductivity. J. Alloys Compd. 767, 994–1002. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.07.199 (2018).

Artículo CAS Google Académico

El-Dieb, AS, El-Ghareeb, MA, Abdel-Rahman, MAH & Nasr, ESA Concreto multiconductor eléctricamente conductor usando diferentes rellenos. J. Construir. Ing. 15, 61–69. https://doi.org/10.1016/J.JOBE.2017.10.012 (2018).

Artículo Google Académico

Melichar, T., Bydžovský, J. y Dufka, Á. Composites basados ​​en materias primas alternativas en condiciones de alta temperatura. Período. Politécnico. Ing. Civil 61(4), 911–919. https://doi.org/10.3311/PPci.9820 (2017).

Artículo Google Académico

Doušová, B. et al. Propiedades de adsorción de lodos de construcción para la protección del medio ambiente. Minerales 11(3), 1–10. https://doi.org/10.3390/min11030309 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Raja, RS, Manisekar, K. & Manikandan, V. Efecto del tamaño del relleno de cenizas volantes sobre las propiedades mecánicas de los compuestos de matriz polimérica. En t. J. min. Metal. mecánico Ing. 1(1), 34–38 (2013).

Google Académico

McCarter, W., Starrs, G. y Chrisp, T. Conductividad eléctrica, difusión y permeabilidad de los morteros a base de cemento Portland. cem. concr. Res. 30(9), 1395–1400. https://doi.org/10.1016/S0008-8846(00)00281-7 (2000).

Artículo CAS Google Académico

Fulham-Lebrasseur, R., Sorelli, L. & Conciatori, D. Desarrollo de hormigón y morteros eléctricamente conductores con inclusiones conductoras híbridas. Constr. Construir. Mate. 237, 117470. https://doi.org/10.1016/J.conbuildmat.2019.117470 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Černý, V., Yakovlev, G., Drochytka, R., Baránek, Š., Mészárosová, L., Melichar, J., Hermann, R. Impacto del carácter de las partículas de carbono en la resistividad eléctrica del material compuesto a base de cemento. Materiales 2021, 14. ISSN 1996–1944. doi: https://doi.org/10.3390/ma14247505

EN 197–1, Cemento - Parte 1: Composición, especificaciones y criterios de conformidad para cementos comunes. Comité Europeo de Normalización (CEN), Bruselas, Bélgica (2011).

EN 12620:2002+A1:2008: Áridos para hormigón. Comité Europeo de Normalización (CEN), Bruselas, Bélgica (2008).

EN 934–1: Aditivos para hormigón, mortero y lechada - Parte 1: Requisitos comunes. Comité Europeo de Normalización (CEN), Bruselas, Bélgica (2008).

EN 450–1: Cenizas volantes para hormigón. Parte 1: Definición, especificaciones y criterios de conformidad. Comité Europeo de Normalización (CEN), Bruselas, Bélgica (2012).

Drochytka, R., Černý, V. & Kulísek, K. El uso de cenizas volantes de antracita para la producción de hormigón celular tratado en autoclave. Adv. Mate. Res. 2012 (512–515), 3003–3006. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.512-515.3003 (2012).

Artículo CAS Google Académico

EN 933–1 Ensayos de las propiedades geométricas de los áridos. Parte 1: Determinación de la distribución del tamaño de las partículas. Método de tamizado. Comité Europeo de Normalización (CEN), Bruselas, Bélgica (2012).

EN 1015–3, Métodos de ensayo de morteros para mampostería. Parte 3: Determinación de la consistencia del mortero fresco (mediante tabla de flujo). Comité Europeo de Normalización (CEN), Bruselas, Bélgica (1999).

EN ISO 13320 Análisis del tamaño de partículas. Métodos de difracción láser. Comité Europeo de Normalización (CEN), Bruselas, Bélgica (2009).

EN ISO 9277, Determinación de la superficie específica de sólidos por adsorción de gases utilizando el método BET. Comité Europeo de Normalización (CEN), Bruselas, Bélgica (2010).

EN 13055, Áridos Ligeros. Comité Europeo de Normalización (CEN), Bruselas, Bélgica (2016).

EN 196–1 Métodos de ensayo del cemento. Parte 1: Determinación de la resistencia. Comité Europeo de Normalización (CEN), Bruselas, Bélgica (2016).

EN 12390–5, Ensayo de hormigón endurecido. Parte 5: Resistencia a la flexión de muestras de ensayo. Comité Europeo de Normalización (CEN), Bruselas, Bélgica (2019).

EN 12390–4 Ensayo de hormigón endurecido. Parte 4: Resistencia a la compresión. Especificación para máquinas de ensayo. Comité Europeo de Normalización (CEN), Bruselas, Bélgica (2019).

Pilathottathil, S., Kannan Kottummal, T., Thayyil, MS, Mahadevan Perumal, P. y Ambichi Purakakath, J. Electrolitos de gel líquido iónico injertado con sal inorgánica para supercondensadores de estado sólido eficientes: estudios electroquímicos y dieléctricos. J. Mol. Liq. 264, 72–79. https://doi.org/10.1016/J.MOLLIQ.2018.05.014 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Saloni, Singh, A., Jatin, Kumar, J., Parveen. (2020). Influencia de las cenizas volantes, el cemento y la arena de río molida en la resistencia a la compresión y la penetración de cloruro en el mortero. Materiales hoy: Actas, 33, 1690–1694. https://doi.org/10.1016/J.MATPR.2020.07.269

Potencias, TC Estructura y propiedades físicas de la pasta de cemento portland endurecido. Mermelada. Cerámica. Soc. 41, 1–6. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1958.tb13494.x (1958).

Artículo CAS Google Académico

Berry, EE, Hemmings, RT, Zhang, MH, Cornelious, BJ & Golden, DM Hidratación en aglutinantes de cenizas volantes de alto volumen. Materia ACI. J. 91, 382–389 (1994).

CAS Google Académico

Lam, L., Wong, YL & Poon, CS Grado de hidratación y relación gel/espacio de sistemas de cemento/ceniza volante de alto volumen. cem. concr. Res. 30(5), 747–756. https://doi.org/10.1016/S0008-8846(00)00213-1 (2000).

Artículo CAS Google Académico

Feldman, RF, Carette, GG & Malhotra, VM Estudios sobre el desarrollo de propiedades físicas y mecánicas de pastas de cemento de alto volumen de cenizas volantes±. cem. concr. compos. 12, 245–251 (1990).

Artículo CAS Google Académico

Fita, IC, Cruz, JM, Bouzón, N., Borrachero, MV & Payá, J. Monitoreo del efecto puzolánico de las cenizas volantes en morteros OPC mezclados por espectroscopía de impedancia eléctrica. Constr. Construir. Mate. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.125632 (2022).

Artículo Google Académico

Chajec, A. et al. Ingeniería de compuestos cementosos verdes modificados con cenizas volantes silíceas: comprensión de la importancia de las condiciones de curado. Constr. Construir. Mate. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.125209 (2021).

Artículo Google Académico

Wang, D., Wang, Q. & Huang, Z. Investigación sobre la mala fluidez de la pasta de cemento y grafito eléctricamente conductora: Experimento y simulación. Mater Design 169, 107679. https://doi.org/10.1016/J.MATDES.2019.107679 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Plugin, AA, Pluhin, OA, Kasyanov, VV, Dyomina, OI & Bondarenko, DO Composición conductora de electricidad penetrante a base de cemento Portland para la protección contra la electrocorrosión. Conducta. Mate. 28(1), 121–130. https://doi.org/10.15407/fm28.01.121 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Zhang, G. et al. Simulación numérica del mecanismo electroquímico de la corrosión de barras de refuerzo de acero en hormigón en condiciones climáticas naturales con temperatura y humedad variables en el tiempo. Constr. Construir. Mate. 306, 124873. https://doi.org/10.1016/J.CONBUILDMAT.2021.124873 (2021).

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Este trabajo fue financiado por la Fundación Checa para la Ciencia (proyecto No. 21-29680S) y por el Ministerio de Educación, Juventud y Deportes de la República Checa (proyecto No. FAST-J-23-8185).

Facultad de Ingeniería Civil, Instituto de Tecnología de Materiales y Componentes de Construcción, Universidad Tecnológica de Brno, Veveří 95, 602 00, Brno, República Checa

Simon Baranek, Vit Cerny, Rostislav Drochytka, Lenka Meszarosova y Jindrich Melichar

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RD y VC hizo un concepto de la investigación presentada y supervisó el manuscrito. SB y LM hizo el análisis formal y escribió el texto principal del manuscrito. SB y JM prepararon figuras y tablas. LM y VC realizaron el análisis de la microestructura. Todos los autores leyeron y aprobaron el manuscrito.

Correspondencia a Vit Cerny.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Baranek, S., Cerny, V., Drochytka, R. et al. Materiales compuestos eléctricamente conductores con residuos incorporados y materias primas secundarias. Informe científico 13, 9023 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36287-x

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Recibido: 28 diciembre 2022

Aceptado: 31 de mayo de 2023

Publicado: 03 junio 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36287-x

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