Nuevas técnicas de ensayos no destructivos basadas en ondas mecánicas para la valoración del daño en materiales cementicios

Abstract

[ES] En la actualidad, una gran cantidad de infraestructuras están compuestas de forma parcial o total de materiales cementicios, siendo el hormigón uno de los materiales cementicios más antiguos y utilizados en la construcción debido a su bajo coste, durabilidad y características mecánicas y estructurales. Pese a sus características, estos materiales están expuestos a diversas condiciones adversas del entorno y sufren procesos de deterioro que afectan a su integridad y seguridad. El reconocimiento de la integridad y seguridad en las estructuras cementicias ha implicado una extensa investigación y el desarrollo de diversas pruebas para verificar su calidad y estado. Mediante la destrucción de una muestra extraída de la estructura, en el caso de los ensayos destructivos (ED), o mediante la inspección de la estructura sin necesidad de dañarla o alterar sus propiedades, en el caso de los ensayos no destructivos (END). Existen multitud de técnicas END que tratan de caracterizar estas estructuras sin dañarlas, siendo la inspección mediante ultrasonidos una de las más utilizadas en materiales cementicios. Tradicionalmente estas técnicas ultrasónicas se basan en el estudio de las ondas longitudinales (P) y transversales (S), que permiten caracterizar una estructura mediante la realización de múltiples medidas. Sin embargo, existe otro tipo de ondas, formadas por la superposición de los desplazamientos de las partículas de las ondas P y S denominadas ondas guiadas, las cuales permiten inspeccionar una estructura de forma global a partir de una única medida, además de ser capaces de propagarse a grandes distancias manteniendo una buena relación señal-a-ruido en comparación a las ondas P y S. Dentro de las ondas guiadas más utilizadas para inspeccionar materiales cementicios, se encuentran las ondas de Rayleigh y las ondas de Lamb. Las ondas de Rayleigh se propagan en estructuras de gran espesor, mientras que las ondas de Lamb se propagan en placas. Las ondas de Lamb presentan una naturaleza dispersiva y multimodal. Su naturaleza dispersiva implica que las velocidades de fase y grupo de estas ondas depende de la frecuencia, mientras que la naturaleza multimodal implica que existen cada vez más modos de propagación conforme aumenta la frecuencia de excitación. Se pueden excitar y detectar selectivamente los distintos modos de Lamb mediante la incidencia oblicua, es decir, variando la inclinación del transmisor y el receptor. Para ello, existen distintas técnicas de acoplamiento que permiten la incidencia oblicua, como el acoplamiento por cuñas sólidas, el acoplamiento por agua y el acoplamiento por aire. La presente tesis se ha centrado en el estudio de nuevas técnicas de END basadas en ondas guiadas para caracterizar diferentes tipos de daño en los materiales cementicios. Para ello, se han llevado a cabo un número considerable de medidas experimentales basadas en distintas técnicas de acoplamiento para la generación y captación de ondas guiadas. Inicialmente se han analizado materiales homogéneos como los metales, para, posteriormente, utilizar el conocimiento adquirido en dichos materiales y estudiar materiales más heterogéneos como los cementicios. Se han evaluado diferentes tipos de técnicas de acoplamiento junto con diferentes tipos de transductores. Los materiales cementicios se han inspeccionado mediante ondas guiadas ultrasónicas con dos tipos de daño: la carbonatación, estudiando el efecto con probetas de dos capas de mortero, y el envejecimiento de fibras en placas de cemento reforzado con fibra de vidrio (GRC). Se ha demostrado que las ondas guiadas son sensibles a estos daños, obteniendo resultados esperanzadores. Concretamente, las ondas de Rayleigh se han utilizado en el daño por carbonatación debido a su sensibilidad a capas superficiales de degradación, mientras que en el envejecimiento de fibras se han utilizado las ondas de Lamb, por su sensibilidad a defectos a lo largo

[CA] En l'actualitat, una gran quantitat d'infraestructures estan formades totalment o parcialment de materials cementants. El formigó és un dels materials cementants més antics i utilitzats en la construcció degut al seu preu, la seua durabilitat i les seues característiques mecàniques i estructurals. Malgrat la seua durabilitat i característiques, aquests materials estan exposats a diverses condicions adverses de l'entorn i pateixen processos de deterioració que afecten la seua integritat i seguretat. El reconeixement de la integritat i seguretat en les estructures cementants ha implicat una extensa investigació i el desenvolupament de diverses proves per a verificar la seua qualitat i estat. Mitjançant la destrucció d'una mostra de l'estructura en el cas dels assajos destructius, o mitjançant la inspecció de l'estructura sense danyar-la o alterar les seues propietats en el cas dels assajos no destructius. Existeixen multitud de tècniques d'inspecció no destructiva que tracten de caracteritzar aquestes estructures sense danyar-les. La inspecció mitjançant ultrasons és un dels assajos no destructius més utilitzats en materials cementants. Tradicionalment, aquestes tècniques ultrasòniques estan basades en l'estudi de les ones longitudinals (P) i transversals (S), que permeten caracteritzar una estructura mitjançant la realització de múltiples mesures en l'estructura. No obstant, existeixen altres tipus d'ones, formades per la superposició dels desplaçaments de les partícules de les ones P i S, denominades ones guiades, les quals permeten inspeccionar una estructura de manera global a partir d'una única mesura, a més de poder propagar-se a grans distàncies mantenint una bona relació senyal-soroll en comparació a les ones P i S. Dins de les ones guiades més utilitzades per a inspeccionar materials cementants, es troben les ones de Rayleigh i les ones de Lamb. Les ones de Rayleigh es propaguen en estructures de gran grossària, mentre que les ones de Lamb es propaguen en plaques. Les ones de Lamb presenten una naturalesa dispersiva i multimodal. La seua naturalesa dispersiva implica que les velocitats de fase i grup d'aquestes ones depenen de la freqüència, mentre que la naturalesa multimodal implica que apareguen més modes de propagació a l'augmentar la freqüència d'excitació. Es poden excitar i detectar selectivament els diferents modes de Lamb mitjançant la incidència obliqua, és a dir, variant la inclinació del transmissor i el receptor. Existeixen diferents tècniques d'acoblament que permeten la incidència obliqua, com l'acoblament per metacrilat, l'acoblament per aigua i l'acoblament per aire. Aquesta tesi s'ha enfocat en l'estudi de noves tècniques d'assajos no destructius basades en ones guiades (ones de Rayleigh i ones de Lamb) per a caracteritzar diferents tipus de dany en els materials cementants. S'han realitzat un nombre considerable de mesures experimentals basades en diferents tècniques d'acoblament per a la generació i captació d'ones guiades. Inicialment s'han analitzat materials homogenis com els metalls per a, posteriorment, utilitzar el coneixement adquirit en aquests materials i estudiar d'altres més heterogenis com els cementants. Concretament, s'han avaluat diferents tipus de tècniques d'acoblament i diferents tipus de transductors. Els materials cementants s'han inspeccionat mitjançant ones guiades ultrasòniques amb dos tipus de dany o degradació: la carbonatació, estudiant el seu efecte amb provetes de dues capes de morter, i l'envelliment de fibres en plaques de ciment reforçat amb fibra de vidre (GRC). S'ha demostrat que les ones guiades són sensibles a aquests danys, obtenint resultats esperançadors. Concretament, les ones de Rayleigh s'han utilitzat en el dany per carbonatació a causa de la seua sensibilitat a capes superficials de degradació, mentre que en l'envelliment de fibres s'han utilitzat les ones de Lamb, per la seua sensibilitat a defe

[EN] Nowadays, a large number of infrastructures are partially or wholly built with cementitious materials. Concrete is one of the oldest and most popular cementitious materials due to its low cost, durability and remarkable mechanical and structural characteristics. However, if these materials are exposed to different environments and harsh conditions, they suffer damaging processes that affect their integrity and safety. To verify their state and quality, extensive research has been conducted and several tests have been developed, such as destructive testing and non-destructive testing. Destructive testing (DT) requires a sample of the inspected structure while non-destructive testing (NDT) allows the inspection of the structure without altering its properties and without damaging it. There are several NDT techniques that characterize cementitious structures without harming them, such as ultrasonic testing, which is one of the most widely used. This technique is based on the study of longitudinal (P) and shear (S) waves, which enable the characterization of a structure by a point-by-point scan. However, there are another kind of waves, called guided waves, which are composed of the superposition of the P and S wave particle displacements. Unlike P and S waves, guided waves allow a global inspection of a structure from a single transducer position and they are able to propagate over long distances with a good signal-to-noise ratio. Rayleigh and Lamb waves are the most frequently used guided waves in NDT of cementitious materials. Rayleigh waves propagate in thick structures while Lamb waves propagate in plate-like structures. Lamb waves are dispersive (their phase and group velocities depend on frequency) and multimodal (as frequency increases, many propagation modes with different velocities exist in the received signal). Lamb wave modes can be selectively excited and detected by means of oblique incidence, i.e., by varying the inclination of the transmitting and receiving transducers. Different coupling techniques can be used to change the inclination of the transducers, such as the contact technique with angle beam wedge transducers, water coupling and air coupling. This thesis has been focused in the study of new NDT techniques based on guided waves (Rayleigh and Lamb waves) to characterize different types of damage of cementitious materials. For this goal, a significant number of experimental arrangements based on different coupling techniques have been carried out. Firstly, homogeneous materials as metals have been analized, because they are a reference in guided wave testing. After performing different experiments in metals, the acquired knowledge has been used to inspect heterogeneous materials as cementitious ones. Different coupling techniques (variable angle wedges, immersion testing, fixed angle wedges, ...) with different types of transducers (contact transducers, immersion transducers and air-coupled transducers) have been employed. Cementitious materials with two damaging processes have been inspected by means of guided waves: two-layered mortar specimens to study carbonation and glass-fibre reinforced cement (GRC) plates to study fiber ageing. This thesis demonstrates that guided waves are sensitive to these damaging processes and the obtained results are encouraging. Specifically, Rayleigh waves have been used to detect carbonation due to its sensitivity to surface layers, while Lamb waves have been used to detect fiber ageing due to its sensitivity to defects along the thickness of the GRC plates.