Modelo mecano-químico-difusivo fenomenológico de autorreparación: Implementación numérica y simulación con aplicación a materiales estructurales

Abstract

El concepto de material autorreparable, i.e. material que de forma autónoma tiene la capacidad de recuperar total o parcialmente algunas de sus propiedades, surge de la observación de la naturaleza. Existen multitud de materiales biológicos que presentan esta propiedad: la piel, los huesos, la corteza de los árboles, entre otros. El concepto de autorreparación presenta ventajas muy significativas en los materiales estructurales, hormigón principalmente, los cuales sufren una degradación de sus propiedades mecánicas con el paso del tiempo. Los ingentes costes de mantenimiento de infraestructuras civiles pudieran verse disminuidos mediante el desarrollo de materiales estructurales autorreparables. En esta línea, se ha desarrollado en los últimos años un material estructural denominado Engineered Cementitious Composites (ECC) que lo hace especialmente indicado para este tipo de aplicaciones. En la presente tesis doctoral se aborda la modelización y simulación compu- tacional del fenómeno de autorreparación con aplicación a materiales estructura- les. De todos los tipos de autorreparación que existen, se estudia aquel que tiene lugar a partir de la nucleación de precipitado de calcio sobre la superficie de la grieta durante el proceso de reparación. Este fenómeno se estima en la bibliografía como uno de los que presenta una mayor aplicabilidad y expectativas en aplicaciones industriales. El problema se aborda mediante el análisis de un primer modelo de daño con recuperación disponible en la bibliografía. Dicho modelo trata la variable daño como una extensión (reversible) del daño irreversible contemplado en la Mecánica del Daño Continuo. Se establecen por tanto sendas leyes de evolución de la variable daño (irreversible) y recuperación. El daño sigue la evolución de un modelo tipo Drucker-Prager válido para materiales estructurales. Por otro lado, la evolu- ción de la variable reparación sigue un modelo fenomenológico mediante el cual se podría representar a priori cualquier mecanismo autorreparador. La principal carencia que presenta este modelo es el hecho de no recoger de manera natural los fenómenos fisico-químicos que tienen lugar durante el proceso de reparación. Se establece adicionalmente un segundo modelo basado racionalmente en los fenómenos físico-químicos que tienen lugar en la microestructura subyacente del material. El modelo, aun fenomenológico, recoge de manera natural las variables y fenómenos que tienen lugar en el proceso de reparación en materiales estructurales mediante nucleación de precipitados de carbonato de calcio. Igualmente, se detalla el tratamiento numérico así como su implementación computacional mediante el Método de los Elementos Finitos. Sobre este modelo se analiza el efecto de los parámetros que controlan el fenómeno de recuperación sobre distintos ejemplos de interés, así como se establece la validación en términos cualitativos del mismo. El modelo de autorreparación racionalmente desarrollado se acopla con un modelo continuo de daño. Bajo ciertas hipótesis viables, el acoplamiento deriva en un modelo débilmente acoplado. El modelo global mecano-químico-difusivo (multifísico) se implementa e investiga numéricamente sobre un material estructural autorreparable, sometido a ciclos de carga/descarga – recuperación. La principal limitación que presenta el modelo multifísico introducido, además de las hipótesis y simplificaciones discutidas durante el desarrollo de los modelos, es la carencia de resultados experimentales que permitan una validación más exhaustiva de las teorías propuestas. Se establece por tanto necesario avanzar en el estado de madurez de las investigaciones experimentales relacionadas con estos temas que permitan avanzar en la caracterización del comportamiento de los materiales autorreparables con aplicaciones estructurales.