Desarrollo de técnicas de medición no destructivas GS y XR para la determinación de gradientes de densidad y caracterización mecánica de materiales estructurales porosos y celulares

Abstract

Los materiales con estructura porosa y celular son objeto de estudios debido a las potenciales aplicaciones que presentan en los diversos sectores de la industria. Un desafío importante para la definición de estas aplicaciones es justamente la caracterización de las propiedades mecánicas de estos materiales, las cuales están en relación directa con los valores de la densidad. El objetivo de este trabajo es desarrollar técnicas de medición no destructivas GS y XR para la determinación de gradientes de densidad y caracterización mecánica de materiales estructurales porosos y celulares. Se presenta primero un desarrollo teórico sobre la relación densidad propiedades mecánicas, así como las generalidades de las técnicas de medición no destructivas de la densidad. Se explica cómo se desarrollan mejoras a la técnica de medición con rayos gamma para la determinación de gradientes de densidad y la caracterización de materiales porosos y celulares, obteniendo un sistema más robusto y técnicas de medición más definidas pero que dependen de múltiples parámetros de proceso y del tipo, la masa y volumen del ejemplar que se desea investigar. Como técnica experimental adaptativa, se han realizado múltiples experimentos exploratorio para adaptar esta técnica de medición a los materiales de interés. Son muchos los experimentos generados, pero se presentan solo los más representativos, sea para materiales metálicos que para el concreto. El análisis de perfiles de densidad de la espuma metálica, que específicamente se generó para este proyecto, se concluye que esta es lo suficientemente uniforme como para conservar las propiedades mecánicas que pudieran determinarse experimentalmente. Como parte de la caracterización de los materiales, se desarrolla una técnica para el análisis de imágenes en 2D, aplicándose a las espumas metálicas y obteniéndose una relación funcional entre el diámetro, la circularidad, el espesor de pared de las burbujas de una espuma con la densidad, respectivamente. Este hallazgo es de mucha importancia por la relación que la forma de la estructura de una espuma posee con su perfil de densidad, así como la relación, que en futuras investigaciones puede encontrarse entre, la estructura de esta espuma con las propiedades mecánicas que se determinen en forma experimental. Esto genera un nuevo tema de investigación que se espera ser abordado en futuras investigaciones. La determinación de perfiles de carbonatación en el concreto, midiendo variaciones espaciales de densidad resultó un poco más complicada de lo previsto, tal como lo predecía la literatura. Las probetas de concreto son muy densas y la diferencia entre la densidad de la región carbonatada y no carbonatada es mínima, estas características junto con la dificultad de combinar los múltiples parámetros de medición y la dificultad de medir en los bordes de los materiales con la técnica hasta ahora desarrollada, justifica la dificultad de obtener perfiles de mayor calidad que los obtenidos. Sobre la caracterización mecánica de los materiales, se seleccionan el módulo elástico 𝐸�𝐹� y la resistencia a compresión 𝜎�𝐹� del material celular de aluminio. Se concluye que la región inferior de la espuma metálica de aluminio presentaría un valor de rigidez más de tres veces superior que la región central mientras que para la resistencia mecánica a compresión se tiene que la resistencia a compresión de la región inferior del material celular superaría más que dos veces la de la región central. Para la caracterización mecánica del concreto, la relación de módulos elásticos Eh/ Es de un concreto con gradiente de densidad, asumiendo una variación de densidad relativa del 5% entre la región carbonatada y no carbonatada, se tendría una diferencia de módulos elásticos igual (0.05)2.5, es decir de casi el 0.06%. Para un concreto con modulo elástico de 20 GPa, esto correspondería a una variación de aproximadamente 0.012 GPa.