Análisis y monitorización de materiales de construcción sostenibles a través de técnicas ópticas de campo completo

Abstract

[ES] La industria de la construcción ha sido considerada históricamente una de las mayores consumidoras de recursos naturales y generadoras de residuos, por lo que existe la necesidad de reducir el impacto ambiental asociado a este sector. Abordar esta cuestión supone un reto integral, desde la fase de fabricación de nuevos materiales de construcción más sostenibles hasta la fase funcional donde sus capacidades se alineen con los conceptos de sostenibilidad y eficiencia energética. En este contexto, la utilización de materiales reciclados y la mejora de sus propiedades mecánicas y térmicas mediante la incorporación de aditivos son aspectos clave para avanzar hacia una construcción más sostenible y energéticamente más eficiente. A pesar de que la ingeniería civil y de materiales disponen de múltiples herramientas y técnicas para el diseño de infraestructuras, generalmente se emplean metodologías asociadas a materiales convencionales. Sin embargo, los nuevos materiales presentan composiciones y comportamientos diversos, lo que provoca que los métodos tradicionales no siempre arrojen buenos resultados. En este sentido, para avanzar en el conocimiento de los nuevos materiales de construcción, es fundamental contar con técnicas de caracterización avanzadas que permitan evaluar y validar sus propiedades de manera precisa y detallada. Con el fin de fomentar la incorporación de nuevos materiales sostenibles en el sector de la construcción y mejorar su competitividad, la presente Tesis Doctoral pone el foco en la integración de nuevas técnicas avanzadas para el análisis y caracterización de nuevos materiales que contribuyan a la construcción sostenible. Para ello, se propone el empleo de dos técnicas ópticas de campo completo basadas en imagen: la correlación digital de imágenes y la termografía infrarroja, para la caracterización mecánica y para la evaluación térmica, respectivamente. Estos avances tienen el potencial de promover prácticas más sostenibles en la industria de la construcción y contribuir al desarrollo de nuevos materiales para alcanzar un futuro más resiliente y eficiente desde el punto de vista energético y medioambiental. Inicialmente, el trabajo se centra en la caracterización mecánica y la mejora de sus propiedades. Para ello, se plantea en primer lugar el empleo de materias primas básicas como la tierra para fabricar elementos como los bloques de tierra comprimida. Estos sistemas constructivos son ampliamente utilizados por su elevada versatilidad y a pesar de su menor rigidez y resistencia, los resultados demuestran que son una solución muy interesante desde el punto de vista de la sostenibilidad. A continuación, en busca de materiales con mayor capacidad mecánica se propone la sustitución de áridos naturales por áridos reciclados en la fabricación de hormigones. La mejora de las propiedades mecánicas de estos materiales de construcción es caracterizada mediante la técnica óptica de correlación digital de imágenes, empleada en su enfoque bidimensional para la evaluación de paneles de tierra comprimida en primer lugar y en su enfoque tridimensional para el análisis de probetas cilíndricas de hormigón reciclado en segundo lugar. En paralelo al desarrollo mecánico, se investiga la mejora térmica de los materiales de construcción. En primera instancia se aborda a través de la incorporación de residuos como aditivos para la modificación de su conductividad térmica. Posteriormente, se busca una mejora desde el punto de vista de la absorción de radiación solar empleando pigmentos inorgánicos como aditivos. Esta optimización térmica es validada utilizando la técnica óptica de termografía infrarroja, empleando un simulador solar para replicar la exposición al sol de los materiales. Finalmente, se propone un estudio integral que combina los avances mecánicos y térmicos en un material multifuncional. Este enfoque aborda el desafío de integrar los avances obtenidos en los estudios anteriores con el objetivo de validar su aplicabilidad en un contexto práctico y aplicado tanto al sector de la ingeniería civil como al sector industrial. Para ello, se propone la fabricación de depósitos acumuladores de calor para el aumento de la temperatura del agua almacenada, que posteriormente pueda ser empleada en procesos industriales donde se requiere agua caliente o a nivel doméstico como agua caliente sanitaria. Los resultados demuestran que el hormigón sostenible, fabricado con áridos reciclados a partir de rechazos de prefabricados de hormigón y con aditivos pigmentados, puede utilizarse con éxito para fabricar elementos con capacidades estructurales y térmicas como son los depósitos de agua acumuladores de calor. Estos resultados representan un avance significativo en la búsqueda de soluciones innovadoras para la construcción sostenible. [EN] The construction industry has historically been considered one of the largest consumers of natural resources and a significant generator of waste, highlighting the challenge of reducing the environmental impact associated with this sector. Addressing this issue is a comprehensive challenge, ranging from the production phase of more sustainable construction materials to the functional phase where their performance is aligned with sustainability and energy efficiency concepts. In this context, the use of recycled materials and the improvement of their mechanical and thermal properties through the incorporation of additives are key aspects in moving towards more sustainable and energy efficient construction. Although civil and materials engineering have a wide range of tools and techniques for infrastructure design, methods associated with conventional materials are generally used. Nevertheless, new materials have different compositions and behaviours, so that traditional methods do not always give satisfactory results. Therefore, advancing the understanding of new construction materials requires advanced characterisation techniques that allow for accurate and detailed evaluation and validation of their properties. To promote the incorporation of new sustainable materials into the construction sector and increase its competitiveness, this Doctoral Thesis focuses on the integration of new advanced techniques for the analysis and characterisation of materials contributing to sustainable construction. To achieve this, the use of two full-field optical techniques based on imaging is proposed: digital image correlation for mechanical characterisation and infrared thermography for thermal evaluation. These advances have the potential to promote more sustainable practices in the construction industry and contribute to the development of new materials for a more resilient and energy efficient future, both from an environmental and energy perspective. Initially, work focuses on mechanical characterisation and improvement of properties. This involves using basic raw materials such as earth to produce elements such as compressed earth blocks. Despite their lower stiffness and strength, these construction systems are widely used due to their high versatility and are proving to be an interesting solution from a sustainability point of view. Furthermore, in the search for materials with higher mechanical capacity, the substitution of natural aggregates with recycled aggregates in concrete production is proposed. The improvement in the mechanical properties of these construction materials is characterised using the digital image correlation technique, first in its two-dimensional approach for the evaluation of compressed earth blocks, and then in its three-dimensional approach for the analysis of recycled concrete cylindrical specimens. Simultaneously with mechanical development, thermal improvement of construction materials is investigated. Initially, this is approached through the incorporation of waste as additives to modify their thermal conductivity. Subsequently, an improvement in terms of solar radiation absorption is pursued using inorganic pigments as additives. This thermal optimisation is validated using infrared thermography and a solar simulator to replicate the exposure of materials to sunlight. Finally, a comprehensive study combining mechanical and thermal advances in a multifunctional material is proposed. This approach addresses the challenge of integrating the advances made in previous studies to validate their applicability in a practical and applied context, both in civil and industrial sectors. To achieve this, it is proposed to manufacture thermal storage tanks to increase the temperature of the stored water, which can then be used in industrial processes requiring hot water, or domestically for sanitary hot water. The results show that sustainable concrete, made with recycled aggregates from rejected concrete prefabricates and pigmented additives, can be successfully used to manufacture elements with structural and thermal capacities such as thermal storage water tanks. These results represent a significant step forward in the search for innovative solutions for sustainable construction.