ES2394986A1 - Procedimiento y sistema inalámbrico de medida del grado de fraguado y endurecimiento de materiales cementicios para la predicción de resistencias mecánicas. - Google Patents

Abstract

Procedimiento y sistema inalámbrico de medida del grado de fraguado y endurecimiento de materiales cementicios para la predicción de resistencias mecánicas.El sistema inalámbrico de medida del grado de fraguado y endurecimiento de materiales cementicios comprende un sensor ultrasónico, un sensor de temperatura, un sensor de humedad relativa, una red de comunicación inalámbrica compuesta por al menos dos nodos para la adquisición y procesamiento de señales electrónicas provenientes de sensores y un sistema informático, tal que el sistema informático calcula la resistencia mecánica del material cementicio. Por otro lado, el método comprende los siguientes pasos: capturar unos datos de temperatura T y humedad H, capturar una señal ultrasónica para la medida de velocidad de propagación V, capturar una señal ultrasónica para la medida del coeficiente de reflexión CR, enviar todos los registros anteriores de las señales sensoriales al nodo principal, procesar las señales para obtener los parámetros velocidad V y coeficiente de reflexión CR, enviar los datos obtenidos al sistema informático y calcular la resistencia mecánica mínima RC(V,CR,T,H) del material cementicio.

Description

PROCEDIMIENTO Y SISTEMA INALÁMBRICO DE MEDIDA DEL GRADO

DE FRAGUADO Y ENDURECIMIENTO DE MATERIALES CEMENTICIOS

PARA LA PREDICCIÓN DE RESISTENCIAS MECÁNICAS.

5

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un procedimiento y

sistema inalámbrico de medida del grado de fraguado y

endurecimiento de materiales cementicios para la predicción

de resistencias mecánicas.

10

La invención se encuadra en la Instrumentación para la

Medida de las propiedades de los materiales. El sector de

aplicación de la invención es la Construcción

principalmente el control de calidad, tanto en la industria

del prefabricado como en obra.

15

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El primer uso de una tecnología para el control de

fraguado-curado se realizó a partir de la monitorización de

la temperatura interna en el material cementicio. La

2 O

temperatura refleja cuando se producen las reacciones de

hidratación durante el fraguado [Radj y et al., 94] [Parrot

et al., 90] Esta monitorización resulta incompleta, dado

que aunque identifica el tiempo en que se producen las

reacciones no permite evaluar la proporción de compuestos

25

hidratados o la cantidad de cemento anhidro sobre el

volumen total. Uno de los métodos más usados es el método

de maduración, "The Maturity Method", el cual ha sido

ampliamente utilizado en la bibliografía para monitorizar

el curado. En el método de maduración [Carino, 84], [Pane,

30

02] se mide la variación de la temperatura durante la

hidratación del hormigón para predecir la evolución de la

resistencia a compresión. La mayor limitación de este

método se debe a que además de variar la relación con cada

composición del material cementicio, esta relación es muy

35

sensible a la temperatura y humedad existentes en el

proceso real, variables que pueden ser muy diferentes a las estudiadas en el laboratorio.

Otros métodos que se han utilizado son los basados en la medida mediante penetrómetro o micro-penetrómetro [ASTM 99], con el sistema denominado VICAT. Este sistema permite medir mediante indentaciones la profundidad de indentación y establecer el principio y el final del fraguado. Este método solo puede ser utilizado en pastas de cemento, ya que las probabilidades de pinchar en un árido en un hormigón son muy altas y resultaría medidas que introducirían un error significativo.

Los métodos basados en ultrasonidos son aptos para la monitorización del curado ya que la propagación de estas ondas mecánicas en el material estudiado nos puede aportar un buen conocimiento del medio investigado. Por ejemplo, parámetros tales como el tiempo de vuelo, la atenuación, la variación del coeficiente de reflexión o el contenido en frecuencia de las ondas ultrasónicas están estrechamente relacionados con las propiedades mecánicas del material, en particular en el periodo de formación (setting) y endurecimiento (hardening) . Si estos parámetros se monitorizan a lo largo de todo el proceso pueden aportar una información muy útil para comprender la evolución del material. Debido a la potencia de los sistemas informáticos actuales de bajo coste es posible extraer, en tiempo real, de las señales ultrasónicas otros parámetros de interés como energía, relaciones tiempo-frecuencia (wavelets) etc. que necesitan una carga de procesamiento elevada. Por estas causas el uso de ultrasonidos se presenta como uno de los medios más prometedores para obtener una buena información del periodo de setting y hardening, obteniendo los datos

directamente

en obra.

Los

estudios más relevantes en los que se evalúa la

capacidad

que tienen los ultrasonidos de monitorizar el

curado

son los que utilizan dispositivos específicos de

medidas

y que monitorizan parámetros como:

Velocidades de propagación de ondas longitudinales y

transversales, [Reinhardt et al., 04] [Voight et al., 06].

Potencia transmitida [Trtnik et al., 09]

Coeficiente de reflexión [Subramaniam et al., 02],

5

[Acalla et al., 03]

Para las dos primeras se utilizan medidas de

transmisión de las ondas ultrasónicas, con los sensores

colocados alineados y enfrentados en las paredes de la

celda de medida, donde se cura el material, el diseño de

1 O

estas celdas solo permite medir el curado en pastas de

cemento. El tercer parámetro utiliza una configuración en

pulso/eco para medir la variación del coeficiente de

reflexión de las ondas ultrasónicas cuando éstas se

propagan entre dos materiales con diferentes impedancias

15

acústicas. En este caso, se utiliza una pieza de material

homogéneo, isótropo, del que se conozca sus propiedades de

propagación de las ondas longitudinal y transversal y que

una de sus caras esté pulida y plana para que funcione como

interfase con el material cementicio.

20

En la década de los 90 se comenzó la investigación y

desarrollo de la tecnología de redes inalámbricas (WSN) que

permiten integrar sensores para monitorizar el estado de

las estructuras (Structural Health Monitoring, SHM) [Phares

et al., 05] Numerosas publicaciones fueron dedicadas al

25

estudio de WSN para la evaluación de la integridad

estructural [Santana et al., O6Grosse et al., O 6] y un

exhaustivo análisis del estado del arte de estas redes para

su utilización en la monitorización de estructuras puede

encontrarse en [Lynch et al., 06].

30

En la literatura, muchos trabajos han estudiado el uso

de la velocidad ultrasónica para la monitorización del

proceso de curado y su relación con las medidas de la

temperatura y humedad [Robeyst et al., 08; DelRío et al.,

04]. Pero la mayoría de estos trabajos no usan redes

35

inalámbricas. Entre los trabajos que usan redes

inalámbricas ninguno se centra en el procedimiento de

medición del fraguado [Aparicio et al., 10].

En lo que concierne a publicación de patentes, diferentes publicaciones de sistemas de monitorización usando ultrasonidos han aparecido en los últimos años para su aplicación en diversos campos, como por ejemplo en medicina [Peszynski et al., 10]. En lo que respecta a materiales cementicios, varias patentes han sido publicadas usando WSN [Hines et al., 07; Andrews, 08], pero ninguna se centra en los procesos de fraguado y endurecimiento de dichos materiales.

[Radjy

et al., 94] Radjy, F.F. and Douglas, W. V., "Heat

signature

testing of concrete", in Scandella, R.J. (ed.)

Structural

Materials Technology: An NDT Conference (CRC

Press,

1994).

[ASTM 99] ASTM C403/C403M-99, "Standard test method for time of setting of concrete mixtures by penetration resistance", American Society for Testing and Materials, Philadelphia, PA, 1999.

[Carino, 84] Carino, N-J. "The maturithy method: theory and application", Cement, Concrete and Aggregates 6 (2) (1984) 61-73. [Pane et al, 02] Pane, I., and Hansen, W., "Concrete Hydration and Mechanical Properties Under Nonisothermal Conditions," ACI Materials Journal 99 (6) (2002), 534-542. [Parrot et al., 90]. Parrott, L.J., et al., D.,"Monitoring Portland cement hydration: Comparison of methods", Cement and Concrete Research 20 (6) (1990), 919-926. [Reinhardt et al., 04] Reinhardt H.W. and Grosse C.U., "Continuous monitoring of setting and hardening of mortar and concrete", Construction and Building Materials 18 (3)

(2004) 145-154.

[Voight et al., O 6] Voigt T., et al., "Green and early age compressive strength of extruded cement mortar monitored wi th compression tests and ultrasonic techniques", Cement and Concrete Research 36 (5) (2006) 858-867.

[Trtnik et al., 09] G. Trtnik et al. "Comparison between

two

ultrasonic methods in their ability to monitor the

setting

process of cement pastes", Cement and Concrete

Research

39 (2009) 876-882.

[Subramaniam

et al., 02] Subramaniam K. V. et al.,

"Ultrasonic

technique for Monitoring Concrete Strength",

ACI Materials Journal 99, (5), (2002) 458-462.

[Acalla et al., 03] Y. Akkaya et al. "Nondestructive measurement of concrete strength gain by an ultrasonic wave reflection method", Materials and Structures 36, (2003) 507-514

[Phares et al., 05] Phares B.M., et al., "Health Monitoring of Bridge Structures and Components Using Smart Structure Technology, Wisconsin Highway Research Program" Project #o o92-o1-14' 257 pp' 2 o o 5.

[Santana et al., 06] Santana-Sosa, H., et al.,, "Validation of a HF Spread Spectrum Mul tiCarrier Technology through real Link Measurements. European Transactions on Telecommunications (ETT) ".17 (6) (2006) 651-657.

[Grosse et al., 06] Grosse, C.U. and Krüger, M., "Inspection and Monitoring of Structures in Civil Engineering". NDT.net, 11 (1) 2006.

[Lynch et al., O 6] Lynch, J. P. and Loh, K. J., "A Summary Review of Wireless Sensors and Sensors Networks for Structural Health Monitoring". The Shock and Vibration Digest, 38 (2), (2006) 91-126.

[Robeyst et al. , O8] Robeyst, N. , et al. , "Monitoring the setting of concrete containing balst-furnace slag by measuring the ultrasonic p-wave velocity", Cement and Concrete Research, 38 (10), (2008) 1169-1176.

[Óztürk et al., O 6] Óztürk, T., et al., "Improved ultrasonic wave reflection technique to monitor the setting of cement-based materials", NDT & E International, 39 (4),

(2006) 258-263. [DelRío et al., 04] Del Río, L.M., et al., "Characterization and hardening of concrete with ultrasonic

testing", Ultrasonics, 42 (1-9), (2004) 527-530.

[Aparicio et al., 10] Aparicio, S., et al., "A wireless monitoring system to study the setting and hardening processes of cementitious materials". NDT.net The e-Journal of Nondestructive Testing, 7 (2010) (10th European Conference on NDT, ECNDT 2010, Moscow, Russia, 2010).

[Pes zynski et al., 1O] Pes zynski, M. et al., "Wireless ultrasound monitoring device", W0/2010/020939, 2010.

[Hines et al., O7] Hines, Jacqueline, H.; "Concrete maturity monitoring system using passive wireless surface acoustic wave temperature sensors", W0/2007/025172, 2007.

[Andrews, O8] Andrews, D. R.; "Hand-held ultrasonic inspection device wi th wireless communication means", EP20060253785, 2008.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Para la forma de realización preferida de la invención, el sistema inalámbrico de medida del grado de fraguado y endurecimiento de materiales cementicios para la predicción de resistencias mecánicas de la presente invención comprende:

•

al menos un sensor ultrasónico "SUS" para monitorizar unos parámetros elásticos de un material cementicio;

•

al menos un sensor de temperatura "ST";

•

al menos un sensor de humedad relativa "SH" que conjuntamente con el sensor de temperatura monitorizan unos parámetros energéticos/medioambientales;

•

una red de comunicación inalámbrica "RIS" compuesta por al menos dos nodos para la adquisición y procesamiento de señales electrónicas provenientes de sensores;

•

un sistema informático conectado al sensor de

temperatura, al sensor de humedad relativa y al

sensor ultrasónico vía la red de comunicación

inalámbrica; tal que el sistema informático calcula una resistencia mecánica del material cementicio a partir de los parámetros elásticos y los parámetros energéticos/medioambientales monitorizados.

En otra realización de la invención el sistema inalámbrico adicionalmente comprende un sistema de acoplamiento "AS" del sensor ultrasónico, del sensor de temperatura y del sensor de humedad relativa al material cementicio.

Para cualquiera de las formas de realización anteriores, el sistema inalámbrico adicionalmente comprende una unidad de calibración que lleva a cabo un procedimiento de calibración para la determinación del estado del fraguado y endurecimiento "CEFE".

Los parámetros elásticos están comprendidos por una velocidad de propagación "V" y un coeficiente de reflexión "CR" y los parámetros energéticos/medioambientales están comprendidos por una temperatura "T" y una humedad "H".

El sistema informático comprende un nodo principal y al menos un nodo secundario tal que el nodo principal recoge todos los datos del nodo secundario y los envía al sistema informático para su almacenamiento y procesamiento.

El sistema informático comprende un microcontrolador por cada nodo comprendido en la red inalámbrica, donde el microcontrolador comprende medios de implementación del sensor ultrasónico, del sensor de temperatura y del sensor de humedad relativa. Los medios de implementación para el sensor ultrasónico adicionalmente comprenden:

•

un módulo de potencia para proporcionar la suficiente energía como para soportar dos módulos de emisión-recepción ultrasónica de baja tensión;

•

un módulo de sincronización ultrasónica que

sincroniza la emisión-recepción ultrasónica, incluso de manera inalámbrica entre diferentes nodos de la red;

• un sistema de contadores temporales por cada nodo para determinar el tiempo de vuelo de la señal ultrasónica con precisión mejor que las décimas de milisegundo.

Por otro lado, el procedimiento de medida del grado de fraguado y endurecimiento de materiales cementicios para la predicción de resistencias mecánicas para el sistema definido en una cualquiera de las formas de realización anteriores, comprende los siguientes pasos:

•

capturar unos datos de temperatura T y humedad H mediante el sensor de temperatura "ST" y generar un registro T/H;

•

capturar una señal ultrasónica para la medida de velocidad de propagación V mediante el sensor ultrasónico "SUS" y generar un registro V;

•

capturar una señal ultrasónica para la medida del coeficiente de reflexión CR mediante el sensor ultrasónico SUS y generar un registro CR;

•

enviar todos los registros anteriores de las señales sensoriales al nodo principal;

•

procesar las señales para obtener los parámetros velocidad V y coeficiente de reflexión CR.

•

enviar los datos obtenidos al sistema informático;

•

calcular la resistencia mecánica mínima Re (V, CR, T, H) del material cementicio mediante la expresión:

Rc(V,CR,T,H) = min(Rc(V),Rc(CR), Rc(T,H)) donde Rc(V)= a·exp(b·V), donde a y b son unos parámetros de ajuste; Rc(CR)= a·exp(-b·CR) donde a y b son unos parámetros de ajuste; y donde

Re ( T, H) Rmax ( ( kT' h ( t-t o ) 1 (1+ ( kT' h ( t-t o ) ) ) ) ) t a 1 que Rmax es la resistencia final, kT,h es la constante de la reacción dependiente de T y h, y t 0 el instante de comienzo de la hidratación.

La

forma de calcular los parámetros anteriores se encuentra

en

detalle en el apartado de descripción de una forma de

realización

de la invención.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

La figura 1 muestra un diagrama de bloques de acuerdo con la presente invención. La figura 2 muestra un diagrama de bloques de acuerdo con la presente invención. La figura 3 muestra un diagrama de bloques de acuerdo con la presente invención. La figura 4 muestra un diagrama de bloques de acuerdo con la presente invención. La figura 5 muestra un diagrama de bloques de acuerdo con la presente invención. La figura 6 muestra un diagrama de bloques de acuerdo con la presente invención. La figura 7 muestra un diagrama de bloques de acuerdo con la presente invención. La figura 8 muestra un diagrama de bloques de acuerdo con la presente invención. La figura 9 muestra un diagrama de bloques de acuerdo con la presente invención. La figura 10 muestra un diagrama de bloques de acuerdo con la presente invención. La figura 11 muestra un dispositivo de forma cónica para acoplar los sensores de temperatura y humedad. La figura 12 muestra una gráfica de la velocidad ultrasónica en m/s frente al tiempo en horas. La figura 13 muestra una gráfica del coeficiente de

reflexión CR frente al tiempo en horas. La figura 14 muestra dos gráficas de la temperatura (°C) y la humedad (%) frente al tiempo en horas. La figura 15 muestra una gráfica de la resistencia a la compresión (MPa) frente a la velocidad ultrasónica (m/s) .

La figura 16 muestra una gráfica de la resistencia a la compresión (MPa) frente al tiempo fraguado (horas) para calcular el ajuste de la resistencia a la compresión.

La figura 17 muestra una gráfica de la velocidad ultrasónica (m/ s) frente al tiempo fraguado (horas) para calcular el ajuste de la velocidad.

La figura 18 muestra una gráfica para el cálculo del CR a partir de la señal tomada con el dispositivo sensor de la figura 5, se obtiene un tipo de señal con ecos claros procedentes del rebote o reflexión con el MR; se realiza la transformada de Fourier de las señales de los ecos adecuadamente enventanados.

La figura 19 muestra una gráfica de la resistencia a

la compresión

(MPa) frente al coeficiente de reflexión.

La

figura 20 muestra un diagrama de bloques donde la

RIS

está estructurada en una topología lineal.

La

figura 21 muestra un diagrama de bloques donde la

RIS

está estructurada en una topología en árbol.

DESCRIPCIÓN DE UNA FORMA DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN

Con objeto de llegar a una mejor comprensión del objeto y funcionalidad de la presente invención, a continuación se detalla una forma de realización de la presente invención en referencia a las figuras, sin que ello suponga limitación alguna del alcance de la presente invención.

Aquí se presenta un sistema y metodología que permite medir el grado de fraguado y endurecimiento de materiales cementicios. Para ello este sistema comprende sensores ultrasónicos (SUS) (1) y sensores de temperatura y humedad

relativa (STH) (3, 4).

Mediante los sensores ultrasónicos se pueden medir los parámetros elásticos del material a medida que se produce el proceso de fraguado. Los parámetros analizados son la velocidad y el coeficiente de reflexión (en adelante CR) en una interfase con un material de referencia, en adelante

(MR) A través de las medidas de velocidad ultrasónica y del CR el sistema es capaz de predecir la resistencia a la compresión del material durante los procesos de fabricación, manipulación y corte. Estos sensores ultrasónicos van dispuestos de un mecanismo que permite acoplar los transductores al material que se desea monitorizar (FIG.1, 2, 3, 4 para la medida de la velocidad y FIG. 5 para el CR)

Mediante los sensores de temperatura ( ST) y humedad

(SH), se pueden medir tanto los parámetros medioambientales, que son esenciales en este proceso, así como el gradiente existente entre el medio ambiente y el interior del material y que afectan al proceso de fraguado-curado de los materiales cementicios.

Para recoger los datos medidos por los diferentes sensores, el sistema consta de una red inalámbrica de motas

o nodos compuesta por dos o más dispositivos (FIG. 6) que se comunican por radio (16) provistas de un microprocesador equipado con los diferentes sensores.

El sistema está especialmente indicado para su funcionamiento "in situ" por lo que puede ser usado para monitorizar los procesos de fraguado y endurecimiento del hormigón tanto en obra como en empresas de prefabricación.

En ambos casos uno de los objetivos del sistema es determinar el momento en el que el material ha alcanzado la resistencia suficiente, para ser manipulado en el caso de los prefabricados, o bien para proseguir la construcción en el caso de las obras. Otro objetivo también importante es asegurar la calidad y uniformidad del material a medida que se está fraguando. El cumplimento del primer objetivo va a

redundar en la mejora de la rentabilidad del proceso y el

segundo en un control de calidad de los materiales

fabricados, con lo que se abrirá una línea de trabajo de

desarrollo de normativa específica con la adopción de esta

5

invención, de interés para el sector de aplicación.

Por tanto, el problema técnico a resolver es

monitorizar el proceso de fraguado de materiales

cementicios ya sea "en obra" o en las empresas de

prefabricados. Existe suficiente conocimiento científico,

1 O

aunque todavía incompleto, para determinar el estado del

material en este proceso mediante técnicas no destructivas,

pero la principal problemática a resolver viene determinada

por las duras y cambiantes condiciones a las que están

expuestas estos materiales y donde tiene lugar la

15

monitorización. En la fabricación de los materiales

cementicios interviene agua, cemento, polvo, piedras,

hierro, soldaduras, cortes, movimiento de pequeña y gran

maquinaria, etc., además normalmente se realiza a la

intemperie y una mayoría de las veces interviene personal

20

con poca cualificación. Difícilmente se encontrará un

ambiente donde las condiciones de operación sean tan duras

y cambiantes. Aunque existen múltiples formas de fabricar

este tipo de materiales se pueden distinguir dos procesos

de fabricación con requerimientos diferentes, en obra y en

25

empresas de prefabricado. En el primero, se buscan

monitorizar grandes estructuras, con formas y condiciones

muy diferentes, pero que una vez situados los sistemas de

monitorización permanecen fijos hasta que acaba el proceso

de fraguado. En las empresas de prefabricado las

30

estructuras a monitorizar son generalmente de menor tamaño

que en obra y con formas más limitadas, pero a menudo no se

encuentran en un sitio fijo sino que se mueven y manipulan

para optimizar el proceso de fabricación. En el primer caso

todavía es posible utilizar sistemas de monitorización

35

cableados, pero es en la práctica inviable utilizarlos en

el segundo. Por ejemplo, para fabricar un tubo o marco de

hormigón

para grandes caudales, primero se vierte el

material

en fresco en una zona de la fábrica donde se

encuentran

las mezcladoras y los encofrados con su

correspondiente sistemas de vibración. Una vez desmoldados se trasladan a una zona próxima y resguardada de la intemperie, aunque en ambiente no controlado donde permanecen durante al menos 24 horas, tiempo en principio suficiente para que alcancen la resistencia necesaria para ser manipulados con garantía. Pasado ese tiempo los marcos son transportados a otro lugar, normalmente a la intemperie donde permanecerán el tiempo suficiente hasta alcanzar la resistencia necesaria para su traslado e instalación en servicio. Sin embargo, en ocasiones, el hormigón no alcanza la resistencia esperada en cada una de las etapas, ya sea por defecto de fabricación o por un cambio en las condiciones medioambientales, y al mover o manipular los marcos se parten o agrietan. En el mejor de los casos estas deficiencias se detectan rápidamente, con lo que únicamente se pierde una parte de la producción y en el peor cuando ya se encuentra instalado y funcionando con lo que la pérdida puede llegar a ser considerable. Esta problemática se puede evitar con el sistema y procedimiento objeto de esta patente, pues la monitorización permite estudiar cuáles son las condiciones que hacen que esto ocurra y detectar este problema antes de mover los elementos prefabricados en cuestión. En el caso de las obras, el problema es equivalente, pues el sistema detecta cuando la estructura ha alcanzado la resistencia necesaria, pero como ya hemos comentado las condiciones de utilización no son las mismas.

El sistema está compuesto por tres tipos de sensores

(SUS, ST, SH), los sistemas de acoplamiento de los sensores al material (AS), el procedimiento de calibración para la determinación del estado del fraguado y endurecimiento

(CEFE) y por una red de comunicación inalámbrica compuesta por nodos que permiten adquirir y procesar señales electrónicas provenientes de sensores (RIS) .

1 . Sensores :

a) Ultrasónicos: Adecuados a la transmisión de ondas ultrasónicas en el material cementicio, en principio las frecuencias válidas para este tipo de materiales se encuentran en el rango 40-500 kHz en el caso de medidas en transmisión para la medida de velocidad y en el rango de 400-1000 kHz para el caso de pulso/eco para la determinación del CR. Para la medida de la

velocidad

se utilizan transductores de ondas

longitudinales

y para el CR transductores de ondas

transversales.

No obstante, estos rangos dependerán

del material analizado. El diámetro de los sensores puede ser también variable pero lo ideal es que estén entre 25 y 50 mm. Para la medida del CR se utiliza un dispositivo formado por los transductores ultrasónicos y el MR. En el caso del hormigón, el dispositivo consiste en un cilindro de 8 cm de eje axial y 6 cm de diámetro con un corte de 3 mm de profundidad y 1 mm de espesor a modo de hendidura en la base superior. La base superior consta de dos planos inclinados con ángulos de 2°, en los cuáles se colocan los SUS, actuando uno de emisor y otro de receptor para recoger las reflexiones directas en la interfase entre el MR y el hormigón. En el caso de la medida del CR en pastas de cemento y morteros bastará con utilizar un SUS colocado en un cubo de MR de 3 cm de arista.

b) Temperatura: El rango de temperaturas es el necesario para el medio ambiente entre -20°C y 70°C. Los sensores deberán ser de tamaño reducido y que se puedan acoplar a los microcontroladores de los nodos de las redes.

e) Humedad: Se necesitan sensores de medida de humedad relativa de tamaño reducido y que se puedan acoplar a los microcontroladores de los nodos de las redes.

2 . Acoplamiento: a) Sensores ultrasónicos: Se utilizan dos tipos de acoplamiento:

Acoplamiento seco directo (FIG.7): Los transductores ultrasónicos (1) tienen una capa adaptadora (7) compuesta de silicona sólida con pequeñas protuberancias semiesféricas ( 8) de modo que permite un buen acoplamiento en superficies rugosas como las de hormigón. Además se requiere de un sistema mecánico que permite sujetar firmemente los transductores al hormigón con una presión constante. El sistema de sujeción varía según la forma de la estructura y la posición deseada del sensor ultrasónico. Para zonas con apoyo horizontal bastará con que el sistema de acoplamiento tenga un peso determinado para generar la presión deseada (5). En zonas donde no sea posible tener un apoyo horizontal (FIG.1) la presión sobre los transductores

(1) la ejercerá un muelle precargado (2) de tal manera que se ejerza la presión suficiente para obtener un correcto acoplamiento independientemente de la posible retracción del material. La presión ejercida deberá estar calibrada para que no deforme el material en el momento que se aplique. También es posible acoplar el sensor en las piezas de encofrado en vez de directamente en el material. En este caso solo será válido en las primeras horas del proceso ya que la retracción del material lo separará del encofrado del hormigón impidiendo que la señal ultrasónica llegue al material. Para elementos estructurales que se construyen en pista en continuo, como por ejemplo viguetas o placas alveolares, se puede usar un mecanismo fijado a la pista por cada lado y con los transductores a ambos lados de la pieza (FIG.2, FIG.8) También se puede usar un sistema donde uno de los transductores usa la pista para transmitir1recibir la señal mientras el otro se encuentra en contacto con el material (FIG. 3) En este caso, los transductores son acoplados al material y a la pista usando

un peso determinado para generar la presión deseada (5). La energía emitida por el transductor ( 9) se transmitirá a la pista y esta energía será a su vez transmitida a través del material a caracterizar hasta el transductor receptor (10)

(FIG.9). Para probetas de hormigón se puede usar un sistema en forma de U con un tornillo en un lateral ( 6) con el que se ajustan los transductores al material (FIG.4).

Para el caso de CR se utilizará un acoplamiento directo que consiste en introducir ligeramente el dispositivo en el material cementicio inmediatamente después de su fabricación, habrá que garantizar que transcurra el menor tiempo posible entre la fabricación y la colocación del dispositivo. -Acoplamiento húmedo (FIG.10) Este tipo de acoplamiento se utilizará cuando se quiera utilizar la armadura de acero

(11) de la estructura como sistema emisor. Para ello se utilizará un depósito de forma troncocónica (12) con un líquido viscoso, que no ataque a la armadura, y, produzca una inmersión local de la armadura y además actúe como guía de ondas de manera que la mayor parte de la energía emitida por el transductor ( 9) se transmita a la armadura. Esta energía se transmitirá a través del material a caracterizar hasta el transductor receptor (10). Los nodos de la RIS, emisor (13) y receptor (14), deberán estar convenientemente sincronizados para que la señal emitida sea adecuadamente recibida y se pueda medir su tiempo de vuelo con precisión suficiente.

b) Sensores de Temperatura y Humedad. Para acoplar los sensores de temperatura y humedad se utilizará un dispositivo de forma cónica (FIG.11) que permita crear una pequeña cámara en el interior del material de manera que tenga prácticamente la misma humedad y temperatura del material pero que no tenga contacto directo con el sensor. De esta manera se pueden recuperar los sensores y evitamos que el agua presente en el material

sature e inutilice el sensor de humedad. Esta pequeña cámara puede permanecer en la estructura ya que su pequeño tamaño no compromete su integridad (3). El material del que está compuesta la cámara puede ser plástico o metálico y tendrá una o más cavidades selladas (15) con un tejido hidrófugo de manera que permita pasar la humedad pero no el agua. La profundidad a la que se introduce la cámara es variable dependiendo del grosor de la estructura pero en principio bastará con escasos centímetros (2 o 3) para obtener una buena referencia del proceso de fraguado. Para medir la temperatura y humedad ambiente se utilizará una cámara análoga (4) a la introducida en el material para que las medidas sean comparables.

3. Procedimiento de calibración para la determinación del estado del fraguado y endurecimiento (CEFE) .

El procedimiento de calibración de los sistemas objeto de esta patente se basará en una experimentación inicial donde se fabricarán varias probetas cúbicas para monitorizar y adquirir las curvas de variación de la velocidad ultrasónica (FIG. 12) , del CR (FIG. 13) y de la temperatura y humedad del material y ambiental durante el proceso de fraguado (FIG.14). A la vez que se monitoriza se realizarán ensayos de resistencia obteniendo por tanto una correlación entre las curvas de fraguado y las resistencias del hormigón (FIG.15).

VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN (V)

No existe una fórmula general y única entre la velocidad de propagación y la resistencia a compresión de los materiales cementicios. Las diferentes expresiones empíricas que hay disponible en la literatura son válidas solo para el material a partir del cual se extrajeron. Otra forma de extraer esta relación es a partir de las reacciones de hidratación del cemento, una de las

formulaciones más utilizadas es la desarrollada por Knudsen la cual describe el desarrollo de la hidratación con el tiempo mediante una relación exponencial.

El procedimiento de calibración considerado en este sistema relacionará la velocidad y la resistencia para un material determinado usando diferentes versiones de la ecuación de Knudsen para el ajuste inicial de la resistencia y de la velocidad. Primero se mide la velocidad ultrasónica y la resistencia durante el tiempo de puesta en servicio (Ts), tiempo necesario para que el material tenga la resistencia suficiente para que pueda ponerse en obra. Una vez obtenidos estos datos, se ajusta la resistencia con la siguiente fórmula:

Re (t) = exp b 2t 2 +e J ( 1)

( a+t +t

con los datos recogidos hasta el tiempo Ts (FIG.16) y donde a, b y e son parámetros de ajuste. Después se ajusta la velocidad con la siguiente fórmula:

b. t2

V(t) = 2 +e (2)a+t +t

con los datos recogidos hasta el tiempo de manipulación (Tm), tiempo necesario para que el material haya alcanzado una resistencia suficiente para que se pueda desencofrar, destensar las armaduras, cortar, trasladar, etc. (FIG.17). Finalmente se despeja el tiempo en función de la velocidad y se calcula la resistencia en función de la velocidad

(FIG.15). Así obtenemos la relación entre resistencia y velocidad.

( 3)

COEFICIENTE DE REFLEXION (CR) El parámetro CR precisa de una calibración previa del dispositivo sensor al aire, considerando el aire como reflector ultrasónico perfecto y estable se obtiene el valor de CR0 o de referencia, que habrá que corregir en la

medida de monitorización real sobre el material. Este valor será muy próximo a l. Para el cálculo del CR a partir de la señal tomada con el dispositivo sensor de FIG.5, se obtiene un tipo de señal con ecos claros procedentes del rebote o reflexión con el MR; se realiza la transformada de Fourier de las señales de los ecos adecuadamente enventanados, FIG.18, según la ecuación:

IFFT(Eco2(t))l

CR (t) = -'::-----_____:_ ( 4)

IFFT(Ecol(t))l

La ecuación que describe la variación del CR en función del tiempo t muestra un ajuste exponencial decreciente descrito a partir de la siguiente ecuación:

-

b·t -d·t

CR(t) =a·e +c·e ( 5)

Donde a, b, e y d son parámetros de ajuste (FIG.13) El cálculo se realizará para la primera y segunda reflexión y entre la segunda y tercera reflexión, tomando, finalmente, la curva que mejor coeficiente de regresión muestra. A partir de dicha curva de ajuste se obtiene una relación final entre la resistencia y el CR de tipo exponencial decreciente

Rc(CR) =a· e-b·CR ( 6)

donde a y b son parámetros de ajuste (FIG.19).

TEMPERATURA Y HUMEDAD (T/H) La monitorización de la temperatura y la humedad permiten determinar cuando ha finalizado el proceso de fraguado y empieza el de endurecimiento y predecir la resistencia, mediante el método de maduración, Carino y Liao. La ganancia de resistencia es un efecto combinado del tiempo, la temperatura y la humedad. Además, las curvas de humedad permiten determinar si el fraguado se está realizando con una cantidad de agua suficiente para que adquiera las propiedades de resistencia en el tiempo necesario. Para obtener las curvas R(t) es necesario:

•

Tres temperaturas diferentes, utilizando una de ellas como temperatura de referencia, la cual será de 20°C.

•

Para cada temperatura se deberá obtener dicha curva

5 R(t) para 3 condiciones de humedad distintas, tomando como humedad de referencia el 100% de humedad relativa. (hr=100).

El comportamiento de la resistencia en función del tiempo viene dado por la siguiente ecuación:

10 ( 7)

Donde, Rmax es la resistencia final, kT,H es la constante de la reacción dependiente de T y h y t 0 es el instante en el que comienza la hidratación.

15 Además debe realizarse el siguiente ajuste, para obtener los valores de ho y Ju:

( 8)

Donde, Ju es el factor de humedad final, kH es la constante de la reacción dependiente de h y h0 es la humedad inicial. 2 O DETERMINACIÓN DEL ESTADO DEL PROCESO FRAGUADO Y PREDICIÓN DE PROPIEDADES FINALES.

Una vez realizado los ensayos de calibración se obtienen 3 funciones que permiten determinar la resistencia mecánica del material a partir de la monitorización en las 25 primeras horas del proceso. Dos de ellas (V y CR) son función de los parámetros elásticos del material y la otra (T /H) en función de parámetros energéticos y medioambientales del proceso. La determinación final de la resistencia a partir de las resistencias obtenidas con

30 estos parámetros se determinará por las siguientes funciones, dependiendo de la necesidad de cada aplicación:

RJV,CR,T,H) = min(RJV),RJCR),RJT,H))

( 9)

La función ( 9) permitirá garantizar la resistencia mínima que tendrá el material.

Mientras que la función (10) pondera linealmente los resultados de los parámetros medidos dependiendo de la calidad de los mismos

Rc(V,CR,T,H) =Xv · Rc(V) + XcR · Rc(CR) + XrH · Rc(T,H)

( 1 o) siendo xv , x~ y Xm los coeficientes de ponderación que por una parte deben cumplir que

1=xv +xcR +xrH; y por otra deben ser inversamente proporcionales al error cuadrático medio de las diferentes funciones en el intervalo de tiempo considerado. Para la predicción de propiedades finales se utilizarán las funciones anteriores pero los coeficientes de ponderación podrán cambiar si el error de las diferentes funciones cambia a tiempos más largos.

4. Procedimiento de Medida mediante la Red Inalámbrica de Sensores (RIS) :

La RI S, debe permitir incorporar tanto el "hardware" como el software para tres tipos de sensores (FIG.6): sensores ultrasónicos (SUS) (17) adecuados para la inspección de hormigón, sensores de temperatura (ST) y sensores de humedad (SH) (18) . La RI S debe permitir al menos estructurarla en una topología lineal (FIG. 2O), y preferiblemente en árbol (FIG.21) En todas las redes existe un nodo principal (19), que recoge todos los datos de los nodos secundarios (20) y lo envía a un sistema informático (21) para su almacenamiento y procesamiento. Dado que el proceso de fraguado es un proceso relativamente lento, la adquisición de las señales sensoriales debe permitir una frecuencia de toma de datos de al menos 1 toma por cada 2 minutos.

Cada nodo de la red inalámbrica está formado por un microcontrolador que debe tener disponibles los recursos necesarios para poder implementar el procesamiento de señal

necesario para los diferentes sensores incorporados. Actualmente casi todas las redes comerciales de sensores tienen la posibilidad de incorporar sensores de humedad y temperatura. Sin embargo la posibilidad de incorporar sensores ultrasónicos aptos para la inspección de hormigón requiere de una serie de características especiales: a) Proporcionar la suficiente energía para soportar dos

módulos de emisión-recepción ultrasónica de baja tensión.

b) Que se pueda sincronizar la emisión-recepción ultrasónica, incluso de manera inalámbrica entre diferentes nodos de la red.

e) Que cada nodo tenga un sistema de contadores temporales para determinar el tiempo de vuelo de la señal ultrasónica con precisión mejor que las décimas de milisegundo.

El procedimiento de Medida con la RIS se describe a continuación:

l. Captura de datos de temperatura y humedad.

2.

Captura de señal ultrasónica para la medida de velocidad de propagación.

3.

Captura de señal ultrasónica para la medida de CR.

4.

Envío de los registros de las señales sensoriales al nodo principal.

5.

Procesamiento de señales para obtención de los parámetros velocidad y CR.

6.

Envío de los datos obtenidos al sistema informático.

7.

Aplicación de la metodología de análisis descrita en el apartado anterior para la medida de propiedades mecánicas.

8.

Aplicación de la metodología de análisis para la predicción de resistencias mecánicas finales.

El sistema está compuesto por una red de comunicación

inalámbrica compuesta por 5 nodos sensorizados y un nodo

conectado a un ordenador portátil (nodo base) . Éste último se encarga de recoger todos los datos de la red. El sistema se usa para monitorizar los procesos de fraguado y endurecimiento de varios elementos de hormigón, siendo necesario un nodo por cada punto de medida a monitorizar.

1 . Sensores :

a. Ultrasónicos:

l. Para la medida de Velocidad de Propagación: cada 2 minutos se calcula la mediana de la velocidad de transmisión a través del material de 5 pulsos consecutivos de 40 kHz con una ganancia de recepción de 70 dB. Para ello cada nodo usa 2 transductores de la marca Proceq, uno de emisión y otro de recepción, de frecuencia central de 54 kHz. El diámetro de los sensores es de 50 mm.

ll. Para la medida del CR: cada 2 minutos se realiza un promediado de 3 señales adquiridas que elimina posible ruido, con una frecuencia central de inspección de 500 kHz. La tensión de ataque será pequeña, de unos 5V para transductores de banda estrecha/ancha indistintamente, como los utilizados de la marca Panametrics V151 con un diámetro de 2,54 cm y con una ganancia de 40 dB.

b. Temperatura: Cada 2 minutos se mide la temperatura

en

el interior del material usando 2 sensores SHT75

(Sensirion)

y la temperatura ambiente.

e. Humedad:

Cada 2 minutos se mide la humedad en el

interior

del material usando 2 sensores SHT75

(Sensirion)

y la humedad ambiente.

2 . Acoplamiento:

a)

Sensores ultrasónicos.

Se

usa un acoplamiento seco directo: Los transductores

ultrasónicos

tienen una capa adaptadora compuesta de

silicona

sólida con pequeñas protuberancias semiesféricas

de 50 mm de diámetro. Con unas mordazas de dimensiones 530 x 530 mm compuestas de un muelle precargado se sujetan firmemente los transductores a la estructura marco de hormigón, con una presión constante (FIG.1). Se usa acoplamiento directo al material para el caso de la medida CR (FIG.5). b) Sensores de Temperatura y Humedad. Para acoplar los sensores de temperatura en el interior del material se utiliza un dispositivo de forma cónica de plástico de medidas 50 x 10 mm (FIG.11) de manera que tenga prácticamente la misma humedad y temperatura del material pero que no tenga contacto directo. Este dispositivo se introduce unos 30 mm en el hormigón recién fabricado. Cada sensor se conecta con un cable hasta el nodo inalámbrico. Para medir la temperatura y humedad ambiente se utiliza una cámara análoga a la introducida en el material para que las medidas sean comparables.

3. Procedimiento de calibración para la determinación del estado del fraguado y endurecimiento (CEFE) .

El nodo base se encarga de recoger todas las medidas de velocidad ultrasónica, CR, temperatura y humedad tomadas por los diferentes nodos que componen la red. Este nodo se conecta al ordenador, por el puerto serie, donde se almacenan en un fichero. Después se analizan y se construyen las curvas de variación de la velocidad ultrasónica y del diferencial entre la temperatura y humedad del material y la temperatura y humedad ambiental a medida que se produce el proceso de fraguado.

Para relacionar la resistencia con la velocidad y el

CR se ha procedido de la siguiente manera. Primero se han fabricado probetas de hormigón de 15 x 15 x 15 cm, las cuales se han monitorizado durante 120 horas (=Ts) con sensores ultrasónicos, de temperatura y humedad y además se ha medido la resistencia a compresión a 4, 8, 12, 16, 20, 24, 30, 50.5 y 119 horas.

Se ha ajustado la resistencia y la velocidad usando las ecuaciones (1) y (2) respectivamente y considerando los datos de las 120 horas en el caso de la resistencia y de

las

primeras 24 horas (=Tm) en el caso de la velocidad. A

partir

de estos datos se ha obtenido la relación entre la

velocidad

y la resistencia usando la ecuación (3) y el

error

cometido.

A partir de las señales tomadas con el dispositivo sensor, FIG. 5, se calculo el CR según ecuación ( 4) . Se ha ajustado el CR usando la ecuación ( 5) y considerando los datos hasta 48 horas ya que, posteriormente, el parámetro CR varía más lentamente. A partir de estos datos se ha obtenido la relación entre el CR y la resistencia usando la ecuación (6).

Para la calibración de la temperatura y la humedad se han utilizado 3 temperaturas, l2°C, 20°C y 40°C, y 3 humedades relativas, 100%, 60% y 40%, y unos tiempos de rotura para la resistencia a compresión de 24h, 48h, 7 días y 28 días. Se ha ajustado la resistencia usando las ecuaciones 7 y 8.

4. Procedimiento de medida mediante la Red Inalámbrica de Sensores (RIS) :

Cada nodo de la red inalámbrica tiene unas dimensiones de lOO X 20 X 40 mm y está compuesto por un microcontrolador Atmega128, un chip de radio CClOOO a 433 MHz de frecuencia, un sensor ultrasónico de emisión y otro de recepción, un puerto serie y 1 conector de 51 pines. Una tarjeta de adquisición de datos es usada con cada nodo para

conectar

los sensores de temperatura y humedad. Para

obtener

un mayor rango de cobertura, cada nodo dispone de

una

antena de dimensiones 143 x 10 mm. Estos dispositivos

funcionan

con 2 baterías AA. Para proteger los nodos que

5

componen la red se encapsulan en cajas de dimensiones 120 x

40

x 60 mm

La

adquisición de las señales sensoriales se realiza

cada

2 minutos. Cada nodo actuará como emisor y receptor

del

pulso ultrasónico a través del material.

1O

Se coloca un nodo en cada marco de hormigón

monitorizado

y el nodo base tiene que estar dentro del

rango

de cobertura de al menos 1 de los nodos. Usando una

topología

de árbol, FIG.21, la información de cada nodo es

recibida por

la base.

15

DETERMINACIÓN

DEL ESTADO DEL PROCESO FRAGUADO Y PREDICIÓN

DE

PROPIEDADES FINALES

Para

la determinación del estado de proceso de

20

fraguado se utilizarán las funciones 9 o 10. En el caso de

la

monitorización de los marcos de hormigón se utilizo

la

función

9 para determinar la resistencia mínima para mover

el

marco de la zona de fabricación a la zona de almacenaje.

Claims (8)

1. REIVINDICACIONES

   1.-Sistema inalámbrico de medida del grado de fraguado y endurecimiento de materiales cementicios para la predicción de resistencias mecánicas que comprende:

   •

   al menos un sensor ultrasónico "SUS" para monitorizar unos parámetros elásticos de un material cementicio;

   •

   al menos un sensor de temperatura "ST";

   •

   al menos un sensor de humedad relativa "SH" que conjuntamente con el sensor de temperatura monitorizan unos parámetros energéticos/medioambientales;

   •

   una red de comunicación inalámbrica "RIS" compuesta por al menos dos nodos para la adquisición y procesamiento de señales electrónicas provenientes de sensores;

   •

   un sistema informático (21) conectado al sensor de temperatura, al sensor de humedad relativa y al sensor ultrasónico vía la red de comunicación inalámbrica;

   tal que el sistema informático (21) calcula una resistencia mecánica del material cementicio a partir de los parámetros elásticos y los parámetros energéticos/medioambientales monitorizados.
2. 2.-Sistema inalámbrico según la reivindicación 1, caracterizado porque adicionalmente comprende un sistema de acoplamiento "AS" del sensor ultrasónico, del sensor de temperatura y del sensor de humedad relativa al material cementicio.
3. 3.-Sistema inalámbrico según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque adicionalmente comprende una unidad de calibración que lleva a cabo un procedimiento de

   calibración para la determinación del estado del fraguado y endurecimiento "CEFE".
4. 4.-Sistema inalámbrico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los parámetros elásticos están comprendidos por una velocidad de propagación "V" y un coeficiente de reflexión "CR" y porque los parámetros energéticos/medioambientales están comprendidos por una temperatura "T" y una humedad "H".
5. 5.-Sistema inalámbrico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el sistema informático (21) comprende un nodo principal (19) y al menos un nodo secundario (20) tal que el nodo principal

   (19) recoge todos los datos del nodo secundario y los envía al sistema informático (21) para su almacenamiento y procesamiento.
6. 6.-Sistema inalámbrico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el sistema informático (21) comprende un microcontrolador por cada nodo comprendido en la red inalámbrica, donde el microcontrolador comprende medios de implementación del sensor ultrasónico, del sensor de temperatura y del sensor de humedad relativa.
7. 7.-Sistema inalámbrico según la reivindicación 6, caracterizado porque los medios de implementación para el sensor ultrasónico adicionalmente comprenden:

   •

   un módulo de potencia para proporcionar la suficiente energía como para soportar dos módulos de emisión-recepción ultrasónica de baja tensión;

   •

   un módulo de sincronización ultrasónica que sincroniza la emisión-recepción ultrasónica, incluso de manera inalámbrica entre diferentes

   nodos de la red;

   • un sistema de contadores temporales por cada nodo para determinar el tiempo de vuelo de la señal ultrasónica con precisión mejor que las décimas de milisegundo.
8. 8.-Procedimiento de medida del grado de fraguado y endurecimiento de materiales cementicios para la predicción de resistencias mecánicas para el sistema definido en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque comprende los siguientes pasos:

   •

   capturar unos datos de temperatura T y humedad H mediante el sensor de temperatura "ST" y generar un registro T/H;

   •

   capturar una señal ultrasónica para la medida de velocidad de propagación V mediante el sensor ultrasónico "SUS" y generar un registro V;

   •

   capturar una señal ultrasónica para la medida del coeficiente de reflexión CR mediante el sensor ultrasónico SUS y generar un registro CR;

   •

   enviar todos los registros anteriores de las señales sensoriales al nodo principal;

   •

   procesar las señales para obtener los parámetros velocidad V y coeficiente de reflexión CR.

   •

   enviar los datos obtenidos al sistema informático;

   •

   calcular la resistencia mecánica mínima Re (V, CR, T, H) del material cementicio mediante la expresión:

   Re(V,CR,T,H) = min(Re(V),Re(CR), Re(T,H)) donde Re(V)= a·exp(b·V), donde a y b son unos parámetros de ajuste; Re(CR)= a·exp(-b·CR) donde a y b son unos parámetros de ajuste; y donde Re ( T , H) Rmax ( ( kT, h ( t-t o ) / ( 1+ ( kT, h ( t-t o ) ) ) ) ) tal que Rmax es la resistencia final, kT,h es la constante

   de la reacción dependiente de T y h, y t 0 el instante de comienzo de la hidratación.