Bloque II_Fibra de Polipropileno

Hormigón Reforzado con Fibras de Polipropileno
Bloque II
BLOQUE II: HORMIGÓN REFORZADO CON FIBRAS DE
POLIPROPILENO
1. HORMIGÓN REFORZADO CON FIBRAS: INTRODUCCIÓN
1.1 Definición de HRF
El ‘HRF’ (Hormigón Reforzado con Fibras), del anglosajón ‘FRC’ (Fiber
Reinforced Concrete), es un hormigón con cemento hidráulico que contiene
grava fina, áridos gruesos y una distribución discontinua de fibras [4]. Elementos
de refuerzo como mallas continuas o largas barras no entran dentro de la
definición de fibras de refuerzo.
1.2 Definición de fibra
A lo largo de la historia se han utilizado fibras de materiales como acero,
plástico, vidrio y materiales naturales de diferentes formas y tamaños. Las fibras
no son más que hilos cortos distribuidos de forma aleatoria sobre la matriz
(hormigón).
Un parámetro interesante que describe una fibra es el definido como la
relación entre la longitud y el diámetro equivalente de la fibra. El diámetro
equivalente de la fibra es el diámetro de un círculo de igual área que la de la
sección de la fibra. Valores típicos de este parámetro son de 30 a 150, para
longitudes de fibra de entre 0.10 y 7.50 cm.
1.3 Orígenes históricos
Históricamente las fibras han sido usadas para reforzar materiales frágiles.
La paja fue utilizada para reforzar ladrillos para hornos, el crines de caballo fue
utilizado para reforzar el yeso de enlucido y más recientemente, fibra de asbesto
(también llamado amianto) se están utilizando para reforzar el cemento portland.
51
Hormigón Reforzado con Fibras de Polipropileno
Bloque II
La baja resistencia a tracción y la alta fragilidad del hormigón han sido
resueltas por medio del uso de barras en la zona de tracción desde mediados del
siglo diecinueve.
Ya en 1910 Porter y en 1911 Grahan sugieren la utilización de armado de
barras y fibras. En 1927 G. Martin introduce la primera patente mundial de
refuerzos con fibras. Las investigaciones de Romualdi & Bastón y Romualdi &
Mandel sobre fibras aleatorias en los años cincuenta formaron unas bases
importantes para el posterior uso de fibras para refuerzos de elementos. A
principio de 1960, se usaban fibras de plástico para experimentos en hormigones
con y sin refuerzos por armaduras longitudinales o mallas. Experimentos con
fibras de vidrio se llevaron a cabo en los Estados Unidos a principios de 1950,
además de en Inglaterra y Rusia. Las aplicaciones de FRC se han realizado
desde mediados de 1960 y se realizaron principalmente sobre pavimentos y losas
de hormigón, sobre materiales refractarios y productos en general de hormigón.
La mayoría de las experiencias en los Estados Unidos se han realizado con
fibras de acero con grava de peso medio y cemento portland. Los métodos de
mezclado, colocación consolidación y finalización han sido desarrollados
principalmente para pavimentos.
1.4 Naturaleza y tipos de fibras
Ya se ha visto que a lo largo de la historia se han estado haciendo uso de
diferentes tipos de material para formar las fibras de refuerzos. Según la
naturaleza de las fibras estas pueden ser clasificadas de la siguiente manera:
•
Inorgánicas (vidrio, carbono)
•
Orgánicas (vegetales, sintéticas)
•
Metálicas (acero, acero inoxidable)
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Bloque II
Las características de los hormigones reforzados con fibras dependerán
principalmente de los siguientes factores:
•
Naturaleza de la fibra
•
Tipo de fibra
•
Característica geométrica de la fibra
•
Y del porcentaje y distribución de la fibra
A continuación se muestra una tabla en la que aparecen diferentes tipos de
fibras y para las que se comparan distintas propiedades en valores aproximados
[5].
FIBRA
Diámetro
Densidad
3
Modulo de
Tensión de
elasticidad
rotura
Alargamiento
(µm)
(g/cm )
(GPa)
(GPa)
(%)
Acero
5-1000
7.80
200
0.5-3.0
3.5
Acero Inox.
5-100
7.86
160
2.1
3.0
Vidrio
9-15
2.60
70-80
2.0-2.4
2-3.6
Crocidolita
0.02-0.4
3.4
196
3.5
2.0-3.0
Crisotilo
0.02-0.4
2.6
164
3.1
2.0-3.0
Polipropileno
10-200
0.90
5-77
0.4-0.8
8.0
Aramida
10-15
1.45
65-133
2.9-3.6
2.1-4.0
Carbono
9-20
1.90
230
2.6-3.0
1.0
Nylon
-
1.10
4.0
0.9
13.0-15.0
Celulosa
-
1.2
10
0.3-0.5
-
Acrílica
14-18
1.18
14-19.5
0.4-1.0
3
Poliéster
-
1.4
8.2
0.7-0.9
11.0-13.0
Polietileno
-
0.95
0.3
0.7·10-3
10
Madera
-
1.5
71.0
0.9
-
Sisal
10-50
1.50
-
0.4-0.8
Asbesto
Cemento
-
2.50
10-45
(4-8) ·10
3.0
-3
0.02
Tabla 1.1: Propiedades de las fibras más utilizadas en refuerzos de hormigón
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Hormigón Reforzado coon Fibras de Polipropileno
Bloque II
1.5 Conceptos generales del comportamiento mecánico de HRF
En este apartado, y antes de profundizar en los diferentes tipos de fibras que
se utilizan y principalmente en las de polipropileno, se verá la influencia que
tienen algunas de las características que diferencian los tipos de fibras [6].
1.5.1
Influencia de la longitud de la fibra
Las características mecánicas de los compuestos reforzados con fibras
dependen no sólo de las propiedades de la fibra, sino también del grado en
que una carga aplicada se transmite a la fibra por medio de la fase matriz. En
este proceso de transmisión de carga es muy importante la magnitud de la
unión en la interfaz de las fases matriz y fibra. Al aplicar un esfuerzo de
tracción, la unión fibra-matriz
fibra matriz cesa en los extremos de la fibra y en la matriz
se genera un patrón de deformación como el que se muestra en la figura 1.1;
en otras palabras, en los extremos de la fibra no hay transmisión de carga
desde la matriz.
Figura 1.1: Pull-out de las fibras
Existe una longitud de fibra crítica para aumentar la resistencia y la
rigidez del material compuesto. Esta longitud
lon
crítica lc depende del diámetro
d de la fibra, de la resistencia a la tracción σf y de la resistencia de la unión
matriz-fibra
fibra (o resistencia al cizalle de la matriz), τc de acuerdo con
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Hormigón Reforzado con Fibras de Polipropileno
lc =
Bloque II
σ fd
τc
Las fibras con l»lc (normalmente l >15 lc) se denominan continuas; y
las fibras de menor longitud se denominan discontinuas o fibras cortas. En
las fibras discontinuas de longitud significativamente menor que lc, la matriz
se deforma alrededor de la fibra de modo que apenas existe transferencia del
esfuerzo y el efecto del refuerzo de la fibra es insignificante.
1.5.2
Influencia de la orientación y de la concentración de la fibra
La orientación relativa de las fibras y su concentración y distribución
influyen radicalmente en la resistencia y en otras propiedades de los
materiales compuestos reforzados con fibras. Con respecto a la orientación
existen dos situaciones extremas. Primero la alineación paralela de los ejes
longitudinales de las fibras y en segundo lugar la alineación al azar. Las
fibras continuas normalmente se alinean (a), mientras que las fibras
discontinuas se pueden alinear (b) o bien se pueden orientar al azar (c) o
alinearse parcialmente (figura 1.2).
Normalmente, cuando los materiales compuestos tienen fibras orientadas
al azar, éstas suelen ser discontinuas y cortas. En estas circunstancias, el
módulo elástico del material resultante se expresa mediante una regla de las
mezclas:
Ec = KE f V f + E mVm
donde:
K=Parámetro de eficiencia de la fibra (normalmente entre 0,1 y 0,6).
E = Módulo elástico (f se refiere a la fibra y m a la matriz).
V = Fracción de volumen.
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Bloque II
Figura 1.2: Distribución de las fibras. Fibras continuas alineadas (a); fibras discontinuas alineadas
(b); fibras discontinuas aleatorias (c).
El módulo elástico de los materiales reforzados, tanto si las fibras están
alineadas como si están orientadas al azar, aumenta al incrementarse la
fracción de volumen de la fibra.
Las consideraciones sobre la orientación y la longitud de las fibras de un
compuesto particular dependen del nivel y de la naturaleza del esfuerzo
aplicado y del costo de fabricación. Las velocidades de producción de
compuestos con fibras cortas (alineadas y orientadas al azar) son rápidas y se
pueden conformar piezas de formas intrincadas que no son posibles con
refuerzos de fibras continuas. Además, los costos de fabricación son mucho
más bajos que en el caso de compuestos reforzados con fibras continuas y
alineadas.
56
Hormigón Reforzado con Fibras de Polipropileno
1.5.3
Bloque II
Fase fibrosa
Una importante característica de muchos materiales, especialmente los
frágiles, es que las fibras con diámetros pequeños son mucho más resistentes
que el material macizo. Como es sabido, la probabilidad de la presencia de
una imperfección superficial crítica que conduzca a la rotura disminuye
cuando aumenta el volumen específico. Este fenómeno se utiliza con ventaja
en los compuestos reforzados con fibras. El material utilizado como fibra de
refuerzo debe tener alta resistencia a la tracción.
En función de sus diámetros y características, las fibras se agrupan en
tres categorías diferentes: whiskers, fibras y alambres. Los whiskers son
monocristales muy delgados que tienen una relación longitud-diámetro muy
grande. Como consecuencia de su pequeño diámetro, tienen alto grado de
perfección cristalina y están prácticamente libres de defectos, y por ello
tienen resistencias excepcionalmente elevadas. Los whiskers pueden ser de
grafito, carburo de silicio, nitruro de silicio y óxido de aluminio. Los
materiales clasificados como fibras son policristalinos o amorfos y tienen
diámetros pequeños. Los materiales fibrosos son generalmente polímeros o
cerámicas. Los alambres tienen diámetros relativamente grandes. Los
materiales típicos son el acero, el molibdeno y el tungsteno.
1.5.4
Fase matriz
La fase matriz de un material compuesto con fibras ejerce varias
funciones. En primer lugar, une las fibras y actúa como un medio que
distribuye y transmite a las fibras los esfuerzos externos aplicados. Además,
la matriz debe ser dúctil y, por otra parte, el módulo elástico de la fibra debe
ser mucho mayor que el de la matriz. En segundo lugar, la matriz protege las
fibras del deterioro superficial que puede resultar de la abrasión mecánica o
de reacciones químicas con el medio ambiente. Estas interacciones
introducen defectos superficiales capaces de originar grietas, que podrían
producir fallos con esfuerzos de tracción relativamente bajos. Finalmente, la
matriz separa las fibras y, en virtud de su relativa blandura y plasticidad,
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Hormigón Reforzado con Fibras de Polipropileno
Bloque II
impide la propagación de grietas de una fibra a otra, que originaría fallos
catastróficos; en otras palabras, la matriz actúa como una barrera que evita la
propagación de grietas. Aunque algunas fibras individuales se rompan, la
rotura total del material compuesto no ocurrirá hasta que se hayan roto gran
número de fibras adyacentes, que forman un agregado de tamaño crítico.
Es esencial que la adherencia de la unión entre fibra y matriz sea
elevada para minimizar el arrancado de fibras. En efecto, la resistencia de la
unión tiene gran importancia en el momento de seleccionar la combinación
matriz-fibra. La resistencia a la tracción final del compuesto depende, en gran
parte, de la magnitud de esta unión. Una unión adecuada es esencial para
optimizar la transmisión de esfuerzos desde la matriz a las fibras.
2. HORMIGÓN REFORZADO CON FIBRAS DE VIDRIO
Al Hormigón Reforzado con Vidrio se le conoce como GRC del inglés
“Glass Reinforced Concrete” [5]. Las fibras de vidrio surgen como una
alternativa de futura del hormigón armado, ya que mejoras sus características, lo
libera del acero y reduce su espesor.
Existen diferentes tipos de vidrio con los que se fabrican las fibras, cada uno
destinado a una aplicación. Algunos tipos son: Vidrio E, utilizados en la
industrial textil; vidrio R, con una alta resistencia mecánica es muy usado en la
industria aeroespacial; vidrio D con muy buenas características dieléctricas;
vidrio AR, resistente al álcalis, desarrollado principalmente para reforzar el
hormigón. Su alto contenido en óxido de zirconio ofrece resistencia excelente
para los compuestos alcalinos durante el secado del hormigón.
La longitud de este tipo de fibras se encuentra entre los 10-60 mm, con una
resistencia a tracción considerable, del orden de 17·103 Kg/cm2 y un
alargamiento en rotura del 2 %.
Las propiedades que aportan al hormigón las fibras de vidrio son:
58
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Bloque II
•
Mejora la docilidad al contrario que las fibras de acero.
•
Disminuye la fisuración del
hormigón. Especialmente durante la
retracción plástica la fibra produce el control de la fisuración. Estas fibras
provocan que la ruptura del hormigón sea menos frágil y se aproxime
más al comportamiento de un material con ruptura dúctil.
•
Mejora la resistencia al impacto y fragmentación.
•
Aporta mejor resistencia mecánica. La resistencia a tracción sufre una
pequeña mejora, ya que disminuye los esfuerzos a tracción de forma más
homogénea.
También
mejora
la
resistencia
a
compresión,
aproximadamente en un 8% para una misma relación agua/cemento.
•
Aumenta la durabilidad del hormigón debido a que lo hace menos
fisurable. La fibra de vidrio tiene buena resistencia ante los agentes
corrosivos. Además la fibra de vidrio no se oxida.
•
Una última propiedad importante es que con la matriz deshidratada las
fibras de vidrio mantienen su estabilidad, haciéndolas resistentes al
fuego. Además son nos combustibles.
3. HORMIGÓN REFORZADO CON FIBRAS DE ACERO
Este tipo de fibras como todas las demás se añaden al hormigón para
mejorar sus propiedades. Principalmente existen dos tipos de fibras de acero:
acero al carbono y acero inoxidables. El segundo tipo de fibras se añaden al
hormigón cuando se necesita una buena resistencia a la corrosión como ocurre
en las estaciones marinas. También son empleadas para hormigones refractarios.
Además de estas aplicaciones se ha aplicado en obras de firmes de carretera, en
pistas de aterrizaje en aeropuertos, en escudos de túneles, forjados…etc.
Se pueden caracterizar por su longitud, diámetro y forma. Su longitud
oscila entre los 19-76 mm, su diámetro entre 0.3-1 mm y existen diversas formas
(onduladas, acampanadas en los extremos, con ganchos en los extremos,
encoladas, clip)
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Hormigón Reforzado con Fibras de Polipropileno
Bloque II
Las propiedades que aportan al hormigón las fibras de acero son:
•
Afectan poco a la resistencia a compresión con incrementos máximos del
25%.
•
Importante aumento de la resistencia a tracción (30 % para una
distribución al azar). Si al menos un 5% de las fibras están orientadas en
la dirección de la tensión, el hormigón puede aumentar su resistencia a
tracción hasta en un 130 %
•
La resistencia a flexión del hormigón con fibras respecto al hormigón sin
fibras también aumenta.
•
Incremento de la tenacidad. Del orden de 40 veces mayor.
•
Disminuye la docilidad. Por este motivo se suele añadir la fibra de acero
al final.
•
Aporta mayor durabilidad ya que se puede decir que “cose” las fisuras
del hormigón, impidiendo la entrada de agentes corrosivos hacia las
armaduras.
4. HORMIGÓN REFORZADO CON FIBRAS SINTÉTICAS
4.1 Características generales
Bajo la denominación de “fibras sintéticas” se encuentran las fibras de
poliéster,
rayón,
polipropileno,
polietileno,
acrílicas,
nylon,
kevlar,
aramida…etc.
Las fibras sintéticas se utilizan para mejorar diferentes propiedades que el
hormigón armado no posee. La más importante aplicación de las fibras sintética
está en la prevención de formación de grietas por tracción. Esto puede ser
necesario en diferentes situaciones de los hormigones.
Otra mejora que las fibras sintéticas aportan al hormigón es su resistencia a
la corrosión. Como es sabido, el hormigón armado, presenta un gran problema
60
Hormigón Reforzado con Fibras de Polipropileno
Bloque II
con la corrosión de sus armaduras producida por agentes agresivos como son los
cloruros y los ácidos. Los hormigones armados están diseñados con un
recubrimiento mínimo de las armaduras, pero esto no es suficiente ya que el
hormigón es un material frágil y una vez cargado y sometido a tracción se fisura.
Por estas fisuras acceden los agentes agresivos hasta las armaduras de acero
produciendo su corrosión por tanto debilitando su capacidad portante. Las fibras
sintéticas son inertes a la corrosión y debido a sus características y adicionadas a
la matriz de hormigón, “cosen” estas fisuras, evitando que
las armaduras
estructurales principales sean corroídas.
Otra mejora del hormigón con fibras sintéticas es la influencia que estas
tienen sobre la retracción plástica. Cuando el hormigón se encuentra en estado
plástico, se produce una pérdida de humedad del hormigón debido
principalmente a la evaporación a la atmósfera y a la absorción por parte del
encofrado. En este proceso de pérdida de agua, se produce un efecto de
capilaridad por presiones negativas, las cuales desarrollan en el hormigón
deformaciones de compresión. Estas deformaciones de compresión, provocan
lejos de dicha zona tracciones que causan grietas internas en hormigones que
todavía tiene una corta edad. Al igual que en el caso anterior, la adición de fibras
sintéticas evita dentro de lo posible que se formen esas grietas internan, cosiendo
la matriz de hormigón.
Por último y como objeto de estudio de este proyecto, la adicción de fibras
sintéticas al hormigón, aportan mejoras de los parámetros de fractura del
hormigón como son la capacidad de absorción de energía y la fragilidadductilidad. Además de estos dos parámetros de fractura, las fibras sintéticas
también influyen en la “Ley de efecto tamaño de Bazant” y su influencia será
objeto de este proyecto.
Es importante aclarar, que las fibras sintéticas no reemplazan el refuerzo
estructural principal en el hormigón ya que agregan poca o ninguna resistencia.
Pero el esfuerzo estructural no suministra su beneficio hasta que el hormigón
haya endurecido. Es por esto por lo que se adicionan fibras sintéticas como
refuerzo secundario.
61
Hormigón Reforzado con Fibras de Polipropileno
Bloque II
Además del uso de fibras sintéticas para evitar la formación de grietas en el
hormigón estas también mejoran la resistencia al impacto. Estas mejoras son del
orden de un 20 % más de resistencia al impacto para fibras de polipropileno [2].
De entre todas las fibras sintéticas las de mayor uso actual son las fibras de
polipropileno y las acrílicas.
Fue Goldfein quién en 1965 encontró una aplicación a las fibras de
polipropileno en la búsqueda de paneles resistentes a explosiones.
Las fibras de polipropileno se producen al estirar en dirección axial los
polímeros sintéticos hasta llegar a la formación de monofilamentos que son
cortados posteriormente con la longitud requerida.
Las fibras acrílicas son fibras obtenidas a partir de un copolímero formado
por acritonito y acetato de vinilo, que durante su proceso de fabricación se la
aplica un tratamiento de calentamiento y un determinado estiraje para obtener
una mayor tenacidad y resistencia a la tracción. Con el fin de mejorar la
dispersión de este tipo de fibras en el hormigón se le aplican diferentes aditivos.
Las principales propiedades que aportan las fibras acrílicas son:
•
Disminución de la fisuración en estado plástico.
•
Aumento de la resistencia frente a impactos hasta diez veces más que
con un hormigón tradicional.
•
Mejora de la ductilidad.
•
Mejora de la tenacidad. Es por tanto una propiedad del material
compuesto y por tanto su valor no solo depende del volumen,
longitud y diámetro sino que también depende de las características
mecánicas de la matriz. Esta característica es por tanto importante en
la última parte de la curva tensión-deformación donde el hormigón
transfiere esfuerzos de la matriz a las fibras.
62
Hormigón Reforzado con Fibras de Polipropileno
Bloque II
A continuación se muestra un cuadro de las características mecánicas de la
fibra acrílica “Dolanit” fabricada por la casa “Fisipe Barcelona S.A.” [5].
Diámetro (µm)
14
Longitud (mm)
6-12
Nº fibras/gramo
430000/870000
Sección
Circular
Densidad (g/cm3)
1.18
Alargamiento (%)
14-20
Tenacidad (N/mm2)
390-600
Resistencia a los ácidos
Buena
Resistencia a los álcalis
Buena
Resistencia a temperatura
Buena
Humedad máxima (%)
2
Tabla 4.1: Características mecánicas de la fibra acrílica Dolanit
Las aplicaciones principales de este tipo de fibras sintéticas, las acrílicas, son
la construcción de soleras y pavimentos industriales (aproximadamente 1
Kg/m3), en hormigones proyectados (4-12 Kg/m3), para prefabricados y
morteros especiales.
4.2 Morfología de las fibras sintéticas
Las fibras sintéticas son fabricadas de muchas formas diferentes entre las que
destacan las mostradas en la figura 4.1. Recientemente [8] se han realizado
ensayos para determinar cuál es la forma óptima de las fibras sintéticas. Para ello
se realizaron ensayos “pull-out” los cuales tratan de medir la adherencia de la
fibra a la matriz de cemento.
63
Hormigón Reforzado con Fibras de Polipropileno
Bloque II
Figura 4.1: Morfología de las fibras sintéticas
Figura 4.2: Ensayo de Pull-out sobre las fibras sintéticas
Los resultados que arrojaron estos ensayos fueron que la forma óptima de la
fibra es la “crimped”, seguida de la fibra “sinusoidal”. Por tanto se deduce que
cuanto mayor sea la ondulación de la fibra mejor adherencia tendrá a la matriz.
64
Hormigón Reforzado con Fibras de Polipropileno
Bloque II
4.3 Comparativa entre las fibras sintéticas: Nylon vs. Polipropileno
Los hormigones reforzados con fibras de nylon o polipropileno se encuentran
entre los más estudiados en la actualidad debido a las importantes propiedades
que le confieren al hormigón. Estudios recientes [7] han realizado comparativas
entre hormigones reforzados con ambos tipos de fibras.
El siguiente estudio comparativo entre ambas fibras ha sido realizado por los
investigadores P.S. Song, S.Hwang y B.C. Sheu. Los ensayos realizados han
sido el ensayo de compresión, de tracción directa o brasileño y de flexo-tracción.
En este estudio se ensayaron 18 probetas para tres tipos de hormigón, es
decir, reforzado con fibras de nylon, reforzado con fibras de polipropileno y un
hormigón de control sin adicción de fibras. La concentración de fibras para
ambos caso fue de 0.6 kg/m3 y las propiedades de cada una de las fibras se
muestran en la taba 4.2.
Tipo de fibra
Longitud
de la fibra
(mm)
Nylon
19
Polipropileno
19
Peso
específico
1.14
0.91
Modulo
elasticidad
(GPa)
5.17
4.11
Resistencia
tracción
(MPa)
896
413
Punto de
fusión
(ºC)
225
160
Tabla 4.2: Comparativa de las propiedades de fibras de Nylon y Polipropileno
En la tabla se observa que las dos fibras tienen igual longitud pero muy
distinta resistencia a tracción, siendo la resistencia a tracción del Nylon más del
doble de la del Polipropileno. Esto debe tenerse en cuenta a la hora de analizar
los resultados del ensayo mostrados en la tabla 4.3.
65
Hormigón Reforzado con Fibras de Polipropileno
Tipo de hormigón
Hormigón sin
refuerzo de
control
Hormigón
reforzado con
Nylon
Hormigón
reforzado con
Polipropileno
Bloque II
Resistencia a
compresión
(MPa)
Resistencia a
tracción
indirecta
(MPa)
Resistencia a
flexo-tracción
(MPa)
23.02
2.17
5.89
25.88
2.54
6.24
24.35
2.38
5.98
Tabla 4.3: Comparativa de los hormigones reforzados con fibras de Nylon y Polipropileno
Si referimos los resultados al hormigón de control, los incrementos de los
hormigones reforzados con fibra en porcentaje son:
•
Compresión: Nylon (12.42 %) y Polipropileno (5.78 %)
•
Tracción indirecta: Nylon (17.05 %) y Polipropileno (9.67 %)
•
Flexo-tracción: Nylon (5.94 %) y Polipropileno (1.53 %)
5. HORMIGÓN REFORZADO CON FIBRAS DE POLIPROPILENO
5.1 Características generales del polipropileno
El polipropileno es un polímero formado por la polimerización de un monómero
que es el propileno (CH2=CH-CH3). El propileno se obtiene a partir del petróleo
mediante una reacción de adición.
El polipropileno aunque es muy similar al polietileno de alta densidad, difiere de
este en varios aspectos como son:
•
La densidad es menor (0.9 g/cm3) y la temperatura de reblandecimiento
es de 135 ºC por lo que tiene una mayor temperatura de utilización.
•
El punto de fragilidad es más alto (Tg=0 ºC).
66
Hormigón Reforzado con Fibras de Polipropileno
•
Bloque II
Al tener una estructura interna más ordenada que el polietileno tiene
mayor tenacidad y rigidez.
•
Presenta mayor resistencia a la abrasión, similar a la del nylon, así
como una alta resistencia al impacto.
•
Tiene una baja permeabilidad a los gases y vapores. Presenta una alta
estabilidad química.
El polipropileno es absolutamente inerte y estable, no se corroe y posee una
resistencia a los álcalis muy alta. Además es antiestático y no magnético y tiene
una vida útil ilimitada, por lo que su compatibilidad con morteros cementosos y
hormigones es muy alta.
5.2 Retracción y durabilidad
La formación de grietas por la retracción plástica del hormigón aparecen
cuando la relación superficie/volumen es alta y está sujeta a una temprana edad
de secado. Se sabe que la adición de fibras de polipropileno al hormigón
controla la formación de estas grietas por retracción, pero no se conoce con
exactitud la influencia que sobre ella tienen parámetros como el diámetro, la
longitud y la geometría de las fibras.
Recientemente se han realizado ensayos [9] con esta finalidad. Estos ensayos
han sido llevados a cabo con técnicas especiales desarrolladas para este estudio.
Para aplicar esta técnica se realiza un revestimiento completo. El revestimiento
de hormigón reforzado con fibra se coloca sobre una base completamente curada
con unas protuberancias y todo el montaje se coloca en una cámara con un
ambiente especial para su secado.
Ya se ha comentado que cuando el hormigón se encuentra en estado plástico,
en el tiene lugar una pérdida de humedad por evaporación a la atmósfera o en su
caso por absorción de los materiales que este en contacto con él. Esta pérdida de
humedad se realiza por capilaridad, produciendo compresiones en esos puntos y
por tanto tracciones lejos de ese punto que provocan la formación de grietas.
67
Hormigón Reforzado con Fibras de Polipropileno
Bloque II
La técnica más efectiva para evitar la formación de grietas por retracción es
evitando la pérdida de humedad del hormigón por su superficie con un curado
adecuado. A veces este curado no es suficiente para evitar este fenómeno y se
necesita controlar muchas variables.
Sin embargo la técnica más efectiva para evitar o controlar el crecimiento de
grietas por retracción es la adicción de fibras al hormigón. De todas las fibras
conocidas las de polipropileno son las más efectivas. El polipropileno es
económico, inerte a ambientes de pH alto y fácil de dispersar.
El ensayo [9] se realiza para cuatro tipos de fibras de polipropileno diferentes
mostradas en la tabla 5.1.
Fibra
F1
F2
F3
F4
Tipo fibra
Diámetro Longitud Densidad Dosificación
(denier)
(mm)
(kg/m3)
(%)
Monofilo
3
12.5
900
0.1-0.2
Monofilo
6
12.5
900
0.1-0.2-0.3
Monofilo
6
6.35
900
0.1-0.2-0.3
“Fibrillated”
1000
12.5
900
0.1-0.2-0.3
Tabla 5.1: Propiedades de distintos tipos de fibras de polipropileno
Para estos cuatro tipos de fibras se realiza la técnica de ensayo dejándolo
curar en un ambiente especial como se comentó anteriormente. Se miden para
cada dosificación el área de la grieta y la apertura máxima de la grieta.
Tipo
fibra
Control
F1
F2
F3
F4
0%
329.9
Área de la grieta
(mm2)
0.10% 0.20% 0.30%
120.9
216.0
257.8
172.9
3.8
119.5
242.8
42.9
101.9
154.4
31.0
0%
3.00
Apertura máxima
(mm)
0.10% 0.20% 0.30%
1.32
1.32
2.00
1.02
0.18
1.04
1.42
0.54
0.89
1.40
0.38
Tabla 5.2: Área de la grieta y apertura máxima para diferentes dosificaciones
68
Hormigón Reforzado con Fibras de Polipropileno
Bloque II
Los resultados arrojados de los ensayos indican que mientras que las fibras de
polipropileno son en general efectivas para el control de las grietas en la
retracción del hormigón, las fibras finas con más efectivas que las gruesas y las
de mayor longitud son mejores que las cortas. Lo más interesante es que las
fibras del tipo “fibrillated” tienen una alta efectividad en el control de grietas por
retracción, ya que se observan muy pequeñas aperturas. Además se observa que
cuanto mayor sea la dosificación de las fibras menores aperturas y áreas de
grietas se obtienen.
5.3 Propiedades de fractura
5.3.1 Consideraciones generales
La energía específica de fractura GF es el parámetro más utilizado para el
análisis de grietas en estructuras de hormigón y por tanto será objeto de estudio
su variabilidad en hormigones con diferentes tipos de fibras de polipropileno.
Como ya se expuso en el bloque dedicado a la Mecánica de la Fractura, este
parámetro se define bajo las hipótesis de que todo el trabajo realizado por la
carga exterior se emplea en aumentar el tamaño de la grieta y que además la
energía requerida por la grieta es independiente de la geometría de la probeta.
De su definición se tiene la expresión:
GF =
∫ P·dδ
B·(D − a 0 )
donde P representa la carga, δ el desplazamiento vertical, D el canto de la
probeta, B el ancho y a0 la longitud inicial de la entalla.
Se
observaron
diferentes
resultados
experimentales
realizados
por
Nallathambi (1984) y Gettu (1990), llegándose a la conclusión de que existía
una variación de la energía de fractura GF con el canto de la viga (D), con la
relación (a/D) y con la distancia entre apoyos (S). Esta variabilidad se debe al no
cumplimiento de las hipótesis de partida en la definición de la energía de
69
Hormigón Reforzado con Fibras de Polipropileno
Bloque II
fractura GF. A pesar de esto se argumentaron suficientes razones para el uso de
GF como parámetro de fractura.
Por tanto el método de determinación de la energía de fractura GF, e incluso
su definición han estado sujeto a grandes debates entre los investigadores a
causa de la variabilidad de esta con el tamaño y forma de las probetas.
Guinea et al, identificó varios caminos de disipación de la energía de fractura
que pueden influenciar en la medida de la energía de fractura GF, como por
ejemplo la no consideración de la parte final de la curva P-δ en el ensayo a
flexión. Observó que cuando todos los caminos eran tenidos en cuenta la energía
específica de fractura independiente del tamaño podía ser obtenida.
Los investigadores Hu y Wittmann [10], consideraron la posibilidad de que la
energía específica de fractura no fuera constante a lo largo de la trayectoria de la
grieta de la probeta. Un reciente modelo de Duan et al, [10], asume que la
energía de fractura requerida para crear una grieta está influenciada por el
tamaño de la zona donde tiene lugar el proceso de fractura (lp), cuyo valor esta
también influenciado por los borde libres. Para considerar este efecto de se
asume una distribución bilinear de la energía de fractura. Cuando este efecto es
incluido se puede obtener la energía específica de fractura independiente del
tamaño GF.
Otro parámetro, del cual es interesante estudiar como varia con la
introducción de fibras de polipropileno, es la longitud de la zona de fractura (lch).
Esta magnitud también fue definida bajo unas hipótesis, sin embargo sirve para
estimar su valor de una forma aceptable.
l ch ≅
E'GF
f t '2
Este parámetro lch ofrece una idea de la fragilidad/ductilidad del material. Los
materiales más frágiles presentarán una menor longitud característica y los más
dúctiles tendrán una longitud mayor. Es por tanto que con este parámetro
70
Hormigón Reforzado con Fibras de Polipropileno
Bloque II
podremos observar cómo cambia la fragilidad/ductilidad del hormigón al
añadirle las fibras de polipropileno.
Otro efecto que será estudiado es la evolución del efecto tamaño para
hormigones con diferentes tipos de fibras de polipropileno. Es por tanto
interesante tener en cuenta estudios que han sido realizados sobre la influencia
de las fibras en el efecto tamaño.
Ya se vio en el bloque de la Mecánica de la Fractura que el efecto tamaño se
define por la comparación entre estructuras de diferentes tamaños pero
geométricamente similares. La Ley de efecto tamaño de Bazant se recoge en la
siguiente expresión:
σN =
E ·G f
g ' (α 0 )·c f + g (α 0 )·D
donde Gf y cf son dos parámetro que representan la energía de fractura y la
longitud del proceso de fractura respectivamente para una probeta de tamaño
infinito; g(α0) y g’(α0) son funciones que dependen de la geometría de la
probeta y de la profundidad relativa de la entalla (α0).
La adicción de fibras de polipropileno al hormigón puede suponer una
modificación en la característica de efecto tamaño, ya que el coeficiente Gf está
relacionada con la energía de fractura y esta energía de fractura presenta
variaciones en el hormigón al ser reforzado con fibras de polipropileno [11].
5.3.2 Modelo de análisis de fractura
Se va a exponer un modelo analítico [8] del comportamiento del hormigón
reforzado con fibras (FRC) en la zona de ablandamiento (post-pico) de la curva
de comportamiento carga-deflexión. Concretamente se van a establecer las
relaciones para un ensayo a flexión en cuatro puntos como el mostrado en la
figura 5.1. En ella aparece el CMOD (Crack Mouth Openning Displacement),
que no es más que la apertura máxima que se produce en la grieta.
71
Hormigón Reforzado con Fibras de Polipropileno
Bloque II
Figura 5.1: Definición de las dimensiones principales
En la figura 5.2 se muestra la forma que tienen las tensiones-fuerzas y las
deformaciones-desplazamientos en una sección de la viga anterior. En ella se ha
modelado no sólo la resistencia que aporta el hormigón en la zona de
compresión, sino que también se ha introducido la pequeña resistencia a tracción
que aporta el hormigón de la zona que todavía estando en tracción no se ha
fracturado y las fuerzas de tracción de la fibras.
Figura 5.2: Diagramas de deformaciones/desplazamiento y fuerza/tensión
72
Hormigón Reforzado con Fibras de Polipropileno
Bloque II
La curva tensión-deformación para este modelo se representa en la Figura
5.3, y fue desarrollada por Hongnestad. En ella se toma como deformación
última el 3 por mil.
Figura 5.3: Curva tensión-deformación para el modelo de Hongnestad
La distribución de la tensión de compresión fc dependiente de εc se divide en
dos tramos limitados por la deformación εo.
 ε  ε 2 
f c = f 2 c −  c   para 0 ≤ ε c ≤ ε o
 ε o  ε o  
'
c


0.15
(ε C − ε o ) para ε o ≤ ε c ≤ 0.003
f c = f c' 1 −
 0.004 − ε o

donde fc’ es la resistencia a compresión del hormigón y εo la deformación para la
máxima tensión (fc’)
73
Hormigón Reforzado con Fibras de Polipropileno
Bloque II
La fuerza resultante de las compresiones C se calcula como:
α=
C = α · f C' ·b·c ;
∫
f C dε C
f C' ·ε cf
;
donde b es el ancho de la viga y c indica la posición del eje neutro. El centro de
aplicación de la fuerza de compresión resultante C es:
γ = 1−
∫
ε Cf
0
ε C · f C ·dε C
ε Cf ·∫
ε Cf
0
f C ·dε C
Una magnitud interesante es el módulo de elasticidad del hormigón antes de
que el hormigón se fracture.
Ect = 5500 f C'
( MPa)
La fractura tiene lugar cuando la tensión de tracción del hormigón alcanza su
resistencia a tracción. Las tensiones de tracción decrecen a medida que la
apertura de la grieta aumenta ( σ ct = f (w) ). Las tensiones tras la fractura fueron
modeladas por Gopalaratnam y Shah tal como:
λ
σ ct = f ct ·e− k ·w
donde σct es la tensión de tracción tras la fractura; fct la resistencia a tracción del
hormigón; w la apertura de la grieta y k, λ constantes experimentales.
74
Hormigón Reforzado con Fibras de Polipropileno
Bloque II
Figura 5.3: Curva de ablandamiento tensión-apertura de grieta
Tras la fractura del hormigón entran en juego las fibras, realizando el efecto
de cosido de las grietas. Existirá una distribución aleatoria de fibras en la
superficie de la grieta, es decir un determinado número de fibras por unidad de
superficie, que están resistiendo la tracción. Es lógico decir que las fibras más
cercanas a la superficie inferior de la viga serán las más traccionadas puesto que
la apertura (CMOD) es mayor que cerca de la cabeza de hormigón donde las
fibras están menor traccionadas.
5.3.3 Influencia de la ductilidad de las fibras en la fragilidad y el efecto
tamaño
Un reciente estudio [11] se ha realizado para observar la influencia que las
propiedades de las fibras de polipropileno tienen sobre la fragilidad y efecto
tamaño de los hormigones. Se han ensayado principalmente dos tipos de fibras
de polipropileno, la primera tiene alta tenacidad y baja elongación y la segunda
tiene baja tenacidad y alta elongación. En la tabla 5.4 se tiene las propiedades de
las fibras ensayadas. La dosificación de fibras empleada es de 1.2 kg/m3 de
hormigón.
75
Hormigón Reforzado con Fibras de Polipropileno
Fibra
Espesor
(dtex)
6.7
6.7
G1C
G3C
Tenacidad
(cN/dtex)
52.41
30.28
Bloque II
Elongación
(%)
86.16
177.01
Longitud
(mm)
24
24
Tabla 5.3: Propiedades de las fibras de polipropileno
Para obtener las propiedades mecánicas se realizaron ensayos con probetas
cilíndricas de compresión y tracción indirecta y con probetas prismáticas
ensayos a flexo-tracción. Para obtener las propiedades de fractura y caracterizar
el efecto tamaño se realizaron ensayos sobre tres probetas prismáticas
geométricamente semejantes. Para obtener unos valores de referencia todos los
ensayos se realizan para los dos tipos de fibras (C1C y G3C) y para un hormigón
de control sin fibras.
Las características mecánicas de los distintos hormigones se representan en
la siguiente tabla:
Hormigón
SF
G1C
G3C
fc (MPa)
27.3
29.7
32.5
fti (MPa)
2.52
2.59
2.62
ftf (MPa)
3.61
3.71
3.87
E (GPa)
27.88
28.50
29.20
Tabla 5.4: Propiedades mecánicas de los ensayos normalizados
Se observa que la resistencia a compresión fc, la resistencia a tracción
indirecta fti y la resistencia a flexo-tracción ftf aumentan con la adición de las
fibras de polipropileno al hormigón. Concretamente comparando los dos tipos de
fibras las de baja tenacidad y alta elongación (G3C) aportan mayores
características mecánicas al hormigón que las de alta tenacidad y baja
elongación (G1C).
76
Hormigón Reforzado con Fibras de Polipropileno
Bloque II
A continuación se presentan en la tabla 5.5 los resultados que se
obtuvieron en el ensayo de las probetas de efecto tamaño.
Probeta
ET1-SF
ET2-SF
ET3-SF
ET1-G1C
ET2-G1C
ET3-G1C
ET1-G3C
ET2-G3C
ET3-G3C
σN (kPa)
86.8
54.4
74.0
111
69.6
100.6
55.5
125.5
101.2
dmax (mm)
1.32
1.31
1.75
4.11
3.26
2.52
3.66
3.26
3.20
lch (mm)
194.8
146.1
199.2
386
215.6
316.6
194.1
368.9
434
GF (N/m)
44.3
33.2
40.1
91.9
50.9
74.7
45.8
87.0
102
Tabla 5.5: Resultados de fractura para hormigones reforzados con diferentes tipos de fibras
En la tabla 5.5 se observa como el desplazamiento máximo aumenta con la
adicción de fibras, no afectando mucho a este parámetro la tenacidad y la
elongación de las fibras.
En cuanto a la energía de fractura no se tiene una tendencia clara de cuál de
las dos fibras aporta una mayor energía de fractura, pero sí está claro que la
adicción de cualquiera de los dos tipos de fibras aumentan la energía de fractura.
Por último en la longitud característica si se observa una clara evolución.
Aumenta de forma considerable con la adicción de las fibras de polipropileno, lo
cual indica que el hormigón reforzado con fibras tiene un comportamiento más
dúctil que un hormigón sin refuerzos.
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