Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural CONTRIBUCION AL ESTUDIO DE ADHERENCIA ENTRE VARILLAS DE PRFV Y CONCRETO Amando Padilla Ramírez 1, Jesús Antonio Flores Bastamente 2, 3 4 Víctor Jorge Cortes Suárez y Guillermo Landa Avilés RESUMEN El presente estudio muestra la resistencia a la adherencia de dos tipos de varillas de PRFV, el primer tipo de varilla de PRF (plástico reforzado con fibras) es una varilla comercial pultruida, cuya superficie solo se encuentra cubierta por una capa de arena sílice para mejorar la adhesión. El segundo tipo de varillas corresponde a varillas con una geometría tipo toron, que se obtuvieron por un proceso de torsión. Se prepararon torones a base de fibra de vidrio y resina poliéster, así como torones con fibra de vidrio y resina epóxica Estos dos tipos de varilla fueron anclados en concreto y la adherencia se evaluó mediante ensayos de pullout en los que se varía el área de contacto entre la varilla y la matriz de concreto. La variación de área de contacto esta en función del diámetro de la varilla y la profundidad de anclaje de la varilla en el concreto. Los diámetros de varillas fueron de 3/8, ½ y 1” nominal y las profundidades de anclaje fueron de 10, 20 y 30 cm. De igual forma se evaluó la adherencia de varillas de acero. Los resultados obtenidos en estos ensayos mostraron una baja adherencia de las varillas pultruidas con el concreto (un promedio de un 50% por debajo de los valores observados con las varillas de acero), mientras que las varillas de PRF en forma de torones, mostraron resistencia a la adhesión similares y en algunos casos superiores a las de las varillas de acero. SUMMARY Present work shows the adhesion to concrete matrix of different types of composite FRP rods. Adhesion was evaluated through pullout test. Employed FRP (fiber reinforced plastics) rods were: a) commercial pultrusion rods covered with sand, b) FRP tendons based on glass fiber and polyester resin, and c) FRP tendons based on glass fiber and epoxi resin. Pullout test were carried on using rods, which had diameters of, 3/8, ½ and 1”. Rods were imbibed at different depths into the concrete matrix. Imbibed bar lengths were 10, 20 and 30 cm. Also pullout test were carried on steel bar in order to have a reference. Results show that pultrusion rods had a low adhesion to concrete matrix. Pullout resistance for this kind of rods was 50% lower than FRP tendon type rods. FRP tendons, both based on epoxi resin and polyester resin, shown similar and in some case a better pullout resistance than steel bars. 1 Profesor, UAM Azcapotzalco, Av. San Pablo No. 180, Col. Reynosa Tamaulipas, 02200 México, D.F, Teléfono (55)5318-9513, Fax (55)5318-9514, [email protected] 2 Profesor, UAM Azcapotzalco, Av. San Pablo No. 180, Col. Reynosa Tamaulipas, 02200 México, D.F, Teléfono (55)5318-9513, Fax (55)5318-9514, [email protected] 3 Profesor, UAM Azcapotzalco, Av. San Pablo No. 180, Col. Reynosa Tamaulipas, 02200 México, D.F, Teléfono (55)5318-9086, Fax (55)5318-9514, [email protected] 4 Profesor, UAM Azcapotzalco, Av. San Pablo No. 180, Col. Reynosa Tamaulipas, 02200 México, D.F, Teléfono (55)5318-9513, Fax (55)5318-9514, [email protected] 1 XV Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, 2006 INTRODUCCION Las varillas metálicas han sido usadas para el reforzamiento de concreto desde hace muchas décadas, actualmente existe una tendencia a sustituir al menos parcialmente las varillas metálicas por varillas a base de materiales compuestos, dado que pueden solucionar algunos problemas como son la corrosión de las varillas metálicas principalmente en ambientes salinos y húmedos (Kos, 2004). Estas nuevas varillas están formadas por una matriz de resinas termofijas y refuerzos de fibras de vidrio, carbono o aramida. De aquí el nombre varillas de PRFV (plástico reforzado con fibras de vidrio). Sin embargo, las varillas de PRFV muestran una baja adhesión al concreto, por lo que al igual que las varillas metálicas, es necesario modificar la geometría de las varillas de PRFV para lograr una mayor eficiencia en el reforzamiento. Desafortunadamente, una vez formada la varilla de PRFV, no es posible darle una nueva forma, dado el carácter termofijo de las resinas empleadas. De aquí, que parte del desarrollo sea el como lograr geometrías o superficies que mejoren la adherencia con el concreto. Por otro lado, para que exista una buena transferencia de esfuerzos, la adherencia entre el refuerzo (de acero o de PRF) y el concreto sea efectiva, debe existir una adecuada unión entre ambos materiales (Burgoyne, 1993). Sin embargo, ha medida que el concreto envejece y encoge, puede generarse una disminución de la resistencia a la adhesión, o bien si en el concreto se generan fisuras o si el concreto es sumamente permeable, puede ocurrir la corrosión de las varillas metálicas. No existe un ensayo estándar que permita evaluar la resistencia a la adherencia del refuerzo, pero existe la prueba de pullout que ha sido desarrollada para evaluar la adherencia de las varillas en diferentes tipos de concreto. Por lo que, la adhesión entre las varillas de FRP y la matriz de concreto fue evaluada a través de el ensayo de pullout en el cual la fuerza para extraer una varilla del bloque de concreto depende de varios factores, tales como: diámetro y longitud embebida de la varilla y de las propiedades mecánicas tanto de de la varilla como de la matriz. El ensayo es representado esquemáticamente en la Figura 1. σM σR σM T D L Fig. 1 Representación esquemática del ensayo de pullout De acuerdo a la Figura 1, el esfuerzo para remover la varilla de la matriz es igual a la resistencia de adhesión. La fuerza de extracción T actúa sobre la varilla y la interfase matriz-varilla donde la fuerza de unión A se opone a la fuerza de extracción. La ecuación 1 muestra la relación entre estas fuerzas en términos de esfuerzos T= A σR π D2/4 = η π DL η = σR π D / (4 L) (1) Donde: σR η DyL es la resistencia al esfuerzo de la varilla, es la resistencia al esfuerzo de la unión o adhesión son el diámetro y la longitud embebida de la varilla respectivamente 2 Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural A fin de tener un marco de referencia, se llevaron a cabo ensayos de pullout de varillas de acero comercial de diámetros similares a los de las varillas de PRFV. Particularmente, se evaluaron varillas comerciales pultruidas de PRFV a base de resina poliéster y torones de PRFV elaborados para este fin. Los torones fueron elaborados usando fibras de vidrio y resina tanto poliéster como epóxica. La idea de evaluar estos dos tipos de resinas, recae en razones técnicas y comerciales. La resina poliéster, es de bajo costo y fácil de procesar, mientras que la resina epóxica presenta un mayor costo (aproximadamente de 2.5 a 3 veces el de la resina poliéster) es más difícil su manejo, por ser corrosiva; pero presenta propiedades mecánicas superiores y de igual forma una mayor resistencia química y a la temperatura (Miravete et al, 2000). PARTE EXPERIMENTAL MATERIALES La resina poliéster empleada para la fabricación de torones fue una resina poliéster ortoftálica insaturada, M 60x70.no tixotrópica y preacelerada, con las siguientes características: Viscosidad (@ 25° C) Tiempo de gelado * Tiempo de curado * Temperatura de exotermia* 420 cp 8 min. 20 min. 165 ° C *Determinados a 25° C al 1.5% de peróxido de metil etil acetona. La resina epóxica Epoxiglas MTP XV corresponde a una resina producida por condensación de epiclorohidrina y bisfenol A, El endurecedor empleado es del tipo amino en una relación volumétrica de 10:1 (resina: endurecedor) La fibra de vidrio empleada corresponde a un hilo continuo, de Vetrotex R099-673 la cual es una fibra empleada en procesos de pultrusión, compatible con resinas poliéster y epóxicas. Una de las características importantes es el peso del hilo por unidad de longitud, el cual se determinó experimentalmente obteniéndose un Tex de 4,526 (peso del hilo en gr/km de longitud). Las varillas pultruidas comerciales, están fabricadas de acuerdo al proveedor por resina poliéster y fibra de vidrio en un contenido del 65% Las varillas de acero comerciales, corresponden a varillas de sección transversal circular y con corrugaciones longitudinales. La resistencia nominal de las varillas de acero utilizadas fue de f´y = 4200 kg/cm2. Para la fabricación de la matriz de concreto se empleó cemento Pórtland. Basados en los resultados de pruebas de granulometría a los agregados (agregado grueso y agregado, se diseño un concreto con un f´c de 300 kg/cm2 PREPARACION DE VARILLAS Y TORONES Varillas pultruidas Las varillas pultruidas empleadas en este trabajo son varillas comerciales. Estas varillas son fabricadas a base de fibra de vidrio y resina poliéster. Las varillas fueron recubiertas con arena sílice en su superficie usando resina epóxica como adhesivo entre la superficie de la varilla y la arena sílice. El tamaño medio de las arenas usadas fue de malla 60. 3 XV Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, 2006 Torones de FRP Los torones, fueron elaborados usando fibra de vidrio continua (hilo roving) y resina poliéster ortoftálica. Se empleo, un proceso de humectación similar al usado en el proceso de pultrusión, seguido de un proceso de torsión manual de la fibra. En el proceso de humectación se utilizó un dispositivo formado por una charola de plástico, una varilla metálica para garantizar que los hilos de fibra pasen dentro de la resina y sean humectados; y un par de rodillos que presionan los hilos humectados para eliminar el exceso de resina. Adicionalmente los hilos a utilizar son pesados previamente a fin de determinar la cantidad de resina que debe colocarse en la charola de plástico. De esta forma se controla la relación resina/ fibra. Este dispositivo se muestra en la fotografía de la Figura 2a. Los hilos ya humectados, son torcidos manualmente y colocados en un bastidor provisto en uno de los extremos de ménsulas fijas y en el extremo opuesto de mensuras móviles mediante los cuales se tensa los hilos y se mantienen tensos hasta que la resina cure. El bastidor se muestra en la fotografía de la Figura 2b. (a) (b) Fig. 2 Fotografías que muestran dispositivo para impregnación del hilo y control del contenido de resina (a) y bastidor para el tensado y curado de los torones formados Bajo este método, se prepararon los torones con una longitud inicial de 120 cm. y con diferentes diámetros, variando el número de hilos. Posteriormente los torones fueron cortados en ambos extremos para tener una longitud final de 100 cm. El diámetro de los torones queda definido por el número de hilos empleados. La Tabla 1 muestra la relación entre el número de hilos y el diámetro nominal de los torones. Tabla 1. Relación del número de hilos para formar torones de diferentes diámetros nominales Diámetro medio (pulgadas) Número de hilos de fibra de vidrio Peso total de los hilos gramos/120 cm 3/8 22 122 1/2 32 178 1 66 341 El peso total de los hilos es importante, como ya se mencionó, para calcular la cantidad de resina y catalizador a emplear. Tanto en la elaboración de torones a base de resina poliéster como epóxica, la relación resina/fibra fue de 45/55 4 Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural Características mecánicas de las varillas de FRP Tanto las propiedades de las varillas pultruidas, como de los torones, depende no solo del tipo de materiales empleados en su fabricación, sino también de la relación en que están estos componentes, así como del proceso y condiciones del mismo. La Tabla 2 presenta algunas propiedades determinadas en el laboratorio. Tabla 2. Características generales de torones de PRFV, barra pultruida y varilla de acero. Tipo de varilla Toron de poliéster Toron epóxico Barra pultruida Acero Peso específico 1.63 1.73 1.79 7.30 Módulo elástico a la tensión GPa 27.5 - 32.0 40.0 38-42.0 205 Resistencia a la Tensión MPa 458 - 505 562 425 411 Contenido de fibra de vidrio wt% 55% 55% No disponible No aplica Características del concreto empleado La resistencia diseñada del concreto para embeber a las varillas de acero y de PRF fue de f´c=300 kg/cm2. Los ensayos mecánicos mostraron un valor f´c de 315 Kg/cm2 y un revenimiento de 10 Elaboración de muestras para el ensayo de pullout Se prepararon muestras con los cuatro tipo de varillas, embebidas a diferentes profundidades: 10, 20 y 30 cm., en cilindros metálicos de decantación como cimbra para el concreto, de 15 x 30 cm. Una vez fijada la posición de la varilla dentro del cilindro metálico, el concreto se vacía y se compacta de acuerdo a la Norma NOM-C-159 (Elaboración y curado en el laboratorio de especimenes de concreto). Los especímenes fueron desmoldados después de 24 horas y endurecidos en cuarto de curado a 20°C y 98% de humedad relativa durante 28 días. Ensayo de pullout El ensayo se basa, en la Norma ASTM C900-01 “Standard Test Method for Pullout Strength of Hardened Concrete”. Este método determina la resistencia a la extracción de una varilla en concreto endurecido midiendo la fuerza requerida para sacar una varilla La superficie del concreto que rodea la varilla es razonablemente plana para permitir un adecuado soporte en la base del soporte de la prensa hidráulica. El equipo empleado fue una maquina de tensión Tinius Olsen Hidráulica a una velocidad de desplazamiento de 5mm/min. (Véase Figura 3) La carga y el deslizamiento es registrada a intervalos hasta que: el la varilla alcance el punto de cedencia, o bien que el concreto o la varilla se deslicen o que se fracture el concreto. Fig. 3 Equipo para ensayo de pullout RESULTADOS En términos generales, los ensayos de pullout muestran un incremento en la resistencia conforme se incremento tanto el diámetro de la varilla como el la profundidad del anclaje, independiente-mente del tipo de varilla que se emplee. 5 XV Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, 2006 Estos resultados se muestran en la Figuras 4a, 4b, 4c y 4d, en las que se grafica la fuerza a la extracción en Newton contra el diámetro de la varilla y la profundidad del anclaje. Los resultados muestran que la resistencia a la extracción de las varillas pultruidas es 50% menor que la observada en la extracción de varillas de acero, mientras que la resistencia a la extracción de los torones es similar a las de las varillas de acero. De estos resultados, se desprenden dos hechos, la primera que las fuerzas interfaciales entre la superficie de la varilla pultruida y la matriz de concreto son sumamente pequeñas y por lo que la alta resistencia observada en los torones se debe a la forma del mismo (Véase fotografía en la Figura 5) 1000 400 Resistencia a la extracción N Resistencia a la extracción N Varilla poliéster Varilla pultruida 450 Anclaje 10 cm Anclaje 20 cm Anclaje 30 cm 350 300 250 200 150 100 50 0 "3/8" "1/2" 900 800 700 600 Anclaje 10 cm Anclaje 20 cm Anclaje 30 cm 500 400 300 200 100 0 "1" "3/8" Diámetro nominal de la varilla inch 1000 900 900 800 700 600 Resistencia a la extracción N Resistencia a la extracción N Varilla epóxica 1000 Anclaje 10 cm Anclaje 20 cm Anclaje 30 cm 500 400 300 200 100 800 700 "1/2" Diámetro nominal varilla inch "1" Varilla de acero Anclaje 10 cm Anclaje 20 cm Anclaje 30 cm 600 500 400 300 200 100 0 0 "3/8" "1/2" "1" Diámetro nominal de la varilla inch "3/8" "1/2" "1" Diámetro nominal de la varilla inch Fig. 4 Resistencia a la extracción de las diferentes varillas embebidas en concreto, en función de su diámetro y la profundidad del anclaje: (a) Varilla pultruida, (b) Varilla o toron de poliéster, (c) Varilla o toron epóxico y (d) Varilla de acero. A fin de relacionar en una sola gráfica todas estas variables, se consideró como variable independiente el área de contacto aparente de las varillas y como variable dependiente la fuerza de extracción. Cabe hacer notar, que la forma de los torones como de la varillas de acero no son totalmente cilíndricas tal y como se observa en la Figura 5. La Figura 6 muestra la resistencia a la extracción en función del área aparente, pudiéndose observar una resistencia muy inferior en la extracción de las varillas pultruidas, comparadas con el Fig. 5 Aspecto de los torones. 6 Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural resto de las varillas. Básicamente, la resistencia de los torones epóxicos es similar a la resistencia observada en las varillas de acero. Las líneas indican la tendencia de la resistencia a la extracción para cada tipo de varilla. Resistencia a la extracción N 1,200 Acero Putruido PRFV base Epóxica PRFV base Poliéster 1,000 800 600 400 200 0 0 50 100 150 200 Area de contacto cm2 250 300 Fig. 6 Resistencia a la extracción de varillas pultruidas, torones de poliéster , torones epóxicos y varillas de acero en función del área aparente embebida en concreto. Lo cual implicaría que debería existir un comportamiento mecánico similar en vigas reforzadas con acero y este tipo de torones. A fin de verificar esta suposición, se elaboraron vigas de 60 x 15 x 15 cm las que fueron reforzadas con varillas de acero, de varilla pultruida y torones de poliéster con diámetros medios de 3/8”. Cada viga fue reforzada con dos varillas en la cara inferior y se sometieron a ensayos de flexión en 4 puntos. La Figura 7, muestra los resultados obtenidos. Ensayos de Flexión de Vigas Reforzadas 1,400 1,200 Carga (MPa) 1,000 800 Toron poliéster Pultruida Acero 600 400 200 0 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 Deflexión (mm) Fig. 7 Ensayo a flexión de vigas reforzadas con varillas de acero, torones de poliéster y varillas pultruidas con diámetro medio de 3//8” 7 XV Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, 2006 Como puede observarse en la Figura 7 las curvas de las vigas reforzadas con acero y con torones son similares, aunque la capacidad de carga máxima es mayor en las vigas de acero. Por otro lado, las vigas reforzadas con las varillas pultruidas es sumamente menor, ya que lo que se observa en el ensayo es un deslizamiento de la varilla mismo que se muestra en la Figura 8c. En este casa la falla no s cortante, como en el caso observado en las vigas reforzadas tanto con varillas de acero como torones de poliéster (a) (b) (c) Fig. 8 Ensayo de vigas reforzadas con (a) varillas de acero (b) toron de poliéster y (c) varilla pultruida que muestra deslizamiento de la varilla. Por otro lado, es importante hacer notar, que ha medida que se incrementa el diámetro de la varilla el tipo de fractura pasa de la facturación de la varilla a fallas de deslizamiento de varilla conjuntamente con falla del concreto hasta solo fallar el concreto. (b) (a) (c) . (d) (e) Fig. 9. (a) Fractura del concreto en la extracción de varillas de acero; (b) Deslizamiento de la varilla pultruida en el concreto; (c) Fractura del concreto en la extracción de varilla pultruida de 1” de diámetro; (d) Fractura de torones de 3/8” y (e) Fractura del concreto en la extracción de torones de ½” embebidas 30 cm. 8 Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural El conjunto de fotografías de la Figura 9 muestran estos efectos. En general en las varillas de acero, sucede el deslizamiento y fractura del concreto, independientemente del diámetro de la varilla. En el caso de las varillas pultruidas, por lo general ocurre el deslizamiento de la barra y solo en el diámetro de 1” aparece la fractura del concreto. El comportamiento de los torones de PRFV es diferente, observándose la fractura de la varilla durante el ensayo cuando estas son de 3/8” de diámetro. En los torones de ½”, se observa fractura de la varilla cuando esta está embebida20 y 30 cm; sin embargo, a cuando la varilla se embebe 10 cm se observa deslizamiento de la misma y ruptura del concreto, tal y como se observa en la Figura 9e. En general, a medida que aumenta el diámetro se observa el deslizamiento y la fractura del concreto. De hecho se observa la fractura del concreto con varillas de 1” de diámetro independientemente del profundidad del embebido. Método de Ensayo Alternativo Por último, a fin de verificar el efecto de la forma geométrica en la adherencia entre las varillas de PRFV con la matriz cerámica, se planteo evaluar el efecto de la modificación de la superficie de las varillas pultruidas en la resistencia a la extracción. La modificación consistió en realizar canales sobre la circunferencia de la varilla tal y como se muestra en la Figura 10a. Los canales de profundidad de 3 mm por 5 mm de ancho fueron hechos solamente en barras de 1” de diámetro. De igual forma se evaluó el efecto del número de estas ranuras en contacto con la matriz. Se evaluaron particularmente el efecto de una, dos y tres ranuras en contacto con la matriz. 150 75 100 (a) (b) (c) Figura 10. (a) Varillas pultruidas modificadas con canales; (b) Representación esquemática de las varillas dentro de la matriz y (c) Ensayo de pullout en máquina Instron a 0.5 mm/min. ranuras en contacto con la matriz. Esto se muestra esquemáticamente en la Figura 10b. En este caso, en lugar de la matriz de concreto, las varillas fueron embebidas en cilindros de 15 x 30 cm. rellenos con arena al 17% de humedad. Los ensayos de pullout se realizaron en una máquina Instron a una velocidad de 0.5 mm/min. (Véase Figura 10c). 9 XV Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, 2006 Los resultados obtenidos se muestran en la Figura 11, en la que se observa, que conforme se incrementa el número de ranuras se incrementa la resistencia a la extracción. Las curvas muestran una región “elástica” que Ensayo de pullout 0.6 Crga de extracción (KN) 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 Lisa Una Ranura Dos Ranuras Tres Ranuras 0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 Deslizamiento (mm) Fig. 11 Ensayo de pullout (extracción) de varillas pultruidas modificadas con ranuras. La matriz empleada es arena compactada con una humedad del 17% corresponde a la fuerza necesaria para romper la “adherencia”. Una vez que ocurre el deslizamiento, la única manera de desarrollar adherencia adicional es mediante fricción y por la acción de cuña de pequeñas partículas de arena desalojadas entre la varilla y la masa de arena húmeda que la rodea. Esta resistencia corresponde a la zona donde la curva tiende a valores asintóticos. La variación de la forma de la superficie de la varilla es significativa y en consecuencia la resistencia por fricción depende de las características superficiales de la varilla. CONCLUSIONES Aunque no existen métodos estandarizados para medir las propiedades de adherencia con sustratos de concreto, Los resultados obtenidos bajo las mismas condiciones de preparación y ensayo de los torones de PRFV, muestran resistencias a la extracción similar a los obtenidos con las varillas metálicas. Sin embargo, la adherencia no es el único factor que determina el grado de reforzamiento de elementos de concreto, ya que también determinante las propiedades mecánicas del elemento reforzante. En este caso, el acero presenta un módulo elástico superior en cinco veces al de las varillas de PRFV, por lo que se logran resistencias –al menos en los ensayos a flexión- mayores con las varillas de acero que con las de PRFV. Sin embargo, la ventaja sobre las varillas metálicas podría recaer en un menor peso específico y una mayor resistencia a la corrosión. Por otro lado, retomando el problema de la adherencia, aquí solo se ha tomado en cuenta el valor máximo registrado en el proceso de extracción, sin embargo, el rompimiento de la interfase entre la matriz y el refuerzo debe ser un proceso gradual en el que se generaren fisuras, las cuales crecen y provocan el rompimiento de la unión. Razón por la cual, es necesario analizar estos mecanismos a fin de tener un mayor conocimiento de de los daños en la interfase y la durabilidad de la misma. 10 Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural REFERENCIAS Burgoyne, C. J (1993), “Should Fiber Reinforced Plastic be Bonded to Concrete”, Fibre Reinforced Plastic Reinforcement for Concrete Structures, A. Nanni and C W. Dolan, eds., SP-138, American Concrete Institute, Farmington Hills, Mich., pp.367-380 Kos Ela (2004), “Rod Trip Around de Country , States are Taking a Close Look at Composites and Civil Infrastructure and Coming Up Whit Innovative Applications” , CF Magazine , July 2004, Edit by American Composites Manufactures Association, USA, pp 13-18. Miravete Antonio y et al (2000), “Materiales Compuestos” Tomo I. Editada por Antonio Miravete, Zaragoza, España, pp. 44-76 AGRADECIMIENTOS Agradecemos la colaboración del Ing. Leopoldo Quiroz , de Ma. del Carmen López y José Arturo Orozco, para la realización de las muestras y ensayos mecánicos. 11