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.

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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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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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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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lc =

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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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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.

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1.5.3

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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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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:

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•

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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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

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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Tipo de hormigón

Hormigón sin refuerzo de control Hormigón reforzado con Nylon Hormigón reforzado con Polipropileno

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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.

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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

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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

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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

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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.

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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

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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’)

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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.

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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.

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Fibra

Espesor (dtex) 6.7 6.7

G1C G3C

Tenacidad (cN/dtex) 52.41 30.28

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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).

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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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