ENERGÍA DE FRACTURA DE MORTEROS DE CEMENTO REFORZAD OS CON FIBRAS DE VIDRIO (GRC) EN DIRECCIÓN PERPENDICULAR A LAS FIBRAS

A. Enfedaque, J. C. Gálvez

Departamento de Ingeniería Civil: Construcción, E.T.S de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Universidad Politécnica de Madrid. c/ Profesor Aranguren, s/n, 28040, Madrid, España.

E-mail: alejandro.enfedaque@upm.es

RESUMEN

En este trabajo se presenta el estudio de la energía de fractura de dos tipos de morteros de cemento reforzados con fibras de vidrio (GRC). El primer tipo es un GRC normal y en el segundo se ha realizado una adición de un 25% en peso de cemento de metacaolín de alta reactividad. El estudio de la energía de fractura de este tipo de material es de especial relevancia puesto que las normas que rigen su utilización no proporcionan datos sobre esta propiedad del material. Para solventar estos problemas se ha planteado una modificación de la recomendación RILEM TC-187-SOC. Se han modificado las dimensiones de las probetas y se han adaptado el resto de características. Los ensayos han mostrado como GRC de control y el GRC con metacaolín tienen respectivamente una energía de 414 N/m y 1255 N/m.

ABSTRACT

This work presents the evaluation of the fracture energy of two types of glass fiber reinforced cement (GRC). The first type of GRC had a normal composition and the second type had 25% of the cement weight metakaolin addition. This metakaolin had high reactivity. The study of the fracture energy in GRC is essential due to the lack of data about this mechanical property. Also the usual test method recommendations of this material do not provide any mean to obtain it. To solve these problems a modification of recommendation RILEM TC-187-SOC has been performed. Sample geometry has been modified to adapt it to GRC while the rest of the test parameters were maintained. Tests results showed that GRC without additions has a fracture energy of 414 N/m and GRC with 25% metakaolin addition has a fracture energy of 1255 N/m. PALABRAS CLAVE: GRC, mortero de cemento, fibra de vidrio, energía de fractura

1. INTRODUCCIÓN Los morteros de cemento reforzados con fibras de vidrio (GRC) son materiales compuestos de base cementícea que han sido usados en numerosas aplicaciones durante los últimos 40 años. El GRC surgió como sustituto del fibrocemento ya que éste se prohibió debido a las consecuencias nocivas de las fibras de asbesto. Éstas fueron sustituidas por otros tipos de fibras entre las cuales se encuentran las fibras de vidrio. El GRC está formado por tanto, por la unión de dos materiales con propiedades totalmente diferentes: mortero de cemento y fibras cortas de vidrio [1]. El mortero de cemento confina las fibras dentro de una matriz cementícea aportando resistencia a compresión mientras que las fibras de vidrio mejoran la ductilidad del mortero de cemento y su resistencia a tracción. En el material compuesto el mortero de cemento aporta una resistencia compresión alta ya que ésta no se ve influenciada por las fibras de vidrio [2]. Esto se produce como consecuencia de la baja fracción volumétrica de fibras (del orden del 5%) empleada. La presencia de fibras evita también problemas de retracción pudiéndose suprimir, gracias a las

propiedades mecánicas anteriormente comentadas, las barras de armado y fijar el espesor del GRC en tan solo 10mm. Al fabricar elementos tan delgados y no ser necesario disponer armaduras de refuerzo se consigue un material con una gran versatilidad de diseño y que además tiene un peso propio muy reducido. Debido a todos estos factores los usos del GRC en la actualidad son numerosos y van desde el uso en barreras acústicas y cerramientos en edificación hasta encofrados perdidos en ingeniería civil [3]. Las aplicaciones anteriormente citadas no aprovechan toda la capacidad mecánica del material puesto que se hace un uso no estructural del material. Esta limitación está justificada por la evolución negativa de las propiedades mecánicas del material con el paso del tiempo y el contacto con los agentes atmosféricos. Las propiedades mecánicas que se reducen de forma más acusada son la resistencia a tracción y la ductilidad como ha sido comprobado en estudios anteriores [4-7]. En diversos trabajos anteriores se ha intentado reducir la variación de las propiedades mecánicas mediante la modificación de la composición de la matriz cementícea [8-9]. Se ha evaluado la influencia de compuestos como el humo de sílice, metacaolín, cenizas volantes y

resinas acrílicas en las propiedades del material tanto a corto como a largo plazo [10-11]. A pesar de todos estos esfuerzos no existe unanimidad en cuanto al efecto de dichas adiciones químicas. Existe también otra complicación añadida, que es la disparidad de formulaciones y métodos de ensayos empleados. En el entorno europeo la evaluación de las propiedades mecánicas del GRC sigue la norma UNE-EN 1170-5 [12]. Sin embargo, el procedimiento de ensayo que establece dicha norma no proporciona todas las características del material que son de interés para el uso estructural del GRC. En esta norma la energía de fractura y el modo de fallo del GRC no son tenidos en cuenta. Para intentar solucionar estas lagunas, en este artículo se mide la energía de fractura del GRC sin aditivos y con un 25% de metacaolín de alta reactividad mediante una adaptación de la recomendación más común para el hormigón. Los resultados obtenidos se han completado con el análisis de los modos de fallo mediante la correlación digital de imágenes. 2. CAMPAÑA EXPERIMENTAL 2.1 Materialesy probetas Se han utilizado dos tipos distintos de mortero reforzado con fibra de vidrio. El primer tipo es un mortero de cemento reforzado con fibra de vidrio con una dosificación usual en la fabricación industrial de este material. El segundo tipo es una modificación de la dosificación típica a la que se ha añadido un 25% de metacaolín de alta reactividad con nombre comercial Powerpozz. Las dosificaciones se pueden ver en la Tabla 1. En todas las formulaciones se ha usado fibra de vidrio de tipo AR añadida en una fracción volumétrica del 5% respecto del total. La longitud de las fibras fue de 3.81cm (1.5 pulgadas).

Tabla 1. Dosificaciones GRC.

Control Powerpozz Cemento 50 Kg 50 Kg

Arena 50 Kg 50 Kg Agua 17 Kg 25 Kg

plastificante 0.5 l. 0.5 l. Adición ---------- 12.5 Kg

Fibra vidrio 5% 5% Con estos materiales se fabricaron planchas de 1200x1200x10 mm3 mediante el método de proyección conjunta. Este método se basa en la unión de la fibra de vidrio y el mortero de cemento en el mismo molde de la pieza a hormigonar puesto que son proyectados simultáneamente pero sin existir contacto previo. El espesor nominal de la planchas no varía puesto que en todos los usos que se dan al material se aprovecha su ligereza la cual viene dada por su reducido espesor. El

espesor nominal con el que se trabaja es de 10 mm. Sin embargo, el proceso de fabricación incluye el acabado de la cara libre durante la fabricación mediante un enrasado con llana lo que hace que el espesor real de la plancha tenga ligeras variaciones. Después de endurecidas las planchas fueron desmoldadas y conservadas a 20ºC y 95% de humedad en una cámara climática hasta cumplir los 28 días. Posteriormente han sido conservadas en condiciones de laboratorio (30% humedad relativa, 20ºC) hasta el momento del ensayo. De las planchas se eliminó el contorno exterior formando un marco de 5 cm de ancho para evitar la influencia de las fibras dobladas en el borde del molde. 2.2 Esquema del ensayo La norma para la evaluación de la propiedades mecánicas del GRC de aplicación en España es la norma de ámbito europeo UNE-EN 1170-5 [12]. Esta norma fija el método de ensayo para identificar el comportamiento en tensión y deformación así como el límite de proporcionalidad y la rotura a flexión del GRC. Un esquema de este ensayo se puede ver en la Figura 1

Figura 1. Esquema ensayo GRC según UNE-EN 1170-5

En la aplicación estructural de los paneles de GRC la mayor parte de los prototipos se han diseñado con la disposición reflejada en la norma [12]. Sin embargo, el esquema de flexión en cuatro puntos fijado genera una serie de fisuras que no aparecen en el punto de medida de la flecha de la probeta dificultando la obtención de la energía de fractura del GRC como se resalta en la Figura 1. Para poder obtener la energía de fractura en la dirección perpendicular a la superficie de los paneles de GRC se ha realizado una búsqueda bibliográfica de las normativas y recomendaciones publicadas [13-16] no hallándose resultados satisfactorios.

Por lo tanto, se ha partido de la recomendación RILEM TC-187-SOC [16] la cual es ampliamente usada para obtener la energía de fractura en hormigones. En esta norma se fijan las proporciones que deben tener las probetas en ancho-largo-espesor. Se usan probetas prismáticas con igual ancho y canto (D) y se recomienda una luz igual o mayor a tres veces el canto (3D). Estas proporciones no se pueden mantener en un material como el GRC puesto que el espesor de las probetas a ensayar es notablemente inferior. Se ha realizado una adaptación de tal recomendación, respetándose los parámetros de ensayo en la medida de lo posible. Se cortaron las probetas con unas dimensiones de 172x55mm2. Se fijó una luz entre apoyos de 3B siendo B el ancho de la probeta. En estas probetas se efectuó una entalla igual a D/3 en la mitad de la probeta. Para obtener resultados comparables se rectificó la cara libre de las probetas para igualar su espesor. Puesto que la norma que inspira el método de ensayo [16] fija una anchura de entalla muy pequeña en relación al canto de la probeta se ha intentado realizar una entalla lo más estrecha posible. Se mecanizaron las entallas con una fresa que permitió realizar entallas de gran precisión con un espesor de 1mm y una profundidad de 3.3mm aproximadamente. En la Figura 2 se puede ver una de las probetas antes del ensayo, así como un esquema de la entalla.

Figura 2. Probeta GRC entallada. Escala en cm en la

imagen superior

Las probetas se pintaron de negro y sobre esta capa de pintura se pintó una nube de puntos blancos que sirvieron para la correlación digital de imágenes (DIC). Un detalle del patrón de puntos usado en las probetas en la zona cercana a la entalla se puede observar en la Figura 3. La instrumentación del ensayo es minuciosa puesto que se simultanearon las medidas con los siguientes sensores: célula de carga, posición del actuador, extensómetro de medida de CMOD, dos LVDT uno a cada lado de la probeta y la grabación del ensayo mediante DIC.

Figura 3. Patrón de puntos en la zona próxima a la entalla.

La cámara encargada de grabar los ensayos no se pudo disponer enfrente de la entalla puesto que en esa posición se encontraban los LVDT. Por lo tanto se dispuso un sistema de grabación mediante enfoque indirecto en el que la cámara enfocaba a la entalla en el reflejo de un espejo dispuesto a 45º de la probeta y de la cámara. Un esquema de la disposición de la cámara se puede observar en la Figura 4.

Figura 4. Esquema disposición cámara DIC

En la Figura 5 se ve una imagen de un momento de uno de los ensayos. En esta se puede apreciar la medida de la flecha de la probeta a través de los LVDT y el extensómetro de clip de la medida de CMOD. Se puede ver también la parte superior del espejo detrás de la probeta.

Figura 5. Disposición del ensayo desde el punto de vista de la cámara.

El control del ensayo se realizó mediante el extensómetro encargado de medir el CMOD. Se realizaron seis escalones de carga con velocidades crecientes de apertura de labios de fisura. La Tabla 2 muestra la velocidad de apertura del dispositivo CMOD a lo largo del ensayo.

Tabla 2. Parámetros de control del ensayo

Velocidad CMOD (µm/min) w (µm)

0.012 0-200

0.024 200-400

0.048 400-600

0.072 600-800

0.12 800-1400

0.24 1400-fin del ensayo 3. RESULTADOS En la Figura 6 se muestran los resultados obtenidos en los ensayos de fractura del GRC sin aditivos. Se puede observar cómo no ha habido dispersión en los resultados de los ensayos. En todas las probetas se superan ligeramente los 120 N. Además, la descarga de todas la probetas fue análoga alcanzándose todos los casos una apertura de fisura de casi 2.5 mm. En la Figura 7 se pueden ver los resultados obtenidos en los ensayos de fractura del GRC con un 25% de Powerpozz. En la Figura 7 se puede ver con claridad que ha habido una dispersión mayor en los resultados que en la formulación de control. La carga máxima que se alcanza tiene desviaciones de alrededor del 17%. Las ramas de descarga son análogas, pero se ha registrado una cierta dispersión en los resultados, siendo las probetas 4 y 6 las que fijan los comportamientos más extremos.

0

20

40

60

80

100

120

140

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

123

Fue

rza

(N)

CMOD (mm)

GRC control

Figura 6. Resultados ensayos de fractura GRC de

control.

Por otro lado hay que destacar que a medida que el ensayo avanza, el comportamiento de las probetas es más parecido. Así la carga que soportan las diferentes probetas en la rama de descarga para una mismo CMOD tiene una menor dispersión para valores de CMOD mayores.

0

20

40

60

80

100

120

140

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

12346

Fue

rza

(N)

CMOD (mm)

GRC Powerpozz

Figura 7. Resultados ensayos GRC con adición de un

25% de Powerpozz.

4. DISCUSIÓN DE RESULTADOS En la Figura 8 se muestra el comportamiento medio de las probetas de GRC de control y GRC con 25% de Powerpozz.

0

20

40

60

80

100

120

140

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

GRC controlGRC Powerpozz

Fue

rza

(N)

CMOD (mm) Figura 8. Curvas medias de GRC de control y GRC con

25% de Powerpozz.

En ambos materiales la pérdida de linealidad tiene lugar mucho antes del punto de carga máxima. En el caso del GRC sin aditivos la pérdida de linealidad (LOP) se produce alrededor de los 100N mientras que el GRC

con Powerpozz pierde la proporcionalidad antes de alcanzar los 80N. Posteriormente ambos tipos de material pierden rigidez y por lo tanto el proceso de daño comienza. Hay que destacar que la formulación de control alcanza una carga máxima un 20% superior a GRC con Powerpozz. Además el GRC de control es notablemente más rígido (20%) que el GRC con 25% de Powerpozz Para hallar la energía de fractura de los dos tipos de GRC se ha hallado el trabajo empleado en fracturar las probetas. Para esto se ha hallado el área debajo de las curvas carga –flecha que se pueden ver en la Figura 9.

0

20

40

60

80

100

120

140

0 3 6 9 12 15

GRC controlGRC Powerpozz

Fue

rza

(N)

Flecha (mm) Figura 9. Curvas medias de GRC de control y GRC con

25% de Powerpozz.

Dividiendo el trabajo hallado por el área de fractura teórica (50x6.7mm2) se hallaron los valores que se pueden ver en la Tabla 3

Tabla 3. Energía de fractura de los dos tipos de GRC

Control Powerpozz Wf (Nmm) 135 414 Gf (N/m) 409 1255

Para poder estudiar los mecanismos que justifican estos comportamientos tan diferentes se han analizado las imágenes tomadas durante el ensayo y que han sido posteriormente analizadas DIC. Como se pueden ver en la Figura 10 la deformación de rotura que se ha logrado en el caso del GRC con Powerpozz es un 200% superior a la que muestra el GRC de control además hay que resaltar que esta deformación se ha logrado con cargas que suponen del 20% de su carga pico. Centrando la atención en los posibles mecanismos que justifiquen esta diferencia de comportamiento, en el caso de las GRC con Powerpozz los labios de la fractura están puenteados con varias fibras de vidrio mientras que las de GRC sin adiciones solo aparece una fibra.

Figura 10. Deformación de rotura.

5. CONCLUSIONES

Se ha conseguido realizar con éxito ensayos de fractura en probetas de GRC en dirección normal al plano de las placas. Se ha mostrado que el GRC con Powerpozz tiene una energía de fractura cuatro veces superior al GRC de control. Se ha mostrado que el GRC sin adiciones es un 20% más rígido en su rama lineal que el GRC con Powerpozz. El GRC de control una carga máxima un 20% superior a las del GRC con Powerpozz. Se ha comprobado la utilidad de los sistemas de correlación de imágenes para analizar los mecanismos de deformación y rotura en ensayos de fractura de GRC.

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