Fibra de Vidrio

UNIVERSIDAD DE CHILE Facultad de Ciencias Fsicas y Matemticas Departamento de Ingeniera de los Materiales
Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio: Influencia del Porcentaje de Fibra Adicionado
Alumno: Jos Patricio Bravo Celis
Profesor Gua: Sr. Patricio Jorquera E. Profesor Co-Gua: Sr. Gerardo Daz R. Profesor Integrante: Sr. Eduardo Donoso C.
Fecha: Martes 09 de diciembre de 2003.
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Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio: Influencia del Porcentaje de Fibra Adicionado
El presente trabajo de ttulo tuvo como objetivo estudiar la influencia de la incorporacin de fibra de vidrio en hormigones de uso general, en las propiedades mecnicas del hormign.
En la investigacin se realizaron ensayos comparativos entre un hormign patrn, que no contena fibras y hormigones con distinto porcentaje de fibra adicionado. La fibra adicionada oscil entre el 0,05% y el 0,4% en peso del hormign. El hormign patrn tena una calidad nominal, expresada como resistencia a la compresin a los 28 das, de 250 kgf/cm2. Las propiedades del hormign que se estudiaron fueron la trabajabilidad, la resistencia a la compresin y la resistencia a la flexotraccin.
En el hormign en estado fresco se determin que, con la incorporacin de fibras, la trabajabilidad disminuye entre un 20% y un 1%, con respecto al hormign patrn, dependiendo de la cantidad de fibra adicionada. A mayor cantidad de fibra adicionada menor es la trabajabilidad del hormign.
En el hormign endurecido se logr determinar que la adicin de fibras de vidrio no tiene mayor influencia en el aumento de la resistencia a la compresin del hormign, y que por el contrario, el aumento de la cantidad de fibra de vidrio presente en la mezcla de hormign incide directamente en el aumento de la resistencia a la flexotraccin de ste, cumplindose que a mayor porcentaje de fibra de vidrio adicionado, mayor es el aumento de la resistencia a la flexotraccin.
Del anlisis de los resultados de la presente investigacin unido a la investigacin bibliogrfica, se desprende que algunas de las aplicaciones prcticas del hormign reforzado con fibras de vidrio seran las losas, los pavimentos industriales y el revestimiento de tneles.
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INDICE
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INTRODUCCIN ________________________________________________________ 6 Captulo 1 _______________________________________________________________ 7 ANTECEDENTES TERICOS______________________________________________ 7 1.1 Materiales Compuestos________________________________________________ 7 1.1.1 Introduccin_____________________________________________________ 7 1.1.2 Materiales Compuestos Reforzados con Partculas_______________________ 9 1.1.3 Materiales Compuestos Estructurales ________________________________ 10 1.1.4 Materiales Compuestos Reforzados con Fibras_________________________ 11 1.2 Conceptos Generales del Comportamiento Mecnico de Materiales Reforzados con Fibras _______________________________________________________________ 12 1.2.1 Influencia de la Longitud de la Fibra_________________________________ 12 1.2.2 Influencia de la Orientacin y de la Concentracin de la Fibra ____________ 13 1.2.2.1 Materiales Compuestos con Fibras Discontinuas y Orientadas al Azar___ 14 1.2.3 Fase Fibrosa____________________________________________________ 16 1.2.4 Fase Matriz ____________________________________________________ 18 1.3 Fibra de Vidrio _____________________________________________________ 19 1.3.1 Tipos de Vidrio _________________________________________________ 19 1.4 La Fibra de Vidrio A. R.______________________________________________ 22 1.4.1 Historia _______________________________________________________ 22 1.4.2 Fabricacin ____________________________________________________ 24 1.5 Fabricacin de un GRC ______________________________________________ 31 1.5.1 Elementos Constituyentes _________________________________________ 31 1.5.2 Procesos de Fabricacin de un GRC. ________________________________ 33 1.5.2.1 Procesos de Proyeccin Simultnea ______________________________ 33 1.5.2.2 Procesos de Premezcla ________________________________________ 34 1.5 Caractersticas Mecnicas, Fsicas y Qumicas de un GRC ___________________ 36 1.7 Ventajas competitivas del GRC ________________________________________ 39
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1.8 Cualidades del GRC _________________________________________________ 40 1.9 Principales Aplicaciones del GRC ______________________________________ 41
Captulo 2 ______________________________________________________________ 44 PLANTEAMIENTO DE LA INVESTIGACIN Y PROGRAMA DE ENSAYOS ____ 44 2.1 Introduccin _______________________________________________________ 44 2.2 Objetivos__________________________________________________________ 44 2.2.1 Objetivo General ________________________________________________ 44 2.2.2 Objetivos Especficos ____________________________________________ 45 2.2 Variable a Estudiar en el Desarrollo Experimental _________________________ 45 2.3 Programa de Ensayos ________________________________________________ 45 2.4 Descripcin de los Ensayos ___________________________________________ 47 2.4.1 Trabajabilidad __________________________________________________ 47 2.4.3 Compresin ____________________________________________________ 48 2.4.4 Flexotraccin ___________________________________________________ 50
Captulo 3 ______________________________________________________________ 52 DESARROLLO DE LA ETAPA EXPERIMENTAL ____________________________ 52 3.1 Materiales _________________________________________________________ 52 3.1.1 ridos ________________________________________________________ 52 3.1.1.1 Determinacin de Impurezas en las Arenas para Hormigones__________ 53 3.1.2 Cemento_______________________________________________________ 54 3.1.3 Fibras de Vidrio lcali-Resistentes__________________________________ 54 3.1.4 Agua _________________________________________________________ 55 3.1.5 Aditivo _______________________________________________________ 56 3.2 Dosificacin y Confeccin del Hormign ________________________________ 56 3.2.1 Dosificacin del Hormign Patrn __________________________________ 56 3.2.2 Confeccin del Hormign _________________________________________ 57 3.2.3 Programacin de las Coladas_______________________________________ 59 3.3 Tipologa de Probetas Fabricadas en Obra ________________________________ 60
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3.3.1 Fabricacin de Probetas Cbicas para Ensayos de Compresin ____________ 61 3.3.2 Fabricacin de Probetas Prismticas para Ensayos de Flexotraccin ________ 61 3.3.3 Curado Inicial y Desmolde de las Probetas ____________________________ 61 3.3.4 Identificacin de las Probetas ______________________________________ 62 3.3.5 Curado de las Probetas en el Laboratorio _____________________________ 62 3.4 Desarrollo de los Ensayos ____________________________________________ 64 3.4.1 Ensayo de Trabajabilidad _________________________________________ 64 4.3.2 Ensayo de Compresin ___________________________________________ 65 4.3.3 Ensayo de Flexotraccin __________________________________________ 65
Captulo 4 ______________________________________________________________ 67 ANLISIS E INTERPRETACIN DE RESULTADOS _________________________ 67 4.1 Ensayo de Trabajabilidad _____________________________________________ 67 4.2 Ensayo de Compresin _______________________________________________ 69 4.3 Ensayo de Flexotraccin______________________________________________ 74
Captulo 5 ______________________________________________________________ 77 CONCLUSIONES _______________________________________________________ 77 5.1 El Hormign en Estado Fresco_________________________________________ 77 5.2 El Hormign Endurecido _____________________________________________ 78 5.3 Posibles Usos del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio _________________ 78 5.4 Comparacin con Otras Fibras de Refuerzo_______________________________ 79 5.5 Propuesta de Trabajos Futuros _________________________________________ 80
BIBLIOGRAFA ________________________________________________________ 81 ANEXOS ______________________________________________________________ 87
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INTRODUCCIN
Los materiales aglomerantes, en la forma de hormigones o morteros, son atractivos para su uso como materiales de construccin, dado su bajo costo, su durabilidad y su adecuada resistencia a la compresin para un uso estructural. Adicionalmente, en el estado fresco ellos son fcilmente moldeables a las formas ms complejas que sean requeridas. Su defecto radica en sus caractersticas de baja resistencia a la traccin y a los impactos, y a su susceptibilidad a los cambios de humedad. Un reforzamiento mediante fibras puede ofrecer un conveniente, prctico y econmico mtodo para superar estas deficiencias.
La adicin de fibras como refuerzo de hormigones, morteros y pasta de cemento pueden incrementar muchas de las propiedades de stos, destacando entre ellas, la resistencia a la flexin, tenacidad, fatiga, impacto, permeabilidad y resistencia a la abrasin [1].
En el caso especfico del refuerzo del hormign con fibra de vidrio se han obtenido buenos resultados cuando se trata de morteros de ridos finos [2], utilizndose en distintas aplicaciones, tales como, paneles antirruido y paneles de fachadas de edificaciones, dadas su fcil instalacin y su poco peso. El material utilizado para la fabricacin de dichos paneles es conocido como GRC (Glass Reinforced Concrete).
Las fibras de vidrio utilizadas para el refuerzo del hormign son del tipo lcaliresistente; de esta forma se evita la formacin del gel lcali-silicato con los consiguientes efectos negativos de durabilidad de la fibra.
En el presente trabajo se estudiar la influencia del porcentaje de fibra de vidrio en las propiedades mecnicas del hormign.
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Captulo 1 ANTECEDENTES TERICOS

1.1 Materiales Compuestos 1.1.1 Introduccin
La mayora de las tecnologas modernas requiere materiales con una combinacin inusual de propiedades, imposible de conseguir con los metales, las cermicas y los polmeros convencionales.
Las combinaciones de propiedades de los materiales y la gama de sus valores se han ampliado, y se siguen ampliando, mediante el desarrollo de materiales compuestos (composites). En trminos generales, se considera que un material compuesto es un material multifase que conserva una proporcin significativa de las propiedades de las fases constituyentes [3]de manera que presente la mejor combinacin posible. De acuerdo con este principio de accin combinada, las mejores propiedades se obtienen por la combinacin razonada de dos o ms materiales diferentes.
Existen materiales compuestos naturales, como por ejemplo, la madera, que consiste en fibras de celulosa flexibles embebidas en un material rgido llamado lignina. El hueso es un material compuesto formado por colgeno, una protena resistente pero blanda, y por apatito, un mineral frgil.
En el presente contexto, un material compuesto es un material multifase obtenido artificialmente, en oposicin a los que se encuentran en la naturaleza. Adems, las fases constituyentes deben ser qumicamente distintas y separadas por una interfaz.
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La mayora de los materiales compuestos se han creado para mejorar la combinacin de propiedades mecnicas tales como rigidez, tenacidad y resistencia a la traccin a temperatura ambiente y a elevadas temperaturas.
La mayor parte de los materiales compuestos estn formados por dos fases; una, llamada matriz, es continua y rodea a la otra fase, denominada fase dispersa. Las propiedades de los compuestos son funcin de las propiedades de las fases constituyentes, de sus proporciones relativas y de la geometra de las fases dispersas1.
Un esquema simple para clasificar los materiales compuestos consta de tres divisiones (Fig. 1.1): compuestos reforzados con partculas, compuestos reforzados con fibras y compuestos estructurales; adems, existen dos subdivisiones para cada una. Se debe mencionar que la fase dispersa de los materiales compuestos reforzados con fibras tienen una relacin longitud-dimetro2 muy alta.
Figura 1-1. Clasificacin de los Materiales Compuestos (Callister, 1996).
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Se refiere a la forma, tamao, distribucin y orientacin de la fase dispersa. Tambin conocida como Relacin de Aspecto o Factor de Forma, definido matemticamente como la longitud de la fibra divida por su dimetro equivalente (dimetro de un crculo de rea igual al rea de la seccin transversal de la fibra).
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1.1.2 Materiales Compuestos Reforzados con Partculas
Los materiales compuestos reforzados con partculas se subdividen en reforzados con partculas grandes y consolidados por dispersin (Figura 1-1). Esta distincin se fundamenta en el mecanismo de consolidacin o de reforzamiento. El trmino" grande" se utiliza para indicar que las interacciones matriz-partcula no se pueden describir a nivel atmico o molecular, sino mediante la mecnica continua. En la mayora de los materiales compuestos la fase dispersa es ms dura y resistente que la matriz y las partculas de refuerzo tienden a restringir el movimiento de la matriz en las proximidades de cada partcula. En esencia, la matriz transfiere parte del esfuerzo aplicado a las partculas, las cuales soportan una parte de la carga. El grado de reforzamiento o de mejora del comportamiento mecnico depende de la fuerza de cohesin en la interfaz matriz-partcula.
Un material compuesto con partculas grandes es el hormign, formado por cemento (matriz) y arena o grava (partculas).
El reforzamiento es tanto ms efectivo cuanto ms pequeas sean las partculas y cuanto mejor distribuidas estn en la matriz. Adems, la fraccin de volumen de las dos fases influye en el comportamiento; las propiedades mecnicas aumentan al incrementarse el contenido de partculas. Se formulan dos expresiones matemticas para relacionar el mdulo elstico con la fraccin de volumen de las fases constituyentes de un material compuesto de dos fases [4]. Las ecuaciones de la regla de las mezclas predice que el valor del mdulo elstico estar comprendido entre un mximo
Ec = EmVm + E pVp
y un mnimo
Ec = Em E p Vm E p + V p Em
(1.1)
(1.2)
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En estas expresiones, E y V representan el mdulo elstico y la fraccin de volumen, respectivamente, mientras los subndices c, m y p significan material compuesto, matriz y fase-partcula.
Las partculas de los materiales compuestos consolidados por dispersin normalmente son mucho ms pequeas: los dimetros tienen de 10 a 100 nm. Las interacciones matriz-partcula que conducen a la consolidacin ocurren a nivel atmico o molecular. Mientras la matriz soporta la mayor parte de la carga aplicada, las pequeas partculas dispersas dificultan o impiden el desplazamiento de dislocaciones. De este modo se restringe la deformacin plstica de tal manera que aumenta el lmite elstico, la resistencia a la traccin y la dureza.
1.1.3 Materiales Compuestos Estructurales
Un material compuesto estructural est formado tanto por materiales compuestos como por materiales homogneos y sus propiedades no slo dependen de los materiales constituyentes sino de la geometra del diseo de los elementos estructurales. Los compuestos laminares, los cuales poseen una direccin preferente con elevada resistencia (tal como ocurre en la madera), y los paneles sndwich, que poseen caras externas fuertes separadas por una capa de material menos denso, o ncleo (ver figura 1-2), son dos de los compuestos estructurales ms comunes.
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Figura 1-2. Diagrama esquemtico de la fabricacin de un panel sndwich con un ncleo en panal [5].
1.1.4 Materiales Compuestos Reforzados con Fibras
Tecnolgicamente, los materiales compuestos con fases dispersas en forma de fibras son los ms importantes. A menudo se disean materiales compuestos reforzados con fibras con la finalidad de conseguir elevada resistencia y rigidez a baja densidad. Estas caractersticas se expresan mediante los parmetros resistencia especfica y mdulo especfico, que corresponden, respectivamente, a las relaciones entre la resistencia a la traccin y el peso especfico y entre el mdulo de elasticidad y el peso especfico. Utilizando materiales de baja densidad, tanto para la matriz como para las fibras, se fabrican compuestos reforzados con fibras que tienen resistencias y mdulos especficos excepcionalmente elevados.
Los materiales compuestos reforzados con fibras se subclasifican por la longitud de la fibra. Una descripcin detallada de este tipo de materiales se muestra a continuacin en el apartado 1.2 de esta Memoria.
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1.2 Conceptos Generales del Comportamiento Mecnico de Materiales Reforzados con Fibras
1.2.1 Influencia de la Longitud de la Fibra Las caractersticas mecnicas de los compuestos reforzados con fibras dependen no slo de las propiedades de la fibra, sino tambin del grado en que una carga aplicada se transmite a la fibra por medio de la fase matriz. En este proceso de transmisin de carga es muy importante la magnitud de la unin en la interfaz de las fases matriz y fibra. Al aplicar un esfuerzo de traccin, la unin fibra-matriz cesa en los extremos de la fibra y en la matriz se genera un patrn de deformacin como el que se muestra en la Figura 1-3; en otras palabras, en los extremos de la fibra no hay transmisin de carga desde la matriz.
Figura 1-3. Patrn de deformacin en una matriz que rodea a una fibra sometida a un esfuerzo de traccin.
Existe una longitud de fibra crtica para aumentar la resistencia y la rigidez del material compuesto. Esta longitud crtica lc depende del dimetro d de la fibra, de la resistencia a la traccin f y de la resistencia de la unin matriz-fibra (o resistencia al cizalle de la matriz), c , de acuerdo con lc =
fd c
(1.3)
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La longitud crtica de algunas combinaciones de matriz-fibra de vidrio y de carbono es del orden de 1 mm, equivalente a unas de 20 a 150 veces el dimetro de la fibra [6]. En la presente investigacin, el dimetro de fibra que se utilizara corresponde a 14 m y su largo ser de 12 mm [7], la resistencia a la traccin de la fibra de vidrio corresponde a 1,7 GPa [8] y la resistencia al cizalle de la matriz corresponde a 125 Kgf/cm2 (1,25 x 10-2 GPa) [9]. Utilizando la ecuacin 1.3, se obtiene que la longitud crtica para esta investigacin corresponde a lc = 1,9 mm.
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 reforzamiento de la fibra es insignificante. 1.2.2 Influencia de la Orientacin y de la Concentracin de la Fibra
La disposicin u orientacin relativa de las fibras y su concentracin y distribucin influyen radicalmente en la resistencia y en otras propiedades de los materiales compuestos reforzados con fibras. Con respecto a la orientacin existen dos situaciones extremas: (1) alineacin paralela de los ejes longitudinales de las fibras y (2) alineacin al azar. Las fibras continuas normalmente se alinean (Figura 1-4a), mientras que las fibras discontinuas se pueden alinear (Figura 1-4b) o bien se pueden orientar al azar (Figura 1-4c) o alinearse parcialmente.
En el caso de esta investigacin, dado el largo de la fibra de vidrio l, equivalente a 12 mm, se tiene que l 6 lc, con lc longitud crtica de la fibra. Es decir, se tiene una fibra discontinua o fibra corta. Adems esta fibra estar orientada al azar [10].
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Figura 1-4. Representaciones esquemticas de compuestos reforzados con fibras (a) continuas y alineadas, (b) discontinuas y alineadas y (c) discontinuas y orientadas al azar.
1.2.2.1 Materiales Compuestos con Fibras Discontinuas y Orientadas al Azar
Normalmente, cuando los materiales compuestos tienen fibras orientadas al azar, stas suelen ser discontinuas y cortas; un reforzamiento de este tipo est representado en la Figura 1-4c. En estas circunstancias, el mdulo elstico se expresa mediante una regla de las mezclas:
Ec = KE f V f + EmVm
donde: K = Parmetro de eficiencia de la fibra (tpicamente comprendido entre 0,1 y 0,6). E = Mdulo elstico (f se refiere a la fibra y m a la matriz). V = Fraccin de volumen.
(1.4)
El mdulo elstico de los materiales reforzados, tanto si las fibras estn alineadas como si estn orientadas al azar, aumenta al incrementarse la fraccin de volumen de la fibra. En la Tabla 1-1 se indican algunas propiedades mecnicas de los policarbonatos no
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reforzado y reforzado con fibras de vidrio discontinuas y orientadas al azar. Esta tabla da una idea de las magnitudes que se pueden obtener mediante reforzamiento.
Tabla 1-1. Propiedades del policarbonato sin refuerzo y reforzado con fibra de vidrio orientada al azar. Reforzado con fibra (% volumen) Propiedades No Reforzado 20 30 40 Gravedad Especfica Resistencia a la Traccin (MPa) Mdulo de Elasticidad (MPa) Elongacin (%) 1.19 1.22 59 62 2240 2345 90 115 1.35 110 5930 46 1.43 131 8620 35 1.52 159 11590 35
Fuente: Adaptado de Materials Engineerings Materials Selector. Copyright/IPC, 1988.
En la Tabla 1-2 se indican las eficiencias del reforzamiento con fibras en varias situaciones; la eficiencia se toma arbitrariamente como la unidad en la direccin paralela a la alineacin y cero en la direccin perpendicular.
Tabla 1-2. Eficiencia del reforzamiento de compuestos reforzados con fibra orientado en varias direcciones y esfuerzos aplicados en varias direcciones. Orientacin de la fibra Todas las fibras paralelas Fibras orientadas al azar y uniformemente distribuidas en un plano especfico Fibras orientadas al azar y uniformemente distribuidas en el espacio de tres dimensiones Direccin del esfuerzo Paralela a las fibras Perpendicular a las fibras Cualquier direccin en el plano de las fibras Eficiencia del reforzamiento 1 0 3/8
Cualquier direccin
1/5
Fuente: H. Krenchel, Fibre Reinforcement, Copenhague: Akademisk Forlag, 1964, pg 64.
En las aplicaciones en las que las fibras estn sometidas a esfuerzos totalmente multidireccionales normalmente se utilizan fibras discontinuas orientadas al azar en la
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matriz. La Tabla 1-2 muestra que la eficiencia del reforzamiento de estos compuestos es slo la quinta parte de la eficacia correspondiente a los compuestos cuyas fibras estn alineadas en la direccin longitudinal; sin embargo, las propiedades mecnicas son isotrpicas [11].
Las consideraciones sobre la orientacin y la longitud de las fibras de un compuesto particular dependen del nivel y de la naturaleza del esfuerzo aplicado y del costo de fabricacin. Las velocidades de produccin de compuestos con fibras cortas (alineadas y orientadas al azar) son rpidas y se pueden conformar piezas de formas intrincadas que no son posibles con refuerzos de fibras continuas. Adems, los costos de fabricacin son mucho ms bajos que en el caso de compuestos reforzados con fibras continuas y alineadas.
1.2.3 Fase Fibrosa
Una importante caracterstica de muchos materiales, especialmente los frgiles, es que las fibras con dimetros pequeos son mucho ms resistentes que el material macizo. Como es sabido, la probabilidad de la presencia de una imperfeccin superficial crtica que conduzca a la rotura disminuye cuando aumenta el volumen especfico [12]. Este fenmeno se utiliza con ventaja en los compuestos reforzados con fibras. El material utilizado como fibra de refuerzo debe tener alta resistencia a la traccin.
En funcin de sus dimetros y caractersticas, las fibras se agrupan en tres categoras diferentes: whiskers, fibras y alambres. Los whiskers son monocristales muy delgados que tienen una relacin longitud-dimetro muy grande. Como consecuencia de su pequeo dimetro, tienen alto grado de perfeccin cristalina y estn prcticamente libres de defectos, y por ello tienen resistencias excepcionalmente elevadas. Los whiskers pueden ser de grafito, carburo de silicio, nitruro de silicio y xido de aluminio. En la Tabla 1-3 se dan algunas caractersticas mecnicas de estos materiales.
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Tabla 1-3. Caractersticas de materiales reforzados con fibras. Peso Resistencia Resistencia Material especfico a la traccin (g/cm3) (GPa) Whiskers Grafito Carburo de silicio Nitruro de silicio xido de aluminio 2.2 3.2 3.2 3.9 20 20 14 14 28 Fibras Aramida (Kevlar 49) Vidrio E Carbono3 xido de aluminio Carburo de silicio 1.4 2.5 1.8 3.2 3.0 3.5 3.5 1.5 5.5 2.1 3.9 2.5 1.4 0.8 3.1 0.7 1.3 9.1 6.3 4.4 3.6 7.2 especfica (GPa)
Mdulo elstico (GPa)
Mdulo especfico (GPa)
690 480 380 415 550
314 150 119 106 141
124 72 150 500 170 425
89 29 83 278 53 142
Alambres Metlicos Acero alto en carbono Molibdeno Tungsteno 7.8 10.2 19.3 4.1 1.4 4.3 0.5 0.14 0.22 210 360 400 27 35.3 20.7
Fuente: Adapatado de Introduccin a la Ciencia e Ingeniera de los Materiales, W. Callister, 1996.
Los materiales clasificados como fibras son policristalinos o amorfos y tienen dimetros pequeos; los materiales fibrosos son generalmente polmeros o cermicas (p.ej., aramida, vidrio, carbono, boro, xido de aluminio y carburo de silicio). La Tabla 1-3 tambin indica algunos datos de varios materiales utilizados como fibras.
Para designar estas fibras se utiliza el trmino carbono en vez de grafito, ya que estn compuestas de regiones de grafito cristalino y tambin de material no cristalino y de reas con cristales defectuosos.
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Los alambres tienen dimetros relativamente grandes; los materiales tpicos son el acero, el molibdeno y el tungsteno. Los alambres se utilizan como refuerzos radicales de acero en los neumticos de automvil, filamentos internos de los recubrimientos de cohetes espaciales y paredes de mangueras de alta presin.
1.2.4 Fase Matriz
La fase matriz de un material compuesto con fibras ejerce varias funciones. En primer lugar, une las fibras y acta como un medio que distribuye y transmite a las fibras los esfuerzos externos aplicados; slo una pequea fraccin del esfuerzo aplicado es resistido por la matriz. Adems, la matriz debe ser dctil y, por otra parte, el mdulo elstico 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 abrasin mecnica o de reacciones qumicas con el medio ambiente. Estas interacciones introducen defectos superficiales capaces de originar grietas, que podran producir fallos con esfuerzos de traccin relativamente bajos. Finalmente, la matriz separa las fibras y, en virtud de su relativa blandura y plasticidad, impide la propagacin de grietas de una fibra a otra, que originara fallos catastrficos; en otras palabras, la matriz acta como una barrera que evita la propagacin de grietas. Aunque algunas fibras individuales se rompan, la rotura total del material compuesto no ocurrir hasta que se hayan roto gran nmero de fibras adyacentes, que forman un agregado de tamao crtico.
Es esencial que la adherencia de la unin entre fibra y matriz sea elevada para minimizar el arrancado de fibras. En efecto, la resistencia de la unin tiene gran importancia en el momento de seleccionar la combinacin matriz-fibra. La resistencia a la traccin final del compuesto depende, en gran parte, de la magnitud de esta unin; una unin adecuada es esencial para optimizar la transmisin de esfuerzos desde la matriz a las fibras.
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1.3 Fibra de Vidrio
La fibra de vidrio es un material compuesto consistente en fibras continuas o discontinuas de vidrio embebidas en una matriz plstica [13]; este compuesto se produce en gran cantidad. El vidrio se utiliza como material de refuerzo debido a las siguientes razones:
a. Es fcilmente hilable en fibras de alta resistencia. b. Es fcilmente disponible y se puede aplicar econmicamente para producir plstico reforzado con vidrio utilizando una gran variedad de tcnicas de fabricacin de materiales compuestos. c. Cuando est embebida en una matriz plstica produce un compuesto con muy alta resistencia especfica. d. Cuando est unido a varios plsticos se obtienen materiales compuestos qumicamente inertes muy tiles en una gran variedad de ambientes corrosivos.
1.3.1 Tipos de Vidrio [14]
Vidrio E: un pionero
Desde 1930, la fibra de vidrio ha sido considerada uno de los materiales del futuro debido a sus cualidades dielctricas: el aislamiento de conductores elctricos sometidos a temperaturas altas era ofrecido por los filamentos de vidrio E. Usado solo o en asociacin con barniz o resinas sintticas, fue su primera aplicacin industrial en gran escala. La fibra de vidrio E es el tipo ms comnmente usado, tanto en la industria textil, como en compuestos donde responde por el 90% de los refuerzos usados.
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Vidrio R: alto desempeo mecnico
Este tipo de filamento fue creado a pedido de sectores como aviacin, espacio y armamentos. Satisface las exigencias de ellos en trminos de comportamiento de materiales en relacin a fatiga, temperatura y humedad. Debido a su alto desempeo tcnico puede ser utilizado para reforzar lminas de rotor de helicpteros, pisos de aviones, tanques de combustible de aviones, proyectiles y lanzadores de proyectiles. Desarrollado principalmente para estas aplicaciones, tambin encontr otras salidas, por ejemplo, en la industria de deportes y recreacin, transporte y blindaje balstico.
Vidrio D: caractersticas dielctricas muy buenas
Compuestos a partir de vidrio D tiene muy bajas prdidas elctricas y son entonces usados como un material que es permeable a ondas electromagnticas, con beneficios muy importantes en trminos de caractersticas elctricas. La fibra de vidrio D es usada en la fabricacin de ventanas electromagnticas, y superficies de circuitos impresos de alto desempeo.
Vidrio AR: resistente a lcali
El vidrio AR fue desarrollado especialmente para reforzar cemento. Su alto contenido de xido de zirconio ofrece resistencia excelente para los compuestos alcalinos durante el secado. El refuerzo de cemento con filamentos de vidrio AR da mdulos mejorados de ruptura con buena durabilidad. Esto significa que el modelado hecho en cemento con refuerzo de vidrio puede ser mucho ms leve. Aplicaciones principales son: sustitucin de asbesto en tejados y coberturas, paneles de revestimiento y componentes de construccin.
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Vidrio C: El vidrio C es usado para la produccin de mats4 de vidrio para las cuales son requeridas propiedades de resistencia a la corrosin (como capa externa anticorrosivo de tubos y para superficies de tubos compuestos).
Una comparacin entre las propiedades mecnicas de los distintos tipos de vidrio puede ser apreciada en la Tabla 1- 4, que se muestra a continuacin.
Tabla 1-4. Propiedades Mecnicas de los distintos tipos de Fibra de Vidrio. Propiedades Densidad (g/cm3) Resistencia a la Tensin (MPa) Mdulo Elstico (GPa) Resistencia a la ruptura (%) Vidrio E 2.60 3400 72 4.5 Vidrio D 2.14 2500 55 4.5 Vidrio R 2.53 4400 86 5.2 Vidrio AR 2.68 3000 72 4.3
Fuente: Pgina web de Saint Gobain Vetrotex de Brasil.http:// www.saint-gobain-vetrotex.com.br
El mat es una presentacin especial de la fibra de vidrio en forma de fieltro, en la que los hilos cortados a
una longitud determinada son aglomerados entre s mediante un ligante qumico.
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1.4 La Fibra de Vidrio A. R. 1.4.1 Historia
Las fibras de vidrio AR (lcali-resistentes) presentan altas prestaciones para el refuerzo de morteros de cemento, hormigones y, en general, piezas que puedan verse sometidas al ataque de tipo alcalino. La llegada de los aglomerantes hidrulicos5 marca el comienzo de una era de altas prestaciones en las piezas para la construccin [15], siendo los cementos el material ms importante de esta categora. Dichos cementos permiten el surgimiento de los hormigones. El hormign presenta muy buenas caractersticas ante la compresin, pero ofrece muy escasa resistencia a la traccin, por lo que resulta inadecuado para piezas que tengan que trabajar a flexin o traccin. Esta caracterstica ha conducido a numerosas investigaciones y desarrollos para mejorar las resistencias ante estos sometimientos, intentando lograr dentro del mundo de los materiales compuestos la solucin a esta carencia. El desarrollo ms conocido es el refuerzo del hormign con barras de acero en las zonas de traccin, dando un material compuesto llamado Hormign Armado. Su inconveniente es conducir a mayores dimensiones y pesos, as como a una menor rapidez de construccin y puesta en obra, lo que, de forma directa, conduce a un encarecimiento de las piezas por la utilizacin de abundante mano de obra y manipulacin de las mismas. Ante esta desventaja numerosos trabajos e investigaciones se pusieron en marcha y fruto de ellas fueron los intentos de aligeramiento y reduccin de espesores mediante la adicin de fibras de refuerzo. Los primeros desarrollos se lograron con la utilizacin de fibras de asbesto. El material resultante, llamado "asbestocemento", presentaba grandes ventajas de costo y trabajabilidad.
Materiales que amasados con el agua, fraguan y endurecen tanto expuestos al aire como sumergidos en el agua.
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En bsqueda de un refuerzo que permitiera la consecucin de un material compuesto, con excelentes prestaciones, se han desarrollado numerosas experiencias con otras fibras de refuerzo, tales como, las de origen orgnico (aramidas, nylon, rayon, polipropileno), inorgnico ( vidrio, boro, carbono) y metlicas ( hierro, fundicin dctil, acero, Ni, Ti, Al). De entre todas ellas la mejor relacin costo-propiedades mecnicas la ostentan las fibras de vidrio. Los primeros ensayos y experiencias para el refuerzo de los cementos y sus morteros se realizaron con fibras de vidrio tipo "E", dada la alta resistencia inherente de las mismas. Sin embargo, dichas tentativas fracasaron debido a que, este tipo de fibra de vidrio, al ser incorporada al mortero, estaba sujeto al ataque qumico de los cristales alcalinos (lcalis) producidos en el proceso de hidratacin del cemento, lo cual produca un deterioro de la fibra (ver figura 1-5), afectando las propiedades mecnicas del mortero reforzado, sin poderse remediar este problema [16]. En 1967 el Dr. A.J. Majundar, del Building Research Establishment (BRE) del Reino Unido, empez a investigar los vidrios que contenan circonio, logrando convertir en fibra alguno de ellos y demostrando la resistencia que presentaban estas fibras ante el ataque alcalino en un medio agresivo como el que supona el refuerzo de los cementos Prtland. Tras 4 aos de continuas investigaciones, el refuerzo para los cementos se logr y la patente de esta investigacin fue solicitada por el National Research Development Corporation (NRDC). Para la produccin a escala comercial, el NRDC y BRE contactaron con la empresa inglesa Pilkington Brothers (PCL), quien con su Compaa subsidiaria Fibreglass Limited desarroll la explotacin, industrial y comercial del producto al que llamaron Fibras CemFIL. En 1989 la actividad de la fibra de vidrio lcali-Resistente Cem-FIL fue adquirida por el grupo Saint Gobain por medio de su Delegacin en Espaa, Cristalera Espaola S.A., y fabricada y comercializada por la empresa Vetrotex Espaa S.A. que forma parte de este Grupo.
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Figura 1-5. Resistencia al ataque alcalino de distintos tipos de fibra de vidrio en cemento Prtland. A la izquierda Vidrio E, luego de 8 das a 50C (2.2 aos naturales), al centro, Vidrio E + polmero acrlico tras 8 das a 50C, y a la derecha, Cem-FIL luego de 3 meses a 50C (25 aos naturales) [17.]
1.4.2 Fabricacin Como principal materia prima en la fabricacin de un GRC6 (Glass Fibre Reinforced Cement), se emplean las fibras de vidrio lcali-Resistente, mediante las cuales el GRC logra las caractersticas que se van a detallar en este estudio. Los principales componentes de este vidrio AR, se muestran en la Tabla 1-5.
Tabla 1-5. Componentes del Vidrio lcali-Resistente. Componente Slice xido de Circonio xido de Sodio Almina xido de Litio Frmula Qumica SiO2 ZrO2 Na2O Al2O Li2O Porcentaje 71 16 11 1 1
Fuente: Adaptado de El GRC, P. Comino, 2003. Es el nombre comercial con que se conoce a los hormigones reforzados con fibras de vidrio lcaliresistentes.
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En el vidrio lcali-Resistente el componente estrella que otorga a la fibra su poder de lcali-Resistencia es el Zirconio (Zr). El proceso de fabricacin de la fibra de vidrio AR-Cem-FIL sigue las siguientes etapas: Composicin - Fusin: Las materias primas, finamente molidas, se dosifican con precisin y se mezclan de forma homognea. A continuacin la mezcla, llamada vitrificable, es introducida en un horno de fusin directa y calentada a una temperatura determinada. Las temperaturas de fusin rondan los 1550 C y stas dependern de los elementos constituyentes del vidrio (fundentes, formadores de red, etc.).
Fibrado: El vidrio en estado fundido, al salir del horno, es conducido por unos canales
(Feeders) alimentando las hileras de fabricacin de fibras. Estas hileras son elementos fabricados con aleaciones de platino, de forma prismtica y con la base trabajada con un nmero determinado de agujeros de dimensiones controladas. El vidrio fundido se mantiene en la hilera a unos 1250 C, temperatura que permite su colada por gravedad, dando origen a barras de vidrio de algunas dcimas de milmetro de dimetro. A la salida de la hilera, el vidrio se estira a gran velocidad, entre 10 y 60 m/s segn el micraje de fibra a fabricar (dimetro a obtener). Para la obtencin del vidrio como tal y tras el estado fundido, tal y como se encuentra en las hileras, se procede a un rpido enfriamiento del vidrio fibrado. El enfriamiento se realiza en una primera fase por radiacin y en una segunda por
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pulverizacin de agua fra. De esta forma se logra la no orientacin de las partculas en el espacio y por tanto la formacin de ese slido amorfo que es el vidrio, en este caso AlcaliResistente. El vidrio obtenido tras este proceso tiene forma de filamento de varias micras de dimetro. Para el vidrio AR los dimetros normales de filamentos oscilan entre las 14 y las 20 (micras) segn el producto y la aplicacin a la que se dirija.
Ensimado: El conjunto de filamentos desnudos, tal y como salen de la hilera, son
inutilizables directamente, ya que no hay cohesin entre ellos, no resisten la abrasin, carecen de flexibilidad y trabajabilidad. Para corregir estos defectos y dar nuevas propiedades a la fibra en funcin de su aplicacin, as como para poder transformarla y trabajarla en su fabricacin y presentacin comercial, es necesario revestir los filamentos con una fina pelcula (ensimaje) que est constituida en general por una dispersin acuosa de diversos compuestos qumicos que presentan una funcin bien definida. El ensimaje se deposita sobre los filamentos a la salida de la hilera cuando la temperatura del vidrio est todava comprendida entre los 60 y 120C, segn las condiciones de fibrado. La cantidad de ensimaje que se deposita sobre el vidrio es relativamente baja (entre el 0.5 y el 5%). Inmediatamente despus del ensimaje se procede a la unin de los filamentos para formar los hilos o conjunto de filamentos dispuestos en formato comercial. La unin de los filamentos se realiza mediante unos "peines" con gargantas especiales en los cuales se produce la unin facilitada por el ensimaje.
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Es este proceso el que otorgar al filamento y al hilo las caractersticas especiales que: a. Le har apto ante una aplicacin especfica. b. Dar cohesin entre filamentos. c. Dar resistencia frente a la abrasin que el filamento pueda sufrir consigo mismo, con otros filamentos o con otras superficies. d. Elimina cargas electrostticas en los filamentos o unin de los mismos. e. Facilita la trabajabilidad del filamento y su transformacin. f. Rigidiza en mayor o menor medida la unin de los filamentos hilos. En la actualidad existe una familia de ensimajes que unidos a la fibra de vidrio lcali-Resistente Cem-FIL, le confieren caractersticas especficas para la aplicacin determinada a la que vaya destinada. De esta forma existen ensimajes especiales para: a. Resistir la abrasin que supone el amasado de la fibra en un medio extremadamente agresivo como es el de la mezcla con arena, cemento, agua y aditivos qumicos. b. Facilitar su corte y proyeccin en una pistola especialmente diseada para estos procesos de transformacin de la fibra. c. Facilitar la dispersin de los filamentos, esto es, facilitar la desunin entre filamentos. Este ensimaje fue expresamente desarrollado para la sustitucin del amianto.
Bobinado: Los hilos obtenidos de la unin de los filamentos son bobinados para dar lugar a
productos finales (roving directo) o productos intermedios (ovillos), que se bobinan segn diferentes formas y geometras. Ser en el proceso de bobinado donde se controlar la velocidad de rotacin de la bobinadora y por tanto la velocidad de estirado de la fibra de vidrio.
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Secado: Los productos procedentes del bobinado se pasan por diferentes dispositivos de
secado con objeto de eliminar el exceso de agua en el que haba disuelto el ensimaje y otorgar al ensimaje un tratamiento trmico necesario para consolidar sus propiedades frente a las aplicaciones a las que ser sometido. Transformacin final: En la transformacin final se realizarn las operaciones necesarias para conferir al hilo el formato adecuado para la correcta utilizacin por parte de los Fabricantes de GRC. Destacan entre las presentaciones comerciales actuales del vidrio 1ca1i-Resistente CemFIL el roving ensamblado y los hilos cortados, que sern los que se utilizarn en esta investigacin:
Roving Ensamblado: El roving ensamblado se obtiene de la unin de un nmero determinado de hilos, procedentes de ovillos, formando una "mecha". Esta mecha es bobinada en forma de Roving o gran carrete de dimensiones, peso y densidad controladas. La medida fisica de un hilo, y por extensin de una mecha, viene reflejada por el llamado "Ttulo" con unidades denominadas TEX. As TEX = gr/km que presenta un hilo o una mecha. El ttulo de una mecha depender pues del nmero de hilos que la compongan y a su vez el ttulo de un hilo depender del nmero y del dimetro de los filamentos que lo componen. Para los Roving Ensamblados Cem-FIL la unidad TEX habitual de la mecha es de 2450 TEX, estando formada, en algunos productos, y a modo de ejemplo, por 32 hilos de 76,5 TEX/hilo o por 64 hilos de 38 TEX/hilo. Pueden realizarse otras configuraciones que dependern de las prestaciones exigidas a las fibras en el material compuesto.
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Los diferentes rovings tendrn todos en comn el mismo vidrio Alcali- Resistente Cem-FIL y como elemento diferenciador, entre uno y otro, el ensimaje. Los rovings van destinados a aplicaciones de proyeccin simultnea (ya sea manual o automatizada) y a procesos de refuerzo con hilos continuos y/o cortados. Hilos Cortados: Los hilos procedentes de los ovillos son, en este caso, cortados en longitudes determinadas, segn lo exija la aplicacin a la que vayan destinados. La medida fsica del hilo es el TEX. Los hilos cortados van destinados a los procesos de amasado y aplicacin por medio del colado-vibrado tradicional o por el de proyeccin de la mezcla realizada. Dentro de la gama de los hilos cortados tenemos dos grandes e importantes familias: * Los Hilos Cortados ntegros: Hilos que son capaces de aguantar grandes abrasiones durante el amasado con aglomerantes hidrulicos, arenas, gravas, agua y aditivos qumicos, mantenindose en forma ntegra (con todos los filamentos unidos) durante y tras el amasado realizado. * Los Hilos Cortados Dispersables en Agua: Hilos que son capaces de dispersarse o, lo que es lo mismo, dividirse en los filamentos individuales que lo forman, durante el proceso de amasado o en contacto con agua o disolucin acuosa. Un esquema del proceso de fabricacin de la fibra de vidrio junto a sus productos finales puede ser apreciado en la figura 1-6.
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Figura 1-6. Proceso de Fabricacin de la Fibra de Vidrio, y sus productos Finales [18].
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1.5 Fabricacin de un GRC
1.5.1 Elementos Constituyentes
Los componentes ms usuales de un GRC son: Cemento. Arena. Agua. Fibra de Vidrio A. R. Aditivos.
Entre los aditivos destacan los plastificantes, fluidificantes, superplastificantes, pigmentos, impermeabilizantes, hidrfugos, polmeros, elementos puzolnicos especiales, etc. Estos aditivos sern agregados, o no, dependiendo de las propiedades y diseo a otorgar al GRC en cada obra y en base a los requerimientos exigidos en las prescripciones correspondientes. Bajo la descripcin general de GRC hay numerosas posibilidades de variar las mezclas dependiendo del uso del producto final o del mtodo de fabricacin elegido para producir una familia de compuestos. La estandarizacin est ms arraigada en las mezclas empleadas sobre GRC para aplicaciones arquitectnicas y en las mezclas usadas en el proceso de fabricacin por proyeccin simultnea. Por su parte, la cantidad de fibra de vidrio depender: a. Del proceso de fabricacin del GRC: Dependiendo del proceso de fabricacin del GRC se tendrn variaciones en la cantidad de fibra aadida. Esto es, si el proceso es el de proyeccin simultnea (uso de la fibra en forma de roving) la cantidad de fibra de vidrio lcali-Resistente Cem-FIL ser del 5% en peso del total de la mezcla realizada para la fabricacin del GRC. Por el contrario, si en el proceso de fabricacin se ha de incorporar la fibra de vidrio durante el amasado del mortero (premezcla o premix) la proporcin ser del 3% del total de la mezcla realizada.
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b. De la Aplicacin: Las fibras de vidrio AR pueden ser incorporadas entre el 0.1 % y el 5% en peso. Cuando la proporcin es baja, las fibras AR minimizan la segregacin de materiales y evitan las microfisuraciones de las piezas fabricadas con cemento, aumentando la dureza y la resistencia a los choques. Cuando las proporciones se presentan entre el 1 % y el 2%, las fibras AR son ideales para mezclas armadas, reduciendo la densidad de productos de hormign. Cuando la proporcin est entre el 2% y el 3.5% las fibras AR sirven de refuerzo primario en productos realizados por moldeo y vibracin de bajo coste. Cuando la proporcin es de un 5% se utilizan las fibras AR para las aplicaciones que exigen una gran resistencia, tales como los paneles de fachada arquitectnicos. c. La Resistencia a otorgar a GRC: La cantidad de vidrio lcali-Resistente en forma de fibras es muy importante desde el punto de vista de la resistencia que presenta el elemento compuesto GRC, pero tambin es importante tener en cuenta la longitud de las fibras para la consecucin de unos adecuados niveles de resistencia.
Otro parmetro a controlar durante el proceso de fabricacin del GRC, es la longitud de la fibra7, la cual depender en gran medida del proceso de fabricacin, ya que, por ejemplo, en procesos de premezcla una fibra muy larga puede dar problemas de amasado y de destruccin de la fibra por abrasin en su superficie. Para estos procesos las longitudes ideales (aqullas con las que se tiene la mayor resistencia con una perfecta trabajabilidad) oscilan entre los 6 y 24 mm, presentando sus mayores prestaciones a los 12 mm. Para procesos de proyeccin simultnea (utilizacin de roving) las longitudes ideales oscilan entre los 30 y los 45 mm [19].
Ya se ha considerado la longitud crtica de la fibra, descrita en el punto 1.2.1 de esta Memoria, y que en el caso de este estudio es cercana a los 2 mm.
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1.5.2 Procesos de Fabricacin de un GRC. Dentro de este apartado se presentan los diferentes procesos actuales de fabricacin de un GRC. Hay que tener en cuenta que procesos distintos y/o hbridos a los presentados pueden utilizarse para la fabricacin de piezas especficas.
1.5.2.1 Procesos de Proyeccin Simultnea La proyeccin simultnea es un proceso de fabricacin mediante el cual se obtienen piezas de GRC reforzadas de forma bidireccional (en el plano). La fabricacin consistir en la proyeccin de capas que posteriormente se irn compactando entre s hasta formar el espesor total de la lmina o panel de GRC (normalmente entre 10 y 15 mm). Dentro de este proceso de fabricacin del GRC se incluye [20]: a. Proyeccin Simultnea Manual: Un operario es el encargado de proyectar las capas, mediante una pistola de proyeccin (ver figura 1-7). Se utiliza para la fabricacin de paneles de cerramiento de gran tamao o de otro tipo de elementos de construccin que requieren una elevada resistencia.
Figura 1-7. Proyeccin Simultnea Manual de GRC.
b. Proyeccin Simultnea Automtica: La pistola de proyeccin realiza un movimiento de vaivn transversal sobre unos moldes que van pasando por debajo
(ver figura 1-8). Este mtodo se emplea con productos planos como los encofrados
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perdido de puentes, o para componentes que pueden posformarse con una tcnica de molde plegado, tales como conductos de cables.
Figura 1-8. Proyeccin simultnea automtica de GRC.
c. Proyeccin Simultnea Robotizada: Las mquinas son controladas por computador, basndose en el principio de proyeccin concntrica8, siendo capaces de proyectar a intensidades de hasta 35 kg/min. Se pueden memorizar los perfiles para repetirlos con exactitud. El computador controla la velocidad de la cinta transportadora, la velocidad de bombeo de mortero y los dispositivos de control de circulacin del agua.
1.5.2.2 Procesos de Premezcla En el proceso de premezcla, el refuerzo de la fibra de vidrio acta de forma tridimensional, pues las fibras se orientan en las tres direcciones. Todos los procesos de premezcla tienen en comn el acto del mezclado, que normalmente se efecta en una hormigonera o en un amasador simple de paletas. Las fibras de vidrio Cem-FIL, a diferencia de algunas otras de refuerzo, presentan una perfecta incorporacin y se pueden mezclar hasta un % elevado dentro de un mortero sin que se produzcan apelotonamientos o problemas de homogeneizacin.
Consiste en proporcionar tanto hormign como hilo de vidrio cortado a partir de un nico punto de salida. Con esto se logra reducir las prdidas de hilo de vidrio.
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El proceso de premezcla consta, normalmente, de dos etapas. En la primera se mezclan y amasan los componentes del mortero y se adicionan las de vidrio, y en la segunda se aplica la mezcla al molde (o en su caso a la realizacin de la obra in-situ, como por ejemplo, en la realizacin de revocos, soleras, etc.). Por lo general, las resistencias obtenidas con los procesos de premezcla son inferiores a las obtenidas por proceso de Proyeccin Simultnea. Por otra parte, dada la extremada simplicidad, la fcil trabajabilidad y la sencilla puesta en obra, el proceso de colado-vibrado se convierte en la aplicacin ms rpida y sencilla de realizacin de todas las de fabricacin de piezas en GRC. Dentro de este proceso de fabricacin del GRC se destaca [21]: a. Proceso de Colado-Vibrado: Es el proceso ms difundido de aplicacin de premezcla. Las fases de realizacin de un colado vibrado son: Realizacin de la premezcla, colado en un molde, vibrado, fraguado, desmoldeo y curado. Este proceso se emplea para la fabricacin de gran nmero de piezas tanto ornamentales como arquitectnicas (ver figura 1-9). Dentro de este proceso se destacan dos variantes: Colado-Vibrado en Molde Abierto. Colado-Vibrado en Molde y Contramolde.
Figura 1-9. Colado-Vibrado de Premezcla.
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b. Proyeccin de Premezcla: Esta aplicacin ha tenido gran aceptacin en los ltimos aos pues el nivel de resistencia que las piezas de GRC adquieren con l est entre las grandes resistencias del GRC procedente de Proyeccin Simultnea y las de un GRC procedente del Colado-Vibrado (ver figura 1-10).
Figura 1-10. Premezcla proyectada.
1.5 Caractersticas Mecnicas, Fsicas y Qumicas de un GRC
En la Tabla 1-6, que se muestra a continuacin, se aprecian los niveles de resistencia adquiridos por un GRC a los 28 das, fabricado tanto por el mtodo de proyeccin como por el de premezcla, adems se compara con un mortero que no contiene fibra de vidrio. Todos los valores corresponden a placas de espesor de 10 mm.
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Tabla 1-6. Resistencias Mecnicas a los 28 das de un GRC.
Propiedades Fibra Cem-FIL (% en peso) Flexin Mdulo de Rotura (MPa) Lmite Elstico (MPa) Traccin Mdulo de Rotura (MPa) Lmite Elstico (MPa) Resistencia a la Compresin (MPa) Resistencia al Choque (Kj/m ) Mdulo de Elasticidad (GPa) Deformacin a la Rotura (%) Densidad del Material (g/cm3)
Fuente: P. Comino, El GRC, 2003.
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Proyeccin 5 20 30 7 11
Premezcla 3 10 14 58
Mortero Comn 0 5 12 36
8 11 57 50 80 10 25 10 20 0.6 1.2 1.9 2.1
47 46 40 60 10 15 10 20 0.1 0.2 1.8 2.0
3 5 35 20 50 5 10 9 15 0.1 0.2 1.7 2.1
Tanto la resistencia como la durabilidad del GRC pueden verse mejoradas notablemente gracias a la adicin de un tipo de metacaoln especfico, y tambin con la adicin de polmeros acrlicos. Los datos expuestos se aplican a formulaciones de GRC con una relacin arena/cemento entre el 0.5 y 1.
Las propiedades fsicas y qumicas del GRC se muestran en la Tabla 1-7.
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Tabla 1-7. Propiedades Fsica y Qumicas tpicas de un GRC.
Propiedad Pesos Aproximados Lmina simple 8 mm de espesor (kg/m2) Lmina simple 12 mm de espesor (kg/m2) Panel Sndwich9 (kg/m2) Retraccin irreversible (%) Retraccin final (%) Coeficiente de Dilatacin Trmica (mm/C) Coeficiente de Conductividad Trmica (W/m C) Resistencia Qumica Resistencia a los Sulfatos Ambiente Marino Hielo Deshielo Luz ultravioleta Acstica Reduccin de dB Lmina de GRC de 10 mm de espesor (dB) Lmina de GRC de 20 mm de espesor (dB) Sndwich de 10 cm (dB) Aislamiento Trmico Lmina simple 8 mm de espesor (W/m C) Lmina simple 12 mm de espesor (W/m C) Panel Sndwich (W/m C)
Fuente: P. Comino, El GRC, 2003.
Valor
16 24 44 0.05 0.2 10 20 x 10-6 0.5 1 Buena Se usan cementos especiales No afecta propiedades mecnicas Ningn cambio No lo degrada
30 35 47
5.3 5.2 0.4
El panel sndwich en este caso se compone de una lmina de GRC de 10 mm de espesor, una capa de poliestireno expandido de 110 mm y otra capa de GRC de 10 mm de espesor.
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1.7 Ventajas competitivas del GRC
La mayor de las ventajas que presenta el GRC es su reducido peso (del orden de entre 1/3 y 1/10 del peso de elementos equivalentes en hormign convencional) guardando las mismas o superiores prestaciones.
Esta ventaja de ligereza va a repercutir, positivamente, sobre diferentes factores de diseo e instalacin de las piezas y/o estructuras que soporten el GRC y de las mismas instalaciones (puesta en obra) de las piezas realizadas en este material.
Una pequea lista de factores que pueden verse modificados frente a la utilizacin del GRC, es la siguiente:
a. Transporte de las piezas a obra. Por su caracterstica de ligereza se pueden transportar del orden de 3 a 5 veces ms piezas de GRC que de hormign convencional, lo cual abarata una partida importante como es la del transporte de los elementos prefabricados a obra. b. Estructura y cimentaciones del edificio que sustentan las piezas del GRC. Se ha de tener en cuenta el ligero peso que presentan las piezas de GRC a la hora del diseo de la estructura y sus cimentaciones, logrndose grandes ahorros de material. El poco peso lo hace ideal para su uso en edificios de gran altura. c. Maquinaria de instalacin y puesta en obra. Ya que las piezas de GRC son poco pesadas, la maquinaria necesaria para su instalacin en obra es mucho ms ligera (de menor capacidad). d. Cuadrillas de montaje. Debido a la ligereza y caractersticas del GRC el montaje se simplifica, reducindose el nmero total de montadores necesarios. e. Anclajes y herrajes de unin a los entramados de la estructura son mucho ms ligeros, lo cual repercute sobre el ahorro de materiales.
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f. El montaje es mucho ms rpido. Debido al poco peso de las piezas de GRC las gras emplean menos tiempo de montaje y por tanto de construccin. El reducir el tiempo de construccin, permitir anticipar la entrada en el edificio de otros oficios y un ahorro en los costos de financiacin. Todos estos factores de ahorro, estudiados en su conjunto, suponen una grandsima ventaja competitiva del GRC y lo convierten en lder frente a otros materiales alternativos.
1.8 Cualidades del GRC Las fibras de vidrio tienen excelentes propiedades, que hacen de ellas el refuerzo ideal para los materiales compuestos de matriz inorgnica. AR es la fibra idnea, por resistencia alcalina, por su alto rendimiento y por sus altas prestaciones, para el refuerzo de los composites (materiales compuestos) de cemento. Las principales cualidades que las fibras AR confieren al GRC son: a. Durabilidad, ya que la fibra utilizada es inmune a la accin de los lcalis del cemento. b. Gran resistencia al impacto, debido a la absorcin de energa por los haces de fibra. c. Impermeabilidad, an en pequeos espesores. d. Resistencia a los agentes atmosfricos. e. El GRC no se corroe ni se deteriora en condiciones atmosfricas. f. Incombustibilidad, derivada de las caractersticas de sus componentes. g. Aptitud de reproduccin de detalles de superficie (ideal para imitar piedra o pizarra). h. Ligero, lo que reduce los costos de transporte, puesta en obra e instalacin. i. Aptitud a ser moldeado en formas complejas. (Especialmente til para la renovacin y restauracin de inmuebles). j. Gran resistencia contra la propagacin de fisuras.
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k. Reduce la carga en los edificios, lo que conduce a una reduccin de los costes de estructura y cimentacin. l. Reduce los cuidados de mantenimiento. m. Excelente resistencia frente al vandalismo. n. Enorme catlogo de texturas y acabados de superficie realizables. o. Ilimitadas posibilidades de diseos arquitectnicos.
1.9 Principales Aplicaciones del GRC
Todas las caractersticas anteriormente citadas hacen del GRC un material ampliamente utilizado10. Sus aplicaciones presentan un campo muy extenso en la Arquitectura e Ingeniera. A continuacin se detallan las aplicaciones ms usuales del GRC:
a. En la Industria de la Construccin: Paneles de Fachada y cerramientos en general Sistemas modulares de vivienda Elementos para cubiertas Decoracin de interiores Piscinas Pavimentos Revestimiento de Tneles
b. En la proteccin contra el fuego: Puertas y pantallas antifuego Conductos antifuego
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Incluso en Chile ya hay algunas empresas dedicadas a la produccin de algunos artculos de GRC, tales como canaletas y reas verdes transitables.
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c. En el aislamiento trmico: Paneles para aislamiento trmico de edificios Cmaras Frigorficas
d. En el control del ruido: Barreras antirruido en autopistas, carreteras y ferrocarril Proteccin de maquinarias ruidosas.
e. En la industria martima: Pontones, canales y boyas Tanques para piscifactoras
f. En la agricultura: Comederos para animales Elementos de drenajes Suelo de granjas Bebederos
g. En el diseo: Mobiliario urbano de todas clases Escudos y adornos Moldes Elementos decorativos Imitaciones a rocas en parques artificiales.
En la figura 1-11 se aprecian algunas aplicaciones del GRC.
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Figura 1-11. Aplicaciones del GRC.
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Captulo 2 PLANTEAMIENTO DE LA INVESTIGACIN Y PROGRAMA DE ENSAYOS

2.1 Introduccin En la actualidad, para el refuerzo de fibras de los hormigones, se utilizan fibras metlicas, plsticas y en algunos casos vegetales. Las fibras de vidrio se utilizan, generalmente, mezcladas en pastas de cemento o morteros de granulometra muy fina, en el GRC (Glass Reinforced Concrete), pero no en la aplicacin con hormigones compuestos por ridos mayores a 5 mm.
En esta memoria se estudia el comportamiento mecnico de los hormigones reforzados con fibra de vidrio, caracterizando su resistencia a la compresin y a la flexotraccin como funcin del porcentaje de fibra de vidrio lcali-resistente adicionado. Adems se estudian los cambios en la trabajabilidad en el hormign dada la incorporacin de la fibra de vidrio.
Utilizando un rido de tamao mximo de 8 mm se establece un plan de ensayos a realizar en los laboratorios de la seccin de Hormigones del Instituto de Investigacin y Ensaye de Materiales (IDIEM) de la Universidad de Chile.
2.2 Objetivos
2.2.1 Objetivo General
El objetivo general de esta memoria es determinar cmo varan las propiedades mecnicas del hormign al adicionarle distintos porcentajes de fibra de vidrio.
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2.2.2 Objetivos Especficos
Los objetivos especficos a conseguir con esta memoria se pueden clasificar en dos grupos. El primero referido al hormign en estado fresco, y el segundo referido al hormign ya endurecido.
Para el Hormign Reforzado con fibra de vidrio en estado fresco se quiere: Determinar la trabajabilidad. Para el hormign reforzado con fibra de vidrio ya endurecido se quiere: Determinar la resistencia a la compresin. Determinar la resistencia a la flexotraccin.
2.2 Variable a Estudiar en el Desarrollo Experimental
La variable a estudiar ser el porcentaje de fibra de vidrio AR adicionada al hormign, y su incidencia en la trabajabilidad, resistencia a la compresin y resistencia a la flexotraccin de ste..
Dado lo anterior, se establecen dosificaciones ptimas para el hormign reforzado con fibra de vidrio.
2.3 Programa de Ensayos
Para cuantificar el efecto de la incorporacin de fibras de vidrio AR al hormign, se efectuarn ensayos comparativos entre un hormign patrn (sin fibras) y hormigones con distinto porcentaje de fibra adicionado. La fibra usada ser Cem-FIL Anti-Crack HD, de la casa Vetrotex, en un largo de 12 mm. ste es el largo estndar, en que este tipo de fibra de vidrio AR, especialmente diseada para hormigones, es confeccionada. Dicho largo condicionar el tamao mximo de rido grueso, que para un refuerzo eficiente no debe
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sobrepasar los 2/3 de longitud de la fibra [22]. Dado lo anterior el tamao mximo del rido grueso, para esta investigacin, es de 8 mm.
Se utilizar un hormign de una calidad nominal, medida como resistencia a la compresin, de 250 kgf/cm2, a los 28 das. Se ha considerado este tipo de hormign, ya que se piensa que aplicaciones del hormign reforzado con fibra de vidrio pueden ser losas, radieres o algn otro que no requiera de mayores resistencias.
Los porcentajes adicionados de fibra de vidrio estarn comprendidos entre el 0,05% y el 0,4% en peso del hormign duplicando el porcentaje de fibra adicionada en cada ensayo. Dado lo anterior se tendrn 5 medidas a ensayar tal como se indica en la Tabla 2-1. Dichas dosificaciones fueron obtenidas luego de realizar una serie de un ensayos de prueba11, tomando como lmite inferior la cantidad mnima de fibra a adicionar recomendada por el fabricante [23] equivalente a 0,03% en peso del hormign, y como lmite superior el 4% sealado en la literatura [24].
Tabla 2-1. Tipos de Hormigones a Ensayar. Identificador H0 H1 H2 H3 H4 % de Fibra de Vidrio AR adicionado 0,00 0,05 0,10 0,20 0,40
Fuente propia.
Los ensayos a realizar son los de trabajabilidad, resistencia a la compresin y resistencia a la flexotraccin. El primer ensayo se realizar con el hormign en estado fresco, para cada uno de los tipos de hormigones. Los dos ltimos ensayos se realizarn con
11
Los resultados de dichos ensayos pueden ser consultados en la seccin Anexos, del presente trabajo.
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el hormign ya endurecido, en dos etapas: la primera cuando el hormign cuenta con 7 das de edad y la segunda cuando el hormign cuenta con 28 das. Estos ensayos tambin comprenden los 5 tipos de hormigones. Un resumen de los ensayos a realizar puede ser apreciado en la Tabla 2-2.
Tabla 2-2. Resumen de los Ensayos a Realizar. Ensayo Estado Hormign Trabajabilidad Resistencia Compresin Resistencia Flexotraccin
Fuente propia.
del Tipo de Hormign
Edad del Hormign
Fresco la Endurecido
H0, H1, H2, H3, H4 H0, H1, H2, H3, H4
Menos de media hora 7 das 28 das
la Endurecido
H0, H1, H2, H3, H4
7 das 28 das
2.4 Descripcin de los Ensayos
2.4.1 Trabajabilidad [25]
Durante la etapa en que el hormign se mantiene en estado fresco es de gran importancia poder otorgarle una docilidad adecuada, para el uso que se desea darle. Debido a que las fibras reducen la trabajabilidad del hormign fresco, se hace necesario determinar en qu proporcin lo hacen.
Para cuantificar la trabajabilidad del hormign se medir el asentamiento de cono. Este ensayo fue ideado por el investigador norteamericano Abrams. Su ejecucin est regulada por la NCh 1019 y consiste bsicamente en rellenar un molde metlico troncocnico de dimensiones normalizadas, en tres capas apisonadas con 25 golpes de
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varilla-pisn y, luego de retirar el molde, medir el asentamiento que experimenta la masa de hormign colocada en su interior. Esta medicin se complementa con la observacin de la forma de derrumbamiento del cono de hormign, mediante golpes laterales con la varilla-pisn. De esta manera, la medida del asentamiento permite determinar, principalmente, la fluidez, y la forma de derrumbamiento permite apreciar la consistencia del hormign. donde: 2.4.3 Compresin La resistencia a la compresin es una de las propiedades ms importantes del hormign, siendo tambin el factor que se emplea frecuentemente para definir su calidad.
El procedimiento de ensayo para la determinacin de la resistencia a la compresin del hormign est establecido en la norma chilena NCh 1037 77 [26].
El valor de la resistencia obtenido en el ensayo no es absoluto, puesto que depende de las condiciones en que ha sido realizado. Entre estas condiciones, las de mayor influencia son analizadas a continuacin:
a. Forma y dimensiones de la probeta: Las probetas empleadas normalmente para determinar la resistencia a la compresin son de forma cbica o cilndrica. De las primeras, se emplean de preferencia las de 15 y 20 cm de arista, y para las segundas las de 15 cm de dimetro y 30 cm de altura.
b. Condiciones de ejecucin del ensayo: Velocidad de aplicacin de la carga de ensayo. Estado de las superficies de aplicacin de la carga. Centrado de la carga de ensayo. 48
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c. Caractersticas del hormign: Tipo de cemento. Relacin agua / cemento. Edad del hormign.
d. Condiciones ambientales: Temperatura. Humedad.
El procedimiento de ensayo, descrito en la norma chilena NCh 1037, se resume a continuacin:
a. Medicin de las Probetas. Probetas cbicas: Se coloca el cubo con la cara de llenado verticalmente. Se miden los anchos de las 4 caras laterales del cubo aproximadamente a media altura, y las alturas de las caras laterales, aproximando a 1mm. Se debe determinar la masa del cubo, aproximando a 50 gr. Probetas cilndricas: Se miden dos dimetros perpendiculares entre s aproximadamente a media altura, y la altura de la probeta en 2 generatrices opuestas antes de refrentar, aproximando a 1 mm. Se determina la masa del cilindro antes de refrentar, aproximando a 50 gr.
b. Ensayo. Se debe limpiar las superficies de contacto de las placas de carga y de la probeta, colocando la probeta en la mquina de ensayo alineada y centrada. Las probetas cbicas se colocan con la cara de llenado verticalmente y las cilndricas asentadas en una de sus caras planas refrentadas. Al acercar la placa superior de la mquina de ensayo se debe asentarla sobre la probeta de modo de
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obtener un apoyo lo ms uniforme posible. La carga debe aplicarse en forma continua y sin choques a velocidad uniforme, de forma tal que la rotura se alcance en un tiempo igual o superior a 100 segundos y que la velocidad de aplicacin de carga no sea superior a 3,5 kgf/cm2/seg. Finalmente se registra la carga mxima expresada en kgf.
c. Resultados. Se calcula la resistencia a la compresin del hormign mediante la siguiente frmula:
RC =
P S
(2.1)
donde: S= P= Superficie de carga Carga Mxima
2.4.4 Flexotraccin
Se ha considerado de inters el caracterizar los hormigones del presente estudio en cuanto a su resistencia a la flexotraccin, ello principalmente, debido a que una posible aplicacin de estos hormigones sera la de pavimentos industriales, y en ese caso un aumento de la resistencia a flexotraccin por efecto de las fibras sera muy beneficioso.
El procedimiento de ensayo se basa en la norma chilena NCh 1038 [27] y consiste en someter a una vigueta de hormign simplemente apoyada, a una solicitacin de flexin mediante la accin de dos cargas concentradas en los lmites del tercio central de la luz de ensayo.
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Si la fractura de la probeta de produce en el tercio central de la luz de ensayo, se calcula la resistencia a la traccin por flexin como la tensin de rotura segn la frmula siguiente:
R=
P*L b * h2
(2.2)
donde: R P L I h = = = = = Tensin de rotura, N/mm2 (kgf/cm2); Carga mxima aplicada, N (kgf); Luz de ensayo de la probeta, mm (cm) Ancho promedio de la probeta en la seccin de rotura, mm (cm); Altura promedio de la probeta en la seccin de rotura, mm (cm).
Si la fractura se produce fuera del tercio central de la luz de la probeta, en la zona comprendida entre la lnea de aplicacin de carga y una distancia de 0,05 L de esa lnea, se calcula la resistencia a la traccin por flexin como la tensin de rotura, segn la frmula siguiente:
R= 3* P * a b * h2
(2.3)
en que: a = Distancia entre la seccin de rotura y el apoyo ms prximo, medida a lo
largo de la lnea central de la superficie inferior de la probeta, cm.
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Captulo 3 DESARROLLO DE LA ETAPA EXPERIMENTAL

3.1 Materiales
3.1.1 ridos
Los ridos empleados son una arena y una gravilla de tamao mximo 8 mm, cuya procedencia es la planta de ridos PTREOS S.A. Las propiedades de los ridos se muestran en la Tabla 3-1. La granulometra de la arena y la gravilla se indican en la Tabla 3-2.
Para determinar las propiedades de los ridos, tales como densidad aparente compactada, ensidad neta y absorcin, tanto de la arena como de la gravilla, se siguieron los procedimientos establecidos por las normas chilenas NCh 1116 [28], NCh 1117 [29] y NCh 1239 [30], todas ellas del ao 1977, referidas a dichos temas.
Tabla 3-1. Propiedades de los ridos. Propiedad Unidad Arena Densidad Compactada Densidad Neta Absorcin
Fuente propia.
ridos Gravilla 1,68
Aparente
[g/cm3] [g/cm3] [%]
1,74
2,60 2,77
2,61 1,87
Para determinar la granulometra de los ridos se procedi a tamizar los ridos, de acuerdo con la norma chilena NCh 165 Of. 177 [31].
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Tabla 3-2. Granulometra de ridos. Tamices Empleados ASTM 812 mm N 4 N 8 N 16 N 30 N 50 N 100 M. F.

Fuente propia.
Porcentaje que pasa en peso Arena 100 91 84 73 58 21 6 2,67 Gravilla 100 72 51 30 20 7 3 4,17
3.1.1.1 Determinacin de Impurezas en las Arenas para Hormigones La norma chilena NCh 163 Of.79 [32], establece como requisito general para las arenas que sern utilizadas en la confeccin de morteros y hormigones, no presentar impurezas orgnicas.
Siguiendo la norma chilena NCh 166 Of.52 [33] se procedi a determinar calorimtricamente la presencia de impurezas orgnicas.
Al someter la arena a la accin del hidrxido de sodio al 3% durante un perodo de 24 horas se obtuvo una disolucin de color ms dbil al patrn (ver figura 3-1). Esto indica un contenido despreciable por lo que resulta una arena recomendable para ser utilizada en la fabricacin de hormigones y morteros.
La medicin de impurezas orgnicas fue realizada en el laboratorio de Materiales Polimricos del IDIEM de la Universidad de Chile.
12
Esta apertura de tamiz no corresponde a la serie ASTM, sino que a la serie complementaria indicada en NCh 165 Of77.
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Figura 3-1. Determinacin calorimtrica de impurezas.
3.1.2 Cemento
El cemento utilizado es fabricado por CEMENTO MELON S.A. y su denominacin comercial es cemento Meln especial, que corresponde a un cemento tipo Prtland pozolnico de grado corriente.
Cabe sealar que este cemento, cumple con todas las especificaciones establecidas por la norma chilena NCh 148 referente a cementos [34], por lo cual ha recibido
certificacin de calidad IDIEM.
3.1.3 Fibras de Vidrio lcali-Resistentes
La fibra de vidrio utilizada, es un monofilamento resultante de la dispersin de haces de fibra al entrar en contacto con la humedad del hormign. Su nombre comercial es Cem-FIL Anti-Crack HD (High Dispersin), y es fabricado por el grupo SAINT GOBAINVETROTEX. El dimetro del filamento corresponde a 14 micras y su longitud a 12 mm, por lo cual su relacin de aspecto (cuociente entre el largo de la fibra y su dimetro)
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equivale a 857. La Tabla 3-3 muestra un resumen con las caractersticas fsicas y mecnicas ms importantes de este tipo de fibra.
Tabla 3-3. Principales Propiedades Mecnicas y Fsicas de la Fibra de Vidrio CemFIL Anti-Crack HD.
Propiedad Resistencia a la Traccin del Filamento Mdulo Elstico de Young Gravedad Especfica Alargamiento a la Rotura Dimetro del Filamento Longitud Relacin Longitud-Dimetro Nmero de fibras por kilo
Fuente: Saint Gobain-Vetrotex, Fibras Cem-FIL.
Valor 1,7 GPa 72 Gpa 2,68 g/cm3 2,4% 14 m 12 mm 857:1 212 millones
3.1.4 Agua Para la confeccin de los hormigones se utiliza agua potable tomada directamente desde la red de suministro de la ciudad de Santiago. Esta agua cumple con la norma NCh 40913 [35], referida a los requisitos del agua potable.
La norma NCh 1492 Of.82 [36] establece que el agua potable puede ser utilizada como agua de amasado para hormigones.
13
Este dato fue corroborado por el departamento tcnico de la Empresa Aguas Andinas.
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3.1.5 Aditivo [37]
Al adicionar fibra de vidrio, disminuye la trabajabilidad del hormign [38]. Por este motivo se utiliza un aditivo plastificante. Considerando que los hormigones sujetos de este estudio pueden ser producidos y comercializados por empresas de hormign premezclado, se decide usar un aditivo que adems tenga caractersticas de retardador de fraguado, para as facilitar su eventual traslado a grandes distancias en camiones revolvedores. El aditivo usado es Plastiment H.E.R. [39] fabricado por SIKA S.A.
La dosificacin utilizada es la recomendada por el fabricante, que equivale al 1% en peso de cemento.
3.2 Dosificacin y Confeccin del Hormign
3.2.1 Dosificacin del Hormign Patrn
En primer lugar se procede a dosificar el hormign H-25 (resistencia a la compresin de 250 kg./cm2 a los 28 das y medida en probetas cbicas de arista 20 cm). Para ello se sigue la metodologa indicada por el ACI (American Concrete Institute) [40], tomando como puntos de partida un tamao mximo del rido de 8 mm y un asentamiento de cono entre 5 y 10 cm. Para evaluar la dosificacin obtenida, se hace una colada de prueba14 en la cual se mide la trabajabilidad y se toman muestras para ensayar a compresin a los 7 das. En base a los resultados de esta colada de prueba se procede a ajustar la dosificacin calculada, obtenindose las cantidades definitivas de materiales a usar para el hormign. Dicha dosificacin se indica en la Tabla 3-4.
14
Los resultados de esta colada de prueba pueden ser consultados en los Anexos de esta Memoria.
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Las probetas de prueba fueron confeccionadas en Obra15, y curadas y ensayadas en la seccin aglomerantes del IDIEM de la Universidad de Chile.
Tabla 3-4. Dosificacin en peso seco para 1 m3 de hormign H-25. Material Cemento Gravilla Arena Agua de Amasado Agua de Absorcin Aditivo Plastiment H.E.R. Peso Total Relacin agua / cemento
Fuente propia.
Peso [kg] 460 645 900 245 37 4,6 2292 0,53
3.2.2 Confeccin del Hormign
Con el objeto de establecer una comparacin ms efectiva entre el comportamiento de hormigones con y sin fibra, se planifica la preparacin conjunta de todos los tipos de hormigones a partir de una sola colada de origen. Para lo anterior se procede a separar el hormign fresco, inmediatamente despus de amasado, en 5 fracciones correspondientes a cada tipo de hormign (un hormign patrn y 4 hormigones con fibras16).
El procedimiento detallado de la confeccin de los hormigones se describe a continuacin:
15 16
La obra de ubicaba en la comuna de La Granja. Estos fueron definidos en funcin del porcentaje de fibra de vidrio adicionado al hormign. Para ms informacin ver la Tabla 2-1 de esta Memoria.
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a. Pesar los ridos separadamente (gravilla y arena) en estado hmedo. b. Homogeneizar separadamente los dos ridos mediante una revoltura a pala, para que as ellos presenten un estado de humedad uniforme. c. Tomar muestras de los ridos pesados y determinar su contenido de humedad. d. Corregir por humedad el peso de los ridos y del agua. e. Pesar el cemento, agua total (agua de amasado y de absorcin corregida por humedad), aditivo y fibras. f. Preparar la betonera, humedecindola antes de cargar los materiales. g. Preparar el aditivo, mezclndolo con una fraccin del agua total (10 a 15% aproximadamente). h. Cargar la gravilla y la arena en la betonera, agregando una fraccin del agua total (un 20% aproximadamente). i. Revolver los ridos durante 30 segundos para humedecerlos completamente. j. Cargar el cemento en la betonera. k. Amasar los materiales durante 2 minutos, agregando el agua y aditivo restante. l. Revolver manualmente la mezcla verificando su estado (asegurndose de que no quede material sin mezclar adherido al fondo y en las paredes de la betonera). m. Amasar durante otros 2 minutos. n. Determinar la densidad aparente del hormign fresco [41]. o. Descargar en pailas plsticas, previamente humedecidas, la cantidad de hormign correspondiente a la fraccin de cada tipo (ello se hace pesando el material equivalente a un cierto volumen). El hormign en las pailas es cubierto con lminas de polietileno para evitar la evaporacin del agua. p. Cargar la betonera con la fraccin de hormign correspondiente a un cierto porcentaje de fibra. q. Iniciar un amasado de 2 minutos, durante el cual se va incorporando paulatinamente la fibra mediante una lluvia continua de los filamentos sobre el hormign. r. Revolver manualmente la mezcla verificando su estado (asegurndose de que la fibra se haya mezclado uniformemente y que no hayan grumos de fibras).
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s. Amasar durante otros 3 minutos. t. Descargar el hormign con fibra en una paila, cubrindolo para evitar evaporacin. Cargar nuevamente la betonera con otra fraccin de hormign y repetir los puntos q, r y s, hasta haber confeccionado todos los tipos de hormigones. u. Una vez amasados todos los hormigones, medir la docilidad de cada uno de ellos mediante el cono de Abrams. v. Moldear las probetas correspondientes para los ensayos planificados de la colada.
Todo el proceso de mezclado de los distintos hormigones requiere un tiempo aproximado de 45 minutos. La medicin de la docilidad y el moldeo de las probetas requiere a su vez de otros 30 minutos, La faena de confeccin del hormign requiere la participacin de a lo menos 3 personas.
3.2.3 Programacin de las Coladas
Se planifica la ejecucin de dos series de coladas, cada una de ellas con el objetivo de moldear un grupo distinto de probetas, adems de efectuar el ensayo de trabajabilidad del hormign en estado fresco. De esta forma se tiene lo siguiente:
Serie N1: En esta serie se realizan coladas de 72 litros cada una y se contempla la fabricacin de 5 hormigones a partir del volumen inicial (un hormign patrn y los 4 tipos de hormign con distinto porcentaje de fibra de vidrio adicionado). Se realizan el ensayo de trabajabilidad. Adems se moldean las probetas prismticas para ensayar a flexotraccin, tanto a 7 como a 28 das de edad. En total se realizan 5 coladas de esta serie.
Serie N2: Se realizan coladas de 55 litros cada una y se contempla tambin la fabricacin de los 5 hormigones descritos en el punto anterior, a partir del volumen inicial. De estas coladas se moldean los cubos que sern ensayados a compresin tanto a 7 como a 28 das. Se realizan 2 coladas de esta serie.
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La identificacin y ordenacin de las distintas coladas se resume en la tabla 3-5.
Tabla 1-5. Identificacin de las Coladas. Serie 1 1 1 1 1 2 2 Colada 1 2 3 4 5 6 7 Litros 72 72 72 72 72 55 55 Prismas (5) Prismas (5) Prismas (5) Prismas (5) Cubos (10) Cubos (10) Probetas (Cantidad) Ensayo Docilidad Flexotraccin Flexotraccin Flexotraccin Flexotraccin Compresin Compresin Edad Hormign Fresco 7 das 7 das 28 das 28 das 7 das 28 das
Fuente: Propia.
Es importante sealar que como forma de control de calidad del hormign, en cada una de las coladas, se realizaron ensayos adicionales de docilidad (aparte de los establecidos en la colada 1 para todos los tipos de hormigones) sobre algunas17 de las mezclas de hormign para verificar que se haba conseguido el asentamiento de cono deseado, en el caso del hormign patrn, y ver cmo variaba el asentamiento de cono de los hormigones con fibras.
3.3 Tipologa de Probetas Fabricadas en Obra
La fabricacin de probetas se realiz segn los procedimientos establecidos por la norma chilena NCh 1017. EOf75. Dada la docilidad de estos hormigones, comprendida entre 5 y 10 cm de asentamiento de cono, se escogi como procedimiento de compactacin de la mezcla al interior de los moldes, el apisonado, tal como indica la citada norma NCh 1017.
17
El detalle de qu tipos de hormign fueron ensayados en cada colada se describe en los Anexos de esta Memoria, adems de mostrar los resultados de estas mediciones.
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3.3.1 Fabricacin de Probetas Cbicas para Ensayos de Compresin
Una vez obtenida la docilidad requerida para la mezcla de hormign reforzado con fibra de vidrio se procedi a la confeccin de los cubos. La mezcla de material se aadi en dos capas de espesor similar dentro de los moldes de 150 mm de arista, debidamente engrasados. Luego de depositar una capa sta era apisonada distribuyendo los golpes en toda la seccin del molde. Al terminar el apisonado de la segunda capa se procedi al alisado superficial. El proceso total de llenado del molde tom aproximadamente 3 minutos. En total se fabricaron 20 probetas cbicas.
3.3.2 Fabricacin de Probetas Prismticas para Ensayos de Flexotraccin
Al igual que el caso anterior, la mezcla fue adicionada a los moldes, previamente engrasados, en dos capas de espesor similar, procediendo a apisonarlas. Terminado el apisonado se procedi al alisado superficial. El tiempo requerido para llenar el molde fue de aproximadamente 5 minutos. Las dimensiones de stos moldes prismticos
corresponden a 15 cm de ancho, 15 cm de alto y 53 cm de largo. El nmero total de probetas prismticas tambin ascendi a 20.
3.3.3 Curado Inicial y Desmolde de las Probetas
Una vez concluido el proceso de llenado de los moldes, se cubri la superficie de stos con polietileno para evitar la evaporacin del agua superficial y se protegi el conjunto probeta-molde por todos sus lados con arena hmeda.
Las probetas cbicas fueron desmoldadas a las 24 horas en el laboratorio de hormigones de IDIEM, y las probetas prismticas se desmoldaron transcurridas 48 horas,
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en el mismo lugar. El traslado al laboratorio se hizo de manera tal que las superficies y aristas de la probeta no fueran alteradas.
3.3.4 Identificacin de las Probetas
La manera de identificar las probetas se puede apreciar en la tabla 3-6 que se muestra a continuacin
Tabla 3-6. Nomenclatura de las Probetas 1 Identificador C = Cubo 2 Identificador 3 Identificador 4 Identificador 1= probeta n1 Ejemplo C284002
V = Vigueta
07 = Ensayo a los 7 000 = 0% de das fibra 050 = 0,05% de fibra 28 = Ensayo a los 100 = 0,1% de 28 das fibra 200 = 0,2% de fibra 400 = 0,4% de fibra
2 = probeta n2
V070001
Fuente: Propia
3.3.5 Curado de las Probetas en el Laboratorio
Las probetas cbicas fueron colocadas en la cmara de curado (ver figura 3-2) a una temperatura de 20C 1C y a una humedad relativa de 95 1%. Las probetas estuvieron 7 28 das en la mencionada cmara, dependiendo de la identificacin que se les haba dado (el segundo identificador indicaba si el ensayo se hara a los 7 a los 28 das).
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Figura 3-2. Probetas cbicas depositadas en la cmara hmeda.
Las probetas prismticas fueron sumergidas en agua tranquila y saturada con cal (ver figura 3-3), a la misma temperatura que la anterior. Dependiendo de la edad de hormign requerida para los ensayos de flexotraccin, dichas probetas prismticas estuvieron 7 28 das sumergidas en las piscinas del laboratorio de hormigones de IDIEM.
Figura 3-3. Probetas prismticas sumergidas en agua saturada con cal.
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3.4 Desarrollo de los Ensayos
3.4.1 Ensayo de Trabajabilidad
El ensayo se efecta conforme a lo sealado en la norma NCh 1019. El hormign cumple con el requisito de tener un tamao mximo del rido menor que 50 mm y su trabajabilidad est dentro de los lmites establecidos para la aplicabilidad del mtodo, esto es, entre 2 y 18 cm.
Al realizar los ensayos no se observan inclinaciones o disgregaciones del cono de hormign, por el contrario, se observa una gran cohesin y plasticidad de la mezcla.
Para el caso de los distintos hormigones con fibras de observa una mayor cohesin en relacin al hormign patrn. Esto se nota al llenar el cono y al disgregar el cono con la varilla pisn posteriormente a la medicin.
En la figura 3-4 se aprecia la medida del asentamiento de cono.
Figura 3-4. Ensayo de Trabajabilidad: medicin del asentamiento de cono.
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4.3.2 Ensayo de Compresin
El ensayo se desarrolla de acuerdo al procedimiento indicado en la norma NCh 1037. Se ensayan dos cubos por cada tipo de hormign (distintos porcentajes de fibra de vidrio adicionado) a 7 y continuacin en la figura 3-5. a 28 das. Una vista de este ensayo puede apreciarse a
Figura 3-5. Ensayo de compresin.
4.3.3 Ensayo de Flexotraccin
El ensayo de flexotraccin se ejecuta basado en la norma NCh 1038. Segn la norma, para las dimensiones de esta probeta prismtica se debe realizar el ensayo con dos cargas puntuales del mismo valor, aplicadas en los lmites del tercio central de la luz de ensayo. Se ha escogido una luz de ensayo de 45 cm, de esta manera se respeta la distancia mnima de 2,5 cm que debe quedar entre las lneas de apoyo y los extremos de la probeta.
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Una vista del ensayo de flexotraccin puede ser apreciada en la figura 3-6 que se muestra a continuacin.
Figura 3-6. Ensayo de Flexotraccin.
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Captulo 4 ANLISIS E INTERPRETACIN DE RESULTADOS

4.1 Ensayo de Trabajabilidad
Con el ensayo de trabajabilidad se logra apreciar una clara influencia de la presencia de las fibras en el hormign fresco, observndose una disminucin de la docilidad de la mezcla a medida que aumentaba el porcentaje de fibra de vidrio adicionado.
Los resultados del ensayo se muestran en la tabla 6-1, y su representacin se aprecia en los grficos 6-1 y 6-2.
Tabla 4-1. Resultados Ensayo de Trabajabilidad. Tipo de Hormign Promedio Asentamiento de Cono [cm] H0 H1 H2 H3 H4
Fuente: Propia.
Desviacin Estndar
Variacin c/r a Hormign Patrn [%]
7,8 7,7 7,3 6,9 6,3
1,0 0,8 0,8 0,8 0,7
1,3 6,8 13,0 23,8
A medida que aumenta la cantidad de fibra adicionada a la mezcla de hormign el asentamiento de cono es menor. Se observa, entonces, una proporcionalidad inversa entre entre la cantidad de fibra adicionada y el asentamiento de cono. Es decir, a mayor porcentaje de fibra adicionado menor ser el asentamiento de cono.
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El mayor asentamiento de cono correspondi al hormign patrn con 7,8 cm, mientras que el menor alcanz a los 6,3 cm, es decir, un centmetro y medio de diferencia, respecto del mayor. Este ltimo valor correspondi al hormign H4, que como se indica en la Tabla 2-1 de esta Memoria, contiene 0,4% de peso en fibra de vidrio.
TRABAJABILIDAD DEL HORMIGN FRESCO ASENTAMIENTO DE CONO 8 7 6

Cono [cm]
5 4 3 2 1 0 H0 H1 H2 H3 H4
Tipo de Hormign
Grfico 4-0-1. Trabajabilidad del Hormign.
El menor porcentaje de variacin entre un hormign con fibra y el hormign patrn lo obtuvo el hormign H1, que tiene un porcentaje de fibra adicionado de 0,05% en peso de la mezcla. Esta variacin con respecto al hormign patrn alcanz al 1,3%, tal como puede ser apreciado en el Grfico 4-2. Por su parte la mxima variacin con respecto al hormign patrn correspondi al hornign H4. Dicha variacin correspondi al 23,8%. Los hormigones H2 (0,1% de fibra de vidrio en peso) y H3 (0,2% de fibra de vidrio en peso), ocuparon valores intermedio, obteniendo variaciones de 6,8% y 13,0% con respecto al hormign patrn, respectivamente.
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TRABAJABILIDAD DEL HORMIGN FRESCO EFECTO PORCENTUAL DE LA FIBRA 3

3 2 2 1 1 0
Tipo de Hormign
Grfico 4-0-2. Variacin del asentamiento de cono por influencia de la fibra agregada.
4.2 Ensayo de Compresin
Al realizar el ensayo de compresin se obtienen los valores que se indican en las Tablas 4-2 y 4-3.
Tabla 4-2. Resultados Ensayo a Compresin a 7 Das. Tipo de Hormign Promedio de Resistencia a la Compresin [kgf/cm2] H0 H1 H2 H3 H4
Fuente: Propia.
Desviacin Estndar
187 189 190 192 195
4,2 5,7 3,5 2,1 2,8
1,1 1,3 2,6 4,1
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Es importante sealar que para transformar resistencias a compresin medidas en probetas cbicas de arista 15 cm a probetas cbicas de arista 20 cm, se debe multiplicar dicho resultado por el factor 0,95 [43].
Tabla 4-3. Resultados Ensayo de Compresin a 28 Das. Tipo de Hormign Promedio de Resistencia a la Compresin [kgf/cm ] H0 H1 H2 H3 H4
Fuente: Propia.
2
Desviacin Estndar
257 262 262 263 267
4,2 3,5 1,4 2,1 3,5
1,7 1,9 2,1 3,7
Los resultados obtenidos indican, que si bien al aumentar la cantidad de fibra adicionada aumenta la resistencia a la compresin, este aumento es muy pequeo. En el Grfico 4-3 se aprecia que mientras la resistencia menor a los 7 das alcanz a los 187 kgf/cm2, correspondiendo este valora al hormign patrn, el mayor valor alcanz a los 195 kgf/cm2 , obtenido por el hormign H4. De la misma forma, en el ensayo a 28 das, los valores extremos fueron tambin alcanzados por el hormign patrn con una marca de 257 kgf/cm2, y el hormign H4 con un valor de 267 kgf/cm2. Los hormigones H2 y H3, obtuvieron valores intermedios entre los del hormign patrn y el hormign H4, tanto en el ensayo a 7 das como en el ensayo a 28 das. El hormign H3 obtuvo valores mayores a los de H2, en ambos casos.
70
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ENSAYO DE COMPRESIN 300

Compresin [kgf/cm2] Resistencia a la
250 200 150 100 50 0 7 Das 28 Das
Tipo de Hormign
H0
H1
H2
H3
H4
Grfico 4-3. Resultados del Ensayo de Compresin a 7 y 28 das.
En el grfico 4-4 se puede apreciar que si bien hay un efecto en el aumento de la resistencia a la compresin a medida que se adiciona mayor porcentaje de fibra de vidrio, porcentualmente este aumento es muy poco, variando entre el 1,1% y el 4,1%, respecto al hormign patrn, en el caso de los ensayos a 7 das, y entre el 1,7% y el 3,7%, respecto al hormign patrn, en el caso de los ensayos a 28 das. Dichos valores extremos fueron obtenidos por los hormigones H1 y H4, correspondiendo el menor valor al hormign H1, y el valor mayor al hormign H4.
Tanto a los 7 das como a los 28 das el porcentaje de aumento de la resistencia a la compresin respecto del hormign patrn, parece ser similar fijando un tipo de hormign con fibra. Por ejemplo, para el hormign H1 la variacin a los 7 das alcanz al 1,1% mientras que para los 28 das, el mismo hormign registr 1,7% de variacin respecto al hormign patrn. Una situacin similar ocurre con el hormign H2, que registr unos valores de 1,3% y 1,9% de variacin con respecto al hormign patrn, a los 7 y 28 das,
71
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respectivamente. Los hormigones H3 y H4, se comportaron de manera similar a los hormigones H1 y H2.
ENSAYO DE COMPRESIN EFECTO PORCENTUAL DE LA FIBRA 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 7 Das
H1 H2
28 Das
H3 H4
Tipo y Edad del Hormign
Grfico 4-4. Variacin de la Resistencia a la Compresin por influencia de la fibra agregada.
Para asegurar la calidad de los ensayos realizados, se hace un anlisis del nivel de control de los ensayos, segn lo especificado en la norma chilena NCh 1998. Of89 [44]. Se calcula el coeficiente de variacin del ensayo, el cual es un ndice de la rigurosidad con la cual se han confeccionado los hormigones y efectuado los ensayos de compresin. De acuerdo a la norma se calculan los parmetros , S1 y V1, de la manera siguiente:
a) donde:
R
i =1
(4.1)
Intervalo promedio
72
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Ri n
= =
Rmxima Rmnima , donde R es la resistencia mecnica en la muestra i. Nmero de muestras.
b) donde: S1 D
S1 = * d
(4.2)
= =
Desviacin normal de ensayos Constante que depende del nmero de probetas compaeras de cada muestra
(para el caso de dos probetas d toma el valor de 0,887).
c) donde: V1 fm
V1 =
S1 *100 fm
(4.3)
= =
Coeficiente de variacin del ensayo medido porcentualmente. Resistencia media del lote de muestras.
En la Tabla 4-4 se pueden apreciar los coeficientes de variacin de los ensayos de compresin para los 5 tipos de hormigones ensayados tanto a 7 como a 28 das, y la calificacin de su estado de control.
Tabla 4-4. Grado de Control de los Ensayos de Compresin. Coeficiente de Variacin Tipo de Hormign 7 das H0 H1 H2 H3 H4
Fuente: Propia.
[%] 28 das 2,1 1,7 0,7 1,0 1,7
Grado de Control 7 das Excelente Muy Bueno Excelente Excelente Excelente 28 das Excelente Excelente Excelente Excelente Excelente
2,9 3,8 2,3 1,4 1,8
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Dados los resultados mostrados en la Tabla 4-4, se puede decir, que en su conjunto, el nivel de control del ensayo de compresin fue excelente.
4.3 Ensayo de Flexotraccin
Los resultados del ensayo de flexotraccin a 7 y 28 das se consignan en las Tablas 4-5 y 4-6, respectivamente. Tabla 4-5. Resultados Ensayo de Flexotraccin a 7 Das. Tipo de Hormign Promedio de Resistencia a la Flexotraccin [kgf/cm2] H0 H1 H2 H3 H4
Fuente: Propia.
Desviacin Estndar
26,4 27,4 28,7 30,4 33,0
0,8 2,0 0,6 0,9 1,4
3,6 8,0 13,0 20,0
Tabla 4-6. Resultados Ensayo de Flexotraccin a 28 Das. Tipo de Hormign Promedio de Resistencia a la Compresin [kgf/cm2] H0 H1 H2 H3 H4
Fuente: Propia.
Desviacin Estndar
37,7 39,0 41,3 44,0 46,8
0,8 0,6 1,0 1,1 0,5
3,2 8,7 14,2 19,4
74
ID69F
Al realizar el ensayo de flexotraccin se observa un importante aumento de la resistencia del hormign, tanto a los 7 como a los 28 das, a medida que aumenta el porcentaje de fibra presente en la mezcla de hormign, tal como muestra el Grfico 4-5. Destaca, en este sentido el hormign el hormign H5, que registra los valores ms altos, para las dos edades del hormign, de resistencia a la flexotraccin, siendo stas de 33 kgf/cm2, para los 7 das y 46,8 kgf/cm2, para los 28 das. Por su parte los valores menores los registr el hormign patrn con 26,4 kgf/cm2 y 37,7 kgf/cm2, para los 7 y 28 das respectivamente. Los hormigones H1, H2 y H3, registraron valores comprendidos entre los que obtuvieron el hormign patrn y el hormign H4. Mientras el hormign contena mayor cantidad de fibra, ms alta fue su resistencia a la flexotraccin tanto a los 7 como a los 28 das.
ENSAYO DE FEXOTRACCIN 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
Resistencia a la Flexotraccin [kgf/cm 2]
7 Das
28 Das
Edad y Tipo de Hormign H0 H1 H2 H3 H4
Grfico 4-5. Resultados del Ensayo de Flexotraccin a 7 y 28 das.
Porcentualmente hablando (ver grfico 4-6), el incremento ms alto de resistencia a la flexotraccin, con respecto al hormign patrn, lo mostr el hormign que contena
75
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mayor cantidad de fibra de vidrio, H4, asimismo, la menor variacin la registr el hormign que contena menor cantidad de fibra de vidrio, H1. Es decir, mientras mayor fue la cantidad de fibra de vidrio adicionada, mayor fue el aumento porcentual de resistencia a la flexotraccin.
El hormign H4 registro un 20% y un 19,4% de variacin de la resistencia a los 7 y a los 28 das respectivamente. El hormign H3 registr valores de 13% y 14,2% de variacin, tambin a los 7 y 28 das de edad. Los dems hormigones tuvieron porcentajes similares de variacin entre los 7 y 28 das. Del anlisis anterior se observa un comportamiento similar al del ensayo de compresin, en que fijando un tipo de hormign con cierto porcentaje de fibra, los porcentajes de variaciones a los 7 y los 28 das fueron parecidos.
ENSAYO DE FLEXOTRACCIN EFECTO PORCENTUAL DE LA FIBRA
20
Variacin Porcentual c/r a Hormign Patrn [%]
15 10 5 0
7 Das
28 Das
Edad y Tipo de Hormign
H1
H2
H3
H4
Grfico 4-6. Variacin de la Resistencia a la Flexotracin por influencia de la fibra agregada.
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Captulo 5 CONCLUSIONES
5.1 El Hormign en Estado Fresco
La incorporacin de fibras de vidrio, tiene una serie de repercusiones sobre las propiedades del hormign en estado fresco, destacando entre ellas la reduccin de la trabajabilidad. A medida que aumenta el porcentaje de fibra de vidrio adicionado al hormign la docilidad de la mezcla disminuye.
La trabajabilidad seleccionada para los hormigones patrones de esta investigacin fue de 7,5 cm de asentamiento de cono, con lo que se cubre un rango muy amplio de estructuras que requieren dicho valor para una ptima colocacin de la mezcla. Producto de la adicin de fibras la trabajabilidad disminuye hasta un asentamiento de cono de 6 cm, es decir, la reduccin de la docilidad alcanza a un mximo de 20%. Este aspecto es de mucho inters, dado que se hace necesario conocer esta reduccin de trabajabilidad para poder tomar las precauciones del caso, al momento de disear la dosificacin del hormign con fibras. Para dosis mayores de fibras a las usadas en esta investigacin, la reduccin de trabajabilidad es an mayor [45], lo cual incide directamente en el costo del hormign, puesto que se hace necesario el uso adicional de aditivos plastificantes o bien aumentar el agua de amasado en conjunto con la dosis de cemento (para mantener constante la relacin agua/cemento), a la vez que se obliga un mayor control en el proceso de produccin de hormign.
La prdida de trabajabilidad en el hormign con fibras est acompaada de un efecto que puede ser beneficioso, ya que se aumenta la cohesin del hormign. Lo anterior ofrece algunas ventajas constructivas en algunas obras particulares, tales como hormigonado de taludes, vaciado del hormign desde cierta altura y hormign proyectado [46].
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5.2 El Hormign Endurecido
En cuanto a las propiedades mecnicas del hormign endurecido, se aprecia que la resistencia a la compresin si bien aumenta a medida que la mezcla de hormign contiene mayor porcentaje de fibra de vidrio; este aumento es muy pequeo, teniendo un mximo de variacin con respecto al hormign patrn del orden del 4%. Se puede decir, que la adicin de fibra de vidrio no tiene mayor influencia en el aumento de la resistencia a la compresin del hormign.
En cuanto a la resistencia a la flexotraccin, se aprecia claramente el aumento de este valor a medida que se aumenta el porcentaje de fibra de vidrio presente en la mezcla de hormign. Es as como se alcanza un mximo de 20% de aumento de la resistencia de la flexotraccin respecto del hormign patrn a los 7 das y un 19,4% de aumento a los 28 das. Como ya se ha sealado estos valores correspondieron al hormign que contena mayor cantidad de fibra de vidrio. Se concluye entonces que la adicin de fibra de vidrio es un factor relevante en el aumento de la resistencia a la flexotraccin de los hormigones.
5.3 Posibles Usos del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio
El uso de fibras de vidrio como parte integrante del hormign, es capaz de producir cambios favorables en su comportamiento. De los ensayos realizados se advierte que los mayores beneficios se obtienen en el aumento de la resistencia a la flexotraccin de los hormigones.
En base a la bibliografa estudiada [47,48], se encuentra que existe acuerdo en cuanto a que el hormign reforzado con fibras de vidrio mejora en forma notable la resistencia a los impactos y la fisuracin por retraccin plstica, adems de mejorar, en algn grado, la capacidad de deformacin del hormign otorgndole mayor tenacidad y ductilidad.
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Como consecuencia del anlisis de los resultados de la presente investigacin, se puede sealar que las aplicaciones en las cuales el hormign reforzado con fibra de vidrio puede brindar excelentes resultados, son las siguientes:
Losas Sobrelosas Pavimentos Industriales Pavimentos para Contenedores Hormign Proyectado Revestimientos de Tneles Prefabricados
5.4 Comparacin con Otras Fibras de Refuerzo
Dos de las fibras ms usada en el refuerzo del hormign adems de la de vidrio, son la fibra de polipropileno y la fibra de acero.
La fibra de polipropileno presenta la mayora de los atributos en el hormign que presenta la fibra de vidrio, sin embargo, no tiene influencia en el aumento de la resistencia a la flexotraccin en el hormign [49], como s lo hace la fibra de vidrio. Desde este punto de vista la fibra de vidrio es superior.
La fibra de acero presenta propiedades similares en el hormign a las que presenta la fibra de vidrio, sin embargo, la cantidad de acero que se necesita para resistir una misma carga mxima, es el doble que la de vidrio [50]. Dado el precio de la fibra de acero que alcanza los 0,1 U.F./kg y el precio de la fibra de vidrio que alcanza los 0,2 U.F./kg, ambas fibras son perfectamente comparables en cuanto a costos.
79
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5.5 Propuesta de Trabajos Futuros
Luego de realizar la presente investigacin, surgen varias ideas acerca de otros aspectos relativos al hormign reforzado con fibra de vidrio, que podran ser tratados en investigaciones futuras, entre ellos:
ptima relacin entre el tamao mximo del rido y el largo de la fibra. Influencia en el hormign de distintos tipos de fibras de vidrio (HP por ejemplo). Comparacin extensiva de la fibra de vidrio y las otras fibras de utilizadas para reforzar hormigones. Efecto de la fibra en la confeccin de elementos prefabricados.
Es de esperar que esta investigacin, que ac concluye, sea una de las muchas que se hagan respecto a este tema.
80
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ANEXOS
Tabla A.1 Dosificacin Hormign Patrn. Primer Ensayo de Prueba.
Probeta
Dimensiones a b c
Masa [g]
Densidad [g/cm3]
Carga [kgf]
Tensin 28 [kgf/cm2]
das
[cm] [cm] [cm] 1 2 3 4 15,0 15,2 15,0 15,1 15,2 15,0 15,1 15,0 15,0 15,1 15,0 15,0 7630 7540 7720 7480 2,231 2,190 2,272 2,202 57800 56700 54600 55000
254 247 241 243 Promedio: 246
Tabla A.2 Dosificacin Hormign Patrn. Segundo Ensayo de Prueba.
Probeta
Dimensiones a b c
Masa [g]
Densidad [g/cm ]
3
Carga [kgf]
Tensin 28 [kgf/cm2]
das
[cm] [cm] [cm] 1 2 3 4 15,1 15,0 15,0 15,2 15,0 15,0 15,0 15,2 15,0 15,0 15,1 15,1 7580 7620 7630 7690 2,231 2,228 2,231 2,248 59800 57600 58400 60100
264 253 256 265 Promedio: 260
Notas:
densidad =
tensin =
masa a *b *c
c arg a a *b
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Tabla A.3 Determinacin Rango de Adicin de Fibra.
Porcentaje de Fibra Adicionado [%]
Promedio extrapolado de la resistencia a la Compresin a los 28 das [kgf/cm2]
0,03 0,06 0,1 0,2 0,5 1,0 2,0
260 262 264 268 258 240 231
Tabla A.4 Detalle Ensayo de Trabajabilidad. Asentamiento de cono [cm].
Hormign Colada 1 1 2 3 4 5 6 7 promedio desviacin
H0 9,0 8,2 7,1
H1 8,8 7,7
H2 8 7,4
H3 7,3 7,4
H4 7,0 6,6
7,1 6,5 6,1 6,9 7 7,8 1,0 7,7 0,8 7,3 0,8 6,9 0,7 5,5 6 6,3 0,7
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Tabla A.5 Resultados Ensayo de Compresin
Hormign Edad [das]
Probeta
Dimensiones a b c
Masa [g]
Densidad Carga [g/cm ]

3
Tensin [kgf/cm2]
[kgf]
[cm] [cm] [cm] H0 H0 H0 H0 H1 H1 H1 H1 H2 H2 H2 H2 H3 H3 H3 H3 H4 H4 H4 H4 7 7 28 28 7 7 28 28 7 7 28 28 7 7 28 28 7 7 28 28 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 15,0 15,1 15,0 15,0 15,2 15,0 15,1 15,0 15,0 15,0 15,0 15,0 15,0 15,0 15,0 15,2 15,0 15,0 15,1 15,2 15,1 15,0 15,0 15,1 15,0 15,0 15,0 15,1 15,1 15,0 15,2 15,2 15,0 15,1 15,1 15,0 15,0 15,1 15,2 15,0 15,2 15,1 15,0 15,1 15,1 15,1 15,2 15,0 15,2 15,1 15,0 15,0 15,2 15,0 15,0 15,1 15,1 15,1 15,1 15,0 7480 7500 7650 7450 7590 7560 7720 7530 7630 7540 7580 7540 7580 7450 7550 7590 7660 7550 7500 7450 2,202 2,193 2,252 2,207 2,249 2,211 2,228 2,216 2,261 2,205 2,187 2,205 2,202 2,164 2,208 2,205 2,225 2,208 2,193 2,178 43000 42000 58900 57200 43400 42200 60600 58300 43200 42600 60800 59500 43700 43300 60700 60800 45200 44000 60400 59700 190 184 260 254 193 185 264 259 192 187 263 261 193 190 268 265 197 193 267 262
89
ID69F
Tabla A.5 Resultados Ensayo de Flexotraccin Hormign Edad [das] Probeta Dimensiones Carga a [cm] H0 H0 H0 H0 H1 H1 H1 H1 H2 H2 H2 H2 H3 H3 H3 H3 H4 H4 H4 H4 7 7 28 28 7 7 28 28 7 7 28 28 7 7 28 28 7 7 28 28 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 15,0 15,0 15,1 15,2 15,1 15,0 15,0 15,0 15,1 15,2 15,0 15,0 15,0 15,0 15,0 15,1 15,1 15,0 15,1 15,2 h [cm] 15,1 15,1 15,0 15,0 15,0 15,0 15,1 15,0 15,1 15,1 15,2 15,1 15,1 15,1 15,0 15,0 15,0 15,0 15,0 15,0 2050 1960 2890 2820 1960 2160 2930 2960 2170 2240 3230 3090 2260 2350 3240 3380 2420 2550 3500 3580 27 25,8 38,3 37,1 26 28,8 38,5 39,4 28,3 29,1 42,0 40,6 29,7 31 43,2 44,7 32 34 46,4 47,1 [kgf] Tensin [kgf/cm2]
Nota: Tensin de rotura =

P*L , con luz de ensayo L = 45 cm b * h2
90

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UNIVERSIDAD DE CHILE Facultad de Ciencias Fsicas y Matemticas Departamento de Ingeniera de los Materiales

Alumno: Jos Patricio Bravo Celis

Fecha: Martes 09 de diciembre de 2003.

Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio

Comportamiento Mecnico del Hormign Reforzado con Fibra de Vidrio

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BIBLIOGRAFA ________________________________________________________ 81 ANEXOS ______________________________________________________________ 87

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Captulo 1 ANTECEDENTES TERICOS

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Figura 1-1. Clasificacin de los Materiales Compuestos (Callister, 1996).

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1.1.2 Materiales Compuestos Reforzados con Partculas

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1.1.3 Materiales Compuestos Estructurales

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1.1.4 Materiales Compuestos Reforzados con Fibras

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1.2.2.1 Materiales Compuestos con Fibras Discontinuas y Orientadas al Azar

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Fuente: Adaptado de Materials Engineerings Materials Selector. Copyright/IPC, 1988.

Fuente: H. Krenchel, Fibre Reinforcement, Copenhague: Akademisk Forlag, 1964, pg 64.

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1.2.3 Fase Fibrosa

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Mdulo elstico (GPa)

Mdulo especfico (GPa)

690 480 380 415 550

314 150 119 106 141

124 72 150 500 170 425

Fuente: Adapatado de Introduccin a la Ciencia e Ingeniera de los Materiales, W. Callister, 1996.

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1.2.4 Fase Matriz

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1.3 Fibra de Vidrio

1.3.1 Tipos de Vidrio [14]

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Vidrio R: alto desempeo mecnico

Vidrio D: caractersticas dielctricas muy buenas

Vidrio AR: resistente a lcali

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Fuente: Pgina web de Saint Gobain Vetrotex de Brasil.http:// www.saint-gobain-vetrotex.com.br

una longitud determinada son aglomerados entre s mediante un ligante qumico.

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1.4 La Fibra de Vidrio A. R. 1.4.1 Historia

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Ensimado: El conjunto de filamentos desnudos, tal y como salen de la hilera, son

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1.5 Fabricacin de un GRC

BIBLIOGRAFA 81 ANEXOS ______ 87