HORMIGÓN REFORZADO CON FIBRAS DE POLIPROPILENO. INFLUENCIA DE LA DUCTILIDAD DE LA FIBRA SOBRE LA FRAGILIDAD Y EL EFECTO TAMAÑO

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  HORMIGÓN REFORZADO CON FIBRAS DE POLIPROPILENO. INFLUENCIA DE LA DUCTILIDAD DE LA FIBRA SOBRE LA FRAGILIDAD Y EL EFECTO TAMAÑO F. Medina, H. Cifuentes Grupo de Estructuras. Escuela Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla. Camino de los Descubrimientos s/n, 41092 Sevilla. E-mail: bulte@us.es RESUMEN En el presente trabajo se realiza un estudio experimental sobre la influencia que las propiedades mecánicas de la fibras de polipropileno tienen en la fragilidad y efecto tamaño de los hormigones reforzados con las mismas. Se han ensayado unas probetas entalladas geométricamente similares y de diferente tamaño, para hormigones reforzados con dos tipos de fibras y un hormigón sin fibra, como hormigón de control. Las fibras presentan diferentes comportamientos mecánicos, unas de las fibras poseen una alta tenacidad y una baja elongación (G1C) y la otras fibras poseen baja tenacidad y alta elongación (G3C). Se obtienen los coeficientes de la ley de efecto tamaño de Bazant, las curvas de ablandamiento, la energía de fractura y la longitud característica de los materiales. En función de estos resultados se analiza el efecto que la ductilidad de las fibras presenta sobre la propia ductilidad del hormigón reforzado con ellas. ABSTRACT In the present work, an experimental study about the influence of the mechanical properties of polypropylene fibers in the brittleness and size effect in FRC has been carried out. Geometrically similar single edge notched bend (SENB) specimens, subject to three-point bending, were made of three types of concrete, two of which were reinforced with different fibers. The third one, non-reinforced, was used as the control concrete. The two fibers used have different mechanical properties, one having high tenacity and low ductility (G1C), the other having low tenacity and high ductility (G3C). The coefficients of the Bazant’s size effect law, the softening curves, the fracture energy and the characteristic length have been obtained. From these results, a study of the influence of the ductility of the fiber in the ductility of the FRC has been developed. PALABRAS CLAVE:   Efecto tamaño, Fragilidad, Fibras de polipropileno.   1. INTRODUCCIÓN El refuerzo de hormigones mediante añadido de fibras durante el amasado del mismo es una técnica que se ha implantado desde hace varias décadas [1, 2, 3]; encontrando diversas aplicaciones dentro del campo de los hormigones estructurales y que actualmente sigue siendo objeto de estudio de numerosos investigadores. Inicialmente las fibras añadidas al hormigón fueron de acero, observando que se producía una mejora en las  propiedades del hormigón. La adición de estas fibras, añaden a la matriz de hormigón una red de pequeñas armaduras que le proporcionan una mayor trabazón. Junto con el desarrollo de la fibra del plástico, se han ido fabricando fibras de polipropileno, entre otras, que añadidas al hormigón consiguen mejorar sus  propiedades, al igual que sucede con las de acero, y  presentan además ventajas adicionales. Entre estas ventajas se pueden incluir el menor peso que estas  presentan y sobre todo la ausencia de corrosión de este tipo de fibras. Como contrapartida para este tipo de fibras se encuentra que presentan unas menores  propiedades mecánicas que la fibras de acero, por lo que los hormigones resultantes experimentarán un menor aumento de las propiedades mecánicas, a favor de las ventajas anteriormente mencionadas. En cuanto a las propiedades mecánicas, se observa una mejora en la resistencia, sobre todo en la resistencia a tracción se refiere [4]. Este aumento en la resistencia a tracción está íntimamente relacionado con el efecto de cosido de fisuras que la adición de estas fibras representa. Este efecto de cosido de fisuras, evidentemente mejora el comportamiento frente a la fisuración del hormigón y otros aspectos relacionados con la misma, como puede ser la retracción. La mejora que sobre las propiedades a tracción representa la adición de estas fibras en la matriz de los hormigones, ha srcinado que se hayan desarrollado modelos de mecánica de fractura de materiales cuasifrágiles [2, 5, 4]. Mediante estos modelos se representa el comportamiento en fractura de los hormigones reforzados con fibras y se analizan las 215  mejoras que sobre este comportamiento aporta la adición de fibras. Así se contempla el efecto favorable que las fibras tienen sobre las fuerzas cohesivas a considerar en modelos de grieta discreta. En el presente trabajo se estudia la influencia que la adición de fibras de polipropileno en el hormigón  presenta en las propiedades de fractura. Se estudiará especialmente el efecto de las fibras en el efecto tamaño de este tipo de material y en la fragilidad/ductilidad del mismo. Asimismo se analiza el efecto que presentan diferentes leyes de comportamiento de la propia fibra. En este sentido se han fabricado hormigones con dos tipos de fibra distintas, una primera fibra con una tenacidad alta y una baja elongación y una segunda fibra con una tenacidad baja y una elongación alta (a igualdad del resto de características). La mayor o menor tenacidad de las fibras puede afectar de manera significativa el comportamiento en fractura del hormigón, ya que influirán sobre la fisuración del mismo y por lo tanto sobre su ductilidad. 2. CONCEPTOS BASICOS SOBRE EFECTO TAMAÑO El efecto tamaño se define por comparación entre especimenes o estructuras de diferente tamaño pero geométricamente similares. La carga última (carga máxima) P u  se caracteriza por la tensión nominal, σ   N   , en el momento del fallo. u Nn  P  σ  =cb·D   (1) Siendo b  el espesor del elemento,  D  una dimensión característica (normalmente el canto) y c n  un coeficiente introducido convenientemente en función de cómo se defina σ   N  . En estructuras de hormigón (armado o en masa) existe el efecto tamaño y estructuras geométricamente similares y de distinto tamaño presentan diferente σ   N   en el momento del fallo [6]. Bazant [6] formuló en 1995 su conocida ley de efecto tamaño del hormigón (expresión 2). Esta expresión depende fundamentalmente de dos  parámetros, G  f   y c  f  . Estos parámetros representan la energía de fractura y la longitud de la zona de proceso de fractura para un espécimen de tamaño infinito. ( ) ( )  f  N 0f0  E·G σ  = g'   α ·c+g   α ·D  (2) Siendo G  f   y c  f  , los parámetros expuestos anteriormente,  E   el modulo de deformación del hormigón,  g(  α 0  )  y  g’(  α 0  )  unas expresiones que dependen de la geometría del problema y α 0  la profundidad relativa de entalla. El parámetro c  f   está relacionado con la fragilidad del material, presentando valores más bajos para materiales más frágiles. Dicha fragilidad puede ser representada mediante el número de fragilidad estructural según se indica en la ecuación (3). ( )( ) 0f   Dg   α  D  β  == Dg'   α c  (3) Como c  f   está relacionado con la longitud de la zona de  proceso de fractura, materiales más dúctiles deberían  presentar un valor mayor de este parámetro. 3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL La determinación de los G  f   y c  f   de la ley de efecto tamaño de Bazant, puede llevarse a cabo de acuerdo con el procedimiento de la asociación internacional RILEM [7]. El procedimiento consiste en ensayar en flexión en tres  puntos, hasta rotura, tres probetas entalladas del material a estudiar, geométricamente similares y de diferente tamaño. Una vez obtenida la carga de rotura de cada probeta, se obtiene la tensión correspondiente, según la expresión (1), con c n  = 1 . A continuación se representa en un gráfico 1/   σ   N 2 -D  y se obtiene una recta mediante regresión lineal, con  pendiente  A  y ordenada en el srcen C  . En función de estos parámetros de la recta, se obtienen los coeficientes G  f   y c  f  , como se indica en las expresiones (4) y (5). 0 f   g(  α  )G= A·E   (4) 0 f 0  g(  α  )C c= g'(  α  )A  (5) Con estos parámetros se puede obtener la expresión de la ley de efecto tamaño de Bazant y el número de fragilidad, pudiéndose realizar análisis del comportamiento en fractura de los hormigones ensayados. En este caso se han ensayado hormigones reforzados con fibras de polipropileno con dos leyes de comportamiento distinto, un tipo de hormigón con fibras de alta tenacidad y baja elongación y otro tipo con fibras de baja tenacidad y alta elongación, además se ha realizado el mismo ensayo a un hormigón sin fibras, cuyos resultados nos sirvan como parámetros de control. 216  De cada uno de los tamaños de las probetas (figura 1), se han ensayado tres especimenes correspondientes a cada tipo de hormigón. En la tabla 1 se muestran las dimensiones de cada una de las probeta, donde  D  es el canto de la probeta, b  el ancho, S   la distancia entre apoyos y  L  la longitud total. La profundidad relativa de entalla es la misma en todas las probetas y de valor α 0  = 0.5 . Tabla 1. Dimensiones de probetas de efecto tamaño Prob.  D (mm) b (mm) S (mm) L (mm) ET1 75 75 262.5 300 ET2 150 75 525 600 ET3 225 75 787.5 900  Figura1. Probetas de efecto tamaño. La caracterización del material se ha realizado mediante ensayos de probetas cilíndricas a compresión simple y a tracción indirecta y probetas prismáticas a flexotracción. La rotura de las probetas entalladas de efecto tamaño se ha realizado en una máquina dinámica de 25 kN de capacidad con control en posición y una velocidad de carga de 0.1 mm/min. Los apoyos de las probetas son antitorsión, de manera que se eviten efectos parásitos. El sistema de instrumentación del equipo permite recoger en todo momento la carga transmitida a la  probeta y el desplazamiento vertical de la misma, por lo que se puede obtener la curva carga-desplazamiento. Se ha podido obtener la curva de ablandamiento postpico de los hormigones y por lo tanto se puede calcular la energía de fractura específica G  F  , según la expresión (6). ∫  F 0  P·d  δ G=(D-a)·b  (6) Donde  P   representa la carga, δ  el desplazamiento vertical y a 0  la longitud inicial de la entalla. Asociado con este valor, se puede obtener la longitud característica, l  ch , que representa un parámetro importante en mecánica de fractura del hormigón y que está relacionado con longitud de la zona de proceso de fractura del material [8]. En la expresión (7) se indica la manera de obtener este valor.  F ch2t   E·Gl= f   (7) Siendo  E   el módulo de deformación del hormigón y  f  t    la resistencia a la tracción. Materiales más frágiles presentarán una menor longitud característica. 4. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES A continuación se presentan las propiedades de los materiales utilizados en el presenta trabajo. Por un lado se describen las propiedades de las fibras empleadas y  por otro lado las propiedades de los hormigones reforzados con las mimas y del hormigón de control sin fibras. 4.1. Propiedades de las fibras Como ya se ha comentado anteriormente, se han utilizado dos tipos de fibras de polipropileno, de características mecánicas diferentes, para el refuerzo de hormigones. Las propiedades que definen las fibras son su espesor e , expresado en dtex, su tenacidad Ten . en cN/tex, su elongación  El  . en % y su longitud  L  en mm. En la tabla 2 se muestran las propiedades de las fibras, así como su designación. Tabla 2. Propiedades de las fibras de polipropileno Fibra e Ten. El. L G1C 6.7 52.41 86.16 24 G3C 6.7 30.28 177.01 24 Como se puede observar, las fibras G1C son de alta tenacidad y baja elongación y las fibras G3C son de  baja tenacidad y alta elongación. 4.2. Propiedades de los hormigones Se han fabricado tres tipos de hormigón diferentes, un hormigón sin fibras como hormigón de control, un hormigón reforzado con fibras G1C y otro hormigón con fibras G3C. La dosificación de las fibras empleada ha sido de 1200 g/m 3 . En la tabla 3 se muestran las propiedades de los distintos hormigones, caracterizados por su resistencia a compresión  f  c  (MPa), la resistencia a tracción indirecta 217   f  ti  (MPa), la resistencia a flexotracción  f  tf   (MPa) y el módulo de deformación  E   (MPa). Tabla 3. Propiedades de los hormigones Hormigón  f  c  f  ti  f  tf   E SF 27.3 2.52 3.61 27880 G1C 29.7 2.59 3.71 28497 G3C 32.5 2.62 3.87 29203 En la tabla 3 se observa el aumento de las propiedades mecánicas en los hormigones reforzados con fibras de  polipropileno. Como se aprecia en la tabla, se consiguen aumentos mayores con la fibra G3C, que con la fibra G1C que tiene una tenacidad superior. Esto puede deberse a la aleatoriedad que se produce durante el  propio proceso de hormigonado de amasadas diferentes. 5. RESULTADOS OBTENIDOS A continuación se presentan los resultados obtenidos en los ensayos de efecto tamaño, sobre probetas entalladas,  para los hormigones descritos en el apartado anterior. En la tabla 4 se muestran la carga última  P  u  (N), la carga última corregida con el peso propio  P  uc  (N), la tensión nominal en el momento del fallo σ   N    (kPa), el desplazamiento vertical máximo obtenido d  max  (mm), la energía específica de fractura G  F   (N/m) y la longitud característica l  ch  (mm), para cada probeta y tipo de hormigón. Tabla 4. Resultados sobre probetas de Efecto Tamaño Prob.  P  u  P  uc   σ   N   d  max  G  F   l  ch   ET1-SF 470 488 86.8 1.32 44.3 194.8 ET2-SF 542 612 54.4 1.31 33.2 146.1 ET3-SF 1089 1249 74.0 1.75 40.1 199.2 ET1-G1C 609 628 111 4.11 91.9 389 ET2-G1C 710 782 69.6 3.26 50.9 215.6 ET3-G1C 1535 1698 100.6 2.52 74.7 316.6 ET1-G3C 294 312 55.5 3.66 45.8 194.1 ET2-G3C 1337 1412 125.5 3.26 87.0 368.9 ET3-G3C 1546 1708 101.2 3.20 102 434 En la figura 2 se muestran las curvas σ   N  -D  obtenidas  para cada tipo de hormigón. Tensión - D 02040608010012014050 100 150 200 250 D (mm) SFG1CG3C  Figura 2. Curvas tensión-tamaño para los distintos hormigones  Como se observa en la figura anterior, en el hormigón de control se produce un efecto tamaño, aunque no está claramente evidenciado, siendo menor su efecto en los hormigones reforzados con fibras. En particular, en el hormigón reforzado con fibra G3C no se produce efecto tamaño ninguno, ya que se obtienen mayores tensiones  para tamaños mayores. En la tabla 5 se muestran los resultados obtenidos de los  parámetros G  f   (N/m) y c  f   (mm), según las expresiones (5) y (6). Tabla 5. Parámetros G  f   y c  f    Hormigón G f   c f   SF 9.1 78.2 G1C 25.3 146.3 G3C - - El valor de los parámetros G f   y c f   para el hormigón reforzado con fibras G3C no se ha podido obtener, debido a que las probetas de hormigón reforzadas con este tipo de fibras, no presentaron efecto tamaño. El valor obtenido de c f   para el hormigón de control es inferior que el correspondiente al hormigón reforzado con fibras G1C, lo cual evidencia una menor fragilidad de los hormigones reforzados con este tipo de fibras. Aunque estos valores de los parámetros se han obtenido sobre unas curvas que presentan efectos tamaño poco  pronunciados, pueden ser empleados como valores relativos que permiten la comparación entre hormigones, pudiendo obtenerse conclusiones interesantes sobre la fragilidad y el comportamiento en fractura de los mismos. Un análisis de la mayor o menor ductilidad del material, así como de sus propiedades de fractura, puede realizarse a través de la energía específica de fractura, G  F   (N/m) y de la longitud característica, l  ch  (mm), cuyos valores se muestran en la tabla 6 para los distintos hormigones ensayados. 218  Los valores de G  F   y l  ch  se han obtenido como valor medio de los valores correspondientes a cada tamaño de  probeta, para cada tipo de hormigón. Como se observa en la tabla 4, los resultados obtenidos presentan una mayor aleatoriedad para hormigones reforzados con fibras de polipropileno, por lo que este valor medio así obtenido, permite una mejor comparación entre hormigones. Tabla 6. Valores medios de G  F   y l  ch   Hormigón G  F   l  ch   SF 39.2 180.0 G1C 72.5 307.1 G3C 78.3 332.3 Como se puede observar, la energía específica de fractura aumenta considerablemente para los hormigones reforzados con fibras. Esto se debe a que  para este tipo de hormigones la curva de ablandamiento tiene una mayor duración, lo que se evidencia experimentalmente a través de las curvas  P- δ  (figura 3). El desplazamiento vertical máximo medio para los distintos tipo de hormigones es de 1.46 mm para el hormigón de control, 3.29 para el hormigón reforzado con fibras G1C y 3.37 para los hormigones con fibras G3C. Carga-Desplazamiento -20002004006008001000120014001600-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Desplazamiento (mm) ET3-SFET3-G1CET3-G3C    Figura 3. Curva P- δ  para los distintos hormigones Este aumento de la curva de ablandamiento se debe al efecto cosido que las fibras de polipropileno presentan en la matriz de hormigón. En la figura 4 se puede apreciar la presencia de estas fibras y su efecto cosido en la fisuración del hormigón.  Figura 4.- Efecto de cosido de las fibras de  polipropileno en la matriz de hormigón El efecto de las propiedades de la fibra de polipropileno se evidencia a través de los resultados obtenidos anteriormente. Como se aprecia en la tabla 6, la energía específica de fractura es mayor para los hormigones reforzados con fibras G3C frente a las G1C, además la longitud característica es también mayor para las fibras G3C. Por lo tanto, los hormigones reforzados con fibras G3C serán más dúctiles que los hormigones reforzados con fibras G1C. Teniendo en cuenta que las fibras G3C son de baja tenacidad y alta elongación y las fibras G1C son de alta tenacidad y baja elongación, se observa que los hormigones reforzados con fibras más dúctiles,  presentan también una mayor ductilidad. 6. CONCLUSIONES A la vista de los resultados experimentales descritos en el apartado anterior, se obtienen las siguientes conclusiones: 1.- La adición de fibras de polipropileno al hormigón, mejora las propiedades mecánicas del mismo. En este sentido se experimenta un aumento de la resistencia característica a compresión, de la resistencia a tracción indirecta y de la resistencia a flexotracción. Según los resultados mostrados en la tabla 3, se produce un aumento medio aproximado de un 14% en la resistencia a compresión, un aumento del 6% en la resistencia a tracción indirecta y un aumento del 5% en la resistencia a flexotracción. 2.- Con la adición de fibras de polipropileno se disminuye el efecto tamaño del hormigón. Tal y como se observa en la figura 2, el efecto tamaño es mucho menos pronunciado en los hormigones reforzados con fibras. En las probetas reforzadas con fibras G3C no se  produce efecto tamaño, obteniéndose tensiones nominales incluso mayores para tamaños más elevados. 219
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